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古風(fēng)化殼孔隙與裂縫發(fā)育特征及其油氣地質(zhì)意義

2010-01-30 10:56:06李曉燕蔣有錄
關(guān)鍵詞:風(fēng)化殼運(yùn)移風(fēng)化

李曉燕,蔣有錄,陳 濤

(1.中國(guó)石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營(yíng)257061; 2.中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院,山東東營(yíng)257001)

0 引言

20世紀(jì)50年代,Levorsen[1]就指出,不整合面上下發(fā)現(xiàn)眾多油氣藏的實(shí)例表明其與油氣運(yùn)移有著密切的關(guān)系。潘鐘祥[2]也結(jié)合典型油藏實(shí)例,總結(jié)了不整合面附近油氣富集的5種因素。近年來(lái),中國(guó)學(xué)者[3-7]進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)不整合及其與油氣運(yùn)移關(guān)系的研究。研究表明,不整合面之下的古風(fēng)化殼因長(zhǎng)期受到風(fēng)化侵蝕,半風(fēng)化巖石中孔隙和裂縫較為發(fā)育,孔隙度和滲透率都會(huì)增高,為油氣運(yùn)移和儲(chǔ)存提供了有利條件。另外經(jīng)歷了成土作用的風(fēng)化殼在頂部會(huì)發(fā)育風(fēng)化黏土層,發(fā)育良好、厚度較大的古土壤層(風(fēng)化黏土層)對(duì)油氣的保存具有建設(shè)性作用[8-9]。因此古風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)及其孔隙裂縫發(fā)育特征的研究對(duì)于不整合油氣藏的勘探實(shí)踐具有重要意義。

1 古風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)

古風(fēng)化殼前期經(jīng)歷了具有階段性的風(fēng)化作用,后期經(jīng)歷了沉積壓實(shí)等成巖作用,使其在剖面上表現(xiàn)出明顯的分層特征,因而不整合不僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的“面”,更是一個(gè)“體”,其本身具有較獨(dú)特的微觀組構(gòu)[10]。通常認(rèn)為,風(fēng)化殼具有垂向分帶的結(jié)構(gòu),其成分和厚度因地而異,主要與巖性、氣候、地形和風(fēng)化作用的時(shí)間等因素有關(guān)[11]。古風(fēng)化殼一般包括上部的風(fēng)化黏土層和下部的半風(fēng)化巖石(圖1),但在搬運(yùn)侵蝕作用較強(qiáng)的地區(qū),風(fēng)化黏土層往往會(huì)缺失。發(fā)育完全的古風(fēng)化殼經(jīng)歷了較深的風(fēng)化作用,已達(dá)到成土階段,而且剝蝕搬運(yùn)作用較弱,使形成的風(fēng)化黏土層能夠保留或是短距離遷移后沉積下來(lái),在其后的成巖作用下形成黏土巖。由于該黏土巖是風(fēng)化成因的,富含黏土礦物且?guī)r性致密,因此對(duì)油氣的運(yùn)移和保存具有封蓋作用。不同的構(gòu)造部位風(fēng)化黏土層和半風(fēng)化巖石的發(fā)育特征不同,斷陷盆地內(nèi)一般由盆地邊緣向盆地內(nèi)斜坡風(fēng)化黏土層逐漸增厚,在隆起或凸起的頂部等高部位風(fēng)化黏土層有可能缺失,半風(fēng)化巖層厚度從構(gòu)造高部位向凹陷方向逐漸變薄[5,12-15]。

2 裂縫及孔隙發(fā)育特征

2.1 裂縫及孔隙類型

古風(fēng)化殼中的裂縫主要有風(fēng)化成因裂縫和卸荷裂縫。風(fēng)化成因裂縫產(chǎn)狀多不規(guī)則,可與巖層面垂直、平行或斜交[16],最初的物理風(fēng)化作用就可以使巖石發(fā)生破裂形成裂縫系統(tǒng),風(fēng)化巖石被埋藏之后,地下水的滲濾作用會(huì)深化裂縫的發(fā)育程度;卸荷裂縫是因上覆地層被剝蝕造成卸荷而形成,裂縫面大多平行不整合面,延伸長(zhǎng),張開(kāi)性隨深度增加而減弱[4]。

