高丹,程日輝,沈艷杰,候世林,付秋林,王嘹亮
1. 沈陽(yáng)師范大學(xué)古生物學(xué)院,沈陽(yáng) 110034
2. 自然資源部東北亞古生物演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) 110034
3. 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)春 130061
4. 遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 110000
5. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣州 510075
北黃海盆地是中國(guó)近海含油氣盆地之一,其獨(dú)特的大地構(gòu)造位置和復(fù)雜的油氣地質(zhì)特征,使其得到廣泛關(guān)注。中、朝雙方已在該區(qū)開(kāi)展了一些地質(zhì)、地球物理和油氣勘探工作,認(rèn)為中生界是有利的油氣勘探層[1-2],并在東部坳陷的侏羅系和白堊系獲工業(yè)油流[3-4],然而,一些鉆探的實(shí)施并沒(méi)有顯著的油氣突破。分析認(rèn)為,東部坳陷的中生界厚度大,烴源巖條件好[2],具有良好的油氣勘探前景[5-6]。因此,尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層和有利的成藏位置是油氣勘探的重要問(wèn)題。已有研究認(rèn)為,東部坳陷中生界儲(chǔ)層物性總體欠佳,對(duì)油氣產(chǎn)能影響較大[7-9]。隨著研究工作的不斷進(jìn)展,筆者認(rèn)為,對(duì)次生孔隙成因和次生孔隙帶分布的探討是確定優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的核心問(wèn)題。
本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)鉆井的巖心觀察及砂巖樣品的巖石薄片(包括鑄體薄片)鏡下鑒定,運(yùn)用陰極發(fā)光、掃描電鏡等方法,結(jié)合孔滲數(shù)據(jù)的分析,研究?jī)?chǔ)層的基本特征及其孔隙類(lèi)型,分析次生孔隙的發(fā)育規(guī)律和控制因素,預(yù)測(cè)次生孔隙帶,尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層,為油氣勘探提供依據(jù)。
北黃海盆地位于中國(guó)黃海海域的北部(圖1a),是一個(gè)發(fā)育在中朝地臺(tái)基底之上的中—新生代沉積盆地[10],地理上位于山東半島、遼東半島和朝鮮半島之間,構(gòu)造上屬于中朝板塊的東南部,為華北地臺(tái)向東部海域延伸的部分,東鄰朝鮮北部狼林地塊,與朝鮮安州盆地相接,南部為蘇魯-臨津江造山帶(下?lián)P子板塊與中朝板塊碰撞帶)[11],西為郯廬斷裂和渤海灣盆地,北部為遼東隆起。北黃海盆地發(fā)育東部坳陷、中部坳陷、西部坳陷、南部凹陷群、中央隆起和中西部隆起等6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元[12-13],其中,東部坳陷是北黃海盆地內(nèi)面積最大、最主要的一個(gè)沉積坳陷,也是北黃海盆地內(nèi)唯一發(fā)現(xiàn)油流的沉積坳陷[14-15],為目前勘探的重點(diǎn)區(qū)。
東部坳陷構(gòu)造演化經(jīng)歷了晚侏羅世—早白堊世裂陷、晚白堊世—古新世構(gòu)造反轉(zhuǎn)、始新世—漸新世裂陷、晚漸新世—早中新世構(gòu)造反轉(zhuǎn)及中中新世—第四紀(jì)區(qū)域沉降5個(gè)階段[16]。中生界為一套河湖相碎屑巖沉積,中、上侏羅統(tǒng)構(gòu)成了最主要的生烴層系,儲(chǔ)層主要為下白堊統(tǒng)和上侏羅統(tǒng)的碎屑巖[14-19]。多期構(gòu)造演化導(dǎo)致本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,形成多個(gè)凹陷和凸起(圖1b)。其中,中部凹陷是主要的生烴凹陷,中Ⅱ構(gòu)造帶及其附近區(qū)域(中部地區(qū))和中部凸起傾末端及其附近區(qū)域(東部地區(qū))是有利的儲(chǔ)層發(fā)育位置,也是主要鉆井區(qū),但因白堊紀(jì)后期的強(qiáng)烈抬升和嚴(yán)重剝蝕,以及來(lái)源于東部火山活動(dòng)的火山灰,形成了本區(qū)“有藏?zé)o效,有儲(chǔ)不良”的致密砂巖型儲(chǔ)層[20]。目前在中部地區(qū)鉆井5口,東部地區(qū)鉆井2口,并取得了詳細(xì)的巖心資料,較為完整地揭示了東部坳陷重點(diǎn)勘探區(qū)中生界的巖性、巖相特征,為本文研究提供了可靠基礎(chǔ)。
