榆林气田储层成岩作用与烃类充注期次研究

张文忠

摘要:通过薄片鉴定、X衍射分析、扫描电镜分析等手段,对榆林气田二叠系山西组山2段砂岩储层成岩作用进行了研究。研究表明,压实作用和胶结作用是榆林气田储层物性较差的主要原因。根据包裹体测试结果,结合埋藏史综合分析认为,榆林气田烃类充注主要有4个时期,分别为中三叠世晚期—晚三叠世晚期、晚三叠世晚期—早侏罗世晚期、早侏罗世晚期—晚侏罗世晚期和晚侏罗世晚期—早白垩世晚期。

关键词:成岩作用;流体包裹体;均一温度;上古生界;激光拉曼;榆林气田

中图分类号:TE122.1;122.2文献标识码:A

引 言

鄂尔多斯盆地是中国第2大沉积盆地,是我国重要的石油、天然气、煤层气资源基地,苏里格、靖边、榆林、乌审旗4大气田天然气探明储量超过1 000×10⁸m³[1],其中,榆林和苏里格气田上古生界砂岩气藏已全面投入开发,并成为长庆气田主力产气区。榆林气田上古生界砂岩储层具有低孔隙度和低渗透率的特点,对该气田储层的成岩作用进行研究,有助于探寻储层低孔、低渗成因。另外,前人对榆林气田烃类充注期次的认识存在较大差异,为此,通过流体包裹体均一温度测试和激光拉曼测试,结合埋藏史研究,重新划分了榆林气田烃类充注期次。

1 地质概况及样品采集

榆林气田位于鄂尔多斯盆地东部,构造上位于伊陕斜坡东部,勘探面积约8 500 km²,主力勘探层位为上古生界下二叠统山西组山2段,储集岩为低孔、低渗的石英砂岩和岩屑石英砂岩,烃源岩主要为石炭系—二叠系的暗色泥岩和煤[2-4]。

在8口井的砂岩储层中采集18块样品,磨制了岩石薄片,进行了薄片鉴定、X衍射分析和扫描电镜分析,并依据EJ/T1105-1999矿物流体包裹体温度测定标准,利用LINKAM THMS600型冷热台,在20℃、湿度为30%的条件下对3口井的流体包裹体进行显微测温、测盐,利用LABHR-VIS LABRAM HR800型显微激光拉曼光谱仪在25℃、湿度为30%的条件下对流体包裹体进行激光拉曼光谱分析,旨在对砂岩储层成岩作用和油气的充注期次进行系统研究。

2 碎屑砂岩的岩石学特征

2.1 碎屑组分特征

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩主要为辫状河三角洲平原分流河道沉积,局部发育三角洲前缘水下分流河道砂体,沉积岩性以灰白色和浅灰色石英砂岩、岩屑石英砂岩及岩屑砂岩为主。砂岩成分成熟度较高,石英和岩屑含量较高、长石含量较低:石英含量一般为50%～90%,且多在60%以上,并以单晶石英为主;长石含量低,一般小于1%;岩屑含量一般在10%以上,多为20%～40%,以石英岩屑为主,其次为泥质岩屑、方解石碎屑和喷出岩岩屑。

2.2 填隙物特征

榆林气田二叠系山西组山2段碎屑岩填隙物主要包括杂基和胶结物2类:胶结物类型有硅质胶结物、碳酸盐胶结物(方解石、铁方解石、菱铁矿、白云石和铁白云石)和自生粘土矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石和绿泥石);杂基主要成分包括高岭石、伊利石、蒙脱石、伊/蒙混层矿物和水云母。

2.3 砂岩结构特征

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩具有较高的结构成熟度,以中—细粒砂岩为主,含少量粗砂岩。砂岩分选较好;碎屑颗粒磨圆较高,一般为次棱状或次棱—次圆状;碎屑颗粒接触关系以线接触为主;多数样品为颗粒支撑,孔隙式胶结,少数样品呈压嵌-孔隙式或再生-孔隙式胶结。

