張文忠

摘要:通過薄片鑒定、X衍射分析、掃描電鏡分析等手段,對榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲層成巖作用進行了研究。研究表明,壓實作用和膠結(jié)作用是榆林氣田儲層物性較差的主要原因。根據(jù)包裹體測試結(jié)果,結(jié)合埋藏史綜合分析認為,榆林氣田烴類充注主要有4個時期,分別為中三疊世晚期—晚三疊世晚期、晚三疊世晚期—早侏羅世晚期、早侏羅世晚期—晚侏羅世晚期和晚侏羅世晚期—早白堊世晚期。

關(guān)鍵詞:成巖作用;流體包裹體;均一溫度;上古生界;激光拉曼;榆林氣田

中圖分類號:TE122.1;122.2文獻標識碼:A

引 言

鄂爾多斯盆地是中國第2大沉積盆地,是我國重要的石油、天然氣、煤層氣資源基地,蘇里格、靖邊、榆林、烏審旗4大氣田天然氣探明儲量超過1 000×10⁸m³[1],其中,榆林和蘇里格氣田上古生界砂巖氣藏已全面投入開發(fā),并成為長慶氣田主力產(chǎn)氣區(qū)。榆林氣田上古生界砂巖儲層具有低孔隙度和低滲透率的特點,對該氣田儲層的成巖作用進行研究,有助于探尋儲層低孔、低滲成因。另外,前人對榆林氣田烴類充注期次的認識存在較大差異,為此,通過流體包裹體均一溫度測試和激光拉曼測試,結(jié)合埋藏史研究,重新劃分了榆林氣田烴類充注期次。

1 地質(zhì)概況及樣品采集

榆林氣田位于鄂爾多斯盆地東部,構(gòu)造上位于伊陜斜坡東部,勘探面積約8 500 km²,主力勘探層位為上古生界下二疊統(tǒng)山西組山2段,儲集巖為低孔、低滲的石英砂巖和巖屑石英砂巖,烴源巖主要為石炭系—二疊系的暗色泥巖和煤[2-4]。

在8口井的砂巖儲層中采集18塊樣品,磨制了巖石薄片,進行了薄片鑒定、X衍射分析和掃描電鏡分析,并依據(jù)EJ/T1105-1999礦物流體包裹體溫度測定標準,利用LINKAM THMS600型冷熱臺,在20℃、濕度為30%的條件下對3口井的流體包裹體進行顯微測溫、測鹽,利用LABHR-VIS LABRAM HR800型顯微激光拉曼光譜儀在25℃、濕度為30%的條件下對流體包裹體進行激光拉曼光譜分析,旨在對砂巖儲層成巖作用和油氣的充注期次進行系統(tǒng)研究。

2 碎屑砂巖的巖石學(xué)特征

2.1 碎屑組分特征

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖主要為辮狀河三角洲平原分流河道沉積,局部發(fā)育三角洲前緣水下分流河道砂體,沉積巖性以灰白色和淺灰色石英砂巖、巖屑石英砂巖及巖屑砂巖為主。砂巖成分成熟度較高,石英和巖屑含量較高、長石含量較低:石英含量一般為50%～90%,且多在60%以上,并以單晶石英為主;長石含量低,一般小于1%;巖屑含量一般在10%以上,多為20%～40%,以石英巖屑為主,其次為泥質(zhì)巖屑、方解石碎屑和噴出巖巖屑。

2.2 填隙物特征

榆林氣田二疊系山西組山2段碎屑巖填隙物主要包括雜基和膠結(jié)物2類:膠結(jié)物類型有硅質(zhì)膠結(jié)物、碳酸鹽膠結(jié)物(方解石、鐵方解石、菱鐵礦、白云石和鐵白云石)和自生粘土礦物(高嶺石、伊利石、蒙脫石和綠泥石);雜基主要成分包括高嶺石、伊利石、蒙脫石、伊/蒙混層礦物和水云母。

2.3 砂巖結(jié)構(gòu)特征

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖具有較高的結(jié)構(gòu)成熟度,以中—細粒砂巖為主,含少量粗砂巖。砂巖分選較好;碎屑顆粒磨圓較高,一般為次棱狀或次棱—次圓狀;碎屑顆粒接觸關(guān)系以線接觸為主;多數(shù)樣品為顆粒支撐,孔隙式膠結(jié),少數(shù)樣品呈壓嵌-孔隙式或再生-孔隙式膠結(jié)。

