引用本文

Gui Lili,Zhao Mengjun,Liu Keyu,et al.Reservoir fluid evolution and hydrocarbon charge history of the Gasi E13 Oilfield,southwestern Qaidam Basin[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(2):289-297,319.[桂丽黎,赵孟军,刘可禹,等.柴达木盆地尕斯地区古近系砂岩储层流体—成藏演化特征[J].天然气地球科学,2016,27(2):289-297,319.]
doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2016.02.0289

柴达木盆地尕斯地区古近系砂岩储层流体—成藏演化特征

桂丽黎1,2 ,赵孟军1,2 ,刘可禹1,2,3,罗秘4,孟庆洋1,2,袁莉5, 郝加庆1,2 

摘要  
柴达木盆地西南部尕斯地区古近系下部(下干柴沟组下段,E13)砂岩油藏是柴达木盆地主力油藏之一。以跃检1井为例,通过多功能显微镜、阴极发光、扫描电镜、X-射线衍射、包裹体测温等手段的应用,对储层的岩性、自生矿物、成岩共生序列、烃类包裹体分布及期次等进行了系统分析,研究了储层的流体—成藏演化特征。结果表明,储层砂岩主要为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩,成岩共生序列为早期方解石/黏土包壳→长石溶蚀/石英加大→长石加大/晚期方解石→长石加大溶蚀/微晶石英→白云石→晚期绿泥石→硬石膏;储层流体经历了碱性—酸性—碱性—弱酸性—碱性的演化过程。其中酸性流体包括了黄色荧光和蓝色荧光气液烃包裹体所代表的2期油气充注,捕获时间分别为28Ma和8Ma;结合构造演化史与油气地球化学特征,提出了尕斯E13油藏经历了上干柴沟组(N1)低熟原油和上油砂山组(N22)至现今的2期油气调整改造的成藏过程。

关键词 砂岩储层特征       流体演化过程       油气包裹体       成藏过程       古近系       尕斯油田      

中图分类号:TE122.3      文献标志码:A      文章编号:1672-1926(2016)02-0289-09

Reservoir fluid evolution and hydrocarbon charge historyof the Gasi E13 Oilfield,southwestern Qaidam Basin

Gui Li-li1,2 ,Zhao Meng-jun1,2 ,Liu Ke-yu1,2,3,Luo Mi4,Meng Qing-yang1,2,Yuan Li5,Hao Jia-qing1,2 

Abstract  
The Gasi Oilfield is a major petroleum province in the Qaidam Basin.The hydrocarbon charge history of the Gasi E13 Oilfield was studied through a detailed reservoir diagenesis and fluid inclusion investigation using optical microscopy,Cathodoluminescence(CL) microscopy,scanning electron microscopy(SEM),XRD,fluid inclusion petrography and microthermometry.The reservoir diagenetic diagenesis comprises the following sequence:an early calcite/Clay

Key words cladding→Feldspar dissolution/quartz overgrowth→;      

引言

柴达木盆地地形复杂,勘探程度相对较低,前人对柴西地区油气勘探的研究主要集中在构造活动和主控因素[1-4]、油源[5,6]及成藏期次[7]等方面。柴西南地区碎屑岩储层以薄、多、散、杂为特征[8],由于储层的复杂性,对其认识与分析难度较大,对储层的研究仅集中在沉积相特征[9,10]及储层物性[11,12]2个方面,其成岩—成藏演化过程有待于进一步研究。 尕斯E13油藏位于柴达木盆地茫崖凹陷内,是柴达木地区最有利的勘探区带之一[4]。尕斯地区跃检1井E13储层成岩作用较为典型,发育大量的气液烃包裹体。系统分析尕斯地区2套巨厚泥岩夹的E13储层砂岩类型,通过成岩作用判断流体演化过程[13-16],通过酸性流体进入孔隙中所留下的一些岩石学证据来判断油气成藏期次[17-19],以及通过流体包裹体分析[20 ],建立包裹体与捕获它的主矿物之间的相对时间关系[21-24],重建油气储层成岩—成藏演化史系。通过研究区储层流体演化和成藏期次的分析,对相邻勘探程度较低区域的油气充注规律及分布有一定的指示意义。

