夏 祥,馬曉東,胡文瑄,臧素華

1.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210008;2.中國(guó)石化 華東油氣分公司,南京 210019

中國(guó)東部油氣形成過(guò)程中大多伴隨著火山—巖漿作用的發(fā)生,火成巖是沉積盆地充填系列的重要組成部分[1-4]。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,巖漿侵入作用會(huì)使儲(chǔ)層儲(chǔ)集條件變差。但隨著油氣勘探實(shí)踐的進(jìn)行,發(fā)現(xiàn)火成巖也是一種重要的油氣儲(chǔ)層類型。近年來(lái),在渤海灣盆地[5]、遼河盆地[6-10]、塔里木盆地[11-12]和準(zhǔn)噶爾盆地[13-18]等火山巖層系中取得了重大突破,發(fā)現(xiàn)了一些大型油氣藏。火山巖層系已經(jīng)成為重要的油氣勘探目標(biāo),越來(lái)越受到人們的重視[19-22]。

從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看,侵入巖成為油氣儲(chǔ)層的成因非常復(fù)雜,有些為隱爆角礫巖成因[23],有些為熱液流體溶蝕—蝕變成因[24-25],不同地區(qū)、不同巖體差異很大。近年來(lái)蘇北盆地也發(fā)現(xiàn)了一些火成巖油氣藏(或油氣顯示),顯示了較好的勘探潛力。初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)[26-27],侵入巖儲(chǔ)集性變化很大,儲(chǔ)層非均質(zhì)性很強(qiáng),但其控制因素研究薄弱,存在很大爭(zhēng)議,亟待開展深入研究,查明侵入巖儲(chǔ)集空間發(fā)育特征,揭示其成因機(jī)制,為油氣勘探提供理論依據(jù)。

溱潼凹陷作為蘇北盆地重要產(chǎn)油凹陷之一,侵入巖也非常發(fā)育,有些侵入巖顯示了良好含油性。因此,本文主要以溱潼凹陷阜二段沙垛1井侵入巖為例,開展系統(tǒng)的巖石學(xué)和儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究,以期查明影響侵入巖儲(chǔ)集性的巖石學(xué)背景和儲(chǔ)集空間形成的主要機(jī)制,為該區(qū)侵入巖油藏勘探提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

蘇北盆地是太平洋板塊俯沖及郯廬斷裂平移等活動(dòng)共同作用的結(jié)果,是在前陸盆地的基礎(chǔ)上發(fā)育的白堊紀(jì)—新生代裂陷伸展盆地[28-30],經(jīng)歷了三期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),分別為泰州組沉積前的儀征運(yùn)動(dòng)、阜寧組沉積后的吳堡運(yùn)動(dòng)和三垛組沉積后的三垛運(yùn)動(dòng)[31]。蘇北盆地內(nèi)部被建湖隆起一分為二,南部為東臺(tái)坳陷,北部與濱海凸起、魯蘇隆起夾持形成鹽阜坳陷,兩坳陷中各凹陷均呈現(xiàn)右行雁式排列[32],主要有高郵、金湖、溱潼、海安、鹽城等凹陷[30]。盆地基底由三大套層系組成,即中元古界變質(zhì)巖結(jié)晶基底、(下)揚(yáng)子地臺(tái)海相中—古生界基底和中上三疊統(tǒng)—下白堊統(tǒng)活動(dòng)陸緣型海陸過(guò)渡相及陸相碎屑巖類與中酸性火山巖基底[33],古近系以斷陷沉積為主,新近系為坳陷沉積。

研究區(qū)溱潼凹陷位于東臺(tái)坳陷中東部,為東臺(tái)坳陷中的一個(gè)亞一級(jí)構(gòu)造單元。該凹陷是呈北東向展布的不對(duì)稱半地塹沉積凹陷,東南側(cè)、東北側(cè)分別以泰州凸起、梁垛低凸起為界,西側(cè)與吳堡低凸起相分隔(圖1)。自下而上發(fā)育的新生界包括[34]:泰州組(E1t)、阜寧組(E1f)、戴南組(E2d)、三垛組(E2s)、鹽城組(N1y)和東臺(tái)組(Q2d)。

