呂成福 李曉燕 陳國(guó)俊 魯新川 杜貴超,3 李 超,3 李 偉,3 陳 吉,3

(1.中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000; 2.中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心/中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書館蘭州分館 蘭州 730000;3.中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

酒東坳陷下白堊統(tǒng)砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物特征與儲(chǔ)層物性①

呂成福1李曉燕2陳國(guó)俊1魯新川1杜貴超1,3李 超1,3李 偉1,3陳 吉1,3

(1.中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000; 2.中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心/中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書館蘭州分館 蘭州 730000;3.中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

碳酸鹽膠結(jié)物是酒東坳陷下白堊統(tǒng)砂巖內(nèi)一種重要的自生礦物,其對(duì)深部?jī)?chǔ)層儲(chǔ)層質(zhì)量有著重要影響。本文通過薄片觀察、掃描電鏡、能譜分析及碳氧同位素分析,認(rèn)為碳酸鹽膠結(jié)物主要為鐵方解石、白云石和鐵白云石,并且以后者為主,其分布具有不均一性且分帶性明顯。碳酸鹽膠結(jié)物均為成巖作用后期產(chǎn)生,形成該礦物所需的物質(zhì)主要來源于泥巖的黏土礦物轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)熱演化,還有一部分鈣來源于斜長(zhǎng)石的蝕變。碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕溶解是深部低滲透儲(chǔ)層中發(fā)育較為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的重要原因,該溶蝕溶解必須存在流體運(yùn)移的通道,另外,碳酸膠結(jié)物含量也對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量有所影響,當(dāng)碳酸鹽含量大于5%時(shí),儲(chǔ)層孔隙度隨碳酸鹽膠結(jié)物含量增加而降低,而當(dāng)其含量小于5%時(shí),儲(chǔ)層孔隙度與碳酸鹽膠結(jié)物含量之間沒有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

酒泉盆地 營(yíng)爾凹陷 碳酸鹽膠結(jié)物 碳氧同位素 物質(zhì)來源

0 引言

碳酸鹽膠結(jié)物是碎屑巖儲(chǔ)層中最為常見的膠結(jié)物類型之一,也是成巖過程中重要的自生礦物,其具有分布普遍性、形成多期性和成因多樣性等特點(diǎn)[1,2]。碳酸鹽礦物的溶解度對(duì)溫度、壓力和PH值等成巖環(huán)境變化極為敏感,所以當(dāng)?shù)貙恿黧w性質(zhì)發(fā)生變化勢(shì)必會(huì)引起碳酸鹽礦物的重新分布[3]。碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層物性的影響主要有兩個(gè)方面,一是占據(jù)著原生孔隙,對(duì)儲(chǔ)層孔隙度破壞性較強(qiáng),二是早期碳酸鹽膠結(jié)物充填于孔隙中,增強(qiáng)儲(chǔ)層抗壓實(shí)能力并為后期溶蝕、溶解作用的發(fā)生提供了條件[4]。所以與碳酸鹽膠結(jié)物有關(guān)的巖石-流體相互作用對(duì)研究石油、天然氣的儲(chǔ)集性能具有重要意義,長(zhǎng)期以前受到石油地質(zhì)學(xué)家的高度重視,特別是地層深部?jī)?chǔ)層的儲(chǔ)集性能與碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀與溶解有著直接關(guān)系[5～11]。

近年來酒東坳陷的油氣勘探取得較大突破,勘探目的層為埋深在4 000～5 500 m之間的下溝組和赤金堡組碎屑巖,其孔隙度在10%左右,滲透率一般在2 X10-3μm2左右,屬于低孔低滲和特低孔特低滲的地層深部?jī)?chǔ)層,這使得該區(qū)油氣勘探開發(fā)受到很大限制,因而深部低滲透儲(chǔ)層中較為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的成因機(jī)理問題,已經(jīng)成為該地區(qū)油氣藏形成與分布的關(guān)鍵問題。本人(2010)通過對(duì)酒東坳陷白堊系儲(chǔ)層特征的研究認(rèn)為,儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間主要為與碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕有關(guān)的粒間擴(kuò)大溶蝕孔隙,而碳酸鹽膠結(jié)物類型多樣且分布和溶解都存在不勻一性[12],這給該地區(qū)儲(chǔ)層流體-巖石相互作用及物性研究帶來很大的難度。因此,本文從微觀礦物學(xué)和地球化學(xué)的角度,深入研究?jī)?chǔ)層砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的特征、溶解與沉淀的反應(yīng)機(jī)制及其對(duì)儲(chǔ)層物性的影響,為準(zhǔn)確判斷酒東坳陷儲(chǔ)層成巖演化過程及儲(chǔ)層物性預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

