鄂爾多斯盆地延長組深水致密砂巖大氣淡水溶蝕及其油氣地質(zhì)意義

劉曦翔 張 宇 蒲柏宇 徐會林 丁曉琪

1.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 2.西南石油大學(xué) 3.中國石油西南油田公司勘探事業(yè)部4.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦 5.成都理工大學(xué)能源學(xué)院

0 引言

前人一般認(rèn)為，深湖環(huán)境缺乏淡水的注入與循環(huán)，發(fā)育于或鄰近于深湖環(huán)境的砂巖，由于毗鄰烴源巖，其中長石的溶蝕應(yīng)與烴源巖演化過程中所生成的有機(jī)酸相關(guān)[1-4]。但最新的地質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，即使在深湖環(huán)境之下，大氣淡水也能夠在一定的條件下進(jìn)入深湖環(huán)境之中，主要途徑為：①在砂質(zhì)碎屑流、濁流等重力流事件發(fā)生時可以造成深部湖水與淺部湖水發(fā)生交換，從而將大量的大氣淡水帶入深水環(huán)境之中[5]；②深水區(qū)域有滲透性的巖層與地表淡水相溝通時，淡水可以直接通過這些滲透性巖層直接進(jìn)入深湖區(qū)域之中[6]；③在發(fā)生季節(jié)性洪水、冰川融化等異常水動力事件時，淡水可進(jìn)入深湖區(qū)域之中[7]。同時現(xiàn)代的大洋深水鉆探也揭示了在這樣條件下深水環(huán)境中也能發(fā)生淡水溶蝕作用[8]。對于鄂爾多斯盆地三疊系延長組長6——長7段中的深湖重力流砂巖，其中是否也有早期的淡水溶蝕作用，前人并無討論。但筆者在研究過程中發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)有大量的溶蝕孔隙，很難用有機(jī)酸溶蝕理論進(jìn)行解釋，明確其溶蝕機(jī)理是尋找長6——長7段致密砂巖儲層“甜點(diǎn)”的基礎(chǔ)。

因此筆者一方面利用薄片觀察、CT掃描、恒速壓汞等手段對這類溶蝕孔隙進(jìn)行識別，明確其與有機(jī)酸溶孔在孔隙結(jié)構(gòu)上的差異；另一方面利用陰極發(fā)光觀察、地球化學(xué)分析結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景對此類孔隙成因進(jìn)行綜合分析，為該區(qū)下一步有利區(qū)的尋找提供一定的依據(jù)，亦為深湖重力流砂巖中優(yōu)質(zhì)儲層的尋找提供許新的思路。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是中國中部的一個克拉通盆地，盆地之北為陰山，西鄰六盤山，南抵秦嶺，東接呂梁山，面積約37.0×104km2，研究區(qū)位于盆地南緣緊鄰秦嶺，在構(gòu)造上位于渭北隆起區(qū)域（圖1）。盆地在上三疊系延長組沉積時，經(jīng)歷了一系列的震蕩式湖進(jìn)與湖退，沉積厚度介于900～1 600 m，砂泥巖互層，為一個完整的湖盆沉積旋回。前人大量的研究證實(shí)[9]，研究區(qū)在長6——長7段沉積時期，其古地理位置緊鄰古鄂爾多斯盆地南緣三角洲——湖泊過渡區(qū)域，屬于深湖環(huán)境沉積。在長7段沉積時，湖水面積在10×104km2以上，其中深水面積達(dá)5.5×104km2，最深達(dá)120 m，其底部發(fā)育了一套大面積分布的黑色油頁巖。沉積期間正值華北板塊與揚(yáng)子板塊開始自東向西拼合，秦嶺殘留海盆最終閉合，秦嶺開始造山，導(dǎo)致該時期火山噴發(fā)等構(gòu)造事件頻發(fā)（研究區(qū)長7段中大面積厚層分布的凝灰?guī)r即為很好的印證），與之相伴的正是大量的重力流事件，使得區(qū)內(nèi)大面積發(fā)育重力流成因砂巖并直接沉積于長7段黑色油頁巖之上[10-15]。

圖1 鄂爾多斯盆地晚三疊世地質(zhì)背景綜合圖

2 深水砂巖中大氣淡水溶蝕的證據(jù)

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)

