周曉峰, 王建國(guó), 蘭朝利, 代金友

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

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鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組綠泥石膜的形成機(jī)制

周曉峰, 王建國(guó), 蘭朝利, 代金友

(中國(guó)石油大學(xué)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

通過(guò)包裹體、鑄體薄片、帶有能譜儀的掃描電鏡技術(shù)對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)8砂巖中的綠泥石膜進(jìn)行分析測(cè)試,研究其形成機(jī)制和過(guò)程及其與物性的關(guān)系。研究表明:綠泥石膜具有雙層膜結(jié)構(gòu),由骨架顆粒向孔隙方向依次為里層膜和外層膜;等厚的外層膜發(fā)育在壓實(shí)作用之后,由孔隙水中析出的綠泥石晶體聚集在骨架顆粒表面形成,由于原生孔隙提供了充足的生長(zhǎng)空間,致使生成的綠泥石晶粒大,晶形好,集合體有規(guī)律地排列;在外層膜的雙向阻滯作用下,里層膜開(kāi)始在骨架顆粒邊緣溶蝕產(chǎn)生的小孔腔中生長(zhǎng),因空間狹小造成綠泥石晶體小,晶形差,集合體雜亂堆積;隨成巖環(huán)境的變化,碎屑石英表面在外層膜形成后,經(jīng)歷了里、外層膜同時(shí)生長(zhǎng)和停止的反復(fù)交替,而碎屑長(zhǎng)石表面的里、外層膜則表現(xiàn)為此長(zhǎng)彼停的循環(huán)過(guò)程;綠泥石膜膠結(jié)是一種破壞性成巖作用,其發(fā)育的砂巖物性好僅僅是表象,本質(zhì)是物性好的砂巖有助于綠泥石膜發(fā)育。

鄂爾多斯盆地; 長(zhǎng)8砂巖; 綠泥石膜; 雙層結(jié)構(gòu); 破壞性成巖作用

綠泥石膜是指砂巖中圍繞顆粒的綠泥石黏土礦物薄膜,又常稱(chēng)之為顆粒包膜綠泥石、孔隙襯里綠泥石、綠泥石環(huán)邊或環(huán)邊綠泥石[1]。鑒于綠泥石膜的普遍性及綠泥石膜發(fā)育的砂巖物性較好,長(zhǎng)期以來(lái)諸多學(xué)者致力于研究其形成的機(jī)制和過(guò)程以及其與物性的關(guān)系[1-11]。筆者通過(guò)細(xì)致地顯微觀察,發(fā)現(xiàn)了具有雙層結(jié)構(gòu)的綠泥石膜,以往的研究成果中少見(jiàn)對(duì)這種綠泥石膜的相關(guān)報(bào)道。選取研究程度較高的長(zhǎng)8油層組砂巖(長(zhǎng)8砂巖)為對(duì)象,采用包裹體分析技術(shù)、鑄體薄片分析技術(shù)和帶有能譜儀的掃描電鏡分析技術(shù)對(duì)綠泥石膜的賦存狀態(tài)、化學(xué)組成、物質(zhì)來(lái)源、形成條件等進(jìn)行系統(tǒng)分析,結(jié)合砂巖的基本特征,從一個(gè)新視角研究鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組綠泥石膜形成的機(jī)制和過(guò)程,進(jìn)而探討其與物性的關(guān)系。

1 長(zhǎng)8砂巖的基本特征

鄂爾多斯盆地是中國(guó)重要的含油氣沉積盆地,三疊系延長(zhǎng)組是其主要產(chǎn)油層位。根據(jù)沉積旋回,前人將延長(zhǎng)組自上而下劃分為長(zhǎng)1—長(zhǎng)10 等10個(gè)油層組,反映了晚三疊世鄂爾多斯湖形成、發(fā)展和消亡的全過(guò)程,形成了一套厚度約1 000 m的河流-三角洲-重力流沉積體系[12]。長(zhǎng)8沉積期,鄂爾多斯湖面積大(約4×104km2)、水體淺(水深一般小于5 m),發(fā)育大型淺水三角洲沉積[13-14]。與之對(duì)應(yīng)發(fā)育一系列三角洲前緣水下分流河道砂體,長(zhǎng)25～100 km,寬5～20 km,厚15～40 m,形成大面積疊合連片的儲(chǔ)集巖。長(zhǎng)8儲(chǔ)集巖與長(zhǎng)7油源巖均穩(wěn)定分布,源、儲(chǔ)大面積廣覆式接觸,構(gòu)成了極佳的成藏組合[15]。

