東營凹陷古近系儲層成巖作用及其地球化學過程

東營凹陷古近系儲層成巖作用及其地球化學過程

巖屑巖的化學成分作用的本質(zhì)是在地質(zhì)條件下形成的礦化學成分的物質(zhì)平衡和轉(zhuǎn)化。東營凹陷古近系碎屑巖的巖性、巖相多樣,成巖演化的地球化學條件、控制因素也異常復雜,本文探討該凹陷沙河街組儲集層的化學成巖作用特征及主要控制因素。1礦物成巖作用東營凹陷古近系儲集層中的碎屑礦物主要是石英和長石,巖屑占一定比例,化學成巖作用過程涉及的地球化學問題主要包括方解石的沉淀與溶解、長石溶解與轉(zhuǎn)化、黏土礦物形成與轉(zhuǎn)化以及石英增生。1.1生加大不太發(fā)育膠結(jié)物東營凹陷沙河街組砂巖的膠結(jié)作用主要為硅質(zhì)充填和碳酸鹽充填,長石次生加大不太發(fā)育,膠結(jié)物主要為泥質(zhì)和鈣質(zhì),有不均勻分布的硅質(zhì)填隙物。泥質(zhì)膠結(jié)物主要是蒙脫石和伊利石,有一定比例的高嶺石和綠泥石;碳酸鹽類膠結(jié)物主要為方解石,中深部還有鐵方解石、白云石、鐵白云石等。1.1.1石英原生巖石石英在成巖過程中主要發(fā)生次生加大(見照片1a、b),自生石英呈自形或半自形充填在孔隙中(見照片1c),常見次生加大或自形的石英與高嶺石、伊利石、綠泥石等共生的現(xiàn)象,并常見長石被溶蝕(見照片1d)。從約840m到3800m深度均可見石英次生加大或自形石英充填,且有隨深度增大而增強的趨勢;1800～2600m和3100～3200m深度石英次生加大十分發(fā)育。盡管東營凹陷不同井區(qū)同一深度的碎屑巖中石英含量差別很大,但同一井區(qū)不同深度巖石中石英含量的變化并不明顯,表明石英的總體含量主要與母源性質(zhì)和沉積環(huán)境有關,受成巖作用的影響相對較小。石英次生加大作用中的SiO2主要源自長石等不穩(wěn)定組分的溶解和黏土礦物的轉(zhuǎn)化,此外也可能源自硅質(zhì)增生的轉(zhuǎn)化及石英顆粒的壓溶作用。1.1.2早期鐵、鐵四元酸方解石充填孔隙碳酸鹽膠結(jié)物分為早、晚兩期。在早成巖期,隨著含大量Ca2+和HCO-3的孔隙水和軟泥水濃縮,在低溫、低壓及高pH值的弱氧化環(huán)境中發(fā)生碳酸鹽沉淀,形成早期碳酸鹽膠結(jié)物,主要為無鐵方解石,常呈嵌晶狀和櫛殼狀,還可產(chǎn)生白云石、菱鐵礦等礦物。約1050m左右深度可見自形鐵白云石和自形或它形方解石充填孔隙,1000～1500m深度方解石含量增大(見圖1a),可完全充填粒間孔隙(見照片2a)或充填孔隙的局部(見照片2b)。早期碳酸鹽沉淀作用不強,但流動的水溶液不斷補充Ca2+和HCO-3,零星分布的方解石晶體越來越大,可形成鑲嵌狀方解石。晚期碳酸鹽膠結(jié)物主要為鐵方解石和鐵白云石,主要在石英次生加大之后形成,1700～2100m鐵方解石含量一般低于5%,大量鐵方解石約在2100m之下深度形成,2100～2300m深度十分發(fā)育,2500～3300m深度出現(xiàn)第二個方解石膠結(jié)帶,3000m左右其含量達到最大值(見圖1a);隨埋深增大,白云石含量也相應增大,2500～3000m深度增加趨勢最大(見圖1b)。