大慶—三肇凹陷扶余油層致密儲(chǔ)層成巖作用類(lèi)型及序列

楊嘉明，王璐奕，杜欣蓉，王鑫(西安石油大學(xué)，陜西 西安 710300)

0 引言

大慶長(zhǎng)垣和三肇凹陷是松遼盆地北部重要的石油產(chǎn)區(qū)，扶余油層作為其主要產(chǎn)油目的層目前已找到榆樹(shù)林油田和升平油田等，這充分地展示了該區(qū)良好的資源潛力。但是該區(qū)扶余油層致密砂巖由于儲(chǔ)層物性差及非均質(zhì)性強(qiáng)，造成該區(qū)油水分布情況復(fù)雜，極大制約了三肇地區(qū)扶余油層下一步的勘探與開(kāi)發(fā)。成巖作用是形成致密儲(chǔ)層的重要因素之一，文章利用物性資料、巖石薄片、掃描電鏡及能譜、陰極發(fā)光等資料對(duì)松遼盆地大慶長(zhǎng)垣和三肇凹陷扶余油層致密儲(chǔ)層成巖作用類(lèi)型和成巖序列進(jìn)行系統(tǒng)地分析，對(duì)于認(rèn)識(shí)扶余致密砂巖儲(chǔ)層成巖演化序列和致密化過(guò)程奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

松遼盆地長(zhǎng)750 km，寬330～370 km，總面積26×104km2，位于中國(guó)東北部的黑龍江及其支流勾勒出的“雞首”的中部。盆地分為六個(gè)構(gòu)造單元：北部坳陷、中部坳陷、東北隆起、東南隆起、西南隆起和西部斜坡[1]。中部坳陷地區(qū)位于松遼盆地中部，是松遼盆地最大的負(fù)向構(gòu)造單元，也是松遼盆地的長(zhǎng)期沉陷中心和沉積中心。中部坳陷地區(qū)劃分為大慶背斜、齊家—古龍、三肇、長(zhǎng)嶺凹陷和朝陽(yáng)溝階地，是油氣主產(chǎn)區(qū)。盆地中心含有厚度約10 km 的侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、古近紀(jì)和新近紀(jì)碎屑沉積[2]。有四個(gè)構(gòu)造階段：地幔上升流(裂谷期)、同裂谷期、裂谷后熱沉降和構(gòu)造反轉(zhuǎn)，熱沉降和熱擠壓始于晚白堊世末。松遼盆地處于東南向的擠壓應(yīng)力場(chǎng)中(即太平洋板塊運(yùn)動(dòng)重組、西太平洋海底火山活動(dòng)增加、太平洋板塊俯沖)，形成了大慶背斜等大部分正構(gòu)造[2-3]。而白堊紀(jì)作為該盆地的主要發(fā)育階段，在這一階段沉積了大量的火山碎屑巖，地層剖面非常完整，化石異常豐富，是研究白堊紀(jì)時(shí)期地層的理想地區(qū)。并且這里埋藏著中國(guó)乃至世界的巨大的寶藏——大慶油田，大慶油田是由松遼盆地中間的背斜和河流三角洲交匯而成。三肇凹陷扶余油層則發(fā)育于泉頭組四段，泉頭組以紅棕色、紫色、斑駁的泥巖和鈣質(zhì)礫巖為主，代表河流和漫灘環(huán)境。河道和分流河道是泉頭組四段的主要砂體類(lèi)型[4]。

2 巖石學(xué)特征

大慶長(zhǎng)垣—三肇地區(qū)扶余油層砂巖以粉砂～細(xì)粒砂巖為主，少量中、粗粒砂巖，砂粒主要呈次棱角狀至次圓形。砂巖主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，大慶長(zhǎng)垣的平均碎屑顆粒組成為Q28.13F33.5L38.37，三肇凹陷的平均碎屑顆粒組成為Q28.87F34.94L36.19，成分成熟度低。巖屑以巖漿巖巖屑為主，變質(zhì)巖巖屑次之，沉積巖巖屑較少。基質(zhì)類(lèi)型以黏土礦物為主，含量1%～45%，平均9.35%。

3 成巖作用類(lèi)型

成巖作用大多發(fā)生在地下幾千米深的地質(zhì)環(huán)境中，松遼盆地三肇地區(qū)的成巖作用主要方式有壓實(shí)作用、膠結(jié)作用及溶蝕作用。

3.1 壓實(shí)作用

如圖1 所示，扶余油層成巖過(guò)程中經(jīng)歷了中等強(qiáng)度壓實(shí)，鏡下常見(jiàn)線、點(diǎn)-線接觸，如圖1(a)～圖1(c)所示，可見(jiàn)少量凹凸接觸，如圖1(d)所示，塑性礦物如巖屑、云母等常見(jiàn)擠壓變形，如圖1(e)所示，脆性礦物如長(zhǎng)石、石英等可見(jiàn)擠壓破碎，如圖1(f)所示。

