海拉爾—塔木察格盆地凝灰質儲層次生孔隙及堿交代作用

孫先達，李宜強，崔永強，張民志，殷 嬌

（1．中國石油大學（北京）石油工程學院，北京昌平 102249； 2．中國石油大學（北京）提高采收率研究院，北京昌平

102249； 3．大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶 163712； 4．大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江大慶 163414）

海拉爾—塔木察格盆地凝灰質儲層次生孔隙及堿交代作用

孫先達1，2，3，李宜強2，崔永強3，張民志3，殷 嬌4

（1．中國石油大學（北京）石油工程學院，北京昌平 102249； 2．中國石油大學（北京）提高采收率研究院，北京昌平

102249； 3．大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶 163712； 4．大慶油田有限責任公司第二采油廠，黑龍江大慶 163414）

海拉爾—塔木察格盆地凝灰質儲層次生孔隙成因為堿交代作用和流體致裂作用．堿交代作用以大規模堿性流體堿解和堿交代為核心特征；流體致裂作用包含構造流體壓裂作用、流體泵壓、引張溶蝕非平衡動力學作用．該地區經過多年勘探未發現常規砂巖儲層，但在主體勘探目的層南屯組以下發現凝灰質類儲層，在1 400～1 900m的次生孔隙儲集空間主控油氣藏，次生孔隙比例為40%～80%，在2 000m以下的次生孔隙比例大于90%，儲集作用及空間格局與常規砂巖儲層完全不同，溶蝕格局在常規砂巖中未見．伴隨次生孔隙形成，凝灰質儲層中發生大規模堿性溶解和交代現象，形成大量堿性成因標型礦物組合，如柯綠泥石、鈉板石、碳鈉鋁石、方沸石、綠磷石、鈰褐簾石、鐵綠泥石等，呈現大規模堿性作用的次生孔隙成因控制格局，與此同時，發生天然構造流體致裂作用形成微裂縫．

堿性溶解；堿交代作用；凝灰質儲層；成因礦物學；凝灰質；海拉爾—塔木察格盆地

0 引言

堿交代現象在礦床研究中受到地質研究者關注［1］，指在大量堿質（主要是鈉和鉀，有時還有鋰、銣、銫）及酸性揮發分共同參與下，巖石發生堿增量，并使巖石陽離子集團的原子價結構產生歧化和空間再分配的一種熱液作用［2］．杜樂天研究金屬、非金屬和稀土礦床資料，認為它們的地質成礦作用可統稱為富堿熱流體作用［2］．堿交代作用包含幾十種親氧、親硫元素的礦化類型成礦的基本規律，是熱液作用成礦的主體，還是一系列內生成巖作用（如花崗巖、混合巖、堿性巖、內生碳酸巖和細碧角斑巖等），以及與地幔脫氣、脫水、脫堿熱流體有關的地殼深部交代作用的重要機制［3］．地幔流體即烴堿流體，是發生在地幔和地殼堿交代作用的根本原因，烴和堿在地幔流體中共存．基于堿交代作用分析，認為勝利油田油氣與膠東熱液金礦具有統一的烴堿來源［4］．

烴堿流體地球化學在地球化學層面統一礦床學和石油地質學，在石油地質和金屬、非金屬地質研究之間建立聯系．邱隆偉等研究泌陽凹陷堿性成巖作用及其對儲層的影響，指出原始沉積環境和沉積物特征決定泌陽凹陷主體部位儲層的埋藏成巖作用，是一種總體以堿性地層水為背景的堿性成巖作用，在堿性成巖作用的作用下，儲層中次生孔隙的發育特征和經典成巖作用有較大不同［5］，進而將堿性流體和堿交代作用引入油氣領域．

張民志等研究海拉爾盆地柯綠泥石和鈉板石特征及其地質意義，指出海拉爾盆地以柯綠泥石和鈉板石為代表的次生礦物，形成于富鈉和活性鋁的堿性流體成巖環境，是大規模堿交代作用的結果；在柯綠泥石和鈉板石共生的碳鈉鋁石發育帶，發現具有工業意義的幔源CO2氣藏，證實烴堿流體地球化學中堿烴并存理論［6］．

