準(zhǔn)噶爾盆地中拐地區(qū)上烏爾禾組儲(chǔ)集層綠泥石膜成因及其對(duì)儲(chǔ)集層物性的影響

單 祥, 郭華軍, 郭旭光, 徐 洋, 曹元婷, 李亞哲, 王力寶

(1.中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院,浙江杭州 310023; 2.新疆油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆克拉瑪依 834000)

自生綠泥石包膜是碎屑巖中常見的黏土礦物類型,在中國(guó)多個(gè)含油氣盆地的中新生代碎屑巖儲(chǔ)集層中廣泛分布,如四川盆地三疊系須家河組[1]、鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組[2]、準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系頭屯河組[3]、松遼盆地侏羅系[4],吐哈盆地侏羅系[5]等。自生綠泥石膜被認(rèn)為與中深層異常高孔隙儲(chǔ)集層關(guān)系密切,圍繞綠泥石膜成因、物質(zhì)來(lái)源、抑制石英加大的機(jī)制、對(duì)粒間孔隙的保護(hù)機(jī)制等一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[6-10]。國(guó)外學(xué)者研究的綠泥石膜多發(fā)育在海相石英砂巖中,但中國(guó)含油氣盆地中的綠泥石膜多發(fā)育在陸相三角洲-湖泊相長(zhǎng)石砂巖或長(zhǎng)石巖屑砂巖中,兩種砂巖中綠泥石膜的形成環(huán)境不同,其對(duì)儲(chǔ)集層孔隙的影響也需要重新認(rèn)識(shí)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)中國(guó)陸相砂巖自生綠泥石膜成因及對(duì)儲(chǔ)集層影響等方面做了大量工作,存在不同的研究觀點(diǎn)。關(guān)于綠泥石膜形成時(shí)間:姚涇利等[11]認(rèn)為鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長(zhǎng)6 砂巖中綠泥石膜形成于初始?jí)簩?shí)階段以前,也就是同沉積階段;黃思靜等[12]認(rèn)為中國(guó)三疊系陸相綠泥石膜形成于初始?jí)簩?shí)階段以后的早成巖階段。關(guān)于綠泥石膜形成機(jī)制:有學(xué)者認(rèn)為綠泥石膜由早期富鐵黏土膜轉(zhuǎn)化而來(lái),類似于海相石英砂巖中綠泥石膜的成因[11,13];但有學(xué)者提出陸相砂巖綠泥石膜主要是在成巖期從孔隙水中直接沉淀出來(lái)的[14]。關(guān)于綠泥石膜對(duì)儲(chǔ)集層孔隙保存的貢獻(xiàn),有學(xué)者認(rèn)為致密連續(xù)的綠泥石膜可以抑制石英加大、增強(qiáng)砂巖抗壓實(shí)性,甚至促進(jìn)溶蝕作用,因而對(duì)儲(chǔ)集層起建設(shè)性作用[1,3,12,14];有學(xué)者認(rèn)為綠泥石膜堵塞孔隙和喉道,降低儲(chǔ)集層物性,對(duì)儲(chǔ)集層起破壞作用[13];也有學(xué)者提出發(fā)育綠泥石膜的砂巖具有高孔隙度是由其本身沉積性質(zhì)決定,綠泥石膜對(duì)保護(hù)儲(chǔ)集層孔隙貢獻(xiàn)不大[8,15-16]。筆者以準(zhǔn)噶爾盆地西北緣中拐凸起二疊系上烏爾禾組巖屑砂巖儲(chǔ)集層為例,綜合利用研究區(qū)鉆測(cè)井資料,結(jié)合11口井250多塊鑄體薄片資料以及7口取芯井16件柱塞樣掃描電鏡、電子探針等分析資料,研究陸相砂巖儲(chǔ)集層綠泥石膜成因及其對(duì)儲(chǔ)集層質(zhì)量的影響。

