歧口凹陷古近系沙河街組熱液作用及其對湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層的影響

楊 揚(yáng), 高福紅, 蒲秀剛

(1.長春工程學(xué)院勘查與測繪工程學(xué)院,吉林長春 130021; 2.吉林省油頁巖鉆探與環(huán)境保護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室,吉林長春130021;3.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林長春 130061; 4.中國石油天然氣集團(tuán)公司大港油田勘探開發(fā)研究院,天津 300280)

熱液泛指溫度高于圍巖且有一定化學(xué)活性的流體,包括水、二氧化碳、硫化氫和巖漿熱液,通常沿?cái)嗔褞в傻叵律畈肯驕\部運(yùn)移[1]。在沉積盆地中,熱液提供大量熱能,能夠加快生物碎屑向油氣轉(zhuǎn)化的速率。同時(shí)原油在高溫條件下黏度大大降低,流動(dòng)阻力減小,有利于在斷裂系統(tǒng)中運(yùn)移[2]。此外,熱液富含CO2、H2S和SO2等有效溶蝕組分,能夠在巖石內(nèi)部產(chǎn)生大量溶蝕孔和晶間孔,對油氣儲(chǔ)層物性有著明顯的改善[3-4]。除建設(shè)性作用之外,熱液對儲(chǔ)層物性還有一定負(fù)面影響,如熱液中沉淀的礦物會(huì)不同程度充填已形成的孔洞,造成儲(chǔ)層非均質(zhì)性增加,不利于油氣成藏[5]。渤海灣盆地歧口凹陷沙河街組沉積時(shí)期存在大量火山活動(dòng),火山巖呈多旋回厚層展布,巖性主要為玄武巖、輝長巖和輝綠巖,給油氣儲(chǔ)層帶來潛在的影響[6]。胡圣標(biāo)等[7]采用大地?zé)崃?、磷灰石裂變徑跡和鏡質(zhì)體反射率等方法對歧口凹陷進(jìn)行盆地?zé)崾坊謴?fù),結(jié)果顯示沙河街組沉積時(shí)期地?zé)釛l件良好,古熱流值高達(dá)65～90 mW/m2。丁巍偉等[8]以沙河街組砂巖中的流體包裹體為研究對象,測得均一溫度為100～173 ℃,普遍高于埋藏時(shí)的地溫。于志超[9]對歧口凹陷沙河街組碎屑巖儲(chǔ)層進(jìn)行地球化學(xué)分析,認(rèn)為淺部巖漿熱液和深部富CO2熱液共同作用于碎屑巖儲(chǔ)層,對物性有著明顯的改善作用。歧口凹陷沙河街組碳酸鹽巖作為重要油氣儲(chǔ)層,發(fā)育晶間孔、粒間孔、溶蝕孔和裂縫等多種儲(chǔ)集空間,同時(shí)具有中—高孔隙度、中滲透率、低排區(qū)壓力及大喉道等物性特征,成為渤海灣盆地勘探的新領(lǐng)域之一[10-11]。前人對該地區(qū)的局部地區(qū)和局部層段的研究較多,涉及沉積相、成巖作用和孔滲分析等方面[11-12],未能對碳酸鹽巖儲(chǔ)層進(jìn)行綜合定量評價(jià)。研究區(qū)廣泛發(fā)育火山活動(dòng)和構(gòu)造斷裂,熱液對碳酸鹽巖儲(chǔ)層物性的影響不容忽視,再加之碳酸鹽巖成因復(fù)雜、儲(chǔ)集空間類型多樣且非均質(zhì)性強(qiáng),需要利用高精度地球化學(xué)方法結(jié)合常規(guī)研究手段對其分布規(guī)律做進(jìn)一步探討。筆者對歧口凹陷沙河街組碳酸鹽巖進(jìn)行巖石學(xué)特征觀察、物性分析以及地球化學(xué)測試,分析熱液對碳酸鹽巖的溶蝕改造作用。

