朱世发, 贾业, 万超凡, 马立驰, 崔殿, 孙超, 景安语. (2020). 济阳坳陷富林洼陷中生界复杂岩性风化壳储集层成岩作用* [J]. 古地理学报, 22(3): 555-569.
Zhu Shi-Fa, Jia Ye, Wan Chao-Fan, Ma Li-Chi, Cui Dian, Sun Chao, Jing An-Yu. (2020). Diagenetic of the Mesozoic complex weathering crust reservoir rock in Fulin subsag,Jiyang Depression[J]. Journal Of Palaeogeography, 22(3): 555-569.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2020.03.038
Permissions
Copyright©2020, 《古地理学报》编辑部
版权所有.《古地理学报》编辑部
济阳坳陷富林洼陷中生界复杂岩性风化壳储集层成岩作用*
朱世发1,2, 贾业1,2, 万超凡1,2, 马立驰3, 崔殿3, 孙超3, 景安语3
1 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
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
3 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院,山东东营 257015

第一作者简介 朱世发,男,1982年生,博士,副教授,博士生导师。主要从事油气储层地质学的教学和研究工作。E-mail: sfzhu@cup.edu.cn。

收稿日期:2020-03-06
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41872102,41202107)资助
摘要

风化壳储集层成因及其差异性特征分析是当今储层地质学研究热点。渤海湾盆地济阳坳陷沾化凹陷富林洼陷中生界油气勘探遇到瓶颈,目前探井仅钻揭白垩系顶部风化壳,且风化壳储集层岩性复杂、非均质性极强,明确风化壳储集层成岩改造、储集空间类型和组合关系,对本区乃至济阳坳陷中生界潜山油气勘探至关重要。通过岩心和薄片观察,结合录井、测井等资料,对富林洼陷白垩系西洼组复杂岩性风化壳储集层开展研究。结果表明: 风化壳岩性主要为安山岩和凝灰岩,其次为脉岩、隐爆角砾岩和砂砾岩。由于不同构造单元在复杂埋藏过程中经历了“洼—隆—隆”或“洼—隆—洼”的演化过程,不同岩性储集层的成岩序列和孔隙演化差异明显。火成岩和碎屑岩原生孔隙类型和成因明显不同,但现今储集空间均以次生孔隙特别是溶蚀孔为主,被溶蚀物质包括斑晶、基质以及火山岩屑等。溶蚀作用的主导流体多变,继抬升暴露过程中富含CO2的大气淡水之后,有机质成熟时排出的有机酸对储集层改善有积极作用。有利风化壳储集层的形成受到岩性、埋藏演化过程和成岩流体的共同控制。整体上,富林洼陷白垩系西洼组储集层质量由好到次的顺序为: 凝灰质砂砾岩,火山角砾岩,含残余气孔安山岩,凝灰岩,次火山岩;不同岩性风化壳储集层在复杂埋藏过程中,经历了不同的成岩改造。

关键词: 风化壳储集层; 安山岩; 凝灰岩; 成岩作用; 济阳坳陷沾化凹陷; 白垩系
中图分类号:TE122.2+4 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2020)03-0555-15
Diagenetic of the Mesozoic complex weathering crust reservoir rock in Fulin subsag,Jiyang Depression
Zhu Shi-Fa1,2, Jia Ye1,2, Wan Chao-Fan1,2, Ma Li-Chi3, Cui Dian3, Sun Chao3, Jing An-Yu3
1 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China
3 Exploration and Development Research Institute,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Shandong Dongying 257015,China

About the first author Zhu Shi-Fa,born in 1982,doctor,is an associate professor and doctoral supervisor. Now he is mainly engaged in the teaching and research of oil and gas reservoir geology. E-mail: sfzhu@cup.edu.cn.

Fund:Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.41872102,41202107)
Abstract

The formation of weathering crust reservoirs and the analysis of their differences have become the current research focus of reservoir geology. The Mesozoic oil and gas exploration in the Fulin subsag of Zhanhua sag in the Jiyang Depression of Bohai Bay Basin has encountered its bottleneck. Only the weathering crust at top of the Cretaceous is currently penetrated by exploration wells and the weathering crust reservoir is characterized by complex lithology and high heterogeneity. In order to enhance exploration in the Mesozoic buried hill reservoir in the study area and even the Jiyang Depression,it's of great importance to figure out diagenetic evolution,reservoir space types and their combination relationships. The complex lithology of weathering crust reservoir rock of the Cretaceous Xiwa Formation in the Fulin subsag was studied by core and thin section observation combining with well logging data. The results show that the key lithologies of weathering crust include andesite and tuff,followed by dyke,cryptoexplosive breccia and glutenite. During the complex burial process,different tectonic units underwent the evolution of 'sag-uplift-uplift' or ‘sag-uplift-sag’,resulting in significant differences for diagenetic sequence and pore evolution of different reservoir rocks. The primary pore types and their genesis of igneous and clastic rocks are obviously different,but the present reservoir space is dominated by secondary pores,especially dissolution pores. The dissolved material includes porphyry,matrix and volcanic debris. The dominant fluid for dissolution is variable. In addition to the atmospheric fresh water rich in CO2 during the uplifting and exposure,the organic acid discharged during the maturation of organic matter has a positive effect on improving reservoir quality. The formation of favorable weathering crust reservoir rock is controlled by lithology,burial evolution and diagenetic fluid. On the whole,the reservoir quality order of the Cretaceous Xiwa Formation in the Fulin subsag is as follow: Volcaniclastic rock,vesicular andesite,tuff,subvolcanic rock. Different weathering crust reservoir rocks in the study area underwent different diagenetic modification during the complex burial process.

