松辽盆地北部下白垩统泉头组三、四段碳酸盐胶结物分布及其主控因素*
赵小庆1,2, 鲍志东1,2, 孟元林3, 刘宗飞1
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
3 东北石油大学地球科学学院,黑龙江大庆 163318

通讯作者简介: 鲍志东,男,1964年生,中国石油大学(北京)教授,主要从事储集层地质与油藏描述、沉积学以及岩相古地理等的教学和科研工作。E-mail:baozhd@cup.edu.cn

第一作者简介: 赵小庆,女,1984年生,现为中国石油大学(北京)在读博士研究生,主要从事储集层地质与油藏描述等研究。E-mail:diandian_lovely@163.com

摘要

在高分辨率层序地层学研究的基础上,结合镜下薄片观察、电子探针分析、包裹体测试和物性分析数据,对松辽盆地北部地区下白垩统泉头组三、四段碎屑岩储集层碳酸盐胶结物的分布及其主控因素进行分析。结果表明:泉头组三、泉四段地层平缓、埋深跨度小、成岩作用变化弱,碳酸盐胶结物主要受沉积微相和基准面旋回控制;由物源向盆地方向依次发育的曲流河水上分流河道和水下分流河道中,碳酸盐胶结物含量在岩性特征、分选磨圆和泥质含量等因素的影响下呈逐渐增加的趋势;不同中期旋回相同沉积微相的储集层中,碳酸盐胶结物含量不同,并随着长期基准面上升而表现为逐渐减小的趋势;由沉积微相和基准面旋回共同引起的沉积环境差异,而导致碳酸盐胶结物含量的规律性变化,是影响河流相储集层非均质性的重要因素之一。

关键词: 高分辨率层序地层; 基准面旋回; 松辽盆地; 泉头组; 碳酸盐胶结物; 成岩作用
中图分类号:P588.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2013)01-0125-10
Distribution of carbonate cements in the Members 3 and 4 of Lower Cretaceous Quantou Formation of northern Songliao Basin and its main controling factors
Zhao Xiaoqing1,2, Bao Zhidong1,2, Meng Yuanlin3, Liu Zongfei1
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
3 College of Geosciences, Northeast Petroleum University,Daqing 163318,Heilongjiang;

About the corresponding author: Bao Zhidong,born in 1964,is a professor of China University of Petroleum(Beijing).He is mainly engaged in reservoir geology and reservoir description,sedimentology and lithofacies palaeogeography.E-mail:baozhd@cup.edu.cn.

About the first author: Zhao Xiaoqing,born in 1984,is a Ph.D.candidate of China University of Petroleum(Beijing).She is mainly engaged in reservoir geology and reservoir description.E-mail:diandian_lovely@163.com.

Abstract

In order to study the distribution characteristics of carbonate cement and the controling factors in clastic reservoir of the Members 3 and 4 of Lower Cretaceous Quantou Formation in northern Songliao Basin. The theories of high-resolution sequence stratigraphy, and the methods of microscopically slice observation, electron microprobe analysis, fluid inclusion testing and physical properties analysis were used. The results showed that the strata of Members 3 and 4 of Quantou Formation in northern Songliao Basin were gentle, and they were buried at depths of small span, diagenesis of them was weak, and carbonate cement was mainly affected by sedimentary microfacies and cycle of base level. In the direction of provenance area to the basin, values of the content of carbonate cements in different sedimentary facies of meandering river, distributary channel and submerged distributary channel were different. At the same time, influenced by factors such as lithological character, sorting and rounding of grains, shale content, etc, the content of carbonate cement increased gradually. Values of content of carbonate cement were different in different medium cycles of the same sedimentary microfacies types of reservoir, and with the long-term base level rising, they showed a decreasing trend. The regular change of content of carbonate cement due to the difference in sedimentary environments controled by microfacies and base-level cycles is one of the important factors which influence the heterogeneity of fluvial reservoirs.

