塔河油田奧陶系縫合線特征及石油地質意義

艾合買提江·阿不都熱和曼,鐘建華,李 陽,陳 鑫

(1.中國石油大學地球資源與信息學院,山東東營,257061;2.中石化油田勘探開發事業部,北京 100029)

塔河油田奧陶系縫合線特征及石油地質意義

艾合買提江·阿不都熱和曼1,鐘建華1,李 陽2,陳 鑫1

(1.中國石油大學地球資源與信息學院,山東東營,257061;2.中石化油田勘探開發事業部,北京 100029)

利用巖心觀察、薄片鑒定、電子探針和拉曼光譜等分析手段,從縫合線特征描述入手,分析塔河油田縫合線的成因及其油氣意義。結果表明:研究區縫合線可分為 3種,即順層縫合線、傾斜縫合線和豎直縫合線;研究區縫合線有壓實、壓裂和壓溶 3種成因類型,其中順層縫合線以壓實成因為主,傾斜縫合線和豎直縫合線以壓裂成因為主;壓實縫合線或壓裂縫合線是形成壓溶縫合線的基礎,而壓溶縫合線是壓實或壓裂縫合線的延續;塔河油田奧陶系碳酸鹽巖縫合線比基質有較高的有機質豐度,為油氣生成的有利場所,同時為油氣的運移提供了有利通道,也有利于提高儲層物性。

塔河油田;縫合線;儲層;成因類型;碳酸鹽巖

縫合線構造 (stylolites)是碳酸鹽巖中廣泛發育的一種壓溶構造[1-3],縫合線的形成是和壓應力驅動下的巖石溶解聯系在一起的[3-5],但有人認為碎裂變形也能形成特定的縫合線[6]。關于縫合線的石油地質意義,前人的主要觀點有:①隨著縫合線數量的增加,儲層物性變差[7];②縫合線能夠改善儲層物性,是油氣運移的重要通道和儲集空間[8];③縫合線對儲層物性沒有影響[9];④雖然縫合線本身對儲層物性沒有貢獻,但由于縫合線具有塑性特征,在一定條件下能轉化為儲滲空間[10]?？梢钥闯?前人的觀點存在較大分歧。鉆井及野外勘察揭示塔河油田北部隆起區下奧陶統碳酸鹽巖中發育大量縫合線構造,但前人對其縫合線鮮有涉及。筆者在大量野外露頭、鉆井巖心和分析化驗資料研究基礎上,對該區縫合線特征、成因機制及油氣意義進行深入系統的研究。

1 區域地質概況

塔河油田主體位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克庫勒凸起西南部 (圖 1)[11]。受加里東中晚期區域性構造抬升的影響,塔北阿克庫勒地區快速隆升,于中奧陶世末開始形成一個向北抬升、向南傾沒的鼻狀凸起。

圖 1 塔河油田區域位置圖Fig.1 Location of Tahe O ilfield

2 縫合線采樣和測試方法

對塔河油田 32口井的巖心進行精細觀察與描述,以塔河油田四區奧陶系碳酸鹽巖為主,選取有代表性縫合線樣品 150塊,磨制薄片 169個。其中,上奧陶統 54個,中下奧陶統 115個。薄片觀察在中國石油大學 (華東)沉積學實驗室中完成。電子探針和陰極發光測試在德國弗賴堡大學 (university of freiburg)完成;拉曼光譜分析在瑞士寶石家協會 (Swiss gemmological institute)實驗室完成。通過電子探針測試,獲得了縫合線內充填物的相對含量。電子探針型號為 Cameca SX100,在加速電壓 15 kV、束流 4.9 nA、束斑直徑 1μm的工作條件下進行定量分析。將用分光器測定獲得的 X射線波長、強度與標準樣品對比,或根據不同強度校正值,間接計算出縫合線充填物的組分的質量分數。結果表明,研究區縫合線中充填物主要是 Ca,Mg的氧化物,基質溶解釋放的 Fe2+與 S2-結合而形成的黃鐵礦與富集的 Fe,Mn等重礦物殘留物,且黃鐵礦在縫合線當中呈星散立方體和小結核狀分布 (圖 2)。用拉曼光譜測定縫合線內充填物的拉曼光譜特征,發現有機質在縫合線內已相對富集。研究結果與研究區下奧陶統縫合線中普遍發育儲層瀝青和次生黃鐵礦現象吻合。

圖 2 黃鐵礦在縫合線中的賦存特征(T402井,5.5226 km)Fig.2 Characteristics of pyrite in stylolites(well T402,5.5226 km)