1 地質(zhì)概況

歧口凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷中部,東臨渤海灣,西接孔店潛山構(gòu)造帶,南起埕寧隆起, 北至北大港潛山構(gòu)造帶,被南大港潛山構(gòu)造帶分為歧南、歧北兩個(gè)次級凹陷。區(qū)內(nèi)斷裂類型主要為正斷層,形成于印支期后,包括滄東斷層、羊二莊斷層、羊北斷層、黃驊斷層、扣村斷層、南大港斷層、港西斷層和港東斷層等(圖1)。歧口凹陷古近系地層沉積厚度近萬米,自下而上發(fā)育孔店組(Ek)、沙河街組(Es)和東營組(Ed),其中沙河街組又被由老至新細(xì)分為為沙三段(Es3)、沙二段(Es2)和沙一段(Es1)。沙三段沉積厚度為400～1 500 m,巖石組合為暗色砂泥巖夾薄層粒屑灰?guī)r、白云巖。沙二段厚度較薄,僅約為200 m,由暗色砂泥巖、鮞粒灰?guī)r和白云巖構(gòu)成。沙一段沉積厚度變化較大,為150～1 000 m,巖石類型包括砂巖、暗色泥巖、頁巖、粒屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r和白云巖[13]。

研究區(qū)共有5口井發(fā)育火山巖,分別為F10、Z64、K14、K23和K42井,除F10井屬于歧北凹陷六間房地區(qū)外,其他4口采樣井均位于歧南凹陷扣村地區(qū)。扣村地區(qū)的巖漿活動(dòng)最為強(qiáng)烈,有4口采樣井鉆遇火山巖,研究區(qū)同時(shí)還發(fā)育羊二莊斷層、扣村斷層、黃驊斷層和羊北段層,為火山熱液運(yùn)移提供了有利通道,可能對碳酸鹽巖產(chǎn)生較大影響。六間房地區(qū)位于港西斷層和南大港斷層之間,也有一定的火山活動(dòng),僅在F10井中鉆遇火山巖。齊家務(wù)地區(qū)沒有火山活動(dòng)的記錄,采樣井中也未見火山巖,僅有一條港西斷層貫穿其中,碳酸鹽巖儲(chǔ)層受熱液影響的可能性較小。整體上,歧口凹陷的火山活動(dòng)由北向南,自西向東逐漸增強(qiáng)(圖1)。

2 樣品采集及分析方法

對歧口凹陷9口鉆井進(jìn)行采樣工作,采集碳酸鹽巖樣品涵蓋沙三段(Es3),沙二下段(Es2x)、沙二上段(Es2s)、沙一下段(Es1x)和沙一上段(Es1s)。碳酸鹽巖在形成過程中常會(huì)混入鐵氧化物、磷酸鹽和硫化物,可能無法準(zhǔn)確反映沉積環(huán)境特征。為最大程度降低污染物的影響,采樣時(shí)選擇獨(dú)立成層的碳酸鹽巖,避免與碎屑巖和火山巖互層。盡量選取由微晶方解石和白云石組成的樣品,減少變質(zhì)作用的影響。將采集到的碳酸鹽巖清洗、晾曬、烘干,使用微型鉆頭剔除陸源碎屑顆粒及金屬氧化物,研磨至0.074 μm用于地球化學(xué)分析。

圖1 歧口凹陷采樣井位Fig.1 Well location in Qikou Sag

碳酸鹽巖的稀土元素測試分析在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所進(jìn)行,通過酸溶法制備樣品,測試儀器為ME-MS41電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP—MS),試驗(yàn)結(jié)果使用GSR-12(白云巖)和GSR-13(石灰?guī)r)作為標(biāo)樣,精度優(yōu)于5%。鍶同位素在中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中分析測定,使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP—MS)進(jìn)行測試,標(biāo)樣為NBS-987,空白本底(2～5)×10-10g,誤差以2σ表示。流體包裹體均一溫度的觀測在吉林大學(xué)地球科學(xué)地質(zhì)試驗(yàn)中心進(jìn)行,將碳酸鹽巖樣品磨制成雙面拋光薄片,使用Leica DMRX HC透-反射偏光熒光顯微鏡觀察測量流體包裹體的大小和形態(tài),通過Linkam THMS-G600冷熱臺(tái)對包裹體進(jìn)行測溫,誤差±0.1 ℃。

