海拉尔—塔木察格盆地凝灰质储层次生孔隙及碱交代作用

孙先达，李宜强，崔永强，张民志，殷 娇

（1．中国石油大学（北京）石油工程学院，北京昌平 102249； 2．中国石油大学（北京）提高采收率研究院，北京昌平

102249； 3．大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712； 4．大庆油田有限责任公司第二采油厂，黑龙江大庆 163414）

海拉尔—塔木察格盆地凝灰质储层次生孔隙及碱交代作用

孙先达1，2，3，李宜强2，崔永强3，张民志3，殷 娇4

（1．中国石油大学（北京）石油工程学院，北京昌平 102249； 2．中国石油大学（北京）提高采收率研究院，北京昌平

102249； 3．大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712； 4．大庆油田有限责任公司第二采油厂，黑龙江大庆 163414）

海拉尔—塔木察格盆地凝灰质储层次生孔隙成因为碱交代作用和流体致裂作用．碱交代作用以大规模碱性流体碱解和碱交代为核心特征；流体致裂作用包含构造流体压裂作用、流体泵压、引张溶蚀非平衡动力学作用．该地区经过多年勘探未发现常规砂岩储层，但在主体勘探目的层南屯组以下发现凝灰质类储层，在1 400～1 900m的次生孔隙储集空间主控油气藏，次生孔隙比例为40%～80%，在2 000m以下的次生孔隙比例大于90%，储集作用及空间格局与常规砂岩储层完全不同，溶蚀格局在常规砂岩中未见．伴随次生孔隙形成，凝灰质储层中发生大规模碱性溶解和交代现象，形成大量碱性成因标型矿物组合，如柯绿泥石、钠板石、碳钠铝石、方沸石、绿磷石、铈褐帘石、铁绿泥石等，呈现大规模碱性作用的次生孔隙成因控制格局，与此同时，发生天然构造流体致裂作用形成微裂缝．

碱性溶解；碱交代作用；凝灰质储层；成因矿物学；凝灰质；海拉尔—塔木察格盆地

0 引言

碱交代现象在矿床研究中受到地质研究者关注［1］，指在大量碱质（主要是钠和钾，有时还有锂、铷、铯）及酸性挥发分共同参与下，岩石发生碱增量，并使岩石阳离子集团的原子价结构产生歧化和空间再分配的一种热液作用［2］．杜乐天研究金属、非金属和稀土矿床资料，认为它们的地质成矿作用可统称为富碱热流体作用［2］．碱交代作用包含几十种亲氧、亲硫元素的矿化类型成矿的基本规律，是热液作用成矿的主体，还是一系列内生成岩作用（如花岗岩、混合岩、碱性岩、内生碳酸岩和细碧角斑岩等），以及与地幔脱气、脱水、脱碱热流体有关的地壳深部交代作用的重要机制［3］．地幔流体即烃碱流体，是发生在地幔和地壳碱交代作用的根本原因，烃和碱在地幔流体中共存．基于碱交代作用分析，认为胜利油田油气与胶东热液金矿具有统一的烃碱来源［4］．

烃碱流体地球化学在地球化学层面统一矿床学和石油地质学，在石油地质和金属、非金属地质研究之间建立联系．邱隆伟等研究泌阳凹陷碱性成岩作用及其对储层的影响，指出原始沉积环境和沉积物特征决定泌阳凹陷主体部位储层的埋藏成岩作用，是一种总体以碱性地层水为背景的碱性成岩作用，在碱性成岩作用的作用下，储层中次生孔隙的发育特征和经典成岩作用有较大不同［5］，进而将碱性流体和碱交代作用引入油气领域．

张民志等研究海拉尔盆地柯绿泥石和钠板石特征及其地质意义，指出海拉尔盆地以柯绿泥石和钠板石为代表的次生矿物，形成于富钠和活性铝的碱性流体成岩环境，是大规模碱交代作用的结果；在柯绿泥石和钠板石共生的碳钠铝石发育带，发现具有工业意义的幔源CO2气藏，证实烃碱流体地球化学中碱烃并存理论［6］．

