鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)長8油層成巖作用與成巖流體研究

鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)長8油層成巖作用與成巖流體研究

1長8油層組儲(chǔ)層精細(xì)成巖作用及其發(fā)育特征涇河地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊山斜坡的中東部（圖1），面積約1.12.14km2。長8油層組位于上三疊統(tǒng)延長組中下部(表1),主要為一套灰色砂巖、暗色泥巖及薄煤層互層組合,屬于典型淺水三角洲沉積。該區(qū)長8油層組研究程度相對較低,但已有勘探成果表明長8油層組為姬塬地區(qū)最為有利的油氣聚集層位之一,發(fā)育巖性-地層型和巖性-構(gòu)造復(fù)合型油藏。鐘筱春等對長8油層組儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,認(rèn)為該油層組儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)差,儲(chǔ)層厚度和物性變化很大,但對影響儲(chǔ)層物性的主控因素,尤其是成巖相尚缺乏系統(tǒng)研究。筆者在沉積相特征研究的基礎(chǔ)上,主要對該區(qū)長8油層組砂巖儲(chǔ)層的成巖作用類型和成巖流體性質(zhì)進(jìn)行了分析,并劃分成巖相和確定成巖相與儲(chǔ)層發(fā)育的關(guān)系,為儲(chǔ)層和油藏預(yù)測評價(jià)提供依據(jù)。Fig.1Tectoniclocationofthestudyarea2含礦巖屑巖粒的制備長8油層組儲(chǔ)層砂巖主要為細(xì)—中砂巖,巖石類型主要為長石砂巖、巖屑長石砂巖及長石巖屑砂巖。砂巖各物質(zhì)組分的體積分?jǐn)?shù)變化較大:石英體積分?jǐn)?shù)為27%～50%,以單晶石英為主;長石類型主要為斜長石、條紋長石,含少量微斜長石,體積分?jǐn)?shù)為16%～57%;巖屑體積分?jǐn)?shù)為11%～48%,包括千枚巖、板巖、片巖、變石英巖及云母碎屑等;長石和巖屑的高含量反映出砂巖成分成熟度總體偏低。砂巖骨架顆粒多呈棱角—次棱角狀,顆粒之間以線接觸—凹凸接觸為主,次為點(diǎn)接觸,支撐方式多為顆粒支撐,以接觸式和孔隙式膠結(jié)為主,碎屑顆粒分選較好但磨圓較差,反映其結(jié)構(gòu)成熟度為中等偏低。砂巖中的填隙物體積分?jǐn)?shù)一般為6.5%～10%,個(gè)別樣品可達(dá)20%,主要為黏土雜基和綠泥石、方解石及石英等膠結(jié)物,其中方解石膠結(jié)物含量局部很高。重礦物體積分?jǐn)?shù)一般不超過3%,以石榴石和鋯石為主,次為綠簾石、電氣石、榍石,含少量白鐵礦、磁鐵礦、銳鈦礦及獨(dú)居石等。3化物組分的作用姬塬地區(qū)長8油層組物源區(qū)母巖主要為低—中級(jí)變質(zhì)巖與火成巖組合的雜巖體,其風(fēng)化物含大量云母、長石和富鐵礦物等不穩(wěn)定組分。這些不穩(wěn)定的碎屑物被搬運(yùn)至湖盆后,首先與湖水發(fā)生水解作用,其水解產(chǎn)物為綠泥石早期環(huán)邊膠結(jié)作用提供了物質(zhì)來源。