蘇里格氣田東區(qū)盒8 段火山物質(zhì)成巖作用特征

陳世悅，侯中帥，張順

（中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266580）

0 引言

蘇里格氣田東區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部，開發(fā)的主力氣層為二疊系下石盒子組盒8 段和山西組山1段。盒8 上亞段主要發(fā)育曲流河沉積相，盒8 下亞段主要發(fā)育辮狀河沉積相［1-4］。盒8 上亞段巖性為巖屑砂巖和巖屑石英砂巖，盒8 下亞段巖性主要為巖屑砂巖和巖屑石英砂巖，并含有少量的石英砂巖。儲(chǔ)集空間類型以巖屑溶孔和晶間孔為主。本區(qū)儲(chǔ)層中普遍發(fā)育火山物質(zhì)，在儲(chǔ)層成巖過程中，火山物質(zhì)的成巖演化對(duì)天然氣儲(chǔ)層有很大影響。但前人對(duì)其成巖作用的研究往往只針對(duì)溶蝕作用，對(duì)其他類型成巖作用的研究較少，缺乏對(duì)其成巖作用類型的系統(tǒng)總結(jié)［5-8］。

本文運(yùn)用鑄體薄片觀察、掃描電鏡、能譜分析等手段，對(duì)火山物質(zhì)的成巖作用類型及其對(duì)儲(chǔ)層的影響進(jìn)行歸納總結(jié)，以期對(duì)蘇里格氣田東區(qū)區(qū)域儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層勘探提供一定的借鑒。

1 火山物質(zhì)成因及成巖作用類型

1.1 火山物質(zhì)的成因

晚古生代，鄂爾多斯盆地周緣火山活動(dòng)頻發(fā)。石炭、二疊紀(jì)在鄂爾多斯盆地北緣陰山造山帶發(fā)生過12期火山噴發(fā)事件［9-10］，盆地西緣寧夏中衛(wèi)石炭、二疊系也鉆遇了厚達(dá)500 m 的火山巖層，盆地內(nèi)部石炭、二疊系尚未發(fā)現(xiàn)存在火山噴發(fā)作用的證據(jù)［11］。這些盆地邊緣的火山向盆地內(nèi)部輸送了大量火山物質(zhì)。火山物質(zhì)以2 種形式進(jìn)入砂質(zhì)沉積層： 一是同沉積期火山作用形成的火山碎屑作為正常河流沉積的砂質(zhì)沉積物，為儲(chǔ)層提供了化學(xué)性質(zhì)不太穩(wěn)定的骨架顆粒［12］；二是同沉積期火山作用形成的火山灰被拋至高空，形成火山灰云飄移到盆地內(nèi)部降落下來，或直接被流水搬運(yùn)到盆地內(nèi)部沉積下來，成為砂質(zhì)沉積物中的雜基組分。

火山物質(zhì)在鄂爾多斯盆地上古生界儲(chǔ)層中分布廣泛，楊華等［13］對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界158 口探井、3 442 塊儲(chǔ)層砂巖薄片鑒定統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，火山物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)一般為5.0%～17.0%，其中多數(shù)為火山灰。通過鏡下觀察統(tǒng)計(jì)，本區(qū)盒8 段中火山物質(zhì)平均體積分?jǐn)?shù)為6.8%，其中火山碎屑為2.3%，火山灰為4.5%。

1.2 火山物質(zhì)的成巖作用類型

1.2.1 水解作用

火山物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，尤其是火山灰，顆粒細(xì)小，比表面積大，其化學(xué)性質(zhì)較火山碎屑而言，更為不穩(wěn)定。在同生階段到早成巖A 期早期（見圖1），火山物質(zhì)往往在水的參與下發(fā)生水解作用，遷移出一部分化學(xué)活動(dòng)性較強(qiáng)的元素，形成由黏土、微晶硅質(zhì)和細(xì)小的長(zhǎng)英質(zhì)組成的集合體，在水解過程中析出的鐵質(zhì)充填其中，使火山物質(zhì)水解的產(chǎn)物在鏡下表現(xiàn)為不顯光性的黑色集合體（見圖2a，2b）。

