艾合買(mǎi)提江·阿不都熱和曼,鐘建華,李 陽(yáng),陳 鑫

(1.中國(guó)石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營(yíng),257061;2.中石化油田勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部,北京 100029)

塔河油田奧陶系縫合線特征及石油地質(zhì)意義

艾合買(mǎi)提江·阿不都熱和曼1,鐘建華1,李 陽(yáng)2,陳 鑫1

(1.中國(guó)石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營(yíng),257061;2.中石化油田勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部,北京 100029)

利用巖心觀察、薄片鑒定、電子探針和拉曼光譜等分析手段,從縫合線特征描述入手,分析塔河油田縫合線的成因及其油氣意義。結(jié)果表明:研究區(qū)縫合線可分為 3種,即順層縫合線、傾斜縫合線和豎直縫合線;研究區(qū)縫合線有壓實(shí)、壓裂和壓溶 3種成因類(lèi)型,其中順層縫合線以壓實(shí)成因?yàn)橹?傾斜縫合線和豎直縫合線以壓裂成因?yàn)橹?壓實(shí)縫合線或壓裂縫合線是形成壓溶縫合線的基礎(chǔ),而壓溶縫合線是壓實(shí)或壓裂縫合線的延續(xù);塔河油田奧陶系碳酸鹽巖縫合線比基質(zhì)有較高的有機(jī)質(zhì)豐度,為油氣生成的有利場(chǎng)所,同時(shí)為油氣的運(yùn)移提供了有利通道,也有利于提高儲(chǔ)層物性。

塔河油田;縫合線;儲(chǔ)層;成因類(lèi)型;碳酸鹽巖

縫合線構(gòu)造 (stylolites)是碳酸鹽巖中廣泛發(fā)育的一種壓溶構(gòu)造[1-3],縫合線的形成是和壓應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下的巖石溶解聯(lián)系在一起的[3-5],但有人認(rèn)為碎裂變形也能形成特定的縫合線[6]。關(guān)于縫合線的石油地質(zhì)意義,前人的主要觀點(diǎn)有:①隨著縫合線數(shù)量的增加,儲(chǔ)層物性變差[7];②縫合線能夠改善儲(chǔ)層物性,是油氣運(yùn)移的重要通道和儲(chǔ)集空間[8];③縫合線對(duì)儲(chǔ)層物性沒(méi)有影響[9];④雖然縫合線本身對(duì)儲(chǔ)層物性沒(méi)有貢獻(xiàn),但由于縫合線具有塑性特征,在一定條件下能轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)滲空間[10]?？梢钥闯?前人的觀點(diǎn)存在較大分歧。鉆井及野外勘察揭示塔河油田北部隆起區(qū)下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖中發(fā)育大量縫合線構(gòu)造,但前人對(duì)其縫合線鮮有涉及。筆者在大量野外露頭、鉆井巖心和分析化驗(yàn)資料研究基礎(chǔ)上,對(duì)該區(qū)縫合線特征、成因機(jī)制及油氣意義進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

塔河油田主體位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克庫(kù)勒凸起西南部 (圖 1)[11]。受加里東中晚期區(qū)域性構(gòu)造抬升的影響,塔北阿克庫(kù)勒地區(qū)快速隆升,于中奧陶世末開(kāi)始形成一個(gè)向北抬升、向南傾沒(méi)的鼻狀凸起。

圖 1 塔河油田區(qū)域位置圖Fig.1 Location of Tahe O ilfield

2 縫合線采樣和測(cè)試方法

對(duì)塔河油田 32口井的巖心進(jìn)行精細(xì)觀察與描述,以塔河油田四區(qū)奧陶系碳酸鹽巖為主,選取有代表性縫合線樣品 150塊,磨制薄片 169個(gè)。其中,上奧陶統(tǒng) 54個(gè),中下奧陶統(tǒng) 115個(gè)。薄片觀察在中國(guó)石油大學(xué) (華東)沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)室中完成。電子探針和陰極發(fā)光測(cè)試在德國(guó)弗賴(lài)堡大學(xué) (university of freiburg)完成;拉曼光譜分析在瑞士寶石家協(xié)會(huì) (Swiss gemmological institute)實(shí)驗(yàn)室完成。通過(guò)電子探針測(cè)試,獲得了縫合線內(nèi)充填物的相對(duì)含量。電子探針型號(hào)為 Cameca SX100,在加速電壓 15 kV、束流 4.9 nA、束斑直徑 1μm的工作條件下進(jìn)行定量分析。將用分光器測(cè)定獲得的 X射線波長(zhǎng)、強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)比,或根據(jù)不同強(qiáng)度校正值,間接計(jì)算出縫合線充填物的組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明,研究區(qū)縫合線中充填物主要是 Ca,Mg的氧化物,基質(zhì)溶解釋放的 Fe2+與 S2-結(jié)合而形成的黃鐵礦與富集的 Fe,Mn等重礦物殘留物,且黃鐵礦在縫合線當(dāng)中呈星散立方體和小結(jié)核狀分布 (圖 2)。用拉曼光譜測(cè)定縫合線內(nèi)充填物的拉曼光譜特征,發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)在縫合線內(nèi)已相對(duì)富集。研究結(jié)果與研究區(qū)下奧陶統(tǒng)縫合線中普遍發(fā)育儲(chǔ)層瀝青和次生黃鐵礦現(xiàn)象吻合。

