渤海海域莱州湾凹陷沙河街组硅化碎屑岩地质特征及其储层意义

2020-10-29田立新王清斌刘晓健郝轶伟

石油与天然气地质 2020年5期

田立新，王清斌，刘晓健，郝轶伟

[1.中国海洋石油国际有限公司，北京 100027； 2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459]

长期以来沉积盆地中的热流体一直被人们所关注，已经成为石油地质研究的热点[1]。国内外众多学者对热流体与烃源岩、储层和油气成藏做过大量研究工作[2-10]，针对硅质热流体的研究大部分集中在对碳酸盐岩储层的交代和溶蚀改造方面，并提出了硅质岩的概念[11]，中国塔里木盆地[12-13]、渤海湾盆地[14-15]和鄂尔多斯盆地[16]，美国北艾尔斯沃思(North Aylesworth)油田[17-18]、狼泉(Wolf Springs)油田[19]、布朗波特(Brown-Lumberport)油田[20-21]，加拿大帕克兰(Parkland)油田[22]、俄罗斯帝曼乔拉(Timan-Pechora)地区[23-24]均有硅质岩油气储层的发现，发育层位大部分为古生界。硅质热流体对碎屑岩储层的研究主要体现在4个方面：碎屑岩储层中硅质胶结物来源[25-28]、油气侵位对石英胶结作用的影响[29]、火山岩侵入过程中硅质热流体热传递过程[30]，以及硅质胶结物对储集层的影响[31]。硅质热流体在对流过程中在碎屑岩储层中会留下岩石矿物学记录，在矿物类型和粘土转化等方面均有所响应[32-35]，但热流体的进入大部分情况改变的是储层的成岩环境，在目前所能查阅的文献中，尚未提及热流体能够改变碎屑岩的岩性和结构。

渤海海域莱州湾凹陷中新生代火山活动十分强烈，盆地内发育广泛的火山岩体，深部流体伴随着活跃的构造运动极易沿断层进入上覆地层。垦利16构造新生代沙河街组三段首次钻遇一套硅化碎屑岩储层，局部甚至达到低变质程度，发育变余砂岩结构，也是迄今渤海钻遇的首个硅化碎屑岩储层。有关区域硅化热流体的研究、硅化碎屑岩储层成因机制未有提及，尤其是在海上高勘探成本、少井和少岩心的情况下研究难度更大。通过地震、测井和岩石学资料落实了硅化碎屑岩的地质特征，运用薄片、热场发射扫描电镜和锆石U-Pb测年等分析测试手段，重点分析了硅质热流体活动的证据以及对储层的影响机制，为本区的油气勘探提供一定参考价值。

1 区域地质概况

莱州湾凹陷属于渤海湾盆地东南部一个新生代边缘凹陷，位于渤海海域东南部，面积约1 780 km2，是在中生界基底上发育的新生代断陷[36]，凹陷北边为莱北低凸起，南边为潍北凸起，东边为鲁东隆起，西边为青东凹陷[37]。凹陷被南北走向的郯庐走滑东支和西支所夹持，内部发育多条东西向断层。凹陷地层发育较全，主要发育中生代蓝旗组、义县组、古近系沙河街组和东营组，以及新近系馆陶组和明化镇组。中新生代莱州湾凹陷火山活动强烈，火山岩在凹陷内部各个层位均有分布，岩性主要为流纹岩、安山岩和玄武岩(图1)，与火山活动伴生的深部热流体十分活跃，伴随着郯庐断裂段的持续活动，热流体沿断层进入古近纪地层，对碎屑岩储层的岩性、储集空间和物性产生重要影响。

2 硅质碎屑岩地球物理响应

2.1 地震反射特征

由于硅质热流体的注入，导致沙河街组碎屑岩的物理性质发生改变。其岩性与上部和下部地层产生较大差异，在地震上表现为低频强振幅连续反射的特征(图2)。横向上分布较稳定，钻井揭示其厚度范围为10～50 m。

2.2 测井响应特征

碎屑岩发生硅化作用后，地层中石英含量增多，储层的孔隙结构也发生了改变，测井响应特征与常规碎屑岩具有明显差异，整体表现为“三低两高”的特征，即：低自然伽马、低声波时差、低补偿中子、高密度和高电阻(图3)。整套地层具有不均一性，硅化作用强的部位自然伽马较低，孔缝发育的部位电阻率较低、岩石密度较低、声波时差较高，微侧向电阻率呈锯齿状特征，表明储层裂缝发育。

