宋梅遠

(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)巖中蘊含豐富的油氣顯示,已在準噶爾盆地烏夏地區(qū)獲得重大突破,如風3、風城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)巖油氣勘探任務提上日程。云質(zhì)巖作為一類特殊的儲集類型,其成因、形成模式等對油氣勘探至關重要。多位學者針對準噶爾盆地西北緣風城組白云巖的成因開展了大量的研究工作,馮有良等[3]認為該區(qū)白云巖主要為半深湖咸水環(huán)境準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)風城組白云巖劃分為準同生白云化作用、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化搬運作用5種成因,這些研究和認識主要是針對不同地質(zhì)環(huán)境,結合現(xiàn)有的白云巖形成模式,描述工區(qū)的白云巖成因機理[5-9],目前,對于哈山地區(qū)二疊系風城組云質(zhì)巖的儲層特征及成因機理尚未開展系統(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)巖儲層發(fā)育特征,利用巖礦鑒定技術、地球化學分析技術等查明哈山地區(qū)云質(zhì)巖成因機理,以期指導有利儲層的預測,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)位于準噶爾盆地西北緣,構造上隸屬于準噶爾盆地哈-德(哈山-德倫山)構造帶的西端,南鄰瑪湖富烴凹陷,北以達爾布特斷裂為界與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)風城組。早二疊世準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),至風城組沉積期經(jīng)歷了裂陷由鼎盛期至衰退期整個過程,火山活動減弱,水體擴大加深,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,且火山活動相對強烈,砂體不發(fā)育,云質(zhì)巖在區(qū)內(nèi)廣布;晚期,火山活動減弱,隨著物源供應量加劇,扇體規(guī)模迅速擴大,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)風城組,構造運動和大規(guī)模頻繁的火山活動均對準同生白云巖化作用產(chǎn)生重要的影響。

圖1 哈山地區(qū)構造位置

2 云質(zhì)巖巖石學特征

2.1 云質(zhì)巖巖性結構特征

哈山地區(qū)云質(zhì)巖儲層巖石類型多樣,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47%～69%,顆粒細小,粒徑主要分布在2～6 μm之間,局部可達8 μm,與泥質(zhì)條帶及陸源碎屑顆?；?泥質(zhì)條帶較細,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。風城組白云石多呈粉晶、泥晶結構,半自形-他形,與泥巖互呈紋層,形成二元紋層構造,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。風城組云質(zhì)巖中陸源碎屑粒級較細,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,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)巖儲集空間及物性特征

3.1 儲集空間類型

哈山地區(qū)風城組云質(zhì)巖儲層儲集空間類型多樣,以裂縫為主,占儲集空間的 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)巖儲層最重要的儲集空間類型。宏觀裂縫包括層理縫、構造縫,擴大溶蝕縫;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,形成良好的儲集空間,極大地改善了儲層物性。

3.2 儲層物性特征

二疊系風城組云質(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,綜合評價為低孔、特低滲儲層。

不同構造位置,儲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,儲層物性明顯好于其他地區(qū)。

4 云質(zhì)巖成因機理研究

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)量分數(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。湖水地球化學的不穩(wěn)定性導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)量分數(shù)較高,淡水中Sr質(zhì)量分數(shù)較低。楊威等[12]認為現(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)巖是在鹽度較高強烈蒸發(fā)的咸水環(huán)境中形成的,其與準同生期高鹽度孔隙水白云巖化有關,后期受到埋藏膠結作用以及構造熱液流體的改造。

(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,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,為準同生蒸發(fā)環(huán)境下進行的。結合鄰區(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)巖以準同生為主,后期埋藏和熱液成因為輔。

4.2 成因機理分析

哈山地區(qū)云質(zhì)巖主要發(fā)育在二疊系風城組,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關鍵因素:富Mg2+流體、適當?shù)牧黧w動力學條件。

(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+流體沿斷層上涌,增加地層孔隙水的Mg2+含量,且準噶爾盆地二疊紀是火山活動期,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)白云石化的流體動力學條件分析。通過對研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景、白云巖巖石學和成巖作用特征的研究,認為哈山地區(qū)云質(zhì)巖流體的驅(qū)動力主要有兩種機制: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斷層及裂縫對流。

(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特征、白云巖形成環(huán)境和形成機理,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)同時沉積,由于氣候炎熱,蒸發(fā)作用強烈,使水體鹽度升高,在成巖早期發(fā)生準同生白云巖化;成巖后期強烈的構造活動,間歇的火山活動,深部富鎂熱液沿斷裂上升,形成埋藏成因和熱液成因的白云石。就其分布特點來看,斜坡帶主要發(fā)育準同生成因的云質(zhì)巖,受后期埋藏和構造運動影響,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,從而導致其儲層物性存在一定的差異,熱液成因云質(zhì)巖儲層最好,其次為準同生白云巖。

圖4 哈山地區(qū)云質(zhì)巖發(fā)育模式

5 結 論

(1)哈山地區(qū)云質(zhì)巖儲層主要發(fā)育在二疊系風城組,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,有效儲集巖主要為云質(zhì)砂巖。

(2)儲集空間為裂縫和溶孔雙重介質(zhì),屬低孔、特低滲儲層,局部發(fā)育溶蝕孔隙型與裂縫-孔隙型兩類“甜點”儲層,斷裂帶溶孔與裂縫相互連通,形成良好的儲集空間,儲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)巖以準同生為主,后期埋藏和熱液成因為輔。

(4)斜坡帶主要發(fā)育準同生成因的云質(zhì)巖,受后期埋藏和構造運動影響,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)巖儲層物性存在一定的差異,熱液成因云質(zhì)巖儲層最好,其次為準同生白云巖。