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        川東北元壩地區(qū)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖的巖石類型及成巖作用

        2014-01-04 07:12:14周瑞琦徐國(guó)盛丁圣斌
        關(guān)鍵詞:關(guān)組飛仙長(zhǎng)興

        周瑞琦,傅 恒,徐國(guó)盛,丁圣斌

        (油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都610059)

        自20世紀(jì)70年代起,石油地質(zhì)學(xué)家就已經(jīng)將成巖作用作為碳酸鹽巖研究的重要內(nèi)容[1-6],直至現(xiàn)今仍在不斷開拓新的研究思路及方法[7-12]。成巖作用的研究不但有利于闡明儲(chǔ)層成因機(jī)制,還可為油氣勘探區(qū)的儲(chǔ)層建模、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)提供關(guān)鍵性參數(shù)。

        1995年在川東北飛仙關(guān)組(T1f)鮞粒溶孔白云巖儲(chǔ)層中獲工業(yè)性氣流,從此國(guó)內(nèi)石油地質(zhì)學(xué)家對(duì)該層位開展了研究[13-21]。針對(duì)元壩地區(qū)飛仙關(guān)組儲(chǔ)層,前人亦做了許多研究工作[22-32]。

        截至目前,雖然針對(duì)川東北飛仙關(guān)組成巖作用的研究眾多,但針對(duì)元壩地區(qū)的研究卻很少,其主要原因是人們都將注意力放在了元壩地區(qū)長(zhǎng)興組礁灘相儲(chǔ)層,認(rèn)為飛仙關(guān)組儲(chǔ)集性遠(yuǎn)低于長(zhǎng)興組[29,33]。而近年來(lái)在 YB27井和 YB204井飛仙關(guān)組獲得工業(yè)氣流[32],說(shuō)明有必要全面探討飛仙關(guān)組巖石類型、特征及重點(diǎn)儲(chǔ)層段(飛二段)的成巖作用,為勘探開發(fā)提供支持。

        1 區(qū)域構(gòu)造及沉積背景

        研究區(qū)位于四川省蒼溪縣境內(nèi),南部為川中低緩構(gòu)造帶北緣(《中國(guó)石油地質(zhì)志》,1989),北部與九龍山背斜構(gòu)造帶相接,北東部鄰于通南巴背斜構(gòu)造帶,屬于多構(gòu)造交匯區(qū),但構(gòu)造變形弱,斷層不發(fā)育(圖1)。

        自印支運(yùn)動(dòng)以來(lái),川東北地區(qū)分別經(jīng)歷了早中印支期的推覆擠壓階段、晚印支-早喜馬拉雅期北東向擠壓階段和晚喜馬拉雅期逆沖推覆疊加階段[28]。晚二疊世-早三疊世川東北處于陸表海沉積區(qū),開江-梁平地區(qū)存在陸棚(或海槽),對(duì)該陸棚(或海槽)的研究前人已經(jīng)做了許多工作[34-36],本文就不再贅述。元壩地區(qū)位于陸棚西側(cè)(圖1),下三疊統(tǒng)基本上繼承了上二疊統(tǒng)的沉積格局。

        圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

        圖2 臺(tái)地相區(qū)-陸棚相區(qū)沉積對(duì)比圖Fig.2 Comparison of platform facies-shelf facies sedimentary

        飛仙關(guān)組下伏長(zhǎng)興組(P3c)碳酸鹽巖、上覆嘉陵江組(T1j)碳酸鹽巖,飛仙關(guān)組自下而上分為4段(圖2):飛一段(T1f1)沉積期,海平面較長(zhǎng)興末期有所上升,由長(zhǎng)興期的臺(tái)地邊緣礁灘及局限潮坪-淺水陸棚沉積轉(zhuǎn)為早飛仙關(guān)期的開闊臺(tái)地(臺(tái)坪)-深水陸棚沉積,主要巖性為灰色-深灰色微晶灰?guī)r和深灰色含泥微晶灰?guī)r,局部層位見顆粒微晶灰?guī)r;飛二段(T1f2)沉積期,海平面下降,陸棚開始被填平補(bǔ)齊,主要發(fā)育開闊臺(tái)地(臺(tái)內(nèi)灘)-臺(tái)地邊緣(臺(tái)緣灘)沉積,主要巖性為灰色亮晶鮞?;?guī)r和含泥微晶灰?guī)r,偶夾顆粒微晶灰?guī)r和含泥微晶灰?guī)r;飛三段(T1f3)沉積期,海平面上升,陸棚完全被填平補(bǔ)齊,發(fā)育開闊臺(tái)地(臺(tái)坪)沉積,以灰、深灰、紫紅色泥灰?guī)r為主,偶夾泥巖、含泥微晶灰?guī)r及含泥微晶白云巖;飛四段(T1f4)沉積期,海平面下降,古氣候也變得干熱,元壩地區(qū)過(guò)渡為蒸發(fā)臺(tái)地沉積,以深灰色白云巖、膏質(zhì)灰?guī)r和硬石膏巖為主,偶夾含泥微晶灰?guī)r和微晶灰?guī)r。

