天然气地质学

准噶尔盆地玛南地区二叠系下乌尔禾组砾岩储层成岩流体来源判识与成储效应

  • 马聪 , 1 ,
  • 陈俊 2 ,
  • 刘刚 1 ,
  • 潘晓慧 2
展开
  • 1. 陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西 西安 710065
  • 2. 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院,新疆 克拉玛依 834000

马聪(1989-),女,陕西汉中人,硕士,高级工程师,主要从事地质实验研究.E-mail:.

收稿日期: 2025-07-03

  修回日期: 2025-08-22

  网络出版日期: 2025-09-05

基金资助

国家自然科学基金重点项目“含油气盆地溶蚀流体类型判识标志、水—岩作用机理及溶蚀型储层成因模式”(41830425)

The identification and reservoir-forming effect of different sources of diagenetic fluids in the conglomerate reservoirs of the Permian Lower Wuerhe Formation in Ma’nan area, Junggar Basin

  • Cong MA , 1 ,
  • Jun CHEN 2 ,
  • Gang LIU 1 ,
  • Xiaohui PAN 2
Expand
  • 1. Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Co. ,Ltd,Xi 'an 710065,China
  • 2. Exploration and Exploitation Institute of Xinjiang Oilfield Company,PetroChina,Karamay 834000,China

Received date: 2025-07-03

  Revised date: 2025-08-22

  Online published: 2025-09-05

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(41830425)

摘要

玛南地区二叠系下乌尔禾组砾岩储层是准噶尔盆地重点勘探开发目标之一,然而成岩流体性质的判断影响了储层评价的准确性。为了探明砾岩储层成岩流体来源及其成储效应,采用偏光显微镜、扫描电镜、电子探针、BSE图像分析、XRF微量元素分析及C—O同位素示踪等手段,对成岩作用、地球化学特征进行了综合研究,细分方解石的3种成因类型,进一步明确了不同来源砾岩储层成岩流体判识指标及成储效应。结果表明,研究区成岩流体分为3类:同沉积水—大气淡水混合流体(δ18OPDB值弱负偏,δ13CPDB值处于0‰~-5‰之间)、含烃流体(δ18OPDB值处于-20‰~-16‰之间,δ13CPDB值处于-32‰~-10‰之间)、烃类氧化流体(δ18OPDB值处于-20‰~-16‰之间,δ13CPDB值处于-65‰~-32‰之间),其中,同沉积水—大气淡水混合流体主要促进了胶结物的形成,堵塞了原始孔隙,其成储效应以破坏性为主;含烃流体富含的有机酸和CO2溶蚀前期形成的胶结物,增加了岩石孔隙,为建设性成岩流体;烃类氧化流体导致了甲烷氧化进而阻碍了甲烷规模成藏,对油气藏来说是破坏性流体。研究建立的砾岩储层成岩流体来源判别指标,对陆相沉积的砾岩储层具有普适性,同时为不同来源成岩流体的成储效应研究提供了思路。

本文引用格式

马聪 , 陈俊 , 刘刚 , 潘晓慧 . 准噶尔盆地玛南地区二叠系下乌尔禾组砾岩储层成岩流体来源判识与成储效应[J]. 天然气地球科学, 2026 , 37(2) : 310 -320 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2025.08.013

