基于星点状方解石胶结与溶解的识别查明砂岩粒间孔隙类型——以雅布赖盆地新河组砂岩为例

王建国周晓峰唐海忠魏 军韩小松郭 伟

1.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京 102249 2.中国石油 玉门油田分公司 勘探开发研究院,甘肃 酒泉 735019;3.中国石油 勘探开发研究院,北京 100083

0 引言

含油气砂岩的次生粒间孔隙与原生粒间孔隙都出现在碎屑颗粒之间而难以分辨,这就造成在同一研究对象的不同研究成果之中对储集空间类型的认识不一致。美国路易斯安那州上志留统塔斯卡卢萨组砂岩的粒间孔隙有原生粒间孔隙和方解石胶结物溶解形成的次生粒间孔隙之争(Pittman et al., 1992)。准噶尔盆地腹部侏罗系三工河组砂岩的储集空间以原生粒间孔隙为主(张江华和相鹏,2019),或以混合孔隙为主(王建伟等,2006),或以次生粒间孔隙为主(何生等,2009;刘惠民等,2020)。酒泉盆地营尔凹陷下沟组砂岩以方解石胶结物溶解形成的次生粒间孔隙为主(吕成福等,2010)或仅有次生孔隙(唐海忠等,2019)。究其原因,缺乏方解石胶结和溶解作用的典型岩石学证据是储集空间类型认识不一致的根本原因(远光辉等,2015;唐海忠等,2019)。以原生粒间孔隙为主的砂岩油气勘探开发的重点是寻找有利沉积相带,以次生孔隙为主的砂岩油气勘探开发要着力发现溶蚀流体的指向区。因此,确定含油气砂岩的储集空间类型,不仅是一个基础地质问题,更关乎油气的高效勘探开发(黄军平等,2015)。

砂岩中普遍发育形成于成岩各个阶段的方解石胶结物,占据原生粒间孔隙,造成砂岩致密化(Loucks and Dutton, 2019)。但在适宜的成岩地质条件下,遇到酸性流体,方解石发生一致性溶解,形成溶蚀孔隙(Emsbo and Hofstra, 2003)。若溶蚀时间足够长,溶蚀强度足够大,方解石被溶蚀殆尽而形成的次生粒间孔隙与原生粒间孔隙差异较小,但方解石溶蚀所留下的片段记录较少(Pommer and Sarg, 2019),进而造成对储集空间类型认识的多解性。因此,只有找到方解石胶结作用和溶解作用的典型岩石学证据,提取片段记录的有效信息,才能确定碎屑颗粒之间的孔隙是原生粒间孔隙还是次生粒间孔隙,进而确定砂岩的储集空间类型。

雅布赖盆地的油气勘探始于20世纪60年代,历经多轮勘探思路调整,先后钻探20余口井,仅有少数钻井经压裂在新河组砂岩中获得工业油流,展现出油气分布的复杂性。以往对雅布赖盆地油气地质条件的分析主要集中在中侏罗统新河组的构造演化方面(李明杰等,2004;钟玮等,2013;杨波等,2018)与油气成藏方面(吴晓智等,2015;高岗等,2017),而鲜有关于储层的研究。文中主要利用铸体薄片细致地观察方解石胶结和溶解的现象及与其他矿物和碎屑的相互关系,寻找粒间孔隙与方解石胶结和溶解的可能信息,正演方解石胶结和溶解的过程,明确粒间孔隙的具体归属(原生粒间孔隙或次生粒间孔隙)和砂岩储集空间类型。

1 地质背景

雅布赖盆地地跨内蒙古和甘肃两省,面积约1.5×104km2(图1),大地构造位置处于华北克拉通西缘阿拉善地块的北部活化带(翟明国,2019),经历了侏罗纪—早白垩世断陷阶段及晚白垩世—新近纪的挤压坳陷阶段,最终形成了现今的构造格局及构造单元(薛明旺等,2020)。雅布赖盆地由东部隆起和西部坳陷两个一级构造单元组成。东部隆起大面积出露前中生界基底岩系,西部坳陷南部为萨尔台凹陷,北部为红杉湖凹陷。萨尔台凹陷自西向东依次划分为盐场次凹、黑沙凸起、小湖次凹、红刺梁凸起和梭托次凹等5个三级构造单元。西部坳陷中新生界冲积扇-河流-湖泊相沉积盖层逾4000 m,由下至上依次为下侏罗统笈笈沟组、中侏罗统青土井组和新河组、上侏罗统沙枣河组、下白垩统庙沟组、上白垩统金刚泉组和新生界。