沉積物被埋藏以后還將先后發(fā)生一系列成巖事件(圖2),對儲(chǔ)層造成不同的影響。3.1成巖階段及顆粒接觸松散沉積物脫離上覆水體后,在上覆壓力作用下總體積將逐漸縮小、孔隙度隨之降低,這一成巖過程貫穿了整個(gè)成巖階段。并伴隨著埋深不斷加大,顆粒接觸處在高壓作用下將發(fā)生溶解。姬塬地區(qū)長8油層組碎屑顆粒以線接觸—凹凸接觸為主,少量為縫合線接觸[圖2(a),云母碎屑和泥巖屑有較強(qiáng)撓曲變形[圖2(b),反映了較強(qiáng)的壓實(shí)-壓溶作用,這是原生粒間孔隙強(qiáng)烈縮減的主要原因。3.2儲(chǔ)層物性下降姬塬地區(qū)長8油層組膠結(jié)作用較為發(fā)育,由于膠結(jié)物占據(jù)了部分孔隙空間,不同程度地降低了儲(chǔ)層物性,從而也導(dǎo)致儲(chǔ)層物性變差和非均質(zhì)性增強(qiáng)。但膠結(jié)作用同時(shí)提高了抗壓實(shí)能力,可有效地保護(hù)原生粒間孔隙。3.2.1早期礦物充填的成巖現(xiàn)象自生黏土礦物在長8油層組砂巖中廣泛分布,常見的有高嶺石、綠泥石、伊利石和伊蒙混層。以發(fā)生在早成巖階段的綠泥石膠結(jié)作用最為重要,綠泥石呈環(huán)邊薄膜狀覆蓋于碎屑顆粒周圍[圖2(c)和圖2(d)。已有研究成果[11,12,13,14,15,16]表明,早成巖階段鹽度較高的孔隙水環(huán)境中砂巖更容易發(fā)生綠泥石環(huán)邊膠結(jié)作用,當(dāng)環(huán)邊綠泥石薄膜厚度保持在5～8μm時(shí),可有效地抑制壓實(shí)和石英碎屑次生加大。長8油層組暗色泥巖具有較高的伽馬蠟烷含量(圖3),按照峰面積計(jì)算出伽馬蠟烷和藿烷(αβ+βα)的比值為0.17,這一數(shù)值與東濮凹陷(a)顆粒呈線接觸—凹凸接觸(+),對角線長度1.3mm,黃47井,2596.2m,長81;(b)撓曲的云母礦物(+),對角線長度0.65mm,黃51井,3087.7m,長82;(c)附著于碎屑顆粒表面的綠泥石薄膜,耿221井,2611.6m,長82;(d)原生粒間孔隙和鑄?？纵^為發(fā)育,早期鈣質(zhì)膠結(jié)物充填部分原生粒間孔,部分長石碎屑被白云石交代(-),對角線長度1.3mm,耿221井,2611.6m,長82;(e)絲縷狀伊利石及蜂巢狀伊蒙混層覆蓋于綠泥石包膜之上,黃51井,3087.7m,長82;(f)充填于粒間孔隙中的書頁狀高嶺石集合體,黃47井,2596.2m,長81;(g)鈣質(zhì)膠結(jié)物充填粒內(nèi)及長石粒間溶孔(+),對角線長度1.3mm,羅31井,2828.2m,長81;(h)方解石膠結(jié)物交代石英和長石,被交代的石英碎屑呈港灣狀,被交代的長石僅存“幻影”(+),對角線長度1.3mm,羅31井,2828.2m,長81;(i)長石次生加大呈階梯狀,耿88井,2754.3m,長81;(j)充填于粒間孔隙中的石鹽晶體,耿129井,2637.2m,長81;(k)充填于溶孔中的硬石膏(+),對角線長度0.65mm,黃51井,3087.7m,長82;(l)被綠泥石交代的次生石英,耿221井,2611.6m,長82;(m)充填于長石粒內(nèi)溶孔中的次生鈉長石及高嶺石,黃47井,2596.2m,長81;(n)長石粒內(nèi)溶孔及充填于溶孔中的自生石英,耿88井,2754.3m,長81;(o)方解石膠結(jié)物充填顆粒裂縫(+),對角線長度0.65