珠江口盆地文昌A凹陷珠海組儲層碳酸鹽膠結(jié)物分布規(guī)律及成因機(jī)制

尤 麗，李 才，張迎朝，甘 軍，劉景環(huán)

［中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江524057］

碳酸鹽礦物是儲集砂巖常見的膠結(jié)物，是成巖作用的重要產(chǎn)物，其常呈孔隙充填或交代其他礦物產(chǎn)出。碳酸鹽膠結(jié)物對儲層物性有雙重影響:一方面，其存在使原生孔隙減少，降低儲層物性［1－3］;另一方面，早期膠結(jié)作用可以阻礙壓實(shí)作用的進(jìn)行，在合適的條件下發(fā)生溶解作用，形成次生孔隙，改善儲層物性［3－4］。珠江口盆地文昌 A凹陷珠海組砂巖是目前珠江口盆地西部重要的氣勘探目的層之一，成巖作用對該區(qū)儲層物性影響明顯［5］，壓實(shí)作用和膠結(jié)作用明顯降低該區(qū)儲層物性，溶解作用改善儲層物性，膠結(jié)作用以碳酸鹽膠結(jié)物為主要特征。為此，弄清珠海組碳酸鹽膠結(jié)物類型、分布規(guī)律，進(jìn)而揭示碳酸鹽膠結(jié)物的成因機(jī)制，對今后珠江口盆地西部氣勘探尋找優(yōu)質(zhì)儲層提供一定的資料基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

文昌A凹陷屬于珠江口盆地西部珠三坳陷的二級構(gòu)造單元，北靠陽江低凸起，西與文昌B、C凹陷相鄰，南以邊界斷裂與神狐隆起相接(圖1)?；字饕獮樽冑|(zhì)巖，夾有侵入巖、噴出巖，上覆地層自下而上劃分為古近系神狐組、文昌組、恩平組、珠海組及新近系珠江組、韓江組、粵海組、萬山組和第四系。古新世至漸新世早期(神狐組、文昌組、恩平組)沉積時(shí)為裂谷湖泊充填期，是主要烴源巖發(fā)育期。漸新世晚期(珠海組沉積時(shí))海水入侵，沉積了海灣相砂泥巖，形成上下兩套儲蓋組合，是凹陷內(nèi)的主要儲集層段。早中新世珠江組下部為退積的海灣相沉積，是本區(qū)凸起部位的主要儲層;珠江組沉積晚期又一次海浸，成為開闊淺海，以泥質(zhì)沉積為主，是本區(qū)區(qū)域性蓋層。

圖1 文昌A凹陷構(gòu)造單元示意圖Fig.1 Schematic map showing structural units of Wenchang A sag

2 碳酸鹽膠結(jié)物分布規(guī)律及對儲層物性影響

2.1 碳酸鹽膠結(jié)物分布規(guī)律

砂巖鑄體薄片和掃描電鏡觀察，珠海組砂巖以碳酸鹽膠結(jié)物為主，部分為石英次生加大等其他自生礦物，碳酸鹽膠結(jié)物以中期鐵方解石和晚期鐵白云石為主，發(fā)育部分菱鐵礦和白云石，局部發(fā)育早期方解石。根據(jù)12口井824個(gè)巖心、壁心砂巖薄片鑒定資料，珠海組砂巖碳酸鹽膠結(jié)物含量變化為0.3% ～15.8%，其中，珠海組一段和二段較三段含量高，珠海組一段和二段含量主要集中在5%～10%，珠三段含量僅為5%左右。這種不同層位碳酸鹽膠結(jié)物含量差異，反映原始沉積條件及成巖流體的差異。南斷裂帶下降盤珠海組各段碳酸鹽礦物較凹陷中心豐富，這是由于南斷裂帶下降盤較凹陷中心構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，在強(qiáng)的構(gòu)造應(yīng)力作用下，砂、泥巖孔隙流體交換作用更強(qiáng)，更容易形成鈣質(zhì)砂巖［6］。碳酸鹽膠結(jié)物分布具體表現(xiàn)如下(圖2)。

