碎屑组分差异对成岩作用的约束

——以苏里格气田东二区砂岩储层为例

       摘　要：成岩物质基础的不同是否能在一定程度上影响成岩微环境、成岩矿物和成岩强度，是一个值得深入探讨的问题。为此，以鄂尔多斯盆地苏里格气田东二区二叠系砂岩储层(位于盆地北部两大物源分区的交汇部位，其主要含气层段为下二叠统山西组一段和和下石盒子组盒8段)为例，采用薄片鉴定、铸体、阴极发光、扫描电镜、流体包裹体激光拉曼等分析实验方法，深入研究了长石石英砂岩和岩屑砂岩在成岩流体性质、成岩微环境和成岩产物等方面的差异。结果表明：①该区砂岩储层成岩现象多样，不同的岩石类型成岩序列也不同；②储层中成岩古流体的演化复杂，具有多流体性质和成岩环境变化相叠合的特点，在不同的砂岩类型中具有不同的表现；③埋深和温度是该区储层成岩环境变化的主导因素，此外，岩性及原始物质组分的差异不仅影响了局部流体性质和成岩微环境的变化，而且还导致了成岩反应、成岩序列和成岩产物的差异；④受差异成岩作用控制，该区长石石英砂岩的成岩演化相对简单，其孔隙特征明显好于岩屑砂岩。

       关键词：鄂尔多斯盆地  苏里格气田  储集层  砂岩  成岩流体  成岩环境  流体包裹体  孔隙

Constraints of clastic component difference on diagenesis：A case study of sandstone reservoirs in Dong-2 Block of the Sulige Gasfield．Ordos Basin

       Abstract：It is necessary to discuss if diagenetic micro environments，minerals and intensities can be，to some extent，influenced by diagenetic material basis．In view of this，a case study was performed on the Permian sandstone reservoirs in Dong-2 Block of the Sulige Gasfield，which is located in the intersecting part of two major material source subzones in northern Ordos Basin．The main gas-bearing intervals are the 1st Member of Shanxi Formation and the 8th Member of Lower Shihezi Formation in Lower Permian．Thorough analysis was conducted on the difference of diagenetic fluid properties，micro-environment and products between feldspathic quartzose sandstones and lithic sandstones by means of thin section analysis，cast，cathodeluminescence，scanning electron microscope，fluid inclusion laser Raman methods．It is shown that there are various diagenesis in sandstone reservoirs in this area and diagenesis sequences vary with rock types．Diagenetic paleofluids in the reservoirs have experienced complex evolution and present superimposition features of both multi fluid properties and diagenetic environment change，whose appearance varies with sandstone types．The diagenetic environment of the reservoirs in this area is mainly controlled by burial depth and temperature．And moreover，the differences of lithology and original material components not only affect the change of local fluid properties and diagenetic micro-environment，but result in the diversity of diagenetic reactions，sequences and products．Under the effect of differential diagenesis，the feldspathic quartzose sandstones in this area experienced relatively simple diagenetic evolution and are better in pore characteristics than lithic sandstones．

       Keywords：Ordos Basin；Sulige Gasfield；Reservoir；Sandstone；Diagenetic fluid；Diagenetic environment；Fluid inclusion；Pore

       作为古流体信息的载体和一个相对封闭的地球化学体系，成岩流体包裹体记载了地下流体的温度、压力、成分、介质环境等许多重要信息[1-3]，故流体包裹体在盆地热演化、成岩流体性质、油气运移以及油气成藏研究中正发挥着越来越重要的作用。前人关于苏里格气田流体包裹体的研究主要集中在划分成岩作用和成藏方面[4-21]，其流体包裹体研究多针对某一地区和层段，未曾考虑岩性组分差异对成岩流体、成岩环境的影响。成岩物质基础的不同是否能在一定程度上影响成岩微环境、成岩矿物和成岩强度，值得深入探讨。故笔者以苏里格气田东二区砂岩储层为例，重点探讨长石石英砂岩和岩屑砂岩在成岩流体性质、成岩微环境和成岩产物方面的差异。