圖1 蘇北盆地和研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

2 侵入巖巖石學(xué)特征

溱潼凹陷阜寧組中發(fā)育多層基性侵入巖層,產(chǎn)狀呈巖脈和巖床狀,沿地層順層侵入阜二、阜三段或者穿層侵入于阜三、阜四段和戴南組,巖體長(zhǎng)度分布從幾百到幾千米不等。鉆遇侵入巖的鉆井多達(dá)十幾口,其中以沙垛1井最為典型。該鉆孔在深部3 547 m以下阜二段泥質(zhì)巖層段中鉆遇基性侵入巖約70 m,并進(jìn)行了取心,本次工作進(jìn)行了系統(tǒng)取樣14件(圖2)。早期將這層侵入巖定為輝綠巖,認(rèn)為是一次侵入形成,本次研究發(fā)現(xiàn)巖性變化很大,自上而下由3種巖石類型組成,是由三次或更多次侵入作用形成的。

圖2 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖發(fā)育情況及采樣位置

2.1 巖性特征

2.1.1 輝綠巖

主要發(fā)育在侵入巖層上部。鏡下可見(jiàn)典型的輝綠結(jié)構(gòu),主要由斜長(zhǎng)石和輝石組成,含少量石英以及暗色礦物黃鐵礦、鈦鐵礦,次生礦物為綠泥石、絹云母,但是蝕變程度低,致密塊狀構(gòu)造(圖3a-c)。其中斜長(zhǎng)石含量65%,呈半自形到自形,柱狀、長(zhǎng)條狀,具有聚片雙晶,發(fā)生小規(guī)模的絹云母化蝕變,粒徑為0.1～0.9 mm。輝石有兩種,一種為單斜輝石,其特點(diǎn)是短柱狀,無(wú)色,干涉色為二級(jí),斜消光,少部分可見(jiàn)裂紋;另一種為斜方輝石,短柱狀,無(wú)色,干涉色為一級(jí),平行消光。

圖3 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖不同巖石類型的巖相學(xué)特征

2.1.2 輝石二長(zhǎng)巖

發(fā)育在輝綠巖之下3 549.5～3 563.0 m之間。典型特征是長(zhǎng)石含量增多,可達(dá)60%～75%,既有偏堿性長(zhǎng)石,也有短柱狀偏酸性的正長(zhǎng)石,大部分長(zhǎng)石發(fā)生不同程度的絹云母化蝕變(圖3d)。輝石含量明顯減少,約為20%～25%,另有少量石英以及暗色礦物黃鐵礦和鈦鐵礦等,次生礦物為綠泥石、絹云母。

2.1.3 橄欖輝長(zhǎng)巖

發(fā)育在輝石二長(zhǎng)巖之下,取心未見(jiàn)底,測(cè)井資料顯示厚度超過(guò)45 m。突出特點(diǎn)是輝石含量多,接近50%左右,并見(jiàn)橄欖石(圖3e),長(zhǎng)石主要為長(zhǎng)柱狀鈣長(zhǎng)石系列,含少量暗色礦物黃鐵礦、鈦鐵礦,次生蝕變嚴(yán)重,大部分橄欖石和輝石都發(fā)生了嚴(yán)重的綠泥石化(圖3f),長(zhǎng)石發(fā)生絹云母化。橄欖石裂理發(fā)育,并順著裂理發(fā)生蝕變。由于蝕變作用嚴(yán)重,原始巖石結(jié)構(gòu)被破壞,因此巖性比較松散。

2.2 巖石化學(xué)特征

電子探針測(cè)試分析表明,該侵入巖中斜長(zhǎng)石的成分變化較大,斜長(zhǎng)石An牌號(hào)29.2～67.28,從侵入體頂部的拉長(zhǎng)石,到中部的中長(zhǎng)石、奧長(zhǎng)石,再到底部的拉長(zhǎng)石(表1,圖4)。輝石成分變化也很大,En牌號(hào)28.32～72.45,各樣品分布相對(duì)均勻,廣泛分布的單斜輝石和斜方輝石不具有明顯指示性(表2,圖4)。

