准噶尔盆地中拐地区上乌尔禾组储集层绿泥石膜成因及其对储集层物性的影响

单 祥, 郭华军, 郭旭光, 徐 洋, 曹元婷, 李亚哲, 王力宝

(1.中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023; 2.新疆油田公司勘探开发研究院,新疆克拉玛依 834000)

自生绿泥石包膜是碎屑岩中常见的黏土矿物类型,在中国多个含油气盆地的中新生代碎屑岩储集层中广泛分布,如四川盆地三叠系须家河组[1]、鄂尔多斯盆地三叠系延长组[2]、准噶尔盆地侏罗系头屯河组[3]、松辽盆地侏罗系[4],吐哈盆地侏罗系[5]等。自生绿泥石膜被认为与中深层异常高孔隙储集层关系密切,围绕绿泥石膜成因、物质来源、抑制石英加大的机制、对粒间孔隙的保护机制等一直是国内外学者研究的热点[6-10]。国外学者研究的绿泥石膜多发育在海相石英砂岩中,但中国含油气盆地中的绿泥石膜多发育在陆相三角洲-湖泊相长石砂岩或长石岩屑砂岩中,两种砂岩中绿泥石膜的形成环境不同,其对储集层孔隙的影响也需要重新认识。国内学者对中国陆相砂岩自生绿泥石膜成因及对储集层影响等方面做了大量工作,存在不同的研究观点。关于绿泥石膜形成时间:姚泾利等[11]认为鄂尔多斯盆地华庆地区长6 砂岩中绿泥石膜形成于初始压实阶段以前,也就是同沉积阶段;黄思静等[12]认为中国三叠系陆相绿泥石膜形成于初始压实阶段以后的早成岩阶段。关于绿泥石膜形成机制:有学者认为绿泥石膜由早期富铁黏土膜转化而来,类似于海相石英砂岩中绿泥石膜的成因[11,13];但有学者提出陆相砂岩绿泥石膜主要是在成岩期从孔隙水中直接沉淀出来的[14]。关于绿泥石膜对储集层孔隙保存的贡献,有学者认为致密连续的绿泥石膜可以抑制石英加大、增强砂岩抗压实性,甚至促进溶蚀作用,因而对储集层起建设性作用[1,3,12,14];有学者认为绿泥石膜堵塞孔隙和喉道,降低储集层物性,对储集层起破坏作用[13];也有学者提出发育绿泥石膜的砂岩具有高孔隙度是由其本身沉积性质决定,绿泥石膜对保护储集层孔隙贡献不大[8,15-16]。笔者以准噶尔盆地西北缘中拐凸起二叠系上乌尔禾组岩屑砂岩储集层为例,综合利用研究区钻测井资料,结合11口井250多块铸体薄片资料以及7口取芯井16件柱塞样扫描电镜、电子探针等分析资料,研究陆相砂岩储集层绿泥石膜成因及其对储集层质量的影响。

1 研究背景及方法

研究区位于准噶尔盆地西北缘西部断裂带中拐凸起二级构造带(图1(a)、(b)),面积约500 km2。西北缘上乌尔禾组为一套扇三角洲-湖泊相碎屑沉积。研究区上乌尔禾组为扇三角洲前缘沉积,地层厚度范围在218～295 m,自下而上可分为3段。从乌一段到乌三段,湖平面上升,砂体不断退积沉积(图1(c))。研究区上乌尔禾组扇三角洲前缘水下分流河道砂体发育,物性较好,为研究区主力油层发育段,目前已探明J205井区油气藏。

图1 研究区构造位置[17]、岩性地层剖面(金205井)及取样井分布Fig.1 Geological background of study area and distribution of sample wells

