鄂爾多斯盆地東南部延長組儲層成巖體系研究①

丁曉琪 張哨楠 葛鵬莉 易 超

(成都理工大學“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室 成都 610059)

鄂爾多斯盆地東南部延長組儲層成巖體系研究①

丁曉琪 張哨楠 葛鵬莉 易 超

(成都理工大學“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室 成都 610059)

鄂爾多斯盆地東南部延長組具有豐富的油氣資源,儲集層為一套致密低滲透砂巖,油氣的富集與致密低滲透背景下的高效儲層有關(guān)。通過鑄體薄片、背散射、掃描電鏡及能譜分析,結(jié)合孔、滲測定,認為:①延長組高效儲層的形成與綠泥石環(huán)邊有密切關(guān)系,綠泥石環(huán)邊的出現(xiàn)是三角洲前緣沉積環(huán)境、富黑云母的長石砂巖和咸-微咸水的湖泊水體在空間上耦合的產(chǎn)物;②綠泥石環(huán)邊抵消了一部分埋藏過程中上覆地層的機械壓實作用,減緩了由于壓實作用而引起的原生孔隙的減低,而且有抑制石英次生加大的作用;③同生期形成的方解石可以使顆粒呈嵌晶接觸,形成致密層,但是這部分方解石量小且分布不均勻;④自生石英在縱向上變化明顯,封閉體系中形成的SiO2由于綠泥石環(huán)邊的抑制作用,以雛晶的形式產(chǎn)出;而半封閉體系中形成的SiO2可向上發(fā)生運移,在綠泥石環(huán)邊不連續(xù)或欠發(fā)育的層段以加大邊的形式產(chǎn)出。通過成巖體系研究,可以明確高效儲層的形成機理,指導巖性油氣藏的勘探。

成巖作用 綠泥石環(huán)邊 成巖體系 鄂爾多斯盆地 自生石英 致密砂巖

鄂爾多斯盆地延長組有豐富的油氣資源,隨著油氣勘探方法、工程工藝技術(shù)的進步,經(jīng)過近幾十年的勘探,在鄂爾多斯盆地南部發(fā)現(xiàn)了一系列的大油田[1～4]。延長組儲層具有致密低孔、低滲的特點,但油氣主要富集在裂縫發(fā)育或低孔滲背景下相對較好的高效儲層中。鄂爾多斯盆地內(nèi)部以穩(wěn)定著稱,缺少構(gòu)造圈閉,油氣二次運移動力不足,所以延長組油氣的勘探重點是尋找高效儲層[5]。前人對這些高效儲層的形成機理進行了大量研究[6～9],普遍認為壓實強、膠結(jié)強,低地溫梯度使有機質(zhì)脫羧產(chǎn)生酸性水時間滯后及油氣充注晚是儲層致密的主要原因,而高效儲層與綠泥石環(huán)邊、濁沸石的溶蝕及易溶碎屑顆粒的蝕變有關(guān)。但在以下幾個方面的研究略顯不足:①綠泥石是如何抑制石英次生加大的?作為一個成巖體系,流體中的SiO2不能以加大邊的形式產(chǎn)出,那么它又將去向哪兒?以什么樣的形式產(chǎn)出?②綠泥石的晶間微孔對儲層儲集性能真的有效嗎?③成巖過程中孔隙水的性質(zhì)是如何變化的?又是何時變的?與成巖體系又有什么關(guān)系?針對以上問題,通過大量的取心資料,結(jié)合掃描電鏡、背散射及能譜分析,試圖對以上問題進行討論。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地延長組為大型三角洲沉積建造,充填序列記錄了該大型湖盆初始發(fā)育、快速拗陷至湖退興衰的完整序列。延長組自下而上劃分為10段,長10段-長1段。主力烴源巖為長7段,長7段暗色泥巖厚60～120 m,中、下部為優(yōu)質(zhì)烴源巖。油層主要分布在長8段、長6段及長3段三個油層組中。研究區(qū)構(gòu)造平緩,為一簡單的單斜,構(gòu)造坡度約1/100,僅在單斜上發(fā)育一系列的低幅鼻狀構(gòu)造,為我國典型的隱蔽油藏[1]。

