高青地區(qū)上石盒子組致密石英砂巖成巖特征及其演化

趙永福, 楊少春, 任 瑞, 王 亞

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580;2.中國石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心,山東東營 257000)

近十年來,國內(nèi)外對(duì)致密砂巖的研究文獻(xiàn)層出不窮[1-5],但針對(duì)致密石英砂巖成巖特征及其演化的文獻(xiàn)則并不多見。近年來在中國一些沉積盆地發(fā)現(xiàn)了一些能夠儲(chǔ)集油氣的致密石英砂巖[6-7],其成因逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。許多學(xué)者針對(duì)致密石英砂巖進(jìn)行了一定程度的研究,如認(rèn)為壓實(shí)和膠結(jié)是導(dǎo)致石英砂巖致密化的主要因素[4-5,8-9];石英多期加大作用會(huì)加劇致密化[10-12];石英溶蝕的成因機(jī)制有兩種類型[13-14];氧化鐵、方解石、高嶺石的膠結(jié)會(huì)導(dǎo)致石英砂巖孔、滲降低[2,15-16];巖石組分和沉積環(huán)境影響埋藏成巖作用類型和強(qiáng)度[17];成巖環(huán)境為堿性時(shí)石英顆粒會(huì)發(fā)生溶蝕作用而有效地?cái)U(kuò)大孔隙空間[17-18]。在這些認(rèn)識(shí)中成巖特征和成巖演化是致密石英砂巖形成的重要影響因素。濟(jì)陽坳陷東營凹陷高青地區(qū)二疊系上石盒子組發(fā)育致密石英砂巖,近幾年勘探發(fā)現(xiàn)了較好的含油氣性,說明致密石英砂巖中仍發(fā)育局部高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。前人對(duì)該地區(qū)上石盒子組進(jìn)行了層序地層、沉積相、構(gòu)造演化、油氣成藏等方面的研究[19-23],但對(duì)致密石英砂巖的成巖特征與成巖演化研究甚少。筆者通過多手段巖礦測(cè)試分析,并與埋藏史、油氣充注史有機(jī)結(jié)合研究高青地區(qū)上石盒子組致密石英砂巖成巖特征和演化規(guī)律,為研究區(qū)致密石英砂巖中優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

高青地區(qū)位于東營凹陷西南部,東臨高青大斷層,與博興洼陷相鄰[22](圖1)。鉆井揭示,自上而下發(fā)育新生界、中生界和古生界,其中中生界與新生界、上古生界與中生界呈區(qū)域不整合接觸。鉆井顯示,上古生界發(fā)育不全,其中泥盆系全部被剝蝕;上古生界自下而上主要發(fā)育石炭系的本溪組、太原組,二疊系的山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組。其中上石盒子組是研究目的層。高青地區(qū)自古生代以來經(jīng)歷了古生代擠壓變形、晚三疊紀(jì)擠壓逆沖、侏羅紀(jì)逆沖—拉張過渡、白堊紀(jì)初始拉張裂陷和新生代伸展裂陷5個(gè)構(gòu)造演化階段,其中古生界經(jīng)歷印支期擠壓隆起作用,燕山期擠壓及伸展交替作用,喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)斷裂作用,形成NNE向走滑控制的潛山帶;發(fā)育高青大斷層,呈現(xiàn)以次級(jí)斷層為界的南北分區(qū),東西分帶特征。此大斷層控制了高青地區(qū)的地層發(fā)育、構(gòu)造形成、沉積演化、儲(chǔ)層改造和油氣聚集。高青地區(qū)上古生界主要發(fā)育河流相沉積,其中二疊系上石盒子組時(shí)期,構(gòu)造穩(wěn)定,發(fā)育曲流河沉積的深灰色石英砂巖、棕紅色石英砂巖、灰紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖等巖石類型[20],石英砂巖是上石盒子組的主要砂體,呈現(xiàn)出致密特征,砂體的孔隙空間以溶蝕孔隙為主,但孔隙度和滲透率均較低。

