鄂尔多斯盆地东部绥德-吴堡地区山23气层砂岩成岩相类型与控因

姚泾利,李咪,王怀厂,郭英海,侯云东,白万备

(1.中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710021;2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008;3.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116;4.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

鄂尔多斯盆地上古生界碎屑岩蕴藏着丰富的天然气资源[1-2]，沉积之后受控于多种成岩作用，形成了不同的成岩矿物组合、组构、孔隙体系，最终决定了储层质量的优劣[3-5]。成岩相是指影响碎屑岩储集性能的某种或某几种成岩作用的综合效应及其分布的储集空间组合，是成岩环境和成岩矿物的综合演化结果，反映了沉积岩目前的面貌，这一面貌是其在成岩过程中所经历的一系列成岩变化的结果[6]。因此，通过碎屑岩的成岩相研究，可以指导寻找有效储集体，是油气勘探工作的重点和核心。

国内外学者主要依据成岩矿物、成岩作用强度或组合特征、储集空间特征进行碎屑岩成岩相类型划分[6-15]，部分学者结合测井对成岩相进行识别[8，10，13]。本文基于大量铸体薄片的观察和鉴定，结合砂岩储层的孔隙度、渗透率数据，揭示研究区山23气层砂岩在成岩演化过程中经历的主要成岩作用类型、相对强度以及成岩产物(胶结物、孔隙等)的分布特征，结合储层物性特征，划分成岩相类型，并明确不同成岩相储集层的分布规律与控制因素，为寻找有利勘探区奠定基础。

1 研究区地质概况

绥德-吴堡地区分布于鄂尔多斯盆地东部，处于伊陕斜坡构造单元(图1)。伊陕斜坡位于盆地中部，已探明的苏里格、榆林等致密砂岩大气田均分布于该构造单元[16]。

研究区石炭-二叠系为盆地的重要含气层系，包括本溪组-石千峰组，发育多个产气层段。其中，山西组山23气层是研究区上古生界气藏的主力产气层段[17，7]，为浅水三角洲沉积体系，研究区砂体以三角洲前缘亚相沉积为主[18]。

图1 绥德-吴堡地区山23气层砂岩厚度等值线图和采样井位置分布

Fig.1 Isolines of the Shan 23gas layer sandstones and sampling well location distribution in Suide-Wubu area

2 储集层基本特征

对研究区493个山23气层砂岩样品的铸体薄片进行鉴定，结果表明，砂岩的岩石类型以石英砂岩(68.56%)为主，岩屑石英砂岩(26.37%)次之，见少量的岩屑砂岩(5.05%)(图2)。砂岩以中—粗粒结构为主，陆源碎屑分选中等—好，多呈次棱角—次圆状，以加大-孔隙式胶结为主。

图2 绥德-吴堡地区山23气层砂岩岩石分类

石英碎屑平均质量分数高达78.69%。岩屑类型多样(图3)，以火山岩屑(图4(a))为主，千枚岩、变质砂岩等变质岩屑次之(图4(b)-(d))，蚀变岩屑(图4(e))和沉积岩屑(图4(f))较少。砂岩较为纯净，与砂岩碎屑同时沉积的黏土杂基含量低，胶结物类型多样，硅质胶结物质量分数最高(6.95%)，黏土胶结物次之(6.07%)，碳酸盐胶结物质量分数较低(2.57%)(图5)。

图3 绥德-吴堡地区山23气层砂岩岩屑类型及质量分数

对273个山23气层砂岩样品进行常规物性测试，结果表明，孔隙度为0.68%～11.6%，平均5.57%，渗透率为0.005 6～9.907 mD，平均0.697 8 mD，并且，砂岩的孔隙度和渗透率呈正相关关系(图6)。其中，渗透率小于1 mD的砂岩占比高达88%，表明研究区山23气层砂岩整体属于致密砂岩[19]。

(a)火山岩屑，Y39，山23，2 371.75 m；(b)云母、千枚岩和板岩岩屑，Y39，山23，2 361.72 m；(c)变质砂岩岩屑，Y117，山23，2 302.31 m；(d)片岩岩屑，Y106，山23，2 059.49 m；(e)蚀变岩屑，Q8，山23，2 863.31m；(f)泥岩岩屑，S218，山23，2 941.86 m

