楊永劍,張世華,楊映濤,朱 麗,閻麗妮,張 玲
(中國(guó)石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院,成都 610041)
碳酸鹽膠結(jié)作用是砂巖成巖過程中重要的成巖作用之一,通常也是砂巖致密化的重要因素之一[1]。致密砂巖廣泛分布于中國(guó)的多個(gè)含油氣盆地中[2],因此對(duì)致密砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的研究至關(guān)重要。文獻(xiàn)[3]以川西豐谷地區(qū)須家河組須四段鈣屑砂巖為例,依據(jù)激光碳氧同位素分析等手段,探討了不同時(shí)期碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育特征及其成巖流體演化特征,并明確了“自產(chǎn)自銷”模式為其白云石膠結(jié)物呈較重碳氧同位素特征的主要原因。文獻(xiàn)[4]以鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)6段為例,依據(jù)其流體的來源與成巖期次的不同,將碳酸鹽膠結(jié)作用劃分為內(nèi)源碳酸鹽膠結(jié)和外源碳酸鹽膠結(jié)2種類型。文獻(xiàn)[5]以查干凹陷下白堊統(tǒng)巴音戈壁組為例,依據(jù)碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素特征,將其形成期次劃分為3期,并探討了其多期碳酸鹽膠結(jié)物的特征及成因機(jī)理,明確了Ⅱ期和Ⅲ期碳酸鹽膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)集層發(fā)育的破壞性。文獻(xiàn)[6]依據(jù)碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素等分析手段,明確了柴北緣鄂博梁構(gòu)造帶古近系及新近系儲(chǔ)集層碳酸鹽膠結(jié)物至少存在有4種形成機(jī)制,與有機(jī)質(zhì)脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽膠結(jié)物稍晚于油氣充注,可作為油氣充注或運(yùn)移的特征自生礦物。除此之外,文獻(xiàn)[7]—文獻(xiàn)[10]依據(jù)碳氧同位素特征,對(duì)不同地區(qū)儲(chǔ)集層碳酸鹽膠結(jié)物形成期次及其流體性質(zhì)進(jìn)行了研究,由此可見,碳氧同位素分析在碳酸鹽膠結(jié)作用的研究中顯得越來越重要,也是常見的手段之一。
川西坳陷中侏羅統(tǒng)沙溪廟組是川西地區(qū)天然氣主力產(chǎn)層之一,也是典型的致密砂巖儲(chǔ)集層。沙溪廟組儲(chǔ)集層廣泛發(fā)育碳酸鹽膠結(jié)物,是影響其儲(chǔ)集層發(fā)育的重要因素之一,其中龍門山前地區(qū)是川西坳陷沙溪廟組碳酸鹽膠結(jié)物最為發(fā)育的地區(qū)。針對(duì)該地區(qū)沙溪廟組碳酸鹽膠結(jié)作用的研究,是探討其儲(chǔ)集層致密化過程不可或缺的研究?jī)?nèi)容。依據(jù)薄片鏡下觀察、掃描電鏡分析、碳酸鹽碳氧同位素分析、電子探針分析等手段,本文對(duì)研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物的發(fā)育特征及形成機(jī)制進(jìn)行分析和探討,旨在明確其碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)期及其流體特征,為其儲(chǔ)集層致密化過程分析提供理論支持。
川西坳陷是龍門山推覆構(gòu)造帶所形成的前陸盆地,位于四川盆地西部,中三疊世末期,印支運(yùn)動(dòng)引發(fā)了四川盆地西部龍門山造山帶的隆升,四川盆地逐漸由海相沉積轉(zhuǎn)為陸相沉積,進(jìn)入侏羅紀(jì)后,盆地發(fā)育典型陸相沉積。研究區(qū)位于川西坳陷龍門山前構(gòu)造帶中段,西臨龍門山斷裂帶,東接新場(chǎng)構(gòu)造帶及成都凹陷,整個(gè)研究區(qū)位于關(guān)口斷層及彭縣斷層之間(圖1)。
