鄂爾多斯盆地東南部本溪組致密石英砂巖成巖作用與孔隙演化

秦曉艷,林　進(jìn),武富禮

(1.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安　710069;2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司油氣勘探公司,陜西 延安　716000;3.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安　710065)

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鄂爾多斯盆地東南部本溪組致密石英砂巖成巖作用與孔隙演化

秦曉艷1,林進(jìn)2,武富禮3

(1.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安710069;2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司油氣勘探公司,陜西 延安716000;3.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安710065)

以巖心觀察為基礎(chǔ),結(jié)合薄片鑒定、陰極發(fā)光、掃描電鏡、X衍射、包裹體、鏡質(zhì)組反射率、孢粉等測(cè)試分析及本溪組地層埋藏史，對(duì)研究區(qū)的成巖作用和孔隙演化進(jìn)行研究。研究后認(rèn)為，研究區(qū)石英砂巖經(jīng)歷了多期復(fù)雜的成巖作用,達(dá)中成巖B期末。早成巖期的強(qiáng)壓實(shí)作用使儲(chǔ)層喪失約22.6%的原生粒間孔隙；中成巖期，有機(jī)酸生成使易溶組分和早期碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕，使儲(chǔ)層增加了約2.9%的孔隙；至中成巖后期，鐵白云石、石英晚期次生加大及黏土礦物的膠結(jié)作用使儲(chǔ)層損失了約13.7%的孔隙空間；晚期微裂縫及碳酸鹽的微弱溶蝕使儲(chǔ)層增加了約0.5%的孔隙空間。其中，酸性成巖流體、硅質(zhì)膠結(jié)、烴類充注、有機(jī)酸的溶蝕作用及晚期微裂縫與本溪組石英砂巖有利孔隙的發(fā)育關(guān)系密切,改善了儲(chǔ)層物性。

石英砂巖;成巖作用;孔隙演化;本溪組;鄂爾多斯盆地東南部

鄂爾多斯盆地東南部延安地區(qū)上古生界具有豐富的天然氣資源,本溪組是其中重要的產(chǎn)氣層,地層以黑色泥巖、煤層、灰白色石英砂巖為主,沉積厚度在35～71 m,砂體具有層薄,橫向相變快,低孔低滲的特點(diǎn)。勘探證實(shí),研究區(qū)本溪組氣藏多富集在障壁島沉積形成的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中,但并非障壁島砂巖都能形成優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)儲(chǔ)層,其儲(chǔ)集性受演化過(guò)程中多期不同成巖作用的改造和疊加的影響,常具強(qiáng)非均質(zhì)性。因此，成巖作用是控制研究區(qū)儲(chǔ)層優(yōu)劣的關(guān)鍵[1-6]。

在延安地區(qū)本溪組石英砂巖薄片鏡下統(tǒng)計(jì)及物性測(cè)試的基礎(chǔ)上，通過(guò)巖石學(xué)特征、微觀孔隙特征、孔隙類型與物性特征、膠結(jié)物種類等,分析主要的成巖作用事件,并在此基礎(chǔ)上劃分成巖階段,對(duì)孔隙演化進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。該研究有益于對(duì)鄂爾多斯盆地本溪組儲(chǔ)層特征的認(rèn)識(shí)及分布規(guī)律的預(yù)測(cè),同時(shí)對(duì)上古生界的成巖作用研究也是進(jìn)一步的補(bǔ)充。

1　地質(zhì)背景與成巖環(huán)境

延安地區(qū)晚石炭世本溪期整體為淺海陸源碎屑有障壁海岸沉積[7],沉積面貌以潮坪—瀉湖—障壁島—(潮下)淺水陸棚環(huán)境為主,主要發(fā)育潮坪、瀉湖和障壁島沉積,其中障壁島相主要為中細(xì)粒石英砂巖,為天然氣重要的儲(chǔ)層類型。

2　砂巖結(jié)構(gòu)與骨架礦物成分特征

根據(jù)區(qū)內(nèi)8口井59個(gè)砂巖薄片的鏡下統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,本溪組砂巖結(jié)構(gòu)致密,粒度以細(xì)粒為主,主要粒徑0.1～0.2 mm。分選好,碎屑顆粒主要呈次圓狀及次棱角—次圓狀,普遍呈顆粒支撐,顆粒間多為點(diǎn)—線接觸。碎屑巖填隙物體積百分含量11.0%～36.0%,膠結(jié)類型以接觸—壓嵌膠結(jié)為主。

