杨尚锋, 鲍志东, 沈延伟, 高银山, 林艳波, 朱立华, 陈小宏, 丁圣, 朱博华, 齐晴, 李飞. (2023). 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组古河道砂岩储集层成岩演化及主要胶结物来源* [J]. 古地理学报, 25(4): 906-919.
YANG Shangfeng, BAO Zhidong, SHEN Yanwei, GAO Yinshan, LIN Yanbo, ZHU Lihua, CHEN Xiaohong, DING Sheng, ZHU Bohua, QI Qing, LI Fei. (2023). Diagenetic evolution and sources of main cements within palaeochannel sandstone reservoirs of the Jurassic Yan'an Formation in Jiyuan area,Ordos Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(4): 906-919.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.04.078
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鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组古河道砂岩储集层成岩演化及主要胶结物来源*
杨尚锋1, 鲍志东2, 沈延伟3, 高银山3, 林艳波3, 朱立华1, 陈小宏4, 丁圣1, 朱博华1, 齐晴1, 李飞1
1 中石化石油物探技术研究院有限公司,江苏南京 211103
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
3 中国石油长庆油田分公司第五采油厂,陕西西安 710200
4 中国石油大学(北京)地球物理学院,北京 102249

第一作者简介 杨尚锋,男,1990年生,博士,主要从事沉积学、储集层地质学和地震综合解释相关工作。E-mail: wwwyshf@yeah.net。

收稿日期:2023-03-13 修回日期:2023-04-03
基金资助:*国家自然科学基金企业创新发展联合基金(编号: U19B6003-004)和江苏省“卓博计划”(编号: JB0210008)联合资助
摘要

成岩作用直接影响储集层物性演化进而控制储集层品质,厘清储集层成岩作用的相对先后顺序对油气勘探具有重要意义。通过岩心观察、普通薄片、铸体(染色)薄片、扫描电镜( SEM)、阴极发光( CL)、 X衍射、流体包裹体以及碳氧同位素等多种测试手段,对鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组古河道砂岩成岩演化过程及其主要胶结物来源进行研究,并定量分析了胶结作用和压实作用对粒间孔隙变化的影响。结果表明: 延安组古河道砂岩储集层主要发育长石砂岩和岩屑长石砂岩,平均孔隙度 15.1%,平均渗透率 19.5× 10- 3 μm2,属中孔低渗储集层; 先后经历压实、早期胶结、中期溶蚀、晚期胶结和晚期交代等成岩作用; 其中,铁方解石胶结物含量最高,高岭石分布最广泛。胶结作用是原始粒间孔隙体积减少的最主要贡献者,平均贡献量为 37.5%;压实作用次之,平均贡献量为 29.4%。方解石胶结物直接来源于与大气降水相关的成岩流体,白云石是早期方解石与薄煤层、泥岩热演化产物联合供源,铁方解石则直接来源于薄煤层和泥岩夹层的热演化产物。本次研究建立了姬塬地区侏罗系延安组古河道砂岩储集层的成岩演化序列,可为后续深入勘探、开发提供储集层评价基础。

关键词: 成岩作用; 胶结物来源; 延安组; 姬塬地区; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:P618.130.2+1 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)04-0906-14
Diagenetic evolution and sources of main cements within palaeochannel sandstone reservoirs of the Jurassic Yan'an Formation in Jiyuan area,Ordos Basin
YANG Shangfeng1, BAO Zhidong2, SHEN Yanwei3, GAO Yinshan3, LIN Yanbo3, ZHU Lihua1, CHEN Xiaohong4, DING Sheng1, ZHU Bohua1, QI Qing1, LI Fei1
1 Sinopec Geophysical Research Institute Co.,Ltd., Nanjing 211103,China
2 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
3 The Fifth Oil Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an 710200,China
4 College of Geophysics,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China

About the first author YANG Shangfeng,born in 1990,doctor,is mainly engaged in sedimentology,reservoir geology and comprehensive seismic interpretation. E-mail: wwwyshf@yeah.net.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No. U19B6003-004),and Jiangsu Funding Program for Excellent Postdoctoral Talent(No. JB0210008)
Abstract

