三塘湖盆地馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲層成巖演化特征與溶蝕孔隙形成機制

三塘湖盆地馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲層成巖演化特征與溶蝕孔隙形成機制

美國在石油和天然氣領域的勘探和開發(fā)取得了巨大成功，并在規(guī)范性油氣領域提出了許多理論和創(chuàng)新。2011年美國政府能源機構再次強調了頁巖油、頁巖氣在美國國內油氣生產中的重要性,倡導大力開展非常規(guī)油氣資源勘探。在中國和世界其他國家,頁巖油資源分布范圍廣、資源潛力大。新疆三塘湖盆地位于阿爾泰山系和天山山系之間,南鄰吐哈盆地,西鄰準噶爾盆地,是在早古生代基底上發(fā)展起來的山間疊合盆地;盆地主要經歷了前晚石炭世基底形成的板塊構造運動和晚石炭世以來盆地沉積蓋層形成發(fā)展的板內構造運動兩大階段。馬朗凹陷蘆草溝組泥頁巖為一套陸相近海湖盆沉積,黃志龍(1)研究認為,蘆草溝組泥頁巖為一套優(yōu)質烴源巖,處于低成熟—成熟早期階段,生成的大量烴類滯留于烴源巖中,形成頁巖油;泥頁巖中所含大量微米—納米級次生孔隙是頁巖油重要的儲集空間。頁巖油賦存形式和富集程度與泥頁巖儲集空間類型及形成機制有很大關系。因此,筆者依據(jù)泥頁巖有機地球化學與無機地球化學分析數(shù)據(jù)、掃描電鏡觀察等,對馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲層成巖演化與次生溶蝕孔隙形成機制進行研究。1巖漿巖和成巖的特征1.1馬朗凹陷蘆草溝組儲層盆地呈北西-南東向帶狀展布,長約500km,寬約40~70km,面積約為2.3×104km2。馬朗凹陷位于三塘湖盆地的西南部,是該盆地主要的富烴凹陷(圖1)。馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲層250個柱塞樣品物性測試顯示,72.2%的樣品孔隙度低于8.0%,74.99%的樣品滲透率低于0.05×10-3μm2,低于1×10-3μm2的樣品占82.4%,屬于典型的低孔—特低滲型儲層(圖2)。蘆草溝組泥頁巖礦物組成中,石英含量一般為20%~40%,長石含量一般為20%~30%,碳酸鹽巖含量一般為5%~48%。1.2儲層成巖作用蘆草溝組泥頁巖儲層在沉積埋藏過程中,主要經歷了壓實作用、膠結作用、溶解作用和交代作用等成巖作用類型:(1)壓實作用一方面使巖石致密化,物性變差,另一方面可使剛性顆粒產生裂縫、微裂縫,紋層巖形成層間滑脫縫,改善儲層物性,鏡下可見塑性礦物彎曲和剛性礦物的破裂現(xiàn)象;(2)膠結作用作為一種重要的化學成巖作用,在泥頁巖中同樣存在,蘆草組泥頁巖主要發(fā)生灰質膠結、自生黏土礦物膠結等,膠結作用一方面使孔隙空間變小,喉道變窄,儲層物性變差,另一方面在一定程度上可以抑制壓實作用,有利于原生孔隙的保存,此外膠結物的溶解又是次生孔隙的主要成因;(3)溶解作用主要為有機質熱演化過程中形成的酸性流體對泥頁巖中不穩(wěn)定礦物的溶蝕,如長石溶蝕、碳酸鹽巖溶蝕;(4)交代作用在本區(qū)泥頁巖中不易觀察,電鏡下可見石英交代鉀長石形成自生石英晶體的沉淀。頁巖油為典型的源、儲同體的非常規(guī)油氣,儲層成巖演化是一種復雜的有機、無機流體—巖石反應及伴隨的物理變化過程,眾多學者研究泥頁巖成巖演化的重點多是放在其對臨近砂巖成巖演化及次生孔隙形成的影響或其他地質方面。本文主要從有機質地球化學和無機地球化學角度分析泥頁巖的成巖演化及其次生溶蝕孔隙的形成機制。