圖 1 北黃海盆地東部坳陷鉆井地理位置Fig.1 Sketch map showing the locations of drilling wells in the Eastern Depression,North Yellow Sea Basin
本區(qū)儲(chǔ)層巖石類(lèi)型以細(xì)砂巖、粗砂巖和砂礫巖為主,有少量中砂巖和粉砂巖。巖性以巖屑石英砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖為主,其次為巖屑砂巖和長(zhǎng)石石英砂巖。骨架顆粒中,石英含量為20%~85%,長(zhǎng)石含量5%~35%,巖屑含量5%~70%。巖屑類(lèi)型以花崗巖屑、流紋巖屑及凝灰?guī)r屑為主,其次為安山巖屑,有少量的沉積巖屑。砂巖分選中—差,顆粒磨圓差,多為次圓—棱角狀,顆粒間以線(xiàn)接觸關(guān)系為主。雜基平均含量為15%,以凝灰質(zhì)和黏土礦物為主。膠結(jié)物平均含量10%,主要為碳酸鹽和硅質(zhì)等,為孔隙式膠結(jié)。
受不同方向物源的影響,東部坳陷碎屑巖物質(zhì)成分存在明顯的分區(qū)性,表現(xiàn)為東部地區(qū)的巖屑含量較高,主要為巖屑砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖,填隙物以凝灰質(zhì)為主。中部地區(qū)的石英、長(zhǎng)石含量相對(duì)較高,以巖屑石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖為主,填隙物以碳酸鹽膠結(jié)物和黏土礦物為主,發(fā)育有少量凝灰質(zhì)??偟膩?lái)說(shuō),中部地區(qū)整體表現(xiàn)為一套成分和結(jié)構(gòu)成熟度中等的碎屑巖;東部地區(qū)為結(jié)構(gòu)和成分成熟度相對(duì)偏低的碎屑巖。
研究區(qū)巖心物性分析表明,儲(chǔ)層孔隙度為0.2%~18%,平均值為6.7%。根據(jù)石油行業(yè)儲(chǔ)層孔隙度分析標(biāo)準(zhǔn)(SY/T6285-1997),對(duì)本區(qū)的孔隙度分布頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示研究區(qū)中生界砂巖儲(chǔ)層孔隙度主要為5%~10%,約占分析樣品的53.33%。屬于特低孔;其次分布于<5%的區(qū)間,占分析樣品的32.9%,屬于超低孔;孔隙度為10%~15%的樣品占13.12%,屬于低孔;孔隙度15%~25%的樣品僅占0.65%,總體表現(xiàn)為以特低孔為主,超低孔為輔的特征。
儲(chǔ)層滲透率分布于(0.002~16.1)×10?3μm2,平均值為0.45×10?3μm2。對(duì)巖心的滲透率頻率分布結(jié)果顯示,研究區(qū)中生界砂巖儲(chǔ)層滲透率分布于(0.1~1)×10?3μm2的樣品最多,占分析樣品的47.53%,屬于超低滲;小于0.1×10?3μm2的非滲儲(chǔ)層所占比例為44.73%;滲透率為(1~10)×10?3μm2的樣品所占比例為7.1%,屬于特低滲;滲透率分布于(10~50)×10?3μm2的樣品所占比例為0.65%,屬于低滲。總體表現(xiàn)為以超低滲為主,同時(shí)含較多非滲層的特點(diǎn)。
綜合分析顯示,東部坳陷以特低孔、超低滲致密砂巖型儲(chǔ)層為主。
根據(jù)巖心、鑄體薄片和掃描電鏡等分析研究,中生界儲(chǔ)層孔隙可分為原生孔隙、次生孔隙和裂縫(表1)。
表 1 北黃海盆地東部坳陷中生界儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型及特征Table 1 The Mesozoic reservoir porosity types and characteristics in the Eastern Depression,the North Yellow Sea Basin
