蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖巖石學特征及其儲集性與含油性研究

夏 祥,馬曉東,胡文瑄,臧素華

1.南京大學 地球科學與工程學院,南京 210008;2.中國石化 華東油氣分公司,南京 210019

中國東部油氣形成過程中大多伴隨著火山—巖漿作用的發生,火成巖是沉積盆地充填系列的重要組成部分[1-4]。傳統觀點認為,巖漿侵入作用會使儲層儲集條件變差。但隨著油氣勘探實踐的進行,發現火成巖也是一種重要的油氣儲層類型。近年來,在渤海灣盆地[5]、遼河盆地[6-10]、塔里木盆地[11-12]和準噶爾盆地[13-18]等火山巖層系中取得了重大突破,發現了一些大型油氣藏?；鹕綆r層系已經成為重要的油氣勘探目標,越來越受到人們的重視[19-22]。

從目前的研究現狀來看,侵入巖成為油氣儲層的成因非常復雜,有些為隱爆角礫巖成因[23],有些為熱液流體溶蝕—蝕變成因[24-25],不同地區、不同巖體差異很大。近年來蘇北盆地也發現了一些火成巖油氣藏(或油氣顯示),顯示了較好的勘探潛力。初步調查發現[26-27],侵入巖儲集性變化很大,儲層非均質性很強,但其控制因素研究薄弱,存在很大爭議,亟待開展深入研究,查明侵入巖儲集空間發育特征,揭示其成因機制,為油氣勘探提供理論依據。

溱潼凹陷作為蘇北盆地重要產油凹陷之一,侵入巖也非常發育,有些侵入巖顯示了良好含油性。因此,本文主要以溱潼凹陷阜二段沙垛1井侵入巖為例,開展系統的巖石學和儲層地質學研究,以期查明影響侵入巖儲集性的巖石學背景和儲集空間形成的主要機制,為該區侵入巖油藏勘探提供指導。

1 地質概況

蘇北盆地是太平洋板塊俯沖及郯廬斷裂平移等活動共同作用的結果,是在前陸盆地的基礎上發育的白堊紀—新生代裂陷伸展盆地[28-30],經歷了三期構造運動,分別為泰州組沉積前的儀征運動、阜寧組沉積后的吳堡運動和三垛組沉積后的三垛運動[31]。蘇北盆地內部被建湖隆起一分為二,南部為東臺坳陷,北部與濱海凸起、魯蘇隆起夾持形成鹽阜坳陷,兩坳陷中各凹陷均呈現右行雁式排列[32],主要有高郵、金湖、溱潼、海安、鹽城等凹陷[30]。盆地基底由三大套層系組成,即中元古界變質巖結晶基底、(下)揚子地臺海相中—古生界基底和中上三疊統—下白堊統活動陸緣型海陸過渡相及陸相碎屑巖類與中酸性火山巖基底[33],古近系以斷陷沉積為主,新近系為坳陷沉積。

研究區溱潼凹陷位于東臺坳陷中東部,為東臺坳陷中的一個亞一級構造單元。該凹陷是呈北東向展布的不對稱半地塹沉積凹陷,東南側、東北側分別以泰州凸起、梁垛低凸起為界,西側與吳堡低凸起相分隔(圖1)。自下而上發育的新生界包括[34]:泰州組(E1t)、阜寧組(E1f)、戴南組(E2d)、三垛組(E2s)、鹽城組(N1y)和東臺組(Q2d)。

圖1 蘇北盆地和研究區地質構造

2 侵入巖巖石學特征

溱潼凹陷阜寧組中發育多層基性侵入巖層,產狀呈巖脈和巖床狀,沿地層順層侵入阜二、阜三段或者穿層侵入于阜三、阜四段和戴南組,巖體長度分布從幾百到幾千米不等。鉆遇侵入巖的鉆井多達十幾口,其中以沙垛1井最為典型。該鉆孔在深部3 547 m以下阜二段泥質巖層段中鉆遇基性侵入巖約70 m,并進行了取心,本次工作進行了系統取樣14件(圖2)。早期將這層侵入巖定為輝綠巖,認為是一次侵入形成,本次研究發現巖性變化很大,自上而下由3種巖石類型組成,是由三次或更多次侵入作用形成的。

圖2 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖發育情況及采樣位置

2.1 巖性特征

2.1.1 輝綠巖

主要發育在侵入巖層上部。鏡下可見典型的輝綠結構,主要由斜長石和輝石組成,含少量石英以及暗色礦物黃鐵礦、鈦鐵礦,次生礦物為綠泥石、絹云母,但是蝕變程度低,致密塊狀構造(圖3a-c)。其中斜長石含量65%,呈半自形到自形,柱狀、長條狀,具有聚片雙晶,發生小規模的絹云母化蝕變,粒徑為0.1～0.9 mm。輝石有兩種,一種為單斜輝石,其特點是短柱狀,無色,干涉色為二級,斜消光,少部分可見裂紋;另一種為斜方輝石,短柱狀,無色,干涉色為一級,平行消光。