酒東坳陷位于祁連山加里東褶皺帶與阿拉善地塊的過渡帶西段,其與酒西坳陷、花海-金塔坳陷共同組成酒泉盆地[13,14]。坳陷整體上呈北西西向展布,內(nèi)部可劃分為營(yíng)爾凹陷、馬營(yíng)凹陷、酒泉凹陷、鹽池凹陷和文殊山凸起、天泉寺凸起、清水低凸起和榆木山低凸起等8個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元(圖1)。下白堊統(tǒng)發(fā)育有赤金堡組、下溝組和中溝組三套碎屑巖地層[15]。早白堊世赤金堡沉積一套扇三角洲、半深湖為主的地層。早白堊世中期下溝組沉積超覆于赤金堡地層之上,沉積一套(扇)辮狀河三角洲、濱淺湖碎屑巖和泥質(zhì)白云巖地層。早白堊世晚期中溝組沉積時(shí)期,酒東坳陷由斷陷沉積轉(zhuǎn)為坳陷沉積,沉積地層以扇三角洲、濱淺湖相碎屑巖為主。早白堊世末的晚燕山運(yùn)動(dòng),坳陷整體抬升使中溝組大面積遭受剝蝕,尤其坳陷南部剝蝕嚴(yán)重,局部缺失中溝組沉積,而晚白堊世時(shí)期,坳陷內(nèi)未接受任何沉積。下白堊統(tǒng)碎屑巖儲(chǔ)層的類型主要為砂礫巖、粗砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖,巖性主要為近源的巖屑長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖,其結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度都較低。

圖1 酒東坳陷構(gòu)造單元圖Fig.1 The tectonic sketchmap of Jiudong Sag

2 碳酸鹽膠結(jié)物的分布及特征

2.1 碳酸鹽膠結(jié)物分布

利用偏光顯微鏡和X-衍射分析相結(jié)合的方法,對(duì)研究區(qū)下白堊統(tǒng)78個(gè)砂巖樣品的碳酸鹽膠結(jié)物進(jìn)行分析(見表1),結(jié)果表明,該地區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物總體含量較高,各層位平均為5.851%,縱向上碳酸鹽膠結(jié)物含量變化并不明顯,而橫向上卻有較大差別。筆者通過以往的研究認(rèn)為,碳酸鹽膠結(jié)物橫向上分布不均衡是由成巖環(huán)境所造成[12,16],位于沉積中心周圍的三角洲前緣水下分流河道砂體、河口壩砂體和濱淺湖灘壩砂體中碳酸鹽膠結(jié)物含量較高,原因是這類砂巖的分選較好、結(jié)構(gòu)成熟度較高,儲(chǔ)層具有較好的孔隙度和連通性,地層流體可以順暢的在其內(nèi)部流動(dòng)并進(jìn)行物質(zhì)交換,其中C101井區(qū)所發(fā)育的大量碳酸鹽膠結(jié)物后期未經(jīng)過明顯的溶蝕改造,平均含量高達(dá)10.19%,Q1井區(qū)和長(zhǎng)2井區(qū)早期形成的碳酸鹽膠結(jié)物后期部分被溶蝕。而位于凹陷邊緣的JC1井區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物最少,平均含量只有2.58%,原因在于近源沉積所產(chǎn)生的大量黏土雜基抑制了碳酸鹽膠結(jié)物的發(fā)育,致使碎屑顆粒的膠結(jié)方式以黏土膠結(jié)為主。

表1 酒東坳陷砂巖儲(chǔ)層自生碳酸鹽膠結(jié)物含量統(tǒng)計(jì)Table1 Contents of carbonate cements in the sandstone reservoir from Jiudong Sag

2.2 碳酸鹽膠結(jié)物類型及賦存狀態(tài)

通過鐵氰化鉀和茜素紅染色薄片的偏光顯微鏡觀察和掃描電鏡及能譜分析,發(fā)現(xiàn)碳酸鹽膠結(jié)物按成分主要分為鐵方解石、鐵白云石、白云石和菱鐵礦(表1),而早期方解石經(jīng)過蝕變后含量極少,整體上,碳酸鹽膠結(jié)物分布不均且分帶性明顯。

