岐口凹陷侏羅系微晶石英包殼特征及形成機(jī)制

章順利，呂正祥，熊晨皓，紀(jì) 萍，齊玉民

（1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，成都 610059；2.中國(guó)石油 新疆油田分公司 采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國(guó)海油 鉆采工程研究院 渤海實(shí)驗(yàn)中心，天津 300452）

硅質(zhì)膠結(jié)物是深埋藏碎屑巖儲(chǔ)集層中常見的膠結(jié)物之一，同時(shí)也是影響硅質(zhì)碎屑巖儲(chǔ)集性能的最主要成巖物質(zhì)[1]。在砂巖埋藏溫度超過60℃時(shí)，硅質(zhì)膠結(jié)物將克服沉淀阻力屏障，在石英碎屑顆粒表面沉淀，并在80℃時(shí)開始形成明顯的石英膠結(jié)物。砂巖中硅質(zhì)膠結(jié)作用受到石英沉淀速率的控制，而石英沉淀速率對(duì)溫度高度敏感[2]，且受宿主石英顆粒粒徑的影響[3]，因而石英膠結(jié)物的體積或數(shù)量是時(shí)間、溫度、宿主石英顆粒粒徑和表面積的函數(shù)[4]，硅質(zhì)膠結(jié)物在巖石中的生長(zhǎng)方式及其晶型眾多，通常硅質(zhì)膠結(jié)物在碎屑石英顆粒表面上共軸生長(zhǎng)而形成石英次生加大，最終部分或者完全地阻塞粒間孔隙，極大地降低了儲(chǔ)集層儲(chǔ)集能力。而微晶石英包殼作為硅質(zhì)膠結(jié)物的一種，是常常被人們忽視的一類建設(shè)性成巖作用，其發(fā)生在巖石因壓實(shí)作用而顆粒相對(duì)位置完全固定之前的較早成巖階段[5]，能有效抑制其他類型的硅質(zhì)膠結(jié)物生長(zhǎng)，圍繞碎屑顆粒的微晶石英包殼在許多地區(qū)都有發(fā)現(xiàn)[6-8]。

硅質(zhì)膠結(jié)物的形態(tài)一般為與石英顆粒共軸生長(zhǎng)的石英加大，但微晶石英與宿主石英顆粒卻不具有光學(xué)和結(jié)晶學(xué)的連續(xù)性[5]。微晶石英包殼與自生綠泥石包殼相似，覆蓋在碎屑石英顆粒表面，包殼由一層大約0.5～10.0 μm的棱柱狀石英晶體構(gòu)成，一旦微晶石英圍繞碎屑顆粒形成包殼，進(jìn)一步同軸生長(zhǎng)的硅質(zhì)膠結(jié)物將被抑制。因此，早期的微晶石英包殼可以抑制石英次生加大和壓實(shí)作用，使深層和超深層砂巖儲(chǔ)集層可以保持較高的孔隙度[9]。盡管前人對(duì)微晶石英膠結(jié)物可以保持原生孔隙的重要性已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但仍然存在較大的爭(zhēng)議，包括硅質(zhì)的來源、產(chǎn)狀、共生順序及其同質(zhì)異像體動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)制[10]。岐口凹陷侏羅系埋深普遍超過2 500 m，但在深埋藏條件下仍擁有較好的與微晶石英有關(guān)的原生孔隙，因此，對(duì)微晶石英包殼形成機(jī)制與成巖演化進(jìn)行研究，對(duì)渤海灣盆地深層油氣勘探具有重要的意義。