圖 2 黃鐵礦在縫合線中的賦存特征(T402井,5.5226 km)Fig.2 Characteristics of pyrite in stylolites(well T402,5.5226 km)

3 縫合線分類(lèi)及其特征

3.1 縫合線與層理面的關(guān)系分類(lèi)

根據(jù)縫合線與層理面的關(guān)系,研究區(qū)的縫合線可分為 3種:①平行或近于平行層理面 (與層理面的夾角小于 15°)的“順層縫合線”(圖 3(a)),這是一種主要的縫合線,占整個(gè)縫合線的 70%以上;②與層理面夾角為 15°～75°的“傾斜縫合線”(圖 3(b)),這是一種次要的縫合線,占整個(gè)縫合線的 20%左右,在 TK404,TK407,TK409,S65,S80等 13口井中普遍發(fā)育,以 TK404井為代表;③與層理面夾角大于 75°的“豎直縫合線”(圖 3(c)),在研究區(qū)奧陶系地層中最不發(fā)育,不超過(guò)縫合線總數(shù)的 5%,以 S47,T415井為代表。具體縫合線特征見(jiàn)表 1。

3.2 幾何學(xué)分類(lèi)

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖中的縫合線從幾何學(xué)特征角度出發(fā),可以將它們分為簡(jiǎn)單型和復(fù)雜型兩種。簡(jiǎn)單型縫合線的幾何學(xué)特征就是幾何形態(tài)比較簡(jiǎn)單,亦可叫單一型縫合線。主要包括平緩型、碎浪型、城墻狀和鋸齒狀。復(fù)合型縫合線總體上以某一種類(lèi)型縫合線為主體,局部可見(jiàn)另一種類(lèi)型的縫合線寄生在主體部分上,如四區(qū) T415井 5.570 9 km段,可見(jiàn)單條平緩型縫合線過(guò)渡到城墻狀縫合線,繼而過(guò)渡到鋸齒狀縫合線 (圖 3(d))。

表 1 塔河油田奧陶系碳酸鹽巖縫合線特征Table 1 Characteristics of stylolites in Ordovician carbonate rocks,Tahe O ilfield

圖 3 塔河油田奧陶系儲(chǔ)層縫合線巖心特征(巖心直徑 65 mm)Fig.3 Core characteristics of stylolite in Ordovician carbonate rocks,Tahe O ilfield(core diameter 65 mm)

3.3 縫合線的組合關(guān)系

研究區(qū)縫合線組合關(guān)系有下列幾種:①單一型,縫合線的間距超過(guò)縫合線齒高或波高的 10倍;②平行型,由多條彼此平行的縫合線組成,縫合線的間距小于縫合線齒高的 10倍 (圖 3(e));③重合型,多條縫合線彼此重疊組成;④網(wǎng)狀型,多條縫合線彼此相交成網(wǎng)狀,網(wǎng)眼較大,網(wǎng)眼直徑是縫合線齒高的 10倍以上;⑤辮狀型,多條縫合線彼此相交成辮 (圖 3(f)),多為順層縫合線彼此相交;⑥復(fù)雜型,多條縫合線彼此相交成非網(wǎng)、非辮系統(tǒng),且多與垂直裂縫和傾斜裂縫相交 (圖 3(g)),組合成復(fù)雜的網(wǎng)狀系統(tǒng)。

4 成因分析

前人有關(guān)縫合線的成因主要有壓實(shí)[1-2]和壓溶[1-7]2種觀點(diǎn)。諸多縫合線成因機(jī)制的論述既反映了當(dāng)時(shí)人們的認(rèn)識(shí)水平,又從側(cè)面反映了一種科學(xué)的進(jìn)步過(guò)程。筆者認(rèn)為,研究區(qū)縫合線成因有壓實(shí)、壓裂和壓溶 3種。由于縫合線的形成源自多種因素間復(fù)雜的相互作用,如巖石成分、外部應(yīng)力、流體參與、構(gòu)造作用和物理化學(xué)條件等等。在分析縫合線成因時(shí),不同階段各主控因素的作用特點(diǎn)和作用地位也不盡相同。