大量研究證實(shí)，研究區(qū)長7段的烴源巖直到侏羅紀(jì)后才進(jìn)入生烴門限[16-17]，因此三疊系在有機(jī)酸溶蝕發(fā)生時儲層已經(jīng)致密，故有機(jī)酸溶蝕應(yīng)當(dāng)只會在那些原生孔隙保留較好或有裂縫等能過提供溶蝕流體進(jìn)出條件的區(qū)域局部發(fā)育。同時有機(jī)酸作用往往發(fā)生于成巖中后期，此時儲層已經(jīng)處于封閉的成巖環(huán)境，不利于成巖流體的流動，因此在這種作用下所形成的溶蝕孔隙中往往殘留有一定的高嶺石等次生黏土礦物[18-19]。

由于研究區(qū)長7段烴源巖成熟時間較晚，在有機(jī)酸溶蝕發(fā)生的時候儲層連通性已經(jīng)較差。在這樣的儲層條件下，有機(jī)酸只能大量進(jìn)入那些儲層孔隙連通性較好的區(qū)域進(jìn)行溶蝕。且即使溶蝕作用發(fā)生，由于當(dāng)時的地層整體屬于一個封閉的成巖環(huán)境，也不利于溶蝕產(chǎn)物的帶出，這一時期的長石溶蝕后往往在溶蝕孔隙中殘留大量的高嶺石。

在大量薄片觀察的基礎(chǔ)上，結(jié)合黏土衍射與孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)中確實(shí)存在著這樣一類具有有機(jī)酸溶蝕特征的孔隙，這些孔隙的薄片平均面孔率在4.5%左右，孔隙主要由殘余粒間孔與長石的溶蝕孔組成（圖2-a）。其在CT掃描下可見其中孔隙發(fā)育（圖2-c），恒速壓汞分析其孔喉體積比約0.9，主流喉道半徑0. 69 μm，滲透率在0.8×10 mD以上（表1），孔隙中可見明顯的高嶺石殘留，在這樣的背景下其中平均高嶺石含量達(dá)4.0%（圖 2-b）。

但研究區(qū)中還大量存在著另一類樣品，其平均面孔率約3.0%，孔隙主要由長石的溶蝕孔隙為主（圖2-d），但相應(yīng)樣品的CT掃描與恒速壓汞分析反映，這類孔隙的連通性極差（圖2-f），孔喉體積比僅為0.16，主流喉道半徑為0.06 μm，滲透率在0.5×10 mD以下（表1）。在這樣的儲層背景下，應(yīng)當(dāng)是極不利于后期有機(jī)酸進(jìn)出。但此類儲層的溶蝕孔隙中卻僅見少量的高嶺石殘留（平均含量0.8%），含量遠(yuǎn)低于前面介紹的儲層連通性更好的儲層（圖2-e）。

由此認(rèn)為，這一時期長石溶蝕應(yīng)當(dāng)不是后期有機(jī)酸作用的結(jié)果，而是在儲層致密之前即發(fā)生，溶蝕產(chǎn)物被帶出了儲層，但當(dāng)時的溶蝕孔隙大部分已經(jīng)在后期的壓實(shí)、膠結(jié)等作用下破壞殆盡。從而形成了這一類連通性差，但又沒有高嶺石殘留的溶蝕孔隙。

2.2 地球化學(xué)特征

為了提供更為直接的證據(jù)，通過薄片與陰極發(fā)光觀察分析自生礦物間的接觸關(guān)系，結(jié)合地球化學(xué)手段，確定自生高嶺石形成的大致年代，以此對溶蝕發(fā)生的時間進(jìn)行分析。

圖2 不同溶蝕機(jī)理的樣品孔隙結(jié)構(gòu)及自生黏土含量分布特征圖

表1 恒速壓汞特征參數(shù)表

薄片觀察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)局部發(fā)育方解石膠結(jié)（圖3-a），相應(yīng)樣品的陰極發(fā)光觀察顯示方解石整體呈暗橙色，而在方解石膠結(jié)物中包裹了少量產(chǎn)于長石（天藍(lán)色）邊緣的靛藍(lán)色高嶺石（圖3-b）。這樣的包裹關(guān)系說明了高嶺石應(yīng)當(dāng)形成于方解石膠結(jié)物之前。