1.1 巖性特征

581個(gè)鑄體薄片鑒定結(jié)果表明,長(zhǎng)8砂巖主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖,碎屑組分成熟度低。碎屑組分統(tǒng)計(jì)分析(表1),石英、長(zhǎng)石、巖屑、云母的巖石體積分?jǐn)?shù)依次為32.1%、26.2%、24.0%、7.6%;巖屑主要為火山巖巖屑(10.2%)和石英巖巖屑(8.3%),其次為千枚巖巖屑(4.7%)和板巖巖屑(1.8%)。

根據(jù)物理化學(xué)性質(zhì),大致可以把碎屑組分劃歸為3類(lèi)。石英顆粒和石英巖巖屑?xì)w為一類(lèi),硬度大,化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定,為砂巖的骨架顆粒,但在較強(qiáng)的堿性流體作用下可以發(fā)生溶解[16-17]。長(zhǎng)石顆粒自成一類(lèi),硬度較大,為砂巖的骨架顆粒;在大氣水或酸性流體環(huán)境中易于溶解,產(chǎn)生溶蝕孔隙,改善砂巖物性[18]。云母、火山巖巖屑、千枚巖巖屑、板巖巖屑等歸為柔性組分,在巖石中通常表現(xiàn)為假雜基,地層水作用下極易發(fā)生水解產(chǎn)生Ca2+、Fe2+、Mg2+等離子[19]。成巖過(guò)程中,骨架顆粒是綠泥石膜的寄主,而柔性組分水解則為綠泥石膜的形成提供主要物質(zhì)來(lái)源。

1.2 成巖環(huán)境

應(yīng)用顯微觀察,結(jié)合前人的研究成果[20-22],根據(jù)最新的《碎屑巖成巖階段劃分規(guī)范》[23],確定鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8砂巖主要處在中成巖階段A期,部分砂巖已進(jìn)入中成巖階段B期:其最大埋藏深度達(dá)到4 000 m,最大古地溫達(dá)到140 ℃,Ro為0.8%～1.2%,伊蒙混層比為20%,綠泥石膜發(fā)育,長(zhǎng)石溶蝕作用強(qiáng)烈。綠泥石膜和長(zhǎng)石溶蝕現(xiàn)象共存于巖石中,指示了長(zhǎng)8砂巖是在酸、堿性成巖環(huán)境疊加效應(yīng)下的產(chǎn)物。在富Fe2+、Mg2+的堿性成巖流體作用下,綠泥石晶體析出,逐漸地聚集在碎屑顆粒表面形成黏土礦物薄膜;在酸性孔隙水環(huán)境中,長(zhǎng)石發(fā)生溶蝕的同時(shí),綠泥石膜生長(zhǎng)停止并遭受破壞[24],可見(jiàn)成巖環(huán)境演化對(duì)研究綠泥石膜的形成機(jī)制至關(guān)重要。

已有的成巖作用研究[20-22,25]表明,油氣充注過(guò)程對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組砂巖的成巖環(huán)境演化具有里程碑意義。中成巖階段,油氣攜帶短鏈有機(jī)酸和碳酸流體充注長(zhǎng)8砂巖,一方面使孔隙的水溶液轉(zhuǎn)化為水和烴類(lèi)兩相溶液,成巖作用受到一定的抑制作用[26-27];另一方面使孔隙的堿性流體環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)化為酸性流體環(huán)境,導(dǎo)致形成綠泥石膜的成巖環(huán)境消失,取而代之以長(zhǎng)石溶蝕。這說(shuō)明油氣充注致使砂巖的成巖環(huán)境發(fā)生了質(zhì)變,從而改變了成巖作用的方向和強(qiáng)度。