(1)菱鐵礦

菱鐵礦膠結(jié)物主要以棕褐色晶粒狀集合體充填于原生粒間孔隙,部分菱鐵礦呈團(tuán)塊狀假雜基形態(tài)產(chǎn)出,整體顏色較暗,晶粒以泥晶-粉晶為主,常與有機(jī)質(zhì)伴生,并見其交代碎屑顆?，F(xiàn)象(圖2a)。菱鐵礦在下溝組下段和赤金堡組上部局部?jī)?chǔ)層中相對(duì)富集,但整體含量較低,平均含量只有0.163%,其對(duì)儲(chǔ)層物性影響有限。菱鐵礦膠結(jié)物發(fā)育層段的碎屑顆粒主要以點(diǎn)接觸為主,有時(shí)碎屑顆粒之間完全由菱鐵礦膠結(jié),也可見其被晚期鐵白云石所交代的現(xiàn)象,這說明了菱鐵礦主要形成于砂巖原生孔隙發(fā)育的早成巖期。

(2)鐵方解石

由于下白堊統(tǒng)儲(chǔ)層埋深較大,早期方解石膠結(jié)物大多都已經(jīng)溶解或者蝕變,所以不發(fā)育早期的方解石膠結(jié)物。鐵方解石染色后主要呈現(xiàn)為深藍(lán)色和藍(lán)紫色,這是該層段較為重要的一種碳酸鹽膠結(jié)物類型,在下溝組下段較為發(fā)育,多以粒狀分布于粒間殘余孔隙內(nèi)(圖2b),還可見鐵方解石以交代石英、長(zhǎng)石和硅質(zhì)巖屑形式產(chǎn)出。從鐵方解石的產(chǎn)出特征來看,儲(chǔ)層碎屑顆粒之間多呈線接觸,表明鐵方解石形成時(shí)砂巖已遭受壓實(shí)改造,并且鐵方解石經(jīng)常交代石英次生加大邊,這說明鐵方解石形成時(shí)期較晚,而一部分鐵方解石被白云石所交代,形成白云石包裹的亮晶鐵方解石殘余,表明這部分鐵方解石膠結(jié)早于白云石形成之前。

(3)白云石和鐵白云石

染色薄片的顯微鏡觀察白云石為無色,多數(shù)白云石晶粒以粉-亮晶為主,晶粒集合體常呈斑塊狀充填于孔隙,有時(shí)也以孔隙襯里的方式或者環(huán)繞顆粒方式產(chǎn)出(圖2c),常見白云石交代鐵方解石和石英、長(zhǎng)石和硅質(zhì)巖屑等骨架顆粒,交代強(qiáng)烈處僅見骨架顆粒殘余。研究區(qū)儲(chǔ)層白云石膠結(jié)物分布很廣,但只在下溝組上段較為發(fā)育,隨著埋藏深度的增加,位于下溝組下段和赤金堡組的白云石大多數(shù)已經(jīng)蝕變?yōu)橥砥阼F白云石。

鐵白云石染色后顯微鏡下呈藍(lán)綠色,主要是砂巖儲(chǔ)層深埋藏時(shí)的產(chǎn)物,通常交代石英、長(zhǎng)石顆粒和早期、中期碳酸鹽膠結(jié)物,部分呈亮晶和連晶狀不均勻分散于粒間孔和早期溶蝕孔中(圖2d),因此這類膠結(jié)物形成時(shí)期最晚。由于目前下溝組下段和赤金堡組儲(chǔ)層埋深在4 000 m以下,早期、中期碳酸鹽膠結(jié)物大多數(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為晚期鐵白云石,所以鐵白云石膠結(jié)物非常發(fā)育。

3 碳酸膠結(jié)物的碳、氧同位素特征及物質(zhì)來源探討

自生碳酸鹽礦物的形成機(jī)制研究非常廣泛,包括礦物的形成溫度、壓力、pH值和物質(zhì)來源等方面,但是物質(zhì)來源方面是研究碳酸膠結(jié)物形成的基本內(nèi)容[3,6,17],鑒于研究區(qū)普遍發(fā)育鐵方解石、白云石和鐵白云石膠結(jié)物,因此本文根據(jù)上述礦物的碳氧同位素特征,對(duì)其形成礦物所需物質(zhì)來源進(jìn)行論述。