方解石膠結(jié)物在產(chǎn)狀上表現(xiàn)為嵌晶——孔隙膠結(jié)，在呈嵌晶膠結(jié)的區(qū)域反映出其形成時間在強(qiáng)烈的壓實(shí)作用之前，說明方解石的形成時間較早。對于碳酸鹽巖膠結(jié)物形成時間的分析，主要采用包裹體測溫方法。但研究區(qū)中方解石膠結(jié)物體積整體偏小，很難在其中尋找到包裹體進(jìn)行測溫。為了定量研究這一期方解石的形成時間，筆者利用激光微區(qū)同位素測試，對方解石膠結(jié)物的碳氧同位素進(jìn)行了測量。

圖3 Jh60井長7段薄片對比圖（1 229.83 m）

在研究區(qū)中選取了6個樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明δ13C（PDB標(biāo)準(zhǔn)）的值介于－1.97‰～2.57‰，而δ18O（PDB標(biāo)準(zhǔn)）的值介于－15.32～－16.49‰（表2）。

表2 研究區(qū)方解石膠結(jié)物碳氧同位素特征展示表

利用Neil所建立的方解石——水體系中氧同位素——水系統(tǒng)的氧同位素分流系數(shù)與溫度公式來推演氧同位素對方解石的形成溫度[20-21]。即

從以上公式可以看出，要對方解石沉淀的溫度進(jìn)行推算，δ18O流體的取值極為重要。前人研究認(rèn)為鄂爾多斯盆地延長組下組合沉積水體屬于內(nèi)陸淡水——微咸水[22]。在大陸淡水條件下的氧同位素組成一般介于－20‰～－6‰（SMOW標(biāo)準(zhǔn)）。考慮到選用的碳酸鹽不可能全是沉積成因的, 被囚禁的大陸淡水已在一定程度上與礦物交換并損失部分輕氧（16O），且研究區(qū)是在印支運(yùn)動開始后才完全轉(zhuǎn)化成陸相的湖盆，曾經(jīng)受到過海侵影響，因此水體應(yīng)該具有一定的鹽度。因而選取接近大陸淡水氧同位素組成偏高的－6‰～－14‰（SMOW標(biāo)準(zhǔn)）作為計算δ18O流體的值。從計算的結(jié)果來看，方解石膠結(jié)物形成溫度區(qū)間主要分布于28 ℃～69 ℃。

在此基礎(chǔ)之上結(jié)合研究區(qū)的熱史分析，可以看出該區(qū)烴源巖在80 ℃之后才開始進(jìn)入低熟階段（圖4）。因此即將方解石的形成溫度按所計算出的最高溫度69 ℃來算，在其之前發(fā)生的長石溶蝕也不可能與有機(jī)酸作用有關(guān)。

從巖溶機(jī)理方面看，除了埋藏成巖期的有機(jī)酸溶蝕作用外，在同生期或準(zhǔn)同生期， 由于淡水的鉀離子不飽和，也可以對長石產(chǎn)生溶蝕作用（式3），且這種溶蝕作用發(fā)生時間早，沉積未膠結(jié)，壓實(shí)作用整體較弱，屬于相對開放的成巖環(huán)境，成巖產(chǎn)物易被帶出，因此溶蝕殘余物相對較少，且這種溶蝕作用已經(jīng)在國內(nèi)外大量的現(xiàn)代或第四紀(jì)年輕的地層中發(fā)現(xiàn)（其中一些地層也屬于深水沉積環(huán)境）[23-24]。由此分析研究區(qū)長6——長7段中溶蝕殘余物較少，且連通性較差的孔隙應(yīng)是早期大氣淡水溶蝕作用的產(chǎn)物。

圖4 研究區(qū)熱史圖

3 早期淡水溶蝕的地質(zhì)意義

明確了研究區(qū)深水砂巖中具有早期大氣淡水溶蝕成因的孔隙之后，至少要更新該區(qū)以下2方面的地質(zhì)認(rèn)識。

3.1 對于長6——長7段致密油勘探的啟示

對于鄂南這套深水砂巖儲層，由于其緊鄰烴源巖，因此普遍認(rèn)為這套儲層中的次生孔隙均為有機(jī)酸溶蝕所成。且有機(jī)酸溶蝕之后往往伴隨著大面積的油氣充注，由于之前有機(jī)酸能夠進(jìn)入發(fā)生溶蝕的位置本來就是流體通道，而在溶蝕后相應(yīng)區(qū)域的物性會更好，因此一般認(rèn)這些區(qū)域?yàn)橛欣挠蜌獬刹貐^(qū)。