碳酸鹽膠結(jié)物一般呈它形粒狀中細晶,也有粗—巨晶,或充填粒間孔隙,或交代碎屑顆粒,有時還以方解石、白云石碎屑的加大邊狀態(tài)存在,膠結(jié)作用強度差別很大,有的孔隙已完全充填(見照片2c、d),有的局部充填在長石的溶蝕縫(見照片3a)、孔隙中(見照片3b)。1.2石英與方解石的耦合關系研究區(qū)礦物交代作用比較普遍,發(fā)育深度一般為2600～3200m。方解石沿著長石解理縫、顆粒邊緣等薄弱處交代,形成晶間充填、粒間充填,乃至徹底交代形成長石鑄模(見照片3c、d)。常見石英與方解石之間的交代,有時同一樣品既能見到方解石交代石英,又能見到石英交代方解石。石英溶解度隨溫度和pH值升高而增大,方解石溶解度則隨溫度和pH值升高而降低、隨CO2分壓增加而增大,因此淺層有利于SiO2沉淀和方解石溶解,深層有利于方解石交代石英。斜長石和鉀長石的鈉長石化主要發(fā)生在2600m以下深度,并有隨深度加大而增強的趨勢。較高的CO2含量和pH值較低的酸性環(huán)境最有利于長石的高嶺石化,方解石沉淀與長石的高嶺石化有關,鉀長石的高嶺石化還可為蒙脫石的伊利石化提供鉀源。1.3溶解效果1.3.1石英的溶解石英是砂巖中占絕對優(yōu)勢且相對穩(wěn)定的碎屑礦物,一般不發(fā)生溶解,個別井較深部位偶見溶解現(xiàn)象。1.3.2強溶蝕孔400m隨埋藏深度加大,東營凹陷不同地區(qū)鉀長石含量均有降低的趨勢(見圖2),斜長石也有類似特征。這與鉀長石、斜長石的溶解和鈉長石化有關。長石溶蝕在約1300m深度局部出現(xiàn),約2100～2200m深度為強溶蝕帶,這一深度正好是有機質(zhì)向烴類大規(guī)模轉(zhuǎn)化的門限深度,說明長石溶解與有機質(zhì)熱成熟的關系非常密切。長石可沿解理縫溶蝕(見照片3c)或沿邊緣溶蝕(見照片4a),有的被溶蝕后形成鑄?？?見照片4b),溶蝕孔往往被方解石、鐵方解石或白云石充填。長石溶解會形成自生高嶺石和SiO2沉淀,將K+和Ca2+釋放進入水中,導致鉀長石的鈉長石化,促使黏土礦物形成并轉(zhuǎn)化。1.3.3不同儲藏深度方解石含量的變化白云石溶蝕不十分常見,碳酸鹽礦物的溶解主要為方解石溶解,控制溶解反應的主要因素為孔隙水的pH值和Ca2+、HCO-3、H+濃度、CO2分壓、溫度等。第一期(早期)方解石溶解在約1500m深度開始發(fā)生,從泥巖中排出的有機酸促使長石與早期方解石膠結(jié)物溶解,隨埋藏深度增大,方解石含量逐漸降低,約2000～2200m深度達到最低值,然后逐漸升高;深部干酪根成熟和熱解作用釋放的CO2可以導致第二期(晚期)碳酸鹽礦物溶解,因此3300m以下深度方解石含量有降低的趨勢(見圖1a)。很多情況下溶解作用不均勻、不徹底,常有溶蝕殘余,晚期主要表現(xiàn)為選擇性溶解,形成港灣狀溶蝕孔隙,以及鋁硅酸鹽礦物的進一步溶解。1.4不同埋深基土礦物成分分析高嶺石在800m左右深度比較發(fā)育,到3800m深度分布仍十分廣泛。淺層主要呈片狀或書頁狀充填在原生孔隙中,深部發(fā)育假六邊形高嶺石(見照片4b、c、d)。1050m深度出現(xiàn)伊蒙混層礦物或綠蒙混層,約1280～1300m深度出現(xiàn)伊利石片狀襯膜和片狀或花瓣狀綠泥石(見照片5),約2000～2200m深度伊利石、綠泥石和高嶺石均很發(fā)育,在原有自生礦物組合中出現(xiàn)自形含鐵方解石,2400～2600m深度出現(xiàn)片狀及膜狀綠泥石、片狀高嶺石、石英次生加大或自形晶石英共生組合。