苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入岩岩石学特征及其储集性与含油性研究

夏 祥,马晓东,胡文瑄,臧素华

1.南京大学 地球科学与工程学院,南京 210008;2.中国石化 华东油气分公司,南京 210019

中国东部油气形成过程中大多伴随着火山—岩浆作用的发生,火成岩是沉积盆地充填系列的重要组成部分[1-4]。传统观点认为,岩浆侵入作用会使储层储集条件变差。但随着油气勘探实践的进行,发现火成岩也是一种重要的油气储层类型。近年来,在渤海湾盆地[5]、辽河盆地[6-10]、塔里木盆地[11-12]和准噶尔盆地[13-18]等火山岩层系中取得了重大突破,发现了一些大型油气藏。火山岩层系已经成为重要的油气勘探目标,越来越受到人们的重视[19-22]。

从目前的研究现状来看,侵入岩成为油气储层的成因非常复杂,有些为隐爆角砾岩成因[23],有些为热液流体溶蚀—蚀变成因[24-25],不同地区、不同岩体差异很大。近年来苏北盆地也发现了一些火成岩油气藏(或油气显示),显示了较好的勘探潜力。初步调查发现[26-27],侵入岩储集性变化很大,储层非均质性很强,但其控制因素研究薄弱,存在很大争议,亟待开展深入研究,查明侵入岩储集空间发育特征,揭示其成因机制,为油气勘探提供理论依据。

溱潼凹陷作为苏北盆地重要产油凹陷之一,侵入岩也非常发育,有些侵入岩显示了良好含油性。因此,本文主要以溱潼凹陷阜二段沙垛1井侵入岩为例,开展系统的岩石学和储层地质学研究,以期查明影响侵入岩储集性的岩石学背景和储集空间形成的主要机制,为该区侵入岩油藏勘探提供指导。

1 地质概况

苏北盆地是太平洋板块俯冲及郯庐断裂平移等活动共同作用的结果,是在前陆盆地的基础上发育的白垩纪—新生代裂陷伸展盆地[28-30],经历了三期构造运动,分别为泰州组沉积前的仪征运动、阜宁组沉积后的吴堡运动和三垛组沉积后的三垛运动[31]。苏北盆地内部被建湖隆起一分为二,南部为东台坳陷,北部与滨海凸起、鲁苏隆起夹持形成盐阜坳陷,两坳陷中各凹陷均呈现右行雁式排列[32],主要有高邮、金湖、溱潼、海安、盐城等凹陷[30]。盆地基底由三大套层系组成,即中元古界变质岩结晶基底、(下)扬子地台海相中—古生界基底和中上三叠统—下白垩统活动陆缘型海陆过渡相及陆相碎屑岩类与中酸性火山岩基底[33],古近系以断陷沉积为主,新近系为坳陷沉积。

研究区溱潼凹陷位于东台坳陷中东部,为东台坳陷中的一个亚一级构造单元。该凹陷是呈北东向展布的不对称半地堑沉积凹陷,东南侧、东北侧分别以泰州凸起、梁垛低凸起为界,西侧与吴堡低凸起相分隔(图1)。自下而上发育的新生界包括[34]:泰州组(E1t)、阜宁组(E1f)、戴南组(E2d)、三垛组(E2s)、盐城组(N1y)和东台组(Q2d)。

图1 苏北盆地和研究区地质构造

2 侵入岩岩石学特征

溱潼凹陷阜宁组中发育多层基性侵入岩层,产状呈岩脉和岩床状,沿地层顺层侵入阜二、阜三段或者穿层侵入于阜三、阜四段和戴南组,岩体长度分布从几百到几千米不等。钻遇侵入岩的钻井多达十几口,其中以沙垛1井最为典型。该钻孔在深部3 547 m以下阜二段泥质岩层段中钻遇基性侵入岩约70 m,并进行了取心,本次工作进行了系统取样14件(图2)。早期将这层侵入岩定为辉绿岩,认为是一次侵入形成,本次研究发现岩性变化很大,自上而下由3种岩石类型组成,是由三次或更多次侵入作用形成的。

图2 苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入岩发育情况及采样位置

2.1 岩性特征

2.1.1 辉绿岩

主要发育在侵入岩层上部。镜下可见典型的辉绿结构,主要由斜长石和辉石组成,含少量石英以及暗色矿物黄铁矿、钛铁矿,次生矿物为绿泥石、绢云母,但是蚀变程度低,致密块状构造(图3a-c)。其中斜长石含量65%,呈半自形到自形,柱状、长条状,具有聚片双晶,发生小规模的绢云母化蚀变,粒径为0.1～0.9 mm。辉石有两种,一种为单斜辉石,其特点是短柱状,无色,干涉色为二级,斜消光,少部分可见裂纹;另一种为斜方辉石,短柱状,无色,干涉色为一级,平行消光。