图1 雅布赖盆地地理位置与构造单元划分Fig.1 Sketch map showing the location and tectonic units of the Yabrai Basin

雅布赖中新生代盆地主要历经两期成盆作用和两期盆地改造作用(李明杰等,2004;钟玮等,2013;杨波等,2018)。燕山运动早期,伸展动力学背景下,形成南断北超的箕状不对称断陷湖盆,堆积厚达4000 m的侏罗系。侏罗纪末期,西伯利亚板块向南运动的碰撞造山作用,引起盆地急剧抬升,导致侏罗系剥蚀厚度超过1000 m。其中,黑沙凸起和红刺梁凸起剥蚀至新河组,东部隆起出露基底岩系。燕山晚期,受蒙古-鄂霍茨克洋闭合碰撞造山及太平洋板块北西向俯冲作用的联合影响,盆地北部处于强烈伸展状态,而南部处于类前陆盆地的前渊环境,形成北部强烈断陷下沉、南部挤压下沉和中部相对隆起的山间湖盆。其中,红杉湖凹陷沉积厚度最大,达1600 m。喜马拉雅期,由于印度板块向北俯冲并与欧亚板块碰撞的远程效应,雅布赖盆地再次抬升,堆积的新生界冲(洪)积红色粗碎屑厚度不超过100 m。

新河组沉积时期是中生代雅布赖湖盆发育的鼎盛期,发育有扇三角洲、辫状河三角洲、湖泊等3种沉积相类型(石英涛等,2015;张少敏等,2016)。烃源岩与储集层配置较好,成藏条件较好。勘探实践和研究结果表明,新河组烃源岩是盆地主要的优质油源岩,有机质类型好、丰度高、热成熟度适中(王彦博,2014;董义国,2014;都鹏燕,2016;高岗等,2017;都鹏燕等,2018);储集层以三角洲前缘块状砂岩为主。

2 砂岩基本信息

2.1 样品岩石学特征

勘探证实,小湖次凹新河组砂岩的油气显示最为活跃。镜下观察发现,小湖次凹新河组砂岩的成岩作用现象丰富(图2),具有研究储集空间类型的典型岩石学证据。此次研究的砂岩样品选自小湖次凹新河组砂岩。

小湖次凹新河组砂岩碎屑颗粒成分以石英、长石、火山岩岩屑、变质岩岩屑为主,成分成熟度低。岩石碎屑颗粒粒径不一,细砂、中砂、粗砂、细砾等混杂堆积(图2),结构成熟度低。填隙物以方解石胶结物为主,鲜见次生长石加大和次生石英加大。储集空间类型有粒间孔隙、长石溶蚀孔隙、岩屑溶蚀孔隙和方解石胶结物溶蚀孔隙。粒间孔隙中常见星点状方解石胶结物(图2,蓝色箭头所指处)。

由图2可知,雅布赖盆地新河组砂岩的结构特征具有5个特点:①碎屑颗粒间的接触关系多样化,表现为点状、线状和基底式等接触关系共存;②在碎屑颗粒之间呈基底式接触关系的微域,碎屑颗粒漂浮在方解石胶结物之中;③方解石胶结物发育的微域,缺乏碎屑颗粒次生加大;④粒间孔隙中通常可见碎屑颗粒次生加大和星点状方解石胶结物,但次生加大发育处不见方解石,同时星点状方解石出现的地方也未见碎屑颗粒次生加大;⑤方解石胶结物发育的微域粒间孔隙少,而方解石胶结物不发育的微域粒间孔隙多。