mm,耿88井,2754.3m,長81圖2姬塬地區(qū)長8油層組典型成巖現(xiàn)象Fig.2TypicaldiageneticeventsofChang8oil-bearinglayersandstoneinJiyuanarea衛(wèi)20井沙三段頂部蒸發(fā)巖中的伽馬蠟烷與藿烷(αβ+βα)比值(0.13～0.33)相當(dāng),說明其沉積環(huán)境為偏堿性的咸水環(huán)境,有利于早成巖階段綠泥石環(huán)邊膠結(jié)作用。研究區(qū)內(nèi)長8油層組的巖石薄片和掃描電鏡分析結(jié)果表明,綠泥石環(huán)邊膠結(jié)作用僅發(fā)育在湖岸線之外的三角洲前緣部位,而主要受淡水影響的三角洲平原綠泥石環(huán)邊膠結(jié)不發(fā)育,此特征決定了三角洲前緣相帶具有更強(qiáng)的抗壓實(shí)性而有利于原生孔隙的保存。Fig.3GC-MSchromatogramofmudstoneofChang8oil-bearinglayerinJiyuanarea伊蒙混層和伊利石黏土礦物膠結(jié)物形成時(shí)間依次晚于環(huán)邊綠泥石,常呈絲縷狀或蜂巢狀覆蓋于碎屑顆粒的綠泥石包膜之上[圖2(e),很容易堵塞砂巖孔喉,因此,伊蒙混層和伊利石黏土礦物膠結(jié)物對砂巖的滲透性有較大破壞作用。自生高嶺石呈書頁狀或手風(fēng)琴狀充填于粒間[圖2(f),起分散膠結(jié)作用,對儲(chǔ)層物性影響不大。3.2.2早期膠結(jié)充填非織造材料姬塬地區(qū)長8油層組碳酸鹽膠結(jié)作用十分普遍,但不均勻,主要包括方解石、鐵方解石、白云石和鐵白云石等膠結(jié)物,一般缺乏明顯早期膠結(jié)特征,并呈晶粒狀充填部分原生孔隙[圖2(d),局部呈現(xiàn)強(qiáng)烈占據(jù)孔隙的連晶結(jié)構(gòu)[圖2(g)和(h)。因此,碳酸鹽膠結(jié)作用對儲(chǔ)層可造成不同程度的破壞,其中以方解石連晶充填膠結(jié)作用對儲(chǔ)層物性的破壞和非均質(zhì)性的影響最為嚴(yán)重。3.2.3壓實(shí)-壓溶作用姬塬地區(qū)長8油層組砂巖中石英和長石顆粒的次生加大膠結(jié)作用很普遍,以石英次生加大更常見,通常發(fā)生在環(huán)邊綠泥石膠結(jié)作用薄弱的位置,加大后的顆粒多呈線接觸或凹凸接觸[圖2(a),顯然與較強(qiáng)的壓實(shí)-壓溶作用有關(guān);長石次生加大邊呈階梯狀[圖2(i),其形成與長石的熱液溶蝕和再沉淀作用有關(guān)。碎屑顆粒次生加大,特別是石英的次生加大,不僅縮小孔喉半徑和降低巖石的孔隙、滲透性,甚至堵塞部分喉道而對儲(chǔ)層物性影響較大。3.2.4充填晶間微孔硬石膏和石鹽的膠結(jié)作用發(fā)生在較晚的中成巖階段,其中石鹽分布較為普遍,常呈微細(xì)的立方體充填在碎屑顆粒的綠泥石、伊利石及伊蒙混層包膜的晶間微孔中[圖2(j);硬石膏較為少見,一般呈連晶狀充填于長石粒內(nèi)溶孔中[圖2(k)。3.3不同黏土礦物對石英的描述姬塬地區(qū)長8油層組以方解石交代長石和石英的現(xiàn)象最為常見,如石英碎屑邊緣常呈被方解石交代的港灣狀[圖2(h),長石被方解石徹底交代后僅殘留長石碎屑幻影[圖2(h)。黏土礦物交代石英的現(xiàn)象也較為常見,主要是中成巖階段的自生綠泥石、伊利石、高嶺石等黏土礦物溶蝕和交代自生石英[圖2(l)。