宋梅遠(yuǎn)

(中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257015)

云質(zhì)巖中蘊(yùn)含豐富的油氣顯示,已在準(zhǔn)噶爾盆地烏夏地區(qū)獲得重大突破,如風(fēng)3、風(fēng)城1等井[1-3],哈山地區(qū)哈淺6、哈山1、哈深斜1井在二疊系風(fēng)城組云質(zhì)巖亦見到豐富油氣顯示,其中,哈淺6井云質(zhì)巖段酸壓試油,峰值日產(chǎn)6.88 m3,使得二疊系云質(zhì)巖油氣勘探任務(wù)提上日程。云質(zhì)巖作為一類特殊的儲(chǔ)集類型,其成因、形成模式等對油氣勘探至關(guān)重要。多位學(xué)者針對準(zhǔn)噶爾盆地西北緣風(fēng)城組白云巖的成因開展了大量的研究工作,馮有良等[3]認(rèn)為該區(qū)白云巖主要為半深湖咸水環(huán)境準(zhǔn)同生白云巖和成巖期經(jīng)后生白云石化作用形成的白云巖;薛晶晶等[4]將烏夏地區(qū)風(fēng)城組白云巖劃分為準(zhǔn)同生白云化作用、混合白云化作用、埋藏白云化作用、成巖白云化作用和外來白云巖的風(fēng)化搬運(yùn)作用5種成因,這些研究和認(rèn)識主要是針對不同地質(zhì)環(huán)境,結(jié)合現(xiàn)有的白云巖形成模式,描述工區(qū)的白云巖成因機(jī)理[5-9],目前,對于哈山地區(qū)二疊系風(fēng)城組云質(zhì)巖的儲(chǔ)層特征及成因機(jī)理尚未開展系統(tǒng)的研究。綜合鉆井取心、微觀薄片、掃描電鏡等資料,系統(tǒng)分析云質(zhì)巖儲(chǔ)層發(fā)育特征,利用巖礦鑒定技術(shù)、地球化學(xué)分析技術(shù)等查明哈山地區(qū)云質(zhì)巖成因機(jī)理,以期指導(dǎo)有利儲(chǔ)層的預(yù)測,為云質(zhì)巖勘探部署提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

哈山地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣,構(gòu)造上隸屬于準(zhǔn)噶爾盆地哈-德(哈山-德倫山)構(gòu)造帶的西端,南鄰瑪湖富烴凹陷,北以達(dá)爾布特?cái)嗔褳榻缗c和什托洛蓋盆地相接,整體上呈北東—南西向展布[10],有利勘探面積逾1 000 km2(圖1)。

哈山地區(qū)已鉆遇云質(zhì)巖主要發(fā)育在下二疊統(tǒng)風(fēng)城組。早二疊世準(zhǔn)噶爾盆地處于碰撞造山后的陸內(nèi)伸展裂陷演化階段,佳木河組沉積期火山巖大規(guī)模噴發(fā),至風(fēng)城組沉積期經(jīng)歷了裂陷由鼎盛期至衰退期整個(gè)過程,火山活動(dòng)減弱,水體擴(kuò)大加深,受水體蒸發(fā)和火山巖物質(zhì)蝕變影響,形成咸化-還原-堿湖沉積水體環(huán)境,碎屑巖-火山巖-云質(zhì)巖混積,呈此消彼長的特征。風(fēng)城組沉積早期為大范圍湖侵期,廣泛發(fā)育濱淺湖-半深湖沉積,且火山活動(dòng)相對強(qiáng)烈,砂體不發(fā)育,云質(zhì)巖在區(qū)內(nèi)廣布;晚期,火山活動(dòng)減弱,隨著物源供應(yīng)量加劇,扇體規(guī)模迅速擴(kuò)大,碎屑巖廣泛發(fā)育,云質(zhì)巖展布范圍明顯減小,退至哈山南地區(qū)。在研究區(qū)風(fēng)城組,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和大規(guī)模頻繁的火山活動(dòng)均對準(zhǔn)同生白云巖化作用產(chǎn)生重要的影響。

圖1 哈山地區(qū)構(gòu)造位置

2 云質(zhì)巖巖石學(xué)特征

2.1 云質(zhì)巖巖性結(jié)構(gòu)特征

哈山地區(qū)云質(zhì)巖儲(chǔ)層巖石類型多樣,白云石含量變化較大,主要分布于10%～50%之間,以云質(zhì)粉砂巖、云質(zhì)泥巖為主,其次為云質(zhì)凝灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖。

(1)云質(zhì)粉砂巖。主要由粉砂質(zhì)和粉晶、泥晶白云石組成,粉砂質(zhì)含量達(dá)60%,泥晶白云石含量為15%～23%,平均為20%,粒徑0.02～0.07mm(圖2(a)),集中發(fā)育于哈深斜1井區(qū)及哈淺24井區(qū)風(fēng)城組上部。