圖1 高青地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological brief map of Gaoqing area

2 成巖作用類型及特征

通過花古102、花古4等井上石盒子組共40多米巖石取樣,50多張巖石薄片,500多次顯微鏡下觀察和圖像分析及掃描電鏡觀察、X-衍射分析、陰極發(fā)光測(cè)試等方法,對(duì)成巖作用類型及特征進(jìn)行研究。

2.1 壓實(shí)作用

觀察巖石薄片發(fā)現(xiàn),上石盒子組石英砂巖中,碎屑顆粒之間相互接觸緊密;巖石致密,原生孔隙空間小;云母、泥巖巖屑、片巖巖屑等塑性組分產(chǎn)生拉伸、彎曲和假雜基化(圖2(a));部分石英顆粒可見微破裂紋以及粒內(nèi)輕微位移現(xiàn)象,表現(xiàn)為明顯的機(jī)械壓實(shí)作用。此外在石英顆粒間可見到顆粒接觸界面呈線接觸和凹凸接觸(圖2(b)),反映出化學(xué)壓實(shí)作用特征。

圖2 高青地區(qū)上石盒子組石英砂巖成巖作用特征Fig.2 Diagenesis characteristics of Shangshihezi quartz sandstone in Gaoqing area

2.2 膠結(jié)作用

顯微鏡下觀察到上石盒子組石英砂巖中存在硅質(zhì)膠結(jié)現(xiàn)象,表現(xiàn)為石英加大邊和自生微晶石英(圖2(c)),在石英砂巖中普遍出現(xiàn)。普通顯微鏡下,石英次生加大邊生長于粒間孔隙中,塵線不清晰,生長不連續(xù),加大級(jí)別多為II級(jí);陰極發(fā)光顯微鏡下石英次生加大呈深棕色或不發(fā)光[24],利用陰極發(fā)光顯微鏡觀察到碎屑顆粒間硅質(zhì)膠結(jié)物占據(jù)了碎屑顆粒間的部分空間,碎屑顆粒接觸界面附近硅質(zhì)膠結(jié)明顯。掃描電鏡下觀察到單個(gè)微晶自形石英含量低,垂直于碎屑顆粒邊緣向粒間孔隙中生長。

黏土礦物膠結(jié)物含量差異較大,分布在4%～10%,其類型主要為伊利石和高嶺石。高嶺石膠結(jié)物主要以書頁狀或蠕蟲狀產(chǎn)出于碎屑顆粒之間(圖2(d)),呈斑狀分布,與碎屑顆粒接觸部位附近的部分高嶺石發(fā)生伊利石化。絲狀和搭橋狀伊利石充填顆粒間孔隙中,導(dǎo)致粒間孔隙和和連通孔隙的喉道發(fā)生堵塞。伊蒙混層膠結(jié)物呈蜂窩狀生長于石英顆粒表面和粒間孔隙中(圖2(e)),其中伊利石所占的比例很高。石英砂巖中綠泥石較少,主要呈針狀分布于碎屑顆粒表面。

碳酸鹽膠結(jié)物僅在部分巖石薄片中可見,陰極發(fā)光下見到方解石膠結(jié)物存在不同期次。早期方解石膠結(jié)物主要為分散的粒狀,陰極發(fā)光下為黃色,充填于剩余粒間孔中;個(gè)別巖石薄片中,方解石連晶狀膠結(jié),這種方解石膠結(jié)物充填粒間孔隙空間,并交代碎屑顆粒和石英次生加大邊,使得碎屑顆粒成漂浮狀分布。晚期方解石膠結(jié)物主要為含鐵方解石,沿碎屑顆粒與方解石膠結(jié)物接觸界面附近生長,陰極發(fā)光下為橙黃色。鐵白云石的膠結(jié)在上盒子組發(fā)育較少,主要成粒狀分布于粒間孔隙內(nèi)。

