燕山地區(qū)冀北坳陷霧迷山組白云巖類型及儲(chǔ)集特征

鄭秀才，柴華 （長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434020）

燕山地區(qū)冀北坳陷霧迷山組 （Jxw）白云巖分布廣、厚度大，且液態(tài)油苗廣布，淺井鉆探取心也具有良好的液態(tài)油顯示，結(jié)合基礎(chǔ)石油地質(zhì)條件的研究［1～8］表明，其為研究區(qū)內(nèi)重要的油氣勘探目標(biāo)層之一，具有的良好勘探前景。目前，對(duì)區(qū)內(nèi)Jxw白云巖類型及其儲(chǔ)集性能的研究資料還相對(duì)較為欠缺。筆者以巖石學(xué)理論為指導(dǎo)，利用碳氧同位素、電子探針、陰極發(fā)光、掃描電鏡等分析測試資料，對(duì)燕山地區(qū)冀北坳陷Jxw白云巖的類型及其儲(chǔ)集性能進(jìn)行了全面分析，探討了白云巖儲(chǔ)層的發(fā)育規(guī)律，對(duì)該區(qū)油氣勘探具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

燕山地區(qū)冀北坳陷位于中新元古代燕遼裂陷槽中部，北以內(nèi)蒙地軸為鄰，東為遼西坳陷，其間以凌源－喜峰口大斷裂為界，南臨山海關(guān)隆起，西與密懷隆起相接 （圖1）。中新元古代經(jīng)歷了長城系沉積時(shí)期的斷陷海槽階段、薊縣系沉積時(shí)期的強(qiáng)烈凹陷階段和青白口系沉積時(shí)期的穩(wěn)定陸表海階段，沉積了巨厚的海相碳酸鹽巖夾碎屑巖地層，總厚度約8000m。研究層段Jxw屬中元古界薊縣系，下伏楊莊組為一套濱海－淺海沉積的淺灰色、棕紅色及紫紅色砂泥質(zhì)泥晶白云巖，上覆洪水莊組主要發(fā)育一套灰黑色頁巖、泥質(zhì)白云巖、黃綠色粉砂質(zhì)頁巖及含石英砂巖透鏡體泥質(zhì)粉砂巖，上、下均為整合接觸。

圖1 燕山地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景與研究區(qū)位置圖

Jxw以潮坪沉積的灰－深灰色中厚層泥－粉晶白云巖為主［6］。潮上帶以灰至深灰色?。駥訝罨蚣y層狀泥－粉晶白云巖、泥晶灰?guī)r為主，普遍含有燧石結(jié)核或者條帶，疊層石主要為波紋石，具典型的干裂沉積構(gòu)造。潮間帶以含砂屑泥晶白云巖、泥晶灰?guī)r、鮞粒白云巖為主，發(fā)育大型波狀藻疊層石、凝塊石及中小型錐、柱狀藻疊層石，沉積構(gòu)造以交錯(cuò)層理和波痕為主。潮下帶以內(nèi)碎屑、鮞粒和團(tuán)粒等顆粒白云巖為主，發(fā)育柱狀錐狀疊層石。

2 白云巖類型及特征

以白云巖晶體結(jié)構(gòu)及原巖沉積特征為主要依據(jù)，將其劃分為泥晶－粉晶白云巖、疊層石白云巖、顆粒白云巖、粗粉晶－細(xì)晶白云巖、中晶－粗晶白云巖5種類型，其巖石學(xué)特征如下。

2.1 泥晶－粉晶白云巖

泥晶－粉晶白云巖在野外露頭上呈薄層至中層狀，紋層較為發(fā)育，常與疊層石共生，見干裂等暴露，但未見石膏假晶等咸化標(biāo)志；鏡下可見保存較好的顯微沉積層理。巖內(nèi)白云石多為泥晶－粉晶級(jí)，粒徑在0．003～0．005mm之間，以泥晶為主，一般占70%～85%，細(xì)粉晶占10%～15%，自形程度較差，晶體形態(tài)以他形為主 （圖2），少量半自形。晶體之間多為致密鑲嵌接觸，一般含較多的包裹物而顯得較臟，正交偏光顯微鏡下均勻消光，陰極發(fā)光較弱，通常呈較暗的紅色，見有白云巖化過程中殘留的相對(duì)較亮的泥晶方解石黃色斑點(diǎn)分布。