本區(qū)僅殘留少量未被壓實(shí)的原生孔隙(圖2a),發(fā)育在較淺的地層中,包括粒間孔和雜基微孔隙,粒間孔主要為膠結(jié)作用剩余的孔隙,雜基微孔隙主要包括原生黏土礦物晶間孔(圖2b)和凝灰質(zhì)填隙物內(nèi)孔(圖2c)。本區(qū)的殘余原生孔隙多細(xì)小,且零星分布,主要發(fā)育在埋藏較淺的地層中,含量極少,不具有連通性,不能作為有效的儲(chǔ)集空間。
次生孔隙是本區(qū)主要的孔隙類(lèi)型,是本區(qū)的主要儲(chǔ)集空間,也是本區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的有利孔隙類(lèi)型,包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和微收縮孔。
粒間溶孔包括碎屑顆粒的邊緣被溶解以及顆粒間填隙物溶解而形成的孔隙,表現(xiàn)為石英和長(zhǎng)石等碎屑顆粒邊緣的港灣狀溶蝕孔,凝灰質(zhì)中易溶組分、同沉積碳酸鹽膠結(jié)物和碳酸鹽交代其他填隙物后發(fā)生溶蝕-溶解作用形成的孔隙(圖2d)。
粒內(nèi)溶孔是巖石中骨架顆粒的溶蝕-溶解作用形成的孔隙,包括石英、長(zhǎng)石和巖屑在不同條件下的溶蝕溶解(圖2e),還包括碳酸鹽礦物交代顆粒后被溶解而形成的孔隙(圖2f)。部分巖石中的粒內(nèi)孔可與粒間孔相連,孔隙間具有一定的連通性。微收縮孔主要為礦物的蝕變作用(圖2g)和凝灰質(zhì)脫玻化作用形成的孔隙,這類(lèi)孔隙通常較小。
裂縫也是改善本區(qū)儲(chǔ)層物性的重要孔隙類(lèi)型,常見(jiàn)的為顆粒表面的破裂縫(圖2h),由于本區(qū)強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致巖石發(fā)生破碎而形成的裂縫。
本區(qū)以特低孔、超低滲的致密砂巖型儲(chǔ)層為主,原生孔隙大量喪失,次生孔隙作為主要的儲(chǔ)集空間,其發(fā)育程度和連通性是影響儲(chǔ)層發(fā)育的重要內(nèi)容,次生孔隙及其發(fā)育帶是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的有利場(chǎng)所。
縱向上,本區(qū)次生孔隙主要集中于2000~3700 m深度內(nèi),不同鉆井的次生孔隙發(fā)育深度和孔隙的發(fā)育數(shù)量略有不同,具體發(fā)育位置見(jiàn)圖3?;咎卣鞅憩F(xiàn)為:厚層砂巖中較發(fā)育;各鉆井在地層分界處(即中侏羅統(tǒng)和上侏羅統(tǒng)分界處及上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)分界處)孔隙度值較高,是次生孔隙發(fā)育的主要位置。
圖 2 孔隙類(lèi)型a. B5井 3 360.7 m 粒間殘余原生孔隙;b. B4井 2 220.17 m 高嶺石晶間孔;c. D7井 2 014.74 m 凝灰質(zhì)填隙物間孔;d. B6井 3 043.02 m 鈣質(zhì)膠結(jié)溶蝕孔;e. B3井2 421.43 m長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔(藍(lán)色為孔隙);f. B6井3 045.82 m 方解石溶解(藍(lán)色為孔隙);g. B6井 3 043.02 m 蝕變收縮孔(長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石);h. B4井 2221.62 m 長(zhǎng)石表面破裂縫。Fig.2 The types of porea. Well B5 3 360.7 m: Intergranular residual primary pore;b. Well B4 2 220.17 m: Intercrystalline Pore of Kaolinite;c. Well D7 2 014.74 m: Tuffaceous interstitial pore;d. Well B6 3 043.02 m :Solution pore of calcareous cementation;e. Well B3,2 421.43 m: Dissolved Pores(blue pores)in feldspar grains;f. Well B6,3 045.82 m: Calcite dissolution(blue pores);g. Well B6 3 043.02 m: Altered shrinkage pores(Feldspar altered to Kaolinite);h. Well B4 2 221.62 m: Surface crack of feldspar.
