沉积岩石学期末论文

南华北地区下古生界碳酸盐岩成岩作用及其对储层的影响摘要:南华北地区在早古生代沉积了巨厚的碳酸盐岩,为碳酸盐岩储层的形成提供了有利条件。通过对大量野外剖面、钻井岩心的详细观测和室内显微薄片分析,系统研究了该区下古生界碳酸盐岩的成岩作用类型和特征,主要成岩作用类型包括:①压实、压溶作用;②胶结作用;③重结晶作用;④白云石化作用;⑤交代作用;⑥溶蚀作用;⑦构造破裂作用等。对成岩作用阶段进行了划分,深入研究了不同成岩阶段成岩作用类型及特征。退后生期和进后生期溶蚀作用、构造破裂作用较强,对储层的形成有利,成岩期和后生期的白云石化作用也有利于孔隙的形成和保存。岩溶作用和白云石化作用对该区下古生界储层形成具有明显的控制作用,中奥陶统马家沟组主要为岩溶储层,上寒武统主要为次生白云岩储层,同时建立了该区下古生界岩溶作用模式和白云石化作用演化模式。关键词:成岩作用;下古生界;碳酸盐岩;马家沟组;南华北南华北地区位于华北陆块南部,其南以栾川-固始断裂为界与秦岭-大别造山带相邻,东以郯庐断裂为界与扬子板块接邻,包括河南省和安徽省的大部以及江苏省的西北部、山东省的西南部(图1)。该区下古生界发育,分布广泛,以海相碳酸盐岩沉积为主,有一定的生油和储藏条件。下古生界主要发育寒武系和中、下奥陶统,寒武系可划分为3统8组;奥陶系自下而上划分为2统4组(表1)。自20世纪50年代中期在该区开始油气勘探以来,在下古生界发现了一些重要的油气显示,但是未能有工业性突破。对碳酸盐岩成岩作用和储集空间的研究,有助于预测孔发育带,进而有效地指导勘探开发。前人对该地区下古生界成岩作用也做了局部研究工作,但多集中于白云石化作用的成因与类型上。笔者通过对大量野外剖面、钻井岩心的详细观测和室内显微薄片分析,系统研究了南华北地区下古生界成岩演化过程中的成岩作用类型和特征及其对储层的影响。图1南华北盆地构造简图表1南华北盆地及临区下古生界地层划分比照表1主要成岩作用类型研究区下古生界碳酸盐岩主要经历了压实、压溶、胶结、重结晶、交代、构造破裂、白云石化和溶蚀等成岩作用的改造。根据成岩作用是形成孔隙还是破坏孔隙,可划分成建设性成岩作用和破坏性成岩作用。前5种作用对孔隙的形成不利,会降低储集层的物性,是一种缩小孔缝的破坏性作用;后3种作用常有利于孔缝的形成,能增加储集层的物性,是一种扩大孔缝的建设性作用。1.1压实、压溶作用压实作用是最根本的成岩作用,其结果是使沉积物由疏松变得致密,同时降低孔隙度。随着机械压实进一步开展,产生化学压溶。压溶作用具有两面性:首先,它可以形成各种缝合线构造,受孔隙中的流体作用可使溶孔和缝合线溶蚀扩大(图2-A);A.崮山组亮晶灰岩见压溶缝合线,沿缝合线发生白云石化作用(单偏光);B.崮山组亮晶鲕粒灰岩,见两个世代方解石胶结物(单偏光);C.长山组细晶白云岩,重结晶强烈(正交偏光);D.长山组粉晶白云岩,见去白云石化、再硅化现象,见剩余结构(正交偏光);E.凤山组成岩晚期的强烈白云石化作用,亮晶方解石充填(单偏光);F.泥晶含云灰岩网状构造缝发育(单偏光);G.退后生期马家沟组上部岩溶角砾;H.马家沟组岩溶角砾岩孔洞。其次,由压溶作用溶蚀的各种矿物成分进入孔隙,发生沉淀胶结。总体来看,压实、压溶作用属于破坏性成岩作用。本区中、下寒武统的致密白云岩、泥晶-微晶灰岩都受压实、压溶作用的重大影响,其孔隙度很低,一般为1%～2%。