陇东地区延长组构造裂缝方解石脉特征及其与烃类流体活动的关系

郭 凯,曾溅辉,李元昊,刘涛涛

陇东地区延长组构造裂缝方解石脉特征及其与烃类流体活动的关系

郭 凯1,2,曾溅辉1,2,李元昊3,刘涛涛1,2

对自生矿物进行元素或同位素组成等地球化学分析可以追溯古流体的活动及可能的油气充注与运移历史[1-2]。自生方解石矿物由于对不同成岩环境的敏感性及其在含油气盆地中的广泛发育,被用来分析成岩环境及成岩流体的演化与活动过程[1,3]。研究表明,地层裂缝或断裂中形成的方解石充填物可以有效记录烃类流体的活动[4-6]。Caja等[5]发现方解石脉的形成与裂缝中烃类流体的运移可同时进行。鄂尔多斯盆地是中国中西部地区的大型含油气盆地,盆地内三叠系延长组发育典型的低渗透岩性油藏,其中延长组长6—长8段储层尤其致密,渗透率一般小于1×10-3μm2。盆地内广泛发育的构造裂缝可作为延长组石油运移的通道,对延长组低渗透砂岩的成藏具有重要作用[7-8]。由于低渗透砂岩储层的致密性特征导致油气在其中的运移阻力巨大,而裂缝的发育则可以有效沟通烃源岩与低渗储层并提高储层的渗流性能,大大改善低渗透砂岩石油的充注和运移能力。笔者通过陇东地区延长组构造裂缝方解石脉的微量元素、同位素地球化学分析对该区方解石脉的形成以及延长组广泛发育的构造裂缝对于源岩排烃及低渗透砂岩石油运移作用进行研究。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地在晚古生代进入陆内坳陷盆地发育阶段[9],在盆地持续沉降过程中发育的上三叠统延长组碎屑岩沉积是盆地内主要的石油勘探层系,由下至上共分为长10—长1十个油层组。其中,长7段为在湖盆鼎盛时期发育的一套含油页岩的湖相泥岩沉积,是盆地中生界的主力烃源岩[10]。陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部,地跨伊陕斜坡和天环坳陷两个构造单元(图1),面积约为3×104km2,长6—长8段是该区主力油层,储集砂体主要为三角洲前缘水下分流河道、河口坝、前缘席状砂以及滑塌浊积砂体,岩石类型主要为长石砂岩、岩屑长石砂岩,受沉积与成岩作用控制表现为典型的低渗透砂岩储层[3]。目前已在该区南部庆阳、镇北及合水地区的长8段及北部白豹-华池地区的长6段等见工业油流或形成规模储量,本次所取得的构造裂缝方解石脉样品主要位于该区延长组地层(图1)。

图1 陇东地区构造位置及分析井位置Fig.1 Structure loctation and location of analysis wells of Longdong area

2 延长组构造裂缝及其方解石脉特征

陇东地区构造裂缝主要为在燕山期和喜马拉雅期古构造应力场控制下形成于晚侏罗世和晚白垩世—古近纪的两期剪切裂缝[11-12]。受岩层非均质性影响,该区主要发育燕山期NW向和喜马拉雅期NE向裂缝[12]。岩心观察表明,该区构造裂缝主要为高角度或垂直裂缝,缝面平直,缝长一般为10～30 cm,部分可达30 cm甚至大于1 m,缝宽一般小于2 mm。在所统计的188条裂缝中,砂岩与粉砂岩中发育的裂缝分别约占70%和22%,而泥岩中仅占8%,且发育于砂岩的裂缝一般都终止于上下泥岩界面,表明裂缝的发育受岩性影响显著。裂缝可分为充填缝和未充填缝,由于喜马拉雅期形成的裂缝系统大多未被充填[8],因此被充填的裂缝可能主要是燕山期发育的。充填缝主要被方解石充填且有的方解石脉被原油浸染(图2(a),(b)),甚至在方解石脉体内可见到明显的含油现象(图2(c)),表明该区方解石脉的形成与油气运移关系密切。染色薄片观察表明,该区构造裂缝内充填的方解石主要为含铁或铁方解石(图2(d)),可能为成岩晚期的产物。

图2 延长组构造裂缝方解石脉岩相学特征Fig.2 Petrographic characteristics of calcite veins in tectonic fractures of Yanchang formation

3 样品分析

在核工业北京地质研究院JXA-8100电子探针分析仪上对陇东地区延长组7件构造裂缝方解石脉样品进行元素组成定量分析,测试条件为加速电压20 kV,束流1×10-8A。测试结果表明,陇东地区延长组构造裂缝内充填的方解石均为含铁或铁方解石,其FeO含量一般为0.19%～1.12%,MgO含量一般为0.10%～0.35%,MnO含量一般为0.43%～1.55%,Sr含量最低,SrO含量一般小于0.14%(表1)。