1 地質(zhì)背景

岐口凹陷為渤海灣盆地黃驊坳陷的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，周邊被燕山褶皺帶、滄縣隆起、沙壘田凸起、埕寧隆起圍限。研究區(qū)受埕寧隆起持續(xù)抬升和岐口凹陷持續(xù)、強(qiáng)烈沉降及北西—南東向拉張應(yīng)力場(chǎng)作用的影響，形成了分布廣泛的斜坡構(gòu)造[11]（圖1）。斜坡構(gòu)造是斷陷盆地內(nèi)部連接凸起與凹陷的構(gòu)造單元，是盆內(nèi)外碎屑物源沉積形成的主要富砂地帶，因其緊鄰生烴凹陷，長(zhǎng)期處于油氣運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)路徑中，是巖性地層油氣藏發(fā)育的主要場(chǎng)所。岐口凹陷地層自下而上依次為中—下三疊統(tǒng)、中—下侏羅統(tǒng)、古近系沙河街組和東營(yíng)組、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組以及第四系平原組。其中，中—下侏羅統(tǒng)、古近系沙河街組和新近系是岐口凹陷主要的含油層系[12]。受印支運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)構(gòu)造活動(dòng)的影響，研究區(qū)發(fā)育多套不整合和多條斷層，在古生界、中生界、古近系和新近系之間均為不整合接觸。侏羅系與古近系之間的不整合，是研究區(qū)分布最廣、發(fā)育時(shí)間最長(zhǎng)的不整合[13]。由于抬升剝蝕改造，研究區(qū)侏羅系殘留砂體零星分布，不同地區(qū)砂體具有不同特征。研究區(qū)侏羅系為近源辮狀河直接入湖形成，主要為扇三角洲、辮狀河心灘和沿岸沙壩沉積的含凝灰質(zhì)的陸相碎屑巖煤系地層，含豐富的植物化石[12-14]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

2 儲(chǔ)集層特征

2.1 礦物巖石學(xué)特征

通過巖心和巖石薄片熒光顯微鏡觀察，侏羅系主要為淺灰色砂礫巖、含礫砂巖（圖2a）、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖以及凝灰?guī)r，凝灰質(zhì)含量高是其最大特征，掃描電鏡下可見其蝕變而成的蒙脫石或伊蒙混層（圖2b），黏土礦物中伊蒙混層含量較高，平均達(dá)50%以上。侏羅系砂巖儲(chǔ)集層主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖、凝灰質(zhì)砂巖（圖2c，圖2d），其次為長(zhǎng)石巖屑砂巖和砂礫巖，結(jié)構(gòu)及成分成熟度較低，含較多的凝灰質(zhì)雜基。長(zhǎng)石多以堿性長(zhǎng)石為主，見少量長(zhǎng)石溶蝕成蜂窩狀（圖2e），高嶺石化及絹云母化常見；巖屑則以酸性噴出巖巖屑為主。接觸方式主要為點(diǎn)接觸，原生孔隙較發(fā)育（圖2e），但微晶石英不發(fā)育層段壓實(shí)作用較強(qiáng)，孔隙發(fā)育差（圖2f）。

圖2 研究區(qū)侏羅系儲(chǔ)集層巖石學(xué)顯微照片

膠結(jié)物以硅質(zhì)和碳酸鹽為主，硅質(zhì)膠結(jié)物早期為圍繞碎屑顆粒（石英、長(zhǎng)石）的孔隙微晶石英包殼（圖2e，圖2g），局部可見少量長(zhǎng)石顆粒溶蝕但殘余有微晶石英包殼（圖2e），以及少量充填粒間的自生石英顆粒和石英次生加大（圖2e，圖2h）；掃描電鏡下可清晰看見沿顆粒表面生長(zhǎng)的自形六棱柱微晶石英小晶簇（0.1～15.0 μm），多沿顆粒C軸（與宿主碎屑顆粒表面平行）生長(zhǎng)（圖2g，圖2i）。在微晶石英不發(fā)育的地方，見較大充填粒間孔隙共軸生長(zhǎng)的石英次生加大（圖2h），還可見晚期書頁狀高嶺石、葉片狀綠泥石和纖維狀伊利石生長(zhǎng)在微晶石英表面（圖2g，圖2h）。局部可見少量的碳酸鹽膠結(jié)物，為粒間的早期連晶方解石和晚期交代長(zhǎng)石、巖屑的方解石，顯微薄片下可見早期連晶方解石輕微交代微晶石英，因此其形成時(shí)間晚于孔隙微晶石英包殼（圖2a）。