圖1 扶余油層壓實(shí)作用

3.2 膠結(jié)作用

薄片鏡下觀察、掃描電鏡和陰極發(fā)光觀察結(jié)果表明，研究區(qū)膠結(jié)作用主要有方解石膠結(jié)、石英次生加大和自生粘土礦物。

3.2.1 方解石膠結(jié)

方解石膠結(jié)是扶余油層主要的碳酸鹽膠結(jié)物，且主要為不含鐵的方解石，如圖2 所示。使用茜素紅和氰化鉀配置的染色劑染色后，方解石主要呈紅色，如圖2(c)和圖2(f)所示；正交偏光下方解石為灰白色，如圖2(b)、圖2(d)和圖2(e)所示，個(gè)別方解石顆粒中可見(jiàn)雙晶紋，如圖2(d)所示；陰極發(fā)光下方解石為橘黃色，如圖2(a)所示；經(jīng)能譜檢測(cè)，方解石的元素組成為C、O 和Ca，含少量Mn，基本不含F(xiàn)e。

圖2 扶余油層方解石膠結(jié)物特征

3.2.2 粘土礦物膠結(jié)

扶余油層中發(fā)育的自生粘土礦物主要為伊利石，可見(jiàn)少量綠泥石和高嶺石。綠泥石既可附著于顆粒表面形成綠泥石膜，也可以針葉狀或玫瑰花狀充填于粒間孔內(nèi)。綠泥石膜可連續(xù)覆蓋在顆粒表面，也可在顆粒表面不連續(xù)分布(特別是顆粒與顆粒接觸部位)，前者形成時(shí)間應(yīng)早于壓實(shí)作用，后者形成時(shí)間晚于壓實(shí)作用。充填在孔隙中的玫瑰花狀綠泥石間還發(fā)育微晶石英。伊利石可呈絮狀充填于粒間孔或粒間溶孔內(nèi)，也可呈絲發(fā)狀發(fā)育在顆粒表面形成伊利石膜，且多與長(zhǎng)石溶蝕殘余顆粒伴生，伊利石的元素組成包括Al、Si、O、K，并含有少量的Mg 和Fe。

4 成巖序列及孔隙演化

4.1 成巖作用階段

4.1.1 綠泥石膜形成時(shí)間早于石英次生加大邊

在個(gè)別樣品中，可見(jiàn)綠泥石膜或綠泥石環(huán)邊現(xiàn)象，在石英顆粒表面形成連續(xù)的綠泥石膜的情況下，無(wú)明顯石英次生加大現(xiàn)象，說(shuō)明綠泥石膜的形成時(shí)間早于石英次生加大。

4.1.2 石英次生加大發(fā)生時(shí)間早于晚期方解石膠結(jié)發(fā)生時(shí)間

石英次生加大含量明顯比碳酸鹽膠結(jié)物含量低，石英次生加大可見(jiàn)兩期加大邊，在石英加大邊外側(cè)發(fā)育方解石，方解石充填粒間孔并可交代石英顆粒及其加大邊。因此，石英次生加大發(fā)生時(shí)間總體早于晚期方解石的發(fā)生時(shí)間。

4.1.3 石英次生加大邊形成時(shí)間與溶蝕作用同步發(fā)生

硅質(zhì)是長(zhǎng)石溶蝕的主要產(chǎn)物之一，長(zhǎng)石溶蝕主要經(jīng)過(guò)淡水淋濾作用和酸性流體溶蝕作用產(chǎn)生[5-6]。淡水淋濾作用主要發(fā)生在早成巖階段，扶余油層主要為分流河道和水下分流河道砂體。具有接受淡水淋濾作用的條件。酸性流體主要來(lái)自于青山口組一段烴源巖熱演化過(guò)程中生成的CO2和有機(jī)酸，長(zhǎng)石等易溶礦物在酸性流體作用下發(fā)生溶蝕形成次生孔隙。

4.1.4 早期方解石使儲(chǔ)層過(guò)早進(jìn)入致密階段

早期方解石在儲(chǔ)層演化的早期階段就已進(jìn)入孔隙中，形成了連晶方解石膠結(jié)，阻止了壓實(shí)作用繼續(xù)進(jìn)行，碎屑顆粒多呈漂浮狀，如圖2(c)和圖2(f)所示。經(jīng)鏡下觀察和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，方解石膠結(jié)物含量最大可達(dá)50%左右。早期方解石大量發(fā)育段一般位于厚層砂巖段的底部或薄層砂巖中，其成因宏觀上可能受高頻基準(zhǔn)面變化的影響，微觀上可能與毗鄰的泥巖段壓實(shí)脫水和有機(jī)質(zhì)細(xì)菌還原作用有關(guān)[7]。