1 研究背景及方法

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣西部斷裂帶中拐凸起二級(jí)構(gòu)造帶(圖1(a)、(b)),面積約500 km2。西北緣上烏爾禾組為一套扇三角洲-湖泊相碎屑沉積。研究區(qū)上烏爾禾組為扇三角洲前緣沉積,地層厚度范圍在218～295 m,自下而上可分為3段。從烏一段到烏三段,湖平面上升,砂體不斷退積沉積(圖1(c))。研究區(qū)上烏爾禾組扇三角洲前緣水下分流河道砂體發(fā)育,物性較好,為研究區(qū)主力油層發(fā)育段,目前已探明J205井區(qū)油氣藏。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置[17]、巖性地層剖面(金205井)及取樣井分布Fig.1 Geological background of study area and distribution of sample wells

本次研究收集并鑒定了上烏爾禾組鑄體薄片11口井共250多片,以獲取上烏爾禾組儲(chǔ)集層巖礦組成、孔隙類型等方面的信息。此外對(duì)金201、金205、金206、金208、金龍2、金211、JL2001等7口取芯井巖心進(jìn)行柱塞取樣共計(jì)16件,樣品進(jìn)行以下分析工作:①首先對(duì)柱塞樣品切片磨制鑄體薄片,在Leica顯微鏡下進(jìn)行觀察鑒定,從而獲取巖礦組成、孔隙類型、成巖作用特征方面的數(shù)據(jù);②對(duì)發(fā)育綠泥石膜的鑄體薄片表面鍍碳,采用Epma-1610型電子探針對(duì)綠泥石成分進(jìn)行測(cè)定;③對(duì)發(fā)育綠泥石膜的柱塞樣品,鉆取小樣鍍金后使用FEI Inspect S50型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察,以獲取孔隙及充填物形貌、結(jié)構(gòu)方面的信息;④采用FYKS-3型覆壓氣體孔滲聯(lián)合測(cè)試儀,對(duì)發(fā)育綠泥石膜的柱塞樣進(jìn)行孔滲測(cè)定,以研究綠泥石膜和儲(chǔ)集層物性之間的關(guān)系。

2 研究結(jié)果

2.1 研究區(qū)砂巖基本特征

研究區(qū)上烏爾禾組埋深為3 997～4 244 m,儲(chǔ)集層段主要發(fā)育在烏一段和烏二段,其砂體縱向厚度較大,單層砂體厚度10～60 m,為砂包泥結(jié)構(gòu),且橫向連續(xù)性較好。烏三段砂巖整體不發(fā)育,泥巖厚度大,為區(qū)域蓋層。上烏爾禾組為一套中低孔-特低滲砂礫巖儲(chǔ)集層,平均孔隙度10.35%,平均滲透率1.59×10-3μm2;石英平均體積分?jǐn)?shù)6.37%,長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)5.97%,巖屑體積分?jǐn)?shù)87.66%,巖屑類型以凝灰?guī)r為主(59.23%),其次為沉積巖(10.33%)和安山巖(7.97%)(圖2);填隙物以粒間膠結(jié)物為主,泥雜基含量較低(圖3)。膠結(jié)物主要有濁沸石(圖4(a))、硅質(zhì)(圖4(b))、方解石(圖4(c))和綠泥石(圖4(d));儲(chǔ)集空間類型主要為殘余原生粒間孔(圖4(d)),其次為顆粒溶孔(圖4(e))和濁沸石溶孔(圖4(f))。在研究區(qū)扇三角洲前緣水下分流河道砂體中,綠泥石膜和濁沸石膠結(jié)物普遍發(fā)育,成為研究區(qū)一種獨(dú)特的成巖現(xiàn)象。

圖2 上烏爾禾組儲(chǔ)集層巖礦組成及含量直方圖Fig.2 Histogram showing detrital grain composition in reservoir of Upper Urho Formation

圖3 上烏爾禾組儲(chǔ)集層填隙物類型及含量直方圖Fig.3 Histogram showing types and content of interstitial materials in reservoirs of Upper Urho Formation

圖4 上烏爾禾組儲(chǔ)集層中膠結(jié)物類型和孔隙類型微觀照片F(xiàn)ig.4 Microphotographs showing authigenic cement and pore types of Upper Urho sandstones