研究區(qū)內(nèi)侏羅系廣泛發(fā)育,自下而上依次為下侏羅統(tǒng)自流井組、中侏羅統(tǒng)千佛崖組和沙溪廟組、上侏羅統(tǒng)遂寧組及蓬萊鎮(zhèn)組。根據(jù)鉆井揭示,研究區(qū)內(nèi)沙溪廟組厚度為700~800 m,為一套砂巖與泥巖的互層,且砂泥巖互層率高,非均質(zhì)性強(qiáng),局部區(qū)域發(fā)育有礫巖。研究區(qū)沙溪廟組為一套典型的近物源三角洲沉積,由于沉積區(qū)域靠近物源出山口,碎屑物質(zhì)搬運(yùn)距離較短,砂巖以成分成熟度較低的巖屑砂巖為主。根據(jù)薄片鑒定與統(tǒng)計(jì),研究區(qū)沙溪廟組砂巖石英含量65.4%,長(zhǎng)石3.5%,巖屑31.1%;其中74%的樣品為巖屑砂巖,次為巖屑石英砂巖。填隙物以方解石膠結(jié)物為主,其次是泥質(zhì)雜基。
根據(jù)研究區(qū)沙溪廟組761個(gè)樣品薄片鑒定結(jié)果統(tǒng)計(jì),方解石膠結(jié)物普遍發(fā)育,含量變化也較大,平均含量為12.1%,約65%的樣品方解石膠結(jié)物含量為5.0%~15.0%,近30%樣品方解石膠結(jié)物含量高于15.0%,最高可達(dá)44.0%,大量的膠結(jié)物充填是研究區(qū)儲(chǔ)集層致密化的重要因素之一。
圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置
根據(jù)薄片鑒定和掃描電鏡分析,研究區(qū)方解石膠結(jié)物主要為粒間膠結(jié)物,少量為交代物或次生孔隙內(nèi)填充物,常以晶粒鑲嵌型及連晶狀出現(xiàn)(圖2a),成分主要為方解石,含少量鐵方解石。通過鏡下觀察,在部分樣品中連晶方解石多呈亮晶狀產(chǎn)出(圖2b),在掃描電鏡下可以觀察到方解石晶形發(fā)育較好(圖2c,圖2d),發(fā)育部分細(xì)晶—微晶方解石膠結(jié),少量樣品中碎屑顆粒呈漂浮狀的基底式膠結(jié),這類方解石膠結(jié)物往往形成于成巖早期,在壓實(shí)作用進(jìn)行初期就已經(jīng)發(fā)生了方解石膠結(jié)作用。通過陰極發(fā)光分析(圖2e,圖2f),研究區(qū)沙溪廟組以兩期方解石膠結(jié)為主,一期方解石膠結(jié)發(fā)黃色—橙色光,另一期方解石發(fā)暗橙色光。
本次研究共計(jì)采集龍門山前6口鉆井沙溪廟組碳酸鹽膠結(jié)物碳氧同位素樣品32個(gè),在縱向上和平面上均覆蓋較完整,能較完整地代表研究區(qū)方解石膠結(jié)物的發(fā)育特征。通過測(cè)試分析,研究區(qū)沙溪廟組方解石膠結(jié)物δ13CPDB為-7.69‰~-2.13‰,平均為-4.34‰,δ18OPDB為-15.34‰~-9.60‰.通過分析(表1)研究區(qū)沙溪廟組中—上部(J2s2—J2s1)樣品δ13CPDB為-5.47‰~-2.13‰,普遍大于-4.00‰,平均為-3.67‰.根據(jù)自然界碳同位素分餾機(jī)理[11],正常的海相碳酸鹽巖和碳酸鹽膠結(jié)物的δ13CPDB為-4.00‰~4.00‰,屬于無機(jī)碳源,表明其成巖流體受到有機(jī)質(zhì)的脫羧基作用的影響較小,其流體性質(zhì)更趨近于沉積水體。而沙溪廟組下部(J2s3)樣品δ13CPDB為-7.69‰~-3.60‰,普遍小于-4.00‰,平均為-5.58‰,表明其成巖流體受到有機(jī)質(zhì)的脫羧基作用的影響,這可能與沙溪廟組下部更接近生烴層(自流井組、須家河組五段)更容易受到其有機(jī)質(zhì)生烴演化的影響有關(guān)。
方解石形成時(shí)的溫度可以影響其氧同位素值,形成時(shí)的溫度越高,其水體氧同位素值越低,膠結(jié)物的氧同位素值也越小,兩者之間存在函數(shù)關(guān)系[12]:
式中α方解石-水=(1+δ18O方解石/1 000)/(1+δ18O水/1 000);
δ18O方解石——實(shí)測(cè)方解石氧同位素值;
δ18O水——現(xiàn)代海水氧同位素值;
T——方解石沉淀溫度,℃.