3 縫合線分類及其特征

3.1 縫合線與層理面的關系分類

根據縫合線與層理面的關系,研究區的縫合線可分為 3種:①平行或近于平行層理面 (與層理面的夾角小于 15°)的“順層縫合線”(圖 3(a)),這是一種主要的縫合線,占整個縫合線的 70%以上;②與層理面夾角為 15°～75°的“傾斜縫合線”(圖 3(b)),這是一種次要的縫合線,占整個縫合線的 20%左右,在 TK404,TK407,TK409,S65,S80等 13口井中普遍發育,以 TK404井為代表;③與層理面夾角大于 75°的“豎直縫合線”(圖 3(c)),在研究區奧陶系地層中最不發育,不超過縫合線總數的 5%,以 S47,T415井為代表。具體縫合線特征見表 1。

3.2 幾何學分類

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖中的縫合線從幾何學特征角度出發,可以將它們分為簡單型和復雜型兩種。簡單型縫合線的幾何學特征就是幾何形態比較簡單,亦可叫單一型縫合線。主要包括平緩型、碎浪型、城墻狀和鋸齒狀。復合型縫合線總體上以某一種類型縫合線為主體,局部可見另一種類型的縫合線寄生在主體部分上,如四區 T415井 5.570 9 km段,可見單條平緩型縫合線過渡到城墻狀縫合線,繼而過渡到鋸齒狀縫合線 (圖 3(d))。

表 1 塔河油田奧陶系碳酸鹽巖縫合線特征Table 1 Characteristics of stylolites in Ordovician carbonate rocks,Tahe O ilfield

圖 3 塔河油田奧陶系儲層縫合線巖心特征(巖心直徑 65 mm)Fig.3 Core characteristics of stylolite in Ordovician carbonate rocks,Tahe O ilfield(core diameter 65 mm)

3.3 縫合線的組合關系

研究區縫合線組合關系有下列幾種:①單一型,縫合線的間距超過縫合線齒高或波高的 10倍;②平行型,由多條彼此平行的縫合線組成,縫合線的間距小于縫合線齒高的 10倍 (圖 3(e));③重合型,多條縫合線彼此重疊組成;④網狀型,多條縫合線彼此相交成網狀,網眼較大,網眼直徑是縫合線齒高的 10倍以上;⑤辮狀型,多條縫合線彼此相交成辮 (圖 3(f)),多為順層縫合線彼此相交;⑥復雜型,多條縫合線彼此相交成非網、非辮系統,且多與垂直裂縫和傾斜裂縫相交 (圖 3(g)),組合成復雜的網狀系統。

4 成因分析

前人有關縫合線的成因主要有壓實[1-2]和壓溶[1-7]2種觀點。諸多縫合線成因機制的論述既反映了當時人們的認識水平,又從側面反映了一種科學的進步過程。筆者認為,研究區縫合線成因有壓實、壓裂和壓溶 3種。由于縫合線的形成源自多種因素間復雜的相互作用,如巖石成分、外部應力、流體參與、構造作用和物理化學條件等等。在分析縫合線成因時,不同階段各主控因素的作用特點和作用地位也不盡相同。

4.1 壓實縫合線

圖 4 壓實縫合線形成過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of compaction stylolites format ing processes

壓實縫合線是由上覆地層產生的壓應力、灰巖泥質含量和溫度共同作用的結果。其形成過程具有階段性:①碳酸鹽巖巖塊 (圖 4(a))受上覆地層的重力作用,使碳酸巖顆粒的長軸順著巖層 (理)面優選排列,形成了水平方向的“縫隙”(圖 4(b))。②由于持續的垂向靜壓力作用,加之巖石的物性差異,易于在最大主應力平面上使被作用巖層中的礦物或顆粒產生調整,并形成定向排列[2],在巖心上呈微弱起伏,并伴隨巖層的微弱消減 (圖 4(c))。如S65,S80,TK417和 TK427井中,許多縫合線沿泥晶灰巖團塊之間的水平邊界或沿泥晶灰巖團塊與粉砂白云巖斑片的結合邊界發育。

