渤海海域萊州灣凹陷沙河街組硅化碎屑巖地質(zhì)特征及其儲(chǔ)層意義

田立新，王清斌，劉曉健，郝軼偉

[1.中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司，北京 100027； 2.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300459]

長(zhǎng)期以來(lái)沉積盆地中的熱流體一直被人們所關(guān)注，已經(jīng)成為石油地質(zhì)研究的熱點(diǎn)[1]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)熱流體與烴源巖、儲(chǔ)層和油氣成藏做過(guò)大量研究工作[2-10]，針對(duì)硅質(zhì)熱流體的研究大部分集中在對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的交代和溶蝕改造方面，并提出了硅質(zhì)巖的概念[11]，中國(guó)塔里木盆地[12-13]、渤海灣盆地[14-15]和鄂爾多斯盆地[16]，美國(guó)北艾爾斯沃思(North Aylesworth)油田[17-18]、狼泉(Wolf Springs)油田[19]、布朗波特(Brown-Lumberport)油田[20-21]，加拿大帕克蘭(Parkland)油田[22]、俄羅斯帝曼喬拉(Timan-Pechora)地區(qū)[23-24]均有硅質(zhì)巖油氣儲(chǔ)層的發(fā)現(xiàn)，發(fā)育層位大部分為古生界。硅質(zhì)熱流體對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層的研究主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：碎屑巖儲(chǔ)層中硅質(zhì)膠結(jié)物來(lái)源[25-28]、油氣侵位對(duì)石英膠結(jié)作用的影響[29]、火山巖侵入過(guò)程中硅質(zhì)熱流體熱傳遞過(guò)程[30]，以及硅質(zhì)膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)集層的影響[31]。硅質(zhì)熱流體在對(duì)流過(guò)程中在碎屑巖儲(chǔ)層中會(huì)留下巖石礦物學(xué)記錄，在礦物類型和粘土轉(zhuǎn)化等方面均有所響應(yīng)[32-35]，但熱流體的進(jìn)入大部分情況改變的是儲(chǔ)層的成巖環(huán)境，在目前所能查閱的文獻(xiàn)中，尚未提及熱流體能夠改變碎屑巖的巖性和結(jié)構(gòu)。

渤海海域萊州灣凹陷中新生代火山活動(dòng)十分強(qiáng)烈，盆地內(nèi)發(fā)育廣泛的火山巖體，深部流體伴隨著活躍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)極易沿?cái)鄬舆M(jìn)入上覆地層。墾利16構(gòu)造新生代沙河街組三段首次鉆遇一套硅化碎屑巖儲(chǔ)層，局部甚至達(dá)到低變質(zhì)程度，發(fā)育變余砂巖結(jié)構(gòu)，也是迄今渤海鉆遇的首個(gè)硅化碎屑巖儲(chǔ)層。有關(guān)區(qū)域硅化熱流體的研究、硅化碎屑巖儲(chǔ)層成因機(jī)制未有提及，尤其是在海上高勘探成本、少井和少巖心的情況下研究難度更大。通過(guò)地震、測(cè)井和巖石學(xué)資料落實(shí)了硅化碎屑巖的地質(zhì)特征，運(yùn)用薄片、熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡和鋯石U-Pb測(cè)年等分析測(cè)試手段，重點(diǎn)分析了硅質(zhì)熱流體活動(dòng)的證據(jù)以及對(duì)儲(chǔ)層的影響機(jī)制，為本區(qū)的油氣勘探提供一定參考價(jià)值。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