3 硅质热流体证据及特征

3.1 锆石测年证据

硅质热流体往往与火山活动相伴生[38-39]，锆石可作为岩浆活动时期的直接定年证据。前人对莱州湾凹陷新生代以来火山活动的证据主要体现在沉积岩夹多套凝灰岩和玄武岩等火山岩岩性组合为特征，本次研究通过锆石测年技术手段首次证实了莱州湾凹陷沙河街组沉积时期存在火山活动。

通过对L10井钻遇的硅化碎屑岩进行锆石U-Pb定年分析，仅选用谐和度大于90%的206Pb/238U年龄，在1 800 m深度发现1颗具环带结构的典型岩浆锆石，测得年龄为33.4 Ma，证实了研究区沙河街组沉积晚期发生了岩浆活动。此时目的层碎屑岩尚处于浅埋藏、低成岩阶段，压实作用较弱，后期与火山活动伴生的硅质热流体进入地层，充填在颗粒之间，呈基底式胶结状态，与岩石现今面貌吻合。

图2 莱州湾凹陷硅化碎屑岩地震反射特征Fig.2 Seismic reflection characteristics of silicified clastic rocks from the Laizhouwan Sag

图3 莱州湾凹陷L7井硅化碎屑岩测井响应特征Fig.3 Log response characteristics of silicified clastic rocks from Well L7 in the Laizhouwan Sag

3.2 岩石学特征

前人对热流体在储层中的岩石矿物学证据做过大量研究，主要体现在碎屑颗粒发生热蚀变，如石英呈现明显的次生加大[40]，以及砂岩中钠长石化[41]等，但是在热流体作用下碎屑岩能够达到低变质程度的实例尚未见文献提及。在渤海海域莱州湾凹陷，直观可见的硅质热流体岩石学证据来源于井壁取心、薄片观察、扫描电镜和阴极发光等资料。

井壁取心中可以直观看到裂缝中充填的硅质脉体和沿裂缝生长的马牙状石英晶体以及在溶洞中大量的生长晶型较好的石英晶簇(图4a)。显微镜下可见岩石具碎屑结构和变余砂状结构。①碎屑结构：岩石受热流体影响尚未达到改变岩石结构的程度，保留了砂岩原始碎屑结构面貌(图4b)，但可明显见到硅质热流体在地层中留下的痕迹，如粒间硅质充填和呈脉状分布的硅质沉淀(图4c)，岩石中长石颗粒受热流体普遍溶蚀(图4d)，并基本蚀变为高岭石(图4e)。②变余砂状结构：具变余砂状结构的岩石受硅质热流体影响更强烈，形成热液成因的变余长石砂岩(图4f)，与常规古近系碎屑岩不同，岩心整体为灰黑色，致密坚硬，颗粒间接触紧密，呈长线-凹凸接触，胶结物可见石英次生加大形成的硅质，均匀分布粒间，扫描电镜下见大量次生石英晶体发育(图4g)，粒间粘土矿物受热流体影响蚀变形成白云母，镜下可见再生长的 “帚状”白云母，以及未蚀变完全的粘土矿物(图4h)。

石英胶结作用是砂质碎屑岩重要的成岩作用，石英次生加大形态与硅质溶液充分不充分和岩石孔隙大小情况相关[42-45]。从扫描电镜下可以观察到，硅化碎屑岩中至少发生了4期硅质热流体活动(图5)，不同期次的硅质呈现出不同的矿物形态特征。早期加大石英晶体相对他形，后期加大石英自形程度较高。通过对不同产状硅质进行能谱测定，发现不同期的硅质中Si和O含量均有差异，表明多期硅质流体充注特征。