图3 苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入岩不同岩石类型的岩相学特征

2.1.2 辉石二长岩

发育在辉绿岩之下3 549.5～3 563.0 m之间。典型特征是长石含量增多,可达60%～75%,既有偏碱性长石,也有短柱状偏酸性的正长石,大部分长石发生不同程度的绢云母化蚀变(图3d)。辉石含量明显减少,约为20%～25%,另有少量石英以及暗色矿物黄铁矿和钛铁矿等,次生矿物为绿泥石、绢云母。

2.1.3 橄榄辉长岩

发育在辉石二长岩之下,取心未见底,测井资料显示厚度超过45 m。突出特点是辉石含量多,接近50%左右,并见橄榄石(图3e),长石主要为长柱状钙长石系列,含少量暗色矿物黄铁矿、钛铁矿,次生蚀变严重,大部分橄榄石和辉石都发生了严重的绿泥石化(图3f),长石发生绢云母化。橄榄石裂理发育,并顺着裂理发生蚀变。由于蚀变作用严重,原始岩石结构被破坏,因此岩性比较松散。

2.2 岩石化学特征

电子探针测试分析表明,该侵入岩中斜长石的成分变化较大,斜长石An牌号29.2～67.28,从侵入体顶部的拉长石,到中部的中长石、奥长石,再到底部的拉长石(表1,图4)。辉石成分变化也很大,En牌号28.32～72.45,各样品分布相对均匀,广泛分布的单斜辉石和斜方辉石不具有明显指示性(表2,图4)。

表1 苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井长石矿物电子探针值

表2 苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井辉石矿物电子探针值

图4 苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入岩中长石An-Ab-Or图解和辉石Wo-En-Fs图解

对侵入岩主量成分的测试表明,岩石化学组成变化较大,SiO2含量为40.37%～74.03%,平均为48.52%,Al2O3含量为9.27%～15.39%,平均为13.51%。根据采样深度绘制了主量元素在纵向上的变化规律,不难发现明显分为三个层段,即SD-8以上的辉绿岩层段,其下至SD-11的辉石二长岩层段,以及下部的橄榄辉长岩层段,表明沙垛1井侵入岩发生三期侵入(图5)。最早应该是下部偏基性的橄榄辉长岩侵入,其后为上部的辉绿岩侵入,最后偏酸性的辉石二长岩侵入在前二者之间,并对其上下侵入岩层产生破坏和热液蚀变作用。

图5 苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入岩主量元素变化

3 储层

3.1 储集空间类型

一般来说,火成岩(特别是侵入岩)都比较致密坚硬,孔隙不发育,很难成为油气储层。但在一些特定情况下,隐爆作用、构造破碎和热液蚀变等,也会形成各种储集空间,成为特殊的油气储层。该区沙垛1井侵入岩,由于多期侵入作用的叠加,以及热液蚀变的改造,也发育了较好的储集空间,但分布很不均匀,主要发育在下部的橄榄辉长岩中。

3.1.1 收缩裂缝

收缩微缝是岩浆冷凝结晶过程中因体积收缩而形成的不规则缝隙。收缩缝在形态上呈“树根状”分布,缺乏方向性,宽窄变化较大,且无平直的边缘(图6a,b)。常分布于不同矿物颗粒之间,也可以穿过矿物晶体。此外,这些收缩裂缝的存在,也为后期的流体活动提供了条件,因此,大部分收缩裂缝附近都发生了不同程度的溶蚀,并形成了次生矿物绿泥石(图6a-c)。

图6 苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入岩储集空间

3.1.2 溶蚀孔隙

溶蚀孔隙是热液流体溶蚀矿物颗粒而形成的,是该区侵入岩的主要孔隙类型。显微镜观察表明,辉石和橄榄石矿物最易溶蚀(图6),大部分铁镁矿物都发生了不同程度的溶蚀,形成的溶蚀孔隙与次生矿物绿泥石并存。溶蚀作用常常沿着收缩裂缝和矿物的解理缝进行,在缝隙交叉或密布的位置溶蚀最强,形成较大的溶蚀孔隙(图6a,b)。整体上看,第一期侵入的橄榄辉长岩遭受溶蚀最强,一是因为含有丰富的铁镁暗色矿物,二是因为侵入较早,遭受了后期多次热液流体的作用。由于遭受的溶蚀作用较强,较多层段的橄榄辉长岩岩心结构松散,体积孔隙度一般都在10%以上,是最好的储集层(图3b)。

