謝 濤 郭英海 沈玉林 連爾剛 邵玉寶
(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院)
川東南小河壩組砂巖成巖作用與孔隙演化
謝 濤 郭英海 沈玉林 連爾剛 邵玉寶
(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院)
通過普通薄片鑒定、鑄體薄片鑒定、掃描電鏡、X射線衍射以及陰極發(fā)光等多種實驗測試手段對川東南地區(qū)小河壩組砂巖成巖作用以及孔隙演化進(jìn)行詳細(xì)研究。研究結(jié)果表明:研究區(qū)小河壩砂巖主要以含泥長石石英粉砂巖為主,少量的長石粉砂巖,碎屑顆粒組合具有高石英、高長石、低巖屑的特點。原生殘余粒間孔和次生溶蝕孔是小河壩砂巖的主要孔隙類型。壓實作用是造成原生孔隙減少的主要因素之一,溶蝕作用改善了砂巖的孔隙度,而膠結(jié)作用,尤其是鈣質(zhì)膠結(jié),造成孔隙度的進(jìn)一步降低。圖4表3參8
成巖作用 孔隙演化 小河壩組 川東南地區(qū)
自20世紀(jì)80年代以來,通過地球物理勘探、鉆井工程、地質(zhì)調(diào)查等地質(zhì)手段的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)川東南地區(qū)有充足的氣源(龍馬溪組黑色炭質(zhì)頁巖)、連片的致密砂巖(小河壩組砂巖)以及穩(wěn)定的區(qū)域性蓋層(韓家店組、秀山組泥巖),表明了該地區(qū)志留系具有良好的天然氣勘探前景。然而迄今為止,對于川東南地區(qū)小河壩組砂巖儲集層成巖作用、物性特征的研究程度較低。本文通過野外剖面實測、室內(nèi)普通薄片鑒定、鑄體薄片鑒定、結(jié)合X射線衍射、掃描電鏡、及陰極發(fā)光等多種分析測試手段,對川東南地區(qū)小河壩組砂巖儲集層的成巖作用、儲層物性特征及成巖作用對孔隙演化的影響進(jìn)行詳細(xì)研究。
研究區(qū)位于北緯 28°~30°,東經(jīng) 106°~109°范圍內(nèi),屬于四川盆地東部邊緣,小河壩組砂巖標(biāo)準(zhǔn)出露在南川縣龍骨溪小河壩,其主要分布于南川、石柱一帶,面積約 6000km2,呈北東方向展布[2-5](圖1)。采用葛志洲的定義,小河壩組包括上下兩部分,下部為灰、灰綠色粉砂巖、細(xì)砂巖(“小河壩砂巖”段),上部為黃綠色頁巖、砂質(zhì)頁巖夾粉砂巖和生物灰?guī)r透鏡體[6]。研究區(qū)小河壩組砂巖之下有下志留統(tǒng)龍馬溪組的黑色炭質(zhì)頁巖作為良好的烴源巖,之上有韓家店組厚層的泥巖作為良好的蓋層,構(gòu)成了志留系良好的生儲蓋組合。
圖1 研究區(qū)位置圖
根據(jù)薄片鑒定結(jié)果:研究區(qū)小河壩組砂巖巖石類型主要為含泥長石石英粉砂巖,少量的長石粉砂砂巖和石英粉砂巖。碎屑顆粒組合具有高石英、高長石、低巖屑的特點。其中碎屑石英主要為單晶石英,偶見燧石,含量一般為 70% ~85%,平均為81.66%,石英顆粒多呈等軸狀,弱波狀消光及一致消光。巖屑含量很低,一般小于 5%,平均為0.77%,主要為千枚巖屑(圖2A)和板巖巖屑。長石含量一般為5% ~25%,平均為14.91%,主要為酸性斜長石(圖2B),微斜長石比較少見。另外還含有少量云母、綠泥石以及鋯石、電氣石、金紅石等重礦物。填隙物以雜基、硅質(zhì)膠結(jié)物、鈣質(zhì)膠結(jié)物為主,含量分別為0~40%、1% ~10%、0~20%。碎屑顆粒分選性中等-差,多為次棱角狀,顆粒之間以線接觸為主,膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)和接觸式膠結(jié)。
