易定红, 石亚军, 张正刚, 袁剑英, 王 朴,张世铭, 苟迎春, 万传治
(中国石油勘探开发研究院 西北分院,甘肃 兰州 730020)
柴西尕斯地区下干柴沟组上段碳酸盐岩岩石类型及沉积环境
——以跃灰101井为例
易定红, 石亚军, 张正刚, 袁剑英, 王 朴,张世铭, 苟迎春, 万传治
(中国石油勘探开发研究院 西北分院,甘肃 兰州 730020)
近年来勘探实践表明柴达木盆地致密油勘探潜力巨大,渐新统下干柴沟组上段是柴达木盆地西南地区致密油勘探的主要目的层段,湖相碳酸盐岩是致密油的重要储集层。在系统岩芯观察描述的基础上,结合薄片鉴定、元素分析、全岩矿物分析等室内测试分析成果,认为柴西尕斯地区下干柴沟组上段发育的碳酸盐岩为典型的湖相混合沉积成因,岩性复杂,包括两大类:一类是发育24种岩性的以灰质成分为主的灰岩类,另一类是发育23种岩性的以云质成分为主的白云岩类。通过对Sr/Ba,Sr/Cu,MnO/Fe,V/Cr,Ni/Co,Cu/Zn比值以及碳酸盐岩碳氧稳定同位素分析,对碳酸盐岩沉积环境进行了研究。认为柴达木盆地尕斯地区下干柴沟组上段碳酸盐岩主要是在半干旱—干旱气候条件下、半咸水—咸水碱性水体介质、富氧的弱氧化—弱还原环境下形成。
碳酸盐岩;致密油;沉积环境;下干柴沟组上段;尕斯地区;柴达木盆地
易定红,石亚军,张正刚,等.2017.柴西尕斯地区下干柴沟组上段碳酸盐岩岩石类型及沉积环境——以跃灰101井为例[J].东华理工大学学报:自然科学版,40(2):173-178.
Yi Ding-hong, Shi Ya-jun, Zhang Zhen-gang,et al.2017.Carbonate rock type and its sedmentary environment of the upper segment of lower Gaichaigou formation in Gasi area, west Qaidam basin——Taking an example of well YH101[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 40(2):173-178.
致密油是一种非常规油气,通常是指以吸附或游离状态赋存于生油岩中,或与生油岩互层、紧邻的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集岩中,未经过大规模长距离运移的石油聚集(贾承造等,2012)。储集层基质孔隙度一般小于10%,覆压渗透率一般小于0.1×10-3μm2,单井一般无自然产能,或自然产能低于工业油气流下限,但经过压裂、水平井、多分支井等技术措施下可以获得工业油产量(赵政璋等,2012;邹才能等,2012a,2012b)。近年来,随着石油勘探开发技术的不断进步、石油地质理论认识的深化和勘探经验的不断积累,具有较大资源潜力的致密油逐渐成为非常规油气勘探的新领域。目前美国的致密油勘探已经取得很大的成功(赵政璋等,2012;雷群等,2008),国内已经报道的鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地和四川盆地均找到了数量可观的致密油资源(邹才能等,2012a,2012b;杨华等,2013)。勘探实践表明柴达木盆地柴西南区红柳泉—跃进斜坡下干柴沟组上段(E32)具有形成致密油的各项地质条件,青海油田公司近年来在红柳泉地区针对致密油勘探已经取得了重要进展(付锁堂等,2013;郭泽清等,2014;万传治等,2015)。但是目前对致密油总体地质认识程度较低,特别是作为致密油储层的碳酸盐岩的形成环境条件和机理认识程度低,在一定程度上影响了柴达木盆地致密油勘探进程。本文在对系统取心井—跃灰101井详细岩芯观察描述并取样的基础上,结合样品的室内分析测试数据,分析柴西尕斯地区E32致密油碳酸盐岩储层的岩石类型和沉积环境,为下一步致密油勘探提供基础地质认识。
柴达木盆地位于青藏高原北部,是在具有元古界变质结晶基底和古生界褶皱变形基底的地块上于印支运动后发育起来的一个中、新生代陆相含油气沉积盆地(付锁堂等,2013;徐旺等,1990;易定红等,2013),研究区尕斯地区位于柴达木盆地西部南区的跃进斜坡,北邻狮子沟,西接红柳泉斜坡(图1)。E32沉积时期柴达木盆地西部的阿尔金山前发育近源陡坡扇三角洲—湖底扇—湖泊沉积体系,沉积中心狮子沟地区发育盐湖背景下的内源碳酸盐岩—膏盐岩沉积体系;盆地西南部的红柳泉—跃进斜坡地区发育远源缓坡滨浅湖—滩坝沉积体系(图1)。该时期是柴达木古湖盆发育的鼎盛时期,湖盆面积最大,湖岸线向南直抵现今的昆仑山前,湖盆沉积中心狮子沟地区发育一套厚度超过1 500 m厚的暗色泥岩、碳酸盐岩和膏盐岩地层。
