燕山地区高于庄组碳酸盐岩成岩作用与孔隙演化

2014-08-04郑秀才王正允熊平长江大学工程技术学院湖北荆州434020

石油天然气学报 2014年12期

关键词：元古界溶孔白云石

郑秀才,王正允,熊平 (长江大学工程技术学院,湖北荆州434020)

张天君 (中石油青海油田分公司涩北作业公司,青海海西817000)

燕山地区高于庄组碳酸盐岩成岩作用与孔隙演化

郑秀才,王正允,熊平 (长江大学工程技术学院,湖北荆州434020)

张天君 (中石油青海油田分公司涩北作业公司,青海海西817000)

通过对野外露头、浅井岩心、普通薄片、铸体薄片、阴极发光、碳氧同位素及流体包裹体等资料的分析,对高于庄组碳酸盐岩成岩作用及孔隙演化进行了综合研究,详细阐述了成岩作用的主要类型、产物及其对储层的影响。研究表明:成岩作用控制着孔隙的演化过程;孔隙演化经历了早期溶蚀-充填、表生溶蚀-充填和埋藏溶蚀-充填3个阶段;碳酸盐岩的原生孔隙消失殆尽,次生孔隙发育程度取决于晚期埋藏溶蚀作用和破裂作用;第2期主要成藏期始于三叠纪,略早于第3期充填-胶结作用,与孔隙演化的配适性较好。

高于庄组;成岩作用;孔隙演化;燕山地区

自20世纪60年代以来,国内外陆续在中新元古界的海相碳酸盐岩地层中勘探发现了相当数量的原生油气资源[1,2],证实了该古老地层具有一定的勘探前景。长期以来,燕山地区中新元古界以其较低的有机质热演化程度和广布的液态油苗引起了广大石油地质学者的兴趣。通过对区内基础石油地质条件的研究[2～5],普遍认为燕山地区的中新元古界具有良好的勘探前景,但迄今为止,仍没有取得重大突破。过往的研究主要集中在构造演化、沉积环境、古地理、油气生成条件等方面,对成岩作用的研究尚不够系统、深入。笔者从岩石学入手,借助于氧碳同位素、流体包裹体、扫描电镜等分析、测试手段,深入研究了燕山地区高于庄组 (Chg)海相碳酸盐岩的成岩作用及孔隙演化,对该区油气勘探具有重要的现实意义。

1 区域地质背景

图1 研究区位置图

燕山地区位于华北地块东北部,大地构造位置属于燕辽裂陷槽,是我国中新元古界发育最全,保存最好的地区之一。其构造单元包括山海关隆起、密怀隆起、宣龙坳陷、京西坳陷、冀北坳陷、冀东坳陷和辽西坳陷(图1)。中晚元古代,燕辽裂陷槽的岩相古地理及其演化经历了长城系沉积时期的断陷海槽、蓟县系沉积时期的强烈凹陷和青白口系沉积时期的稳定陆表海3个发展阶段[6～8]。区域上,在太古界变质岩基底之上,中晚元古代沉积了一套横向上稳定且厚度巨大的海相碳酸盐岩夹碎屑岩地层,总厚度约8000～14000m,自下而上分别为长城系大红峪组和Chg,蓟县系杨庄组、雾迷山组(Jxw)和洪水庄组(Jxh),该次研究的目的层段为Chg。Chg沉积时期,燕山北部地形平坦,气候温暖,地壳广泛平稳下降。初期基本继承了大红峪沉积时期的浅水环境,主要为一套含陆源砂的白云岩,沉积环境为广泛的碳酸盐潮坪环境;中期海平面上升,发育一套浅海深水台盆相瘤状灰岩和深灰-黑色页岩;晚期水体相对变浅,发育一套潮坪相白云岩。

2 成岩作用类型

2.1 同生(准同生)白云岩化作用

通过观察野外露头,白云岩呈薄层至中层状,纹层发育,常与藻叠层石共生,见有干裂等暴露标志。镜下观察可见保存较为完好的显微沉积层理,白云石多为泥晶-粉晶级,且以泥晶为主,少量细粉晶,晶体呈他形至半自形镶嵌状接触,结构均匀 (图2(a)),一般含较多的包裹物,正交偏光显微镜下均匀消光。其阴极发光较弱,多呈暗红色,与白云质灰岩和泥晶灰岩有相近的碳氧同位素组成(图3),其中δ13C在-0.12‰～-1.13‰之间,平均-0.438‰,δ18O在-4.03‰～-6.7‰之间,平均-5.556‰。上述特征均反映了白云岩为准同生作用形成[9～12]。从形成环境来看,区内白云岩主要形成于潮坪环境,碳氧同位素计算得到的古盐度指数Z大于120,古温度为36～49℃[13],表明同生(准同生)白云石化作用发生在地表或极浅层的海水环境,与海水或地表温度相近。

2.2 溶蚀(或岩溶)作用

根据溶蚀 (或岩溶)作用发生的先后顺序及环境,大致可将其划分为3期:

第1期为成岩早期,沉积物处于近地表淡水环境,形成一些选择性溶孔。该类溶孔不发育,仅限于部分潮下和潮间带的颗粒白云岩、叠层石白云岩和灰岩中,一般占到孔隙总数的1%～3%。溶蚀孔隙在颗粒白云岩中主要为粒内、粒间孔;叠层石白云岩和灰岩中主要为似窗格孔 (图2(b))。溶蚀孔隙一般较快被方解石或白云石充填,对研究区储集空间贡献不大。

第2期为表生淡水溶蚀 (或岩溶)作用。上部以垂直方向的渗滤作用为主,发育不规则硅质条带、团块状白云岩或灰质白云岩,由于碳酸盐组分的淋滤流失,硅质条带或团块发生错位,相对含量增加,形成富硅质结壳层;下部以水平方向的溶解作用为主,形成主体为角砾岩的岩溶带,角砾岩内发育溶缝、溶孔,偶见较大的溶洞。上述孔隙大部分被细晶-粗晶方解石、古风化面上渗滤的泥质或细碎屑物质充填(图2(c))。

第3期为埋藏溶蚀 (或岩溶)作用。区内埋藏溶蚀作用主要表现为溶蚀无选择性,溶孔多为粒内溶孔(图2(d))、粒间溶孔、基质重结晶的晶间溶孔、亮晶充填-胶结物晶内溶孔。此外,还有部分次生孔、缝沿构造裂缝和岩溶淋滤管等边界发育。

2.3 充填-胶结作用

充填-胶结作用主要分为3期:

第1期大致发生在浅埋藏阶段,主要充填-胶结原生粒间孔,溶蚀孔、洞、缝,藻窗格孔等。该阶段的充填-胶结物主要为方解石或白云石,矿物颗粒相对较为细且洁净,沉淀于原生孔 (图2(e))及表生古岩溶形成的溶缝 (孔)中,或与泥质、细碎屑物共同充填于淋溶管内。该期方解石的δ13C在-0.85‰～-1.19‰之间,δ18O在-9.21‰～-12.54‰之间,计算所得的古温度平均为76.8℃。

第2期发生在中埋藏阶段,主要充填-胶结物为碳酸盐(图2(f))和硅质(图2(g))等,充填于埋藏期溶蚀作用所形成的孔缝中。与第1期胶结-充填碳酸盐矿物相比,该期充填物晶体较为粗大,自形程度较好,具有明显的生长世代性(图2(b)),晶体内常富含烃类包裹体(图2(h))。氧同位素组成明显负偏移(图3),δ18O为-17.82‰～-23.87‰,平均其-19‰,计算所得的古温度平均为155.1℃。

第3期发生在深埋藏阶段。该期充填胶结物以鞍状白云石、铁白云石和重晶石 (图2(i))为特征,见少量自生石英。重晶石流体包体的均一温度一般为182～294℃,平均234.7℃。

2.4 重结晶作用

重结晶作用表现为泥晶中出现粉晶以上的晶粒,且颗粒大小不等、分布不均,常形成不规则或具粗粒结构的条带及斑块(图2(j))。区内重结晶作用主要形成粉晶白云岩 (灰岩)和细晶-粗粉晶白云岩(灰岩)。粉晶白云岩(灰岩)全岩δ18O在-7.38‰～-7.71‰,平均-7.545‰,由此计算的古温度平均为54.7℃;细晶-粗粉晶白云岩(灰岩),晶体较为洁净,以自形-半自形晶为主,可发育少量晶间孔(图2(d)、(k)),其δ18O明显偏低(图3),在-18.31‰～-21.46‰,平均-20.47‰,由此计算所得的古温度为135.4～164.8℃,平均155.4℃。

图2 研究区成岩作用及其特征镜下照片

2.5 压溶作用

压溶作用主要发生在深埋藏成岩环境中,露头上表现为齿状缝合线,多顺层分布,彼此平行。缝合线附近见有白云石、黄铁矿等伴生,其自身多为铁泥质及有机质充填(图2(k))。缝合线可以作为油、气、水的运移通道,对油气运移和埋藏溶解作用起到积极的作用。

2.6 构造破裂作用

野外露头和浅井岩心观察发现,构造裂缝在Chg碳酸盐岩中普遍发育。根据裂缝的产状、切割关系、充填物性质等初步认为,区内发育3期构造裂缝。

第1期裂缝大致形成于成岩早期,常被压溶缝合线切割(图2(k)),多为以高角度与层面相交的张裂缝,长度一般在8～25cm,线密度20～40条/m。裂缝壁一般较为平直,被溶蚀时可形成不规则的缝、洞。该期裂缝被方解石、白云石和硅质全充填。

第2期大致形成于成岩中期,主要为 “X”型节理,切割第1期形成的裂缝充填物。该期裂缝被较粗的方解石(白云石)全充填(图2(f))。

第3期裂缝发育于成岩晚期,多呈网状 (图2(l)),延伸距离短、形状不规则。大部分裂缝被后期的溶蚀作用所改造,缝壁呈蚕食状、港湾状。该期裂缝多为方解石和白云石等不同程度的充填,部分被有机质充填,常与溶蚀孔、洞配置形成缝洞型储集空间。