本溪組砂巖骨架顆粒中石英體積百分含量較高,在87.0%～95.0%,以單晶石英為主；其次為巖屑,體積百分含量5.0%～13.0%；再次為長(zhǎng)石,體積百分含量0.0%～3.0%,主要為鉀長(zhǎng)石,含少量斜長(zhǎng)石。重礦物以菱鐵礦、黃鐵礦為主,成分成熟度較高。砂巖類型主要為石英砂巖,其次為次巖屑石英砂巖(見(jiàn)圖1),體積百分含量分別是74.58%和25.42%。

注：Q 石英；F 長(zhǎng)石；R 巖屑；Ⅰ 純石英砂巖；Ⅱ 次長(zhǎng)石石英砂巖；Ⅲ 次巖屑石英砂巖；Ⅳ 巖屑長(zhǎng)石砂巖；Ⅴ 次巖屑長(zhǎng)石砂巖；Ⅵ 長(zhǎng)石巖屑砂巖；Ⅶ 巖屑砂巖圖1　本溪組砂巖分類三角圖Fig.1　The feature and types of sandstone of Benxi Formation

3　成巖作用特征及對(duì)孔隙發(fā)育的影響

成巖作用是決定儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的關(guān)鍵因素,正確認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)儲(chǔ)層性質(zhì),需明確其經(jīng)歷的成巖作用和程度[8-17]。

3.1壓實(shí)作用

早成巖期,在上覆地層的壓力作用下,石英砂巖經(jīng)受了較強(qiáng)程度的壓實(shí),鏡下主要表現(xiàn)為:碎屑顆粒緊密堆積,多呈線接觸;剛性顆粒發(fā)生破裂,石英顆粒內(nèi)具波狀消光、應(yīng)力紋及微裂縫;塑性泥質(zhì)巖屑發(fā)生變形,被擠壓成假雜基;原生粒間孔細(xì)小或消失。

3.2膠結(jié)作用

膠結(jié)物主要為次生加大石英、孔隙充填自生石英,其次為黏土礦物,白云石、菱鐵礦、含鐵方解石等也普遍存在，質(zhì)量百分含量最高可達(dá)30%。

1)硅質(zhì)膠結(jié):本溪組砂巖富含石英,石英次生加大十分發(fā)育,多環(huán)繞碎屑石英發(fā)育,呈加大邊或充填于孔隙中(見(jiàn)圖2A,3A)。另一種硅質(zhì)膠結(jié)為較晚形成的孔隙充填自生石英,結(jié)晶程度好,多呈微晶自形石英,充填于粒間孔、溶蝕孔和微裂縫等孔隙空間中(見(jiàn)圖3B)；硅質(zhì)來(lái)源除壓溶作用外,還包括黏土礦物轉(zhuǎn)化過(guò)程中析出的SiO2及同沉積期火山作用提供的硅[18]。硅質(zhì)膠結(jié)物較硬,形成加大鑲嵌致密結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了巖石的抗壓實(shí)能力,使得粒間的黏土礦物不至于受壓實(shí)脫水而完全失去孔隙,少數(shù)原生殘余粒間孔和顆粒邊緣孔得以保存，改善了儲(chǔ)層物性,因此硅質(zhì)膠結(jié)較發(fā)育的部分,儲(chǔ)層物性較好。

2)自生礦物膠結(jié):本溪組自生礦物類型多樣,包括高嶺石、伊利石、綠泥石、地開(kāi)石、 火山凝灰質(zhì)等(見(jiàn)圖3C，D)。其中，凝灰質(zhì)主要以充填方式存在于碎屑顆粒之間,其他自生礦物則沉淀或充填于粒間孔隙中。

圖2　本溪組石英砂巖薄片圖像Fig.2　Thin sections of quartz sandstones in Benxi Formation

高嶺石(黏土質(zhì)量百分含量為1%～85%,平均34.6%)多呈書頁(yè)狀集合體充填于粒間孔隙中,保留了良好的晶間微孔隙,但因孔隙過(guò)小而不具有效性。塔晶狀或厚板狀地開(kāi)石常見(jiàn)充填于溶蝕孔中,其是在120～150℃的深埋環(huán)境下高嶺石部分溶解,地層水介質(zhì)中Si，Al濃度過(guò)飽和后,在適當(dāng)?shù)臏貕簵l件下于溶孔中析出的。

