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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (5): 930-937  
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庞军刚, 国吉安, 杨友运, 东玉, 尚晓庆, 王桂成, 李谦. 致密砂岩中多期碳酸盐胶结物形成机理——以鄂尔多斯盆地华庆地区三叠系延长组长63为例[J]. 地质通报, 2018, 37(5): 930-937.
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Pang J G, Guo J A, Yang Y Y, Dong Y, Shang X Q, Wang G C, Li Q. The formation mechanism of multi-stage carbonate cements in tight sandstone: A case study of Chang 63 sub-member of Triassic Yanchang Formation in Huaqing area, Ordos Basin[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(5): 930-937.
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基金项目

国家科技重大专项《大型油气田及煤层气开发》(编号:2016ZX05050006)、西安石油大学“沉积学与储层地质学”科研创新团队(编号:2013KYCXTD03)、陕西省教育厅专项科学研究计划《鄂尔多斯盆地南部上古生界物源分析及砂体展布规律研究》(编号:17JK0605)和中国地质调查局项目《鄂尔多斯周缘盆地群油气基础地质调查》(编号:121201011000150014)

作者简介

庞军刚(1978-), 男, 博士, 副教授, 从事沉积学及储层地质学教学和科研工作。E-mail:pangjg2006@126.com

文章历史

收稿日期: 2016-07-16
修订日期: 2016-10-19
致密砂岩中多期碳酸盐胶结物形成机理——以鄂尔多斯盆地华庆地区三叠系延长组长63为例
庞军刚1 , 国吉安2 , 杨友运1 , 东玉1 , 尚晓庆1 , 王桂成1 , 李谦1     
1. 西安石油大学地球科学与工程学院, 陕西 西安 710065;
2. 陕西省地质矿产勘查开发局第二综合物探大队, 陕西 西安 710016
摘要: 为明确致密砂岩中碳酸盐胶结物的类型、分布特征及其形成机理,以鄂尔多斯盆地华庆地区延长组长63致密砂岩为例,在铸体薄片、阴极发光、扫描电镜分析的基础上,从岩石学、地球化学的角度进行分析。研究表明,碳酸盐胶结物主要有方解石、铁方解石、白云石和铁白云石,在不同地区分布类型差别较大,西南部含量较高,东北部含量较低,其含量、类型与物源及水介质中钙离子的来源有关,可分为内源及外源成因,由于晚期碳酸盐胶结物发育,较大规模地堵塞了孔隙,且后期溶解作用较差,成为长63砂岩致密化的一个重要因素。在绘制研究区铁方解石和铁白云石胶结物等值线图的基础上,认为研究区碳酸盐胶结物主要为碳酸盐岩屑溶解-再沉淀、长石溶解-再沉淀等形成机理。研究成果可为华庆地区延长组致密油储层有利区预测提供依据。
关键词: 碳酸盐    多期次    形成机理    致密砂岩    鄂尔多斯    华庆地区    延长组    
The formation mechanism of multi-stage carbonate cements in tight sandstone: A case study of Chang 63 sub-member of Triassic Yanchang Formation in Huaqing area, Ordos Basin
PANG Jungang1, GUO Ji'an2, YANG Youyun1, DONG Yu1, SHANG Xiaoqing1, WANG Guicheng1, LI Qian1     
1. School of Earth Science and Engineering/Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, Shaanxi, China;
2. No.2 Comprehensive Geophysical Exploration Research Party; Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development of Shaanxi, Xi'an 710016, Shaanxi, China
Abstract: In order to understand tight sandstone characteristics and formation mechanism, the authors analyzed the distribution and formation mechanism of carbonate cements in terms of petrological and geochemical characteristics of the samples by means of casting thin sections, cathodoluminescence and scanning electron microscopy in the samples, take the Chang 63 sub-member reservoir of Triassic Yanchang Formation in Huaqing area of Ordos Basin as the study object. The result shows that the main types of carbonate minerals are calcite, ferrocalcite, dolomite and ferrodolomite, and different areas show great difference in type distribution, being higher in content in southwest and lower in northeast. The content and type are related to the provenance and the source of calcium ions in aqueous medium, which can be divided into authigenic carbonate and exogenous carbonate. As the pore volume was plugged up by the carbonate cement on a large scale and the later dissolution was lacking, the sandstone of Chang 63 sub-member of Yanchang Formation became densified. On the basis of drawing the contour map of ferrocalcite and ferrodolomite cement in study area, the mechanism of carbonate cements was investigated. It is held that the carbonate cements were mainly formed by the dissolution-reprecipitation of carbonate rock debris and feldspar dissolution-precipitation. The results obtained by the authors can provide reference for favorable prediction of tight oil of Yanchang Formation in Huaqing area, and can also provide reference for microscopic characteristics study of tight hydrocarbon reservoir both in China and abroad.
Key words: carbonate cements    multi-stages    formation mechanism    tight sandstone    Ordos Basin    Huaqing area    Yanchang Formation    

