燕山地區(qū)高于莊組碳酸鹽巖成巖作用與孔隙演化

鄭秀才,王正允,熊平 (長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,湖北荊州434020)

張?zhí)炀?(中石油青海油田分公司澀北作業(yè)公司,青海海西817000)

燕山地區(qū)高于莊組碳酸鹽巖成巖作用與孔隙演化

鄭秀才,王正允,熊平 (長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,湖北荊州434020)

張?zhí)炀?(中石油青海油田分公司澀北作業(yè)公司,青海海西817000)

通過對野外露頭、淺井巖心、普通薄片、鑄體薄片、陰極發(fā)光、碳氧同位素及流體包裹體等資料的分析,對高于莊組碳酸鹽巖成巖作用及孔隙演化進(jìn)行了綜合研究,詳細(xì)闡述了成巖作用的主要類型、產(chǎn)物及其對儲層的影響。研究表明:成巖作用控制著孔隙的演化過程;孔隙演化經(jīng)歷了早期溶蝕-充填、表生溶蝕-充填和埋藏溶蝕-充填3個階段;碳酸鹽巖的原生孔隙消失殆盡,次生孔隙發(fā)育程度取決于晚期埋藏溶蝕作用和破裂作用;第2期主要成藏期始于三疊紀(jì),略早于第3期充填-膠結(jié)作用,與孔隙演化的配適性較好。

高于莊組;成巖作用;孔隙演化;燕山地區(qū)

自20世紀(jì)60年代以來,國內(nèi)外陸續(xù)在中新元古界的海相碳酸鹽巖地層中勘探發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的原生油氣資源[1,2],證實(shí)了該古老地層具有一定的勘探前景。長期以來,燕山地區(qū)中新元古界以其較低的有機(jī)質(zhì)熱演化程度和廣布的液態(tài)油苗引起了廣大石油地質(zhì)學(xué)者的興趣。通過對區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)石油地質(zhì)條件的研究[2～5],普遍認(rèn)為燕山地區(qū)的中新元古界具有良好的勘探前景,但迄今為止,仍沒有取得重大突破。過往的研究主要集中在構(gòu)造演化、沉積環(huán)境、古地理、油氣生成條件等方面,對成巖作用的研究尚不夠系統(tǒng)、深入。筆者從巖石學(xué)入手,借助于氧碳同位素、流體包裹體、掃描電鏡等分析、測試手段,深入研究了燕山地區(qū)高于莊組 (Chg)海相碳酸鹽巖的成巖作用及孔隙演化,對該區(qū)油氣勘探具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 研究區(qū)位置圖

燕山地區(qū)位于華北地塊東北部,大地構(gòu)造位置屬于燕遼裂陷槽,是我國中新元古界發(fā)育最全,保存最好的地區(qū)之一。其構(gòu)造單元包括山海關(guān)隆起、密懷隆起、宣龍坳陷、京西坳陷、冀北坳陷、冀東坳陷和遼西坳陷(圖1)。中晚元古代,燕遼裂陷槽的巖相古地理及其演化經(jīng)歷了長城系沉積時期的斷陷海槽、薊縣系沉積時期的強(qiáng)烈凹陷和青白口系沉積時期的穩(wěn)定陸表海3個發(fā)展階段[6～8]。區(qū)域上,在太古界變質(zhì)巖基底之上,中晚元古代沉積了一套橫向上穩(wěn)定且厚度巨大的海相碳酸鹽巖夾碎屑巖地層,總厚度約8000～14000m,自下而上分別為長城系大紅峪組和Chg,薊縣系楊莊組、霧迷山組(Jxw)和洪水莊組(Jxh),該次研究的目的層段為Chg。Chg沉積時期,燕山北部地形平坦,氣候溫暖,地殼廣泛平穩(wěn)下降。初期基本繼承了大紅峪沉積時期的淺水環(huán)境,主要為一套含陸源砂的白云巖,沉積環(huán)境為廣泛的碳酸鹽潮坪環(huán)境;中期海平面上升,發(fā)育一套淺海深水臺盆相瘤狀灰?guī)r和深灰-黑色頁巖;晚期水體相對變淺,發(fā)育一套潮坪相白云巖。

