










摘要:
深層白云巖是近年深部勘探的重點,其孔隙內多見白云石膠結,但白云石膠結物晶粒賦存組合方式及其對孔隙的作用研究較少。因此,以四川盆地高磨地區下寒武統龍王廟組為例,綜合巖心、薄片、陰極發光、碳氧同位素及包裹體等資料,研究其白云石膠結物類型、特征、結構、體積分數及其對孔隙的影響。白云石膠結物晶體在形態上主要有半菱形、菱形、環帶狀和鞍狀等,粒徑包含粉晶—巨晶。膠結物晶體與孔洞形成內襯狀、橋接狀和鑲嵌狀三種結構。使用發育頻率(發育某種結構的樣品數/顆粒白云巖或晶粒白云巖樣品總數)來表征某種結構的發育程度,白云巖中鑲嵌狀結構最發育(發育頻率為48.3%~89.5%),橋接狀次之(22.4%~73.7%),內襯狀最弱(8.6%~55.2%)。內襯狀結構和橋接狀結構主要發育在顆粒白云巖中,體積分數分別為0~15%和25%~50%,且其發育程度隨細—粉晶白云石膠結物體積分數增加而增強;鑲嵌狀結構在白云巖中普遍發育,體積分數主要為50%~100%,且其發育與中晶巨晶白云石體積分數正相關。內襯狀結構和橋接狀結構主要形成于同生成巖階段中成巖階段,鑲嵌狀結構主要形成于晚成巖階段。內襯狀結構及橋接狀結構形成較早可降低成巖進程中壓溶壓實對孔隙的破壞,而鑲嵌狀結構破壞殘余孔隙。以主要發育鑲嵌狀結構層段的孔隙度為基準,主要發育內襯狀結構和橋接狀結構層段的孔隙度可提高約50%。
關鍵詞:四川盆地;深層白云巖;白云石膠結物;孔隙;龍王廟組
doi:10.13278/j.cnki.jjuese.20230204
中圖分類號:P618.13
文獻標志碼:A
Characteristics of Dolomite Cement and Its Effect on the Porosity of Deep Dolomite
Qu Haizhou1, Chen Run1, Xu Wei2, Zhang Yunfeng1, Zhang Ya2, He Puwei2, Tang Song3, Li Wenhao4
1. School of Geosciences & Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China
2. Exploration and Development Research Institute, PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company, Chengdu 610051, China
3. Chuanzhong Oil and Gas Mine, PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company, Suining 629000, Sichuan, China
4. Exploration Division, PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company, Chengdu 610051, China
Abstract:
Deep dolomite has been a key focus of deep exploration in recent years, with dolomite cementation commonly found in its internal pores. However, there is relatively less research on the combination of dolomite cement grain occurrence and its effect on pores. Therefore, taking the Longwangmiao Formation of the Lower Cambrian in the Gaomo area of the Sichuan basin as an example, comprehensive data such as core samples, thin sections, cathodoluminescence, carbon-oxygen isotopes, and inclusions were used to study the types, characteristics, structures, volume fraction, and their effects on pores of dolomite cement. The crystals of dolomite cement mainly have shapes such as semi rhombus, rhombus, ring shaped, saddle shaped, etc., with particle sizes ranging from powder crystals to giant crystals. Cement crystals and pores form three types of structures: lining, bridging, and embedding. Using the frequency of development (the number of samples that develop a certain structure/the total number of samples of granular dolomite or grain dolomite) to characterize the degree of development of a certain structure, the embedding structure is the most developed in dolomite (48.3%-89.5%), followed by the bridging structure (22.4%-73.7%), and the lining structure is the weakest (8.6%-55.2%). The inner lining structure and bridging structure are mainly developed in granular dolomite, with volume fraction of 0 to 15% and 25% to 50%, respectively, and their development degree increases with the volume fraction of fine-grained dolomite cement. Embedding structures are commonly developed in dolomite, with a volume fraction mainly ranging from 50% to 100%, and their development is positively correlated with the volume fraction of medium crystalline to giant crystalline dolomite. The inner lining structure and bridging structure are mainly formed during the syndiagenetic stage to the middle diagenetic stage, while the embedding structure is mainly formed during the late diagenetic stage. The formation of inner lining and bridging structures earlier can reduce the damage to pores caused by solution compaction during diagenesis, while the embedding structure can damage residual pores. Based on the porosity of the layers with mainly developed embedding structures, the porosity of the layers with mainly developed inner lining and bridging structures can be increased by 50%.