圖3 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖不同巖石類型的巖相學特征

2.1.2 輝石二長巖

發育在輝綠巖之下3 549.5～3 563.0 m之間。典型特征是長石含量增多,可達60%～75%,既有偏堿性長石,也有短柱狀偏酸性的正長石,大部分長石發生不同程度的絹云母化蝕變(圖3d)。輝石含量明顯減少,約為20%～25%,另有少量石英以及暗色礦物黃鐵礦和鈦鐵礦等,次生礦物為綠泥石、絹云母。

2.1.3 橄欖輝長巖

發育在輝石二長巖之下,取心未見底,測井資料顯示厚度超過45 m。突出特點是輝石含量多,接近50%左右,并見橄欖石(圖3e),長石主要為長柱狀鈣長石系列,含少量暗色礦物黃鐵礦、鈦鐵礦,次生蝕變嚴重,大部分橄欖石和輝石都發生了嚴重的綠泥石化(圖3f),長石發生絹云母化。橄欖石裂理發育,并順著裂理發生蝕變。由于蝕變作用嚴重,原始巖石結構被破壞,因此巖性比較松散。

2.2 巖石化學特征

電子探針測試分析表明,該侵入巖中斜長石的成分變化較大,斜長石An牌號29.2～67.28,從侵入體頂部的拉長石,到中部的中長石、奧長石,再到底部的拉長石(表1,圖4)。輝石成分變化也很大,En牌號28.32～72.45,各樣品分布相對均勻,廣泛分布的單斜輝石和斜方輝石不具有明顯指示性(表2,圖4)。

表1 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井長石礦物電子探針值

表2 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井輝石礦物電子探針值

圖4 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖中長石An-Ab-Or圖解和輝石Wo-En-Fs圖解

對侵入巖主量成分的測試表明,巖石化學組成變化較大,SiO2含量為40.37%～74.03%,平均為48.52%,Al2O3含量為9.27%～15.39%,平均為13.51%。根據采樣深度繪制了主量元素在縱向上的變化規律,不難發現明顯分為三個層段,即SD-8以上的輝綠巖層段,其下至SD-11的輝石二長巖層段,以及下部的橄欖輝長巖層段,表明沙垛1井侵入巖發生三期侵入(圖5)。最早應該是下部偏基性的橄欖輝長巖侵入,其后為上部的輝綠巖侵入,最后偏酸性的輝石二長巖侵入在前二者之間,并對其上下侵入巖層產生破壞和熱液蝕變作用。

圖5 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖主量元素變化

3 儲層

3.1 儲集空間類型

一般來說,火成巖(特別是侵入巖)都比較致密堅硬,孔隙不發育,很難成為油氣儲層。但在一些特定情況下,隱爆作用、構造破碎和熱液蝕變等,也會形成各種儲集空間,成為特殊的油氣儲層。該區沙垛1井侵入巖,由于多期侵入作用的疊加,以及熱液蝕變的改造,也發育了較好的儲集空間,但分布很不均勻,主要發育在下部的橄欖輝長巖中。

3.1.1 收縮裂縫

收縮微縫是巖漿冷凝結晶過程中因體積收縮而形成的不規則縫隙。收縮縫在形態上呈“樹根狀”分布,缺乏方向性,寬窄變化較大,且無平直的邊緣(圖6a,b)。常分布于不同礦物顆粒之間,也可以穿過礦物晶體。此外,這些收縮裂縫的存在,也為后期的流體活動提供了條件,因此,大部分收縮裂縫附近都發生了不同程度的溶蝕,并形成了次生礦物綠泥石(圖6a-c)。

圖6 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖儲集空間

3.1.2 溶蝕孔隙

溶蝕孔隙是熱液流體溶蝕礦物顆粒而形成的,是該區侵入巖的主要孔隙類型。顯微鏡觀察表明,輝石和橄欖石礦物最易溶蝕(圖6),大部分鐵鎂礦物都發生了不同程度的溶蝕,形成的溶蝕孔隙與次生礦物綠泥石并存。溶蝕作用常常沿著收縮裂縫和礦物的解理縫進行,在縫隙交叉或密布的位置溶蝕最強,形成較大的溶蝕孔隙(圖6a,b)。整體上看,第一期侵入的橄欖輝長巖遭受溶蝕最強,一是因為含有豐富的鐵鎂暗色礦物,二是因為侵入較早,遭受了后期多次熱液流體的作用。由于遭受的溶蝕作用較強,較多層段的橄欖輝長巖巖心結構松散,體積孔隙度一般都在10%以上,是最好的儲集層(圖3b)。

