引言

碳酸盐胶结物是碎屑岩储层中最为常见的一类自生矿物，也是最为重要的胶结物类型之一^[1-5]，其产状多样，形成也具有多期性^[6-7]。根据碳酸盐胶结物的结晶形态、稳定碳、氧同位素特征，以及不同类型碳酸盐胶结物之间、碳酸盐胶结物与其他自生矿物之间的生长、接触关系，可分析碎屑岩经历的成岩作用过程，并探讨碳酸盐胶结作用对储层物性的影响。碳酸盐胶结物的生长期次及其中含有的流体包裹体等可为成岩流体活动、油气的运移和赋存等提供研究依据^[8-13]。稳定碳、氧同位素作为碳酸盐胶结物分析的一种指标，在碎屑岩成岩作用研究中有着广泛应用^[12-15]。对形成于不同流体环境以及不同成岩作用过程的碳酸盐胶结物有良好的指示和判别作用。

柴达木盆地冷湖构造带是青海油田重要的勘探区块，由冷湖一号—冷湖七号次级构造单元组成^[16]，具有巨大的油气资源潜力。前人对柴达木盆地冷湖地区碎屑岩进行了一定的研究，陈波等主要对冷湖六号构造带古近系沉积储层进行了研究^{[13, 17]}；孙国强等对冷湖五号地区中新统成岩作用和沉积环境进行了分析^[18]；陈吉等对柴北缘古近系—新近系沉积相特征进行了研究，并建立了相应的沉积相序列及沉积模式^[19]；刘伟明等对冷湖五号地区物源进行了研究^[20]。冷湖七号地区位于盆地腹部，埋藏较深，探井较少，前人对其研究程度较低。近年来，由于在冷湖七号核部钻探的仙西1井，取得了较好的油气显示，且在埋深4 000 m以下仍然发现优质碎屑岩储层而引起了地质学家的重视^[21]，前人研究主要集中在浅层储层特征和类型，对影响深部储渗能力的因素缺乏深入研究。笔者对冷湖七号地区做了大量的研究工作，冷湖七号下干柴沟组胶结类型为碳酸盐胶结，该胶结类型对储层物性影响较大，而探究其特征和意义的研究基本为空白，因此，查明冷湖七号下干柴沟组碳酸盐胶结物的成因与形成机制对正确认识储层及有利储层的预测具有重要意义。

基于铸体薄片观察和元素地球化学分析，本文对柴达木盆地冷湖七号古近系下干柴沟组碎屑岩储层的岩石学及碳酸盐胶结物稳定同位素地球化学特征进行了研究，重点分析了下干柴沟组碎屑岩中碳酸盐胶结物的类型、生长期次和形成环境，并探讨了碳酸盐胶结物对储层物性的影响，以期为下一步勘探开发提供依据。

1 地质背景

冷湖七号是一个以侏罗系为烃源岩，古近系和新近系碎屑岩为储集层的含油气系统^{[17, 22]}，位于柴达木盆地北缘构造带的腹部地区(图 1)，主要发育中生代以来的碎屑沉积，自下而上依次发育侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系。

本文研究对象主要是冷湖七号构造带古近系下干柴沟组下段(E₃¹)和下干柴沟组上段(E₃²)。从沉积环境上看，冷湖七号古近系整体上为辫状河—曲流河的过渡段，以辫状河三角洲沉积为主^[19]。下干柴沟组下段整体为棕褐色泥岩与灰色细砂岩、棕褐色粉砂岩不等厚互层，上部以灰色、灰绿色泥质粉砂岩、砂质泥岩为主，下部以灰黄色砾岩为主，夹粉砂岩。下干柴沟组上段上部以棕红色砂质泥岩和泥岩为主，下部以灰白色含砾砂岩和砾岩为主，具有明显的正韵律旋回(图 2)。

2 样品与实验

本次研究对冷湖七号古近系下干柴沟组上段和下干柴沟组下段碎屑岩钻井岩芯进行了观测取样。采样前对岩芯样品进行了原始沉积构造的观察和描述(图 2)，并采用滴稀盐酸的方法对岩芯样品的碳酸盐胶结物的含量和成分进行初步判断，其中大部分砂岩滴试结果显示气泡丰富，反应剧烈，据此初步判断碳酸盐胶结物以方解石为主^{[2, 5]}。之后，利用偏光显微镜对所采样品进行岩石学和矿物学的观察，直观对碳酸盐胶结物的晶体形态、分布状态和与其他颗粒之间的接触关系进行研究。并在此基础上，对岩芯样品进行了孔隙度和渗透率的测定，同时，选择单一碳酸盐胶结物砂岩样品做了碳、氧同位素组成分析^[23]。

