榆林氣田儲(chǔ)層成巖作用與烴類充注期次研究

張文忠

摘要:通過薄片鑒定、X衍射分析、掃描電鏡分析等手段,對(duì)榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲(chǔ)層成巖作用進(jìn)行了研究。研究表明,壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是榆林氣田儲(chǔ)層物性較差的主要原因。根據(jù)包裹體測(cè)試結(jié)果,結(jié)合埋藏史綜合分析認(rèn)為,榆林氣田烴類充注主要有4個(gè)時(shí)期,分別為中三疊世晚期—晚三疊世晚期、晚三疊世晚期—早侏羅世晚期、早侏羅世晚期—晚侏羅世晚期和晚侏羅世晚期—早白堊世晚期。

關(guān)鍵詞:成巖作用;流體包裹體;均一溫度;上古生界;激光拉曼;榆林氣田

中圖分類號(hào):TE122.1;122.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

引 言

鄂爾多斯盆地是中國第2大沉積盆地,是我國重要的石油、天然氣、煤層氣資源基地,蘇里格、靖邊、榆林、烏審旗4大氣田天然氣探明儲(chǔ)量超過1 000×10⁸m³[1],其中,榆林和蘇里格氣田上古生界砂巖氣藏已全面投入開發(fā),并成為長(zhǎng)慶氣田主力產(chǎn)氣區(qū)。榆林氣田上古生界砂巖儲(chǔ)層具有低孔隙度和低滲透率的特點(diǎn),對(duì)該氣田儲(chǔ)層的成巖作用進(jìn)行研究,有助于探尋儲(chǔ)層低孔、低滲成因。另外,前人對(duì)榆林氣田烴類充注期次的認(rèn)識(shí)存在較大差異,為此,通過流體包裹體均一溫度測(cè)試和激光拉曼測(cè)試,結(jié)合埋藏史研究,重新劃分了榆林氣田烴類充注期次。

1 地質(zhì)概況及樣品采集

榆林氣田位于鄂爾多斯盆地東部,構(gòu)造上位于伊陜斜坡東部,勘探面積約8 500 km²,主力勘探層位為上古生界下二疊統(tǒng)山西組山2段,儲(chǔ)集巖為低孔、低滲的石英砂巖和巖屑石英砂巖,烴源巖主要為石炭系—二疊系的暗色泥巖和煤[2-4]。

在8口井的砂巖儲(chǔ)層中采集18塊樣品,磨制了巖石薄片,進(jìn)行了薄片鑒定、X衍射分析和掃描電鏡分析,并依據(jù)EJ/T1105-1999礦物流體包裹體溫度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn),利用LINKAM THMS600型冷熱臺(tái),在20℃、濕度為30%的條件下對(duì)3口井的流體包裹體進(jìn)行顯微測(cè)溫、測(cè)鹽,利用LABHR-VIS LABRAM HR800型顯微激光拉曼光譜儀在25℃、濕度為30%的條件下對(duì)流體包裹體進(jìn)行激光拉曼光譜分析,旨在對(duì)砂巖儲(chǔ)層成巖作用和油氣的充注期次進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2 碎屑砂巖的巖石學(xué)特征

2.1 碎屑組分特征

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖主要為辮狀河三角洲平原分流河道沉積,局部發(fā)育三角洲前緣水下分流河道砂體,沉積巖性以灰白色和淺灰色石英砂巖、巖屑石英砂巖及巖屑砂巖為主。砂巖成分成熟度較高,石英和巖屑含量較高、長(zhǎng)石含量較低:石英含量一般為50%～90%,且多在60%以上,并以單晶石英為主;長(zhǎng)石含量低,一般小于1%;巖屑含量一般在10%以上,多為20%～40%,以石英巖屑為主,其次為泥質(zhì)巖屑、方解石碎屑和噴出巖巖屑。

2.2 填隙物特征

榆林氣田二疊系山西組山2段碎屑巖填隙物主要包括雜基和膠結(jié)物2類:膠結(jié)物類型有硅質(zhì)膠結(jié)物、碳酸鹽膠結(jié)物(方解石、鐵方解石、菱鐵礦、白云石和鐵白云石)和自生粘土礦物(高嶺石、伊利石、蒙脫石和綠泥石);雜基主要成分包括高嶺石、伊利石、蒙脫石、伊/蒙混層礦物和水云母。

2.3 砂巖結(jié)構(gòu)特征

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖具有較高的結(jié)構(gòu)成熟度,以中—細(xì)粒砂巖為主,含少量粗砂巖。砂巖分選較好;碎屑顆粒磨圓較高,一般為次棱狀或次棱—次圓狀;碎屑顆粒接觸關(guān)系以線接觸為主;多數(shù)樣品為顆粒支撐,孔隙式膠結(jié),少數(shù)樣品呈壓嵌-孔隙式或再生-孔隙式膠結(jié)。