含油气盆地对应大规模上地幔和软流层隆起，地幔烃碱流体上升进入含油气盆地．烃碱流体与含油气盆地的关系包括碳硅泥岩系与烃源岩的关系、基底岩石（火山岩）碱交代作用、碱性地层水来源、油气的来源，以及碎屑岩储层演化规律等．

海拉尔—塔木察格盆地（简称海—塔盆地）地处东经115°30′～120°00′、北纬46°00′～49°00′，横跨中蒙边界，为松辽盆地外最大的中、新生代陆相含油气沉积盆地，总面积约为70．480×103km2．盆地基底为古生界和前古生界褶皱地层，属于中亚—蒙古拗拉槽的一部分，沉积岩最大厚度为6km，由古生界至白垩系地层构成，主要储层为白垩系南屯组和铜钵庙组，岩石类型主要为砂岩、凝灰质砂砾岩、凝灰岩及基岩风化壳等，具有多物源、近物源、相变快，断裂系统复杂的特点，构造上多期盆地叠加，使储层受多期流体改造，地层中普遍含有碱性凝灰质．凝灰质在碱性条件下被大规模溶解交代形成大量次生孔隙，同时，天然构造流体致裂作用形成微裂缝．该现象既与传统的酸性流体次生孔隙成因假说不同，也与常规砂岩中局部碱性成岩作用造成小规模石英和岩石溶解的岩石矿物地球化学现象不同，有其独特地域性．2001年，对贝10井盆地基底布达特群储层深度1 935．0～1 956．0m进行压裂后抽汲，获得39．769t／d的高产工业油流，之后在兴安岭群火山岩储层也获得突破性进展，这些勘探成果是酸性次生孔隙模式难以预测的．笔者分析海—塔盆地次生孔隙及自生矿物成因，建立次生孔隙成因模式，研究凝灰质储层次生孔隙成因及其与碱交代作用关系，为海拉尔盆地深部勘探提供理论依据．

1 碱交代作用及次生孔隙成因

海—塔盆地白垩系南屯组、铜体庙组和侏罗系兴安岭群的凝灰质砂岩、凝灰质泥岩、沉凝灰岩和凝灰岩储层统称为凝灰质储层，是盆地主要产层．油气储集空间以次生孔隙为主，在深度1 400～1 900m次生孔隙占总孔隙体积的40%～80%，在深度2 000m以下次生孔隙占总孔隙体积的90%以上．存在大量碱性成因标型矿物组合，如柯绿泥石、钠板石、碳钠铝石、方沸石、绿磷石、铈褐帘石、铁绿泥石等，证明伴随次生孔隙形成，发生大规模碱性溶解和交代作用．晶屑、玻屑、长石和黏土等填隙物均发生不同程度的溶解现象，广泛发育于乌尔逊、贝尔、南贝尔、塔木察格凹陷凝灰质储层．

1．1 碱性成因标型成岩矿物共生共存组合

岩心和薄片观察分析表明，各类凝灰质类岩石多具有密度较大、所含碎屑成分较单一（安山质、英安质等火山物质占优）、深度增加时破碎蚀变较强烈等特点，且凝灰质和碎屑成分同时蚀变，区分难度很大，岩性特点介于火山碎屑和正常沉积岩之间，受流体作用的溶解和重结晶强烈．不整合面附近岩石受到多期强烈压碎，产生大量张性裂隙，或形成片理化；沿裂隙受多期蚀变，主要蚀变形式包括柯绿泥石化和钠板石化［6］、硅化（石英、玉髓、蛋白石等）、碳酸盐化（方解石、白云石或菱铁矿）、碱式碳酸盐化即碳钠铝石化［8—9］、方沸石化、褐帘石化、黄铁矿化等，斜长石碎屑绢云母化和钠长石化，矿物颗粒被碳酸盐、碳钠铝石、绿泥石、绿帘石或褐帘石交代后呈交代假像出现，许多碱性矿物以交代或孔隙中沉淀的方式存在，形成大量次生孔隙（见图1、图2）．形成次生孔隙的同时，发生大规模高岭石溶解直至被溶尽的地球化学现象．