包裹體分析技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)研究油氣充注期次及時(shí)間的新技術(shù)[28]。根據(jù)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)8砂巖中包裹體的產(chǎn)狀,在石英和長(zhǎng)石顆粒的微裂隙中識(shí)別出早、晚2期與油氣充注有關(guān)的包裹體:早期包裹體熒光顯示一般為黃色、黃綠色、綠色,晚期包裹體則為藍(lán)綠色、藍(lán)色、藍(lán)白色。從2期包裹體均一溫度統(tǒng)計(jì)看,早期包裹體均一溫度主頻在60～90 ℃,晚期包裹體均一溫度主頻在90～120 ℃(圖1)。將包裹體均一溫度數(shù)據(jù)與沉積埋藏史、熱史結(jié)合可確定油氣充注的時(shí)間[29]。參考前人在鄂爾多斯盆地地層剝蝕厚度[30]和古地溫方面[31]的研究結(jié)果,編制長(zhǎng)8地層的沉積埋藏史-熱史剖面圖,將包裹體均一溫度投影到埋藏史-熱史剖面圖上,求取石油的充注時(shí)間(圖2)。由圖2可以看出,早期石油充注的時(shí)間對(duì)應(yīng)中侏羅世末—晚侏羅世,晚期油氣充注的時(shí)間為早白堊世,2期油氣充注結(jié)束均由地層抬升所致。

圖1 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8砂巖中包裹體均一溫度直方圖Fig.1 Homogenization temperature histogram of fluid inclusions in Chang 8 sandstone, Ordos Basin

每期油氣充注停止,砂巖中便失去了酸性流體來(lái)源,孔隙水再次轉(zhuǎn)化為堿性,為綠泥石沉淀創(chuàng)造了有利成巖環(huán)境。

圖2 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8地層埋藏史-熱史與油氣充注史Fig.2 Hydrocarbon charging ages projecting on geothermal-burial historical chart in Chang 8 formation, Ordos Basin

2 綠泥石膜的賦存特征

2.1 綠泥石膜具有雙層結(jié)構(gòu)

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)8砂巖骨架顆粒(石英、長(zhǎng)石等)表面的綠泥石膜具有雙層結(jié)構(gòu):里層膜和外層膜(圖3)。

里層膜中,綠泥石晶體的大小一般不足2 μm,晶形差,集合體以雜亂堆積方式產(chǎn)出;外層膜中,綠泥石晶體普遍大于3 μm,晶形好,呈葉片狀,晶體之間近平行排列,集合體垂直于骨架顆粒表面向孔隙中心方向伸展。外層膜近似等厚,膜厚一般大于5 μm;里層膜的厚度小于2 μm且變化大,通常情況下,骨架顆粒邊緣溶蝕強(qiáng)的區(qū)域膜的厚度較大,而溶蝕弱的地方膜的厚度較小甚至缺失。

圖3 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8砂巖中綠泥石膜的雙層結(jié)構(gòu)特征Fig.3 Characteristics of double-layer structures of chlorite films in Chang 8 sandstone, Ordos Basin

表2為應(yīng)用帶有能譜儀的掃描電鏡技術(shù)測(cè)試碎屑石英和長(zhǎng)石表面的里、外層膜化學(xué)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)。由表2可知,碎屑石英顆粒表面的綠泥石膜中,里層膜的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于外層膜,而外層膜的FeO、MgO、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)則高于里層膜;鉀長(zhǎng)石顆粒表面的綠泥石膜中,里層膜的K2O、Al2O3、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于外層膜,而外層膜的FeO、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)則高于里層膜;鉀長(zhǎng)石顆粒和石英顆粒的里層膜的化學(xué)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異大,而外層膜的化學(xué)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相近。結(jié)合石英和長(zhǎng)石顆粒的化學(xué)組分,認(rèn)為里層膜的形成有其所依附的骨架顆粒提供的物質(zhì)來(lái)源,而外層膜的化學(xué)組分則受孔隙流體組分的控制。

表2 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8砂巖骨架顆粒表面綠泥石膜的化學(xué)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 綠泥石膜的形成

