東營(yíng)凹陷古近系儲(chǔ)層成巖作用及其地球化學(xué)過(guò)程

東營(yíng)凹陷古近系儲(chǔ)層成巖作用及其地球化學(xué)過(guò)程

巖屑巖的化學(xué)成分作用的本質(zhì)是在地質(zhì)條件下形成的礦化學(xué)成分的物質(zhì)平衡和轉(zhuǎn)化。東營(yíng)凹陷古近系碎屑巖的巖性、巖相多樣,成巖演化的地球化學(xué)條件、控制因素也異常復(fù)雜,本文探討該凹陷沙河街組儲(chǔ)集層的化學(xué)成巖作用特征及主要控制因素。1礦物成巖作用東營(yíng)凹陷古近系儲(chǔ)集層中的碎屑礦物主要是石英和長(zhǎng)石,巖屑占一定比例,化學(xué)成巖作用過(guò)程涉及的地球化學(xué)問(wèn)題主要包括方解石的沉淀與溶解、長(zhǎng)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(yíng)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(zhǎng)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(lèi)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(guò)程中主要發(fā)生次生加大(見(jiàn)照片1a、b),自生石英呈自形或半自形充填在孔隙中(見(jiàn)照片1c),常見(jiàn)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(jiàn)長(zhǎng)石被溶蝕(見(jiàn)照片1d)。從約840m到3800m深度均可見(jiàn)石英次生加大或自形石英充填,且有隨深度增大而增強(qiáng)的趨勢(shì);1800～2600m和3100～3200m深度石英次生加大十分發(fā)育。盡管東營(yíng)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(guān),受成巖作用的影響相對(duì)較小。石英次生加大作用中的SiO2主要源自長(zhǎng)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(wú)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(jiàn)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(jiàn)圖1a),可完全充填粒間孔隙(見(jiàn)照片2a)或充填孔隙的局部(見(jiàn)照片2b)。早期碳酸鹽沉淀作用不強(qiáng),但流動(dòng)的水溶液不斷補(bǔ)充Ca2+和HCO-3,零星分布的方解石晶體越來(lái)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(gè)方解石膠結(jié)帶,3000m左右其含量達(dá)到最大值(見(jiàn)圖1a);隨埋深增大,白云石含量也相應(yīng)增大,2500～3000m深度增加趨勢(shì)最大(見(jiàn)圖1b)。碳酸鹽膠結(jié)物一般呈它形粒狀中細(xì)晶,也有粗—巨晶,或充填粒間孔隙,或交代碎屑顆粒,有時(shí)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(qiáng)度差別很大,有的孔隙已完全充填(見(jiàn)照片2c、d),有的局部充填在長(zhǎng)石的溶蝕縫(見(jiàn)照片3a)、孔隙中(見(jiàn)照片3b)。1.2石英與方解石的耦合關(guān)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(zhǎng)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(zhǎng)石鑄模(見(jiàn)照片3c、d)。常見(jiàn)石英與方解石之間的交代,有時(shí)同一樣品既能見(jiàn)到方解石交代石英,又能見(jiàn)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(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化主要發(fā)生在2600m以下深度,并有隨深度加大而增強(qiáng)的趨勢(shì)。較高的CO2含量和pH值較低的酸性環(huán)境最有利于長(zhǎng)石的高嶺石化,方解石沉淀與長(zhǎng)石的高嶺石化有關(guān),鉀長(zhǎng)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(duì)優(yōu)勢(shì)且相對(duì)穩(wěn)定的碎屑礦物,一般不發(fā)生溶解,個(gè)別井較深部位偶見(jiàn)溶解現(xiàn)象。1.3.2強(qiáng)溶蝕孔400m隨埋藏深度加大,東營(yíng)凹陷不同地區(qū)鉀長(zhǎng)石含量均有降低的趨勢(shì)(見(jiàn)圖2),斜長(zhǎng)石也有類(lèi)似特征。這與鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石的溶解和鈉長(zhǎng)石化有關(guān)。