早期部分弱酸性条件形成的自生高岭石和陆源碎屑高岭石，在进一步压实的碱性流体条件下发生溶解即碱解作用，高岭石在深度1 400～1 800m溶解普遍，深度2 000m以下趋于溶尽，碱性条件下颗粒及填隙物发生碱解及交代作用，共生形成碱性标志性成因黏土矿物，如柯绿泥石、钠板石、铁绿泥石等，还有共生形成碱性成因标志性黏土矿物，如碳钠铝石、方沸石、褐帘石、绿鳞石等，与早期残留的酸性矿物混合共存，交代或溶解形成次生孔隙，次生孔隙在压实过程中或压实后形成．

凝灰质碱性成因标型矿物与储层发育密切相关（见表1）．凝灰质碎屑岩次生孔隙发育分布段均为碱性成因标型矿物发育分布段，两者具有密切对应关系，柯绿泥石、钠板石、方沸石、碳钠铝石、绿鳞石、铈褐帘石等6种碱性成因标型矿物形成时发生泛碱交代作用，碎屑高岭石和自生高岭石—迪开石发生大量溶解作用，在南屯组和铜钵庙组地层形成大量次生孔隙，油气主要在南屯组和铜钵庙组的成岩中晚期充注，并受次生孔隙储集空间控制．

图1 泛碱交代作用的碱交代标型信息与次生孔隙成因解释图版ⅠFig．1 Explanatory diagramⅠof Alkaline metasomatism typomorpHic mineral information and secondary porosity causes

图2 泛碱交代作用的碱交代标型信息与次生孔隙成因解释图版ⅡFig．2 Explanatory diagramⅡof Alkaline metasomatism typomorpHic mineral information and secondary porosity causes

1．2 碱金属元素矿物质量分数、流体pH碱性和碱性次生孔隙分布

碱金属元素Na和K为苛性碱的控制元素，具有形成碱性条件和碱苛性溶蚀能力，在弱碱性条件下，硅酸盐可以发生碱解作用．乌尔逊和贝尔地区的储层岩石碱金属元素矿物（K2O+Na2O）质量分数、流体pH碱性和碱性次生孔隙随深度分布见图3．由图3可见，K2O+Na2O质量分数、流体pH碱性和碱性次生孔隙分布具有较高对应性．凝灰质碎屑岩中碱金属元素矿物为碱性蚀变提供物质基础，使成岩流体形成持续的碱性pH条件；断裂等构造作用使流体能量增加，为储集层泛碱交代作用提供地球化学条件．在南屯组以下凝灰质储层中，因为储集层泛碱交代作用形成碱性标型矿物的成岩共生序列（见图1），伴随大量次生孔隙形成，在铜钵庙和南屯组凝灰质碎屑岩中发育大规模非常规油气藏．

表1 海—塔盆地凝灰质碱性标型矿物与油气藏储集空间次生孔隙分布控制Table 1 The tuffaceous basic standard type of mineral and oil and gas reservoirs reservoir space secondary porosity distribution control in Hailar—Tamsag basin

图3 乌尔逊和贝尔地区K2O+Na2O质量分数、流体pH碱性和次生孔隙随深度分布Fig．3 The distribution of K2O+Na2O，pH and secondary porosity in Wuerxun and Beier area

