下日哈坳陷二疊系碎屑巖儲層成巖作用

2011-06-05 10:37:16趙軍輝周立發

河北工程大學學報(自然科學版) 2011年3期

趙軍輝,周立發

（西北大學大陸動力學國家重點實驗室/地質學系,陜西西安 710069）

近年來,隨著油氣勘探領域的不斷擴展,我國對青藏高原的石油地質研究逐步展開,并取得了初步成果。尤其在青海祁連山南緣發現可燃冰并推斷其氣源可能來自下伏的海相二疊系和三疊系后,南祁連盆地油氣資源引起人們的廣泛關注。前人對南祁連盆地二疊系儲層研究程度甚低,本文主要通過對南祁連盆地下日哈坳陷儲層成巖作用進行初步探討,為該區更深入的石油地質研究和油氣勘探提供一點信息。

1 地質背景

南祁連盆地地處祁連山系南部,它是祁連褶皺系的重要組成部分[1-4],盆地呈北西-南東向。北側與廣泛發育前寒武系的中祁連相連,南部以宗務隆山與柴達木盆地相鄰。二疊系是南祁連盆地沉積蓋層主體組成部分之一,分布廣泛。大體以托萊河-大通河-哈爾蓋河-青海湖東-倒淌河一線為界,以北地區的二疊系主體為陸相沉積,以南地區的二疊系為海相沉積[5-6]。

研究區下日哈坳陷（圖1）位于天棚隆起、大通山隆起與陽康隆起之間,北與木里坳陷相連通。呈北西-南東向展布,近似長方形,面積約5 000 km2。總體構造形態為一由多個向斜和背斜組成的復式向斜,并伴有斷裂構造。南祁連盆地經歷了中二疊世的海侵-晚二疊世的海退旋回。處于盆地東南部的研究區主要發育碳酸鹽巖臺地相、濱岸相、淺海陸棚相和三角洲相的二疊系地層[7-9]。對于二疊系的劃分,眾多學者一直采用二分的方案,本文在總結前人研究成果的基礎之上采用二疊系三分的方案[10-11]。自下而上分別為中二疊統勒門溝組（P2l）、中二疊統草地溝組（P2c）、上二疊統哈吉爾組（P3h）、上二疊統忠什公組（P3z）,缺失下二疊統,各層位碎屑巖儲層發育。

2 儲層基本特征

2.1 儲層巖石學特征

鏡下研究結果表明,研究區二疊系砂巖類型主要為石英砂巖和長石石英砂巖,其次是長石砂巖。其中,石英砂巖和長石石英砂巖主要集中于中二疊統勒門溝組和草地溝組,上二疊統主要發育長石砂巖（圖2）。碎屑顆粒分選中等-好,磨圓度為棱角狀-次圓狀,膠結類型以孔隙式膠結為主。碎屑顆粒接觸關系基本為線狀接觸,少部分為點-線狀、縫合接觸。膠結物含量3%-27%,膠結物成分主要為泥質（綠泥石、水云母）、硅質及方解石。其中方解石分布不均勻,研究區東部部分砂巖中含有雜基,含量不等,多在10%-17%左右,少數砂巖中,雜基含量可高達40%。碎屑顆粒中,石英含量多在40%-95%之間,長石含量多為8%-25%,巖屑含量變化范圍較大,以5%-25%較為多見。區內二疊系砂巖巖屑類型較為豐富,主要包括各種淺變質碎屑巖、花崗巖、沉積巖、噴出巖及深變質巖,但以淺變質的碎屑巖和花崗巖為主體,噴出巖及深變質巖較少見。

2.2 儲層空間類型

根據常規薄片、鑄體薄片及掃描電鏡資料分析,研究區孔隙類型分為原生孔隙、次生孔隙以及裂縫三類。原生孔隙包括殘余粒間孔隙和填隙物粒內孔隙。次生孔隙主要指長石、巖屑、碳酸鹽及其它可溶性組分溶解而成的孔隙,主要包括溶蝕粒間孔隙、溶蝕粒內孔隙和溶蝕填隙物粒內孔隙（表1）。

