准北哈山地区二叠系风城组云质岩储层特征及成因分析

宋梅远

(中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257015)

云质岩中蕴含丰富的油气显示,已在准噶尔盆地乌夏地区获得重大突破,如风3、风城1等井[1-3],哈山地区哈浅6、哈山1、哈深斜1井在二叠系风城组云质岩亦见到丰富油气显示,其中,哈浅6井云质岩段酸压试油,峰值日产6.88 m3,使得二叠系云质岩油气勘探任务提上日程。云质岩作为一类特殊的储集类型,其成因、形成模式等对油气勘探至关重要。多位学者针对准噶尔盆地西北缘风城组白云岩的成因开展了大量的研究工作,冯有良等[3]认为该区白云岩主要为半深湖咸水环境准同生白云岩和成岩期经后生白云石化作用形成的白云岩;薛晶晶等[4]将乌夏地区风城组白云岩划分为准同生白云化作用、混合白云化作用、埋藏白云化作用、成岩白云化作用和外来白云岩的风化搬运作用5种成因,这些研究和认识主要是针对不同地质环境,结合现有的白云岩形成模式,描述工区的白云岩成因机理[5-9],目前,对于哈山地区二叠系风城组云质岩的储层特征及成因机理尚未开展系统的研究。综合钻井取心、微观薄片、扫描电镜等资料,系统分析云质岩储层发育特征,利用岩矿鉴定技术、地球化学分析技术等查明哈山地区云质岩成因机理,以期指导有利储层的预测,为云质岩勘探部署提供依据。

1 区域地质概况

哈山地区位于准噶尔盆地西北缘,构造上隶属于准噶尔盆地哈-德(哈山-德伦山)构造带的西端,南邻玛湖富烃凹陷,北以达尔布特断裂为界与和什托洛盖盆地相接,整体上呈北东—南西向展布[10],有利勘探面积逾1 000 km2(图1)。

哈山地区已钻遇云质岩主要发育在下二叠统风城组。早二叠世准噶尔盆地处于碰撞造山后的陆内伸展裂陷演化阶段,佳木河组沉积期火山岩大规模喷发,至风城组沉积期经历了裂陷由鼎盛期至衰退期整个过程,火山活动减弱,水体扩大加深,受水体蒸发和火山岩物质蚀变影响,形成咸化-还原-碱湖沉积水体环境,碎屑岩-火山岩-云质岩混积,呈此消彼长的特征。风城组沉积早期为大范围湖侵期,广泛发育滨浅湖-半深湖沉积,且火山活动相对强烈,砂体不发育,云质岩在区内广布;晚期,火山活动减弱,随着物源供应量加剧,扇体规模迅速扩大,碎屑岩广泛发育,云质岩展布范围明显减小,退至哈山南地区。在研究区风城组,构造运动和大规模频繁的火山活动均对准同生白云岩化作用产生重要的影响。

图1 哈山地区构造位置

2 云质岩岩石学特征

2.1 云质岩岩性结构特征

哈山地区云质岩储层岩石类型多样,白云石含量变化较大,主要分布于10%～50%之间,以云质粉砂岩、云质泥岩为主,其次为云质凝灰岩、泥质白云岩。

(1)云质粉砂岩。主要由粉砂质和粉晶、泥晶白云石组成,粉砂质含量达60%,泥晶白云石含量为15%～23%,平均为20%,粒径0.02～0.07mm(图2(a)),集中发育于哈深斜1井区及哈浅24井区风城组上部。

(2)云质泥岩。主要由泥质和泥晶白云石组成,泥质含量约为32%～53%,平均为44%,泥晶白云石含量为15%～20%,平均为18%,粒径1～8 μm之间,与泥质沉积物混积生长(图2(b))。

(3)云质凝灰岩。由凝灰质杂基和泥晶白云石组成,凝灰质杂基含量约为37%～61%,平均为49%,泥晶白云石含量为15%～20%,平均17%,呈晶屑状(图2(c))。

(4)泥质白云岩。白云石含量较高,可达47%～69%,颗粒细小,粒径主要分布在2～6 μm之间,局部可达8 μm,与泥质条带及陆源碎屑颗粒互层,泥质条带较细,约0.2 mm,白云石条带较粗,约0.6 mm(图2(d))。