Key words: high-resolution sequence stratigraphy; base-level cycle; Songliao Basin; Quantou Formation; carbonate cement; diagenesis

碳酸盐胶结物作为成岩作用过程中重要的矿物之一(Pettijohn et al., 1987), 广泛分布于碎屑岩储集层中, 其通过影响储集层非均质性造成储集层流体渗流差异(Morad, 1998), 从而成为剩余油分布的主控因素之一, 故碳酸盐胶结物在碎屑岩储集层中的分布特征及控制机理的研究对油气田勘探开发具有非常重要的现实意义, 并引起国内外学者广泛关注。前人主要从三级层序界面对砂岩成岩作用及储集层质量的影响(罗忠等, 2007)、埋藏、构造及沉积等方面探讨了碳酸盐胶结物与埋藏深度的关系(张永旺等, 2009), 以及根据碳酸盐胶结物不同形成期次对其形成机理及分布模式进行研究(姚泾利等, 2011), 主要集中于探讨成岩作用对碳酸盐胶结物分布的影响(徐北煤和卢冰, 1994; 吴少波等, 2006), 而对不同沉积微相类型之间、同类沉积微相在基准面旋回不同阶段的碳酸盐胶结物分布的差异性探讨较少。因此, 本研究在对松辽盆地北部进行高分辨率层序地层研究的基础上, 运用岩石薄片镜下观察、电子探针分析及统计学定量数据分析等手段, 探讨沉积微相与基准面旋回共同影响下的碳酸盐胶结物分布特征及控制机理。

1 地质背景

松辽盆地位于中国东北部, 总面积约26× 104 km2, 其北部的大庆油田, 面积约12× 104 km2(图 1)。盆地内主要发育中、新生代沉积岩系, 最大厚度逾万米。地层自下而上依次为侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系(楼章华等, 1997)。泉头组位于白垩系下部, 主要发育三角洲沉积体系, 是盆地的主要勘探对象之一, 从下向上可分为泉一段至泉四段4个岩性阶段。

图1 松辽盆地北部位置Fig.1 Location of northern Songliao Basin

其中, 泉头组三、四段有完整的三角洲平原和三角洲前缘沉积亚相, 主要发育曲流河河道主体、水上分流河道主体和水下分流河道主体3种沉积微相(张庆国等, 2007; 胡明毅和刘仙晴, 2009), 为本研究的重点。结合前人对基准面旋回级次问题的大量研究, 若将三级层序对应为长期基准面旋回, 则可将泉头组三、四段整体作为一个长期基准面旋回。在长期旋回内部, 根据岩心及测井曲线变化特征(郑荣才等, 2001), 可进一步划分为2个中期基准面旋回、6个短期旋回(图 2)。

泉头组上部主要发育长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩(修洪文, 2010), 胶结物以泥质和碳酸盐为主, 并发育自生石英、长石和少量浊沸石及铁质胶结, 胶结类型以孔隙式和基底式为主。孔隙类型主要以原生砂岩粒间孔隙为主, 次生孔隙不发育, 喉道形态较为复杂, 孔隙度介于9%~25%之间, 渗透率介于0.5× 10-3~15980× 10-3 μ m2之间, 属中孔储集层, 渗透率级差较大; 岩石固结程度中到高, 颗粒接触以点接触和点— 线接触为主, 整体处于中成岩阶段A期(孟元林等, 2010)。由于目的层埋深跨度较小(200 m), 故成岩作用对泉头组三、四段砂层组储集层非均质性影响较弱。