伊利石含量有隨埋深加大而增大的趨勢。淺層為高嶺石、自生石英、石膏、方解石共生,2000～3000m左右深度主要為石英次生加大、片狀伊利石、假六邊形片狀高嶺石與長石溶蝕作用共生(見照片6)。根據(jù)東營凹陷北部儲集層I/S混層中蒙皂石層含量變化特征(見圖3),可將黏土礦物演化劃分為以下幾個帶:埋深小于1650m,伊利石含量一般為20%～25%,綠泥石含量小于20%,蒙脫石層含量大于75%,為蒙皂石帶;1650～2400m深度蒙皂石層占50%～75%,為漸變帶;2400～3200m深度蒙皂石層占25%～50%,為第一迅速轉(zhuǎn)化帶;埋深大于3200m,蒙皂石層含量小于25%,為第二迅速轉(zhuǎn)化帶,I/S混層有序程度大大提高。不同地區(qū)各演化帶相應的深度存在一定的差別。這些作用主要因長石溶解使得流體中K+、Na+、Ca2+等離子濃度增加,Ca2+離子濃度的增加有利于方解石沉淀。但當埋深增大使溫度達165～210℃時,如果環(huán)境變成偏堿性,會發(fā)生高嶺石和蒙皂石的溶解作用,導致生成綠泥石和伊利石,富K+的環(huán)境有利于生成伊利石,而富Mg2+的環(huán)境則有利于形成綠泥石。鉀長石溶解釋放的K+可導致高嶺石溶解形成伊利石,同時釋放的H+使pH值降低,導致鉀長石進一步溶解形成伊利石,又進一步提供K+。2石油充注對化學成巖作用的影響前人對控制成巖作用的地球化學因素做過大量工作[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],但對一些問題并未取得一致認識,尤其是石油充注對化學成巖作用的影響。本文重點討論孔隙中流體性質(zhì)改變對成巖作用的影響。2.1鋁硅酸鹽溶解過程在成巖階段的中后期,孔隙水處于封閉、半封閉狀態(tài),如果沒有外界流體注入,不可能有礦物的形成與轉(zhuǎn)化。泥質(zhì)巖中的有機質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生大量有機酸,形成溶解能力很強的酸性水。這種酸性水進入砂層后,改變了孔隙水的pH值,促進鋁硅酸鹽和碳酸鹽礦物溶解,長石礦物的溶解又使孔隙水中的SiO2濃度增加,促進硅質(zhì)增生,形成溶解與膠結(jié)作用共存的現(xiàn)象。在鋁硅酸鹽的溶解過程中,鋁的有機絡合作用和遷移作用極其重要,必須有大量的鋁被活化,才能發(fā)生鋁硅酸鹽的廣泛溶解作用。在pH值為4～8時,如果缺乏絡合物,鋁的溶解度特別低,任何溶解下來的物質(zhì)都會在礦物顆粒周圍再沉淀,造成孔隙度降低。二元酸的存在使鋁的活度增強,能增大鋁硅酸鹽的溶解度。早期方解石充填雖會減少原生孔隙體積,也可抑制壓實作用。一旦有機酸等酸性流體造成孔隙水pH值降低,早期方解石膠結(jié)物溶蝕后就可能形成次生孔隙,使砂巖恢復膠結(jié)前的高孔隙狀態(tài)。但如果早期方解石充填物完全充填了原生孔隙,阻礙孔隙流體流動,則不利于方解石充填物的溶解。2.2儲集層不同油層伊利石相對含量的變化孔隙流體的流動對成巖過程起關鍵作用。聚集在儲集層中的烴類會導致孔隙水中無機離子濃度降低,并改變孔隙水pH值,部分替換孔隙水的烴類流體則阻礙礦物與離子之間的質(zhì)量傳遞,從而抑制自生礦物的形成以及礦物的交代和轉(zhuǎn)化。