2粘土巖和次生空隙的形成2.1熟度參數(shù)c9哌烷法成巖階段馬朗凹陷現(xiàn)今地溫梯度一般為2.2~2.4℃/100m,蘆草溝組泥頁巖最大埋深約4.3km。有機地球化學分析表明,該泥頁巖鏡質體反射率Ro一般為0.4%~0.9%,巖心抽提物中成熟度參數(shù)C29甾烷wααα(20S)/wααα(20S+20R)與C29甾烷w(ββ)/w(αα+ββ)一般為0.2~0.4,泥頁巖處于低成熟—成熟早期階段。鏡質體反射率(Ro)作為碎屑巖成巖階段劃分的主要依據(jù),按碎屑巖成巖演化階段劃分標準(SY/T5477-2003),蘆草溝組泥頁巖處于中成巖階段A期的早期。黃志龍等(1)根據(jù)生烴轉化率S1/(S1+S2)和w(氯仿瀝青“A”)/w(TOC)等參數(shù)分析,確定Ro=0.55%~0.75%為蘆草溝組泥頁巖主生烴段,對應深度為1.8~2.9km,并建立有機質的成巖、生烴演化模式(圖3)。2.2有機質孔與總有機碳含量的關系經氬離子拋光蘆草溝組泥頁巖樣品表面,在場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡下可見發(fā)育有機質孔,如H10井2.2971km白云質泥巖中可見有機質孔(能譜分析元素主要為C),孔隙空間大小在幾十納米至幾百納米(10-9m)之間(圖4)。有機質孔為有機質熱演化過程中形成的生烴殘留孔隙,一般形狀較規(guī)則,多呈凹坑狀、蜂窩狀,由于泥頁巖的非均質性,其大小、數(shù)量和密度都有較大變化。對同一樣品孔隙度與總有機碳含量分析,二者呈正相關關系(圖5(a))。Daniel等研究認為TOC含量為6.41%的泥頁巖,達到生干氣窗時,會產生4.3%的體積孔隙?？紫抖?、總有機碳含量與深度的關系顯示,有機質孔的發(fā)育與成熟度關系不明顯(圖5(b)、5(c))。因此,蘆草溝組頁巖油儲層有機質孔發(fā)育主要受總有機碳含量控制,且二者成正比。3由有機礦物組成的巖石發(fā)育和溶蝕孔形成3.1伊/蒙混層含量黏土礦物成巖演化是無機礦物成巖演化研究的重要內容。研究區(qū)高嶺石含量隨深度變化不明顯,始終小于20%,所以自生高嶺石含量很少;綠泥石含量出現(xiàn)一個平緩高值段,之后遞減且含量一般小于20%;伊利石含量呈現(xiàn)由小變大再減小的過程,伊/蒙混層含量與伊利石呈鏡像關系,含量由大變小再增大,2.325km處的伊利石含量達100%,伊/蒙混層為零。在深度2.0km(圖6,a線)與2.6km(圖6,c線)之間,伊利石高值區(qū)對應于伊/蒙混層低值區(qū),應是伊/蒙混層向伊利石轉化造成的,綠泥石出現(xiàn)高值區(qū),但不明顯,同時孔隙度也為高值區(qū)。在約2.3km處(圖6,b線),孔隙度、伊利石、伊/蒙混層同時出現(xiàn)變化拐點。可見,蘆草溝組頁巖油儲集空間的形成與黏土礦物的成巖演化存在密切關系。3.2伊利石向伊蒙混層轉化作用氬離子拋光的巖石表面于掃描電鏡下可見無機礦物溶蝕孔隙發(fā)育(圖7(a)、(b)),溶蝕孔隙主要是有機質生烴造成的酸性流體對不穩(wěn)定礦物(長石、碳酸鹽巖等)的溶蝕而形成。孔隙度與黏土礦物成巖演化關系顯示,伊利石化對蘆草溝組頁巖油儲集空間的形成具有重要的貢獻,綠泥石化和高嶺石化的作用不明顯(圖6),伊利石化在致密儲層中的積極作用已被眾多研究所證實。蘆草溝組頁巖油儲層中伊利石的形成機制主要是:蒙脫石+4.5K++8Al3+→伊利石+Na++2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+.