碱金属元素（Na和K）矿物的第一重碱交代作用是海—塔盆地次生孔隙成因最重要的地球化学基础和流体成分条件．

1．3 碱金属与碱土金属元素矿物质量分数分布

海—塔盆地铜钵庙和南屯组凝灰质碎屑岩主要常量标志性碱金属元素矿物（K2O+Na2O）和碱土金属元素矿物（CaO+MgO）质量分数分布特征见图4．由图4可见，碱金属和碱土金属元素矿物演化分布整体上具有相关性，与铁元素矿物的分布也具有相关性．常量标志性碱性元素钠、钾、钙、镁矿物呈现碱金属和碱土金属矿物的双重碱交代作用特征，钠、钾发生碱金属元素矿物交代，钙、镁发生碱土金属元素矿物交代，并有很多铁元素矿物参与交代作用，前者为碱性黏土化和广泛的钠质交代溶解作用提供物质基础，后者为菱铁矿和铁方解石的碳酸盐化碱交代作用提供物质基础．

图4 乌尔逊和贝尔凹陷储层标志常量元素矿物钙、镁、钠、钾、铁的氧化物随深度分布Fig．4 Wuerxun and Beier sag the reservoir logo macroelements calcium，magnesium，sodium，potassium iron oxide vertical maps

碱金属元素矿物交代形成钠板石、柯绿泥石、碳钠铝石、方沸石和钠长石等标志性碱性成因黏土和非黏土矿物，碱土金属元素矿物交代和铁元素矿物交代形成绿鳞石、铈褐帘石、菱铁矿、铁方解石、铁白云石和白云石等碱性成因矿物．

凝灰质碎屑岩对成岩流体提供的钠、钾、钙、镁等碱金属和碱土金属元素矿物，在第一重碱金属元素矿物交代基础上，叠加碱土金属元素矿物的第二重碱交代作用，为次生孔隙成因提供更为充分的元素地球化学条件．

2 次生孔隙成因地球化学动力学模式

2．1 构造流体和物质条件

海—塔盆地深部发育莫霍面隆起，莫霍面深度为41～43km，盆地外部大兴安岭地区最深达48 km［10］．盆地断陷史模拟表明，自晚侏罗纪到第三纪盆地发育分为5个阶段：断陷孕育阶段（兴安岭群）、断陷强烈拉张阶段（铜体庙组）、断陷快速沉降阶段（南屯组）、断陷稳定拉张阶段（大磨拐河组）和断陷萎缩阶段（伊敏组）．兴安岭群发育局部含煤火山碎屑岩，其凝灰质火山事件及后续热流体影响波及主要含油目的层白垩系铜钵庙组至南屯组的沉积地层，不稳定的火山物质易于受构造流体影响发生蚀变作用．

盆地的碱性成岩矿物共生序列，如碳钠铝石、方沸石、铈褐帘石、绿磷石、柯绿泥石和钠板石分布均与火山物质有关，尤其是火山凝灰岩和沉凝灰岩曾被认定为泥岩和砂岩．它们为凝灰质类碎屑岩，不稳定的碱性凝灰质类碎屑岩是碱性交代蚀变的主要岩石学因素．

海拉尔盆地三叠系基底布达特群地层广泛发育铁白云石脉和石英脉．矿物流体包裹体均一温度测定表明：铁白云石脉的均一温度为122～190℃，石英脉的均一温度为99～211℃，而裂变径迹显示海拉尔盆地古地温梯度为4．65℃／hm．布达特群埋深为1 700～2 500m，相应的古地温为79～111℃，远低于铁白云石脉、石英脉的流体包裹体均一温度，反映盆地地幔热液流体发育．有机质镜质体反射率的测定反映盆地深部受热液流体作用影响［11］．

海拉尔盆地流体在中晚期呈现碱性特征，随深度增加碱性作用加强，说明深部来源的烃碱流体为盆地提供碱源．海拉尔盆地现今地层水平均pH值为8．5，最大值为11．9，表明盆地流体为碱性或强碱性环境．

2．2 次生孔隙储层成因模式

通过对凝灰质类碎屑岩岩石学、黏土矿物、成岩作用和次生孔隙成因综合研究可知，凝灰质岩性地层油气藏是次生孔隙发育储层，其次生孔隙成因为存在大规模碱交代作用，多期碱性成岩后生构造流体叠加早于酸性作用，控制次生孔隙油气藏分布格局．