伊利石(黏土質(zhì)量百分含量為2%～63%,平均31.8%)主要以蜂巢狀和搭橋片狀貼附于碎屑顆粒的邊緣及粒間,堵塞孔隙喉道，減少粒間孔隙,使砂巖的物性變差。

綠泥石(黏土質(zhì)量百分含量為2%～61%,平均11.9%)呈板片狀分布于粒間孔、顆粒邊緣。在降低孔隙度的同時(shí),其也一定程度上增強(qiáng)了巖石的抗壓能力,阻礙了晚期石英次生加大,使部分粒間孔隙得以保存。

3)碳酸鹽膠結(jié):多為成巖晚期的鐵白云石、菱鐵礦及少量含鐵方解石,平均體積百分含量6.8%,最高達(dá)26%(見(jiàn)圖2B、C,圖3E、F、G)。鐵白云石呈細(xì)—中晶,常與黏土膠結(jié)物伴生,不規(guī)則狀分布于碎屑顆?；驇r屑間,充填于溶孔內(nèi)。菱鐵礦呈微晶集合體—粉細(xì)晶狀菱面體分布于粒間孔或溶蝕孔中[19],含量較少。

3.3溶蝕作用

溶蝕作用形成了以粒間溶孔為主的次生孔隙,也包括溶蝕粒內(nèi)孔以及溶蝕晶間孔(見(jiàn)圖2D,圖3A、C、E、H、I、J),后一類孔隙數(shù)量雖多但多數(shù)微小,對(duì)改善物性貢獻(xiàn)有限[20-22]。鑄體薄片和掃描電鏡觀察顯示,粒間溶蝕主要是碎屑顆粒或巖屑以及粒間充填的雜基不同程度的溶蝕,包括中酸性隱晶巖巖屑、凝灰質(zhì)、菱鐵礦等,常形成鑄模孔、雜基粒間溶孔且很少被再充填。粒內(nèi)溶孔主要為鋁硅酸鹽礦物(斜長(zhǎng)石,少量鉀長(zhǎng)石)、巖屑等不穩(wěn)定顆粒直接溶蝕形成,或者是顆粒先為碳酸鹽礦物或自生礦物交代,而后交代物發(fā)生溶蝕而使顆粒間接被溶,形成溶蝕粒內(nèi)孔。

3.4交代作用

交代現(xiàn)象有高嶺石交代巖屑及方解石，水云母交代巖屑，粉—中細(xì)晶自生石英集合體交代巖屑、長(zhǎng)石，鐵白云石交代鐵方解石等(見(jiàn)圖3K，L)。充填于粒間孔隙中的交代產(chǎn)物沿巖屑或顆粒邊緣進(jìn)行交代,使大部分巖屑顆?；蛩樾碱w粒邊界呈現(xiàn)不規(guī)則狀,這是礦物組分的一種假象,但仍保留原顆粒輪廓形態(tài)、解理特征等。

3.5蝕變和碎屑黏土化作用

研究區(qū)蝕變和黏土化普遍,石炭—二疊系沉積時(shí),同沉積火山作用的影響相當(dāng)普遍[20],本溪組薄片中常見(jiàn)充填于粒間的蝕變火山物質(zhì),多數(shù)變形呈假雜基。中酸性碎屑狀火山物質(zhì)常硅化形成微晶硅質(zhì)、泥晶或細(xì)小的長(zhǎng)英質(zhì)集合體;中基性火山巖屑多蝕變?yōu)樗颇浮⒑F的褐棕色綠泥石和高嶺石。礦物轉(zhuǎn)化過(guò)程中由于體積的變化而形成次生微孔隙,如高嶺石蝕變晶間孔,但孔徑微小,對(duì)改善儲(chǔ)層意義不大。