3.1 碳來源

圖2 下白堊統(tǒng)儲(chǔ)層中碳酸鹽膠結(jié)物特征a。褐棕色晶粒狀菱鐵礦交代巖屑,C2井,4139.51m,K1 g1,X 100(+);b。粒間充填鐵方解石(黃色箭頭所指),見少量白云石(綠色箭頭所指)交代鐵方解石,Q1井,5068.4m,K1 g1,X50(-),茜素紅染色;c。粉-亮晶白云石(綠色箭頭所指)充填孔隙,并交代石英、長(zhǎng)石顆粒,Q1井,4257.8m,K1g2,X100(-),茜素紅染色;d。亮晶-連晶鐵白云石(紅色箭頭所指)充填粒間孔隙并膠結(jié)碎屑顆粒,形成致密的鈣質(zhì)砂巖層,C101井,3941.5 m,K1 g1,X100(-),茜素紅染色。Fig.2 Characteristics of carbonate cements in the Lower Crataceous reservoir

碳酸鹽膠結(jié)物中氧碳同位素組成可為判斷其形成時(shí)的地球化學(xué)環(huán)境特征和物質(zhì)來源等提供重要信息,進(jìn)而有助于闡明成巖過程中流體-巖石相互作用、流體演化史和次生孔隙形成機(jī)理等基本地質(zhì)問題。因此本文利用偏光顯微鏡選取沒有碳酸鹽巖屑且只發(fā)育單一碳酸鹽膠結(jié)物的樣品19個(gè),其中含鐵方解石樣品5個(gè),含白云石樣品2個(gè),含鐵白云石樣品12個(gè),對(duì)所選樣品進(jìn)行碳、氧同位素測(cè)定(表2)。

表2 酒東坳陷自生碳酸鹽膠結(jié)物的碳氧同位素和形成溫度Table2 The value of carbon and oxygen isotopes and formation tem perature of carbonate cements

同時(shí),根據(jù)Keith和Weber(1964)提出了碳酸巖古鹽度恢復(fù)公式,即:Z=2.048 X(δ13C+50)+0.498 X(δ18O+50),式中 δ13C值和 δ18O值均為PDB標(biāo)準(zhǔn),利用該公式進(jìn)行該地區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)期古鹽度恢復(fù)。計(jì)算結(jié)果(表2)表明,該地區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物形成的古水介質(zhì)基本屬于礦化度較高的大陸淡水。

碳酸鹽膠結(jié)物的形成溫度計(jì)算公式采用Fritz和Smith(1972年)提出的較為成熟的計(jì)算公式:

式中:δ18O-碳酸鹽氧同位素值,‰;δ18Ow-水介質(zhì)氧同位素值,‰。由于大陸淡水的氧同位素組成在-20‰～-6‰,所以基于上述碳酸鹽膠結(jié)物形成時(shí)古鹽度的探討,本次計(jì)算碳酸鹽膠結(jié)物形成溫度時(shí)水介質(zhì)δ18O取值為-7‰,計(jì)算結(jié)果見表2。

研究區(qū)自生鐵方解石、白云石和鐵白云石的碳、氧同位素值比較穩(wěn)定,碳同位素分布區(qū)間為-5.9‰～0.6‰,平均值-2.52‰,其氧同位素組成為-17.1‰～-10.8‰,平均值-14.1‰。一般湖相原生碳酸鹽的 δ13C值為-2‰ ～6‰,δ18O大多在-15‰～5‰之間[18],這說明該地區(qū)儲(chǔ)層在成巖過程中一定有外來輕碳源的加入,而在儲(chǔ)層沒有經(jīng)過淡水淋濾和地幔熱流體改造的情況下,碳的來源必定與有機(jī)酸脫羧作用有關(guān),因?yàn)楦衫腋到膺^程中所形成有機(jī)酸的δ13C值為-20‰[19]。根據(jù)氧同位素推算的碳酸鹽形成溫度來看,各種礦物的形成溫度都比較寬泛,區(qū)間在63.1～159.36℃,這表明各種碳酸鹽膠結(jié)物的形成時(shí)間具有較強(qiáng)的持續(xù)性,另外,該溫度也與干酪根熱解排酸過程相吻合。研究區(qū)實(shí)測(cè)到的鏡質(zhì)體反射率均已大于1%,泥質(zhì)巖中有機(jī)質(zhì)在成巖熱演化過程中,通過有機(jī)酸脫羧基形成CO2溶于水則形成碳酸,而且在有機(jī)質(zhì)演化剖面上,CO2含量是隨著埋藏深度(溫度)的增加而升高的,這些來源于有機(jī)質(zhì)且碳同位素輕的CO2溶于水后,可以蝕變?cè)缙谔妓猁}礦物并改變其碳同位素組成。

