鄂尔多斯盆地下寺湾地区三叠系长8段砂岩成岩演化

王晴¹，杨飞¹，龚伟成¹，徐天鑫¹，李一超¹，杨尚锋¹

（1长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100）

摘要：致密砂岩储层成岩作用控制着物性演化，并影响相对优质储层的分布。鄂尔多斯盆地下寺湾地区三叠系长8段砂岩属于典型致密化储层。大量的薄片、扫描电镜等分析测试资料表明，该砂岩储层分别经历了压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用四类成岩作用；胶结作用以方解石胶结为主，并分为早、晚两期；溶蚀作用主要表现为长石溶蚀作用。通过分析各成岩矿物共生组合关系以及流体包裹体均一化温度，划分出成岩相对序列：压实作用→绿泥石胶结、第Ⅰ期长石溶蚀、高岭石胶结→第Ⅰ期方解石胶结→石英自生加大→第Ⅱ期长石溶蚀、第Ⅰ期方解石胶结物溶蚀→第Ⅱ期方解石胶结、伊利石胶结；成岩序列的重建可为优质储层预测提供参考。

关键词：成岩作用；长8段；下寺湾油田；鄂尔多斯盆地

Diagenesis evolution of the Upper Triassic Chang 8 Member sandstones in the Xiasiwan area, Ordos Basin

Qing Wang¹，Fei Yang¹，Weicheng Gong¹，Tianxin Xu¹，Yichao Li¹，Shangfeng Yang¹

（1 Yangtze University College of Geosciences，HuBei Wuhan 430100）

Abstract: Diagenesis of tight sandstone reservoir controls pore evolution and make contribution to distribution of high quality reservoir. The Triassic sandstones of Chang 8 Member in Xiasiwan area belong to typical tight reservoirs. Based on comprehensive analysis of adequate thin-sections, SEM datas, the sandsone reservoir underwent 4 types of diagenesis, including compaction, cementation, dissolution and replacement. cementation is characterized by carbonate cement, dividing early and late period. and dissolution is characterized by feldspar dissolution. Accdrding to paragenetic relationships and fluid inclusions homogenization temperature analysis, the succession of diagenesis is revealed: compaction→chlorite cementation, the first phase feldspar dissolution, caolinite cementation →the first phase calcite cementation→quatz overgrowth→the second phase feldspar dissolution, the second phase calcite cement dissolution→the cecond phase calcite cementation, illite cementation. The reconstruction of diagenetic sequence can provide reference for the prediction of high quality reservoir.

 Keywords: Diagenesis, Chang 8 Member; Xiasiwan area, Ordos Basin. 

1. 引言

随着石油勘探开发范围的不断扩大，致密砂岩储层己成为我国油气勘探开发领域的重点靶区^[1]。前人研究表明沉积作用既控制着砂岩储层的先天孔渗性能，又影响了其后天成岩作用过程及成岩强度^[2-3]。早期机械压实成岩作用和胶结成岩作用是砂岩储层致密化的重要影响因素，储层储渗性能遭受后期溶蚀以及构造裂缝等因素的改造^[4-9]。在砂岩致密化过程中，成岩演化序列已成为国内外学者迫切关注的重要问题。

鄂尔多斯盆地下寺湾地区三叠系长8段致密砂岩储层是陕北斜坡带南部重要的石油勘探开发目标层位，其砂岩油藏属典型的致密砂岩储层油藏^[10-13]。部分学者认为下寺湾地区长8段砂岩储层为次生孔隙储层，主要与脆性矿物溶解、方解石胶结等作用形成的^[14-18]。前人均强调溶蚀作用对下寺湾地区高品质储层的贡献作用，但却忽视了不同类型成岩作用以及不同砂体之间成岩作用强度差异对储层品质和非均质性的影响。本文在岩心观察和薄片分析基础上，运用X衍射、扫描电镜、包裹体分析等分析测试手段，综合研究在相同沉积环境下，下寺湾地区三叠系长8段砂岩储层的成岩作用类型和成岩演化序列。

