鄂尔多斯盆地宜川-旬邑地区长8储集层碳酸盐胶结物特征

田亚铭 施泽进 宋江海 吴晓明 高 翔 洪成云

(1.成都理工大学 a.地球科学学院,b.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室,成都 610059;2.长庆油田公司 a.勘探开发研究院,b.第七采油厂,西安 710021;3.中国石油集团长城钻探工程有限公司录井公司,辽宁盘景124010)

鄂尔多斯盆地是重要的含多种能源盆地,其中油气资源最为丰富[1,2]。近年来,鄂尔多斯盆地的油气勘探取得了丰硕的成果,延长组是其重点石油勘探层位和产能建设接替区。实际勘探开发表明,在延长组砂岩中以胶结物形式存在的碳酸盐胶结物相当普遍,其含量、分布方式及形成时代等直接影响储集层的储集性能和石油聚集成藏[3-5]。宜川-旬邑地区长8储集层碳酸盐胶结物含量与储集层孔隙度和渗透率的相关性研究表明(图1),碳酸盐胶结物含量与孔隙度和渗透率成负相关关系,并且对孔隙度的影响最为明显。当碳酸盐胶结物的质量分数达到25%以上时,储集层砂岩的孔隙度基本小于5%,成为了非储层,此时岩石排驱压力大,进汞饱和度低,原生孔隙不发育,储层致密,孔渗条件差。因此,笔者以鄂尔多斯盆地东南缘宜川-旬邑地区长8储集层为研究对象,开展砂岩碳酸盐胶结物特征分析研究,其结果对指导鄂尔多斯盆地延长组的石油勘探具有现实意义。

图1 碳酸盐胶结物含量与孔渗相关图Fig.1 Correlation diagram between carbonate cement and porosity and permeability

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地晚三叠世延长期为一大型内陆淡水湖盆,经历了完整的湖进-湖退过程。宜川-旬邑地区位于鄂尔多斯盆地东南缘渭北隆起带上,区内钻穿长8油层组的钻井40余口,分布极不均匀(图2)。长8沉积期处于湖盆扩张建设期,沉积物源复杂。重矿物分析表明宜川地区以锆石、金红石、电气石等稳定的重矿物为主,占整个重矿物的53.8%;南部旬邑地区基本都以次稳定矿物为主,石榴子石、硬绿泥石、白钛矿、榍石等占整个重矿物的60%～70%[3,4]。宜川地区受东北物源的影响,三角洲前缘沉积进积,向湖盆方向扩大,前三角洲-浅湖沉积不太发育。南部旬邑-四郎庙等地区,受南部物源影响,整个长8时期主要为三角洲前缘亚相沉积,在正宁、关家川地区等发育湖底滑塌扇沉积。薄片观察统计表明,长8主要为长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩和长石砂岩;岩屑类型丰富,沉积岩岩屑、变质岩岩屑及岩浆岩岩屑均有;岩石成分成熟度及结构成熟度低,颗粒以中-细粒为主,分选中等,基本为次棱角-棱角状。三角洲前缘水下分流河道、河口砂坝及湖底滑塌扇体的分支河道砂体等,构成了大面积的储集岩系[6,7]。孔隙度在0.09%～14.09%之间,渗透率在 0.001×10-3～2.500×10-3μ m2之间;超过60%的样品孔隙度在4%～8%之间,渗透率小于0.1×10-3μ m2。孔喉组合以小孔隙-微喉/微细喉型与细孔隙-微喉/微细喉型为主,属于典型的低孔特低渗透砂岩储层[8,9]。储层砂岩经历了压实作用、胶结作用、溶蚀作用和交代作用,目前已进入了晚成岩A2期至晚成岩B期。胶结作用在该区分布广泛,是导致该区储层物性变差的主要原因之一。

2 碳酸盐胶结物特征

2.1 分布及组成特征

图2 研究区地理位置及钻井分布图Fig.2 The map showing positions of working areas in Ordos Basin

表1 不同沉积微相的碳酸盐胶结物含量及孔渗统计Table 1 The carbonate cement content of different sedimentary facies and porosity and permeability