含油氣盆地對應大規模上地幔和軟流層隆起，地幔烴堿流體上升進入含油氣盆地．烴堿流體與含油氣盆地的關系包括碳硅泥巖系與烴源巖的關系、基底巖石（火山巖）堿交代作用、堿性地層水來源、油氣的來源，以及碎屑巖儲層演化規律等．

海拉爾—塔木察格盆地（簡稱海—塔盆地）地處東經115°30′～120°00′、北緯46°00′～49°00′，橫跨中蒙邊界，為松遼盆地外最大的中、新生代陸相含油氣沉積盆地，總面積約為70．480×103km2．盆地基底為古生界和前古生界褶皺地層，屬于中亞—蒙古拗拉槽的一部分，沉積巖最大厚度為6km，由古生界至白堊系地層構成，主要儲層為白堊系南屯組和銅缽廟組，巖石類型主要為砂巖、凝灰質砂礫巖、凝灰巖及基巖風化殼等，具有多物源、近物源、相變快，斷裂系統復雜的特點，構造上多期盆地疊加，使儲層受多期流體改造，地層中普遍含有堿性凝灰質．凝灰質在堿性條件下被大規模溶解交代形成大量次生孔隙，同時，天然構造流體致裂作用形成微裂縫．該現象既與傳統的酸性流體次生孔隙成因假說不同，也與常規砂巖中局部堿性成巖作用造成小規模石英和巖石溶解的巖石礦物地球化學現象不同，有其獨特地域性．2001年，對貝10井盆地基底布達特群儲層深度1 935．0～1 956．0m進行壓裂后抽汲，獲得39．769t／d的高產工業油流，之后在興安嶺群火山巖儲層也獲得突破性進展，這些勘探成果是酸性次生孔隙模式難以預測的．筆者分析海—塔盆地次生孔隙及自生礦物成因，建立次生孔隙成因模式，研究凝灰質儲層次生孔隙成因及其與堿交代作用關系，為海拉爾盆地深部勘探提供理論依據．

1 堿交代作用及次生孔隙成因

海—塔盆地白堊系南屯組、銅體廟組和侏羅系興安嶺群的凝灰質砂巖、凝灰質泥巖、沉凝灰巖和凝灰巖儲層統稱為凝灰質儲層，是盆地主要產層．油氣儲集空間以次生孔隙為主，在深度1 400～1 900m次生孔隙占總孔隙體積的40%～80%，在深度2 000m以下次生孔隙占總孔隙體積的90%以上．存在大量堿性成因標型礦物組合，如柯綠泥石、鈉板石、碳鈉鋁石、方沸石、綠磷石、鈰褐簾石、鐵綠泥石等，證明伴隨次生孔隙形成，發生大規模堿性溶解和交代作用．晶屑、玻屑、長石和黏土等填隙物均發生不同程度的溶解現象，廣泛發育于烏爾遜、貝爾、南貝爾、塔木察格凹陷凝灰質儲層．

1．1 堿性成因標型成巖礦物共生共存組合

巖心和薄片觀察分析表明，各類凝灰質類巖石多具有密度較大、所含碎屑成分較單一（安山質、英安質等火山物質占優）、深度增加時破碎蝕變較強烈等特點，且凝灰質和碎屑成分同時蝕變，區分難度很大，巖性特點介于火山碎屑和正常沉積巖之間，受流體作用的溶解和重結晶強烈．不整合面附近巖石受到多期強烈壓碎，產生大量張性裂隙，或形成片理化；沿裂隙受多期蝕變，主要蝕變形式包括柯綠泥石化和鈉板石化［6］、硅化（石英、玉髓、蛋白石等）、碳酸鹽化（方解石、白云石或菱鐵礦）、堿式碳酸鹽化即碳鈉鋁石化［8—9］、方沸石化、褐簾石化、黃鐵礦化等，斜長石碎屑絹云母化和鈉長石化，礦物顆粒被碳酸鹽、碳鈉鋁石、綠泥石、綠簾石或褐簾石交代后呈交代假像出現，許多堿性礦物以交代或孔隙中沉淀的方式存在，形成大量次生孔隙（見圖1、圖2）．形成次生孔隙的同時，發生大規模高嶺石溶解直至被溶盡的地球化學現象．