2 成巖作用類型

2.1 同生(準(zhǔn)同生)白云巖化作用

通過觀察野外露頭,白云巖呈薄層至中層狀,紋層發(fā)育,常與藻疊層石共生,見有干裂等暴露標(biāo)志。鏡下觀察可見保存較為完好的顯微沉積層理,白云石多為泥晶-粉晶級,且以泥晶為主,少量細(xì)粉晶,晶體呈他形至半自形鑲嵌狀接觸,結(jié)構(gòu)均勻 (圖2(a)),一般含較多的包裹物,正交偏光顯微鏡下均勻消光。其陰極發(fā)光較弱,多呈暗紅色,與白云質(zhì)灰?guī)r和泥晶灰?guī)r有相近的碳氧同位素組成(圖3),其中δ13C在-0.12‰～-1.13‰之間,平均-0.438‰,δ18O在-4.03‰～-6.7‰之間,平均-5.556‰。上述特征均反映了白云巖為準(zhǔn)同生作用形成[9～12]。從形成環(huán)境來看,區(qū)內(nèi)白云巖主要形成于潮坪環(huán)境,碳氧同位素計(jì)算得到的古鹽度指數(shù)Z大于120,古溫度為36～49℃[13],表明同生(準(zhǔn)同生)白云石化作用發(fā)生在地表或極淺層的海水環(huán)境,與海水或地表溫度相近。

2.2 溶蝕(或巖溶)作用

根據(jù)溶蝕 (或巖溶)作用發(fā)生的先后順序及環(huán)境,大致可將其劃分為3期:

第1期為成巖早期,沉積物處于近地表淡水環(huán)境,形成一些選擇性溶孔。該類溶孔不發(fā)育,僅限于部分潮下和潮間帶的顆粒白云巖、疊層石白云巖和灰?guī)r中,一般占到孔隙總數(shù)的1%～3%。溶蝕孔隙在顆粒白云巖中主要為粒內(nèi)、粒間孔;疊層石白云巖和灰?guī)r中主要為似窗格孔 (圖2(b))。溶蝕孔隙一般較快被方解石或白云石充填,對研究區(qū)儲集空間貢獻(xiàn)不大。

第2期為表生淡水溶蝕 (或巖溶)作用。上部以垂直方向的滲濾作用為主,發(fā)育不規(guī)則硅質(zhì)條帶、團(tuán)塊狀白云巖或灰質(zhì)白云巖,由于碳酸鹽組分的淋濾流失,硅質(zhì)條帶或團(tuán)塊發(fā)生錯位,相對含量增加,形成富硅質(zhì)結(jié)殼層;下部以水平方向的溶解作用為主,形成主體為角礫巖的巖溶帶,角礫巖內(nèi)發(fā)育溶縫、溶孔,偶見較大的溶洞。上述孔隙大部分被細(xì)晶-粗晶方解石、古風(fēng)化面上滲濾的泥質(zhì)或細(xì)碎屑物質(zhì)充填(圖2(c))。

第3期為埋藏溶蝕 (或巖溶)作用。區(qū)內(nèi)埋藏溶蝕作用主要表現(xiàn)為溶蝕無選擇性,溶孔多為粒內(nèi)溶孔(圖2(d))、粒間溶孔、基質(zhì)重結(jié)晶的晶間溶孔、亮晶充填-膠結(jié)物晶內(nèi)溶孔。此外,還有部分次生孔、縫沿構(gòu)造裂縫和巖溶淋濾管等邊界發(fā)育。

2.3 充填-膠結(jié)作用

充填-膠結(jié)作用主要分為3期:

第1期大致發(fā)生在淺埋藏階段,主要充填-膠結(jié)原生粒間孔,溶蝕孔、洞、縫,藻窗格孔等。該階段的充填-膠結(jié)物主要為方解石或白云石,礦物顆粒相對較為細(xì)且潔凈,沉淀于原生孔 (圖2(e))及表生古巖溶形成的溶縫 (孔)中,或與泥質(zhì)、細(xì)碎屑物共同充填于淋溶管內(nèi)。該期方解石的δ13C在-0.85‰～-1.19‰之間,δ18O在-9.21‰～-12.54‰之間,計(jì)算所得的古溫度平均為76.8℃。

第2期發(fā)生在中埋藏階段,主要充填-膠結(jié)物為碳酸鹽(圖2(f))和硅質(zhì)(圖2(g))等,充填于埋藏期溶蝕作用所形成的孔縫中。與第1期膠結(jié)-充填碳酸鹽礦物相比,該期充填物晶體較為粗大,自形程度較好,具有明顯的生長世代性(圖2(b)),晶體內(nèi)常富含烴類包裹體(圖2(h))。氧同位素組成明顯負(fù)偏移(圖3),δ18O為-17.82‰～-23.87‰,平均其-19‰,計(jì)算所得的古溫度平均為155.1℃。

第3期發(fā)生在深埋藏階段。該期充填膠結(jié)物以鞍狀白云石、鐵白云石和重晶石 (圖2(i))為特征,見少量自生石英。重晶石流體包體的均一溫度一般為182～294℃,平均234.7℃。

2.4 重結(jié)晶作用

重結(jié)晶作用表現(xiàn)為泥晶中出現(xiàn)粉晶以上的晶粒,且顆粒大小不等、分布不均,常形成不規(guī)則或具粗粒結(jié)構(gòu)的條帶及斑塊(圖2(j))。區(qū)內(nèi)重結(jié)晶作用主要形成粉晶白云巖 (灰?guī)r)和細(xì)晶-粗粉晶白云巖(灰?guī)r)。粉晶白云巖(灰?guī)r)全巖δ18O在-7.38‰～-7.71‰,平均-7.545‰,由此計(jì)算的古溫度平均為54.7℃;細(xì)晶-粗粉晶白云巖(灰?guī)r),晶體較為潔凈,以自形-半自形晶為主,可發(fā)育少量晶間孔(圖2(d)、(k)),其δ18O明顯偏低(圖3),在-18.31‰～-21.46‰,平均-20.47‰,由此計(jì)算所得的古溫度為135.4～164.8℃,平均155.4℃。

圖2 研究區(qū)成巖作用及其特征鏡下照片

2.5 壓溶作用

壓溶作用主要發(fā)生在深埋藏成巖環(huán)境中,露頭上表現(xiàn)為齒狀縫合線,多順層分布,彼此平行。縫合線附近見有白云石、黃鐵礦等伴生,其自身多為鐵泥質(zhì)及有機(jī)質(zhì)充填(圖2(k))?？p合線可以作為油、氣、水的運(yùn)移通道,對油氣運(yùn)移和埋藏溶解作用起到積極的作用。

2.6 構(gòu)造破裂作用

野外露頭和淺井巖心觀察發(fā)現(xiàn),構(gòu)造裂縫在Chg碳酸鹽巖中普遍發(fā)育。根據(jù)裂縫的產(chǎn)狀、切割關(guān)系、充填物性質(zhì)等初步認(rèn)為,區(qū)內(nèi)發(fā)育3期構(gòu)造裂縫。

第1期裂縫大致形成于成巖早期,常被壓溶縫合線切割(圖2(k)),多為以高角度與層面相交的張裂縫,長度一般在8～25cm,線密度20～40條/m。裂縫壁一般較為平直,被溶蝕時可形成不規(guī)則的縫、洞。該期裂縫被方解石、白云石和硅質(zhì)全充填。