2.2 陰極發(fā)光特征

陰極發(fā)光下石英碎屑顆粒顯示均一的暗棕色或暗藍(lán)色光，鉀長(zhǎng)石顯示亮藍(lán)色（圖2d），無論是石英還是長(zhǎng)石碎屑顆粒，都可見微晶石英包殼發(fā)育，呈明暗相間的條帶，條帶為含硅離子溶液中微量元素變化的結(jié)果。同時(shí)可見粒間凝灰質(zhì)雜基顯示不均一的與硅質(zhì)膠結(jié)物類似的棕黃色發(fā)光特征，并可見少量的凝灰質(zhì)雜基溶蝕。

2.3 礦物元素特征

火山物質(zhì)中的元素含量常用來判斷成巖過程中元素遷移的富集與耗損[10]。無定型硅、微晶石英硅的富集與火山物質(zhì)相關(guān)，因此，元素的富集與損耗信息可以由相對(duì)穩(wěn)定的Al，SiO2，CaO，MgO和FeO信息來獲取[10]。選擇不同的物質(zhì)對(duì)其主要的化學(xué)組成進(jìn)行定量分析（表1），無定型硅、微晶石英和凝灰質(zhì)火山物質(zhì)的SiO2，CaO和MgO含量相近，而微晶石英具相對(duì)較低的Al2O3，Na2O，K2O和FeO含量，后期石英加大具有較高的SiO2含量，其他成分的含量則相對(duì)較低。

表1 研究區(qū)Q17-3井不同類型礦物常量元素含量

2.4 同位素值

微晶石英包殼太小，無法進(jìn)行包裹體溫度測(cè)量，但通過微晶石英與其他自生礦物的相互賦存關(guān)系，可借助其他的自生礦物的形成時(shí)期，來推斷微晶石英的形成時(shí)期。研究區(qū)侏羅系砂巖中自生礦物的賦存特征表明，微晶石英包殼的形成明顯早于孔隙充填的方解石膠結(jié)物（圖2a），通過激光同位素微取樣技術(shù)，結(jié)合質(zhì)譜分析，獲得了微晶包殼外圍的方解石的氧同位素值，并利用同位素溫度計(jì)求得礦物的形成溫度[15]（表2）。

表2 研究區(qū)方解石膠結(jié)物碳和氧同位素值及換算溫度

3 自生微晶石英包殼形成機(jī)制、演化序列及其對(duì)儲(chǔ)集層的影響

3.1 硅的來源

溶蝕的生物硅，特別是海綿骨針、硅藻的快速溶蝕，形成較高的硅離子濃度，被認(rèn)為是蛋白石、玉髓和微晶石英主要的硅源[16]。當(dāng)然，無機(jī)硅也有可能成為重要的硅源，壓溶作用導(dǎo)致縫合線、黏土礦物的轉(zhuǎn)換和長(zhǎng)石的溶蝕，也可以提供一定數(shù)量的硅；火山灰是另外的一種可能的硅源，特別是與火山灰相關(guān)的早成巖礦物沸石和火山玻璃的蝕變[17-18]。巖石薄片資料表明，巖石碎屑顆粒以點(diǎn)接觸為主，而微晶石英形成較早，黏土礦物的轉(zhuǎn)換和長(zhǎng)石的大量溶蝕作用需要在較高溫度的埋藏成巖作用下發(fā)生，因此，沒有證據(jù)表明壓溶作用、黏土礦物的轉(zhuǎn)換和長(zhǎng)石的溶蝕是可能的硅源。而研究區(qū)侏羅系含較多的火山物質(zhì)，貧含硅的生物碎屑。很多學(xué)者對(duì)火山玻璃蝕變?cè)氐倪w移做了研究[9]，掃描電鏡下可見火山物質(zhì)蝕變成蒙脫石或者伊蒙混層（圖2b）。電子探針測(cè)試結(jié)果表明，無定型硅、微晶石英和凝灰質(zhì)火山物質(zhì)具有類似的元素含量（表1），可能與火山物質(zhì)中含一定的長(zhǎng)石和云母有關(guān)，這些礦物水化后向孔隙水中提供了金屬陽離子[19]。陰極發(fā)光下也可見粒間溶蝕殘余的凝灰質(zhì)雜基，其顯示不均一，具有與微晶石英類似的棕黃色發(fā)光特征。因此，微晶石英的硅源可能來自于凝灰質(zhì)火山物質(zhì)的蝕變。電子探針資料顯示，后期石英加大的SiO2含量比微晶石英和凝灰質(zhì)高，其他成分含量則相對(duì)較低，且掃描電鏡下局部見少量的長(zhǎng)石溶蝕面上覆蓋有自形微晶石英（圖2e），以及少量充填粒間的自生石英顆粒和石英加大，可見自生石英加大硅來自于長(zhǎng)石的溶蝕，與早期微晶石英包殼的硅源不同。