早期部分弱酸性條件形成的自生高嶺石和陸源碎屑高嶺石，在進一步壓實的堿性流體條件下發生溶解即堿解作用，高嶺石在深度1 400～1 800m溶解普遍，深度2 000m以下趨于溶盡，堿性條件下顆粒及填隙物發生堿解及交代作用，共生形成堿性標志性成因黏土礦物，如柯綠泥石、鈉板石、鐵綠泥石等，還有共生形成堿性成因標志性黏土礦物，如碳鈉鋁石、方沸石、褐簾石、綠鱗石等，與早期殘留的酸性礦物混合共存，交代或溶解形成次生孔隙，次生孔隙在壓實過程中或壓實后形成．

凝灰質堿性成因標型礦物與儲層發育密切相關（見表1）．凝灰質碎屑巖次生孔隙發育分布段均為堿性成因標型礦物發育分布段，兩者具有密切對應關系，柯綠泥石、鈉板石、方沸石、碳鈉鋁石、綠鱗石、鈰褐簾石等6種堿性成因標型礦物形成時發生泛堿交代作用，碎屑高嶺石和自生高嶺石—迪開石發生大量溶解作用，在南屯組和銅缽廟組地層形成大量次生孔隙，油氣主要在南屯組和銅缽廟組的成巖中晚期充注，并受次生孔隙儲集空間控制．

圖1 泛堿交代作用的堿交代標型信息與次生孔隙成因解釋圖版ⅠFig．1 Explanatory diagramⅠof Alkaline metasomatism typomorpHic mineral information and secondary porosity causes

圖2 泛堿交代作用的堿交代標型信息與次生孔隙成因解釋圖版ⅡFig．2 Explanatory diagramⅡof Alkaline metasomatism typomorpHic mineral information and secondary porosity causes

1．2 堿金屬元素礦物質量分數、流體pH堿性和堿性次生孔隙分布

堿金屬元素Na和K為苛性堿的控制元素，具有形成堿性條件和堿苛性溶蝕能力，在弱堿性條件下，硅酸鹽可以發生堿解作用．烏爾遜和貝爾地區的儲層巖石堿金屬元素礦物（K2O+Na2O）質量分數、流體pH堿性和堿性次生孔隙隨深度分布見圖3．由圖3可見，K2O+Na2O質量分數、流體pH堿性和堿性次生孔隙分布具有較高對應性．凝灰質碎屑巖中堿金屬元素礦物為堿性蝕變提供物質基礎，使成巖流體形成持續的堿性pH條件；斷裂等構造作用使流體能量增加，為儲集層泛堿交代作用提供地球化學條件．在南屯組以下凝灰質儲層中，因為儲集層泛堿交代作用形成堿性標型礦物的成巖共生序列（見圖1），伴隨大量次生孔隙形成，在銅缽廟和南屯組凝灰質碎屑巖中發育大規模非常規油氣藏．

表1 海—塔盆地凝灰質堿性標型礦物與油氣藏儲集空間次生孔隙分布控制Table 1 The tuffaceous basic standard type of mineral and oil and gas reservoirs reservoir space secondary porosity distribution control in Hailar—Tamsag basin

圖3 烏爾遜和貝爾地區K2O+Na2O質量分數、流體pH堿性和次生孔隙隨深度分布Fig．3 The distribution of K2O+Na2O，pH and secondary porosity in Wuerxun and Beier area