3.1.3 構造裂縫

由于侵入巖脆性大,在后期構造應力作用下極容易破碎形成不同程度的裂縫。整體上看,研究層段的構造裂縫發育程度較低,但也常出現,規模不大,一般為毫米級縫隙,具有較好的方向性,走向比較平直,常呈斷續狀(圖3b)。

3.2 儲層物性特征

沙垛1井侵入巖發育在3 547～3 615 m之間,總厚度約為70 m?？傮w上看,孔隙發育很不均一,主要發育在下部的橄欖輝長巖層段。顯微鏡觀測表明,以溶蝕孔隙為主,約占80%,微縫約占15%。根據測井資料和對部分巖心物性測量,該段巖石總孔隙度為11.5%～26.5%,峰值在13%～22%之間,有效孔隙度為9.0%～26.5%,可動孔隙度為2.5%～25.0%,主要分布在2.5%～17.0%(圖7)。滲透率主要為(0.05～100)×10-3μm2,儲層裂縫發育,孔洞連通性好。根據常規測井曲線解釋發現,在3 569 m之下,有效孔隙度陡增,中子孔隙度變高,孔滲條件普遍比較好,該段正是橄欖輝長巖段分布層段,表明橄欖輝長巖的物性顯著高于其上部的輝石二長巖和輝綠巖(圖8)。

圖7 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井孔隙度分布

圖8 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖部分測井曲線

4 儲層發育主控因素

4.1 侵入巖類型與礦物組成

對比沙垛1井三期侵入巖孔隙發育程度可知,早期的橄欖輝長巖物性最好,孔隙度可達10%以上,而輝綠巖和輝石二長巖的物性很差,孔隙很不發育。究其原因,是橄欖輝長巖含有較多的輝石和橄欖石等鐵鎂暗色礦物,在后期熱液流體作用下極易發生溶蝕和交代作用。這些礦物中的Fe可以形成綠泥石等蝕變礦物,但Mg元素等為易溶組分,隨著流體運動而遷移,同時還伴隨著部分SiO2的流失,從而產生了較多的次生溶蝕孔隙。加之橄欖輝長巖中的收縮裂縫比較發育,橄欖石還非常容易產生裂理,也為流體活動提供了良好條件,致使橄欖輝長巖成為次生孔隙最發育的巖石類型(圖8)。

4.2 多期次巖漿—熱液活動

溱潼凹陷鉆遇火成巖侵入體的鉆井較多,但大部分侵入巖厚度較薄,多為單一期次侵入形成,其中的溶蝕孔隙和裂縫等都不發育。但沙垛1井為多期侵入活動疊加形成的“復合”侵入巖體,在早期橄欖輝長巖侵入之后,又發生了兩期侵入,即第二期的輝綠巖和第三期的輝石二長巖。后期的巖漿侵入活動,必然會對早期已經固結的橄欖輝長巖產生一定的機械破壞作用,以及多次的熱液流體溶蝕。機械破碎與熱液溶蝕交替,多次疊加,就造成了早期侵入巖遭受多期次溶蝕改造,形成了比較豐富的溶蝕孔隙以及部分改造裂隙,這是橄欖輝長巖孔隙發育的關鍵因素。

此外,從橄欖輝長巖到輝綠巖,再到輝石二長巖,是一個跨越不同巖石類型的演化歷程,經歷了從偏基性巖漿到偏酸性巖漿的長期演化過程。這表明,沙垛1井深部巖漿房的演化與活動歷史很長,并多次有巖漿侵入到淺部。在比較漫長的演化過程中,除了巖漿侵入外,還會有長期的熱液流體活動,是造成橄欖輝長巖等早期侵入巖發生嚴重熱液蝕變的重要因素。

4.3 區域性斷裂構造的控制作用

溱潼凹陷緊鄰西北方向的郯廬斷裂,受白堊紀以來區域拉張—剪切作用及巖漿活動的影響,形成大量斷層,是侵入巖有利儲層形成的關鍵。與火山噴發同時期的斷裂為巖漿活動提供通道,侵入巖形成之后的斷裂活動在許多致密的火成巖中產生了大量的構造裂縫(圖3b),這些裂縫有效地溝通了侵入巖儲層的孔縫系統。不但使孤立的原生儲集空間連通起來,使其變為有效孔隙,而且為后期的溶蝕作用提供了巖漿熱液流動的通道。而裂縫作為良好的儲集空間,增加了侵入巖的孔隙度和滲透率。