根據(jù)上述公式,在碳酸鹽膠結(jié)物成巖演化序列研究的基礎(chǔ)上,對(duì)研究區(qū)方解石膠結(jié)物沉淀溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表1)。研究區(qū)方解石膠結(jié)物形成溫度為56.1~101.3℃,其中90%的樣品計(jì)算溫度小于85.0℃,根據(jù)SY/T 5477—2003碎屑巖成巖階段的劃分,其對(duì)應(yīng)成巖階段主要為早成巖階段,少量樣品為中成巖階段。表明研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽膠結(jié)作用主要發(fā)生在早成巖階段,對(duì)應(yīng)的時(shí)期約為晚侏羅世—早白堊世。
圖2 研究區(qū)沙溪廟組砂巖碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育特征
表1 研究區(qū)沙溪廟組砂巖方解石膠結(jié)物碳氧同位素分析
本次研究共計(jì)采集研究區(qū)沙溪廟組砂巖碳酸鹽膠結(jié)物電子探針樣品34件,共計(jì)測(cè)試分析點(diǎn)212個(gè)。通過鏡下觀察,結(jié)合該區(qū)方解石膠結(jié)物產(chǎn)狀,將方解石膠結(jié)物分為交代碎屑顆粒方解石、基底式方解石、連晶亮晶方解石及微晶方解石膠結(jié)物4種類型。
根據(jù)測(cè)試結(jié)果(圖3),基底式方解石膠結(jié)物及連晶亮晶方解石膠結(jié)物的FeO和MnO含量普遍偏低,基本小于1.0%,這類方解石通常形成于成巖作用早期,此時(shí)壓實(shí)作用剛剛開始,顆粒間孔隙較大,易于在孔隙中形成基底式方解石膠結(jié)與連晶亮晶方解石膠結(jié),其成巖流體為原始沉積水體,受外部流體影響較小,表明沙溪廟組沉積期的沉積水體中Fe和Mn含量較低。
研究區(qū)交代方解石主要以交代長(zhǎng)石顆粒為主,少量交代石英及巖屑顆粒,絕大多數(shù)交代長(zhǎng)石顆粒的方解石FeO和MnO含量均小于1.0%,表明交代作用主要發(fā)生在早成巖階段,受后期深部富Fe和Mn流體的影響較小。
除此之外,有部分樣品FeO和MnO含量較高,這類方解石膠結(jié)物主要為少量交代碎屑顆粒方解石膠結(jié)物及微晶方解石膠結(jié)物,方解石膠結(jié)物中的FeO和MnO含量多數(shù)大于1.0%,高者M(jìn)nO含量達(dá)3.5%,這類方解石的形成可能受到下部富Fe和Mn流體影響。
圖3 研究區(qū)沙溪廟組砂巖方解石膠結(jié)物FeO—MnO含量分布
根據(jù)以上分析結(jié)果,研究區(qū)早期形成的方解石膠結(jié)物中FeO和MnO含量普遍較低,表明其早期流體性質(zhì)是低Fe和Mn的,而部分樣品中存在FeO和MnO含量較高的現(xiàn)象應(yīng)該是受下部富Fe和Mn流體的影響,由此可知,研究區(qū)至少存在有兩期的方解石膠結(jié)。通過樣品統(tǒng)計(jì)來看,F(xiàn)eO和MnO含量大于1.0%的方解石膠結(jié)物約占測(cè)試點(diǎn)的14%,結(jié)合前文碳酸鹽碳氧同位素分析結(jié)果來看,研究區(qū)絕大多數(shù)方解石膠結(jié)物形成于早成巖階段。