古風(fēng)化殼中的孔隙主要有生物孔隙和溶蝕孔隙。生物孔隙是由于近地表處生物活動(dòng)而形成的大量孔隙,一般風(fēng)化殼中的生物孔隙在距地表小于50 cm的深度范圍內(nèi)相對(duì)發(fā)育頻繁且規(guī)模較大,一般都被成土礦物或鐵錳氧化物充填[16];溶蝕孔隙是由于地下水的溶蝕作用產(chǎn)生的孔隙,礦物與水接觸產(chǎn)生溶解反應(yīng)時(shí),其反應(yīng)產(chǎn)物除方解石(CaCO3)、石膏(CaSO4·2H2O)或硬石膏(CaSO4)等礦物的溶解組分外,還有新生成的一種或多種礦物或非晶質(zhì)固體物質(zhì),由于這些新生的礦物或稱次生礦物與原始礦物組成的不同,他們的分子量、密度等物理化學(xué)性質(zhì)也不同,其所占據(jù)的體積空間將發(fā)生變化,從而產(chǎn)生了溶蝕孔隙[17]。

2.2 裂縫及孔隙發(fā)育特征

風(fēng)化殼中裂縫與孔隙的發(fā)育規(guī)模在垂向上具有明顯變化。Ehlen[18]采用節(jié)理間距作為衡量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)花崗巖風(fēng)化殼裂縫的發(fā)育情況進(jìn)行的研究表明,由未風(fēng)化巖石到半風(fēng)化巖石再到風(fēng)化黏土層,節(jié)理間距先是逐漸減小后又逐漸增大,其轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于半風(fēng)化巖層內(nèi)部,至風(fēng)化黏土層中節(jié)理極少(圖2[18]),說(shuō)明在風(fēng)化殼下部,風(fēng)化蝕變是主要的作用方式,使裂縫隨蝕變作用增強(qiáng)而逐漸密集;而在風(fēng)化殼上部,風(fēng)化成土是主要的作用方式,裂縫隨著風(fēng)化黏土層的發(fā)育逐漸減少。

圖2 東亞地區(qū)風(fēng)化花崗巖節(jié)理間距變化Fig.2 Change Map of Joint Spacing in Weathered G ranite in East Asia Areas

據(jù) Rahardjo等[19]研究,新加坡地區(qū) Bukit Timah花崗巖質(zhì)風(fēng)化殼由風(fēng)化基面至半風(fēng)化巖石中部大于1μm的孔隙累積體積分?jǐn)?shù)與大于0.01μm的孔隙累積體積分?jǐn)?shù)差別不大,說(shuō)明其中1~0.01μm的孔隙幾乎不發(fā)育,而由風(fēng)化基面至風(fēng)化黏土層中雖然孔隙的累計(jì)體積分?jǐn)?shù)較大,但1~0.01μm的小孔隙和微孔隙占有很大比例(圖3[19]),這些微孔隙很難形成有效的儲(chǔ)集空間,也難以成為油氣運(yùn)移的通道。另外,根據(jù)陳建平等[20]對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地環(huán)瑪?shù)貐^(qū)火山巖風(fēng)化殼的研究,頂部殘積土帶孔隙度較小,為3.19%,隨深度增加孔隙度逐漸增大,至角塊帶(半風(fēng)化巖層)中部為24.75%,再向下逐漸減小。以上數(shù)據(jù)資料表明,風(fēng)化殼上由風(fēng)化基面向上,孔隙逐漸發(fā)育,至半風(fēng)化巖石中部的孔隙度較大,且以大孔隙為主,由半風(fēng)化巖石到風(fēng)化黏土層,孔隙的規(guī)模變小,逐漸以微孔隙為主。

圖3 新加坡Bukit Timah花崗巖風(fēng)化殼累積孔隙體積分?jǐn)?shù)與孔隙直徑關(guān)系Fig.3 Relation Between Cumulative Percent of Pore Volume and Pore Size of Bukit Timah G ranite Weathered Crust in Singapore

古風(fēng)化殼一般在經(jīng)受了前期風(fēng)化作用之后,再次深埋又遭受了大氣水和地層水的溶蝕作用,半風(fēng)化巖石頂部的孔隙和裂縫容易被上覆較細(xì)的沉積物充填形成頂部填積層,淋濾帶中部由于流體系統(tǒng)相互連通,離子遷移較快,流體溶蝕性較強(qiáng),風(fēng)化作用影響也較強(qiáng)且交代充填作用較弱,導(dǎo)致該區(qū)帶滲透性最好,至半風(fēng)化巖層下部流體作用較弱,成巖離子濃度較大,易沉淀且風(fēng)化作用影響較弱,由此引起半風(fēng)化巖層下部滲透性較差。因此,古風(fēng)化殼中也是半風(fēng)化巖石中部裂縫孔隙最發(fā)育。