2 碳酸盐胶结物类型

碳酸盐胶结物是指碎屑岩中孔隙水过饱和沉淀的碳酸盐矿物, 通常由方解石、白云石、含铁方解石、含铁白云石和菱铁矿等组成(姚光庆和李蕙生, 1991; 吴素娟等, 2005; 张敏强等, 2007; 孙致学等, 2010; 王琪等, 2010; 田亚铭等, 2011)。电子探针分析和岩石薄片观察表明, 研究区泉头组三、四段的碳酸盐胶结矿物类型主要有方解石、白云石和菱铁矿(图 3), 其产状主要有粒间胶结物、交代物或次生孔隙内填充物等形式。其中方解石的含量较多、分布范围较广, 并具有交代和胶结2种产状, 这主要是由于地层水溶蚀目的层中富集的介壳类化石后, 与长石等矿物发生交代作用, 以及泥岩中富钙流体进入砂岩发生胶结作用而形成的; 白云石胶结物含量较少、分布范围相对较小; 菱铁矿主要是由二价铁离子构成, 往往代表着偏还原环境的水下沉积, 因此在地表主要形成于泥炭沼泽中, 在地下则发育在富含有机质的沉积中(郑浚茂和庞明, 1989)。由于碳酸盐矿物类型主要受物源供给变化、沉积环境差异和成岩阶段不同等因素影响, 且研究区目的层的物源供给较为稳定、根据流体包裹体测试结果表明所处成岩阶段差异相对较小(表 1), 故文中将着重探讨沉积环境对碳酸盐胶结物分布的控制机理。

图2 松辽盆地北部下白垩统泉头组三、四段综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of the Members 3 and 4 of Lower Cretaceous Quantou Formation in northern Songliao Basin

图3 松辽盆地北部下白垩统泉头组四段碳酸盐胶结物显微照片
1— 方解石充填斜长石粒内孔, 树129井, 1581.68 m, 钙质长石岩屑细砂岩, 正交光, × 200; 2— 泥晶方解石充填粒间, 杏11-51-丙242, 1530.60 m, 含钙细粒岩屑长石砂岩, 正交光, × 100; 3— 含铁白云石, 徐11井, 1459.99 m, 细砂岩, 单偏光, × 200; 4— 菱铁矿, 杜22井, 1516.5 m, 含钙砂岩, 单偏光, × 200
Fig.3 Micrograph of carbonate cements in the Member 4 of Lower Cretaceous Quanton Formation in northern Songliao Basin

表1 松辽盆地北部下白垩统泉头组三、四段包裹体数据 Table1 Inclusion data of the Members 3 and 4 of Lower Cretaceous Quantou Formation in northern Songliao Basin

图4 松辽盆地北部下白垩统泉头组三、四段碳酸盐含量与沉积相关系图Fig.4 Map showing relationship between carbonate content and sedimentary facies of the Members 3 and 4 of the Lower Cretaceous Quantou Formation in northern Songliao Basin

图5 松辽盆地北部下白垩统泉头组不同沉积微相中碳酸盐胶结物含量对比Fig.5 Comparison of content of carbonate cements among different sedimentary microfacies in the Lower Cretaceous Quantou Formation in northern Songliao Basin

表2 松辽盆地北部下白垩统泉头组不同沉积微相岩石学特征 Table2 Petrological characteristics of different sedimentary microfacies in the Lower Cretaceous Quantou Formation in northern Songliao Basin

图6 松辽盆地北部下白垩统泉头组三、四段不同沉积微相原始孔隙度、泥质含量、中值粒径与碳酸盐胶结物含量关系
根据松辽盆地泉三段和泉四段不同沉积相111块砂岩的分选系数, 应用公式:Φ O=20.91+22.9/SO, 计算了砂岩储集层的原始孔隙度, 其中:Φ O— 原始孔隙度, %; SO— 分选系数
Fig.6 Relationships between original porosity, mud content, median grain size and content of carbonate cements among different sedimentary microfacies in the Members 3 and 4 of Lower Cretaceous Quantou Formation in northern Songliao Basin

