鄂尔多斯盆地南部延长组砂岩储层自生碳酸盐胶结物特征及成因

鄂尔多斯盆地南部延长组砂岩储层自生碳酸盐胶结物特征及成因

0自生碳酸钙矿物对储集层品质的影响在碎屑岩层中，自生碳酸盐矿床通常是最大体积的胶原。沉积学和石油地质学对其形成机制和模型进行了连续研究[3、4、5、6、7、8、9、10、11]。自生碳酸盐矿物在胶结物中的相对含量及其矿物类型、赋存状态等影响碎屑岩演化过程的宏观、微观岩石特性;同时,碳酸盐胶结物的分布模式、沉淀期次以及后期的成岩演化(例如:交代、溶解与重结晶作用等)对于储集层品质影响较大,有学者认为碳酸盐胶结物和机械压实的共同作用是控制储集层质量的最主要因素。鉴于此,储集层成岩作用评价的一项重要内容就是对自生碳酸盐矿物的研究。本文对鄂尔多斯盆地中南部不同区块延长组砂岩储集层中自生碳酸盐矿物进行研究,以评估其成岩演化、物质来源以及对该区砂岩储集层质量的影响。1小尺度构造单元研究区地处鄂尔多斯盆地南部的陕北、陇东黄土高原,位于陕西省北部延安地区与甘肃省东部西峰地区,本文涉及的4个区块(张15井试验区、沿河湾试验区、庄19井试验区以及庄31井试验区)均处于西倾的陕北斜坡一级构造单元上(见图1),研究目的层三叠系延长组呈近南北向延伸的平缓西倾单斜,局部可见低幅度鼻隆构造。从沉积环境看,该区在延长组沉积期属于盆地中生代延长湖的一部分。鄂尔多斯盆地在晚三叠纪延长组沉积期为一大型内陆淡水湖盆,经历了完整的湖进—湖退过程,其中长10—长7段沉积期为湖进期,长6—长2段沉积期为湖退期,长1段沉积期为准平原化期。2分布特征、主要类型和分配状态2.1不同层位及其井区自生碳酸钙胶结物含量情况在偏光显微镜下对4个区块246个岩石薄片按层位进行系统鉴定并定量统计(见图2、表1),结果表明,自生碳酸盐胶结物是研究区含量最多的自生矿物,达到4.81%(见表1),占储集层胶结物总量(11.31%)的42.60%。由表1可见,不同层位自生碳酸盐胶结物的含量没有实质性的区别:长3段含量最多,为5.48%,最少的长8段也达到4.69%;而从总体来看,自生碳酸盐胶结物含量随地层深度增加而减少。不同井区碳酸盐胶结物平均含量为4.89%,由图2可见,除沿河湾井区自生碳酸盐胶结物含量较低(1.70%)以外,其余各井区相差不大,自生碳酸盐胶结物含量均在4.75%～5.96%。以上结果表明自生碳酸盐胶结物无论在纵向上还是横向上,其含量都具有明显的均一性。2.2不同油层组的自生碳酸钙胶结物含量检测对含有明显碳酸盐胶结物的160个薄片以茜素红与铁氰化钾染色,并在偏光显微镜下进行统计,结果见表1。研究区自生碳酸盐矿物主要有4种类型:方解石、铁方解石、白云石和铁白云石,菱铁矿主要见于长7、长8段,但含量较低(分别为0.036%和0.013%)。在含量较多的4种矿物中,方解石含量最高,达1.85%,占自生碳酸盐含量的38.50%;铁方解石含量为1.17%,与白云石的1.05%相差不大;铁白云石含量为0.74%,仅高于菱铁矿。另外,表1还显示,长3段方解石在自生碳酸盐胶结物中占有绝对优势;而长6、长7段中4种主要矿物类型含量则比较均一,方解石含量有较大幅度减少,相应地铁方解石含量与白云石含量增加;到长8段,白云石、铁白云石几乎消失,铁方解石含量达到其最大值2.01%。这显示不同油层组发育不同类型自生碳酸盐矿物组合,尤以铁方解石含量随埋深增大趋势最为明显。白云石类自生碳酸盐矿物在长6、长7油层组广泛出现,但在长3、长8油层组含量却接近于零,显示出与方解石类矿物明显不同的分布特点。