Abstract

Conglomerate reservoir of Permian Lower Wuerhe Formation in Manan area is the key exploration and development target in Junggar Basin. However, the insufficient judgment of diagenetic fluid properties leads to the uncertainty of high-quality reservoir prediction. In order to definite the source of diagenetic fluids in conglomerate reservoir and its reservoir-forming effect, the diagenetic characteristics and geochemical characteristics were comprehensively studied by means of polarizing microscope, scanning electron microscopy, BSE, trace element ( e.g. Fe and Mn), and stable isotopes ( e.g. C and O ). The three genetic types of calcites are subdivided, and the identification index of diagenetic fluids from different sources and its reservoir-forming effect on conglomerate reservoirs are further clarified. The results show that diagenetic fluids can be divided into three types: mixed syndepositional water-meteoric freshwater fluid (δ18O (PDB) is characterized by weakly negative bias, δ13C (PDB) is within the range from -5‰ to 0‰), hydrocarbon fluids (δ18O is within the range from -20‰ to -15‰,δ13C is within the range from -30‰ to -10‰) and hydrocarbon oxidizing fluids (δ18O is within the range from -20‰ to -15‰,δ13C is within the range from -65‰ to -30‰). Mixed syndepositional water-meteoric freshwater fluid in early diagenesis primarily facilitated the formation of cements, occluding primary pores, with their reservoir effect being predominantly destructive. Hydrocarbon fluids, rich in organic acids and CO2, dissolved cements, increasing rock porosity, thus exhibiting constructive effects. Hydrocarbon oxidizing fluids led to methane oxidation, thereby hindering large-scale methane accumulation, making them destructive fluids for oil and gas reservoirs. The index of diagenetic fluids of conglomerate reservoir established in this paper is universal to continental sedimentary conglomerate reservoir. At the same time, it provides ideas for the study of reservoir-forming effect of diagenetic fluids from different sources.

0 引言

深部流体对油气形成过程具有深远影响,可以概括为优源、增烃、成储及促聚1。其中,成储是指流体对储层的溶蚀改造作用。而在进行成储机制研究前必须先明确成岩流体来源和成因。因为不同来源的成岩流体的成储效应不同,若流体来源不清,则难以准确建立流体的作用机制。因此,流体来源研究是储层评价工作中不能忽略的重要环节2。二叠系下乌尔禾组砾岩储层是准噶尔盆地玛湖地区主要勘探目的层之一,随着勘探开发一体化的进程,优质储层评价及预测显得愈发重要,但该套储层所展现出的强非均质性增加了准确预测的难度3。前人3-5常结合有利相带、优质砂体带、优质孔隙发育带这3种因素进行有利区预测;针对该区域砾岩微观特征研究,也多集中在储层岩性的显微微观图像分析、全岩元素分析、物性及敏感性等特征研究方面6-9。然而这些宏观的沉积学研究及微观的岩相学经验判断往往存在不确定性,同时对于孔隙改造事件的流体性质的研究不够深入,进而影响了储层评价工作的准确度。因此,亟需对砾岩储层成岩流体来源及与储层发育的关系开展系统化、定量化深入研究,区分不同来源成岩流体并明确其成储效应。
目前,地球化学实验分析已成为判识成岩流体性质及来源的重要手段2,诸多研究应用微区原位多参数地球化学方法,致力于各类储层中碳酸盐胶结物微量元素、碳—氧同位素的研究以识别成岩流体性质及来源,并取得了丰硕成果210-17。地层中微量元素的变化能够反映古湖泊水体盐度以及水体升降的演化18-20,不同成岩环境的微量元素差异较大,以至于可从其沉淀的胶结物的微量元素特征轻易区分识别,尤其是Sr、Mg、Fe、Mn等元素及Ce、Eu等稀土元素21-23。碳酸盐胶结物的氧同位素组成主要受矿物沉淀时的流体温度所控制,常伴随矿物与流体分馏程度和性质、流体的来源差异而呈现不同的特征24-28。碳酸盐胶结物的碳同位素则可示踪碳的来源,对含烃流体有机质脱羧作用、碳酸盐岩溶解作用等有关碳源能够较好地识别出来29-30,尤其碳酸盐胶结物中碳同位素值的严重负偏是判别烃源流体甲烷氧化作用的良好标志31-32。因此,碳酸盐胶结物原位微区的微量元素及碳氧同位素能较好地记录成岩流体地球化学特征,同时其更容易被准确测量和分析对比1533,故而是研究成岩流体性质及来源的主要手段之一。本文以玛南地区二叠系下乌尔禾组砾岩储层为研究对象,基于岩石学及储集空间特征研究,结合铁、锰等微量元素分析及碳酸盐胶结物中的碳、氧同位素示踪,揭示了成岩流体性质、水—岩反应机理。研究不仅建立了砾岩储层中不同来源成岩流体的判识指标,还进一步分析了其成储效应,为准确认识砾岩储集层提供依据,同时为不同来源成岩流体的成储效应研究提供思路。