对陇东地区延长组24件构造裂缝方解石脉进行了碳、氧同位素组成分析,其中,砂岩方解石脉20件,暗色泥岩方解石脉4件。对收集的方解石脉先用二氯甲烷萃取掉原油,后用蒸馏水清洗,在60℃的烘箱里烘干4 h,并用玛瑙研钵研磨至小于150 μm。将研磨后的样品用磷酸法制得二氧化碳气体,并在MAT253EM型稳定同位素质谱仪上测定方解石脉的碳、氧同位素组成。测试数据以PDB(北美皮狄组美洲拟箭石的缩略语)标准的δ千分率偏差给出,分析精度为±0.2‰。结果表明,陇东地区延长组砂、泥岩裂缝方解石脉的δ13CPDB为-6.6‰～2.7‰,δ18OPDB为-23.0‰～-14.9‰。砂岩与泥岩中的方解石脉碳、氧同位素组成分布较一致,砂岩方解石脉的δ13CPDB为-6.6‰～1.1‰,δ18OPDB为-23.0‰～-14.9‰；泥岩方解石脉的δ13CPDB为-2.4‰～2.7‰,δ18OPDB为-22.5‰～-16.3‰(表2)。

表1 延长组构造裂缝方解石脉的电子探针元素组成分析结果Table 1 Analysis results of element components of tectonic fracture-filling calcite by EPMA in Yanchang formation

表2 延长组构造裂缝方解石脉的碳、氧同位素分析结果Table 2 Analysis results of isotopic compositions of carbon and oxygen of tectonic fracture-filling calcite in Yanchang formation

4 方解石脉的成因与烃类流体活动

4.1 方解石脉的微量元素组成与成脉流体来源

陇东地区延长组方解石脉的Sr含量很低,因而主要对Fe、Mg和Mn的相对含量进行分析。该区方解石脉Fe元素相对含量在20%～60%,Mn元素相对含量在20%～70%,而Mg元素相对含量一般低于20%,以相对富集Fe和Mn而贫Mg为特征(图3)。研究表明,陇东地区延长组发育了大量晚期铁方解石胶结物,这些晚期铁方解石胶结物的形成与有机质脱羧作用有关,是指示研究区烃类流体在储层中发生显著运移的典型自生矿物[3,13]。从延长组储层铁方解石胶结物与方解石脉微量元素的关系可知,该区裂缝方解石脉的Fe、Mg和Mn的含量与储层铁方解石胶结物的元素分布一致(图3),表明两者很可能具有相近的成岩流体来源。因此,裂缝方解石脉相对富集Fe、Mn元素且其微量元素分布与晚期铁方解石胶结物相同表明,方解石脉的形成可能与烃类流体活动有关。

由于Mn在酸性、中性和基性火山岩中的含量分别为(600～800)×10-6、(1 200～1 500)×10-6和(1500～2 500)×10-6[14],而在大气水和海水中Mn的含量却极低,一般小于0.1×10-6[14-15],因此碳酸盐矿物中Mn的富集最有可能反映其与火山物质的关系,是典型的与火山物质相关的元素[2]。本区裂缝方解石脉相对富集Mn元素,其含量一般为(3060～12006)×10-6,平均为6181×10-6(表1),如此高的Mn含量表明成脉流体与火山物质可能存在一定关系。研究表明,鄂尔多斯盆地延长组长7段发育了多达数十层的薄层凝灰岩,且以西南部陇东地区最为发育[16]。这些凝灰岩中含有大量的长石等易溶组分,且已不同程度地蚀变成伊蒙混层和伊利石等黏土矿物[16]。因而可以推测,长7段主力烃源岩成熟演化过程中产生的酸性流体将首先与其内部凝灰岩等火山物质作用,造成凝灰岩溶蚀蚀变,并产生大量Ca2+、Fe2+、Mn2+和Mg2+等还原性金属离子,而富含金属离子的烃类流体进入砂岩或泥岩裂缝后在合适的温压与酸碱度条件下沉淀形成铁方解石充填物,因此本区方解石脉中Mn的富集主要与长7段烃源岩生成的酸性烃类流体对其内部凝灰岩等火山物质的溶蚀有关。

图3 延长组铁方解石胶结物与构造裂缝方解石脉微量元素组成三角图Fig.3 Ternary plot illustrating the elemental composition of tectonic fracture-filling calcite and ferroan calcite cements in Yanchang formation