長(zhǎng)石溶蝕在約1300m深度局部出現(xiàn),約2100～2200m深度為強(qiáng)溶蝕帶,這一深度正好是有機(jī)質(zhì)向烴類(lèi)大規(guī)模轉(zhuǎn)化的門(mén)限深度,說(shuō)明長(zhǎng)石溶解與有機(jī)質(zhì)熱成熟的關(guān)系非常密切。長(zhǎng)石可沿解理縫溶蝕(見(jiàn)照片3c)或沿邊緣溶蝕(見(jiàn)照片4a),有的被溶蝕后形成鑄?？?見(jiàn)照片4b),溶蝕孔往往被方解石、鐵方解石或白云石充填。長(zhǎng)石溶解會(huì)形成自生高嶺石和SiO2沉淀,將K+和Ca2+釋放進(jìn)入水中,導(dǎo)致鉀長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化,促使黏土礦物形成并轉(zhuǎn)化。1.3.3不同儲(chǔ)藏深度方解石含量的變化白云石溶蝕不十分常見(jiàn),碳酸鹽礦物的溶解主要為方解石溶解,控制溶解反應(yīng)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(kāi)始發(fā)生,從泥巖中排出的有機(jī)酸促使長(zhǎng)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(dá)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(dǎo)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(shì)(見(jiàn)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(jìn)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(shū)頁(yè)狀充填在原生孔隙中,深部發(fā)育假六邊形高嶺石(見(jiàn)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?duì)罹G泥石(見(jiàn)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(shì)。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(zhǎng)石溶蝕作用共生(見(jiàn)照片6)。根據(jù)東營(yíng)凹陷北部?jī)?chǔ)集層I/S混層中蒙皂石層含量變化特征(見(jiàn)圖3),可將黏土礦物演化劃分為以下幾個(gè)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(yīng)的深度存在一定的差別。這些作用主要因長(zhǎng)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(dāng)埋深增大使溫度達(dá)165～210℃時(shí),如果環(huán)境變成偏堿性,會(huì)發(fā)生高嶺石和蒙皂石的溶解作用,導(dǎo)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(zhǎng)石溶解釋放的K+可導(dǎo)致高嶺石溶解形成伊利石,同時(shí)釋放的H+使pH值降低,導(dǎo)致鉀長(zhǎng)石進(jìn)一步溶解形成伊利石,又進(jìn)一步提供K+。2石油充注對(duì)化學(xué)成巖作用的影響前人對(duì)控制成巖作用的地球化學(xué)因素做過(guò)大量工作[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10],但對(duì)一些問(wèn)題并未取得一致認(rèn)識(shí),尤其是石油充注對(duì)化學(xué)成巖作用的影響。本文重點(diǎn)討論孔隙中流體性質(zhì)改變對(duì)成巖作用的影響。2.1鋁硅酸鹽溶解過(guò)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(méi)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(jī)質(zhì)向烴類(lèi)轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生大量有機(jī)酸,形成溶解能力很強(qiáng)的酸性水。這種酸性水進(jìn)入砂層后,改變了孔隙水的pH值,促進(jìn)鋁硅酸鹽和碳酸鹽礦物溶解,長(zhǎng)石礦物的溶解又使孔隙水中的SiO2濃度增加,促進(jìn)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(guò)程中,鋁的有機(jī)絡(luò)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(shí),如果缺乏絡(luò)合物,鋁的溶解度特別低,任何溶解下來(lái)的物質(zhì)都會(huì)在礦物顆粒周?chē)俪恋?造成孔隙度降低。二元酸的存在使鋁的活度增強(qiáng),能增大鋁硅酸鹽的溶解度。早期方解石充填雖會(huì)減少原生孔隙體積,也可抑制壓實(shí)作用。一旦有機(jī)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(fù)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(dòng),則不利于方解石充填物的溶解。