由于在成巖早期砂巖經(jīng)歷的成巖作用較弱，孔滲性大多較好，流體運(yùn)移通道通暢，火山物質(zhì)中活動(dòng)性較強(qiáng)的元素很容易隨流體發(fā)生遷移，使火山物質(zhì)自身發(fā)生水解作用。而在原始沉積時(shí)，雜基體積分?jǐn)?shù)高，如火山灰呈全孔隙式充填的砂巖中，砂巖初始孔滲性較差，流體難以進(jìn)入系統(tǒng)中，這部分火山灰往往不會(huì)發(fā)生水解，而是會(huì)隨著成巖作用的進(jìn)行發(fā)生黏土化。

圖1 研究區(qū)盒8 段儲(chǔ)層火山物質(zhì)成巖演化模式

1.2.2 壓實(shí)作用

火山碎屑在水解之后成為泥級(jí)顆粒物質(zhì)組成的集合體，抗壓實(shí)能力嚴(yán)重降低，成為砂巖骨架顆粒中的塑性組分。在上覆重力及靜水壓力的作用下，發(fā)生彎曲、伸長(zhǎng)或被剛性顆粒嵌入，壓實(shí)作用強(qiáng)烈的情況下甚至?xí)纬杉匐s基（見圖2a，2b）。

1.2.3 脫水收縮

火山物質(zhì)水解后，隨著儲(chǔ)層埋深的增加，地層溫度升高，其自身發(fā)生脫水作用，體積縮小，形成一系列的脫水收縮縫。脫水收縮作用主要發(fā)生在早成巖A 期中期—早成巖B 期中期（見圖1）。脫水形成的網(wǎng)狀收縮縫有時(shí)將水解后的火山物質(zhì)分割成若干個(gè)小的棱角狀團(tuán)塊（見圖2c），或者水解后的火山物質(zhì)整體收縮，形成沿著顆粒邊緣的粒緣縫（見圖2d），其延伸長(zhǎng)度往往不會(huì)超過一個(gè)顆粒粒徑。

收縮縫的發(fā)育程度與砂巖儲(chǔ)層的沉積非均質(zhì)性密切相關(guān)：若儲(chǔ)層沉積時(shí)剛性顆粒較多，塑性顆粒和雜基較少，則儲(chǔ)層抗壓實(shí)能力強(qiáng)，收縮縫形成后能夠較好地保存下來；當(dāng)儲(chǔ)層中塑性顆?；螂s基較多時(shí)，則儲(chǔ)層抗壓實(shí)能力較弱，收縮縫形成不久就會(huì)因?yàn)閴簩?shí)作用而閉合，難以保存下來。由于本區(qū)中塑性巖屑體積分?jǐn)?shù)較高，埋深在3 000 m 左右，壓實(shí)作用較為強(qiáng)烈，收縮縫往往不能保存下來，鏡下觀察只發(fā)現(xiàn)少量的保存較為完好的收縮縫。

1.2.4 溶蝕作用

本區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層中火山物質(zhì)的存在，為溶蝕作用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。為證實(shí)火山物質(zhì)可溶性，劉銳娥［6］和王建偉等［14］利用模擬地層水對(duì)火山物質(zhì)進(jìn)行溶蝕實(shí)驗(yàn)，并配合掃描電鏡同位觀察和能譜同位分析，對(duì)火山灰的溶蝕情況進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，火山物質(zhì)中大量的酸性不穩(wěn)定條片狀、似微粒狀、絮狀、細(xì)鱗片狀礦物發(fā)生溶蝕，溶蝕后火山物質(zhì)中的鎂、鋁、鐵、鈉、鉀等陽離子明顯減少，穩(wěn)定硅質(zhì)顆粒增加。