Key words:
Sichuan basin;deep dolomite;dolomite cement;pore;Longwangmiao Formation
0"引言
深層白云巖是國內外油氣藏的重要儲集巖,其孔隙中常見白云石膠結物[1-3],石灰巖的白云石化可以增加巖石孔隙度(13%),但當沒有方解石可以被交代的情況下,持續的富Mg流體的作用將沉淀白云石膠結物,影響機制為[4-8]:2CaCO3 + Mg2+→ CaMg(CO3)2"+ Ca2+,CaCO3 + Mg2+"+ CO32-"→ CaMg(CO3)2。膠結作用會降低巖石孔隙度,但在一定條件下也可以對殘余的孔隙進行保護。如同生成巖階段的海底膠結物[9-10]、早成巖階段的大氣淡水等厚環邊和粒間膠結物[9, 11-15]和中成巖階段的白云石膠結物[16-19]等,可以抑制后期埋藏環境的壓實、壓溶作用,進而保護孔隙。有學者[20]將碳酸鹽巖儲層孔隙得以保持的成巖作用歸為“保持性成巖作用”。但膠結物形成的類型、結構、體積分數等對孔隙的定性、定量影響,尚未開展深入研究。
高磨地區安岳氣田為我國最大的單體海相整裝氣藏,其下寒武統龍王廟組已探明天然氣儲量超過4 403.8×108 m3[21-26]。龍王廟組經歷了濃縮白云石化、回流滲透白云石化、埋藏白云石化等作用[4, 27-28],平均埋深為4 500~4 800 m,厚80~110 m[4, 29]。其中儲集空間包括組構選擇性的粒間溶孔、粒內溶孔、晶間溶孔以及非組構選擇性的溶蝕孔洞、裂縫和縫合線擴溶縫等[30]。同時,儲層段廣泛發育白云石膠結[31-32],期次多,形態各異,結構復雜。本文基于巖心、薄片、陰極發光、包裹體和碳氧同位素等資料,對不同白云巖巖性中的膠結物類型、結構及體積分數等開展定性-定量研究,進而探討其對龍王廟組深層白云巖孔隙的影響。
1"地質背景
四川盆地寒武系屬于華南地層區揚子地層分區,高磨地區構造上屬川中古隆中斜平緩帶、樂山—龍女寺古隆起之上[33-35]。依據盆地內部及鄰區寒武系分布及特征,地層自下而上依次為下寒武統筇竹寺組、滄浪鋪組和龍王廟組,中寒武統高臺組,中上寒武統洗象池組。其中,下寒武統龍王廟組頂底界限清晰,與下伏滄浪鋪組及上覆高臺組均為整合接觸[36-37]。龍王廟組沉積期研究區處于上揚子臺地西北部邊緣,受西高東低的構造格局影響,為局限臺地沉積,發育鮞粒白云巖、砂屑白云巖、花斑狀粉晶白云巖等巖性(圖1)[38]。
2"測試方法
本次研究以取心較完整的GS23井為例,委托東方礦產開發技術研究所使用穩定同位素比值質譜儀(MAT253plus),測試及搜集整理了20個樣品的碳、氧同位素數據,樣品涵蓋了龍王廟組不同類型的白云巖。在西南石油大學資源與環境學院實驗測試中心使用THMSG 600地質冷熱臺測定了粉晶白云巖和顆粒白云巖共2塊樣品中的白云石晶體中的包裹體均一溫度。并于西南石油大學地球科學與技術學院實驗測試中心使用CL8200 MK5陰極發光
顯微鏡分析了5塊白云巖樣品,使用蔡司數字偏光顯微鏡Axio Scope.A1進行了96片鑄體薄片巖石
學觀察,其中膠結物定量表征方法見圖2。首先對磨制好的鑄體薄片進行拍攝,選擇最能代表整個薄片孔隙特征的視域,或者按一定順序拍攝