延長組沉積后,至今經(jīng)歷了三次較大的構(gòu)造運動,晚三疊世的印支運動、延安期末的燕山Ⅱ幕和早白堊世末的燕山Ⅴ幕。印支運動使延長組遭受剝蝕,西部剝蝕量較東部大,盆地西緣的鎮(zhèn)涇地區(qū)普遍剝蝕至長4+5段,部分至長6段,向東至富縣地區(qū),長1段仍有保留。燕山Ⅱ幕使延安組遭受剝蝕,盆地東部剝蝕量大于西部,而燕山Ⅴ幕對該地區(qū)的構(gòu)造和成藏具有非常重要意義,強烈的構(gòu)造抬升使富縣以東地區(qū)延長組出露地表,目前延長組的埋深普遍在0～1 500 m。這期構(gòu)造變動影響整個鄂爾多斯盆地中生界油氣的運移及烴源巖的生烴效率[10]。受晚侏羅世-早白堊世構(gòu)造熱事件的影響[11～13],古地溫梯度從2.8～2.9℃/100m突升至3.5～4.1℃/100m,烴源巖在晚侏羅世開始生烴,并于早白堊世晚期達到生烴高峰。

2 儲層特征

儲集砂體主要為分流河道砂巖和河口壩砂巖,含有少量的遠砂壩砂巖和濁積巖,從厚度和穩(wěn)定性來看,水下分流河道砂巖和河口壩砂巖為首選勘探對象[14～15]。

延長組砂巖儲層自下而上具有相似的成分,說明物源具有很好的繼承性,主要為粉-細粒長石砂巖,含少量的巖屑長石砂巖(圖1)。石英以單晶石英為主,石英表面見大量孤立溶孔;長石以鉀長石為主,含部分斜長石,鉀長石風化及蝕變明顯,但差別較大;巖屑含量少,以黑云母巖屑為主,但分布不均,局部富集,含少量千枚巖巖屑,砂巖成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均低。

圖1 延長組砂巖分成分類三角圖Fig.1 QFL triangular diagram shows the classification of reservoir sandstones of the Yanchang Formation

3 成巖作用

延長組砂巖中的最主要的成巖作用有壓實作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。溶蝕作用相對簡單,而膠結(jié)作用較為復雜,有綠泥石環(huán)邊膠結(jié)、自生石英膠結(jié)、自生伊利石膠結(jié)、方解石膠結(jié)和濁沸石膠結(jié)。其中綠泥石環(huán)邊分布最為穩(wěn)定,含量在0～14%之間,而伊利石和方解石分布不均,僅在部分樣品中可見,自生石英普遍可見,自下而上,石英含量有增加的趨勢,濁沸石的膠結(jié)和溶蝕偶見,方解石膠結(jié)的規(guī)律性不強。

3.1 壓實作用

延長組壓實作用為弱-中等,但壓實強度差別較大,深層砂巖儲層的壓實強度強于淺部,富塑性巖屑的砂巖壓實強度要大于剛性顆粒多的砂巖儲層(圖2a)。與壓實作用同步生長的綠泥石環(huán)邊可以抵消了一部分埋藏過程中上覆地層的機械壓實作用,減緩因壓實作用而損失的原生孔隙。綠泥石發(fā)育的層段,機械壓實作用相對較弱。

3.2 膠結(jié)作用

(1)綠泥石膠結(jié):綠泥石是研究區(qū)最主要的成巖黏土礦物,根據(jù)自生綠泥石晶體的排列方式及其與顆粒的接觸關(guān)系,可以將綠泥石分為三種:顆粒包膜綠泥石(圖2b)、孔隙襯里綠泥石(圖2b)和玫瑰花狀綠泥石(圖2c)[16]。綠泥石的形成可以分為兩個階段:首先,顆粒表面黏土礦物在富鐵、富鎂的孔隙水中轉(zhuǎn)化形成顆粒包膜;其次被孔隙水中沉淀出來的綠泥石所包裹,形成孔隙襯里。