图2南华北地区下古生界碳酸盐岩成岩作用类型1.2胶结作用胶结作用是一种碳酸盐岩孔隙水的物理化学和生物化学的沉淀作用,其结果导致孔隙空间减小。镜下观察说明,研究区碳酸盐岩中的胶结作用可以分为两种类型:粒间孔亮晶胶结和溶蚀孔亮晶胶结。本区的颗粒碳酸盐多经历了强烈的胶结作用,亮晶胶结物的体积分数有的可达20%～30%,许多鲕粒灰岩、砂屑灰岩具有多世代亮晶胶结(图2-B),使岩石原生孔隙几乎消失。溶蚀孔亮晶胶结为碳酸盐岩溶蚀孔和裂隙中的胶结作用,中奥陶统马家沟组碳酸盐岩经过表生淡水溶蚀作用产生溶蚀孔隙、溶蚀裂隙及构造裂缝后,在埋藏过程中形成的胶结作用使溶蚀次生孔隙半充填或完全充填,可见胶结作用对碳酸盐岩储集性的破坏作用最强。1.3重结晶作用碳酸盐岩的重结晶作用不仅涉及填隙物,还包括颗粒系统,即碳酸盐岩整个系统的重结晶作用。它一方面减少颗粒间的孔隙,另一方面又在重结晶过程中形成晶间孔,在一定程度上增加孔隙,但总体上降低孔隙度(图2-C)。本区碳酸盐岩多数已重结晶,特别是一些结晶灰岩、晶粒状白云岩,由于重结晶作用形成连生晶或生物共轴生长现象,灰泥基质填隙物多结晶成较脏暗的粗晶、亮晶,或颗粒多结晶粗大明亮的晶体。结晶灰岩或晶粒状白云岩以及其他不同程度结晶的碳酸盐岩的孔隙度较低,一般<5%。1.4交代作用本区交代作用类型较多,除白云石化作用外,还有去白云化、去膏化、膏化、硅化和黄铁矿化等,其中去白云化和去膏化对孔隙影响较大。去白云化和去膏化都与大气淡水淋滤作用相伴生,常见于马家沟组上部地层(图2-D)。去白云化形成中粗晶石灰岩,形成的方解石晶体粗大,之间缝合为镶嵌接触,较致密,孔隙度并不很好,可能是去白云化的同时,淡水沉淀出亮晶方解石,堵死了原有的孔隙。除去膏化形成膏模孔外,还可形成盐模孔、云模孔等,同时围岩也被溶蚀形成溶孔、溶洞等,使孔隙进一步扩大。1.5白云石化作用研究区下古生界白云石化作用明显(图2-E),本区白云石化作用主要有4种类型,即:准同生成岩-蒸发泵白云石化作用、回流渗透白云石化作用、__________混合水白云石化作用和埋藏白云石化作用。不同的白云石化作用形成不同的白云岩类型及不同的储集空间[5]。准同生白云岩的形成需要强烈的蒸发环境,因蒸发作用造成水体中Mg2+浓度增高,当水体中ρ(Mg2+)/ρ(Ca2+)比值达10～20时,可能直接沉淀原生白云石[9-10]。这种白云石晶粒细,孔隙度、渗透率均差,但经后期(埋藏重结晶、岩溶等)改造,也可提高孔隙度,形成下古生界较好的储集岩。回流渗透白云石化作用与准同生成岩—蒸发泵白云石化作用机理相似,但是常由于地下沉积物分布或渗流蒸发作用的不均匀而形成斑状白云岩,白云石大小不均匀,晶间孔发育。混合水白云石化作用形成的白云石晶体较大,以粗粉晶至细晶为主,产生大量的晶间孔,同时淡水的注入导致局部晶体溶蚀,形成晶间溶孔及小溶洞。埋藏白云石化作用形成的白云石,假设呈星散状分布那么无意义;假设沿缝合线分布或呈斑块状分布,那么形成少量晶间孔或斑块内晶间孔;假设呈块状白云化,那么可形成大量晶间孔;假设晚期形成异形白云石充填于孔隙中,那么占据孔隙空间。1.6构造破裂作用及收缩作用构造破裂作用主要产生构造缝(图2-F)及断裂、破碎带等,为油气储集提供了通道或储集空间。层受应力作用而形成的构造缝多被方解石或有机质充填。有的构造缝也是一个薄弱带,易受后期的岩溶作用而成构造岩溶缝。