图1 柴西地区E32沉积相图Fig.1 The sedimentary facies of E32 formation in western Qaidam basin
2.1 碳酸盐矿物组成
对跃灰101井E32200个碳酸盐岩样品全岩矿物分析结果统计表明:跃灰101井碳酸盐岩矿物种类多、成分复杂,主要矿物(含量>10%)有4种占75.94%,分别是铁白云石(27.98%)、方解石(21.16%)、粘土矿物(14.0%)和石英(12.78%);次要矿物(含量介于1%~10%)有8种占21.34%,分别是斜长石(4.75%)、菱铁矿(3.66%)、黄铁矿(3.46%)、赤铁矿(2.73%)、方沸石(2.13%)、文石(1.98%)、硬石膏(1.58%)和白云石(1.01%);钾长石(0.93%);其它零星矿物(含量<1%)有12种累计占2.18%。
2.2 碳酸盐岩岩性定名
在岩芯观察描述的基础上,以全岩矿物分析结果为依据,以碳酸盐岩的矿物成分——方解石和白云石的相对含量为标准,结合薄片鉴定成果,对跃灰101井369个样品进行岩性识别、定名与分类。数理统计分析结果表明:跃灰101井碳酸盐岩分为2大类。一类是以灰质成分为主的灰岩类,包括24种具体岩性。其主要岩性 (频数>10%)4种占60.8%,分别是含泥粉砂质灰岩(13.60%)、含泥含云粉砂质灰岩(14.40%)、含粉砂含泥灰岩(15.20%)和含粉砂含泥含云灰岩(17.60%);次要岩性 (频数1%~10% ) 9种占30.4%,分别是含粉砂灰岩(1.60%)、含云粉砂质灰岩(1.60%)、含云粉砂质泥质灰岩(2.40%)、藻含云灰岩(2.40%)、含粉砂含云灰岩(4.00%)、含粉砂泥质灰岩(4.00%)、含泥粉砂质云灰岩(4.00%)、含云含粉砂泥质灰岩(4.80%)和含粉砂含泥云灰岩(5.60%);零星岩性 (频数<1%)11种占8.8%。
另一类是以白云质成分为主的云岩类,包括23种具体岩性。其主要岩性 (频数>10%)4种占52.2%,分别是含粉砂含泥白云岩(10.29%)、含粉砂白云岩(11.03%)、含粉砂含灰含泥白云岩(14.71%)和含灰含泥粉砂质白云岩(16.18%);次要岩性(频数1%~10%)9种占40.5%,分别是白云岩(1.47%)、含粉砂藻灰云岩(2.21%)、含灰白云岩(2.21%)、含粉砂泥质白云岩(2.94%)、含粉砂含泥灰云岩(3.68%)、含灰粉砂质白云岩(5.15%)、含粉砂含灰白云岩(6.62%)、含泥粉砂质灰云岩(6.62%)和含泥粉砂质白云岩(9.56%);零星岩性 (频数<1%) 10种占7.4%。
2.3 碳酸盐岩岩石类型划分
柴西尕斯地区E32碳酸盐岩致密油储层岩性多样、矿物成分复杂,为陆源碎屑沉积岩与内源化学沉积岩过渡或陆源碎屑沉积岩和内源生物化学沉积岩过渡的复杂混合岩石类型。有关复杂混合沉积岩的分类与命名,国内外许多学者依据各自的实际研究情况提出了自己的分类方案(冯进来等,2011;董桂玉等,2007;郭福生等,2003;张雄华,2000),具有地方性特点。本文采用张雄华(2000)的分类方案:在粘土、陆源碎屑、碳酸盐(颗粒或灰泥)的三端元图中,除了将粘土>50%的部分称为粘土岩之外,将碳酸盐含量为5%~95%,陆源碎屑含量5%~95%的混合沉积称混积岩。研究表明,研究区E32碳酸盐岩主要为含碳酸盐—陆源碎屑混积岩和碳酸盐质—陆源碎屑混积岩,其次为含陆源碎屑—碳酸盐混积岩(图2)。
图2 跃灰101井E32混积岩分类三角图Fig.2 The peperite classification trianglar chart of well yh101 in E32 formation in yh101 well Ⅰ.泥岩;Ⅱ.混积岩质泥岩;Ⅲ.砂岩;Ⅳ.含陆源碎屑-碳酸盐 混积岩;Ⅴ.陆源碎屑质-碳酸盐混积岩;Ⅵ.含碳酸盐-陆源 碎屑混积岩;Ⅶ.碳酸盐质-陆源碎屑混积岩;Ⅶ.碳酸盐岩
3.1 古气候特征
3.1.1 孢粉化石