1 地质背景

柴达木盆地位于青藏高原北部,是我国西部的一个富油气盆地,其西南(柴西)地区是盆地原油勘探的主战场,具有南北分带,东西分块的构造格局,包括北部断块带、茫崖坳陷、三湖坳陷和德令哈坳陷共4个一级构造单元[1,2 ] 。 尕斯库勒油田位于西南部茫崖拗陷区(图1),是一长期继承性发育的基岩隆起同沉积背斜,油源

图1     尕斯油田构造位置[25]
Fig.1     Simplified geological map of the Gasi Oilfield, Qaidam Basin,western China[25]

充足,储层发育,并具有良好的生储盖组合[25 ]。储层主要发育于下干柴沟组下段(E13)和上干柴沟组下段(N11)—下油砂山组(N12),其单层厚度一般<10m,发育程度主要受阿尔金、昆仑山物源区水系控制[12 ],油藏自上而下分为N1—N12、E23、E13共3套[26 ]。其中,尕斯E13油藏是1958年地震勘探发现的一个潜伏构造,为一构造完整、轴向近南北的背斜构造,构造轴部较平坦,两翼不对称,西陡东缓[25 ]。储层的沉积类型为三角洲沉积,孔隙结构以次生孔隙为主,原生孔隙次之[27,28 ]

2 样品与分析

40件岩心样品采自尕斯地区跃检1井(图2),取样深度为3 228.9~3 247.7m。在采集的样品中,选取14件砂岩样品切制普通薄片,通过薄片鉴定、扫描电镜观察、X-射线衍射分析等,观察其骨架碎屑含量和自生矿物特征,确定岩石类型与胶结物类型,并统计骨架碎屑和主要自生矿物含量,在此基础上系统探讨成岩作用对该区储层的影响。其中,骨架碎屑含量采用单个薄片记点法(大于300个颗粒),自生矿物含量为10个视域面估法和100个刻度线估法的平均值。从14件砂岩样品中选取包裹体发育丰度较高、类型较为全面的3个样品进行了系统的包裹体观察及冷热台测温,确定油气充注期次及时间。并选择10件样品进行扫描电镜分析。其中,多功能显微镜型号为Zeiss Axioskoplinkam;X-射线衍射及全岩分析仪器分别为D/max-2500及TTR;SEM扫描电镜型号为81W/AIS2100。冷热台为液氮型,型号为LINKAM TMS 94。

图2     尕斯跃检1井砂岩骨架碎屑分类
Fig.2     Classification ternary diagram of the sandstones

3 储层岩石学特征

3.1 骨架碎屑成分

碎屑颗粒主要为石英、长石和岩屑,组成矿物包括石英(25.6%~56.1%)、斜长石(9.5%~28.2%) 以及钾长石(0.6%~8.1%)。碎屑石英的含量为37%~44%,以单晶石英为主,石英加大发育[图3(e)],见少量多晶石英。碎屑长石含量为28%~36%,以斜长石为主,包括少量的钾长石(表1),风化程度[图3(a)]和溶蚀程度[图3(d)]较高。岩屑含量为20%~28%,以各种火山岩类(熔岩和凝灰岩)和浅变质岩类(片岩类、千枚岩、板岩、石英质岩等)等塑性岩屑为主。岩石定名为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩(图2)。骨架颗粒磨圆程度较差,多为棱角状和次棱角状,分选程度中等,粒径集中在0.05~0.15mm之间,以粉—细砂级为主。储层砂岩的孔隙度主要集中在10%~15%之间,均值为13.37%,最大值为19.95%;渗透率集中在(0.29~57.44)×10-3μm2之间,均值为21.93×10-3μm2,最大值为96.82×10-3μm2,为低孔中渗储层。