圖2 礦物成分、成巖作用和孔隙類型照片
在薄片鑒定的基礎(chǔ)上,結(jié)合陰極發(fā)光、掃描電鏡、X射線衍射等實驗手段,對研究區(qū)小河壩組砂巖的成巖作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究,認(rèn)為對小河壩組砂巖儲層物性影響明顯的成巖作用類型主要包括:壓實作用、膠結(jié)作用、交代作用及溶蝕作用。
研究區(qū)小河壩砂巖中壓實作用很明顯。由于小河壩砂巖中雜基含量較高,碎屑顆粒粒度較細(xì),長石含量較高,巖石的成熟度較低,同時碎屑顆粒呈次棱角狀、分選中等,由于這些條件導(dǎo)致了小河壩砂巖經(jīng)歷了強(qiáng)烈的機(jī)械壓實作用。通過鏡下薄片觀察,小河壩砂巖中碎屑顆粒,尤其是云母、長石等片狀礦物壓實后呈定向排列(圖2C),同時少量的千枚巖屑、泥板巖屑以及云母壓實后彎曲變形,長石沿解理、雙晶縫裂開,部分泥巖塑性巖屑壓實后呈假雜基狀。泥巖等塑性顆粒發(fā)生壓實變形,造成假雜基狀。
研究區(qū)小河壩組砂巖中膠結(jié)作用普遍存在,主要為碳酸鹽膠結(jié)作用、硅質(zhì)膠結(jié)作用以及粘土礦物膠結(jié)作用。
(1)碳酸鹽膠結(jié)
碳酸鹽膠結(jié)物是研究區(qū)小河壩組儲層砂巖中最主要的膠結(jié)物之一,含量變化較大,成分上主要以方解石、鐵方解石、鐵白云石為主,且方解石、鐵方解石含量最高。通過研究發(fā)現(xiàn),小河壩砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物主要形成于混層伊利石/蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化,以及斜長石溶解的過程中。在此過程中,粘土礦物將釋放的Ca2+、Fe3+、Mg2+與烴源巖中的有機(jī)質(zhì)成熟產(chǎn)生的CO2反應(yīng)形成方解石、鐵方解石。鏡下薄片觀察發(fā)現(xiàn),研究區(qū)部分小河壩儲層砂巖中見兩期碳酸鹽膠結(jié)物,早期形成的方解石膠結(jié)物多呈顆粒狀分布于碎屑顆粒之間,局部呈嵌晶式膠結(jié)(圖2D),茜素紅染色后呈紅色,在陰極發(fā)光下現(xiàn)亮桔黃色,而晚期形成的方解石膠結(jié)物,是在溶蝕作用發(fā)生后沉淀形成的,成分上含F(xiàn)e2+,主要為鐵方解石,常呈交代長石或石英形式出現(xiàn),茜素紅染色后呈紫紅色,在陰極發(fā)光條件下,隨著Fe2+含量的增加而呈現(xiàn)橙紅色、暗橙紅色。
(2)硅質(zhì)膠結(jié)
研究區(qū)小河壩組儲層砂巖中硅質(zhì)膠結(jié)物形成與粘土礦物的轉(zhuǎn)化以及長石的溶解有關(guān)。小河壩砂巖中長石含量、粘土礦物含量較高,為硅質(zhì)膠結(jié)物的形成提供了物質(zhì)保證,研究區(qū)小河壩組砂巖埋藏較深,經(jīng)歷的演化溫度較高,為硅質(zhì)膠結(jié)物的形成提供了條件。鏡下薄片觀察發(fā)現(xiàn),研究區(qū)小河壩砂巖硅質(zhì)膠結(jié)主要表現(xiàn)為石英次生加大,多數(shù)沿碎屑石英顆粒邊緣生長,形成次生加大邊(圖 2E),厚約0.01mm~0.02mm,石英加大邊比碎屑石英顆粒更加光潔,且與石英顆粒具有相同的光性,陰極發(fā)光下,一般碎屑石英顆粒主要呈現(xiàn)藍(lán)紫色,而自生石英加大邊則不發(fā)光。同時鏡下可見部分石英加大邊被方解石所交代。
(3)粘土礦物膠結(jié)