(2)自生石英膠結(jié):延長組砂巖儲層中自生石英易見,主要以兩種形式產(chǎn)出:一種為雛晶石英(圖2d);另一種為石英加大邊(圖2e)。雛晶石英主要發(fā)育在綠泥石環(huán)邊發(fā)育的孔隙中,晶形好,但由于受生長空間的限制,數(shù)量多但含量并不高;而石英加大邊主要出現(xiàn)在綠泥石環(huán)邊不發(fā)育或環(huán)邊不連續(xù)的砂巖中。

(3)自生伊利石膠結(jié):伊利石主要發(fā)育在長6-長8段,呈絲縷狀、毛發(fā)狀分布于綠泥石的表面,伊利石僅分布在個別樣品中,規(guī)律性不強。偶爾還可見伊/蒙混層呈網(wǎng)格狀生長。

(4)方解石膠結(jié):方解石膠結(jié)物以兩種形式產(chǎn)出,一種為同生階段的基底式膠結(jié),含量20%～ 50%;另一種為成巖期的孔隙式膠結(jié),呈斑塊狀,含量0～12%。

(5)濁沸石膠結(jié):濁沸石膠結(jié)物是延長組砂巖最主要的成巖礦物,安塞-靖邊億噸級油田均與濁沸石有關(guān),濁沸石溶蝕形成的次生孔隙是其主要的儲集空間[1]。但是富縣以南地區(qū)延長組中濁沸石含量普遍不高,呈斑塊狀不均勻分布,僅見少量的濁沸石膠結(jié)和溶蝕現(xiàn)象,且富縣東部高于西部,以長3段為主(圖2f)。

3.3 溶蝕作用

總體來看,溶蝕作用較為普遍,大量的鉀長石發(fā)生了不同程度的蝕變,但溶蝕并不徹底。相比而言,長6段以上地層的溶蝕作用要強于長6段以下地層,而濁沸石的溶蝕極為有限。

圖2 延長組主要成巖作用的顯微照片a.黑云母巖屑在壓實過程發(fā)生塑性變形,使顆粒呈凹凸接觸,ZF20井758.95 m,藍色鑄片,單偏光,10 X10;b.在孔隙襯里綠泥石脫落處可見顆粒包膜綠泥石,粒度小、晶形差,ZF43井845.12 m,SEM;c.玫瑰花狀綠泥石,呈絨球狀分布于孔隙空間中,質(zhì)點落在孔隙襯里綠泥石上,ZF22井736.35 m,SEM.d.綠泥石環(huán)邊形成后產(chǎn)生的自生石英雛晶,晶形好, ZF3井511.75 m,SEM;e.綠泥石環(huán)邊不發(fā)育,石英次生加大明顯,ZF22井182.50 m,,藍色鑄片,單偏光,10 X10; f.濁沸石膠結(jié)物,溶蝕明顯,ZF43井369.5 m,藍色鑄片,單偏光,10 X 10;gc:顆粒包膜綠泥石;pf:孔隙襯里綠泥石, ros:玫瑰花狀綠泥石,bio:黑云母,Lau:濁沸石膠結(jié)物,Qo:自生石英.Fig.2 Microphotographs ofmain diagenesis occurred in Yanchang Formation

