马剑,黄志龙,钟大康,梁世君,梁浩,薛东青,陈旋,范谭广
(1. 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室;2. 中国石油吐哈油田公司)
三塘湖盆地马朗凹陷二叠系条湖组凝灰岩致密储集层形成与分布
马剑1,黄志龙1,钟大康1,梁世君2,梁浩2,薛东青1,陈旋2,范谭广2
(1. 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室;2. 中国石油吐哈油田公司)
通过对三塘湖盆地马朗凹陷二叠系条湖组凝灰岩样品主量与微量元素分析、薄片观察、阴极发光和扫描电镜观测,结合马朗凹陷古地形的恢复,研究了条湖组凝灰岩致密储集层的形成及分布特征。条湖组凝灰岩样品分析显示为中酸性,是火山喷发旋回末期的产物。凝灰岩储集岩共有玻屑凝灰岩、晶屑玻屑凝灰岩和泥质凝灰岩3种岩石类型,玻屑凝灰岩储集物性最好,晶屑玻屑凝灰岩其次,泥质凝灰岩最差。玻屑凝灰岩平面上主要分布在中远火山口带,垂向上主要分布在凝灰岩段的中—下部;晶屑玻屑凝灰岩平面上主要分布在近火山口带,垂向上也主要分布在凝灰岩段的中—下部,且多与玻屑凝灰岩呈互层;泥质凝灰岩平面上主要分布在远火山口带,垂向上主要分布在凝灰岩段的上部。凝灰岩的岩石类型受距离火山活动带的远近控制,其厚度分布受火山活动带和沉积古地形共同控制,火山活动带两侧的沉积洼地是凝灰岩分布的主要部位。预测马朗凹陷条湖组凝灰岩发育5个厚度中心,最厚可达40余米。图10表1参22
凝灰岩;致密油;古地形;条湖组;马朗凹陷;三塘湖盆地
三塘湖盆地二叠系条湖组致密油储集层与其他已发现的致密油储集层岩性差异很大,它既不是页岩,也不是致密的砂岩和碳酸盐岩,而是致密凝灰岩。凝灰岩是指由火山喷发产生的火山灰(粒径小于2 mm)在空中通过风力搬运,风力减弱而降落形成的具有凝灰或尘屑结构的岩石,凝灰岩中火山碎屑物质占绝对优势,达90%以上[1-3]。按碎屑的粒径大小,凝灰岩可进一步分为粗、细、粉和微4个级别,粗凝灰岩粒径大小为1~2 mm,细凝灰岩粒径大小为0.1~1.0 mm,粉凝灰岩粒径大小为0.01~0.10 mm,微凝灰岩粒径小于0.01 mm[4]。三塘湖盆地条湖组凝灰岩粒径属于粉和微级别。由于粒度细小,火山灰从火山口喷出后,在天空中可漂浮数十千米至数百千米,甚至上千千米,故一般远离火山口堆积,是火山碎屑岩中分布最广泛的一种岩石类型。通常按照火山灰物态及其相对含量,凝灰岩可分为单屑凝灰岩(玻屑凝灰岩、晶屑凝灰岩和岩屑凝灰岩)、双屑凝灰岩(两种物态碎屑含量均在25%以上)和多屑凝灰岩(3种物态含量均在20%以上)[4]。三塘湖盆地条湖组凝灰岩以玻屑成分为主,主要是玻屑凝灰岩和晶屑玻屑凝灰岩,以及少量泥质凝灰岩。凝灰物质进入湖盆沉积,可通过火山灰直接从空中降落到湖盆(即“空降型”),也可通过流水搬运,经再沉积作用进入湖盆(即“水携型”)[5-6]。条湖组凝灰岩主要是火山灰直接降落到湖盆水体中沉积形成的,未遭受水流长时间搬运,颗粒细小,排列无明显方向性,也无明显的粒序层理,磨圆性差,矿物成分相对简单,主要是石英和长石,黏土矿物含量低或不含,含极少量的方解石、白云石和沸石等。前人研究发现凝灰岩的分布与火山喷发作用有关[7],但目前关于火山喷发作用如何影响凝灰岩的平面展布研究很少,本文通过对三塘湖盆地马朗凹陷凝灰岩性质、岩石类型和古地形等方面的研究,明确凝灰岩的分布规律,这对深化凝灰岩致密油勘探具有重要意义,也将为其他类似地区凝灰岩分布预测提供借鉴。
图1 三塘湖盆地位置及A—A′地质剖面图