1 研究区域及地质背景

玛南地区位于准噶尔盆地西北缘[图1(a)],表现为向南东倾斜的单斜,局部发育宽缓平台和鼻状构造34。该地区二叠系下乌尔禾组以近物源粗碎屑扇三角洲砂砾岩沉积为主7图1(b)],主要储层为扇三角洲前缘亚相水下分流河道砂砾岩,具有退覆式扇三角洲沉积特征,具备大油区形成的宏观地质条件335
图1 准噶尔盆地玛南地区平面位置及二叠系下乌尔禾组典型岩心照片

(a)平面位置图;(b)典型岩性柱状图;(c)MH11井,下乌尔禾组,砂质细砾岩,递变层理发育;(d)MH014井,下乌尔禾组,含砾细砂岩,平行层理发育;(e)MH11井,下乌尔禾组,砂质细砾岩;(f)MH11井,下乌尔禾组,砂质细砾岩,块状构造

Fig.1 Location and typical core photos of Lower Wuerhe Formation of Permian in Ma’nan area, Junggar Basin

玛南地区二叠系下乌尔禾组主要发育泥石流沉积、洪泛沉积、颗粒流沉积、水下河道沉积、浊流沉积以及正常的滨浅湖沉积。储层集中在水下河道砂砾岩和颗粒流砂砾岩沉积中。其中,水下分流河道沉积的岩性多为灰白色或浅灰色粗砂岩与含砾砂岩[图1(c),图1(d)],分选中等至好,次圆状为主,常见牵引流沉积标志的板状交错层理、递变层理、平行层理与斜层理。颗粒流沉积主要为灰绿色、灰白色砂质细砾岩[图1(e),图1(f)],颗粒分选中等至好,砾石含量高,多为次圆状、粒径为2~8 mm的细砾,常见颗粒支撑结构、块状构造。

2 成岩作用特征

普通薄片、扫描电镜、电子探针观察(图2)分析表明,该地区下乌尔禾组破坏性成岩作用主要有压实作用、胶结作用(硅质胶结、钙质胶结、沸石胶结),建设性成岩作用主要为溶蚀作用(沸石与钙质胶结物的溶蚀、长石溶蚀)。这些成岩作用均与成岩流体息息相关。
图2 准噶尔盆地玛南地区二叠系下乌尔禾组典型岩心显微图像

(a)MH11井,3 370.25 m,碎屑颗粒压实定向,单偏光下图像;(b)MH11井,3 365.55 m,硅质胶结,油气充注,单偏光下图像;(c)MH14井,3 810.05 m,片沸石胶结,单偏光下图像;(d)MZ7井,4 463.05 m,浊沸石胶结,正交偏光下图像;(e)MH11井,3 235.89 m,方解石部分溶蚀,单偏光下图像;(f)MZ7井,4 466.55 m,浊沸石胶结,扫描电镜图像;(g)MH18井,3 686.4 m,方解石亮晶、连晶基底式胶结,电子探针BSE图像;(h)MH013井,3 589.5 m,钾长石溶蚀,电子探针BSE图像;(i)MH11井,3 462.9 m,浊沸石溶孔,电子探针BSE图像

Fig.2 Typical core microscopic images of Lower Wuerhe Formation of Permian in Ma’nan area, Junggar Basin

2.1 压实作用

成岩早期的机械压实使得碎屑颗粒呈现定向排列、压实破裂、颗粒之间凹凸接触等特征,部分塑性岩屑挤压变形[图2(a)],在压实定向与变形的同时,部分填隙物受到挤压导致粒间水排出,也成为后期成岩流体的一部分。