前人研究认为,柴西南地区E32地层的孢粉组合有2个,早期的组合为拟白刺粉属—青海粉属—麻黄粉属组合,晚期的组合为麻黄粉属—拟白刺粉属—藜粉属组合(徐旺等,1990),均指示了干旱的亚热带古气候特征。
3.1.2 Sr/Cu比值
微量元素Sr/Cu比值被广泛应用于古气候恢复研究,通常认为Sr/Cu>10表示干热气候,Sr/Cu介于1~10表示温湿气候(熊小辉等,2011;孙镇城等,1997;邓宏文等,1993)。研究区跃灰101井下干柴沟组上段353个样品Sr/Cu比值一般为1.58~435.48,平均为50.74,主要分布区间为10~100(样品数290),其次为1~10(样品数63),反映了该时期的古气候条件总体上表现为干热,但是也有短时期表现为温湿气候。
3.1.3 指相盐类矿物
指相盐类矿物中典型的冷相盐类矿物为稳定或不稳定芒硝层,典型的暖相和偏暖相盐类矿物是稳定的钙芒硝层或无水芒硝层,典型的过渡相盐类矿物是广温性石盐、假石盐或天然碱(王春连,等,2012)。柴西南狮子沟地区在E32中广泛发育多层厚薄不一的广温相盐类矿物——石盐岩层和硬石膏层以及暖相盐类矿物原生钙芒硝,研究区跃灰101井钙芒硝和石盐的发育程度较差,全岩矿物分析表明200个碳酸盐岩样品中,其中含石盐的样品58个,石盐含量一般0.2%~0.8%,平均为0.39%;含钙芒硝的样品23个,钙芒硝含量一般0.2%~19.6%,平均为2.12%。
因此,根据E32中的孢粉化石组合、典型暖相盐类矿物原生钙芒硝层广泛发育和指示气候干旱程度的Sr/Cu比值特征,可以推断柴达木盆地西南地区在渐新世E32沉积时期的古气候属于暖旱型气候。
3.2 湖泊的封闭性与开放性
开放的淡水湖泊与封闭的咸水湖泊沉积碳酸盐岩的δ13C和δ18O具有不同的数值范围。现代开放型淡水湖泊中的原生碳酸盐岩δ13C和δ18O均为负值,而且δ13C和δ18O之间不相关或略有相关性,在以δ13C为纵坐标、δ18O为横坐标、0为原点的坐标系中,主要投在第三象限。而封闭型咸水、半咸水湖泊中,δ18O和δ13C更接近0或者为正值,其投点大多数落在第一和第二象限或原点附近,而且δ13C和δ18O之间有明显的相关关系,封闭性越强,相关系数就越大(王春连等,2013;陈登辉等,2011;严兆彬等,2005)。研究区E32湖相碳酸盐岩碳氧稳定同位素值主要落在第三象限非洲的图尔卡纳(Turkala)封闭型湖泊范围及其附近,只有极个别点落在第三象限以色列呼勒湖(Huleh)开放型湖泊范围附近(图3),δ13C和δ18O之间无明显的相关关系,相关系数r为0.28,说明该时期柴达木古湖盆水文条件复杂,既有处于相对封闭性较强、蒸发作用较强的沉积环境也有处于相对半封闭性、蒸发作用较弱的沉积环境。
图3 不同类型湖相原生碳酸盐岩δ13C~ δ18O变化关系图(据陈登辉等,2011修改)Fig.3 Plot of the changes in the relationship between δ13C and δ18O values in different types of lacustrine primary carbonate (modified after Chen et al, 2011)
3.3 湖泊水体古盐度
运用微量元素Sr/Ba 比值和碳氧同位素经验公式Z值来定性恢复陆相湖盆水体盐度的方法已经广泛开展并取得了很好的效果(陈登辉等,2011;王敏芳等,2006)。通常 Sr/Ba>1 表示咸水,Sr/Ba<0.6 表示淡水,Sr/Ba 介于 0.6~1.0 表示半咸水;Z>120表示海相灰岩,Z<120表示淡水灰岩(湖相碳酸岩) (邓宏文等,1993;孙镇城等,1997)。依据上述 Sr/Ba 比值判别标准和 Z值与水体盐度的关系,研究区E32392个样品的 Sr/Ba 比值一般为0.265~4.687,平均为1.534,主要分布区间为1.0~5.0(样品数274),其次为0.6~1.0(样品数73),少数为<0.6(样品数45);26个碳氧同位素样品 Z值数据一般为116.59~125.25,平均为121.01,主要分布区间为120~130(样品数19),其次为110~120(样品数7)。因此,根据Sr/Ba 比值和Z值可以认为研究区E32水介质主要为半咸水—咸水环境,但是有短暂的淡化过程。
3.4 湖泊水体酸碱性