图3     自生矿物特征及成岩序列
Fig.3     Characteristic photomicrographs showing the diagenesis sequence C1为早期方解石;C2为晚期方解石;OQ为石英加大;F2为长石加大;I为伊利石;Ank为白云石;Anh为硬石膏;Chl为绿泥石;Q2为微晶石英
(a)3 246.2m,泥晶碳酸盐大量分布;(b)3 247.1m,晚期方解石交代早期方解石(上为正交偏光,下为阴极发光);(c)3 246.2m,绿泥石包壳;(d)长石淋滤;(e)3 246.2m,方解石交代石英次生加大;(f)3 246.2m,钾长石次生加大溶蚀; (g)3 246.2m,白云石,(阴极发光);(h)3 246.2m,颗粒间绿泥石重结晶;(i)3 246.7m,硬石膏致密充晚于白云石充填

3.2 自生矿物

3.2.1 碳酸盐类

方解石含量为6%~29%,主要分为2类:一类为泥晶方解石,其紧贴颗粒边缘发育,交代长石和岩屑[图3(a)];另一类为亮晶方解石[图3(b)],交代石英次生加大[图3(e)]。白云石占总矿物含量的1%~3%,主要以孔隙充填方式存在[图3(g)]。

3.2.2 黏土矿物

黏土矿物(8%~23%)包括绿泥石和伊利石(表2)。大多以泥质沉淀为主,以包壳的形式存在[图3(c)],后期发生重结晶作用[图3(h)]。其中伊利石的相对含量在63%~88%之间,绿泥石相对含量范围为12%~43%。

3.2.3 次生石英和长石加大

石英次生加大和微晶石英发育。石英次生加大黏土线清晰,较自形且被方解石交代[图3(e)]。长石次生加大发育在溶蚀后的长石边部,并见微弱的溶蚀现象[图3(f)]。

3.2.4 硬石膏

硬石膏为硫酸盐矿物,成分为CaSO4,斜方晶系,晶体呈柱状或厚板状。薄片中硬石膏交代碎屑 颗粒的现象较普遍,交代作用主要沿颗粒边缘和裂

表1     矿物成分数据统计
Table 1     Summary data of clastic constituents and clay minerals contents
编号深度/m骨架碎屑相对含量/%自生矿物含量/%黏土矿物相对含量/%
石英长石岩屑方解石黏土石英加大硬石膏伊利石绿泥石
yj1-13 228.93933282023167822
yj1-23 232.441332613.3161/7327
yj1-33 234.241362329182/8812
yj1-43 237.142342416.7211/8317
yj1-53 237.443332413201/7426
yj1-63 241.84431257182/6832
yj1-73 242.74436207.3143/6040
yj1-83 246.2372835613236337
yj1-93 246.7402832612265743
yj1-113 247.14129308.815326535
yj1-103 247.343292811.210326436
yj1-123 247.74429279.98416337
隙进行[图3(i)]。