由上述分析可見,上石盒子組石英砂巖中發(fā)育多種、多期不同的膠結(jié)現(xiàn)象,形成的主要膠結(jié)物為伊利石、高嶺石、伊蒙混層等黏土礦物。此外還觀察到硅質(zhì)膠結(jié)物和方解石(含鐵方解石)等碳酸鹽膠結(jié)物,是上石盒子組石英砂巖中重要的膠結(jié)物類型。

2.3 溶蝕作用

在酸性成巖環(huán)境中,長石、巖屑和方解石膠結(jié)物發(fā)生溶蝕作用[25];在堿性成巖環(huán)境中,石英顆粒、硅質(zhì)膠結(jié)物邊緣發(fā)生溶蝕[13,18]。觀察巖石薄片發(fā)現(xiàn),長石和巖屑組分幾乎完全溶蝕,僅留少量殘骸(圖2(f));方解石膠結(jié)、交代碎屑顆粒后,發(fā)生溶蝕形成粒間溶蝕孔隙(圖2(g));石英顆粒邊緣呈港灣狀或不規(guī)則狀(圖2(h)),石英加大邊也因部分或完全溶蝕而看不出原來的形狀;高嶺石也被絲狀伊利石交代溶蝕。說明上石盒子組石英砂巖的溶蝕作用表現(xiàn)形式多樣,不同巖礦組分呈現(xiàn)出不同的溶蝕特征,反映出石英砂巖成巖環(huán)境的酸堿交替變化。

3 成巖環(huán)境與成巖序列

通過上述分析可以看出,高青地區(qū)上石盒子組石英砂巖碎屑顆粒壓實(shí)作用強(qiáng)烈,顆粒緊密排列,且很多顆粒間只充填硅質(zhì)膠結(jié)物,形成鑲嵌狀結(jié)構(gòu),說明早期主要發(fā)生壓實(shí)作用。石英顆粒間壓溶作用發(fā)生界面附近石英加大明顯,推測(cè)壓溶作用可能為石英加大邊提供硅質(zhì)的來源之一,隨著壓實(shí)作用的增強(qiáng),硅質(zhì)膠結(jié)物持續(xù)沉淀。

利用高青地區(qū)花古102、花古4等井上石盒子組的巖石樣品進(jìn)行了20多塊包裹體薄片測(cè)試分析。觀察發(fā)現(xiàn),石英次生加大邊、石英顆粒粒內(nèi)微縫和石英顆粒粒內(nèi)見到大量橢圓形的無色透明狀鹽水包裹體(圖3、表1)。統(tǒng)計(jì)測(cè)試表明,石英次生加大邊中鹽水包裹體均一溫度為50～128 ℃(圖4),主要分布在60～72 ℃和118～126 ℃,代表石英加大邊形成時(shí)上石盒子組所處埋藏環(huán)境的兩個(gè)階段溫度。顯微鏡下可見長石溶蝕形成的孔隙多被高嶺石和硅質(zhì)膠結(jié)物充填,此時(shí)適宜有機(jī)酸保存的溫度范圍為80～120 ℃,而石英加大邊中鹽水包裹體的均一溫度(118～126 ℃)正處于該溫度范圍,說明部分石英加大邊和高嶺石膠結(jié)物在早期酸性溶蝕作用之后形成。此階段可視作長石溶蝕,石英次生加大、高嶺石膠結(jié)等作用階段,也即酸性成巖環(huán)境階段。