Diagenesis directly affects the evolution of reservoir physical properties,and further controls reservoir quality. It is of great significance for oil and gas exploration to clarify the relative sequence of diagenesis. The diagenetic evolution of Jurassic Yan'an Formation palaeochannel sandstone in Jiyuan area of Ordos Basin and its main sources of cements were studied based on core observation,common thin sections,cast(stained)thin sections,scanning electron microscopy(SEM),cathodoluminescence(CL),X-ray diffraction,fluid inclusion and carbon & oxygen isotopes. Also the impact of cements and compaction on the loss of intergranular pores was quantitatively analyzed. The results show that paleochannel sandstone reservoir of Yan'an Formation is mainly composed of arkoses and lithic arkoses,with average porosity of 15.1% and average permeability of 19.5×10-3 μm2,which belongs to medium-porosity and low-permeability reservoir. The diagenetic process has experienced compaction,early cementation,medium dissolution,late cementation and late replacement. As far as the cements are concerned,the content of ferrocalcite is the highest,and kaolinite is the most widely distributed. Cements are the main contributor to the reduction of original intergranular pore volume,with an average contribution of 37.5%,and compaction was the minor contributor,with an average contribution of 29.4%. In addition,calcites directly derived from diagenetic fluid related to atmospheric water;dolomite was a joint source of early calcite,coal and mudstone thermal evolution products,but ferrocalcite primarily originated from thermal evolution of coal and mudstone interlayer. This study establishes a diagenetic sequence of Jurassic Yan'an Formation palaeochannel sandstone reservoirs in Jiyuan area,which is able to provide a foundation for reservoir assessment for further exploration and development.

Key words: diagenesis; sources of cement; Yan'an Formation; Jiyuan area; Ordos Basin

近年来, 鄂尔多斯盆地侏罗系延安组古河道砂岩勘探成效显著, 在宁陕古河、蒙陕古河、甘陕古河及其分支河道附近发现了大量古地貌控制的商业油藏, 并钻探了一批高产工业油流井, 显示出良好的勘探潜力和增储前景(时保宏等, 2014; 王霞等, 2017; 潘星等, 2019)。姬塬地区侏罗系储集层沉积相变快、非均质性强、成藏条件复杂, 油藏往往具有“ 小而肥” 的发育特征, 其分布主要受控于前侏罗纪古地貌、构造特征以及沉积相(张天福等, 2016; 赵彦德等, 2016; 潘星等, 2019; 赵虹等, 2020)。有鉴于此, 前人研究重心多集中在古地貌恢复、构造演化、沉积相展布以及成藏规律等方面, 沉积后的成岩演化对储集层和油藏成因影响的探讨鲜有报道(杜海峰, 2005; 赵俊兴和陈洪德, 2006; 李士祥等, 2010; 李凤杰等, 2013; 袁珍等, 2013; 庞军刚等, 2014)。随着精细勘探工作的不断推进, 加之储集层非均质性导致的开发矛盾日益凸显, 储集层成因机制问题逐渐受到重视(潘星等, 2019)。成岩作用作为影响储集层品位的关键因素之一, 直接控制着储集层物性演化和空间发育特征, 对提高侏罗系油藏勘探开发效果的重要性不言而喻(Gier et al., 2008; Worden and Burley, 2009; Bjø rlykke and Jahren, 2012; Rahman and Worden, 2016; 金凤鸣等, 2018; Oluwadebi et al., 2018; 罗静兰等, 2020; 操应长等, 2022)。

本研究以鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组储集层为研究对象, 针对岩石学特征、成岩作用类型、成岩演化序列以及储集层物性变化的成岩主控因素等问题, 运用岩心、铸体薄片、扫描电镜、阴极发光、X衍射、流体包裹体、碳氧同位素等分析测试技术, 探讨储集层岩石学类型以及不同成岩作用发生、发展的相对先后顺序, 明确成岩作用对储集层质量的影响, 以期为姬塬地区侏罗系油藏的进一步勘探与开发提供储集层地质依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是一个发育在华北克拉通西南部的多旋回叠合盆地, 盆地内部包括伊盟隆起、渭北隆起、西缘冲断带、晋西挠褶带、天环坳陷和伊陕斜坡6个一级构造单元(Yang et al., 2020; 杨尚锋, 2021)。其中, 伊陕斜坡范围最大, 呈东高西低的大型单斜产状(赵虹等, 2020)。三叠纪末, 在印支运动主幕作用下盆地整体抬升, 三叠系延长组顶部遭受强烈的差异风化和河流侵蚀作用, 形成丘谷起伏、沟壑纵横、水系广布的古地貌景观(潘星等, 2019; Zhao et al., 2020)。早侏罗世, 盆地内主要发育宁陕古河、蒙陕古河、甘陕古河3条二级古河及其支流体系(图 1)(宋凯等, 2003; 张泓等, 2008; 李凤杰等, 2009)。侏罗系延安组即在此地貌背景下沉积而成, 与下伏延长组呈不整合接触(王霞等, 2017)。

图 1 姬塬地区位置及鄂尔多斯盆地中西部前侏罗纪古地貌特征Fig.1 Location of Jiyuan area and Pre-Jurassic palaeogeomorphology of central-western Ordos Basin