4.1 壓實(shí)縫合線

圖 4 壓實(shí)縫合線形成過(guò)程示意圖Fig.4 Schematic diagram of compaction stylolites format ing processes

壓實(shí)縫合線是由上覆地層產(chǎn)生的壓應(yīng)力、灰?guī)r泥質(zhì)含量和溫度共同作用的結(jié)果。其形成過(guò)程具有階段性:①碳酸鹽巖巖塊 (圖 4(a))受上覆地層的重力作用,使碳酸巖顆粒的長(zhǎng)軸順著巖層 (理)面優(yōu)選排列,形成了水平方向的“縫隙”(圖 4(b))。②由于持續(xù)的垂向靜壓力作用,加之巖石的物性差異,易于在最大主應(yīng)力平面上使被作用巖層中的礦物或顆粒產(chǎn)生調(diào)整,并形成定向排列[2],在巖心上呈微弱起伏,并伴隨巖層的微弱消減 (圖 4(c))。如S65,S80,TK417和 TK427井中,許多縫合線沿泥晶灰?guī)r團(tuán)塊之間的水平邊界或沿泥晶灰?guī)r團(tuán)塊與粉砂白云巖斑片的結(jié)合邊界發(fā)育。

4.2 壓裂縫合線

壓裂縫合線是一種受壓剪形成的純物理破裂。壓剪應(yīng)力由上覆地層產(chǎn)生的靜壓力與側(cè)向構(gòu)造擠壓應(yīng)力共同提供[10]。在 S85,S86,T401,T402,T417,TK406等井均有普遍發(fā)育,與巖層面呈高角度 (大于75°)相交。高角度壓裂縫合線形成也具有階段性。首先碳酸鹽巖顆粒周?chē)奈镔|(zhì),在剪壓應(yīng)力作用下提前屈服,使顆粒受到周?chē)魤簯?yīng)力的集中作用,而導(dǎo)致碳酸鹽巖巖塊沿著顆粒之間的應(yīng)力薄弱點(diǎn)被“壓斷”,形成與最大主應(yīng)力垂直的壓斷面;在上覆巖層靜壓力與持續(xù)的側(cè)向構(gòu)造擠壓應(yīng)力的共同作用下,被作用在巖層中的礦物或其他物質(zhì)產(chǎn)生調(diào)整并形成定向排列,加之巖石物性差異的影響,在巖心上呈現(xiàn)微弱起伏并伴隨巖層的微弱消減。經(jīng)巖心及薄片觀察 ,其走向以 NE(30°～40°和 60°～70°)為主 ,其次為 NW(280°～300°)和 NEE(10°～15°),還有少量近 EW走向和近 SN走向,其縫寬小于 2 mm。在 T417井 5.5965 m處可見(jiàn)大于 2 mm(圖 3(h)),但含油和過(guò)油性較差。

4.3 壓溶縫合線

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖中的縫合線的成因可能很難有純粹的“壓溶”。研究區(qū)內(nèi)的溶蝕縫合線主要是在壓實(shí)縫合線和壓裂縫合線基礎(chǔ)上改造形成的,可以認(rèn)為壓溶縫合線是壓實(shí)縫合線和壓裂縫合線的延續(xù),也是不成熟型縫合線向成熟型縫合線的過(guò)渡。