1)中期鐵方解石，分布范圍較廣，主要分布在南斷裂帶珠海組二段和凹陷中心珠海組三段，含量以小于10%為主，少部分大于10%。呈連晶形式充填孔隙或交代碎屑顆粒(交代強(qiáng)烈僅留少量殘骸)，染色后，鏡下觀察呈現(xiàn)紫紅色(圖3a)。

2)晚期鐵白云石，分布較廣，含量較高，在0～20%均有分布，以南斷裂帶珠海組二段、三段及凹陷中心大量分布。呈分散狀和顆粒狀分布于粒間孔或溶蝕孔中(圖3b，c)，也有呈交代碎屑顆粒或交代早、中期碳酸鹽膠結(jié)物出現(xiàn)，常見交代中期連晶鐵方解石(圖3a)，反映鐵白云石形成最晚。

3)白云石，含量相對較少，基本小于10%，在南斷裂帶和凹陷中心珠海組各段差別較小，常呈分散狀分布于粒間孔中，有時(shí)被鐵白云石交代(圖3c)。

4)方解石，珠海組砂巖中方解石不發(fā)育，僅在南斷裂帶下降盤珠海組一段含量較高，集中在WC10－3－1井，呈連晶基底式充填粒間孔，碎屑顆粒呈飄浮狀接觸，陰極發(fā)光顯示橙紅色(圖3d)，單偏光下觀察呈現(xiàn)紅色(染色后)，說明方解石形成時(shí)間較早。

圖2 文昌A凹陷珠海組碳酸鹽膠結(jié)物分布Fig.2 Distribution of carbonate cements of the Zhuhai Formation in Wenchang A sag

圖3 文昌A凹陷珠海組碳酸鹽膠結(jié)物典型顯微照片F(xiàn)ig.3 Typical photomicrograph of carbonate cements of the Zhuhai Formation in Wenchang A sag

5)菱鐵礦，南斷裂帶除珠海組三段少量分布外，珠海組一段和二段均未見有，凹陷中心珠海組一段大量分布，珠海組二段和三段含量小于10%。其常呈褐色粒狀分布于粒間孔中。菱鐵礦形成較早，其發(fā)育程度多與沉積環(huán)境有關(guān)［7－8］。

2.2 碳酸鹽膠結(jié)物對儲層物性的影響

圖4 文昌A凹陷珠海組砂巖儲層孔隙度、滲透率與碳酸鹽膠結(jié)物關(guān)系Fig.4 Relations between porosity/permeability and carbonate cements of Zhuhai Formation in Wenchang A sag

前面已介紹，珠海組砂巖碳酸鹽膠結(jié)物表現(xiàn)為多類型、多期膠結(jié)，以中、晚期為主，局部發(fā)育早期膠結(jié)(如WC10－3－1井珠海組一段早期方解石膠結(jié))。珠海組埋深大于2 800 m砂巖薄片鑒定資料顯示(圖4)，碳酸鹽膠結(jié)物含量小于5%時(shí)，其碳酸鹽膠結(jié)物含量差異對儲層物性影響較小;碳酸鹽膠結(jié)物含量大于5%時(shí)，孔隙度和滲透率隨碳酸鹽膠結(jié)物含量增加而減小，碳酸鹽膠結(jié)物是珠海組深部儲層物性變差的重要原因。而早期碳酸鹽膠結(jié)物存在，一定程度阻礙壓實(shí)作用，并在成巖過程中，與酸性流體發(fā)生溶解，改善儲層物性。

