陈小虎， 杨申谷， 王青青

(长江大学地球科学学院， 武汉 430100)

随着疫情形势的好转，经济复苏，中国对石油能源的需求可能会进一步增加，常规油气的产量处于瓶颈状态，非常规油气被广泛关注[1-2]。鄂尔多斯盆地为克拉通边缘坳陷盆地，层系多且复杂，生储盖组合配套良好，生烃与储油气能力较强，因此勘探潜力较高[3]。

坪北地区长6段作为的主力产层，平均渗透率仅为0.59×10-3μm2，属于典型的低-超低渗透油藏[4]，因此后期勘探难度较大。成岩作用对储层的影响较大，其大致可以分为破坏性成岩作用与建设性成岩作用，一定程度上控制了油气资源的运移和存储条件等，对后期储层评价和油气资源的勘探开发具有一定的影响。

罗静兰等[5]、Dutton等[6]认为“源-汇”系统的沉积作用过程、源区母岩性质、沉积物分散样式决定的砂岩类型与岩石学组分，及其对成岩演化路径、成岩过程中物理作用和化学作用的影响，造成储集层孔隙结构的不同及储集层的强非均质性。程涛等[7]认为该地区长6段为三角洲前缘水下分流河道-河口坝微相过渡区域，沉积物源来自研究区东北部及北部，对后期砂岩的成岩演化过程与平面分布，提供了一定的基础。王建等[4]对该地区的储层岩石物理相分类进行了研究，将坪北区岩石物理相划分为4类，能够有效地将低孔特低渗透油藏进一步细分,对后期的开发调整具有一定的意义。李少华等[8]通过对该地区成岩作用的研究，认为该地区已达到晚成岩A期，并总结出了成岩序列与孔隙演化模式，对成岩序列的划分具有一定的借鉴作用。

综合前人研究成果，在研究区成岩作用类型的空间分布规律与预测上没有准确的结论。长期以来，成岩作用的平面分布通常是以数据为基础，在相控条件下进行分析。针对该区的研究现状，运用常规物性分析等手段，对长6段致密砂岩储层进行深入研究，查明主控成岩作用类型及平面分布，为后期建立相对高渗储层的预测模型具有一定的指导作用；同时为坪北油田持续增储上产提供有力的技术支撑准备。

1 地质概况

坪北油田处于延安市安塞县境内，位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡中段坪桥鼻褶带(图1)，工区地层比较平缓，整体为一个西倾的单斜[9]，断裂与构造圈闭不发育。坪北地区在早期湖盆深陷扩张，长6时期，在湖盆周缘形成一系列大型建设性河控湖泊三角洲沉积，三角洲前缘逐渐向湖盆进积，砂岩发育，范围广，厚度大，物性好，为油气成藏提供了良好的储集条件[10]，其中长6段主要为三角洲平原-前缘亚相。由于不同沉积体系砂体的尖灭方向不同，储层物性表现出强非均质性特征，一方面能够发育物性相对较好的储层，构成油气富集的有效储层；另一方面会使成藏机制复杂化，对油气的勘探和预测带来一定难度[11]。

图1 坪北油田构造位置图Fig.1 Structural location of Pingbei Oilfield

2 岩石学特征

根据坪北地区12口井216个岩石薄片镜下鉴定分析，研究区长6段以长石砂岩为主(图2)，长石含量较高(45%～60%)，最高可达68%。岩屑中火成岩岩屑含量最多(5.72%)，变质岩岩屑次之(5.67%)，沉积岩岩屑最少(1.90%)。填隙物以泥质(4.08%)、方解石(3.60%)、铁方解石(2.44%)为主，其次为硅质、绿泥石，另外还含有白云石。砂岩粒径区间为0.09～0.80 mm，以中-粗粒结构为主，分选性中等-偏好，磨圆度较差，多为次棱-次圆，颗粒为线接触，多为颗粒支撑，主要为薄膜-孔隙式胶结，岩石的结构成熟度中等[12]。

图2 坪北地区长6段砂岩成分三角图Fig.2 Sandstone composition triangle of Chang 6 member in Pingbei Area