鄂爾多斯盆地石炭、二疊系是重要的聚煤層系。對(duì)本區(qū)部分鉆井資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，35 口井中有28 口井在二疊系底部見煤，平均厚度5 m，最厚達(dá)15 m。在早成巖B 期晚期—中成巖A 期，煤產(chǎn)水率達(dá)5%～20%［15］，黏土礦物也達(dá)到第2 個(gè)脫水高峰。煤及干酪根中主要含有脂族、芳香族和含氧官能團(tuán)，隨著埋藏演化的進(jìn)行，鏡質(zhì)體反射率增加，含氧官能團(tuán)相繼脫出，生成有機(jī)酸和少量二氧化碳［14］。這些有機(jī)酸和二氧化碳隨煤和黏土礦物脫出的水進(jìn)入儲(chǔ)層，對(duì)不穩(wěn)定組分進(jìn)行溶蝕。

圖2 研究區(qū)盒8 段致密砂巖儲(chǔ)層中火山物質(zhì)成巖作用類型（照片均為單偏光、鑄體薄片）

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，本區(qū)火山物質(zhì)常發(fā)生溶蝕，其主要發(fā)生在早成巖B 期晚期—中成巖A 期中晚期（見圖1），主要受有機(jī)酸生成的控制。火山碎屑溶蝕形成的溶孔內(nèi)常殘留有黑色的溶蝕殘余物，有時(shí)可見少量的高嶺石（見圖2e）?；鹕交胰芪g形成的雜基內(nèi)溶孔常呈網(wǎng)狀、港灣狀或不規(guī)則狀，可能為酸性流體在火山灰脫水收縮縫的基礎(chǔ)上溶蝕改造形成的（見圖2f）。

1.2.5 黏土化

本區(qū)儲(chǔ)層物源為盆地北部的太古界相對(duì)貧石英區(qū)，以酸性侵入巖為主，石英體積分?jǐn)?shù)為25%～60%［16-19］，塑性巖屑體積分?jǐn)?shù)較高。煤系地層早期腐殖酸的作用，使儲(chǔ)層中早期碳酸鹽膠結(jié)物不發(fā)育［19］。這些條件綜合起來造成儲(chǔ)層壓實(shí)作用強(qiáng)烈，流體運(yùn)移通道不通暢，流體活動(dòng)性較弱。盒8 段靠近二疊系底部主力煤層，酸性流體較為充裕，在酸性流體的作用下，由于流體活動(dòng)性較弱，火山物質(zhì)溶解的產(chǎn)物不能及時(shí)帶出系統(tǒng)，在原地沉淀形成高嶺石（見圖2g，2h）。高嶺石化主要發(fā)生在早成巖B 期晚期—中成巖A 期中晚期。高嶺石的晶間孔中常殘余有鐵質(zhì)，掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，火山物質(zhì)蝕變的產(chǎn)物中具有新生的鐵質(zhì)球粒［15］，故又稱“臟”高嶺石，常與火山物質(zhì)溶蝕殘余的產(chǎn)物呈漸變接觸。

隨著儲(chǔ)層埋深的增大，地層溫度升高，有機(jī)酸遭到破壞，加之各種成巖蝕變反應(yīng)對(duì)有機(jī)酸的消耗，導(dǎo)致孔隙流體性質(zhì)逐漸由酸性向堿性轉(zhuǎn)變。煤樣加熱試驗(yàn)可以證明，在Ro為1.0%～1.3%的演化階段，水的酸堿度發(fā)生由酸性到堿性的變化。當(dāng)pH 值為5.5 時(shí)，有機(jī)酸質(zhì)量濃度達(dá)16 061.22 mg/L，當(dāng)pH 值為9.0 時(shí)，有機(jī)酸質(zhì)量濃度下降至1 402.38 mg/L［12］，說明隨著有機(jī)質(zhì)演化程度的增高，有機(jī)酸被破壞，導(dǎo)致成巖環(huán)境地球化學(xué)性質(zhì)由酸性逐漸向堿性變化。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，火山灰除了發(fā)生水解形成不顯光性的黑色集合外，還會(huì)形成黑褐色和黃綠色物質(zhì)（見圖2i，2j），其往往出現(xiàn)在火山灰體積分?jǐn)?shù)很高、呈全孔隙式充填的樣品中。