3.2 鈣鎂來源

泥巖在成巖演化過程中會(huì)釋放出大量的層間水、吸附水和結(jié)構(gòu)水,同時(shí)伴隨著黏土礦物的轉(zhuǎn)化,而蒙皂石或伊/蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)化的過程中,可以產(chǎn)生大量的Ca2+、Fe3+和Mg2+離子。下溝組和赤金堡組儲(chǔ)層周圍泥巖的黏土礦物總量一般在20%以上,其中主要為伊利石,這說明黏土礦物經(jīng)歷的較為強(qiáng)烈的成巖轉(zhuǎn)化。另外,泥巖中有機(jī)質(zhì)通常以化學(xué)鍵或吸附的形式與黏土礦物組成有機(jī)黏土復(fù)合體,吸附一定量的Ca2+、Fe3+和Mg2+等金屬陽(yáng)離子,有機(jī)質(zhì)在成熟過程中會(huì)釋放出有機(jī)酸、CO2和烴類,同時(shí)也會(huì)釋放出上述金屬陽(yáng)離子[20]。目前研究區(qū)泥巖中有機(jī)質(zhì)演化處于成熟和過成熟階段,必定會(huì)有一定量的陽(yáng)離子隨著有機(jī)質(zhì)熱演化生烴而釋放出來。上述這些金屬陽(yáng)離子隨著地層水向高孔隙度的砂巖儲(chǔ)層運(yùn)移時(shí), Ca2+、Fe3+和Mg2+離子也隨之進(jìn)入砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部,當(dāng)CO2分壓降低時(shí),這些離子很容易結(jié)合到方解石或白云石的晶格中去,碳酸鹽的形成溫度時(shí)間(63.1～ 159.36℃)也與泥巖熱演化的時(shí)間相匹配?？梢?黏土礦物轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)熱演化不僅為該地區(qū)儲(chǔ)層提供了大量的碳來源,同時(shí)也是碳酸鹽膠結(jié)物重要的金屬陽(yáng)離子來源。這是碎屑巖儲(chǔ)層內(nèi)普遍發(fā)育鐵方解石和鐵白云石的重要原因。

另外,斜長(zhǎng)石中的鈣長(zhǎng)石在酸性條件下溶解而形成高嶺石和Ca2+,這一過程可以提供一定量的鈣離子。研究區(qū)內(nèi)的斜長(zhǎng)石含量達(dá)到18.7%,在偏光顯微鏡下觀測(cè)其溶蝕溶解現(xiàn)象非常普遍,并且下溝組下段和赤金堡組比下溝組上段和中溝組儲(chǔ)層內(nèi)的高嶺石含量明顯升高[15],深部?jī)?chǔ)層內(nèi)原生高嶺石已經(jīng)轉(zhuǎn)化為伊利石,高嶺石含量的增加得益于斜長(zhǎng)石在酸性條件下的蝕變,同時(shí)釋放出Ca2+,因此這一過程可以提供豐富的鈣離子來源。

4 碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

營(yíng)爾凹陷下溝組和赤金堡組碎屑巖儲(chǔ)層以特低孔特低滲為特征,這是在強(qiáng)烈壓實(shí)作用下黏土和碳酸鹽膠結(jié)所形成的,但是酸性流體的溶蝕作用也在局部形成一些物性較好的儲(chǔ)層[12]。碳酸鹽膠結(jié)物的化學(xué)性質(zhì)活潑,對(duì)孔隙流體的酸堿性異常敏感,容易發(fā)生溶解和沉淀[25],有時(shí)在成巖過程中溶解和沉淀可以反復(fù)進(jìn)行,這種特性也就決定了碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層物性的影響具有雙重性,既有有利的一面,也有不利的一面,這就給碳酸鹽膠結(jié)物研究增加了難度。

