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泥晶灰岩储层——第四种碳酸盐岩储层类型

已有 666 次阅读 2021-2-18 10:17 |系统分类:科研笔记

曾遇到一批泥晶灰岩样品,按照以前的经验,这实在是太简单了,然而后来却发现错的实在太离谱!

遇到的主要难题包括:(1)泥晶灰岩的孔隙居然非常好,与以前见到过的全是致密泥晶灰岩完全相反,为什么会泥晶灰岩中会发育这么好的孔隙呢?(2)据反馈的意见,岩心描述中据然多是藻包壳、叠层石类为主,而实际上在薄片中却未发现藻类的痕迹,见较多钙藻铸模孔或不完全溶蚀的钙藻,偶见红藻屑,是哪一方出错了吗?(3)还据反馈意见说,拍摄的照片里面怎么全是黑乎乎的一坨,怎么感觉看不到其它的东西,也看不到胶结物世代啊!

结合本次工作,广泛调研了一番,居然发现了一片新天地!由于仅有薄片资料,资料非常有限,不足之处敬请担待。

 

众所周知的是,中国海相碳酸盐岩有效储层按成因类型主要划分为古风壳型岩溶储层(古潜山储层)、礁滩相储层及层状白云岩储层等三大储层类型,提起其中任何一种储层类型我们都不会觉得陌生。然而,在中东、北非、东南亚和北美Gulf海岸,尤其是在中东地区,白垩系微孔泥晶灰岩或以泥晶基质支撑的微孔灰岩则是另外一种重要的油气储层类型。微孔泥晶灰岩储层从浅海潮坪台地到远洋盆地等都可发育,泥晶基质中存在丰富的弥散状微孔,形成特殊的多孔的白垩质结构(chalky texture),直径常小于10μm的微孔是其孔隙的主要构成部分。在这些微孔泥晶灰岩储层中,由微菱形和圆形低镁方解石组成微孔晶间格架,泥晶方解石晶体直径一般小于8μm,特别是在中东地区;孔隙度为0~25%,渗透率可达数百mD。与之相伴且形成形成明显对比的是,泥晶灰岩也可形成孔隙度和渗透率很低(常小于5%)的致密层。

尽管多孔泥晶碳酸盐岩储层具有重要的经济意义,但目前对作为泥晶灰岩孔隙主体的微孔孔隙的成因却仍然知之甚少且争议巨大,原因共有三方面:(1)研究微米级大小的泥晶晶体及微孔(直径小于10μm)所涉及的分析技术和操作方法与常规储层相比显得较为复杂和明显困难得多;(2)目前缺乏可进行类比研究的类似碳酸盐岩沉积物,海相热带台地现今沉积的碳酸盐灰泥主要是由不稳定的文石和高镁方解石组成,在成岩过程中没有保留原有的微孔结构而呈致密状,与中东地区白垩系微孔泥晶灰岩储层中以低镁方解石为主要成分的泥晶基质完全不同。(3)以泥晶灰岩或泥晶支撑的碳酸盐储层类型在我国不发育,长期以来没有得到充分认识。近年来仅仅随着我国油气项目的海外拓展,对该类多孔泥晶碳酸盐岩储层的发育特征、成因、主控因素等进行了初步研究并获理了一定的认识。因此,到目前为止,微孔泥晶灰岩比常规粗孔大孔灰岩储层受到的关注程度明显要少得多。

一、泥晶灰岩中孔隙

泥晶灰岩中存在多种类型的微孔,包括原生晶间微孔和溶蚀增强的基质晶间溶孔(或称海绵状基质溶孔),还可发育粒内溶孔、铸模孔和基质溶蚀沟道。

1、微孔

微孔在中东、北非、东南亚、北美和欧洲的显生界灰岩储层尤其是中东白垩系储层中普遍存在。微孔一词通常用于描述蓝色环氧树脂铸体的石灰岩岩石薄片中观察到的蓝色雾霾(图12)。通过扫描电子显微镜对蓝色薄雾进行详细研究,发现绝大多数微孔的特征是孔隙空间位于密度不等的泥晶晶体格架内。对微孔的定义通常是基于孔隙直径大小,微孔直径一般小于10μm。具有微孔的泥晶灰岩类储层具白垩质结构或晶体骨架结构,具有较大的晶间孔隙度,一般在15~30%之间,渗透率超过1.0 md,大多数孔隙为直径5~10μm的多面体孔洞,由直径0.5 ~ 2μm的孔喉相互连接,孔隙高度分散,沿着晶棱呈线狭窄的、平直的或层状空间,是碳酸盐基质晶间微孔的主要组成部分。微孔泥晶灰岩的毛管压力曲线显示孔喉大小分布一般是分选良好和倾斜较细。


