0 引言
“成岩相”概念由RAILSBACK［3］提出后，随着国内外学者对碎屑岩成岩相认识的发展，建立了多种成岩相划分标准，可归结为单因素分类和复合因素分类。单因素根据岩石矿物成分［4］、成岩事件［5］、成岩环境［6］、主要成岩作用［7-8］以及基于视压实率、视胶结率和视溶蚀率定量确定成岩强度［9-10］等来确定成岩相，例如表生淡水成岩相、碱性环境碳酸盐胶结交代相、粒间溶蚀相等［4-10］。复合因素综合考虑成岩矿物组合+成岩作用类型［11-13］、成岩环境+成岩作用类型［14］、成岩作用类型+成岩阶段［15-16］、成岩矿物+成岩作用+孔隙组合［17］、成岩作用类型+成岩强度［18-19］、孔渗级别+岩石类型 +成岩作用类型［20、物性+岩石类型+成岩强度［21-22］以及填隙物的胶结类型+颗粒的接触性质+物性+成岩作用类型［23］等。
1 地质概况
定北地区地处鄂尔多斯盆地中西部，横跨天环坳陷与伊陕斜坡2个一级构造单元［27］，位于北部的乌兰格尔隆起和中南部的庆阳隆起之间的鞍部［27-28］（图1），整体东高西低。定北区块上古生界二叠系自下而上划分为太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组。定北区块下石盒子组1段按照沉积旋回自下而上划分为盒11亚段、盒12亚段、盒13亚段和盒14亚段，太原组2段划分为太21亚段、太22亚段、太23亚段和太24亚段。研究层位属于上古生界石炭系—二叠系海陆交互相含煤碎屑岩含油气系统。晚石炭世太原组沉积时期，发育以海陆交互相为主的沉积体系，包括海相三角洲、滨岸及陆棚沉积，以泥岩或煤层夹砂岩和灰岩为主。下石盒子组沉积时期，发育陆相辫状河—曲流河沉积体系，砂体以厚层河道砂岩夹薄层泥岩为主，是研究区上古生界天然气的主要储集体之一［26-28］。
2 储层基本特征
2.1 储层岩石学特征
盒1段和太2段砂岩填隙物含量较高，其中杂基主要为黏土矿物和火山物质等。根据薄片鉴定和X射线衍射分析结果，砂岩的胶结物主要为方解石、白云石、石英次生加大边、蚀变高岭石以及少量硬石膏等（图3）。砂岩碎屑颗粒磨圆度中等，多呈次棱角状—次圆状，分选中等。碎屑颗粒间呈线接触—凹凸接触，颗粒间胶结方式为次生加大和孔隙式。
前人结合薄片和电子探针微量分析仪（EPMA）分析表明，不同类型凝灰质物质在酸性流体作用下的溶蚀或蚀变是使得研究区储层非均质性较强的原因之一［30］。晚石炭世—早二叠世是海西运动构造最活跃的时期，盆地周缘存在大量火山的喷发［31］，喷出的火山灰和晶屑随河流向下游搬运并沉积，从而导致盒1段和太2段储层砂岩中含较多的火山物质［32］（图4），除杂基外的火山物质的输入是这套砂岩发育大量次生孔隙的主要因素。研究区太2段和盒1段砂岩中可见较多凝灰质和玻屑等火山灰岩石学识别标志（图5）。火山灰含量高低和类型与孔隙度发育程度密切相关。当水动力相对较弱，火山灰大量沉积，含量接近25%时，会导致细—中砂岩致密压实。
当火山灰的化学组成不同时，也会导致差异溶蚀和蚀变。SiO2含量较低的中—基性火山灰溶蚀强烈，常可见其溶蚀彻底的孔隙，全部溶蚀可形成粒间溶蚀孔，形成的次生孔隙度可达8%~10%。而当砂岩中SiO2含量较高的中—酸性火山灰输入较多时，这类火山物质则以蚀变为主，转化为高岭石充填在溶孔内，形成类似网状的溶孔，并造成较多的硅质胶结。
2.2 储层物性特征
研究区盒1段和太2段储集空间包括粒间溶孔、粒内溶孔、高岭石晶间孔及钙质胶结物晶内溶孔等，以次生孔隙为主，其中高岭石晶间孔较为常见。砂岩的平均孔隙度为6%，其中有36.8%的样品孔隙度在4%~6%之间；平均渗透率为0.41×10-3 μm2，其中有54%的样品位于（0~2）×10-3 μm2之间，为非均质性较强的低孔特低渗储层。