表1 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井長(zhǎng)石礦物電子探針值

表2 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井輝石礦物電子探針值

圖4 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖中長(zhǎng)石An-Ab-Or圖解和輝石Wo-En-Fs圖解

對(duì)侵入巖主量成分的測(cè)試表明,巖石化學(xué)組成變化較大,SiO2含量為40.37%～74.03%,平均為48.52%,Al2O3含量為9.27%～15.39%,平均為13.51%。根據(jù)采樣深度繪制了主量元素在縱向上的變化規(guī)律,不難發(fā)現(xiàn)明顯分為三個(gè)層段,即SD-8以上的輝綠巖層段,其下至SD-11的輝石二長(zhǎng)巖層段,以及下部的橄欖輝長(zhǎng)巖層段,表明沙垛1井侵入巖發(fā)生三期侵入(圖5)。最早應(yīng)該是下部偏基性的橄欖輝長(zhǎng)巖侵入,其后為上部的輝綠巖侵入,最后偏酸性的輝石二長(zhǎng)巖侵入在前二者之間,并對(duì)其上下侵入巖層產(chǎn)生破壞和熱液蝕變作用。

圖5 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖主量元素變化

3 儲(chǔ)層

3.1 儲(chǔ)集空間類型

一般來(lái)說(shuō),火成巖(特別是侵入巖)都比較致密堅(jiān)硬,孔隙不發(fā)育,很難成為油氣儲(chǔ)層。但在一些特定情況下,隱爆作用、構(gòu)造破碎和熱液蝕變等,也會(huì)形成各種儲(chǔ)集空間,成為特殊的油氣儲(chǔ)層。該區(qū)沙垛1井侵入巖,由于多期侵入作用的疊加,以及熱液蝕變的改造,也發(fā)育了較好的儲(chǔ)集空間,但分布很不均勻,主要發(fā)育在下部的橄欖輝長(zhǎng)巖中。

3.1.1 收縮裂縫

收縮微縫是巖漿冷凝結(jié)晶過(guò)程中因體積收縮而形成的不規(guī)則縫隙。收縮縫在形態(tài)上呈“樹根狀”分布,缺乏方向性,寬窄變化較大,且無(wú)平直的邊緣(圖6a,b)。常分布于不同礦物顆粒之間,也可以穿過(guò)礦物晶體。此外,這些收縮裂縫的存在,也為后期的流體活動(dòng)提供了條件,因此,大部分收縮裂縫附近都發(fā)生了不同程度的溶蝕,并形成了次生礦物綠泥石(圖6a-c)。

圖6 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖儲(chǔ)集空間

3.1.2 溶蝕孔隙

溶蝕孔隙是熱液流體溶蝕礦物顆粒而形成的,是該區(qū)侵入巖的主要孔隙類型。顯微鏡觀察表明,輝石和橄欖石礦物最易溶蝕(圖6),大部分鐵鎂礦物都發(fā)生了不同程度的溶蝕,形成的溶蝕孔隙與次生礦物綠泥石并存。溶蝕作用常常沿著收縮裂縫和礦物的解理縫進(jìn)行,在縫隙交叉或密布的位置溶蝕最強(qiáng),形成較大的溶蝕孔隙(圖6a,b)。整體上看,第一期侵入的橄欖輝長(zhǎng)巖遭受溶蝕最強(qiáng),一是因?yàn)楹胸S富的鐵鎂暗色礦物,二是因?yàn)榍秩胼^早,遭受了后期多次熱液流體的作用。由于遭受的溶蝕作用較強(qiáng),較多層段的橄欖輝長(zhǎng)巖巖心結(jié)構(gòu)松散,體積孔隙度一般都在10%以上,是最好的儲(chǔ)集層(圖3b)。

