微区原位测温技术建立储层填隙物成岩演化序列——以鄂尔多斯盆地陇东地区长8为例

师强, 时保宏*

(1.西安石油大学地球科学与工程学院, 西安 710065; 2.西安石油大学陕西省油气成藏地质学重点实验室, 西安 710065)

储层成岩作用是指碎屑沉积物在沉积之后到变质之前所发生的各种物理、化学及生物的变化,它不仅控制孔隙的形成、保存和破坏,而且与油气充注密切相关[1-5]。成岩作用常用的方法和手段分为薄片和铸体薄片鉴定、阴极发光显微镜观察、扫描电镜、X-射线衍射分析等9种[6],但实际研究中,主要以薄片鉴定和扫描电镜观察为主[7-9]。为更精确地研究成岩作用,一些学者开始尝试新的方法和手段,张文涛等[10]利用热力学定量分析获得成岩反应中pH是主要的影响因素;周锋徳等[11]用有机质热演化指标和黏土矿物分布规律对储层成岩阶段进行划分,发现不同成岩阶段对应的Ro(镜质体反射率)和Tmax(最大热解峰值)具有明显的划分界线。以上成岩作用研究过程均涉及填隙物的研究过程,因此有必要对填隙物进行深入分析。

填隙物是储层岩石的重要组成部分,其含量、类型、特征和转化对储层成岩作用具有重要影响,也是储层成岩演化结果的重要记录[12-15],同时其演化过程的复杂性造成石油在同一致密储层的不同部位的富集程度明显不同[16]。随着先进测试手段的不断更新,对填隙物有了更精细化的研究方法[6]。微区原位分析是一项能够在微米尺度上揭示元素构成、化学成分和结构的技术,它提供了“高分辨率、原位”的数据[17],可确定不同期次胶结物形成的准确时间。胡安平等[18]通过微区元素分析,塔里木盆地白云岩的雾心和亮边2种组构属于不同期次的产物,与前人的研究结果保持一致,印证了微区分析结果的可靠性;钟寿康等[19]使用电子探针对中粗晶白云岩晶体的研究表明,其具有内外结构、成分的差异。上述研究方法准确、定量地确定了成岩演化序列,同时能很好地解释多期次形成的胶结物,但缺乏同时定量研究几种填隙物成岩序列的手段。微区原位测温技术是利用微区分析填隙物的矿物组成、化学成分和结构有序性,可以恢复它们形成时的成岩环境温度[20-22]。黄保有等[20]运用碳质拉曼光谱与变质温度的相关公式,刘仕玉等[21]运用绿泥石地质温度计,杨晓璇等[22]运用碳氧同位素温度计算公式均取得良好的温度计算结果,以上学者对测温技术的应用为定量分析填隙物的成岩期次和成岩演化序列提供了可能。

现以鄂尔多斯盆地陇东地区长8储层为例,着重通过微区原位测温技术对研究区主要填隙物的成岩温度进行恢复,拟建立填隙物充填顺序,为研究区长8有利储层的筛选提供填隙物因素方面的地质依据,同时提供一种研究填隙物成岩温度和成岩序列的思路。

1 地质概况及储层

1.1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地地理上位于中国中西部地区,横跨蒙、陕、甘、宁和晋5省区,面积约为37×104km2。研究区位于鄂尔多斯盆地西南部,区域构造上位于伊陕斜坡的西南部[图1(a)],在构造特征上,整体呈东高西低。延长组是鄂尔多斯盆地主要的石油勘探层系,自下而上划分为10个油层组(长1～长10)[图1(b)],目的层长8划分为长81和长82小层,沉积亚相为三角洲平原和三角洲前缘,如表1所示。