光學(xué)顯微鏡下,綠泥石膜因遭受瀝青質(zhì)浸染呈原生孔隙的黑褐色或黑色環(huán)邊,而在顆粒相互接觸的位置缺乏綠泥石膜(圖4(a))。電子顯微鏡下,在骨架顆粒相互接觸的位置,可以觀察到零星分布著平行于顆粒表面的綠泥石晶體(圖4(b)(黃色箭頭所指處));由顆粒相互接觸的位置向孔隙方向,則轉(zhuǎn)化為綠泥石膜垂直生長(zhǎng)在顆粒表面(圖4(b)(紅色箭頭所指處))。

根據(jù)不同位置的綠泥石的賦存方式變化規(guī)律,可以推斷綠泥石膜形成于壓實(shí)作用之后。在壓實(shí)作用初期,顆粒之間為點(diǎn)接觸,少量綠泥石晶體從孔隙流體中析出,零星地散布在顆粒表面并向著孔隙方向生長(zhǎng)。壓實(shí)過(guò)程中,顆粒之間的接觸關(guān)系由點(diǎn)接觸發(fā)展為點(diǎn)—線接觸甚至線接觸,造成部分孔隙空間消失,致使生長(zhǎng)在該部分孔隙中的綠泥石晶體受到擠壓力,相應(yīng)地其產(chǎn)狀被迫由垂直于顆粒變?yōu)槠叫杏?緊貼)顆粒。壓實(shí)作用之后,在殘留的原生孔隙中綠泥石晶體繼續(xù)生長(zhǎng),逐漸地在顆粒表面聚集成膜。

圖4 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8砂巖中綠泥石膜與壓實(shí)作用的關(guān)系Fig.4 Relatoinship between chlorite films and compaction in Chang 8 sandstone, Ordos Basin

2.3 原生孔隙數(shù)量對(duì)綠泥石膜含量的影響

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)8砂巖中,每一個(gè)原生孔隙都伴生著一個(gè)綠泥石環(huán)邊(綠泥石膜)。顆粒粗、分選好的砂巖原生孔隙數(shù)量多,綠泥石環(huán)邊的數(shù)量就多,相應(yīng)地綠泥石膜所占的巖石體積分?jǐn)?shù)就高(圖5(a))。顆粒大小混雜、分選較差的砂巖,原生孔隙數(shù)量相對(duì)較少,綠泥石環(huán)邊的數(shù)量就少,綠泥石膜的巖石體積分?jǐn)?shù)就偏低(圖5(b))。顆粒分選差、塑性組分含量高的砂巖,原生孔隙欠發(fā)育,則不存在綠泥石膜(圖5(c))。

圖5 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8砂巖中綠泥石膜與原生孔隙的關(guān)系Fig.5 Relationship between chlorite films and primary pores in Chang 8 sandstone, Ordos Basin

3 綠泥石膜形成機(jī)制

3.1 外層膜形成機(jī)制

外層膜為前人描述的綠泥石膜。綜觀前人研究,鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組砂巖的外層膜形成機(jī)制存在較大爭(zhēng)議。黃思靜等[7]和張霞等[8]認(rèn)為,綠泥石膜為同沉積黏土膜轉(zhuǎn)化而來(lái),由顆粒表面向孔隙方向逐漸轉(zhuǎn)化,至早成巖階段B期完成轉(zhuǎn)化。田建鋒等[9]認(rèn)為,綠泥石從孔隙水中直接結(jié)晶,在顆粒表面聚集成膜的時(shí)間為早成巖階段A期。姚涇利等[10]則認(rèn)為,綠泥石膜具有“里層膜”和“外層膜”雙層結(jié)構(gòu),“里層膜”為同沉積黏土膜在早成巖階段轉(zhuǎn)化而來(lái),“外層膜”是中成巖階段由孔隙水中結(jié)晶的綠泥石形成。這幾種觀點(diǎn)普遍認(rèn)為,綠泥石膜或其前身形成于早成巖階段A期或之前,即壓實(shí)作用之前,那么目前的壓實(shí)作用狀態(tài)下顆粒接觸處應(yīng)該發(fā)育綠泥石膜,但鏡下觀察并未發(fā)現(xiàn)顆粒接觸處發(fā)育綠泥石膜(圖4)。對(duì)這種現(xiàn)象有兩種解釋:①黏土礦物是柔性組分,在擠壓受力的地方綠泥石晶體發(fā)生流動(dòng),導(dǎo)致顆粒接觸處黏土膜缺失[10];②綠泥石膜中相對(duì)小的晶粒熱力學(xué)穩(wěn)定性差,溶解度比大晶粒大,隨著埋深和溫度的增加,自發(fā)地發(fā)生小晶粒溶解和大晶粒長(zhǎng)大,導(dǎo)致顆粒間相互接觸的位置缺乏綠泥石膜[4-5]。