图1  微孔泥晶灰岩的微孔孔隙特征(Kaczmarek et al.,2015)

A)中东白垩纪储层微孔灰岩的显微薄片照片。蓝色铸体薄片,在平面偏振光下显示为典型的微孔“蓝雾”。B)同一蓝色铸体薄片的背散射扫描电镜显微照片显示,低镁方解石泥晶体(灰色)基质中有微孔(小黑点),包围着更大的大孔(黑色)。C)在更高的放大倍数下,与B部分相同薄片的背散射SEM显微照片,显示泥晶体的详细排列。D)新破碎表面(同一样品位置)的二次电子扫描电镜显微照片,显示了含有微孔隙的泥晶晶体框架。

微孔泥晶灰岩的微孔特征

溶蚀作用可增强晶体骨架结构的晶间微孔。次生微孔直径一般小于64μm。微孔空间连通性好时,或可能存在一些预先存在的晶间微孔或裂缝微孔隙或缝合线,为溶蚀性流体提供管道,沿基质晶界的溶蚀形成了明显的次生晶间微孔隙,骨骼碎片和微化石的溶解会在基质中产生微铸模孔,也可能产生较大的溶洞和溶蚀沟道,导致孔隙度和渗透率增加。

2、铸模孔:主要是绿藻、腹瓣、海绵骨针等生屑完全溶蚀后形成的铸模孔(图3)。

铸模孔

3、海绵状基质溶孔和基质溶蚀沟道(图45

海绵状基质溶孔

基质溶蚀沟道

二、泥晶结构特征

中东白垩系浅海相微孔泥晶灰岩中的泥晶基质由泥晶低镁方解石晶体组成,呈微菱形,直径总体小于4μm,较大的晶体可以达到8μm,即微亮晶。微孔碳酸盐岩泥晶基质通常具有致密的镶嵌结构(Mosaic textures)和多孔的白垩质结构(chalky texture)两种结构类型。致密镶嵌结构在古老的灰泥中十分常见,最常见的特点是泥晶晶体呈它形,具有曲线状和平直晶棱,晶间孔隙度小于5%。白垩质结构又叫晶体骨架结构(Crystal-framework texture),发育在具有微孔的浅水碳酸盐台地泥晶沉积物中而非真正的远洋白垩沉积,具有较大的晶间孔隙度,孔隙度一般在15~30%之间,渗透率超过1.0 md

泥晶形态结构(包括晶体形状和接触关系)在微孔碳酸盐岩储层与无孔致密镶嵌储层之间存在较大的差异。Lambert et al.2006)将泥晶灰岩中泥晶分为圆形泥晶、微菱形泥晶和致密的它形泥晶三种典型的端元微观形态特征(图6),并且在总体上分别分为三种主要类型的泥晶形态及对应三种储层分类。微孔泥晶灰岩储层常由圆形泥晶和微菱形泥晶构成,圆形泥晶最常出现在微孔油藏顶部附近,微菱形晶泥晶发育于油层或水层中部至底部及储层侧翼微孔相中;圆形泥晶相的储层物性最好,微菱形泥晶在好储层和差储层中都存在,圆形泥晶的平均孔隙度比微菱形泥晶的平均孔隙度高8-13%;而它形泥晶常出现在储层基部或侧翼富缝合线的非储层相致密层中。圆形晶体晶面极少呈平面状,晶体之间呈点接触。微菱形晶体呈自形到半自形,晶体之间通常呈点接触,有时呈锯齿状接触。它形晶体呈半自形到它形(或异型),晶体之间呈锯齿状到聚结状接触。

6  泥晶结构中泥晶的三种形态及形态术语(Lambert et al., 2006

A、具微孔的圆形泥晶;B、具微孔的亚菱形泥晶;C、致密的它形泥晶;D、微菱形泥晶与致密它形泥晶过渡接触;

三、孔隙成因及控制因素

多孔泥晶碳酸盐岩中微孔的成因与灰泥的成岩作用密切相关,因为碳酸盐岩中的微孔结构是岩石石化过程中发生的物质和孔隙度转变以及随后的灰泥蚀变的产物。根据具体的案例研究,对于白垩质结构及微孔的形成提出了许多假说和多种成岩模式,尤其是当成岩模式中又叠加了时间概念,目前还没有一个结论性的模型能令人满意地解释它们的成因,而确定这些控制沉积和成岩因素是了解和预测多孔泥晶碳酸盐储层分布的关键。尽管关于微孔灰岩成因的观点分歧大、争论剧烈,但总体上来说,特殊的原始矿物组成及特殊的成岩条件是其主要控制因素目前得到了较广泛的认可。

