蘇北陳堡油田風(fēng)成砂巖沉積成巖特征及其找油意義

丁 圣,林承焰,馬寶軍,李 堅,高建剛

(1.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營 257061;2.新疆油田準(zhǔn)東采油廠,新疆阜康 831511; 3.勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院,山東東營 257015;4.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所,貴州貴陽 550002; 5.勝利油田勝利采油廠,山東東營 257501)

蘇北陳堡油田風(fēng)成砂巖沉積成巖特征及其找油意義

丁 圣1,林承焰1,馬寶軍2,李 堅3,高建剛4,5

(1.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營 257061;2.新疆油田準(zhǔn)東采油廠,新疆阜康 831511; 3.勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院,山東東營 257015;4.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所,貴州貴陽 550002; 5.勝利油田勝利采油廠,山東東營 257501)

綜合應(yīng)用巖心觀察、薄片和掃描電鏡等儲層分析技術(shù),對陳堡油田赤山組砂巖的沉積特征及成巖作用進行研究。結(jié)果表明:研究區(qū)巖石學(xué)及沉積結(jié)構(gòu)特征、顆粒表面特征,特別是斯托克斯風(fēng)蝕界面的發(fā)現(xiàn)均證實赤山組砂巖屬于風(fēng)成沉積;風(fēng)成沙丘沉積具有沉積厚度大、成熟度高、孔隙發(fā)育等特點,是油氣水的良好儲集層;研究區(qū)成巖作用具有弱壓實和斯托克斯風(fēng)蝕界面上下明顯不同的膠結(jié)特征,界面之上屬風(fēng)成沉積,膠結(jié)物呈星點狀分布,界面之下受地下水改造具有水成沉積的特征,膠結(jié)物呈嵌晶狀分布。

風(fēng)成砂巖;赤山組;成巖作用特征;斯托克斯面;陳堡油田

晚白堊世是地史上氣候最干熱時期之一[1],廣布的干旱、半干旱氣候條件下的風(fēng)成沉積物,反映了一種廣而零星分布的沙漠湖泊及旱谷環(huán)境[2],因此鹽湖與風(fēng)沙沉積廣布。蘇北盆地處于北緯 20°～40°干旱副熱高壓帶[3],由于氣候干旱、蒸發(fā)量大,在局部地區(qū)出現(xiàn)沙漠化。早在 20世紀(jì) 80年代初,陳榮林等[2]在觀察和測量赤山剖面時首次發(fā)現(xiàn)其具有風(fēng)成沉積特征,認為應(yīng)屬于風(fēng)成沉積作用和沙漠湖泊相的沉積產(chǎn)物;岳文哲、姜月華等相繼對該區(qū)白堊紀(jì)風(fēng)成沉積和氣候演化等方面進行了研究[4]。截至目前,對研究區(qū)風(fēng)成沉積的微觀特征及成巖作用方面的研究相對薄弱,因此筆者通過巖心觀察和薄片鑒定,在沉積宏觀和微觀特征研究基礎(chǔ)上重點研究成巖作用特征,通過對比風(fēng)成砂巖與水成砂巖成巖特征,尋找和預(yù)測風(fēng)成砂巖油氣聚集的有利儲層分布區(qū)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

高郵凹陷位于蘇北盆地南部東臺坳陷中部,呈北東向長條形分布,新生界地層沉積厚達 7 km,是蘇北盆地沉降最深的一個凹陷[5]。研究區(qū)陳 3斷塊位于高郵凹陷的東部斷階帶和吳堡低凸起中段,區(qū)內(nèi)貫穿吳1、吳2兩條大斷層,吳堡低凸起中段地層區(qū)域性東南傾,其上傾方向被近北東方向的區(qū)域性同生大斷層吳1斷層所遮擋,形成長條形不對稱斷鼻圈閉。鉆井、測井資料揭示,陳 3斷塊地層自上而下依次為第四系東臺組、新近系鹽城組、古近系三垛組、阜寧組二段、一段、白堊系泰州組、赤山組。據(jù)調(diào)查研究,沙漠相中的風(fēng)成沙丘亞相是該區(qū)最典型、最易識別的一類亞相,廣泛分布于赤山組,厚度達 275 m。