图4 绥德-吴堡地区山23气层砂岩岩屑的镜下特征

Fig.4 Microscopic characteristics of the rock fragments of
the Shan 23gas layer sandstones in Suide-Wubu area

图5 绥德-吴堡地区山23气层砂岩胶结物类型及含量

3 主要成岩作用类型及特征

通过对研究区山23气层砂岩的铸体薄片进行系统观察与鉴定，发现其主要经历了压实、胶结、溶蚀等成岩作用的改造，其特征如下。

图6 绥德-吴堡地区山23气层砂岩孔隙度和渗透率的相关性

3.1 压实作用

压实作用是碎屑岩固结成岩的主要方式之一，导致孔隙空间大幅缩减[20-21]。砂岩经历了较强的压实作用，主要表现为碎屑颗粒以线、线-凹凸接触为主(图7(a))，局部发生压溶作用，可见缝合线式接触(图7(b))。镜下可以观察到柔性碎屑在压实作用下弯曲变形、定向排列(图4(b)，(d)，图7(a))，以及少量的刚性碎屑破裂，部分被后期胶结物充填(图7(c))。大部分的岩屑砂岩因为压实作用强烈失去储集性能，石英砂岩则由于抗压实能力强而保存了一部分粒间孔隙。岩屑石英砂岩的刚性碎屑富集处可见少量粒间孔，塑性碎屑富集处则压实致密。

3.2 胶结作用

胶结作用主要表现为胶结物的形成，砂岩的主要胶结物类型包括硅质、以高岭石和伊利石为主的黏土矿物、以铁白云石和菱铁矿为主的碳酸盐矿物。由各类胶结物的产状及占位关系可知，主要胶结物的形成次序依次为：自生石英加大→自生高岭石/伊利石充填→自生铁白云石充填(图7(d))。

(a)碎屑呈线-凹凸式接触，M53，山23，1 800.39 m；(b)压溶作用，碎屑呈缝合线接触，M87，山23，2 253.87 m；(c)碎屑在压实作用下形成裂缝，M87，山23，2 253.23 m；(d)胶结物形成顺序为石英次生加大→高岭石→铁白云石，M56，山23，1 992.73 m；(e)石英次生加大边可见自形晶面，Q28，山23，2 659.37 m；(f)粒间溶孔中充填自生石英，SA218，山23，2 941.04 m；(g)高岭石和伊利石，M68，山23，2 536.78 m；(h)菱铁矿在压实作用下发生变形，Y117，山23，2 294.31 m；(i)燧石粒内溶孔，Q8，山23，2 860.33 m

图7 绥德-吴堡地区山23气层砂岩成岩作用的镜下特征

Fig.7 Microscopic characteristics of the diagenesis of the Shan 23gas layer sandstones in Suide-Wubu area

3.2.1 硅质胶结

研究区硅质胶结物主要有两种产出形式，包括石英次生加大边、自形程度较好的自生石英。石英次生加大边在砂岩中普遍发育，常呈环边状包裹或半包裹石英颗粒，分布不均匀，在局部石英碎屑颗粒富集处，次生加大边发育的厚度大，未完全充填孔隙时可见自形的晶面(图7(e))；在软岩屑含量较高、压实作用较强、粒度较细的砂岩中发育较少。SiO2也常沉淀为自形的自生石英晶体，充填在粒间孔、溶孔中(图7(f))。

3.2.2 黏土矿物胶结

研究区砂岩富含高岭石胶结物，这一特征与砂岩沉积于煤系地层，造成早期成岩环境偏酸性密切相关[22-24]。据高岭石胶结物产状特征，将其分为两类：一类晶粒自形程度低，堆积紧密，粒度细小，晶间常残存伊利石或绿泥石(图7(d))，多分布于岩屑石英砂岩中；另一类晶粒自形程度高，晶粒粗大，疏松分布，主要发育于石英砂岩、岩屑石英砂岩中(图7(g))。伊利石胶结物的含量较低，主要分布于岩屑石英砂岩和岩屑砂岩中，呈蜂窝状、丝缕状充填孔隙中(图7(g))。

3.2.3 碳酸盐胶结

研究区砂岩中的碳酸盐胶结物以铁白云石、菱铁矿为主。铁白云石分布普遍，呈菱形自形或半自形粉晶、细晶分散于碎屑颗粒间充填孔隙(图7(d))。菱铁矿主要为隐晶团块状，多呈层状富集，或发育于层理面上，经压实而发生形变(图7(h))，主要分布于岩屑砂岩中。