如果第一種解釋真實(shí)地發(fā)生在砂巖中,流動(dòng)的黏土膜會(huì)在顆粒接觸位置的前端匯集和增厚,由顆粒向孔隙方向就會(huì)依次出現(xiàn)垂直于顆粒表面生長(zhǎng)的原地綠泥石膜、流動(dòng)而來(lái)的雜亂堆積的異地綠泥石膜,但鏡下并未觀察到這種微觀現(xiàn)象。這說(shuō)明綠泥石膜形成于早成巖階段A期或之前的假設(shè)從理論上來(lái)說(shuō)成立,但與實(shí)際情況不符合。

第二種解釋所需要的條件更為苛刻。如果自發(fā)地發(fā)生小晶粒溶解和大晶粒長(zhǎng)大,筆者觀察到的里層膜就會(huì)發(fā)生溶解而已經(jīng)消失,顆粒接觸位置附近的小晶粒也會(huì)發(fā)生溶解而消失,但事實(shí)并非如此。這也說(shuō)明綠泥石膜形成于早成巖階段A期或之前的假設(shè)缺乏說(shuō)服力。

通過(guò)鏡下系統(tǒng)地觀察和分析,在梳理各種可能的形成機(jī)制的基礎(chǔ)上,給出較為可信的外層膜形成機(jī)制:早成巖階段A期,砂巖中豐富的柔性組分(火山巖、云母、千枚巖、板巖等巖屑)持續(xù)水解形成大量的Fe2+、Mg2+等離子,使孔隙水逐漸轉(zhuǎn)化為堿性,并為綠泥石的形成提供了充足的物質(zhì)來(lái)源;綠泥石從孔隙水中沉淀,依附在顆粒表面生長(zhǎng);由于原生孔隙提供了充足的空間,致使形成的綠泥石晶粒粗大,晶形好,集合體有規(guī)律地排列;隨著時(shí)間推移至早成巖階段B期,綠泥石在骨架顆粒表面聚集成外層膜,此時(shí)壓實(shí)作用已進(jìn)行到導(dǎo)致顆粒間目前的接觸關(guān)系,外層膜則表現(xiàn)為原生孔隙的環(huán)邊。這一形成機(jī)制合理地解釋了鏡下觀察到的各種微觀現(xiàn)象。

3.2 里層膜形成機(jī)制

中成巖階段伊始,油氣攜帶酸性物質(zhì)進(jìn)入砂巖,孔隙水介質(zhì)由堿性轉(zhuǎn)化為酸性。在酸性環(huán)境里,長(zhǎng)石顆粒表面差異溶蝕,在外層膜和顆粒之間慢慢地形成了溶蝕小孔腔。由于外層膜的雙向阻滯作用,小孔腔得不到原生孔隙中酸性流體的及時(shí)補(bǔ)給,而長(zhǎng)石溶出的K+、Al3+、Si4+等離子又不能及時(shí)地排出,逐漸地小孔腔形成了一個(gè)堿性流體微域,引起綠泥石晶體沉淀。小孔腔狹小,致使析出的綠泥石晶粒小,晶形差,集合體雜亂堆積;外源的Fe2+、Mg2+離子相對(duì)短缺,內(nèi)源的K+、Si4+、Al3+等物質(zhì)則相對(duì)過(guò)剩,造成綠泥石晶體相對(duì)貧FeO、MgO，而富K2O、Al2O3、SiO2(表2)。