三塘湖盆地可分为3个一级构造单元:北部隆起带、中央坳陷带和南部冲断带,中央坳陷带又可以分为4个凸起和5个凹陷,其中马朗凹陷是本文主要研究区(见图1a)。盆地从石炭纪开始形成,地层缺失下二叠统、上二叠统、下三叠统和上白垩统,其余地层发育比较齐全,各层系之间大都呈不整合接触。盆地二叠纪时为湖相沉积环境,芦草沟组主要发育泥岩、泥质灰岩、泥质白云岩等湖相细粒沉积,为一套优质烃源岩[8-10]。条湖组一段沉积时,盆地处于张性伸展环境,火山作用频繁[11]。发育的正断层是岩浆喷发的通道,形成火山活动带,并在盆地的大部分地区沉积了一套厚200~600 m的玄武岩,局部地区有辉绿岩侵入。之后火山作用逐渐减弱,在条湖组二段底部沉积了一套数十米厚的凝灰岩。这套凝灰岩是目前三塘湖盆地二叠系新发现的重要致密油储集层。自2013年L1井凝灰岩段压裂获最高14.9 m3/d的工业油流后,凝灰岩致密储集层才引起人们的关注,之后M58H井多级体积压裂后获最高131 m3/d的高产油流,标志着研究区凝灰岩致密油勘探取得了突破。凝灰岩之上发育凝灰质泥岩和泥岩,是凝灰岩储集层的直接盖层。早三叠世开始,区域构造应力由拉张变为挤压,造成盆地区域隆升,使得部分地区缺失上二叠统及下三叠统,并使二叠系产生以褶皱和逆冲断裂为构造组合的变形构造(见图1b)。中生代时期,三塘湖盆地受到北西—南东向挤压应力作用,产生北西—南东走向边界大断裂,叠加改造二叠系,从而形成3大隆、坳相间的一级构造单元。新生代时期,三塘湖盆地继承燕山期挤压作用,并兼有北东向右行走滑作用,在中生代隆、坳相间构造格局基础上,中央坳陷带内形成一系列凹凸相间的构造格局[12]。
2.1 火山喷发旋回的划分
火山活动早期,能量较强,固体和塑性喷出物强烈爆发,以爆发空落相为主;火山活动中期,能量减弱,岩浆在后续喷出物推动和自身重力共同作用下沿地表流动形成溢流相;火山活动后期,大量火山灰在空中经一定距离搬运后降落在陆上或水中形成凝灰岩喷发沉积相;火山活动末期,火山活动进入平静期,陆地物源和水的搬运作用加强,形成了以火山碎屑岩为主的火山沉积相。火山活动经历的这种强烈喷发—平静溢流—凝灰岩沉积—火山喷发平静期,称为一个火山活动旋回[13]。火山活动旋回是火山活动强弱交替的变化过程,一个喷发旋回往往包括多次喷发活动,在两个旋回之间常常隔有一定间断,表现为不整合或具有一定厚度的沉积夹层[2]。
石炭纪时期,马朗凹陷受哈萨克斯坦板块和西伯利亚板块碰撞造山作用影响火山作用强烈。二叠纪芦草沟组沉积期,火山作用减弱,马朗凹陷以湖相钙质泥岩沉积为主,仅在局部发育薄层凝灰质泥岩沉积。从岩石组合特征上看,马朗凹陷二叠纪条湖组沉积期经历了“火山喷发期—火山灰沉积期+陆源碎屑沉积期—火山喷发期”3段式沉积演化过程[14]。条湖组沉积期,盆地继承石炭纪火山作用发生以张性主干断裂为火山通道的裂隙式火山喷发作用。条一段和条二段沉积期为一个完整的喷发旋回(见图2),条一段主要发育溢流相的玄武岩,之后由于火山喷发作用减弱,条二段沉积初期发育喷发相的凝灰岩,条二段沉积期末发育大套凝灰质泥岩和泥岩,是火山喷发间歇期的典型特征。条三段为另外一个火山喷发旋回,再次发生强烈的火山喷发作用,目前仅在局部地区保留了溢流相的玄武岩和安山岩,大部分地区被剥蚀。由于条三段顶部遭受剥蚀,因此条三段火山喷发旋回不完整。
图2 三塘湖盆地二叠系火山旋回综合柱状图
2.2 凝灰岩的性质
条湖组凝灰岩的晶屑矿物组成主要为钠长石,少见辉石、橄榄石等暗色矿物,玻屑成分主要为长英质(Si、O为主,其次是Al、Na、K,少量Mg、Fe、Ca等),反映出凝灰岩具有酸性火山岩的特征。凝灰岩的性质可用元素图版确定[15-16],本次选取三塘湖盆地马朗凹陷条湖组19块纯凝灰岩岩心样品做了主量和微量元素分析,排除湖相碎屑沉积的影响,发现凝灰岩中主量元素SiO2的质量分数在52.91%~73.02%,平均为62.29%。TAS图表明凝灰岩样品点主要落入中酸性火山岩(流纹岩、英安岩和粗安岩)区(见图3a)。条湖组凝灰岩微量元素的Nb/Y-Zr/TiO2图解中,数据点主要落在安山岩(中性)和流纹英安岩—英安岩(酸性)火山岩区(见图3b),同样说明凝灰岩的原始火山灰以中酸性为主[15-16]。条湖组凝灰岩与现代火山喷发的长白山地区火山灰具有相似性,其SiO2含量主要分布在62%~72%[17],也属于酸性火山灰。