构造缝是多期的,与当地地壳运动背景相配合,对本区下古生界而言,中晚加里东运动、海西运动、印支-燕山运动和喜山运动均可形成构造缝。特别是印支、燕山运动影响更显著。长庆气田马家沟组油气藏主要是裂缝型或孔隙-裂缝型,尤以构造-岩溶缝为主,与本区具有很大的可比性。1.7溶蚀作用根据溶蚀组构特征可归为两类:大气淡水淋滤溶蚀作用和埋藏溶蚀作用,二者均为扩大储集空间的成岩作用。加里东后期,华北地区主体普遍抬升暴露,早期形成的岩石接受大气淡水改造,在马家沟组顶部形成风化壳,淡水淋滤溶蚀形成大量的溶孔、溶洞、溶缝、晶(粒)内溶孔、晶(粒)间溶孔及铸模孔(图2-G,H),大大扩大了原始储集空间。另外本区马家沟组上部的由淡水淋滤溶蚀形成的垮塌角砾十分发育,据长庆油田勘探经验[11],角砾状岩石厚度愈大的地方,天然气产量、储量越大。由这种溶蚀孔洞和岩溶角砾构成的储集层是南华北地区具有工业意义的储层。埋藏溶蚀作用常与有机质演化有关,有机质热成熟脱羧基时产生富CO2、H2S的有机酸,溶蚀形成次生孔洞带。埋藏型岩溶普遍沿构造缝、缝合线和其他各种类型的裂缝发育,使之溶蚀扩大,形成裂缝的扩溶孔及串珠状溶蚀孔。特别是深埋藏阶段,烃源岩有机质在热演化、生烃、排烃过程12地质科技情报2010年中,有机酸流体沿着不整合面或断裂缝运移,对前期形成的风化壳岩溶进行溶蚀再改造,促进岩溶的发育,形成大量的溶蚀孔隙,在深埋藏白云岩中寻找新的储集空间也是一个值得注意的研究方向。2成岩作用阶段划分本文所研究的成岩作用是指广义的成岩后生作用,或叫沉积期后作用———泛指沉积物形成以后到沉积岩的风化作用和变质作用以前这一演化阶段的所有变化和作用[12]。笔者将研究区下古生界碳酸盐岩的成岩作用分为5个阶段:同生—准同生阶段、成岩作用阶段、后生作用阶段、退后生作用阶段、进后生作用阶段(表2)。退后生作用阶段是指沉积岩形成后,地壳抬升,使岩层抬至近地表地下水面附近,这时岩石又要受地下水、地表水的作用而发生强烈的变化;进后生作用阶段指沉积岩层形成后至变质作用之前。下古生界的储集条件一定程度上取决于各时期不同类型的有利成岩作用,成岩早期暴露及退后生作用阶段的溶蚀淋滤作用(图2-G,H)、成岩晚期深埋藏期重结晶作用、成岩晚期到深埋藏期的白云石化作用(图2-E)、后生期到深埋藏期构造破裂作用(图2-F)和重结晶等作用(图1,3)都是孔隙发育的有利阶段。太参3井及地表露头显示该区下古生界成岩早期的暴露岩溶作用,成岩后生期构造破裂以及各阶段的白云石化作用对储层影响较大,在一定程度上控制了储集体的形成和孔洞缝的演化。图3南华北地区下古生界岩溶储层演化示意图3成岩作用对储层的影响对于时代较老、地质发育史比拟复杂的碳酸盐岩来说,影响储层性能的根本控制因素已不是原生的沉积特征,而是后期的成岩改造作用。据钻井取心、野外露头观察和镜下分析,南华北地区下古生界碳酸盐岩储集空间主要为次生白云石化晶间孔隙、溶蚀孔、裂缝和岩溶角砾。3.1溶蚀作用对储层的影响古岩溶在研究区表现明显,在野外露头上发育于河南登封渑池、江苏徐州马家沟组(O2m),安徽淮南、河南渑池猴家山组(∈1h),安徽宿县贾汪组(O2j)和萧县组(O2x),岩溶厚度一般几十米,剖面上最厚69.1m,最薄处仅几米;太参3井的井漏和钻具防空现象显示古岩溶主要发育于马家沟组五段、三段,凤山组井剖面说明古岩溶储层主要在奥陶系马家沟组上部发育,其成因可能与鄂尔多斯盆地奥陶系古岩溶储层相似,主要是受构造运动控制的古风化壳岩溶和埋藏期古岩溶[14]。