準(zhǔn)噶爾盆地克一夏地區(qū)下二疊統(tǒng)自生礦物特征及其對油氣儲層的影響

準(zhǔn)噶爾盆地克一夏地區(qū)下二疊統(tǒng)自生礦物特征及其對油氣儲層的影響

針對油氣儲層中不同類型碳?xì)浠衔飳涌臻g的影響，以往的系統(tǒng)和全面研究僅限于對單一礦的描述。例如,蝕變產(chǎn)物蒙脫石后期可以轉(zhuǎn)化形成綠泥石,Clough、Karig和Ehrenberg研究認(rèn)為,厚而連續(xù)的綠泥石包膜抑制石英的次生加大,作為孔隙襯邊增加巖石強(qiáng)度,保護(hù)原生孔隙。不同沸石礦物在不同的成巖環(huán)境中對油氣儲層有不同的影響。在準(zhǔn)噶爾盆地克-夏地區(qū)二疊系火山巖屑質(zhì)的砂(礫)巖儲層中,方沸石溶蝕改善儲層,片沸石膠結(jié)破壞儲層。如果片沸石后期轉(zhuǎn)化為濁沸石或斜長石蝕變形成的濁沸石溶蝕,能夠增加儲集空間。方解石膠結(jié)破壞孔隙,但早期的膠結(jié)物為后期溶蝕提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。鉀長石和斜長石被鈉長石交代使礦物體積收縮,形成一定的微孔,增加儲集性能,同時為后期酸性流體進(jìn)入鉀長石和斜長石提供了通道。前人在單一礦物影響儲集空間方面,做了大量的工作。但前人并沒有系統(tǒng)討論各種自生礦物與火山物質(zhì)蝕變的成因聯(lián)系,未系統(tǒng)總結(jié)不同自生礦物析出的控制因素、成巖演化以及對儲集層的改善或者破壞作用。研究區(qū)火山巖類及以火山巖巖屑為主要巖石成分的碎屑巖是重要的油氣儲層類型。研究巖石成分中火山物質(zhì)的蝕變過程、形成的自生礦物及孔隙演化規(guī)律對油氣勘探具有重要的意義。通過鏡下薄片觀察(偏光顯微鏡和掃描電鏡)、巖心分析、巖礦組成和物性數(shù)據(jù)等,在前人工作基礎(chǔ)上,側(cè)重分析研究區(qū)含火山物質(zhì)油氣儲層中各種自生礦物的成因、自生礦物與儲集空間的關(guān)系以及成巖演化和孔隙演化的控制因素等,為含火山物質(zhì)的油氣儲層評價、預(yù)測提供地質(zhì)依據(jù)。1下二疊統(tǒng)巖相研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部,屬于西部隆起區(qū)內(nèi)的克夏斷階帶二級構(gòu)造單元,勘探面積近5000km2。目前鉆、測井資料及周緣山系出露地層揭示,研究區(qū)火山活動頻繁,主要集中在泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)—早二疊世,火山噴發(fā)方式為裂隙式噴發(fā)。下二疊統(tǒng)自下而上沉積了佳木河組和風(fēng)城組;上覆夏子街組和烏爾禾組。下二疊統(tǒng)埋深主要在2400～5000m,沉積厚度1000～1500m,大套砂、礫巖中發(fā)育多期火山巖和火山碎屑巖(圖1)。下二疊統(tǒng)的粗粒碎屑巖(粗砂巖、含礫粗砂巖等)主要由北部石炭系火山巖區(qū)供源,成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度低,碎屑成分以凝灰?guī)r、安山巖等火山巖巖屑為主(圖2),平均含量大于70%。下二疊統(tǒng)火山巖系與粗碎屑巖扇體平面相鄰、垂向間互,組成復(fù)合巖性油氣儲層,是西北緣地區(qū)克拉瑪依油田主力產(chǎn)油層系之一。文中將火山巖屑質(zhì)砂(礫)巖與火山巖放在一起討論,是因?yàn)樗鼈冎械幕鹕轿镔|(zhì)都以中基性為主,推測為同源巖漿成因,且蝕變特性大體相同。