地層抬升階段,油氣充注停止,砂巖失去了酸性物質(zhì)來(lái)源,孔隙水由酸性又轉(zhuǎn)化為堿性,石英顆粒開(kāi)始溶蝕,產(chǎn)生的溶蝕小孔腔為里層膜的生長(zhǎng)提供了空間和物質(zhì)來(lái)源。石英顆粒表面的里層膜形成機(jī)制與上述長(zhǎng)石顆粒表面的里層膜形成機(jī)制相似,在此不再贅述。

4 綠泥石膜的形成過(guò)程

通過(guò)形成機(jī)制剖析,結(jié)合砂巖的基本特征,恢復(fù)了綠泥石膜的形成過(guò)程(圖6)。自晚三疊世以來(lái),延長(zhǎng)組經(jīng)歷了3次抬升過(guò)程(圖2),每次抬升都未曾使長(zhǎng)8地層受到大氣淡水的影響而進(jìn)入表生成巖階段,故本文將之稱(chēng)為抬升成巖階段。

圖6 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)8砂巖中綠泥石膜的形成過(guò)程Fig.6 Diagenetic sequence of chlorite films in Chang 8 sandstone, Ordos Basin

由圖6可知,在抬升和沉降的轉(zhuǎn)化過(guò)程中,原生孔隙中的流體和顆粒表面的成巖微域也發(fā)生著酸、堿性交替,相應(yīng)地在物理化學(xué)性質(zhì)不同的骨架顆粒表面的綠泥石膜形成過(guò)程差異明顯。碎屑石英顆粒表面的綠泥石膜形成過(guò)程為:外層膜形成、停止生長(zhǎng)、雙向生長(zhǎng)(外層膜向孔隙方向生長(zhǎng)的同時(shí),里層膜向著顆粒中心方向生長(zhǎng))、再停止生長(zhǎng)、再雙向生長(zhǎng)。而碎屑長(zhǎng)石顆粒表面的綠泥石膜形成過(guò)程為:外層膜形成、里層膜生長(zhǎng)、外層膜再生長(zhǎng)、里層膜再生長(zhǎng)、外層膜第三次生長(zhǎng),表現(xiàn)出外層膜和里層膜交替著生長(zhǎng)。

5 綠泥石膜與砂巖物性的關(guān)系

5.1 外層膜與砂巖物性的關(guān)系

學(xué)者們普遍認(rèn)為綠泥石膜(外層膜)發(fā)育的砂巖物性好,其主要依據(jù)為:綠泥石膜的含量高,砂巖的物性就好;綠泥石膜的含量較低,砂巖的物性就差;綠泥石膜欠發(fā)育,則砂巖致密。這種觀察結(jié)果的表述看似直觀地解釋了綠泥石膜與物性之間的關(guān)系。

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組砂巖的物性受沉積作用和成巖作用的共同影響[6-10]。沉積物在進(jìn)入埋藏成巖環(huán)境后,其物性演化受各種成巖作用的控制,原始沉積物的內(nèi)在特征也在不同程度上制約著成巖作用的發(fā)生和發(fā)展,進(jìn)而影響物性的演化進(jìn)程。采用沉積作用和成巖作用的發(fā)展過(guò)程綜合研究外層膜對(duì)砂巖物性的影響,將控制物性的主要因素按發(fā)生的時(shí)間順序均考慮進(jìn)去,可更加客觀地評(píng)價(jià)綠泥石膜對(duì)物性演化的影響。

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)8發(fā)育大型淺水三角洲[13-14],在較強(qiáng)水動(dòng)力條件下,沉積下來(lái)的砂巖粒度粗、分選好,柔性組分相對(duì)較少,原始粒間孔隙極為發(fā)育。經(jīng)歷壓實(shí)作用后,保留下來(lái)的孔隙多、孔徑大、連通性好,為外層膜生長(zhǎng)提供了足夠的空間和暢通的物質(zhì)供應(yīng)通道。綠泥石膜形成后,每一個(gè)孔隙的部分體積被綠泥石膜占據(jù),造成綠泥石膜所占的巖石體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高,但對(duì)于原生孔隙的孔徑,綠泥石膜較薄,占據(jù)的孔隙空間較小,對(duì)孔隙度的負(fù)面影響較弱,砂巖物性依然較好(圖5(a))。