沙垛1井所在區域緊鄰次級主斷裂。根據區域研究資料,該斷裂具有多期活動特征,地球物理資料顯示為火山通道,為沙垛1井的多期巖漿—熱液活動提供了有利的構造背景。正是該區域性斷裂的控制與多期活動,導致了巖漿—熱液的多期侵入與長期影響,從而使早期侵入的橄欖輝長巖遭受顯著的構造破壞和嚴重的熱液蝕變改造,形成了豐富的次生孔隙和裂隙。

5 儲層含油性

蘇北盆地構造—沉積演化史研究表明,溱潼凹陷阜二段經歷了兩次短暫的抬升,即在阜寧組沉積后期和三垛早期,與區域構造的三次運動的后兩期相一致。對阜寧組烴源巖的研究揭示,埋深超過2 000 m時進入低成熟階段,Ro達到0.5%～0.7%,埋深超過2 500 m后烴源巖逐漸達到成熟階段,Ro達到0.7%～1.0%時,開始進入生油高峰期,大致時間在32.4 Ma[35-36],目前研究區發現的大部分油藏主要來源于阜寧組烴源巖。

溱潼凹陷已經在個別侵入巖中發現了較好的油氣聚集,但沙垛1井鉆遇的侵入巖含油性比較差,盡管已處在3 500 m以下較高成熟階段。根據熒光觀測研究結果[37-38],沙垛1井侵入巖不同部位在顯微熒光上顯示特征存在明顯差異,巖體中上部熒光顯示很少,局部僅見非常細小的零星熒光(圖9a)。在侵入體下部的橄欖輝長巖中,局部見到較強的熒光顯示,孔隙喉道內能夠觀察到烴類的局部聚集(圖9b,c)。由此可見,雖然侵入巖層段整體含油性很差,但儲層物性與含油性之間的正相關關系還是非常明顯的。

圖9 蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖不同部位熒光顯微照片

從地質條件分析,該侵入巖正好侵入在阜寧組泥頁巖中,但圍巖中泥頁巖有機質含量低,不是良好的烴源巖,生油條件比較差,即便有一些液態烴生成,也還沒有達到初次運移的水平,因此進入侵入體的烴類很少。其次,由于侵入體周圍泥巖的阻礙,附近油氣烴源巖生成的烴類,也難以進入到侵入體中,沒有接受規模性的充注。再次,鋯石年代學研究揭示橄欖輝長巖的侵位年齡約為54 Ma,與這套泥頁巖(含烴源巖)的形成時期接近,即侵入巖形成與烴源巖沉積幾乎同步,而到烴源巖生烴時,侵入體周圍被泥質巖圍繞,油氣也就難以進入其中。因此,只有存在溝通烴源巖與侵入巖的良好通道(如斷裂構造)時,侵入體才能夠成為儲集油氣的良好場所。

6 結論

(1)蘇北盆地溱潼凹陷沙垛1井侵入巖巖性自下向上存在顯著變化,是多期侵入作用復合疊加的結果。從下到上巖性由偏基性橄欖輝長巖向輝綠巖過渡,最后向偏酸性輝石二長巖演化,晚期侵入作用對早期橄欖巖體具有一定的破壞及流體溶蝕作用。

(2)侵入巖中孔隙發育程度不均,輝綠巖和輝石二長巖孔隙發育程度低,而橄欖輝長巖孔隙發育程度較高。儲集空間發育程度主要受巖性和熱流體溶蝕作用控制,主要表現為第二期和第三期的巖漿—熱液作用對第一期侵入體的改造和溶蝕,其中橄欖石和輝石等鐵鎂暗色礦物容易發生次生蝕變和溶蝕,形成了較多的溶蝕孔以及次生綠泥石。加之該鉆孔位于斷裂帶附近,為巖漿—熱液的多期活動提供了良好條件,是橄欖輝長巖形成良好孔隙的主要機制。

(3)雖然侵入體下部儲集性較好,但整體上含油性差,頂部無熒光或顯示較弱,底部儲集性好的部位見有微弱的熒光顯示,沒有發現規模性充注現象。其原因可能是沙垛1井侵入巖形成時間較早,周圍被泥頁巖所包圍,埋藏至深部到達烴源巖生烴階段時,油氣難以進入侵入體。如果發育烴源巖與侵入體的良好溝通條件,有可能成為油氣聚集的良好場所。因此,侵入體與烴源巖之間的輸導條件是控制侵入體是否成為油氣儲集場所的重要條件之一。

致謝:中國石化華東油氣分公司在樣品方面提供了很大的幫助,在此致以衷心感謝!

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

夏祥和胡文瑄完成論文的構思;夏祥、馬曉東、胡文瑄、臧素華參與論文寫作修改。所有作者閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by XIAO xiang and HU Wenxuan. The manuscript was drafted and revised by XIA Xiang, MA Xiaodong, HU Wenxuan and ZANG Suhua. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.