本次研究收集并鉴定了上乌尔禾组铸体薄片11口井共250多片,以获取上乌尔禾组储集层岩矿组成、孔隙类型等方面的信息。此外对金201、金205、金206、金208、金龙2、金211、JL2001等7口取芯井岩心进行柱塞取样共计16件,样品进行以下分析工作:①首先对柱塞样品切片磨制铸体薄片,在Leica显微镜下进行观察鉴定,从而获取岩矿组成、孔隙类型、成岩作用特征方面的数据;②对发育绿泥石膜的铸体薄片表面镀碳,采用Epma-1610型电子探针对绿泥石成分进行测定;③对发育绿泥石膜的柱塞样品,钻取小样镀金后使用FEI Inspect S50型扫描电子显微镜进行观察,以获取孔隙及充填物形貌、结构方面的信息;④采用FYKS-3型覆压气体孔渗联合测试仪,对发育绿泥石膜的柱塞样进行孔渗测定,以研究绿泥石膜和储集层物性之间的关系。

2 研究结果

2.1 研究区砂岩基本特征

研究区上乌尔禾组埋深为3 997～4 244 m,储集层段主要发育在乌一段和乌二段,其砂体纵向厚度较大,单层砂体厚度10～60 m,为砂包泥结构,且横向连续性较好。乌三段砂岩整体不发育,泥岩厚度大,为区域盖层。上乌尔禾组为一套中低孔-特低渗砂砾岩储集层,平均孔隙度10.35%,平均渗透率1.59×10-3μm2;石英平均体积分数6.37%,长石体积分数5.97%,岩屑体积分数87.66%,岩屑类型以凝灰岩为主(59.23%),其次为沉积岩(10.33%)和安山岩(7.97%)(图2);填隙物以粒间胶结物为主,泥杂基含量较低(图3)。胶结物主要有浊沸石(图4(a))、硅质(图4(b))、方解石(图4(c))和绿泥石(图4(d));储集空间类型主要为残余原生粒间孔(图4(d)),其次为颗粒溶孔(图4(e))和浊沸石溶孔(图4(f))。在研究区扇三角洲前缘水下分流河道砂体中,绿泥石膜和浊沸石胶结物普遍发育,成为研究区一种独特的成岩现象。

图2 上乌尔禾组储集层岩矿组成及含量直方图Fig.2 Histogram showing detrital grain composition in reservoir of Upper Urho Formation

图3 上乌尔禾组储集层填隙物类型及含量直方图Fig.3 Histogram showing types and content of interstitial materials in reservoirs of Upper Urho Formation

图4 上乌尔禾组储集层中胶结物类型和孔隙类型微观照片Fig.4 Microphotographs showing authigenic cement and pore types of Upper Urho sandstones

2.2 自生绿泥石膜产状及成分

通过详细的铸体薄片及扫描电镜观察,上乌尔禾组砂岩中自生绿泥石主要以颗粒包膜方式产出,且晶体垂直颗粒生长(图5(a));绿泥石膜并非处处等厚,一些薄片中绿泥石膜表现出不等厚,且具有碎屑特征,有别于孔隙水中直接析出的自生胶结物呈现出处处等厚的特征(图5(b))。扫描电镜下,绿泥石膜具有双层膜结构,靠近颗粒一侧绿泥石膜致密、厚度相对较薄、晶体相对较小(单一晶体厚度一般小于2 μm)、连续性好;靠近孔隙一侧绿泥石膜稀疏、厚度较大、晶体较大(单一晶体厚度一般为3～5 μm),但其不如里层膜连续性好,不均匀地在里层膜之上生长(图5(c))。扫描电镜下还可见到成岩晚期绒球状绿泥石充填在孔隙中,覆盖在颗粒绿泥石包膜之上(图5(d))。从电子探针成分分析结果可知,上乌尔禾组绿泥石膜是偏富铁型,其FeO质量分数一般大于20%,w(Fe)/w(Fe+Mg) 为0.79～0.88,平均为0.83(表1)。