表1 下日哈坳陷二疊系碎屑巖儲集空間類型Tab.1 Types of reservoir space in Permian clastic rock in Xiariha depression

3 成巖作用類型及特征

3.1 壓實作用

壓實作用是導致本區儲層低孔低滲的主要成巖因素之一,分為機械壓實作用和化學壓溶作用。機械壓實作用強烈,表現為顆粒緊密接觸（圖3a）,多為線接觸,碎屑顆粒的半定向排列以及塑性顆粒（云母、泥巖巖屑等）彎曲變形,有的進入孔隙中形成假雜基,局部見石英等剛性碎屑顆粒發生破裂形成裂紋。壓溶作用,表現為石英顆粒呈縫合線接觸,發育壓溶縫合構造。

壓實作用對儲層孔隙度和滲透率的影響主要反映在儲集巖埋藏的早期。隨著埋深的增加,由于各種膠結作用的出現,巖石具有一定的抗壓性,此時壓實作用對儲層物性的影響將逐漸減弱,取而代之的是各種膠結作用。

3.2 膠結作用

膠結作用是影響本區二疊系儲層物性主要的成巖作用。依據膠結物成分,將膠結作用劃分為碳酸鹽膠結、硅質膠結和黏土礦物膠結。

碳酸鹽膠結:研究區碳酸鹽膠結物分布廣泛,在二疊系各層位均有分布,膠結物以早期方解石為主,晚期的白云石、（鐵）方解石較少。其中,（鐵）方解石以不均勻地充填原生孔隙（圖3b）和交代石英和長石顆粒的形式出現,局部地區見連晶結構方解石。白云石分散充填于孔隙中,晶體自形程度較高。早期碳酸鹽膠結作用對儲層儲集性能有雙重影響,首先碳酸鹽膠結物減小儲集空間,同時亦可承載上覆壓力,為后期的酸性水介質溶蝕作用而形成次生孔隙提供前提條件[12]。

硅質膠結:硅質膠結以兩種形式出現,一種形式即石英次生加大（圖3c）,另一種呈集合體充填于孔隙之間,發育好的甚至可充填整個孔隙空間。硅質膠結物在整個研究區砂巖儲層中分布較廣泛,是二疊系砂巖儲層致密堅硬的主要原因之一。

黏土礦物膠結:本區粘土礦物膠結物以綠泥石和伊利石為主,高嶺石僅在局部發育。掃描電鏡下,高嶺石呈蠕蟲狀或書頁狀（圖3d）充填于孔隙中,伊利石呈彎曲片狀（圖3e）充填于孔隙中,綠泥石呈不規則的片狀、絨球狀充填于孔隙中。高嶺石膠結物的存在,一方面堵塞了原生孔隙,降低了儲層的滲透性能,另一方面可以形成晶間孔隙,增大儲集空間,而綠泥石和伊利石膠結物的存在減小了孔隙喉道,降低孔喉間的連通性,對儲層的滲透性能有較大的負面影響。

3.3 交代作用

本區交代作用分布較廣,主要為兩種類型:其一為膠結物對碎屑顆粒的交代作用;其二是不同膠結物之間的交代作用。

膠結物對碎屑顆粒的交代:主要表現為方解石膠結物交代碎屑顆粒（圖3f）,交代作用程度較弱。多數情況下,充填于粒間孔隙中的方解石膠結物沿碎屑顆粒邊緣進行溶蝕交代,使部分碎屑顆粒呈現不同程度的交代,特別是石英和長石等顆粒交代最為明顯,有時使顆粒呈殘骸狀、港灣狀,使少數顆粒反而孤立地漂浮在膠結物之中。碎屑顆粒的粒內交代現象也可見到,但數量較少。

其次表現為粘土礦物（伊利石）對碎屑顆粒的交代。在富含粘土基質的砂巖中,可見到粘土礦物尤其是伊利石交代石英顆粒或長石顆粒的現象,被交代的顆粒邊緣多為鋸齒狀。

不同膠結物之間的交代:主要表現為方解石交代粘土礦物,富含粘土基質的砂巖中較早形成的粘土礦物膠結物被方解石膠結物交代,這可能與地下水溶液中鈣離子濃度較高,某些粘土礦物變得不穩定,易被交代有關。