4.2 方解石脉的碳、氧同位素组成与成脉流体来源

从图4中可以看出,研究区方解石脉的碳、氧同位素组成明显不同于海相碳酸岩(图4中Ⅱ区),也不同于与幔源CO2有关的岩浆成因碳酸岩(图4中Ⅳ区),表明方解石脉的形成与海水沉淀物以及与幔源CO2的关系不大。同时,与典型陆相沉积碳酸岩相比(图4中Ⅴ区),两者无论是碳同位素组成还是氧同位素组成都具有很大的不同,说明其并非湖水沉积的产物。由于大气CO2(δ13C为-7‰)和土壤CO2(δ13C为-25‰)中十分富集12C,受大气水影响形成的方解石的碳同位素组成往往表现为高负值[19],而这显然不符合本区方解石脉的碳同位素组成。因而,研究区方解石脉的形成与无机碳源关系不大,可能主要与有机碳源有关。王大锐等[4]指出,高温变质水分解并携带的热解烃类物质进入裂缝中可形成与有机碳源有关的贫18O的方解石沉淀(图4中Ⅵ区)。本区方解石脉的碳、氧同位素组成主要分布于这一区域,进一步说明其形成与烃源岩演化产生的有机碳源有关。

图4 延长组构造裂缝方解石脉的碳、氧同位素组成与相关数据比较Fig.4 Isotopic composition of carbon and oxygen of tectonic fracture-filling calcite in Yanchang formation and its comparison with other datas

图5 延长组构造裂缝方解石脉的碳、氧同位素组成分布Fig.5 Isotopic composition of tectonic fracture-filling calcite in Yanchang formation

沉积岩中的有机质在演化过程中一般多会经历氧化作用(OX)、细菌硫酸盐还原作用(BSR)、甲烷生成作用(Me)和有机质脱羧作用(D)[20-21]。在BSR带主要形成贫13C和18O较亏损的贫铁碳酸盐[21](图5中Ⅰ区,图版据王大锐[22])；而Me带内形成的二氧化碳则相对富集13C,其碳同位素组成可高达15‰[21],该带内生成的碳酸盐相对富集13C而氧同位素组成分布较宽(图5中Ⅱ区)；D带在较高温度下有机质发生脱羧作用产生的二氧化碳碳同位素组成主要在-10‰～-20‰[21-22],该带内生成的碳酸盐的碳同位素组成明显偏负而氧同位素组成也明显亏损(图5中Ⅲ区)。本区砂岩和泥岩裂缝方解石脉的碳、氧同位素组成表明其形成主要与甲烷生成作用和有机质脱羧作用有关。因此,延长组构造裂缝内方解石脉的形成与长7段主力烃源岩的成熟演化过程密切相关,其形成过程伴随着烃类流体的活动。

4.3 方解石脉的形成时间及其与烃类流体活动的关系

烃源岩在甲烷生成作用期间(温度低于75℃)可伴生相当数量的二氧化碳,而当温度处于80～120℃时,有机质脱羧作用可生成大量二氧化碳和有机酸,且在这一温度范围内有机质开始生油并在100～120℃时达到生油高峰[23-24]。因此,有机质演化过程中二氧化碳的产生一般早于或同步于石油的生成,其提供的用于成岩胶结的碳源也早于或同步于石油的生成和运移[24]。由于本区长7段烃源岩主要在早白垩世期间开始成熟并达到生油高峰[25],因而大量的二氧化碳主要产生于早白垩世长7段烃源岩持续埋藏演化期间。前述方解石脉的微量元素和碳、氧同位素组成表明,本区方解石脉的形成主要与长7段烃源岩演化过程中的甲烷生成作用和有机质脱羧作用有关,即主要形成于早白垩世二氧化碳大量生成时期,因此被方解石充填的裂缝应主要为侏罗纪末期发育的构造裂缝。早白垩世末期以来发生的区域性构造抬升使得延长组烃源岩生烃终止,二氧化碳的产生也随之停止,因此导致喜山期发育的裂缝大多数未被充填[8]。

综合分析认为,本区构造裂缝充填的方解石脉主要是在早白垩世期间烃类流体的活动参与下形成的,其形成稍早于或同步于烃类流体的大规模活动。早白垩世期间长7段烃源岩成熟生烃,同时伴生大量二氧化碳和有机酸,所形成的酸性烃类流体首先对烃源岩层系内部火山物质溶蚀,有机酸在烃源岩内部被中和,使得油源流体富含大量以Mn为代表的金属离子。由于烃类流体的pH值受羧酸根阴离子缓冲并保持在约5.4,且持续较高的二氧化碳分压使得碳酸盐溶解度降低[23],使进入泥岩或储层砂岩裂缝中的流体沉淀形成充填裂缝的方解石脉。因此,本区燕山晚期和喜马拉雅期发育的两期构造裂缝,尤其是侏罗纪末期发育的裂缝在早白垩世长7段主力烃源岩生排烃期间构成了烃类流体活动的重要通道,不仅能沟通烃源岩与致密砂岩储层,而且可提高低渗储层的渗流能力,对研究区烃源岩排烃及低渗透砂岩储层的油气运移具有重要的输导作用。