2自生礦物的組成在研究區(qū)下二疊統(tǒng)碎屑巖和火山巖混合儲層中,常見的且對儲集空間具有重要影響的自生礦物主要有綠泥石、沸石(包括方沸石、片沸石和濁沸石)、方解石、鈉長石和自生石英等。不同礦物產(chǎn)出特征、成因以及與火山物質(zhì)蝕變的關(guān)系各不相同。2.1巖石學(xué)特征及成因薄片觀察發(fā)現(xiàn),自生綠泥石通常有以下5種產(chǎn)狀:①孔隙的環(huán)邊(也稱為襯里)[圖3(a)和圖3(b)],片狀單晶緊密排列,多見于結(jié)構(gòu)成熟度較高的砂、礫巖粒間孔或火山巖的氣孔中;②孔隙及裂縫充填,多為絨球狀[圖3(c)];③火山玻璃基質(zhì)摻雜,一般呈放射狀或不規(guī)則片狀,多發(fā)育在凝灰?guī)r或熔巖的玻璃基質(zhì)中;④長石解理處沉淀,具有典型的葉片狀晶形[圖3(d)];⑤交代火山巖中輝石、角閃石斑晶和云母碎片。自生綠泥石的形成與巖石成分中火山物質(zhì)蝕變關(guān)系密切。巖心及鏡下巖石學(xué)特征表明,研究區(qū)自生綠泥石成因可以總結(jié)為以下3種:①成巖環(huán)境孔隙水中綠泥石自生沉淀:研究區(qū)下二疊統(tǒng)Ro值介于0.53%～1.80%,處于中成巖階段。碎屑巖儲層隨著埋深的增加,在孔隙間易于形成綠泥石膠結(jié)物,如圖3(a)和圖3(b)所示,鐵鎂離子可能來源于易溶的鐵鎂礦物碎屑和泥巖。②火山玻璃蝕變及黏土礦物的轉(zhuǎn)化:早期火山玻璃蝕變形成蒙脫石,蒙脫石隨著埋深和溫壓條件增高,在鐵鎂離子富集的情況下轉(zhuǎn)化為綠泥石(詳見后文中“成巖演化”)。③非黏土礦物蝕變和交代:包括輝石、角閃石、黑云母等鐵鎂礦物蝕變以及長石和火山巖巖屑被富鐵鎂孔隙水交代,沉淀綠泥石。這種成因的綠泥石在研究區(qū)最為常見。富鈣長石向綠泥石蝕變,伴隨礦物溶解形成一定溶蝕孔或晶間孔[圖3(d)],同時方解石析出。2.2連生狀晶體膠結(jié)物研究區(qū)主要發(fā)育方沸石、片沸石和濁沸石。方沸石晶形多呈不規(guī)則的等軸粒狀,常見不同程度的溶蝕現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)片沸石發(fā)育普遍,片狀晶體多沿著碎屑顆粒的邊緣大致垂直生長;板狀和條狀晶體則以半充填或全充填方式產(chǎn)于碎屑巖或火山巖的裂隙中;連生狀晶體為全充填式膠結(jié)物,析出于粒間孔隙之中,對儲層破壞嚴(yán)重。柱狀濁沸石集合體常常作為孔隙充填的膠結(jié)物出現(xiàn)[圖3(e)]。受同生逆掩斷層影響,研究區(qū)二疊系沸石礦物形成于開放的水文環(huán)境,成因與大量火山物質(zhì)的水化、蝕變關(guān)系密切,常見與玻璃物質(zhì)、黏土礦物共生(詳見后文中“成巖演化”)。這些火山物質(zhì)在砂、礫巖儲層中主要是凝灰?guī)r巖屑,在火山(碎屑)巖中為火山玻璃等易溶且不穩(wěn)定的巖石成分。前人研究表明,自生沸石的析出與原始物質(zhì)組成有關(guān),并受地層孔隙水的化學(xué)性質(zhì)等因素控制。研究區(qū)火山物質(zhì)的沸石化蝕變過程為:火山玻璃—斜發(fā)沸石—方沸石—片沸石—濁沸石。2.3火山物質(zhì)的蝕變方解石晶體常與綠泥石、沸石、自生石英等礦物伴生;在碎屑巖的粒間孔和火山巖的氣孔、裂縫中,方解石充填膠結(jié)?；鹕綆r和火山碎屑巖基質(zhì)中常見斑狀的細(xì)晶方解石交代物[圖3(f)],是火山玻璃和富鈣斜長石碳酸鹽化的產(chǎn)物。含火山物質(zhì)的油氣儲層中,自生方解石的沉淀與火山物質(zhì)的蝕變具有成因聯(lián)系,特別是析出于斜長石蝕變和火山玻璃的水解過程。