隨著水下分流河道向前推進(jìn),在湖水的頂托作用下,水動(dòng)力減弱,形成的砂巖分選較差,柔性組分增多,原始粒間孔隙較少。壓實(shí)作用下,柔性組分?jǐn)D壓變形成為假雜基,占據(jù)了大量的粒間孔隙,致使原生孔隙數(shù)量銳減,且保留下來(lái)的孔隙的孔徑較小,為綠泥石膜生長(zhǎng)提供的空間減小,相應(yīng)地形成的綠泥石膜所占巖石體積分?jǐn)?shù)相對(duì)偏低(圖5(b))。但對(duì)原生孔隙的孔徑來(lái)說(shuō),綠泥石膜占據(jù)孔隙空間的比例增加,使物性明顯變差。

在三角洲前緣水下分流河道末梢或前三角洲,水動(dòng)力弱,沉積下來(lái)的砂巖顆粒細(xì),柔性組分含量高,原始粒間孔隙欠發(fā)育。壓實(shí)作用下,原生孔隙喪失殆盡,綠泥石來(lái)不及淀出砂巖就已經(jīng)致密(圖5(c))。

通過(guò)以沉積和成巖作用為主線對(duì)外層膜形成的正演,還原綠泥石膜發(fā)育的砂巖物性好的成因機(jī)制,即沉積時(shí)的水動(dòng)力條件好是砂巖物性好的最根本原因。原始物質(zhì)組成是水動(dòng)力環(huán)境的沉積記錄,原生孔隙的數(shù)量、外層膜的含量等僅僅是原始物質(zhì)組成的內(nèi)在特征制約成巖強(qiáng)度和成巖作用進(jìn)程的外在表現(xiàn)形式。壓實(shí)作用后保留下來(lái)的原生孔隙是外層膜的主要生長(zhǎng)空間,原生孔隙數(shù)量多、孔徑大、物性好的砂巖,則外層膜含量高。但是從每一個(gè)孔隙的角度看,外層膜較薄,占據(jù)的孔隙體積較小,對(duì)物性的負(fù)面影響有限。由此可見(jiàn)，綠泥石膜發(fā)育的砂巖物性好僅僅是表象,本質(zhì)是物性好的砂巖發(fā)育綠泥石膜。

5.2 里層膜與砂巖物性的關(guān)系

研究表明,綠泥石膜通過(guò)抑制石英膠結(jié)來(lái)保護(hù)原生孔隙,但對(duì)抑制機(jī)制認(rèn)識(shí)不清。有些學(xué)者[2,4-5,7-8]認(rèn)為,綠泥石膜阻止了碎屑石英的壓溶,減少了硅質(zhì)來(lái)源,導(dǎo)致石英膠結(jié)欠發(fā)育。部分學(xué)者[3,6]認(rèn)為,綠泥石膜隔絕了碎屑石英顆粒與孔隙流體,一是造成顆粒表面缺乏成巖流體,二是導(dǎo)致富含SiO2的孔隙流體缺少結(jié)晶基底,從而抑制石英膠結(jié)。田建峰等[32]認(rèn)為,綠泥石膜晶間微區(qū)的堿性環(huán)境抑制了石英膠結(jié)。也有學(xué)者[10-11]認(rèn)為,綠泥石膜不能保護(hù)原生孔隙。

里層膜的發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)研究綠泥石膜抑制石英膠結(jié)的新視角。里層膜的生長(zhǎng)空間為顆粒溶蝕產(chǎn)生的小孔腔,形成時(shí)間為外層膜形成之后。外層膜橫亙?cè)谠紫逗腿芪g小孔腔之間,成為二者間流體交換的阻滯帶。在外層膜的雙向阻滯作用下,顆粒溶蝕產(chǎn)生的富SiO2流體滯留在了小孔腔中,為里層膜形成提供了物質(zhì)來(lái)源。里層膜的形成消耗了這些富SiO2的滯留流體,引起原生孔隙中SiO2的供給量不足而難以形成大量的石英膠結(jié)。即鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組綠泥石膜通過(guò)自身對(duì)SiO2流體的“自產(chǎn)自銷(xiāo)”來(lái)抑制石英膠結(jié),從而保護(hù)原生孔隙。但是里層膜的形成也有不利的一面,其填塞了溶蝕小孔腔,減少了次生孔隙。由此可見(jiàn)，里層膜的形成是一種保持性成巖作用,對(duì)砂巖的物性影響不大。