一般認(rèn)為,高嶺石主要來自于埋藏環(huán)境下孔隙溶液中的沉淀,以及酸性水條件下不穩(wěn)定碎屑顆粒的溶蝕[26-27];堿性環(huán)境中,高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化,蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化[28]。上述分析表明,上石盒子組石英砂巖中高嶺石主要產(chǎn)出于石英加大邊形成后的剩余粒間孔隙中,部分被伊利石交代,說明其形成早于伊利石膠結(jié)物。高嶺石與伊利石之間的礦物轉(zhuǎn)化說明成巖環(huán)境由早期的酸性條件向堿性條件變化。堿性環(huán)境中,由于石英溶蝕作用及交代作用,大部分石英加大邊生長不連續(xù),這類硅質(zhì)膠結(jié)物充填原生孔隙空間,或被方解石包圍,或被伊利石交代。產(chǎn)出于粒間孔或溶蝕孔內(nèi)的單個(gè)微晶自形石英,晶粒較細(xì),多由伊蒙混層薄膜或絲狀伊利石處垂直于碎屑顆粒邊緣向粒間孔隙中生長,說明這種微晶石英晶體的形成晚于伊蒙混層和伊利石膠結(jié)物膠結(jié)作用。此階段可視作方解石膠結(jié)、石英溶蝕、伊蒙混層膠結(jié)等作用階段,也即堿性成巖環(huán)境階段。

早期方解石膠結(jié)物大量充填粒間溶蝕孔隙和剩余粒間孔,并交代邊緣不規(guī)則的石英顆粒和粒間硅質(zhì)膠結(jié)物,說明方解石膠結(jié)物形成時(shí)期晚于主要的硅質(zhì)膠結(jié)形成時(shí)期和石英溶蝕時(shí)期。方解石發(fā)育部位,部分粒間溶蝕孔隙為方解石膠結(jié)物溶蝕形成,推測(cè)方解石溶蝕作用發(fā)生較晚,說明成巖環(huán)境又由堿性條件轉(zhuǎn)化為酸性條件。此階段可視作碳酸鹽(方解石)溶蝕,石英加大,微裂縫等作用階段,也即酸性成巖環(huán)境階段。

綜上所述,高青地區(qū)二疊系上石盒子組石英砂巖在漫長的成巖過程中,最初發(fā)生的是壓實(shí)作用,形成塑性顆粒堵塞而破壞原生孔隙,此時(shí)處于弱酸性成巖環(huán)境,發(fā)生了長石等酸性不穩(wěn)定礦物的溶蝕、早期硅質(zhì)膠結(jié)、自生高嶺石形成等成巖事件。此后成巖環(huán)境由酸性向堿性轉(zhuǎn)化,在弱堿性環(huán)境下發(fā)生了石英等堿性不穩(wěn)定礦物的溶蝕,形成了自生伊利石和伊蒙混層礦物的沉淀,從而阻塞喉道或填充原生孔隙。中生代末期到東營組末期,高青地區(qū)所在的青城凸起持續(xù)抬升,地表大氣淡水順著不整合面或斷層的滲入[22,28],使儲(chǔ)層的成巖環(huán)境呈現(xiàn)酸性,再次發(fā)生硅質(zhì)膠結(jié)和碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕。由此推測(cè)上石盒子組石英砂巖主要經(jīng)歷了酸性—堿性—酸性的成巖環(huán)境,主要的成巖序列為早期壓實(shí)作用→長石溶蝕作用,石英次生加大、高嶺石等膠結(jié)作用→方解石膠結(jié)作用,石英溶蝕作用,伊蒙混層膠結(jié)作用→碳酸鹽溶蝕作用,石英加大作用,微裂縫作用。依據(jù)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5477-2003),推測(cè)現(xiàn)今處于中成巖B期。

圖3 高青地區(qū)上石盒子組流體包裹體特征Fig.3 Characteristics of fluid inclusions of Shangshihezi reservoir in Gaoqing area

表1 高青地區(qū)上石盒子組自生礦物包裹體特征

圖4 高青地區(qū)上石盒子組鹽水包裹體均一溫度分布Fig.4 Uniform temperature distribution of brine inclusions of Shangshihezi reservoir in Gaoqing area