堿金屬元素（Na和K）礦物的第一重堿交代作用是海—塔盆地次生孔隙成因最重要的地球化學基礎和流體成分條件．

1．3 堿金屬與堿土金屬元素礦物質量分數分布

海—塔盆地銅缽廟和南屯組凝灰質碎屑巖主要常量標志性堿金屬元素礦物（K2O+Na2O）和堿土金屬元素礦物（CaO+MgO）質量分數分布特征見圖4．由圖4可見，堿金屬和堿土金屬元素礦物演化分布整體上具有相關性，與鐵元素礦物的分布也具有相關性．常量標志性堿性元素鈉、鉀、鈣、鎂礦物呈現堿金屬和堿土金屬礦物的雙重堿交代作用特征，鈉、鉀發生堿金屬元素礦物交代，鈣、鎂發生堿土金屬元素礦物交代，并有很多鐵元素礦物參與交代作用，前者為堿性黏土化和廣泛的鈉質交代溶解作用提供物質基礎，后者為菱鐵礦和鐵方解石的碳酸鹽化堿交代作用提供物質基礎．

圖4 烏爾遜和貝爾凹陷儲層標志常量元素礦物鈣、鎂、鈉、鉀、鐵的氧化物隨深度分布Fig．4 Wuerxun and Beier sag the reservoir logo macroelements calcium，magnesium，sodium，potassium iron oxide vertical maps

堿金屬元素礦物交代形成鈉板石、柯綠泥石、碳鈉鋁石、方沸石和鈉長石等標志性堿性成因黏土和非黏土礦物，堿土金屬元素礦物交代和鐵元素礦物交代形成綠鱗石、鈰褐簾石、菱鐵礦、鐵方解石、鐵白云石和白云石等堿性成因礦物．

凝灰質碎屑巖對成巖流體提供的鈉、鉀、鈣、鎂等堿金屬和堿土金屬元素礦物，在第一重堿金屬元素礦物交代基礎上，疊加堿土金屬元素礦物的第二重堿交代作用，為次生孔隙成因提供更為充分的元素地球化學條件．

2 次生孔隙成因地球化學動力學模式

2．1 構造流體和物質條件

海—塔盆地深部發育莫霍面隆起，莫霍面深度為41～43km，盆地外部大興安嶺地區最深達48 km［10］．盆地斷陷史模擬表明，自晚侏羅紀到第三紀盆地發育分為5個階段：斷陷孕育階段（興安嶺群）、斷陷強烈拉張階段（銅體廟組）、斷陷快速沉降階段（南屯組）、斷陷穩定拉張階段（大磨拐河組）和斷陷萎縮階段（伊敏組）．興安嶺群發育局部含煤火山碎屑巖，其凝灰質火山事件及后續熱流體影響波及主要含油目的層白堊系銅缽廟組至南屯組的沉積地層，不穩定的火山物質易于受構造流體影響發生蝕變作用．

盆地的堿性成巖礦物共生序列，如碳鈉鋁石、方沸石、鈰褐簾石、綠磷石、柯綠泥石和鈉板石分布均與火山物質有關，尤其是火山凝灰巖和沉凝灰巖曾被認定為泥巖和砂巖．它們為凝灰質類碎屑巖，不穩定的堿性凝灰質類碎屑巖是堿性交代蝕變的主要巖石學因素．

海拉爾盆地三疊系基底布達特群地層廣泛發育鐵白云石脈和石英脈．礦物流體包裹體均一溫度測定表明：鐵白云石脈的均一溫度為122～190℃，石英脈的均一溫度為99～211℃，而裂變徑跡顯示海拉爾盆地古地溫梯度為4．65℃／hm．布達特群埋深為1 700～2 500m，相應的古地溫為79～111℃，遠低于鐵白云石脈、石英脈的流體包裹體均一溫度，反映盆地地幔熱液流體發育．有機質鏡質體反射率的測定反映盆地深部受熱液流體作用影響［11］．

海拉爾盆地流體在中晚期呈現堿性特征，隨深度增加堿性作用加強，說明深部來源的烴堿流體為盆地提供堿源．海拉爾盆地現今地層水平均pH值為8．5，最大值為11．9，表明盆地流體為堿性或強堿性環境．

2．2 次生孔隙儲層成因模式

通過對凝灰質類碎屑巖巖石學、黏土礦物、成巖作用和次生孔隙成因綜合研究可知，凝灰質巖性地層油氣藏是次生孔隙發育儲層，其次生孔隙成因為存在大規模堿交代作用，多期堿性成巖后生構造流體疊加早于酸性作用，控制次生孔隙油氣藏分布格局．