通過能譜分析得知（見圖3），黑褐色的蝕變火山灰的Si，Al，K 體積分?jǐn)?shù)均符合伊利石的特征［20］，黃綠色的蝕變火山灰為綠泥石并夾有少量的I/S 混層［6］?；鹕交殷w積分?jǐn)?shù)高的樣品中，砂巖初始孔滲性較差，故沒有發(fā)生水解作用，后期酸性流體也難以進(jìn)入，故沒有發(fā)生高嶺石化，一直只發(fā)生熱演化，最終在中成巖階段的中晚期堿性環(huán)境下形成伊利石和綠泥石。

圖3 蝕變火山灰能譜

1.2.6 碳酸鹽交代作用

在堿性環(huán)境下，還可以形成碳酸鹽膠結(jié)物，本區(qū)儲(chǔ)層中可見少量方解石、鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)物，可以交代火山物質(zhì)中的堿性不穩(wěn)定物質(zhì)，如硅質(zhì)顆粒。鏡下可見方解石沿收縮縫或溶蝕孔隙對(duì)火山物質(zhì)及其溶蝕殘余物質(zhì)進(jìn)行交代，交代的同時(shí)，方解石往往也充填了收縮縫和溶蝕孔隙（見圖2k，2l）。

1.2.7 硅化作用

在流體運(yùn)移通道通暢的環(huán)境中，火山物質(zhì)中的不穩(wěn)定物質(zhì)被溶解，其中的K，Na，Ca，Mg，F(xiàn)e 和Al 等元素脫出，隨流體發(fā)生遷移，最終只剩下穩(wěn)定的硅質(zhì)顆粒，即火山物質(zhì)發(fā)生硅化作用，形成微晶石英團(tuán)塊。硅化作用在鏡下較為少見，可能與儲(chǔ)層早期壓實(shí)作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致流體運(yùn)移不通暢有關(guān)。

2 火山物質(zhì)成巖作用性質(zhì)

2.1 建設(shè)性作用

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，本區(qū)儲(chǔ)層中存在孔隙襯里型的綠泥石，這種類型的綠泥石一般形成于成巖早期［21］，這些自生綠泥石的形成與火山物質(zhì)的成巖作用密切相關(guān)?；鹕轿镔|(zhì)在成巖作用早期發(fā)生水解，不僅為綠泥石的形成提供了大量的Fe 和Al，而且在煤系地層成巖早期酸性背景下，營造出局部的堿性微環(huán)境，為自生綠泥石的形成創(chuàng)造了條件。

孔隙襯里型綠泥石的形成，一方面占據(jù)了大量的結(jié)晶基底，另一方面它能夠緩沖孔隙流體pH 值的變化，保持石英顆粒表面甚至整個(gè)孔隙流體偏堿性，從2個(gè)方面共同抑制了石英加大的發(fā)育［22］。通過鑄體薄片和掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，孔隙襯里型綠泥石發(fā)育完好的部位，次生石英加大不發(fā)育，石英只能以自形小晶體或晶芽的形式存在于粒間孔隙中（見圖4）?？紫兑r里型綠泥石的存在保存了一部分殘余粒間孔，為后期儲(chǔ)層中酸性流體的運(yùn)移提供了運(yùn)移通道，促進(jìn)了不穩(wěn)定組分的溶蝕作用?；鹕轿镔|(zhì)水解后又脫水，形成收縮縫，同樣為后期酸性流體的進(jìn)入提供了運(yùn)移通道。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，收縮縫發(fā)育的區(qū)域，周圍的不穩(wěn)定組分往往發(fā)生溶蝕（見圖2d）?；鹕轿镔|(zhì)作為不穩(wěn)定組分也常常發(fā)生溶蝕作用，形成巖屑溶孔和雜基溶孔，而且石英顆粒邊緣的火山灰水解產(chǎn)物或者溶蝕殘余物可以在一定程度上抑制石英壓溶作用和次生加大［11，16］，使部分孔隙得以保存。