4 成巖演化

為了分析上石盒子組石英砂巖成巖演化,參考文獻(xiàn)[29],結(jié)合本研究工作,制作了高青地區(qū)花古102井上石盒子組埋藏史,綜合花古102井巖心錄井、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)上石盒子組及其上覆各地層層段進(jìn)行分層,并統(tǒng)計(jì)各層段的埋深、厚度數(shù)據(jù);對(duì)于存在抬升剝蝕的中生界三疊系、白堊系和新生界古近系、新近系,利用測(cè)井聲波時(shí)差法計(jì)算剝蝕厚度,同時(shí)也結(jié)合前人 對(duì)于高青地區(qū)剝蝕厚度恢復(fù)的研究成果及認(rèn)識(shí)[30];參考文獻(xiàn)[22],確定花古102井上石盒子組及上覆各層段的起始沉積時(shí)間、剝蝕時(shí)間,并根據(jù)研究區(qū)中生代構(gòu)造演化史對(duì)埋藏過程進(jìn)行調(diào)整,并加入流體包裹體測(cè)試數(shù)據(jù)(圖5)。

綜合以上分析可以看出,高青地區(qū)上石盒子組石英砂巖的成巖作用發(fā)生了多期演化過程,砂體所處的埋藏成巖流體環(huán)境也經(jīng)歷了多期變化,其成巖環(huán)境的演化表現(xiàn)出酸性—堿性—酸性的過程(圖5)。結(jié)合上述成巖序列和埋藏史、油氣充注史分析可形成3個(gè)主要時(shí)期的成巖演化認(rèn)識(shí)。

圖5 高青地區(qū)花古102井上石盒子組埋藏史、油氣充注史與成巖演化Fig.5 Burid history, hydrocarbon accumulation history and diagenetic evolution of Shangshihezi formation of well Hg102 in Gaoqing area

(1)第一個(gè)時(shí)期(距今265～230 Ma)。二疊系(P)沉積時(shí)期,華北板塊以升降運(yùn)動(dòng)為主;晚三疊紀(jì)的印支運(yùn)動(dòng)期間,高青地區(qū)上古生界小幅度抬升,整體上仍處于早期埋藏階段,石英砂巖最大埋深小于2 000 m[22],受控于煤系地層,這個(gè)時(shí)期成巖環(huán)境總體為酸性環(huán)境,主導(dǎo)的成巖作用,早期為壓實(shí)作用,膠結(jié)作用較弱,石英次生邊和高嶺石開始形成于原始孔隙中。晚期富鈣的環(huán)境中,蒙脫石開始形成,呈蜂窩狀薄膜覆蓋于石英顆粒表面,占據(jù)粒間孔隙空間。此階段并無油氣充注發(fā)生。距今230～200 Ma,由于印支期的構(gòu)造抬升,高青地區(qū)缺失三疊系(T)。

(2)第二個(gè)時(shí)期(距今200～96 Ma),中生代侏羅紀(jì)(J)到白堊紀(jì)(K)是燕山活動(dòng)時(shí)期[22],處于快速埋藏強(qiáng)機(jī)械壓實(shí)階段,強(qiáng)烈的壓實(shí)使原生孔隙空間大幅縮小。地層水向堿性轉(zhuǎn)變,該期持續(xù)時(shí)間較長。部分石英顆粒、硅質(zhì)膠結(jié)物和早期形成的高嶺石膠結(jié)物在堿性環(huán)境中被伊利石膠結(jié)物交代溶蝕,已形成的蜂窩狀蒙脫石向絲狀伊利石轉(zhuǎn)化。部分深度段方解石連晶膠結(jié),充填原有的孔隙并交代碎屑顆粒。在白堊紀(jì)之后,上石盒子組最大埋深超過3 000 m,壓實(shí)作用達(dá)到最大程度,在壓溶作用下少量自生石英沉淀。巖屑顆粒擠壓變形,占據(jù)大片臨近孔隙空間,導(dǎo)致物性進(jìn)一步變差。此階段也無油氣充注發(fā)生。推測(cè)成巖階段為早成巖B期到中成巖A期。