图3 马朗凹陷条湖组凝灰岩主量元素TAS图解和微量元素Nb/Y-Zr/TiO2图解
条湖组中酸性凝灰岩直接分布在一套稳定的中基性火山岩之上,形成于一个火山喷发旋回的末期,是岩浆由基性到酸性演化和火山活动由强到弱变化的产物。岩浆沿通道上升过程中,基性矿物发生结晶而分离出来,酸性岩浆SiO2含量变高,黏度变大,流动能力变差,由于黏稠,堵塞火山口后,能量聚集,产生能量巨大的喷发作用从而形成火山灰。这种中基性火山岩与中酸性凝灰岩的接触模式类似“双峰”式火山喷发。双峰式火山岩通常被认为是在大陆裂谷中形成的,双峰式火山岩的成分间断实际上可以发生在任一SiO2含量区间内,即既可以是通常认为的流纹岩-玄武岩组合,也可以是中性岩-玄武岩组合或流纹岩-中性岩组合[18-19]。一组时空上紧密伴生的、SiO2含量集中分布在两个区间或其间存在一定成分间断的火山岩系都称为双峰式火山岩组合。研究区凝灰岩中可见极少量的安山岩岩屑,呈棱角状,没有搬运迹象。前人研究表明[2],三塘湖盆地火山岩样品点均落在板内玄武岩区,微量元素比值蛛网图也显示板内火山岩的特征,推测火山岩和凝灰岩均形成于造山期后的拉张伸展陆内裂谷环境,与岛弧无关。
3.1 凝灰岩
岩心观察发现,整个凝灰岩段非均质性很强,含油性也具有明显差异。根据凝灰岩的形成原因和主要矿物组成将其分为玻屑凝灰岩、晶屑玻屑凝灰岩和泥质凝灰岩。
3.1.1 玻屑凝灰岩
玻屑凝灰岩原始火山灰以玻屑成分为主,玻屑含量大于50%,粒度较小,分布均匀。现今脱玻化程度已较高,可能含有少量较细粒的晶屑成分,两者为混杂堆积,由风力搬运直接在湖盆沉降形成。阴极发光技术可以反映石英等矿物的形成温度,如阴极发光条件下高温(温度高于573 ℃)石英呈蓝紫色,中高温(300~573 ℃)石英呈褐红色,低温(温度低于300 ℃)石英不发光,方解石呈橘红色,长石发光多样,若长石中含有千分之几的Fe2+,就能起激活剂的作用而发绿色光[20-21]。阴极发光条件下,本区玻屑凝灰岩中的石英颗粒大都不发光,说明它们大都是低温条件下形成的,为火山灰玻璃质脱玻化作用的产物(见图4a、4b)。玻屑凝灰岩储集层质量最好,矿物组成以石英和长石为主,黏土矿物含量很低(一般小于10%),脱玻化形成的石英和长石颗粒之间的孔隙(称为脱玻化孔)构成了该类凝灰岩最主要的孔隙类型。凝灰岩储集层整体具有高孔低渗的特点,凝灰岩火山玻璃质的脱玻化作用是导致凝灰岩储集层高孔低渗的主要因素。脱玻化形成的粒间孔体积小但数量巨大造成了凝灰岩总孔隙度较高,孔隙喉道半径极小又导致渗透率很低[22]。玻屑凝灰岩孔隙度一般分布于18.2%~25.2%,渗透率一般分布于(0.012~0.840)×10-3μm2,孔喉半径一般大于0.05 μm(见表1)。
图4 不同类型凝灰岩镜下特征
表1 典型凝灰岩储集层样品物性和平均孔喉半径参数
3.1.2 晶屑玻屑凝灰岩
晶屑玻屑凝灰岩原始火山灰仍以玻屑成分为主,玻屑含量大于50%,但晶屑含量明显增加,且晶屑颗粒粒径较大。阴极发光条件下,发现本区晶屑玻屑凝灰岩中既有发蓝紫色光的石英,也有不发光的石英,说明这些石英既有原始晶屑中的高温石英,也有脱玻化作用形成的低温石英(见图4c、4d)。晶屑玻屑凝灰岩储集层质量较好,但黏土矿物含量较玻屑凝灰岩高,黏土矿物会充填、分割孔隙,使孔隙结构复杂化,导致孔隙度下降,喉道变细。脱玻化孔仍然是主要的孔隙类型,孔隙度一般分布于11.7%~17.0%,渗透率一般小于0.1×10-3μm2,孔喉半径一般小于0.05 μm(见表1)。
3.1.3 泥质凝灰岩
泥质凝灰岩的原始火山灰虽然以玻屑成分为主,玻屑含量大于50%,含少量细粒晶屑,但陆源泥质含量相对较高,达到20%以上,岩石致密(见图4e)。它是由于距离火山口较远或者火山喷发强度较弱,火山灰供给不足,较多泥质碎屑混入形成的。泥质凝灰岩储集层质量较差,黏土矿物含量较高(一般大于15%,见图4f),脱玻化孔隙较少,孔隙度一般小于10%,渗透率一般小于0.01×10-3μm2(见表1)。