4 討論

4.1 成巖序列

成巖序列主要是通過各種成巖礦物的接觸關(guān)系進行研究,綠泥石環(huán)邊在顆粒接觸處消失(圖3a),且綠泥石襯里為等厚環(huán)邊,說明其生長空間充足且孔隙水循環(huán)流暢,形成時間早,但晚于初始壓實階段(同生階段)。在方解石膠結(jié)的砂巖中,顆粒呈飄浮狀,偶見點接觸,綠泥石環(huán)邊較薄,而沒有被方解石膠結(jié)的砂巖,則環(huán)邊較厚,說明綠泥石在方解石膠結(jié)前已經(jīng)開始生長,但方解石形成過程中,綠泥石的生長并沒有停止,方解石膠結(jié)物的形成阻止了綠泥石環(huán)邊的繼續(xù)生長。研究區(qū)綠泥石形成后,見石英雛晶的形成,石英雛晶主要發(fā)育在被綠泥石環(huán)邊膠結(jié)后的剩余原生粒間孔中,常見綠泥石包裹石英雛晶(圖3b),說明石英雛晶的形成時間晚于綠泥石環(huán)邊的形成。伊利石主要分布在綠泥石的表面,說明伊利石形成晚于綠泥石環(huán)邊,伊利石形成于富鉀的環(huán)境中,鉀長石蝕變可以提供高嶺石和SiO2,高嶺石與鉀長石反應(yīng)可形成伊利石,所以伊利石的形成晚于自生石英的形成或與自生石英同步,但肯定晚于鉀長石的蝕變。在以上分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合成巖強度研究[15],建立了研究區(qū)主要成巖作用的成巖序列(圖4)。

圖3 延長組主要成巖作用的顯微照片a.顆粒接觸處無綠泥石環(huán)邊,綠泥石呈等厚環(huán)邊,ZF3井511.75 m,BSE;b.自生石英包裹綠泥石,說明自生石英形成晚于綠泥石,ZF43井845.12 m,SEM;c.被綠泥石環(huán)邊包裹的長石沿解理發(fā)生蝕變,中富28井924.64,BSE;d.瀝表分布于被綠泥石膠結(jié)之后的原生粒間孔中,綠泥石晶間微孔中未見有瀝青,ZF43井845.12 m,SEM.chl:綠泥石, fesp:長石,asp:瀝青,Qo:自生石英.Fig.3 Microphotographs ofmain diagenesis in Yanchang Formation

圖4 延長組主要成巖事件序列圖Fig.4 Main diagenetic sequence of the Yanchang Formation

4.2 孔隙水性質(zhì)的變化

成巖作用過程初期孔隙水性質(zhì)與沉積環(huán)境有密切的關(guān)系。成巖作用早期,厭氧細菌分解有機質(zhì)及孔隙水中的SO,釋放H2S,使Eh降低,而pH急劇增加,形成堿性還原條件,在這種情況下,水體中的高價鐵(Fe3+)被還原而產(chǎn)生低價鐵的化合物,如黃鐵礦、綠泥石,同時形成大量方解石。堿性還原環(huán)境一直持續(xù)到白堊紀早期,受構(gòu)造熱事件的影響,開始大規(guī)模的生烴,干酪根發(fā)生熱解作用,有機酸的羧基變成了CO2(R―COOH→RH+CO2),孔隙水由早期的堿性轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝?從而使鉀長石發(fā)生溶蝕,形成大量的伊利石和SiO2,酸性孔隙水一直持續(xù)到現(xiàn)在,目前孔隙水的pH仍在5～6.5之間。所以孔隙水從堿性轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝詰?yīng)該是在早白堊世末。水體性質(zhì)變化的直接結(jié)果是綠泥石環(huán)邊的停止生長及長石等礦物開始發(fā)生溶蝕。

4.3 延長組成巖體系特征

鄂爾多斯盆地東南部延長組埋深普遍較淺,長8段埋深一般不超過1 200 m,長7段以下地層由于局域性泥巖的封閉,且在長7段泥巖中存在欠壓實,水型為CaCl2型水,均表明與大氣降水隔絕,自成一個獨立的封閉體系;而長6段-長3段,由于埋深淺,部分地層可能遭受大氣淡水的影響,主要表現(xiàn)為地層水從長7段以下的CaCl2型水向NaHCO3型水過渡,反映出成巖體系已由下伏的封閉體系向半封閉體系轉(zhuǎn)變;而長2段以上地層,部分已暴露地表,受大氣降水的影響,地層水以NaHCO3型水為主,說明為半開放體系。