3 試驗(yàn)結(jié)果可靠性

采用澳大利亞后太古代頁巖(PAAS)對碳酸鹽巖樣品的稀土元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,同時(shí)計(jì)算(La/Yb)PAAS用來反映輕重稀土的富集和虧損情況(圖2)。試驗(yàn)結(jié)果與典型湖相碳酸鹽巖(GRF)作比較,判斷熱液活動(dòng)的影響與否。

4 熱液影響碳酸鹽巖的證據(jù)

4.1 巖石礦物

熱流體沿著斷裂系統(tǒng)運(yùn)移時(shí),在滲透性良好的碳酸鹽巖儲(chǔ)層中會(huì)產(chǎn)生熱液白云巖化作用,形成大量鞍狀白云石。鞍狀白云石晶體粗大,具有彎曲的晶面,形成溫度為100～150 ℃,常與重晶石、石英和黃鐵礦等共生,是識(shí)別熱液活動(dòng)的直接有效證據(jù)[15]。研究區(qū)沙河街組在鏡下薄片中可見鞍狀白云石廣泛發(fā)育,晶體粒徑為0.1～0.8 mm,可見自形—半自形晶,晶體間呈致密鑲嵌接觸。通常充填在鑄?？?、裂縫和孔洞中,也有部分交代生物碎屑顆粒(圖4(a)、(b)、(e))。由于晶面彎曲,在正交偏光鏡下顯示出波狀消光現(xiàn)象(圖4(c))。在其形成之后不再發(fā)育孔隙膠結(jié)物,且可見充填、包裹裂隙及縫合線的現(xiàn)象,推斷其形成較晚。除鞍狀白云石之外,還可見黃鐵礦和石英的伴生。黃鐵礦在研究區(qū)分布較為廣泛,通常呈星點(diǎn)狀或沿構(gòu)造裂隙發(fā)育(圖4(d)、(e))。王清斌等[4]通過電子探針對其進(jìn)行分析,結(jié)果顯示Co/Ni 比值多大于1,為典型的熱液成因。石英顆粒多形成于溶蝕孔、溶蝕裂縫之中,可見半自形—他形晶(圖4(f))。歧口凹陷沙河街組鞍狀白云石、石英和黃鐵礦的共生組合,指示了熱液活動(dòng)的存在。

圖2 歧口凹陷沙河街組碳酸鹽巖稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化分配模式Fig.2 PAAS-normalized REE concentrations of carbonates from Shahejie Formation, Qikou Sag

圖3 歧口凹陷沙河街組碳酸鹽巖稀土元素含量相關(guān)性Fig.3 Correlations between rare-earth elements of carbonates from Shahejie Formation, Qikou Sag

4.2 稀土元素和鍶同位素

圖4 歧口凹陷沙河街組熱液作用的巖石學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)Fig.4 Hydrothermal evidences from Shahejie Formation, Qikou Sag

除稀土元素外,碳酸鹽巖的鍶同位素組成也可以反映不同沉積環(huán)境。始新世—漸新世海水的87Sr/86Sr比值為0.707 7～0.708 3,主要受淡水輸入、海底擴(kuò)張以及火山活動(dòng)控制。大陸硅酸鹽礦物的風(fēng)化作用與河流的輸入可以提高海水的87Sr/86Sr比值,而巖漿熱液的87Sr/86Sr的平均比值為0.704 4,在一定程度上中和了陸源物質(zhì)的影響[20]。歧口凹陷沙河街組碳酸鹽巖的87Sr/86Sr比值為0.708 0～0.710 9,低于河流及湖泊淡水的87Sr/86Sr平均比值為0.711 9,可能與海水或火山熱液發(fā)生了混合作用。以往的研究成果顯示,歧口凹陷在始新世—漸新世之交發(fā)生了海侵作用,部分碳酸鹽巖表現(xiàn)出海相特征[21],由于海水作用有限,這些碳酸鹽巖(主要集中在W35井和W38井)的87Sr/86Sr比值盡管低于湖泊淡水,但總體仍然較高(0.710 3～0.710 9)。然而,研究區(qū)巖漿活動(dòng)的87Sr/86Sr比值極低(0.704 3～0.706 5)[9],與碳酸鹽巖成巖流體發(fā)生融合之后,可能是造成部分樣品的具有較低87Sr/86Sr比值的主要因素。由此推斷,研究區(qū)碳酸鹽巖的87Sr/86Sr比值低于湖泊淡水源于火山熱液的影響而并非海水。