Orajaka研究美國得克薩斯州TranS—PecoS油礦區(qū)Tas-cotal組的巖石特征時發(fā)現(xiàn),當(dāng)少量玻璃質(zhì)溶解時,方解石開始沉淀;當(dāng)更多的玻璃質(zhì)溶解時,方解石持續(xù)析出,直到溶液最終沒有溶解的CO2時才停止。在西北緣烏-夏斷裂帶下二疊統(tǒng)風(fēng)城組,大量凝灰?guī)r基質(zhì)中發(fā)育的白云石為早期富鈣斜長石蝕變形成的方解石、后期被富鎂鹵水成巖交代成因。鈣質(zhì)火山灰發(fā)生白云石化作用,將耗盡地層水中的鎂離子,因此綠泥石的發(fā)育可能受到抑制。另外在火山玻璃蝕變以及沸石化過程中,斜發(fā)沸石向方沸石轉(zhuǎn)化等成巖過程析出鈣離子,將利于方解石的沉淀。2.4作為斜長石碎屑邊緣次出現(xiàn)研究區(qū)火山巖類中的自生鈉長石晶體呈板狀或板條狀,充填于氣孔或火山基質(zhì)的空隙中[圖4(a)和圖4(b)]。砂、礫巖中的鈉長石沿斜長石解理面生長,也可以作為斜長石碎屑邊緣次生加大邊出現(xiàn)[圖4(c)]。研究區(qū)鈉長石的形成推測與多種火山物質(zhì)蝕變關(guān)系密切,包括酸性、中酸性火山(碎屑)巖和砂、礫巖中鉀長石蝕變,通常出現(xiàn)在120～150℃;基性、中基性火山(碎屑)巖和砂、礫巖中的斜長石在蝕變過程中,由于Na+離子半徑要比Ca2+小,鈉離子容易交代斜長石中的鈣離子而形成富鈉長石,如圖4(d)顯示的長石溶模孔中充填的自生鈉長石。另外,常見火山玻璃物質(zhì)蝕變[圖4(b)]及沸石的后期鈉長石化。3研究區(qū)層巖石學(xué)特征火山物質(zhì)的成巖作用及蝕變演化嚴(yán)重影響其賦存的油氣儲集層孔隙演化,很大程度上改善中深層油氣儲層質(zhì)量。研究區(qū)下二疊統(tǒng)火山-沉積巖混積油氣儲層中火山物質(zhì)的蝕變可以概括為脫?；⒕G泥石化(黏土化)、沸石化、鈉長石化和方解石化(碳酸鹽化)5個主要的成巖變化。不同的成巖變化及成巖階段對儲集層的影響差異明顯(表1,圖5)。3.1火山玻璃儲層圖5(a)顯示方沸石和方解石交代脫?；幕鹕交|(zhì),同時基質(zhì)內(nèi)有大量晶間孔和溶蝕孔產(chǎn)生。含火山物質(zhì)的油氣儲層中,火山玻璃可以是火山(碎屑)巖中的玻璃基質(zhì)物質(zhì),也可以是碎屑巖火山巖屑中的玻屑,其脫玻化作用可以產(chǎn)生大量的微孔隙即脫?；?是由于自生礦物析出而體積縮小形成的收縮孔、脫水孔、晶間孔等等,如圖4(b)中的鈉長石晶間孔,明顯改善油氣儲層物性。3.2膠結(jié)物與礦物的作用研究區(qū)自生綠泥石孔隙襯邊保護(hù)原生或者早期的次生孔隙[圖3(a)和圖3(b)],防止被后期壓實(shí)作用和膠結(jié)作用破壞,抑制次生加大石英等礦物的增長。厚而連續(xù)的綠泥石襯邊有效[圖5(c)];分散且薄的、不連續(xù)的可能無效。前人研究表明,火山物質(zhì)蝕變形成的各種自生礦物充填孔隙空間時,少量膠結(jié)物對巖石物理性質(zhì)有積極影響,如提高沉積物強(qiáng)度、抗壓實(shí)變形,保存孔隙。實(shí)驗(yàn)工作也證明少量的顆粒包膜如綠泥石能夠增加沉積物的強(qiáng)度。研究區(qū)內(nèi)長石向綠泥石轉(zhuǎn)化是一個長石溶解析出、綠泥石自生礦物沉淀的過程,由于鉀離子和二氧化硅被移去,體積縮小,長石發(fā)育大量的粒內(nèi)溶孔[圖3(d)]。火山巖屑的蝕變和長石向綠泥石轉(zhuǎn)化是同時進(jìn)行的,前者為后者提供鐵鎂離子。另外,成巖綠泥石發(fā)育50%的微孔隙即綠泥石晶間孔,這些晶間孔的一部分可能是有效的儲集空間。3.3沸石膠結(jié)物儲層在研究區(qū)下二疊統(tǒng)粗碎屑巖中,方沸石溶蝕對儲層改善明顯[圖5(a)];片沸石和濁沸石膠結(jié)普遍,對儲層破壞嚴(yán)重[圖3(e)和圖5(d)]。