第2期大致形成于成巖中期,主要為 “X”型節(jié)理,切割第1期形成的裂縫充填物。該期裂縫被較粗的方解石(白云石)全充填(圖2(f))。

第3期裂縫發(fā)育于成巖晚期,多呈網(wǎng)狀 (圖2(l)),延伸距離短、形狀不規(guī)則。大部分裂縫被后期的溶蝕作用所改造,縫壁呈蠶食狀、港灣狀。該期裂縫多為方解石和白云石等不同程度的充填,部分被有機(jī)質(zhì)充填,常與溶蝕孔、洞配置形成縫洞型儲集空間。

圖3 不同成巖組分的δ13 C和δ18 O分布圖

3 孔隙演化

3.1 成巖序列與孔隙演化

根據(jù)成巖作用類型及其發(fā)生的序次關(guān)系,成巖環(huán)境特征,氧碳同位素及包裹體測溫資料,繪制了研究區(qū)成巖序列與孔隙演化關(guān)系圖 (圖4)。

同生 (準(zhǔn)同生)期的成巖作用以白云石化作用為主,潮坪環(huán)境下形成的灰泥沉積物中,孔隙水尚未脫離潮坪環(huán)境水體的影響,由于文石、高鎂方解石及方解石的析出,水體中鎂鈣比升高,發(fā)生同生(準(zhǔn)同生)白云巖化作用,形成泥粉晶白云石。生物白云石化作用在疊層藻發(fā)育的層段起重要作用;漲潮、退潮的高頻海平面變化,導(dǎo)致大氣淡水的溶蝕作用發(fā)生,形成少量的粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔等,孔隙度可以達(dá)到3%。

成巖早期,地層進(jìn)入淺埋藏期,隨著埋藏深度的增加,地層壓力逐漸增大,非穩(wěn)定礦物開始向穩(wěn)定礦物轉(zhuǎn)化。該階段以壓實(shí)作用和重結(jié)晶作用為主,重結(jié)晶作用主要表現(xiàn)為泥晶白云石重結(jié)晶為粉晶白云石。

成巖早期之后,Chg沉積末期,區(qū)內(nèi)冀北坳陷抬升,導(dǎo)致Chg頂部暴露于地表或近地表環(huán)境,經(jīng)歷了短暫的表生成巖期。該時期主要發(fā)育表生巖溶作用 (第2期溶蝕作用),形成大量的溶縫、溶孔和溶洞等,使孔隙度達(dá)到15%左右。而同期水流所攜帶的地表風(fēng)化產(chǎn)物及稍晚形成的各種淡水膠結(jié)物將大部分縫洞充填、破壞,導(dǎo)致孔隙度降至10%左右。

隨著埋深進(jìn)一步加大,區(qū)內(nèi)Chg進(jìn)入淺-中埋藏環(huán)境,主要以充填-膠結(jié)作用和重結(jié)晶作用為主。第1期充填-膠結(jié)作用中形成的碳酸鹽類自生礦物,充填在第1期和第2期溶蝕作用形成的孔縫中,加之頂部表生古巖溶縫洞體系的強(qiáng)烈破壞作用,使儲層物性急劇降低,孔隙度降至3%以下。

成巖中期處于中埋藏環(huán)境,主要成巖作用有埋藏溶蝕作用、第2期充填-膠結(jié)作用、重結(jié)晶作用和壓溶作用。埋藏溶蝕作用使儲層的平均孔隙度增加至3%～5%,但充填-膠結(jié)作用對新形成的次生孔隙有一定程度的破壞。

成巖晚期處于深埋藏環(huán)境,主要發(fā)育埋藏溶蝕作用和第3期充填-膠結(jié)作用。埋藏溶蝕作用所產(chǎn)生的孔縫可使孔隙度增至5%～8%。而在其之后發(fā)生的第3期充填-膠結(jié)作用,特別是在地下熱液活躍的時期及部位發(fā)生的螢石及重晶石的膠結(jié)作用,對儲層儲集性能具有較大的破壞,使孔隙度減少至2%～6%。