(一)低镁方解石灰泥是有利于多孔灰岩形成的先决原始矿物条件

泥晶方解石泥晶体是目前石灰岩中微孔隙发育的主要赋存矿物,而原始矿物学(文石、高镁方解石和低镁方解石)控制着早期矿物学稳定的强度,从而控制着早期胶结和溶蚀的强度,被认为是微孔泥晶灰岩储层形成的主要控制因素之一。解释泥晶灰岩基质及其相关微孔的主要问题之一是确定灰泥的来源和初始矿物,对于这种物质的原始沉积矿物有两种观点:一种认为原始沉积矿物为文石和/或高镁方解石,另一种观点认为原始矿物为低镁方解石。

不管灰泥主要来自于海水直接沉淀还是分泌碳酸盐生物的机械分解,海水性质控制了原生碳酸盐矿物的性质。Volery et al.2009)根据不同海水化学特征,发现中东地区在晚石炭世至三叠纪文石海时期形成的36个碳酸盐岩储层都未形成微孔碳酸盐岩;已知的微孔碳酸盐岩储层多发育于白垩纪期间;新生代方解石海向文石海过渡时期,4个微孔碳酸盐岩储层之中的3个是在海水成分发生变化之前形成的。并且白垩纪是中东储层沉积时代在体积和数值上最重要的时期,白垩纪地层的可采石油和可采天然气分别占50%13%;白垩纪储层也比中东任何其他地质时期的储层都要多。

白垩纪是一个以方解石海洋为特征的时期,主要由低镁方解石组成的生物厚壳蛤是主要的碳酸盐建造者,低镁方解石是主要的非生物成因海相沉积物,文石和高镁方解石主要是生物成因的,因此,泥晶微孔灰岩的原始沉积物是一个方解石海的多矿物组合,低镁方解石灰泥是有利于微孔灰岩发育的原始沉积物。因此,这些浅海微孔碳酸盐岩似乎是由主要由低镁方解石晶体组成的原始灰泥发展而来的。

热带台地现今沉积的碳酸盐泥主要由不稳定文石和高镁方解石组成,在成岩过程中没有保留原有的微孔结构。在淡水或埋藏成岩作用,文石和高镁方解石灰泥转化为由低镁泥晶石组成的石灰岩。这些碳酸盐的结构与中东地区微孔灰岩中的基质非常不同。晶体一般大于4μm,呈它形聚结状,常含残余文石针。虽然新鲜的文石质和高镁方解石灰泥的孔隙度可以达到70%,但在成岩固结岩石的孔隙度只有5%左右,比在典型的微孔灰岩中发现的孔隙度要低得多。因此,文石和高镁方解石灰泥不可能是微孔碳酸盐岩的潜在原始沉积物;以文石和高镁方解石为主的现代浅海环境不能作为地质记录中微孔碳酸盐岩研究的类似物。这些灰泥的矿物学不稳定性阻止了其原始微孔结构的保存,它们转化为致密泥晶灰岩。

低镁方解石灰泥的相对高稳定性可能解释了为什么浅海微孔碳酸盐岩在方解石海期间发育。与由文石或高镁方解石晶体组成的灰泥相比,低镁方解石灰泥相对矿物学性质稳定,可促进原始微组构(包括原生晶间微孔)可以在中等成岩作用下部分保存下来。以低镁方解石晶体为主的灰泥与文石和高镁方解石灰泥相比具有相对的稳定性,是形成微孔灰岩的先决条件。

(二)特殊的成岩条件是多孔泥晶灰岩发育的必要条件

低镁方解石灰泥是微孔灰岩形成的先决原始矿物条件,但也有其他因素影响其演化,特殊的成岩条件是微孔灰岩发育的必要条件。根据岩石学和地球化学数据,各种成岩环境与微孔隙的形成有关,包括大气潜水,淡水-海洋混合,早埋藏和深埋。成岩过程有主张海水中的稳定作用、极浅至浅埋藏条件下大气淡水的影响下的早期成岩过程及深埋藏期间的溶蚀作用、构造暴露表生期溶蚀等是控制浅层碳酸盐台地微孔的主要因素。尽管成岩因素的观点分歧较大,但目前主要有两种成因观点得到较广泛认可,分别是与暴露有关的极浅至浅埋藏条件下大气淡水的影响下的早期成岩过程及埋藏期间溶蚀是控制浅层碳酸盐台地微孔的主要因素。