方解石膠結(jié)物一般由顆粒邊緣向粒間孔隙內(nèi)部生長(zhǎng),顆粒邊緣的方解石往往形成時(shí)期較早。但通過同一區(qū)域方解石膠結(jié)物電子探針分析來看,不同測(cè)試點(diǎn)的FeO和MnO含量存在有一定差異,無論是碎屑顆粒邊緣還是膠結(jié)物中央部分(圖4),都存在富FeO和MnO的現(xiàn)象。表明下部流體在儲(chǔ)集層中的運(yùn)移通道可能主要是通過裂縫,而非殘留的孔隙喉道。晚期富Fe和Mn流體主要沿著晚期構(gòu)造形成的裂縫流動(dòng),起始時(shí)期流體可能對(duì)早期方解石有一定的溶蝕作用,在部分樣品中也有觀察到方解石溶蝕的現(xiàn)象,隨著溶蝕作用的進(jìn)行,流體中的Ca2+含量逐漸增高,當(dāng)達(dá)到一定比例時(shí),溶蝕作用逐漸減弱至停止,晚期方解石開始沉淀,形成了晚期富FeO和MnO的方解石膠結(jié)物。由于流體主要通過裂縫運(yùn)移,可能在晚期富Fe和Mn流體影響下,在晚期方解石膠結(jié)物形成的同時(shí),早期形成的方解石膠結(jié)物也在發(fā)生重結(jié)晶作用,造成了顆粒邊緣及膠結(jié)物中央部分均有富FeO和MnO的現(xiàn)象,以及少量連晶亮晶方解石及基底式方解石富FeO和MnO的現(xiàn)象。
圖4 研究區(qū)沙溪廟組砂巖方解石膠結(jié)物電子探針分析
通過對(duì)龍門山前沙溪廟組方解石膠結(jié)物微觀鏡下觀察、陰極發(fā)光分析、碳氧同位素分析、電子探針分析等綜合研究結(jié)果,研究區(qū)內(nèi)方解石膠結(jié)物多為晶粒鑲嵌型及連晶狀,特別是在部分樣品中以顆粒漂浮于方解石膠結(jié)物的基底式膠結(jié),這類膠結(jié)物通常在壓實(shí)作用初期時(shí)便已形成,方解石膠結(jié)作用先于壓實(shí)作用進(jìn)行,表明此時(shí)的沉積水體中有著相對(duì)較豐富的Ca2+來源,在成巖作用早期的水體性質(zhì)是偏堿性的。這可能與研究區(qū)處于龍門山前地區(qū),河流流經(jīng)龍門山,二疊系、三疊系碳酸鹽巖物源區(qū)能夠?yàn)樗w提供大量的Ca2+,而且研究區(qū)屬于物源出山口的位置,以河流—三角洲沉積為主,水體相對(duì)較淺,此時(shí)富Ca2+水體尚未被大量稀釋,Ca2+含量相對(duì)較高,在富Ca2+的水體的影響下,研究區(qū)形成了大量的基底式及連晶狀方解石膠結(jié)。這可能也是川西坳陷沙溪廟組方解石膠結(jié)物在平面上自山前帶向東含量逐漸降低的主要原因。
隨著成巖作用的繼續(xù)進(jìn)行,壓實(shí)作用逐漸加強(qiáng),晶粒鑲嵌型的方解石膠結(jié)物開始沉淀,與此同時(shí)長(zhǎng)石顆粒開始溶蝕,形成了方解石交代長(zhǎng)石顆粒的現(xiàn)象。此時(shí)的流體性質(zhì)仍然以孔隙殘留水體為主,總體是一個(gè)封閉的成巖環(huán)境,缺乏外界流體的干預(yù),至早成巖階段晚期,方解石膠結(jié)物在孔隙內(nèi)大量沉淀,使儲(chǔ)集空間損失殆盡,這也是造成研究區(qū)沙溪廟組儲(chǔ)集層致密化(平均孔隙度為4.85%,平均滲透率為0.188 mD)的主要因素之一。其中沙溪廟組下部由于受到下伏地層(自流井組、須家河組五段)烴源巖演化過程中有機(jī)質(zhì)的脫羧基作用的影響,δ13CPDB相對(duì)偏負(fù)(-7.69‰~-3.60‰,平均為-5.58‰)。