3.1.3 构造裂缝

由于侵入岩脆性大,在后期构造应力作用下极容易破碎形成不同程度的裂缝。整体上看,研究层段的构造裂缝发育程度较低,但也常出现,规模不大,一般为毫米级缝隙,具有较好的方向性,走向比较平直,常呈断续状(图3b)。

3.2 储层物性特征

沙垛1井侵入岩发育在3 547～3 615 m之间,总厚度约为70 m。总体上看,孔隙发育很不均一,主要发育在下部的橄榄辉长岩层段。显微镜观测表明,以溶蚀孔隙为主,约占80%,微缝约占15%。根据测井资料和对部分岩心物性测量,该段岩石总孔隙度为11.5%～26.5%,峰值在13%～22%之间,有效孔隙度为9.0%～26.5%,可动孔隙度为2.5%～25.0%,主要分布在2.5%～17.0%(图7)。渗透率主要为(0.05～100)×10-3μm2,储层裂缝发育,孔洞连通性好。根据常规测井曲线解释发现,在3 569 m之下,有效孔隙度陡增,中子孔隙度变高,孔渗条件普遍比较好,该段正是橄榄辉长岩段分布层段,表明橄榄辉长岩的物性显著高于其上部的辉石二长岩和辉绿岩(图8)。

图7 苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井孔隙度分布

图8 苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入岩部分测井曲线

4 储层发育主控因素

4.1 侵入岩类型与矿物组成

对比沙垛1井三期侵入岩孔隙发育程度可知,早期的橄榄辉长岩物性最好,孔隙度可达10%以上,而辉绿岩和辉石二长岩的物性很差,孔隙很不发育。究其原因,是橄榄辉长岩含有较多的辉石和橄榄石等铁镁暗色矿物,在后期热液流体作用下极易发生溶蚀和交代作用。这些矿物中的Fe可以形成绿泥石等蚀变矿物,但Mg元素等为易溶组分,随着流体运动而迁移,同时还伴随着部分SiO2的流失,从而产生了较多的次生溶蚀孔隙。加之橄榄辉长岩中的收缩裂缝比较发育,橄榄石还非常容易产生裂理,也为流体活动提供了良好条件,致使橄榄辉长岩成为次生孔隙最发育的岩石类型(图8)。

4.2 多期次岩浆—热液活动

溱潼凹陷钻遇火成岩侵入体的钻井较多,但大部分侵入岩厚度较薄,多为单一期次侵入形成,其中的溶蚀孔隙和裂缝等都不发育。但沙垛1井为多期侵入活动叠加形成的“复合”侵入岩体,在早期橄榄辉长岩侵入之后,又发生了两期侵入,即第二期的辉绿岩和第三期的辉石二长岩。后期的岩浆侵入活动,必然会对早期已经固结的橄榄辉长岩产生一定的机械破坏作用,以及多次的热液流体溶蚀。机械破碎与热液溶蚀交替,多次叠加,就造成了早期侵入岩遭受多期次溶蚀改造,形成了比较丰富的溶蚀孔隙以及部分改造裂隙,这是橄榄辉长岩孔隙发育的关键因素。

此外,从橄榄辉长岩到辉绿岩,再到辉石二长岩,是一个跨越不同岩石类型的演化历程,经历了从偏基性岩浆到偏酸性岩浆的长期演化过程。这表明,沙垛1井深部岩浆房的演化与活动历史很长,并多次有岩浆侵入到浅部。在比较漫长的演化过程中,除了岩浆侵入外,还会有长期的热液流体活动,是造成橄榄辉长岩等早期侵入岩发生严重热液蚀变的重要因素。

4.3 区域性断裂构造的控制作用

溱潼凹陷紧邻西北方向的郯庐断裂,受白垩纪以来区域拉张—剪切作用及岩浆活动的影响,形成大量断层,是侵入岩有利储层形成的关键。与火山喷发同时期的断裂为岩浆活动提供通道,侵入岩形成之后的断裂活动在许多致密的火成岩中产生了大量的构造裂缝(图3b),这些裂缝有效地沟通了侵入岩储层的孔缝系统。不但使孤立的原生储集空间连通起来,使其变为有效孔隙,而且为后期的溶蚀作用提供了岩浆热液流动的通道。而裂缝作为良好的储集空间,增加了侵入岩的孔隙度和渗透率。