图3 不同成岩组分的δ13 C和δ18 O分布图

3 孔隙演化

3.1 成岩序列与孔隙演化

根据成岩作用类型及其发生的序次关系,成岩环境特征,氧碳同位素及包裹体测温资料,绘制了研究区成岩序列与孔隙演化关系图 (图4)。

同生 (准同生)期的成岩作用以白云石化作用为主,潮坪环境下形成的灰泥沉积物中,孔隙水尚未脱离潮坪环境水体的影响,由于文石、高镁方解石及方解石的析出,水体中镁钙比升高,发生同生(准同生)白云岩化作用,形成泥粉晶白云石。生物白云石化作用在叠层藻发育的层段起重要作用;涨潮、退潮的高频海平面变化,导致大气淡水的溶蚀作用发生,形成少量的粒内溶孔、粒间溶孔等,孔隙度可以达到3%。

成岩早期,地层进入浅埋藏期,随着埋藏深度的增加,地层压力逐渐增大,非稳定矿物开始向稳定矿物转化。该阶段以压实作用和重结晶作用为主,重结晶作用主要表现为泥晶白云石重结晶为粉晶白云石。

成岩早期之后,Chg沉积末期,区内冀北坳陷抬升,导致Chg顶部暴露于地表或近地表环境,经历了短暂的表生成岩期。该时期主要发育表生岩溶作用 (第2期溶蚀作用),形成大量的溶缝、溶孔和溶洞等,使孔隙度达到15%左右。而同期水流所携带的地表风化产物及稍晚形成的各种淡水胶结物将大部分缝洞充填、破坏,导致孔隙度降至10%左右。

随着埋深进一步加大,区内Chg进入浅-中埋藏环境,主要以充填-胶结作用和重结晶作用为主。第1期充填-胶结作用中形成的碳酸盐类自生矿物,充填在第1期和第2期溶蚀作用形成的孔缝中,加之顶部表生古岩溶缝洞体系的强烈破坏作用,使储层物性急剧降低,孔隙度降至3%以下。

成岩中期处于中埋藏环境,主要成岩作用有埋藏溶蚀作用、第2期充填-胶结作用、重结晶作用和压溶作用。埋藏溶蚀作用使储层的平均孔隙度增加至3%～5%,但充填-胶结作用对新形成的次生孔隙有一定程度的破坏。

成岩晚期处于深埋藏环境,主要发育埋藏溶蚀作用和第3期充填-胶结作用。埋藏溶蚀作用所产生的孔缝可使孔隙度增至5%～8%。而在其之后发生的第3期充填-胶结作用,特别是在地下热液活跃的时期及部位发生的萤石及重晶石的胶结作用,对储层储集性能具有较大的破坏,使孔隙度减少至2%～6%。

研究区三叠世之前表现为稳定的地台发展阶段,主要以整体升降为主,形成一系列正断层[14,15]。该时期由于上覆地层厚度较大,张应力不能形成与断裂相伴生的构造裂缝。晚三叠世,造山运动活跃,研究区处于压性应力场中,尽管中-新元古界埋深已较大,但在强烈的挤压作用下,形成大量逆冲断裂和褶皱,同时早期形成断裂和褶皱被强烈改造、活化,发育大量伴生构造缝。研究区经历的多期次构造运动,形成了多期裂缝,裂缝之间相互穿插、切割,对储集层具有积极的贡献。

图4 成岩序列与孔隙度演化关系图

3.2 孔隙演化与油气成藏期的适配关系

如果不考虑地下热水或其他热异常事件的参与,假设地表温度为25℃,古地温梯度为1.5℃/100m[4,16],利用不同期次充填-胶结物流体包裹体的测温结果,计算出的包裹体载体的形成深度。尽管区内中新元古界上覆地层的厚度由于沉积间断或地层剥蚀,存在诸多不确定性,但综合前人资料[4,16]及实测厚度,大致推断出不同期次充填-胶结物的形成时期(表1)。

表1 研究区Chg不同期次充填-胶结物形成时期统计表

区内中新元古界第1期油气成藏时间为晚元古代,第2期成藏时间集中在晚印支期-燕山期Ⅰ幕之间[17,18],主要产油层位为Jwh、铁岭组和下马岭组。对比表1可以看出,第1期油气成藏的时间晚于第1、2期充填-胶结作用,储层中的原生孔隙和表生岩溶缝洞均在油气形成之前遭到破坏,故第1期油气成藏与孔隙演化的适配性较差。第2期主要成藏时间开始于三叠纪,略早于第3期胶结充填作用,在该阶段构造破裂及埋藏溶蚀作用所产生的孔、缝、洞成为主成藏期油气聚集的有利空间,可见第2期主要成藏期与孔隙演化的适配性较好。