Key words: weathering crust reservoir rock; andesite; tuff; diagenesis; Zhanhua sag of Jiyang Depression; Cretaceous

风化壳油气藏广泛分布于世界各大含油气盆地。自1909年美国Morrow County 基岩风化型油气储集层被发现以来, 已经在世界范围内发现了200余个与风化壳有关的油气藏或油气显示, 已经发现的风化壳储集层存在于碳酸盐岩、砂岩、火成岩等多种岩性中(毛治国等, 2018)。例如, 东西伯利亚盆地内的尤罗勃钦油气田, 其储集层为新元古界风化缝洞型白云岩; 在波斯湾盆地南部, 石炭系Al Khlata组碎屑岩风化壳中形成了Marmul、Nimr、Rima等油田; 北极斜坡盆地的普鲁德霍湾(Prudhoe Bay)油田, 是经历了长期抬升的三叠系萨德尔罗奇特群三角洲相砂岩、砾岩形成的, 储集层平均孔隙度达到25%~30%, 平均渗透率为(250~3000)× 10-3μ m2; 在印度尼西亚西爪哇盆地(West Java basin), 贾蒂巴朗(Jatibarang)油田风化壳储集层的岩性包括玄武岩、安山岩和凝灰岩(Heward, 1989; Nakashima, 2005; Zhuravlev, 2009; Luneva et al., 2016)。

与世界其他地区相比, 中国含油气盆地具有多旋回叠合的特点, 大、中型不整合面在盆地中较为常见, 风化壳油气藏广泛发育。近30年来, 中国石油工作者在准噶尔盆地西北缘、车排子、石西地区石炭系, 三塘湖盆地石炭系卡拉岗组, 渤海湾盆地济阳坳陷白垩系, 松辽盆地徐家围子断陷白垩系营城组内发现了一批风化壳型油气田, 取得了巨大的经济效益, 建立了碎屑岩和火山岩风化壳模式(侯连华等, 2011; 邹才能等, 2011; 迟唤昭, 2016; 郭峰和崔殿, 2016; 林会喜等, 2019)。碎屑岩风化壳体厚度较小(40 m左右), 可分为不整合之上的残积层(碎屑岩特有)、不整合之下的风化黏土带、风化淋滤带3个部分, 残积层和风化淋滤带可能成为有利储集层(邹才能等, 2014)。完整的火山岩风化体具有5层结构, 自不整合面向下包括土壤层、水解带、溶蚀带、崩解带和母岩, 理想状态下厚度最大可达450 m, 以溶蚀带物性最佳(侯连华等, 2011; 邹才能等, 2011; 林会喜等, 2019)。与经历风化、搬运后沉积的碎屑岩相比, 火山岩不稳定矿物含量更高, 风化壳体内部的成岩作用更为复杂。

渤海湾盆地济阳坳陷沾化凹陷富林洼陷中生代构造运动活跃、火山活动频繁, 形成了不同岩性的古风化壳储集层, 具有风化壳结构不完整、岩性变化快、埋藏史复杂、原始构造格局发生变化、成岩流体多样、早成岩信息被掩盖等特点。因此, 有必要对富林洼陷复杂构造背景下的复杂岩性风化壳储集层开展研究, 将成岩和孔隙演化与埋藏史相结合, 明确不同阶段主控成岩流体, 探究储集层发育特征及其影响因素, 以期达到指导火成岩和碎屑岩储集层油气勘探, 提高甜点预测准确性的目的。

1 地质背景

济阳坳陷位于渤海湾盆地东南部, 受到埕宁隆起和鲁西隆起的夹持, 整体形态向西收敛、向东撒开, 是一个发育众多“ 北断南超” 箕状断陷的一级负向构造单元。沾化凹陷属于济阳坳陷的四大凹陷之一, 位于济阳坳陷东北部。研究区富林洼陷位于济阳坳陷沾化凹陷东南部, 总体是一个北和北东断、南西超的倒三角形小洼陷(图 1-a), 北以垦利断裂带与孤南洼陷分界, 东以垦东断裂带与垦东凸起及青坨子凸起相邻, 西南向陈家庄凸起超覆。富林洼陷面积约为360 km2, 自1967年以来, 洼陷内完钻探井40余口, 钻遇地层包括中生界顶部至第四系。

图 1 济阳坳陷富林洼陷位置及其中生界油气勘探成果图
a— 济阳坳陷沾化凹陷东部地区; b— 富林洼陷白垩系勘探成果图Fig.1 Location and oil and gas exploration of the Mesozoic in Fulin subsag, Jiyang Depression

中生代济阳坳陷已经被完全肢解(徐振中等, 2009)。坳陷内普遍缺失三叠系。侏罗系、白垩系内部共发育彼此以不整合接触的4个组, 分别为: 侏罗系坊子组、三台组, 白垩系蒙阴组、西洼组(李伟, 2007)。白垩系蒙阴组、西洼组在富林洼陷范围内分布最为广泛, 在整个济阳坳陷具有代表性。蒙阴组厚度300~400 m, 与下伏三台组呈不整合接触, 两者之间缺失约17 Ma的地层。该组岩性复杂, 上部以含碎屑岩夹层的火山岩为主, 下部以含泥岩夹层的厚层、中厚层砂岩和含砾砂岩为主。西洼组是本次研究的目的层, 与上覆新生界存在60 Ma的沉积间断, 与蒙阴组之间同样存在着约10 Ma的沉积间断。西洼组岩性变化快, 火山岩广泛分布, 以颜色存在差异的凝灰岩、安山岩、凝灰质泥岩为主要岩性, 部分井中可见砂岩、砾岩、闪长玢岩(肖焕钦, 2006)。由于中生界并非主力产层, 富林洼陷内经钻井揭露的地层以新生界为主, 仅有14口探井钻至中生界顶部(图 1-b), 揭示厚度一般小于100 m。

沾化凹陷的断层具有“ 网格化” 的特征, 断层间相互切割, 造成凹陷内部支离破碎, 体现了断裂活动多期次叠加的特点(吴智平等, 2004)。富林洼陷属于“ 网格” 之一, 洼陷的形成演化受到边界断层的控制。孤西、垦东、垦利3条断层产状不同, 主要活跃期与活动频率存在差异(图 2)。其中, 北西向的孤西断层在中生代最为活跃, 发生了构造反转(侯旭波, 2010), 北东向的垦东断层与北北东向的垦利断层在古近纪最为活跃。基于断层活动与地层厚度之间的相关关系, 比较不同时间段内的沉积地层厚度, 以地层厚度差异为边界, 对洼陷进行分区。将接受沉积、地层厚度大的单元定义为 “ 洼” ; 由于发生隆升导致超覆沉积或遭受剥蚀, 地层厚度小的单元被称为 “ 隆” , 通过剥蚀厚度恢复和埋藏史分析, 前人对中生代原型盆地进行重建(王迪, 2016), 并对构造演化进行分区(图 2)。