2.2 自生綠泥石膜產(chǎn)狀及成分

通過(guò)詳細(xì)的鑄體薄片及掃描電鏡觀察,上烏爾禾組砂巖中自生綠泥石主要以顆粒包膜方式產(chǎn)出,且晶體垂直顆粒生長(zhǎng)(圖5(a));綠泥石膜并非處處等厚,一些薄片中綠泥石膜表現(xiàn)出不等厚,且具有碎屑特征,有別于孔隙水中直接析出的自生膠結(jié)物呈現(xiàn)出處處等厚的特征(圖5(b))。掃描電鏡下,綠泥石膜具有雙層膜結(jié)構(gòu),靠近顆粒一側(cè)綠泥石膜致密、厚度相對(duì)較薄、晶體相對(duì)較小(單一晶體厚度一般小于2 μm)、連續(xù)性好;靠近孔隙一側(cè)綠泥石膜稀疏、厚度較大、晶體較大(單一晶體厚度一般為3～5 μm),但其不如里層膜連續(xù)性好,不均勻地在里層膜之上生長(zhǎng)(圖5(c))。掃描電鏡下還可見到成巖晚期絨球狀綠泥石充填在孔隙中,覆蓋在顆粒綠泥石包膜之上(圖5(d))。從電子探針成分分析結(jié)果可知,上烏爾禾組綠泥石膜是偏富鐵型,其FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般大于20%,w(Fe)/w(Fe+Mg) 為0.79～0.88,平均為0.83(表1)。

表1 上烏爾禾組儲(chǔ)集層綠泥石膜化學(xué)組成電子探針質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3 討 論

3.1 綠泥石膜形成時(shí)間及成因

目前關(guān)于自生綠泥石膜有兩種成因機(jī)制:①交代黏土先存膜[17-21],存在4種常見的綠泥石化先存黏土膜,即機(jī)械滲慮蒙皂石、自生蒙皂石、礠綠泥石、高嶺石。機(jī)械滲慮蒙皂石先存膜可以是陸相盆地沉積成巖過(guò)程中原地生成,或者是搬運(yùn)來(lái)的繼承性蒙皂石膜;自生蒙皂石先存膜形成與火山碎屑蝕變形成的三八面體蒙皂石密切相關(guān)。礠綠泥石先存膜的形成通常伴隨著礠綠泥石鮞粒;交代高嶺石通常發(fā)生在中成巖期富Fe、Mg環(huán)境下。②從孔隙流體中直接沉淀,孔隙水中直接沉淀出自生綠泥石一般發(fā)生在中成巖期,時(shí)間晚于石英膠結(jié),因而不能起到抑制石英次生加大的作用;如Sawan氣田白惡系砂巖中自生綠泥石膜就是從孔隙流體中直接沉淀的[22]。由于自生綠泥石不能在早成巖期直接從孔隙流體中沉淀形成,大量文獻(xiàn)報(bào)道的早期顆粒綠泥石膜的形成與先存黏土膜有關(guān)[6,8-9,19]。

通過(guò)詳細(xì)的鑄體薄片及掃描電鏡觀察,成巖礦物的產(chǎn)狀特征可以反映上烏爾禾組綠泥石膜的形成時(shí)間:①絕大部分碎屑顆粒接觸處缺少綠泥石膜(圖6(a));②在所有樣品中,綠泥石膜包裹濁沸石膠結(jié)物(圖6(b));③自生石英晶粒沉淀在綠泥石膜之上(圖6(c)、(d));④綠泥石膜常包裹長(zhǎng)石顆粒的鑄模孔(圖6(e));⑤一些樣品的薄片照片以及掃描電鏡照片中可見伊蒙混層黏土膜(圖6(f)、(g)),部分顆粒接觸處也可見較薄的伊蒙混層黏土膜(圖6(h))。

圖6 微觀照片表明研究區(qū)上烏爾禾組綠泥石膜形成時(shí)間和成因Fig.6 Microphotographs showing timing and origin of chlorite coatings in Upper Urho sandstones