3 成岩作用类型
研究区储层经历了压实—压溶、胶结、交代、自生矿物充填、溶蚀、破裂等成岩作用，其中压实作用、胶结作用、溶蚀作用及破裂作用对研究区储层质量有显著影响。
3.1 压实作用
图6 定北地区盒1段和太2段砂岩成岩特征（a）中砂岩，碎屑颗粒分选一般，磨圆中等，颗粒呈线接触—凹凸接触，D15井，3 806.48 m，盒1段，普通薄片，（+）；（b）不等粒砂岩，颗粒呈线接触—凹凸接触，分选及磨圆均不好，发育微缝合线构造，D15井，3 793.06 m，普通薄片，（—）；（c）粗砂岩，石英次生加大，D6井，3 700.85 m，盒1段，普通薄片，（+）；（d）粗粒钙质砂岩，碎屑颗粒分选较好，磨圆中等，方解石充填粒间孔隙并交代长石及石英等碎屑，D10井，3 751.7 m，盒1段，铸体薄片，（+）；（e）中砂岩，碎屑颗粒分选一般，磨圆中等，颗粒呈线接触—凹凸接触，方解石胶结，D6井，3 839.43 m，太2段，铸体薄片，（+）；（f）粗砂岩，方解石交代长石及石英，方解石交代作用晚于溶蚀作用，D6井，3 700.85 m，太2段，铸体薄片，（+）； （g）含砾粗砂岩，长石等矿物遭受强烈溶蚀，发育铸模孔，D17井，3 952.7 m，太2段，铸体薄片，（—）；（h）高岭石蚀变产物强烈充填孔隙，D16 井，3 842.38 m，太2段，铸体薄片，（—）；（i）自生片状绿泥石充填粒间孔隙，D21井，3 691.62 m，盒1段，SEM；（j）、（k）方解石及自生石英充填孔隙，D10井，3 876.12 m，太2段，SEM；（l）中砂岩，发育微裂缝，D15井，3 802.28 m，盒1段，铸体薄片，（—） Fig.6 The diagenetic characteristics of sandstone of the He-1 Member and Tai-2 Member in Dingbei area |
3.2 胶结作用
3.3 交代作用
定北地区太2段及盒1段砂岩中方解石交代长石及石英颗粒是较为常见的交代作用，常导致被交代成石英颗粒呈溶蚀港湾状，而长石碎屑多被彻底交代仅残存幻影构造［图6（f）］。
3.4 自生矿物的充填作用
3.5 溶蚀作用
3.6 破裂作用
定北地区太2段及盒1段先后经历了多期次强烈构造运动的影响，显微镜下常见微裂缝［图6（l）］，对储层有一定的建设性作用。
4 成岩相划分及特征
4.1 大气淡水塑性颗粒砂岩致密压实相（A类成岩相）
该成岩相主要发育在河道侧翼的天然堤、三角洲水下分流河道和分流间湾沉积区。太原期末，海水全面退出鄂尔多斯盆地，并经历了短期的风化侵蚀间断，受地表水和下伏煤系地层弱酸性地下水的影响。该成岩相以细—中砂岩为主，含抗压能力较弱的塑性岩屑和陆源杂基较多，如泥质、云母、火山灰等，可溶性物质较少。在中强压实作用下，易变形的塑性岩屑和陆源杂基遭受浅蚀变而变软，颗粒呈线接触—凹凸接触，使储层致密化，同时抑制后期酸性或碱性流体进入，使得后期酸性溶蚀和碱性胶结交代作用均不发育。储集空间仅为少量的溶蚀微孔，没有明显储集空间，64%以上的样品孔隙度小于6%，平均孔隙度为5.62%，75%以上的样品渗透率小于0.1×10-3 μm2，排驱压力较高，通常大于1.5 MPa，孔喉半径较小，介于0.000 735~0.073 5 μm之间，面孔率平均为0.13%，为不利成岩相。
4.2 酸性环境可溶颗粒砂岩溶蚀蚀变相（B1类成岩相）