孔隙度和渗透率实验在青海油田公司勘探开发研究院实验中心完成，测试仪器为Ultra Pore-400型孔隙度测定仪和DX-07G型渗透率测定仪。胶结物稳定碳、氧同位素在中国科学院兰州油气资源研究中心进行测定。样品前处理采用磷酸法，将研磨至200目的样品在90℃下用100%的H₃PO₄处理，并将反应产生的CO₂进行脱水干燥，采用德国Finnigan公司生产的MAT-252稳定同位素质谱仪进行测定。所有样品的碳、氧同位素比值均以PDB标准给出^{[21, 24]}。

3 碳酸盐胶结物类型及特征

研究区下干柴沟组沉积环境为辫状河三角洲。下段为辫状河三角洲平原亚相，发育分流河道和分流河道间沉积微相^[16]，上段发育辫状河三角洲前缘亚相，沉积微相主要为水下分流河道和水下分流河道间^[19]。对研究区55口探井岩芯进行薄片磨制及观察鉴定，结果显示岩石的胶结物类型主要为碳酸盐，包括方解石、含铁方解石、铁方解石和白云石4种(图 3)，胶结物含量在1%~18%，平均为8%。胶结类型为孔隙式胶结(图 3，图 4)。分析表明，冷湖七号碎屑岩中的碳酸盐胶结物含量随深度的增加具有逐渐降低的趋势(图 3)。

冷湖七号地区白云石含量较低，且多以泥—粉晶方式充填在碎屑颗粒之间(图 4a)，碎屑颗粒之间以点—线接触为主，部分颗粒呈漂浮状在泥晶碳酸盐胶结物中。方解石是本区最主要的碳酸盐胶结物类型，多呈泥—粉晶充填在颗粒之间(图 4b)，部分样品中可见呈连晶状含铁方解石和铁方解石发育(图 4c，图 4d)，染色后呈紫红色—蓝色，充填于颗粒之间。

按照胶结物形成世代又可以分为早、晚两期，早期主要为两种碳酸盐胶结物，即方解石胶结和白云石胶结；晚期为方解石、含铁方解石和铁方解石。

早期碳酸盐胶结物主要以基底式胶结充填于砂岩颗粒周围以及粒间孔隙中，与碎屑颗粒之间界限清晰，接触面平直(图 4a)，表明该阶段为同生或早成岩阶段。由于形成时间较早，主要是由富含钙离子的孔隙水沉淀形成，增强了砂岩的抗压实能力，有效地降低了压实作用对储层的破坏作用。晚期碳酸盐胶结物以含铁方解石和铁方解石为主，呈孔隙式胶结(图 4d)，部分样品可见早期胶结物与碎屑颗粒被交代的现象(图 4c，图 4e)，也可见晚期碳酸盐胶结物充填于长石解理缝中。局部交代作用较强，可使颗粒“悬浮”在胶结物中(图 4f)^[2]。说明晚期方解石为早期方解石溶解再沉淀或者成岩流体温压条件变化后沉淀形成的，悬浮砂构造也表明这时孔隙水静止或流动较慢，形成的方解石胶结物结晶程度较好，常形成于成岩作用的中晚期。

4 碳酸盐胶结物碳、氧同位素特征及物质来源 4.1 碳酸盐胶结物碳、氧同位素特征

柴达木盆地冷湖七号下干柴沟组下段(E₃¹)和下干柴沟组上段(E₃²)砂岩样品碳、氧同位素数据如表 1所示。分析发现，碳酸盐胶结物中碳、氧同位素值相对偏轻，δ¹³C_PDB为-8.81‰~-3.51‰，平均值-5.33‰，δ¹⁸O_PDB为-8.77‰~-17.36‰，平均值-13.50‰；古盐度值Z为113.61~102.85，平均值109.66；碳酸盐沉淀温度在63.03~123.06℃，平均值94.47℃。