第一點(diǎn)表明綠泥石膜的形成時(shí)間晚于壓實(shí)作用對(duì)顆粒調(diào)整之后;第二點(diǎn)表明綠泥石膜形成時(shí)間早于濁沸石沉淀;第三點(diǎn)表明綠泥石膜形成時(shí)間早于自生石英沉淀,巖石學(xué)特征又表明自生石英晶粒早于濁沸石沉淀;第四點(diǎn)表明綠泥石膜形成時(shí)間早于長(zhǎng)石溶蝕之前;第五點(diǎn)表明巖石樣品中存在除綠泥石膜之外的先存黏土膜,并且其形成時(shí)間可能早于顆粒完全壓實(shí)之前。前人大量研究表明,砂巖中自生石英一般在溫度達(dá)到70 ℃開始沉淀[23](對(duì)應(yīng)埋深約為2 500 m);儲(chǔ)層中自生濁沸石的形成溫度一般為70～90 ℃[24];有機(jī)酸溶蝕長(zhǎng)石一般在溫度大于80 ℃開始[25]。

通過(guò)以上證據(jù)可以推斷出,研究區(qū)上烏爾禾組綠泥石膜的形成溫度小于70 ℃,形成時(shí)間晚于壓實(shí)作用對(duì)顆粒調(diào)整之后的早成巖期,因此其不是從孔隙流體中直接沉淀出來(lái)的。結(jié)合研究區(qū)上烏爾禾組砂巖也發(fā)育伊蒙混層黏土膜的特點(diǎn),可以確定上烏爾禾組綠泥石膜是由先存黏土膜在富Fe、Mg的環(huán)境中,在早成巖期轉(zhuǎn)化而來(lái)。先存黏土膜最可能是火山玻璃水解形成的蒙皂石,上烏爾禾組物源成分中含大量的火山碎屑沉積物,粒間填隙物也常見火山玻璃蒙皂石化后形成的無(wú)序伊蒙混層,其部分轉(zhuǎn)化為伊蒙混層黏土膜,部分在富Fe、Mg環(huán)境中轉(zhuǎn)化為綠泥石膜。Fe、Mg物質(zhì)來(lái)源與火山碎屑有關(guān),薄片中可見綠泥石膜包裹部分或者完全溶蝕的火山巖屑(圖6(i)),表明火山巖屑的溶蝕為綠泥石膜形成提供了原地的物質(zhì)來(lái)源。上烏爾禾組砂礫巖火山巖屑含量高,其中以中基性凝灰?guī)r巖屑為主,據(jù)此推測(cè)研究區(qū)鐵離子來(lái)源可能有兩種機(jī)制:①物源區(qū)富鐵、鎂的中基性火山碎屑風(fēng)化后,富鐵、鎂的氧化物和氫氧化物被河流溶解,形成河流溶解鐵[7];②早成巖期,火山碎屑物質(zhì)的水化、水解作用提供豐富的鐵、鎂離子[26]。

研究發(fā)現(xiàn),上烏爾禾組綠泥石膜發(fā)育受沉積環(huán)境控制,在分選較好的水下分流河道砂巖中綠泥石膜最發(fā)育。一方面由于三角洲前緣沉積物原始物性好,流體滲流通暢,有供綠泥石膜形成的離子交換條件及沉淀空間;另一方面三角洲前緣河流帶來(lái)的溶解鐵在此處沉淀,提供綠泥石膜形成所需的含鐵物質(zhì)。

3.2 綠泥石膜與硅質(zhì)膠結(jié)的關(guān)系

石英次生加大是導(dǎo)致儲(chǔ)集層孔隙度降低的重要原因[27]。前人研究認(rèn)為,綠泥石膜能有效地抑制石英次生加大，保護(hù)原生孔隙,其主要機(jī)制有:①綠泥石膜阻止富Si4+孔隙流體與顆粒接觸,從而減少自生石英在石英顆粒表面的成核數(shù)量,抑制石英次生加大[6];②綠泥石膜占據(jù)石英次生加大的生長(zhǎng)空間抑制其生長(zhǎng)[9];③綠泥石膜阻礙石英的壓溶作用,減少硅質(zhì)的來(lái)源,從而抑制石英次生加大[10]。以上觀點(diǎn)提出的巖石學(xué)背景為富石英砂巖,因此硅質(zhì)膠結(jié)作用是破壞儲(chǔ)集層孔隙最重要的因素之一,綠泥石膜抑制石英次生加大對(duì)保護(hù)儲(chǔ)集層孔隙有重要意義。