碳酸盐胶结物是砂岩中常见的自生矿物,前人对胶结物类型、分布及其与储层的关系等进行了研究,为本次研究奠定了基础[1-5]。前人对碳酸岩胶结物与储层关系的研究主要存在2种观点:一种认为,碳酸盐胶结物是一种破坏性成岩作用,由于其广泛占据次生孔隙,降低了孔渗度[1-4];另一种认为,碳酸盐胶结物是一种建设性成岩作用,由于该胶结物形成于成岩作用的早期,增强了岩石的机械强度和抗压实能力,有利于原生粒间孔的保存[5]。但受认识水平和实验条件的限制,前人研究多针对低渗储层,对不同类型碳酸岩胶结物的含量、分布情况及不同地区自生碳酸盐胶结物的形成机理存在较大分歧。

鄂尔多斯盆地华庆地区延长组长63发育三角洲前缘水下分流河道及深水重力流砂体, 是近年致密储层研究的热点地区和油田增储上产的重要区块,其砂岩储层碳酸盐胶结物含量较高。本文在82口井220件铸体薄片、79件阴极发光和63件扫描电镜样品分析的基础上,从岩石学、地球化学角度出发,分析碳酸盐胶结物的分布特征及其形成的阶段性,进一步探讨其形成机理及对储层的影响,为华庆地区延长组致密油的有利区预测提供依据。

1 区域地质概况

华庆地区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡西南部,处于晚三叠世坳陷湖盆的沉积中心。目前地层埋深为1800~2600m,东北部埋深浅、西南部埋深大。受构造运动、沉积相及成岩作用的影响,形成鄂尔多斯盆地延长组砂岩储层中最具代表性的致密储层[6]。根据岩性组合及沉积旋回特征,延长组自上而下划分为长1~长10十个油层组。长6油层组划分为长61、长62、长63三个亚油层组,其中长63为华庆地区的主力产层(图 1)。

图 1 研究区位置(a)及沉积柱状图(b) Fig.1 Location of the study area(a) and vertical profile of sedimentary facies(b)

华庆地区长63期有东北、西南两大物源区,其中东北物源供屑充分,影响范围大,混合源区分布在华池附近[7],厚层砂体主要为三角洲前缘及重力流成因。砂岩成岩改造特征明显,特别是碳酸盐胶结物含量较高, 不同类型的碳酸盐胶结物为成岩过程中多期作用形成,其分布特征及形成机理对该区致密砂岩储层的分类及有利预测意义重大。

2 胶结物类型及产状特征

根据扫描电镜、普通薄片、能谱、阴极发光等多种微观分析技术研究,研究区砂岩中自生碳酸盐胶结物含量为4.8%,占填隙物总量的26%。对含有明显碳酸盐胶结物的128个薄片用茜素红与铁氰化钾染色,并在偏光显微镜下进行统计,配合电子探针及能谱技术分析。识别出研究区主要有方解石、铁方解石、白云石、铁白云石4种碳酸盐胶结物。方解石常为微晶或中-细晶、铁方解石常呈连晶状产出,晶粒洁净、粗大,晚期铁白云石、铁方解石常交代长石、碳酸盐岩屑或充填长石溶蚀孔隙。其中, 铁方解石含量最高,占自生碳酸盐含量的63.0%(绝对含量为3.0%);铁白云石占24.0%(绝对含量为1.2%);方解石占12.0%,白云石占1%(表 1图 2图版Ⅰ)。

表 1 华庆地区长63典型碳酸盐胶结物电子探针分析结果 Table 1 The electron microprobe analyses of carbonate cements of Chang 63 sub- member of Yanchang Formation in Huaqing area
图 2 华庆地区延长组长63砂岩填隙物成分及含量饼状图 Fig.2 Disking chart constituent and content of interstitial material in sandstone of Chang 63 sub- member of Yanchang Formation in Huaqing area a—填隙物含量;b—碳酸盐胶结物类型及含量
图版Ⅰ   PlateⅠ   a.白411,2123.45m,铁白云石胶结,扫描电镜;b.白482,1826.86m,少量孔喉中石英及铁白云石紧密胶结,扫描电镜;c.里76井,2106.24m,铁方解石胶结及交代长石颗粒,无孔隙,普通薄片;d.白182井,2175.38m,方解石胶结、交代发育,阴极发光;e.白206井,1992.50m,含铁方解石(略暗的橙红色)和方解石(亮橙红色)致密胶结,阴极发光;f.白286井,1973.10m,铁方解石、铁白云石胶结,茜素红染色,铸体薄片;g.山103井,2044.83m,铁白云石、方解石胶结,普通薄片及电子探针;h.元284井,2182.20m,白云石、铁白云石胶结,普通薄片及电子探针
3 不同类型胶结物的共生关系