能譜分析表明，泥晶－粉晶白云巖中CaCO3與 MgCO3的比例不是1∶1，摩爾分子數(shù)相差可達(dá)5%～20%，不是化學(xué)計(jì)量的白云石，可能反映了不同程度的交代作用。碳氧同位素分析結(jié)果 （表1）顯示，δ18O和δ13C相對(duì)較高，鹽度指數(shù)Z［9］大于120 （平均125．8），古溫度［9］相對(duì)較低 （36．8℃），表明泥晶－粉晶白云巖為干旱潮坪環(huán)境下準(zhǔn)同生白云石化作用形成。

表1 研究區(qū)Jxw白云石碳氧同位素統(tǒng)計(jì)分析表

2.2 疊層石白云巖

疊層石白云巖是一種由明暗相間的基本紋層所構(gòu)成的巖石類型 （圖3）。暗層為富藻紋層，以泥晶白云石為主，藻類組分多，有機(jī)質(zhì)含量高；明層為貧藻紋層，一般白云石晶粒較暗層粗，有機(jī)質(zhì)含量少或者不含有機(jī)質(zhì)。上述2種基本紋層交互出現(xiàn)，構(gòu)成不同的幾何形態(tài)，表現(xiàn)出不同的外貌特征。根據(jù)基本紋層的構(gòu)造特征，可再細(xì)分出層狀、波狀、錐狀、柱狀疊層石白云巖。白云石呈他形粒狀－半自形菱面體狀，以泥晶級(jí)為主，發(fā)育鳥眼狀孔隙，孔徑在0．25～2．5mm之間，被亮晶白云石和硅質(zhì)充填。能譜分析顯示，其與泥晶－粉晶白云巖具有一致的CaCO3與MgCO3的比例。氧碳同位素分析結(jié)果顯示，δ18O、δ13C與泥晶－粉晶白云巖相比向負(fù)向偏移，但幅度不大 （表1，圖4），Z平均為124．6，古溫度平均為45．1℃。由此推測，疊層石白云巖可能與泥晶－粉晶白云巖的成因機(jī)理相同。

圖3 疊層石白云巖 （藻體內(nèi)的藻窗孔被粉晶白云石充填。遼寧省凌源縣魏杖子村剖面第1段48層；鑄體薄片 （－），4×4）

圖2 泥晶－細(xì)粉晶白云巖 （半自形鑲嵌狀，局部重結(jié)晶。遼寧省凌源縣魏杖子村剖面第5段第212層；鑄體薄片 （－），4×4）

2.3 顆粒白云巖

顆粒白云巖主要包括砂屑白云巖、含礫砂屑白云巖和鮞粒白云巖等，呈灰－深灰色，多以條帶狀、透鏡狀，薄層狀－中層狀產(chǎn)出，單層厚度5～40cm，最大可達(dá)80cm。見小型交錯(cuò)層理 （圖5），其與上、下圍巖界線清楚。魏杖子剖面Jxw第2段106層發(fā)育的鮞粒白云巖具有代表性，其下部為灰色中層狀泥晶白云巖（30cm），中部為深灰色中層狀?yuàn)A硅質(zhì)條帶鮞粒白云巖 （80cm），上部為淺灰色中層狀泥晶白云巖，含硅質(zhì)條帶。在放大鏡下觀察，鮞粒白云巖中可見溶孔，孔徑1～1．5mm，圓－橢圓狀，溶孔的邊壁呈蠶蝕狀、港灣狀，未被充填。孔隙分布不均勻，集中發(fā)育處約占巖石總體積的3%，多呈孤立狀。顯微鏡下觀察可見，鮞粒以圓形為主 （圖6），少量次圓狀，大小分布均勻，粒徑介于0．25～2mm之間，集中于0．25～1mm，分選好。鮞粒在巖石中所占體積分?jǐn)?shù)為80%～85%，接觸－孔隙式膠結(jié)。

顆粒白云巖中顆粒的原始形態(tài)特征完整，未見壓實(shí)變形，同時(shí)膠結(jié)物的形態(tài)特征也保存較好，如纖狀、粒狀，表明其白云石化時(shí)間較早，顆粒白云巖與泥晶－粉晶白云巖和疊層石白云巖具有類似的碳氧同位素組成 （表1，圖4），推斷其為早成巖期淺埋藏交代成因［10，11］。