研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物分布在沉積中心周圍的三角洲前緣水下分流河道砂體、河口壩砂體和濱淺湖灘壩砂體中,從碳酸鹽膠結(jié)物類型和形成溫度的分析中,可以看出研究區(qū)儲(chǔ)層內(nèi)早期碳酸鹽膠結(jié)物基本都已發(fā)生溶蝕-再沉淀,而現(xiàn)存的碳酸鹽為后期形成。在埋藏初期所形成的早期碳酸鹽膠結(jié)物增強(qiáng)砂巖的抗壓實(shí)能力,使砂巖保持較高的粒間體積,并且這種碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)成巖環(huán)境又極為敏感,為后期溶蝕產(chǎn)生次生孔隙提供足夠的空間和重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。祁1井、長(zhǎng)3井和長(zhǎng)4井等井區(qū)儲(chǔ)層距離沉積中心較近,砂巖內(nèi)碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕溶解現(xiàn)象非常普遍,產(chǎn)生了大量的次生溶蝕孔隙,儲(chǔ)層物性明顯改善,如祁1井下溝組下段儲(chǔ)層平均孔隙度高達(dá)16.62%,平均滲透率為88.5 X 10-3μm2。而距離沉積中心較遠(yuǎn)的長(zhǎng)101井赤金堡組儲(chǔ)層,大量的亮晶、連晶鐵白云石膠結(jié)物充填于孔隙內(nèi)部,后期的地層流體并沒有對(duì)其進(jìn)行有效溶解,致使儲(chǔ)層物性很差,平均孔隙度只有6.26%,平均滲透率僅為1.98 X 10-3μm2。在縱向上,該溶蝕溶解現(xiàn)象發(fā)生在與湖相泥巖接觸的薄層砂巖或不整合附近砂巖。可見碳酸鹽膠結(jié)物溶解的一個(gè)必要條件是儲(chǔ)層內(nèi)部發(fā)育流體運(yùn)移的通道,如果酸性流體無法進(jìn)入碳酸鹽膠結(jié)的儲(chǔ)層內(nèi)部,那么就不能改變碳酸鹽礦物的化學(xué)平衡,流體無法與其進(jìn)行有效的物質(zhì)交換。在這種情況下,碳酸鹽膠結(jié)物幾乎完全占據(jù)儲(chǔ)集空間,對(duì)于儲(chǔ)層物性來說具有較大的破壞性。

圖3 碳酸鹽膠結(jié)物含量與滲透率關(guān)系圖Fig.3 The relationship between the contents of carbonate cements and permeability

本地區(qū)主要發(fā)育孔隙式膠結(jié)的碳酸鹽,連晶方式膠結(jié)很少,因而不能對(duì)滲透率產(chǎn)生很大影響,從圖3中也可以看出,儲(chǔ)層滲透率隨碳酸鹽膠結(jié)物含量的增加一直保持穩(wěn)定。當(dāng)碳酸鹽含量小于大約5%時(shí),儲(chǔ)層孔隙度隨著碳酸鹽膠結(jié)物含量的增加沒有明顯變化,但是當(dāng)碳酸鹽含量大于大約5%時(shí),儲(chǔ)層孔隙度隨碳酸鹽膠結(jié)物含量增加而明顯降低(圖4)。儲(chǔ)層在兩種情況下碳酸鹽膠結(jié)物含量較少,一種是儲(chǔ)層為黏土礦物膠結(jié)從而缺乏碳酸鹽膠結(jié)物,這種儲(chǔ)層的孔隙度必然低,如酒參1井下溝組下段儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)育大量的黏土雜基并且主要為黏土礦物膠結(jié),致使碳酸鹽膠結(jié)物只是零星出現(xiàn);另一種是儲(chǔ)層內(nèi)碳酸鹽膠結(jié)物已經(jīng)部分被溶解,這種儲(chǔ)層的孔隙度較高,如上述的祁1井下溝組下段儲(chǔ)層。碳酸鹽膠結(jié)物含量較低的復(fù)雜性,導(dǎo)致碳酸鹽含量與孔隙度的相關(guān)性不強(qiáng),而當(dāng)碳酸鹽膠結(jié)物含量較高且黏土礦物含量很低的儲(chǔ)層,碳酸鹽膠結(jié)物含量與儲(chǔ)層孔隙度具有負(fù)相關(guān)性,因?yàn)楫?dāng)碎屑巖粒間體積一定的情況下,碳酸鹽會(huì)損失粒間體積而減少孔隙度,因而碳酸鹽膠結(jié)物含量越高儲(chǔ)層孔隙度越小?？梢?對(duì)于深部低滲透儲(chǔ)層,碳酸鹽膠結(jié)物溶解所形成的次生孔隙對(duì)改善砂巖儲(chǔ)層質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。