3.2 硅質(zhì)膠結(jié)物的生產(chǎn)方式

在不同的硅離子濃度下沉淀硅的同質(zhì)異形體及其成核速率受到了廣泛關(guān)注。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為，普遍存在的位于碎屑顆粒和微晶石英之間的無定型硅，是在較高的硅離子飽和度下沉淀的，隨后硅離子濃度下降而經(jīng)歷重結(jié)晶轉(zhuǎn)變的無定型硅（無定型硅→玉髓→微晶石英的轉(zhuǎn)換），是微晶石英的先驅(qū)[9]。岐口凹陷侏羅系砂巖中，凝灰質(zhì)火山物質(zhì)水化蝕變快速釋放的溶解硅，有利于無定形硅質(zhì)膠結(jié)物的形成，無定型硅的厚度則控制了后來的流體接近碎屑顆粒的通道。無定型硅是微晶石英的先驅(qū)，由于無定型硅的沉淀，孔隙流體中的硅離子濃度必然下降，導(dǎo)致無定型硅重結(jié)晶形成了共生的納米級(jí)微晶石英[9]，其生長(zhǎng)方位沿C軸方向任意旋轉(zhuǎn)（圖2i），與宿主石英顆粒不具有光學(xué)和結(jié)晶學(xué)的連續(xù)性。

3.3 自生微晶石英砂巖的成巖演化序列

根據(jù)砂巖中發(fā)生的主要成巖作用類型及其礦物的賦存關(guān)系，確定了含自生微晶石英砂巖的成巖演化序列（圖3），并通過包裹體均一溫度、同位素地質(zhì)溫度等，確定主要成巖礦物的形成時(shí)期（表2）。微晶石英形成最早，其次為早成巖期的連晶方解石，形成溫度低（57.2～66.9℃）；另一期方解石膠結(jié)物形成較晚（122.0℃），為交代長(zhǎng)石和巖屑顆粒的產(chǎn)物。在微晶石英不發(fā)育處，石英加大和充填石英較發(fā)育，可見長(zhǎng)石溶蝕表面的石英顆粒，石英加大最高均一溫度超過145.0℃，形成時(shí)間晚于溶蝕作用。自生黏土礦物主要為高嶺石、綠泥石和伊利石，較多高嶺石生長(zhǎng)于充填原生孔隙的自生石英晶體上，說明其形成晚于自生石英；綠泥石、伊利石生長(zhǎng)于書頁狀的高嶺石上，反映其形成時(shí)間晚于高嶺石。

研究區(qū)侏羅系目前埋深一般大于3 000 m，泥巖中的黏土礦物主要為伊利石，鏡質(zhì)體反射率大于1.0%，根據(jù)上述特征以及碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)侏羅系砂巖儲(chǔ)集層整體進(jìn)入到中成巖階段A期，局部進(jìn)入到了中成巖階段B期。

圖3 研究區(qū)侏羅系砂巖儲(chǔ)集層成巖序列

綜上所述，其成巖演化序列為：早期淡水凝灰質(zhì)溶蝕→微晶石英包殼→早期連晶方解石→煤系地層酸性水溶蝕作用→石英加大→方解石→有機(jī)酸溶蝕作用→石英加大→高嶺石→綠泥石→伊利石→鐵方解石→白云石或鐵白云石→黃鐵礦。