2.3分配给状态据扫描电镜、显微薄片照相、能谱以及阴极发光等综合手段的分析,可将研究区砂岩储集层中自生碳酸盐矿物的主要赋存状态归结为以下几类。自生碳酸钙。自生碳酸钙。自生木碳酸盐胶结物充填孔隙在研究区各井区、各层位均非常普遍,充填孔隙的自生碳酸盐常呈连晶状产出,晶粒粗大、洁净,以方解石、铁方解石最为典型(见图3a、3b)。重复或填充溶蚀孔常见碳酸盐胶结物交代长石等易溶骨架颗粒(见图3c—3e),同时研究区也可见自生碳酸盐矿物交代沉积碳酸盐岩屑的现象。基性岩质的产出特征菱铁矿的泥微晶环边(见图3f)在该区某些层位偶有出现,产出特征显示其是最早期形成的自生矿物之一,反映了当时水介质的弱还原条件以及孔隙水与底层水相互交换的特征。3稳定单元的组成特征和物质来源3.1碳同位素组成偏光显微镜下选取含单一碳酸盐胶结物的样品18个,其中含方解石样品6个,含铁方解石样品7个,含白云石样品2个,含铁白云石样品3个。选取过程中尽量避免碳酸盐岩屑的存在,并在四川石油管理局勘探开发研究院分析测试中心对选取的样品进行碳、氧同位素测试,分析结果见表2、图4。利用氧同位素温度计推算自生碳酸盐矿物的沉淀温度是储集层成岩作用研究中一种比较成熟的方法。本次用于计算的样品都分布在延长组,完全是陆相湖盆沉积环境,因而取大陆淡水的δ18O值更为接近这些碳酸盐沉淀时的流体氧同位素组成。由于大陆淡水的氧同位素组成在-20‰～-6‰(SMOW标准),且考虑到选用的碳酸盐不可能全是沉积成因的,被囚禁的大陆淡水已在一定程度上与矿物交换并损失部分轻氧(16O),同时在海侵等作用的影响下水体应具一定的盐度,因而取接近大陆淡水氧同位素组成偏高端的-7‰(SMOW标准)作为计算的δ18O值。方解石(含铁方解石)和白云石(含铁白云石)的沉淀温度计算公式分别来自文献与文献,计算结果见表2。由表2可见,自生方解石碳同位素组成为-3.02‰～0.92‰,平均值-0.79‰,其氧同位素组成为-19.34‰～-15.57‰,平均值-16.60‰。鉴于显生宙以来,无机碳源的正常海相碳酸盐岩和碳酸盐胶结物的δ13C值分布在-2‰～6‰(标准偏差±1‰),与此对照,本区仅有一个样品超出此范围(-3.02‰),其余均在此范围之内,这说明其形成与有机质成熟过程中脱羧基作用关系并不大。而2005-5-15号样品δ13C值轻微偏负,可能与早成岩期的甲烷厌氧氧化活动或C4植物溶解流体与大气淡水的混合有关,此时尚处于浅埋藏阶段,其形成时间较早,大气淡水的影响有可能存在。由氧同位素推算出来的沉淀温度在62.7～92.3℃,除一个样品为92.3℃外,其余5个样品的计算温度均位于60～70℃附近,这说明方解石胶结物形成的时间处于早成岩期到中成岩期早期。由于60～70℃也接近产嗜热型甲烷厌氧氧化菌的最活跃温度(40～55℃),从而导致个别部位沉淀的方解石碳同位素组成偏负现象的存在。自生铁方解石具有宽泛的碳、氧同位素组成,其中碳同位素尤甚,δ13C值为-8.51‰～1.13‰,平均值-4.16‰,δ18O值为-22.46‰～-17.34‰,平均值-20.45‰。碳同位素组成具有明显的两个范围,其中4个样品均低于-6‰,平均值为-7.46‰,而另外3个样品却具有较重的碳同位素组成,其中包括所有样品中最大的δ13C值(1.13‰)。从层位上来看,4个碳同位素组成较轻的样品均位于长8段,而其余的样品皆位于长3、长6段,说明位于延长组重要烃源岩长7段之下的长8段受有机流体的直接影响较大,同时甲烷的厌氧氧化反应也可能导致了碳同位素组成的偏负。