2.2 胶结作用

胶结作用在研究区广泛存在且类型多样。硅质胶结主要表现为石英次生加大边和自生石英晶体,常伴随着油气充注[图2(b)]。沸石胶结主要为片沸石与浊沸石胶结[图2(c),图2(d),图2(f)],二者均以基底式胶结或孔隙式胶结的形式产出。片沸石多呈橘红色,干涉色一级灰白,呈现较好的刃状或板条状,紧密堆积,晶间缝小[图2(c)]。浊沸石多为无色,干涉色一级灰白,可见一组非常发育的平行解理缝[图2(d)],扫描电镜下可见柱状浊沸石紧密排列[图2(f)]。研究区碳酸盐胶结物以方解石为主[图2(e),图2(g)],且产状存在明显差异,可分为3类:第一类方解石贴粒发育,泥晶状;第二类方解石充填于孔隙中间,亮晶状;第三类方解石则发育在片沸石环带内且被片沸石切穿交代。为了细分这3类方解石,本文结合矿物产状和电子探针化学成分分析进行了研究(具体见本文3.2章节第二段)。沸石类胶结物和方解石胶结物均为后期流体对储层的溶蚀改造提供了物质基础。

2.3 溶蚀作用

研究区常见长石碎屑溶蚀、沸石胶结物溶蚀及方解石胶结物溶蚀,所产生的次生溶孔改善了砾岩储层的储集性能。玛湖地区长石溶蚀具有选择性,以钾长石溶蚀为主[图2(h)],极少见钠长石溶蚀36。胶结物溶蚀以沸石和方解石的溶蚀较为普遍。研究区下乌尔禾组沸石溶蚀以浊沸石的溶蚀最为明显且规模最为可观[图2(i)],片沸石溶蚀相对较少。这与矿物特性有关,相较片沸石而言,浊沸石的硅铝比更小、耐酸性更弱,且解理更为发育,与流体接触更充分,因此沸石溶蚀以浊沸石溶蚀为主37

2.4 成岩作用序列

前人38-43依据黏土矿物特征及各类成岩作用特征,明确了研究区下乌尔禾组储层成岩阶段处于中成岩B期。同生期主要为长石和火山物质的水化作用38。早成岩A期,主要为机械压实作用,火山物质的水化作用持续发生,少量黏土杂基沉淀,泥晶方解石自颗粒边缘生长。早成岩B期,大气淡水主要与火山物质反应,产生的碱性流体进入岩石孔隙,沉淀析出亮晶方解石及沸石类胶结物39-41。中成岩A期,油气开始充注,储层中流体由碱性逐渐变为酸性,长石、方解石和早期形成的沸石开始溶蚀42。中成岩B期,深层油气开始大量充注,带来的有机酸主要造成了前期形成的长石、沸石及方解石的再溶蚀43,同时,方解石与溶蚀作用次生的富Si、Al流体反应再次形成了少量片沸石胶结物40,与深层油气中的富Mn流体离子交换可进一步形成高锰方解石44

3 地球化学特征

3.1 样品选择与测试方法

碳酸盐矿物是记录流体活动的最敏感矿物,其微量元素含量变化与成岩流体性质密切相关15。本文研究选取了研究区9口井新鲜的砾岩岩心,采样井及位置见图1(a)。首先开展了岩心观察和显微镜下岩矿鉴定200余块,随后选取方解石胶结物较为发育的岩心进行下一步地球化学测试。地球化学测试均在南京大学内生金属矿床成矿机制国家重点实验室完成。
原位元素分析共计12块样品83个点位,采用德国M4 TORNADO型号的原位XRF分析仪,束斑直径为20~50 μm,针对Fe、Mn等元素的检测限为0.005%~0.01%,能够满足该地区胶结物的微量元素测试需求。将无盖片镀膜后的岩石薄片固定在样品台,使用光学显微镜观察并标记目标点位,利用元素谱线选择目标,时间设置100 s/点,固定样品台,采集XRF能谱,通过ESPRIT软件观察拟合光谱峰形,确保无峰重叠或饱和,使用标样校准曲线,输出元素含量(wt.%)。
电子探针(BSE)定量分析共计12块样品78个测试点,采用日本电子(JEOL)JXA-8230的电子探针(含BSE)分析仪,将已镀碳膜的样品放入仪器,经过BSE成像后标记目标矿物,在15 kV的加速电压下开启WDS定量分析,每个矿物点测量10 s,获得Ca、Na、Fe等各个元素类型及峰位强度,利用软件按照化学计量系数转换为氧化物含量(%),其中主量元素(>1%)的误差为±0.2%,微量元素(0.1%~1%)误差为±0.05%,痕量元素(<0.1%)的误差为±0.01%。
C和O同位素测试分析共计12块样品,采用MAT252 气体同位素质谱仪进行测试。在发育方解石的岩心内部取样大于50 mg,研磨粉碎成细样,随后将细样在蒸馏水中浸泡后用蒸馏水冲洗粗选,高温下烘干并浮选净化,在超高温下抽气备用,使用100%磷酸溶剂在恒温条件下溶解样品,收集溶解过程中释放的CO2气体并测试其同位素组成,GBW04406标样分析误差为±0.01%,测试结果经校正后用PDB标准(δ18O和δ13C)表示。