表1 上乌尔禾组储集层绿泥石膜化学组成电子探针质量分数

3 讨 论

3.1 绿泥石膜形成时间及成因

目前关于自生绿泥石膜有两种成因机制:①交代黏土先存膜[17-21],存在4种常见的绿泥石化先存黏土膜,即机械渗虑蒙皂石、自生蒙皂石、礠绿泥石、高岭石。机械渗虑蒙皂石先存膜可以是陆相盆地沉积成岩过程中原地生成,或者是搬运来的继承性蒙皂石膜;自生蒙皂石先存膜形成与火山碎屑蚀变形成的三八面体蒙皂石密切相关。礠绿泥石先存膜的形成通常伴随着礠绿泥石鲕粒;交代高岭石通常发生在中成岩期富Fe、Mg环境下。②从孔隙流体中直接沉淀,孔隙水中直接沉淀出自生绿泥石一般发生在中成岩期,时间晚于石英胶结,因而不能起到抑制石英次生加大的作用;如Sawan气田白恶系砂岩中自生绿泥石膜就是从孔隙流体中直接沉淀的[22]。由于自生绿泥石不能在早成岩期直接从孔隙流体中沉淀形成,大量文献报道的早期颗粒绿泥石膜的形成与先存黏土膜有关[6,8-9,19]。

通过详细的铸体薄片及扫描电镜观察,成岩矿物的产状特征可以反映上乌尔禾组绿泥石膜的形成时间:①绝大部分碎屑颗粒接触处缺少绿泥石膜(图6(a));②在所有样品中,绿泥石膜包裹浊沸石胶结物(图6(b));③自生石英晶粒沉淀在绿泥石膜之上(图6(c)、(d));④绿泥石膜常包裹长石颗粒的铸模孔(图6(e));⑤一些样品的薄片照片以及扫描电镜照片中可见伊蒙混层黏土膜(图6(f)、(g)),部分颗粒接触处也可见较薄的伊蒙混层黏土膜(图6(h))。

图6 微观照片表明研究区上乌尔禾组绿泥石膜形成时间和成因Fig.6 Microphotographs showing timing and origin of chlorite coatings in Upper Urho sandstones

第一点表明绿泥石膜的形成时间晚于压实作用对颗粒调整之后;第二点表明绿泥石膜形成时间早于浊沸石沉淀;第三点表明绿泥石膜形成时间早于自生石英沉淀,岩石学特征又表明自生石英晶粒早于浊沸石沉淀;第四点表明绿泥石膜形成时间早于长石溶蚀之前;第五点表明岩石样品中存在除绿泥石膜之外的先存黏土膜,并且其形成时间可能早于颗粒完全压实之前。前人大量研究表明,砂岩中自生石英一般在温度达到70 ℃开始沉淀[23](对应埋深约为2 500 m);储层中自生浊沸石的形成温度一般为70～90 ℃[24];有机酸溶蚀长石一般在温度大于80 ℃开始[25]。

通过以上证据可以推断出,研究区上乌尔禾组绿泥石膜的形成温度小于70 ℃,形成时间晚于压实作用对颗粒调整之后的早成岩期,因此其不是从孔隙流体中直接沉淀出来的。结合研究区上乌尔禾组砂岩也发育伊蒙混层黏土膜的特点,可以确定上乌尔禾组绿泥石膜是由先存黏土膜在富Fe、Mg的环境中,在早成岩期转化而来。先存黏土膜最可能是火山玻璃水解形成的蒙皂石,上乌尔禾组物源成分中含大量的火山碎屑沉积物,粒间填隙物也常见火山玻璃蒙皂石化后形成的无序伊蒙混层,其部分转化为伊蒙混层黏土膜,部分在富Fe、Mg环境中转化为绿泥石膜。Fe、Mg物质来源与火山碎屑有关,薄片中可见绿泥石膜包裹部分或者完全溶蚀的火山岩屑(图6(i)),表明火山岩屑的溶蚀为绿泥石膜形成提供了原地的物质来源。上乌尔禾组砂砾岩火山岩屑含量高,其中以中基性凝灰岩岩屑为主,据此推测研究区铁离子来源可能有两种机制:①物源区富铁、镁的中基性火山碎屑风化后,富铁、镁的氧化物和氢氧化物被河流溶解,形成河流溶解铁[7];②早成岩期,火山碎屑物质的水化、水解作用提供丰富的铁、镁离子[26]。

