泌陽凹陷核桃園組鈣質(zhì)頁巖中晶粒灰質(zhì)紋層成因分析

2017-11-01 23:04:22孫崢嶸

石油地質(zhì)與工程 2017年5期

孫崢嶸

孫崢嶸

（中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽 473132）

泌陽凹陷頁巖油甜點富集與鈣質(zhì)頁巖具有一定的關(guān)聯(lián)性，研究頁巖中晶粒灰質(zhì)紋層的成因具有較大的意義。通過巖心觀察、巖石薄片、電鏡能譜等實驗分析，從礦物成分、物理特性、巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征等方面綜合研究了鈣質(zhì)頁巖紋層成因，結(jié)果表明，泌陽凹陷鈣質(zhì)頁巖中的晶粒灰質(zhì)紋層形成于同生早成巖期，為淡水溶解早期形成的泡堿紋層，后期被富鈣碳酸鹽流體通過黏土滲流、過濾、結(jié)晶、交代或填充作用形成。

泌陽凹陷；鈣質(zhì)頁巖；灰質(zhì)紋層；成巖作用

1 區(qū)域概況

泌陽凹陷位于河南省南部，屬南襄盆地中的一個次級凹陷，面積約1 000 km2，是一個中新生代的小型斷陷，基底為前白堊系，其內(nèi)所鉆遇的地層自上而下依次為平原組、鳳凰鎮(zhèn)組、廖莊組、核桃園組、大倉房組和玉皇頂組。其中核桃園組是泌陽凹陷主要含油氣層段，厚2 000～3 000 m，發(fā)育巖性有灰綠色–灰–深灰色泥巖、砂巖、碳酸鹽巖、頁巖、油頁巖和天然堿。在盆地的深凹區(qū)發(fā)育鈣質(zhì)頁巖，其中鈣質(zhì)紋層的碳酸鹽礦物有泥晶結(jié)構(gòu)，也有晶粒結(jié)構(gòu)[1]。本區(qū)2口頁巖水平井初期均已達到工業(yè)油流，但由于產(chǎn)量遞減快而未能實現(xiàn)頁巖油田的效益開發(fā)。

2 鈣質(zhì)頁巖晶粒灰質(zhì)紋層特征

2.1 研究現(xiàn)狀

晶粒灰質(zhì)紋層成因通常認(rèn)為是晚成巖溶解再沉淀結(jié)晶。王冠民[2]等在研究濟陽坳陷3 000 m以下的古近系黑色頁巖中紋層狀方解石脈的成因時認(rèn)為，該區(qū)黑色頁巖中的紋層狀方解石脈是鈣質(zhì)紋層頁巖或富碳酸鹽油頁巖在晚成巖期隨有機質(zhì)的熱演化經(jīng)溶解和再沉淀作用的產(chǎn)物，并隨孔隙水的排出伴有碳酸鹽的流失。其依據(jù)主要為：晶粒方解石脈與鈣質(zhì)泥晶紋層頁巖、油頁巖、鈣質(zhì)頁巖相伴生或薄互層出現(xiàn)；方解石脈中的晶體干凈、明亮，部分晶粒垂直紋層生長，具有明顯的近距離經(jīng)溶解再重結(jié)晶的特征；其產(chǎn)出與有機質(zhì)的含量密切相關(guān)，頁巖中并無石膏的發(fā)育和殘留；與相鄰的其他頁巖相比較，Mg/Ca、Mn/Ca值明顯偏低，Sr/Ca值則明顯升高，同時碳酸鹽的δ18O明顯降低，δ13C小幅波動[3]。

2.2 泌陽凹陷鈣質(zhì)頁巖特征

泌陽凹陷核桃園組鈣質(zhì)頁巖中的晶粒灰質(zhì)紋層通常為白色、灰白色、鏡下無色或被浸染成褐色，礦物為“亮晶”，多為不規(guī)則的粒狀、櫛殼狀，用普通茜素紅染色為紅色，起初礦物均定性為“方解石”，后期經(jīng)電鏡能譜分析，認(rèn)為晶粒鈣質(zhì)紋層礦物既有方解石，又有碳酸鈉鈣石。

頁巖大部分紋層厚度橫向變化基本穩(wěn)定，鈣質(zhì)頁巖中的晶粒灰質(zhì)紋層通常與深灰色泥質(zhì)紋層、含粉砂泥質(zhì)紋層成韻律互層，按照紋層內(nèi)縱向上疊置的晶粒層數(shù)可分為單晶紋層、雙晶紋層、多晶紋層（圖1）。

單晶紋層是晶粒碳酸鹽紋層內(nèi)縱向上疊置的晶粒層數(shù)為一層的紋層，晶粒多為三向近等軸粒狀，晶粒大小相近；橫向晶間通常分布黏土，晶間距離1 μm左右。

雙晶紋層是晶粒碳酸鹽紋層內(nèi)縱向上疊置的晶粒層數(shù)為二層的紋層，通常晶間分布黏土，晶間距離1 μm左右。雙晶紋層又分為：粒狀雙晶紋層、櫛殼狀雙晶紋層。粒狀雙晶紋層晶粒多為三向等軸粒狀，晶粒大小相近；橫向晶間通常分布黏土，晶間距離1 μm左右，縱向晶間距離0～1 μm，常見壓溶現(xiàn)象或縫合線。櫛殼狀雙晶紋層晶粒多為短至長柱狀，晶體垂直于層理生長，上下晶層的晶粒大小相近；橫向晶間通常接觸緊密，縱向晶間距離小于1 μm，常見壓溶現(xiàn)象或縫合線。櫛殼狀雙晶紋層部分呈扁平的透鏡體出現(xiàn)。