3 影響裂縫及孔隙發(fā)育的因素

3.1 風(fēng)化基巖巖性

由于不同礦物的抗風(fēng)化能力不同,巖性對(duì)古風(fēng)化殼中裂縫和孔隙的發(fā)育具有重要影響。巖層經(jīng)受風(fēng)化作用時(shí),碳酸鹽巖最容易被改造,接下來(lái)是變質(zhì)巖、火成巖和石英砂巖,泥質(zhì)巖被風(fēng)化改造的程度最小[21-22]。

不同巖性中裂縫、孔隙發(fā)育的規(guī)模和類型不同,根據(jù)McKay等[16]對(duì)美國(guó)田納西州東部風(fēng)化殼的研究,砂質(zhì)半風(fēng)化巖石中次生孔隙與裂縫皆很發(fā)育,與巖層平行的裂縫延伸較長(zhǎng),且比垂直于巖層的裂縫密集;碳酸鹽巖風(fēng)化層中裂縫延伸較短且不如砂質(zhì)巖中密集;碳酸鹽巖半風(fēng)化層中的孔隙以生物孔隙為主,數(shù)量多、規(guī)模大且可塑性強(qiáng),而砂質(zhì)巖半風(fēng)化層中生物孔隙較少,主要沿裂縫面層理面分布[16],火山巖孔隙類型以晶間溶孔、充填物溶孔最為發(fā)育,裂隙發(fā)育,滲透性較好[20]。

3.2 風(fēng)化時(shí)間和程度

一般來(lái)說(shuō),風(fēng)化時(shí)間越長(zhǎng),巖層被改造的深度越大,例如中國(guó)濟(jì)陽(yáng)拗陷樁西地區(qū)印支期形成的中、古生界不整合,沉積間斷約190 Ma,風(fēng)化深度達(dá)到900 m,溶洞高于4 m;草橋地區(qū)下古生界奧陶系與館陶組不整合,沉積間斷只有約30 Ma,風(fēng)化深度只有200 m[21],孔縫系統(tǒng)相對(duì)不發(fā)育。

風(fēng)化時(shí)間越長(zhǎng),風(fēng)化程度越大,形成的孔隙-裂縫規(guī)模也越大。根據(jù)Rahardjo等[19]對(duì)新加坡地區(qū)Bukit Timah花崗巖質(zhì)風(fēng)化殼和Jurong沉積巖風(fēng)化殼的研究,距離地表越近,風(fēng)化等級(jí)越高,累積孔隙體積分?jǐn)?shù)越大。根據(jù)Little[22]對(duì)風(fēng)化殼風(fēng)化級(jí)別的劃分方案(未風(fēng)化、微風(fēng)化、中度風(fēng)化、高度風(fēng)化、完全風(fēng)化、土壤層),新加坡兩個(gè)取樣剖面的風(fēng)化程度是不同的,Bukit Timah花崗巖質(zhì)風(fēng)化殼取樣剖面上,距離海平面20 m深度處已達(dá)到完全風(fēng)化級(jí)別,而Jurong沉積巖風(fēng)化殼取樣剖面上,距離海平面0~5 m范圍內(nèi)仍未達(dá)到完全風(fēng)化(圖4[19])。由此看出,Bukit Timah花崗巖質(zhì)風(fēng)化殼取樣剖面比Jurong沉積巖風(fēng)化殼取樣剖面風(fēng)化程度高,而兩者累積孔隙體積分?jǐn)?shù)也有顯著差異,Bukit Timah花崗巖質(zhì)風(fēng)化殼取樣剖面具有更高的累計(jì)孔隙體積分?jǐn)?shù),最大接近100%,Jurong沉積巖風(fēng)化殼取樣剖面的累計(jì)孔隙體積分?jǐn)?shù)則小于20%(圖5[19]),反映了風(fēng)化程度對(duì)孔隙發(fā)育的控制作用。

圖4 新加坡Bukit Timah花崗巖風(fēng)化殼與Jurong沉積巖風(fēng)化殼取樣剖面Fig.4 Sampling Profiles of Bukit Timah G ranite Weathered Crust and Jurong Weathered Sedimentary Rock in Singapore

圖5 新加坡Bukit Timah花崗巖與Jurong沉積巖風(fēng)化殼累積孔隙體積分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Cumulative Percent of Pore Volume Chart of Bukit Timah G ranite Weathered Crust and Jurong Weathered Sedimentary Rock in Singapore