3 成岩作用特征

根据各种矿物形成与成岩演化的相对顺序，铸体薄片中矿物之间的穿插关系，碎屑与填隙物的组构特征与成岩作用特征进行成岩演化序列综合分析[13]，确认研究区当前成岩演化主体已进入中成岩A期。在埋藏成岩过程中主要经历：压实、胶结、交代及溶蚀等作用。压实与胶结作用造成地层中原生孔隙大幅度降低，从而导致储层孔隙度降低，属破坏性成岩作用；溶蚀作用能形成次生孔隙，属建设性成岩作用。

3.1 压实作用

成岩早期，主要为压实作用，强度与深度呈指数相关，地层在浅埋藏条件下主要为机械压实，在深埋藏条件下主要为化学压实作用[2]。当温压条件达到一定界限，颗粒将会发生晶格变形与溶解，颗粒之间的接触关系由点转为线、凹凸与缝合线接触[14][图3(a)]，原生孔隙进一步减少。在压实作用下当超过刚性颗粒(长石、石英)屈服极限时将发生脆性破裂[图3(d)]。压实作用发生阶段主要为在同生或早成岩阶段，随着胶结作用不断增强，压实作用在一定程度上受到影响[15]。坪北地区长6段在受压实、压溶作用时，原生孔隙体积迅速减小[16]，原生粒间孔隙度损失达15%～20%，储层孔隙度、渗透率大幅度降低[17-18]。

3.2 胶结作用

根据216个样品薄片鉴定资料，统计出坪北地区长6段胶结物主要有：方解石、铁方解石、白云石、浊沸石、石英加大、自生绿泥石、伊利石等。主控胶结作用类型以方解石、浊沸石胶结为主。

3.2.1 硅质胶结物

主要以石英次生加大边、孔隙式充填的形式产出。Ⅰ级加大式呈原始颗粒点接触，加大边薄而不平，硅质胶结物如小丘状生长[图3(b)]；相比于Ⅰ级加大式，Ⅱ级加大式主要呈线状接触，加大边平直，发育胶结剩余粒间孔[图3(c)]；孔隙充填式主要充填于绿泥石膜间粒间孔与石英2～3级加大粒间孔中[图3(d)，图3(h)]。砂岩孔隙度进一步降低，骨架颗粒强度增加，压实作用受到抑制[19]。

3.2.2 碳酸盐胶结物

根据薄片观察统计，研究区碳酸盐胶结主要为方解石，其次为含铁方解石。各井方解石胶结物平均含量0.50%～35.00%，平均值为3.55%。以充填粒间孔为主，其次为与贴粒缝共生或残存于溶孔中[图3(e)～图3(k)]。研究区长石砂岩中可观察到方解石交代石英及杂基，使石英颗粒边缘呈港湾状、锯齿状并充填，因此属于破坏性成岩作用[20]。

3.2.3 浊沸石胶结物

由于浊沸石胶结与方解石胶结不共生，浊沸石胶结作用发育的区域，其他胶结作用不发育，在研究区浊沸石含量在0.50%～17.00%，平均含量6.29%，主要充填于绿泥石膜间孔或残余在粒间溶孔中或与贴粒缝共生，可能是绿泥石膜溶蚀所致[图3(l)～图3(m)]。

3.2.4 自生黏土矿物胶结

X射线衍射结果表明：研究区自生黏土矿物主要为伊利石、绿泥石、伊/蒙混层(表1)。伊利石主要呈孔隙式、薄膜式胶结[图3(n)]，主要发育于岩屑砂岩和杂基含量较高的岩屑石英砂岩中，石英砂岩中不发育。绿泥石主要在成岩早期以环边状薄膜的形式出现，由于绿泥石膜的存在，岩石抗机械压实的能力增加，原生孔隙得到一定保护[21-22]。

表1 坪北地区长6段储层黏土矿物X射线衍射分析Table 1 X-ray diffraction analysis of clay minerals in Chang 6 reservoir in Pingbei Area