1)与暴露有关的极浅至浅埋藏条件下大气淡水的影响下的早期成岩过程

在白垩纪和新生代,中东地区微孔碳酸盐岩储层的发育一般与大型海侵和相对海平面的高位有关。有利的条件出现在主要的海侵期,在海平面停滞或低幅度海平面下降期间,大气潜水透镜体可以发育,在随后的海平面上升期间,可迅速被反应性较弱的海水所取代。相比之下,在海平面下降时期,这些情况不太可能发生。海平面的下降会导致长期的出现和渗透性胶结作用的发展,随着原始泥质组构的破坏,原生晶间微孔隙度急剧减少。其他类型的碳酸盐岩储层可在此条件下发育(如岩溶储层、古土壤和铝土矿),但不会形成微孔灰岩。

方解石次生加大是大气潜水透镜体内沉积物的早期成岩转变。不稳定晶体的溶解(文石、高镁方解石与小的低镁方解石晶体)为更稳定的晶体(大的低镁方解石晶体)上次生加大生长提供了物质。小晶体的溶解有利于大晶体的次生加大(奥斯特瓦尔德成熟过程),这些溶解-再沉淀过程或进积新生变形作用导致了沉积物的早期胶结,使沉积物硬化,防止压实,同时部分保留了原始的结构和原始的晶间微孔网络,使泥晶区孔隙网络发生改变;该过程还通过消除小尺寸的晶体来提高渗透性。如果在进积新生变形作用之前发生海底岩化,导致泥晶胶结物的沉淀和/或泥晶区域内晶体生长导致固-固接触增加,则可发育致密灰岩。Volery et al.2010)根据与中东地区早Turonian浅海Mishrif储层的基质微组构相似的西班牙马德里盆地晚中新世湖相微孔泥晶灰岩,在马德里盆地的白垩纪海水和中新世晚期淡水湖泊中,低镁方解石是主要的碳酸盐沉淀,致密相的压实作用较强,而微孔相的压实作用较弱,而致密相和微孔相灰岩两相的岩石结构、沉积成分、矿物学和化学成分基本一致,唯一的区别在于方解石次生加大普遍存在于微孔灰岩中,但在致密碳酸盐中几乎不存在。

2)埋藏期间溶蚀

Lambert et al.2006)中东侏罗-白垩纪储层泻湖泥,在埋藏成岩过程中,酸性流体(特别是沿管道和封盖上方的流体)可能会改善微菱形晶泥晶的良好储层特性,这些流体可能在充油阶段之前和期间发生运移,是造成这种埋藏溶解和圆形泥晶形状的原因,无论是在泥晶基质中还是在泥晶变体中,溶解增加了孔隙度(8-13%),减少了泥晶尺寸(平均约1微米)(图7)。 

 

微孔碳酸盐岩储层的埋藏溶蚀成因模式图(Lambert et al., 2006


回首重新看当时遇到的一系列不符合常规的问题,我们就很好解答了:

1)泥晶灰岩通常具有致密的镶嵌结构和多孔的白垩质结构两种结构类型。白垩质结构具有较大的晶间孔隙度,一般在15~30%之间,渗透率超过1.0 md。我们遇到的就是具有白垩质结构的泥晶灰岩,是中东地区白垩系的主要碳酸盐岩储层类型。

2)以低镁方解石晶体为主的灰泥与文石和高镁方解石灰泥相比具有相对的稳定性,是形成多孔灰岩的先决条件。

3)特殊的成岩条件是微孔灰岩发育的必要条件。泥晶灰岩中孔隙(包括原生晶间微孔和溶蚀增强的海绵状基质溶孔,及铸模孔和溶蚀沟道)的形成有可能是早期大气淡水淋滤及至浅层埋藏期间有机酸溶蚀作用等两期溶蚀作用叠加的结果(图8)。在近地表海洋环境中,泥晶化形成了部分晶间微孔隙。其次,在浅埋大气淡水环境下,淡水透镜体内,文石和高镁方解石生物中的矿物稳定作用导致骨骼颗粒溶解形成了铸模大孔隙。不稳定晶体的溶解(文石、高镁方解石与小的低镁方解石晶体)有利于更稳定的大的低镁方解石晶体的次生加大生长(奥斯特瓦尔德成熟过程或进积新生变形作用),导致了沉积物的早期胶结,使沉积物硬化,防止压实的同时部分保留了原始的结构和原始的晶间微孔网络,还通过消除小尺寸的晶体提高了渗透性。最后,在埋藏成岩过程中,有机酸性流体溶蚀作用可能会改善微菱形泥晶的良好储层特性,造成圆形泥晶的形成并进一步增加了孔隙度。


泥晶灰岩微孔的成因机制



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GMT+8, 2021-5-14 21:39

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