研究區(qū)有諸多因素促使壓實(shí)、壓裂縫合線向壓溶縫合線過(guò)渡。首先,縫合線的形成始終離不開(kāi)壓應(yīng)力的作用,因?yàn)樗灤┛p合線形成的全過(guò)程。塔河油田奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層的埋藏多在 5.0～6.0 km,上覆巖層產(chǎn)生的靜壓力較大,流體溫度也較高,下奧陶統(tǒng)地層溫度為 110～129℃,地溫梯度平均為2.3℃/100 m,地層壓力為 57.38～59.24 MPa。其次,巖石中有機(jī)質(zhì)的脫羥作用、黏土礦物蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾^(guò)程中提供的大量不飽和水都可促使縫合線 (面)兩側(cè)可溶物質(zhì)溶解,加速壓溶縫合線的形成。溶蝕作用使壓溶縫合線在巖心上表現(xiàn)為鋸齒形態(tài)發(fā)育,但齒尖不尖銳,多數(shù)比較渾圓的特征。從縫合線的成因機(jī)制分析,無(wú)論壓實(shí)縫合線、壓裂縫合線,還是壓溶縫合線,其形成過(guò)程都具有階段性。壓溶縫合線作為一種成熟的縫合線類(lèi)型,是壓實(shí)、壓裂縫合線在諸多巖溶影響因素改造下的最終體現(xiàn)。在野外觀察及巖心描述過(guò)程中,由于壓溶縫合線具有幾何學(xué)特征明顯、充填物質(zhì)普遍含有有機(jī)質(zhì)、儲(chǔ)層發(fā)育段壓溶縫合線內(nèi)富含石油和殘留的重質(zhì)瀝青等特點(diǎn),往往作為研究重點(diǎn),而壓實(shí)及壓裂縫合線在巖心及野外觀察中不易識(shí)別,且充填物不發(fā)育,研究區(qū)內(nèi)只有少量壓裂縫合線被灰綠色泥質(zhì)充填。

5 縫合線的油氣意義

5.1 縫合線是良好的生油場(chǎng)所

筆者用拉曼光譜儀測(cè)得了塔河油田 T402井奧陶系縫合線內(nèi)黑色有機(jī)質(zhì)充填物的拉曼光譜特征。其主峰峰值分別為 1 384 cm-1和 1 644 cm-1,與飽和烴中環(huán)丁烷 (Cyclobutane)拉曼光譜曲線中的主峰值擬合完好。反映了縫合線中的有機(jī)質(zhì)已相對(duì)富集。純基質(zhì)的有機(jī)碳含量 (TOC)均小于 0.20%,最高 0.19%,最低僅 0.03%,平均為 0.10%;縫合線物質(zhì)的有機(jī)碳含量高,其值為 0.11%～1.51%,平均值為 0.57%,高出基質(zhì)相應(yīng)值近 5倍,就某些單樣則可為 10～20倍以上。由此可見(jiàn),縫合線中的有機(jī)質(zhì)要高于周?chē)妓猁}巖基質(zhì)的,且區(qū)內(nèi)奧陶系地層平均溶蝕量為縫合線鋸齒高差的 2.3倍[12]。由于基巖可溶組分的溶解,使不溶有機(jī)質(zhì)在縫合線中富集,也可證明縫合線生烴能力要優(yōu)于基質(zhì)。

5.2 縫合線是重要的油氣運(yùn)移通道

本區(qū)奧陶系灰?guī)r基質(zhì)孔隙度為 0.045%～2.0%,滲透率一般小于 1×10-3μm2,反映基質(zhì)孔、滲性總體較差的特征?？p合線的形成,實(shí)際上是碳酸鹽巖基質(zhì)不斷消失、地層厚度不斷減小的過(guò)程,并在這一過(guò)程中伴隨著流體的排出。由基質(zhì)消失而伴隨產(chǎn)生的流體可以加劇溶蝕作用的進(jìn)行,生成的油氣會(huì)隨著由基質(zhì)消失而產(chǎn)生的流體一同排出。油氣可沿著灰?guī)r內(nèi)部發(fā)育的縫合線運(yùn)移 (圖 5(a)),也有油氣沿著泥晶灰?guī)r與白云質(zhì)粉砂斑片之間形成的縫合線運(yùn)移 (圖 5(b))。研究區(qū)下奧陶統(tǒng)地層中縫合線幾乎均是“黑色”(圖 3(g)),縫合線內(nèi)部為瀝只因輕烴組分的“蒸發(fā)”而留下了瀝青殘?jiān)?/p>

圖 5 鏡下含油縫合線 (T433井,5.57453 km)Fig.5 O il-bear ing stylolites(well T433,5.57453 km)

在觀察中發(fā)現(xiàn)巖心多沿縫合線 (面)裂開(kāi),如S77井 5.541 01 km井段,由于巖心在上提的過(guò)程中,縫合線所受垂向壓力劇減,造成水平或順層的縫合線沿著縫合線 (面)裂開(kāi) (圖 6)。這表明縫合線是一種易于剝裂的弱結(jié)構(gòu)界面,在壓裂過(guò)程中,縫合線易被壓開(kāi),成為輸導(dǎo)油氣的有利通道。