圖5 歧口凹陷沙河街組Eu異常、輕—重稀土富集情況和鍶同位素分布 (La/Yb)PAAS and 87Sr/86Sr patterns of carbonates from Shahejie Formation, Qikou Sag

4.3 流體包裹體證據(jù)

碳酸鹽巖中的流體包裹體主要包括空氣、水、石油及天然氣,研究其組成、溫度及分布特征,能夠了解特定區(qū)域中的古環(huán)境變化[22]。將研究區(qū)碳酸鹽巖的流體包裹體均一溫度與其埋藏時(shí)的環(huán)境溫度做對比,若高于古地溫則證明有熱液活動(dòng)的存在。試驗(yàn)結(jié)果顯示,歧南凹陷扣村地區(qū)碳酸鹽巖樣品的流體包裹體均一溫度普遍高于120 ℃,最高可達(dá)150 ℃(圖6(a));歧北凹陷六間房地區(qū)盡管個(gè)別樣品的均一溫度高達(dá)140 ℃,但總體主要集中在100～120 ℃(圖6(b))。齊家務(wù)地區(qū)多數(shù)碳酸鹽巖樣品的流體包裹體均一溫度低于110 ℃,最低為80 ℃(圖6(b))。結(jié)合歧南和歧北區(qū)域熱演化史,碳酸鹽巖包裹體均一溫度普遍高于埋藏溫度10 ℃以上,說明受到了熱液的影響。

5 熱液對碳酸鹽巖儲(chǔ)層的影響

歧口凹陷廣泛發(fā)育新生代火山巖[6],火山熱液沿切穿基底的深大斷裂及與之相連的裂縫體系向上運(yùn)移,對碳酸鹽巖地層產(chǎn)生了改造作用,形成豐富的儲(chǔ)存滲透空間,具體表現(xiàn)為以下幾種類型:

(1)熱液溶孔。此類孔隙在研究區(qū)分布廣泛,顯微鏡下表現(xiàn)出不規(guī)則狀溶蝕邊緣,孔隙直徑為50～500 μm。產(chǎn)生孔隙的部位多為生物碎屑顆粒內(nèi)部或粒屑之間,部分孔隙被后期形成的鞍狀白云巖所充填(圖7(a)、(b))。

(2)熱液溶蝕擴(kuò)大縫。該儲(chǔ)集空間只存在于特定構(gòu)造部位,熱液對裂縫進(jìn)一步溶蝕,加寬擴(kuò)大甚至形成孔洞,最寬可達(dá)150 μm(圖7(c)、(d))。

(3)熱液晶間孔。研究區(qū)基質(zhì)碳酸鹽巖由泥晶方解石和白云石構(gòu)成,晶體直徑通常不超過10 μm,晶間孔不發(fā)育。熱液活動(dòng)造成原有的碳酸鹽巖溶解,隨后發(fā)生重結(jié)晶作用,形成更加粗大的晶體,產(chǎn)生大量晶間孔,孔徑介于10～20 μm(圖7(e)、(f))。除本文涉及的采樣井外,研究區(qū)沙河街組地層中鉆遇火山巖的井還包括Z24、Z33、Z52、Z62、K22、K34、K43和K51井等,同樣可能發(fā)育受熱液改造的碳酸鹽巖儲(chǔ)層,由此可見熱液的影響在整個(gè)歧口凹陷地區(qū)具有普遍性。