3 成巖作用研究

根據(jù)《碎屑巖成巖階段劃分》標準[5],榆林氣田上古生界砂巖處于中成巖階段B期,主要經(jīng)歷了壓實作用、膠結(jié)作用、交代蝕變作用、構(gòu)造破裂作用和溶蝕作用等5種成巖作用。

3.1 壓實作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲層壓實作用以機械壓實為主,壓溶現(xiàn)象少見。壓實作用結(jié)果表現(xiàn)為顆粒定向排列、塑性顆粒發(fā)生變形、剛性顆粒發(fā)生破裂和碎屑顆粒接觸更加緊密等[6]。砂巖碎屑顆粒間接觸關(guān)系以線接觸為主,少量樣品可見凹凸接觸和縫合接觸。壓實作用造成原始孔隙大量損失,隨著埋深增加,壓實作用還破壞了次生孔隙,使儲層物性變差[6]。

3.2 膠結(jié)作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲層膠結(jié)作用主要為硅質(zhì)膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)作用和碳酸鹽膠結(jié)。膠結(jié)作用對儲層物性影響具有雙重性:膠結(jié)物填充粒間孔隙,破壞儲層孔滲性;但早期膠結(jié)物可以增加砂體抗壓實性,膠結(jié)物后期溶解能夠有效改善儲層孔滲性能[7]。

3.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲層硅質(zhì)膠結(jié)作用主要表現(xiàn)為石英顆粒的次生加大,在石英含量較高,砂巖粒度較粗,而粘土雜基含量較低的砂巖中,石英次生加大邊較為發(fā)育。次生加大邊與石英顆粒間可見明顯的“塵埃線”,局部被烴類物質(zhì)充填。

3.2.2 黏土礦物膠結(jié)作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲層粘土礦物主要為高嶺石、綠泥石和伊/蒙混層黏土礦物。高嶺石含量一般為1.2%～4.8%,產(chǎn)狀包括孔隙沉淀型和巖屑蝕變型2種:孔隙沉淀型高嶺石主要形成于殘余原生粒間孔較發(fā)育且黏土雜基較低的石英砂巖中,晶體粗大,晶體直徑可達10～20 μm,晶間孔隙發(fā)育,孔隙直徑可達10 μm,面孔率可達3%～6%,該類晶間孔是儲層主要儲集空間之一;巖屑蝕變型高嶺石主要由富含長石的巖屑或凝灰質(zhì)雜基蝕變而成,晶體細小,晶間孔隙少,孔隙直徑一般為2～3 μm,面孔率不足1%,蝕變過程中分解出大量硅質(zhì),沉淀形成硅質(zhì)加大或孔隙填充物,使儲層更趨致密。綠泥石含量為3.6%～9.6%,有薄膜狀和孔隙填充2種充填產(chǎn)狀,薄膜狀綠泥石往往垂直于顆粒表面生長,包膜厚度一般為2～7 μm,包膜一方面可降低壓實造成的孔隙減少,另一方面可減緩石英次生加大的進行,減輕化學(xué)壓實和沉淀對孔隙的破壞;孔隙填充型綠泥石由火山物質(zhì)蝕變形成,結(jié)晶較粗大。伊/蒙混層黏土礦物含量較高,絕對含量一般為6.0%～9.6%,混層比小于30%。

3.2.3 碳酸鹽膠結(jié)作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲層碳酸鹽膠結(jié)物含量一般為0.5%～4.0%,主要有鐵方解石、方解石、鐵白云石、菱鐵礦等4種,以鐵方解石膠結(jié)最為常見。方解石膠結(jié)物可分為早晚2期,早期呈連生式膠結(jié),碎屑顆粒呈漂浮狀分布于方解石膠結(jié)物中,極少量碎屑石英邊部發(fā)育次生加大邊;晚期主要為鐵方解石,膠結(jié)方式以孔隙充填為特征,呈不規(guī)則狀分布于以線狀和凹凸狀接觸為主的碎屑顆粒之間。碳酸鹽膠結(jié)物對砂巖中孔隙具有嚴重破壞作用。

3.3 交代蝕變作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲層交代作用主要為碎屑顆粒的碳酸鹽化和黏土化,在深埋交代以后,蝕變作用強烈,碎屑和雜基中不穩(wěn)定組分發(fā)生顯著變化,黏土雜基常蝕變?yōu)楦邘X石,火山物質(zhì)或高嶺石化或絹云母化或蝕變?yōu)樗谠颇浮?/p>