铝硅酸盐矿物在弱酸性—酸性埋藏成岩环境中的长石碎屑、火山岩岩屑等易溶组分发生溶蚀，产生的硅质胶结物堵塞了孔隙，且长石、凝灰质含量高的火山物质等遭受溶蚀作用不彻底，形成大量蚀变高岭石，其强烈充填次生溶孔使物性变差，并且使得后来的流体介质很难进入储集岩中。残余原生粒间孔隙为B1类成岩相主要的储集空间类型，包括次生孔隙、高岭石晶间孔。85%以上的样品孔隙度介于4%~8%之间，储层孔隙度平均为5.16%，渗透率均值为0.14×10-3 μm2，排驱压力较高，通常大于1 MPa，孔喉半径相对较小，介于0.007 35~0.073 5 μm之间，面孔率平均为0.92%，为储集性能较差的一类成岩相。
4.3 酸性环境可溶颗粒砂岩溶蚀压实相（B2类成岩相）
酸性埋藏成岩环境中，中—粗粒长石石英砂岩中不稳定的长石、火山碎屑发生溶蚀，产生少量自生高岭石。与B1类成岩相不同，B2类成岩相中可溶的中—基性火山灰组分溶蚀，发育为次生溶孔，形成了一定的储集空间，物性相对较好，面孔率平均为1.58%。但由于局部火山灰含量较高且杂基较多导致压实程度高。68%以上的样品孔隙度大于6%，储层孔隙度平均为6.62%，70%以上的样品渗透率大于0.1×10-3 μm2，排驱压力较低，通常小于0.7 MPa，孔喉半径相对较大，介于0.073 5~0.735 μm之间，且分布范围集中。
4.4 酸性环境可溶颗粒砂岩溶蚀相（B3类成岩相）
B3类成岩相主要发育在心滩与边滩砂体中，在中后期成岩过程中，砂岩受到了煤系地层有机酸的强烈影响。酸性流体在早期粒间孔发育的含砾、粗粒及中粒长石石英砂岩储层中相对容易流动，长石和粒间的中—基性火山灰等易溶组分发生强烈溶蚀，仅有少量蚀变形成高岭石。该类成岩相常发育大量粒间孔、粒内溶孔，甚至铸模孔，且胶结作用较弱。B3类成岩相的物性在5种成岩相中最好，83%以上的样品孔隙度大于6%，储层孔隙度平均为8.31%，71%以上的样品渗透率大于0.1×10-3 μm2，压汞曲线为缓坡型，排驱压力较低，通常小于0.4 MPa，孔喉半径相对较大，介于0.073 5~0.735 μm之间，面孔率平均为5.79%，为储集性能较好的一类成岩相。
4.5 碱性环境碳酸盐矿物胶结交代相（C类成岩相）
在压实之前的成岩早期，由于强烈蒸发作用使局部的钙质碱性流体在砂岩中滞留而形成大量碳酸钙的沉淀，在杂基含量较低的粗粒长石石英砂岩中形成碳酸盐矿物胶结的C类成岩相。碳酸盐矿物的含量大于10%~15%，常见方解石及白云石等碳酸盐矿物充填胶结粒间孔隙并交代长石、石英等矿物，发生连生胶结作用充填孔隙，储集空间仅发育少量溶孔，储层较为致密。96%以上的样品孔隙度小于4%，储层孔隙度平均为1.55%，71%以上的样品渗透率小于0.01×10-3 μm2，排驱压力较高，通常大于2 MPa，孔喉半径相对较小，介于0.000 735~0.073 5 μm之间，面孔率最低，面孔率平均为0.14%，为研究区内储集性能最差的一类成岩相，在盒1段及太2段少量发育。
此外，溶蚀缝分布局限，由于受溶蚀作用的控制，因此溶蚀缝发育的储集岩归入溶蚀相的范畴。绿泥石环边成岩相主要发育在中、粗粒长石石英砂岩中，但该类成岩相数量较少，未能单独成相。
5 成岩相的分布与发育模式
5.1 成岩相的测井识别
由于不同成岩相在矿物成分、物性上存在区别，因此通过提取不同成岩相的测井信息，包括密度（DEN）、声波时差（AC）、深侧向电阻率（LLD）及浅侧向电阻率（LLS）等数据发现，不同成岩相的测井响应特征具有明显的差异。根据测井响应与成岩相的对应关系，建立了成岩相的测井判别模型，以在非取心段识别不同类型成岩相，有助于进一步识别有利储层。