图 2 富林洼陷边界断层活动频率与构造分区图(据吴智平等, 2004; 王迪, 2016; 有修改)
①— 主控断层仅孤西断层, 构造反转时期; ②— 主控断层由孤西断层向垦利、垦东断层过渡时期; ③— 垦东、垦利断层共同控制时期(①之前的三叠纪晚期, 孤西断层为逆断层, 全区发生剥蚀)Fig.2 Activity frequency of boundary fault and tectonic unit of Fulin subsag(modified after Wu et al., 2004; Wang, 2016)

针对图 2中①②③时期的“ 洼” 、“ 隆” 特征, 洼陷内构造演化被分为4类, 以A区为例: 由于靠近孤西断层, 在①阶段表现为山前或山间凹陷沉积, 被概括为“ 洼” ; 在②阶段, 由于垦利、垦东断层活动幅度加大, 沉积中心迁移, A区为NW走向断陷西斜坡超覆沉积, 被概括为“ 隆” ; 在③阶段, 表现为NE-NEE向断陷南斜坡的上超沉积(隆); 因此A区整体构造演化为“ 洼— 隆— 隆” , 其余3个区的命名依据与A区相似, B区为“ 洼— 隆— 洼” , C区为“ 隆— 洼— 隆” , D区为“ 隆— 洼— 洼” (图 2)。

2 岩石学特征

本次研究共观察富林洼陷中生界取心井9口, 累计观察描述岩心62 m, 鉴定薄片76张, 分析对比14口井的测井曲线和岩屑录井数据。基于以上资料, 笔者将所有样品分为火山熔岩(主要为安山岩)、火山碎屑岩(主要为凝灰岩)、次火山岩(脉岩、隐爆角砾岩)和碎屑岩四大类。根据岩石结构、组成物质、成岩方式, 对富林洼陷中生界的岩性进一步细分。

2.1 火山熔岩和火山碎屑岩

富林洼陷的火山熔岩可分为普通熔岩和自碎角砾熔岩。普通熔岩根据矿物成分划分为玄武岩(图 3-a, 3-b)和安山岩(图 3-c, 3-d):玄武岩分布范围小, 仅在富117和富121井的部分深度段有所发现; 安山岩在研究的9口取心井中均有钻遇, 14口井的岩屑录井统计结果表明, 安山岩层厚度占比达到40%。自碎角砾熔岩具有特殊的自碎角砾结构(图 3-e, 3-f), 这是在岩浆流动过程中, 顶部熔浆首先冷凝固结成岩, 随后破碎成角砾掉落到下部仍在流动的熔浆中形成的(王璞珺等, 2010)。自碎角砾岩在富12和富112井中有所钻遇, 成分不定, 流纹岩到玄武岩均可形成。

图 3 富林洼陷西洼组熔岩和火山碎屑岩岩心和薄片照片
a— 裂缝被方解石充填, 玄武岩, 富121井, 3916.46 m; b— 玄武岩镜下照片, 暗色矿物蚀变, 富121井, 3916.46 m, (-); c— 蚀变安山岩, 块状构造, 富117井, 3707.6 m; d— 安山岩, 斑状结构, 富117井, 3709.8 m, (-); e— 安山质自碎熔岩, 暗色角砾与浅色充填物, 富111井, 2743.3 m; f— 安山质自碎熔岩, 角砾状, 暗色矿物蚀变, 方解石脉发育, 富111井, 2743.3 m, (-); g— 凝灰岩, 富7井, 2496.47 m; h— 玄武质火山角砾岩, 角砾状构造, 富117井, 3879.0 m; i— 玄武质火山角砾岩, 角砾状构造, 富117井, 3879.0 m, (-)Fig.3 Core photos and thin sections of lava and pyroclastic rocks in the Xiwa Formation of Fulin subsag

火山碎屑岩在富林洼陷西洼组内分布广泛, 在研究的9口取心井中均有钻遇。根据粒度分为凝灰岩(图 3-g)和火山角砾岩(图 3-h, 3-i)。其中, 火山角砾岩仅见于富112井、富7井的部分深度段, 而凝灰岩在所有井钻遇地层的厚度占比达到36%, 仅次于安山岩。

2.2 次火山岩

次火山岩是一类特殊的岩石, 发育于次火山岩相(王璞珺等, 2003)。研究区次火山岩分布于富古4井、富29井、富291井的部分深度段, 根据是否具有隐爆角砾结构划分为脉岩和隐爆角砾岩。脉岩属于特殊的浅成侵入岩, 与研究区西洼组岩浆活动密切相关。研究区内的脉岩按斑晶成分进一步被分为2种: 暗色矿物斑晶的煌斑岩(图 4-a, 4-b)和长石斑晶的闪长玢岩(图 4-c, 4-d), 斑晶自形程度高、晶体直径大(0.5~1 mm), 在酸、碱性条件下均不稳定, 易被有机酸溶蚀或被方解石交代。隐爆角砾岩(图 4-e, 4-f)属于近火山口岩石被高压炸碎形成原地角砾, 之后又被灌入富含矿物质的“ 岩汁” 胶结, 角砾棱角尖锐, 具有特殊的“ 自拼接构造” (王璞珺和冯志强, 2008)。

图 4 富林洼陷西洼组次火山岩岩心和薄片照片
a— 煌斑岩, 致密块状, 富古4井, 2378.1 m; b— 煌斑岩, 煌斑结构, 自形片状斑晶发生蚀变, 富29井, 3336.99 m, (-); c— 闪长玢岩, 富291井, 3135.5 m; d— 闪长玢岩, 斑状结构, 具环带中长石斑晶, 熔蚀孔发育, 富291井, 3116.1 m, 蓝色铸体, (-); e— 隐爆角砾岩, 角砾边缘可拼接恢复, 富29井, 3329.79 m; f— 隐爆角砾岩, 角砾被后期热液冷凝固结, 富29井, 3325.6 m, 茜素红染色, 蓝色铸体, (-)Fig.4 Core photos and thin sections of subvolcanic rocks in the Xiwa Formation of Fulin subsag