3.3 剝蝕厚度及古風(fēng)化殼埋藏深度

在剝蝕厚度大的地區(qū),卸荷較多,卸荷裂縫較發(fā)育,且張開(kāi)程度好,這些裂縫主要是平行或斜交不整合面的裂縫。其后發(fā)生構(gòu)造沉降,地層被再次深埋,隨著埋藏深度的增加,上覆沉積載荷重量逐漸增加,與不整合面斜交或平行的裂縫面在上覆沉積載荷的壓力作用下逐漸緊閉,使裂縫發(fā)育和裂縫-孔隙的連通狀況變差[9]。

風(fēng)化殼不同的埋藏深度,也會(huì)使風(fēng)化殼地層經(jīng)歷不同的成巖作用,從而具有不同的孔滲特征。例如埕東凸起北坡中、古生界與東營(yíng)組之間的不整合,雖然風(fēng)化殼地層經(jīng)歷了幾千萬(wàn)年的風(fēng)化剝蝕,但由于目前埋深較大(1 860 m左右),從巖心上看,上部泥巖與下部石英砂巖經(jīng)成巖作用已連接在一起,孔縫系統(tǒng)不發(fā)育;而在濱南洼陷北部的單加寺地區(qū)館陶組與沙三段之間的不整合,雖然風(fēng)化殼經(jīng)歷的風(fēng)化剝蝕時(shí)間較短,但埋深僅在1 200 m左右,地層交切不明顯,下部古風(fēng)化殼巖石膠結(jié)疏松,為半成巖狀態(tài),孔隙度和滲透率均較高[23]。

3.4 裂縫充填特征

古風(fēng)化殼中的裂縫在成巖演化過(guò)程中經(jīng)歷了地下水的改造,首先地殼下降使其重新位于潛水面以下,地下水縱橫向的溶濾作用使裂縫和孔隙更加發(fā)育,并使其迅速充填,在巖石成分不均勻、硬而脆的地層中,裂縫張開(kāi)性好,充填物以砂粒和巖屑為主;在成分均勻、泥質(zhì)較多的細(xì)粒軟巖石中裂縫往往被泥質(zhì)充填。充填了粉砂等較粗物質(zhì)的裂縫連通性仍然較好,而泥質(zhì)的充填則會(huì)降低裂縫的滲透性。中國(guó)東部濟(jì)陽(yáng)拗陷第三系和前第三系之間的前第三系不整合半風(fēng)化巖石中發(fā)現(xiàn)有大量網(wǎng)狀裂縫被泥質(zhì)和鐵質(zhì)充填(圖6),一定程度上降低了孔縫連通體的發(fā)育程度。

圖6 濟(jì)陽(yáng)拗陷羅22井中生界古風(fēng)化殼泥質(zhì)充填與鐵質(zhì)充填裂縫Fig.6 Mud and Ferruginous Filling in Mesozoic Paleo Weathered Crust of the Well Luo 22,Jiyang Depression

4 古風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)的油氣地質(zhì)意義

從油氣成藏的角度看,古風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)中孔隙、裂縫的發(fā)育規(guī)律對(duì)地層不整合油藏的形成與分布具有重要意義,主要表現(xiàn)在風(fēng)化黏土層的封閉能力和半風(fēng)化巖層作為油氣運(yùn)移通道的孔、滲性能兩個(gè)方面[9]。

風(fēng)化黏土層富含高嶺石等黏土礦物,孔隙、裂縫發(fā)育程度低,在其后的壓實(shí)等成巖作用下易形成致密的黏土巖,孔隙度和滲透率都極低,相應(yīng)的排替壓力也大,易成為優(yōu)質(zhì)蓋層。影響其封閉能力的主要因素是厚度,例如美國(guó)粉河盆地超過(guò)120 m厚的古風(fēng)化黏土層有效地封閉了其下的超壓油層,而古風(fēng)化黏土層之上為常壓油層[24]。但在中國(guó)濟(jì)陽(yáng)拗陷義和莊凸起區(qū),雖然前第三系古風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)發(fā)育完整,包括風(fēng)化黏土層和半風(fēng)化巖石,而且根據(jù)筆者利用聲波時(shí)差法計(jì)算的沾北2井風(fēng)化黏土層與其下半風(fēng)化碎屑巖的排替壓力,風(fēng)化黏土層的排替壓力為25~40 MPa,半風(fēng)化碎屑巖的排替壓力一般小于20 MPa,說(shuō)明風(fēng)化黏土層對(duì)半風(fēng)化碎屑巖中的油氣有一定的封蓋能力,但該區(qū)風(fēng)化黏土層厚度僅為1~3 m,且受風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)等各種作用的影響,風(fēng)化黏土層的空間分布很難保持連續(xù)性。另外,斷層的發(fā)育也容易將厚度較小的風(fēng)化黏土層錯(cuò)開(kāi),因此結(jié)合前人的研究成果,義和莊凸起前第三系古風(fēng)化殼的風(fēng)化黏土層只是作為泥質(zhì)分隔層,與上覆古近系泥質(zhì)巖一起形成復(fù)合型蓋層,對(duì)下部油藏起封蓋作用[25-27]。