綜合分析里層膜和外層膜與砂巖物性的關(guān)系,認(rèn)為綠泥石膜膠結(jié)是破壞性成巖作用。

6 結(jié) 論

(1)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)8砂巖中發(fā)現(xiàn)了具有雙層結(jié)構(gòu)的綠泥石膜。里層膜晶粒小,晶形差,集合體雜亂堆積;其厚度變化大,在顆粒邊緣溶蝕強(qiáng)度大的區(qū)域厚度也大,在溶蝕強(qiáng)度弱的地方厚度小甚至缺失。等厚的外層膜中,晶體大,晶形好,集合體垂直顆粒表面。

(2)骨架顆粒是綠泥石膜的寄主,柔性組分水解為綠泥石膜的形成提供了主要物質(zhì)來(lái)源。外層膜發(fā)育在壓實(shí)作用之后,由孔隙水中析出的綠泥石晶體聚集在骨架顆粒表面形成;在外層膜的雙向阻滯作用下,里層膜開(kāi)始在骨架顆粒邊緣溶蝕產(chǎn)生的小孔腔中生長(zhǎng)。隨成巖環(huán)境的變化,碎屑石英表面在外層膜形成后,經(jīng)歷了里、外層膜同時(shí)生長(zhǎng)和停止的反復(fù)交替,而碎屑長(zhǎng)石表面的里、外層膜則表現(xiàn)為此長(zhǎng)彼停的循環(huán)過(guò)程。

(3)綠泥石膜膠結(jié)是一種破壞性成巖作用,其外層膜占據(jù)原生孔隙,里層膜充塞溶蝕小孔腔,導(dǎo)致砂巖物性變差。綠泥石膜發(fā)育的砂巖物性好僅僅是表象,本質(zhì)是物性好的砂巖有助于綠泥石膜發(fā)育。

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(編輯 徐會(huì)永)

Forming mechanisms of chlorite films in Yanchang Formation, Ordos Basin

ZHOU Xiaofeng, WANG Jianguo, LAN Chaoli, DAI Jinyou

(MOEKeyLaboratoryofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Using inclusion analysis, casting slice, scanning electron microscope analysis with energy disperse spectroscopy, the chlorite films in Chang 8 sandstones of the Yanchang Formation in the Ordos Basin were observed and probed, in order to analyze the forming mechanisms and processes of the films and the relationship between the films and the physical property. The results show that the chlorite films have double layers, referred to as the inside layer film and the outside layer film from the surface of the grain to the pore, respectively. The outside layer film with the isopachous feature was developed after the compaction，whose chlorite crystals precipitated from the pore fluid and densely cover the grain. The primary porosity provides enough space for the outside layer film, which leads to large chlorite crystals with uniform shape and regular accumulation. Owing to bi-directional blocking of the outside layer film, the inside layer film was developed in the small cavity formed by the dissolution of the framework grain. The cavity is narrow which leads to small chlorite crystals of the inside layer with irregular shape and chaotic mélange. With the change of the diagenetic environment, the inside and outside films around the quartz fragment simultaneously grow and cease repeatedly after the first formation of the outer layer, but the growth of the inside layer alternates with the growth of the outside layer around the felspar fragment. The cementation of the chlorite films is a destructive diagenesis process, such that the formation of the chlorite films does not lead to good physical properties in sandstones; on the contrary the good physical properties of sandstones facilitate formation of chlorite films.

Ordos Basin; Chang 8 sandstone; chlorite film; double layer structure; destructive diagenesis

2016-01-23

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05013-006);中國(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金項(xiàng)目(KYJJ2012-02-46)

周曉峰(1973-),男,講師,博士,研究方向?yàn)橛蜌馓锏刭|(zhì)學(xué)。E-mail: zhouxf@cup.edu.cn。

1673-5005(2016)04-0020-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.04.003

P571

A

周曉峰,王建國(guó),蘭朝利,等. 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組綠泥石膜的形成機(jī)制 [J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,40(4):20-28.

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