姬塬地区位于盆地中西部, 构造上横跨伊陕斜坡和天环坳陷, 古地貌上位于宁陕古河和姬塬高地(图 1)(郭正权等, 2008; 史超群等, 2011)。早侏罗世姬塬地区除东北部宁陕古河沉积河道砂以外, 整个姬塬高地仍然处于剥蚀、夷平过程(郭正权等, 2008); 中侏罗世延安组(自下而上依次划分为延10— 延1(图 2)共计10个油层组)延10期进入削高填低的尾声, 至延9期古地貌已经基本填平补齐(刘建平等, 2004; 史超群等, 2011; 王科等, 2022)。因此, 延10油层组主要发育以河道沙坝和泛滥平原亚相为主的辫状河沉积; 河道砂体厚度大, 横向周期性迁移, 垂向多期河道叠置, 多见大型槽状交错层理和块状层理, 河床底部冲刷面和滞留沉积明显; 岩性主要为中— 粗粒砂岩, 俗称“ 宝塔砂岩” , 局部发育含砾砂岩、砾岩以及碳化植物碎屑(刘建平等, 2004)。延9— 延1油层组沉积环境过渡为辫状河三角洲— 湖泊体系, 主要发育辫状河三角洲平原亚相并伴生沼泽煤系沉积; 在周期性泄洪作用下分流河道侧向改道频繁, 单层河道砂体厚度较小, 发育交错层理、平行层理以及河道冲刷面; 岩性主要为块状中— 细粒砂岩, 薄煤层常见(刘建平等, 2004; 史超群等, 2011)。此外, 埋藏演化史显示侏罗系延安组自沉积开始至中白垩世持续埋藏, 虽然在中、晚侏罗世先后经历了2次抬升, 但幅度并不大; 晚白垩世早期埋藏深度达到最大, 地层温度随之升高至105 ℃左右; 晚白垩世中期开始缓慢抬升, 至新近纪再次沉降(图 2)(赵彦德等, 2016)。

图 2 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组地层单元及埋藏史Fig.2 Stratigraphic units and burial history of the Jurassic Yan'an Formation in Jiyuan area, Ordos Basin

姬塬地区侏罗系延安组埋藏演化过程复杂, 规模储集层预测难度大。因此, 本研究从成岩作用出发探讨储集层演化过程, 以期为准确把握优质储集层的分布规律奠定基础。

2 储集层特征
2.1 岩石学特征

姬塬地区侏罗系延安组古河道储集层岩性主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩(图 3)。薄片计点统计结果显示, 石英含量主要分布在40.3%~60.5%之间, 平均47.5%; 长石主要介于26.5%~46.3%之间, 平均37.3%; 岩屑则集中在8.7%~18.8%之间, 平均13.4%。其中, 石英颗粒主要为单晶石英(75.3%), 多晶石英较少(24.7%); 长石颗粒主要为斜长石(67.7%), 钾长石次之(32.3%); 岩屑颗粒则以变质岩岩屑为主(55.5%)(图 4-A), 火成岩岩屑次之(29.5%)(图 4-B), 沉积岩岩屑最少(15.0%)(图 4-C)。镜下观测结果显示延安组砂岩颗粒主要为中— 粗粒度, 中等分选, 次棱角— 次圆状磨圆(图 4-D)。

图 3 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组储集层岩性三角图Fig.3 Lithological triangular diagram of the Jurassic Yan'an Formation reservoirs in Jiyuan area, Ordos Basin

图 4 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组砂岩储集层岩性及结构特征
A— 小米粒状燧石低级变质岩岩屑, X125井, 1938.1 m, 普通薄片, 正交光; B— 具辉绿结构的岩浆岩岩屑, X8井, 1837.2 m, 普通薄片, 正交光; C— 泥岩类沉积岩岩屑, X8井, 1837.2 m, 普通薄片, 正交光; D— 碎屑颗粒粒度较粗, 分选中等, 次圆状(红箭头), 颗粒之间多呈线接触关系(蓝箭头), X122井, 2224.7 m, 普通薄片, 正交光; E— 原生粒间孔呈三角形产状, X125井, 1942.3 m, 铸体薄片, 单偏光; F— 边缘不规则的粒间溶蚀孔, Y32井, 2081.5 m, 铸体薄片, 单偏光; G— 沿长石解理面发育的具有方向性的粒内溶蚀孔, X162井, 2872.1 m, 单偏光; H— 长石颗粒溶蚀殆尽形成铸模孔, Y34井, 1779.9 m, 铸体薄片, 单偏光; I— 石英颗粒内部发育粒内微裂缝, X54-49井, 2095.9 m, 普通薄片, 正交光Fig.4 Lithological and textural characteristics of the Jurassic Yan'an Formation sandstone reservoirs in Jiyuan area, Ordos Basin