3 成岩作用研究

根据《碎屑岩成岩阶段划分》标准[5],榆林气田上古生界砂岩处于中成岩阶段B期,主要经历了压实作用、胶结作用、交代蚀变作用、构造破裂作用和溶蚀作用等5种成岩作用。

3.1 压实作用

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩储层压实作用以机械压实为主,压溶现象少见。压实作用结果表现为颗粒定向排列、塑性颗粒发生变形、刚性颗粒发生破裂和碎屑颗粒接触更加紧密等[6]。砂岩碎屑颗粒间接触关系以线接触为主,少量样品可见凹凸接触和缝合接触。压实作用造成原始孔隙大量损失,随着埋深增加,压实作用还破坏了次生孔隙,使储层物性变差[6]。

3.2 胶结作用

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩储层胶结作用主要为硅质胶结、黏土矿物胶结作用和碳酸盐胶结。胶结作用对储层物性影响具有双重性:胶结物填充粒间孔隙,破坏储层孔渗性;但早期胶结物可以增加砂体抗压实性,胶结物后期溶解能够有效改善储层孔渗性能[7]。

3.2.1 硅质胶结作用

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩储层硅质胶结作用主要表现为石英颗粒的次生加大,在石英含量较高,砂岩粒度较粗,而粘土杂基含量较低的砂岩中,石英次生加大边较为发育。次生加大边与石英颗粒间可见明显的“尘埃线”,局部被烃类物质充填。

3.2.2 黏土矿物胶结作用

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩储层粘土矿物主要为高岭石、绿泥石和伊/蒙混层黏土矿物。高岭石含量一般为1.2%～4.8%,产状包括孔隙沉淀型和岩屑蚀变型2种:孔隙沉淀型高岭石主要形成于残余原生粒间孔较发育且黏土杂基较低的石英砂岩中,晶体粗大,晶体直径可达10～20 μm,晶间孔隙发育,孔隙直径可达10 μm,面孔率可达3%～6%,该类晶间孔是储层主要储集空间之一;岩屑蚀变型高岭石主要由富含长石的岩屑或凝灰质杂基蚀变而成,晶体细小,晶间孔隙少,孔隙直径一般为2～3 μm,面孔率不足1%,蚀变过程中分解出大量硅质,沉淀形成硅质加大或孔隙填充物,使储层更趋致密。绿泥石含量为3.6%～9.6%,有薄膜状和孔隙填充2种充填产状,薄膜状绿泥石往往垂直于颗粒表面生长,包膜厚度一般为2～7 μm,包膜一方面可降低压实造成的孔隙减少,另一方面可减缓石英次生加大的进行,减轻化学压实和沉淀对孔隙的破坏;孔隙填充型绿泥石由火山物质蚀变形成,结晶较粗大。伊/蒙混层黏土矿物含量较高,绝对含量一般为6.0%～9.6%,混层比小于30%。

3.2.3 碳酸盐胶结作用

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩储层碳酸盐胶结物含量一般为0.5%～4.0%,主要有铁方解石、方解石、铁白云石、菱铁矿等4种,以铁方解石胶结最为常见。方解石胶结物可分为早晚2期,早期呈连生式胶结,碎屑颗粒呈漂浮状分布于方解石胶结物中,极少量碎屑石英边部发育次生加大边;晚期主要为铁方解石,胶结方式以孔隙充填为特征,呈不规则状分布于以线状和凹凸状接触为主的碎屑颗粒之间。碳酸盐胶结物对砂岩中孔隙具有严重破坏作用。

3.3 交代蚀变作用

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩储层交代作用主要为碎屑颗粒的碳酸盐化和黏土化,在深埋交代以后,蚀变作用强烈,碎屑和杂基中不稳定组分发生显著变化,黏土杂基常蚀变为高岭石,火山物质或高岭石化或绢云母化或蚀变为水黑云母。