研究发现,上乌尔禾组绿泥石膜发育受沉积环境控制,在分选较好的水下分流河道砂岩中绿泥石膜最发育。一方面由于三角洲前缘沉积物原始物性好,流体渗流通畅,有供绿泥石膜形成的离子交换条件及沉淀空间;另一方面三角洲前缘河流带来的溶解铁在此处沉淀,提供绿泥石膜形成所需的含铁物质。

3.2 绿泥石膜与硅质胶结的关系

石英次生加大是导致储集层孔隙度降低的重要原因[27]。前人研究认为,绿泥石膜能有效地抑制石英次生加大，保护原生孔隙,其主要机制有:①绿泥石膜阻止富Si4+孔隙流体与颗粒接触,从而减少自生石英在石英颗粒表面的成核数量,抑制石英次生加大[6];②绿泥石膜占据石英次生加大的生长空间抑制其生长[9];③绿泥石膜阻碍石英的压溶作用,减少硅质的来源,从而抑制石英次生加大[10]。以上观点提出的岩石学背景为富石英砂岩,因此硅质胶结作用是破坏储集层孔隙最重要的因素之一,绿泥石膜抑制石英次生加大对保护储集层孔隙有重要意义。

研究区上乌尔禾组储集层为岩屑砂岩,由于碎屑石英颗粒总量较低(石英体积分数平均为6.37%),即使在不发育绿泥石膜的情况下,石英次生加大对储集层的影响也很有限。在有限的石英颗粒中,研究观察到在无绿泥石膜包膜的石英颗粒上,次生加大很发育,加大边厚度可达20～30 μm(图7(a)),而在发育绿泥石膜的砂岩中,石英颗粒次生加大边不发育,这表明绿泥石膜对于碎屑石英颗粒的次生加大的确起到明显的抑制作用。但同时可以发现,研究区发育绿泥石膜的储层孔隙中普遍沉淀自生石英晶粒(图7(b)),扫描电镜中常见自生石英晶粒散落在绿泥石膜之上(图7(c))。研究区砂岩火山碎屑组分含量高,在埋藏成岩过程中,蒙皂石的伊利石化(K++Al3++蒙皂石→伊利石+Si4+),以及火山碎屑水解都可以增加孔隙水的Si4+浓度[11]。当孔隙流体中Si4+浓度不断增加直至过饱和,即使其不能沿着碎屑石英颗粒周围形成次生加大边,也可以直接从孔隙中以自生石英晶粒形式沉淀出来[11,15]。对于上乌尔禾组岩屑砂砾岩而言,碎屑石英颗粒的次生加大对储集层影响有限,而孔隙中沉淀的自生石英晶粒充填粒间孔、堵塞喉道,降低储集性能。由此可见对于贫石英含量富火山岩屑含量的陆相碎屑岩储集层,绿泥石膜的存在仅抑制碎屑石英颗粒的次生加大,但不能抑制储集层中自生石英晶粒的沉淀,因此抑制硅质胶结物沉淀角度对保护储层原生孔隙贡献非常有限。

图7 微观照片表明上乌尔禾组绿泥石膜与胶结作用的关系Fig.7 Microphotographs showing relationships between chlorite coatings and cementation in Upper Urho sandstones