3.2 凝灰质泥岩
凝灰质泥岩中原始火山灰含量很低,小于50%,主要由陆源泥质组成,粒度较细,属于碎屑岩。矿物组成中黏土矿物含量很高,一般大于50%。凝灰质泥岩物性很差,基本不能作为储集层。
3.3 凝灰质粉砂岩
凝灰质粉砂岩中原始火山灰含量也很低,小于50%,受河流搬运作用影响,由粉砂岩与火山灰混合沉积作用形成,粒度相对较大,岩石性质更接近粉砂岩。岩石矿物组成主要是石英和长石,其次是黏土矿物,方解石、黄铁矿等矿物较少。凝灰质粉砂岩物性较好,孔隙度主要分布在9.8%~11.0%,渗透率一般小于0.1×10-3μm2(见表1)。
4.1 垂向分布特征
不同类型的凝灰岩在垂向上的分布具有一定规律性(见图5)。玻屑凝灰岩垂向上主要分布在凝灰岩段的中—下部,是火山喷发末期较早阶段的产物。晶屑玻屑凝灰岩垂向上也主要分布在凝灰岩段的中—下部,晶屑分布受到火山喷发强弱的控制,一次火山喷发形成的晶屑应主要呈环带状或扇形分布在火山口周围,而下一次火山喷发变强或者减弱,就会使晶屑分布环带(或扇形)超过或者小于原先的晶屑分布范围。这样由于多次火山喷发强弱不同,相互叠加,在垂向上就形成了玻屑凝灰岩与晶屑玻屑凝灰岩呈不等厚互层的现象。泥质凝灰岩垂向上主要分布在凝灰岩段的上部,由于火山喷发末期火山灰供应不足所致。
4.2 岩相分布模式与平面分布特征
条湖组凝灰岩是火山灰直接降落湖盆中形成的,火山口(火山活动带)是凝灰岩的物质来源,不同类型凝灰岩的形成与其距离火山活动带的远近直接相关(见图6)。一般距离火山口越近,晶屑含量越高,较大的晶屑颗粒不能被风搬运太远,就近沉积形成晶屑玻屑凝灰岩,即晶屑玻屑凝灰岩平面上主要分布在近火山口带。在一定范围内,距离火山口越远,玻屑含量越高,从而形成玻屑凝灰岩,即玻屑凝灰岩平面上主要分布在中远火山口带。但是距离过远则火山灰供给不足,泥质含量增加,形成泥质凝灰岩或凝灰质泥岩,所以,泥质凝灰岩平面上主要分布在远火山口带。受陆源碎屑影响较大的地方形成凝灰质粉砂岩或凝灰质砂砾岩。
图5 M56-12H井凝灰岩垂向分布特征
根据主干断裂的分布,结合地震反射特征,在地震剖面上识别出火山活动带,再依据火山口控制凝灰岩分布的模式以及单井揭示的条二段凝灰岩段的岩石类型,作出马朗凹陷条湖组二段底部凝灰岩段的岩相分布图(见图7)。由图7可见,除了马朗凹陷西北部由于受到河流夹带的陆源碎屑影响而主要发育凝灰质粉砂岩,以及凹陷西南部由于受到南部山麓物源影响发育凝灰质砂砾岩外,其他凝灰岩分布均与火山活动带有关系。晶屑玻屑凝灰岩分布在距离火山口最近的地方,玻屑凝灰岩分布在与火山口有一定距离的火山活动带两侧的沉积洼地,而凝灰质泥岩或泥质凝灰岩则分布在湖盆水体较深的地方。目前已发现的凝灰岩致密油储集层主要分布在玻屑凝灰岩岩相区,即分布在火山活动带两侧的沉积洼地。
图6 火山口控制凝灰岩分布模式图
图7 马朗凹陷条湖组凝灰岩岩相与油藏分布图
5.1 凝灰岩分布控制因素
马朗凹陷条湖组凝灰岩主要分布在条一段玄武岩之上,属于火山喷发旋回末期的产物,火山灰的形成与分布往往与火山活动带的位置有关。由于凹陷内火山喷发模式以裂隙式为主,火山活动带的分布均与凹陷内几条主干断裂有关。除此之外,条湖组裂隙式喷发的火山灰进入湖盆后,与正常沉积物沉积方式无异,在不受湖浪干扰的情况下,原始火山灰主要受自身重力与湖底地形双重因素控制,所以,湖底古地形也是凝灰岩分布的主要控制因素。古地形相对低洼的地方凝灰岩沉积厚度大,相对隆起的部位凝灰岩沉积厚度较小。由于马朗凹陷部分地区条二段顶部遭受剥蚀,条二段现今的地层厚度不能反映沉积古地形,但恢复剥蚀厚度之后的条二段地层厚度可以反映凝灰岩形成时的古地形。采用地层厚度趋势法恢复原始地层厚度,并把条二段原始顶界面拉平即可得到整个凹陷的沉积古地形图(见图8)。古地形展布特征显示马朗凹陷北部主要发育3个古沉积洼地,凝灰岩的分布主要受这3个古沉积洼地的影响。