根據(jù)X射線衍射分析,川東南地區(qū)小河壩砂巖中自生粘土礦物主要為伊利石和綠泥石(圖2F),高嶺石和伊蒙混層含量較少。
伊利石主要由鉀長石蝕變而成或由富K+的堿性孔隙水沉淀而成,研究區(qū)小河壩組砂巖儲層中伊利石含量較高,含量為38.6% ~59%,平均為50.5%。由于儲層砂巖中長石含量較高,長石的溶解為伊利石的形成提供了豐富的K+。鏡下觀察發(fā)現(xiàn),伊利石主要呈細(xì)而薄的鱗片狀或絲縷狀集合體或網(wǎng)狀集合體充填于次生孔隙中,掃描電鏡下呈不規(guī)則的鱗片狀或毛發(fā)狀附在顆粒表面或充填在孔隙中。
研究區(qū)小河壩組儲層砂巖中綠泥石含量僅次于伊利石,含量為28.6% ~42%,平均為36.2%。鏡下觀察發(fā)現(xiàn),綠泥石主要有兩種賦存狀態(tài):①作為孔隙襯邊方式產(chǎn)出的粘土膜;②是充填于孔隙中的填隙物,掃描電鏡下單體呈刃片狀,集合體呈玫瑰花狀。通過鏡下觀察發(fā)現(xiàn)研究區(qū)小河壩組儲層砂巖中部分碎屑顆粒邊緣發(fā)育綠泥石薄膜,使得顆粒之間呈點接觸或線狀接觸。由于綠泥石膜形成能將碎屑與孔隙水隔開,阻止了石英顆粒的次生加大和部分碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀。鏡下薄片觀察顯示,研究區(qū)小河壩組儲層砂巖中綠泥石膜發(fā)育區(qū),少見石英次生加大邊和方解石類的膠結(jié)物。
根據(jù)鏡下薄片觀察發(fā)現(xiàn)研究區(qū)小河壩組儲層砂巖中交代作用比較常見,主要的交代作用類型有:碳酸鹽交代作用、粘土礦物交代作用。
研究區(qū)小河壩組砂巖中的碎屑石英顆粒、長石顆粒等被碳酸鹽交代的現(xiàn)象較常見。交代碳酸鹽礦物主要以晚期的方解石、鐵方解石為主。碳酸鹽礦物常沿著顆粒邊緣、裂縫、解理縫開始交代,使碎屑顆粒邊緣呈鋸齒狀、港灣狀等,也可也可以完全交代碎屑顆粒而保留顆粒的假象。粘土礦物交代現(xiàn)象在碎屑巖中主要表現(xiàn)為酸性環(huán)境下粘土礦物對長石顆粒的交代,交代作用總是沿著長石裂縫或解理縫進(jìn)行。
溶蝕作用在砂巖中較普遍,碎屑顆粒、雜基、膠結(jié)物、交代礦物,在一定的成巖環(huán)境中都會不同程度的發(fā)生溶蝕,形成次生孔隙。研究區(qū)小河壩砂巖中溶蝕作用主要體現(xiàn)在對格架顆粒的溶蝕,如對長石的溶蝕,以及對粒間粘土雜基的溶蝕。長石溶蝕多沿解理縫和破裂縫進(jìn)行,形成粒內(nèi)溶孔。此外,溶蝕還可沿著粒間孔壁進(jìn)行,對(方解石、鐵方解石等)顆粒間膠結(jié)物及雜基進(jìn)行溶蝕,形成鋸齒狀、港灣裝、不規(guī)則狀溶孔。
成巖作用階段的劃分及其標(biāo)志的研究與儲層評價密切相關(guān)。本文將根據(jù)粘土礦物組合及I/S混層粘土礦物、自生礦物組合、有機(jī)質(zhì)成熟度,并依照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中(SY/T5477-2003)碎屑巖成巖階段劃分規(guī)范,認(rèn)為川東南地區(qū)小河壩砂巖儲層成巖作用主要處于中成巖B期—晚成巖階段。
(1)粘土礦物組合及I/S混層粘土礦物
在埋藏成巖過程中,伴隨埋深的增加和溫度壓力的增加,粘土礦物中的蒙脫石會發(fā)生一系列的轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)化,從而可以作為儲層成巖階段換分的依據(jù)。通過X衍射對粘土礦物,特別是混層粘土礦物定量、定性的分析(表1),結(jié)果表明研究區(qū)小河壩組砂巖中粘土礦物主要以伊利石、綠泥石為主,含量分別為38.6% ~59%,28.6% ~42%,平均值分別為50.5%,36.2%;高嶺石和伊蒙混層含量較低,分別為1% ~17.1%,3.9% ~8.0%,平均值分別為6.9%,6.4%。粘土礦物組合形式主要為伊利石+伊/蒙混層+綠泥石。伊/蒙間層比為7%左右,表明成巖作用已進(jìn)入中成巖B期。