3.1.3 構(gòu)造裂縫

由于侵入巖脆性大,在后期構(gòu)造應(yīng)力作用下極容易破碎形成不同程度的裂縫。整體上看,研究層段的構(gòu)造裂縫發(fā)育程度較低,但也常出現(xiàn),規(guī)模不大,一般為毫米級(jí)縫隙,具有較好的方向性,走向比較平直,常呈斷續(xù)狀(圖3b)。

3.2 儲(chǔ)層物性特征

沙垛1井侵入巖發(fā)育在3 547～3 615 m之間,總厚度約為70 m?？傮w上看,孔隙發(fā)育很不均一,主要發(fā)育在下部的橄欖輝長(zhǎng)巖層段。顯微鏡觀測(cè)表明,以溶蝕孔隙為主,約占80%,微縫約占15%。根據(jù)測(cè)井資料和對(duì)部分巖心物性測(cè)量,該段巖石總孔隙度為11.5%～26.5%,峰值在13%～22%之間,有效孔隙度為9.0%～26.5%,可動(dòng)孔隙度為2.5%～25.0%,主要分布在2.5%～17.0%(圖7)。滲透率主要為(0.05～100)×10-3μm2,儲(chǔ)層裂縫發(fā)育,孔洞連通性好。根據(jù)常規(guī)測(cè)井曲線解釋發(fā)現(xiàn),在3 569 m之下,有效孔隙度陡增,中子孔隙度變高,孔滲條件普遍比較好,該段正是橄欖輝長(zhǎng)巖段分布層段,表明橄欖輝長(zhǎng)巖的物性顯著高于其上部的輝石二長(zhǎng)巖和輝綠巖(圖8)。

圖7 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井孔隙度分布

圖8 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖部分測(cè)井曲線

4 儲(chǔ)層發(fā)育主控因素

4.1 侵入巖類型與礦物組成

對(duì)比沙垛1井三期侵入巖孔隙發(fā)育程度可知,早期的橄欖輝長(zhǎng)巖物性最好,孔隙度可達(dá)10%以上,而輝綠巖和輝石二長(zhǎng)巖的物性很差,孔隙很不發(fā)育。究其原因,是橄欖輝長(zhǎng)巖含有較多的輝石和橄欖石等鐵鎂暗色礦物,在后期熱液流體作用下極易發(fā)生溶蝕和交代作用。這些礦物中的Fe可以形成綠泥石等蝕變礦物,但Mg元素等為易溶組分,隨著流體運(yùn)動(dòng)而遷移,同時(shí)還伴隨著部分SiO2的流失,從而產(chǎn)生了較多的次生溶蝕孔隙。加之橄欖輝長(zhǎng)巖中的收縮裂縫比較發(fā)育,橄欖石還非常容易產(chǎn)生裂理,也為流體活動(dòng)提供了良好條件,致使橄欖輝長(zhǎng)巖成為次生孔隙最發(fā)育的巖石類型(圖8)。

4.2 多期次巖漿—熱液活動(dòng)

溱潼凹陷鉆遇火成巖侵入體的鉆井較多,但大部分侵入巖厚度較薄,多為單一期次侵入形成,其中的溶蝕孔隙和裂縫等都不發(fā)育。但沙垛1井為多期侵入活動(dòng)疊加形成的“復(fù)合”侵入巖體,在早期橄欖輝長(zhǎng)巖侵入之后,又發(fā)生了兩期侵入,即第二期的輝綠巖和第三期的輝石二長(zhǎng)巖。后期的巖漿侵入活動(dòng),必然會(huì)對(duì)早期已經(jīng)固結(jié)的橄欖輝長(zhǎng)巖產(chǎn)生一定的機(jī)械破壞作用,以及多次的熱液流體溶蝕。機(jī)械破碎與熱液溶蝕交替,多次疊加,就造成了早期侵入巖遭受多期次溶蝕改造,形成了比較豐富的溶蝕孔隙以及部分改造裂隙,這是橄欖輝長(zhǎng)巖孔隙發(fā)育的關(guān)鍵因素。