平面上,不同地區(qū)的次生孔隙發(fā)育程度也存在差異,中部地區(qū)次生孔隙的發(fā)育程度要好于東部地區(qū)(圖4),具體特征如下:中部地區(qū)鉆井多且層位發(fā)育齊全,砂層厚度較大,孔隙度高值點(diǎn)較多,位于構(gòu)造高位的B2、B3和B6井次生孔隙發(fā)育程度要好于其他鉆井,巖性以細(xì)砂巖—粗砂巖為主,且砂體連通性較好,可形成有效的次生孔隙發(fā)育帶,是本區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的主要場(chǎng)所。而東部地區(qū)次生孔隙發(fā)育層位砂層厚度相對(duì)較小,如圖4中D7和D8兩口井所示,東部地區(qū)中生界地層深度相差較大,且各粒級(jí)巖性均有發(fā)育,常含泥質(zhì),孔隙度值偏低,次生孔隙發(fā)育程度低,砂體連通性差,未形成次生孔隙帶。
根據(jù)本區(qū)各鉆井的發(fā)育位置及次生孔隙的發(fā)育規(guī)律,認(rèn)為中部地區(qū)各井地層不整合處的次生孔隙可相互連通形成次生孔隙帶(圖4),即中部地區(qū)地層不整合風(fēng)化界面附近是有利的次生孔隙帶發(fā)育位置,為有利的油氣儲(chǔ)集層。
圖 3 各井孔隙度隨深度演化曲線(xiàn)及次生孔隙發(fā)育特征Fig.3 Variation of porosity with depth and developmental characteristics of secondary pores
圖 4 次生孔隙帶分布圖Fig.4 Distributions of secondary pore zone
本區(qū)次生孔隙帶的發(fā)育是油氣成藏的主要因素之一。次生孔隙帶的形成與沉積作用、成巖作用和構(gòu)造作用有密切關(guān)系,是各因素共同作用的結(jié)果。次生孔隙作為主要的儲(chǔ)集空間,次生孔隙帶是重要的油氣運(yùn)移通道。
東部坳陷的沉積受多方向物源的影響,物源-沉積體系的發(fā)育為儲(chǔ)層發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。東部地區(qū)有較強(qiáng)的火山活動(dòng),樣品中巖屑占優(yōu)勢(shì),火山碎屑含量較高。巖屑(尤其是火山巖屑)抗壓實(shí)能力弱,易發(fā)生變形使儲(chǔ)層物性降低。雜基中大量的凝灰質(zhì)堵塞孔隙,降低孔隙度。東部的火山活動(dòng)影響范圍較大,中部地區(qū)同樣受到了一定的影響,為空落火山灰,充填于孔隙中。但中部地區(qū)的沉積主要受西南部和北部風(fēng)化物源控制[21],石英含量較高,抗壓能力要強(qiáng)于東部,儲(chǔ)層物性較好。來(lái)自于北部物源的沉積物有大量灰?guī)r或碳酸鹽礦物,以膠結(jié)物形式充填在孔隙中,降低了孔隙度,但卻保留了原始粒間孔隙框架。巖屑、長(zhǎng)石、凝灰質(zhì)和鈣質(zhì)為次生孔隙的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。在溶蝕、溶解作用下,這些易變、易溶組分發(fā)生溶蝕、溶解便可形成次生孔隙。