2 赤山組風(fēng)成砂巖成因

蘇北盆地及其外圍的構(gòu)造發(fā)展史研究表明,燕山中晚期,在太平洋板塊向亞歐大陸擠壓,以及古特提斯向北的斂合雙重作用下,郯廬斷裂系強烈左移,牽動了先成的北西、北東及北北東向斷裂,發(fā)生了不同規(guī)模的張性活動或張扭性轉(zhuǎn)換,造成地殼減薄、地幔上涌。早白堊紀(jì)時,引發(fā)大規(guī)模中酸性鈣堿系列為主的巖漿侵入與噴發(fā),形成北東向展布相互分割小型火山沉積盆地,沉積厚度達數(shù)千米,這是蘇皖地區(qū)裂谷發(fā)育階段強烈斷陷的產(chǎn)物。晚白堊紀(jì)早期(浦口期),該區(qū)從斷陷向坳陷轉(zhuǎn)化,各小型火山斷陷沉積盆地連片,形成以蘇北為中心,包括南黃海大部的泛盆,四周匯水面積大增,其沉積相帶展布由盆地周邊的沖積扇相向盆地中心過渡為沖積平原相和湖相。晚白堊世中晚期(赤山期),盆地轉(zhuǎn)為緩慢拗陷并漸次封閉,地形亦漸次夷平,高差變小,在干熱條件下雨水影響區(qū)縮小,從而湖水漸次干涸,面積縮小,而大區(qū)域的風(fēng)揚作用將盆地邊緣沖積扇及沖積平原區(qū)的沙質(zhì)沉積物向盆地搬運,形成風(fēng)沙沉積為主的沙漠區(qū),僅局部低洼地段及山前區(qū)存有沙漠湖、干鹽湖及沙漠綠洲沉積(圖 1)。晚白堊世末至第三紀(jì)早期(泰州期),斷裂活動再次加劇,雨水影響區(qū)擴大,湖水淹沒了原沙漠區(qū),為赤山組的保存創(chuàng)造了條件[6]。

圖 1 晚白堊世赤山晚期沉積相略圖(據(jù)岳文浙)Fig.1 Sketch map showing sed imentary facies of late Cretaceous Chishan ian

3 風(fēng)成砂巖沉積特征及典型識別標(biāo)志

3.1 巖石學(xué)及粒度特征

赤山組砂巖和泥巖基本以棕色為主,部分因后期淋濾、膠結(jié)等作用而呈褐黃、黃色甚至白色,砂巖結(jié)構(gòu)疏松,極易破碎,反映了炎熱干燥的氣候和暴露的水上沉積環(huán)境。通過巖石學(xué)特征分析,認為赤山組砂巖類型以細砂巖和粉砂巖為主,陸源碎屑含量較高,填隙物含量較低[7],在陸源碎屑中,石英含量為63.2%,長石含量為16.6%,巖屑含量為19.1%,另見少量角閃石、磁鐵礦等重礦物及暗色礦物。在福克三角分類圖解中,赤山組砂巖類型主要為長石質(zhì)巖屑石英砂巖,此外還有少量長石質(zhì)巖屑砂巖和巖屑砂巖。碎屑顆粒分選系數(shù)為 0.814～1.40,分選中—較差,磨圓度為次棱角—次圓狀。顆粒支撐,顆粒與顆粒之間呈接觸式膠結(jié),局部為孔隙式膠結(jié),膠結(jié)物極少,以鐵質(zhì)為主,還有少量泥質(zhì)。存在大量的粒間孔隙,孔隙呈三角形、多邊形,孔徑為 0.05～0.1 mm甚至更大。從粒度累積概率曲線來看(圖 2 (a)),跳躍總體含量一般大于 87%,缺少牽引總體,懸浮總體含量一般小于 15%,上截點接近 90%,下截點接近 0.1%,傾角分別為 65°～75°和 55°～65°,躍移組分斜率較大,反映顆粒被搬運過程中運行方式較單一[8],說明分選極好,粒級集中。跳躍總體一般由兩段構(gòu)成,反映沙丘經(jīng)常受兩種強度不同的風(fēng)的作用。上段較長,粒度分布為(2～3.2)Φ,為相對較弱的主風(fēng)向沉積;下段較短,粒度分布為(1.2～2)Φ,為較強風(fēng)沉積[9]。大部分樣品粒度分布為(1～7)Φ,直方圖呈單峰(圖 2(b)),峰值在(2～4)Φ,峰值突出,分選好,這種分選性和磨圓度較好的砂巖,缺乏膠結(jié)物并具有較高的孔隙度,表現(xiàn)為比較典型的風(fēng)成砂巖的沉積特征。