2.3 碎屑岩

富林洼陷西洼组的碎屑岩分布范围小, 仅在富9井、富112井、富113井的部分井段发育, 薄片鉴定结果表明样品中富含凝灰质成分, 可根据粒度进一步划分为砾岩(图 5-a)、砂岩(图 5-c, 5-d)、泥岩(图 5-b)。颗粒的分选和磨圆差, 具有近源快速堆积的特点, 是靠近断层的冲积扇沉积。

图 5 富林洼陷西洼组碎屑岩岩心和薄片照片
a— 深灰色砾岩, 富9井, 2694.0 m; b— 凝灰质泥岩, 富112井, 2918.3 m, (-); c— 凝灰质砂岩, 富9井, 2965.86 m, 蓝色铸体, (-); d— 凝灰质砂岩, 凝灰质高岭土化, 富113井, 2748.98 m, 蓝色铸体, (-)Fig.5 Core photos and thin sections of clastic rocks in the Xiwa Formation of Fulin subsag

3 成岩作用类型与成岩演化
3.1 成岩作用类型

富林洼陷西洼组储集层经历了埋藏、抬升淋滤、再次埋藏的演化过程, 成岩作用对储集层的改造十分强烈。根据成岩作用对孔隙度的影响, 可以将其划分为对孔隙度有建设性影响、有破坏性影响、无直接影响三大类。

3.1.1 对孔隙度有建设性影响的成岩作用

火山岩与碎屑岩储集层的建设性成岩作用存在差异。火山岩储集层的建设性成岩作用出现在岩石冷凝到埋藏的全过程, 包括有利于原生孔隙形成的气体溢散作用、熔蚀作用、自碎作用, 以及埋藏条件下的脱玻化作用、溶蚀作用(Patricia and Nora, 2007)。气体溢散作用在富林洼陷的安山岩中常见(图 6-a), 是溢流相上部亚相中常见的成岩作用。熔蚀作用在次火山岩中常见, 在斑晶内部形成特殊的原生孔隙, 容易被后期成岩作用掩盖(图 6-b)。溶蚀作用在不同岩性中均有发现, 既可以溶蚀斑晶(图 6-c), 也可以溶蚀基质(图 6-d)。由于后期构造抬升作用, 凝灰岩中可以见到淋滤溶蚀缝(图 6-e), 这是风化壳储集层中特有的成岩作用。富林洼陷碎屑岩储集层的建设性成岩作用也以溶蚀作用为主, 铸模孔的形成与凝灰质岩屑的溶蚀密切相关(图 6-f)。溶蚀作用发生的主控流体包括两大类: 大气淡水和有机酸。大气淡水导致的风化淋滤多出现在西洼组顶部, 距中— 新生界之间不整合面50 m的范围之内最为常见; 有机酸的酸性强于大气淡水, 是干酪根成熟过程中的脱羧作用形成的。富林洼陷烃源岩发育于新生界, 有机酸运移受控于断层的疏导作用, 因此有机酸型溶蚀与断层和裂缝相伴生, 在垂向上无明显分带, 以靠近断层地区最为发育。薄片分析结果表明, 溶蚀作用贡献的面孔率约占总面孔率的40%。

图 6 富林洼陷西洼组建设性成岩作用薄片照片
a— 气体溢散作用, 红色箭头指示原生气孔位置, 硅质沿气孔壁沉淀, 气孔安山岩, 富29井, 3327.8 m, 蓝色铸体, (-); b— 斑晶的熔蚀作用, 红色箭头指示熔蚀孔, 不规则, 闪长玢岩, 富291井, 3116.0 m, 蓝色铸体, (-); c— 斑晶的溶蚀作用, 红色箭头指示原有长石被溶蚀, 安山岩, 富121井, 3615.4 m, 蓝色铸体, (-); d— 基质的溶蚀作用, 长石斑晶保存, 基质中发育微孔隙, 闪长玢岩, 富29井, 3332.99 m, 蓝色铸体, (-); e— 淋滤缝, 凝灰岩, 富121井, 3688.25 m, 蓝色铸体, (-); f— 溶蚀作用, 照片中部凝灰质溶蚀形成铸模孔, 孔中残留物质被方解石交代, 凝灰质砂岩, 富9井, 2701.72 m, 蓝色铸体, (-)Fig.6 Thin sections showing constructive diagenesis of the Xiwa Formation in Fulin subsag

3.1.2 对孔隙度有破坏作用的成岩作用

富林洼陷的四大类岩石中, 火山岩和次火山岩属于冷凝固结, 岩石骨架致密、抗压实能力强, 破坏性成岩作用以充填作用为主; 碎屑岩和火山碎屑岩属于压实固结, 破坏性成岩作用表现为压实、胶结作用。对火山岩和次火山岩而言, 充填作用的自生矿物以方沸石、方解石为主(图 7-a, 7-b, 7-c), 表现为对构造缝的充填, 方沸石的形成早于方解石; 裂缝几乎全部被充填, 这导致裂缝不是主要的储集空间类型。在碎屑岩和火山碎屑岩中, 自生黏土矿物和碳酸盐胶结物会阻塞孔喉(图 7-d), 降低储集层的孔隙度和渗透率; 根据长石的溶蚀机理, 在半封闭环境中, 长石受到碳酸溶蚀有自生高岭石生成, 且产生的钙离子有利于方解石胶结物的沉淀(Yuan et al., 2015), 方解石胶结也可以出现在次生孔隙形成之后(图 7-e, 7-f)。

图 7 富林洼陷西洼组破坏性成岩作用照片
a— 方解石对构造裂缝的充填, 碎裂安山岩, 富29井, 3327.8 m, 茜素红染色, (+); b— 裂缝错断斑晶, 方解石充填微裂缝, 富112井, 3615.20 m, 茜素红染色, (-); c— 两期胶结物充填残余构造缝, 早期自生方沸石晶型残留, 富121井, 3619.6 m, 茜素红染色, (-); d— 自生高岭石和碳酸盐胶结物阻塞微孔隙, 凝灰质砂岩, 富9井, 2698.54 m, SEM照片; e— 碎屑岩溶蚀孔中的方解石胶结物, 红色箭头位置可见残留假杂基, 富9井, 2701.72 m, 蓝色铸体, (-); f— 图e的正交偏光照片, (+)。K: 高岭石, Ic: 菱铁矿, Cc: 方解石, I/S: 伊蒙混层Fig.7 Thin sections showing destructive diagenesis of the Xiwa Formation in Fulin subsag