對于長8段,由于處于封閉體系中,與上覆地層很難發(fā)生物質(zhì)交換,鉀長石蝕變生成的SiO2和高嶺石無法帶出反應(yīng)體系,綠泥石環(huán)邊抑制了石英的次生加大,成巖水體中過飽和的SiO2以雛晶的形式產(chǎn)出于粒間孔中;而高嶺石與鉀長石反應(yīng)形成伊利石。長6段-長3段為半封閉的成巖體系,長石蝕變生成SiO2一部分被帶出反應(yīng)體系,而另一部分則在孔隙中仍以雛晶的形式沉淀出來(圖2d),被帶出反映體系的SiO2進入上覆地層中,由于上覆地層中綠泥石環(huán)邊欠發(fā)育,局部不連續(xù),所以被帶入的SiO2和長2段以上地層由于大氣淡水淋濾長石蝕變形成的SiO2共同在無綠泥石環(huán)邊的顆粒邊緣以加大邊的形式產(chǎn)出(圖2e)。整個過程可用圖5來表示。

4.4 綠泥石環(huán)邊對石英次生加大的抑制

綠泥石對孔隙的保存機理仍有諸多問題尚未解決[17],但是均認為形成于石英次生加大之前的綠泥石對孔隙具有一定的保存作用[18～22]。綠泥石環(huán)邊發(fā)育的地方,石英膠結(jié)相對不發(fā)育,但仍可見大量的石英雛晶存在。所以自生綠泥石從空間上將自生石英的顆粒表面與孔隙流體隔離,從而抑制石英自生加大的說法是值得商榷的,通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn),綠泥石晶體間存在大量的晶間微孔,不可能將顆粒表面與孔隙流體隔離。薄片下也常見綠泥石環(huán)邊包裹的長石沿解理被溶蝕而僅存綠泥石環(huán)邊(圖3c),鑄?？椎男纬梢舱f明綠泥石并沒有隔離顆粒表面與流體。綠泥石形成時期,它對孔隙流體的pH值有一定的調(diào)節(jié)能力,當砂巖中出現(xiàn)綠泥石且綠泥石含量較高時,會形成一個偏堿性的微區(qū)環(huán)境[23],石英的溶解度較大,而此時孔隙流體中SiO2的含量本身就很低,所以很難見到自生石英的出現(xiàn)。

不管是鉀長石還是斜長石,在酸性條件下蝕變后會產(chǎn)生大量的SiO2和高嶺石。如果當時的成巖體系是開放的,則蝕變形成的SiO2可以被帶出反應(yīng)體系,在其它地方以石英加大邊的形式出現(xiàn)。而如果是成巖晚期的封閉-半封閉成巖體系,產(chǎn)生的SiO2大于被孔隙流體帶走的SiO2時,過飽和的SiO2遲早會沉淀出來。由于綠泥石環(huán)邊的產(chǎn)生,綠泥石的存在使石英的次生加大被限制在了綠泥石的頁片中,阻止自生石英膠結(jié)物在碎屑石英顆粒的表面成核[24],不能形成共軸再生膠結(jié)物,石英只能以雛晶的形式沉淀出來,而當綠泥石不連續(xù)時,石英仍可以加大邊的形式出現(xiàn),所以不管是開放體系還是封閉體系,只有當綠泥石的環(huán)邊呈連續(xù)分布且有一定厚度時,才能抑制石英的次生加大。