1　地质背景

       鄂尔多斯盆地是一个发育于古老结晶变质基底之上的多旋回克拉通盆地，具稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显等特点[22-23]。按现今的构造形态，盆地可划分为伊盟隆起、渭北挠褶带、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷及西缘逆冲断裂构造带等6个一级构造单元[24]。苏里格气田东二区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中北部，呈现北东高、南西低的西倾单斜构造，其内部发育一系列北东—南西走向鼻隆构造，局部存在小幅顶面凸起和顶面洼地。区内上古生界自下而上发育本溪组、太原组、山西组、下石盒子组和石千峰组，目的层段为山1段和下石盒子组盒8段，沉积环境经历了从海陆过渡相至内陆河湖相的演化过程。属于岩性圈闭的层状定容气藏[25]，气藏平均埋藏深度在2998m左右，地温梯度为3.03℃／100m，地层压力介于24.19～27.80MPa，平均压力系数为0.86，属于典型的低压气藏[26]。

       东二区位于盆地北部两大物源分区——西段富石英物源和东段贫石英物源的交汇部位[27]，因而在同一地区、埋深相当的地层中，长石石英砂岩与岩屑砂岩共存，为研究相似地质条件下由岩石组分的不同引起的成岩微环境差异提供了理想的条件(图1)。

 

2　样品采集与实验方法

       样品均取自东二区山1段和盒8段砂岩，平面上采样点尽可能覆盖研究区的范围。其中在山东省油气勘探开发工程技术研究中心完成60件流体包裹体薄片样品的测试工作，采用Nikon Coolpix 4500显微镜，在透射光和荧光条件下观察流体包裹体颜色、形态、大小和产状，确定流体包裹体的相态和分布特征。流体包裹体显微测温所用仪器为英国Linkam生产的THMS-600型显微冷热台(-196～600℃)，测试精度为±1℃。单个流体包裹体激光拉曼测试在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成，仪器为英国Renishaw in Via Reflex型可见显微共焦拉曼光谱仪，激光光源为514.5nm的Ar+激光器，光谱分辨率为0.6cm-1。

3　成岩流体包裹体特征

3．1　流体包裹体岩相学特征

       笔者所研究的流体包裹体仅限于石英加大边、石英微裂缝和碳酸盐胶结物中与沉积盆地流体演化关系密切的次生流体包裹体。依据室温下包裹体的物理相态和成分，将样品中的次生包裹体分为盐水包裹体、CO2包裹体和烃类包裹体。

       盐水包裹体在石英裂隙和加大边中都有产出，有纯液相和气液两相2种类型。CO2包裹体含量较少，沿石英颗粒边部分布，拉曼分析检测到流体包裹体中可见CO2的拉曼峰(图2)，CO2包裹体的存在指示成岩过程中流体中含有CO2的成分，这也说明天然气成藏过程中存在酸性流体[28]。

烃类包裹体类型多样，分为液态烃包裹体、含液态烃盐水包裹体、含液态烃气态烃包裹体、含气态烃盐水包裹体和气态烃包裹体。其中，流体包裹体中液态烃部分透射光下液相无色或淡褐色，气态烃部分则为淡褐色或褐色。此外，在Z52井的个别样品中发现有含立方体状石盐晶体烃类包裹体，说明在烃类充注过程中，成岩流体的盐度非常高。

3．2　流体包裹体显微测温结果

       通过对研究区目的层段30件流体包裹体样品共150个包裹体显微测温，最终获得了储层岩石中流体包裹体的均一温度、盐度等参数，其中气液两相包裹体的流体盐度采用Bondnar盐度公式[29]计算。

3．2．1均一温度和盐度

       由于沉积盆地中与油气有关的流体包裹体形成的温度相对较低，一般对均一温度测量结果可以不用进行压力校正[30]。因此，同期盐水包裹体的均一温度可以代表储层中烃类包裹体的形成温度。温度测试数据表明，石英加大边中的盐水包裹体与烃类包裹体共生，盐水包裹体均一温度主要分布于79.4～148.4℃，盐度分布在3.55％～14.25％(盐度采用NaCl质量分数表示，下同)，平均值为6.60％；镜下观察发现石英颗粒发育3期加大边，表明热流体运移呈现幕式活动的特点。碳酸盐胶结物中由于测试难度大，所测包裹体少，盐水包裹体均一温度分布区间为170.3～188.6℃，平均值为179.8℃(图3)。