2.4 粗粉晶－細(xì)晶白云巖

粗粉晶－細(xì)晶白云巖呈灰色、淺灰色，以中至厚層狀為主，層厚穩(wěn)定，一般介于30～100cm。在野外露頭上，粗粉晶－細(xì)晶白云巖略顯 “粗糙”。顯微鏡下觀察可見，巖石結(jié)構(gòu)不均勻 （圖7），從粉晶級(jí)到細(xì)晶級(jí)均有分布，白云石晶體大小在0．05～0．25mm之間，以自形－半自形為主，不同結(jié)晶程度的白云石富集成 “團(tuán)塊”。晶體之間直線接觸，正交偏光顯微鏡下均勻消光，陰極發(fā)光為暗紫、暗橙紅色。該類白云巖晶間孔較發(fā)育，常被白云石或方解石膠結(jié)、充填，部分可被溶蝕形成晶間溶孔。一般說來，白云石顆粒越大其自形程度就越好，但白云巖較少完全由粗粒白云石組成，常保留有暗色泥晶白云石“斑塊”。該類結(jié)構(gòu)較粗的白云巖在區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育，主要為泥晶白云巖經(jīng)重結(jié)晶作用后形成，常見硅質(zhì)交代白云石晶粒的現(xiàn)象。

圖4 研究區(qū)Jxw白云巖氧碳同位素分布特征圖

圖5 鮞粒白云巖 （中層狀，發(fā)育小型交錯(cuò)層理，上下為灰白色硅質(zhì)條帶。遼寧省凌源縣魏杖子村剖面第3段第144層，野外露頭）

圖6 鮞粒白云巖 （鮞粒具泥晶邊緣，內(nèi)部為微晶硅質(zhì)交代，鮞粒間的原生粒間孔為細(xì)晶石英膠結(jié)。遼寧凌源縣魏杖子剖面第1段33層；鑄體薄片 （＋），4×4）

粗粉晶－細(xì)晶白云巖的δ13C與泥晶白云巖相似，而δ18O較低 （表1，圖4）。一般認(rèn)為，大氣淡水成巖環(huán)境下δ18O和δ13C偏向較高負(fù)值；正常和咸化海水成巖環(huán)境下δ18O和δ13C偏向較高正值；較深埋藏成巖環(huán)境下δ18O向高負(fù)值偏移而δ13C相對(duì)較穩(wěn)定或向低負(fù)值偏移。結(jié)合粗晶－細(xì)晶白云巖其白云石自形程度提高，具霧心亮邊，顆粒大小不均等特征，推測其為較深埋藏成巖環(huán)境下白云石化作用或重結(jié)晶作用的產(chǎn)物［12，13］。

2.5 中晶－粗晶白云巖

該類白云巖結(jié)構(gòu)不均勻，白云石以半自形，自形晶為主，少數(shù)為他形晶，粒徑主要分布于0．25～1．0mm之間，以中晶級(jí)0．25～0．5mm最為常見，粉晶級(jí)白云石不均勻分布，較大晶體中包含有細(xì)小粉晶，具明顯重結(jié)晶現(xiàn)象。白云石晶體常顯霧心亮邊結(jié)構(gòu) （圖8），粒徑越大越 “干凈”，且呈現(xiàn)出環(huán)帶結(jié)構(gòu)特征。

圖7 粗粉晶－細(xì)晶白云巖 （白云石鑲嵌結(jié)構(gòu)，發(fā)育晶間溶孔。遼寧省凌源縣魏杖子村剖面第3段第154層；鑄體薄片 （－），4×4）

圖8 中晶－粗晶白云巖 （白云石晶體常顯霧心亮邊，呈現(xiàn)出環(huán)帶結(jié)構(gòu)特征。遼寧省凌源縣魏杖子村剖面第2段54層；鑄體薄片 （－），4×4）