图3 坪北地区长6段岩样薄片图Fig.3 Thin section of rock sample of Chang 6 member in Pingbei Area

3.3 交代作用

长6段颗粒蚀变明显，常见的交代蚀变作用主要为长石岩屑颗粒的方解石化[图3(o)]、浊沸石化、伊利石化。钾长石伊利石化后，碎屑颗粒发生变形，抗压性变差而使砂岩致密化。浊沸石化是研究区的一类重要的成岩作用类型，表现为浊沸石对中性斜长石的交代[图3(p)]。总的来看，虽然交代作用导致岩石致密化，但为后期的蚀变作用奠定了基础。

3.4 溶蚀作用

溶蚀作用能够扩大储层储集空间、改善储层性能，属建设性成岩作用[23]。前人在研究中未深入研究溶蚀机理，主要根据溶孔发育在什么客体下就直接定为什么类型的物质的溶蚀。根据前人观点，本区主要发育长石溶蚀作用、岩屑溶蚀作用与粒间溶蚀作用[24-25]。

图4 坪北地区长6段成岩作用序列图Fig.4 Sequence diagram of Yanchang compositional rocks in Pingbei Area

通过对研究区的薄片观察，发现长石溶蚀与交代，岩屑溶蚀的位置可观察到方解石溶蚀残余[图3(q)]，据此可以推断，长石及岩屑溶孔的形成，实质上是方解石化后，方解石遭受溶蚀作用而形成次生孔隙；在粒间溶孔中可见浊沸石残余[图3(r)]，这一特征可能揭示粒间溶孔实际上是基底式或孔隙连晶式方解石胶结物溶蚀和浊沸石溶蚀的结果。

根据以上结果，可以推断研究区溶蚀作用实质上仅有两种：方解石胶结物或交代物的溶蚀作用[图3(q)]和浊沸石胶结物的溶蚀作用[图3(r)]。

4 成岩序列及成岩体系划分

4.1 成岩序列

在储层的研究和预测中碎屑岩成岩阶段的划分具有重要的作用。根据薄片鉴定结果，结合自生黏土矿物、有机质成熟度等相关资料，依据陆相盆地碎屑岩成岩作用阶段划分方案[26]，坪北地区长6段平均镜质体反身摔RO为0.78%，处于0.5～1.3，因此，目前处于中成岩A期(图4)，该阶段干酪根早成熟，转化为液态烃，有机酸排出导致水介质为弱酸性，溶蚀作用发育，颗粒呈长线接触，为次生孔隙发育阶段。

早成岩A期，沉积物处于浅埋藏阶段，此时有机质处于未熟阶段。随着沉积物埋深的增加，压实作用持续增强，原生孔隙大幅度减少，约15%，此阶段，绿泥石、绿泥石薄膜式胶结，浊沸石胶结开始显现。其中绿泥石胶结对原生孔隙起到了一定的保护作用。此阶段颗粒主要以点接触为主。

早成岩B期，有机质处于半熟阶段(RO为0.37%～0.48%)，根据有机酸产生时间，将早成岩B期细分为B1、B2期，早成岩B1期，绿泥石薄膜式胶结转换成孔隙式胶结，同时开始出现石英孔隙式胶结，孔隙进一步减小。进入早成岩B2期，有机质开始产生有机酸，溶蚀作用开始进行；方解石胶结作用减弱，出现含铁方解石胶结；浊沸石胶结交代作用停止；石英颗粒出现Ⅱ级加大边，颗粒以短线接触为主，但整体上孔隙依旧减小。

中成岩A期，镜质体反射率RO=0.58%～0.78%。随着地层温压持续升高，当温压条件达到生烃门限，大量的酸性有机质产生，地层水pH降低，碳酸盐发生溶解，次生孔隙发育。此阶段石英颗粒出现Ⅲ级加大边，充填孔隙；同时由于压溶作用，颗粒之间由短线接触转变为长线接触。但总的来看孔隙在一定程度上有所增加。