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用形成多种次生溶孔，包括粒间溶孔、粒内溶孔，成为砂岩的主要储集空间类型。粒间溶孔主要指充填在粒间孔隙中的凝灰质[2]被部分或完全溶解而形成的次生孔隙，具有较强的非均质性。粒内溶孔包括两类：一类是由碎屑内部易溶组分选择性溶蚀形成，如燧石粒内溶孔(图6(i))；一类为铸模孔，即粒内物质完全溶蚀但保留碎屑的原始形态，呈碎屑假象(图7(f))，在成岩中后期常被胶结物部分充填。

4 成岩阶段与成岩演化

基于研究区山23气层砂岩的主要成岩作用研究及自生矿物充填序列观察，结合前人关于鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储层的成岩作用研究[7，12，14，25-27]，依据碎屑岩成岩阶段的划分标准(SY/T 5477—2003)，认为砂岩处于中成岩B期，其成岩演化序列如图8所示。

三叠纪—中侏罗世，研究区处于快速沉降阶段，此时山23气层砂岩已进入晚成岩期，压实、胶结作用强烈，形成致密储层；晚侏罗世—白垩纪，研究区构造活动强烈，烃源岩进入生排烃高峰期，天然气大量生成，运聚至砂岩储层，形成致密气藏[27]。研究区山23气层砂岩具有“先致密、后成藏”的特征，天然气运聚阶段，经历强烈压实作用后保存的残余粒间孔及后期形成的次生溶孔成为气体重要储集空间，决定了有效储集层的分布。

图8 绥德-吴堡地区山23气层砂岩的成岩演化序列

Fig.8 Diagenetic evolutionary series of Shan 23gas layer sandstones in Suide-Wubu area

5 成岩相类型划分及特征

成岩相的划分和命名目前尚无惯例可循，但成岩相是多种成岩作用的产物，所以命名时应首先考虑成岩作用类型及其强度，其次结合成岩作用对岩石储集性的影响，突出储层的物性特征，以指导有效储集体的寻找。在研究区山23气层砂岩铸体薄片的观察和分析的基础上，根据主要成岩作用的微观发育特征，结合物性特征，将研究区砂岩的成岩相划分为三大类，七个亚类(表1)。

5.1 斑状致密组合孔隙相

该类成岩相主要发育于粗粒石英砂岩、粗粒岩屑石英砂岩中，砂岩的面孔率一般大于3%，其基本特征是压实致密或胶结致密区与次生溶孔区不规则地相间分布，微观非均质性很强，物性较好。斑状致密是由于砂岩中局部的胶结或压实造成的，在石英碎屑集中处往往为硅质胶结或碳酸盐胶结，而石英与塑性岩屑接触处、塑性岩屑集中处则由于压实而假杂基化致密。孔隙类型包括溶蚀区的较大孔隙(多种孔隙类型组成的复合孔隙发育区)和致密区的微孔。

该类砂岩储集性的好坏与残余原生粒间孔保存的比例、溶蚀强度密切相关。按孔隙类型、溶蚀强度分为压实-硅质胶结斑状致密-残余粒间孔亚相(ⅠA)和压实-高岭石-硅质胶结斑状致密-组合孔隙亚相(ⅠB)。ⅠA类砂岩主要为较纯净的石英砂岩，发育较多原生粒间孔，占总孔隙的60%，胶结物以硅质为主(约60%)，渗透率大于1 mD，储层物性较好(图9(a))。ⅠB类砂岩溶蚀程度较强，溶孔占比较ⅠA类增高(约30%)，原生粒间孔的比例一般不超过50%，胶结物以硅质为主，高岭石次之(约30%)(图9(b))。由于溶蚀作用具有较强的非均质性，ⅠB类储层物性的非均质性也较强，整体渗透率小于1 mD，以0.5～1 mD为主。