表1 长8层位沉积相划分Table 1 Division of sedimentary facies in Chang 8 horizon

1.2 储层空间类型及物性特征

对研究区薄片资料统计得出,如图2所示,其岩石组分以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主,长石砂岩和岩屑砂岩较少。长81、长82储层粒度均以细砂岩为主,分选性整体以较好和中等为主。长8储层以原生粒间孔、岩屑溶蚀孔与长石溶蚀孔为主,而晶间孔和裂缝不太发育,如图3所示。长8储层孔隙度主要分布在3%～13%,其中长81储层的总面孔率为0～9.5%,平均2.43%;长82储层的总面孔率为0.2%～15.2%,平均3.10%。渗透率主要分布在0.04×10-3～5×10-3μm2。

GR为自然伽马测井曲线;SP为自然电位测井曲线;API为美国石油学会规定的自然伽马计量单位图1 研究区基本地质情况Fig.1 Basic geological conditions in the study area

图2 研究区长8储层砂岩组分Fig.2 Sandstone components of Chang 8 reservoir in study area

2 填隙物

填隙物包括杂基和胶结物,它们是沉积和成岩作用的综合产物[23]。陇东地区各区块填隙物含量介于11.6%～16.4%,主要由胶结物组成。研究区长8储层主要发育硅质胶结物、碳酸盐胶结物、绿泥石(3.4%)、伊利石(2.4%)、高岭石(0.4%)。长8储层填隙物中的杂基含量不足2%,而胶结物平均含量达到了14.3%,故本文研究中对填隙物的分析以胶结物为主。

2.1 填隙物类型及特征

2.1.1 黏土矿物

自生黏土矿物中绿泥石含量最高,以孔隙衬边或孔隙薄膜的形式产出,如图4(a)和图4(b)所示,这表明绿泥石形成于压实作用早期,部分充填孔隙[图4(c)],油气未充注的砂岩中,包膜呈黄褐色[图4(a)],若吸附了烃类物质则呈暗色边[图4(b)],扫描电镜下多呈叶片状、针叶状,晶体大小比较均匀[图4(d)和图4(e)],部分发生伊利石化形成火焰状伊利石[图4(f)]。

图3 研究区长8储层空间显微特征Fig.3 Spatial microscopic characteristics of Chang 8 reservoir in study area

研究区西南部物源区的长石和含长石的火山岩屑提供了Al3+的来源,长7烃源岩生烃早期排出大量酸性流体使长石蚀变为高岭石,且提供的稳定酸性成岩环境利于高岭石保存。自生高岭石附着在长石表面或充填于长石溶解后的扩大粒间孔,附着有机质时为深褐色、深棕色[图4(g)和图4(h)],扫描电镜下呈蠕虫状、书页状充填于粒间孔隙中,常与绿泥石共生[图4(i)]。

自生伊利石在储层中也较为常见,以网状集合体或鳞片状填充于粒间孔[图4(j)],扫描电镜下呈火焰状或丝发状[图4(k)],或形成蜂窝状、连片状伊蒙混层充填粒间孔[图4(l)],覆盖在石英、长石等颗粒上。

2.1.2 硅质胶结物

硅质胶结物在研究区含量少(1%～3%),分布广。长石类不稳定矿物的溶解形成了硅质胶结物所需的物质,以石英次生加大[图5(a)]存在,或以自形石英晶体赋存在绿泥石膜间隙和粒间孔中,如图5(b)和图5(c)所示;经常与自生绿泥石、伊利石共生,如图5(b)和图3(c)所示。研究区硅质胶结分为早、中、晚三期,以中期硅质胶结为主。

2.1.3 碳酸盐胶结物

碳酸盐胶结物是研究区最主要的胶结物类型。分布广泛,主要以交代物、溶蚀孔充填物或粒间胶结物形式存在。它通常是微晶、晶粒产状或交代石英加大边[图5(d)、图5(e)和图5(f)],多期次形成。它可以分为3个阶段:早期、中期和晚期。早期沉积水介质中的CaCO3在碱性条件下过饱和,沉淀为泥晶孔隙充填物,含量较高,为10%～30%,多为钙质砂岩。中期碳酸盐胶结物多填充在粒间孔中,碎屑颗粒多呈线接触,已遭受压实作用,形成时间晚。成分多为含铁方解石,晶粒大、含量高,2%～20%不等。晚期,当孔隙水中的Fe2+和Mg2+在高温高压、缺氧还原环境下,由于CO2分压降低时,这些离子很容易掺入方解石或白云石的晶格中形成含铁的晚期碳酸盐矿物[24]。多为干净的大晶粒,填充剩余的粒间孔,含量不高,变化在1%～3%,对石英、长石等骨架颗粒有较强的交代作用。