4.5 綠泥石晶間孔的作用

自生綠泥石存在約51%的晶間微孔[25]。對于石油而言,在油氣二次運移過程中,石油不可能有如此大的運移動力克服毛細管壓力來驅(qū)替晶間微孔中的地層水,所以對油藏而言,這些晶間微孔對儲集石油是毫無意義的。電鏡下也可以看到瀝青僅存在于綠泥石環(huán)邊膠結(jié)之后的粒間孔中(圖3d),而從未在綠泥石的晶間孔中見瀝青。但對于天然氣,由于氣水密度差遠大于油水密度差,氣水之間存在較大的浮力,晶間微孔才有可能作為儲集空間。雖然綠泥石的晶間微孔對油藏來說是無效的,但是這些晶間微孔為后期酸性水的溶蝕提供了良好的運移通道,有利于后期溶蝕作用的發(fā)生,具有改善儲層儲集物性的作用。

5 結(jié)論

(1)綠泥石確實能夠抑制石英的次生加大,其機理主要是改變孔隙微區(qū)環(huán)境及占據(jù)顆粒表面空間、阻止自生石英在碎屑石英表面成核來完成。對于封閉體系,SiO2無法帶出反應(yīng)體系,石英仍會以雛晶的形式產(chǎn)出;而如果是半封閉-半開放體系,體系中流體在縱向上發(fā)生物質(zhì)交換,則SiO2會在綠泥石環(huán)邊欠發(fā)育的地方以加大邊的形式出現(xiàn)。

(2)綠泥石的晶間微孔對儲集石油來說是無效的,油柱不可能有如此大的運移動力驅(qū)替綠泥石晶間的孔隙水,但可以為成巖后期酸性水的流動提供部分運移通道,進而形成次生孔隙以改善儲層的儲集物性。

圖5 延長組成巖體系中物質(zhì)交換及物質(zhì)轉(zhuǎn)變模式圖Fig.5 Mass exchange and transformation of diagenetic systems,Yanchang Formation

(3)研究區(qū)孔隙水經(jīng)歷了從堿性向酸性的轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變的時間與早白堊世末干酪根的大規(guī)模生烴有關(guān),酸性孔隙水可以持續(xù)到目前。

(4)研究區(qū)延長組高效儲層的形成需具備以下幾個條件:黑云母巖屑少、孔隙襯里綠泥石發(fā)育、方解石膠結(jié)適度,最好有濁沸石的溶蝕和長石的蝕變。

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Research on Diagenesis System of Yanchang Formation Reservoirs,Southeast Ordos Basin

DING Xiao-qi ZHANG Shao-nan GE Peng-li YIChao
(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059)

Yanchang Formation sited in the southern-eastern Ordos Basin has been proven a prolific reservoir unit for hydrocarbon resources.Featured by relatively low porosity and effective permeability,the quality of the reservoir has a significant impact on themigration and accumulation of oil and gas.By analyzing the petrophysic data from thin-section samples,BSE,Energy Spectrum Analysis and core plugs,we reached the following conclusions:1.he rimming of chlorite has an important control on the reservoir quality-such diagenetic process is characterized as a product of delta front depositional environmentwhere ismineralogically rich in blackmica and feldspar。2.t effectively reduced the compaction effect from the overburden through burial history,therefore contributed to the preservation of primary porosity,simultaneously,ceased the diagenetic overgrowth of quartz grains。3.he associate presence of calcite reorientated the grains into porphyroblastic structure,but arbitrarily distributed due to the small quantity。4.uthquartz has a prominent vertical change,which is often observed as small crystal forming with chlorite rimming in a close space.However,in semi-closed spaces,quartz is prone tomigrate upwards,stop and develop as overgrowth where the intergranular space is not fully taken by chlorite.Through the study,we sorted out the controls and developing mechanisms of qualified reservoirs in Yanchang Formation,and therefore guide the future exploration.

diagenesis;chlorite rims;calcite;Ordos basin;autogenetic quartz;tight sandstones

丁曉琪 男 1981年出生 博士后 講師 石油地質(zhì)學 E-mail:627586242@qq.com

TE122.2+3

A

1000-0550(2011)01-0097-08

①國家自然科學青年基金項目(批準號:40602012)資助。

2009-12-30;收修改稿日期:2010-02-07