2.2 云质岩主要矿物特征

哈山地区风城组云质岩矿物主要包括白云石、黏土矿物、陆源碎屑、方解石、重晶石和黄铁矿等,见少量辉石。

(1)白云石。风城组白云石多呈粉晶、泥晶结构,半自形-他形,与泥岩互呈纹层,形成二元纹层构造,表明其形成于静水低能还原环境(图2(e))。

(2)黏土矿物。区内黏土矿物主要为伊蒙/混层,呈絮凝状、团块状集合体覆盖于颗粒表面,此外还含有绿泥石和书页状高岭石充填于孔隙中(图2(f)、(g))。

(3)陆源碎屑。风城组云质岩中陆源碎屑粒级较细,多为粉砂级,石英含量大于长石,不均匀分布,分选差;长石多被方解石胶结,后期被白云石交代。

(4)其他矿物。区内与白云石共生的矿物还有方解石、黄铁矿和重晶石。草莓状黄铁矿较为普遍(图2(h)),呈细粒状分散在泥晶白云岩中,为还原条件、pH>9的沉积环境产物。

图2 哈山地区云质岩岩石类型

3 云质岩储集空间及物性特征

3.1 储集空间类型

哈山地区风城组云质岩储层储集空间类型多样,以裂缝为主,占储集空间的 50%，其次为晶间溶孔、方解石溶孔为主的次生孔隙,占34.4%,粒间孔占15.6%。

裂缝是云质岩储层最重要的储集空间类型。宏观裂缝包括层理缝、构造缝,扩大溶蚀缝;微观裂缝按其缝宽可分为张开缝和闭合缝、压溶作用形成的纳米级缝。

云质岩储层孔隙类型按成因分为原生孔隙和次生孔隙两种:区内原生孔隙主要为残余原生粒间孔,该类孔隙较为少见;次生孔隙包括粒间溶孔、粒内溶孔、晶间溶孔等,其中粒间、晶间溶孔最为发育。

溶孔与裂缝相互连通,形成良好的储集空间,极大地改善了储层物性。

3.2 储层物性特征

二叠系风城组云质岩孔隙度较低,多在10%以下,平均为4.45%,渗透率集中在0.02～10×10-3μm2之间,平均为0.23×10-3μm2,综合评价为低孔、特低渗储层。

不同构造位置,储层物性存在一定的差异。断裂带云质岩孔隙度平均为7.12%,渗透率平均为7.8×10-3μm2,最大达104×10-3μm2;斜坡区孔隙度平均为3.6%,渗透率平均为2.1×10-3μm2;洼陷带物性较差,孔隙度平均为2.17%,渗透率平均为0.2×10-3μm2,断裂带裂缝、溶孔发育,储层物性明显好于其他地区。

4 云质岩成因机理研究

不同的沉积背景,云质岩的产出状态不同,因此分析沉积期的成岩环境是解决云质岩成因的关键。

4.1 沉积成岩环境

主量、微量元素、碳氧同位素等在碳酸盐岩中可以判别沉积环境和研究成岩变化,根据每种元素的质量分数可以分析其成因。

(1)主量元素。白云岩中Na含量、Mg/Ca比值越高说明沉积水体温度越高、盐度越大。从区内主量元素的分析测试来看,Na含量偏高,Ca/Mg比值介于1.44～2.71,平均值为1.9,Fe元素的含量在30.38～40.74 μg/g之间,Mn元素的含量介于0.61～0.86 μg/g,Fe/Mn平均为48.1,说明区内云质岩为蒸发咸水环境下形成的钙质白云岩。

(2)微量元素Sr指标。湖水地球化学的不稳定性导致多种指示性微量元素发生大幅度变化,可用来区分沉积环境、判断古水体盐度[11],研究表明,Sr含量往往反映介质的盐度,可用其含量判断云化作用的环境。咸化水体中Sr质量分数较高,淡水中Sr质量分数较低。杨威等[12]认为现代海水中白云岩Sr含量为1 000～2 000 μg/g,与蒸发盐有关的超盐水白云岩Sr含量通常为400～550 μg/g,埋藏白云岩Sr含量为60～170 μg/g。区内Sr含量主体介于200～600 μg/g,平均为394.71 μg/g,Ba含量介于 303.7～520.4 μg/g,平均为351.33 μg/g,Sr/Ba比值范围在0.69～1.45之间,均值为1.14,反映了云质岩是在盐度较高强烈蒸发的咸水环境中形成的,其与准同生期高盐度孔隙水白云岩化有关,后期受到埋藏胶结作用以及构造热液流体的改造。

(3)碳氧同位素。白云石的碳、氧同位素组成取决于引起白云化的介质的碳氧同位素组成,并主要受到介质盐度和温度的影响,根据同位素分馏原理,蒸发残留海(湖) 水中富含δ18O,而且蒸发作用越强,残留海(湖) 水中盐度越高,δ18O值也越高,陆上淡水的δ13C和δ18O值则相对较低[13]。