2.2 填隙物含量差异性

主要差异性在两个方面。砂岩粒度方面,填隙物差异性表现在:长81储层与长82储层3个不同粒度级别砂体的填隙物整体差异性一致;粒度越细填隙物含量越高;伊利石主要发育在粉砂岩内,碳酸盐主要发育在中砂岩和细砂岩内,绿泥石主要发育在细砂岩和粉砂岩内;硅质则主要发育在中砂岩内[图6(a)]。孔隙类型方面,长81在微孔、溶孔方面填隙物分布整体一致。碳酸盐胶结物在溶蚀孔和微孔中都发育,溶蚀孔中绿泥石不发育;粒间孔方面,长81绿泥石含量远低于长82,其内高岭石、伊利石、硅质则不发育[图6(b)]。

3 微区原位测温方法及原理

对3种主要填隙物进行微区测温实验,以期确定它们的生长习性、成岩序列中的演化过程和先后关系。

3.1 伊利石激光拉曼测温

当客观条件不变时,拉曼散射光的通量与单位体积内的分子数成正比。基于此原理,王强等[25]运用峰面积比值法,得到了温度与P3峰和P1峰的峰面积比值S3/S1有关,并建立它们之间数学关系,使得伊利石地温计有了理论基础。基于此对特征拉曼参数与温度关系进行了拟合,尝试获得伊利石的拉曼光谱变温函数,并得到伊利石温度的计算公式为

(1)

式(1)中:t为伊利石形成温度;P3为P3峰位置波长;S3/S1为P3峰与P1峰的峰面积之比。

3.2 绿泥石化学成分测温

Cathelineau等[26]提出Al4+含量与地层温度具有正相关,并作为绿泥石地质温度计。后经学者们[27-28]的完善,形成了绿泥石成岩温度的计算公式[21,29]为

(2)

d001=14.339-0.115 5Al4+-0.020 1Fe2+

(3)

式中:Al4+、Fe2+分别为绿泥石化学成分对应的含量;t为绿泥石形成温度;d001为面网间距。

图5 研究区长8储层硅质、碳酸盐胶结Fig.5 Siliceous and carbonate cementation of Chang 8 reservoir in study area

图6 研究区长8储层填隙物含量Fig.6 Interstitial content of Chang 8 reservoir in study area

通过电子探针微区(束斑1 μm)分析得出绿泥石化学成分Al4+、Fe2+含量,通过式(2)求出面网间距,便可以代入式(3)得出绿泥石的形成温度。

3.3 碳酸盐胶结物微钻取样碳氧同位素测温

当矿物相一定时,其碳氧同位素值则由水体的温度与盐度决定[30-32]。Keith等[32]提出了古水体盐度的经验公式,该经验公式被许多学者广泛使用[22-33],Shackleton[34]在前人基础上提出了估算古流体温度标定范围(0～500 ℃)最广的公式。

Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)

(4)

t=16.9-4.38(δ18O-δ18Ow)+0.10(δ18O-δ18OW)2

(5)

图7 实验仪器Fig.7 Experimental instruments

式中:Z为计算的古盐度;δ13C、δ18O分别采用PDB(pee dee belemnite)标准的碳同位素值、氧同位素值;t为古流体温度;δ18Ow为标准样品形成时水介质的氧同位素值。

根据长8层位淡水环境的特点,取大气淡水与海水的混合值为-2.5‰。根据Keith等[32]的古盐度公式[式(4)]与Shackleton[34]的测温公式[式(5)]计算研究区长8储层中碳酸盐胶结物形成时的古流体盐度与温度。