4.1.5 晚期方解石形成時(shí)間晚于溶蝕作用或與溶蝕作用同期發(fā)生

除早期方解石外，大部分砂巖層段為晚期方解石充填粒間孔，并出現(xiàn)交代長(zhǎng)石及石英的現(xiàn)象。亮晶方解石與溶蝕孔隙伴生的現(xiàn)象很普遍，而且溶蝕孔隙旁的方解石并無(wú)明顯溶蝕現(xiàn)象，如圖2(d)所示，形成此種現(xiàn)象的原因可能包括：酸性流體對(duì)長(zhǎng)石和方解石的溶解具有選擇性；體系的pH 值由有機(jī)酸控制，CO2不參與溶蝕作用，而是促進(jìn)方解石的形成及沉淀[8]；在硅鋁酸鹽-碳酸鹽-有機(jī)酸體系內(nèi)，硅鋁酸鹽更易被溶蝕。

4.1.6 溶蝕孔隙形成時(shí)間早于石油充注或與石油充注同時(shí)進(jìn)行

扶余油層中次生孔隙內(nèi)有烴類(lèi)殘余的現(xiàn)象很普遍。有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)排酸高峰在生烴高峰之前，因此溶蝕孔隙的形成時(shí)間一般早于石油大量充注的時(shí)間；其次石油在進(jìn)入儲(chǔ)層之后，石油中攜帶的有機(jī)酸同樣也會(huì)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行溶蝕，從而形成次生孔隙。

4.1.7 晚期方解石膠結(jié)物早于伊利石

伊利石的形成與蒙脫石演化、高嶺石伊利石化或長(zhǎng)石伊利石化有關(guān)。扶余油層中伊利石是含量最高的粘土礦物類(lèi)型，伊利石與方解石的接觸關(guān)系表現(xiàn)為伊利石多發(fā)育在方解石外側(cè)，推測(cè)伊利石的形成時(shí)間晚于方解石。

4.1.8 伊利石形成時(shí)間早于石油主充注期

石油充注會(huì)改變流體環(huán)境從而抑制伊利石的生長(zhǎng)。長(zhǎng)石被溶蝕形成的溶蝕孔隙內(nèi)一般都發(fā)育伊利石，伊利石成因可能與長(zhǎng)石伊利石化有關(guān)。伊利石表面吸附著大量殘余烴類(lèi)，推測(cè)伊利石形成時(shí)間早于石油充注。

4.2 扶余油層成巖序列

大慶長(zhǎng)垣和三肇地區(qū)扶余油層的主要成巖順序?yàn)椋?1)壓實(shí)作用、早期方解石和綠泥石膜；(2)溶蝕作用、石英次生加大、高嶺石充填孔隙；(3)晚期方解石、方解石交代長(zhǎng)石和石英；(4)晚期伊利石(長(zhǎng)石伊利石化)；(5)石油充注。早成巖階段，在石英、長(zhǎng)石等碎屑顆粒表面形成了有限的綠泥石膜，對(duì)形成石英次生加大的抑制作用有限。中成巖階段，隨著有機(jī)質(zhì)熱演化程度升高，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入低熟階段，生成大量有機(jī)酸，溶蝕長(zhǎng)石等易溶礦物并形成次生孔隙、高嶺石和石英，并為晚期方解石膠結(jié)提供了空間和物質(zhì)來(lái)源(Ca2+)，同時(shí)長(zhǎng)石溶蝕消耗了有機(jī)酸，為方解石和伊利石沉淀創(chuàng)造了適宜的酸堿環(huán)境。

5 結(jié)語(yǔ)

在適宜的溫度、壓力、流體成分和礦物組合等條件下，各種成巖礦物的形成都有一定的時(shí)間跨度，根據(jù)各種礦物之間的接觸關(guān)系和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立的成巖序列是一種相對(duì)的順序。扶余油層主要的成巖作用產(chǎn)物有早期方解石、晚期方解石、伊利石、石英次生加大、溶蝕作用及溶蝕孔隙、綠泥石和高嶺石。早期方解石主要發(fā)育在砂體下部，在含油層段含量較低；綠泥石和高嶺石含量遠(yuǎn)低于伊利石，綠泥石膜在早成巖期形成，而且可能與機(jī)械沉積作用有關(guān)，充填在孔隙內(nèi)的綠泥石可能主要在中成巖期形成；高嶺石主要是長(zhǎng)石被溶蝕的產(chǎn)物，與溶蝕孔隙同期形成。