3 碳酸鹽膠結(jié)物成因機(jī)制

碳酸鹽膠結(jié)物常為兩種成因，一種是與碎屑同時(shí)沉積形成的早期的化學(xué)成因碳酸鹽，另一種更為普遍的是在成巖過程中從孔隙流體中沉淀形成的。鑄體薄片觀察(圖3)和鑒定，珠海組砂巖的碳酸鹽膠結(jié)物基本為成巖過程中形成的，是從孔隙流體中沉淀而成的。由碳、氧同位素?fù)Q算的基恩－韋伯Z值可以粗略判斷孔隙水介質(zhì)性質(zhì)，當(dāng)Z大于120時(shí)，水介質(zhì)的性質(zhì)為海水來源，當(dāng)Z小于120時(shí)，則為陸相淡水來源。珠海組7口井31個(gè)碳、氧同位素樣品分析，Z在102～117分布，主峰為106～112，平均值109(表1);結(jié)合3口井電子探針分析，珠海組砂巖的碳酸鹽膠結(jié)物表現(xiàn)為以Ca為主，部分為Mg和Fe，Sr、Na含量極少或無(表2)，綜合反映珠海組時(shí)期孔隙水在一定程度上有淡水的注入，說明碳酸鹽膠結(jié)物形成受淡水影響明顯。

表1 文昌A凹陷珠海組碳酸鹽膠結(jié)物碳、氧同位素及古地溫、Z值Table 1 Carbon-oxygen isotopes of carbonate cements，paleogeotemperature and Z valueof the Zhuhai Formation in Wenchang A sag

表2 文昌A凹陷珠海組碳酸鹽礦物元素組成Table 2 Elementary composition of carbonate cements in the Zhuhai Formation in Wenchang A sag

關(guān)于碳酸鹽膠結(jié)物成因，重點(diǎn)為其物質(zhì)來源，物質(zhì)來源主要從碳和鈣兩方面討論［1，11］。珠海組成巖碳酸鹽的碳、氧同位素明顯負(fù)偏，且碳同位素與氧同位素總體呈一定正相關(guān)性(圖5)，以珠海組三段相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.76，其次為珠海組一段，相關(guān)系數(shù)為0.48，珠海組二段相關(guān)性較差，珠海組二段相關(guān)性較差可能為碳酸鹽膠結(jié)物重結(jié)晶后同位素分餾造成的［2］。碳、氧同位素的正相關(guān)性說明碳同位素的物質(zhì)來源與氧同位素反應(yīng)的溫度有關(guān)［3］，由氧同位素計(jì)算的古地溫顯示，珠海組碳酸鹽膠結(jié)物形成溫度在64.8～94.9℃(表1)，是早成巖階段B末期～中成巖期產(chǎn)物，輕碳的碳酸鹽是成巖階段較晚形成的，較高值碳的碳酸鹽在成巖階段較早時(shí)期形成，根據(jù)Curtis C D［9］碳酸鹽成因圖版判斷(圖6)，珠海組碳酸鹽膠結(jié)物碳、氧同位素投點(diǎn)基本落入有機(jī)酸脫羧作用區(qū)域，說明珠海組碳酸鹽膠結(jié)物的形成與有機(jī)酸脫羧作用有關(guān)，反映膠結(jié)作用發(fā)生的深度較深，有機(jī)酸脫羧作用是埋藏成巖作用下成巖階段較晚期形成的輕碳碳酸鹽的重要機(jī)制之一［10］。

圖5 文昌A凹陷珠海組碳酸鹽膠結(jié)物碳、氧同位素相關(guān)性Fig.5 Correlation of carbon-oxygen isotopes of carbonate cements in the Zhuhai Formation in Wenchang A sag

圖6 文昌A凹陷珠海組碳酸鹽膠結(jié)物同位素分布Fig.6 Isotopes of carbonate cements of the Zhuhai Formation in Wenchang A sag

圖7 文昌A凹陷珠海組碳酸鹽膠結(jié)物含量與長石、泥質(zhì)雜基含量關(guān)系Fig.7 Content relations of carbonate cements and feldspar/argillaceous mineral of the Zhuhai Formation in Wenchang A sag

圖8 文昌A凹陷珠海組自生粘土礦物演化Fig.8 Evolution of authigenic clay minerals of the Zhuhai Formation in Wenchang A sag