3.2 微量元素地球化学特征

显微镜观察结果表明,研究区方解石胶结物的产状存在较大差异,代表该区发育不同成因类型的方解石。仅依靠光学手段来细分方解石,往往因为缺少定量数据而缺乏说服力。因此学者们121744常利用原位XRF元素分析得到的Fe、Mn元素来区分方解石。XRF元素含量分析结果表明:研究区方解石胶结物的Fe与Mn元素含量分布范围较大(图3)。Fe元素整体含量介于0.09%~4.78%之间,平均值为1.34%; Mn元素含量整体在0%~2.99%之间,平均值为0.93%。结合方解石中Fe元素与Mn元素的相关性分析(图4),研究区的方解石可以分为3种:①低铁低锰方解石:Fe元素含量在0.011%~1.5%之间,Mn元素含量在0%~1.5%之间;②高铁低锰方解石:Fe元素含量最高可达4.78%,而Mn元素含量均小于1.5%;③高锰低铁方解石:Mn元素含量均高于1.5%且最高可达2.99%,而Fe元素含量最高为0.50%,最低不足0.01%。由于常见矿物的Fe元素含量远高于Mn,研究区中出现Mn元素含量高于Fe的高锰低铁方解石,指示了来自深层的含油气流体参与了成岩过程44
图3 准噶尔盆地玛南地区二叠系下乌尔禾组方解石中铁(Fe)、锰(Mn)元素含量(XRF)直方图

Fig.3 Histogram of iron (Fe) and manganese (Mn) element contents (XRF) in calcite of the Lower Wuerhe Formation of Permian in the Ma’nan area, Junggar Basin

图4 准噶尔盆地玛南地区二叠系下乌尔禾组方解石中铁(Fe)、锰(Mn)元素含量(XRF)相关性分析

Fig.4 Correlation analysis diagram of iron (Fe) and manganese (Mn) element contents(XRF) in calcite of Lower Wuerhe Formation of Permian in Ma’nan area, Junggar Basin

为了观察上述方解石在产状上的差异,进一步选取了该地区二叠系下乌尔禾组的典型样品进行电子探针微区化学成分分析。同时进一步明确了研究区发育3种不同类型方解石。
(1)低铁低锰方解石:紧贴颗粒边缘生长,泥晶状为主,解理模糊,常夹杂灰泥,无孔隙发育[图5(a)],晶体较暗[图5(b)],电子探针分析结果表明,该类方解石的铁氧化物含量均小于0.150%,锰氧化物含量也均小于0.150%(表1)。泥晶及低铁低锰的特点,指示了该类方解石形成于早成岩阶段。
图5 准噶尔盆地玛南地区二叠系下乌尔禾组典型方解石胶结物显微图像及背散射(BSE)图像

(a)MH18井,3 643.8 m,方解石胶结物,单偏光;(b)与(a)对应的BSE图像, BSE;(c)MH8井,3 350.45 m,方解石胶结物,单偏光;(d)与(c)对应的BSE图像;(e)MH14井,3 682.05 m,橘红色环带为方沸石,环带内亮白色为方解石,单偏光;(f)与(e)对应的BSE图像.以上图像中黄点表示电子探针化学元素测试点