2. 岩石学特征

普通薄片和染色薄片鉴定以及骨架颗粒成分镜下统计表明，下寺湾地区三叠系长8段砂岩主要为长石砂岩和岩屑质长石砂岩（图1）；石英含量介于35%～70%之间，平均为53%，长石含量介于25%～60%之间，平均为32%，岩屑含量13%～55%，平均为19.3%（图2A，图2B）。石英碎屑颗粒主要为单晶石英，多晶石英较少见（图2C）；长石碎屑颗粒主要类型为斜长石，其次为钾长石，长石多为方解石交代并伴有绢云母化现象（图2D）。岩屑主要为花岗岩岩屑和沉积岩岩屑，其次为变质岩岩屑（图2E）。此外，长8段砂岩中云母含量最高可达27%，主要类型为黑云母，白云母少见（图2F）。砂岩骨架颗粒粒径介于0.1～0.37mm之间，属中-细粒结构；大多数砂岩颗粒为次棱角状和次圆状颗粒，磨圆度在0.35～0.57之间；分选系数介于2.7～3.8，分选中等；由于机械压实作用的影响，骨架碎屑颗粒接触关系主要呈线接触和凹凸接触。

碎屑颗粒之间的孔隙主要为方解石和粘土矿物胶结物充填，早期方解石胶结物多以泥晶团块或灰泥基质形式充填在颗粒之间，并且且含量较高，介于5%～23%之间，形成钙质砂岩（图3A）；此外，还可见早期嵌晶式方解石胶结物，使碎屑颗粒呈“漂浮”状嵌入连晶方解石胶结物当中（图3B）；此类胶结物体单体体积较大，只有在埋藏早期才具备提供足够孔隙空间的条件。方解石除以胶结物方式存在于粒间孔隙外，方解石交代长石、石英和岩屑的成岩现象也十分普遍，部分碎屑颗粒甚至被其完全交代，形成“幻影”构造。

图1 下寺湾地区三叠系长8段砂岩分类

扫描电镜结果分析表明粘土矿物胶结物主要为高岭石（K）和绿泥石（C），其次为伊利石（I）和伊/蒙混层（I/S）。下寺湾地区长8段砂岩，自生绿泥石主要以骨架颗粒包膜形式产出（图3C），而自生高岭石以孔隙充填形式产出（图3E）。粘土矿物随温度升高与成岩流体性质的变化而变化，其变化趋势是伊/蒙混层矿物（图3D）随着埋深的增加和流体酸性降低逐渐转化为发丝状伊利石(图3F)。

图2 下寺湾地区三叠系长8段储层岩石组分类型

（A）长石砂岩，长石、石英颗粒发育，H28井，2155.12m，普通薄片，单偏光；(B) 长石砂岩，长石、石英颗粒发育，H28井，2155.12m，普通薄片，正交光；（C）粒状光洁单晶石英，磨圆较差，X27井，2058.44m，普通薄片，正交光；（D）板状斜长石，钠长石双晶，点式绢云母化，X27井，2058.44m，普通薄片，正交光；（E）黄岗岩岩屑，石英含量高，铁镁矿物高级干涉色特征明显，X46井，2133.12m，普通薄片，正交光；（F）黑云母，一组极完全解理，X46井，2133.12m，普通薄片，正交光。

图3 下寺湾油田长8段岩石组分类型

（A）早期泥晶方解石胶结物部分充填孔隙，H24井，2136.36m，染色薄片，正交光；（B）早期嵌晶方解石胶结物胶结孔隙，碎屑颗粒呈“漂浮”状，H24井，2169.22m，普通薄片，正交光；（C）自生绿泥石附着在碎屑颗粒表面生长，形成绿泥石包膜，H44井，2249.35m，SEM；（D）自生伊蒙混层矿物附着于孔隙壁上，H24井，2136.36m，SEM；（E）自生高岭石充填于粒间孔隙，呈假六边形书页状，H44井，2249.35m，SEM；（F）自生伊利石呈发丝状，X46井，2133.12m，SEM。

