西昌盆地上三叠统白果湾组砂岩储层次生孔隙成因探讨

发布网友 发布时间：2022-04-22 08:59

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热心网友 时间：2023-09-19 22:11

在碎屑岩储层孔隙成因研究中，大多强调相控和地表淡水淋滤作用。近年来，随着油气勘探和研究的深入，进一步认识到孔隙可形成于埋藏成岩过程中（覃建雄，1994;Mazzullo et al.,1992）。无论是先期孔隙再改造产生的溶蚀扩大孔隙，还是经后期溶解形成的新增孔隙，数量都很可观。国外诸多学者（Surdam et al.,1984;Mazzullo et al.,1991;Kupecz et al.,1987;Crossey et al.,1987;Machel,1989;Surdam,1994）对次生孔隙作了较详细讨论，并强调有机质热成熟过程中产生的有机酸在深埋溶解作用中的重要性。本书运用沉积学和稳定同位素、流体包裹体等技术和方法，详细阐述西昌盆地上三叠统白果湾组砂岩储层的成岩组构和次生孔隙的类型、产状、分布、结构特征及共生关系，进而对次生孔隙的成因机理进行全面探讨，并提出砂岩储层发育过程中溶解营力多源性、溶解机理多样性和溶解作用多期性叠加改造等3种模式。

6.4.1　地质概况

西昌盆地位于扬子地台西缘。上三叠统白果湾组（仅保存上亚组）埋深3000～16000m，厚200～10000m，为陆相含煤碎屑岩沉积，成层较稳定，分布较广泛。与上覆下侏罗统益门组呈平行不整合接触，与下伏中三叠统雷口坡组在盆地东部呈平行不整合，而在盆地中、西部由东至西逐渐超覆在上二叠统峨眉山玄武岩、上震旦统灯影组及寒武系之上。地层自北向南厚度减薄，自西向东逐渐简单化。

盆地西部储层由冲积扇裙、河流及河湖相沉积（图6.9）构成（张长俊等，1994），厚度变化大，岩性复杂，结构较粗，成分成熟度和结构成熟度较低。通常由河湖三角洲前缘亚相粗粒岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩、（长石）岩屑石英砂岩及长石砂岩和滨浅湖（滩）相细、中粒岩屑石英砂岩、长石石英砂岩构成区内主要的储集岩类型。

图6.9　西昌盆地晚三叠世白果湾期沉积相图

1—剖面位置；2—地层界线；3—等厚线（m）；4—海侵方向；5—半深湖相；6—冲积扇；7—深湖相；8—泥岩；9—粉砂质泥岩

区内砂岩储层经历多期构造运动和成岩事件的叠加改造。晚三叠世为储层沉积成岩时期，主要表现为压实压溶、胶结充填和自生矿物的形成等作用，孔隙度急剧降低。三叠纪末，印支运动第Ⅰ幕导致NW向构造裂隙的发育，因构造应力的影响，地下同源流体活跃，造成早期埋藏溶解作用和埋藏胶结充填作用，孔渗性有所改善。白垩纪中期，由于燕山运动的影响，造成NE向构造裂隙及相关圈闭条件的发育，烃源岩有机质大量成熟，产生大量有机酸、CO₂和H₂S，造成中期埋藏溶解作用等，孔隙度明显提高。古近纪末，喜马拉雅运动除造成NNE向构造裂隙和相关圈闭条件发育外，也大大促进了石油的大量生成、运移和聚集，石油与储层中的矿物氧化剂之间发生氧化还原反应，产生大量有机酸，导致晚期埋藏溶解作用和埋藏胶结充填作用，孔隙度剧增。上述诸构造、成岩事件为区内储层次生孔隙的发育和保存提供了有利条件。

6.4.2　次生孔隙组构特征及分布

根据成岩组构和孔隙结构特征，储层埋藏次生孔隙可划分为组构型孔隙和非组构型孔隙两大类，每个大类可包括若干个孔隙类型。次生孔隙类型很大程度上取决于岩石的结构－成因类型。在亮晶胶结砂岩中，常常发育组构型为主的次生孔隙。例如盆地北部越西裤裆沟剖面和中部昭觉瓦井剖面（图6.9），河湖三角洲前缘亚相和湖滩亚相亮晶砂岩中，广泛发育粒间溶蚀扩大孔隙、粒内溶孔、颗粒（胶结物）铸模孔等。此外，亮晶胶结砂岩中亦可见组构型和非组构型孔隙同时发育。在泥微晶砂岩中，主要发育非组构型孔隙。例如在南部普格西罗剖面，次深湖、浅湖亚相泥晶砂岩中，沿构造缝隙、节理、层理面及水力破碎裂隙发育有各种溶蚀孔、洞和缝，此外，含较多杂基淋滤孔隙。