圖6 歧口凹陷熱演化史Fig.6 Thermal history of key wells in Qikou Sag

圖7 歧口凹陷沙河街組碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間類型Fig.7 Reservoir space types of carbonate rocks from Shahejie Formation, Qikou Sag

前人對研究區(qū)流體包裹體的成分進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示對儲(chǔ)層產(chǎn)生影響的主要因素是深部幔源CO2熱流體[4,8-9]。歧口凹陷為典型的湖相沉積盆地,其中發(fā)育的碳酸鹽巖厚度不大,覆蓋于滲透性良好的碎屑巖之上,熱流體在儲(chǔ)層內(nèi)部能夠有效流動(dòng)[10,12]。黃思靜等[23]的研究表明,在SO42-的參與下,對于白云石含量較高的碳酸鹽巖 CO2熱液會(huì)對其產(chǎn)生明顯的溶蝕作用,反之可能導(dǎo)致白云石沉淀。在研究區(qū)廣泛發(fā)育的黃鐵礦情況下,CO2熱液對碳酸鹽巖的作用是有選擇性的,白云巖較灰?guī)r更容易遭到溶蝕。此外,原始碳酸鹽巖巖相強(qiáng)烈控制著熱液儲(chǔ)集空間的分布,孔隙度高和滲透率好的粒屑碳酸鹽巖更容易受到熱液的作用,產(chǎn)生豐富的溶孔、擴(kuò)大溶蝕縫和晶間孔。值的注意的是,研究區(qū)溶蝕孔隙中存在晚期鞍狀白云巖,部分已經(jīng)形成的孔隙經(jīng)過白云巖化被堵塞,造成孔隙度下降(圖7(b)～(d))。根據(jù)塔里木盆地存在CO2熱流體活動(dòng)的證據(jù),劉偉等[24]等提出富CO2流體先溶蝕,后白云巖化的認(rèn)識(shí)。在斷裂附近的熱液活動(dòng)導(dǎo)致白云石晶體重結(jié)晶或過度生長,堵塞已有的孔隙,造成了這一現(xiàn)象。

6 深大基底斷裂對熱液碳酸鹽巖儲(chǔ)集相發(fā)育的影響

沿線狀構(gòu)造帶分布的碳酸鹽巖儲(chǔ)層往往被熱液所影響,在淋濾作用下形成豐富的孔隙-裂縫系統(tǒng),具有一定油氣儲(chǔ)存潛力。此類碳酸鹽巖通常在流體溫度和壓力較高的埋藏環(huán)境中發(fā)育,沿著擴(kuò)大或轉(zhuǎn)換斷層系統(tǒng)分布,構(gòu)造作用控制了其沉積相、成巖作用、孔隙類型和孔隙數(shù)量[15]。受熱液影響的碳酸鹽巖儲(chǔ)層與走滑斷裂具有明顯的相關(guān)性,這些斷裂呈垂直或倒轉(zhuǎn)分布,由基底自下而上逐漸平緩形成一系列傾斜的剪切。深部走滑斷裂穿切基底的脆性界限,溫度可達(dá)300～400 ℃,同時(shí)也可能貫穿碳酸鹽巖下部的砂巖蓄水層,導(dǎo)致活動(dòng)性斷層內(nèi)部周期性的水流充注。進(jìn)入斷裂的高溫高壓流體主要集中在撓曲空間、剪切的邊界和走滑斷層的交界[25]。在復(fù)雜的走滑斷裂系統(tǒng)中,拉伸和擠壓作用較為活躍,沿著斷裂不同部位發(fā)育負(fù)花構(gòu)造、正花構(gòu)造、剪切斷層和壓縮褶皺(圖8(a))。負(fù)花構(gòu)造產(chǎn)生時(shí),往往形成大量網(wǎng)狀分布的構(gòu)造縫,使得熱液運(yùn)移通道進(jìn)一步擴(kuò)大。熱液沿著裂縫對碳酸鹽巖發(fā)生溶蝕、交代和白云巖化作用,形成多種類型的儲(chǔ)集空間[15]。