(2)云質(zhì)泥巖。主要由泥質(zhì)和泥晶白云石組成,泥質(zhì)含量約為32%～53%,平均為44%,泥晶白云石含量為15%～20%,平均為18%,粒徑1～8 μm之間,與泥質(zhì)沉積物混積生長(圖2(b))。

(3)云質(zhì)凝灰?guī)r。由凝灰質(zhì)雜基和泥晶白云石組成,凝灰質(zhì)雜基含量約為37%～61%,平均為49%,泥晶白云石含量為15%～20%,平均17%,呈晶屑狀(圖2(c))。

(4)泥質(zhì)白云巖。白云石含量較高,可達(dá)47%～69%,顆粒細(xì)小,粒徑主要分布在2～6 μm之間,局部可達(dá)8 μm,與泥質(zhì)條帶及陸源碎屑顆粒互層,泥質(zhì)條帶較細(xì),約0.2 mm,白云石條帶較粗,約0.6 mm(圖2(d))。

2.2 云質(zhì)巖主要礦物特征

哈山地區(qū)風(fēng)城組云質(zhì)巖礦物主要包括白云石、黏土礦物、陸源碎屑、方解石、重晶石和黃鐵礦等,見少量輝石。

(1)白云石。風(fēng)城組白云石多呈粉晶、泥晶結(jié)構(gòu),半自形-他形,與泥巖互呈紋層,形成二元紋層構(gòu)造,表明其形成于靜水低能還原環(huán)境(圖2(e))。

(2)黏土礦物。區(qū)內(nèi)黏土礦物主要為伊蒙/混層,呈絮凝狀、團(tuán)塊狀集合體覆蓋于顆粒表面,此外還含有綠泥石和書頁狀高嶺石充填于孔隙中(圖2(f)、(g))。

(3)陸源碎屑。風(fēng)城組云質(zhì)巖中陸源碎屑粒級較細(xì),多為粉砂級,石英含量大于長石,不均勻分布,分選差;長石多被方解石膠結(jié),后期被白云石交代。

(4)其他礦物。區(qū)內(nèi)與白云石共生的礦物還有方解石、黃鐵礦和重晶石。草莓狀黃鐵礦較為普遍(圖2(h)),呈細(xì)粒狀分散在泥晶白云巖中,為還原條件、pH>9的沉積環(huán)境產(chǎn)物。

圖2 哈山地區(qū)云質(zhì)巖巖石類型

3 云質(zhì)巖儲(chǔ)集空間及物性特征

3.1 儲(chǔ)集空間類型

哈山地區(qū)風(fēng)城組云質(zhì)巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型多樣,以裂縫為主,占儲(chǔ)集空間的 50%，其次為晶間溶孔、方解石溶孔為主的次生孔隙,占34.4%,粒間孔占15.6%。

裂縫是云質(zhì)巖儲(chǔ)層最重要的儲(chǔ)集空間類型。宏觀裂縫包括層理縫、構(gòu)造縫,擴(kuò)大溶蝕縫;微觀裂縫按其縫寬可分為張開縫和閉合縫、壓溶作用形成的納米級縫。

云質(zhì)巖儲(chǔ)層孔隙類型按成因分為原生孔隙和次生孔隙兩種:區(qū)內(nèi)原生孔隙主要為殘余原生粒間孔,該類孔隙較為少見;次生孔隙包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間溶孔等,其中粒間、晶間溶孔最為發(fā)育。

溶孔與裂縫相互連通,形成良好的儲(chǔ)集空間,極大地改善了儲(chǔ)層物性。

3.2 儲(chǔ)層物性特征

二疊系風(fēng)城組云質(zhì)巖孔隙度較低,多在10%以下,平均為4.45%,滲透率集中在0.02～10×10-3μm2之間,平均為0.23×10-3μm2,綜合評價(jià)為低孔、特低滲儲(chǔ)層。

不同構(gòu)造位置,儲(chǔ)層物性存在一定的差異。斷裂帶云質(zhì)巖孔隙度平均為7.12%,滲透率平均為7.8×10-3μm2,最大達(dá)104×10-3μm2;斜坡區(qū)孔隙度平均為3.6%,滲透率平均為2.1×10-3μm2;洼陷帶物性較差,孔隙度平均為2.17%,滲透率平均為0.2×10-3μm2,斷裂帶裂縫、溶孔發(fā)育,儲(chǔ)層物性明顯好于其他地區(qū)。