3 成巖作用研究

根據(jù)《碎屑巖成巖階段劃分》標(biāo)準(zhǔn)[5],榆林氣田上古生界砂巖處于中成巖階段B期,主要經(jīng)歷了壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、交代蝕變作用、構(gòu)造破裂作用和溶蝕作用等5種成巖作用。

3.1 壓實(shí)作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲(chǔ)層壓實(shí)作用以機(jī)械壓實(shí)為主,壓溶現(xiàn)象少見。壓實(shí)作用結(jié)果表現(xiàn)為顆粒定向排列、塑性顆粒發(fā)生變形、剛性顆粒發(fā)生破裂和碎屑顆粒接觸更加緊密等[6]。砂巖碎屑顆粒間接觸關(guān)系以線接觸為主,少量樣品可見凹凸接觸和縫合接觸。壓實(shí)作用造成原始孔隙大量損失,隨著埋深增加,壓實(shí)作用還破壞了次生孔隙,使儲(chǔ)層物性變差[6]。

3.2 膠結(jié)作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲(chǔ)層膠結(jié)作用主要為硅質(zhì)膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)作用和碳酸鹽膠結(jié)。膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層物性影響具有雙重性:膠結(jié)物填充粒間孔隙,破壞儲(chǔ)層孔滲性;但早期膠結(jié)物可以增加砂體抗壓實(shí)性,膠結(jié)物后期溶解能夠有效改善儲(chǔ)層孔滲性能[7]。

3.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲(chǔ)層硅質(zhì)膠結(jié)作用主要表現(xiàn)為石英顆粒的次生加大,在石英含量較高,砂巖粒度較粗,而粘土雜基含量較低的砂巖中,石英次生加大邊較為發(fā)育。次生加大邊與石英顆粒間可見明顯的“塵埃線”,局部被烴類物質(zhì)充填。

3.2.2 黏土礦物膠結(jié)作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲(chǔ)層粘土礦物主要為高嶺石、綠泥石和伊/蒙混層黏土礦物。高嶺石含量一般為1.2%～4.8%,產(chǎn)狀包括孔隙沉淀型和巖屑蝕變型2種:孔隙沉淀型高嶺石主要形成于殘余原生粒間孔較發(fā)育且黏土雜基較低的石英砂巖中,晶體粗大,晶體直徑可達(dá)10～20 μm,晶間孔隙發(fā)育,孔隙直徑可達(dá)10 μm,面孔率可達(dá)3%～6%,該類晶間孔是儲(chǔ)層主要儲(chǔ)集空間之一;巖屑蝕變型高嶺石主要由富含長(zhǎng)石的巖屑或凝灰質(zhì)雜基蝕變而成,晶體細(xì)小,晶間孔隙少,孔隙直徑一般為2～3 μm,面孔率不足1%,蝕變過程中分解出大量硅質(zhì),沉淀形成硅質(zhì)加大或孔隙填充物,使儲(chǔ)層更趨致密。綠泥石含量為3.6%～9.6%,有薄膜狀和孔隙填充2種充填產(chǎn)狀,薄膜狀綠泥石往往垂直于顆粒表面生長(zhǎng),包膜厚度一般為2～7 μm,包膜一方面可降低壓實(shí)造成的孔隙減少,另一方面可減緩石英次生加大的進(jìn)行,減輕化學(xué)壓實(shí)和沉淀對(duì)孔隙的破壞;孔隙填充型綠泥石由火山物質(zhì)蝕變形成,結(jié)晶較粗大。伊/蒙混層黏土礦物含量較高,絕對(duì)含量一般為6.0%～9.6%,混層比小于30%。

3.2.3 碳酸鹽膠結(jié)作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲(chǔ)層碳酸鹽膠結(jié)物含量一般為0.5%～4.0%,主要有鐵方解石、方解石、鐵白云石、菱鐵礦等4種,以鐵方解石膠結(jié)最為常見。方解石膠結(jié)物可分為早晚2期,早期呈連生式膠結(jié),碎屑顆粒呈漂浮狀分布于方解石膠結(jié)物中,極少量碎屑石英邊部發(fā)育次生加大邊;晚期主要為鐵方解石,膠結(jié)方式以孔隙充填為特征,呈不規(guī)則狀分布于以線狀和凹凸?fàn)罱佑|為主的碎屑顆粒之間。碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)砂巖中孔隙具有嚴(yán)重破壞作用。