2.2 储集空间特征

铸体薄片观察显示延安组砂岩储集空间主要包括原生粒间孔、粒间溶蚀孔、粒内溶蚀孔以及粒内微裂缝4种类型。其中, 原生粒间孔含量相对最高(约60%), 主要发育在长石砂岩中, 部分孔隙空间被胶结物充填; 孔隙边缘平直, 棱角分明, 呈规则的三角形或多边形产状(图 4-E)。粒间溶蚀孔含量相对较少(约25%), 在长石砂岩和岩屑长石砂岩中均有发育, 其边缘不规则, 主要呈港湾状或锯齿状(图 4-F), 为原生粒间孔溶蚀扩大而成。粒内溶蚀孔含量约占14%, 产状多样, 主要发育在长石砂岩中。因溶蚀作用优先沿着矿物相对薄弱的解理缝方向发生和发展, 所以长石颗粒内溶蚀孔具有一定的方向性(图 4-G); 在溶蚀程度较高的部位, 长石常被溶解呈蜂窝状, 甚至溶蚀殆尽形成铸模孔(图 4-H)。粒内微裂缝含量相对最少(图 4-I), 约为1%, 主要发育在石英等刚性颗粒内部, 为压实及构造成因。

2.3 物性特征

根据52个岩心样品实测数据和长庆油田收集到的4127个实测数据, 姬塬地区侏罗系古河道砂岩储集层孔隙度分布范围为1.2%~22.5%, 主要集中在10.3%~19.7%之间, 平均15.1%(图 5-A); 渗透率分布在(0.003~2000)× 10-3 μ m2范围内, 主要集中在(0.5~300)× 10-3 μ m2之间, 平均19.5× 10-3 μ m2(图 5-B)。参考国家能源局(2011)编制的《油气储集层评价方法》(SY/T6285— 2011), 研究区侏罗系延安组古河道砂岩整体属于中孔低渗储集层。

图 5 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组砂岩储集层孔隙度(A)和渗透率(B)分布特征Fig.5 Distribution characteristics of porosity (A) and permeability (B) of the Jurassic Yan'an Formation sandstone reservoirs in Jiyuan area, Ordos Basin

3 成岩作用

基于铸体薄片、阴极发光和扫描电镜分析, 研究区侏罗系砂岩储集层成岩作用主要有压实、胶结、溶蚀和交代。其中, 胶结作用包括碳酸盐胶结、硅质胶结和黏土胶结。压实作用和胶结作用对储集层整体物性起破坏作用, 溶蚀作用对储集层物性起改善作用, 交代作用对物性无明显影响。

3.1 压实作用

机械压实作用贯穿侏罗系储集层的整个埋藏过程。其微观产状表现为骨架颗粒长轴近似定向排列(图 6-A), 骨架颗粒之间接触关系呈点接触和线接触(图 4-D), 刚性颗粒发生破裂(图 4-I), 以及岩屑、云母等塑性颗粒受压形变(图 6-B)甚至形成假杂基。

图 6 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组砂岩储集层成岩特征(一)
A— 压实作用导致碎屑颗粒趋于定向排列, X122井, 2224.7 m, 普通薄片, 单偏光; B— 云母碎片在压实作用下挤压变形, Y32井, 2081.5 m, 普通薄片, 正交光; C— 碳酸盐胶结物充填原始粒间孔, 发暗橙黄色光, X52-25井, 2300.3 m, 阴极发光; D— 深暗蓝色铁方解石胶结物(红箭头)充填粒间孔隙并交代不染色的白云石(黄箭头), X122井, 2101.2 m, 染色薄片, 单偏光; E— 铁方解石胶结物充填粒间孔隙并交代石英颗粒, 被混合染液染呈深红色(红箭头), 碎屑颗粒之间呈点接触关系(黄箭头), X54-49井, 2092.7 m, 染色薄片, 单偏光; F— 不染色的白云石胶结物(黄箭头)充填粒间孔隙, 并交代染成红色的方解石(红箭头), X125井, 1936.2 m, 染色薄片, 单偏光; G— 单晶白云石颗粒呈菱面体产状, X125井, 1936.2 m, 电镜; H— 石英加大边紧挨碎屑颗粒生长, 两者之间“ 尘埃线” 明显, X71-18井, 2246.4 m, 铸体薄片, 单偏光; I— 石英加大边生长使石英颗粒趋于自形, X71-18井, 2246.4 m, 电镜; J— 自生石英雏晶垂直颗粒表面生长, X71-18井, 2246.4 m, 电镜; K— 假六边形高岭石胶结物呈书垛状堆积, Y32井, 2081.5 m, 电镜; L— 高岭石胶结物呈堆状充填孔隙空间, X122井, 2223.9 m, 普通薄片, 单偏光; M— 发丝状伊利石在孔隙中搭桥生长, Y34井, 1779.9 m, 电镜; N— 伊蒙混层胶结物发育呈蜂窝状, X54-49井, 2092.7 m, 电镜; O— 钠长石加大边沿长石颗粒边缘生长, X8井, 1774.6 m, 铸体薄片, 单偏光; P— 土黄色石膏胶结物充填在粒间孔隙中, X8井, 1837.2 m, 普通薄片, 正交光; Q— 不透光黄铁矿胶结物嵌晶生长, X71-18井, 2245.8 m, 普通薄片, 单偏光; R— 黄铁矿胶结物呈金属光泽(红箭头), 并交代石英颗粒(黄箭头), X71-18井, 2245.8 m, 普通薄片, 反射光Fig.6 Diagenetic characteristics of the Jurassic Yan'an Formation sandstone reservoirs in Jiyuan area, Ordos Basin(Ⅰ )