3.1.3 无直接影响的成岩作用

交代作用是一类常见的成岩作用, 交代作用并不直接改变储集层物性, 但是交代产物的后期变化可能对储集层物性产生影响。除常见的方解石交代、绿泥石交代之外, 受到构造抬升的影响, 富林洼陷西洼组中发育风化壳中特有的熔岩表面结构, 包括淋滤暗化边(图 8-a)和铁质胶结交代(图 8-b)。自生矿物的沉淀、充填以及溶解, 受控于地层温度、孔隙流体成分和性质等因素。受西洼组内中基性火山活动影响, 成岩流体富含钙和铁, 储集层中可见铁方解石(图 8-c)、绿泥石和方解石交代长石、角闪石(图 8-d, 8-e)。

图 8 富林洼陷西洼组对孔隙度无直接影响成岩作用(茜素红薄片照片)
a— 辉石的淋滤暗化边(白色箭头), 富111井, 2742 m, (+); b— 铁质物质析出, 基质整体呈黑色, 方解石交代长石斑晶, 富112井, 2919.7 m, (-); c— 铁质析出、绿泥石、铁方解石交代(红色箭头), 富121井, 3689.5 m, (-); d— 方解石、绿泥石对长石斑晶的交代, 富117井, 3709.8 m, (-); e— 方解石交代角闪石, 原矿物仅保留晶形, 富29井, 3327.8 m, (-)Fig.8 Thin section photos of diagenetic replacement of the Xiwa Formation in Fulin subsag(alizarin red staining)

3.2 富林洼陷的成岩序列和孔隙演化

本次研究在不同的构造演化分区内建立岩性标准井(图 9), 进而重建不同岩性、不同埋藏史储集层的成岩序列。抬升后的大气淡水淋滤和再次埋藏的成岩改造, 掩盖了一次埋藏时期的成岩信息, 给早期成岩作用的研究带来很大困难。限于篇幅, 本文主要以A区“ 洼— 隆— 隆” 型和B区“ 洼— 隆— 洼” 型埋藏史为例进行成岩序列的分析和讨论。

图 9 富林洼陷西洼组岩性和构造演化叠合图Fig.9 Superposition map of lithology and tectonic evolution of the Xiwa Formation in Fulin subsag

3.2.1 “ 洼— 隆— 隆” 型埋藏史

本区域(A区)的埋藏史演化包括3个阶段, 最大埋深发生于早白垩世与中白垩世之间, 中晚白垩世发生隆升, 至孔店组沉积末期开始二次埋藏。针对区域内包括的3大类岩石: 熔岩、火山碎屑岩、凝灰质砾岩, 三者在成岩序列上存在较大差异, 分别进行讨论。

富112井位于富林洼陷西北部, 发育压实固结成岩的火山碎屑岩, 由于抬升风化作用基质蚀变强烈(图 8-b)。火山碎屑岩中玻璃质等不稳定组分含量高, 对孔隙间流体酸碱性的变化较为敏感(黄玉龙等, 2010)。通过薄片观察确定其成岩序列为: 火山喷发岩石炸裂— 凝灰质埋藏— 脱玻化— 早期沸石胶结(图 10-a)— 交代成因绿泥石(图 10-b)— 交代成因方解石(图 10-a)— 抬升风化— 淋滤缝发育(图 10-c)— 长石斑晶被选择性溶蚀— 方解石充填风化缝— 晚期绿泥石交代(图 10-d)— 方解石白云石化。火山碎屑岩的孔隙度演化是增孔作用和减孔作用相互竞争的结果, 减孔作用包括压实和胶结作用, 几乎伴随整个埋藏过程, 早期为方沸石胶结, 中后期以方解石胶结为主, 受偏碱性的地层水控制; 增孔作用可分为3个阶段, 演化早期受沉积水影响, 脱玻化对孔隙度变化贡献最大; 演化中期受大气淡水淋滤, 富含CO2淡水对长石选择性溶蚀; 演化晚期埋深增大, 地层温度升高, 有机质成熟排酸, 次生溶孔大量发育(赵海玲等, 2009; 曲希玉等, 2012; 王岩泉等, 2019)。

图 10 富林洼陷富112井与富111井西洼组典型成岩作用薄片照片
a— 早期方沸石胶结物溶蚀, 方解石交代火山凝灰质, 富112井, 2919.7 m, 茜素红染色, (-); b— 岩屑中的长石斑晶被方解石和绿泥石交代, 边部为绿泥石, 中心为方解石, 富112井, 2919.7 m, 茜素红染色, (-); c— 方解石交代岩屑, 淋滤缝大量发育, 新生缝被方解石胶结, 富112井, 2919.0 m, (-); d— 绿泥石对岩屑的交代, 富112井, 2909.8 m, (-); e— 构造裂缝被方解石充填, 方解石发生重结晶, 富111井, 2742.3 m, (-); f— 绿泥石交代长石斑晶, 原矿物仅保留晶型, 富111井, 2742.0 m, (-)。Anl为方沸石; Chl为绿泥石, Cal为方解石Fig.10 Typical diagenetic thin sections of the Xiwa Formation in Wells Fu 112 and Fu 111 of Fulin subsag

富111井同样位于富林洼陷西北部, 邻近富112井, 但岩性发生变化, 以冷凝固结成岩的安山岩为主(图 3-e), 几乎不受压实作用的影响。通过薄片观察确定其成岩序列为: 喷发— 埋藏— 脱玻化— 早期交代成因方解石— 抬升风化(矿物暗化边(图 8-a))— 方解石充填风化缝(图 3-f)— 构造裂缝发育(图 10-e)— 次生溶蚀孔发育— 绿泥石大量交代(图 10-f)。与富112井相比, 岩性差异导致孔隙度演化有所不同。熔岩的初始孔隙度较低(一般小于10%), 但在未发生风化作用之前的抗压实能力强。原生孔隙形成后, 增孔作用以大气淡水淋滤和有机酸溶蚀为主。在埋藏深度较大时(2500~3000 m), 最终平均面孔率为13%, 大于该深度下的火山碎屑岩储集层(富112井火山凝灰岩中平均面孔率10%)。