整張薄片;然后,使用imageJ軟件中的Stitching模塊進行圖片拼接;最后對孔隙進行分析,識別其充填物組構,并對每一種組構進行量化,得到每種組構的體積分數。下文主要對不同粒級的白云石膠結物及其組合結構進行量化。同時,本文收集了中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院分析實驗中心巖心常規分析(孔隙度、滲透率及飽和度)報告,共315次巖心柱塞樣分析數據。
3"結果與討論
3.1"白云巖類型
研究區龍王廟組白云巖主要有顆粒白云巖和晶粒白云巖兩類,具體包括砂屑白云巖(可見藻黏結特征)(圖3a—c)、(含砂屑)晶粒白云巖、(含砂屑)泥晶白云巖、鮞粒白云巖、礫屑白云巖等,常見泥質條紋發育(圖3d),此外偶見藻凝塊石白云巖(圖3e)。
3.1.1"顆粒白云巖顆粒白云巖常形成于水體能量較高的沉積環境,主要發育在臺內灘的鮞粒灘、砂(礫)屑灘沉積微相,巖性以砂屑白云巖、鮞粒白云巖為主,局部還可見礫屑、凝塊石、核形石白云巖。鮞粒白云巖主要為灰色—褐色薄層狀,鮞粒粒徑主要為1~2 mm(圖3f);砂屑白云巖主要為淺灰色—深灰色薄—中層狀,砂屑粒徑主要為0.2~1.5 mm(圖3g)。總體上顆粒分選磨圓較好,呈橢圓、球狀。巖石的溶蝕孔洞及微觀孔隙較發育,常被亮晶方解石半充填—全充填,有效孔隙多為粒間溶孔以及晶間孔。鏡下可觀察到顆粒內部被重結晶作用改造為晶粒結構,但外部顆粒輪廓可清晰辨別,該類巖性也被稱為殘余顆粒白云巖。
3.1.2"晶粒白云巖
晶粒白云巖以泥晶白云巖、粉晶白云巖為主,主要發育于灘間海、潮坪等低能環境,其中潮坪環境的
晶粒白云巖常夾雜陸源碎屑(如粉砂、泥質條紋等)。宏觀上呈深灰色、灰黑色中—厚層狀,鏡下觀察到白云石晶粒多小于0.01 mm,局部介于0.01~0.1 mm之間,晶形呈半自形晶(圖3h)。
3.2"白云石膠結物類型
白云石膠結物的粒徑、自形程度-陰極發光特征、晶體生長世代和次序可對應不同的成巖階段,如與不發光或昏暗發光的基質直接接觸的環邊膠結物往往具有與基質相同的發光性,粒徑多為細—粉晶,自形程度差,指示其形成于同生成巖階段。此外,淺
a. 藻砂屑白云巖,見粒內、粒間溶孔及鑄模孔,部分充填,面孔率約為5%,GS7井,4 634.52 m,(-);b. 具黏結特征的砂屑白云巖,見溶蝕孔洞,MX56井,第3筒第39塊巖心;c. 具黏結特征的砂屑白云巖,見核形石、溶蝕孔洞,孔洞被白云石及瀝青部分充填,面孔率約為10%,MX56井,4 959.08 m,(-);d. 砂屑白云巖,泥質條紋發育,MX208井,第1筒第13塊巖心;e. 藻凝塊石白云巖,見溶蝕孔洞,GS001-X24井,第2筒第59塊巖心;f. 鮞粒白云巖,GS6井,4 545.49~4 545.59 m,(-);g. 亮晶砂屑白云巖,砂屑體積分數約為80%,粒間膠結物體積分數約為15%,GS17井,4 505.20 m,(-);h. 粉晶白云巖,GS23井,4 689.75 m,(-)。
埋藏時期流體還原性較弱,鐵離子多以+3價形式出現,陰極發光明亮,白云石自形程度增加,粒徑較之前增大。隨著埋藏深度的變深,地層流體性質更偏還原,鐵離子多呈+2價,猝滅發光,致使陰極發光昏暗,白云石更趨向自形,粒徑更大。
同生成巖階段:經過對20個樣品的碳氧同位素值測定,龍王廟組白云巖δ13C在-1.43‰~2.16‰之間,平均值為-0.18‰。δ18O在-9.13‰~-3.2‰之間,平均值為-7.28‰(圖4)。與早寒武