3.2 胶结作用

胶结物沉淀在先成孔隙内侵占空间并堵塞孔隙和喉道, 对储集层物性起破坏作用。薄片观察显示姬塬地区侏罗系砂岩主要包括碳酸盐胶结、硅质胶结、黏土胶结以及少量石膏和黄铁矿胶结。

3.2.1 碳酸盐胶结

研究区砂岩储集层中主要发育铁方解石、方解石和白云石3类碳酸盐胶结物(图 6-C)。镜下染色薄片计点统计结合全岩X衍射分析结果显示, 铁方解石含量最高(68.5%), 方解石次之(20.3%), 白云石最少(11.2%)。铁方解石被混合染剂染成深蓝色, 晶型粗大且解理发育, 主要充填原生粒间孔并强烈交代石英、长石等骨架颗粒(图 6-D)。方解石胶结物在染色薄片中呈红色, 主要以微晶聚合物产状嵌晶充填在原生粒间孔中(图 6-E)。此外, 可见方解石被没有染色的白云石交代, 这一现象表明部分白云石胶结物来源于早期方解石的白云化作用(图 6-F)。白云石不易被染色, 识别难度较大, 但在扫描电镜下根据其菱面体产状的结晶习性可加以辨别(图 6-G)。碳酸盐胶结物在成岩过程中不仅缓冲了部分机械压实效应, 还为白云石胶结物和部分溶蚀孔的形成奠定了物质基础。

3.2.2 硅质胶结

研究区砂岩储集层中最常见的硅质胶结物主要为石英加大边。薄片观察显示石英加大边与原生骨架颗粒之间往往发育“ 尘埃线” (图 6-H), 是识别加大边的明显标志。电镜下石英颗粒表面部分区域被自形加大边包裹(图 6-I), 还可观察到自形石英雏晶(图 6-J), 这些雏晶垂直母体石英表面向孔隙中心生长, 是组成加大边的最基本单元, 经生长合并后最终发育成特征明显的石英加大边。石英加大边增大了母体石英的边缘厚度, 导致孔隙喉道半径变窄, 在一定程度上降低了储集层的储集性和渗透性。

3.2.3 黏土胶结

铸体薄片观察、扫描电镜形态学识别以及X衍射定量分析结果显示, 高岭石含量最高(85.7%), 伊利石次之(10.5%), 伊蒙混层最少(3.8%)。自生高岭石具有群聚堆垛特征, 电镜下其单晶为自形假六边形产状, 集合体主要呈蠕虫状、手风琴状、书垛状或杂乱状充填在原生孔隙或次生孔隙中(图 6-K); 在高倍光学镜下难以观察其单晶或聚晶的清晰形态(图 6-L)。高岭石聚合物内部保存有大量不规则的微小孔隙, 虽然在铸体薄片中可见部分树胶注入其中, 但其对储集层储集性能和渗透性能均具有破坏作用。伊利石在扫描电镜下呈头发丝状, 含量远小于高岭石; 其主要发育在粒间孔隙中, 以搭桥产状横穿孔隙空间(图 6-M); 这种结晶方式虽然对储集层的储集性能影响较小, 但对渗透性的伤害极大。此外, 电镜下可见伊蒙混层胶结物主要呈蜂窝式产状(图 6-N), 在蜂窝凸起部位往往发育针刺状纤维, 说明伊蒙混层是蒙脱石向伊利石转化的中间产物。

3.2.4 其他胶结

在部分样品中还可观察到长石加大边(图 6-O)。与石英加大边类似, 其自形程度较高, 晶体表面光滑平整, 且多为钠长石加大边。此外, 还可观察到石膏和黄铁矿胶结物, 石膏呈高级黄干涉色嵌晶充填在原生粒间孔中(图 6-P), 局部含量高达30%; 主要形成于快速蒸发浓缩的干旱沉积环境。黄铁矿胶结物含量很少, 呈连晶产状发育于原生粒间孔中(图 6-Q), 并可见其交代石英颗粒现象(图 6-R)。