富9井位于富林洼陷西南部, 以凝灰质砂砾岩为主, 属于分选、磨圆较差的冲积扇沉积, 凝灰质成分来源于同期火山活动。形成过程包括: 邻近的火山喷发— 火山凝灰质进入冲积扇主水道— 近源冲积扇沉积— 与火山作用相关的早期热液活动— 浅埋藏期的大气淡水影响— 火山物质(在岩石成分中占比超过50%)埋藏蚀变— 热液成因矿物溶蚀— 方解石胶结物大量发育— 抬升淋滤— 少量方解石胶结物溶解— 后期碳酸盐胶结、交代— 有机质成熟排酸— 凝灰质和长石溶解、铸模孔形成(图 6-f, 图 7-e)。孔隙度演化与火山碎屑岩相似, 减孔作用包括机械压实和方解石胶结作用。在早白垩世晚期最大埋深到达1180 m, 自此至孔店组末期, 地层抬升遭受剥蚀, 压实作用停止; 此后, 由于二次埋藏压实作用再次发生, 现今埋藏深度为2800 m。方解石在2期埋藏过程中均有发育, 第1期表现为对火山物质的交代和对气孔的充填, 在抬升过程中被溶蚀; 第2期为埋藏条件下方解石的胶结、交代, 由于有机酸和大气淡水的作用, 薄片中方解石含量小于10%。增孔作用包括淋滤作用和有机酸的溶蚀作用: 浅埋藏时期火山物质即开始溶解, 导致了早期孔隙度的增加; 中期大气淡水淋滤溶解了方解石胶结物, 溶解的方解石随着孔隙水被带出体系使得反应不断进行; 埋藏晚期有机质成熟排酸, 有机酸对凝灰质和长石溶蚀导致了新孔隙的形成(图 11)。

图 11 富林洼陷富9井西洼组碎屑岩成岩和孔隙度演化图Fig.11 Diagenesis and porosity evolution of clastic rocks of the Xiwa Formation in Well Fu 9 of Fulin subsag

3.2.2 “ 洼— 隆— 洼” 型埋藏史

本型构造演化以富121井最为典型。富121井发育安山岩储集层, 在中白垩世晚期达到一次埋深最大值2260 m, 随后发生抬升剥蚀, 在孔店组— 沙河街组沉积期开始二次埋藏, 现今深度3580 m。该井新生界厚度大, 被定义为‘ 洼’ , 区别于富9井。通过薄片观察确定其成岩序列为: 冷凝期热液条件下的充填、交代— 浅埋藏期大气淡水淋滤— 一次埋藏期斑晶和基质蚀变— 方解石胶结、交代— 抬升剥蚀— 构造裂缝— 风化淋滤(图 6-e)— 冷凝期热液产物的溶解— 长石斑晶的蚀变和溶蚀(图 6-c)— 二次埋藏中沸石和绿泥石胶结(图 7-c)— 方解石交代— 铁方解石交代(图 8-c)— 有机质成熟排酸— 长石斑晶、基质、胶结物的溶蚀。与富111井的岩性相同, 孔隙度演化较为相似, 由于最大埋深较大, 地温温度更高, 孔隙流体更加活跃, 更有利于方解石胶结物的形成, 也大大促进了斑晶和基质的溶解(图 12)。

图 12 富林洼陷富121井西洼组安山岩成岩和孔隙度演化图Fig.12 Diagenesis and porosity evolution of andesite of the Xiwa Formation in Well Fu121 of Fulin subsag

4 主要储集空间类型

依据储集空间成因的差异将其分成3大类6小类: 原生孔(图 6-a), 主要为残余气孔; 次生孔, 包括颗粒/斑晶溶蚀孔(图 6-c, 图 7-e)和基质溶蚀孔(图 5-c, 图 6-d); 微裂缝, 包括风化缝(图 6-e)、溶蚀缝(图 10-a)和构造缝(图 7-b, 7-c; 图 10-e)。对比发现, 不同岩性储集层的储集空间组合关系存在明显差异(图 13)。

图 13 富林洼陷西洼组储集层不同储集空间占比图Fig.13 Proportion of different reservoir spaces of reservoir in the Xiwa Formation of Fulin subsag

在溢流相上部亚相的气孔熔岩中, 原生孔和溶蚀孔组合是主要的储集空间, 同一亚相的自碎熔岩也具有相似特征; 但是在中部亚相, 致密熔岩以溶蚀孔缝作为主要的储集空间类型, 以A区富111井和B区富121井的熔岩段最为典型。火山碎屑岩的溶蚀孔缝在各类岩石中占比最高, 粒度更大的火山角砾岩具有更高的原生孔隙占比。除高温熔蚀孔外, 次火山岩中几乎不发育原生孔隙, 各类溶蚀孔和裂缝贡献大部分面孔率, 但是整体面孔率较小(小于8%; 图 13)。富林洼陷的碎屑岩以凝灰质碎屑岩为主, 由于凝灰质塑性强、不抗压实, 原生孔隙在一次埋藏中被消耗殆尽, 但是后期形成的溶蚀孔仍然使得砂岩和砾岩的面孔率较高。

综上所述, 富林洼陷不同岩性储集层遭受的溶蚀作用强烈, 反映了风化壳储集层的特点。尽管构造活动形成了大量构造裂缝, 但在长时间深埋过程中裂缝被充填, 构造裂缝不是主要的储集空间类型。可能发育优质储集层的岩性包括气孔安山岩、火山角砾岩和凝灰质砂砾岩。孔隙度大于10%、渗透率大于1× 10-3μ m2的储集层仅在A区发现, A区富9井砂砾岩层段(2697.8~2698.5 m), 富112井火山角砾岩层段(2917.9~2921.3 m)储层物性最佳(表 1)。综合分析表明, 储集层质量由好到次的顺序为: 凝灰质砂砾岩, 火山角砾岩, 含气孔熔岩, 火山凝灰岩, 致密熔岩, 次火山岩。

表 1 富林洼陷不同构造演化分区西洼组储集层质量统计 Table1 Statistics of reservoir quality of the Xiwa Formation in different structural evolution zones of Fulin subsag
5 结论