Fig.5 Microscopic and BSE images of typical calcite cements in the Lower Wuerhe Formation of the Permian in the Ma’nan area of the Junggar Basin

表1 准噶尔盆地玛南地区二叠系下乌尔禾组方解石化学元素含量 (%)

Table 1 Chemical element content of calcite in the Lower Wuerhe Formation of the Permian in the Ma’nan area of the Junggar Basin

井号 层位 点号 CaO Na2O K2O FeO MgO MnO Al2O3 TiO2 SiO2 合计
MH18 P2 w 1 56.652 0.028 - 0.028 0.007 0.391 0.030 0.001 0.064 57.201
2 52.480 0.012 0.009 - 0.069 0.892 0.155 0.025 0.340 53.982
3 54.030 0.014 - 0.011 0.052 0.921 0.075 0.010 0.194 55.307
MH8 P2 w 1 55.491 0.042 - 3.114 0.084 0.608 0.002 - 0.063 59.404
2 55.993 0.025 - 3.772 0.102 0.663 - 0.019 0.042 60.616
3 56.506 0.020 0.001 3.572 0.056 0.699 0.022 0.008 0.057 60.941
MH14 P2 w 1 53.802 0.029 0.007 0.014 0.028 2.262 0.018 0.031 0.028 56.219
2 54.551 0.019 - - - 1.983 0.006 0.003 0.047 56.609
3 56.170 0.017 0.003 0.012 0.030 2.204 0.008 0.001 0.040 58.485
4 54.489 0.002 - 0.073 0.007 4.035 - - 0.027 58.633
5 55.707 0.029 0.004 0.043 0.042 2.331 0.008 - 0.062 58.226
6 53.775 0.041 0.005 0.051 0.030 3.955 0.017 - 0.024 57.898

注:本表中的计量单位为质量百分比(%),由于本次测试是在方解石中选取的测试点,方解石的化学式为CaCO₃,其氧化物成分主要是CaO(56.03%)、CO₂(43.97%),由于电子探针无法检测到CO2,因此该表未计入CO₂的含量。“-”表示无数据

(2)高铁低锰方解石:发育在岩石孔隙的中间部位,亮晶状为主,晶间界限及解理清晰,偶见溶蚀现象[图5(c)],亮度中等[图5(d)],铁氧化物含量超过了1.500%,最高达3.772%,而锰氧化物含量均小于1.500%(表1),对应上述的高铁低锰方解石。亮晶、偶见溶蚀及高铁低锰的特征,指示了该类方解石形成于早成岩阶段的末期,成岩环境中已有少量酸性流体。
(3)高锰低铁方解石:发育在片沸石环带的中间,被片沸石切穿交代,表明方解石的形成时间早于片沸石,产状为非典型结晶状,无解理发育,亮度最高[图5(e),图5(f)],其中锰氧化物含量均高于1.500%,最高可达4.035%,而铁氧化物含量不足0.010% (表1)。前人44研究指出,矿物中的Mn元素含量高于Fe指示深层含油气流体的作用,本文研究发现的该类方解石进一步证实了深部烃类流体对该区成岩有着重要作用。该类方解石为中成岩阶段末期储层被大量深层富Mn烃类流体侵入后,进行了离子交换后的产物44