海—塔盆地较深部凹陷带、斜坡带和构造高点的碎屑岩的次生孔隙形成，经历广泛的碱交代作用，尤其是深度2 000m以下的长石全部发生碱交代作用，深度1 300～2 000m长石具有碱强酸弱的酸碱叠加作用特征．盆地凝灰质碎屑岩（含潜山带）次生孔隙（缝、孔、洞）储层成因模式，即地球化学动力学模式见图5．

图5 海—塔盆地次生孔隙成因地球化学动力学模式Fig．5 Geochemical kinetics mode of fifth secondary pore evolution of of Hailar—Tamsag basin

次生孔隙成因建立在非平衡作用基础［12—13］之上，即为由构造变动和流体作用形成的瞬间开放体系［14］．对海—塔盆地黏土矿物和成岩作用的研究可知，海—塔盆地构造流体的非平衡作用发育，并非封闭、孤立系统，而是动态开放、非平衡的复杂系统，具备热流体耗散结构作用机理，发育自组织结晶学现象（各类有序混层）［12—13］，碱性成岩后生热流体的物质和能量脉冲式参与盆地内一系列反应．在海—塔盆地储层复杂的开放系统条件下，在成岩作用中不断进行物质输运、能量传递和耗散等一系列变化．热流体具备扩散循环和对流机制，表现为：成岩物质在短距离内的迁移以扩散、渗滤方式进行；热流可能迁移很长的距离，在一定范围内，热流的迁移以对流方式存在．碱性流体成岩作用强烈，凝灰质储层比较致密，但构造断裂可以造成异常高压，多级断裂和流体作用使压实期和压实后的储层开启，由碱解和碱交代作用形成次生孔隙．

海—塔盆地储层的控制岩性基本为凝灰质碎屑岩，复杂的断裂作用使热液作用非常强烈，贝尔潜山带凝灰质储层存在明显的不整合面，沿不整合面的后生热液作用更为强烈．总体上，次生孔隙成因地球化学动力学模式规律为：

（1）储层控制岩性以凝灰质碎屑岩为主，碎屑岩储层经历过强烈的酸碱叠加作用，碱性实际贡献率为95%；

（2）不整合面附近发生过强烈构造流体的非平衡作用（多期热液，见图2（a）、（c）），将风化氧化标志完全改造；

（3）潜山储层缝孔洞发育（见图2（a）、（c）、（f））是在酸性作用后，碱性流体和构造共同作用的结果，为典型次生孔隙成因（见图1、图2）；

（4）次生孔隙成因由构造—流体非平衡作用造成，该作用是储层油气聚集的动力学基础，也是储层的预测基础；

（5）构造流体的非平衡（如压实期和压实后的断裂形成超压流体）作用于储层，形成开启作用，产生地质条件的混沌或准混沌现象，即无序的非平衡．超压释放时，由混沌向有序演化，形成自组织动力学体系，在自组织结晶动力学条件下，形成大量规则间层黏土矿物，如柯绿泥石和钠板石；

（6）由于凝灰质蚀变的能量蓄积和断裂构造的增益作用，碱性流体具有高能性，此模式下可以发生断裂—流体—碱交代的三重致裂溶蚀现象（见图1、图2）；

（7）天然的构造流体致裂作用［15］、流体泵压、引涨溶蚀在海—塔盆地客观存在，是大量微裂缝、溶蚀微裂缝、溶蚀裂缝洞形成的地球化学动力学因素．

2．3 碱作用相的储集成藏贡献

碱作用相指包括地表天然弱碱性淋滤及成岩早、中和晚期多期的碱性的作用环境．天然弱碱性淋滤和早期碱性水化流体的标志是形成蒙皂石和早期沸石；长石也发生碱解作用，但成岩温度较低，贡献有限．