图8 马朗凹陷条二段沉积期古地形分布特征
5.2 条湖组凝灰岩分布预测
由于凝灰岩厚度多小于地震资料分辨率,在地震剖面上最多对应一条同相轴(见图9),而且即便较准确地追踪了这条同相轴,也具有多解性,所以依靠地震反演的方法预测凝灰岩厚度行不通。但根据凝灰岩分布受火山活动带分布和古地形高低双重因素控制的特点,可以在已知探井凝灰岩厚度统计的基础上,结合条二段沉积期的古地形特征,对凝灰岩厚度分布进行预测。从条二段底部凝灰岩厚度分布图(见图10)上可以看出,马朗凹陷条二段底部凝灰岩厚度较大的地区主要分布在现今北部斜坡带火山活动带两侧的沉积洼地,可见5个厚度中心(M1井区、L1井区、M56井区、M7井区和M7井西南区),最厚可达40余米,向凹陷的南部和西部逐渐减薄。
图9 马朗凹陷过L1井-M55井-M56井地震剖面图(剖面位置见图1)
图10 马朗凹陷条二段凝灰岩厚度分布预测图
马朗凹陷条湖组凝灰岩矿物成分主要为长英质,主量元素SiO2含量平均值为62.29%,微量元素Nb/Y-Zr/TiO2图解中数据点主要落在安山岩和流纹英安岩—英安岩的酸性火山岩区,说明凝灰岩的原始火山灰以中酸性为主,为一个火山喷发旋回末期的产物。条湖组凝灰岩共有玻屑凝灰岩、晶屑玻屑凝灰岩和泥质凝灰岩3种岩石类型,平面上分别分布在中远火山口带、近火山口带和远火山口带,垂向上玻屑凝灰岩一般分布在凝灰岩段的中—下部,晶屑玻屑凝灰岩也分布在凝灰岩段的中—下部,且与玻屑凝灰岩呈互层,泥质凝灰岩主要分布在凝灰岩段的上部。凝灰岩厚度受火山活动带分布和沉积古地形控制,火山活动带两侧的古沉积洼地是凝灰岩分布的主要部位。预测马朗凹陷条湖组凝灰岩发育5个厚度中心(M1井区、L1井区、M56井区、M7井区和M7井西南区),最厚可达40余米。
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(编辑 黄昌武)
Formation and distribution of tuffaceous tight reservoirs in the Permian Tiaohu Formation in the Malang sag, Santanghu Basin, NW China
MA Jian1,HUANG Zhilong1,ZHONG Dakang1,LIANG Shijun2,LIANG Hao2,XUE Dongqing1,CHEN Xuan2,FAN Tanguang2
(1. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2. PetroChina Tuha Oilfield Company,Hami 839009,China)
Based on analysis of major and trace elements,observation of thin sections,cathodoluminescence and scanning electron microscope of tuff samples,in combination with the restoration of paleotopography in the Malang sag,the formation and distribution characteristics of the Permian Tiaohu Formation tuff tight reservoirs in the Santanghu Basin are examined. The analysis shows that the tuff samples of the Tiaohu Formation are acid-intermediate,and they are the product