华庆地区长63储层填隙物主要有伊利石、碳酸盐、绿泥石、硅质,其中伊利石和碳酸盐矿物含量较高,东北部绿泥石薄膜胶结物发育[8]。不同物源区的砂岩岩矿分析显示:绿泥石薄膜在北东部和中部较高,在西南部很低;伊利石、碳酸盐、硅质等胶结物含量在西南部较东北部明显偏高。

里70井成岩参数综合柱状图显示,碳酸盐胶结物含量与绿泥石薄膜呈负相关,与硅质胶结呈正相关,与粒间孔和面孔率呈负相关,铁方解石与铁白云石的含量呈消长关系(图 3)。

图 3 华庆地区里70井延长组长63碳酸盐胶结物与其他组分的关系 Fig.3 The relationship between carbonate cement and other interstitial material of Well Li-70 of Chang 63 sub- member of Yanchang Formation in Huaqing area
4 胶结物分布特征及其对储层物性的影响 4.1 分布特征

本次根据单井砂岩段铸体薄片鉴定的胶结物含量值,绘制长63期铁方解石和铁白云石含量等值线图(图 4)。

图 4 华庆地区延长组长63砂岩中自生碳酸盐胶结物及孔隙类型等值线 Fig.4 The contour map of authigenic carbonate cement and pore types of Chang 63 sub-member of Yanchang Formation in Huaqing area a—铁方解石;b—铁白云石;c—原生粒间孔;d—溶孔

铁方解石含量为1%~4%,总体以含量1%~2%等值线分布范围广、西部较东部含量高为特征,高值区主要分布在白马-元城、里57-里93井区、白213井-庙巷-华池。

铁白云石含量为1%~5%,总体以含量1%~2%等值线分布范围广为特征,高值区主要分布在乔河一带及白280井-温台-悦乐。

4.2 早期部分溶解,晚期充填孔隙

研究区岩心观察显示,颗粒分选性较好、粒径较大、杂基较少的砂岩中碳酸盐胶结物多,临近烃源岩富含杂基的细粉砂岩也发育较多的碳酸盐胶结物,这2种现象可能反映了不同的流体来源及形成机制。由于自生碳酸盐胶结物常形成储层的钙质夹层,降低有效储层的总厚度,影响流体运移,增强了储层的非均质性。

研究区致密砂岩在成岩作用早期及晚期,甚至颗粒溶解过程中一直伴随不同类型碳酸盐胶结物的形成和富集,不同时期的碳酸盐成分、产状等差异明显,储层微观特征研究可见小规模的碳酸盐胶结物溶解现象,但往往充填原生孔或次生孔,降低孔隙度、渗透率的作用明显。

铁方解石、铁白云石、原生粒间孔、溶孔的平面分布等值线图对比表明,铁方解石、铁白云石和面孔率均呈明显的负相关性;铁方解石、铁白云石与面孔的相关性分析表明,铁方解石、铁白云石与面孔率呈负相关关系,且面孔率大于2%时,其与铁方解石、铁白云石的负相关性越明显(图 4图 5),可见晚期的铁(含铁)碳酸盐胶结物对于储集层物性是一种负面影响[3]

图 5 华庆地区延长组长63碳酸盐胶结物与面孔率的相关性 Fig.5 The correlation of carbonate cements and plane porosity of Chang 63 sub- member of Yanchang Formation in Huaqing area
5 研究区碳酸盐胶结物形成机理 5.1 形成机理探讨

目前关于自生碳酸盐矿物形成机制主要有以下4种观点[9]:①直接沉淀形成的碳酸盐;②碳酸盐岩屑的溶解作用;③粘土矿物的转化作用等;④长石等铝硅酸盐矿物的水化作用。研究区碳酸盐的主要形成机理有①、②、④。

1)湖水中直接沉淀

在常温常压下,当孔隙水中溶解的碳酸盐物质达到过饱和时,可以直接从孔隙水中沉淀出来。该期胶结物往往为不含铁的碳酸盐嵌晶胶结,发生在主要压实期以前,形成局部致密无孔层段。笔者认为,这种形成于成岩作用早—中期的内源碳酸盐胶结物化学成分一定程度上反映了当时岩石的流体性质。微观研究发现,早期沉淀的菱铁矿胶结物溶蚀残余分布不均匀,可导致岩石孔隙度增加2%~9%,对储层物性改善较有利。