成岩作用研究表明碳酸盐胶结、硅质胶结和泥质胶结是该区主要的胶结作用,其中碳酸盐胶结作用是该区最广泛的成岩现象。对不同相带的碳酸盐胶结物含量及物性特征统计表明(表1):碳酸盐胶结物的质量分数在0%～40%之间,变化较大,平均为7.3%。其中分支水道的碳酸盐胶结物的质量分数最高,平均为7.7%;其次是砂坝沉积微相,平均为7.2%;河口坝最少,平均为5.4%;水下分流河道碳酸盐胶结物的质量分数居中,平均为6.9%。Moraes and Surdam指出在厘米级到米级的碳酸盐胶结物主要有4种分布形式:(1)不规则,任意性的补丁状分布;(2)胶结状的粗粒颗粒纹层和未胶结的细粒颗粒纹层互层状分布;(3)大量碳酸盐胶结形成致密层状分布;(4)沿着夹层泥岩的接触面周缘分布[10,11]。镜下观察碳酸盐胶结物分布特征与剖面碳酸盐胶结物分布特点研究表明,该区碳酸盐胶结物主要以第(1)种方式充填残余粒间孔,以第(4)种方式形成半基底式-基底式的碳酸盐胶结物;随着远离泥岩夹层面,碳酸盐胶结物含量逐渐减少,第(2)种和第(3)种分布模式少见。

薄片分析及扫描电镜测试表明,该区常见的碳酸盐胶结物主要是方解石,此外有少量白云石。方解石胶结物主要是中细晶、粗-巨晶颗粒,部分形成连晶形态,充填粒间孔隙。碳酸盐胶结物含量较高时,部分交代碎屑颗粒边缘,甚至充填长石溶孔(图3-A,B)。当碳酸盐胶结物的质量分数超过30%时,岩石形成孔隙式胶结,碎屑颗粒成“飘浮状”;当碳酸盐胶结物的质量分数不到1%时,岩石颗粒紧密接触:反映该区碳酸盐胶结物分布具有很强的非均质性。

图3 长8储集层碳酸盐胶结物特征Fig.3 The characteristics of the carbonate cement of Member 8 of Yanchang Formation

方解石胶结物在阴极发光下,发光较暗,多呈较暗的橙红色(图3-C,D),表明含铁较重。采用茜素红试剂染色,碳酸盐胶结物变红,经过铁氰化钾试剂染色,无论是压实后充填残余粒间孔的方解石胶结物,还是呈半基底式-基底式胶结的方解石,染色均变成蓝色(图3-E,F)。因此,该区碳酸盐胶结物主要为铁方解石(含铁方解石)。此类铁方解石(含铁方解石)胶结物主要在薄层砂岩中和厚层砂岩顶底与泥岩紧密毗邻的区域含量较高,其与漆滨汶等对晚期碳酸盐胶结物的分布形式研究结果一致[12]。但前人在鄂尔多斯盆地延长组其他地区发现含有早期的无铁方解石胶结物,在本区薄片中没有见到无铁方解石胶结物,分析认为可能的原因是早期方解石胶结物含量太低(王琪对西峰油田延长组碳酸盐胶结物研究后认为:早期方解石的质量分数变化在1.2%～1.8%之间[19]),在成岩早期的溶蚀作用中被溶蚀殆尽,现在基本找不到它们的踪迹。即使有残余的早期方解石,但因含量极低,分布又不稳定,因而在铁氰化钾染色薄片中未发现。

2.2 碳氧同位素特征

图4 碳酸盐胶结物碳氧同位素成岩模板投点图Fig.4 Projection of carbon and oxygen isotopes of carbonate cements cast

长8储集层碳酸盐胶结物碳氧同位素分析表明δ13CPDB值为-5.56‰～-0.22‰,为负低值;δ18OPDB值为 -10.58‰～ -21.47‰,属相对高负值(表2)。对现代剖面研究,总结了如下的碳酸盐胶结物碳氧同位素分布模板(图4)[13-15],Ⅰ区为埋藏较浅时与硫酸盐还原作用有关的碳酸盐“成岩方解石”,也就是在油气进入储集层之前成岩作用所形成的碳酸盐胶结物;Ⅱ区为与甲烷细菌活动生成生物气有关的碳酸盐;Ⅲ区的碳酸盐与有机酸脱羧作用有关,当发酵细菌的活动随着埋藏加深而逐渐失去活动性时,有机酸在热催化作用下脱羧开始成为主要反应,并产生烃类和CO2,这种CO2往往具有高负值特征。由于这些部位的温度较高,所以氧同位素组成因δ18O的消耗而呈高负值,故可与Ⅰ区的“成岩方解石”相区别,而且,这类CO2可以先于或同时于油气运移期进入储集层内,并以碳酸盐的形式沉淀下来。

如图4所示,本区长8砂岩中碳酸盐胶结物的同位素组成分布在图中的Ⅲ区,因此属于与有机质热演化有关的碳酸盐。

许多学者提出了应用碳氧同位素确定其形成温度的计算方法[16]。本次研究对碳酸盐胶结物的形成温度采用如下公式分别计算:

对于公式(2),实际工作中无法获得公式中所需方解石沉淀时流体的氧同位素组成数据,结合地质背景,本次研究取大陆淡水氧同位素组成偏高端的-7‰(SMOW标准)作为计算的流体同位素的δ18O值,以便于与公式(1)计算成果对比。

表2 碳酸盐胶结物碳氧同位素测试结果统计Table 2 Test results of carbon and oxygen isotopes of carbonate cements

采用公式(1)与(2)计算碳氧同位素形成温度表明形成孔隙中胶结物方解石的形成温度较高,平均温度值除了极个样品温度小于90℃,其他样品均大于90℃,甚至更高,说明经历了较高的温度,可能形成时间较晚,与碳酸盐胶结物的碳氧同位素分布图版解释一致。

2.3 流体包裹体特征

利用LINKAM THMS600型冷热台,对20个砂岩样品胶结物做了测试分析,测点200余个。流体包裹体研究表明,方解石胶结物中的流体包裹体发育丰度极高,包裹体成群分布于方解石胶结物中(图3-G,H)。包裹体类型有:含烃盐水包裹体、液烃包裹体、气液烃包裹体3类;形态较规则,椭圆形较多,大小变化较大 ,小者2 μ m ×3 μ m或者 1 μ m ×4 μ m,大者达 20 μ m ×25 μ m;包裹体呈线/带状分布或成群分布,气液比大多小于5%。包裹体中的液烃呈淡黄色,显示浅黄绿色、浅蓝色及浅蓝绿色荧光,个别显示浅黄色荧光;气烃呈灰色,显示弱黄色荧光。包裹体以气液烃包裹体为主,约占70%以上。由含烃盐水包裹体测得的包裹体均一温度为58～121℃,主要温度区间在100～110℃(图5)。结合成岩作用及该区热史和埋藏史研究[17,18],认为该区大规模的方解石胶结作用形成时代较晚,温度较高,为晚期成岩作用的产物。

图5 碳酸盐胶结物流体包裹体温度频率分布图Fig.5 The distributions of temperature and frequency of fluid inclusions

3 碳酸盐胶结物成因分析

Ali和James(1996)的研究指出碳酸盐胶结物的物质来源主要有以下几种:(1)层内溶解作用,泥岩中富含钙质,钙质可发生溶解随流体一起排入邻近砂岩中;(2)沉积水体原生或孔隙水中的Ca2+;(3)泥岩中蒙脱石向伊利石转化可排出Ca2+,这种转化主要发生在＞1.4 km的深度[12]。

无铁方解石形成较早,通常在常温常压条件下,直接从过饱和的碱性湖水介质中析出,对碎屑颗粒进行点触式胶结,增强了砂岩的抗压能力,使大量的原生孔隙得以保存。在后期成岩作用的影响下,早期无铁方解石可能被有机质脱羧基作用的酸性水溶解而消失。

该区铁方解石(含铁方解石)主要以第1种和第4种分布模式分布于长8储集层砂岩中,并且碳氧同位素、流体包裹体分析测试表明形成温度较高,应属于晚成岩A1亚期—晚成岩B期(B期早期)[19]。当成岩作用进入成岩晚期时,有机质演化达到成熟期,黏土矿物热演化脱出层间水,在砂岩与泥岩接触带沿着接触界面,碳酸盐矿物伴随着流体的迁移而进行矿物转化,此时温度相对较高,流体的pH值偏碱性,碳酸盐矿物易于沉淀,形成大量的碳酸盐胶结物,并且易于分布在与泥岩相邻的厚层砂岩的顶底处。当流体供应充分,活动性强,在厚层砂岩顶底可形成钙质砂岩而形成致密层,阻止了厚层砂岩中部大规模的碳酸盐胶结物形成,保存较为有利的储集空间。在孔隙连通性好的储集层段,成岩流体流动性增强,在储集层孔隙中沿着流体渗流通道运移沉淀,运移距离相对较远,有的碳酸盐胶结物显示较为明显的新月形沉淀,堵塞孔隙空间,导致储层致密[20,21]。