表1 绥德-吴堡地区山23气层砂岩成岩相类型

5.2 致密成岩少孔相

该成岩相主要在中—粗粒岩屑石英砂岩、中—细粒石英砂岩中发育，由于塑性岩屑含量较高，因此其基本特征为：(1)以压实作用为主，塑性岩屑变形形成假杂基、定向排列而使砂岩整体致密(图9(d))；(2)胶结作用较弱，仅在局部石英碎屑接触处发育硅质胶结物，或以分散状分布于含铁碳酸盐胶结物、黏土矿物胶结物；(3)少量不稳定碎屑被溶蚀形成溶孔、铸模孔且呈稀疏分散状分布，相互之间被致密部分(晶间孔)隔开，连通性差。该类成岩相的砂岩面孔率一般分布于0.5%～3%，渗透率介于0.5～1 mD。

根据主要胶结物类型和溶孔类型，将其划分为两种亚相：压实致密-高岭石-硅质胶结-溶孔-晶间孔相(ⅡA)、压实致密-伊利石-硅质胶结-粒内溶孔-晶间孔相(ⅡB)。ⅡA类常见于粗粒的岩屑石英砂岩、中粒的石英砂岩中，溶蚀程度较强，粒间溶孔较为发育，胶结物以硅质为主，高岭石次之(图9(c))。ⅡB主要见于偏细粒的石英砂岩和中粒岩屑石英砂岩，塑性岩屑含量较高，溶蚀强度弱于ⅡA类，主要发育粒内溶孔、铸模孔，硅质胶结物仍是主要胶结物类型，但黏土矿物以伊利石为主(图9(e)-(f))。

5.3 致密成岩微孔相

致密成岩微孔成岩相是指岩石通过成岩作用而变得致密，以晶间孔为主要孔隙类型，面孔率小于0.5%，渗透率低(<0.5 mD)。该类成岩相主要见于岩屑砂岩、中—细粒的岩屑石英砂岩、少量的细粒石英砂岩，塑性岩屑含量高，压实作用强烈，胶结物类型以黏土矿物、碳酸盐矿物为主。根据主要胶结物的类型，将其可划分为3种亚相：压实-高岭石胶结致密-晶间孔相(ⅢA)、压实-钙质胶结致密-微孔相(ⅢB)、强压实-伊利石-碳酸盐胶结致密-微孔相(ⅢC)。

ⅢA类较少见，主要见于细粒石英砂岩，砂岩中的石英碎屑含量相对较高，高岭石胶结致密，局部石英接触处可见少量的硅质胶结，高岭石晶间孔是主要的孔隙类型(图9(g))。

(a)压实-硅质胶结斑状致密-残余粒间孔相(ⅠA)，Q6，山23，2 873.88 m；(b)压实-高岭石-硅质胶结斑状致密-组合孔隙相(ⅠB)，Q8，山23，2 863.63 m；(c)压实致密-高岭石-硅质胶结-溶孔-晶间孔相(ⅡA)，Y44，山23，2 658.45 m；(d)压实致密-伊利石-硅质胶结-粒内溶孔-晶间孔相(ⅡB)，Y39，山23，2 364.23 m；(e)压实致密-伊利石-硅质胶结-粒内溶孔-晶间孔相(ⅡB)，M53，山23，1 800.39 m;(f)压实致密-伊利石-硅质胶结-粒内溶孔-晶间孔相(ⅡB)，M53，山23，1 801.1 m；(g)压实-高岭石胶结致密-晶间孔相(ⅢA)，S248，山23，3 214.48 m；(h)压实-钙质胶结致密-微孔相(ⅢB)，Q23，山23，2 725.14 m；(i)强压实-伊利石-碳酸盐胶结致密-微孔相(ⅢC)，Y106，山23，2 059.49 m

图9 绥德-吴堡地区山23气层砂岩成岩相的微观特征

Fig.9 Microscopic characteristics of diagenetic facies of the Shan 23gas layer sandstones in Suide-Wubu area

ⅢC类主要见于岩屑砂岩、中粒岩屑石英砂岩中，塑性岩屑含量高，一般大于8%，在压实作用下发生变形，形成假杂基而堵塞原生孔隙，导致原生孔隙急剧减少。砂岩胶结作用强烈，发育大量的伊利石及菱铁矿等碳酸盐胶结物，呈孔隙式充填，使储层致密(图9(i))。

6 成岩相分布与控因

研究区山23气层砂岩的成岩相在平面的分布如图10所示。物性较好的Ⅰ、Ⅱ类成岩相沿着研究区河道砂体呈NW-SE向展布，是有效储集层分布的有利相带。其中，ⅠB成岩相沿着河道中心连续分布，ⅠA成岩相分布于河道中心砂体较厚的地区，较为局限；在靠近分流间湾处的河道侧翼部位，砂体变薄，过渡为Ⅱ类成岩相。ⅢD成岩相分布于靠近分流间湾、厚度较薄的砂体中，以伊利石、菱铁矿、铁白云石胶结为主。