区内次生孔隙平面上的分布受古地形、沉积相及构造发育状况控制。同一层位在不同地区其孔渗性存在明显差异。据统计，盆地中部地区（昭觉瓦井剖面）的平均孔隙度（9.18%）和渗透率（6.8×10^-6μm²）高于南部地区（普格西罗剖面，4.66%,3.66×10^-6μm²）和北部地区（越西裤裆沟剖面，3.87%,4.9×10^-6μm²）。从次生孔隙结构及成因类型上看，北、中部（剖面）除发育溶蚀扩大粒间孔洞外，还发育溶蚀（扩大）缝隙。此外，同一层位不同地区次生孔隙的充填程度和充填矿物类型亦不同。北、中部次生孔隙大多未充填至半充填，充填矿物以残余沥青、黄铁矿、绿泥石和铁白云石为主。南部次生孔隙大多全被充填，少数半充填，充填矿物以自生粘土矿物、石英、萤石和铁白云石为主。

次生孔隙纵向上的分布具有一定的分带性。在5000～10000m深度范围内，有5000～5500m、5570～5600m、5660～5690m、5700～5780m和5800～5856m等段为次生孔隙发育带。5900m以下孔隙度＜3%。

6.4.3　次生孔隙成因体系

根据孔隙结构、共生关系以及相应的成岩体系和沉积地球化学特征，区内储层次生孔隙可分为3种成因体系。

Ⅰ型多见于南部，呈分散状，不受沉积相和层位的影响，有效孔隙度低，储集意义较小。以“后期热液改造型孔隙”为主，孔隙多呈伸长状、舌状。孔径最大2～5mm，最小＜0.1mm，一般0.5～1mm。主要沿各种成岩缝隙、构造裂隙和水力破碎带分布。孔隙大多被全充填，少数半充填，充填矿物类型多样，主要有铁白云石、铁方解石、萤石、石英、重晶石、天青石等矿物包裹体，以气体包裹体为主（图6.10），未见烃类有机包裹体。从成岩矿物共生关系看，Ⅰ型次生孔隙及其充填矿物常被Ⅱ、Ⅲ型次生孔隙及其充填矿物所切穿或破坏（图6.10）。

图6.10　3种次生孔隙体系共生组合关系示意图

（据显微照片素描）

Ⅱ型先期孔隙再改造形成的溶蚀扩大孔隙和后期溶解产生的新增孔隙同时发育（覃建雄，1993）。主要分布于盆地的中、北和东部。最大特点是，其分布受上覆、下伏及周围泥质烃源岩展布的严格控制，远离泥质烃源岩体的砂岩中的溶蚀孔隙含量明显减少。孔隙多呈港湾状、锯齿状及不规则状。孔径一般2～5mm，通常大于颗粒及胶结物组分。孔隙被少量充填，至多半充填，充填矿物主要为残余黑色沥青质、铁方解石和铁白云石，其中包裹体主要是含烃盐水包裹体和液态烃包裹体，包裹体中含有NaCl、沥青等子矿物（图6.10）。

Ⅲ型局限分布于与红色砂岩互层的灰色砂岩层中。红色砂岩分布稳定，结构致密坚硬，富含Fe₂O₃（2%～4%），Fe₂O₃普遍以骨架颗粒表面的红色薄膜或晶簇状包壳产出，孔隙度低（＜3%）。灰色砂岩呈似层状、带状、斑块状或不规则状，有时切穿地层，结构疏松易碎，富含黄铁矿和绿泥石，普遍含烃类，孔洞缝壁充填黑色残余沥青质（图6.10），孔隙充填矿物富含气液态烃包裹体、液态烃包裹体和气态烃包裹体，孔隙度高（可高达12%以上）。灰色砂岩分布受下列因素控制：①河湖三角洲相、滨浅湖及浅湖或湖滩相；②构造裂缝；③先期孔洞体系及成岩裂缝；④早期暴露面和不整合面；⑤水力破碎裂隙；⑥层理及节理面；⑦岩石中长石和岩屑的成分、结构及含量；⑧粒间胶结物（浊沸石、碳酸盐、硫酸盐等）和杂基含量及结构。这种情况与加利福尼亚Sespe组、科罗拉多Lyons砂岩、亚拉巴马Norphlet组和北海Rotliegende砂岩储层情况相似（Surdam,1994）。这种类型的次生孔隙成因与油气在红色砂岩层中运移时烃类与矿物氧化剂（如Fe₂O₃）之间的氧化还原反应有关（Surdam,1994）。