3.3 溶蚀作用

砂质沉积物在埋藏成岩过程中因物化条件的变化在水岩相互作用下导致诸如长石、岩屑等不稳定组分发生溶解而形成次生孔隙, 对提高储集层孔渗性具有重要作用。基于铸体薄片和新鲜断口的扫描电镜观察, 姬塬地区侏罗系砂岩储集层长石和岩屑溶蚀现象十分普遍(图 7-A)。长石往往沿其解理面或者颗粒边缘溶蚀, 形成层状或网格状溶蚀孔隙(图 7-B)。随着溶蚀程度逐渐提高, 长石颗粒内部组分被部分溶蚀或溶蚀殆尽, 形成粒内溶蚀孔(图 7-C)或铸模孔(图 7-D)。与长石不同, 岩屑溶蚀主要形成不规则的筛状或蜂窝状粒内溶蚀孔(图 7-E)。溶蚀作用产生的大量次生孔隙, 不仅扩大了原始粒间孔隙, 还贡献了相当重要的粒内储集空间。

图 7 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组砂岩储集层成岩特征(二)
A— 长石颗粒沿解理缝溶蚀呈筛状, X71-18井, 2245.7 m, 电镜; B— 溶蚀作用优先选择长石解理缝开始, Y32井, 2081.5 m, 铸体薄片, 单偏光; C— 长石颗粒因溶蚀作用形成粒内溶蚀孔, X8井, 1774.6 m, 铸体薄片, 单偏光; D— 长石颗粒内部基本溶蚀殆尽形成铸模孔, X8井, 1774.6 m, 电镜; E— 岩屑遭受溶蚀形成微小孔隙, X122井, 2223.9 m, 普通薄片, 单偏光; F— 铁方解石沿着长石解理优先交代, X71-18井, 2246.4 m, 普通薄片, 正交光; G— 铁方解石沿着颗粒边缘交代石英形成锯齿状结构(红箭头), 石英加大边发育在铁方解石与石英颗粒之间(黄箭头), X125井, 1936.2 m, 染色薄片, 单偏光; H— 铁方解石交代长石颗粒形成板状“ 幻影” 结构, X52-25井, 2300.3 m, 阴极发光; I— 长石高岭土化呈土黄色, X8井, 1774.6 m, 铸体薄片, 单偏光Fig.7 Diagenetic characteristics of the Jurassic Yan'an Formation sandstone reservoirs in Jiyuan area, Ordos Basin(Ⅱ )

3.4 交代作用

交代作用是在沉积物埋藏过程中一种矿物替代另一种矿物的成岩现象。交代作用发生前后矿物组分和产状均有所变化, 体积也并非严格相等, 但其对宏观储集性能的改变不大。姬塬地区侏罗系延安组砂岩储集层交代作用类型主要包括铁方解石交代石英、长石, 以及高岭石交代长石等。铁方解石交代长石优先选择长石晶体内部最薄弱的解理面进行(图 7-F), 尔后逐渐交代其他部位。铁方解石交代石英则是从边缘开始向颗粒中心位置进行组分置换, 交代后多呈港湾状或锯齿状边缘结构(图 7-G)。更有甚者, 在铁方解石的不断蚕食下, 长石和石英等碎屑颗粒被彻底交代, 仅保留其外部轮廓而形成“ 幻影” 结构(图 7-H)。此外, 长石颗粒的高岭石化现象也十分常见(图 7-I)。

4 碳酸盐胶结物来源

分析主要胶结物的来源、迁移与转化过程不仅可以为判断各成岩作用发生的先后关系提供依据, 还可为深入认识储集层成储机制奠定基础。矿物学分析表明姬塬地区侏罗系古河道砂岩储集层主要发育铁方解石、方解石和白云石3类碳酸盐胶结物。本次研究主要利用胶结物产状、包裹体显微温度以及碳同位素特征等方法判定其来源。

4.1 胶结物产状判定

碳酸盐胶结物在砂体中的含量和分布特征可为其来源提供信息。姬塬地区侏罗系延安组河道砂岩局部方解石胶结物在骨架颗粒之间以嵌晶产状发育(图 6-E), 且含量高达35%左右, 只有在埋藏早期甚至准同生期才有可能提供足够的粒间孔隙空间用于含量如此之高的胶结物沉淀。因此, 可初步判定部分自生方解石来源于砂体埋藏尚浅的早成岩阶段或准同生阶段的受大气降水影响的成岩流体。

从宏观分布特征来看, 碳酸盐胶结物在特定岩性组合单一砂体中的分布规律也可指示其来源。以X125井为例, 薄煤层以上砂体中铁方解石胶结物主要分布在与泥岩相邻的砂体顶部以及与薄煤层相邻的砂体底部, 砂体中间部位含量相对最小(图 8)。这一分布规律说明铁方解石胶结物的主要来源之一是与砂岩顶底密切接触的泥岩和薄煤层。此外, 砂体内部溶蚀孔(主要为长石溶蚀孔)的宏观分布与铁方解石具有类似特征, 并且砂体孔隙度具有从顶底向中部增大的趋势(图 8)。这些特征既可进一步佐证铁方解石主要来源于与砂体顶底相邻的泥岩和薄煤层, 还可说明铁方解石胶结是孔隙度降低的主要原因之一, 并且砂岩内部的长石溶蚀也与泥岩和薄煤层存在关联性。