2.2儲(chǔ)集層不同油層伊利石相對(duì)含量的變化孔隙流體的流動(dòng)對(duì)成巖過(guò)程起關(guān)鍵作用。聚集在儲(chǔ)集層中的烴類(lèi)會(huì)導(dǎo)致孔隙水中無(wú)機(jī)離子濃度降低,并改變孔隙水pH值,部分替換孔隙水的烴類(lèi)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(yíng)凹陷不同地區(qū)古近系碎屑巖礦物成分的鏡下觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析,與水層中鉀長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化程度相比,油層的鈉長(zhǎng)石化程度要小得多。但長(zhǎng)石的溶蝕作用并不因?yàn)槭偷某渥⒍⒓赐Ｖ?。?jù)東營(yíng)凹陷牛莊油田和勝坨油田部分樣品分析結(jié)果,無(wú)論淺部或深部,凡是含油砂巖,長(zhǎng)石類(lèi)及碳酸鹽類(lèi)礦物的溶解都十分強(qiáng)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(fù)雜,溶蝕作用形成的次生孔隙有利于烴類(lèi)聚集,而聚集的烴類(lèi)又為孔隙水提供一定量的有機(jī)酸,改變其pH值而促進(jìn)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(jiàn)圖4)。在顯微鏡下可見(jiàn),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?？刂苾?chǔ)集層中方解石沉淀的因素很多,但在深部?jī)?chǔ)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(lèi)充注導(dǎo)致碳酸鹽礦物的沉淀作用被抑制有必然聯(lián)系。東營(yíng)凹陷含油層或富含油層的伊利石含量較低,而含油級(jí)別較低的砂層(如油斑、熒光及水層)中伊利石含量較高(見(jiàn)圖3),這說(shuō)明烴類(lèi)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(shí)伊利石生長(zhǎng)受到抑制,而烴類(lèi)含量較低砂層的成巖環(huán)境變化小,伊利石能繼續(xù)生長(zhǎng)。但據(jù)部分井的資料分析,伊利石的相對(duì)含量與儲(chǔ)集層含油級(jí)別之間不存在依存關(guān)系,在2500～3500m深度范圍內(nèi),隨深度變化,不同含油級(jí)別儲(chǔ)集層中的伊利石含量都在增加(見(jiàn)圖3),富含油層伊利石相對(duì)含量增加幅度相對(duì)較小,其它含油級(jí)別的儲(chǔ)集層中伊利石相對(duì)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(shí),原油對(duì)成巖環(huán)境未造成明顯影響,伊利石生長(zhǎng)不受大的影響,而富含油層的含油飽和度高,對(duì)成巖環(huán)境影響明顯,并阻礙了孔隙流體的流動(dòng),對(duì)伊利石的生長(zhǎng)有一定的抑制作用;②原油是在成巖作用晚期進(jìn)入儲(chǔ)集層的。但據(jù)本區(qū)的實(shí)際資料,原油在約2900m深度開(kāi)始進(jìn)入儲(chǔ)集層,即在伊利石大量形成之前原油已進(jìn)入儲(chǔ)集層,表明原油進(jìn)入儲(chǔ)集層后,伊利石并未立即停止生長(zhǎng)。3儲(chǔ)集層油氣成巖環(huán)境的變化和油氣充注后油氣的運(yùn)成巖作用、地層水特征、有機(jī)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(zhǎng)石和碳酸鹽膠結(jié)物被溶蝕的結(jié)果;長(zhǎng)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(chǔ);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(jī)酸形成與分布密切相關(guān)。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(xué)條件的變化,而泥巖生成的有機(jī)酸進(jìn)入儲(chǔ)集層導(dǎo)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(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化程度比水層要低。無(wú)論深淺,含油砂巖的長(zhǎng)石類(lèi)及碳酸鹽類(lèi)礦物的溶解往往十分強(qiáng)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(zhǎng)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(jī)酸,又促進(jìn)了礦物的溶解作用,同時(shí)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(méi)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