萊州灣凹陷屬于渤海灣盆地東南部一個(gè)新生代邊緣凹陷，位于渤海海域東南部，面積約1 780 km2，是在中生界基底上發(fā)育的新生代斷陷[36]，凹陷北邊為萊北低凸起，南邊為濰北凸起，東邊為魯東隆起，西邊為青東凹陷[37]。凹陷被南北走向的郯廬走滑東支和西支所夾持，內(nèi)部發(fā)育多條東西向斷層。凹陷地層發(fā)育較全，主要發(fā)育中生代藍(lán)旗組、義縣組、古近系沙河街組和東營(yíng)組，以及新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組。中新生代萊州灣凹陷火山活動(dòng)強(qiáng)烈，火山巖在凹陷內(nèi)部各個(gè)層位均有分布，巖性主要為流紋巖、安山巖和玄武巖(圖1)，與火山活動(dòng)伴生的深部熱流體十分活躍，伴隨著郯廬斷裂段的持續(xù)活動(dòng)，熱流體沿?cái)鄬舆M(jìn)入古近紀(jì)地層，對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層的巖性、儲(chǔ)集空間和物性產(chǎn)生重要影響。

2 硅質(zhì)碎屑巖地球物理響應(yīng)

2.1 地震反射特征

由于硅質(zhì)熱流體的注入，導(dǎo)致沙河街組碎屑巖的物理性質(zhì)發(fā)生改變。其巖性與上部和下部地層產(chǎn)生較大差異，在地震上表現(xiàn)為低頻強(qiáng)振幅連續(xù)反射的特征(圖2)。橫向上分布較穩(wěn)定，鉆井揭示其厚度范圍為10～50 m。

2.2 測(cè)井響應(yīng)特征

碎屑巖發(fā)生硅化作用后，地層中石英含量增多，儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變，測(cè)井響應(yīng)特征與常規(guī)碎屑巖具有明顯差異，整體表現(xiàn)為“三低兩高”的特征，即：低自然伽馬、低聲波時(shí)差、低補(bǔ)償中子、高密度和高電阻(圖3)。整套地層具有不均一性，硅化作用強(qiáng)的部位自然伽馬較低，孔縫發(fā)育的部位電阻率較低、巖石密度較低、聲波時(shí)差較高，微側(cè)向電阻率呈鋸齒狀特征，表明儲(chǔ)層裂縫發(fā)育。

3 硅質(zhì)熱流體證據(jù)及特征

3.1 鋯石測(cè)年證據(jù)

硅質(zhì)熱流體往往與火山活動(dòng)相伴生[38-39]，鋯石可作為巖漿活動(dòng)時(shí)期的直接定年證據(jù)。前人對(duì)萊州灣凹陷新生代以來(lái)火山活動(dòng)的證據(jù)主要體現(xiàn)在沉積巖夾多套凝灰?guī)r和玄武巖等火山巖巖性組合為特征，本次研究通過(guò)鋯石測(cè)年技術(shù)手段首次證實(shí)了萊州灣凹陷沙河街組沉積時(shí)期存在火山活動(dòng)。

通過(guò)對(duì)L10井鉆遇的硅化碎屑巖進(jìn)行鋯石U-Pb定年分析，僅選用諧和度大于90%的206Pb/238U年齡，在1 800 m深度發(fā)現(xiàn)1顆具環(huán)帶結(jié)構(gòu)的典型巖漿鋯石，測(cè)得年齡為33.4 Ma，證實(shí)了研究區(qū)沙河街組沉積晚期發(fā)生了巖漿活動(dòng)。此時(shí)目的層碎屑巖尚處于淺埋藏、低成巖階段，壓實(shí)作用較弱，后期與火山活動(dòng)伴生的硅質(zhì)熱流體進(jìn)入地層，充填在顆粒之間，呈基底式膠結(jié)狀態(tài)，與巖石現(xiàn)今面貌吻合。

圖2 萊州灣凹陷硅化碎屑巖地震反射特征Fig.2 Seismic reflection characteristics of silicified clastic rocks from the Laizhouwan Sag

圖3 萊州灣凹陷L7井硅化碎屑巖測(cè)井響應(yīng)特征Fig.3 Log response characteristics of silicified clastic rocks from Well L7 in the Laizhouwan Sag