6.4.4　次生孔隙沉积地球化学特征

对上述3类次生孔隙充填的铁方解石共24个样品进行了氧、碳同位素和流体包裹体研究，结果见表6.11和图6.11，图6.12。

表6.11　各成因类型次生孔隙沉积地球化学特征表

注：每类样品数为8个。

图6.11　各成因类型次生孔隙充填铁方解石δ¹³C－δ¹⁸O关系图

图6.12　各成因类型次生孔隙充填铁方解石包裹体均一温度－盐度关系图

从表6.11及图6.11和图6.12可以得出如下几点认识：①Ⅰ、Ⅱ型次生孔隙充填铁方解石的δ¹³C值偏低，显然富集¹²C，具有机成因特征。这与其富含大量烃类有机包裹体现象相吻合。其中Ⅱ型较之Ⅰ型δ¹³C值略低，说明其¹²C相对较富集，其形成曾遭受到大规模烃类活动的影响。②与Ⅱ、Ⅲ型相比，Ⅰ型次生孔隙充填铁方解石的δ¹³C值偏高，且弥散度大（－2.071‰～－0.072‰，PDB），表明主要为无机成因的¹³C，缺乏有机成因的¹²C。说明Ⅰ型次生孔隙的形成及充填作用可能与有机质演化或油气活动无关。这与其富含气液包裹体和气体包裹体而缺乏烃类有机包裹体的事实相符。此外，宽的δ¹³C值变化范围则证实¹³C具多成因、多来源和多过程叠加特点，即与多种成岩流体混合而成的地下同源流体有关。这与其具多种阴极发光类型、强度和结构特征相一致（张长俊等，1994）。③3种类型次生孔隙充填铁方解石的δ¹⁸O值均偏低，说明它们都是在具有一定埋深和一定温度的成岩条件下溶解作用的产物。据δ¹⁸O-T关系换算，其形成温度分别大于100℃、130℃和150℃，按本区正常地温梯度（3.45℃/100m）计算，其相应深度分别大于2898.6m、3768.2m和4347.8m。由形成温度低→高和埋深浅→深排序，这3种类型的序次应为：Ⅰ型→Ⅱ型→Ⅲ型。④Ⅰ型次生孔隙δ¹⁸O值变化范围大（－18.327‰～8.245‰，PDB），指示其成岩温度及深度范围大。δ¹⁸O值变化范围相对较窄的Ⅱ、Ⅲ型，其成岩流体（溶解营力）来源较单一，演化的地质时间相对较短。⑤Ⅰ型次生孔隙充填铁方解石不含任何烃类有机包裹体，表明其形成和充填作用早于区内烃源岩有机质热成熟作用。Ⅱ型除富含液态烃包裹体外，还含较多气液态烃包裹体，其形成与烃源岩有机质热成熟作用同步。此外，该期包裹体均一温度（134～158℃）对应的R_o值为1.1%～1.6%，与区内烃源岩实测镜煤反射率值（1.0%～1.5%）相近。Ⅲ型发育气态烃和液态烃包裹体，其形成和充填作用与区内油气的大量生成、运移及聚集过程同步，并具成因联系。⑥Ⅰ型—Ⅱ型—Ⅲ型，其均一温度和含盐度逐渐增高，反映其形成是在正常地温梯度条件下，埋深（温度）不断加大的产物，与δ¹⁸O和δ¹³C分析结果一致。⑦据包裹体均一温度和区域地温梯度计算，Ⅰ型次生孔隙形成时的平均温度≤113℃，相应埋深平均为≤3275.4m。Ⅱ型的平均温度（石油开始生成和初次运移时的门限温度）≤148℃，相应埋深（门限深度）平均≤4289.9m。Ⅲ型的平均温度（油气大量运移和聚集时）≤166℃，相应埋深≤4811.6m，与δ¹⁸O和δ¹³C分析结果相近。

此外，还分别对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型次生孔隙充填铁方解石各两个样品进行了流体包裹体成分对比分析。结果是，Ⅱ、Ⅲ型相对富含CH₂、H₂S和CO₂分别为35mol%、12.4mol%和14mol%,CH₃COOH+H₂CO₃含量高达1000×10^-6～1500×10^-6，

含量高达100×10^-6～250×10^-6。这进一步揭示，Ⅱ、Ⅲ型次生孔隙的形成与有机质成岩作用过程中生物化学分解形成的CO₂、有机质热脱羧产生的CO₂和CH₄，以及硫酸盐细菌还原作用形成的H₂S和CO₂有关。

