鄂爾多斯盆地華慶地區三疊系長6層碳酸鹽膠結物及形成機理

張 艷,李建明,徐論勛

(長江大學地球科學學院,湖北荊州434023)

鄂爾多斯盆地華慶地區三疊系長6層碳酸鹽膠結物及形成機理

張 艷,李建明,徐論勛

(長江大學地球科學學院,湖北荊州434023)

綜合運用巖石學、礦物學和地球化學方法,將鄂爾多斯盆地華慶地區三疊系長6儲層中碳酸鹽膠結物劃分為三期,并對不同成巖階段形成的碳酸鹽膠結物特征及成因機理進行了探討。長6儲層中碳酸鹽膠結物以鐵方解石、鐵白云石為主要類型。沉積階段和早成巖階段A期方解石膠結物的成因與鋁硅酸鹽礦物的水化作用有關。早成巖階段B期和中成巖階段A期形成的晚期碳酸鹽膠結物的成因主要與酸性流體對長石等鋁硅酸鹽礦物的溶解和粘土礦物轉化有關。

鄂爾多斯盆地;華慶地區;三疊系;碳酸鹽膠結物

碳酸鹽膠結物是一種廣泛分布于碎屑巖中的成巖礦物,在我國和世界上不同類型沉積盆地的碎屑巖沉積序列中屢見不鮮。長6是鄂爾多斯盆地華慶地區砂體最發育、含油性最好的一個油層,其具有分布普遍性、成因多樣性,形成多期性的重要特點。對其碳酸鹽膠結物形成機制的研究為了解成巖作用過程以及優質儲層的分布提供了重要線索。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地華慶地區地處甘肅省華池縣、慶陽縣境內,構造位置位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡帶的西部,具體范圍為:西起白馬,東到馬家砭,北自長官廟,南抵城壕-悅樂一帶,范圍約為5 500km2。

鄂爾多斯盆地延長組第三段長7為湖盆演化的鼎盛時期,沉積了一套生烴能力巨大的烴源巖。長6期湖盆開始收縮,巖性以砂巖為主,是盆地主要的儲油層[1]。長4+5以泥頁巖為主[2],既是生油層也是較好的區域蓋層(表1)。

2 碳酸鹽膠結物主要類型及特征

2.1 碳酸鹽膠結物的類型及分布特征

華慶地區長6儲層中膠結物平均含量一般在4%～23%之間,最高可達40%,平均為9.2%。膠結物成分主要有:碳酸鹽膠結物,伊利石,綠泥石,硅質等,其中碳酸鹽膠結物位為總量的55.7%,占絕對優勢(圖1)。碳酸鹽膠結物主要為方解石、鐵方解石、白云石和鐵白云石,其中鐵方解石、鐵白云石是主要類型。

表1 華慶地區上三疊統延長組第三段地層劃分簡表

2.2 碳酸鹽膠結物的礦物學,巖石學特征

華慶地區碳酸鹽膠結物具有明顯的多期次形成特征[3]。可根據組構、賦存狀態、占位關系等特征將其劃分為三期:第一期主要為早期方解石,第二期為鐵方解石,第三期則主要為(鐵)白云石。其中第一期碳酸鹽膠結物不如第二和三期常見。

第一期方解石主要以泥晶狀產出,嵌晶式膠結。陰極發光下可見貧鐵方解石由里向外發桔黃桔紅色光,很難占據長石溶解空間(圖2-A),說明其在長石顆粒溶解之前形成,其形成時間較早,在之后的成巖作用過程中已被部分溶蝕。研究區可見方解石表面被溶蝕生成少量片狀伊利石(圖2-B)。

圖1 華慶地區長6儲層膠結物成分及含量餅狀圖

第二期鐵方解石的沉淀發生于部分溶解作用之后。鑄體薄片下可見鐵方解石呈嵌晶狀膠結,充填幾乎所有孔隙,并交代碎屑、雜基(圖2-C)。第三期(鐵)白云石發生在溶蝕作用之后,一般晶粒較大,以孔隙充填為特征,呈不規則狀分布在以線狀和凹凸狀接觸為主的碎屑顆粒之間。掃面電鏡下可見長石溶蝕孔隙內發育菱形狀鐵白云石(圖2-D)。