图7 碳酸盐胶结物含量、泥质含量、中值粒径及原始孔隙度与基准面旋回的关系
根据松辽盆地泉三段和泉四段不同沉积相111块砂岩的分选系数, 应用公式:Φ O=20.91+22.9/SO, 计算了砂岩储集层的原始孔隙度, 其中:Φ O— 原始孔隙度, %; SO— 分选系数
Fig.7 Relationship between content of carbonate cements, mud content, median grain size, orginal porosity and base-level cycles

3 沉积微相对碳酸盐胶结分布的影响及控制机理

研究区泉头组三、四段以发育河流相砂体为主(胡明毅和刘仙晴, 2009)。在综合考虑砂体发育程度的基础上, 以泉头组三、四段的曲流河河道主体、水上分流河道主体和水下分流河道主体为例, 对不同类型沉积微相中碳酸盐胶结物的分布特征和形成机理进行探讨。由于不同成岩阶段的碎屑岩储集层碳酸盐胶结物在平面和垂向上的分布特征有异, 故作者以泉头组三、四段中处于相同成岩阶段的河流相储集层为例进行研究 (图 4)。通过分析发现, 碳酸盐胶结物在不同类型沉积微相中的总体含量存在差异, 表现为曲流河、水上分流河道和水下分流河道之间的碳酸盐胶结物总量呈递增趋势(图 5)。这是因为:首先, 随着与物源距离的增加, 3种微相的矿物成分成熟度和结构成熟度依次变好(表 2), 石英、长石等刚性颗粒百分含量逐渐变大、磨圆度也相应变好, 使储集层的抗压实能力不断改善, 保护储集层原生孔隙体积, 为碳酸盐矿物的胶结保留了足够的空间; 其次, 随着沉积物搬运距离的逐渐增加, 3种微相的碎屑颗粒分选总体依次变好, 储集层孔隙结构不断变好, 泥质颗粒不易堵塞孔隙喉道, 便于地层水运移, 使碳酸盐得到源源不断的补充而不断沉淀, 故相同泥质含量条件下3种微相的碳酸盐胶结物含量呈递减趋势, 而相同粒度中值条件下3种微相的碳酸盐胶结物含量呈递增趋势(图 6); 最后, 由于泥岩中黏土矿物转化为胶结作用提供钙质来源(王行信等, 1990), 且介壳类生物主要生长在潮下带的浅湖— 半深湖环境(王强等, 2007), 故靠近厚层湖相泥岩的储集层易于形成碳酸盐胶结物。因此, 在以上因素的共同影响下, 曲流河河道主体的碳酸盐胶结物的平均含量相对较少(2.7%), 水上分流河道主体的碳酸盐胶结物的平均含量相对较大(3.2%), 而水下分流河道主体的碳酸盐胶结物平均含量最大(6.1%)。

此外, 由于研究区泉头组三、四段3种微相的沉积环境不同导致碳酸盐胶结物的主要组成矿物有异, 使碳酸盐胶结物的抗溶蚀能力存在差异性, 引起次生孔发育程度不一, 从而对储集层非均质性产生影响。

4 基准面旋回对碳酸盐胶结物分布的影响及控制机理

在前人对高分辨率层序地层研究(解习农, 2007, 2008; 刘宗堡等, 2008; 刘桂珍等, 2010; 阮壮等, 2012)的基础上, 若将三级层序对应长期基准面旋回, 松辽盆地中央坳陷泉三段和泉四段可分为2个中期旋回、6个短期旋回, 综合考虑不同基准面旋回中曲流河、水上分流河道和水下分流河道3种微相河道主体砂体发育程度, 下面以水下分流河道主体为例, 探讨基准面旋回对碳酸盐胶结物分布的影响及控制机理。通过分析发现, 研究区目的层水下分流河道主体内部的碳酸盐胶结物含量与高分辨率基准面升降具有良好的对应关系, 表现为随着长期基准面的不断上升, 中期基准面旋回内部水下分流河道主体的碳酸盐胶结物逐渐减少。这是因为在旋回发育过程中, 随着基准面的不断上升, 可容纳空间逐渐增加、物源供给持续减少, 沉积物搬运距离相对变短, 导致沉积碎屑的碎屑分选程度不断变差, 泥质增加, 使储集层孔隙体积相对缩小, 故碳酸盐胶结物沉淀空间相对减少(图 7); 同时, 在沉积水体不断变深的影响下, 水动力条件持续变弱, 碎屑颗粒的粒度变细, 颗粒外表面积相对减少, 有利于碳酸盐胶结物的附着; 并且在泥质含量不断增加的影响下, 储集层喉道易于被泥质颗粒堵塞, 地层水运移受阻, 使碳酸盐胶结物由于缺乏物质来源而无法大量胶结。