3.4 構(gòu)造破裂作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖沉積之后,經(jīng)歷了印支、燕山、喜山等3次大型構(gòu)造運動,沉積砂體中產(chǎn)生多期拉張縫和剪切縫,鏡下常見構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的微裂縫。山2段儲層普遍為低滲儲層,裂縫的發(fā)育和存在對改善儲層儲集性能具有積極而重要的作用。

3.5 溶蝕作用

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲層溶蝕作用包括巖屑的溶解、碳酸鹽膠結(jié)物的溶解、交代物的溶解和雜基的溶解等[8]。巖屑多表現(xiàn)為內(nèi)部呈蜂窩狀。部分巖心薄片中長石沿顆粒邊緣或解理甚至顆粒內(nèi)部發(fā)生溶蝕,部分長石顆粒僅剩顆粒殘余或鈉長石化部分。石英顆粒的邊緣和次生加大邊的溶蝕呈港灣狀。儲層平均溶蝕孔隙度達4%～5%,成為次生孔隙形成的主要因素,大大改善了山西組砂巖儲層孔滲條件,榆林氣田山2段儲層孔隙度為5%～13%[9],平均為5.36%。

4 流體包裹體特征

4.1 包裹體類型、產(chǎn)狀及分布形態(tài)

榆林氣田二疊系山西組山2段砂巖儲層流體包裹體賦存礦物的產(chǎn)狀主要有砂巖石英顆粒、石英次生加大邊和方解石膠結(jié)物。包裹體類型主要包括鹽水包裹體、含烴鹽水包裹體、CO₂包裹體、含烴CO₂包裹體、氣態(tài)烴包裹體、液態(tài)烴包裹體和氣液烴包裹體。包裹體形態(tài)有圓形、橢圓形、次棱角形、長條形、半圓形、負晶形及不規(guī)則形等。包裹體分布形態(tài)主要有沿切穿及加大邊(未切穿)的微裂隙成帶分布、沿切穿顆粒的微裂隙分布、沿微裂隙孤立分布、沿微裂隙帶狀分布、沿微裂隙線狀分布、零星分布及成群分布等。

4.2 包裹體均一溫度和鹽度

4.2.1 均一溫度

沉積盆地中與油氣有關(guān)的流體包裹體形成溫度相對較低,可以不對均一溫度測量結(jié)果進行壓力校正[10],同期鹽水包裹體均一溫度即可代表儲層中天然氣包裹體形成溫度[11]。榆林氣田上古生界砂巖儲層包裹體均一溫度顯示75～165℃均有烴類流體活動,反映天然氣成藏是一個連續(xù)過程(圖1)。

4.2.2 鹽度

鹽度的大小通常根據(jù)所測鹽水溶液冰點來確定。對于NaCl質(zhì)量分數(shù)小于23.3%的低鹽度水溶液,根據(jù)冰點計算鹽度常用的方法有相圖投影法、Bodnar冷凍溫度-鹽度換算表法和公式法[12]。包裹體鹽度計算表明:榆林氣田上古生界儲層包裹體鹽度分布范圍為0.53%～14.67%,分布范圍較廣,無明顯的峰值,反映烴類充注期次較多,充注過程持續(xù)時間較長。

4.3 包裹體激光拉曼光譜分析

根據(jù)榆林氣田上古生界儲層中包裹體激光拉曼組分分析結(jié)果,對該地區(qū)的包裹體進行成分分類,主要包括3種類型。

(1) 富CO₂包裹體。榆林氣田上古生界儲層中該類包裹體成分以CO₂為主,次為N₂、CH₄和H₂O等,CO₂質(zhì)量分數(shù)占60%以上,主要賦存于早期石英次生加大邊及早期石英微裂隙中,鏡下觀察呈灰色。富CO₂包裹體占所觀察包裹體總數(shù)的20%。

(2) 富CH₄包裹體。榆林氣田上古生界儲層中該類包裹體以CH₄為主,次為N₂、CO₂、C₂～C₆烴和H₂O等,CH₄質(zhì)量分數(shù)占70%以上,主要發(fā)育于石英次生加大期后,沿石英顆粒中的微裂隙成線狀或帶狀分布,或成群分布于方解石膠結(jié)物中,鏡下觀察呈灰色、深灰色。富CH₄包裹體占所觀察包裹體總數(shù)的70%。