of the end of the volcanic eruption cycle. The tuff reservoir rock includes vitric tuff,crystal-vitric tuff,and pelitic tuff,among which,vitric tuff has the best physical properties,followed by crystal-vitric tuff,and pelitic tuff is the poorest. Vitric tuff is usually distributed further away from the crater zone laterally and vertically in the central-lower part of the tuff. Crystal-vitric tuff,mostly interbedded with vitric tuff,is usually distributed near the crater zone laterally and also vertically in the central-lower part of the tuff. Pelitic tuff is generally distributed far away from the volcanic crater on the plane,and in the upper part of the tuff vertically. Types of tuffs are affected by the distance from the volcanic activity belt,and the thickness of tuff is controlled by both volcanic activity belt and sedimentary paleotopography. Thus,depositional depressions on both sides of volcanic activity belt are the favorable locations for the development of tuff. It is predicted that there are five thickness centers of tuff in the Tiaohu Formation of Malang sag (Wellarea M1,L1,M56,M7 and southwest of M7),of which the biggest thickness of tuff is up to approximately 40 m.
tuff; tight oil; paleotopography; Tiaohu Formation; Malang sag; Santanghu Basin
国家自然科学基金项目(41472111)
TE122.2
A
1000-0747(2016)05-0714-09
10.11698/PED.2016.05.06
马剑(1987-),女,河南南阳人,现为中国石油大学(北京)在站博士后,主要从事油气藏形成机理与分布规律、非常规油气地质方面的研究。地址:北京市昌平区府学路18号,中国石油大学(北京)地球科学学院,邮政编码:102249。E-mail: 202majian@163.com
联系作者:黄志龙(1962-),男,浙江诸暨人,中国石油大学(北京)教授,博士生导师,主要从事油气藏形成机理与分布规律、非常规油气地质方面的教学和科研工作。地址:北京市昌平区府学路18号,中国石油大学(北京)地球科学学院,邮政编码:102249。E-mail: huang5288@163.com
2015-11-16
2016-06-20