3. 成岩作用类型

通过200多个薄片和扫描电镜观察，结果表明鄂尔多斯盆地下寺湾地区长8段致密砂岩主要经历了压实作用、胶结作用、粘土胶结、溶解作用和交代作用。

3.1压实作用

压实作用分为机械压实和化学压实作用两类^[29]，机械压实作用广泛发育在长8段砂岩中，贯穿整个埋藏过程。由于砂岩塑性岩屑含量相对较高，抗压实能力较弱，其强烈的减孔效应，是储层物性降低的主要因素之一。机械压实的特点是在埋藏过程中上覆压力不断增加，骨架颗粒发生调整、重排至相对稳定状态，同时也导致泥岩岩屑、云母等塑性颗粒变形以及石英、长石等刚性颗粒发生破碎（图4A，图4B）。机械压实作用在沉积物埋藏初期，对储层孔渗性能的破坏作用明显，后期影响逐渐减弱。化学压实作用通常呈现为压溶作用，在碎屑骨架颗粒之间形成线接触、凹凸接触和缝合线接触的接触关系；薄片显示碎屑颗粒以点、线接触为主，凹凸接触也较多见，但部分凹凸接触关系是石英次生加大作用造成的假象，说明研究区长8段砂岩化学压实作用并不广泛。

3.2胶结作用

下寺湾地区长8段砂岩胶结作用类型主要包括：方解石胶结、自生粘土矿物胶结和石英胶结^[10-11]。方解石胶结是最主要的胶结类型（图3A, 图3B），镜下统计平均含量10.5%，其含量和分布具有较强的非均质性，在不同样品中差异很大，变化范围介于1%～35%之间，储层距离泥岩越近则含量越多（图7）。早期方解石胶结物一般不交代石英、长石等碎屑颗粒，在一定程度上能够提高砂岩抗压实能力，为后期因地层流体性质改变而引起的溶蚀作用的发生和次生孔隙的形成提供物质基础；因此，从这个角度来说，在溶蚀作用发生之前的早期方解石胶结作用也属于建设性成岩作用。

长8段砂岩自生粘土矿物包括高岭石和绿泥石。高岭石含量较少，主要呈书页状和蠕虫状充填在原生和次生孔隙之间，其沉淀往往与长石溶蚀伴生(图3E)；绿泥石是主要的自生粘土矿物，含量介于1%～9%之间(图3C)。薄片和扫描电镜观察显示绿泥石主要生长在骨架颗粒表面以形成一层绿泥石薄膜或少数充填在孔隙之间以形成粒间充填物；当绿泥石薄膜厚度相对较厚时，会部分或完全阻塞吼道甚至整个粒间孔隙。通常情况下，在绿泥石薄膜发育广泛的砂岩中，硅质胶结物含量相对较少；在绿泥石含量较少的砂岩中，广泛发育石英次生加大现象。

硅质胶结物所占比重较小，含量小于5%，呈现为碎屑石英颗粒表面发生的石英自生加大产状(图4C)，硅质胶结主要发育在绿泥石薄膜含量较少的样品中；此外，可见少量的自形石英微晶体生长在自生黏土矿物薄膜外部的孔隙空间中（图3D）。

图4 下寺湾油田长8段砂岩成岩现象

（A）压实作用导致塑性颗粒扭曲变形，H24井，2136.36m，普通薄片，单偏光；（B）压实作用导致碎屑颗粒定向排列，H28井，2155.12m，普通薄片，正交光；（C）H1井，2192.51m，石英次生加大胶结，H24井，2136.36m，普通薄片，单偏光；（D）方解石交代长石，X46井，2133.12m，染色薄片，正交光；（E）骨架颗粒遭受溶蚀，形成溶蚀孔，X38井，2217.18m，铸体薄片，单偏光；（E）长石碎屑颗粒遭受溶蚀，形成粒内溶孔，X38井，2217.18m，SEM。

3.3交代作用

交代作用主要表现为方解石和黏土矿物等交代碎屑颗粒长石和石英等碎屑颗粒，不同样品中交代作用类型和交代强度存在差异。方解石胶结物含量高的样品中方解石交代长石、石英和岩屑都比较普遍(图4D)，交代作用强烈，并且晚期方解石出现石英次生加大边和自生石英的交代现象，而在方解石胶结物含量低的样品中则主要是呈现方解石交代长石现象，交代作用弱—中等。