3.3 粘土矿物转换

X衍射全岩分析表明，沙河街组硅化碎屑岩中粘土矿物含量很低，仅为1%～5%，岩石中的粘土矿物已经发生转化，镜下可观察到粒间粘土矿物热蚀变为黑云母、白云母和伊利石，呈定向条带状分布，并可见“帚状”正在生长的云母类矿物(图6a)，仅在局部可见残留未蚀变的粘土矿物(图6b)。X衍射粘土数据显示，这套硅化细砂岩中不同类型粘土矿物含量差异很大，其中高岭石含量3%～8%，绿泥石含量5%～13%，伊利石含量30%～55%。粘土矿物含量差异与热流体的侵入密切相关，当热流体进入地层后温度骤然升高，在钾长石提供K+的成岩环境下，高岭石大量向伊利石转化(图6c)，导致地层中出现伊利石异常增高的现象，扫描电镜下可见长石溶蚀形成的“手风琴”状高岭石(图6d)，针叶状绿泥石(图6e)以及后期硅质沿解理进入到云母矿物中(图6f)等现象。

图4 莱州湾凹陷硅化碎屑岩岩石学特征Fig.4 Petrological characteristics of silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.壁心缝洞中硅质脉体和石英晶簇，L7井，埋深1 651 m；b.岩石保留碎屑结构，L4井，埋深1 546 m；c.粒间硅质充填，L7井，埋深1 684 m；d.扫描电镜下长石蚀变成高岭石，L7井，埋深1 660.5 m；e.变余砂状结构，L7井，埋深1 679 m；f.扫描电镜下石英晶体，L4井，埋深1 546 m；g.帚状在生长云母，L4井，埋深1 551 m；h.镜下蚀变长石、未蚀变完全的粘土和蚀变白云母，L4井，埋深1 548 m

3.4 典型热液矿物组合

运用热场发射扫描电镜识别出黄铁矿-重晶石-独居石-方铅矿-金红石热液矿物组合，证实了热流体的存在。岩石中黄铁矿发育多种形态，一种为胶状集合体分布的粉晶黄铁矿，呈团块状充填在蚀变矿物的溶洞中(图7a)或沿石英、长石颗粒之间分布(图7b)，一种为晶型完好的的立方体黄铁矿，赋存在石英破碎带中(图7c)，此外还有草莓状黄铁矿(图7d)。不同形态的黄铁矿应该为不同热液期次形成的产物。

重晶石含量较少，仅见微晶状分布在石英裂隙中(图8a)。独居石呈长条状充填在石英裂隙中或与黄铁矿伴生赋存与石英晶隙间(图8b)。方铅矿半自形，赋存在有机质和黏土矿物之间(图8c)，金红石呈长条状，赋存在黄铁矿与石英之间，并通过能谱测点证实矿物成分(图8d—f)。

图6 莱州湾凹陷硅化碎屑岩中粘土矿物特征Fig.6 Characteristics of clay minerals in silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.“帚状”正在生长的云母类矿物，L4井，埋深1 551 m；b.局部残留未蚀变的粘土矿物，L4井，埋深1 552 m；c.高岭石向伊利石转化，L4井，1 552.5 m；d.长石溶蚀生成“手风琴”状高岭石充填粒间，L7井，埋深1 644 m；e.针叶状绿泥石，L7井，埋深1 683 m；f.后期硅质沿解理进入云母矿物，L7井，埋深1 672 m

图7 莱州湾凹陷硅化碎屑岩中不同产状黄铁矿Fig.7 Pyrites of diverse occurrences in silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.岩石中石英(Qtz)、钾长石(Kfs)和胶体状黄铁矿(Py)，L7井，埋深1 652 m，热场发射扫描电镜；b.黄铁矿(Py)沿石英(Qtz)、钾长石(Kfs)晶隙分布，L7井，埋深1 647 m，热场发射扫描电镜；c.立方体晶型的黄铁矿(Py)赋存在石英(Qtz)颗粒破碎带，L7井，埋深1 652 m，热场发射扫描电镜；d.草莓状黄铁矿(Py)，L7井，埋深1 652 m，热场发射扫描电镜

图8 莱州湾凹陷硅化碎屑岩中热液矿物及能谱测定Fig.8 Hydrothermal minerals and spectrometric determination of silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.重晶石(Brt)赋存在石英(Qtz)与钾长石(Kfs)晶隙间，L7井，埋深1 647 m，热场发射扫描电镜；b.与黄铁矿(Py)伴生的独居石(Mnz)，L7井，埋深1 647 m，热场发射扫描电镜；c.方铅矿(Gn)赋存在有机质和粘土矿物之间，L7井，埋深1 652 m，热场发射扫描电镜；d.金红石(Rt)分布在黄铁矿(Py)和石英(Qtz)之间，L7井，埋深1 652 m，热场发射扫描电镜；e.金红石矿物谱图特征； f.金红石矿物能谱元素特征，热场发射扫描电镜