3.4 构造破裂作用

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩沉积之后,经历了印支、燕山、喜山等3次大型构造运动,沉积砂体中产生多期拉张缝和剪切缝,镜下常见构造应力产生的微裂缝。山2段储层普遍为低渗储层,裂缝的发育和存在对改善储层储集性能具有积极而重要的作用。

3.5 溶蚀作用

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩储层溶蚀作用包括岩屑的溶解、碳酸盐胶结物的溶解、交代物的溶解和杂基的溶解等[8]。岩屑多表现为内部呈蜂窝状。部分岩心薄片中长石沿颗粒边缘或解理甚至颗粒内部发生溶蚀,部分长石颗粒仅剩颗粒残余或钠长石化部分。石英颗粒的边缘和次生加大边的溶蚀呈港湾状。储层平均溶蚀孔隙度达4%～5%,成为次生孔隙形成的主要因素,大大改善了山西组砂岩储层孔渗条件,榆林气田山2段储层孔隙度为5%～13%[9],平均为5.36%。

4 流体包裹体特征

4.1 包裹体类型、产状及分布形态

榆林气田二叠系山西组山2段砂岩储层流体包裹体赋存矿物的产状主要有砂岩石英颗粒、石英次生加大边和方解石胶结物。包裹体类型主要包括盐水包裹体、含烃盐水包裹体、CO₂包裹体、含烃CO₂包裹体、气态烃包裹体、液态烃包裹体和气液烃包裹体。包裹体形态有圆形、椭圆形、次棱角形、长条形、半圆形、负晶形及不规则形等。包裹体分布形态主要有沿切穿及加大边(未切穿)的微裂隙成带分布、沿切穿颗粒的微裂隙分布、沿微裂隙孤立分布、沿微裂隙带状分布、沿微裂隙线状分布、零星分布及成群分布等。

4.2 包裹体均一温度和盐度

4.2.1 均一温度

沉积盆地中与油气有关的流体包裹体形成温度相对较低,可以不对均一温度测量结果进行压力校正[10],同期盐水包裹体均一温度即可代表储层中天然气包裹体形成温度[11]。榆林气田上古生界砂岩储层包裹体均一温度显示75～165℃均有烃类流体活动,反映天然气成藏是一个连续过程(图1)。

4.2.2 盐度

盐度的大小通常根据所测盐水溶液冰点来确定。对于NaCl质量分数小于23.3%的低盐度水溶液,根据冰点计算盐度常用的方法有相图投影法、Bodnar冷冻温度-盐度换算表法和公式法[12]。包裹体盐度计算表明:榆林气田上古生界储层包裹体盐度分布范围为0.53%～14.67%,分布范围较广,无明显的峰值,反映烃类充注期次较多,充注过程持续时间较长。

4.3 包裹体激光拉曼光谱分析

根据榆林气田上古生界储层中包裹体激光拉曼组分分析结果,对该地区的包裹体进行成分分类,主要包括3种类型。

(1) 富CO₂包裹体。榆林气田上古生界储层中该类包裹体成分以CO₂为主,次为N₂、CH₄和H₂O等,CO₂质量分数占60%以上,主要赋存于早期石英次生加大边及早期石英微裂隙中,镜下观察呈灰色。富CO₂包裹体占所观察包裹体总数的20%。

(2) 富CH₄包裹体。榆林气田上古生界储层中该类包裹体以CH₄为主,次为N₂、CO₂、C₂～C₆烃和H₂O等,CH₄质量分数占70%以上,主要发育于石英次生加大期后,沿石英颗粒中的微裂隙成线状或带状分布,或成群分布于方解石胶结物中,镜下观察呈灰色、深灰色。富CH₄包裹体占所观察包裹体总数的70%。