此外,從橄欖輝長(zhǎng)巖到輝綠巖,再到輝石二長(zhǎng)巖,是一個(gè)跨越不同巖石類型的演化歷程,經(jīng)歷了從偏基性巖漿到偏酸性巖漿的長(zhǎng)期演化過(guò)程。這表明,沙垛1井深部巖漿房的演化與活動(dòng)歷史很長(zhǎng),并多次有巖漿侵入到淺部。在比較漫長(zhǎng)的演化過(guò)程中,除了巖漿侵入外,還會(huì)有長(zhǎng)期的熱液流體活動(dòng),是造成橄欖輝長(zhǎng)巖等早期侵入巖發(fā)生嚴(yán)重?zé)嵋何g變的重要因素。

4.3 區(qū)域性斷裂構(gòu)造的控制作用

溱潼凹陷緊鄰西北方向的郯廬斷裂,受白堊紀(jì)以來(lái)區(qū)域拉張—剪切作用及巖漿活動(dòng)的影響,形成大量斷層,是侵入巖有利儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵。與火山噴發(fā)同時(shí)期的斷裂為巖漿活動(dòng)提供通道,侵入巖形成之后的斷裂活動(dòng)在許多致密的火成巖中產(chǎn)生了大量的構(gòu)造裂縫(圖3b),這些裂縫有效地溝通了侵入巖儲(chǔ)層的孔縫系統(tǒng)。不但使孤立的原生儲(chǔ)集空間連通起來(lái),使其變?yōu)橛行Э紫?而且為后期的溶蝕作用提供了巖漿熱液流動(dòng)的通道。而裂縫作為良好的儲(chǔ)集空間,增加了侵入巖的孔隙度和滲透率。

沙垛1井所在區(qū)域緊鄰次級(jí)主斷裂。根據(jù)區(qū)域研究資料,該斷裂具有多期活動(dòng)特征,地球物理資料顯示為火山通道,為沙垛1井的多期巖漿—熱液活動(dòng)提供了有利的構(gòu)造背景。正是該區(qū)域性斷裂的控制與多期活動(dòng),導(dǎo)致了巖漿—熱液的多期侵入與長(zhǎng)期影響,從而使早期侵入的橄欖輝長(zhǎng)巖遭受顯著的構(gòu)造破壞和嚴(yán)重的熱液蝕變改造,形成了豐富的次生孔隙和裂隙。

5 儲(chǔ)層含油性

蘇北盆地構(gòu)造—沉積演化史研究表明,溱潼凹陷阜二段經(jīng)歷了兩次短暫的抬升,即在阜寧組沉積后期和三垛早期,與區(qū)域構(gòu)造的三次運(yùn)動(dòng)的后兩期相一致。對(duì)阜寧組烴源巖的研究揭示,埋深超過(guò)2 000 m時(shí)進(jìn)入低成熟階段,Ro達(dá)到0.5%～0.7%,埋深超過(guò)2 500 m后烴源巖逐漸達(dá)到成熟階段,Ro達(dá)到0.7%～1.0%時(shí),開始進(jìn)入生油高峰期,大致時(shí)間在32.4 Ma[35-36],目前研究區(qū)發(fā)現(xiàn)的大部分油藏主要來(lái)源于阜寧組烴源巖。

溱潼凹陷已經(jīng)在個(gè)別侵入巖中發(fā)現(xiàn)了較好的油氣聚集,但沙垛1井鉆遇的侵入巖含油性比較差,盡管已處在3 500 m以下較高成熟階段。根據(jù)熒光觀測(cè)研究結(jié)果[37-38],沙垛1井侵入巖不同部位在顯微熒光上顯示特征存在明顯差異,巖體中上部熒光顯示很少,局部?jī)H見(jiàn)非常細(xì)小的零星熒光(圖9a)。在侵入體下部的橄欖輝長(zhǎng)巖中,局部見(jiàn)到較強(qiáng)的熒光顯示,孔隙喉道內(nèi)能夠觀察到烴類的局部聚集(圖9b,c)。由此可見(jiàn),雖然侵入巖層段整體含油性很差,但儲(chǔ)層物性與含油性之間的正相關(guān)關(guān)系還是非常明顯的。