        2 巖石類型及特征

        2.1 灰?guī)r

        2.1.1 微晶灰?guī)r

        根據(jù)顏色-結(jié)構(gòu)特征可在飛仙關(guān)組微晶灰?guī)r中識(shí)別出6種類型。

        ①灰白色微晶灰?guī)r:微晶結(jié)構(gòu),紋層或塊狀構(gòu)造。紋層厚0.05~1.5mm,基本上不含黏土、粉砂及生屑,僅含少量硅化薄殼介形蟲,偶見腹足類及介屑。形成于較安靜的水體,是飛仙關(guān)組最主要的巖石類型,但在飛二段內(nèi)呈薄夾層產(chǎn)出。②膏化微晶灰?guī)r:硬石膏呈斑晶或他形粒狀微-細(xì)晶集合體賦存在微晶灰?guī)r中(圖3-A),主要產(chǎn)于蒸發(fā)臺(tái)地相區(qū)。③生屑微晶灰?guī)r:巖石具生屑微晶結(jié)構(gòu),半定向及塊狀構(gòu)造(圖3-B),生屑含量(面積分?jǐn)?shù))為3%~35%,多為介屑、介形蟲和有孔蟲等。④鮞粒微晶灰?guī)r:鮞粒特征與鮞?;?guī)r中鮞粒特征基本一致,鮞粒的面積分?jǐn)?shù)<50%,鮞粒晶粒化現(xiàn)象易見(圖3-C),僅在飛二段內(nèi)產(chǎn)出。⑤晶?;w粒微晶灰?guī)r:巖石具顆粒(已晶粒化),微晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。顆粒的面積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%~30%,顆粒直徑為0.1~0.2mm,顆粒外貌呈圓狀、次圓狀、橢圓狀,分選性好-中等,在微晶灰?guī)r中呈漂浮狀分布(圖3-D)。晶?;w粒微晶灰?guī)r在飛二段的下部大量產(chǎn)出。

        2.1.2 藻灰?guī)r類

        以藻球?;?guī)r為主,偶見藻黏結(jié)鈣質(zhì)細(xì)碎屑組成的藻黏結(jié)灰?guī)r,呈斑塊狀或條帶狀?yuàn)A于鮞?;?guī)r或微晶灰?guī)r內(nèi)(圖4-A)。

        2.1.3 顆?;?guī)r類

        圖3 飛仙關(guān)組各類微晶灰?guī)r顯微特征Fig.3 Microscopic features of all kinds of the microcrystalline limestone in Feixianguan Formation

        圖4 飛二段藻灰?guī)r及各類顆?;?guī)r顯微特征Fig.4 Microscopic characteristics of the algal limestone and all kinds of the granular limestone in Member 2of Feixianguan Formation