研究區(qū)上烏爾禾組儲(chǔ)集層為巖屑砂巖,由于碎屑石英顆?？偭枯^低(石英體積分?jǐn)?shù)平均為6.37%),即使在不發(fā)育綠泥石膜的情況下,石英次生加大對(duì)儲(chǔ)集層的影響也很有限。在有限的石英顆粒中,研究觀察到在無(wú)綠泥石膜包膜的石英顆粒上,次生加大很發(fā)育,加大邊厚度可達(dá)20～30 μm(圖7(a)),而在發(fā)育綠泥石膜的砂巖中,石英顆粒次生加大邊不發(fā)育,這表明綠泥石膜對(duì)于碎屑石英顆粒的次生加大的確起到明顯的抑制作用。但同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)發(fā)育綠泥石膜的儲(chǔ)層孔隙中普遍沉淀自生石英晶粒(圖7(b)),掃描電鏡中常見自生石英晶粒散落在綠泥石膜之上(圖7(c))。研究區(qū)砂巖火山碎屑組分含量高,在埋藏成巖過(guò)程中,蒙皂石的伊利石化(K++Al3++蒙皂石→伊利石+Si4+),以及火山碎屑水解都可以增加孔隙水的Si4+濃度[11]。當(dāng)孔隙流體中Si4+濃度不斷增加直至過(guò)飽和,即使其不能沿著碎屑石英顆粒周圍形成次生加大邊,也可以直接從孔隙中以自生石英晶粒形式沉淀出來(lái)[11,15]。對(duì)于上烏爾禾組巖屑砂礫巖而言,碎屑石英顆粒的次生加大對(duì)儲(chǔ)集層影響有限,而孔隙中沉淀的自生石英晶粒充填粒間孔、堵塞喉道,降低儲(chǔ)集性能。由此可見對(duì)于貧石英含量富火山巖屑含量的陸相碎屑巖儲(chǔ)集層,綠泥石膜的存在僅抑制碎屑石英顆粒的次生加大,但不能抑制儲(chǔ)集層中自生石英晶粒的沉淀,因此抑制硅質(zhì)膠結(jié)物沉淀角度對(duì)保護(hù)儲(chǔ)層原生孔隙貢獻(xiàn)非常有限。

圖7 微觀照片表明上烏爾禾組綠泥石膜與膠結(jié)作用的關(guān)系Fig.7 Microphotographs showing relationships between chlorite coatings and cementation in Upper Urho sandstones

也有學(xué)者提到綠泥石膜能有效抑制濁沸石或者碳酸鹽膠結(jié)物的發(fā)育[14],但上烏爾禾組儲(chǔ)層中綠泥石膜與濁沸石以及方解石膠結(jié)物的伴生現(xiàn)象十分普遍(圖7(d))。巖石學(xué)特征表明,濁沸石以及方解石膠結(jié)物形成時(shí)間晚于綠泥石膜。濁沸石膠結(jié)物的形成和火山碎屑水解密切相關(guān),其可以直接從孔隙水中沉淀出來(lái);而方解石的沉淀受控于孔隙水介質(zhì)條件和Ca2+離子飽和程度與孔隙水CO2分壓。兩種膠結(jié)物都無(wú)需在碎屑顆粒表面成核而從孔隙流體中直接沉淀,因此和綠泥石膜普遍伴生。綠泥石膜能夠抑制濁沸石以及碳酸鹽膠結(jié)物的說(shuō)法既與事實(shí)不符,也缺乏科學(xué)依據(jù)。