前人研究認(rèn)為［1－2，11－19］，碳酸鹽膠結(jié)物鈣的來源主要包括:長石的溶解、粘土礦物的轉(zhuǎn)化、碳酸鹽巖屑的溶解、早期碳酸鹽膠結(jié)物的溶解及(鋁)硅酸鹽的水化作用，這些反應(yīng)均可為碳酸鹽膠結(jié)物的形成提供豐富的物質(zhì)來源。根據(jù)砂巖鑄體薄片觀察，珠海組砂巖溶解作用表現(xiàn)為鋁硅酸鹽礦物的溶解，以長石溶解為主(圖3e)，形成粒內(nèi)溶孔、鑄?？谆虺罂祝瑤r屑溶解為其次，溶蝕孔中充填晚期鐵白云石等膠結(jié)物，碳酸鹽膠結(jié)物與長石含量關(guān)系圖也表明(圖7a)，隨著長石含量增加，碳酸鹽膠結(jié)物呈減少趨勢，存在一定負(fù)相關(guān)性，反映長石的溶解是珠海組砂巖碳酸鹽膠結(jié)物的重要物質(zhì)來源之一。研究認(rèn)為，造成珠海組砂巖不穩(wěn)定組分溶解主要是由于有機(jī)質(zhì)熱演化產(chǎn)生的有機(jī)酸溶蝕形成的，且據(jù)有機(jī)酸濃度和類型，南斷裂帶東段較凹陷中心，有機(jī)酸溶蝕能力較強(qiáng)，有機(jī)酸對長石等不穩(wěn)定組分進(jìn)行溶蝕溶解，為碳酸鹽膠結(jié)物沉淀提供豐富物質(zhì)來源。碳酸鹽膠結(jié)物與泥質(zhì)雜基也呈明顯負(fù)相關(guān)性(圖7b)，說明泥質(zhì)雜基含量越少，沉積水動(dòng)力越強(qiáng)，溶解作用越易進(jìn)行，碳酸鹽膠結(jié)物越易沉積。珠海組自生粘土礦物演化圖顯示(圖8)，隨著埋深的增加，伊－蒙混層含量減少，伊利石和綠泥石含量增加，高嶺石含量總體呈減少趨勢，局部含量較高，蒙皂石不發(fā)育，說明隨著成巖作用的進(jìn)行，自生粘土礦物發(fā)生了轉(zhuǎn)化，主要表現(xiàn)為伊－蒙混層中的蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化，該轉(zhuǎn)化也為碳酸鹽膠結(jié)物提供了一定的離子來源，反應(yīng)提供的Ca2+，F(xiàn)e3+和Mg2+是碳酸鹽膠結(jié)物的重要物質(zhì)來源，碎屑巖中尤以含鐵碳酸鹽膠結(jié)物的形成與此反應(yīng)有關(guān)。另外，珠海組砂巖也見有鈣質(zhì)有孔蟲，且部分已發(fā)生溶蝕(圖3f)，這種碳酸鹽巖屑的溶解也為后期碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀提供一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。綜上所述，長石溶解和粘土礦物轉(zhuǎn)化是碳酸鹽膠結(jié)物鈣質(zhì)的主要物質(zhì)來源，鈣質(zhì)有孔蟲的溶解也提供一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1)碳酸鹽膠結(jié)物珠海組一段和二段較三段發(fā)育，南斷裂東段下降盤珠海組各段較凹陷中心豐富。鐵方解石主要分布在南斷裂帶珠海組二段和凹陷中心珠海組三段;鐵白云石以南斷裂帶珠海組二段、三段及凹陷中心大量分布;白云石含量相對較少，在南斷裂帶和凹陷中心珠海組各段差別較小;方解石不發(fā)育，僅在南斷裂帶下降盤珠海組一段含量較高;菱鐵礦南斷裂帶除珠海組三段少量分布外，珠海組一段和二段均未見有，凹陷中心珠海組一段大量分布。

2)碳酸鹽膠結(jié)物含量大于5%時(shí)，孔隙度和滲透率隨碳酸鹽膠結(jié)物含量增加而減小，碳酸鹽膠結(jié)物是珠海組深部儲層物性變差的重要原因。

3)珠海組碳酸鹽膠結(jié)物的形成與有機(jī)酸脫羧作用有關(guān)，且受淡水影響明顯。長石溶解和粘土礦物轉(zhuǎn)化是碳酸鹽膠結(jié)物鈣的主要來源，鈣質(zhì)有孔蟲的溶解也在一定程度上提供物源。

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