6.4.5　次生孔隙成因探讨

6.4.5.1　地下同源流体的溶解作用

Choquette等和Mazzullo等指出，地下同源流体是碎屑岩储层埋藏溶解作用的内在因素。储层孔隙组构特征、油田水及地球化学研究结果表明，区内地下同源流体来源于下列诸过程：①大气淡水渗滤补充。②粘土矿物成岩转化。③无机非晶质凝胶蚀变。④逆风化反应：Si＋粘土＋阳离子→铝硅酸盐＋H₂O+H⁺。⑤压实作用和沉积物脱水。

三叠纪末，由于印支运动第Ⅱ幕的影响，构造裂隙发育，应力加强，地热异常，上述诸过程产生的流体发生运移循环汇聚，当具有足够CO₂的补给时，可造成具溶蚀骨架颗粒及胶结物的“侵蚀性混合流体”，从而造成岩石骨架颗粒（长石等）和填隙物（浊沸石、方解石等）发生溶解，并产生Ⅰ型次生孔隙体系。

6.4.5.2　有机质成岩过程中产生的流体的溶解作用

在沉积盆地埋藏演化过程中，通常伴随有机质、烃类降解和热化学硫酸盐还原作用，并产生大量有机酸、CO₂和H₂S。白垩纪中期，区内烃源岩有机质大量成熟，产生大量有机酸、CO₂和H₂S。这种具化学侵蚀性的酸性流体，对储层中的方解石、白云石等颗粒和填隙物发生溶解，形成Ⅱ类次生孔隙体系。

6.4.5.3　烃类－矿物氯化剂之间氧化还原反应产生的流体的溶解作用

由于古近纪末喜马拉雅运动的影响，石油大量生成并进入富含矿物氧化剂（Fe₂O₃）、硫酸盐的红色砂岩层中，发生氧化还原反应（即“漂白作用”），产生有机酸，下仅举一例（方程式）：C₉H₂O（石油）＋0.5Fe₂O₃（赤铁矿）＋2S⁰（石油中的硫）＋4.25CO₂+3.25H₂O→6.25CH₃COOH（乙酸）＋FeS₂（黄铁矿）。

这些有机酸在砂岩储层中的运移和溶蚀的途径主要有：①平行不整合面和早期暴露面。②构造裂隙。③先期孔洞体系及成岩裂隙。④水力破碎裂隙。⑤同期超压裂隙。⑥层理及节理面。这是Ⅲ型次生孔隙体系形成的主因。

6.4.6　结论

1）区内砂岩储层次生孔隙，按结构可划分为两个大类及若干个孔隙类型，以先期孔洞缝经后期改造叠加所形成的溶蚀扩大孔隙体系为主，按成因可划分为与地下同源流体溶解作用有关的Ⅰ型次生孔隙体系、与有机成岩过程中产生的有机酸、CO₂和H₂S溶解作用相关的Ⅱ型次生孔隙体系和与油气－矿物氧化剂还原反应期间形成的有机酸溶解作用有关的Ⅲ型次生孔隙体系。它们是储层演化过程中诸多因素联合作用的产物。

2）不同成因类型的次生孔隙，其孔隙结构、产状、分布及共生组合关系、孔隙充填序次、充填矿物类型和相应的沉积地球化学特征各异，因而可综合分析识别和划分次生孔隙体系。

3）孔隙充填矿物的地球化学特征是识别埋藏次生孔隙的重要参数。埋藏次生孔隙普遍具有极低的δ¹⁸O值（通常－25‰～－10‰，PDB）和较高的包裹体均一温度（通常100～250℃）。无机成因（同源流体溶解作用）的次生孔隙以极高的δ¹³C（通常＞-2.0‰，PDB）、很少或不含烃类有机包裹体等为鉴别标志。有机成因的次生孔隙，其充填矿物及包裹体（CO₂）的δ¹³C值极低（通常－10‰～－20‰，PDB），包裹体成分富含有机酸（CH₃COOH）（通常1000×10^-6～1500×10^-6）和烃类，包裹体类型以液态烃、气液态烃、气态烃为主，有机包裹体测温与油气大量运移时期相近。

4）烃源岩、间断面、有利储集岩相带及构造发育带的时空展布控制着砂岩储层次生孔隙的发育和分布。总体而言，盆地中、北部的远景比西、南部好，与红色砂岩互层的灰白色砂岩是重要的勘探目标。