3.3 成岩序列

黏土矿物包壳为本区最早形成的成岩产物,主要以颗粒包壳的形式产出,并且充填于压实作用形成的缝合线处,说明黏土矿物包壳形成时间早于压实作用。之后,方解石以孔隙充填的方式大量产出[图3(a)],并且交代石英、长石等碎屑颗粒,说明其形成时间较早,但晚于黏土矿物包壳。研究区内酸性流体充注引起的长石溶蚀现象非常发育[图3(d)],并且与石英次生加大边一起产出[图3(e)],说明两者很可能为同期形成的成岩作用产物。此外,长石的酸性溶蚀可以为石英次生加大提供充足的Si来源。随着埋藏深度和成岩作用的进行,成岩流体环境逐渐过渡到碱性条件,导致早期形成的泥晶方解石发生重结晶作用形成亮晶方解石,并以连晶结构产出,且交代早期方解石[图3(b)]和石英次生加大[图3(e)],说明亮晶方解石形成晚于次生石英加大。此外,长石的次生加大现象也非常发育[图3(f)],加大边可见有酸性流体导致的溶蚀现象产生,再加上局部形成的微晶石英[图3(h)],成为研究区第二次酸性流体充注的证据。通常情况下认为,铁白云石[图3(g)]是晚期成岩作用产物,因为其中的铁来自与成岩后期含铁、镁黏土矿物的转换。镜下观察表明:绿泥石充填于铁白云石沉淀后的孔隙中,说明其形成时间晚于铁白云石。此外,硬石膏以连晶结构大量的沉淀于孔隙中,并且交代方解石和铁白云石,说明硬石膏是最晚形成的成岩作用产物(图4)。 综上所述,柴达木西部尕斯地区E13成岩序列为: 黏土包壳/早期方解石→长石溶蚀/石英次生加大→晚期方解石/长石加大→次生长石溶蚀→白云石→硬石膏。

图4     成岩序列及流体演化
Fig.4     Paragenetic sequence and fluid evolution chart

4 储层气液烃包裹体特征

研究区烃类包裹体多分布在石英与长石的愈合裂隙和加大边以及碳酸盐胶结物中,在石英微裂隙中则最为常见。结合荧光颜色、产状及气液比等特征将研究区烃类包裹体分为2类,分别为黄色荧光气液烃包裹体以及蓝色荧光气液烃包裹体(图5)。 黄色荧光气液烃主要发育于石英加大缝合线[图5(a)]和石英次生加大中[图5(b)],气液比较小[图5(c)],发育范围较大,丰度较高。蓝色荧光气液烃包裹体发育石英愈合裂隙中[图5(a)]和石英次生加大充填后的孔隙胶结物中[图5(b)],气液比较大[图5(d)],相对发育范围较小,丰度随埋深增加而减小。综上所述,说明黄色荧光烃包裹体发育早于石英次生加大,且代表的油气充注强度较大,而蓝色荧光烃包裹体发育晚于石英次生加大,且代表的油气充注强度较低。 通过将包裹体加热到均一相获得均一温度,并结合埋藏史温度演化可以反演包裹体捕获的时间[29,30 ] 。如图6所示,第一期黄色荧光气液烃包裹体的均一温度分布范围为67.5~ 94.3℃,第二期蓝色荧光气液烃包裹体均一温度范围为101.5~121℃。黄色荧光包裹体伴生的盐水包裹体最低均一温度为73.5℃,大致代表了28Ma早期相对低成熟油气开始充注,同时蓝色荧光包裹体伴生盐水包裹体最低均一温度为104.7℃,代表了8Ma第二期相对较高成熟度油气充注(图7)。

图5     烃类包裹体特征及赋存状态(跃检1井,3 232.4m)
Fig.5     Typical hydrocarbon inclusions and their occurrence(well Yuejian1,3 234m)
(a)2类包裹体发育,紫外光(UV);(b)黄色荧光包裹体发育在石英次生加大前,气液比8%,UV;(c)黄色荧光油气包裹体,气液比5%,紫外光(UV);(d)黄绿色荧光油气包裹体,气液比8%,UV

图6     包裹体测温结果及油气充注期次
Fig.6     Distribution of fluid inclusion homogenization temperature and hydrocarbon charge timing