1)富林洼陷是济阳坳陷沾化凹陷内的一个小型断陷, 白垩系西洼组发育了岩性复杂的岩浆岩和碎屑岩风化壳储集层。根据矿物成分和岩石结构, 将岩浆岩分为火山熔岩(安山岩为主)、火山碎屑岩(凝灰岩为主)和次火山岩(脉岩和隐爆角砾岩); 将碎屑岩分为凝灰质砂岩、砾岩和泥岩。

2)不同岩性的风化壳储集层成岩改造存在差异。由于抬升剥蚀和风化淋滤, 岩石被大气淡水溶解产生次生孔隙和溶蚀缝; 埋藏阶段的交代和有机酸溶蚀进一步掩盖了早期成岩作用。溶蚀孔是不同岩性风化壳体的主要储集空间, 被溶蚀物质包括斑晶、基质、火山岩屑以及少量方解石和方沸石胶结物等。综合建立了研究区不同岩性在不同埋藏演化过程(“ 洼— 隆— 隆” 和“ 洼— 隆— 洼” )中的储集层成岩序列。

3)有利风化壳储集层的形成受到岩性、埋藏演化过程和成岩流体的共同控制。富林洼陷西洼组风化壳体储集层质量由好到次的顺序为: 凝灰质砂砾岩, 火山角砾岩, 含残余气孔安山岩, 凝灰岩, 致密熔岩和次火山岩。研究成果对于相似背景下的潜山油气藏勘探和储量挖潜具有一定的借鉴意义。

致谢 文章在撰写过程中, 得到了中国石油大学(北京)朱筱敏教授和董艳蕾副教授的悉心指导, 他们为文章质量的提升付出了辛勤劳动, 在此表示真挚的感谢。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 谈明轩)