此外,還能見到少量的片狀云母礦物綠泥石化及白云石交代斜長石的現(xiàn)象[圖2(d)。研究區(qū)長8油層組砂巖的重結(jié)晶作用主要為不同成巖期次形成的晶粒狀方解石膠結(jié)物重結(jié)晶為連生方解石的過程[圖2(h)。3.4初次孔隙貢獻(xiàn)砂巖中礦物組分被溶蝕是形成次生孔隙的重要因素,姬塬地區(qū)長8油層組砂巖中長石的溶蝕對次生孔隙貢獻(xiàn)最大。斜長石首先遭受溶蝕且溶蝕強(qiáng)度最高,一般沿解理面開始溶蝕形成微溶縫[圖2(m),然后逐漸擴(kuò)大形成溶孔[圖2(n),甚至完全被溶蝕而形成鑄?？譡圖2(d)。部分巖屑和膠結(jié)物,如云母和方解石膠結(jié)物也有溶蝕現(xiàn)象,多形成微細(xì)的溶孔或溶縫。3.5礦物組分間的反應(yīng)伴隨長石的強(qiáng)烈溶蝕,孔隙流體富含Al2O3、SiO2?332-等組分,這些組分的分異并與其他金屬陽離子的再結(jié)合而導(dǎo)致熱液礦物,如自生高嶺石、綠泥石、伊利石、鈉長石、石英、石鹽、硬石膏和黃鐵礦等次生礦物的沉淀,這些自生礦物常共生和充填于次生溶孔中[圖2(m)和圖2(n)。3.6采出工巖的裂縫發(fā)育姬塬地區(qū)長8油層組砂巖的破裂作用不甚發(fā)育,偶爾可見到方解石充填在碎屑顆粒的破裂縫中[圖2(o),多為成巖壓實(shí)過程的產(chǎn)物,而構(gòu)造裂縫僅在巖心中偶爾見到。4巖序列和形成模式4.1不同成巖流體的力學(xué)特性依據(jù)含烴鹽水包裹體的測試結(jié)果(表2),可確定姬塬地區(qū)長8油層組砂巖中存在多期物理和化學(xué)性質(zhì)有明顯差異的成巖流體,可劃分出71℃、102～124℃、130～139℃3個(gè)分別對應(yīng)于早成巖階段B期、中成巖階段A1期、中成巖階段A2期的成巖溫度段,相對應(yīng)的各成巖溫度段流體鹽度也逐漸升高,反映了不同的成巖流體性質(zhì)。4.2巖序列和形成模式4.2.1生物化學(xué)單體準(zhǔn)同生階段主要為鋁硅酸鹽的水化作用,包括綠泥石及云母類礦物與底層水發(fā)生反應(yīng),水解為黏土及其他化學(xué)成分。此時(shí)沉積物一般處于弱還原的成巖環(huán)境,一些次生礦物沿沉積界面開始形成,如黏土化的云母類碎屑在沉積物表面發(fā)生微晶菱鐵礦化。這一時(shí)期有機(jī)質(zhì)開始經(jīng)歷細(xì)菌的分解和水解,轉(zhuǎn)化為分子量較低的脂肪酸、氨基酸等生物化學(xué)單體。早成巖階段A期,沉積物處于淺埋藏階段,鋁硅酸鹽的水解作用、有機(jī)質(zhì)的有氧呼吸持續(xù)進(jìn)行,隨沉積物埋深增大,壓實(shí)強(qiáng)度增加,蒙皂石開始向伊蒙混層轉(zhuǎn)化。壓實(shí)過程中伴隨大量孔隙水的排出,沉積物體積不斷縮小,這一階段沉積物體積縮減量最大,同時(shí)原生粒間孔開始發(fā)生綠泥石薄膜的環(huán)邊膠結(jié)作用,在一定程度增強(qiáng)了砂巖抗壓實(shí)能力,使得部分原生粒間孔在深埋藏過程中得以保存。需要指出的是,姬塬地區(qū)長8油層組為一套煤系地層,泥巖中有機(jī)質(zhì)豐富,高含量的有機(jī)質(zhì)有氧呼吸可形成大量CO2,過量供給的CO2與水結(jié)合形成高豐度HCO3-離子的流體環(huán)境而不利于方解石沉淀,因此,研究區(qū)長8油層組砂巖準(zhǔn)同生—早成巖階段A期缺乏鈣質(zhì)膠結(jié)作用。