根據(jù)東營凹陷不同地區(qū)古近系碎屑巖礦物成分的鏡下觀測與統(tǒng)計分析,與水層中鉀長石的鈉長石化程度相比,油層的鈉長石化程度要小得多。但長石的溶蝕作用并不因為石油的充注而立即停止。據(jù)東營凹陷牛莊油田和勝坨油田部分樣品分析結(jié)果,無論淺部或深部,凡是含油砂巖,長石類及碳酸鹽類礦物的溶解都十分強烈,次生孔隙都很發(fā)育,而不含油砂巖的礦物溶解及次生孔隙發(fā)育一般較差。其成因比較復雜,溶蝕作用形成的次生孔隙有利于烴類聚集,而聚集的烴類又為孔隙水提供一定量的有機酸,改變其pH值而促進礦物的溶解作用,二者之間可能是相輔相成的。油層的方解石、白云石含量一般比水層低,深層尤為明顯(見圖4)。在顯微鏡下可見,含油砂巖的碳酸鹽膠結(jié)物溶解往往比較完全,而不含油砂巖的原生孔隙和次生孔隙往往均被方解石充填。控制儲集層中方解石沉淀的因素很多,但在深部儲集層中,油層與水層或油水層的碳酸鹽礦物(尤其是白云石)差別明顯,與烴類充注導致碳酸鹽礦物的沉淀作用被抑制有必然聯(lián)系。東營凹陷含油層或富含油層的伊利石含量較低,而含油級別較低的砂層(如油斑、熒光及水層)中伊利石含量較高(見圖3),這說明烴類充注改變了孔隙流體性質(zhì),使成巖環(huán)境發(fā)生變化,在含油程度較高時伊利石生長受到抑制,而烴類含量較低砂層的成巖環(huán)境變化小,伊利石能繼續(xù)生長。但據(jù)部分井的資料分析,伊利石的相對含量與儲集層含油級別之間不存在依存關系,在2500～3500m深度范圍內(nèi),隨深度變化,不同含油級別儲集層中的伊利石含量都在增加(見圖3),富含油層伊利石相對含量增加幅度相對較小,其它含油級別的儲集層中伊利石相對含量的變化幅度差別不大。這有兩種可能的解釋:①含油飽和度較低時,原油對成巖環(huán)境未造成明顯影響,伊利石生長不受大的影響,而富含油層的含油飽和度高,對成巖環(huán)境影響明顯,并阻礙了孔隙流體的流動,對伊利石的生長有一定的抑制作用;②原油是在成巖作用晚期進入儲集層的。但據(jù)本區(qū)的實際資料,原油在約2900m深度開始進入儲集層,即在伊利石大量形成之前原油已進入儲集層,表明原油進入儲集層后,伊利石并未立即停止生長。3儲集層油氣成巖環(huán)境的變化和油氣充注后油氣的運成巖作用、地層水特征、有機質(zhì)演化特征之間相互聯(lián)系、相互制約。次生孔隙形成主要是長石和碳酸鹽膠結(jié)物被溶蝕的結(jié)果;長石的溶解作用形成的SiO2、K+、Ca2+是石英次生加大、黏土礦物形成與演化、礦物交代及碳酸鹽膠結(jié)物形成的物質(zhì)基礎;成巖作用的階段性、次生孔隙分布的階段性與地層水高礦化度、有機酸形成與分布密切相關。在影響成巖作用的因素中,最重要的是成巖環(huán)境物理化學條件的變化,而泥巖生成的有機酸進入儲集層導致的地層水pH值變化起決定性作用。油層中的石英次生加大和鉀長石的鈉長石化程度比水層要低。無論深淺,含油砂巖的長石類及碳酸鹽類礦物的溶解往往十分強烈,次生孔隙很發(fā)育,而不含油砂巖的礦物溶解作用較弱。在晚期方解石膠結(jié)之前,由長石與方解石溶解形成的次生孔隙最有利于油氣聚集,而油氣的聚集為孔隙水提供一定量的有機酸,又促進了礦物的溶解作用,同時油氣抑制晚期方解石膠結(jié)物的充填,有利于次生孔隙的保留。如果在晚期方解石膠結(jié)之前沒有形成油氣聚集,巖石將被晚期方解石等自生礦物充填成為膠結(jié)致密的巖石