中晶－粗晶白云巖的碳氧同位素明顯負(fù)向偏移 （表1，圖4），Z小于120，古溫度超過60℃。白云石晶體具有馬鞍狀結(jié)構(gòu)特征及波狀消光現(xiàn)象，且常與裂縫、孔洞中充填的鞍形白云石膠結(jié)物或者螢石膠結(jié)物共生，表明后期的構(gòu)造活動(dòng)及與之伴生的熱液對(duì)其具有一定的影響，白云巖或灰?guī)r在熱液的作用下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的重結(jié)晶或交代作用［12，13］。

3 儲(chǔ)集性能

3.1 儲(chǔ)集空間類型及特征

通過野外調(diào)查、淺井鉆探巖心觀察、鑄體薄片鑒定發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)白云巖儲(chǔ)集空間組合類型以裂縫－孔隙型為主，孔隙主要為次生孔隙，原生孔隙幾乎全被膠結(jié)充填 （圖5）。原生孔隙主要為晶間孔，次生孔隙主要為溶孔，裂縫主要為溶縫及構(gòu)造縫。

晶間孔是發(fā)育在白云石晶體間的孔隙，多為多邊形，孔徑一般為0．01～0．1mm （圖9～11），孔徑的大小與周邊晶粒大小呈正相關(guān)關(guān)系?？紫抖啾怀涮?，僅有極少量呈半充填或未充填狀態(tài)。晶間孔分布不均，多見于中－厚層的粗粉晶－細(xì)晶白云巖、凝塊石白云巖及藻疊層石白云巖內(nèi) （圖9、10），其面孔率一般為0．5%～2%，對(duì)基質(zhì)內(nèi)的總有效儲(chǔ)集空間貢獻(xiàn)率約為15%。

圖9 晶間孔 （部分被黑色有機(jī)質(zhì)充填。遼寧省凌源縣魏杖子村剖面第8段第386層；鑄體薄片 （－），4×4）

圖10 晶間孔 （遼寧省凌源縣魏丈子村剖面第5段第237層；鑄體薄片 （－），4×4）

溶孔的形狀多樣，多為圓、橢圓或不規(guī)則狀 （圖12），孔隙外緣呈明顯不規(guī)則蠶食狀、港灣狀等溶解特征，孔徑變化范圍較大。較為主要的溶孔類型有晶間溶孔 （圖13）、粒間溶孔、藻格架溶孔等。非組構(gòu)選擇性溶孔的賦存部位與巖石組構(gòu)無關(guān)，形成該類溶孔的巖溶作用主要為疊加于先期存在的構(gòu)造裂縫 （紋）上發(fā)育的 （圖14），或與熱液有關(guān)的 （圖12）。

圖11 粉晶－細(xì)晶云巖中發(fā)育晶間孔 （部分受溶蝕改造。遼寧省凌源縣魏杖子村剖面第8段401層；鑄體薄片 （－），4×4）

圖12 發(fā)育于細(xì)粉晶云巖中的溶孔 （溶孔主要為螢石半充填。遼寧省凌源縣魏杖子村剖面第8段386層；鑄體薄片 （－），4×4）

圖13 細(xì)晶白云巖中發(fā)育晶間溶孔 （可見白云石晶體邊緣明顯溶蝕跡象。遼寧省凌源縣魏杖子村剖面第2段92層；掃描電鏡照片）

圖14 沿粉晶云巖中構(gòu)造微裂發(fā)育的溶縫 （孔）（遼寧省凌源縣魏杖子村剖面第3段125層；鑄體薄片 （－），4×10）

構(gòu)造縫在野外露頭上一般長度為0．5～2．5m，最長可達(dá)3m以上，寬0．2～3mm，最寬處大于10mm，多呈充填或半充填狀，充填物以方解石和白云石為主。以凌源剖面Jxw第2段第76～79層為例，裂縫發(fā)育在灰色厚層－塊狀粉晶白云巖中，線密度25～38條／m，大致平行產(chǎn)出，產(chǎn)狀為211°∠80°，縫長0．6～3m，寬0．4～0．2mm，邊壁見蠶蝕狀，其間被白色方解石充填，在裂縫發(fā)育且相互交切處，常見溶蝕形成較大的孔洞。在鏡下薄片觀察中，微構(gòu)造縫寬度一般小于0．5mm，多為0．05～0．2mm，縫壁平直，大部分被充填。由于形成于不同階段，微裂縫常相互切割，可具有不同充填物，或具有世代性的相同充填物，顯示其多次開啟的特征，由此說明在不同階段微構(gòu)造縫是流體介質(zhì)運(yùn)移的重要通道。部分微構(gòu)造縫已受巖溶作用改造，成為溶縫、溶孔。據(jù)鑄體薄片觀察統(tǒng)計(jì)，單純的微構(gòu)造裂縫的面縫率一般為0．1%～1%，密集發(fā)育部位可達(dá)3%。