3.4 微晶石英對(duì)孔隙的保護(hù)機(jī)制

在碎屑巖中隨著埋藏深度的增加，石英加大繼承了宿主石英顆粒的結(jié)晶方位，形成相對(duì)較大的石英晶體（50～100 μm），當(dāng)溫度超過100℃時(shí)，向孔隙中生長(zhǎng)的石英加大晶體降低了砂巖的孔隙度[20]。相反，在早成巖期微晶石英以細(xì)小襯墊、包殼形態(tài)，阻礙石英次生加大生長(zhǎng)，抵制壓實(shí)作用，保護(hù)了孔隙[4-5，9]，微晶石英對(duì)石英次生加大的抑制能力，可能與其晶體生長(zhǎng)力學(xué)機(jī)理有關(guān)[21]。其抑制作用原因主要是：①碎屑石英表面被溶液中過飽和形成的無定形硅和玉髓包裹，遮蓋了石英次生加大的成核點(diǎn)；②微晶石英晶體的沿C軸方向快速生長(zhǎng)可能阻止其結(jié)合成更大的共軸加大石英，顯著防止了石英晶體向孔隙中間的生長(zhǎng)而減少孔隙空間[3]，或其生長(zhǎng)速度大幅度變慢從而抑制石英次生加大生長(zhǎng)[3]。這兩個(gè)因素在很大程度上抑制了石英次生加大的生長(zhǎng)，其主要原因是最初形成的較厚的無定型硅膜將不允許生長(zhǎng)的石英晶體具有與碎屑宿主一樣的晶體連續(xù)性，從而形成晶體方位隨機(jī)的微晶石英，其隨機(jī)的晶體方位可以防止或抑制許多細(xì)小晶體單元集中生長(zhǎng)、融合成為更大的生長(zhǎng)單元形成石英次生加大，但同時(shí)由于不規(guī)則生長(zhǎng)的微細(xì)晶體相互接觸，可以有效抵御壓實(shí)作用最終保存絕大多數(shù)的原生孔隙，形成儲(chǔ)集空間以原生孔隙為主的有利儲(chǔ)集層。但也有學(xué)者認(rèn)為，微晶石英包殼對(duì)石英次生加大的抑制作用，在于微晶石英具有更大的溶解度，使得孔隙水中硅的飽和度增加，從而抑制了壓溶作用中石英顆粒的溶解，但不足以使微晶石英進(jìn)一步生長(zhǎng)重結(jié)晶成石英加大而阻塞孔隙。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)侏羅系儲(chǔ)集層主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖、凝灰質(zhì)砂巖，其次為長(zhǎng)石巖屑砂巖和砂礫巖，結(jié)構(gòu)及成分成熟度較低，含較多的凝灰質(zhì)雜基，孔隙以殘余原生孔為主。

（2）通過礦物的賦存關(guān)系、包裹體均一溫度、同位素地質(zhì)溫度計(jì)，建立了侏羅系微晶石英砂巖成巖演化序列：早期淡水凝灰質(zhì)溶蝕→微晶石英包殼→早期連晶方解石→煤系地層酸性水溶蝕作用→石英次生加大→方解石→有機(jī)酸溶蝕作用→石英次生加大→高嶺石→綠泥石→伊利石→鐵方解石→白云石或鐵白云石→黃鐵礦。

（3）自生微晶石英的硅源主要是來自于凝灰質(zhì)火山物質(zhì)的蝕變，形成時(shí)間早，沿C軸隨機(jī)方位生長(zhǎng)的晶體可以抑制許多細(xì)小晶體單元集中生長(zhǎng)、融合成為更大的生長(zhǎng)單元的石英次生加大，同時(shí)由于不規(guī)則生長(zhǎng)的微細(xì)晶體相互接觸，提高了巖石的抗壓實(shí)強(qiáng)度，并最終保存絕大多數(shù)的原生孔隙。