3.4溶解作用

次生孔隙是岩石中矿物的溶解而形成的。下寺湾地区长8段砂岩中溶蚀作用主要表现为钾长石和岩屑的溶蚀，方解石胶结物的溶蚀较少见；长石颗粒主要沿着解理缝、双晶面等薄弱部分开始遭受溶蚀形成粒内孔和铸模孔（图4F），岩屑则是其内部易溶成分选择性溶蚀形成粒内溶蚀孔。另外，下寺湾地区长8段砂岩中另一个主要的特点是溶解作用主要影响骨架颗粒（图4E），对于骨架颗粒附近的方解石胶结物溶蚀强度较弱，得到较好的保存。

4. 成岩演化序列

通过镜下观察，分析骨架矿物与自生矿物之间、自生矿物与自生矿物之间的共生组合关系和埋藏过程，可初步确定各类成岩作用在地史时期的成岩演化序列。早成岩阶段主要发生绿泥石胶结、第Ⅰ期方解石胶结和第Ⅰ期长石溶蚀，主要证据是：①绿泥石紧贴骨架颗粒生长，绿泥石薄膜与骨架颗粒之间没有出现其他自生矿物（图3C）；②部分样品骨架颗粒呈点接触关系，方解石胶结物体积比例高达30%，只有在成岩早期阶段才能够提供如此高的粒间孔隙空间(图3B)；③在嵌晶方解石中可观察到大量单一液相流体包裹体，说明该类方解石形成于沉积早期（图5A）；④部分样品方解石胶结物充填粒间孔或覆盖在绿泥石衬边以外，说明自生绿泥石沉淀之后方解石胶结物才形成^[25,28-30]；⑤长石自沉积埋藏开始就处于沉积环境来源的粒间孔隙水中并受大气水淋滤，部分长石沿解理缝合双晶缝遭受溶蚀是必然结果(图4F)。

图5 下寺湾油田长8段储层流体包裹体测温

随着埋藏深度的加大，长7段烃源岩进入热成熟温度区间，上覆烃源岩有机质热演化排除大量的有机酸进入下伏长8储层，成岩条件由此进入酸性环境^[23]。此阶段的主要成岩作用是溶蚀作用和硅质胶结作用，溶蚀包括早期方解石溶蚀、第Ⅱ期长石溶蚀和岩屑溶蚀；硅质胶结物以石英自生加大边产状产出，主要以共轴方式生长于没有被早期绿泥石包裹的石英颗粒边缘^[24]，流体包裹体均一化温度主要介于60-70℃(图5B、C)，与烃源岩热演化温度相符，说明硅质胶结成岩作用发生在此时期。烃源岩主要排酸期过后，成岩流体性质逐渐向弱碱性演化，此阶段开始在粒间孔隙沉淀第Ⅱ期方解石，并且强烈交代长石、石英和岩屑，该阶段贡献了为数较多的方解石；与此同时，因长石溶蚀而形成的大量高岭石也开始向伊利石转化，发丝状伊利石以孔隙搭桥产状堵塞孔隙喉道，对储层渗透率具有破坏作用^{[26-27,31-32]}。

图6 下寺湾油田长8段储层早成岩、中成岩阶段主要成岩演化序列

综合分析各成岩矿物共生组合关系及储层流体包裹体均一化温度，初步确定各成岩矿物形成相对顺序：压实作用→绿泥石胶结、第Ⅰ期长石溶蚀、高岭石胶结→第Ⅰ期方解石胶结→石英自生加大→第Ⅱ期长石溶蚀、第Ⅰ期方解石胶结物溶蚀→第Ⅱ期方解石胶结、伊利石胶结（图6）

5. 结论

（1）下寺湾地区三叠系长8段砂岩储层主要为分选性中等、次棱角状-次圆状的长石砂岩和岩屑质长石砂岩组成，砂岩孔隙度分布范围较大，渗透率极低，是典型的致密储层。

（2）下寺湾地区三叠系长8段砂岩储层成岩序列为压实作用→绿泥石胶结、第Ⅰ期长石溶蚀、高岭石胶结→第Ⅰ期方解石胶结→石英自生加大→第Ⅱ期长石溶蚀、第Ⅰ期方解石胶结物溶蚀→第Ⅱ期方解石胶结、伊利石胶结

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