世海水(δ13C值為-2.00‰~0‰,δ18O值為-9.00‰~-7.00‰)[39]相比,碳同位素值相似,反映白云石化流體主要來自海水。濃縮的海水經過回流滲透白云石化作用,交代早期環邊膠結物形成第一期膠結物,環繞顆粒,具有陰極發光昏暗、他形、粉晶級的特征(圖5a—c);并在溶蝕孔洞或粒間殘余孔隙中沉淀出細晶白云石,直接生長在圍巖上或先期膠結物之上,自形—半自形,陰極發光昏暗(圖5d—f),這一階段形成的白云石膠結物
體積分數為5%~90%,造成如此分布的原因與巖性、原始粒間孔隙大小、流體供應是否充足等形成條件有關。比如,當原始孔隙空間均較小時,該階段的白云石可完全充填孔隙,致使該類白云石膠結物體積分數大;
當原始孔隙空間足夠大,或巖體遭受溶蝕時,該階段形成的白云石膠結物呈薄環帶分布在洞壁,體積分數小。
早成巖階段:在淺埋藏環境中,回流滲透帶來的過量富Mg流體,圍繞同生成巖階段形成的白云石再進行沉淀、膠結,使得陰極發光具有昏暗發光中心和明亮紅光的環邊等特征,膠結物晶粒粒徑可達中晶級(圖5c、g—i)。
中成巖階段:在中埋藏環境中,膠結進一步向孔隙中央沉淀,形成半自形—自形(視先期殘余孔隙大小)的中晶級別的白云石膠結物,發明亮紅光或昏暗(圖5f),中晶白云石體積分數為5%~70%。
晚成巖階段:在深埋藏環境中,經多期流體的沉淀形成的白云石膠結物,陰極發光下見明暗交替的環帶,粒徑可達粗晶級(圖5j—l)。顆粒之間可見較粗大的鞍形白云石(圖5m—o)。鞍形白云石呈珍珠狀或乳白色,晶體表面見微裂縫及解理發育,晶面彎曲,呈鐮刀狀或階梯狀,正交偏光下具有波狀消光特征,在陰極發光下呈斑駁狀紅色光。另外,對來自GS23井的2個白云巖樣品溶孔內的粗晶白云石(自形或異形)膠結物中的包裹體進行測溫,平均均一溫度為168 ℃(圖6),且上文所述的氧同位素偏負。這些特征均反映該階段有熱液作用形成的白云石膠結物。粗—巨晶白云石的體積分數為5%~100%。
3.3"白云石膠結物結構
不同類型的膠結物在殘余粒間孔隙或溶蝕孔洞中形成了三種不同的結構:內襯狀、橋接狀和鑲嵌狀。內襯狀膠結物為殘余孔隙與圍巖之間呈環帶發育的膠結物,多為細—粉晶白云石組成,成因常見兩種:一是同生成巖階段海水環境的環邊膠結物被云化,保留原始環邊結構的白云石膠結物;二是早成巖階段溶蝕孔洞中沉淀在洞壁的白云石膠結物。前者陰極發光昏暗,后者可中等發光,環壁狀的膠結物能夠支撐殘余孔隙(圖5g—i)。橋接狀膠結物之間為點或線接觸,由細—粉晶和中晶白云石共同組成,與內襯狀膠結物相比,殘余孔隙相對減少,但膠結物晶體間相互頂接亦對殘余孔隙有保護作用,形成時間晚于內襯狀膠結物,陰極發光更多以明亮發光為特征(圖5d—f、j—l)。鑲嵌狀膠結物在孔隙中呈鑲嵌狀緊密接觸,包含所有粒徑的白云石,可在早成巖階段由細—粉晶白云石膠結形成,也可在晚成巖階段深埋藏環境中受熱液的不斷膠結形成。陰極發光亦可從昏暗變化至明亮發光。該類結構對孔隙的充填程度高,殘余孔隙極少(圖5a—c、m—o)。
3.4"白云石膠結物發育特征