在歧口凹陷地震剖面中(圖8(b)),歧南和歧北凹陷均可見負(fù)花構(gòu)造的地震反射特征[26],進(jìn)一步證實(shí)深大斷裂控制下熱液碳酸鹽巖儲(chǔ)集相的存在。受熱液改造的碳酸鹽巖儲(chǔ)層與斷裂的產(chǎn)狀密切相關(guān),主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:

(1)巖漿活動(dòng)頻繁和走滑斷裂強(qiáng)烈發(fā)育的地區(qū)為深部熱液優(yōu)先改造的區(qū)域(圖1)。如歧南凹陷扣村地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層內(nèi)部形成大量鞍狀白云石、石英和黃鐵礦,Eu正異常明顯且87Sr/86Sr比值較低,溶蝕孔和溶蝕裂縫極為豐富。

(2)在走滑斷裂附近分布的碳酸鹽巖,展布方向與斷裂走向相一致(圖1),處于巖漿活動(dòng)較弱的區(qū)域。如歧北凹陷齊家務(wù)地區(qū)和六間房地區(qū),碳酸鹽巖的Eu正異常較弱且87Sr/86Sr比值較高,熱液溶蝕和白云巖化作用較弱。

(3)走滑斷裂發(fā)育早于深部熱流體活動(dòng)時(shí)間。前人的研究表明歧口凹陷在沙河街組沉積時(shí)期(49～28 Ma)形成地塹式拉分盆地,進(jìn)而演化為箕狀斷陷階段[27],而輝綠巖侵入和玄武巖噴溢發(fā)生在明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期(23～2 Ma)[9],由此可見,新近系的廣泛熱事件是促進(jìn)熱流體上涌的根源[8]。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對碳酸鹽巖儲(chǔ)層的控制認(rèn)識(shí),對于深化歧口凹陷乃至整個(gè)渤海灣地區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的成因和分布有一定借鑒意義。

圖8 歧口凹陷沙河街組碳酸鹽巖儲(chǔ)集相發(fā)育模式Fig.8 Reservoir facies evolutionary model for carbonate rocks from Shahejie Formation, Qikou Sag

7 結(jié) 論

(1)巖石學(xué)和地球化學(xué)證據(jù)表明,歧口凹陷古近系沙河街組碳酸鹽巖地層中存在熱液活動(dòng),具體表現(xiàn)為:發(fā)育鞍狀白云石、黃鐵礦和石英等礦物組合;碳酸鹽巖富集輕稀土元素,且表現(xiàn)出較高的Eu正異常;87Sr/86Sr比值接近基性巖漿;流體包裹體均一溫度高于埋藏時(shí)的古地溫。

(2)深部富CO2熱液對碳酸鹽巖儲(chǔ)層產(chǎn)生了改造作用,形成諸如熱液溶孔、熱液溶蝕擴(kuò)大縫和熱液晶間孔等儲(chǔ)存滲透空間?？紫抖雀?、滲透率高且富含白云石的碳酸鹽巖容易遭受熱液溶蝕作用,隨后發(fā)生的白云巖化作用充填了部分已形成的孔隙,對儲(chǔ)層物性產(chǎn)生不利影響。

(3)歧口凹陷地區(qū)熱液碳酸鹽巖儲(chǔ)集相受深大斷裂所控制,在負(fù)花構(gòu)造部位形成大量網(wǎng)狀分布的裂縫,熱液沿構(gòu)造縫對碳酸鹽巖產(chǎn)生溶蝕、交代和白云巖化作用。受熱液改造的碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要集中在巖漿活動(dòng)頻繁和走滑斷裂強(qiáng)烈發(fā)育的地區(qū),展布方向與構(gòu)造方向相一致。斷裂發(fā)育的時(shí)間早于深部熱液活動(dòng),新近系廣泛熱事件是促進(jìn)熱流體上涌的根源。