而对于碳同位素组成较重的样品,其后期沉淀很可能受到碳酸盐岩岩屑溶解或相邻泥页岩中微晶碳酸盐溶解流体的影响。根据氧同位素推算出的铁方解石沉淀温度在75.7～124.0℃,亦表明铁方解石的沉淀时间具有较强的持续性。事实上,铁方解石不但具有最复杂的碳、氧同位素组成,其赋存状态也最为复杂,且普遍出现于研究区4个目的层位。自生白云石和铁白云石的碳、氧同位素组成差别并不大(见图4),分布范围相对集中:δ13C值为-2.23‰～0.68‰,平均值-0.49‰;δ18O值为-18.47‰～-16.06‰,平均值-17.34‰,由氧同位素推算出来的沉淀温度在101.8～123.8℃。由于其碳同位素组成较重,个别样品甚至超过了自生方解石的碳同位素组成,表明有机流体的影响不大。根据推算出来的沉淀温度,此时已进入中成岩阶段后期,埋藏过程中古代海相碳酸盐溶解提供的无机碳的影响不容忽视。此外,还有一个可能的原因是低温条件下白云石与流体之间的分馏系数仍不确定,本文沿用的公式属于高温条件下相应公式的外推形式,这也可能对白云石沉淀温度的真实重现产生一定影响。从自生碳酸盐沉淀温度分布范围统计(见表2,图5)中可以看出,方解石的沉淀温度集中在60～80℃,白云石和铁白云石集中在100～125℃,而铁方解石的沉淀温度却涵盖了75～125℃这个较宽的范围,这种复杂的现象和以上有关碳同位素的讨论结果是一致的。对在早、中成岩期持续沉淀有碳酸盐胶结物的储集层岩石而言,其负胶结物孔隙度与氧同位素组成一般具有较为明显的正相关性,表明储集层在埋藏过程中有效孔隙度随着深度增加、温度升高而减小。但从图4b可以看出,研究区负胶结物孔隙度与氧同位素组成具有明显的负相关性,与同类研究的结果正好相反,这种异常结果的出现,很可能反映了鄂尔多斯盆地自印支晚期以来整体渐进抬升、导致氧同位素组成较轻的大气淡水侵入而产生的影响,而前人开展类似研究的地区不具备这种埋藏成岩模式。3.2未固结砂岩储集层中自生碳酸钙胶结物的来源之一—物质来源及沉淀机制延长组中自生碳酸盐的多类型、多期次性,实际上反映了孔隙流体性质(包括离子类型和浓度)的不同。自生方解石在长3段出现的频率最高,其粗大结晶的颗粒、连晶状的赋存方式、颗粒的点接触形式均可以表明,沉淀发生的期次是早成岩期。此时,由于沉积物尚处于浅埋藏阶段,储集层的连通性相对较好,盆外流体仍与同沉积期沉积物囚捕的底水产生交换。这类流体具有较强的氧化性,Fe、Mn离子的含量较低。研究区延长组储集层中方解石沉淀所需要的物质来源主要是奥陶系海相碳酸盐岩岩屑的溶解。另外,长石(主要是斜长石)溶解是碳酸盐胶结物的重要物质来源之一,如钙长石的溶解方程如下:CaAl2Si2O8(钙长石)+2H++H2O→Al2Si2O5(OH)4+2Η++Η2Ο→Al2Si2Ο5(ΟΗ)4(高岭石)+Ca2+该过程提供的Ca2+离子在孔隙中沉淀后直接形成碳酸盐胶结物,成为碎屑岩地层中自生碳酸盐矿物主要物质来源之一。研究区延长组储集层富含长石(统计结果为22.5%),无疑为自生碳酸盐的形成提供了丰富的物质来源,这从长石普遍被各种类型的碳酸盐所交代的现象可以得到证明。前已述及,研究区白云石与铁白云石胶结物碳、氧同位素组成的分布范围区别不大,推算出的沉淀温度也差别不大,个别白云石的沉淀温度甚至高于铁白云石。白云石集中沉淀的温度范围在101.8～123.8℃(见表2),已属于中成岩期,其沉淀之所以晚于方解石,很可能与孔隙流体中Mg/Ca值的演变有关。