随着成岩演化的深入，在中期碱性热液流体阶段，海—塔盆地产生强烈的非平衡作用，以碱性作用为主，形成大量次生孔隙，沿有利构造流体作用域次生增容明显．

碱性非平衡流体阶段的主要作用标志为：次生孔隙成因形成系列标型矿物，包括柯绿泥石、钠板石、碳钠铝石、绿鳞石、铈褐帘石和铁绿泥石，向深部演化时高岭石和迪开石趋于溶尽［16］．

柯绿泥石和钠板石化等碱性成岩化的初始动力学环境是远离平衡的瞬间（相对）开放环境，即地层条件下的“准混沌”，沿有利构造流体作用域在凝灰质碎屑岩中形成次生孔隙，碱性条件下早期高岭石溶解，长石大量碱性溶解，是海—塔盆地碱作用相的特征性标志．晚成岩后生阶段，晚期和后生期脱水、继承性构造、晚期构造开启与逆向水化阶段，也是碱性流体主要作用阶段，其主要标志为：全压实阶段后，可以形成后生构造开启，沿有利构造流体作用域的凝灰质碎屑岩发生碱解作用，高岭石溶解殆尽，可留残晶，长石及填隙物大量碱性溶解，次生孔隙发育，形成次生孔隙有利储层，是深度2 000m以下次生孔隙的主导性控制因素．

在成岩中晚期碱作用相形成过程中，油气藏主要储层段几乎都是碱作用相发育段．在深度2 000m以上，碱作用对油气藏的主导控制比例达到40%～90%；在深度2 000m以下，碱作用对油气藏的主导控制比例达到95%以上．综合考虑，碱作用对次生孔隙和油气藏的贡献大于90%（见图6）．

图6 巴斜2井碱作用相的储集成藏与次生孔隙成因评价Fig．6 Ba x2wells alkali effect the integrated storage pools and the secondary pore evolution evaluation phase

3 结论

（1）凝灰质储层次生孔隙是碱交代作用和流体致裂作用的结果．海—塔盆地凝灰质岩性地层油气藏是次生孔隙发育储层，随深度增加，1 800m以下次生孔隙比例达到90%以上，次生孔隙成因以碱性溶解、碱交代作用、流体压裂和自组织有序化为核心作用特征，并控制次生孔隙分布格局，主导控制储层的油气储集成藏作用，沿着有利构造流体作用域形成大规模非常规储层油气藏．构造、岩性、成岩后生流体控制是勘探预测三要素，碱性标型矿物与有利储层分布具有密切相关关系．

（2）有利构造流体作用域的特征为：继承性及后生期断裂等构造控制成岩后生期流体作用范围，多期复杂作用对压实区产生开启作用，产生远离平衡的非平衡作用，释放后形成自组织有序化动力学体系，流体可以产生顺层“走滑式”扩张、纵向扩张、网状断裂扩张，大规模碱性控制在压实的凝灰质储层中形成大规模次生孔隙储集空间，在次生孔隙形成的低势区产生油气充注，形成油气藏．

（3）次生孔隙碱交代研究拓宽储层研究的视野．海—塔盆地次生孔隙成因机制的发现，证明（有机等）酸作用不是次生孔隙形成的唯一原因，该作用机制对剩余资源勘探预测理论具有重要意义．

（4）碱性流体加构造流体致裂作用可形成大规模有利储层，不仅有助于解决海—塔盆地储层孔隙成因研究和储层预测等问题，也为海—塔盆地岩性地层油气藏和构造流体油气藏研究提供新思维模式．

（5）次生孔隙成因与深部断裂、深部流体、地幔脱气的关系有待进一步研究，其意义在于为寻找新剩余资源勘探领域提供一种适用的储层演化研究模式．

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TE122．14

A

2095—4107（2013）05—0032—10

DOI 10．3969／j．issn．2095—4107．2013．05．005

2013—05—14；编辑：张兆虹

国家自然科学基金项目（51374221）

孙先达（1973—），男，博士，高级工程师，主要从事储层评价及开发后微观剩余油评价方面的研究．

李宜强，E—mail：lyq89731007＠163．com