3.2 巖石學(xué)特征

前人對(duì)熱流體在儲(chǔ)層中的巖石礦物學(xué)證據(jù)做過(guò)大量研究，主要體現(xiàn)在碎屑顆粒發(fā)生熱蝕變，如石英呈現(xiàn)明顯的次生加大[40]，以及砂巖中鈉長(zhǎng)石化[41]等，但是在熱流體作用下碎屑巖能夠達(dá)到低變質(zhì)程度的實(shí)例尚未見文獻(xiàn)提及。在渤海海域萊州灣凹陷，直觀可見的硅質(zhì)熱流體巖石學(xué)證據(jù)來(lái)源于井壁取心、薄片觀察、掃描電鏡和陰極發(fā)光等資料。

井壁取心中可以直觀看到裂縫中充填的硅質(zhì)脈體和沿裂縫生長(zhǎng)的馬牙狀石英晶體以及在溶洞中大量的生長(zhǎng)晶型較好的石英晶簇(圖4a)。顯微鏡下可見巖石具碎屑結(jié)構(gòu)和變余砂狀結(jié)構(gòu)。①碎屑結(jié)構(gòu)：巖石受熱流體影響尚未達(dá)到改變巖石結(jié)構(gòu)的程度，保留了砂巖原始碎屑結(jié)構(gòu)面貌(圖4b)，但可明顯見到硅質(zhì)熱流體在地層中留下的痕跡，如粒間硅質(zhì)充填和呈脈狀分布的硅質(zhì)沉淀(圖4c)，巖石中長(zhǎng)石顆粒受熱流體普遍溶蝕(圖4d)，并基本蝕變?yōu)楦邘X石(圖4e)。②變余砂狀結(jié)構(gòu)：具變余砂狀結(jié)構(gòu)的巖石受硅質(zhì)熱流體影響更強(qiáng)烈，形成熱液成因的變余長(zhǎng)石砂巖(圖4f)，與常規(guī)古近系碎屑巖不同，巖心整體為灰黑色，致密堅(jiān)硬，顆粒間接觸緊密，呈長(zhǎng)線-凹凸接觸，膠結(jié)物可見石英次生加大形成的硅質(zhì)，均勻分布粒間，掃描電鏡下見大量次生石英晶體發(fā)育(圖4g)，粒間粘土礦物受熱流體影響蝕變形成白云母，鏡下可見再生長(zhǎng)的 “帚狀”白云母，以及未蝕變完全的粘土礦物(圖4h)。

石英膠結(jié)作用是砂質(zhì)碎屑巖重要的成巖作用，石英次生加大形態(tài)與硅質(zhì)溶液充分不充分和巖石孔隙大小情況相關(guān)[42-45]。從掃描電鏡下可以觀察到，硅化碎屑巖中至少發(fā)生了4期硅質(zhì)熱流體活動(dòng)(圖5)，不同期次的硅質(zhì)呈現(xiàn)出不同的礦物形態(tài)特征。早期加大石英晶體相對(duì)他形，后期加大石英自形程度較高。通過(guò)對(duì)不同產(chǎn)狀硅質(zhì)進(jìn)行能譜測(cè)定，發(fā)現(xiàn)不同期的硅質(zhì)中Si和O含量均有差異，表明多期硅質(zhì)流體充注特征。