地层中热液矿物组合说明岩石经历了富含Fe且含少量Ba、稀土等元素的热液的侵蚀，由于温压等的迅速变化，黄铁矿在石英和长石的晶隙中或矿物蚀变后残余的空间快速沉淀，形成了胶状的黄铁矿集合体。在此过程中还形成少量方铅矿、重晶石，金红石以及独居石等中高温热液矿物，表明后期的热流体温度较高。

4 硅化作用对储层影响

4.1储层物性特征

莱州湾凹陷硅化碎屑岩储层孔隙度为1.0%～18.9%，平均7.3%，渗透率0.003×10-3～1.064×10-3μm2，平均0.109×10-3μm2，按储层评价标准属于低孔超低渗储层。纵向上从浅到深岩石密度增大(图9a)、孔隙度(图9b)和渗透率降低(图9c)，说明硅质热流体注入地层后，由于重力分异作用，在岩层中下部聚集，导致中下部岩石硅化作用比上部强。

通过对所取样品24个测区的图像分析统计，样品面孔率最小为2.6%，最大达13.4%，平均面孔率为6.5%。储集空间主要为长石颗粒内部蚀变高岭石微孔(图10a)，长石内部溶蚀孔以及热液矿物黄铁矿周围溶蚀孔隙(图10b)。

4.2 硅化热流体对储层影响

大量硅质热流体进入储层后，一方面在高温作用下石英颗粒产生强烈的次生加大，另一方面热流体中的硅质在粒间孔隙和裂缝中沉淀下来，堵塞了储集空间并破坏了孔隙的连通性，使储层变得非常致密。但是由于硅质热流体是一种偏碱性流体，石英和长石颗粒在碱性环境下均可发生溶蚀作用[46]，岩心中可见热液溶蚀孔洞(图11a)，地层中的长石类矿物几乎全部溶蚀蚀变成高岭石(图11b,c)，由于储层在早期硅质胶结作用下，地层渗透性差，长石溶蚀后形成的高岭石并未及时迁移出地层，而是在长石颗粒骨架中原地堆积，形成了长石溶蚀孔(图11d，e)和高岭石微孔。

图9 莱州湾凹陷硅化碎屑岩岩石密度(a)、孔隙度(b)和渗透率(c)纵向分布特征Fig.9 Vertical distribution of the density (a),porosity (b) and permeability (c) of silicified clastic rocks from the Laizhouwan Sag

图10 莱州湾凹陷硅化碎屑岩面孔率统计Fig.10 Thin section porosity statistics of silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.长石颗粒内部蚀变高岭石微孔，L7井，埋深1 647 m；b.长石内部溶蚀孔以及热液矿物黄铁矿周围溶蚀孔隙，L7井，埋深1 652 m

图11 莱州湾凹陷硅化碎屑岩储集空间特征及成因Fig.11 Characteristics and genesis of reservoir space in silicified clastic rocks from the Laizhouwan Saga.硅化碎屑岩中热液溶蚀孔洞，L7井，埋深1 683 m；b.硅化碎屑岩中长石发生蚀变，L7井，埋深1 649 m；c.长石蚀变成高岭石，发育晶间微孔，L4井，埋深1 552m；d.钠长石内部溶蚀孔发育，L7井，埋深1 679 m；e.硅化碎屑岩中粒内和粒间溶蚀孔，L4井，埋深1 551m；f.岩石中颗粒内部微裂缝及其发育，并充填有机质，L7井，埋深1 646 m

另一方面，强烈的硅化作用使地层脆性大大变强，在后期构造运动作用下极易产生裂缝，并且由于高温热流体使地层中粘土矿物几乎全部转化成云母类矿物，大大降低了裂缝中的粘土充填作用，形成了相对“干净”的裂缝类型，增强了储层的渗流能力。裂缝的形成，对早期孤立的长石溶蚀孔和高岭石微孔起到连通作用(图11f)，大大改善了储层物性，形成该区硅化碎屑岩孔隙-裂缝型优质储层。