        將顆粒面積分?jǐn)?shù)>50%的灰?guī)r定義為顆?;?guī)r,根據(jù)不同成因-顆粒類型劃分出4類。①砂屑灰?guī)r:砂屑是由灰泥沉積物機(jī)械破碎后形成2~0.1mm砂級(jí)粒碎屑,砂屑磨圓度、分選性較好(圖4-B)。②鮞?;?guī)r:具微晶鮞粒結(jié)構(gòu)、粒狀亮晶鮞粒結(jié)構(gòu)及櫛殼狀亮晶鮞粒結(jié)構(gòu)(圖4-C)。鮞粒直徑以0.25~0.6mm為主,伴生組分有豆粒、復(fù)鮞及介屑泥微晶灰?guī)r、砂、礫屑。鮞核以泥微晶灰?guī)r砂屑為主,偶見以介屑為核心。真鮞為主,薄皮鮞少量。一般情況下以泥微晶灰?guī)r為核心的鮞粒多為正常鮞(圓形),以介屑為核心的鮞粒多為異形鮞。鮞?;?guī)r是飛二段儲(chǔ)層的重要巖石類型。③豆?;?guī)r:巖石具微晶豆粒、亮晶豆粒結(jié)構(gòu)或藻黏結(jié)豆粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。豆粒同心圈層的顯微特征表明,豆粒同心圈層由藍(lán)綠藻在動(dòng)蕩淺水環(huán)境下形成的核心石,其粒徑>2mm。與化學(xué)-機(jī)械方式及生物化學(xué)方式形成的鮞粒在形狀、結(jié)構(gòu)上不難區(qū)分(圖4-D)。豆粒灰?guī)r主要分布在飛二段內(nèi)。④ 生屑灰?guī)r:指生屑的面積分?jǐn)?shù)>50%,填隙物與粒間孔隙<50%的灰?guī)r。本地區(qū)根據(jù)生屑類型可劃分為介屑灰?guī)r和有孔蟲屑灰?guī)r2類。介屑灰?guī)r具介屑結(jié)構(gòu),半定向構(gòu)造,介屑類型由雙殼類介屑構(gòu)成,介屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>50%,介屑間填隙物為亮晶或灰泥,呈薄層或條帶賦存在微晶灰?guī)r或顆?;?guī)r內(nèi)。在高能環(huán)境下還可形成顆粒介屑灰?guī)r(圖4-E),根據(jù)伴生顆粒類型可細(xì)分為砂屑介屑灰?guī)r與鮞粒介屑灰?guī)r,砂屑介屑灰?guī)r具亮晶砂屑介屑結(jié)構(gòu),鮞粒介屑灰?guī)r具亮晶鮞粒介屑結(jié)構(gòu)。有孔蟲屑灰?guī)r具微亮晶有孔蟲屑結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,有孔蟲為沙盤蟲(圖4-F)。粒徑長(zhǎng)軸為0.1~0.2mm,有孔蟲屑灰?guī)r形成于淺海環(huán)境。本類灰?guī)r主要在飛二段產(chǎn)出。

        2.2 白云巖

        飛仙關(guān)組白云巖主要發(fā)育在飛四段,根據(jù)硬石膏的有無(wú)和所含顆粒類型,可劃分為微晶白云巖、膏化微晶白云巖、糞球粒微晶白云巖,這些白云巖孔隙度并不高;飛一段-飛三段中所產(chǎn)出的白云巖非主要巖石類型,其形成機(jī)理異于飛四段白云巖,后文將有詳細(xì)介紹。

        微晶白云巖:具泥微晶結(jié)構(gòu),紋層構(gòu)造及塊狀構(gòu)造,是咸化潟湖—潮坪環(huán)境下形成的原生白云巖。膏化微晶白云巖:具有微晶結(jié)構(gòu),紋層或塊狀構(gòu)造,微晶白云巖內(nèi)含不同晶粒大小、不同自形程度、不同產(chǎn)狀、不同含量的硬石膏,是潟湖咸化程度已達(dá)到硬石膏析出的成鹽階段的產(chǎn)物。糞球粒微晶白云巖:糞球粒特征是灰黑色泥晶結(jié)構(gòu),外形為圓狀、橢圓狀、長(zhǎng)條狀,最大直徑0.1mm左右,在淺灰色微晶白云巖內(nèi)雜亂分布。

        3 成巖作用類型及特征

        飛仙關(guān)組成巖作用有泥晶化作用、壓實(shí)-壓溶作用、膠結(jié)作用、重結(jié)晶作用、交代作用(硅化、天青石化、褐鐵礦化、白云石化等)、溶蝕作用、充填作用、破裂作用等。本文介紹5種主要的成巖作用。

        3.1 壓實(shí)-壓溶作用

        壓實(shí)作用在本區(qū)表現(xiàn)為中等偏強(qiáng),常有以下3點(diǎn)顯著特征:①鮞粒不同程度破裂,包括鮞皮破裂成缺口或鮞粒整體錯(cuò)位等(圖5-A),此現(xiàn)象是壓實(shí)作用在灰?guī)r顆粒上的最重要表現(xiàn);②介屑呈定向、半定向排列(圖5-B);③內(nèi)碎屑?jí)罕獬时馄健Ⅱ蝌綘睿▓D5-C)。