各期岩溶作用主要受构造条件和古气候控制,特别是加里东运动和海西运动期潮湿炎热的气候及多期的构造运动和长期的沉积间断对古岩溶发育十分有利。据古地磁资料[15],华北板块奥陶纪时处于赤道附近,石炭-二叠纪时在北纬10～16°。研究区马家沟组风化壳储盖组合发育广泛,是重要的勘探目标层位。3.2白云石化作用对储层的影响世界上有50%以上的碳酸盐岩储层为白云岩。野外调查说明研究区白云岩分布广泛,30%～50%为白云岩,其中上寒武统和奥陶系马四段、马五段的白云岩晶间溶孔和晶间孔隙比拟发育,是白云岩储层发育的有利层段。受沉积演化的影响,各层段白云岩成因不同(图4)。上寒武统崮山组与凤山组的中细晶白云岩、鲕粒白云岩除成岩埋藏白云化作用外,还有成岩早期暴露淡水溶蚀、混合水白云化作用,一般孔隙度较好,白云石有序度高。下奥陶统冶里-亮甲山组在经历了屡次埋藏和抬升后形成了大量的次生白云岩。在前人观点的根底上,结合本次研究成果,笔者认为该套白云岩储集空间发育系多因素共同作用的结果,其中岩性因素是根底,裂缝作用和溶蚀作用的叠加是决定性因素。中奥陶统马家沟组白云岩分布广,厚度多在150m以上,马一段、马五段为准同生成岩—蒸发泵白云石化作用,马四段以渗透回流白云石化作用为主,但都经后期(埋藏重结晶、岩溶)改造(图4),产生大量的岩溶角砾、膏溶角砾,成为良好的储集体。图4南华北地区下古生界白云岩化作用演化模式Ⅰ.成岩早期混合水白云石化;Ⅱ.深埋藏白云石化;Ⅲ.蒸发泵白云石化;Ⅳ.渗透回流白云石化;Ⅴ.构造白云石化。峰峰组在本区分布范围小,假设能找到大量分布的区域,也是重要的勘探层位。4结论(1)本区成岩作用对孔隙的形成与演化有较大影响,其中溶蚀作用和白云石化作用对次生孔隙的形成有决定性影响,是本区次生孔隙形成的主要原因。储集层发育的最有利层段为马家沟组,尤其是马五、马四段,其次为上寒武统;马家沟组主要为岩溶储层,上寒武统主要为次生白云岩储层。(2)不同成岩作用阶段对孔隙的演化是不同的,其中退后生期和进后生期对储层的形成有利。这两个时期可很长(如本区O3-C1缺失证明有长达1.5亿年的风化、淋滤、溶蚀时期),也可多期进行(图4),这对形成孔洞缝和岩溶储层、古潜山油气藏有利。成岩早期混合水白云石化作用形成的白云石结晶速度慢、晶形好,可含正常盐度海相生物,且可受淡水溶蚀作用的影响,故一般孔隙度较好,白云石有序度高。深埋藏阶段的块状、厚层状产出的大套晶粒白云岩,结晶粗、白云石晶间孔好,也可成为好的储层。因此在下一步油气勘探工作中,不仅要考虑生、储、盖、圈闭条件,还应注意后期构造活动对油气保存影响。参考文献:[1]徐汉林,赵宗举,杨以宁,等.南华北盆地构造格局及构造样式[2]郭绪杰,焦贵浩.华北古生界石油地质[M].北京:地质出版社,2002:23-29.[3]李余生,张长俊,田景春,等.华北板块南缘下古生界油气生储盖特征[M].成都:四川科学技术出版社,1996:4-48.[4]河南地质矿产局.河南省区域地质志[M].北京:地质出版社,14地质科技情报2010年1982:125-162.[5]张忠民,龙胜祥,许化政.华北古生代克拉通盆地南部原生油气藏勘探前景[J].石油与天然气地质,2005,26(5):261-267.[6]陈学时.皖南寒武—奥陶系白云岩类型及成因探讨[J].石油勘探与开发,1992,19(1):13-22.[7]徐辉.华北地区下古生界白云岩类型与储集性[J].