(3) 富高饱和烃包裹体。榆林气田上古生界储层中该类包裹体以高饱和烃为主,次为N₂、CO₂、CH₄和H₂O等,高饱和烃质量分数占80%以上,主要发育于石英次生加大早期,沿石英次生加大边内侧成带状分布,镜下观察呈深褐色。富高饱和烃包裹体占所观察包裹体总数的10%。

4.4 包裹体共生组合关系

常见包裹体共生组合有5种:①气态烃包裹体与盐水溶液包裹体共生组合;②液态烃包裹体与盐水溶液包裹体共生组合;③气液烃包裹体与盐水溶液包裹体共生组合;④气液烃、气烃包裹体与盐水溶液包裹体共生组合;⑤富CO₂包裹体与盐水溶液包裹体共生组合。榆林地区上古生界储层包裹体共生组合类型以气态烃包裹体与盐水溶液包裹体共生组合和液态烃包裹体与盐水溶液包裹体共生组合为主,偶见气液烃包裹体与盐水溶液包裹体共生组合。

5 油气充注与天然气成藏

将各期与油、气包裹体相伴生的同期盐水包裹体均一温度作为油气被捕获时的最低古地层温度,将其和包含古地温演化的埋藏史图结合在一起,即可采用流体包裹体方法间接确定各期油气成藏时期[13]。

烃源岩生烃史与流体包裹体形成时期通常存在一定的对应关系[14],生烃早期常形成液态富含CO₂的包裹体,中期常形成富含高饱和烃的包裹体,晚期常形成富含CH₄的包裹体。包裹体均一温度显示,榆林气田二叠系山西组砂岩储层在75～165℃均有烃类流体活动,但可以分为4个主要温度段:第1个温度段为75～90℃,所形成包裹体主要为富含CO₂的包裹体,包裹体中烃类成分较少,且主要为液态烃,成藏时间为220～203 Ma前;第2个温度段为90～120℃,所形成包裹体主要为液态烃包裹体,少量气态烃包裹体,成藏时间为203～175 Ma前;第3个温度段为120～130℃,所形成包裹体主要为气态烃包裹体,少量液态烃包裹体,成藏时间为175～154 Ma前;第4个温度段为130～165℃,所形成包裹体均为气态烃包裹体,成藏时间为154～96 Ma前(图2)。

综合分析认为,榆林地区上古生界烃源岩在晚三叠世末开始生烃和排烃;侏罗纪末基本达到生烃高峰;早白垩世快速沉降使地层温度迅速增高,继续大量生气和排气,同时,早期生成的油在高温高压条件下溶解于天然气中形成凝析气;早白垩世后,鄂尔多斯盆地地层整体抬升,气藏整体进入散失期,气藏压力逐渐降低,形成现今低孔、低渗常压气藏。

6 结 论

(1) 榆林气田上古生界储层砂岩主要为灰白色、浅灰色石英砂岩、岩屑石英砂岩和岩屑砂岩,成岩过程主要经历了压实作用、胶结作用、交代蚀变作用、构造破裂作用和溶蚀作用等5种成岩作用,处于中成岩阶段B期,储层物性以低孔低渗为主要特征,压实作用和胶结作用是该气田物性较差的主要原因。

(2) 上古生界砂岩储层中共捕获了7种流体包裹体,赋存矿物的产状主要有4种,激光拉曼测试表明,含烃CO₂包裹体、富CH₄气态烃包裹体和富高饱和液态烃包裹体是该地区有机包裹体的主要类型。

(3) 榆林气田上古生界天然气藏的烃类充注主要有4期:①220～203 Ma(中三叠世晚期—晚三叠世晚期),烃类均为液态烃;②203～175 Ma(晚三叠世晚期—早侏罗世晚期),为液态烃和湿气,以液态烃为主;③175～154 Ma(早侏罗世晚期—晚侏罗世晚期),为液态烃和湿气,以湿气为主;④154～96 Ma(晚侏罗世晚期—早白垩世晚期),烃类均为天然气,同时早期生成的油在高温高压条件下溶解在天然气中形成凝析气。

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编辑 董志刚