3.4 溶蝕作用

溶蝕作用是深層儲層次生孔隙形成的主要機理,是一種建設性的成巖事件。本區溶蝕作用主要表現為長石（圖3g）、巖屑及少量石英被選擇性溶蝕,鈣質膠結物被選擇性溶蝕成粒間孔,沿構造縫溶蝕形成構溶縫,石英的壓溶使得石英的邊緣呈現港灣狀。但由于區內壓實作用、膠結作用強烈,使得有機質在熱演化過程中排出的酸性水不能有效地進入砂巖儲層中形成溶蝕作用或將溶解物質帶出,其結果使區內砂巖儲層中溶蝕作用微弱,僅形成局部分布的、少量的和孤立的次生孔隙（圖3h）。

4 成巖階段及成巖序列

4.1 成巖階段

依據中國石油天然氣行業標準《碎屑巖成巖階段劃分規范》（SY/T5477-2003）中堿性水介質（鹽湖盆地）環境下成巖階段劃分標準和依據[13],通過對自生礦物分布形成順序,有機質成熟度,古溫度等多種特征的綜合分析,初步認為本區二疊系儲集層已進入中成巖階段A期及中成巖階段B期（圖4）,主要成巖事件為破壞性成巖作用即壓實作用和膠結作用,建設性成巖作用即溶蝕作用發育不強。得出上述結論的主要依據是:

（a）古溫度范圍為130℃-180℃。（b）有機質處于高成熟階段,鏡質體反射率（Ro）為1.25%-2%。（c）砂巖中石英次生加大普遍,薄片下大部分石英具有交生加大,且加大邊寬。（d）掃描電鏡下,巖石已較致密,有微裂隙（縫）出現。（e）高嶺石很少,主要為伊利石、綠泥石。

4.2 成巖序列

根據對成巖作用及自生礦物成因分析,結合鏡下的各類成巖現象,區內成巖作用演化具體表現如下:壓實作用→高嶺石化、絹云母化→早期鈣、鐵質膠結→石英加大→早期溶蝕作用→烴類運移作用→晚期鈣質膠結→交代作用→粘土礦物和重結晶→晚期溶蝕作用→連生結構方解石膠結（→褐鐵礦化）。

5 成巖作用對儲層的影響

根據對儲層的影響,可將成巖作用分為破壞性成巖作用即壓實作用和膠結作用,建設性成巖作用即溶蝕作用。

5.1 壓實壓溶作用

由于碎屑巖儲集層中陸源基質含量高,沉積后大量細小物質充填在碎屑顆粒之間,使原始孔隙度明顯降低,加上呈柔性的巖屑含量較高,導致壓實壓溶效應顯著,使儲集層物性條件明顯變差。表現為碎屑顆粒緊密排列,碎屑顆粒間呈線-凹凸狀接觸,柔性巖屑變形強烈發生假雜基化。流動孔隙進一步減少,束縛孔隙增多,一些孔隙成為孤立狀死孔隙。這一作用對粒度中值細、陸源基質含量高的粉砂巖-細砂巖影響尤其明顯,是區內儲集層物性條件普遍變差的主要影響因素之一。

5.2 膠結作用

膠結作用對物性條件變差所起作用顯著加大。具體表現在碎屑巖儲層中再生長石英等硅質膠結物的沉淀、填充,方解石膠結物的廣泛分布及自生粘土礦物伊利石、綠泥石的形成來進一步填充殘余的粒間孔隙及堵塞喉道,使孔喉展布更加復雜。其結果是本來相對物性較好的儲層也遭到了不同程度的破壞,最終使物性條件變差。

5.3 溶蝕作用

溶蝕作用一方面使原有的孔隙系統得到擴大,孔隙間連通性變好,另一方面對儲集層的碎屑組分進行新的改造,也可產生新孔隙。具體到本區內部,溶蝕作用強度不大。碎屑巖儲集層中局部地區,局部層段可見少量溶蝕現象存在。因此,多形成零星分布的孤立狀溶蝕孔隙,對物性條件改善所起貢獻不大。因此,區內儲層表現出整體物性差的特點。