4 云質(zhì)巖成因機(jī)理研究

不同的沉積背景,云質(zhì)巖的產(chǎn)出狀態(tài)不同,因此分析沉積期的成巖環(huán)境是解決云質(zhì)巖成因的關(guān)鍵。

4.1 沉積成巖環(huán)境

主量、微量元素、碳氧同位素等在碳酸鹽巖中可以判別沉積環(huán)境和研究成巖變化,根據(jù)每種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以分析其成因。

(1)主量元素。白云巖中Na含量、Mg/Ca比值越高說明沉積水體溫度越高、鹽度越大。從區(qū)內(nèi)主量元素的分析測試來看,Na含量偏高,Ca/Mg比值介于1.44～2.71,平均值為1.9,Fe元素的含量在30.38～40.74 μg/g之間,Mn元素的含量介于0.61～0.86 μg/g,Fe/Mn平均為48.1,說明區(qū)內(nèi)云質(zhì)巖為蒸發(fā)咸水環(huán)境下形成的鈣質(zhì)白云巖。

(2)微量元素Sr指標(biāo)。湖水地球化學(xué)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致多種指示性微量元素發(fā)生大幅度變化,可用來區(qū)分沉積環(huán)境、判斷古水體鹽度[11],研究表明,Sr含量往往反映介質(zhì)的鹽度,可用其含量判斷云化作用的環(huán)境。咸化水體中Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,淡水中Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。楊威等[12]認(rèn)為現(xiàn)代海水中白云巖Sr含量為1 000～2 000 μg/g,與蒸發(fā)鹽有關(guān)的超鹽水白云巖Sr含量通常為400～550 μg/g,埋藏白云巖Sr含量為60～170 μg/g。區(qū)內(nèi)Sr含量主體介于200～600 μg/g,平均為394.71 μg/g,Ba含量介于 303.7～520.4 μg/g,平均為351.33 μg/g,Sr/Ba比值范圍在0.69～1.45之間,均值為1.14,反映了云質(zhì)巖是在鹽度較高強(qiáng)烈蒸發(fā)的咸水環(huán)境中形成的,其與準(zhǔn)同生期高鹽度孔隙水白云巖化有關(guān),后期受到埋藏膠結(jié)作用以及構(gòu)造熱液流體的改造。

(3)碳氧同位素。白云石的碳、氧同位素組成取決于引起白云化的介質(zhì)的碳氧同位素組成,并主要受到介質(zhì)鹽度和溫度的影響,根據(jù)同位素分餾原理,蒸發(fā)殘留海(湖) 水中富含δ18O,而且蒸發(fā)作用越強(qiáng),殘留海(湖) 水中鹽度越高,δ18O值也越高,陸上淡水的δ13C和δ18O值則相對較低[13]。

從區(qū)內(nèi)28個(gè)樣品的碳氧同位素來看,碳氧同位素系數(shù)Z在129.61～136.21之間,均大于120,平均鹽度為21.9‰,為咸水湖泊環(huán)境,云質(zhì)巖成巖溫度大多低于50 ℃,平均為37.64 ℃,表明區(qū)內(nèi)云質(zhì)巖成巖溫度低,為準(zhǔn)同生蒸發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的。結(jié)合鄰區(qū)資料,分區(qū)帶繪制了云質(zhì)巖的碳-氧同位素成因判別圖(圖3),研究區(qū)斜坡帶大部分云質(zhì)巖δ18O介于-6.6‰～2‰之間,平均為-3.24‰,δ13C在3.2～5.5 ‰間變化,平均為3.8 ‰,與其他地區(qū)典型的準(zhǔn)同生蒸發(fā)環(huán)境形成的白云巖一致;洼陷帶白云巖δ18 O介于-5‰～-1 ‰之間,平均為-2.12‰,δ13C在1.8‰～3‰間,平均為2.1 ‰,和埋藏成因白云巖表現(xiàn)出較高的一致性;斷裂帶白云巖碳氧同位素值變化范圍較大,δ18O介于-10 ‰～0之間,平均為-5.73‰,δ13C在-2‰～4 ‰間變化,平均為1.8 ‰,為熱液作用改造白云巖。

圖3 哈山地區(qū)白云石δ18 O-δ13 C成因判別圖

綜上所述,哈山地區(qū)二疊系風(fēng)城組沉積期為蒸發(fā)干燥半封閉咸化還原湖相環(huán)境,云質(zhì)巖以準(zhǔn)同生為主,后期埋藏和熱液成因?yàn)檩o。

4.2 成因機(jī)理分析

哈山地區(qū)云質(zhì)巖主要發(fā)育在二疊系風(fēng)城組,泥微晶白云石多為呈半自形-它形與泥質(zhì)、方沸石等混積共生于基質(zhì)中,為蒸發(fā)條件下滲透回流作用形成的白云巖。次生白云巖的形成需兩個(gè)關(guān)鍵因素:富Mg2+流體、適當(dāng)?shù)牧黧w動(dòng)力學(xué)條件。