因此, 在上述因素的影响下, 松辽盆地北部下白垩统泉头组三、四段, 水下分流河道主体的碳酸盐胶结物含量与基准面旋回具有明显的负相关关系, 即随着基准面的不断上升, 储集层中碳酸盐胶结物含量呈向上逐渐减少的分布趋势。

5 结论

1)松辽盆地北部泉头组三、四段地层平缓、埋深跨度小、成岩作用变化弱, 碳酸盐胶结物主要受沉积微相和基准面旋回控制。

2)由物源向盆地方向依次发育的曲流河、水上分流河道和水下分流河道的碳酸盐胶结物含量在岩矿组合、分选磨圆和泥质含量等因素的影响下呈逐渐增加的趋势。

3)不同中期旋回的相同沉积微相类型的储集层的碳酸盐胶结物含量具有差异性, 并随着长期基准面上升而表现为逐渐减小的趋势。

4)由沉积微相和基准面旋回共同引起的沉积环境差异而导致的碳酸盐胶结物含量的规律性变化是影响河流相储集层非均质性重要因素之一。

作者声明没有竞争性利益冲突.

参考文献
[1] 胡明毅, 刘仙晴. 2009. 测井相在松辽盆地北部泉三、四段沉积微相分析中的应用[J]. 岩性油气藏, 21(1): 102-106. [文内引用:2]
[2] 刘桂珍, 鲍志东, 周新茂, . 2010. 英台油田萨尔图油层高分辨率层序地层与单砂体特征[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 37(2): 127-132. [文内引用:1]
[3] 刘宗堡, 马世忠, 孙雨, . 2008. 三肇凹陷葡萄花油层高分辨率层序地层划分及沉积特征研究[J]. 地球科学——中国地质大学学报, 26(3): 399-406. [文内引用:1]
[4] 楼章华, 谢鸿森, 蔡希源, . 1997. 松辽盆地扶杨油层(Klq3+4)沉积环境[J]. 石油实验地质, 19(1): 71-75. [文内引用:1]
[5] 罗忠, 罗平, 张兴阳, . 2007. 层序界面对砂岩成岩作用及储集层质量的影响: 以鄂尔多斯盆地延河露头上三叠统延长组为例[J]. 沉积学报, 25(6): 903-914. [文内引用:1]
[6] 孟元林, 高煜婷, 吴河勇, . 2010. 松辽盆地北部中浅层区域成岩规律及影响因素[J]. 古地理学报, 12(1): 97-106. [文内引用:1]
[7] 阮壮, 朱筱敏, 何宇航, . 2012. 大庆长垣北部葡萄花上部油层高分辨率层序地层划分[J]. 沉积学报, 30(2): 301-309. [文内引用:1]
[8] 孙致学, 孙治雷, 鲁洪江, . 2010. 砂岩储集层中碳酸盐胶结物特征: 以鄂尔多斯盆地中南部延长组为例[J]. 石油勘探与开发, 37(5): 543-551. [文内引用:1]
[9] 田亚铭, 施泽进, 李庭艳, . 2011. 姬塬地区长8油层组碳酸盐胶结物特征与成因[J]. 西安石油大学学报(自然科学版), 26(3): 26-32. [文内引用:1]
[10] 王琪, 郝乐伟, 陈国俊, . 2010. 白云凹陷珠海组砂岩中碳酸盐胶结物的形成机理[J]. 石油学报, 31(4): 553-558. [文内引用:1]
[11] 王强, 袁桂邦, 张熟, . 2007. 渤海湾西岸贝壳堤堆积与海陆相互作用[J]. 第四纪研究, 27(5): 775-786. [文内引用:1]
[12] 王行信, 辛国强, 冯永才, . 1990. 松辽盆地黏土矿物研究[M]. 黑龙江哈尔滨: 黑龙江科学技术出版社, 1-200. [文内引用:1]