4.2 物质来源

碳酸盐中的碳、氧同位素组成特征往往反映其形成的环境和温度。碳、氧同位素在自然界中的分布十分广泛，不同物质组成中这两种同位素含量变化也非常大。在沉积岩中，δ¹⁸O_PDB为10.00‰~44.00‰，海相碳酸盐岩沉积物中δ¹⁸O_PDB为29.00‰。碳同位素有两种存在形式，有机碳和无机碳。在海相沉积中，有机碳以还原碳的形式存在，无机碳以CO₂形式存在，含量分别为-28.00‰和0，非海相沉积分别为-24.00‰和-4.00‰。烃源岩中通常为有机碳，并随着温度压力的升高，有机质会发生脱羧作用，释放部分CO₂，导致CO₂中δ¹³C_PDB偏轻，通常为-4.00‰~-35.00‰^[25]。如果δ¹³C_PDB的值较低，不在无机碳δ¹³C_PDB的值分布范围内，则说明有一定的有机碳源加入^[26]，这类方解石的成因往往与有机质的脱羧基作用有一定的关系^[25]。δ¹³C_PDB值在埋藏加深的过程中，受温度的影响较小，受成岩流体成分影响较大；δ¹⁸O_PDB受温度影响较为明显，温度升高，δ¹⁸O_PDB值变小，具有典型的“年代效应”^{[23, 27]}。除此之外，δ¹³C_PDB和δ¹⁸O_PDB的含量还受到成岩过程中大气淡水淋滤和生物降解的影响^[25]，通常情况下，成岩作用越强，δ¹⁸O_PDB值越低，反之，δ¹⁸O_PDB值越高^{[28, 29]}。

研究区砂岩样品碳、氧同位素测试结果显示，碳酸盐胶结物中δ¹³C_PDB值为-8.81‰~-3.51‰，平均为-5.33‰，相对较轻，根据郭宏莉和王大锐编制的δ¹³C_PDB-δ¹⁸O_PDB图解^{[29, 30]}，对下干柴沟组砂岩中碳酸盐岩胶结物碳、氧同位素数据进行投图，结果如图 5a所示，大部分点落在了与有机脱羧成因有关的碳酸盐胶结物范围内，说明研究区碳酸盐胶结物在形成过程中受到了有机质的脱羧基作用，并且有少量的有机质加入。但下干柴沟组下段相比下干柴沟组上段碳同位素值整体偏轻，说明下干柴沟组下段碳酸盐胶结物受有机脱羧的影响更大。

碳酸盐胶结物的形成以及碳、氧同位素的含量与沉积环境的盐度和温度有密切关系，前人研究认为，沉积环境中的流体盐度升高会导致δ¹³C_PDB和δ¹⁸O_PDB值的升高反映出古环境中盐度的升高，当古盐度一定时，δ¹⁸O_PDB值升高反映温度的降低。Keith等根据碳、氧同位素的变化关系总结出古盐度值Z的计算公式^[31]，即Z=2.048×(δ¹³C+50)+0.498×(δ¹⁸O+50)，其中，δ¹³C值和δ¹⁸O值均为PDB标准，计算结果可以用来判别灰岩的形成环境。当Z>120时，为海相灰岩，Z < 120时，为淡水灰岩。Shackleton根据氧同位素总结出的古温度计算经验公式^[32]：T=16.9-4.38(δ_c-δ_w)+0.1(δ_c-δ_w)²(式中，δ_c—测得样品δ¹⁸O值，PDB标准，‰；δ_w—当时的海水δ¹⁸O值，SMOW标准，‰，本文取0)。

将测得的碳、氧同位素数据代入上述两个公式，计算结果如表 1所示。根据同位素经验公式计算，得出古近系沉积物中碳酸盐胶结物的Z值最大为113.61，最小值为102.85，平均值为109.66，其Z值远小于120.00，表明其沉积环境为淡水沉积，结合区域资料，冷湖七号下干柴沟组主要为辫状河三角洲相沉积环境，认为碳酸盐胶结物的成岩流体主要是来自沉积物受压实作用所产生的排出水和大气中的淋滤淡水。同时，碳同位素在储层埋藏成岩阶段受到有机脱羧产生的CO₂的混入而偏负，最终也导致Z值变小。

由此计算出的冷湖七号下干柴沟组碳酸盐胶结物形成时的古温度最大值为123.06℃，最小值为63.03℃，平均为94.47℃。根据其成岩温度范围(表 2)，可得下干柴沟组碎屑砂岩所处的成岩阶段为早成岩阶段B期—中成岩阶段A期(图 5b)。

5 碳酸盐胶结物与储层的关系

碳酸盐胶结作用可以发生在成岩作用的各个阶段^[33]，粒间胶结物的形成虽然没有直接减少砂岩的粒间孔隙体积，但也堵塞了粒间孔隙，导致储层物性变差。同时碳酸盐胶结物易与孔隙中的酸、碱性流体产生化学反应^[34]，从而对储层物性起到改善作用。在成岩作用早期形成的碳酸盐胶结物通常可以在一定程度减少压实作用对储层孔隙的破坏^{[17, 35]}。因此，碳酸盐胶结物对储层物性的影响具有两面性^[34-35]。