前人研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn),沸石礦物的成巖作用明顯影響油氣儲層質(zhì)量,控制巖石的孔隙性和滲透性?；鹕綆r屑質(zhì)和長石質(zhì)的砂巖中,沸石膠結(jié)物對分析砂巖體的儲層特征和成巖演化十分重要。已知最早關(guān)于油氣儲層中天然沸石的報道是加利福尼亞州SanJoaquin盆地中新世砂巖儲層中的濁沸石膠結(jié)物。Surdam等強(qiáng)調(diào)干酪根熱降解過程排出的有機(jī)酸對長石和濁沸石溶蝕、形成次生孔隙的重要作用。在中國鄂爾多斯盆地東部上三疊統(tǒng),含濁沸石的長石砂巖由于濁沸石溶蝕形成次生孔隙而成為重要的油氣儲層。在Yurihara油田硅質(zhì)凝灰?guī)r儲層中,自形的方沸石和冰長石微晶之間可以形成大量的晶間孔,孔隙度約為20%。3.4中淺層礦物轉(zhuǎn)化反應(yīng)在火山灰基質(zhì)中,自生鈉長石間發(fā)育大量晶間孔[圖4(b)]。鉀長石和斜長石被鈉長石交代是一個溶解—沉淀的過程。在中淺層,鉀長石的溶解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈉長石的沉淀速率,前者表現(xiàn)為大量粒間和粒內(nèi)溶孔的形成[圖4(d)],而后者在掃描電鏡下僅見到微粒自形晶以及碎屑長石中的微條紋,非等體積的礦物轉(zhuǎn)化增加了巖石的孔隙。在富鈣長石碎屑鈉長石化過程中,由于體積收縮和礦物溶解形成一些鈉長石晶間微孔和鈣長石溶解孔。3.5后期溶蝕增加儲層物性自生方解石和石英可以形成于火山物質(zhì)蝕變的各個階段,伴隨不同自生礦物一同沉淀[圖5(b)]。早期方解石膠結(jié)物破壞原生孔隙;但隨著烴源巖層排出的有機(jī)酸進(jìn)入巖層,自生方解石的后期溶蝕明顯提高儲層物性。凝灰質(zhì)被碳酸鹽交代后再溶解可形成次生孔隙[圖3(f)和圖5(f)]。自生石英通常充填粒間孔、氣孔或裂縫,對儲層具有破壞作用[圖5(e)]。部分充填氣孔的石英,也可能是埋藏之前形成。4關(guān)于孔省長發(fā)育的控制因素4.1中基性火山物質(zhì)蝕變結(jié)合前人研究及鏡下觀察,在下二疊統(tǒng)含火山物質(zhì)的油氣儲層中,早期的成巖作用以發(fā)育壓實(shí)作用、水化反應(yīng)、脫?；兔擅撌癁榈湫吞卣?圖6);隨著地層溫度的升高(44℃),形成一定量的早期沸石礦物類型(如斜發(fā)沸石)和自生微晶石英[圖5(b)]。至中成巖階段,蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化[圖5(b)]、長石向綠泥石轉(zhuǎn)化[圖3(d)]。在研究區(qū),蒙脫石礦物少見,多以伊/蒙混層產(chǎn)出,推測部分轉(zhuǎn)化為綠泥石。早期的沸石隨著溫度的升高和陽離子比率的改變轉(zhuǎn)化為方沸石、片沸石和濁沸石。鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)表明,鈉長石常出現(xiàn)在溫度高于120℃的地層,是方沸石、鉀長石或斜長石蝕變而成。在中成巖階段,伴隨烴源巖成熟,有機(jī)酸排出,方沸石大量溶蝕形成次生孔隙[圖5(a)]。鉀長石和斜長石被鈉長石交代是一個體積收縮的成巖過程,大量晶間孔形成。至中成巖B期,孔隙演化特征表現(xiàn)為膠結(jié)減孔[圖5(d)]。中基性火山物質(zhì)蝕變影響綠泥石膠結(jié)物大量生成,破壞孔隙空間。自生的石英和方解石可以出現(xiàn)在火山物質(zhì)蝕變的整個成巖過程[圖5(b)]。總體上,在中成巖階段,火山巖成巖作用以綠泥石化、方解石化、自生石英的析出為典型特征;(火山)碎屑巖以沸石化和方沸石的溶蝕最為常見,鈉長石化其次(圖6)。