3.3 粘土礦物轉(zhuǎn)換

X衍射全巖分析表明，沙河街組硅化碎屑巖中粘土礦物含量很低，僅為1%～5%，巖石中的粘土礦物已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)化，鏡下可觀察到粒間粘土礦物熱蝕變?yōu)楹谠颇?、白云母和伊利石，呈定向條帶狀分布，并可見“帚狀”正在生長(zhǎng)的云母類礦物(圖6a)，僅在局部可見殘留未蝕變的粘土礦物(圖6b)。X衍射粘土數(shù)據(jù)顯示，這套硅化細(xì)砂巖中不同類型粘土礦物含量差異很大，其中高嶺石含量3%～8%，綠泥石含量5%～13%，伊利石含量30%～55%。粘土礦物含量差異與熱流體的侵入密切相關(guān)，當(dāng)熱流體進(jìn)入地層后溫度驟然升高，在鉀長(zhǎng)石提供K+的成巖環(huán)境下，高嶺石大量向伊利石轉(zhuǎn)化(圖6c)，導(dǎo)致地層中出現(xiàn)伊利石異常增高的現(xiàn)象，掃描電鏡下可見長(zhǎng)石溶蝕形成的“手風(fēng)琴”狀高嶺石(圖6d)，針葉狀綠泥石(圖6e)以及后期硅質(zhì)沿解理進(jìn)入到云母礦物中(圖6f)等現(xiàn)象。

圖4 萊州灣凹陷硅化碎屑巖巖石學(xué)特征Fig.4 Petrological characteristics of silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.壁心縫洞中硅質(zhì)脈體和石英晶簇，L7井，埋深1 651 m；b.巖石保留碎屑結(jié)構(gòu)，L4井，埋深1 546 m；c.粒間硅質(zhì)充填，L7井，埋深1 684 m；d.掃描電鏡下長(zhǎng)石蝕變成高嶺石，L7井，埋深1 660.5 m；e.變余砂狀結(jié)構(gòu)，L7井，埋深1 679 m；f.掃描電鏡下石英晶體，L4井，埋深1 546 m；g.帚狀 在生長(zhǎng)云母，L4井，埋深1 551 m；h.鏡下蝕變長(zhǎng)石、未蝕變完全的粘土和蝕變白云母，L4井，埋深1 548 m

3.4 典型熱液礦物組合

運(yùn)用熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡識(shí)別出黃鐵礦-重晶石-獨(dú)居石-方鉛礦-金紅石熱液礦物組合，證實(shí)了熱流體的存在。巖石中黃鐵礦發(fā)育多種形態(tài)，一種為膠狀集合體分布的粉晶黃鐵礦，呈團(tuán)塊狀充填在蝕變礦物的溶洞中(圖7a)或沿石英、長(zhǎng)石顆粒之間分布(圖7b)，一種為晶型完好的的立方體黃鐵礦，賦存在石英 破碎帶中(圖7c)，此外還有草莓狀黃鐵礦(圖7d)。不同形態(tài)的黃鐵礦應(yīng)該為不同熱液期次形成的產(chǎn)物。

重晶石含量較少，僅見微晶狀分布在石英裂隙中(圖8a)。獨(dú)居石呈長(zhǎng)條狀充填在石英裂隙中或與黃鐵礦伴生賦存與石英晶隙間(圖8b)。方鉛礦半自形，賦存在有機(jī)質(zhì)和黏土礦物之間(圖8c)，金紅石呈長(zhǎng)條狀，賦存在黃鐵礦與石英之間，并通過(guò)能譜測(cè)點(diǎn)證實(shí)礦物成分(圖8d—f)。

圖6 萊州灣凹陷硅化碎屑巖中粘土礦物特征Fig.6 Characteristics of clay minerals in silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.“帚狀”正在生長(zhǎng)的云母類礦物，L4井，埋深1 551 m；b.局部殘留未蝕變的粘土礦物，L4井，埋深1 552 m；c.高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化，L4井，1 552.5 m；d.長(zhǎng)石溶蝕生成“手風(fēng)琴”狀高嶺石充填粒間，L7井，埋深1 644 m；e.針葉狀綠泥石，L7井，埋深1 683 m；f.后期硅質(zhì) 沿解理進(jìn)入云母礦物，L7井，埋深1 672 m