圖2 赤山組砂巖粒度特征Fig.2 Features of sandstone gra in size samples from Chishan group

3.2 顆粒表面特征

不同的沉積環(huán)境形成不同的石英顆粒表面特征,它受搬運營力、氣候條件和后生成巖作用等因素影響,且石英具有較高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性,因而其沉積物顆粒表面特征能很好地反映沉積環(huán)境。對赤山組砂巖表面特征研究發(fā)現(xiàn)石英顆粒多呈球形,表面見碟形或V形撞擊坑及毛玻璃化外貌及溶蝕 -沉淀作用形成的硅質(zhì)層,這些都是風(fēng)成砂巖區(qū)別于其他環(huán)境砂巖的重要微觀標(biāo)志,最具環(huán)境意義。

(1)較高的磨圓度。巖心分析碎屑顆粒分選系數(shù)為 0.814～1.40,分選中等,磨圓度為次棱角—次圓狀,同時樣品在掃描電鏡下可以直觀地看出顆粒比較圓滑,基本沒有棱角,表明研究區(qū)沙丘沉積普遍具有較高的磨圓度,這是顆粒在搬運過程中受到機械磨蝕作用的結(jié)果,還可能和成巖作用過程中石英的溶蝕、沉淀和重結(jié)晶有關(guān)。

(2)石英顆粒表面的碟狀撞擊坑和V形撞擊坑。通過鏡下觀察,石英顆粒表面存在碟形撞擊坑和V形撞擊坑,這是風(fēng)成沉積環(huán)境具有的典型特征(圖 3)。在強力風(fēng)暴氣候條件下,由于風(fēng)揚作用,顆粒在機械搬運過程中相互之間發(fā)生劇烈撞擊,磨圓度低、有棱角的顆粒在碰撞過程中被擊碎,磨圓度較高的顆粒因受力均勻,不容易破碎就形成碟形撞擊坑。無論是水下環(huán)境還是風(fēng)成環(huán)境中都可以形成V形撞擊坑,也是顆粒之間機械碰撞、磨損產(chǎn)生的結(jié)果,反映了機械能量較高的沉積環(huán)境。研究區(qū)的砂巖樣品中所見的V形撞擊坑已有不同程度的磨損和充填(圖 3(b)),反映撞擊坑形成于風(fēng)成環(huán)境,而且由于顆粒進入風(fēng)成環(huán)境的時間較短,尚未被完全改造。

圖 3 石英顆粒表面撞擊坑(據(jù)江蘇油田)Fig.3 I mpact crater in faces of quartz gra in (According to Jiangsu Oilfield)

(3)碎屑顆粒表面附生物特征。因戈壁沙漠地區(qū)非常干旱,地下水的礦化度很高,除各種鹽類外,水溶液中也溶解高濃度的氧化鐵和氧化錳。由于含鹽量高,水分蒸發(fā)時被停留于地面上的巖石顆粒阻擋,在顆粒表面殘留一層紅棕色氧化物,像涂抹了一層油漆,俗稱沙漠漆。這就是研究區(qū)巖心顏色大多呈紅褐色的原因,而且這些氧化物呈膠狀,具有很強的黏附性,在風(fēng)揚作用下,顆粒滾動過程中把粉塵中的黏土物質(zhì)黏附在外面,由于顆粒不斷滾動的機械作用,使得這些黏附的黏土物質(zhì)均勻地包裹著整個顆粒表面,在后期成巖作用下,發(fā)生重結(jié)晶,形成晶形完好的黏土礦物包殼[10]。

3.3 斯托克斯面

在陳 3-23井 2.3079 km處典型的風(fēng)成沉積特征——斯托克斯面的發(fā)現(xiàn),進一步印證了赤山組風(fēng)成沉積的觀點。

所謂斯托克斯面是指由于沙丘的遷移,區(qū)域性風(fēng)蝕作用下切到地下水位的面[11]。在陳 3-23井2.3079 km處的粉砂巖中富含鈣質(zhì)結(jié)核(圖 4(a)),這種鈣質(zhì)結(jié)核和泥灰質(zhì)團塊是由暴露的底床因遭受較長時間的氧化及成土等風(fēng)化作用所致[12]。在其下面數(shù)十厘米由于近地下水面毛細管蒸發(fā)沉淀碳酸鹽礦物,產(chǎn)生膠結(jié)作用,所以膠結(jié)緊密,出現(xiàn)灰色斑點和條帶(圖 4(b)),這是斯托克斯面的典型特征。斯托克斯面既可作為識別風(fēng)成砂巖沉積的典型特征,也可作為風(fēng)成地層層序劃分的一個標(biāo)志面。