沙垛1井所在区域紧邻次级主断裂。根据区域研究资料,该断裂具有多期活动特征,地球物理资料显示为火山通道,为沙垛1井的多期岩浆—热液活动提供了有利的构造背景。正是该区域性断裂的控制与多期活动,导致了岩浆—热液的多期侵入与长期影响,从而使早期侵入的橄榄辉长岩遭受显著的构造破坏和严重的热液蚀变改造,形成了丰富的次生孔隙和裂隙。

5 储层含油性

苏北盆地构造—沉积演化史研究表明,溱潼凹陷阜二段经历了两次短暂的抬升,即在阜宁组沉积后期和三垛早期,与区域构造的三次运动的后两期相一致。对阜宁组烃源岩的研究揭示,埋深超过2 000 m时进入低成熟阶段,Ro达到0.5%～0.7%,埋深超过2 500 m后烃源岩逐渐达到成熟阶段,Ro达到0.7%～1.0%时,开始进入生油高峰期,大致时间在32.4 Ma[35-36],目前研究区发现的大部分油藏主要来源于阜宁组烃源岩。

溱潼凹陷已经在个别侵入岩中发现了较好的油气聚集,但沙垛1井钻遇的侵入岩含油性比较差,尽管已处在3 500 m以下较高成熟阶段。根据荧光观测研究结果[37-38],沙垛1井侵入岩不同部位在显微荧光上显示特征存在明显差异,岩体中上部荧光显示很少,局部仅见非常细小的零星荧光(图9a)。在侵入体下部的橄榄辉长岩中,局部见到较强的荧光显示,孔隙喉道内能够观察到烃类的局部聚集(图9b,c)。由此可见,虽然侵入岩层段整体含油性很差,但储层物性与含油性之间的正相关关系还是非常明显的。

图9 苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入岩不同部位荧光显微照片

从地质条件分析,该侵入岩正好侵入在阜宁组泥页岩中,但围岩中泥页岩有机质含量低,不是良好的烃源岩,生油条件比较差,即便有一些液态烃生成,也还没有达到初次运移的水平,因此进入侵入体的烃类很少。其次,由于侵入体周围泥岩的阻碍,附近油气烃源岩生成的烃类,也难以进入到侵入体中,没有接受规模性的充注。再次,锆石年代学研究揭示橄榄辉长岩的侵位年龄约为54 Ma,与这套泥页岩(含烃源岩)的形成时期接近,即侵入岩形成与烃源岩沉积几乎同步,而到烃源岩生烃时,侵入体周围被泥质岩围绕,油气也就难以进入其中。因此,只有存在沟通烃源岩与侵入岩的良好通道(如断裂构造)时,侵入体才能够成为储集油气的良好场所。

6 结论

(1)苏北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入岩岩性自下向上存在显著变化,是多期侵入作用复合叠加的结果。从下到上岩性由偏基性橄榄辉长岩向辉绿岩过渡,最后向偏酸性辉石二长岩演化,晚期侵入作用对早期橄榄岩体具有一定的破坏及流体溶蚀作用。

(2)侵入岩中孔隙发育程度不均,辉绿岩和辉石二长岩孔隙发育程度低,而橄榄辉长岩孔隙发育程度较高。储集空间发育程度主要受岩性和热流体溶蚀作用控制,主要表现为第二期和第三期的岩浆—热液作用对第一期侵入体的改造和溶蚀,其中橄榄石和辉石等铁镁暗色矿物容易发生次生蚀变和溶蚀,形成了较多的溶蚀孔以及次生绿泥石。加之该钻孔位于断裂带附近,为岩浆—热液的多期活动提供了良好条件,是橄榄辉长岩形成良好孔隙的主要机制。

(3)虽然侵入体下部储集性较好,但整体上含油性差,顶部无荧光或显示较弱,底部储集性好的部位见有微弱的荧光显示,没有发现规模性充注现象。其原因可能是沙垛1井侵入岩形成时间较早,周围被泥页岩所包围,埋藏至深部到达烃源岩生烃阶段时,油气难以进入侵入体。如果发育烃源岩与侵入体的良好沟通条件,有可能成为油气聚集的良好场所。因此,侵入体与烃源岩之间的输导条件是控制侵入体是否成为油气储集场所的重要条件之一。

致谢:中国石化华东油气分公司在样品方面提供了很大的帮助,在此致以衷心感谢!

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’Contributions

夏祥和胡文瑄完成论文的构思;夏祥、马晓东、胡文瑄、臧素华参与论文写作修改。所有作者阅读并同意最终稿件的提交。

The study was designed by XIAO xiang and HU Wenxuan. The manuscript was drafted and revised by XIA Xiang, MA Xiaodong, HU Wenxuan and ZANG Suhua. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.