图2 雅布赖盆地新河组砂岩岩石学特征显微照片Fig.2 Microscopy photos of petrological characteristics of Xinhe Formation sandstones, Yabrai Basin. (a,b) The Well YT6,2651.57 m; large and small mixed accumulation of quartz, feldspar, volcanic and metamorphic debris. Calcite cements are more than feldspar overgrowths and quartz overgrowths; calcite distributes sporadically in intergranular pores(where the blue arrows point); a is taken under single polar and b is taken under crossed polar. (c,d) The well YT11, 2597.64 m; in the micro domain where the massive calcite cements are developed, the clastic particles are in point contact or basal contact; feldspars overgrow; dotted calcites are distributed in intergranular pores(where the blue arrows point); c is taken under single polar and d is taken under crossed polar.(e) The well YT6, 2651.57 m; there are intergranular pores, feldspar dissolution pores and debris dissolution pores; dotted calcites are distributed in intergranular pores(where the blue arrows point); e is taken under single polar. (f) The well YT7, 2406.62 m;calcite was dyed blue by mixed solution; the dissolution pores of calcite are well developed; f is taken under single polar Q-quartz; F-feldspar; Rv-volcanic debris; Rm-metamorphic debris; Qo-Quartz overgrowth; Fo-feldspar overgrowth; Ca-calcite cement; P-intergranular pore; PF-dissolution pore of feldspar; PRv-dissolution pore of volcanic rock; PCa-dissolution pore of calcite cement

方解石胶结和溶解两种现象共存,指示砂岩经历过碱性和酸性成岩环境的交替。碱性成岩环境中,方解石晶体从孔隙流体中沉淀出,结晶胶结碎屑颗粒使原始砂质沉积物固结成岩石。酸性成岩环境中,遇酸容易发生溶解反应的方解石、长石、岩屑等颗粒遭受溶蚀。长石和岩屑通常发生不一致性溶解,形成粒内溶蚀孔隙的同时,在溶蚀区内还形成新的矿物,如石英次生加大和长石次生加大。而方解石通常发生一致性溶解,仅留下方解石溶蚀孔隙。

2.2 方解石胶结物赋存状态

充分利用单偏光下孔隙最为清晰,正交光下各种颗粒容易分辨,低倍镜下现象丰富,高倍镜下细节信息量大等特点来取全、取准微观现象。鉴别出小湖次凹新河组砂岩方解石胶结物具有4种赋存状态:浸染状、团块状、斑块状及星点状(图3)。

Ca1—浸染状方解石胶结物,Ca2—团块状方解石胶结物,Ca3—斑块状方解石胶结物,Ca4—星点状方解石胶结物a、b—雅探6井,2654.75 m,浸染状方解石胶结物,形成钙质砂岩,a为单偏光,b为正交偏光;c、d—雅探1井,2914.71 m,团块状方解石胶结物,与粒间孔隙接触处方解石胶结物溶蚀成港湾状,c为单偏光,d为正交光;e—雅探6井,2653.34 m,斑块状方解石胶结物,边缘参差不齐,单偏光;f—雅探6井,2651.82 m,星点状和斑块状方解石附着在粒间孔隙壁面上,方解石表面凹凸不平,单偏光图3 雅布赖盆地新河组砂岩方解石胶结与溶解显微照片Fig.3 Microscopy photos of caltite cementation and dissolution in Xinhe Formation sandstones, Yabrai Basin. (a,b) The well YT6,2654.75 m; disseminated calcite cements form calcareous sandstones, a is taken under single polar and b is taken under crossed polar.(c,d) The well YT1, 2914.71 m; the massive calcite cements next to intergranular pores are dissolved into a harbor, c is taken under single polar and d is taken under crossed polar. (e) The well YT6, 2653.34 m; the edge of patchy calcite cements are uneven,e is taken under single polar. (f) The well YT6, 2651.82 m; the dotted and patchy calcites adhere to the walls of intergranular pores,and the surface of calcites are uneven; f is taken under single polar.Ca1-disseminated calcite cement; Ca2-massive calcite cement; Ca3-patchy calcite cement; Ca4-dotted calcite cement

浸染状方解石占岩石体积的15%以上,全部充填于碎屑颗粒之间的孔隙,造成砂岩致密,形成钙质砂岩(图3a、3b)。钙质砂岩的碎屑颗粒之间以点状接触为主,常见线状接触和基底式接触。方解石完全充填原生粒间孔隙的胶结作用方式,有效地抵抗机械压实作用,阻止砂岩的体积减小,为后期方解石一致性溶解形成次生粒间孔隙准备了物质基础和空间基础(Pettijohn et al.,1972)。