圖4 斯托克斯面巖樣特征Fig.4 Features of lithology samples from Stokes

3.4 風(fēng)成砂巖的測井特征

鑄體薄片、掃描電鏡等分析表明,赤山組風(fēng)成砂巖的儲集空間類型以原生粒間孔和溶蝕粒間孔為主,平均孔隙度為 18.9%,最大值為 26.6%,最小值為4.7%,滲透率平均值為17×10-3μm2,最大值為 46× 10-3μm2,最小值為 8.5×10-3μm2。自然伽馬曲線一般呈幅度變化小、平直光滑的模式,反映出風(fēng)成沉積是受風(fēng)力搬運作用而形成的巖性組合均一、組分少變的沉積,與主要受水流強弱變化影響的水成沉積的上覆泰州組地層具有明顯不同的模式(圖 5)。

圖 5 陳 3-25井不同沉積相測井曲線特征Fig.5 Log curve features of different sed imentary facies of well Chen 3-25

4 風(fēng)成砂巖成巖作用特征

除上述沉積特征是判別風(fēng)成和水成沉積巖最有效的標(biāo)志外,通過薄片觀察還發(fā)現(xiàn)風(fēng)成砂巖的成巖作用也具有獨特的特征,在中深層壓實作用較弱、仍具有大量粒間孔和膠結(jié)物呈星點狀分布[13-14]。

4.1 中深層弱壓實

陳3區(qū)塊赤山組研究區(qū)埋深兩千多米,如果在河湖及三角洲水成沉積體系中,應(yīng)具有較強的壓實作用,表現(xiàn)為碎屑顆粒排列緊密、呈凹凸接觸,塑性顆粒擠壓變形和剛性顆粒壓碎等特征。然而,據(jù)本研究區(qū)薄片觀察可知,赤山組砂巖的顆粒間接觸關(guān)系以點—線接觸為主,云母等軟礦物顆粒沒有彎曲變形 (圖 6 (a)),且在對赤山組巖心常規(guī)分析時發(fā)現(xiàn)其密度明顯比上覆泰州組地層(扇三角洲沉積體系)要低(平均密度赤山組為 1.99 g/m3,泰州組為 2.09 g/m3)。以上特征可證實機械壓實作用比較弱,其孔隙結(jié)構(gòu)較好,孔隙度相對較高。造成弱壓實作用的原因主要是風(fēng)成沉積過程中顆粒表面附生物在顆粒周圍形成了黏土礦物包殼(圖 6(b)),黏土礦物包殼的存在可以抑制壓實,較好地保存原生粒間孔。

4.2 膠結(jié)物呈星點狀分布

通過薄片觀察發(fā)現(xiàn),斯托克斯面上下具有明顯不同的膠結(jié)特征:界面之上屬于風(fēng)成沉積,結(jié)構(gòu)松散,顆粒支撐,孔隙發(fā)育,膠結(jié)物為方解石和鐵白云石,呈細小粒狀星點狀分布,如圖 6(c)染色薄片中的鐵白云石呈星點狀分布,這是由于在干旱氣候條件下受干鹽湖的蒸發(fā)濃縮,Ca2+和Mg2+等濃度增加或顆粒表面鈣質(zhì)薄膜重結(jié)晶而形成;在斯托克斯面之下數(shù)十厘米的砂巖受地下水的改造作用具有水成沉積的特點,膠結(jié)致密,呈嵌晶狀膠結(jié),其碳酸鹽膠結(jié)物主要有方解石和鐵白云石,鈣質(zhì)膠結(jié)致密堅硬[15],多以孔隙充填的形式存在,呈嵌晶結(jié)構(gòu)(圖 6(d)),這是近地下水面毛細管蒸發(fā)沉淀碳酸鹽礦物產(chǎn)生膠結(jié)作用的結(jié)果,此面附近淺灰色斑塊及條帶的出現(xiàn),說明地下水局部具有弱還原性質(zhì),這種膠結(jié)作用可阻止進一步的風(fēng)蝕。膠結(jié)作用對該區(qū)砂巖儲層物性的影響明顯,膠結(jié)物以碳酸鹽為主,含量相對較低,物性較好。