3.3 交代蝕變作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲(chǔ)層交代作用主要為碎屑顆粒的碳酸鹽化和黏土化,在深埋交代以后,蝕變作用強(qiáng)烈,碎屑和雜基中不穩(wěn)定組分發(fā)生顯著變化,黏土雜基常蝕變?yōu)楦邘X石,火山物質(zhì)或高嶺石化或絹云母化或蝕變?yōu)樗谠颇浮?/p>

3.4 構(gòu)造破裂作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖沉積之后,經(jīng)歷了印支、燕山、喜山等3次大型構(gòu)造運(yùn)動(dòng),沉積砂體中產(chǎn)生多期拉張縫和剪切縫,鏡下常見構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的微裂縫。山2段儲(chǔ)層普遍為低滲儲(chǔ)層,裂縫的發(fā)育和存在對(duì)改善儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能具有積極而重要的作用。

3.5 溶蝕作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲(chǔ)層溶蝕作用包括巖屑的溶解、碳酸鹽膠結(jié)物的溶解、交代物的溶解和雜基的溶解等[8]。巖屑多表現(xiàn)為內(nèi)部呈蜂窩狀。部分巖心薄片中長(zhǎng)石沿顆粒邊緣或解理甚至顆粒內(nèi)部發(fā)生溶蝕,部分長(zhǎng)石顆粒僅剩顆粒殘余或鈉長(zhǎng)石化部分。石英顆粒的邊緣和次生加大邊的溶蝕呈港灣狀。儲(chǔ)層平均溶蝕孔隙度達(dá)4%～5%,成為次生孔隙形成的主要因素,大大改善了山西組砂巖儲(chǔ)層孔滲條件,榆林氣田山2段儲(chǔ)層孔隙度為5%～13%[9],平均為5.36%。

4 流體包裹體特征

4.1 包裹體類型、產(chǎn)狀及分布形態(tài)

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲(chǔ)層流體包裹體賦存礦物的產(chǎn)狀主要有砂巖石英顆粒、石英次生加大邊和方解石膠結(jié)物。包裹體類型主要包括鹽水包裹體、含烴鹽水包裹體、CO₂包裹體、含烴CO₂包裹體、氣態(tài)烴包裹體、液態(tài)烴包裹體和氣液烴包裹體。包裹體形態(tài)有圓形、橢圓形、次棱角形、長(zhǎng)條形、半圓形、負(fù)晶形及不規(guī)則形等。包裹體分布形態(tài)主要有沿切穿及加大邊(未切穿)的微裂隙成帶分布、沿切穿顆粒的微裂隙分布、沿微裂隙孤立分布、沿微裂隙帶狀分布、沿微裂隙線狀分布、零星分布及成群分布等。

4.2 包裹體均一溫度和鹽度

4.2.1 均一溫度

沉積盆地中與油氣有關(guān)的流體包裹體形成溫度相對(duì)較低,可以不對(duì)均一溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行壓力校正[10],同期鹽水包裹體均一溫度即可代表儲(chǔ)層中天然氣包裹體形成溫度[11]。榆林氣田上古生界砂巖儲(chǔ)層包裹體均一溫度顯示75～165℃均有烴類流體活動(dòng),反映天然氣成藏是一個(gè)連續(xù)過程(圖1)。

4.2.2 鹽度

鹽度的大小通常根據(jù)所測(cè)鹽水溶液冰點(diǎn)來確定。對(duì)于NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于23.3%的低鹽度水溶液,根據(jù)冰點(diǎn)計(jì)算鹽度常用的方法有相圖投影法、Bodnar冷凍溫度-鹽度換算表法和公式法[12]。包裹體鹽度計(jì)算表明:榆林氣田上古生界儲(chǔ)層包裹體鹽度分布范圍為0.53%～14.67%,分布范圍較廣,無明顯的峰值,反映烴類充注期次較多,充注過程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

4.3 包裹體激光拉曼光譜分析

根據(jù)榆林氣田上古生界儲(chǔ)層中包裹體激光拉曼組分分析結(jié)果,對(duì)該地區(qū)的包裹體進(jìn)行成分分類,主要包括3種類型。

(1) 富CO₂包裹體。榆林氣田上古生界儲(chǔ)層中該類包裹體成分以CO₂為主,次為N₂、CH₄和H₂O等,CO₂質(zhì)量分?jǐn)?shù)占60%以上,主要賦存于早期石英次生加大邊及早期石英微裂隙中,鏡下觀察呈灰色。富CO₂包裹體占所觀察包裹體總數(shù)的20%。

(2) 富CH₄包裹體。榆林氣田上古生界儲(chǔ)層中該類包裹體以CH₄為主,次為N₂、CO₂、C₂～C₆烴和H₂O等,CH₄質(zhì)量分?jǐn)?shù)占70%以上,主要發(fā)育于石英次生加大期后,沿石英顆粒中的微裂隙成線狀或帶狀分布,或成群分布于方解石膠結(jié)物中,鏡下觀察呈灰色、深灰色。富CH₄包裹體占所觀察包裹體總數(shù)的70%。