       石英裂隙中与烃类包裹体共生的盐水包裹体均一温度介于63～170℃，主要分布于85～155℃，与石英加大边中所测温度基本一致，说明这一温度段是流体活跃期，水岩活动强烈。分析结果显示石英裂缝内流体包裹体盐度变化较大，为3.39％～22.38％，平均值为12.40％，总体上盐度值偏高。100℃以下包裹体的盐度随着均一温度的升高有增加的趋势(图3)，其原因可能是早期埋藏较浅时受地表水的稀释作用。随着埋藏加深，地表水的作用减弱，受地热的影响流体蒸发作用加强以及成岩矿物的溶入，从而盐度升高，均一温度也呈现出较高值，这也反映了研究区处在较稳定下降的构造环境中，成岩作用逐渐增强。随埋深继续增加，盐度和均一温度之间没有必然的联系，预示此时的地层处于封闭状态，地层之间的流体活动受到限制，水体中盐度高低主要受成岩微环境控制。

3．2．2初熔温度、含盐体系与流体密度

       根据初熔温度判断，研究区山1段盒8段流体包裹体的水—盐体系并非单一H2O—NaCl体系，存在H2O—NaCl— MgCl2型、H2O—CaCl2型、H2O—KCl—CaCl2型、H2O—MgCl2—CaCl2型和H2O—NaCl—CaCl2型，以及初熔温度介于各流体体系之间的多相盐水体系，具有多种水  盐体系共存的特征。

4　成岩序列与孔隙特征

       苏里格气田东二区山1段盒8段储层的成岩作用主要有：造成储层孔隙大量减少的压实作用、使得储集岩物性进一步降低的胶结作用、产生大量次生孔隙的溶蚀作用、交代作用和压溶作用。岩性主要是岩屑砂岩、岩屑石英砂岩和长石石英砂岩(此类砂岩现今为富含高岭石的石英砂岩，事实上，往往为经历过强烈热液蚀变改造的低成分成熟度的长石石英砂岩和长石砂岩[31])，研究发现不同岩性之间的成岩类型、成岩序列与成岩产物存在较大的差异。现分别以岩屑砂岩和长石石英砂岩2个端元组分为例，说明原始碎屑组分的差异对成岩作用的影响。

       该区岩屑砂岩类成岩作用序列具体表现为(图4)：①绿泥石薄膜呈等厚状直接包裹整个颗粒，厚度介于1～2mm，在颗粒接触处均有分布，表明其形成时空间充足且早于压实作用；②高岭石位于绿泥石的外侧，说明钙长石的溶解作用晚于薄膜状绿泥石；③孔隙衬里绿泥石以栉壳状垂直于碎屑颗粒表面生长，在颗粒接触处未见分布，说明在压实作用进行到一定阶段，孔隙衬里绿泥石才开始形成；④伊利石占据绿泥石衬里且充填钾长石溶蚀孔隙，伊利石形成于富钾的环境中，钾长石蚀变可以提供转变所需的K+，并产生大量高岭石；⑤孔隙中间的高岭石可见绿泥石化和伊利石化；⑥晚期方解石充填残余粒间孔隙，多呈中—细晶或它形晶，有时甚至呈现出连晶状，颗粒成漂浮状，交代伊利石和绿泥石。砂岩孔隙多被充填，仅见粒内孔、晶间孔和少量残余粒间孔。

       长石石英砂岩的成岩特征与岩屑砂岩存在显著差异(图4)：不发育绿泥石薄膜，压实作用表现较强，颗粒呈线—凹凸状接触，石英加大边发育，且石英加大边外围可见高岭石，说明长石的溶蚀伴随着石英加大边的生成；晚期方解石交代石英次生加大边，使得石英加大边外围呈锯齿状边缘。长石石英砂岩的成岩序列为长石溶蚀®高岭石、石英加大边形成®晚期方解石。长石石英砂岩物性较好，常见大量残余粒间孔、晶间孔。

 

5　成岩反应与流体演化

       成岩作用演化过程中，不同的成岩矿物类型、不同的形成顺序，具有明显不同的流体包裹体的特征。将成岩作用和流体包裹体记录相结合，确定了苏里格气田东二区山1段—盒8段储层成岩序列与成岩流体的演化。该区山1段—盒8段储层流体包裹体均一温度分布表明，从65～175℃均有流体活动，反映其成岩演化的连续性；主体温度介于105～155℃，表明流体活动与成岩反应在这一时期较为活跃。研究发现，流体的演化在不同的岩石中有不同的表现，杂砂岩中成岩流体演化较为简单，由于杂基含量多，孔隙不发育，后期流体很难进入，所以演化过程单一；在此主要讨论长石石英砂岩类和岩屑砂岩类的成岩流体演化过程(图5)。