5 風(fēng)成砂巖的石油地質(zhì)意義

研究表明風(fēng)成沉積與儲層有著密切的關(guān)系,風(fēng)成砂巖一般具有很高的物性參數(shù),它可以作為良好的含水層,也能成為油氣聚集的場所。美國西部的賓夕法尼亞系和侏羅系以及北海油田的三疊系赤底統(tǒng)等,均已發(fā)現(xiàn)具有這種類型的油氣儲集層[16]。歐洲也同樣發(fā)現(xiàn)風(fēng)成沉積的大型天然氣田。國內(nèi)除在鄂爾多斯白堊系沙漠沉積中找到了地下水儲層外,其他沙漠沉積尚未有重大發(fā)現(xiàn),蘇北陳堡油田風(fēng)成沉積的赤山組油氣地質(zhì)儲量 218萬 t,是主力產(chǎn)油層之一,也是國內(nèi)在沙漠沉積環(huán)境中找到的極少數(shù)油氣儲層。通過對赤山組風(fēng)成砂巖沉積成巖作用特征以及油氣儲層特征研究,為尋找和預(yù)測風(fēng)成沉積環(huán)境有利儲層的分布探索新思路。中國白堊紀(jì)沙漠普遍存在,除蘇北盆地外,塔里木盆地、四川盆地等 6個大盆地中都存在風(fēng)成砂巖,隨著常規(guī)油藏均已高含水、油氣儲層挖潛難度逐漸增大和油氣勘探技術(shù)研究的不斷深化,風(fēng)成沉積必將成為我國油氣勘探的新領(lǐng)域[17]。

圖6 風(fēng)成砂巖與水成砂巖成巖特征Fig.6 D iagenetic characteristics of aeolian siltstone and aqueous deposit siltstone

6 結(jié) 論

(1)赤山組風(fēng)成砂巖的巖石學(xué)及結(jié)構(gòu)、顆粒表面和斯托克斯面均具有風(fēng)成的典型沉積特征。

(2)赤山組風(fēng)成砂巖的成巖作用具有弱壓實和膠結(jié)物呈星點狀分布的獨特特征,為風(fēng)成砂巖重要的成巖標(biāo)志。

(3)赤山組地層厚度為 100～300 m,風(fēng)成砂巖沉積厚度大,除局部夾有的干鹽湖薄層沉積物,其余都為風(fēng)成砂巖沉積,沉積空間分布廣,具有良好的物性條件。隨著勘探開發(fā)的不斷深入,風(fēng)成沉積必將成為勘探的新領(lǐng)域,對我國油氣儲量的增長具有十分重要的意義。

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Sed imentary and diagenetic characteristics of aeolian sandstones of Chenpu O ilfield in northern Jiangsu and its petroleum searching sign ificance

D ING Sheng1,LINCheng-yan1,MA Bao-jun2,LIJian3,GAO Jian-gang4,5

(1.College of Geo-Resources and Infor mation in China University of Petroleum,Dongying257061,China;2.Zhundong O il Production Plant of Xinjiang O ilfield,Fukang831511,China;3.Geological Scientific Research Institute of Shengli O ilfield,Dongying257015,China;4.Institute of Geochem istry in Chinese Academ y of Sciences,Guiyang550002,China;5.Shengli O il Production Plant of Shengli O ilfield,Dongying257501,China)

By using the reservoir analysis techniques such as core observation,thin section deter mination and scanning electron microscope(SEM),sedimentary and diagenetic characteristics of sandstones of Chishan group were studied.The lithological features,sedimentary structure and particle surface characteristics,aswell as the discovery of Stokeswind erosion interface all demonstrate that the sandstones of Chishan group were aeolian deposits.The aeolian deposit is characterzed by thick deposit,high maturation,good development of the pores,which is good reservoir of oil-gas.The research area has weak compaction.The cement characteristics of aeolian sandstone above and under the Stokeswind erosion interface are different.Above the interface,the point distributed cements implicate that the sandstone belongs to aeolian deposits,whereas under the interface,sandstoneswith poikilitic cements are aqueous deposits.

aeolian sandstone;Chishan group;diagenetic characteristics;Stokes interface;Chenpu Oilfield

P 581;TE 121.31

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.02.002

1673-5005(2010)02-0008-05

2009-09-20

國家油氣重大專項課題(2009ZX05009-003)

丁圣(1978-),男(漢族),安徽潛山人,博士研究生,主要從事油氣藏開發(fā)地質(zhì)研究工作。

(編輯 徐會永)