對GS23井的96個樣品按照不同巖性進行統計,分析了孔隙內不同充填物(各粒級白云石膠結物、瀝青和石英)的體積分數,以及白云石膠結物三種結構的體積分數,結果見圖7。結果表明,細—粉晶白云石和中晶白云石膠結物更易在顆粒白云巖中發育,且體積分數較高,粗—巨晶白云石膠結物在顆粒白云巖中體積分數較低,在晶粒白云巖中反之(圖7a—c、i—k)。瀝青及石英在顆粒和晶粒白云巖中體積分數均較低(圖7d、e、l、m)。鑲嵌狀結構在顆粒白云巖和晶粒白云巖中均較發育,顆粒白云巖內中—粗晶白云石膠結物的體積分數越大,則鑲嵌狀結構越發育,但在晶粒白云巖內,各粒級膠結物的體積分數均與該結構發育有正相關性。內襯狀結構和橋接狀結構更易在顆粒白云巖中發育,且隨細—粉晶白云石膠結物體積分數的增大而更發育,但在晶粒白云巖中少見。具體特征如下。
顆粒白云巖中白云石膠結物三種結構的發育頻率(發育某種結構的顆粒白云巖樣品數/顆粒白云巖樣品總數)以鑲嵌狀最大(89.5%,34片),橋接狀(73.7%,28片)、內襯狀(55.2%,21片)稍低;且內襯狀、橋接狀和鑲嵌狀結構的體積分數主要分別為0~15%、25%~50%和50%~100%(圖7f—h)。晶粒白云巖中白云石膠結物結構較單一。內襯狀(8.6%,5片)和橋接狀(22.4%,13片)發育頻率低,主要以鑲嵌狀為主(48.3%,28片),體積分數也主要為50%~100%(圖7n—p)。
白云石膠結物的粒級與膠結物結構的類型有相關性。對于顆粒白云巖:內襯狀結構的體積分數與細—粉晶白云石膠結物體積分數正相關,與中晶白云石、粗-巨晶白云石膠結物的體積分數負相關(圖8a—c),表明內襯狀結構主要由早期形成的晶粒較小的細—粉晶白云石膠結物構成,后期圍繞先期細粉晶白云石膠結物繼續沉淀的白云石膠結物或單獨沉淀的中晶和粗—巨晶白云石膠結物破壞內襯狀結構;橋接狀結構體積分數與各粒級白云石膠結物體積分數的相關性與內襯狀類似,但相關性有一定降低(圖8d—f);鑲嵌狀結構體積分數與中晶白云石、粗—巨晶白云石體積分數正相關,與細—粉晶白云石體積分數負相關(圖8g—i),表明鑲嵌狀結構的形成主要與中晶和粗—巨晶白云石膠結物體積分數的增大有關。相對而言,晶粒白云巖中內襯狀結構和橋接狀結構體積分數與各粒徑白云石膠結物體積分數無明顯的相關性(圖8j—o),但鑲嵌狀結構體積分數與各粒級白云石膠結物體積分數有弱正相關性(圖8p—r)。上述特征可能是因為晶粒白云巖溶蝕弱,孔隙少,流體更易先膠結完其孔隙,內襯狀結構和橋接狀結構的近乎缺失,鑲嵌狀結構更易發育。
3.5"膠結物對孔隙發育的影響
GS23井龍王廟組取心83.58 m(占地層厚度的91%)。對殘余孔隙具有保護作用的內襯狀結構和橋接狀結構更易在顆粒白云巖發育。實測物性及測井解釋良好段與橋接狀結構和內襯狀結構發育段具有一致性(圖9)。晶粒白云巖及顆粒白云巖的孔隙度均隨橋接狀結構和內襯狀結構體積分數的增大而升高,隨鑲嵌狀結構體積分數的增大而降低。以實測孔隙度與對應深度薄片膠結物特征參數為例,在深度4 735.89、4 669.32、4 683.89 m,內襯狀結構體積分數依次為0、30%、20%,橋接狀結構體積分數依次為0、70%、45%,鑲嵌狀結構體積分數依次為100%、0、35%,對應孔隙度依次為3.5%、3.7%、4.8%(表1)。
綜合薄片參數和實測物性參數,發育內襯狀和橋接狀結構為主的深度段孔隙度平均值為3.9%,發育鑲嵌狀結構為主的深度段孔隙度平均值為2.6%,前者相對后者提升50.7%。
具體特征如下。