砂層中同沉積的鈣質(zhì)和凝灰質(zhì)等細(xì)粒填隙物充填于骨架顆粒間,中部地區(qū)以鈣質(zhì)膠結(jié)為主,東部地區(qū)以凝灰質(zhì)膠結(jié)為主。這些填隙物的存在堵塞了原始的孔隙空間,同時(shí)支撐了孔隙的空間格架,在溶蝕、溶解等作用發(fā)生時(shí),便會(huì)釋放空間,形成 次生孔隙,改善儲(chǔ)層物性。
早在20世紀(jì)90年代,地質(zhì)學(xué)家就已經(jīng)注意到了近地表暴露和淡水淋濾作用對(duì)砂巖物理性質(zhì)的影響[22-24]。已有研究顯示,上侏羅統(tǒng)的底界面為燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)Ⅰ-Ⅱ幕界面(朝鮮:大寶運(yùn)動(dòng))、上侏羅統(tǒng)與下白堊統(tǒng)的分界面為燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)Ⅲ幕界面(朝鮮:載寧運(yùn)動(dòng))[25]。大規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了中生界斷裂構(gòu)造的發(fā)育以及上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)底部不整合的形成。在致密砂巖中大斷裂和地層不整合作為流體運(yùn)移的通道,其附近是形成次生孔隙的有利位置。本區(qū)侏羅系和白堊系不整合處砂層的淋濾溶蝕作用極為發(fā)育,在風(fēng)化界面附近形成大面積的次生孔隙,尤其是中部地區(qū),是有利的次生孔隙帶發(fā)育區(qū)。在地層不整合風(fēng)化界面處(即上侏羅統(tǒng)底部和下白堊統(tǒng)底部)存在孔隙度異常高點(diǎn)(圖3),結(jié)合巖心樣品的鏡下鑒定結(jié)果顯示,孔隙類(lèi)型以次生溶蝕孔為主(圖2d、2e、2f)。
同時(shí)沿?cái)嗔训牡転V作用對(duì)儲(chǔ)層也有一定的改善作用,中部地區(qū)高嶺土質(zhì)砂巖的發(fā)育證實(shí)了斷層附近淋濾溶蝕作用的發(fā)生。因此構(gòu)造作用的發(fā)生對(duì)儲(chǔ)層有一定的改善作用。斷裂活動(dòng)使地層中形成裂縫型孔隙,與斷裂一起成為大氣降水注入地下的通道,通過(guò)淋濾溶蝕作用形成次生孔隙。F4是研究區(qū)北部的一個(gè)在中生代持續(xù)活動(dòng)的大斷裂,其反轉(zhuǎn)控制了斷塊抬升和剝蝕。受F4影響的鉆井為B4、B2、B5,均發(fā)育有大量的高嶺土質(zhì)砂巖(圖3),高嶺土是偏酸條件下淋濾蝕變作用的產(chǎn)物,高嶺土質(zhì)砂巖層的孔隙度高于其他巖層,B2井中高嶺土質(zhì)砂巖孔隙度最高達(dá)25.56%。
在全球很多沉積盆地的碎屑巖儲(chǔ)層中,隨著埋深的增加和原生孔隙的喪失,次生孔隙成為主要的油氣儲(chǔ)集空間[26],而次生孔隙的發(fā)育與成巖過(guò)程中不穩(wěn)定礦物的溶蝕、溶解作用有關(guān)[27-29]。本區(qū)成巖過(guò)程中有機(jī)酸對(duì)礦物的溶解作用對(duì)次生孔隙發(fā)育有極大的貢獻(xiàn)。東部坳陷中侏羅統(tǒng)和上侏羅統(tǒng)的暗色泥巖為烴源巖的主要來(lái)源。