石油实验地质,1992,14(1):68-77.[8]金振奎,冯增昭.华北地台东部下古生界白云岩的类型及储集性[J].沉积学报,1993,11(2):11-18.[9]韩林.白云岩成因分流的研究现状及相关开展趋势[J].中国西部油气地质,2006,2(4):400-406.[10]MorrowDW.DiagensisⅠ:Dolomite,PartⅠ,thechemistryofdolomitizationanddolomiteprecipitation[J].Geosicence.Can.,1982,9:5-13.[11]夏日元,唐健生,关碧珠,等.鄂尔多斯盆地奥陶系古岩溶地貌及天然气富集特征[J].石油与天然气地质,1999,20(2):133-136.[12]周书欣.对成岩作用及其阶段划分的意见[J].石油勘探与开发,1981,3:10-12.[13]许效松,杜佰伟.碳酸盐岩地区古风化壳岩溶储层[J].沉积与特提斯地质,2005,25(3):2-7.[14]王宝清,章贵松.鄂尔多斯盆地苏里格地区奥陶系古岩溶储层成岩作用[J].石油实验地质,2006,28(6):518-528.[15]李朋武,高锐,李秋生.华北与西伯利亚地块碰撞时代的古地磁分析———兼论苏鲁-大别超高压变质作用的构造起因[J].地球学报,2007,28(3):234-252.[16]张学丰,胡文瑄,张军涛.白云岩成岩相关问题及主要形成模式[J].地质科技情报,2006,25(5):32-40.[17]ZengerDH,DunhamJB,EthingtonRL.Conceptsandmodelsofdolomitization[M].[S.l.]:SocietyEconomicPaleontologistsMineralogistsSpecialPublication,1980.[18]郝运轻.济阳凹陷冶里-亮甲山组次生白云岩储集空间成因分析[J].油气地质与采收率,2006,13(1):14-16.LowerPaleozoicCarbonateDiagenesisFeatureandControllingoverReservoirsinSouthernNorthChinaSHIGuo1,TIANJing-chun1,WUYong-liang1,ZHANGChang-jun1,ZHANGXiang1,DUJian-bo2,HEMing-xi2(1.InstituteofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.HenanOilfieldCompany,SINOPEC,NanyangHenan473132,China)Abstract:ThispapermainlyfocusesonthelowerPaleozoiccarbonatediagenesisinsouthernNorthChina,locatedinthenorthofQinling-DabieorogenicbeltorthesouthoftheNorthChinablock,acrossthestableNorthChinablock,thedeformationbeltofsouthernblockmarginandthenorthmarginofQinling-Dabieorogenicbelt.Basedonthestud