5．1　岩屑砂岩的成岩演化

5．1．1成岩阶段1(温度小于65℃)

       研究区同生期处于潮湿半干旱气候条件下的河流沉积环境[32]，成岩环境为开放体系，水体的pH值介于6～7[33]，石英、长石、岩屑等碎屑颗粒和火山填隙物质同时沉积下来；其中的火山填隙物质最不稳定，首先发生水解形成蒙脱石，这一过程会向孔隙流体中释放出Ca2+、Na+、Fe2+和Mg2+等阳离子，造成了局部的碱性成岩微环境，生成泥晶方解石、菱铁矿和绿泥石薄膜。随着埋深加大，体系由开放向半开放转变，机械压实作用增强，地层中流体排出。受下伏煤系地层(本溪组、山西组)和有机质的分解影响，水体中CO2含量增加，抑制了地层中方解石的形成。此时长石和岩屑的溶蚀作用增强，钙长石溶蚀形成高岭石，并释放出Ca2+。考虑到热力学因素，在20℃条件下，钾长石和钠长石溶蚀的吉布斯自由能分别为96.056KJ／mol和76.012KJ／mol[34]，反应不能自发进行，表明钾长石和钠长石比较稳定，并未发生大规模的溶解i钙长石吉布斯自由能为16.904KJ／mol[35]，反应能自发进行，故钙长石(斜长石的主要组分)首先发生溶蚀。在这一阶段石英愈合裂隙中捕获的流体包裹体多为单相盐水包裹体；两相盐水包裹体数量很少，仅获得2个点的测温数据作为参考，均一温度分别为63.2℃和65℃，对应初熔温度为-36.8℃(H2O—NaCl—FeCl2体系)和-65℃(不能准确划分其归属)，结合初熔温度，这一时期成岩流体并非简单的NaCl—H2O体系，流体中可能存在Ca2+、Mg2+、Fe2+。

5．1．2成岩阶段2(温度介于65～80℃)

       随着有机质演化的进行，有机酸开始少量生成，钾长石仅发生少量溶解，释放出的K+促使蒙脱石向伊利石转化。该温度区间也对应于蒙脱石开始转化形成伊利石的初始温度，这一黏土矿物转化反应释放出Na+和Si4+；地层水中的Na+限制了钠长石的溶解，Si4+由于数量少，很难形成硅质沉淀。此时，地层水中原先存在的、蒙脱石向伊利石转化过程中叠置的Mg2+、Fe2+，以及黑云母分解的Mg2+、Fe2+都为孔隙衬里绿泥石的形成提供了离子来源。这种孔隙衬里绿石常分布在沉积时期铁镁物质高的地方，与高铁镁沉积物质的空间分布具相关性。根据流体包裹体的均一温度(主要介于65～85℃)和相应的初熔温度(主要为-52.2℃和-55℃)，判断该成岩期次发育的盐水体系主要为H2O—NaCl—CaCl2型和H2O—MgCl2—CaCl2型，水体中Fe2+含量较少可能与铁质矿物的沉淀有关。

5．1．3成岩阶段3(温度介于80～148℃)

       该温度区间对应于有机质成熟及生烃阶段，地层水酸性进一步增强，钾长石溶解并生成大量高岭石。钾长石的溶解使水体中K+含量增加，有利于蒙脱石向伊利石转化。有机物的成熟可以加快蒙脱石向伊利石转化的速率，这将增加钾长石的溶解速率，并释放更多的钾离子[36-37]。蒙脱石大量转化的同时，会向水体中释放Ca2+、Si4+、Na+、Fe2+、Mg2+和OH-，导致水体中的酸性逐渐降低。这一成岩阶段的水岩活动最为活跃，结合流体包裹体的测温数据，在均一温度为105～130℃的包裹体中，其初熔温度为-55℃，发育的盐水体系主要为H2O—MgCl2—CaCl2型、H2O—NaCl—MgCl2型(初熔温度为-35℃)、H2O—CaCl2型(初熔温度为-50℃)、H2O—FeCl2型(初熔温度为-37℃)以及H2O—KCl—CaCl2型(初熔温度为-56℃)。说明此阶段地层流体离子类型多，盐度也较高。

5．1．4成岩阶段4(温度介于148～188℃)