5 讨论

5.1 流体演化过程及对储层影响

方解石在碱性流体中易于沉淀[17],早期的泥晶方解石以及晚期连生方解石和孔隙充填方解石,代表了富Ca2+的碱性流体环境。长石的溶蚀作用与酸性水淋滤作用和油气的注入有关。研究区长石的溶蚀作用十分发育,长石在溶蚀过程中,可以产生出大量的Si和K,其中Si为石英加大的形成提供了物质来源。油气充注后期,地层水逐渐转变为咸化的碱性流体。此时成岩流体体系中的Al3+和Na+、K+结合形成长石次生加大, Ca2+与CO2-3结合形成了晚期的亮晶方解石。伴随第二次油气流体的充注,局部地层中的成岩流体转化为弱碱性,长石及长石加大边发生溶蚀作用,析出的硅质为微晶石英的形成提供了物质基础。随着成岩流体环境的变化,次生长石溶蚀形成的Al3+与Fe2+、Mg2+结合形成了绿泥石,方解石溶解形成的CO2-3与Fe2+、 Mg2+结合形成白云石(铁白云石),或者与含有SO2-4的流体结合形成硬石膏。现今砂岩所处的地层水呈碱性,Na+和K+、Ca2+、Cl-、HCO-3SO2-4浓度高于海水数倍,矿化度可达316g/L,进一步说明成岩晚期的白云石和硬石膏形成于碱性流体环境。黏土矿物中普遍缺少高岭石,这也与研究区特殊的盐湖沉积成岩环境有关,在这种沉积环境下,地层水偏碱性,水介质中富含K+离子,因此在埋藏成岩过程中高岭石不易形成,而是极易向伊利石转化。 综上所述,研究区的成岩组合为:碱性流体阶段的早期方解石—黏土矿物组合;酸性流体环境下的长石溶蚀—石英加大组合;回归碱性环境的次生长石和方解石(铁方解石)组合;代表第二期酸性条件的次生长石溶蚀—微晶石英组合;晚期的绿泥石—白云石(铁白云石)—硬石膏组合,反映流体演化经历了碱性—酸性—碱性—弱酸性—碱性的过程。 研究区主要发育的自生矿物依次为黏土矿物、方解石和少量的石英次生加大,其黏土矿物主要以伊利石为主,绿泥石含量较少。通常,储层的物性会随着胶结物的增多而变差,但是不同类型的胶结物对储层物性的影响也不尽相同。由图7可见,黏土矿物和方解石含量与孔渗为负相关关系,绿泥石的含量与孔渗为正相关关系。 黏土矿物多为碎屑成因,后期在成岩过程中逐 渐转变为伊利石和绿泥石。从图7中可以看出黏土 矿物含量及其伊利石相对含量与孔渗为负相关关

图7     组成岩石矿物与孔渗之间的关系
Fig.7     Relationship between the mineral composition and porosity and permeability Q2为石英次生加大的含量(显微镜下统计);CC为方解石的含量(显微镜下统计);Clay为的绝对含量(X-射线衍射分析); Cab为绿泥石的相对含量(X-射线衍射分析):Iab为伊利石的相对含量(X-射线衍射分析)

系,绿泥石的含量与孔渗为正相关。黏土矿物可以充填孔隙空间减少孔隙度,在成岩条件相同的情况下,黏土含量越高储层性能越差,孔隙度和渗透率越低[31]。研究区黏土矿物的含量为8%~23%,平均为15.67%,黏土含量较高导致储集性能较差。另外,不同的黏土矿物类型对储层的影响也不同[32]。黏土矿物中发育大量伊利石(表1,图7),以碎屑成因为主伊利石充填孔隙时会堵塞喉道从而降低渗透率,部分自生伊利石呈丝状进入孔隙后会增加流体流动时候的通道阻力,所以伊利石的发育导致储层物性变差。绿泥石多贴附颗粒生长[图3(c)],后期发生转变[图3(h)],绿泥石虽然占据孔隙空间,但是它贴附于颗粒表面生长会抑制石英及其他自生矿物的发育,故其含量与储层物性正相关。 一般而言,来自物源区的矿物经过长距离的搬运,往往表现为晶形粗糙、单个晶体边缘圆化,并且多数发生了蚀变作用,导致形态、形貌较差。而在所研究的样品中,碳酸盐矿物[图3(b),3(g)]和石英次生加大[图3(e)]具有较好的晶形,并且孔隙中无碎屑黏土矿土混杂,为自生矿物。根据孔渗与主要成岩矿物之间的关系(图7),可见方解石含量与孔渗为负相关,石英次生加大和孔渗具负相关性但是不明显。钙质和硅质胶结对储层的物性起到破坏作用,研究区方解石多以孔隙充填的方式存在[图3(a)],与交代作用相比[图3(b)],孔隙充填对孔渗的破坏作用较大,故其含量与孔深为负相关关系。石英次生加大含量较低,明显受到了黏土矿物包壳的抑制。同时,石英次生加大虽然占据了一部分孔隙的空间但是可以增加储层的刚性抑制压实作用对储层的破坏,所以研究区石英次生加大对储层的物性影响较小。