研究区山23气层砂岩成岩相的分布规律是由岩性、沉积环境(原始沉积物的碎屑粒度、砂体厚度)、沉积期后成岩作用等共同决定的：

(1)Ⅰ型成岩相主要出现在石英砂岩中，Ⅱ型、Ⅲ型成岩相主要分布在岩屑石英砂岩、岩屑砂岩中。由于石英砂岩中石英颗粒含量高，岩屑含量低且以不稳定的长石质火山岩屑为主，抗压实能力强，原生粒间孔得以保存，成岩演化期间具有较高的孔隙度，有利于孔隙水流通，不稳定碎屑的溶蚀强烈，因此次生孔隙也较发育，易于形成Ⅰ型成岩相。

(2)在位于河道中心的厚砂体中，沉积时的水动力条件较强，沉积的碎屑以粗砂为主，刚性碎屑含量高，塑性岩屑和杂基含量低，受压实作用的影响相对较小，原生孔隙的保存有利于孔隙水的流通，便于胶结作用和溶蚀作用的发生，Ⅰ、Ⅱ型成岩相主要发育于此。

而在紧邻分流间湾的薄砂体中，由于沉积时的水动力条件较弱，沉积物的碎屑粒度相对较小，并且含大量塑性岩屑和杂基，刚性碎屑(特别是不稳定的火山碎屑)含量相对较少，沉积后受压实作用的影响大，原生孔隙迅速减少，孔隙水运移不畅且可溶蚀物质含量低。并且，山23气层砂岩主要沉积于三角洲前缘相水下分流河道微相，易于沉淀菱铁矿和铁白云石胶结物，呈孔隙式大量胶结使砂岩致密，因此多形成Ⅲ型成岩相。

图10 绥德-吴堡地区山23气层砂岩成岩相的分布

Fig.10 Distribution of diagenetic facies of the Shan 23gas layer sandstones in Suide-Wubu area.

(3)在河道侧翼，或河道转向、尖灭处，随着水动力减弱，沉积的砂体减薄，且沉积物粒度变细、塑性岩屑含量增高，发生亚相的依次过渡，主要表现为胶结物类型的变化，呈现出主要黏土矿物类型由高岭石逐渐向伊利石转变的规律。高岭石在酸性环境中易于产生和保存，而贫高岭石、富伊利石的黏土矿物组合往往是碱性成岩环境的标志[29]。水动力条件的强弱交替控制砂岩沉积时粒度的粗细变化[4]，粒度较粗的砂岩在经历压实作用后具有相对较大的孔隙度，有利于酸性孔隙水输入，形成酸性的成岩环境，易于高岭石的沉淀，而粒度较细的砂岩，压实作用强烈使储层致密，酸性孔隙水难以进入，成岩环境偏碱性，易于形成伊利石。

7 结 论

(1)绥德-吴堡地区山23气层砂岩具有富石英、贫长石、岩屑类型多样、杂基含量低的特征，以渗透率小于1 mD的砂岩为主，整体属于致密砂岩储层。

(2)研究区山23气层砂岩处于中成岩B期。压实作用强烈，导致原生孔隙的大量减少，且不同岩石类型的压实效应差别显著。胶结物类型多样，包括硅质、以高岭石和伊利石为主的黏土矿物、以铁白云石和菱铁矿为主的碳酸盐矿物。溶蚀作用形成多种次生溶孔，成为砂岩的主要储集空间。

(3)根据主要成岩作用的微观发育特征，结合储层的物性特征，将研究区山23气层砂岩的成岩相划分为三大类，七个亚类。斑状致密组合孔隙相的物性最好，致密成岩少孔相的物性次之，致密成岩微孔相的物性最差。

(4)发育于河道中心部位、厚砂体的砂岩，具有粒度粗、刚性碎屑含量高、塑性岩屑和杂基含量低的特征，受压实作用的影响相对较小，以硅质、高岭石胶结为主，溶蚀作用强烈，易于形成物性较好的Ⅰ、Ⅱ类成岩相，是有效储集层分布的有利相带。