[13] 吴少波, 赵惊蜇, 李健, . 2006. 吴起油田长6 油层组储集层成岩作用及其对物性的影响[J]. 西安石油大学学报(自然科学版), 21(4): 42-45. [文内引用:1]
[14] 吴素娟, 黄思静, 孙治雷, . 2005. 鄂尔多斯盆地三叠系延长组砂岩中的白云石胶结物及形成机制[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 32(6): 569-575. [文内引用:1]
[15] 解习农, 陆永潮, 任建业, . 2007. 松辽盆地层序地层格架和中浅层沉积体系研究[R]. 湖北武汉: 中国地质大学. [文内引用:1]
[16] 解习农, 陆永潮, 任建业, . 2008. 松辽盆地层序地层格架和中浅层沉积体系研究[R]. 湖北武汉: 中国地质大学沉积盆地及沉积矿产研究所. [文内引用:1]
[17] 修洪文. 2010. 松辽盆地北部泉三、四段储集层岩石学特征研究[J]. 中国西部科技, 5(13): 11-13. [文内引用:1]
[18] 徐北煤, 卢冰. 1994. 硅质碎屑岩中碳酸盐胶结物及其对储集层的控制作用的研究[J]. 沉积学报, 12(3): 56-66. [文内引用:1]
[19] 姚光庆, 李蕙生. 1991. 南阳凹陷下第三系核桃园组砂岩中碳酸盐胶结物及其成因的初步探讨[J]. 地球科学——中国地质大学学报, 16(5): 549-556. [文内引用:1]
[20] 姚泾利, 王琪, 张瑞, . 2011. 鄂尔多斯盆地中部延长组砂岩中碳酸盐胶结物成因与分布规律研究[J]. 天然气地球科学, 22(6): 943-950. [文内引用:1]
[21] 张敏强, 黄思静, 吴志轩, . 2007. 东海盆地丽水凹陷古近系储集层砂岩中碳酸盐胶结物及形成机制[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 34(4): 259-266. [文内引用:1]
[22] 张庆国, 鲍志东, 那未红. 2007. 松辽盆地中央坳陷南部下白垩统泉头组四段沉积相[J]. 古地理学报, 9(3): 267-276. [文内引用:1]
[23] 张永旺, 曾溅辉, 高霞, . 2009. 东营凹陷古近系储集层碳酸盐胶结物分布特征及主控因素[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 39(1): 16-22. [文内引用:1]
[24] 郑浚茂, 庞明. 1989. 碎屑沉积岩的成岩作用研究[M]. 湖北武汉: 中国地质大学出版社, 1-300. [文内引用:1]
[25] 郑荣才, 彭军, 吴朝容. 2001. 陆相盆地基准面旋回的级次划分和研究意义[J]. 沉积学报, 19(2): 654-662. [文内引用:1]
[26] Morad S. 1998. Carbonate Cementation in Sand stones: Distribution Patterns and Geochemical Evolution[C]. Wiley-Blackwell: 1-26. [文内引用:1]
[27] Pettijohn F J, Potter P E, Siever R S. 1987. Sand and Sand stone (2nd Edition)[M]. NewYork: Springer. [文内引用:1]