        飛仙關(guān)組壓溶作用程度中等偏強(qiáng),巖石中縫合線、微裂縫較發(fā)育,縫合線類型、縫合線組合類型繁多(圖5-D)。縫合線類型主要為尖峰狀,還可見低峰、丘狀、柱狀、不規(guī)則狀等。縫合線組合類型有網(wǎng)狀交織縫合線、紋層狀縫合線以及馬尾狀縫合線等。

        3.2 膠結(jié)作用

        飛二段鮞?;?guī)r內(nèi)膠結(jié)物多為方解石,可根據(jù)膠結(jié)物的外形、透明度等識(shí)別出3類方解石膠結(jié)物(圖6-A,B)。a類為亮晶方解石呈櫛殼狀、纖狀、馬牙狀或葉片狀,以垂直顆粒邊緣呈等厚環(huán)邊生長(zhǎng)為特征,環(huán)帶厚為0.02~0.05mm;b類具短柱狀或粒狀,屬于半自形-自形干凈明亮晶體,緊貼第一類方解石外圍呈環(huán)帶狀生長(zhǎng);c類屬于中-粗粒亮晶方解石,是鮞粒間主要膠結(jié)物,也可見白云石充填。

        3.3 重結(jié)晶作用

        飛仙關(guān)組灰?guī)r重結(jié)晶作用表現(xiàn)為顆?;?guī)r經(jīng)晶粒化后形成顆?;糜熬Я;?guī)r,原始顆粒類型沉積構(gòu)造完全消失(圖6-C,D)。重結(jié)晶作用破壞顆?;蝾w粒間的孔隙,造成孔隙度進(jìn)一步下降。

        3.4 白云石化作用

        飛四段沉積期海平面下降、氣候干熱,蒸發(fā)作用導(dǎo)致富鎂離子鹵水沿著高滲透沉積體下滲交代灰?guī)r形成滲透回流白云石化;飛一段-飛三段主要為埋藏白云石化和熱液白云石化。

        3.4.1 埋藏白云石化

        埋藏期灰?guī)r能在壓溶作用及一定的溫壓條件下釋放鎂離子;但如果溶解作用有限,鎂離子只能在溶解區(qū)域附近集合。所以在本區(qū)碳酸鹽巖內(nèi)常見分散的自形-半自形粉晶白云石沿縫合線、裂縫邊緣及顆粒內(nèi)部分布(圖7-A)。

        圖5 飛二段壓實(shí)-壓溶作用標(biāo)志Fig.5 Signs of the compaction-pressure dissolution of Member 2of Feixianguan Formation

        圖6 飛仙關(guān)組膠結(jié)作用和重結(jié)晶作用Fig.6 Cementation and recrystallization of Feixianguan Formation

        圖7 飛二段白云石化及溶蝕作用Fig.7 Dolomitization and dissolution of Member 2of Feixianguan Formation

        3.4.2 熱液白云石化

        深部熱流體沿通道(斷層、裂縫等)向上運(yùn)移,在途經(jīng)灰?guī)r層段后可發(fā)生交代作用成異形白云石,通常都伴生一系列熱液礦物組合。飛仙關(guān)組熱液礦物組合類型有:異形白云石+螢石、螢石+天青石、螢石+方解石等(圖7-B)。異形白云石多交代基質(zhì)部分,也不同程度交代鮞粒,多以斑點(diǎn)狀、條帶狀產(chǎn)出。熱液礦物晶間孔隙易見,說(shuō)明熱液對(duì)飛仙關(guān)組儲(chǔ)層具有建設(shè)性改造作用。

        3.5 溶蝕作用

        飛仙關(guān)組主要經(jīng)歷過(guò)3類溶蝕作用的改造,包括同生期溶蝕、淺埋藏期溶蝕和深埋藏期溶蝕,其中第一種溶蝕作用是最重要的。

        同生期溶蝕作用:可見正地貌的鮞粒灘遭受淡水溶蝕現(xiàn)象,如鑄??住⒘?nèi)溶孔等(圖7-C)。

        而淺埋藏期溶蝕作用所形成的溶蝕,如縫合線或構(gòu)造縫附近的溶蝕較少;深埋藏的溶蝕,如熱液溶蝕的貢獻(xiàn)也很少(圖7-D)。

        4 飛二段成巖序列

        飛仙關(guān)組第二段是本區(qū)重要的儲(chǔ)層段,本文在詳細(xì)的巖石類型和成巖作用研究的基礎(chǔ)上,判斷成巖作用發(fā)生的先后順序,建立飛二段成巖序列(圖8)。