(2)自生礦物組合
通過薄片鑒定、掃面電鏡以及陰極發(fā)光分析研究表明小河壩砂巖儲層中主要的自生礦物有石英次生加大邊、鐵方解石和高嶺石、伊利石、綠泥石等粘土礦物。研究區(qū)小河壩組砂巖中鐵方解石膠結(jié)物含量較高,同時自生粘土礦物以伊利石和綠泥石為主,表明其成巖作用已進(jìn)入中成巖B期。
表1 小河壩組泥巖中粘土礦相對百分含量
(3)有機(jī)質(zhì)成熟度
沉積巖中普遍存在的干酪根等高分子有機(jī)化合物在成巖過程中隨著溫度的升高而表現(xiàn)為鏡質(zhì)組反射率增高,因此,應(yīng)用鏡質(zhì)體反射率可以確定儲層所經(jīng)受的最高溫度及有機(jī)質(zhì)成熟度,以此來劃分成巖階段。
研究區(qū)小河壩組的下伏地層龍馬溪組中鏡質(zhì)體反射率普遍較高,根據(jù)前人的研究資料[7],并結(jié)合自己所完成的實驗結(jié)果(表2)可以看出,研究區(qū)東南部三泉、三匯、石柱、秀山溶溪一帶 Ro值介于1.41%~3.64%之間,平均值為2.21%,龍馬溪組底部黑色泥頁巖Ro值明顯較高,往上值變小;往研究區(qū)南部、西南部地區(qū)綦江、興文一帶,Ro值較高,一般介于1.73% ~3.39%,平均值為2.65%。表明有機(jī)質(zhì)成熟度處于高成熟、過成熟期,從而間接說明研究區(qū)小河壩砂巖的成巖作用階段主要處于中成巖B期—晚成巖階段。
表2 研究區(qū)龍馬溪組泥巖樣品鏡質(zhì)體反射率RO統(tǒng)計表
通過鑄體薄片以及掃描電鏡的觀察,認(rèn)為研究區(qū)小河壩砂巖儲層普遍較為致密,孔隙不太發(fā)育,主要的孔隙類型有:原生殘余粒間孔(圖2G、圖2H)、次生溶蝕孔(圖2I)、晶間孔、粒緣孔及微裂隙等。通過對研究區(qū)南川三匯、三泉、石柱打風(fēng)坳、武隆江口4個剖面的小河壩組砂巖巖石標(biāo)本的常規(guī)物性樣品分析測試結(jié)果的統(tǒng)計與整理(表3)表明,小河壩組砂巖孔隙度均小于10%,主要介于1.7%~6%之間,平均值為3.5%,滲透率基本小于0.1mD,主要介于0.01mD-0.130mD之間,平均值為0.036mD,個別樣品孔隙度高達(dá)9.4%,而滲透率高達(dá)5.190mD,這可能與砂巖中存在裂縫有關(guān)(統(tǒng)計時已去除這些樣品),依據(jù)儲層物性參數(shù)等級劃分的標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)小河壩組砂巖儲層屬于特低孔、特低滲儲層。同時,從孔隙度與滲透率具正相關(guān)性圖(圖3)上可以看出多數(shù)樣品具有滲透率隨著孔隙度的增大而增大的趨勢,而從圖中也可看出少部分樣品偏離這種趨勢,主要表現(xiàn)為孔隙度較低的樣品,滲透率卻相對較高,這主要與喉道形態(tài)類型及各種作用所形成的裂縫的影響有關(guān)。
表3 研究區(qū)小河壩組砂巖孔隙度、滲透率統(tǒng)計表
(1)原始孔隙度的恢復(fù)
恢復(fù)砂巖初始孔隙度是定量評價不同成巖作用類型對原生孔隙喪失和次生孔隙產(chǎn)生影響的前提。原始孔隙度恢復(fù)的計算公式為:
式中Q1和Q3相當(dāng)于粒度累計曲線25%和75%處的粒徑大?。?]。通過研究區(qū)小河壩組50個砂巖粒度累積曲線圖得出,Q1一般介于0.06mm~0.1mm之間,而Q3介于0.04mm~0.09mm之間,利用公式(2)計算得出分選系數(shù)S0為3.51~6.12,說明分選中等—差,再利用公式(1)恢復(fù)其原始孔隙度為24.65% ~27.43%。
圖3 研究區(qū)小河壩組砂巖孔隙度與滲透率相關(guān)性散點圖
(2)成巖序列及孔隙演化
早成巖A期,小河壩組處于淺埋藏期,埋深1200m左右,有機(jī)質(zhì)未成熟,鏡質(zhì)體反射率 Ro<0.35%。成巖作用主要表現(xiàn)為機(jī)械壓實作用和少量的膠結(jié)作用。沉積物受壓實作用影響,顆粒間趨向緊密排列,孔隙水部分排出,塑性巖屑發(fā)生水化膨脹和假雜基化充填孔隙??紫督Y(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為原生粒間孔隙不斷減少。I/S混層為無序混層,碎屑顆粒粘土邊形成,早期綠泥石薄膜的析出和初步固結(jié)作用,提高了巖石的機(jī)械強(qiáng)度和抗壓實能力,抑制了石英膠結(jié)作用,有效的保護(hù)了砂巖的原生孔隙。
早成巖B期,埋深1600m左右,鏡質(zhì)體反射率Ro<0.5%,有機(jī)質(zhì)演化處于半成熟階段。該階段主要的成巖作用表現(xiàn)為壓實作用和膠結(jié)作用。隨著埋藏深度的增加,壓實作用逐漸增強(qiáng),沉積物體積明顯減小,孔隙水大量排出,顆粒受擠壓發(fā)生變形,出現(xiàn)少量石英次生加大和碳酸鹽巖膠結(jié)物,少量的亮晶方解石充填于殘余粒間孔隙內(nèi),使得砂巖孔隙度進(jìn)大幅度降低。
中成巖A期,埋深1600m~3900m左右,當(dāng)埋深1900m~2400m左右,Ro為0.5% ~0.7%,有機(jī)質(zhì)成熟度低。有機(jī)體,尤其是有機(jī)酸的大量釋放,使成巖環(huán)境發(fā)生改變,導(dǎo)致長石、巖屑及早期的膠結(jié)物溶蝕,形成次生孔隙。伴隨著溶解作用,硅質(zhì)膠結(jié)物開始普遍出現(xiàn)。當(dāng)埋深2400m~3900m,Ro為0.7%~1.2%,有機(jī)質(zhì)成熟并達(dá)到生烴高峰。有機(jī)酸大量生成,使砂巖中的不穩(wěn)定組分繼續(xù)溶蝕,形成大量次生溶孔。同時,自生石英向孔隙空間生長,充填孔隙并交代粒間高嶺石。
中成巖B期,埋深3900m~6000m左右,Ro為1.2%~2.0%,有機(jī)質(zhì)處于高成熟階段。成巖環(huán)境由先前的酸性水介質(zhì)條件轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性條件,碳酸鹽巖膠結(jié)物開始大量出現(xiàn),充填先前形成的次生孔隙,石英次生加大普遍,自生石英晶體相互連接使石英顆粒呈鑲嵌狀,降低了砂巖孔隙度。
晚成巖期,埋深6000m~7800m左右,Ro為2.0%~4.0%,有機(jī)質(zhì)處于過成熟階段,含鐵碳酸鹽膠結(jié)物普遍出現(xiàn),顆粒間多呈縫合線狀接觸,粘土礦物基本以綠泥石和伊利石為主,砂巖孔隙度進(jìn)一步降低。
研究區(qū)小河壩砂巖經(jīng)歷了自早成巖期至晚成巖期的成巖演化過程,孔隙度由最初的24.65% ~27.43%,下降到3.5%左右,結(jié)合各期演化特征,建立了小河壩砂巖成巖序列演化與孔隙演化的模式圖(圖4)。
圖4 研究區(qū)小河壩組成巖作用演化與孔隙演化模式圖