圖3　本溪組石英砂巖掃描電鏡圖像Fig.3　SEM microphotos of quartz sandstones in Benxi Formation

4　石英砂巖孔隙演化

延安地區(qū)本溪組石英砂巖現(xiàn)今埋深在2.8～3.1 km,地史時(shí)期最大埋深超過(guò)4 km，烴源巖的鏡質(zhì)組反射率介于1.84%～2.10%,有機(jī)質(zhì)成熟度高(據(jù)Y-06井),巖石最大熱解峰溫變化范圍為442～507℃,流體包裹體均一溫度介于106～159℃,泥質(zhì)巖中所夾孢粉多呈棕黑色,已進(jìn)入中成巖階段B期末[23]。經(jīng)歷了多期復(fù)雜的成巖作用，其原生孔隙所剩無(wú)幾,孔隙類型以溶蝕孔、粒間孔、粒內(nèi)微孔為主,面孔率平均3.3%,實(shí)測(cè)孔隙度平均6.1%,屬典型的低—特低孔儲(chǔ)層。綜合測(cè)試數(shù)據(jù)及鏡下觀察的成巖期次,并結(jié)合回剝法恢復(fù)的本溪組地層埋藏史，對(duì)各成巖階段的孔隙演化進(jìn)行定量分析，結(jié)果如圖4所示。

早成巖期,本溪組地層埋深不超過(guò)2.5 km,受控于煤系地層(緊鄰石英砂巖段上下發(fā)育有總厚3～7 m的海相成因煤層),腐殖酸使得初始地層水介質(zhì)偏酸,早期膠結(jié)作用較弱,影響孔隙演化的主要是強(qiáng)壓實(shí)作用。壓實(shí)使地層水排出,巖石固結(jié),原生孔隙大幅減少，損失孔隙度約為22.6%[24]。本溪組石英砂巖埋深達(dá)到約2 km時(shí),孔隙度約為17.4%。進(jìn)入早成巖B期末,隨著埋深增加,有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生有機(jī)酸,早期溶蝕開(kāi)始。儲(chǔ)層中長(zhǎng)石、中酸性隱晶巖巖屑、凝灰質(zhì)和菱鐵礦等易溶組分在滲透性好的地方普遍發(fā)生溶蝕蝕變,形成少量早期粒內(nèi)及粒間溶孔；滲透性差則多蝕變?yōu)楦邘X石,形成假雜基擠入粒間孔隙,擠占有效孔隙空間,導(dǎo)致物性變差。

圖4　本溪組成巖演化圖Fig.4　Diagenesis and pore evolution models of Benxi Formation

進(jìn)入中成巖A期后，測(cè)試顯示，早期包裹體內(nèi)捕獲的地層流體溫度在100～125℃,包含少量的含氣態(tài)烴包裹體和大量CO2三相包裹體，這表明有機(jī)質(zhì)開(kāi)始熱解釋放烴類。烴類生成后就近運(yùn)移進(jìn)入石英砂巖,充注并占據(jù)孔隙空間,在一定程度上減弱了壓實(shí)和膠結(jié)作用,有利于原生孔隙的保存。生烴同時(shí)生成大量有機(jī)酸和CO2，形成酸性水介質(zhì)條件,進(jìn)入溶蝕孔隙發(fā)育的高峰期。其以長(zhǎng)石、火山巖巖屑顆粒及早期碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕為主，該期溶蝕作用由晚三疊世至侏羅紀(jì)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),鏡下觀察孔隙度增加約有2.9%。產(chǎn)生的溶蝕孔在本溪組儲(chǔ)層中占主導(dǎo)地位,對(duì)改善石英砂巖的儲(chǔ)集性能起到了建設(shè)性作用。

中成巖A期末,埋深接近4 km,在高溫條件下有機(jī)酸生成終止,地層水向堿性轉(zhuǎn)變,成巖以膠結(jié)作用為主,碳酸鹽膠結(jié)物、晚期高嶺石大量充填于溶蝕孔中,且孔隙水中SiO2過(guò)飽和,造成一些它形石英、自形晶柱形石英大量析出使儲(chǔ)層致密化。膠結(jié)作用造成的平均孔隙度喪失為12.6%[24]。