       这一阶段有机酸分解，再由于上一阶段成岩反应消耗有机酸，使得地层水酸性减弱，碱性增强。此时蒙脱石向伊利石的转变结束，水体中多余的K+、Fe2+和Mg2+往往造成部分高岭石的绿泥石化和伊利石化。结合流体包裹体的测温数据，这一阶段发育的成岩流体的类型主要为H2O—MgCl2—CaCl2(初熔温度为-55℃)，部分包裹体中表现为H2O—NaCl—CaCl2初型(熔温度为-53．8℃)，说明经过以上成岩反应后成岩流体中的阳离子主要为Na+、Ca2+和Mg2+等，阴离子则主要为Cl-；水体中离子的种类减少，盐度也随着成岩矿物的沉淀而降低，成岩体系封闭性增强，水岩活动减弱。随着埋藏加深成岩体系更为封闭，流体之间的离子交换变得困难，成岩环境转变为碱性环境，孔隙流体中的水体中的Ca2+与CO2与水的作用形成的CO2反应产生方解石，当有铁离子存在的时候则形成铁方解石，同时产生少量的石英的溶蚀现象。

5．2　长石石英砂岩的成岩演化

       长石石英砂岩的岩性特征是石英、燧石大于碎屑颗粒体积的75％，长石、岩屑含量很少；此类砂岩杂基较少，原生孔隙度高。与岩屑砂岩相比，长石石英砂岩在同生期水体中离子较少，盐度较低。埋藏后，酸性地层水造成钙长石的溶蚀并形成高岭石，此时压实作用凸现。80～148℃，随着埋深的加大，有机质成熟，有机酸大量释放，水体中酸性增强，钾长石和钠长石大量溶解；加上压溶作用的增强，Si4+大量析出并以石英加大边的方式沉淀。石英加大边中发育的包裹体主要是烃类包裹体及伴生的盐水包裹体，说明石英加大边的形成主要和烃类的充注有关。通过加大边中流体包裹体测温显示，包裹体盐度低，且体系较为单调，主要为H20—CaCl2体系，表明长石石英砂岩中的水—岩活动主要是长石的溶解作用和石英加大边的形成。这一阶段，长石大量溶解除形成加大边外，还可形成大量高岭石，局部可见伊利石。148℃以后，有机酸分解以及前期成岩蚀变消耗有机酸，水体逐渐向碱性演变，造成晚期少量方解石的形成，交代石英加大边和长石。

6　结论

       1)苏里格气田东二区砂岩储层在石英加大边、石英愈合裂缝和碳酸盐胶结物中均分布流体包裹体，不同期次、不同宿主矿物内的流体包裹体具有不同的均一温度和流体性质。

       2)该区砂岩储层中成岩现象多样，不同的岩石类型成岩序列不同。岩屑砂岩成岩序列为绿泥石、早期泥晶方解石®钙长石溶解、高岭石开始生成®局部生成绿泥石衬里®钾长石溶解、蒙脱石向伊利石转变®孔隙充填伊利石、绿泥石和高岭石的伊利石化®晚期碳酸盐胶结；而长石石英砂岩的成岩序列主要为长石溶蚀®高岭石、石英加大边形成®晚期方解石胶结。

       3)苏里格气田东二区二叠系砂岩储层中古流体的演化复杂，表现出多次流体性质和成岩环境变化相叠合的特点。在不同的砂岩类型中有不同的表现，岩屑砂岩中随着埋深加大，经历了弱碱性®酸碱交替®弱酸性®酸性®酸碱交替®弱碱性等多重成岩环境的变化，各类成岩矿物和成岩作用以及流体的盐水体系和盐度也随之发生变化；石英砂岩则经历了弱酸性®酸性®弱碱性成岩环境的变化。

       4)虽然埋深和温度是东二区储层成岩环境变化的主导因素，但岩性及原始物质组分的差异不仅影响了局部流体性质的变化及成岩微环境的变化，而且导致成岩反应、成岩序列和成岩产物的差异。

       5)受差异成岩作用控制，长石石英砂岩的成岩演化相对简单，保留着较好的残余粒间孔，晶间孔较发育，孔隙总体较好；岩屑砂岩成岩反应复杂，成岩产物的堵塞致使大部分岩屑砂岩孔隙变差。

 

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本文作者：刘占良  樊爱萍  李义军  杜支文  赵忠军  张涛

作者单位：中国石油长庆油田公司第五采气厂

                 山东科技大学地球科学与工程学院

                 中国石油长庆油田公司苏里格气田研究中心

                 中国石油长庆油田公司苏里格气田勘探处