3.4 实验仪器条件

本次实验在甘肃省油气资源重点实验室完成,仪器为法国JobinYvon公司生产的LabRAM HR型激光拉曼光谱仪,如图7(a)所示。实验条件为:He/Ne激光光源,15 mW,共焦孔1 000 μm,狭缝100 μm,积分时间30 s,扫描范围3 600～3 720 cm-1,所有谱线均采用标准硅薄片的拉曼散射线(520 cm-1)进行校正,谱图分析由Labspec4.02软件完成。

本次实验在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室完成,实验仪器为日本电子JXA-JEOL-8230型号电子探针显微分析仪,如图7(b)所示;分析电压:15 kV;分析电流:20 nA;K、Al、Fe分析标样为黑云母,Na、Si分析标样为硬玉,Cr分析标样为铬铅矿,Mn分析标样为蔷薇辉石,Mg的分析标样为绿泥石,Ti的分析标样为金红石,束斑直径为1 μm。

本次实验在中国科学院地质与地球物理研究所完成,阴极发光显微分析仪为RelionⅢ CL型、显微取样仪型号为Microdrilling[图7(c)],钻头直径为0.2 mm。碳氧同位素测定在甘肃省油气资源重点实验室完成,气体同位素比质谱仪为美国赛默飞Delta V型[图7(d)]。

4 测温结果和填隙物成岩序列

4.1 样品测试结果

筛选伊利石含量相对较高的样品,在激光拉曼镜下测温点位置及温度[图8(a)和图8(b)],温度较高,按照温度划分属于中成岩A-中成岩B期,与传统的伊利石形成于中成岩A-中成岩B期的认识一致。自生绿泥石膜距颗粒表面越近形成温度越低,这表明自生绿泥石膜生长具有连续性和期次性。即现今的绿泥石膜是在成岩过程中分多个阶段形成的,每一阶段具有对应的温度;自生绿泥石填隙的形成温度普遍较高,可知其在自生绿泥石形成序列中属于晚期产物,从形成温度来看属于中成岩A-中成岩B期产物;孔隙空间中的转角、死角以及曲折扁细的喉道更易堆积形成温度较高的晚期绿泥石膜,使得这些孔隙空间中的“犄角旮旯”基本被较厚的自生绿泥石膜所充填,如图8(c)和图8(d)所示。

图8 研究区长8储层微区选点测温Fig.8 Micro-area temperature measurement of Chang 8 reservoir in the study area

对陇东地区14个碳酸盐胶结物样品中的主力沉淀期进行了微钻取样、碳氧同位素测定。通过阴极发光照片可见样品中的碳酸盐胶结物主要为呈现橘红色的第二期碳酸盐胶结物和呈暗红色的第三期碳酸盐胶结物,这两期碳酸盐胶结物晶粒较为粗大且洁净,大多充填于剩余粒间孔中,呈孔隙式胶结。样品N168-6中主力沉淀碳酸盐胶结物更显暗红色,交代第二期碳酸盐胶结的特征更为明显,第二期胶结含量极少且多为孔隙衬边发育,如图8(e)和图8(f)所示。

4.2 主要填隙物的形成温度测定结果

本次实验最终对陇东样品的自生伊利石、绿泥石和碳酸盐胶结物分别进行激光拉曼分析(17个测试点)、电子探针分析(71个测温点)、碳氧同位素测定。如图9所示,陇东地区伊利石形成温度介于108.27～163.39 ℃,平均134.68 ℃,属于中成岩A-中成岩B期;绿泥石形成温度45.15～179.07 ℃,平均142.50 ℃;碳酸盐胶结物形成温度介于86.18～138.93 ℃,平均122.84 ℃,陇东地区主力碳酸盐胶结形成于中成岩A期。