4.2 壓裂縫合線

壓裂縫合線是一種受壓剪形成的純物理破裂。壓剪應力由上覆地層產生的靜壓力與側向構造擠壓應力共同提供[10]。在 S85,S86,T401,T402,T417,TK406等井均有普遍發育,與巖層面呈高角度 (大于75°)相交。高角度壓裂縫合線形成也具有階段性。首先碳酸鹽巖顆粒周圍的物質,在剪壓應力作用下提前屈服,使顆粒受到周圍剪壓應力的集中作用,而導致碳酸鹽巖巖塊沿著顆粒之間的應力薄弱點被“壓斷”,形成與最大主應力垂直的壓斷面;在上覆巖層靜壓力與持續的側向構造擠壓應力的共同作用下,被作用在巖層中的礦物或其他物質產生調整并形成定向排列,加之巖石物性差異的影響,在巖心上呈現微弱起伏并伴隨巖層的微弱消減。經巖心及薄片觀察 ,其走向以 NE(30°～40°和 60°～70°)為主 ,其次為 NW(280°～300°)和 NEE(10°～15°),還有少量近 EW走向和近 SN走向,其縫寬小于 2 mm。在 T417井 5.5965 m處可見大于 2 mm(圖 3(h)),但含油和過油性較差。

4.3 壓溶縫合線

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖中的縫合線的成因可能很難有純粹的“壓溶”。研究區內的溶蝕縫合線主要是在壓實縫合線和壓裂縫合線基礎上改造形成的,可以認為壓溶縫合線是壓實縫合線和壓裂縫合線的延續,也是不成熟型縫合線向成熟型縫合線的過渡。

研究區有諸多因素促使壓實、壓裂縫合線向壓溶縫合線過渡。首先,縫合線的形成始終離不開壓應力的作用,因為它貫穿縫合線形成的全過程。塔河油田奧陶系碳酸鹽巖儲層的埋藏多在 5.0～6.0 km,上覆巖層產生的靜壓力較大,流體溫度也較高,下奧陶統地層溫度為 110～129℃,地溫梯度平均為2.3℃/100 m,地層壓力為 57.38～59.24 MPa。其次,巖石中有機質的脫羥作用、黏土礦物蒙脫石轉變為伊利石過程中提供的大量不飽和水都可促使縫合線 (面)兩側可溶物質溶解,加速壓溶縫合線的形成。溶蝕作用使壓溶縫合線在巖心上表現為鋸齒形態發育,但齒尖不尖銳,多數比較渾圓的特征。從縫合線的成因機制分析,無論壓實縫合線、壓裂縫合線,還是壓溶縫合線,其形成過程都具有階段性。壓溶縫合線作為一種成熟的縫合線類型,是壓實、壓裂縫合線在諸多巖溶影響因素改造下的最終體現。在野外觀察及巖心描述過程中,由于壓溶縫合線具有幾何學特征明顯、充填物質普遍含有有機質、儲層發育段壓溶縫合線內富含石油和殘留的重質瀝青等特點,往往作為研究重點,而壓實及壓裂縫合線在巖心及野外觀察中不易識別,且充填物不發育,研究區內只有少量壓裂縫合線被灰綠色泥質充填。

5 縫合線的油氣意義

5.1 縫合線是良好的生油場所

筆者用拉曼光譜儀測得了塔河油田 T402井奧陶系縫合線內黑色有機質充填物的拉曼光譜特征。其主峰峰值分別為 1 384 cm-1和 1 644 cm-1,與飽和烴中環丁烷 (Cyclobutane)拉曼光譜曲線中的主峰值擬合完好。反映了縫合線中的有機質已相對富集。純基質的有機碳含量 (TOC)均小于 0.20%,最高 0.19%,最低僅 0.03%,平均為 0.10%;縫合線物質的有機碳含量高,其值為 0.11%～1.51%,平均值為 0.57%,高出基質相應值近 5倍,就某些單樣則可為 10～20倍以上。由此可見,縫合線中的有機質要高于周圍碳酸鹽巖基質的,且區內奧陶系地層平均溶蝕量為縫合線鋸齒高差的 2.3倍[12]。由于基巖可溶組分的溶解,使不溶有機質在縫合線中富集,也可證明縫合線生烴能力要優于基質。

5.2 縫合線是重要的油氣運移通道

本區奧陶系灰巖基質孔隙度為 0.045%～2.0%,滲透率一般小于 1×10-3μm2,反映基質孔、滲性總體較差的特征?？p合線的形成,實際上是碳酸鹽巖基質不斷消失、地層厚度不斷減小的過程,并在這一過程中伴隨著流體的排出。由基質消失而伴隨產生的流體可以加劇溶蝕作用的進行,生成的油氣會隨著由基質消失而產生的流體一同排出。油氣可沿著灰巖內部發育的縫合線運移 (圖 5(a)),也有油氣沿著泥晶灰巖與白云質粉砂斑片之間形成的縫合線運移 (圖 5(b))。研究區下奧陶統地層中縫合線幾乎均是“黑色”(圖 3(g)),縫合線內部為瀝只因輕烴組分的“蒸發”而留下了瀝青殘渣。