3.3 C、O同位素地球化学特征

方解石中碳、氧同位素的组成取决于促成方解石形成的流体中的碳、氧同位素,同时也会受到成岩环境中盐度、温度、有机质演化等影响44-45。埋藏环境中,方解石的δ13C随埋深的变化不大,多接近于0,若存在深部烃类流体供给碳源,则δ13C为高负值;而δ18O分馏大小是一个关于温度的函数,随埋藏深度的加大,成岩作用的持续推进,地温升高,δ18O更易于偏向更低的值2。碳氧同位素分析表明,研究区二叠系下乌尔禾组砾岩储层中方解石胶结物的碳同位素δ13CPDB数值分布范围较宽,从-2.1‰到-64.9‰均有分布(图6),可以划分为3个区域:第一个区域中,方解石δ13CPDB值整体分布在0‰~-5.4‰之间,偏负程度不大,表明其受烃类影响相对弱,与之对应的稳定氧同位素值为0‰~-16.7‰,偏负程度不大,代表着浅埋藏成岩早期的正常水体环境;第二个区域中,方解石δ13CPDB值整体分布在-32‰~-10‰之间,说明受烃类流体影响显著,对应稳定氧同位素值为-20‰~-16‰,偏负明显,指示深埋藏成岩中期至后期的油气充注;第三个区域出现了极偏负的碳同位素值,δ13CPDB值分布在-32‰~-65‰之间,该特殊现象被HU等32证实为烃类中的甲烷氧化作用。
图6 准噶尔盆地玛南地区二叠系下乌尔禾组砾岩储层C、O同位素

Fig.6 C, O isotopes in conglomerate reservoir of Lower Wuerhe Formation of Permian in Ma’nan area, Junggar Basin

4 成岩流体与成储效应

4.1 成岩流体类型

综合上述研究,可将研究区成岩流体划分为3种类型(图5):
(1)同沉积水—大气淡水混合流体。形成于同生—准同生环境,该类流体的特点是低Mn、δ18O和δ13C值弱负偏(δ13CPDB值介于0‰~-5‰之间)。这类流体中最重要的溶解介质CO2来源于大气淡水和同沉积水2。该阶段的大气淡水主要作用在浅层和近源火山物质,反应形成的碱性流体,促进了碳酸盐矿物及沸石矿物的沉淀胶结。同时由于含有CO2,在近地表条件下可以导致少量硅酸盐矿物和碳酸盐矿物的溶蚀2
(2)含烃流体。形成于中—深埋藏环境下,受烃源岩排烃活动影响较大,特点是高Mn、δ18O和δ13C值负偏明显。尤其δ13CPDB值显著负偏,且变化范围极大,在-32‰~-10‰之间。该类流体主要为烃源岩中富有机酸和CO2的含烃热流,进入储层溶解碳酸盐矿物和碱性矿物,同时伴随次生矿物的形成,与围岩发生同位素交换,致使次生矿物和围岩的同位素组成发生改变2
(3)烃类氧化流体。特征是δ13C值极端负偏,在研究区的部分样品中δ13CPDB值甚至偏至-65‰。根据前人32研究,判断其为深层含烃流体在进入储集层后,其中的甲烷发生了氧化作用。
前人40在研究玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组沸石成因时,测试得到该区浊沸石包裹体均一温度为54.4~115.6 ℃,并以80 ℃为界,区分出了埋藏早期低温成因和埋藏晚期高温成因,并指出“浊沸石成因可能存在 2 期或以上”。本文提出的3种成岩流体类型与之相互印证,其“早期低温、晚期高温成因40”与本文的同沉积水—大气淡水混合流体及深部烃源热流相对应。而烃类氧化流体主要在次生方解石中观察到,且在350 ℃以上的超高温条件下发生32,因此难以被浊沸石包裹体记录。

4.2 成储效应

为了揭示3类成岩流体的成储效果的差异性,本文按照碳氧同位素测试点的深度取相应岩心测试孔隙度,进而对比反映不同流体的增孔效果(表2)。结果表明,3类成岩流体的成储效应不同,当δ13C值未出现极端偏负时,整体上呈现出了随着δ13C值的负偏、孔隙度增加的趋势。
表2 准噶尔盆地玛南地区二叠系下乌尔禾组典型岩心孔隙度

Table 2 Typical core porosity of Lower Wuerhe Formation of Permian in Ma’nan area, Junggar Basin