4 结论

a.宜川-旬邑地区长8储集层碳酸盐胶结物的质量分数介于0%～40%之间,平均为7.3%;其中分支水道的碳酸盐胶结物的质量分数最高,平均为7.7%。碳酸盐胶结物分布不规则,呈任意性的补丁状,沿着夹层泥岩的接触面周缘分布于储层砂岩中,非均质性强,以铁方解石(含铁方解石)为主,含少量无铁方解石。

b.碳酸盐胶结物碳氧同位素及流体包裹体分析表明 δ13CPDB值为 -5.56‰～-0.22‰,δ18OPDB值为 -10.58‰～ -21.47‰,与有机质热演化有关;流体包裹体均一温度在58～ 121℃之间,温度峰值区间为100～110℃之间,形成世代较晚。

c.无铁方解石形成较早,通常在常温常压条件下,直接从过饱和的碱性湖水介质中析出;铁方解石(含铁方解石)形成时代较晚,空间分布上非均值质性较强,在与泥岩毗邻的砂岩顶底含量较高,对储层物性具有严重的负作用,在厚层砂岩的顶底处胶结致密,甚至形成了钙质砂岩层。其CO2来源主要与成岩晚期的有机酸和黏土矿物热演化有关。

研究碳酸盐胶结物的分布特征,明确其分布规律及形成期次,对研究储集层分布及油藏分布规律均具有指导意义。结合成岩作用研究,开展碳酸盐胶结物平面分布与成藏期次研究,可以有效指导该区精细储层评价,服务于油气勘探。

[1]长庆石油地质志编写组.中国石油地质志卷十二[M].北京:石油工业出版社,1992.

[2]李德生.重新认识鄂尔多斯盆地油气地质学[J].石油勘探与开发,2004,33(6):1-7.

[3]罗静兰,刘小洪,林潼,等.成岩作用与油气侵位对鄂尔多斯盆地延长组砂岩储层物性的影响[J].地质学报,2006,80(5):664-673.

[4]刘娅铭,姜在兴,朱井泉,等.东河砂岩中碳酸盐胶结物特征及对储层的影响[J].大庆石油地质与开发,2006,25(3):13-15.

[5]李风杰,王多云,徐旭辉,等.鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组储层特征及影响因素分析[J].石油实验地质,2005,27(4):366-370.

[6]武富礼,李文厚,李玉宏,等.鄂尔多斯盆地上三叠统延长组三角洲沉积及演化[J].古地理学报,2004,6(3):307-315.

[7]杨华.鄂尔多斯盆地三叠系延长组沉积体系及含油性研究[D].成都:成都理工大学档案馆,2004.

[8]王允城.油气储层评价[M].北京:石油工业出版社,1999.

[9]王瑞飞,陈明强,孙卫.鄂尔多斯盆地延长组超低渗透砂岩储层微观孔隙结构特征研究[J].地质论评,2008,54(2):270-277.

[10]Sylvia M C dos Anjos,Luiz F De Ros,Rogerio Schiffer de Souza,et al.Depositional and diagenetic controls on the reservoir quanlity of Lower Cretaceous Pendencia sandstones,Potiguar rift basin,Brazil[J].AAPG,2000,84(11):1719-1742.

[11]M orad S.Carbonate cementation in sandstone:distribution patterns and geochemical evolution[C]//Carbonate Cementation in sandstones.Special Publication 26,International Association of Sedimentologists.Oxford:Blackwell Science,1998,26:1-27.

[12]漆滨汶,林春明,邱桂强,等.东营凹陷古近系沙河街组砂岩透镜体钙质结壳形成机理及其对油气成藏的影响[J].古地理学报,2006,8(4):519-530.

[13]郭宏莉,王大锐.塔里木油气区砂岩储集层碳酸盐胶结物的同位素组成和成因分析[J].石油勘探与开发,1999,26(3):312-321.

[14]王大锐.油气稳定同位素地球化学[M].北京:地质出版社,2000.

[15]刘德良,孙先如,李振生,等.鄂尔多斯盆地奥陶系白云岩碳氧同位素分析[J].石油实验地质,2006,28(2):155-161.

[16]张顺存,郭建钢,刘巍,等.克百断裂下盘二叠系砂砾岩中碳酸盐胶结物的氧、碳稳定同位素组成及形成环境分析[J].新疆地质,2009,27(4):259-362.

[17]任战利,赵重远,张军,等.鄂尔多斯盆地古地温研究[J].沉积学报,1994,12(1):56-65.

[18]陈瑞银,罗晓容,陈占坤,等.鄂尔多斯盆地中生代地层剥蚀量估算及其地质意义[J].地质学报,2006,80(5):685-693.

[19]王琪,禚喜准,陈国俊,等.鄂尔多斯西部长6砂岩成岩演化与优质储层[J].石油学报,2005,26(5):18-23.

[20]黄思静,黄培培,王庆东,等.胶结作用在深埋藏砂岩孔隙保存中的意义[J].岩性油气藏,2007,19(3):7-13.

[21]张枝焕,胡文,曾溅辉,等.东营凹陷下第三系流体-岩石相互作用研究[J].沉积学报,2000,18(4):560-566.