圖4 碳酸鹽礦物含量與孔隙度關(guān)系圖Fig.4 The relationship between the contents of carbonate cements and porosity

5 結(jié)論

(1)酒東坳陷營(yíng)爾凹陷下白堊統(tǒng)砂巖儲(chǔ)層中碳酸鹽膠結(jié)是一種含量高并對(duì)物性影響最大的膠結(jié)物,碳酸鹽礦物按成份可以分為鐵方解石、白云石和鐵白云石,并且以后者為主,在局部地區(qū)還有少量的菱鐵礦自生礦物。其主要分布于沉積中心周圍的三角洲前緣水下分流河道砂體、河口壩砂體和濱淺湖灘壩砂體中,具有分帶性的特點(diǎn)。

(2)根據(jù)碳酸鹽礦物的碳氧同位素分析可知,各種類型碳酸鹽膠結(jié)物的形成時(shí)間具有較強(qiáng)的持續(xù)性,形成溫度與干酪根熱解過程相吻合,并且碳酸鹽膠結(jié)物均為成巖作用后期產(chǎn)物。形成碳酸鹽礦物所需的碳、鈣、鎂和鐵主要來源于泥巖的黏土礦物轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)熱演化,另外,有一部分鈣來源于斜長(zhǎng)石的蝕變。

(3)距離坳陷沉積中心較近的砂巖儲(chǔ)層中碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕溶解現(xiàn)象非常普遍,產(chǎn)生了大量的次生溶蝕孔隙,儲(chǔ)層物性明顯改善,而距離沉積中心較遠(yuǎn)的砂巖儲(chǔ)層中碳酸鹽膠結(jié)物大量存在,致使儲(chǔ)層物性很差?？梢?碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕溶解是深部低滲透儲(chǔ)層存在較為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的重要原因,該溶蝕溶解必須存在流體運(yùn)移的通道。碳酸膠結(jié)物含量也對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量有所影響,當(dāng)碳酸鹽含量大于5%時(shí),儲(chǔ)層孔隙度隨碳酸鹽膠結(jié)物含量的增加而降低,而當(dāng)其含量較少時(shí),儲(chǔ)層孔隙度與碳酸鹽膠結(jié)物含量之間沒有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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Characteristics of Carbonate Cements and Reservoir Quality of the Lower Cretaceous Sandstone in Jiudong Sag

LüCheng-fu1LIXiao-yan2CHEN Guo-jun1LU Xin-chuan1DU Gui-chao1,3LIChao1,3LIWei1,3CHEN Ji13
(1.Key Laboratory of Petroleum Resources Research,Chinese Academ y of Sciences,Lanzhou 730000; 2.The Lanzhou Branch of National Science Library,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000; 3.Graduate University in of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

The deep burial sandstone reservoir quality is seriously affected by the carbonate cements which is an essential autogenic mineral in the Lower Crataceous formation in Jiudong sag.The thin sections and scanning electron microscope are analyzed,the energy spectroscopy,carbon and oxygen isotopes of carbonate cements are tested.The study results indicate that the carbonate cements of Lower Crataceous sandstone from the Jiudong sag aremainly ferrous dolomite,ferrous calcite and dolomite with heterogeneous distribution and apparent zonation.They were formed in the late stage of diagenesis and the source aremainly derived from clayminerals transformation,thermal evolution of organicmatter in themudstone and the partof the calcium from the alteration of plagioclase.The key reason for development of the high-quality reservoir in the deep burial low-permeability reservoirs is the dissolution of carbonate cements.In addition,the content of carbonate cement also have an impact on reservoir quality,if the content is greater than 5%,with the increase of the content of carbonate cements the porosity decreases,while it's less than 5%,there is no obvious correlation between porosity and carbonate cement content.

Jiuquan Basin;Ying'er Depression;carbonate cements;carbon and oxygen isotopes;material source

呂成福 男 1979年出生 博士 儲(chǔ)層沉積學(xué) E-mail:bailu2005@163。com

TE122.2

A

1000-0550(2011)06-1138-07

①國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2008ZX05000-025)、2011年中國(guó)科學(xué)院西部之光項(xiàng)目和甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目聯(lián)合資助。

2010-03-05;收修改稿日期:2011-04-25