溶縫 （圖14）是由巖溶作用所形成的縫隙，即在地表水、地下水或地下熱液等流體使碳酸鹽巖發(fā)生溶解過程中形成的長寬比大于5的縫隙空間。溶縫的特征為：裂縫延伸不規(guī)則，縫寬變化大，有時(shí)呈分支發(fā)育，縫壁不平直，常呈蠶食狀、港灣狀或不規(guī)則狀。絕大多數(shù)溶縫被充填或者不完全充填，未充填者 （現(xiàn)代地表溶蝕者除外）少見，充填物多為粗粉晶到巨晶方解石和白云石，有時(shí)可見硅質(zhì)、螢石、重晶石等。由埋藏巖溶作用形成的溶縫與油氣的運(yùn)聚期有較好的配適關(guān)系，常被油氣充注，故該部分溶縫具有重要的儲(chǔ)集意義。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

整體上看，區(qū)內(nèi)白云巖孔隙結(jié)構(gòu)均較差 （表2），具有進(jìn)汞速度慢，汞飽和度小，喉道窄，孔隙度、滲透率低等特點(diǎn)。排驅(qū)壓力多為7～13MPa，平均10．58MPa，20%的分析樣品在儀器最大工作壓力（32．1MPa）下未能進(jìn)汞，所有樣品均未測到中值壓力；最大孔喉半徑為0．05～0．2μm，平均孔喉半徑為0．02～0．05μm，為微細(xì)喉型孔隙結(jié)構(gòu)。上述特征均表明，研究區(qū)Jxw白云巖結(jié)構(gòu)較為致密，其中粗粉晶－細(xì)晶白云巖的孔隙結(jié)構(gòu)最好，其次為泥晶－粉晶白云巖。

表2 研究區(qū)主要儲(chǔ)集巖類型典型壓汞曲線參數(shù)平均值統(tǒng)計(jì)表

必須指出，盡管不同類型白云巖其孔隙結(jié)構(gòu)整體上均屬微細(xì)喉道型，但是它們表征的是現(xiàn)今孔隙結(jié)構(gòu)特征，并不能完全代表各成巖階段的整體孔滲條件。野外觀察和鏡下研究均表明，巖溶作用和構(gòu)造破裂作用產(chǎn)生的大量溶孔 （縫）和構(gòu)造縫，可以構(gòu)成良好的孔滲體系，雖然其中的部分被相對(duì)晚期的膠結(jié)充填作用所破壞，導(dǎo)致儲(chǔ)集巖的致密化和孔隙結(jié)構(gòu)較差，但是從野外油苗調(diào)查結(jié)果來看，只要孔隙演化與油氣成藏具有良好的匹配關(guān)系，完全可以形成裂縫－孔隙型油藏［7，8］。區(qū)內(nèi)發(fā)育的古油藏就很好地證明了這一點(diǎn)。

4 結(jié)論

1）燕山地區(qū)霧迷山組 （Jxw）的白云巖可分為泥晶－粉晶白云巖、疊層石白云巖、顆粒白云巖、粗粉晶－細(xì)晶白云巖、中晶－粗晶白云巖5種類型，其中以粗粉晶－細(xì)晶白云巖的孔隙結(jié)構(gòu)最好，其次為泥晶－粉晶白云巖。

2）區(qū)內(nèi)Jxw的白云巖儲(chǔ)集空間組合類型以裂縫－孔隙型為主，原生孔隙幾乎全被膠結(jié)充填。

3）巖溶作用和構(gòu)造破裂作用產(chǎn)生的大量溶孔 （縫）和構(gòu)造縫，可以構(gòu)成良好的孔滲體系，只要孔隙演化與油氣成藏具有良好的匹配關(guān)系，區(qū)內(nèi)Jxw白云巖便可形成良好的裂縫－孔隙型油藏。

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