至中成巖B期,研究區(qū)以膠結(jié)、交代作用為主,鏡下觀察鐵白云石沉淀占據(jù)了2.1%的孔隙空間。區(qū)域性構(gòu)造抬升后,地層趨于穩(wěn)定,壓力開(kāi)始釋放并伴有微裂縫出現(xiàn)和水介質(zhì)交替改善,晚期沉淀的碳酸鹽開(kāi)始微弱溶蝕為石英砂巖儲(chǔ)層提供了0.5%左右的孔隙空間,儲(chǔ)層孔隙性得以改善。至此,煤系烴源巖已過(guò)排氣高峰期,烴類氣體排替地層水進(jìn)入物性較好的石英砂巖內(nèi)聚集成藏。

5　結(jié)　論

1)研究區(qū)本溪組石英砂巖儲(chǔ)層處于中成巖B期末,經(jīng)歷的破壞性成巖作用主要包括壓實(shí)、膠結(jié)作用等,建設(shè)性成巖作用包括溶解、晚期破裂作用等,均對(duì)儲(chǔ)集性能有極大影響,而交代和蝕變作用對(duì)孔隙的影響不大。

2)本溪組所屬的煤系地層在成巖演化過(guò)程中,因存在烴類充注,地層流體的變化過(guò)程為偏酸性→酸性→偏酸性→弱堿性。成巖流體性質(zhì)與有利孔隙的發(fā)育關(guān)系密切,對(duì)儲(chǔ)層物性有直接影響：酸性條件有利于石英砂巖中硅質(zhì)的沉淀和易溶組分的溶解,堿性則有利于碳酸鹽沉淀。

3)中成巖期烴類充注及生烴產(chǎn)生的有機(jī)酸有利于原生孔隙的保存及次生溶蝕孔隙的發(fā)育,改善了本溪組石英砂巖的儲(chǔ)層物性,增加的孔隙又為烴類的繼續(xù)注入提供了空間。

4)石英砂巖較巖屑石英砂巖石英含量高,質(zhì)硬,早成巖期抗壓實(shí)能力較強(qiáng)；中成巖期硅質(zhì)膠結(jié)較發(fā)育,因硅質(zhì)的強(qiáng)抗壓實(shí)能力,少數(shù)殘余原生粒間孔和顆粒邊緣孔得以保存，物性較好,為延安地區(qū)上古生界本溪組天然氣有利儲(chǔ)集砂體。

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(編輯雷雁林)

Diagenesis and porosity evolution of tight quartz sandstones in Benxi Formation,Southeast Ordos Basin

QIN Xiao-yan1, LIN Jin2, WU Fu-li3

(1.State Key Laboratory of Continental Dynamics/Department of Geology, Northwest University, Xi′an 710069, China; 2.Oil-gas Exploration Co, Yanchang Petroleum(Group) Co.Ltd, Yan′an 716000, China; 3.School of Earth Sciences and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

The quartz sandstone of barrier island sedimentary in Benxi Formation is an important gas reservoir in southeastern Ordos Basin. Diagenesis and pore evolution research are of great significance in predicting high quality reservoir. Based on core observation, combining with thin section analysis, cathodeluminescence emission analysis, SEM, X-ray diffraction, inclusion thermometry, vitrinite reflectance, pollen analysis, and burial history of Benxi Formation, it is believed that the quartz sandstone has experienced multiphase complex diagenesis, and the diagenesis reaches B-period of middle diagenetic stage. About 22.6% primary porosity were destructed after the strong compaction in early diagenetic stage. The porosity of reservoir is improved about 2.9% by the dissolution of readily soluble mineral and reduced about 13.7% by cementation of the ferrodolomite, late quartz overgrowth and clay minerals in middle diagenetic stage, weak dissolution of carbonate cement and the microfracture in the late increased porosity about 0.5%. Acidity of diagenetic fluid, cementation of siliceous, hydrocarbon filling, dissolution of organic acids and microfracture in the late stage diagenesis, all above could promote the development of favorable porosity in quartz sandstone and improve reservoir physical property in Benxi Formation.

quartz sandstone; diagenesis; pore evolution; Benxi Formation; Southeast Ordos Basin

2015-07-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41102083)

秦曉艷,女,貴州思南人,西北大學(xué)博士生,從事油氣藏儲(chǔ)層地質(zhì)研究。

武富禮，男，陜西米脂人，西安石油大學(xué)教授,從事石油地質(zhì)綜合研究。

P618.130.2;TE122.2+3

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-021