图 8 鄂尔多斯盆地姬塬地区X125井侏罗系延安组储集层砂体碳酸盐胶结物、溶蚀孔以及孔隙度分布特征Fig.8 Distribution of carbonate cements, dissolved pores and bulk porosity in the Jurassic Yan'an Formation sandstone reservoirs of Well X125 in Jiyuan area, Ordos Basin

4.2 包裹体均一温度判定

胶结物在沉淀过程中捕获的流体包裹体相态特征及其包含的显微温度学信息可用于判断胶结物来源。姬塬地区侏罗系储集层中发现部分方解石胶结物发育单一液相包裹体, 这说明该类方解石胶结物在结晶时的地层温度接近正常室温(< 40℃), 如此之低的温度是包裹体寄宿母体矿物形成于埋藏成岩早期阶段的直接证据。接近地表的成岩早期流体易受大气降水的控制, 据此可推断方解石胶结物的物质来源与大气降水有关, 这与通过嵌晶方解石含量判定的结果一致。

与方解石胶结物不同, 储集层中白云石和广泛发育的铁方解石胶结物包含大量气液两相包裹体。白云石均一化温度主要介于65℃~80 ℃之间, 铁方解石均一化温度主要分布在80℃~95 ℃区间(图 9)。在该地温条件下, 与砂体伴生的泥岩和薄煤层经热演化生成大量的有机酸和碳酸释放至地层水中, 可为白云石和铁方解石胶结物的沉淀提供充足的碳源(Worden and Burley, 2009; Yang et al., 2020)。依据显微温度测定亦可判断白云石和铁方解石均形成于埋深较大、地温较高的中成岩环境, 铁方解石晚于白云石。

图 9 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组储集层胶结物盐水包裹体均一温度Fig.9 Histogram of homogenization temperatures of saline fluid inclusions in cements of the Jurassic Yan'an Formation sandstone reservoirs in Jiyuan area, Ordos Basin

4.3 碳同位素特征判定

不同碳库来源的碳酸盐胶结物碳同位素组成具有明显的差异。因此, 碳同位素(δ 13C)组成的差异性可以直接反映胶结物中碳元素的来源(王大锐, 2000)。一般情况下, 钙质或云质胶结物的δ 13C分布在-12‰ ~4‰ 之间, 有机来源物质具有可轻至-33‰ ~-18‰ 的碳同位素( δ13CPDB)特征, 大气水中二氧化碳的碳同位素( δ13CPDB)约为-7‰ (刘四兵等, 2014)。姬塬地区侏罗系延安组储集层中方解石胶结物碳同位素( δ13CPDB)主要分布在-9.45‰ ~-3.50‰ 之间, 平均-6.15‰ (图 10)。因方解石胶结物碳同位素组成与大气二氧化碳接近, 据此可知方解石碳源主要为大气降水中溶解的二氧化碳。

图 10 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组储集层碳酸盐胶结物碳氧同位素散点图
Ⅰ — 成岩碳酸盐; Ⅱ — 与有机酸脱羧有关的碳酸盐; Ⅲ — 与生物气有关的碳酸盐Fig.10 Scatter diagram for carbon and oxygen isotopes of carbonate cements within the Jurassic Yan'an Formation sandstone reservoirs in Jiyuan area, Ordos Basin

白云石胶结物碳同位素( δ13CPDB)组成介于-14.80‰ ~-4.65‰ 之间, 平均-8.52‰ (图 10)。相较于方解石, 白云石碳同位素( δ13CPDB)具有负偏移特征, 但并没有负偏至有机质碳同位素的组成区间; 此外, 在镜下可观察到白云石交代方解石的现象(图 6-F)。据此, 可判断白云石胶结物的形成不仅与有机质相关, 早期胶结的方解石也为其提供了物质来源。

就铁方解石而言, 其碳同位素( δ13CPDB)组成介于-16.45‰ ~-5.10‰ 之间(平均-10.45‰ )(图10), 比白云石的负偏特征更为明显。由此可知铁方解石胶结物形成所需的碳源主要来源于富含12C的有机质, 即来源于与砂体邻近的泥岩和薄煤层。