从区内28个样品的碳氧同位素来看,碳氧同位素系数Z在129.61～136.21之间,均大于120,平均盐度为21.9‰,为咸水湖泊环境,云质岩成岩温度大多低于50 ℃,平均为37.64 ℃,表明区内云质岩成岩温度低,为准同生蒸发环境下进行的。结合邻区资料,分区带绘制了云质岩的碳-氧同位素成因判别图(图3),研究区斜坡带大部分云质岩δ18O介于-6.6‰～2‰之间,平均为-3.24‰,δ13C在3.2～5.5 ‰间变化,平均为3.8 ‰,与其他地区典型的准同生蒸发环境形成的白云岩一致;洼陷带白云岩δ18 O介于-5‰～-1 ‰之间,平均为-2.12‰,δ13C在1.8‰～3‰间,平均为2.1 ‰,和埋藏成因白云岩表现出较高的一致性;断裂带白云岩碳氧同位素值变化范围较大,δ18O介于-10 ‰～0之间,平均为-5.73‰,δ13C在-2‰～4 ‰间变化,平均为1.8 ‰,为热液作用改造白云岩。

图3 哈山地区白云石δ18 O-δ13 C成因判别图

综上所述,哈山地区二叠系风城组沉积期为蒸发干燥半封闭咸化还原湖相环境,云质岩以准同生为主,后期埋藏和热液成因为辅。

4.2 成因机理分析

哈山地区云质岩主要发育在二叠系风城组,泥微晶白云石多为呈半自形-它形与泥质、方沸石等混积共生于基质中,为蒸发条件下渗透回流作用形成的白云岩。次生白云岩的形成需两个关键因素:富Mg2+流体、适当的流体动力学条件。

(1)富Mg2+流体来源。哈山地区二叠系白云石形成过程中Mg2+的来源包括:孔隙卤水及黏土矿物释放的Mg2+,火山玻璃脱玻化和地球深部岩浆热液带来的Mg2+。由于哈山地区二叠系风城组沉积于盐度和PH值偏高的半封闭湖湾,孔隙水或地层水中富含Mg2+[5]。此外,哈山地区二叠系发育多条深大断裂,深层富Mg2+流体沿断层上涌,增加地层孔隙水的Mg2+含量,且准噶尔盆地二叠纪是火山活动期,火山玻璃在脱玻化后分离的Mg2+和富镁火山岩矿物自身转化或流体淋滤及溶蚀产生的Mg2+都是Mg的可能来源。

(2)白云石化的流体动力学条件分析。通过对研究区区域地质背景、白云岩岩石学和成岩作用特征的研究,认为哈山地区云质岩流体的驱动力主要有两种机制:一是由于蒸发作用在湖水表层形成的重盐水向湖底汇集,或者通过岩石孔隙向下渗透到更深的地层中;二是由于地温梯度和研究区深部热液流体的影响,深部岩层所含地层水温度较高,由于冷热水密度的差异,深、浅层水在静压力的作用下沿断层及裂缝对流。

(3)哈山及邻区云质碎屑岩成岩模式。综合白云石地球化学特征、白云岩形成环境和形成机理,建立了哈山地区云质岩发育模式(图4)。安静的半封闭咸水湖相沉积的文石和高镁方解石随泥质、粉砂质和凝灰质同时沉积,由于气候炎热,蒸发作用强烈,使水体盐度升高,在成岩早期发生准同生白云岩化;成岩后期强烈的构造活动,间歇的火山活动,深部富镁热液沿断裂上升,形成埋藏成因和热液成因的白云石。就其分布特点来看,斜坡带主要发育准同生成因的云质岩,受后期埋藏和构造运动影响,局部发育埋藏和热液成因云质岩,在深洼带以埋藏成因云质岩为主,热液成因云质岩主要发育在断裂带附近。不同成因云质岩由于控制因素及成岩环境不同,从而导致其储层物性存在一定的差异,热液成因云质岩储层最好,其次为准同生白云岩。

图4 哈山地区云质岩发育模式

5 结 论

(1)哈山地区云质岩储层主要发育在二叠系风城组,岩石类型以云质砂岩、云质泥岩为主,其次为白云质凝灰岩、泥质白云岩,受原始矿物组成的影响,有效储集岩主要为云质砂岩。

(2)储集空间为裂缝和溶孔双重介质,属低孔、特低渗储层,局部发育溶蚀孔隙型与裂缝-孔隙型两类“甜点”储层,断裂带溶孔与裂缝相互连通,形成良好的储集空间,储层物性明显好于其他地区。

(3)基于锶含量及碳氧同位素等分析,哈山地区二叠系风城组沉积期为蒸发干燥半封闭咸化还原湖相环境,云质岩以准同生为主,后期埋藏和热液成因为辅。

(4)斜坡带主要发育准同生成因的云质岩,受后期埋藏和构造运动影响,局部发育埋藏和热液成因云质岩,在深洼带以埋藏成因云质岩为主,热液成因云质岩主要发育在断裂带附近。不同成因云质岩由于控制因素以及成岩环境不同,其云质岩储层物性存在一定的差异,热液成因云质岩储层最好,其次为准同生白云岩。