在5类成岩相的DEN—AC交会图版上， B1、B2、B3 3类成岩相的数据点主要分布于图版左上方，A、C 2类成岩相分布在图版右下方［图8（a）］。结合B类成岩相物性优于A、C类成岩相，将B1、B2、B3 3类成岩相划分为Ⅰ类，A、C 2类成岩相划分为Ⅱ类。根据B1、B2、B3 3类成岩相DEN—AC测井数据交会图将I类中的B2+B3类成岩相与B1类成岩相分开，进一步将B1类成岩相判识出来［图8（b）］。经过两步的分析判识，确定了B1类成岩相的判别方程式（1） ，最终将B2和B3类成岩相利用ΔRt—LLS交会图分开［图8（c）］，A和C类成岩相用DEN—LLD交会图分开［图8（d）］，获得B2、B3、A和C类成岩相的判别方程［式（2） —式（5） ］：
5.2 成岩相的纵向分布模式
根据定北地区主要的A、B、C 3类成岩相的纵向分布特征，可以将成岩相的垂向组合模式划分为3类：透镜夹层型、侧向尖灭型、互层型。透镜夹层型以2种成岩相为主，垂向上二者交互，出现1-2-1组合，整体呈透镜体，各小层基本均有分布［图10（a）］。侧向尖灭型由2种延伸距离及方向一致的成岩相组成，在剖面上横向延伸远，纵向多层叠置，出现1-2-1-2组合［图10（b）］，广泛分布在不同小层段，物性较好的成岩相组合可形成较厚的气层组。心滩演化为废弃河道后出现A类成岩相（上部）—B类成岩相（下部）组合模式，B类溶蚀相多分布于厚砂体中，以D8井为例，该井太23亚段和太22亚段均以溶蚀相为主，该井测试日产气量为0.65×104 m3，为富气区。互层式由2种以上成岩相组成，出现1-2-1-2及1-2-3组合［图10（c）］。若侧边变成物性较差的成岩相则可形成遮挡型圈闭，对油气有一定的封隔作用，如D10井太22亚段和太23亚段形成了高产气区，日产气量2.797×104 m3。
5.3 成岩相平面展布及其控制因素
由于不同沉积环境下的水动力、水介质条件和沉积物类型的差异，成岩相受沉积微相控制明显。相对较轻的塑性颗粒主要沉积在水动力条件较弱的沉积区，因此A类成岩相分布于河道侧翼的天然堤、决口扇和分流间湾等环境，富含晶屑和凝灰质的火山物质会被迅速压实，形成致密储层。心滩与边滩砂体的水动力条件较强，岩石粒度最粗，抗压实能力较强，可保存较多的粒间孔，流体渗流能力好，为酸性流体提供通道，在强烈的溶蚀作用下发育大量次生溶孔，形成储层质量较好的B类成岩相。由于在河道侧翼碎屑粒度变细，流体易于滞留，碳酸盐胶结物含量高，C类成岩相局部出现在该处较厚砂体中。
6 结论
（1）鄂尔多斯盆地定北地区盒1段与太2段砂岩主要经历了压实—压溶、胶结、交代自生矿物充填、溶蚀等成岩作用。压实作用是储层致密化的主要原因，胶结作用以及自生高岭石充填作用使储层孔隙度不同程度降低，不稳定矿物在酸性流体下溶蚀产生的溶孔改善物性。不同火山灰类型会导致不同成岩相演化结果，中—基性火山灰经过压实及溶蚀作用，易形成溶蚀相，中—酸性火山灰易形成溶蚀蚀变相，混合型火山灰易形成溶蚀压实相，对应储集性能逐渐降低。
（2）根据“成岩环境—岩性—成岩作用”复合因素将盒1段和太2段储集层划分为5类成岩相，包括大气淡水塑性颗粒砂岩致密压实相、酸性环境可溶颗粒砂岩溶蚀蚀变相、酸性环境可溶颗粒砂岩溶蚀压实相、酸性环境可溶颗粒砂岩溶蚀相及碱性环境碳酸盐矿物胶结交代相。酸性环境可溶颗粒砂岩溶蚀相为有利成岩相，酸性环境可溶颗粒砂岩溶蚀蚀变相、酸性环境可溶颗粒砂岩溶蚀压实相次之。
（3）利用统计方法建立了5种成岩相的声波、电阻率、密度测井定量化识别标准。研究区盒1段与太2段储集层成岩相的剖面分布有垂向叠置和侧向渐变发育模式。太2段和盒1段各小层优质成岩相的分布纵向上受河道砂体厚度影响，平面上受沉积微相展布的控制，有利成岩相主要分布在心滩和边滩。
甘公网安备 62010202000678号