海—塔盆地較深部凹陷帶、斜坡帶和構造高點的碎屑巖的次生孔隙形成，經歷廣泛的堿交代作用，尤其是深度2 000m以下的長石全部發生堿交代作用，深度1 300～2 000m長石具有堿強酸弱的酸堿疊加作用特征．盆地凝灰質碎屑巖（含潛山帶）次生孔隙（縫、孔、洞）儲層成因模式，即地球化學動力學模式見圖5．

圖5 海—塔盆地次生孔隙成因地球化學動力學模式Fig．5 Geochemical kinetics mode of fifth secondary pore evolution of of Hailar—Tamsag basin

次生孔隙成因建立在非平衡作用基礎［12—13］之上，即為由構造變動和流體作用形成的瞬間開放體系［14］．對海—塔盆地黏土礦物和成巖作用的研究可知，海—塔盆地構造流體的非平衡作用發育，并非封閉、孤立系統，而是動態開放、非平衡的復雜系統，具備熱流體耗散結構作用機理，發育自組織結晶學現象（各類有序混層）［12—13］，堿性成巖后生熱流體的物質和能量脈沖式參與盆地內一系列反應．在海—塔盆地儲層復雜的開放系統條件下，在成巖作用中不斷進行物質輸運、能量傳遞和耗散等一系列變化．熱流體具備擴散循環和對流機制，表現為：成巖物質在短距離內的遷移以擴散、滲濾方式進行；熱流可能遷移很長的距離，在一定范圍內，熱流的遷移以對流方式存在．堿性流體成巖作用強烈，凝灰質儲層比較致密，但構造斷裂可以造成異常高壓，多級斷裂和流體作用使壓實期和壓實后的儲層開啟，由堿解和堿交代作用形成次生孔隙．

海—塔盆地儲層的控制巖性基本為凝灰質碎屑巖，復雜的斷裂作用使熱液作用非常強烈，貝爾潛山帶凝灰質儲層存在明顯的不整合面，沿不整合面的后生熱液作用更為強烈．總體上，次生孔隙成因地球化學動力學模式規律為：

（1）儲層控制巖性以凝灰質碎屑巖為主，碎屑巖儲層經歷過強烈的酸堿疊加作用，堿性實際貢獻率為95%；

（2）不整合面附近發生過強烈構造流體的非平衡作用（多期熱液，見圖2（a）、（c）），將風化氧化標志完全改造；

（3）潛山儲層縫孔洞發育（見圖2（a）、（c）、（f））是在酸性作用后，堿性流體和構造共同作用的結果，為典型次生孔隙成因（見圖1、圖2）；

（4）次生孔隙成因由構造—流體非平衡作用造成，該作用是儲層油氣聚集的動力學基礎，也是儲層的預測基礎；

（5）構造流體的非平衡（如壓實期和壓實后的斷裂形成超壓流體）作用于儲層，形成開啟作用，產生地質條件的混沌或準混沌現象，即無序的非平衡．超壓釋放時，由混沌向有序演化，形成自組織動力學體系，在自組織結晶動力學條件下，形成大量規則間層黏土礦物，如柯綠泥石和鈉板石；

（6）由于凝灰質蝕變的能量蓄積和斷裂構造的增益作用，堿性流體具有高能性，此模式下可以發生斷裂—流體—堿交代的三重致裂溶蝕現象（見圖1、圖2）；

（7）天然的構造流體致裂作用［15］、流體泵壓、引漲溶蝕在海—塔盆地客觀存在，是大量微裂縫、溶蝕微裂縫、溶蝕裂縫洞形成的地球化學動力學因素．

2．3 堿作用相的儲集成藏貢獻

堿作用相指包括地表天然弱堿性淋濾及成巖早、中和晚期多期的堿性的作用環境．天然弱堿性淋濾和早期堿性水化流體的標志是形成蒙皂石和早期沸石；長石也發生堿解作用，但成巖溫度較低，貢獻有限．