从填隙物的生成温度来看,绿泥石形成温度相对最高,这与成岩后期由于地层埋藏深度大,温度压力增高,碱性富Fe2+或Mg2+环境下,蒙脱石会向绿泥石转换,黑云母被溶蚀出大量铁、镁离子,到达一定浓度会析出[35]。伊利石温度主要集中在100～160 ℃,这与中成岩A晚期和中成岩B早期碱性环境有很大关系,当环境中富含钾长石等溶蚀形成的K+时,就会沉淀出伊利石。碳酸盐胶结物也主要集中在100～140 ℃范围内,其情况与伊利石类似,都是由于碱性环境的产生而出现。

4.3 填隙物成岩序列

以镜下观察为基础,结合不同填隙物测试温度,对陇东区块长8储层充填顺序进行了定性分析。绿泥石环边发育在最早期,要早于石英加大边,晚期绿泥石以针叶状填隙形式存在或以自生绿泥石膜附着在颗粒表面[图4(e)],伊利石一般要晚于高岭石,以高岭石的伊利石化为特征[图4(f)],且要晚于早期绿泥石环边,另外,碳酸盐胶结物则以中期为主,一般晚于晚期自生石英。

图9 研究区长8储层主要填隙物形成温度分布图Fig.9 Distribution of formation temperature of main interstitials in Chang 8 reservoir in the study area

结合填隙物测温数据,以成岩阶段形成的温度对填隙物进行期次划分,得到了陇东地区长8储层填隙物充填顺序定量分析图,如图10所示。从图10可知,其填隙物充填顺序为:Ⅰ期绿泥石环边(45～90 ℃)→Ⅰ期碳酸盐胶结→Ⅰ期自生石英→高岭石+Ⅱ期自生石英→Ⅰ期伊利石(108～111 ℃)→Ⅱ期绿泥石(104～140 ℃)+Ⅱ期伊利石(115～135 ℃)+Ⅱ期碳酸盐(115～139 ℃)→Ⅲ期自生石英→Ⅲ期伊利石(143～163 ℃)→Ⅲ期碳酸盐→Ⅲ期绿泥石(141～179 ℃)。

图10 研究区长8储层填隙物充填顺序Fig.10 Filling sequence of Chang 8 reservoir in study area

5 结论

(1)研究发现陇东地区长8储层主要发育的填隙物有硅质、绿泥石、高岭石、伊利石及碳酸盐胶结物,主要以颗粒薄膜和粒间、粒内溶孔3种形态赋存。不同的填隙物含量存在明显的差异性,粒度越细填隙物含量越高,碳酸盐胶结物在微孔中发育显著,绿泥石在粒间孔中较好发育。

(2)实验表明伊利石测温的结果与传统方法得出的结果基本相一致;自生绿泥石膜垂直颗粒生长,距表面越远,形成温度越高,孔隙“犄角”处更易形成温度较高的晚期绿泥石膜;碳酸盐胶结物形成虽有多期,但形成过程存在主力沉淀期,实验计算的温度更为集中,其对储层影响效用最显著。

(3)借助微区分析测试技术手段,测定了绿泥石、伊利石、碳酸盐胶结物的形成温度。从填隙物的形成温度来看,绿泥石的形成温度区间大,为45.15～179.07 ℃,早期发育绿泥石环边,中晚期绿泥石以环边形式附着在石英加大边上,晚期绿泥石以自生绿泥石膜形式存在。伊利石属于中成岩A-中成岩B期,碳酸盐胶结形成于中成岩A期。依据填隙物形成温度定量地确定了研究区长8储层填隙物充填顺序。陇东地区填隙物充填顺序为:Ⅰ期绿泥石环边→Ⅰ期碳酸盐胶结→Ⅰ期自生石英→高岭石+Ⅱ期自生石英→Ⅰ期伊利石→Ⅱ期绿泥石+Ⅱ期伊利石+Ⅱ期碳酸盐→Ⅲ期自生石英→Ⅲ期伊利石→Ⅲ期碳酸盐→Ⅲ期绿泥石。