5.2 油气成藏过程

酸性流体进入孔隙中可以改变储层物性,并可留下一些岩石学证据来判断油气成藏期次[17-19 ] 。通过成岩序列及2期包裹体发育说明该区存在2次酸性流体充注(图4)。根据长石溶蚀的规模和包裹体发育丰度的差异可知早期油气充注强度较大。烃包裹体测温结果显示尕斯E13油藏储层存在明显的28Ma和8Ma的2期成藏过程(图6),对应地质时期应为N1末期及N22以来(图8)。 柴达木盆地西南部经历了始新世中期到中新世早期(43.8~22Ma)和中新世中期到现今(14.9~ 0Ma)2次大规模的构造运动[25]。临近尕斯油藏茫崖坳陷的E13烃源岩在N1进入生烃门限[5],尕斯库勒地区圈闭构造在基岩隆起背景上从渐新世开始发育,N1末期定型,N22-Q1+2的晚期喜马拉雅运动对其产生明显的改造和破坏,浅部被油砂山断裂的上盘所叠合。结合构造演化历史说明该区油气成藏主要经历以下2个阶段(图7):①上干柴沟组沉积末期(N1末期)圈闭雏形发育,较早期低成熟的油气开始运聚成藏,对应包裹体观察中第一期低成熟的黄色荧光气液烃包裹体;直至N12时期,早期圈闭定型,古油藏发育。②油气成藏后,经历了晚期喜马拉雅运动(N22—Q1+2),此时早期的油藏原油沿着断裂和裂缝向构造高部位运移。因此,尕斯E13油藏经历了上柴干沟组(N1)低成熟原油的充注和上油砂山组(N22)至今的油气调整成藏过程。

图8     尕斯地区油气演化过程模式
Fig.8     Oil and gas accumulation model for the Gasi Oilfield in the Qaidam Basin

由于该构造是一长期继承性背斜构造,茫崖坳陷E13的烃源岩[5]在N1进入生烃门限时构造已具备了捕获油气的能力,此时圈闭已基本定型,时间配置条件优越。又由于构造紧邻XI号深大断裂带,长期与油源区沟通,圈源空间匹配,沟通条件也好。油气成藏后,经历了晚期喜马拉雅运动,但未受到明显破坏和改造,说明尕斯及临近地区深层构造带的油气勘探潜力巨大。

6 结论

(1)柴达木盆地尕斯地区古近系砂岩储层岩性为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩,成岩共生序列为早期方解石/黏土矿物包壳→长石溶蚀/石英加大→长石加大/晚期方解石→长石加大溶蚀/微晶石英→白云石→晚期绿泥石→硬石膏,反映流体经历了碱性—酸性—碱性—弱酸性—碱性的演化过程。其中,石英次生加大及绿泥石的含量与孔渗为正相关,而方解石与伊利石的含量与孔渗为负相关关系。 (2)2期酸性流体分别为黄色荧光气液烃和蓝色荧光气液烃分别代表了28Ma的油气较大规模油气充注和8Ma较小规模的油气充注。说明尕斯E13油藏经历了上干柴沟组(N1)低成熟原油的充注和上油砂山组(N22)至今的油气改造调整的成藏过程,深层构造带的油气勘探潜力巨大。

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