在成巖作用中—后期,構(gòu)造斷裂開啟,沿著構(gòu)造斷裂及破裂縫溝,下部流體對(duì)早期方解石有一定的溶解性,導(dǎo)致了部分早期方解石的溶蝕,但是隨著溶蝕作用的進(jìn)行,流體中的Ca2+含量逐漸增大,晚期方解石開始沉淀。從電子探針分析來看,下部流體富含F(xiàn)e和Mn,這也導(dǎo)致了晚期沉淀的方解石FeO和MnO含量較高。而且在晚期方解石沉淀的同時(shí),受下部流體的影響,同時(shí)早期形成的方解石膠結(jié)物也在發(fā)生重結(jié)晶作用,造成了顆粒邊緣及膠結(jié)物中央部分均有富FeO和MnO的現(xiàn)象。即使是早期的碳酸鹽發(fā)生重結(jié)晶作用,如果缺乏有效的溝通通道,下部富Fe和Mn流體對(duì)早期方解石重結(jié)晶的影響仍然較弱,因此在絕大多數(shù)連晶亮晶方解石中FeO和MnO含量均較低。
研究區(qū)方解石的溶蝕強(qiáng)度并不大,這可能由于前期方解石大量充填了孔隙,導(dǎo)致后期流體缺乏溝通通道,僅靠后期構(gòu)造坡裂縫,對(duì)早期的方解石溶蝕有限;另一方面,可能是下部流體總體上呈弱酸性,且流體中原有Ca2+含量也相對(duì)較高,隨著方解石溶蝕作用的進(jìn)行,Ca2+含量很快便達(dá)到了過飽和狀態(tài),開始沉淀晚期方解石。
(1)研究區(qū)侏羅系沙溪廟組砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物主要以方解石膠結(jié)物為主,少量含鐵,多以晶粒鑲嵌型及連晶狀出現(xiàn),平均含量12.1%,主要形成于早成巖階段,對(duì)應(yīng)的成巖溫度為55~85℃,地質(zhì)時(shí)期為晚侏羅世—早白堊世,此外有少量方解石形成于中成巖階段。
(2)早成巖階段流體主要為沉積水體,缺乏外來流體參與,總體上δ13CPDB相對(duì)偏正(-7.69‰~-2.13‰,平均為-4.34‰),其中沙溪廟組中上部δ13CPDB相對(duì)偏正(-5.47‰~-2.13‰,平均為-3.67‰),沙溪廟組下部由于受到下伏地層(自流井組、須家河組五段)烴源巖演化過程中有機(jī)質(zhì)的脫羧基作用的影響,δ13CPDB相對(duì)偏負(fù)(-7.69‰~-3.60‰,平均為-5.58‰)。
(3)在埋藏中晚期,隨著斷裂的發(fā)育,下部富Fe和Mn流體通過斷層溝通進(jìn)入到沙溪廟組砂巖孔隙中,不僅造成了晚期富FeO和MnO方解石的沉淀,同時(shí)也通過重結(jié)晶作用影響到早期形成的方解石膠結(jié)物,這也是部分早期特征方解石富FeO和MnO的主要原因。但是由于早期方解石膠結(jié)非常發(fā)育,使孔隙基本損失殆盡,提供給富Fe和Mn流體的溝通通道相對(duì)不足,晚期流體對(duì)研究區(qū)早期方解石的影響較弱。