中侏羅統(tǒng)烴源巖生烴母質(zhì)以陸源高等植物為主,有機(jī)碳含量中等,以Ⅲ型干酪根為主;上侏羅統(tǒng)烴源巖生烴母質(zhì)為高等植物和低等水生生物混雜,兼有Ⅱ型和Ⅲ型干酪根,局部發(fā)育有機(jī)碳含量高、氫指數(shù)平均為500 mg/gTOC的良好烴源巖[14]。這兩套烴源巖分別在中侏羅世和早白堊世早期進(jìn)入生烴門(mén)限,開(kāi)始生油[1]。前人實(shí)驗(yàn)研究表明,當(dāng)?shù)販貫?0~120 ℃時(shí),烴源巖中的干酪根會(huì)發(fā)生熱裂解作用,脫去外部的含氧官能團(tuán),形成大量的有機(jī)酸,這些可溶性有機(jī)酸隨孔隙流體運(yùn)移到儲(chǔ)集層中,促進(jìn)了砂層中鋁硅酸鹽和碳酸鹽等酸溶物質(zhì)的溶解,從而形成次生孔隙[30-32]。碳酸鹽礦物的溶解對(duì)本區(qū)次生孔隙形成有主要的貢獻(xiàn)作用。在酸性水體中,砂層中的鈣質(zhì)極易發(fā)生溶解,形成次生孔隙。中部地區(qū)大量的碳酸鹽膠結(jié)物是其形成次生孔隙最為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。東部地區(qū)乃至整個(gè)盆地都受到凝灰質(zhì)的影響,凝灰質(zhì)的脫玻化-重結(jié)晶作用會(huì)形成微收縮孔隙。同時(shí)本區(qū)凝灰質(zhì)多為空落成因或未經(jīng)長(zhǎng)距離的搬運(yùn),不穩(wěn)定成分較多,易發(fā)生溶蝕作用形成次生孔隙。本區(qū)含量較高的長(zhǎng)石也是次生孔隙發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。在酸性條件下,長(zhǎng)石溶蝕作用普遍發(fā)育。例如,在不受外界影響的情況下,單位體積的長(zhǎng)石在酸性條件下發(fā)生溶解,孔隙度的增加率為4.07% ~13.56%[33],可見(jiàn)長(zhǎng)石的蝕變、溶蝕作用可形成次生孔隙。本區(qū)的碳酸鹽礦物溶解、凝灰質(zhì)脫?;ㄖ亟Y(jié)晶-蝕變)-溶蝕及巖屑-長(zhǎng)石等易變、易溶組分溶蝕是形成次生孔隙的主要成巖作用。
綜合比較,中部地區(qū)次生孔隙發(fā)育程度要好于東部地區(qū),是有利的油氣儲(chǔ)集區(qū)。構(gòu)造、沉積、成巖綜合的孔隙度分析是預(yù)測(cè)次生孔隙帶的重要方法。除了儲(chǔ)層外,油氣在生成、運(yùn)移、聚集和保存的過(guò)程中還受到其他多方面因素的影響,因此在實(shí)際工作中應(yīng)將各因素綜合考慮,以利于油氣的勘探。
(1)北黃海盆地東部坳陷儲(chǔ)層以特低孔—超低滲型為主,中部地區(qū)碎屑巖的成熟度要高于東部地區(qū)。
(2)次生孔隙是主要的儲(chǔ)集空間,影響次生孔隙發(fā)育的因素包括沉積作用、成巖作用和構(gòu)造作用。大斷裂和地層不整合附近是次生孔隙發(fā)育的有利位置。
(3)次生孔隙帶發(fā)育在中部地區(qū),發(fā)育位置為侏羅系和白堊系地層不整合風(fēng)化界面附近。
致謝:感謝廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局對(duì)本文研究工作給予的大力支持。