5 结 论

(1)陇东地区延长组构造裂缝内充填的方解石为含铁或铁方解石,以相对富集Fe和Mn而贫Mg为特征,方解石脉中Mn元素的富集主要来自于酸性烃类流体对长7段烃源岩层系内部凝灰岩等火山物质的溶蚀。

(2)陇东地区延长组构造裂缝充填方解石的形成受海相碳酸岩、幔源CO2及大气CO2的影响不大,而主要与长7段烃源岩演化过程中甲烷生成作用产生的相对富13C二氧化碳和有机质脱羧作用产生的贫13C二氧化碳有关。

(3)陇东地区延长组构造裂缝方解石脉主要形成于早白垩世长7段烃源岩成熟演化期间,且稍早于或同步于烃类流体的大规模活动,侏罗纪末期形成的裂缝构成了延长组烃类流体活动的重要通道,对研究区烃源岩排烃及低渗透砂岩储层的油气运移具有重要意义。

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(编辑 徐会永)

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249；2.中国石油大学地球科学学院,北京 102249； 3.中国石油长庆油田勘探开发研究院,陕西西安710021)

通过微量元素与稳定同位素分析对鄂尔多斯盆地陇东地区延长组广泛发育的构造裂缝方解石充填物的成因及其与烃类流体活动的关系进行研究。结果表明:该区砂泥岩裂缝中充填的方解石为相对富集Fe和Mn而贫Mg的(含)铁方解石,其δ13CPDB为-6.6‰～2.7‰,δ18OPDB为-23.0‰～-14.9‰；方解石脉中富集的Mn元素主要源于酸性烃类流体对长7段源岩内部凝灰岩的溶蚀,其成因主要与有机质演化过程中甲烷生成作用产生的相对富13C二氧化碳和脱羧作用产生的贫13C二氧化碳有关；方解石脉主要形成于早白垩世长7段烃源岩生排烃期间,稍早于或同步于烃类流体的大规模活动,侏罗纪末期形成的裂缝构成了延长组烃类流体活动的重要通道,有利于烃源岩排烃及低渗透砂岩储层的油气运移。

裂缝充填方解石；微量元素；稳定同位素；烃类流体；鄂尔多斯盆地

Geochemical characteristics of tectonic fracture-filling calcite in Yanchang formation of Longdong area and its relationship with hydrocarbon fluid flow

GUO Kai1,2,ZENG Jian-hui1,2,LI Yuan-hao3,LIU Tao-tao1,2

(1.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing 102249,China；
2.College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China；
3.Research Institute of Exploration and Development,Changqing Oilfield,PetroChina,Xiıan 710021,China)

The origin of calcite veins and their relationship with hydrocarbon fluid flow were studied by analyzing trace element and stable isotope,which occurred extensively in the widely distributed tectonic fractures of Yanchang formation in Longdong area of Ordos Basin.The results show that calcite veins in sandstones and mudstones are all ferrocalcite with relatively high Fe and Mn content and low Mg content,and their δ13C ranges from-6.6‰to 2.7‰(PDB)and δ18O ranges from-23.0‰to-14.9‰(PDB).Combining these data with geological features,it is indicated that the enrichment of Mn in calcite veins is attributed to corrosion of volcanic tuff in Chang 7 member by hydrocarbon fluid,and the formation of these calcite veins is associated with carbon dioxide of rich13C generated by microbial methanogenesis and that of poor13C generated by thermal decarboxylation.The calcite veins mainly formed in the Early Cretaceous during oil generation and expulsion of source rocks in Chang 7 member,and their formation was prior to or coeval with extensive hydrocarbon fluid flow.The tectonic fractures formed in the Late Jurassic are significant fluid flow pathway and play an important role for oil expulsion from source rocks and migration through low permeability sandstones.

fracture-filling calcite；trace element；stable isotope；hydrocarbon fluid；Ordos Basin

TE 122

A

1673-5005(2013)02-0036-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.02.006

2012-07-26

国家自然科学基金项目( 40772088；41172128)

郭凯(1986-),男,博士研究生,主要从事盆地流体分析与油气成藏方面的研究。E-mail:gk1228@126.com。