吕成福等研究认为，由于溶蚀和溶解作用的存在，碳酸盐胶结物含量对储层质量的影响存在一个临界值5.00%，当含量高于临界值，碳酸盐胶结物对储层起破坏作用，储层孔隙度随碳酸盐含量的增加而降低，反之对储层物性则没有明显的影响^[34]。通过对冷湖七号下干柴沟组碳酸盐胶结物含量与储层孔隙度和渗透率的关系进行对比发现，随着深度的变化，碳酸盐胶结物的含量与孔隙度变化曲线具有明显的负相关性(图 6)。4 847.87~4 855.40 m段，储层物性较好，孔隙度整体较高，碳酸盐胶结物含量在1.00%~15.00%，大部分低于5.00%，对储层孔隙度的影响不明显。4 111.38~4 215.58 m段，随着深度的变化，孔隙度与碳酸盐胶结物的含量具有明显的负相关对应关系。说明碳酸盐胶结物含量>5%时，碳酸盐胶结物含量的增加对储层具有明显的破坏作用。

孔隙度和渗透率是储层物性的直接反映。碳、氧同位素对孔隙度和渗透率随深度的变化显示出很好的相关性。由研究区碳、氧同位素与孔、渗分布关系曲线(图 7)中可以看出，在4 850.00~4 855.40 m段，储层物性较好，孔隙度大于9%，δ¹³C_PDB偏低，δ¹⁸O_PDB相对较高，孔、渗和碳、氧同位素曲线随深度的变化相关性不明显。碳、氧同位素直接影响碳酸盐胶结物的形成环境，说明研究区储层物性与成岩环境关系不大，该时期碳酸盐胶结物对储层物性的影响不再起主导作用。反而随着深度的增加温度升高，有机质脱羧作用增强，有利于孔隙流体的活动，同时，也提高了储层的孔隙度和渗透率，对储层起到一定程度的建设作用。

下干柴沟组上段(4 111.38~4 215.58 m)δ¹³C_PDB大部分小于-5.85‰，平均-4.97‰，δ¹⁸O_PDB整体在-13.00‰~-15.00‰，平均-13.86‰，孔隙度和渗透率的高值，分别对应着δ¹³C_PDB的高值和δ¹⁸O_PDB的低值(图 7)。碳、氧同位素与孔隙度渗透率的变化具有明显的相关性，说明该时期沉积储层埋深相对较浅，储层物性受温度和环境的影响都比较大，同时压实作用形成的排出水有利于胶结物的形成，使碳酸盐胶结物含量整体偏高，孔隙度和渗透率随胶结物含量增加而减小，变化明显，对储层物性的负影响较大。

6 结论

(1) 研究区下干柴沟组砂岩中碳酸盐胶结物类型包括方解石、含铁方解石、铁方解石和白云石4种。按照胶结物形成世代可分为早、晚两期。早期为方解石胶结和白云石胶结；晚期为含铁方解石、铁方解石和方解石胶结。早期胶结物的充填有利于原生粒间孔隙的保存，对储层起一定的建设性作用；晚期交代作用强烈，形成的胶结物充填于粒内溶孔和粒间溶孔，对储层起破坏作用。

(2) 柴达木盆地冷湖七号下干柴沟组砂岩中碳酸盐胶结物碳、氧同位素组成偏轻，碳同位素δ¹³C_PDB为-8.81‰~-3.51‰，平均-5.33‰，氧同位素δ¹⁸O_PDB为-8.77‰~-17.36‰，平均-13.50‰；古盐度Z值分布在113.61~102.85，平均为109.66。古温度在63.03~123.06℃，平均为94.47℃，说明成岩过程受到有机质脱羧基作用的影响，偏酸性，有少量有机质的加入，成岩流体主要来自沉积物受压实作用的排出水和大气中的淋滤淡水，处于早成岩阶段B期—中成岩阶段A期。

(3) 储层物性随着碳酸盐胶结物含量的增加而降低，但同时又受到成岩流体和温度的影响。本区下干柴沟组下段储层物性与碳、氧同位素的变化关系不大；而下干柴沟组上段储层的孔隙度和渗透率与碳、氧同位素的变化随深度呈现明显的负相关关系，说明储层物性除了受碳酸盐胶结物含量的影响外，还受到了沉积环境和成岩作用的影响。