(3)第三個(gè)時(shí)期(距今96 Ma～現(xiàn)今),中生代末期(白堊紀(jì)晚期)到新生代早期,燕山運(yùn)動(dòng)造成高青地區(qū)所在的青城凸起持續(xù)抬升,此時(shí)上石盒子組埋深最淺處小于1 000 m[22]。東營組(Ed)沉積晚期至今,上古生界儲(chǔ)層處于再次埋藏壓實(shí)階段。高青大斷層從中生代末期即燕山運(yùn)動(dòng)晚期開始活動(dòng),斷裂帶內(nèi)形成大量微裂縫,一方面一定程度上增強(qiáng)流體滲流能力,改善砂體物性;另一方面斷層斷裂深度大,大氣淡水和烴類氣體沿?cái)鄬舆M(jìn)入二疊系上石盒子組,生成大量有機(jī)酸,并放出二氧化碳等組分。根據(jù)包裹體巖相學(xué)觀察和顯微測(cè)溫結(jié)果分析,認(rèn)為高青地區(qū)上石盒子組主要存在兩期油氣充注事件,分別位于東營組沉積末期以及明化鎮(zhèn)組沉積晚期,其中以明化鎮(zhèn)組沉積晚期的油氣充注規(guī)模最大。油氣充注所攜帶的有機(jī)酸會(huì)導(dǎo)致上石盒子組石英砂巖中孔隙流體由弱堿性向酸性轉(zhuǎn)變。油氣充注所主導(dǎo)的有機(jī)酸成巖環(huán)境中會(huì)發(fā)生一系列的成巖事件:首先酸性環(huán)境中會(huì)發(fā)生酸性不穩(wěn)定礦物(長石、碳酸鹽膠結(jié)物)的溶蝕,形成有機(jī)酸溶蝕次生孔隙,改善砂巖物性,同時(shí)溶蝕產(chǎn)物形成自生的石英雛晶,并充填在孔隙中;之后隨著有機(jī)酸逐漸被消耗,溶蝕的產(chǎn)物會(huì)與早期碳酸鹽以及黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生且被有機(jī)酸氧化后的二價(jià)鐵離子結(jié)合,形成含鐵碳酸鹽膠結(jié)物,并常常呈交代早期碳酸鹽膠結(jié)物產(chǎn)出。此階段既有油氣充注現(xiàn)象,又有成巖環(huán)境再次向酸性轉(zhuǎn)變,形成新的成巖特征。推測(cè)成巖階段達(dá)到中成巖B期。

5 結(jié) 論

(1)高青地區(qū)上石盒子組石英砂巖以粗砂巖和中砂巖為主,巖石致密;壓實(shí)、膠結(jié)、溶蝕是主要的成巖作用類型;強(qiáng)烈的壓實(shí)作用,多期的石英次生加大膠結(jié)作用和多種多期高嶺石、伊利石、方解石等其他不同類型膠結(jié)作用是導(dǎo)致石英砂巖致密化的主要因素。方解石膠結(jié)物和石英顆粒的溶蝕作用使砂體物性得到一定程度的改善。

(2)上石盒子組石英砂巖的成巖演化序列為早期壓實(shí)作用→長石溶蝕作用,石英加大、高嶺石等膠結(jié)作用→方解石膠結(jié)作用,石英溶蝕作用,伊蒙混層膠結(jié)作用→碳酸鹽(方解石)溶蝕作用,石英加大作用,微裂縫作用。

(3)上石盒子組石英砂巖的成巖作用發(fā)生了多期演化過程,砂體所處的埋藏成巖流體環(huán)境也經(jīng)歷了多期變化,其成巖環(huán)境的演化表現(xiàn)出酸性—堿性—酸性的過程,呈現(xiàn)出3個(gè)主要時(shí)期的成巖演化特征;其中研究區(qū)東營組沉積晚期以來發(fā)生了兩期油氣充注事件,導(dǎo)致有機(jī)酸成巖環(huán)境發(fā)生了一系列的成巖變化。