也有学者提到绿泥石膜能有效抑制浊沸石或者碳酸盐胶结物的发育[14],但上乌尔禾组储层中绿泥石膜与浊沸石以及方解石胶结物的伴生现象十分普遍(图7(d))。岩石学特征表明,浊沸石以及方解石胶结物形成时间晚于绿泥石膜。浊沸石胶结物的形成和火山碎屑水解密切相关,其可以直接从孔隙水中沉淀出来;而方解石的沉淀受控于孔隙水介质条件和Ca2+离子饱和程度与孔隙水CO2分压。两种胶结物都无需在碎屑颗粒表面成核而从孔隙流体中直接沉淀,因此和绿泥石膜普遍伴生。绿泥石膜能够抑制浊沸石以及碳酸盐胶结物的说法既与事实不符,也缺乏科学依据。

3.3 绿泥石膜与压实作用的关系

有部分学者研究认为,绿泥石环边能提高岩石机械强度,增强岩石抗机械压实性能[28-29]。前文所述上乌尔禾组砂岩颗粒接触处通常缺少绿泥石膜(图6(a)),说明绿泥石膜形成于压实作用对颗粒调整之后,绿泥石膜不能抑制早成岩期机械压实作用。然而致密完好的颗粒绿泥石包膜可以抑制颗粒压溶作用。另一方面绿泥石的莫氏硬度在2～3,而石英及长石骨架颗粒的莫氏硬度在6～7,因此绿泥石膜提高储集层的抗机械压实能力的说法缺少矿物学依据。此外扫描电镜中可见绿泥石膜晶体疏松分布,且晶间孔隙发育(图5(a)),显然其抗机械压实能力较弱。至于部分学者提出被绿泥石包裹的长石铸模孔未被压垮[14],那是由于长石铸模孔形成于中成岩期,此时压实作用已经将颗粒调整到现今的状态,长石铸模孔未被压垮是由于周围碎屑颗粒承担了上覆压力,而非绿泥石膜的贡献。

3.4 绿泥石膜与储集层物性的关系

研究发现绿泥石膜体积分数与储集层孔隙度之间具有较弱的正相关性(图8),研究区上乌尔禾组储集层孔隙类型以原生粒间孔为主(图4(d)),绿泥石膜发育的砂岩粒间孔孔隙度更高,但这并不意味着绿泥石膜是储集层具有高孔隙的主要原因。一般来说储层质量受原始沉积组分、结构以及成岩作用的共同控制[23]。前文所述,绿泥石膜形成于压实作用对颗粒调整之后,因此从抑制压实角度对储层孔隙保存意义不大;另一方面绿泥石膜确实能对石英颗粒的次生加大起到抑制作用,但考虑到上乌尔禾组储层中石英总含量较低,绿泥石膜通过抑制石英胶结，保护储层孔隙作用有限,而且其不能抑制自生石英晶粒以及浊沸石、方解石胶结物的沉淀。因此研究区自生绿泥石膜对储层孔隙保存贡献较小,绿泥石膜实际上对高原生孔隙储集层起到指示作用。前人[11,15]及本次研究均表明,绿泥石膜是扇三角洲水下分流河道等高能沉积环境的产物,因此其一定程度上指示了分选好、杂基含量低、原生孔发育的高能水下分流河道砂体。

图8 绿泥石膜体积分数与孔隙度的关系Fig.8 Relationship between content of chlorite coatings and porosity

4 结 论

(1)上乌尔禾组绿泥石膜为偏富铁型,且具有双层膜结构,近颗粒一侧里层膜连续性好、致密、晶体小,近孔隙一侧的外层膜连续性差、疏松、晶体大。

(2)上乌尔禾组绿泥石膜由先存黏土膜转化而来,形成于温度小于70 ℃的早成岩阶段,先存黏土膜的形成与火山灰蒙皂石化有关,Fe、Mg矿物与火山碎屑物质溶蚀有关。

(3)绿泥石膜对碎屑石英的次生加大有抑制作用,但不能阻止自生石英晶粒在孔隙中沉淀,更不能阻止浊沸石、方解石胶结物的沉淀以及抑制机械压实作用,其对储集层孔隙保存贡献较小,对优质储层起指示作用。