圖7 萊州灣凹陷硅化碎屑巖中不同產(chǎn)狀黃鐵礦Fig.7 Pyrites of diverse occurrences in silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.巖石中石英(Qtz)、鉀長(zhǎng)石(Kfs)和膠體狀黃鐵礦(Py)，L7井，埋深1 652 m，熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；b.黃鐵礦(Py)沿石英(Qtz)、鉀長(zhǎng)石(Kfs)晶隙分布，L7井，埋深1 647 m，熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；c.立方體晶型的黃鐵礦(Py)賦存在石英(Qtz)顆粒 破碎帶，L7井，埋深1 652 m，熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；d.草莓狀黃鐵礦(Py)，L7井，埋深1 652 m，熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡

圖8 萊州灣凹陷硅化碎屑巖中熱液礦物及能譜測(cè)定Fig.8 Hydrothermal minerals and spectrometric determination of silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.重晶石(Brt)賦存在石英(Qtz)與鉀長(zhǎng)石(Kfs)晶隙間，L7井，埋深1 647 m，熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；b.與黃鐵礦(Py)伴生的獨(dú)居石(Mnz)，L7井，埋深1 647 m，熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；c.方鉛礦(Gn)賦存在有機(jī)質(zhì)和粘土礦物之間，L7井，埋深1 652 m，熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；d.金紅石(Rt)分布在黃鐵礦(Py)和石英(Qtz)之間，L7井，埋深1 652 m，熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡；e.金紅石礦物譜圖特征； f.金紅石礦物能譜元素特征，熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡

地層中熱液礦物組合說(shuō)明巖石經(jīng)歷了富含F(xiàn)e且含少量Ba、稀土等元素的熱液的侵蝕，由于溫壓等的迅速變化，黃鐵礦在石英和長(zhǎng)石的晶隙中或礦物蝕變后殘余的空間快速沉淀，形成了膠狀的黃鐵礦集合體。在此過(guò)程中還形成少量方鉛礦、重晶石，金紅石以及獨(dú)居石等中高溫?zé)嵋旱V物，表明后期的熱流體溫度較高。

4 硅化作用對(duì)儲(chǔ)層影響

4.1儲(chǔ)層物性特征

萊州灣凹陷硅化碎屑巖儲(chǔ)層孔隙度為1.0%～18.9%，平均7.3%，滲透率0.003×10-3～1.064×10-3μm2，平均0.109×10-3μm2，按儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)屬于低孔超低滲儲(chǔ)層?？v向上從淺到深巖石密度增大(圖9a)、孔隙度(圖9b)和滲透率降低(圖9c)，說(shuō)明硅質(zhì)熱流體注入地層后，由于重力分異作用，在巖層中下部聚集，導(dǎo)致中下部巖石硅化作用比上部強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)所取樣品24個(gè)測(cè)區(qū)的圖像分析統(tǒng)計(jì)，樣品面孔率最小為2.6%，最大達(dá)13.4%，平均面孔率為6.5%。儲(chǔ)集空間主要為長(zhǎng)石顆粒內(nèi)部蝕變高嶺石微孔(圖10a)，長(zhǎng)石內(nèi)部溶蝕孔以及熱液礦物黃鐵礦周圍溶蝕孔隙(圖10b)。

4.2 硅化熱流體對(duì)儲(chǔ)層影響

大量硅質(zhì)熱流體進(jìn)入儲(chǔ)層后，一方面在高溫作用下石英顆粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的次生加大，另一方面熱流體中的硅質(zhì)在粒間孔隙和裂縫中沉淀下來(lái)，堵塞了儲(chǔ)集空間并破壞了孔隙的連通性，使儲(chǔ)層變得非常致密。但是由于硅質(zhì)熱流體是一種偏堿性流體，石英和長(zhǎng)石顆粒在堿性環(huán)境下均可發(fā)生溶蝕作用[46]，巖心中可見熱液溶蝕孔洞(圖11a)，地層中的長(zhǎng)石類礦物幾乎全部溶蝕蝕變成高嶺石(圖11b,c)，由于儲(chǔ)層在早期硅質(zhì)膠結(jié)作用下，地層滲透性差，長(zhǎng)石溶蝕后形成的高嶺石并未及時(shí)遷移出地層，而是在長(zhǎng)石顆粒骨架中原地堆積，形成了長(zhǎng)石溶蝕孔(圖11d，e)和高嶺石微孔。