        詳細(xì)的巖石學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)本區(qū)膠結(jié)作用主要分為3期(圖6-A,B),第一期為櫛殼狀方解石,垂直鮞粒邊以櫛殼狀等厚環(huán)邊生長(zhǎng),形成于海底成巖環(huán)境;第二期為細(xì)粒-小柱狀方解石沿第一期膠結(jié)物外緣生長(zhǎng),并與之呈膠結(jié)不整合接觸,能譜掃描電鏡分析其晶體化學(xué)成分單一,無(wú)Sr、Fe、Mn、Mg、Na、K,屬大氣淡水成巖環(huán)境(圖9-A,B);第三期為中-粗晶方解石充填剩余孔隙,晶體明亮粗大,以單晶或多晶形式充填剩余粒間孔,這期膠結(jié)作用發(fā)生在中-深埋藏成巖環(huán)境。

        圖8 飛仙關(guān)組第二段鮞粒灰?guī)r成巖序列Fig.8 Diagenetic sequence of the oolitic limestone in Member 2of Feixianguan Formation

        溶蝕作用有3期:早期為大氣淡水溶蝕,可在鮞灘中見鑄??椎冗x擇性溶蝕現(xiàn)象,其暴露溶蝕的依據(jù)有:①鮞粒褐鐵礦化(表1);②淡水方解石膠結(jié)(圖9-A,B);③還可見滲流成因的黏土礦物及溶蝕灰泥殘余物(圖9-C,D)。中、晚期為埋藏期的非選擇性溶蝕,即主要溶蝕晶粒方解石。

        除上述成巖作用外,還有泥晶化作用、充填作用及破裂作用等。

        根據(jù)上述分析結(jié)果,將飛二段成巖環(huán)境分為:海底成巖環(huán)境、大氣淡水成巖環(huán)境、淺-中埋藏成巖環(huán)境和深埋藏成巖環(huán)境。其中淺埋藏階段和中埋藏階段不易區(qū)分,所以將其合并。從圖8中可看出瀝青/熱液礦物充填作用最強(qiáng),膠結(jié)作用和壓實(shí)-壓溶作用次之,泥晶化、溶蝕、重結(jié)晶及破裂作用較弱,白云石化作用最弱。成巖演化結(jié)果分析表明,對(duì)于飛二段孔隙而言破壞性成巖作用的強(qiáng)度大于建設(shè)性成巖作用的強(qiáng)度。

        5 結(jié)論

        a.飛二段的大氣淡水溶蝕作用強(qiáng)度中等,非選擇性溶蝕不強(qiáng)烈,與此同時(shí)膠結(jié)作用卻很強(qiáng)烈。鮞粒灰?guī)r經(jīng)歷淡水溶蝕后形成粒間孔,巖石孔隙度大幅上升,但很快遭遇強(qiáng)烈膠結(jié)作用,使孔隙度大幅降低。飛二段灰?guī)r膠結(jié)作用通??煞譃?期,第一期為海底膠結(jié),第二期為淡水膠結(jié),第三期為中-深埋藏膠結(jié)。能譜分析表明淡水膠結(jié)物的成分單一,僅含C、O和Ca元素。

        圖9 飛二段淡水膠結(jié)及淡水溶蝕證據(jù)Fig.9 Evidences of the fresh water cementation and fresh water dissolution in Member 2of Feixianguan Formation

        表1 飛仙關(guān)組第二段鮞粒褐鐵礦化電子探針成分分析(w/%)Table1 Components of the oolitic ferritization in Member 2of Feixianguan Formation analyzed with EMP

        b.本區(qū)的充填作用較強(qiáng)烈,一些粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、溶洞和裂縫經(jīng)過(guò)石英、螢石、黏土、瀝青、多期方解石、白云石等充填后,儲(chǔ)集空間進(jìn)一步減小,儲(chǔ)集性降低。

        c.雖然此次研究顯示飛二段中建設(shè)性成巖作用的貢獻(xiàn)并不大,如溶蝕作用并不強(qiáng)烈,但這個(gè)結(jié)果也僅代表個(gè)別單井的情況。筆者認(rèn)為倘若局部地區(qū)受到較強(qiáng)的建設(shè)性成巖作用改造,如熱液白云石化、破裂作用等,就易形成較好儲(chǔ)集空間,所以今后應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)部位的研究和探索。

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