团块状方解石通常胶结数个碎屑颗粒组成一个致密的微域,在多孔隙砂岩中常见且极易辨别(图3c、3d)。单偏光下,这个微域的体积明显大于围岩碎屑颗粒的体积。正交光下,团块状方解石显艳丽的金属色,与碎屑颗粒的接触关系更加清晰。该微域中,碎屑颗粒之间以点状接触为主,常见线状接触和基底式接触。团块状方解石与粒间孔隙接触处多呈港湾状,标示方解石胶结物曾经有过溶蚀。

斑块状方解石体积较小,一般情况下胶结的碎屑颗粒数目不超过3个(图3e)。该微域的碎屑颗粒间接触关系类似于团块状微域的碎屑颗粒间接触关系,点状、线状和基底式等接触关系共存。方解石的边缘参差不齐,说明溶蚀现象丰富。

星点状方解石出现在粒间孔隙的壁面上,体积微小,多为孤立的小点(图3f)。星点状方解石在单偏光下常常被忽略,只有在正交光下高倍放大才能发现其蛛丝马迹。利用单偏光与正交光的反复切换观察显示,雅布赖盆地小湖次凹新河组砂岩的粒间孔隙中星点状方解石胶结物普遍存在(图2,蓝色箭头所指处)。总体上看,星点状方解石表面多凹凸不平,标示方解石胶结物发生过溶蚀现象。

从国内外城市发展历程来看，城市蔓延在城市建设发展初期会带来有利方面，主要表现在以下几个方面：①有效引导及疏散大城市繁华商业街周边居住区的人口，改善了中心区市民的居住和生态环境；②分散不适合在城市中心区发展的工业企业，保护了城市中心居民的居住环境；③土地的无止境的扩张对城市郊区的发展起到了拉动作用，土地利用效率也有了显著提高。但随着城市不断发展，城市蔓延产生如耕地锐减、土地利用效率低下、城市环境污染、城市开发成本投资过高等诸多弊端。

由图2、图3可知,团块状、斑块状、星点状方解石杂乱无章地分布在粒间孔隙发育的储层砂岩中,而浸染状方解石胶结形成致密的钙质砂岩。

3 储集空间类型

研究区新河组砂岩的储集空间有粒间孔隙、长石溶蚀孔隙、火山岩屑溶蚀孔隙和方解石胶结物内溶蚀孔隙等4种类型(图2,图3)。后三者是次生粒内(包括碎屑颗粒和胶结物颗粒内)孔隙,这一点无异议。无法准确判断粒间孔隙是原生粒间孔隙还是次生粒间孔隙的原因在于难于判别星点状方解石是晚期胶结物还是早期胶结物的溶解残余。若是早期方解石胶结物的溶解残余,那么粒间孔隙是次生孔隙;若是晚期胶结物,则粒间孔隙是原生孔隙。于是,储集空间类型的识别就转化为对星点状方解石胶结和溶解的识别。

为了充分有效地识别粒间孔隙是原生孔隙还是次生孔隙,先假设两种情况,即星点状方解石是晚期胶结物或早期胶结物溶蚀残余,然后从镜下观察入手,以成岩作用序列为主线将微观现象有机地联系起来,进而分析哪一种假设更具有客观真实性。文中将油气成藏之前、之时和之后的砂岩成岩过程分别称之为成岩早期、成岩中期和成岩晚期。雅布赖盆地构造演化史分析表明,新河组砂岩油藏的形成时间为晚侏罗世中后期,之后,埋藏深度变浅,烃源岩停止生烃,油气成藏活动基本结束(吴晓智等,2015;高岗等,2017)。

3.1 假设星点状方解石为晚期胶结物

假设星点状方解石为成岩晚期的胶结物,则粒间孔隙为原生粒间孔隙。

浸染状方解石胶结的砂岩,碎屑颗粒间的接触关系通常表现为点状或基底式接触,标示其形成于成岩早期,这种认识已被广泛接受。在团块状和斑块状方解石发育的微域中,碎屑颗粒之间也通常表现为点状或基底式接触关系,说明团块状和斑块状方解石也形成于成岩早期。