(1)研究區(qū)小河壩砂巖主要以含泥長石石英粉砂巖為主,少量的長石粉砂砂巖和石英粉砂巖,碎屑顆粒組合具有高石英、低巖屑的特點,砂巖的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度較低。研究區(qū)小河壩砂巖成巖作用類型主要有4種,分別為壓實作用、膠結(jié)作用、交代作用和溶蝕作用。
(2)研究區(qū)小河壩砂巖成巖作用階段處于中成巖B期—晚成巖期,孔隙不發(fā)育,主要的孔隙類型為原生殘余粒間孔和次生溶蝕孔。壓實作用和膠結(jié)作用是儲層孔隙度降低的主要原因,溶蝕作用是改善儲層孔隙度主要因素。
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DIAGENESIS AND PORE EVOLUTION OF XIAOHEBA FORMATION SANDSTONE,SOUTHEASTERN SICHUAN BASIN
XIE Tao,GUO Yinghai,SHEN Yulin,LIAN Ergang and SHAO Yubao(School of Resource and Earth Science,China University of Mining and Technology)
Both diagenesis and pore evolution of Xiaoheba Formation sandstone in southeastern Sichuan Basin are studied in detail based on the thin-section and casting thin-section identification,SEM,X-ray diffraction and cathodoluminescence.Results show that:(1)sandstone of study area is mainly composed of quartz siltstone with muddy feldspar,and a little feldspar siltstone;(2)the clastic particles are characterized by rich quartz and feldspar,as well as a little debris;(3)the main pore types include primary residual intergranular pore and secondary dissolution pore;and(4)compaction is one of the main factors to reduce primary pore,and dissolution can improve porosity whereas cementation especially calcareous cementation can further decrease porosity.
diagenesis,pore evolution,Xiaoheba Formation,southeastern Sichuan Basin
謝濤,男,1986年出生,江蘇省鎮(zhèn)江市人,碩士研究生;主要從事沉積地質(zhì)學(xué)方面的研究。地址:(221008)江蘇徐州中國礦業(yè)大學(xué)(文昌校區(qū))資源學(xué)院。電話:15950676491.E-mail:xtxn357@163.com
.NATURALGAS EXPLORATION&DEVELOPMENT.v.34,no.3 ,pp.16 -20,7/25/2011
(修改回稿日期 2011-01-21 編輯 王曉清)