圖9 萊州灣凹陷硅化碎屑巖巖石密度(a)、孔隙度(b)和滲透率(c)縱向分布特征Fig.9 Vertical distribution of the density (a),porosity (b) and permeability (c) of silicified clastic rocks from the Laizhouwan Sag

圖10 萊州灣凹陷硅化碎屑巖面孔率統(tǒng)計(jì)Fig.10 Thin section porosity statistics of silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.長(zhǎng)石顆粒內(nèi)部蝕變高嶺石微孔，L7井，埋深1 647 m；b.長(zhǎng)石內(nèi)部溶蝕孔以及熱液礦物黃鐵礦周圍溶蝕孔隙，L7井，埋深1 652 m

圖11 萊州灣凹陷硅化碎屑巖儲(chǔ)集空間特征及成因Fig.11 Characteristics and genesis of reservoir space in silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.硅化碎屑巖中熱液溶蝕孔洞，L7井，埋深1 683 m；b.硅化碎屑巖中長(zhǎng)石發(fā)生蝕變，L7井，埋深1 649 m；c.長(zhǎng)石蝕變成高嶺石，發(fā)育晶間微孔，L4井，埋深1 552m；d.鈉長(zhǎng)石內(nèi)部溶蝕孔發(fā)育，L7井，埋深1 679 m；e.硅化碎屑巖中粒內(nèi)和粒間溶蝕孔，L4井， 埋深1 551m；f.巖石中顆粒內(nèi)部微裂縫及其發(fā)育，并充填有機(jī)質(zhì)，L7井，埋深1 646 m

另一方面，強(qiáng)烈的硅化作用使地層脆性大大變強(qiáng)，在后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下極易產(chǎn)生裂縫，并且由于高溫?zé)崃黧w使地層中粘土礦物幾乎全部轉(zhuǎn)化成云母類礦物，大大降低了裂縫中的粘土充填作用，形成了相對(duì)“干凈”的裂縫類型，增強(qiáng)了儲(chǔ)層的滲流能力。裂縫的形成，對(duì)早期孤立的長(zhǎng)石溶蝕孔和高嶺石微孔起到連通作用(圖11f)，大大改善了儲(chǔ)層物性，形成該區(qū)硅化碎屑巖孔隙-裂縫型優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

5 結(jié)論

1) 萊州灣凹陷古近系碎屑巖受硅質(zhì)熱流體影響硅質(zhì)充填嚴(yán)重、石英次生加大強(qiáng)烈，甚至發(fā)生低變質(zhì)作用，形成變余長(zhǎng)石砂巖。

2) 硅質(zhì)熱流體證據(jù)主要體現(xiàn)在巖石結(jié)構(gòu)改變、粘土礦物異常轉(zhuǎn)化以及巖石中發(fā)現(xiàn)大量熱液礦物，并首次利用鋯石U-Pb測(cè)年實(shí)驗(yàn)技術(shù)確定萊州灣凹陷沙河街組沉積時(shí)期發(fā)生過(guò)火山活動(dòng)。

3) 硅質(zhì)膠結(jié)物和硅質(zhì)沉淀破壞儲(chǔ)層原生儲(chǔ)集空間，但硅化作用使儲(chǔ)層中粘土礦物減少，地層脆性大大增強(qiáng)，在后期構(gòu)造應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生裂縫，溝通受熱流體溶蝕的長(zhǎng)石粒內(nèi)溶蝕孔，形成孔隙-裂縫型優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。