但在對研究區(qū)中的溶蝕孔隙成因進(jìn)行劃分之后發(fā)現(xiàn)，對于那些孔隙主要在早期大氣淡水溶蝕作用中所形成的儲層，雖然孔隙度與具有有機(jī)酸溶蝕特征的儲層孔隙度相近。但二者孔隙結(jié)構(gòu)差異巨大。進(jìn)一步利用核磁共振分析，對不同樣品中的喉道大小分布及其流體可動性分析可以看出，對于與有機(jī)酸作用有關(guān)的儲層，以半徑0.16～0.64 μm的喉道為主，且這類樣品的流體可動性較好，束縛水飽和度一般在50%左右（圖5-a、5-b）；而對于早期大氣淡水溶蝕作用所形成的孔隙，其孔隙結(jié)構(gòu)較差，以半徑0.01～0.08 μm的喉道為主，束縛水飽和度一般在60%以上(圖5-c、5-d)。由此認(rèn)為，那些以早期淡水溶蝕孔隙為主的儲層，由于溶蝕孔隙形成時間早，其在后期的成巖作用孔隙結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重，整體物性較差。

在以上分析的基礎(chǔ)上，利用緊鄰長73段烴源巖的長72段中砂巖的物性實(shí)測及測井解釋數(shù)據(jù)以及取心段的含油氣顯示等級與長73段油頁巖厚度，進(jìn)行平面耦合（圖6）。可以看出，長72段有利儲層主要分布于烴源巖厚度較大的區(qū)域中，這些區(qū)域中巖心的含油氣等級也較高。由此很好地說明了研究區(qū)中的優(yōu)質(zhì)儲層主要和有機(jī)酸作用有關(guān)，而對于那些以大氣淡水溶蝕作用為主的儲層，由于孔隙結(jié)構(gòu)較差，不利于油氣充注，且在后期開發(fā)過程中，這類儲層的流體可動性較差，整體產(chǎn)能較低。因此在開發(fā)過程中應(yīng)該對不同孔隙成因的區(qū)域區(qū)別對待，針對性地制定開發(fā)方案。

3.2 對深水砂巖油氣勘探的啟示

由于研究區(qū)這一套深水砂巖儲層之中早期的淡水溶蝕孔隙在后期的成巖作用中被大量破壞，因此在這套砂巖中這種早期溶蝕的原始規(guī)模已經(jīng)很難進(jìn)行判斷。但這種現(xiàn)象，在英國北海大陸架上古新世的海相深水重力流砂巖中也已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代大洋勘探證實(shí)其具有較大的溶蝕規(guī)模。由此反映出了重力流事件除了能為深水環(huán)境帶來大量沉積物，同時也可以為該環(huán)境帶來大量的淡水，從而在這個環(huán)境中形成早期大面積的淡水溶蝕（圖7）[8]。

這種現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)很好地說明了在這種緊鄰盆地邊緣的深湖環(huán)境中存在早期大面積淡水溶蝕的可能性。如果這些早期溶蝕孔隙，能夠在后期的成巖過程中配以一定的儲層保存機(jī)制（如快速沉積后在其中形成異常壓力；早期大面積膠結(jié)，后期再被有機(jī)酸溶蝕打開）[25-26]，則可以在這樣一套深水重力流砂巖中形成一些物性良好的儲層。

4 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地南部的深水重力流砂巖中發(fā)育儲層早期大氣淡水和晚期有機(jī)酸2種溶蝕作用。

圖5 不同孔隙成因儲層核磁共振特征圖

圖6 長72段砂巖孔隙度及油氣顯示與長73烴源巖厚度平面耦合圖

2）對于有機(jī)酸作用形成的儲層，其整體物性、流體可動性好，利于油氣充注，整體含油氣性較好，甜點(diǎn)區(qū)往往發(fā)育于此類儲層之中；而對于在早期大氣淡水溶蝕作用中形成的次生孔隙，由于其形成時間早，在其后的成巖作用中受到了較大破壞，孔隙結(jié)構(gòu)與儲層含油氣性整體較差，難以形成甜點(diǎn)儲層。

3）在深湖重力流環(huán)境中存在早期大面積淡水溶蝕的可能性。如果這些早期溶蝕孔隙能夠得以保存，則可以在這樣一套深水重力流砂巖中形成一些物性良好的儲層。以此為深水重力流砂巖中甜點(diǎn)儲層的尋找提供了一定的理論支持。

圖7 深海環(huán)境中古新世砂巖中的大氣淡水溶蝕示意圖