2)碳酸盐岩屑溶解-再沉积

该机制形成的碳酸盐胶结物往往保留了碳酸盐岩屑的同位素和微量元素特征,与干酪根的生烃作用有关,为晚期形成的外源碳酸盐胶结物[10]。这种成因的碳酸盐胶结物以白云石为主(尤其是铁白云石),它们在同位素组成上接近于碳酸盐岩屑所在时代的海水。由于印支运动的影响,陇东地区延长组(甚至出露长6、长4+5地层)抬升遭受不同程度地剥蚀,在不整合面的开放体系中大气水或其他酸性介质对碳酸盐岩屑进行溶蚀。研究区长63砂岩中白云岩岩屑常见,薄片观察也可见其溶蚀现象,并形成较多的白云石胶结物,铁白云石胶结物Na,Sr和Ba及同位素特征均表明,其与砂岩中的白云岩岩屑具有亲缘性[11-12]。本次统计发现,长63中铁白云石含量仅次于铁方解石,笔者认为,白云岩岩屑溶解-再沉淀来源的碳酸盐胶结物明显存在。

3)长石溶解-再沉淀

这是研究区碳酸盐胶结物形成的主要机制之一。泥岩中的有机质在成熟及烃类热降解过程中, 会产生有机酸、二氧化碳等酸性物质,其中的二氧化碳与水中的Ca2+结合,形成碳酸盐溶液,它们以云朵状、指状向外扩散、运移,溶解其途径岩石中的酸溶性组分(主要为长石及部分岩屑),产生次生孔隙,为溶液提供通道和部分充注空间,形成的CO32-与水中的Ca2+结合形成碳酸盐,当物理、化学条件变化时,在砂体的一定部位沉淀下来,形成碳酸盐胶结致密带,往往形成一种结晶自形程度较差的外源碳酸盐胶结物,呈他形或连晶状充填于剩余孔隙中,大大降低了储层的孔隙度。其中一部分在砂体顶部形成的碳酸盐胶结致密带, 可形成成岩圈闭, 有利于油气成藏。华庆地区长63砂岩与上部泥岩过渡的泥质粉砂岩中,存在碳酸盐基底式胶结、泥质粉砂岩中的黑云母环带、碳酸盐胶结与泥质胶结界线分明等现象,均说明此类碳酸盐溶液的来源与富含有机质的暗色泥岩关系密切。电子探针分析结果进一步证实,本区碳酸盐基底式胶结物的成分基本一致,表明其来源相同(表 1)。

研究区长6砂岩中长石溶蚀较强烈,为碳酸盐胶结物的形成提供了充分的Ca2+离子,薄片及阴极发光观察中常见长石溶孔充填碳酸盐胶结物的现象。从单井图上可以看出,长石颗粒与碳酸盐胶结物的含量呈负相关,也反映长石为碳酸盐的形成提供了钙质来源(图 3)。

5.2 沉淀形成机理及分布模式

自生碳酸盐矿物的种类可以随着埋深的增加及地温的升高按一定序列有规律地出现,成岩早期主要以方解石、白云石为主,晚期则以含铁的方解石和铁白云石为主[13]。华庆地区泥页岩地层在成岩过程中主要为成岩流体排除带,其成岩过程中有机质生成的大量酸性流体向侧方运移时,对流经的长石等酸性组分和陆源碳酸盐岩屑产生溶蚀,形成次生孔隙的同时排出Fe2+,Ca2+,Mg2+等,形成成岩溶蚀带。这些离子随着孔隙流体运移时,由于酸碱度等物理化学条件的变化而沉淀,形成碳酸盐胶结充填带。因此,研究区碳酸盐的形成可分为有机酸形成区、溶蚀区和沉淀区(图 6)。

图 6 华庆地区延长组长63碳酸盐胶结物形成机理模式 Fig.6 The model of formation mechanism of carbonate cement of Chang 63 sub- member of Yanchang Formation in Huaqing area
6 结论

(1)华庆地区延长组长63砂岩中自生碳酸盐胶结发育、类型多样, 可呈泥微晶环边、充填粒间孔隙、交代矿物、充填长石溶孔等产状,其中铁方解石与铁白云石含量较高,各种不同类型碳酸盐的碳、氧同位素组成具有明显不同的分布范围。

(2)由于该区碳酸盐胶结物充填孔隙(包括原生孔与次生孔),且后期溶解作用较弱, 总体减少储层的孔隙度、降低渗透率。

(3)在绘制研究区铁方解石和铁白云石胶结物等值线图的基础上,对碳酸盐的形成机理进行了探讨,认为主要为碳酸盐岩屑溶解-再沉淀、长石溶解-再沉淀形成的机理。

致谢: 感谢评审专家对本文的建设性建议,研究生李赛、陈冲、黄希燕在项目执行过程中处理数据并绘制了部分图件,在此表示感谢。

参考文献
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