隨著成巖演化的深入，在中期堿性熱液流體階段，海—塔盆地產生強烈的非平衡作用，以堿性作用為主，形成大量次生孔隙，沿有利構造流體作用域次生增容明顯．

堿性非平衡流體階段的主要作用標志為：次生孔隙成因形成系列標型礦物，包括柯綠泥石、鈉板石、碳鈉鋁石、綠鱗石、鈰褐簾石和鐵綠泥石，向深部演化時高嶺石和迪開石趨于溶盡［16］．

柯綠泥石和鈉板石化等堿性成巖化的初始動力學環境是遠離平衡的瞬間（相對）開放環境，即地層條件下的“準混沌”，沿有利構造流體作用域在凝灰質碎屑巖中形成次生孔隙，堿性條件下早期高嶺石溶解，長石大量堿性溶解，是海—塔盆地堿作用相的特征性標志．晚成巖后生階段，晚期和后生期脫水、繼承性構造、晚期構造開啟與逆向水化階段，也是堿性流體主要作用階段，其主要標志為：全壓實階段后，可以形成后生構造開啟，沿有利構造流體作用域的凝灰質碎屑巖發生堿解作用，高嶺石溶解殆盡，可留殘晶，長石及填隙物大量堿性溶解，次生孔隙發育，形成次生孔隙有利儲層，是深度2 000m以下次生孔隙的主導性控制因素．

在成巖中晚期堿作用相形成過程中，油氣藏主要儲層段幾乎都是堿作用相發育段．在深度2 000m以上，堿作用對油氣藏的主導控制比例達到40%～90%；在深度2 000m以下，堿作用對油氣藏的主導控制比例達到95%以上．綜合考慮，堿作用對次生孔隙和油氣藏的貢獻大于90%（見圖6）．

圖6 巴斜2井堿作用相的儲集成藏與次生孔隙成因評價Fig．6 Ba x2wells alkali effect the integrated storage pools and the secondary pore evolution evaluation phase

3 結論

（1）凝灰質儲層次生孔隙是堿交代作用和流體致裂作用的結果．海—塔盆地凝灰質巖性地層油氣藏是次生孔隙發育儲層，隨深度增加，1 800m以下次生孔隙比例達到90%以上，次生孔隙成因以堿性溶解、堿交代作用、流體壓裂和自組織有序化為核心作用特征，并控制次生孔隙分布格局，主導控制儲層的油氣儲集成藏作用，沿著有利構造流體作用域形成大規模非常規儲層油氣藏．構造、巖性、成巖后生流體控制是勘探預測三要素，堿性標型礦物與有利儲層分布具有密切相關關系．

（2）有利構造流體作用域的特征為：繼承性及后生期斷裂等構造控制成巖后生期流體作用范圍，多期復雜作用對壓實區產生開啟作用，產生遠離平衡的非平衡作用，釋放后形成自組織有序化動力學體系，流體可以產生順層“走滑式”擴張、縱向擴張、網狀斷裂擴張，大規模堿性控制在壓實的凝灰質儲層中形成大規模次生孔隙儲集空間，在次生孔隙形成的低勢區產生油氣充注，形成油氣藏．

（3）次生孔隙堿交代研究拓寬儲層研究的視野．海—塔盆地次生孔隙成因機制的發現，證明（有機等）酸作用不是次生孔隙形成的唯一原因，該作用機制對剩余資源勘探預測理論具有重要意義．

（4）堿性流體加構造流體致裂作用可形成大規模有利儲層，不僅有助于解決海—塔盆地儲層孔隙成因研究和儲層預測等問題，也為海—塔盆地巖性地層油氣藏和構造流體油氣藏研究提供新思維模式．

（5）次生孔隙成因與深部斷裂、深部流體、地幔脫氣的關系有待進一步研究，其意義在于為尋找新剩余資源勘探領域提供一種適用的儲層演化研究模式．

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TE122．14

A

2095—4107（2013）05—0032—10

DOI 10．3969／j．issn．2095—4107．2013．05．005

2013—05—14；編輯：張兆虹

國家自然科學基金項目（51374221）

孫先達（1973—），男，博士，高級工程師，主要從事儲層評價及開發后微觀剩余油評價方面的研究．

李宜強，E—mail：lyq89731007＠163．com