Mn和Fe为铁族元素,沉积作用过程中受沉积介质Eh和pH值影响产生分离。Mn的沉淀较Fe需要更高的pH值环境,故MnO/Fe比值可指示沉积介质pH值的高低。通常MnO/Fe>0.055表示碱性介质(pH>9.0),MnO/Fe介于0.026~0.055表示弱碱性介质(pH介于7.8~9.0),MnO/Fe介于0.016~0.026表示中性介质(pH介于6.0~7.8),MnO/Fe介于0.013~0.016表示弱酸性介质(pH介于5.0~6.0),MnO/Fe<0.013表示酸性介质(pH<5.0)(邓宏文等,1993;熊小辉等,2011)。研究区E32中416个样品的MnO/Fe比值一般为0.023~0.155,平均为0.064,主要分布区间为0.055~0.16(样品数256),其次为0.026~0.055(样品数158),根据上述MnO/Fe比值判别标准,研究区E32沉积时湖盆水体主要呈碱性—弱碱性。
3.5 湖泊水体氧化还原条件
微量元素V/Cr,Ni/Co和常量元素Cu/Zn比值已经成功的被广泛应用于恢复古湖泊水体氧化还原条件研究中。通常认为V/ Cr>4.25,Ni/Co>7.0 代表厌氧沉积环境,V/Cr比值介于2.0~4.25,Ni/Co比值介于5.0~7.0之间表示贫氧的沉积环境,V/ Cr<2.0、Ni/Co<5.0 代表氧化沉积环境;Cu/Zn>0.63表示氧化沉积环境,Cu/Zn比值介于0.21~0.63表示弱氧化-弱还原过渡沉积环境,Cu/Zn<0.21表示还原沉积环境(邓宏文等,1993;王春连等,2012;熊小辉等,2011)。根据上述V/Cr,Ni/Co和Cu/Zn判别标准,研究区E32410个样品的V/Cr比值一般为0.458~3.601,平均为1.197,主要分布区间为0~2.0(样品数389),其次为2.0~4.25(样品数19),说明了尕斯地区E32沉积时湖泊水体主要是富氧环境,其次是贫氧环境;而398个样品Ni/Co比值一般为0~14.581,平均为3.478,主要分布区间为0~5.0(样品数285),其次为5.0~7.0(样品数59)和7.0~15.0(样品数38),同样说明了E32沉积时湖泊水体主要是富氧环境,其次是贫氧环境,偶尔出现厌氧环境;另外,408个样品的Cu/Zn比值一般为0.009~0.994,平均为0.452,主要分布区间为0.21~0.63(样品数308),其次是Cu/Zn>0.63(样品数65),第三是Cu/Zn<0.21(样品数33)说明了E32沉积时湖泊水体主要为弱还原—弱氧化沉积环境,其次是氧化环境,偶尔出现还原环境。
依据上述敏感参数数据的分布特点,结合泥岩的颜色和沉积构造,综合分析认为,研究区E32沉积时期主要位于湖盆浪基面之上的富氧的弱氧化-弱还原环境,偶尔处于湖盆浪基面之下的厌氧的还原环境。说明了该时期主要为浅湖—半深湖,也出现过短时期的滨湖和深湖。
(1)柴达木盆地尕斯地区E32碳酸盐岩致密油储层矿物成分复杂、岩性多样,主要为含碳酸盐—陆源碎屑混积岩和碳酸盐质—陆源碎屑混积岩。
(2)根据E32地层中的孢粉组合、典型暖相盐类矿物原生钙芒硝发育广泛和Sr/Cu 值,认为柴西南地区在渐新世E32沉积时期的古气候属于暖旱型气候。
(3)依据湖相碳酸盐岩碳氧稳定同位素数值及其分布情况以及δ13C和δ18O之间无明显的相关关系,说明该时期柴达木古湖盆水文条件复杂,既有处于相对封闭性较强、蒸发作用较强的沉积环境也有处于相对半封闭性蒸发作用较弱的沉积环境。
(4)根据Sr/Ba值结合碳氧同位素Z值认为E32水介质主要为半咸水—咸水环境,但是也有短暂的淡化过程。
(5)根据MnO/Fe比值认为尕斯地区E32沉积时湖盆水体主要呈碱性—弱碱性。
(6)根据V/Cr、Ni/Co和Cu/Zn值,结合泥岩的颜色和沉积构造,综合分析认为研究区E32沉积时期主要是位于湖盆浪基面之上的富氧的弱氧化—弱还原环境,偶尔处于湖盆浪基面之下的厌氧的还原环境。
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Carbonate Rock Type and Its Sedmentary Environment of the UpperSegment of Lower Gaichaigou Formationin Gasi Area, West Qaidam Basin——Taking an Example of Well YH101
YI Ding-hong, SHI Ya-jun, ZHang Zhen-gang, YUAN Jian-ying, WANG Pu,ZHANG Shi-ming, GOU Ying-chun, WAN Chuan-zhi