(1)富Mg2+流體來源。哈山地區(qū)二疊系白云石形成過程中Mg2+的來源包括:孔隙鹵水及黏土礦物釋放的Mg2+,火山玻璃脫玻化和地球深部巖漿熱液帶來的Mg2+。由于哈山地區(qū)二疊系風(fēng)城組沉積于鹽度和PH值偏高的半封閉湖灣,孔隙水或地層水中富含Mg2+[5]。此外,哈山地區(qū)二疊系發(fā)育多條深大斷裂,深層富Mg2+流體沿?cái)鄬由嫌?增加地層孔隙水的Mg2+含量,且準(zhǔn)噶爾盆地二疊紀(jì)是火山活動(dòng)期,火山玻璃在脫?；蠓蛛x的Mg2+和富鎂火山巖礦物自身轉(zhuǎn)化或流體淋濾及溶蝕產(chǎn)生的Mg2+都是Mg的可能來源。

(2)白云石化的流體動(dòng)力學(xué)條件分析。通過對研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景、白云巖巖石學(xué)和成巖作用特征的研究,認(rèn)為哈山地區(qū)云質(zhì)巖流體的驅(qū)動(dòng)力主要有兩種機(jī)制:一是由于蒸發(fā)作用在湖水表層形成的重鹽水向湖底匯集,或者通過巖石孔隙向下滲透到更深的地層中;二是由于地溫梯度和研究區(qū)深部熱液流體的影響,深部巖層所含地層水溫度較高,由于冷熱水密度的差異,深、淺層水在靜壓力的作用下沿?cái)鄬蛹傲芽p對流。

(3)哈山及鄰區(qū)云質(zhì)碎屑巖成巖模式。綜合白云石地球化學(xué)特征、白云巖形成環(huán)境和形成機(jī)理,建立了哈山地區(qū)云質(zhì)巖發(fā)育模式(圖4)。安靜的半封閉咸水湖相沉積的文石和高鎂方解石隨泥質(zhì)、粉砂質(zhì)和凝灰質(zhì)同時(shí)沉積,由于氣候炎熱,蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,使水體鹽度升高,在成巖早期發(fā)生準(zhǔn)同生白云巖化;成巖后期強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng),間歇的火山活動(dòng),深部富鎂熱液沿?cái)嗔焉仙?形成埋藏成因和熱液成因的白云石。就其分布特點(diǎn)來看,斜坡帶主要發(fā)育準(zhǔn)同生成因的云質(zhì)巖,受后期埋藏和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,局部發(fā)育埋藏和熱液成因云質(zhì)巖,在深洼帶以埋藏成因云質(zhì)巖為主,熱液成因云質(zhì)巖主要發(fā)育在斷裂帶附近。不同成因云質(zhì)巖由于控制因素及成巖環(huán)境不同,從而導(dǎo)致其儲(chǔ)層物性存在一定的差異,熱液成因云質(zhì)巖儲(chǔ)層最好,其次為準(zhǔn)同生白云巖。

圖4 哈山地區(qū)云質(zhì)巖發(fā)育模式

5 結(jié) 論

(1)哈山地區(qū)云質(zhì)巖儲(chǔ)層主要發(fā)育在二疊系風(fēng)城組,巖石類型以云質(zhì)砂巖、云質(zhì)泥巖為主,其次為白云質(zhì)凝灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖,受原始礦物組成的影響,有效儲(chǔ)集巖主要為云質(zhì)砂巖。

(2)儲(chǔ)集空間為裂縫和溶孔雙重介質(zhì),屬低孔、特低滲儲(chǔ)層,局部發(fā)育溶蝕孔隙型與裂縫-孔隙型兩類“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層,斷裂帶溶孔與裂縫相互連通,形成良好的儲(chǔ)集空間,儲(chǔ)層物性明顯好于其他地區(qū)。

(3)基于鍶含量及碳氧同位素等分析,哈山地區(qū)二疊系風(fēng)城組沉積期為蒸發(fā)干燥半封閉咸化還原湖相環(huán)境,云質(zhì)巖以準(zhǔn)同生為主,后期埋藏和熱液成因?yàn)檩o。

(4)斜坡帶主要發(fā)育準(zhǔn)同生成因的云質(zhì)巖,受后期埋藏和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,局部發(fā)育埋藏和熱液成因云質(zhì)巖,在深洼帶以埋藏成因云質(zhì)巖為主,熱液成因云質(zhì)巖主要發(fā)育在斷裂帶附近。不同成因云質(zhì)巖由于控制因素以及成巖環(huán)境不同,其云質(zhì)巖儲(chǔ)層物性存在一定的差異,熱液成因云質(zhì)巖儲(chǔ)層最好,其次為準(zhǔn)同生白云巖。