4.2下二疊統(tǒng)酸性水系統(tǒng)下二疊統(tǒng)含火山物質(zhì)的油氣儲層孔隙演化一定程度上受控于火山碎屑的蝕變程度、析出的自生礦物類型及后期的溶蝕作用,與母巖物質(zhì)組成、粒度密切相關(guān),并受地層溫度、壓力、孔隙水的化學(xué)性質(zhì)(如pH、陽離子比例)等因素控制。研究區(qū)中基性為主的火山物質(zhì)成分對蝕變礦物組合具有明顯的影響。碎屑巖-火山巖混合儲層中這些高含鐵鎂礦物的火山物質(zhì)蝕變影響綠泥石、白云石等含鎂礦物的形成。在中酸性熔巖和火山碎屑巖中未見大規(guī)模綠泥石膠結(jié),孔隙性相對較好[圖5(c)];基性玄武巖氣孔中綠泥石強(qiáng)烈膠結(jié),孔隙性較差(圖7)。在碎屑巖和中基性熔巖中鈉長石的形成主要是鉀長石或斜長石被鈉長石交代所致,中基性母巖不穩(wěn)定的斜長石組分含量高,可能更利于鈉長石化發(fā)生,從而形成大量鈉長石晶間孔?？?夏地區(qū)下二疊統(tǒng)碎屑巖儲層主要為發(fā)育在斷裂下盤的近源扇三角洲沉積,沉積水動力強(qiáng),河道沉積的砂、礫巖分選與磨圓較好,滲透性高,流體連續(xù)流入,雜基含量少,易于自生礦物的析出和酸性地下水的流動,為自生礦物的溶蝕提供了有利條件。受逆沖斷裂影響,百1772井(井位見圖1)佳木河組埋深較淺,地層水活躍,膠結(jié)作用明顯。如圖8(a)所示,對百1772井佳木河組砂、礫巖系統(tǒng)取樣分析發(fā)現(xiàn),泥質(zhì)或含泥的巖屑砂巖其膠結(jié)物相對較少,通常小于5%(未見明顯溶蝕現(xiàn)象);而雜基含量少的粗砂巖和礫巖膠結(jié)較致密,膠結(jié)物平均含量大于7%。圖8(b)和圖8(c)數(shù)據(jù)分別來自克304井和風(fēng)501井風(fēng)城組粗砂巖和礫巖,雜基含量少。分析表明,酸性水溶解先期的膠結(jié)物(如方沸石和濁沸石),同時次生孔隙產(chǎn)生,形成的現(xiàn)今孔隙度為9%～14%(埋深大于3650m);如果膠結(jié)物不溶或難溶(如片沸石),壓實(shí)膠結(jié)后剩余的孔隙度約為7.6%～9.2%[圖8(b)],即使在小于1200m的淺埋藏條件下,孔隙度也只能保存11%～13%[圖8(c)]?；鹕轿镔|(zhì)的蝕變過程及不同自生礦物的析出對溫度和壓力條件非常敏感,溫度升高及壓力增加可能有利于脫?；俺蓭r蝕變?？?夏地區(qū)石炭紀(jì)至早二疊世一直以來的火山活動使巖層溫度升高,有利于玻璃質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的活動及重新排列。玻璃質(zhì)變?yōu)榻Y(jié)晶質(zhì)體積變小?？?夏地區(qū)長期大規(guī)模的逆掩推覆和構(gòu)造擠壓加快玻璃質(zhì)的脫玻化進(jìn)程,在斷裂帶附近的巖心樣品中發(fā)現(xiàn)大量晶間孔和基質(zhì)孔;而在遠(yuǎn)離斷裂的百75井(井位見圖1)未見鈉長石和濁沸石等晚期成巖產(chǎn)物,可能說明在擠壓應(yīng)力相對較小的情況下火山物質(zhì)蝕變進(jìn)程相對較慢。二疊系風(fēng)城組為克-夏地區(qū)主力烴源巖層,隨著埋深的增加和溫度的升高,有機(jī)質(zhì)熱演化過程中釋放出大量的CO2和有機(jī)酸。這些溶解力強(qiáng)的酸性水隨泥巖壓實(shí)進(jìn)入砂體中,導(dǎo)致早期在堿性孔隙水中比較穩(wěn)定的沸石礦物發(fā)生溶蝕。另外,后期通過克-夏同生逆掩斷裂滲入的大氣水和黏土礦物成巖轉(zhuǎn)化脫水作用形成的孔隙水也是下二疊統(tǒng)酸性水的重要來源。通過對研究區(qū)