(3) 富高飽和烴包裹體。榆林氣田上古生界儲層中該類包裹體以高飽和烴為主,次為N₂、CO₂、CH₄和H₂O等,高飽和烴質(zhì)量分數(shù)占80%以上,主要發(fā)育于石英次生加大早期,沿石英次生加大邊內(nèi)側(cè)成帶狀分布,鏡下觀察呈深褐色。富高飽和烴包裹體占所觀察包裹體總數(shù)的10%。

4.4 包裹體共生組合關(guān)系

常見包裹體共生組合有5種:①氣態(tài)烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合;②液態(tài)烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合;③氣液烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合;④氣液烴、氣烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合;⑤富CO₂包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合。榆林地區(qū)上古生界儲層包裹體共生組合類型以氣態(tài)烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合和液態(tài)烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合為主,偶見氣液烴包裹體與鹽水溶液包裹體共生組合。

5 油氣充注與天然氣成藏

將各期與油、氣包裹體相伴生的同期鹽水包裹體均一溫度作為油氣被捕獲時的最低古地層溫度,將其和包含古地溫演化的埋藏史圖結(jié)合在一起,即可采用流體包裹體方法間接確定各期油氣成藏時期[13]。

烴源巖生烴史與流體包裹體形成時期通常存在一定的對應(yīng)關(guān)系[14],生烴早期常形成液態(tài)富含CO₂的包裹體,中期常形成富含高飽和烴的包裹體,晚期常形成富含CH₄的包裹體。包裹體均一溫度顯示,榆林氣田二疊系山西組砂巖儲層在75～165℃均有烴類流體活動,但可以分為4個主要溫度段:第1個溫度段為75～90℃,所形成包裹體主要為富含CO₂的包裹體,包裹體中烴類成分較少,且主要為液態(tài)烴,成藏時間為220～203 Ma前;第2個溫度段為90～120℃,所形成包裹體主要為液態(tài)烴包裹體,少量氣態(tài)烴包裹體,成藏時間為203～175 Ma前;第3個溫度段為120～130℃,所形成包裹體主要為氣態(tài)烴包裹體,少量液態(tài)烴包裹體,成藏時間為175～154 Ma前;第4個溫度段為130～165℃,所形成包裹體均為氣態(tài)烴包裹體,成藏時間為154～96 Ma前(圖2)。

綜合分析認為,榆林地區(qū)上古生界烴源巖在晚三疊世末開始生烴和排烴;侏羅紀末基本達到生烴高峰;早白堊世快速沉降使地層溫度迅速增高,繼續(xù)大量生氣和排氣,同時,早期生成的油在高溫高壓條件下溶解于天然氣中形成凝析氣;早白堊世后,鄂爾多斯盆地地層整體抬升,氣藏整體進入散失期,氣藏壓力逐漸降低,形成現(xiàn)今低孔、低滲常壓氣藏。

6 結(jié) 論

(1) 榆林氣田上古生界儲層砂巖主要為灰白色、淺灰色石英砂巖、巖屑石英砂巖和巖屑砂巖,成巖過程主要經(jīng)歷了壓實作用、膠結(jié)作用、交代蝕變作用、構(gòu)造破裂作用和溶蝕作用等5種成巖作用,處于中成巖階段B期,儲層物性以低孔低滲為主要特征,壓實作用和膠結(jié)作用是該氣田物性較差的主要原因。

(2) 上古生界砂巖儲層中共捕獲了7種流體包裹體,賦存礦物的產(chǎn)狀主要有4種,激光拉曼測試表明,含烴CO₂包裹體、富CH₄氣態(tài)烴包裹體和富高飽和液態(tài)烴包裹體是該地區(qū)有機包裹體的主要類型。

(3) 榆林氣田上古生界天然氣藏的烴類充注主要有4期:①220～203 Ma(中三疊世晚期—晚三疊世晚期),烴類均為液態(tài)烴;②203～175 Ma(晚三疊世晚期—早侏羅世晚期),為液態(tài)烴和濕氣,以液態(tài)烴為主;③175～154 Ma(早侏羅世晚期—晚侏羅世晚期),為液態(tài)烴和濕氣,以濕氣為主;④154～96 Ma(晚侏羅世晚期—早白堊世晚期),烴類均為天然氣,同時早期生成的油在高溫高壓條件下溶解在天然氣中形成凝析氣。

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編輯 董志剛