1)4 675 m~4 680 m,巖性為鮞粒白云巖,該段細粉晶白云石膠結物體積分數高,內襯狀結構和橋接狀結構發育。各薄片內白云石膠結物結構中內襯狀體積分數為10%~55%,平均值約為24%、橋接狀體積分數為20%~35%,平均值約為29%、鑲嵌狀體積分數為10%~70%,平均值約為47%。內襯狀結構和橋接狀結構發育程度類似,鑲嵌狀結構亦發育;孔隙度為1.0%~3.7%,平均值約為2.5%,透率平均值為0.4 mD,孔滲良好。
2)4 705 m~4 722 m,巖性為粉晶白云巖夾少量鮞粒白云巖或砂屑白云巖,白云石膠結物結構中內襯狀體積分數為0~15%,平均值約為1%,橋接狀體積分數為0~50%,平均值約為4%,鑲嵌狀體積分數為35%~100%,平均值約為94%;孔隙度為0.4%~6.2%,平均值約為2.0%。滲透率平均值約為1.3 mD,孔滲較差。
3.6"孔隙發育模式
不同成巖階段和成巖環境形成各粒級的膠結物,并在孔隙中形成不同的膠結物結構,其類型和體積分數對殘余孔隙的有效性有不同的作用和意義:同生成巖階段及早成巖階段可形成內襯狀和橋接狀結構保護殘余孔隙(圖10a—d),局部可形成對殘余孔隙具有破壞作用的鑲嵌狀結構;中成巖階段和晚成巖階段主要形成鑲嵌狀結構,局部發育橋接狀結構(圖10e)。
研究區龍王廟組孔隙演化的主要地質過程為:石灰巖完全白云石化、溶蝕→細粉晶白云石膠結→圍繞細—粉晶白云石繼續沉淀、膠結→石英、瀝青、中晶白云石充填→粗—巨晶白云石(熱液)封堵。以孔隙主要發育的顆粒白云巖為例,在同生成巖階段至早成巖階段,灰質沉積物經滲透回流白云石化作用并受短期高頻旋回的暴露溶蝕形成孔隙(圖10f—g)。淺埋藏環境中溶蝕孔隙內主要膠結細—粉晶白云石(圖10h),后期見圍繞細粉晶白云石繼續沉淀(圖10i),主要形成內襯狀和橋接狀結構。中埋藏環境中,白云石化流體不斷改造,殘余孔隙內沉淀的白云石增多,礦物粒徑增大,發育橋接狀結構(圖10j)。深埋藏環境中熱液(圖10k—l)進一步膠結,殘余孔隙內白云石主要呈鑲嵌狀緊密排列,孔隙度降低。
4"結論
1)白云石膠結物晶體粒徑有細—粉晶、中晶和粗—巨晶,形態上有半菱形、菱形、環帶狀、鞍狀等,并形成了內襯狀、橋接狀、鑲嵌狀三種結構。白云巖孔隙中內襯狀結構最不發育(發育頻率為8.6%~55.2%),橋接狀結構發育中等(22.4%~73.7%),鑲嵌狀結構最為發育(48.3%~89.5%),三種結構體積分數分別為0~15%、25%~50%和50%~100%。鑲嵌狀結構發育程度與中晶及以上粒徑的白云石膠結物體積分數呈正相關;內襯狀結構和橋接狀結構發育程度與細—粉晶白云石的體積分數正相關,與中粗晶、巨晶白云石體積分數負相關。
2)白云石膠結物均傾向于封堵破壞殘余孔隙,但其形成三種結構對孔隙有不同的影響。內襯狀和橋接狀結構有利于保護殘余孔隙,而鑲嵌狀結構破壞殘余孔隙。發育內襯狀和橋接狀結構為主的深度段平均孔隙度可提高約50%(相對主要發育鑲嵌狀結構)。
3)同生成巖階段及早成巖階段的白云石化和溶蝕是形成孔隙的基礎,此階段沉淀的細—粉晶白云石膠結物可形成保護殘余孔隙的內襯狀和橋接狀結構。中成巖階段沉淀的白云石粒徑開始增大,主要形成橋接狀結構,晚成巖階段沉淀的粗—巨晶熱液白云石致使孔隙幾乎完全被充填,主要形成鑲嵌狀結構。
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