从能谱分析来看,白云石与铁白云石的成分界限较模糊,实际数据表明绝大多数白云石胶结物均含有一定量的铁(见图3b、3e)。除了海相碳酸盐岩岩屑的溶解为白云石/铁白云石提供了一部分富含Ca、Mg的流体之外,砂岩储集层和相邻泥页岩层中的黏土矿物特别是蒙皂石的伊利石化也是一个重要来源,该演化过程所涉及的反应如下:4.5K++8Al3++蒙皂石→→伊利石+Na++2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+此反应提供的Ca2+、Fe3+和Mg2+是碳酸盐胶结物重要的物质来源之一,因地层中黏土矿物的转化随温度或埋藏深度(在忽略孔隙介质影响时)的增大而加剧,故与之有关的碳酸盐胶结物多在较晚的成岩阶段形成。另外,大量研究表明,地层中暗色矿物在有机酸作用下的溶解也为含铁碳酸盐矿物的沉淀提供了部分Fe的来源。由于研究区延长组储集层中含有一定数量的暗色矿物(例如,244个薄片统计中基性火成岩岩屑含量为3.11%),这种来源也不可忽视。铁方解石的碳、氧同位素组成具有较宽的范围,推算出来的沉淀温度也显示其具有长期持续性,在75～125℃温度范围都有沉淀,其下限接近无铁方解石的上限,上限又和白云石的温度上限几乎重合,这说明其沉淀所需要的流体来源复杂,包含了以上各个因素。同时,铁大规模加入孔隙流体很可能在地层温度达到75℃以后,而铁方解石的形成除了以上提到的蒙皂石成岩过程中释放流体中的Ca2+的直接沉淀,对于成岩早期沉淀的方解石甚至白云石的交代也可能是另外一种重要的机制。4胶结作用对储集层孔隙度的影响碳酸盐胶结物是研究区砂岩储集层中含量最高的自生矿物,故其对储集层质量的影响不可忽视。从研究区实际来看,碳酸盐胶结物对于储集层的影响是负面的,这主要表现在如下几个方面:①自生碳酸盐胶结物是延长组储集层总体孔隙度急剧减少的最重要因素之一。利用研究区4个井区246个薄片统计结果绘制负胶结物孔隙度与胶结物含量的投点图(见图6),从该图投点的分布可以看出,压实作用和胶结作用对储集层孔隙度的影响基本并无大的差别。假定沉积物最初的孔隙度为40%,按文献的公式推算,则该区因机械压实导致的孔隙损耗为18.6%,而胶结作用引起的孔隙损耗则为15.3%(含后期各种自生胶结物溶解的影响)。对比该区现存的8.68%(延长组6344个样品物性测试结果)平均孔隙度,胶结作用的破坏相当巨大,同时也说明压实作用和胶结作用对于储集层孔隙的改变几乎起到了同等重要的作用,这种情形和中国同时期其他盆地的情况也有所差别。由于自生碳酸盐胶结物占所有胶结物的42.6%之多,其对于储集层总体孔隙度的降低无疑起到了重要作用。同时,从碳酸盐胶结物含量与视面孔率的投点图(见图7)也可以看出,二者具有较为明显的负相关性,这也表明碳酸盐胶结物对储集层孔隙度的影响是直接的。②从对延长组毫米、厘米到米级地层样品特别是岩心的实际观察来看,颗粒分选较好、粒径较大且机械黏土质沉积物较少的砂岩中通常自生碳酸盐胶结物特别丰富(面孔率大于20%);另外与烃源岩相邻的砂岩储集层,尽管颗粒较细,填隙物也较多,但也会出现碳酸盐胶结物大规模富集的情形(见图3g、3h),这两种类型的钙质层可能反映了不同的流体来源。由于自生碳酸盐胶结物富集通常具有一定的成层性,可将原本较厚的储集层分割成若干薄层,从而在一定程度上使有效储集层的总厚度降低,影响储集层流体的自由运移,并且还有可能形成压力隔间,从而恶化储集层质量。图6右上角的投点,显示出胶结作用对于储集层孔隙的影响是占优势的,从对应的样品来看,这些样品均来自砂岩中的钙质层。③一般来说,先