3.3 綠泥石膜與壓實(shí)作用的關(guān)系

有部分學(xué)者研究認(rèn)為,綠泥石環(huán)邊能提高巖石機(jī)械強(qiáng)度,增強(qiáng)巖石抗機(jī)械壓實(shí)性能[28-29]。前文所述上烏爾禾組砂巖顆粒接觸處通常缺少綠泥石膜(圖6(a)),說(shuō)明綠泥石膜形成于壓實(shí)作用對(duì)顆粒調(diào)整之后,綠泥石膜不能抑制早成巖期機(jī)械壓實(shí)作用。然而致密完好的顆粒綠泥石包膜可以抑制顆粒壓溶作用。另一方面綠泥石的莫氏硬度在2～3,而石英及長(zhǎng)石骨架顆粒的莫氏硬度在6～7,因此綠泥石膜提高儲(chǔ)集層的抗機(jī)械壓實(shí)能力的說(shuō)法缺少礦物學(xué)依據(jù)。此外掃描電鏡中可見綠泥石膜晶體疏松分布,且晶間孔隙發(fā)育(圖5(a)),顯然其抗機(jī)械壓實(shí)能力較弱。至于部分學(xué)者提出被綠泥石包裹的長(zhǎng)石鑄?？孜幢粔嚎錥14],那是由于長(zhǎng)石鑄?？仔纬捎谥谐蓭r期,此時(shí)壓實(shí)作用已經(jīng)將顆粒調(diào)整到現(xiàn)今的狀態(tài),長(zhǎng)石鑄?？孜幢粔嚎迨怯捎谥車樾碱w粒承擔(dān)了上覆壓力,而非綠泥石膜的貢獻(xiàn)。

3.4 綠泥石膜與儲(chǔ)集層物性的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)綠泥石膜體積分?jǐn)?shù)與儲(chǔ)集層孔隙度之間具有較弱的正相關(guān)性(圖8),研究區(qū)上烏爾禾組儲(chǔ)集層孔隙類型以原生粒間孔為主(圖4(d)),綠泥石膜發(fā)育的砂巖粒間孔孔隙度更高,但這并不意味著綠泥石膜是儲(chǔ)集層具有高孔隙的主要原因。一般來(lái)說(shuō)儲(chǔ)層質(zhì)量受原始沉積組分、結(jié)構(gòu)以及成巖作用的共同控制[23]。前文所述,綠泥石膜形成于壓實(shí)作用對(duì)顆粒調(diào)整之后,因此從抑制壓實(shí)角度對(duì)儲(chǔ)層孔隙保存意義不大;另一方面綠泥石膜確實(shí)能對(duì)石英顆粒的次生加大起到抑制作用,但考慮到上烏爾禾組儲(chǔ)層中石英總含量較低,綠泥石膜通過(guò)抑制石英膠結(jié)，保護(hù)儲(chǔ)層孔隙作用有限,而且其不能抑制自生石英晶粒以及濁沸石、方解石膠結(jié)物的沉淀。因此研究區(qū)自生綠泥石膜對(duì)儲(chǔ)層孔隙保存貢獻(xiàn)較小,綠泥石膜實(shí)際上對(duì)高原生孔隙儲(chǔ)集層起到指示作用。前人[11,15]及本次研究均表明,綠泥石膜是扇三角洲水下分流河道等高能沉積環(huán)境的產(chǎn)物,因此其一定程度上指示了分選好、雜基含量低、原生孔發(fā)育的高能水下分流河道砂體。

圖8 綠泥石膜體積分?jǐn)?shù)與孔隙度的關(guān)系Fig.8 Relationship between content of chlorite coatings and porosity

4 結(jié) 論

(1)上烏爾禾組綠泥石膜為偏富鐵型,且具有雙層膜結(jié)構(gòu),近顆粒一側(cè)里層膜連續(xù)性好、致密、晶體小,近孔隙一側(cè)的外層膜連續(xù)性差、疏松、晶體大。

(2)上烏爾禾組綠泥石膜由先存黏土膜轉(zhuǎn)化而來(lái),形成于溫度小于70 ℃的早成巖階段,先存黏土膜的形成與火山灰蒙皂石化有關(guān),Fe、Mg礦物與火山碎屑物質(zhì)溶蝕有關(guān)。

(3)綠泥石膜對(duì)碎屑石英的次生加大有抑制作用,但不能阻止自生石英晶粒在孔隙中沉淀,更不能阻止?jié)岱惺?、方解石膠結(jié)物的沉淀以及抑制機(jī)械壓實(shí)作用,其對(duì)儲(chǔ)集層孔隙保存貢獻(xiàn)較小,對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層起指示作用。