研究區(qū)三疊世之前表現(xiàn)為穩(wěn)定的地臺發(fā)展階段,主要以整體升降為主,形成一系列正斷層[14,15]。該時期由于上覆地層厚度較大,張應(yīng)力不能形成與斷裂相伴生的構(gòu)造裂縫。晚三疊世,造山運(yùn)動活躍,研究區(qū)處于壓性應(yīng)力場中,盡管中-新元古界埋深已較大,但在強(qiáng)烈的擠壓作用下,形成大量逆沖斷裂和褶皺,同時早期形成斷裂和褶皺被強(qiáng)烈改造、活化,發(fā)育大量伴生構(gòu)造縫。研究區(qū)經(jīng)歷的多期次構(gòu)造運(yùn)動,形成了多期裂縫,裂縫之間相互穿插、切割,對儲集層具有積極的貢獻(xiàn)。

圖4 成巖序列與孔隙度演化關(guān)系圖

3.2 孔隙演化與油氣成藏期的適配關(guān)系

如果不考慮地下熱水或其他熱異常事件的參與,假設(shè)地表溫度為25℃,古地溫梯度為1.5℃/100m[4,16],利用不同期次充填-膠結(jié)物流體包裹體的測溫結(jié)果,計(jì)算出的包裹體載體的形成深度。盡管區(qū)內(nèi)中新元古界上覆地層的厚度由于沉積間斷或地層剝蝕,存在諸多不確定性,但綜合前人資料[4,16]及實(shí)測厚度,大致推斷出不同期次充填-膠結(jié)物的形成時期(表1)。

表1 研究區(qū)Chg不同期次充填-膠結(jié)物形成時期統(tǒng)計(jì)表

區(qū)內(nèi)中新元古界第1期油氣成藏時間為晚元古代,第2期成藏時間集中在晚印支期-燕山期Ⅰ幕之間[17,18],主要產(chǎn)油層位為Jwh、鐵嶺組和下馬嶺組。對比表1可以看出,第1期油氣成藏的時間晚于第1、2期充填-膠結(jié)作用,儲層中的原生孔隙和表生巖溶縫洞均在油氣形成之前遭到破壞,故第1期油氣成藏與孔隙演化的適配性較差。第2期主要成藏時間開始于三疊紀(jì),略早于第3期膠結(jié)充填作用,在該階段構(gòu)造破裂及埋藏溶蝕作用所產(chǎn)生的孔、縫、洞成為主成藏期油氣聚集的有利空間,可見第2期主要成藏期與孔隙演化的適配性較好。

4 結(jié)論

1)燕山地區(qū)高于莊組 (Chg)碳酸鹽巖經(jīng)歷的主要成巖作用有準(zhǔn)同生白云巖化作用、重結(jié)晶作用、溶蝕作用、充填-膠結(jié)作用、構(gòu)造破裂作用和壓溶作用等,其中成巖中-晚期的埋藏溶蝕和破裂作用對孔隙演化起著決定性建設(shè)作用。

2)同生成巖期和早成巖期之后,區(qū)內(nèi)Chg碳酸鹽巖遭受短時期的近地表暴露溶蝕,其后隨薊縣系的沉積,進(jìn)入埋藏成巖階段。相應(yīng)的孔隙演化也經(jīng)歷了早期溶蝕-充填、表生溶蝕-充填和埋藏溶蝕-充填3個階段。

3)孔隙演化與第2期油氣成藏具有良好的適配關(guān)系,成藏期孔隙度達(dá)到15%以上,早于第3期充填-膠結(jié)作用,構(gòu)造破裂及埋藏溶蝕所產(chǎn)生的孔、縫、洞成為油氣儲集的主要空間。

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[編輯] 鄧?yán)?/p>

TE122.2

A

1000-9752(2014)12-0001-06

2014-08-10

中國石油化工股份有限公司海相前瞻性研究項(xiàng)目 (YPH08026);長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目 (13j0103)。

鄭秀才(1963-),男,1987年江漢石油學(xué)院畢業(yè),研究員,主要從事沉積與儲層和高等教育方面的研究工作。