参考文献
[1] 迟唤昭. 2016. 松辽盆地徐家围子断陷营城组火山岩风化壳及其储层预测. 吉林大学博士论文.
[Chi H Z. 2016. Volcanic weathering crust and its reservoir prediction of Yingcheng Formation in Xujiaweizi Fault Depression, Songliao Basin. Doctoral dissertation of Jilin University] [文内引用:1]
[2] 郭峰, 崔殿. 2016. 孤西地区中生界火山岩储层发育机制. 西南石油大学学报(自然科学版), 38(2): 39-48.
[Guo F, Cui D. 2016. The development mechanism of Mesozoic volcanic reservoirs in Guxi area. Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition), 38(2): 39-48] [文内引用:1]
[3] 侯连华, 王京红, 邹才能, 张光亚, 王志勇, 杨春, 林潼. 2011. 火山岩风化体储层控制因素研究: 以三塘湖盆地石炭系卡拉岗组为例. 地质学报, 85(4): 557-568.
[Hou L H, Wang J J, Zou C N, Zhang G Y, Wang Z Y, Yang C, Lin T. 2011. Controlling factors of weathering volcanic reservoir: An example from the Carboniferous Kalagang Formation in Santanghu Basin. Acta Geologica Sinica, 85(4): 557-568] [文内引用:2]
[4] 侯旭波. 2010. 济阳坳陷构造反转特征及其与叠合盆地演化关系. 中国石油大学(华东)博士论文.
[Hou X B. 2010. The Development Characteristic of Structures Inversion in Jiyang Depression and Its Relationship with the Evolution of Superimposed Basin. Doctoral dissertation of China University of Petroleum(East China)] [文内引用:1]
[5] 黄玉龙, 王璞珺, 邵锐. 2010. 火山碎屑岩的储层物性: 以松辽盆地营城组为例. 吉林大学学报(地球科学版), 40(2): 227-236.
[Huang Y L, Wang P J, Shao R. 2010. Porosity and permeability of pyroclastic rocks of the Yingcheng Formation in Songliao Basin. Journal of Jilin University(Earth Science Edition): 40(2): 227-236] [文内引用:1]
[6] 李伟. 2007. 渤海湾盆地区中生代盆地演化与前第三系油气勘探. 中国石油大学(华东)博士论文.
[Li W. 2007. Mesozoic Basin Evolution and the Exploration of the Pre-Tertiary Petroleum in the area of Bohai Bay Basin. Doctoral dissertation of China University of Petroleum(East China)] [文内引用:1]
[7] 林会喜, 宫亚军, 赵乐强, 闵飞琼, 曾治平, 管永国, 牛靖靖. 2019. 火山岩风化壳发育规律及油气地质意义: 以准西车排子地区石炭系火山岩为例. 油气地质与采收率, 26(6): 11-18.
[Ling H X, Gong Y J, Zhao L Q, Min F Q, Zheng Z P, Gan Y G, Niu J J. 2019. Volcanic weathering crust development pattern and its petrogeological significance: A case study of Carboniferous volcanic crust of Chepaizi area in West Junggar Basin. Petroleum Geology and Recovery Efficiency, 26(6): 11-18] [文内引用:2]
[8] 毛治国, 崔景伟, 綦宗金, 王京红, 苏玲. 2018. 风化壳储层分类、特征及油气勘探方向. 岩性油气藏, 30(2): 12-22.
[Mao Z G, Cui J W, Qi Z J, Wang J H, Su L. 2018. Classification, characteristics and petroleum exploration of weathering crust reservoir. Lithologic Reservoirs, 30(2): 12-22] [文内引用:1]
[9] 曲希玉, 刘立, 蒙启安, 于淼, 张革, 吴文波. 2012. 大气水对火山碎屑岩改造作用的研究: 以塔木查格盆地为例. 石油实验地质, 34(3): 285-290.
[Qu X Y, Liu L, Meng Q A, Yu M, Zhang G, Wu W B. 2012. Reformation effect of atmospheric water on volcanic clastic rocks: A case study in Tamtsag Basin, Mongolia. Petroleum geology & Experiment, 34(3): 285-290] [文内引用:1]
[10] 王璞珺, 冯志强. 2008. 盆地火山岩: 岩性·岩相·储层·气藏·勘探. 北京: 科学出版社.
[Wang P J, Feng Z Q. 2008. Basin Volcanic Rocks: Lithology, Lithofacies, Reservoirs, Gas Reservoirs, Exploration. Beijing: Science Press] [文内引用:1]
[11] 王璞珺, 迟元林, 刘万洙, 程日辉, 单玄龙, 任延广. 2003. 松辽盆地火山岩相: 类型、特征和储层意义. 吉林大学学报(地球科学版): 33(4): 449-456.
[Wang P J, Chi Y L, Liu W S, Cheng R H, Shan X L, Ren Y G. 2003. Volcanic facies in Songliao Basin: Types, characteristics and reservoir significance. Journal of Jilin University(Earth Science Edition): 33(4): 449-456] [文内引用:1]
[12] 王璞珺, 陈树民, 李伍志, 陈汉林, 郎元强. 2010. 松辽盆地白垩纪火山期后热液活动的岩石地球化学和年代学及其地质意义. 岩石学报, 26(1): 33-46.
[Wang P J, Chen S M, Li W Z, Chen H L, Lang Y Q. 2010. Chronology, petrology and geochemistry of the Cretaceous crypto-explosive, breccia-bearing volcanic rocks: Implications for volcanic reservoir and tectonics. Acta Petrologica Sinica, 26(1): 33-46] [文内引用:1]
[13] 王迪. 2016. 沾化凹陷孤西地区中生界构造特征及其对储层发育的影响. 中国石油大学(华东)硕士论文.
[Wang D. 2016. Structural feature of Mesozoic Erathem and its influence on reservoirs in Guxi Area, Zhanhua Sag. Masteral dissertation of China University of Petroleum(East China)] [文内引用:1]
[14] 王岩泉, 王金铎, 王千军, 隋风贵, 石好果, 徐佑德. 2019. 火山碎屑岩成岩作用及对储层储集性能的影响: 以准噶尔盆地车排子地区石炭系为例. 中国矿业大学学报, 48(2): 405-414.
[Wang Y Q, Wang J D, Wang Q J, Sui F G, Shi H G, Xu Y D. 2019. Diagenesis of volcanic clastic rocks and its control over reservoir performance: A case study of the Carboniferous system in Chepaizi area, Junggar Basin. Journal of China University of Mining & Technology, 48(2): 405-414] [文内引用:1]
[15] 吴智平, 李伟, 郑德顺, 吕洪波. 2004. 沾化凹陷中、新生代断裂发育及其形成机制分析. 高校地质学报, 10(3): 405-417.
[Wu Z P, Li W, Zheng D S, Lü H B. 2004. Analysis on features and origins of the Mesozoic and Cenozoic faults in Zhanhua sag. Geological Journal of China Universities, 10(3): 405-417] [文内引用:1]
[16] 肖焕钦. 2006. 济阳坳陷中生代原型盆地的恢复. 中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)博士论文.
[Xiao H Q. 2006. Reconstruction of the Mesozoic Basin of Jiyang Depression. Doctoral dissertation of Graduate School of Chinese Academy of Science(Guangzhou Institute of Geochemistry)] [文内引用:1]
[17] 徐振中, 陈世悦, 姚军, 王永诗. 2009. 残留盆地沉积相研究方法: 以济阳坳陷中生代盆地为例. 世界地质, 28(2): 199-206.
[Xu Z Z, Chen S Y, Yao J, Wang Y S. 2009. Methods for the study of sedimentary facies in residual basins: A case study of the Mesozoic basins in Jiyang depression. Global Geology, 28(2): 199-206] [文内引用:1]
[18] 赵海玲, 黄微, 王成, 狄永军, 齐井顺, 肖勇, 刘杰. 2009. 火山岩中脱玻化孔及其对储层的贡献. 石油与天然气地质, 30(1): 47-52, 58.
[Zhao H L, Huang W, Wang C, Di Y J, Qi J S, Xiao Y, Liu J. 2009. Micropores from devitrification in volcanic rocks and their contribution to reservoirs. Oil & Gas Geology, 30(1): 47-52, 58] [文内引用:1]
[19] 邹才能, 侯连华, 陶士振, 袁选俊, 朱如凯, 张响响, 李富恒, 庞正炼. 2011. 新疆北部石炭系大型火山岩风化体结构与地层油气成藏机制. 中国科学: 地球科学, 41(11): 1613-1626.
[Zou C N, Hou L H, Tao S Z, Yuan X J, Zhu R K, Zhang X X, Li F H, Pang Z L. 2011. Hydrocarbon accumulation mechanism and structure of large-scale volcanic weathering crust of the Carboniferous in northern Xinjiang, China. Science China: Earth Sciences, 41(11): 1613-1626] [文内引用:2]
[20] 邹才能, 侯连华, 杨帆, 杨春, 陶士振, 袁选俊, 朱如凯. 2014. 碎屑岩风化壳结构及油气地质意义. 中国科学: 地球科学, 44(12): 2652-2664.
[Zou C N, Hou L H, Yang F, Yang C, Tao S Z, Yuan X J, Zhu R K. 2014. Structure of weathered clastic crust and its petroleum potential. Science China: Earth Sciences, 44(12): 3015-3026] [文内引用:1]
[21] Heward A P. 1989. Early Ordovician alluvial fan deposits of the Marmul oilfield, South Oman. Journal of the Geological Society, 146(3): 557-565. [文内引用:1]
[22] Luneva T, Lobova G, Fomin A. 2016. Oil and gas presence perspectives of weathering layer reservoir of Nurol'ka mega-basin according to data of geothermics. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 43(1): 12-14. [文内引用:1]
[23] Nakashima K. 2005. Petroleum potential in the East Siberian region. Journal of the Japanese Association for Petroleum Technology, 70(2): 132-141. [文内引用:1]
[24] Patricia S, Nora R. 2007. Processes controlling porosity and permeability in volcanic reservoirs from the Austral and Neuquén basins, Argentina. AAPG Bulletin, 91(1): 115-129. [文内引用:1]
[25] Yuan G, Cao Y, Jia Z. 2015. Selective dissolution of feldspars in the presence of carbonates: The way to generate secondary pores in buried sand stones by organic CO2. Marine and Petroleum Geology, 60: 105-119. [文内引用:1]
[26] Zhuravlev E G. 2009. Oil and gas pools in weathering crusts on the sedimentary basin basement. Lithology and Mineral Resources, 44(3): 298-303. [文内引用:1]