火山物質(zhì)在酸性物質(zhì)下發(fā)生高嶺石化，同時(shí)形成高嶺石晶間孔，為天然氣提供了一定的儲(chǔ)集空間?；鹕交业墓杌饔檬够鹕交宜苄越M分變得致密堅(jiān)硬，增強(qiáng)了儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力?？傊鹕轿镔|(zhì)通過保護(hù)粒間孔隙并產(chǎn)生次生孔隙來改善儲(chǔ)層的物性。通過對(duì)具有不同體積分?jǐn)?shù)火山物質(zhì)的樣品進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)： 火山物質(zhì)較為發(fā)育的樣品，孔隙度一般在10%以上，滲透率一般在0.9×10-3μm2以上；火山物質(zhì)不發(fā)育的樣品孔隙度一般小于8%，滲透率一般小于0.9×10-3μm2。

圖4 石英顆粒表面綠泥石膜與孔隙內(nèi)自生石英

2.2 破壞性作用

火山碎屑水解后成為砂巖骨架顆粒中的塑性組分，降低了儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力?；鹕轿镔|(zhì)水解后的產(chǎn)物被壓實(shí)后發(fā)生塑性變形，充填了一部分粒間孔隙，其早期脫水形成的收縮縫往往會(huì)發(fā)生壓實(shí)閉合，降低了儲(chǔ)層的孔隙度?；鹕交野l(fā)生黏土化形成的伊利石和綠泥石充填粒間，造成儲(chǔ)層致密化。通過分析發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)層中火山物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)在15%以上時(shí)，粒間孔隙大部分均被火山物質(zhì)水解和蝕變的產(chǎn)物所充填，樣品物性很差。

火山物質(zhì)被碳酸鹽交代的同時(shí)，其早期由于脫水收縮和溶蝕作用形成的收縮縫和溶蝕孔隙也往往被充填，從而降低了儲(chǔ)層的孔隙度?；鹕轿镔|(zhì)的各種成巖作用造成元素的遷移，元素遷移到溫度、壓力和pH 等條件適宜的地方沉淀下來，使儲(chǔ)層在沉積非均質(zhì)性的基礎(chǔ)上又疊加了成巖非均質(zhì)性，而且火山物質(zhì)水解、被壓實(shí)、脫水收縮、溶蝕、黏土化、被碳酸鹽交代、硅化等成巖作用的差異性，更增強(qiáng)了儲(chǔ)層在橫向和縱向上的非均質(zhì)性，給天然氣的勘探和開發(fā)增加了難度。

3 結(jié)論

1）晚古生代石炭、二疊紀(jì)，鄂爾多斯盆地周緣發(fā)生強(qiáng)烈的火山活動(dòng)?；鹕交顒?dòng)產(chǎn)生的火山物質(zhì)隨大氣或流水搬運(yùn)并沉積下來，形成蘇里格氣田東區(qū)盒8 段致密砂巖儲(chǔ)層中普遍發(fā)育的火山物質(zhì)。

2）火山物質(zhì)主要經(jīng)歷的成巖作用有水解作用、壓實(shí)作用、脫水收縮、溶蝕作用、黏土化、碳酸鹽交代作用和硅化作用?；鹕轿镔|(zhì)的差異演化主要受成巖階段和儲(chǔ)層原始沉積條件的影響。

3）火山物質(zhì)的成巖作用可以為酸性流體提供運(yùn)移通道，抑制石英壓溶作用和次生加大，增加儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間、增強(qiáng)儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力；同時(shí)火山物質(zhì)的成巖作用也可以降低儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力和孔隙度，造成儲(chǔ)層的致密化，其經(jīng)歷的不同成巖作用的差異性也增強(qiáng)了儲(chǔ)層的非均質(zhì)性。

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