(3) 富高飽和烴包裹體。榆林氣田上古生界儲(chǔ)層中該類包裹體以高飽和烴為主,次為N₂、CO₂、CH₄和H₂O等,高飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)占80%以上,主要發(fā)育于石英次生加大早期,沿石英次生加大邊內(nèi)側(cè)成帶狀分布,鏡下觀察呈深褐色。富高飽和烴包裹體占所觀察包裹體總數(shù)的10%。

4.4 包裹體共生組合關(guān)系

常見包裹體共生組合有5種:①氣態(tài)烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合;②液態(tài)烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合;③氣液烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合;④氣液烴、氣烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合;⑤富CO₂包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合。榆林地區(qū)上古生界儲(chǔ)層包裹體共生組合類型以氣態(tài)烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合和液態(tài)烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合為主,偶見氣液烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合。

5 油氣充注與天然氣成藏

將各期與油、氣包裹體相伴生的同期鹽水包裹體均一溫度作為油氣被捕獲時(shí)的最低古地層溫度,將其和包含古地溫演化的埋藏史圖結(jié)合在一起,即可采用流體包裹體方法間接確定各期油氣成藏時(shí)期[13]。

烴源巖生烴史與流體包裹體形成時(shí)期通常存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[14],生烴早期常形成液態(tài)富含CO₂的包裹體,中期常形成富含高飽和烴的包裹體,晚期常形成富含CH₄的包裹體。包裹體均一溫度顯示,榆林氣田二疊系山西組砂巖儲(chǔ)層在75～165℃均有烴類流體活動(dòng),但可以分為4個(gè)主要溫度段:第1個(gè)溫度段為75～90℃,所形成包裹體主要為富含CO₂的包裹體,包裹體中烴類成分較少,且主要為液態(tài)烴,成藏時(shí)間為220～203 Ma前;第2個(gè)溫度段為90～120℃,所形成包裹體主要為液態(tài)烴包裹體,少量氣態(tài)烴包裹體,成藏時(shí)間為203～175 Ma前;第3個(gè)溫度段為120～130℃,所形成包裹體主要為氣態(tài)烴包裹體,少量液態(tài)烴包裹體,成藏時(shí)間為175～154 Ma前;第4個(gè)溫度段為130～165℃,所形成包裹體均為氣態(tài)烴包裹體,成藏時(shí)間為154～96 Ma前(圖2)。

綜合分析認(rèn)為,榆林地區(qū)上古生界烴源巖在晚三疊世末開始生烴和排烴;侏羅紀(jì)末基本達(dá)到生烴高峰;早白堊世快速沉降使地層溫度迅速增高,繼續(xù)大量生氣和排氣,同時(shí),早期生成的油在高溫高壓條件下溶解于天然氣中形成凝析氣;早白堊世后,鄂爾多斯盆地地層整體抬升,氣藏整體進(jìn)入散失期,氣藏壓力逐漸降低,形成現(xiàn)今低孔、低滲常壓氣藏。

6 結(jié) 論

(1) 榆林氣田上古生界儲(chǔ)層砂巖主要為灰白色、淺灰色石英砂巖、巖屑石英砂巖和巖屑砂巖,成巖過程主要經(jīng)歷了壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、交代蝕變作用、構(gòu)造破裂作用和溶蝕作用等5種成巖作用,處于中成巖階段B期,儲(chǔ)層物性以低孔低滲為主要特征,壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是該氣田物性較差的主要原因。

(2) 上古生界砂巖儲(chǔ)層中共捕獲了7種流體包裹體,賦存礦物的產(chǎn)狀主要有4種,激光拉曼測(cè)試表明,含烴CO₂包裹體、富CH₄氣態(tài)烴包裹體和富高飽和液態(tài)烴包裹體是該地區(qū)有機(jī)包裹體的主要類型。

(3) 榆林氣田上古生界天然氣藏的烴類充注主要有4期:①220～203 Ma(中三疊世晚期—晚三疊世晚期),烴類均為液態(tài)烴;②203～175 Ma(晚三疊世晚期—早侏羅世晚期),為液態(tài)烴和濕氣,以液態(tài)烴為主;③175～154 Ma(早侏羅世晚期—晚侏羅世晚期),為液態(tài)烴和濕氣,以濕氣為主;④154～96 Ma(晚侏羅世晚期—早白堊世晚期),烴類均為天然氣,同時(shí)早期生成的油在高溫高壓條件下溶解在天然氣中形成凝析氣。

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編輯 董志剛