4.2.2巖性礦物充填的sio此階段綠泥石的環(huán)邊膠結(jié)作用繼續(xù)發(fā)生,隨沉積物埋深逐漸加大,地層壓力和溫度不斷升高,當(dāng)有機(jī)質(zhì)組分進(jìn)入具有一定溫度和壓力條件的生烴階段,生烴過程可產(chǎn)生大量酸性有機(jī)熱液。當(dāng)有機(jī)熱液一旦進(jìn)入砂巖時(shí),首先沿粒間孔對不穩(wěn)定的碎屑顆粒或填隙物組分如碎屑長石、巖屑和雜基等組分,進(jìn)行強(qiáng)烈溶蝕而形成豐富的粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鑄?？?并形成方解石、鈉長石[圖2(m)、石英和熱液高嶺石等自生礦物充填物,由長石溶蝕產(chǎn)生的Ca2+離子被認(rèn)為是充填長石粒內(nèi)溶孔的霧狀方解石膠結(jié)物的主要來源。隨著壓實(shí)強(qiáng)度和地溫增大,石英顆粒接觸處壓力超過正?？紫读黧w壓力導(dǎo)致石英遭受溶解和變形,SiO2水化為H4SiO4分子并以石英顆粒表面的水膜為通道向周圍孔隙運(yùn)移。由于孔隙流體壓力小于顆粒接觸點(diǎn)壓力,因此,游離SiO2很快在孔隙附近以石英次生加大邊的形式沉淀下來,這一過程可持續(xù)到中成巖階段?？傮w看來,早成巖階段B期的溶蝕作用有利于次生孔隙形成,而各類次生礦物的沉淀也對儲(chǔ)層造成一定程度的破壞。4.2.3充填礦物顆粒內(nèi)溶孔中成巖階段A1期和A2期的孔隙流體具有繼承性演化的性質(zhì)。中成巖階段A1期,隨著長石的不斷被溶蝕和有機(jī)酸熱液的消耗,孔隙流體pH值逐漸升高。伴隨幕式排烴作用,大量CO2隨脫羧基后的烴類進(jìn)入砂巖儲(chǔ)層,并與流體中的Ca2+離子結(jié)合形成質(zhì)純的方解石膠結(jié)物,充填部分原生粒間孔隙和長石粒內(nèi)溶孔。中成巖階段A2期,充填長石粒內(nèi)溶孔和原生粒間孔的方解石膠結(jié)物逐步交代長石和與之接觸的石英顆粒,形成連晶方解石膠結(jié)物,被方解石完全交代的長石原有外形依稀可辨。白云石膠結(jié)物也于該階段開始沉淀,這一成巖時(shí)期局部發(fā)育硬石膏和石鹽次生礦物,是成巖流體具有高鹽度性質(zhì)的顯著標(biāo)記。中成巖階段長石和巖屑的繼續(xù)溶蝕作用能在一定程度上改善儲(chǔ)層,而碳酸鹽的膠結(jié)和交代作用,對儲(chǔ)層的破壞極為嚴(yán)重,特別是中成巖A2期方解石的連生膠結(jié)作用,導(dǎo)致大量原生粒間孔和次生溶孔幾乎被完全充填。姬塬地區(qū)長8油層組Ro為0.8%～1.2%,伊蒙混層中蒙皂石含量小于5%,同時(shí)流體包裹體分析顯示,長8油層組與油包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度最高為139℃(表2),處于中成巖階段A2期(圖4)。Fig.4DiagenesistypesandevolutionpatternsofChang8sandstoneinJiyuanarea5孔隙水化學(xué)成巖相控制碎屑巖成巖相包括碎屑沉積時(shí)的物理化學(xué)環(huán)境、固結(jié)成巖方式及成巖過程孔隙水演化歷史幾個(gè)方面,系指特定沉積和成巖物理化學(xué)環(huán)境中的物質(zhì)表現(xiàn)和成巖作用組合與演化的總體特征,某一位置可能同時(shí)受多種成巖相控制,需要對成巖相進(jìn)行歸并、組合,總結(jié)其對儲(chǔ)層發(fā)育的控制規(guī)律。