蘆草溝組沉積時期火山活動頻繁,沉積有火山灰物質,可導致蘆草溝組泥頁巖中原始蒙脫石含量較高,在K+和Al3+供應充足的情況下,蒙脫石便可經伊蒙混層向伊利石大量轉化,從而使伊利石含量增加。蒙脫石向伊利石轉化是成巖演化中鉀長石克服溶解動力學屏障的重要機制。Berger等實驗研究認為,蒙脫石向伊利石轉化是一個低能耗的自發(fā)反應,有機質的成熟可以加速鉀長石的溶解,增加蒙脫石伊利石化的反應速率,同時形成溶蝕孔隙。蒙脫石向伊利石轉化脫出層間水,導致層間塌陷,顆粒體積收縮也增加孔隙度。其次,還可存在另一種伊利石化過程:鉀長石+2/3H+→2/3K++1/3伊利石+2SiO2(sq).Thyne等認為此過程是一個鉀長石快速溶解、伊利石快速形成的過程,生成的SiO2溶液最終結晶形成固態(tài)SiO2,可看作伊利石、石英交代鉀長石。理論分析表明,鉀長石的摩爾體積為108.87cm3/mol、伊利石摩爾體積為140.71cm3/mol、SiO2的摩爾體積為22.688cm3/mol,此反應固體體積減少約16.6cm3/mol,相應造成儲集空間的增大,而且石英增加了儲層的抗壓實能力。蘆草溝組泥頁巖自然斷面掃描電鏡觀察,可見溶蝕痕跡和自生石英的沉淀現(xiàn)象(圖7(c)),可見烴類的存在并沒有阻止泥質巖中礦物的溶解和伊利石、石英的沉淀。4巖石學和流體流動Abid等研究有機質熱成熟作用與伊利石化關系時認為,前者造成的孔隙流體地球化學性質的變化對伊利石化的作用可能較溫度的影響要大。蒙脫石伊利石化與其穩(wěn)定存在需要弱堿性到堿性的流體介質,而礦物溶解形成溶蝕孔隙需要酸性流體介質。有機質成巖演化與黏土礦物成巖演化特征表明,有機質生烴高峰與伊利石化高峰、孔隙度高值區(qū)相對應(圖6),可見,蘆草溝組泥頁巖中酸性和堿性流體介質環(huán)境是共同存在的。蘆草溝組現(xiàn)今地層水主要為NaHCO3型,蘆草溝組沉積于咸水—半咸水的古水體環(huán)境,水體安靜、還原性強,原始地層水為堿性。隨著沉積成巖演化,該泥頁巖成為一套致密層,滲透率普遍極低,其中流體性質主要受原始沉積水、有機質演化、黏土礦物成巖演化等的內部因素影響,且原始沉積水性質影響最大,宏觀地層水性質為堿性。在與鉀長石毗鄰的微觀環(huán)境中,有機質生烴形成酸性流體,溶蝕鉀長石等不穩(wěn)定礦物;當K+達到一定濃度便發(fā)生蒙脫石伊利石化。伊利石化對酸性流體的消耗以及形成的堿金屬離子,有利于保持黏土礦物穩(wěn)定存在的宏觀堿性環(huán)境。因此,馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲層次生孔隙形成需要泥頁巖具備良好的生烴能力,且具備適量鉀長石、碳酸鹽巖等易溶礦物。不穩(wěn)定礦物溶蝕需要一個相對開放的環(huán)境,流體流動可以降低溶解物質濃度,使溶蝕作用進一步加強。泥頁巖中流體可來源于地層水和蒙脫石層間水的析出,流動動力是成巖演化形成的局部超壓,流動通道可以是微裂縫。泥頁巖有機與無機物質成巖演化過程中,水體流動直接影響油氣初次運移。油氣生成的同時形成酸性流體,酸性流體溶蝕不穩(wěn)定礦物,形成次生孔隙,次生孔隙越發(fā)育,排出溶解物質所需的流動水體也就越多,油氣的初次運移也就越明顯,從而影響頁巖油的滯留、富集。5頁巖油的儲集空間(1)馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲層為一套低孔、低滲—特低滲儲層,主要經歷了壓實作用、溶解作用、膠結作用和交代作用