(Petrochina Exploration & Development Research Institute (Northwest), Lanzhou, GS 730020,China)
Exploration practice shows that the tight oil has great exploration potential in recent years in Qaidam basin, the upper segment of lower Gaichaigou formation is the main purpose strata for the tight oil exploration in southwest Qaidam basin, which belongs to the oligocene. The carbonate created in the lake is the important reservoir for the tight oil. Based on the core observation and description systematically, through rock test and analysis results such as rock thin section identification, elemental analysis and whole rock mineral analysis, It is suggested that the carbonate of the upper segment of lower gaichaigou formation in gasi area in western Qaidam origined by mixed sedimentation typically. The lithology complex, which include two classes, one is limestone and the other is dolomitite. The limestone mainly consist of calcite which develop 24 types lithology, but the dolomite mainly consist of dolomite which develop 23 types lithology. By the results of the element Sr/Ba,Sr/Cu,MnO/Fe,V/Cr,Ni/Co,Cu/Zn and the stable carbon and oxygen isotope, it consider that the carbonatite of the upper segment of lower Gaichaigou formation produced in the arid to semiarid climate and the alcaline water in the lake is brackish water to salty water which contained plentaty oxygen, in such environment, the water’s Eh is from weak oxidation to weak reduction.
carbonate; tight oil; sedimentary environment; the upper segment of lower Gaichaigou formation; Gasi area; Qaidam basin
2016-10-21
中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“柴达木盆地建设千万吨油气田综合配套技术研究”(2011-ZG-001004)
易定红(1975—),男,高级工程师,硕士,现从事沉积学与石油地质学科研工作。E-mail:yidh@petrochina.com.cn
10.3969/j.issn.1674-3504.2017.02.010
P588.2
A
1674-3504(2017)02-0173-06