2.3 地球化學特征

正常的海相碳酸鹽巖和碳酸鹽膠結物的δ13C分布在-4.0‰～4.0‰范圍間,屬于無機碳源[4]。華慶地區碳酸鹽膠結物的碳氧同位素分析表明,第一期方解石的碳同位素(δ13C)相對較重,為-0.3‰～ -3.3‰,氧同位素(δ18O)較輕 ,分布范圍為-1.95‰～-22.1‰。說明它的形成與有機質的脫羧基作用關系不大,而與湖泊的碳酸鈣過飽和及沉積時的堿性條件有關,因此形成時間大致在沉積階段與早成巖階段A期。其較輕的氧同位素特征可能與方解石在成巖過程發生重結晶作用有關[5],鏡下可見該類方解石因重結晶而呈連晶狀分布。

第二期鐵方解石的碳同位素(δ13C)相對較輕,為 -3.23‰～ -8.02‰,氧同位素(δ18O)也較輕 ,分布范圍為-19.7‰～-22.9‰。說明鐵方解石中有一定量的有機碳參與,它的形成明顯與有機質脫梭基作用有關。其沉淀時間應該是早成巖階段B-中成巖階段A期。

第三期(鐵)白云石碳同位素(δ13C)相對較重,為-0.84 ‰～ -1.92 ‰,氧同位素(δ18O)變化較大 ,分布范圍為-12.6%～-20.5%。其碳氧同位素組成可能反映了在成巖流體中存在一定量的古代海相碳酸鹽巖溶蝕提供的無機碳[6],研究區薄片下可見碳酸鹽巖屑邊部溶解 (圖2-E)。(鐵)白云石有機碳的加入量比較有限,形成明顯晚于鐵方解石。結合其自形程度較高、主要占據次生溶孔和普遍含鐵的特點,可以說明其形成時間大致在中成巖階段A期。

圖2 華慶地區長6儲層碳酸鹽膠結物

3 碳酸鹽膠結物形成機理討論

自生碳酸鹽膠結物的種類可以隨埋藏深度增加和地溫的升高按一定序列有規律地出現。華慶地區長6儲層各種碳酸鹽膠結物的沉積序列為:早期方解石沉淀→有機流體注入→長石顆粒溶解→早期方解石溶解→晚期鐵方解石充填原生和次生孔隙→晚期(鐵)白云石充填或交代碎屑顆粒(圖3)。現將研究區各種碳酸鹽膠結物的成因機理按沉積序列進行研究。

圖3 華慶地區長6儲層碳酸鹽膠結物的沉積序列

3.1 沉積階段與早成巖階段A期

華慶地區長6油層組砂巖絕大部分為長石砂巖,其次為巖屑長石砂巖。巖屑成分以變質巖巖屑為主,其次為火山巖巖屑。在沉積階段及早成巖階段A期主要發生鋁硅酸鹽骨架顆粒及同期火山物質的水化作用生成早期方解石膠結物。

水化作用首先是鐵鎂暗色礦物的水化作用,之后便是長石等淺色礦物的水化作用。淺色礦物水化首先析出的是 K+、Na+等堿金屬離子,而后是 Ca2+、Mg2+等堿土金屬離子。在研究區薄片中觀察到的長石表面的絹云母化(圖2-F)與水化作用有關。

3.2 早成巖階段B期

開始出現與埋藏成巖作用有關的碳酸鹽和(含)鐵碳酸鹽的沉淀作用。華慶地區多數砂巖中缺失高嶺石,而伊利石和綠泥石的含量相對較高,這可能是成巖中消耗了高嶺石,而有利于形成伊利石、高含量的伊/蒙混層、綠泥石及鈉長石,表現出具明顯的由蒙脫石和高嶺石轉化為伊利石的特征。該轉化過程所涉及的反應如下:

4.5K++8A13++KNaCa2Mg4Fe4Al14Si38O100(OH)20H2O(蒙脫石)→K5.5Mg2Fe1.5Al22Si35O100(OH)20(伊利石)+ Na++ 2Ca2++ 2.5Fe3++2Mg2++3Si4++10H2O