陆相砂岩中,碎屑颗粒次生加大的物源通常是长石和富长石质碎屑溶蚀所产生的流体,而长石和富长石质碎屑颗粒的溶蚀需要酸性流体作为溶蚀剂。一般情况下,酸性溶蚀流体有3个来源:有机酸流体、大气水和深源CO2流体(Shanley and Cluff, 2015)。分析具体地质情况可知,新河组砂岩经历过构造抬升,但并未曾到达地表遭受过大气水淋滤。虽然发育基底断裂,但目前仍未发现有深源CO2流体对新河组砂岩溶蚀的迹象。因此,有机酸流体是砂岩遇到酸性溶蚀流体的唯一机会,这已经被构造演化(钟玮等,2013;杨波等,2018)和油气成藏研究所证实(吴晓智等,2015;高岗等,2017)。

综合微观现象分析,推断雅布赖盆地新河组砂岩的成岩作用序列为:成岩早期的浸染状、团块状、斑块状方解石胶结物→成岩中期油气充注→成岩早期的方解石胶结物溶解→长石和火山岩岩屑溶蚀→碎屑颗粒次生加大→成岩晚期星点状方解石胶结→团块状、斑块状和星点状方解石溶解。但基于这种假设的成岩作用序列分析有以下3点不足之处。

(1)上已述及,成岩中期的有机酸是砂岩遇到酸性溶蚀流体的唯一机会,因此,成岩晚期的星点状方解石胶结物错过了有机酸对其进行改造的时间。那么,星点状方解石的溶蚀流体谁提供的说不清楚。

(2)成岩早期能够形成体积较大的团块状和斑块状方解石,为何不在邻近的原生粒间孔隙中沉淀体积较小的星点状方解石。这显然难以给出合理的回答。

(3)点状方解石胶结的微域,原生粒间孔隙多,碎屑颗粒间的接触关系也常见点接触和基底式接触,表明压实作用较弱,这显然不符合一般地质规律。浸染状、团块状、斑块状方解石发育的微域,因方解石形成于成岩早期,具有抗压实作用,碎屑颗粒之间点状和基底式接触是符合常理的。而粒间孔隙发育的微域,在成岩中期埋深曾超过3000 m的情况下,碎屑颗粒间仍能保持点状和基底式接触关系是令人难以接受的。

3.2 假设星点状方解石为早期胶结物的溶解残余

成岩中期的有机酸是新河组砂岩遭遇酸性溶蚀流体的唯一机会,那么,具有溶蚀现象的团块状、斑块状和星点状方解石是浸染状方解石的溶蚀残余的解释最为令人信服,其典型成岩作用序列为:成岩早期浸染状方解石胶结→成岩中期油气充注→浸染状方解石溶解为团块状、斑块状及星点状残余→长石和火山岩岩屑溶蚀→碎屑颗粒次生加大,成岩晚期没有发生过明显的成岩现象(图4)。

图4 雅布赖盆地新河组砂岩方解石胶结与溶解成岩作用过程图解Fig.4 Diagenesis process of caltite cementation and dissolution in the Xinhe Formation sandstones, Yabrai Basin

成岩早期,泥质沉积物压实作用的强度大于砂质沉积物压实作用的强度,砂、泥质沉积物中的流体产生压差,于是泥质沉积物中的碳酸钙过饱和压释水源源不断地进入相邻砂岩,方解石在碎屑颗粒之间沉淀下来,形成浸染状方解石胶结物,砂质沉积物转化为致密的钙质砂岩(图4a)。

成岩中期,有机质达到热成熟,开始生成油气并产生有机酸。在生烃增压作用下,油源岩与砂岩之间产生压力差,油气携带有机酸进入砂岩。浸染状方解石遇到有机酸发生一致性溶解,产生方解石溶孔,赋存状态转化为团块状,并使部分碎屑颗粒有机会与流体接触。长石和火山岩岩屑遇到有机酸发生非一致性溶解,产生次生粒内孔隙,并在就近的碎屑颗粒表面形成次生加大(图4b)。

随着油气持续充注,方解石继续发生一致性溶解,团块状方解石大多转化为斑块状和星点状方解石,方解石溶蚀孔隙转化为次生粒间孔隙,物性得到明显改善,流体运移通道畅通,长石和火山岩屑溶蚀产生的流体能够及时地移出,它们的溶蚀作用由非一致性溶解转化为一致性溶解,碎屑颗粒的次生加大作用停止(图4c)。成岩中期末,由于构造抬升,油源岩生烃作用停止,油气充注活动结束,砂岩油藏形成。