流体类型 井号 深度/m δ13C/‰ δ18O/‰ 有效孔隙度/%
同沉积水—大气淡水混合流体 MH18 3 643.80 -3.8 -11.5 5.5
MH014 3 737.44 -3.8 -11.6 5.0
MH18 3 681.10 -5.6 -11.9 5.2
MH013 3 643.37 -6.2 -13.3 2.4
MH8 3 479.80 -8.2 -17.6 6.7
MH8 3 353.20 -9.1 -15.3 5.7
含烃流体 MH18 3 686.40 -11.0 -18.6 5.2
MH11 3 557.80 -23.5 -16.0 5.5
MH18 3 641.60 -11.3 -16.8 7.0
MH18 3 686.40 -11.4 -18.3 6.1
MH14 4 111.50 -30.4 -17.9 8.0
MH14 4 111.50 -30.7 -18.0 8.0
MH18 3 640.10 -16.4 -17.4 9.7
MZ7 4 463.96 -20.2 -18.9 12.6
烃类氧化流体 MH14 3 934.90 -58.1 -16.1 7.9
(1)具有同沉积水—大气淡水混合流体特征的样品孔隙度在2.4%~6.7%之间,相对其他样品的孔隙度较低。这是由于同沉积水—大气淡水混合流体在浅埋藏期虽然有微弱溶蚀作用,但玛湖地区在早二叠世为蒸发环境,湖盆水体盐度高46,富含 Mg2+、Ca2+、K+、Na+、SO4 2-等离子,碱性金属离子的沉淀,导致碳酸盐等矿物的大量沉淀,促成胶结物基底式充填于粒间,堵塞了原始孔隙。尽管含有CO2的大气淡水在近地表条件下可以导致碳酸盐矿物的溶蚀,但湖盆盐度高证明了该时期大气淡水供应不足,溶蚀作用不显著,故仍以胶结作用为主。因此,对于储层来说,同沉积水—大气淡水混合流体的成储效应以破坏性为主。
(2)具有含烃流体特征的样品孔隙度在5.2%~12.6%之间,为中孔储层,且δ13CPDB值偏至-20‰时,孔隙度达到最高值,也就意味着含烃流体对砾岩的增孔效果最好。这是由于含烃流体进入储集层后,其中富含的有机酸和CO2对方解石、长石、沸石胶结物进行了溶蚀改造,次生溶孔的大量产生,扩充了岩石的储集空间,因此该类流体的成储效应为建设性。
(3)当δ13C值极端负偏时,即有烃类氧化痕迹时,孔隙度并无明显增加。尽管烃类氧化流体中富含的有机酸也会带来矿物的溶蚀,但导致了甲烷氧化。即来自于深层烃源岩的甲烷在90~135 °C的温度下,被高价锰/铁氧化物热氧化, 释放出了13C极度亏损的CO2,从而导致了甲烷不能规模成藏32。对油气藏来说是破坏性的。
总体上看,含烃流体的增孔效果最好,对砾岩储层的储集性能有改善作用,对优质储层发育有着积极影响。

5 结论

(1)准噶尔盆地玛南地区二叠系下乌尔禾组砾岩储层发育破坏性成岩作用主要包括压实作用、黏土矿物、硅质、钙质及沸石矿物的胶结作用,建设性成岩作用常见沸石与钙质胶结物的溶蚀作用、岩屑及长石碎屑的溶蚀作用。这些成岩作用均与成岩流体息息相关。
(2) 利用Fe、Mn元素区分出了研究区的3种方解石:低铁低锰方解石、高铁低锰方解石和低铁高锰方解石。
(3) C、O同位素示踪分析显示,砾岩储层的成岩流体为3类:同沉积水—大气淡水混合流体(δ18OPDB值弱负偏,δ13CPDB值在0‰~-5‰之间)、含烃流体(δ18OPDB值在-20‰~-16‰之间,δ13CPDB值在-10‰~-32‰之间)和烃类氧化流体(δ18OPDB值在-20‰~-16‰之间,δ13CPDB值在-32‰至-65‰之间)。
(4) C、O同位素示踪分析与岩石物性分析结果显示,同沉积水—大气淡水混合流体对砾岩储层的成储效应以破坏性为主;含烃流体的成储效应为建设性且对砾岩的增孔效果最好,能够改善砾岩储层的储集性能,促进优质储层的发育;烃类氧化流体对油气藏来说是破坏性流体。
(5) 本文建立的成岩流体来源判别标志及成储效应对陆相沉积的砾岩储层具有普适性。
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