該反應提供的Ca2+,Fe3+和Mg2+離子是碳酸鹽膠結物,尤其是鐵方解石和鐵白云石膠結物的重要物質來源。研究區鐵方解石和鐵白云石含量較高,其成因可能與此有關。

華慶地區延長組上部長4+5局部發育薄煤層或者煤線(表1)。煤因壓實或者氧化反應開始釋放出酸性流體,并造成其下地層中的溶蝕。該階段末,有機質逐漸成熟。研究區接近盆地沉降中心,深湖區沉積了一套泥頁巖地層,富含有粘土礦物與有機質。隨著研究區有機質進入低熟階段,延長組長7巨厚的生油巖,以及長6富含有機質的暗色泥巖中干酪根的熱演化,生成的大量有機酸和CO2降低了地層水中的p H值,使地層水呈酸性。

華慶地區長6油層組砂巖絕大部分為長石砂巖,其豐富的長石砂巖為碳酸鹽膠結物的發育提供了重要的物質基礎。成巖過程中形成的酸性水隨泥巖壓實進入相鄰砂體中,造成砂體中不穩定的長石等酸溶性組分的溶蝕,同時排出,Fe2+、Ca2+、Mg2+等,形成碳酸鹽膠結物重要的物質來源之一。鈣長石的溶解方程如下:

CaAl2Si2O8(鈣長石) →A12Si2O5(OH)4(高嶺石)+Si4++Ca2+

早成巖階段B期形成的這些碳酸鹽和(含)鐵碳酸鹽礦物大都具有較低的δ13C,δ18O值,此階段形成的碳酸鹽膠結物以第二期鐵方解石膠結物為主。

3.3 中成巖階段A期

長6油層組儲層砂巖目前埋深在2 000m左右,已達中成巖A期。因為粘土礦物的轉化是溫度或埋藏深度(在忽略孔隙介質影響時)的函數,與之有關的碳酸鹽膠結物此階段形成的速度更快。

隨著主要烴源層中的有機質已逐漸進入成熟階段,干酪根的熱演化生成更多的有機酸和CO2使地層水p H值更低。這些酸性水除繼續溶解長石等酸溶性組分外,也造成埋藏條件下難容的碳酸鹽巖屑的溶解,形成碳酸鹽膠結物重要的物質來源。

華慶地區中成巖階段A期長石的溶解,(鐵)方解石和(鐵)白云石的沉淀交替進行。研究區(鐵)白云石自形程度較高、主要占據次生溶孔,主要在此階段形成。

3.4 與埋藏成巖作用有關的碳酸鹽膠結物形成機理綜合模式

華慶地區泥頁巖地層在成巖過程中主要為成巖流體排出帶,其有機質熱演化過程中生成了大量酸性流體。成巖酸性流體向側方運移時,對流經的長石等酸溶性組分和陸源碳酸鹽碎屑產生溶蝕,形成溶蝕帶次生溶孔,同時排出 Fe2+、Ca2+、Mg2+等。粘土礦物的轉化過程中排出的 Fe3+、Ca2+、Mg2+,也為碳酸鹽礦物的成巖期膠結提供了物源。

這些離子隨孔隙流體運移時,由于酸堿度的變化等物理化學條件的改變發生沉淀膠結,形成碳酸鹽膠結作用充填帶(圖4)。

4 結論

圖4 華慶地區長6儲層碳酸鹽膠結物形成機理模式

(1)華慶地區長6儲層砂巖中以碳酸鹽膠結作用占絕對優勢。其中鐵方解石、鐵白云石膠結是主要類型。可將研究區碳酸鹽膠結物劃分為三期:第一期主要為早期方解石,第二期為鐵方解石,第三期則主要為(鐵)白云石。

(2)在沉積階段及早成巖階段A期主要發生鋁硅酸鹽骨架顆粒及同期火山物質的水化作用生成早期方解石膠結物。早成巖階段B期以第二期鐵方解石膠結物為主。(鐵)白云石主要在中成巖階段A期形成。

(3)研究區與埋藏成巖作用有關的碳酸鹽和(含)鐵碳酸鹽的沉淀作用主要發生在早成巖階段B期和中成巖階段A期。其成因與原生或次生粘土礦物的成巖轉化,有機質熱演化以及煤氧化形成的酸性流體對長石等鋁硅酸鹽礦物的溶解有關。

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編輯:吳官生

TE112.23

A

1673-8217(2010)01-0020-03

2009-07-30;改回日期:2009-09-15

張艷,1984年生,2007年大學畢業,在職碩士研究生,研究方向為沉積儲層。