油氣在儲(chǔ)層中運(yùn)移的動(dòng)力主要是浮力、與運(yùn)移方向一致的水動(dòng)力,阻力主要是毛細(xì)管阻力、與運(yùn)移方向相反的水動(dòng)力、與孔喉間的摩擦力、與顆粒分子間的吸附力以及油間的內(nèi)摩擦力,只有在阻力最小的高孔滲通道中,油氣才有可能流動(dòng)[28]。古風(fēng)化殼地層遭受了長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化淋濾作用,半風(fēng)化巖石層孔滲條件得到了顯著改善,孔隙與裂縫大量產(chǎn)生,非常有利于油氣的運(yùn)移[29-31]。例如義和莊凸起前第三系半風(fēng)化巖石內(nèi)垂直裂縫與水平裂縫皆很發(fā)育,雖然頂部裂縫多被充填,但中部由于較強(qiáng)的淋濾作用孔滲性較好,平均孔隙度為6.4%~21.35%,滲透率為(0.32~325)× 10-3μm2。其良好的孔滲條件既為油氣的運(yùn)移提供了通道,也可以成為油氣聚集的有效儲(chǔ)層。在義和莊凸起主體,油氣正是沿義南、義東等斷裂帶縱向運(yùn)移,過(guò)斷面后沿前第三系古風(fēng)化殼的孔縫連通帶繼續(xù)運(yùn)移至有效的圈閉形成了地層不整合油藏[26],該區(qū)古風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)中半風(fēng)化巖石層對(duì)油氣成藏起主要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)發(fā)育完整的風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)包括上部的風(fēng)化黏土層和下部的半風(fēng)化巖石層,由風(fēng)化基面向上至半風(fēng)化巖石中部,孔隙與裂縫發(fā)育程度增高,再向上至風(fēng)化黏土層累積孔隙體積增大,但大孔隙和裂縫基本不發(fā)育;地層沉降深埋后的古風(fēng)化殼中,半風(fēng)化巖層頂部由于上覆黏土礦物等細(xì)粒物質(zhì)的充填使孔隙與裂縫的連通性變差,中部本身較為發(fā)育的孔縫系統(tǒng)在流體溶蝕作用下連通性更好,下部由于風(fēng)化作用和流體溶蝕作用均較差,孔隙和裂縫發(fā)育程度較低。

(2)影響古風(fēng)化殼孔隙裂縫發(fā)育規(guī)模的因素主要有風(fēng)化基巖的巖性、風(fēng)化時(shí)間和風(fēng)化程度、風(fēng)化過(guò)程中地層的剝蝕厚度和風(fēng)化殼埋藏深度以及裂縫孔隙的充填特征。不同巖性中裂縫、孔隙發(fā)育規(guī)模和類型不同,風(fēng)化時(shí)間越長(zhǎng),風(fēng)化程度越大,形成的孔隙-裂縫規(guī)模也越大;剝蝕厚度越大,風(fēng)化殼中裂縫越發(fā)育,古風(fēng)化殼埋藏深度越大,孔縫系統(tǒng)連通情況越差;充填了粉砂等較粗物質(zhì)的裂縫連通性仍然較好,而泥質(zhì)的充填則會(huì)降低裂縫的滲透性。

(3)古風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)對(duì)油氣成藏具有重要意義,風(fēng)化黏土層大孔隙、裂縫不發(fā)育,在其后的壓實(shí)等成巖作用下易形成致密的黏土巖,可作為優(yōu)質(zhì)蓋層或與上覆泥巖一起形成復(fù)合型蓋層;半風(fēng)化巖石中部的孔縫連通體既是油氣運(yùn)移的良好通道,也可作為有效儲(chǔ)層聚集油氣。

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