成岩晚期,砂岩的孔隙空间几乎全被石油占据,成岩作用停止。

从两种假设的对比分析可以看出,星点状方解石为成岩早期浸染状方解石的溶解残余的说法更为合理,成岩环境演化和成岩作用序列脉络清晰,所有微观现象都能够得到很好地解释。

调研相关研究文献发现,对方解石胶结物形成时间的看法目前仍然比较混乱,主要表现在以下3个方面:①以赋存状态确定形成时间,将浸染状、团块状、斑块状及星点状方解石视为不同时期从孔隙流体中沉淀的,认为星点状方解石所在的粒间孔隙为原生孔隙(谭先锋等,2015;沈健,2020);②认为浸染状方解石形成于成岩早期,其他赋存状态的方解石为成岩中期或成岩晚期的胶结物(钟金银等,2011,李阳等,2018;陈秀艳等,2020);③依据地球化学(如碳氧同位素、流体包裹体)分析测试数据确定形成时间,认为各种赋存状态的方解石形成于成岩中期或成岩晚期(Sun et al.,2014;付锁堂等,2015;王晔桐等,2020)。这些认识的不足之处有6点:①实验结果表明,体积1 cm×50 cm×50 cm、孔隙度40%、含3倍过饱和海水的砂层只能沉淀一个直径约1.25 mm的方解石球粒(Pettijohn et al., 1972),因此要形成砂岩中的方解石胶结物需要有足够的过饱和碳酸钙流体源源不断地供给,除泥岩压释水外,还有哪种流体可以持续不断地向砂岩提供如此多的过饱和碳酸钙?②成岩中期,油气携带有机酸进入砂岩,砂岩总体处于酸性流体中,不适宜方解石沉淀;③成岩后期,孔隙中通常是可流动油气和束缚水,总体表现为惰性成岩场,不可能形成大量方解石或其他碳酸盐胶结物;④不同赋存状态方解石发育的微域,碎屑颗粒之间的接触关系通常极为相似,以基底式接触、点接触和线接触共存,这表明它们大致形成于同一时间;⑤碳氧同位素和流体包裹体分析测试数据多解性强,对它们的解释必须服从于岩石学证据(Pettijohn et al., 1972;王大锐,2000;周晓峰等,2018);⑥方解石有溶蚀现象的情况下,往往难以弄清楚溶蚀流体来自哪里。

综上分析可知,精细解剖微观现象,以成岩环境演化和成岩作用序列为主线,重视方解石的物质和溶蚀流体来源研究,弄清楚方解石的胶结和溶解过程,合理地解释各种微观现象的相互关系,才能有效地识别储集空间类型。此次研究查明,雅布赖盆地新河组砂岩中的粒间孔隙为次生孔隙,储集空间类型由次生粒间孔隙和次生粒内孔隙组成,次生粒间孔隙是浸染状方解石胶结物一致性溶解的产物,次生粒内孔隙包括长石粒内溶蚀孔隙、岩屑粒内溶蚀孔隙和方解石胶结物溶蚀孔隙。

4 结论

(1)方解石通常是含油气砂岩体积最大、赋存方式多样化的胶结物,成岩信息丰富,其中粒间孔隙中星点状方解石成因(胶结或溶解)的认识对查明粒间孔隙的类型进而指导油气勘探有重要意义。星点状方解石为成岩晚期的胶结物则粒间孔隙为原生孔隙,而星点状方解石为成岩早期方解石的溶蚀残余则粒间孔隙为次生孔隙。

(2)雅布赖盆地方解石胶结物具有浸染状、团块状、斑块状及星点状等赋存方式,浸染状方解石形成于成岩早期,而团块状、斑块状及点状方解石是浸染状方解石胶结物的溶蚀残余,溶蚀流体为成岩中期的有机酸流体,溶蚀类型为一致性溶解,形成的粒间孔隙为次生孔隙。

(3)含油气砂岩中粒间孔隙是原生孔隙还是次生孔隙的认识仍不一致,推荐以星点状方解石的成因(胶结或溶解)研究作为含油气砂岩粒间孔隙类型研究的突破口,研究过程中强调以岩石学特征作为第一手资料,以成岩环境演化和成岩序列分析为主线,重视方解石胶结物的赋存状态与物质来源和溶蚀流体来源的配置关系。