圖9 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖不同部位熒光顯微照片

從地質(zhì)條件分析,該侵入巖正好侵入在阜寧組泥頁(yè)巖中,但圍巖中泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量低,不是良好的烴源巖,生油條件比較差,即便有一些液態(tài)烴生成,也還沒(méi)有達(dá)到初次運(yùn)移的水平,因此進(jìn)入侵入體的烴類很少。其次,由于侵入體周圍泥巖的阻礙,附近油氣烴源巖生成的烴類,也難以進(jìn)入到侵入體中,沒(méi)有接受規(guī)模性的充注。再次,鋯石年代學(xué)研究揭示橄欖輝長(zhǎng)巖的侵位年齡約為54 Ma,與這套泥頁(yè)巖(含烴源巖)的形成時(shí)期接近,即侵入巖形成與烴源巖沉積幾乎同步,而到烴源巖生烴時(shí),侵入體周圍被泥質(zhì)巖圍繞,油氣也就難以進(jìn)入其中。因此,只有存在溝通烴源巖與侵入巖的良好通道(如斷裂構(gòu)造)時(shí),侵入體才能夠成為儲(chǔ)集油氣的良好場(chǎng)所。

6 結(jié)論

(1)蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖巖性自下向上存在顯著變化,是多期侵入作用復(fù)合疊加的結(jié)果。從下到上巖性由偏基性橄欖輝長(zhǎng)巖向輝綠巖過(guò)渡,最后向偏酸性輝石二長(zhǎng)巖演化,晚期侵入作用對(duì)早期橄欖巖體具有一定的破壞及流體溶蝕作用。

(2)侵入巖中孔隙發(fā)育程度不均,輝綠巖和輝石二長(zhǎng)巖孔隙發(fā)育程度低,而橄欖輝長(zhǎng)巖孔隙發(fā)育程度較高。儲(chǔ)集空間發(fā)育程度主要受巖性和熱流體溶蝕作用控制,主要表現(xiàn)為第二期和第三期的巖漿—熱液作用對(duì)第一期侵入體的改造和溶蝕,其中橄欖石和輝石等鐵鎂暗色礦物容易發(fā)生次生蝕變和溶蝕,形成了較多的溶蝕孔以及次生綠泥石。加之該鉆孔位于斷裂帶附近,為巖漿—熱液的多期活動(dòng)提供了良好條件,是橄欖輝長(zhǎng)巖形成良好孔隙的主要機(jī)制。

(3)雖然侵入體下部?jī)?chǔ)集性較好,但整體上含油性差,頂部無(wú)熒光或顯示較弱,底部?jī)?chǔ)集性好的部位見(jiàn)有微弱的熒光顯示,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)規(guī)模性充注現(xiàn)象。其原因可能是沙垛1井侵入巖形成時(shí)間較早,周圍被泥頁(yè)巖所包圍,埋藏至深部到達(dá)烴源巖生烴階段時(shí),油氣難以進(jìn)入侵入體。如果發(fā)育烴源巖與侵入體的良好溝通條件,有可能成為油氣聚集的良好場(chǎng)所。因此,侵入體與烴源巖之間的輸導(dǎo)條件是控制侵入體是否成為油氣儲(chǔ)集場(chǎng)所的重要條件之一。

致謝:中國(guó)石化華東油氣分公司在樣品方面提供了很大的幫助,在此致以衷心感謝!

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

夏祥和胡文瑄完成論文的構(gòu)思;夏祥、馬曉東、胡文瑄、臧素華參與論文寫作修改。所有作者閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by XIAO xiang and HU Wenxuan. The manuscript was drafted and revised by XIA Xiang, MA Xiaodong, HU Wenxuan and ZANG Suhua. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.