综上所述，坪北地区长6段成岩作用序列为：早期压实→早期绿泥石薄膜形成→方解石胶结交代作用→石英次生加大开始→浊沸石胶结交代作用→有机流体注入→溶蚀作用。

4.2 成岩体系

根据成岩作用类型、成岩作用相互关系分析及成岩序列分析可知，成岩作用是由一定的反应碎屑物质和反应产物组成的化学平衡过程，这样的化学平衡过程分步发生，产生了不同时代的成岩作用过程。结合有机质成熟导致的流体酸度的变化，归纳出成岩过程，并根据成因，将成岩过程划分为5个成岩体系(表2)。

这五个成岩体系，发育顺序总体上由上向下进行，从而形成由早到晚的成岩顺序是：绿泥石膜、浊沸石胶结、方解石交代与胶结/石英Ⅰ级加大、浊沸石交代与胶结、铁方解石交代与胶结、贴粒缝/浊沸石溶孔/方解石溶孔。

5 成岩分异及主控成岩作用类型平面分布

在成岩作用平面分布分析中，由于没有准确的结论预测成岩作用类型的空间分布规律，长期以来，成岩作用的平面分布只能是以数据为基础，在相控条件下进行分析。

通过对成岩序列和成岩体系综合分析，发现在同一体系下的成岩作用类型相互迭置，互为反应物和产物的前后联系的成岩作用类型也相互迭置，因此，对于这一体系的成岩作用，无法单独成图；反之，在不共生(浊沸石与方解石胶结作用)的成岩体系中，成岩产物在砂体体系中如果有规律的分布，将可以进行平面分布分析与预测。

在一个薄片区内显示碳酸盐化及胶结区与硅酸盐胶结区，由于微区碎屑组分不同而分布于不同的区域(图5)。微观碎屑组分的差异可造成微区成岩作用类型的差异，沉积分异规律可造成微观碎屑组分的差异，因此，在成岩体系条件下，沉积分异可造成成岩分异。

图5 胶结作用微观分异图Fig.5 Microscopic differentiation of cementation

表2 坪北地区延长组成岩体系表Table 2 Yanchang composition rock system in Pingbei Area

根据沉积分异规律，在顺直河道中，石英和正长石相对富集；分岔前缘，正长石和中酸性斜长石相对富集；分岔处，基性斜长石相对富集，正长石和中酸性斜长石次之。次级分流河道中，在尖灭端，长石和凝灰质相对富集。这一组分的分布，通过成岩过程，将造成成岩作用类型的分异(图6)。这一沉积碎屑组分决定成岩组分分布规律的认识，称为成岩分异规律。

以成岩分异规律为指导，在相控条件的约束下，对胶结作用进行平面分布刻画(图7～图10)，在河道顺直处，浊沸石含量高，方解石含量低。研究发现长6段主力油层的溶蚀作用以浊沸石溶蚀作用为主，因此在河道分岔处为储层相对发育区。

图6 成岩分异示意图Fig.6 Schematic diagram of diagenetic differentiation

图7 长浊沸石分布平面图Fig.7 Distribution plan of Chang laumontite

图8 长方解石分布平面图Fig.8 Distribution plan of chang calcite

图9 长浊沸石分布平面图Fig.9 Distribution plan of Chang laumontite

图10 长方解石分布平面图Fig.10 Distribution plan of long calcite

6 结论

(1)坪北地区长6段成岩作用序列为：早期压实→早期绿泥石薄膜形成→方解石胶结交代作用→石英次生加大开始→浊沸石胶结交代作用→有机流体注入→溶蚀作用。

(2)根据成岩作用类型、成岩作用相互关系分析及成岩序列分析，将成岩过程划分为5个成岩体系。凝灰质水解、基性斜长石碳酸盐化、中酸性斜长石浊沸石化、含铁矿物碳酸盐化及碳酸盐溶蚀。

(3)由于沉积分异→沉积碎屑组分分布差异→微观碎屑组分分布差异→微区成岩分异，因此沉积分异可造成成岩分异。在河道分岔处，浊沸石充填砂岩孔隙，含量较高，后期酸性物质导致浊沸石溶蚀形成次生孔隙，因此河道分岔处为储层有利区。