圖1 晶粒分層顯微結(jié)構(gòu)

多晶紋層是晶粒碳酸鹽紋層內(nèi)縱向上疊置的晶粒層數(shù)為三層以上的紋層，晶粒多為三向等軸粒狀，晶粒大小相近；橫向、縱向晶間通常分布黏土，晶間距離1～3 μm[4–8]。

3 鈣質(zhì)頁巖晶粒灰質(zhì)紋層成因新認(rèn)識

根據(jù)紋層沉積特征、紋層礦物巖石結(jié)構(gòu)、巖石礦物電鏡能譜等綜合分析認(rèn)為，泌陽凹陷鈣質(zhì)頁巖中的晶粒灰質(zhì)紋層形成于早成巖期，為淡水溶解早期形成的泡堿(Na2CO3·10H2O）紋層，后期經(jīng)碳酸鹽及黏土滲流結(jié)晶形成。其依據(jù)主要為：

（1）本區(qū)鈣質(zhì)頁巖中的晶粒灰質(zhì)紋層所含方解石為亮晶狀，表明形成于與沉積水體隔絕時期以后，晶體內(nèi)不再含有其它礦物，并且為緩慢有序結(jié)晶。其不是從湖水咸化的化學(xué)沉積直接形成的。

（2）本區(qū)晶粒碳酸鹽碎屑顆粒呈紋層夾層出現(xiàn)（圖2），或碳酸鹽碎屑呈顆粒狀分布在粒度較粗的含泥粉砂紋層中（圖3），其二者晶體結(jié)構(gòu)相近，表明晶粒碳酸鹽形成時間早，介于沉積期–成巖同生期，晶粒碳酸鹽紋層具有低硬度易破碎或易被溶解破碎的特點；同時后期縱向裂縫切割晶粒灰質(zhì)紋層（圖4），也旁證了其形成時間早的事實。

圖2 “麻花狀”縱向張扭裂縫切割晶粒灰質(zhì)頁巖紋層，填充晶體為渾濁晶粒碳酸鹽

（泌頁HF1井2 437.49 m，右圖為左圖的底部局部放大）

圖3 晶粒灰質(zhì)頁巖韻律層

（中部夾顆粒灰?guī)r紋層，泌頁HF1井2 450.87 m）

圖4 混源碎屑巖石中富含碳酸鹽碎屑顆粒

（3）本層段巖心觀察殘留1～2層薄層天然堿層，電鏡分析中也發(fā)現(xiàn)泥頁巖中富含天然堿礦物，盆地沉積中心就是天然堿發(fā)育區(qū)；顯然晶粒灰質(zhì)紋層與天然堿的形成有關(guān)，只是早期堿紋層由于后期保存條件欠缺，大部分在后期成巖改造中被完全溶解消失，或被其它碳酸鹽礦物所交代。

（4）常見發(fā)育櫛殼狀雙晶紋層，方解石呈短–長纖/柱狀，垂直層理面生長，形成這種結(jié)晶特色需要自由的晶體生長空間，通常也只有在同生期或早成巖A亞期可以滿足此種生長條件，在晚成巖的環(huán)境、斷陷盆地持續(xù)壓實的成巖環(huán)境下，頁巖內(nèi)基本不具備此充足晶體生長空間。因為深埋較大時，沉積成巖成因的晶粒形狀要受限于圍巖余留的空間，斷陷盆地的深埋成巖環(huán)境顯然不具備能夠使方解石晶粒呈分布廣泛、有規(guī)律地、連片層狀等厚的條件。

（5）巖石薄片染色表明，方解石晶體通常不含鐵，即非含鐵方解石，而鐵方解石在本區(qū)通常認(rèn)為是中–晚成巖階段的產(chǎn)物。因為本區(qū)該層段富含黃鐵礦，黃鐵礦形成時期分布于頁巖整個成巖期，也就是富含F(xiàn)e2+離子環(huán)境，晚期成巖碳酸鹽的結(jié)晶，F(xiàn)e2+自然會加入其中。

（6）根據(jù)Stokes沉降速度公式，通過測量碳酸鹽碎屑顆粒與碎屑長英質(zhì)顆粒粒徑，恢復(fù)碳酸鹽碎屑顆粒原始密度為1.185～1.363 g/cm3，推測其為天然堿的最初形式為蘇打泡堿（Na2CO3·10H2O，密度為1.42～1.47 g/cm3）。

（7）晶粒灰質(zhì)紋層發(fā)育于水平層理夾層內(nèi)，形成于早期，但不是早成巖淺水條件形成的晶粒碳酸鹽。如果固結(jié)得早，碳酸鹽物理化學(xué)固結(jié)能力較強，不易被深盆沉積背景下正常的弱水動力所破碎，以及近距離異地搬運[9]。

（8）能譜分析結(jié)果表明，晶粒鈣質(zhì)頁巖碳酸鹽礦物為方解石、碳酸鈉鈣石。前者為粒狀，后者通常為櫛殼狀、柱狀。晶體形態(tài)為較粗的柱狀碳酸鹽礦物，電鏡能譜測得主要元素成分為C、O、Ca、Na，Na/Ca原子摩爾百分比為0.94，比值近乎1:1，結(jié)合礦物光性特點，判定為碳酸鈉鈣石。