5 成岩序列

基于自生矿物之间以及自生矿物与碎屑颗粒之间的接触关系和共生组合特征, 结合胶结物产状、物质来源、形成条件分析, 可重建姬塬地区侏罗系砂岩储集层的成岩演化过程。在干旱气候条件下结晶的石膏胶结物连晶生长充填原生粒间孔并与骨架颗粒直接接触(图 6-P), 由此可知其形成时间最早。部分样品中方解石胶结物大量发育, 骨架颗粒之间主要呈点、线接触关系(图 6-E), 其内部包含单一液相包裹体, 碳同位素组成( δ13CPDB)受控于大气降水(图 10), 这些证据均表明方解石沉淀发生于成岩早期甚至准同生期。镜下可观察到白云石交代方解石(图 6-F)以及铁方解石交代白云石(图 6-D)现象, 并且铁方解石包裹体均一温度大于白云石(图 9), 由此判断白云石胶结时间晚于方解石但早于铁方解石。石英加大边和长石加大边发育在铁方解石与骨架石英和长石颗粒之间(图 7-G), 并且石英加大边包裹体温度高于白云石, 低于铁方解石(图 9), 表明石英加大边形成时间晚于白云石并早于铁方解石。前人已证实自生高岭石和自生石英是长石溶蚀的主要产物(Worden and Burley, 2009; Bjø rlykke and Jahren, 2012; Yang et al., 2020; 杨尚锋, 2021), 据此推断高岭石、石英加大边与长石溶蚀基本发生在同一时期。因伊利石和伊蒙混层矿物对温度的要求较高(Worden and Burley, 2009), 所以形成时间相对较晚。黄铁矿的生长要求还原成岩环境, 在埋深较大的情况下形成还原环境的可能性更大, 因此也认为是相对晚期产物。

通过以上分析即可建立姬塬地区侏罗系延安组砂岩储集层成岩演化序列(图 11): 石膏胶结→ 方解石胶结→ 白云石胶结、交代→ 长石、岩屑溶蚀→ 高岭石胶结→ 石英加大边→ 长石加大边→ 铁方解石胶结、交代→ 伊蒙混层胶结→ 伊利石胶结→ 黄铁矿胶结, 压实作用贯穿整个埋藏成岩过程始终。

图 11 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组储集层成岩序列Fig.11 General paragenetic sequences of the Jurassic Yan'an Formation sandstone reservoirs in Jiyuan area, Ordos Basin

6 成岩作用对储集层质量的影响

导致储集层原生粒间孔隙度降低的主要原因是机械压实作用和粒间孔隙胶结充填效应。姬塬地区侏罗系古河道砂岩储集层中主要发育碳酸盐胶结物、石英加大边以及自生高岭石。尽管这些胶结物中的一部分来源于砂岩储集层本身, 储集层碎屑组分的溶蚀与再沉淀只是一种“ 自产自销” 式的位置腾挪, 对储集层宏观孔隙性的影响较小(刘四兵等, 2014)。但是, 影响小并不代表对粒间孔隙没有影响, 骨架颗粒之间发育的“ 内源” 成因胶结物与“ 外源” 成因胶结物一样, 在一定程度上破坏了原生粒间孔隙的保存; 压实作用的减孔效应则无时无刻不在进行。

将铸体(染色)薄片计点统计的粒间孔隙体积和全岩X衍射定量分析的胶结物体积数据投点至Ehrenberg(1989)提出的定量评估图版(Yang et al., 2021), 结果表明姬塬地区侏罗系延安组储集层平均胶结减孔贡献量为37.5%, 平均压实减孔贡献量29.4%(图 12)。胶结作用是储集层原生粒间孔隙遭受破坏的最主要贡献者, 压实作用次之。

图 12 鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组储集层粒间体积与胶结物体积交会图(据Ehrenberg, 1989; Yang et al., 2021)Fig.12 Cross plot of intergranular volume versus intergranular cementation of the Jurassic Yan′an Formation sandstone reservoirs in Jiyuan area, Ordos Basin(modified after Ehrenberg, 1989; Yang et al., 2021)

7 结论

1)鄂尔多斯盆地姬塬地区侏罗系延安组古河道砂岩储集层主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩, 平均孔隙度15.1%, 平均渗透率19.5× 10-3 μ m2, 属于中孔低渗储集层; 先后经历石膏胶结→ 方解石胶结→ 白云石胶结、交代→ 长石、岩屑溶蚀→ 高岭石胶结→ 石英加大边→ 长石加大边→ 铁方解石胶结、交代→ 伊蒙混层胶结→ 伊利石胶结→ 黄铁矿胶结等成岩演化过程, 压实作用贯穿始终。

2)碳酸盐胶结物是延安组古河道砂岩中最主要的胶结物类型。其中, 方解石胶结物直接来源于与大气水密切相关的成岩流体; 白云石形成于早期方解石交代叠加薄煤层和泥岩热演化产物的联合供源; 铁方解石则直接来源于薄煤层和泥岩的热演化产物。

3)胶结作用和压实作用是侏罗系延安组砂岩储集层原生粒间孔隙减少的2个主要因素, 平均胶结减孔贡献量为37.5%, 平均压实减孔贡献量29.4%, 胶结作用对粒间孔隙减少的贡献量大于压实作用。

致谢 感谢编辑和两位审稿专家宝贵的修改意见与建议, 显著提高了本文的理论水平与科学意义。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 徐 杰)

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