圖 6 沿縫合線 (面)裂開(kāi)的巖心Fig.6 Drilling core splitted along stylolites

5.3 縫合線有利于提高儲(chǔ)層物性

埋藏溶蝕作用發(fā)育區(qū)內(nèi)形成的溶孔、溶縫進(jìn)一步增加了原儲(chǔ)集體的儲(chǔ)集和滲透能力,使其成為更好的儲(chǔ)集層。如 S80井埋深 5.477 1～5.478 1 km處,開(kāi)度大于 0.1 mm的縫合線,最大密度為 45 m-1,薄片中開(kāi)度直徑多為 0.01～0.2 mm,少數(shù)為 1～2 mm,面縫率為 4%～7%,且溶解作用形成的縫合線無(wú)選擇性,粒內(nèi)、泥晶基質(zhì)及亮晶膠結(jié)物內(nèi)均有溶蝕作用發(fā)生。在巖心觀察中發(fā)現(xiàn),壓實(shí)縫合線的含油性明顯優(yōu)于壓裂縫合線,順層縫合線含油性?xún)?yōu)于高角度縫合線。此外,與縫合線相比巖心中的構(gòu)造裂縫大多被方解石充填,只有少數(shù)裂縫面上有油跡或油斑顯示,縫合線比裂縫更加細(xì)密,且網(wǎng)絡(luò)化程度高,說(shuō)明縫合線的三維連通性好于構(gòu)造裂縫,有利于提高儲(chǔ)層內(nèi)部的連通性和滲透性。

6 結(jié) 論

(1)據(jù)縫合線與層面的關(guān)系,塔河油田奧陶系碳酸鹽巖中的縫合線可分為順層縫合線、傾斜縫合線和豎直縫合線 3種;據(jù)幾何學(xué)分類(lèi),研究區(qū)內(nèi)的縫合線可分為簡(jiǎn)單縫合線與復(fù)雜縫合線。

(2)本區(qū)縫合線主要是由壓實(shí)、壓裂和壓溶作用產(chǎn)生。溶蝕縫合線在壓實(shí)縫合線或壓裂縫合線基礎(chǔ)上改造形成,壓溶縫合線是壓實(shí)縫合線和壓裂縫合線的延續(xù),成因及形態(tài)上是不成熟型縫合線向成熟型縫合線的過(guò)渡。

(3)縫合線是本區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層生成油氣的良好場(chǎng)所和油氣運(yùn)移的有利通道,且縫合線易于改善儲(chǔ)層的連通性和滲透性,提高了儲(chǔ)層物性。

致謝 中石化西北石油分公司為巖心觀察及采樣提供了便利;樣品分析由筆者在德弗萊堡大學(xué)礦物與地球化學(xué)學(xué)院及瑞士 Gemmological研究所完成;成文過(guò)程中得到 Dr.Kurt Bucher教授、Dr.Michael S.Krzemnicki和 Dr.HiltrudM.Sigmund的指導(dǎo)和幫助。在此,對(duì)以上單位及個(gè)人謹(jǐn)表謝意!

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Stylolite characteristics and petroleum geology sign ificance of Ordovician carbonate rocks in Tahe O ilfield

AHMATJAN Abdurahman1,ZHONG Jian-hua1,L I Yang2,CHEN Xin1
(1.College of Geo-Resources and Info rmation in China University of Petroleum,Dongying257061,China;2.Business Unit of O ilfield Exploration and Development,SINOPEC,Beijing100029,China)

By usingmethodsof core observation,thin-section analysis,electron probe and Raman spectrum analysis,the stylolite genesis and its petroleum significance in Tahe Oilfield were described based on stylolite characteristics.The results show that there are three kinds of stylolites including bedding,inclined and vertical stylolite.There are three kindsof genetic types for stylolites including compaction,fracturing and pressolution.Compaction ismain contribution factor for bedding stylolite,and fracturing ismain genetic type for inclined and vertical stylolite.Compaction stylolite or fracturing stylolite are the prerequisite of forming pressolutional stylolite,and pressolutional stylolite is the continuation of compaction stylolite or fracturing stylolite. In Ordovician carbonate rocks of Tahe Oilfield,the stylolites have higher organic matter abundance than matrix,which are also the favorable structure for hydrocarbon generation,migration pathway and advantage to improve physical properties of reservoir.

Tahe Oilfield;stylolite;reservoir;genetic type;carbonate rocks

P 583

A

1673-5005(2010)01-007-05

2009-06-18

國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2006CB202401);國(guó)家油氣重大專(zhuān)項(xiàng)課題(2008ZX05014)

艾合買(mǎi)提江·阿不都熱和曼 (1979-),男(維吾爾族),新疆阿克蘇人,博士研究生,主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與儲(chǔ)層沉積學(xué)研究。

(編輯 徐會(huì)永)