圖 5 鏡下含油縫合線 (T433井,5.57453 km)Fig.5 O il-bear ing stylolites(well T433,5.57453 km)

在觀察中發現巖心多沿縫合線 (面)裂開,如S77井 5.541 01 km井段,由于巖心在上提的過程中,縫合線所受垂向壓力劇減,造成水平或順層的縫合線沿著縫合線 (面)裂開 (圖 6)。這表明縫合線是一種易于剝裂的弱結構界面,在壓裂過程中,縫合線易被壓開,成為輸導油氣的有利通道。

圖 6 沿縫合線 (面)裂開的巖心Fig.6 Drilling core splitted along stylolites

5.3 縫合線有利于提高儲層物性

埋藏溶蝕作用發育區內形成的溶孔、溶縫進一步增加了原儲集體的儲集和滲透能力,使其成為更好的儲集層。如 S80井埋深 5.477 1～5.478 1 km處,開度大于 0.1 mm的縫合線,最大密度為 45 m-1,薄片中開度直徑多為 0.01～0.2 mm,少數為 1～2 mm,面縫率為 4%～7%,且溶解作用形成的縫合線無選擇性,粒內、泥晶基質及亮晶膠結物內均有溶蝕作用發生。在巖心觀察中發現,壓實縫合線的含油性明顯優于壓裂縫合線,順層縫合線含油性優于高角度縫合線。此外,與縫合線相比巖心中的構造裂縫大多被方解石充填,只有少數裂縫面上有油跡或油斑顯示,縫合線比裂縫更加細密,且網絡化程度高,說明縫合線的三維連通性好于構造裂縫,有利于提高儲層內部的連通性和滲透性。

6 結 論

(1)據縫合線與層面的關系,塔河油田奧陶系碳酸鹽巖中的縫合線可分為順層縫合線、傾斜縫合線和豎直縫合線 3種;據幾何學分類,研究區內的縫合線可分為簡單縫合線與復雜縫合線。

(2)本區縫合線主要是由壓實、壓裂和壓溶作用產生。溶蝕縫合線在壓實縫合線或壓裂縫合線基礎上改造形成,壓溶縫合線是壓實縫合線和壓裂縫合線的延續,成因及形態上是不成熟型縫合線向成熟型縫合線的過渡。

(3)縫合線是本區碳酸鹽巖儲層生成油氣的良好場所和油氣運移的有利通道,且縫合線易于改善儲層的連通性和滲透性,提高了儲層物性。

致謝 中石化西北石油分公司為巖心觀察及采樣提供了便利;樣品分析由筆者在德弗萊堡大學礦物與地球化學學院及瑞士 Gemmological研究所完成;成文過程中得到 Dr.Kurt Bucher教授、Dr.Michael S.Krzemnicki和 Dr.HiltrudM.Sigmund的指導和幫助。在此,對以上單位及個人謹表謝意!

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Stylolite characteristics and petroleum geology sign ificance of Ordovician carbonate rocks in Tahe O ilfield

AHMATJAN Abdurahman1,ZHONG Jian-hua1,L I Yang2,CHEN Xin1
(1.College of Geo-Resources and Info rmation in China University of Petroleum,Dongying257061,China;2.Business Unit of O ilfield Exploration and Development,SINOPEC,Beijing100029,China)

By usingmethodsof core observation,thin-section analysis,electron probe and Raman spectrum analysis,the stylolite genesis and its petroleum significance in Tahe Oilfield were described based on stylolite characteristics.The results show that there are three kinds of stylolites including bedding,inclined and vertical stylolite.There are three kindsof genetic types for stylolites including compaction,fracturing and pressolution.Compaction ismain contribution factor for bedding stylolite,and fracturing ismain genetic type for inclined and vertical stylolite.Compaction stylolite or fracturing stylolite are the prerequisite of forming pressolutional stylolite,and pressolutional stylolite is the continuation of compaction stylolite or fracturing stylolite. In Ordovician carbonate rocks of Tahe Oilfield,the stylolites have higher organic matter abundance than matrix,which are also the favorable structure for hydrocarbon generation,migration pathway and advantage to improve physical properties of reservoir.

Tahe Oilfield;stylolite;reservoir;genetic type;carbonate rocks

P 583

A

1673-5005(2010)01-007-05

2009-06-18

國家“973”重點基礎研究發展計劃項目(2006CB202401);國家油氣重大專項課題(2008ZX05014)

艾合買提江·阿不都熱和曼 (1979-),男(維吾爾族),新疆阿克蘇人,博士研究生,主要從事構造地質學與儲層沉積學研究。

(編輯 徐會永)