5.1成巖作用組合根據(jù)代表性的成巖類型,姬塬地區(qū)長8油層組可劃分為綠泥石環(huán)邊膠結(jié)相、長石溶蝕相、碳酸鹽膠結(jié)相及壓實(shí)相4個(gè)典型的成巖相,進(jìn)而根據(jù)膠結(jié)方式和成巖強(qiáng)度劃分出綠泥石環(huán)邊膠結(jié)—溶蝕相、溶蝕—碳酸鹽膠結(jié)相、方解石連生膠結(jié)相及致密泥巖壓實(shí)相4個(gè)成巖相(組合)[圖5(a),各成巖相具有不同的成巖作用組合和儲(chǔ)層發(fā)育特征。5.2吉帕區(qū)的成巖相特征組合5.2.1原生粒間孔特征該成巖相組合位于姬塬地區(qū)中部,大致以南、北湖岸線為界,主要發(fā)育在水下分流河道中(圖5),以早期綠泥石環(huán)邊膠結(jié)作用為主,同時(shí)具有長石溶蝕、石英次生加大、次生高嶺石充填孔隙及碳酸鹽膠結(jié)部分原生粒間孔等特征[圖6(a)。得益于早期的綠泥石環(huán)邊膠結(jié),砂巖中的大量原生粒間孔隙得以保存,儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)較好,大部分孔喉直徑為0.1～2.5μm,其中0.6μm以上的中—粗喉道占40%以上[圖6(a)。砂巖密度介于2.3～2.4g/cm3,為所有樣品實(shí)測密度最小值,而孔隙度最高,平均達(dá)12.89%,平均滲透率約1.73×10-3μm2,平均孔徑0.22μm,平均排驅(qū)壓力低于1MPa(表3),為最有利儲(chǔ)層發(fā)育的成巖相。5.2.2膠結(jié)相充填儲(chǔ)層物性分析長石溶蝕與碳酸鹽膠結(jié)是姬塬地區(qū)最為普遍的兩種成巖作用,碳酸鹽膠結(jié)物常充填部分長石粒內(nèi)溶孔及粒間孔隙。研究區(qū)北部、西部及南部三角洲平原地區(qū)主要為溶蝕—碳酸鹽膠結(jié)相(圖5),以碳酸鹽(主要為方解石膠結(jié)物)不完全充填孔隙為特征[圖6(b)。由于部分原生粒間孔隙及長石粒內(nèi)溶孔部分被碳酸鹽充填,因此此類儲(chǔ)層物性要差于綠泥石環(huán)邊膠結(jié)—溶蝕相區(qū),缺少0.6μm以上的粗大孔喉,孔喉直徑主要為0.1～0.6μm[圖6(b)。砂巖密度介于2.4～2.5g/cm3,平均2.44g/cm3,物性稍差,平均孔隙度約7.62%,平均滲透率0.2×10-3μm2,平均孔徑0.14μm(表3),平均排驅(qū)壓力明顯增大,為較有利儲(chǔ)層發(fā)育的成巖相。5.2.3膠結(jié)相儲(chǔ)層的表征該成巖相組合呈點(diǎn)狀分布于羅31井、羅27井、安72井及元147井周圍[圖5(a),主要為方解石充填長石粒內(nèi)溶孔,并逐漸交代殘余長石而形成較大面積的鈣質(zhì)膠結(jié)物,膠結(jié)物中原有顆粒形態(tài)依稀可辨,并有霧心殘余[圖6(c)。方解石的連生膠結(jié)作用對儲(chǔ)層的破壞是致命的,此類膠結(jié)相下的砂巖幾乎只殘存了直徑在0.4μm以下的束縛孔隙[圖6(c)。該成巖相的砂巖密度最大,所有樣品實(shí)測密度為2.5～2.6g/cm3,平均2.56g/cm3,而平均孔隙度最低,僅