南翼山构造区油田卤水相关地层中岩石和矿物的沉积期后变化.pdf
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1、收稿日期:2021-11-16;修回日期:2021-12-07基金项目:青海省基础研究计划项目(2019-ZJ-7028);第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0806)作者简介:许建新(1971-),男,博士,副研究员,主要从事地球化学的研究(主要研究方向盐湖地球化学)。E-mail:。油田卤水是与油气藏密切相关的地下卤水,其形成及演化与油气的生成、运移和储集等各个阶段都有一定的相关性。因此,油田卤水的形成及演化必定受烃源岩、油气运移通道所在地层和油气藏储集层等岩层中各种矿物在沉积期后的变化过程的影响。在柴达木盆地不同地区的油田卤水中,南翼山构造区油田卤水的研究程度相对较高。
2、根据“青海省柴达木盆地西部富钾硼锂碘油田水资源远景区评价”和“青海省柴达木盆地西部第三系富钾硼锂碘油田水资源评价”等的评价结果,南翼山构造区油田卤水中的钠钾硼锂碘等资源极为丰富,有用组分多且含量高,其品位均已超出卤水综合利用品位的数倍1,是一个多种资源共存的卤水矿床1-2。对深层地下卤水(包括油田卤水)的物质来源和成因,长期以来,人们一直认为(1)海水或湖水蒸发浓缩后的残留卤水为油田卤水的主要来源3-5;(2)含盐地层中盐类矿物的溶解是油田卤水中盐类成分的主要来源之一6-8;(3)成岩作用过程中的钾长石和钙长石的钠长石化、方解石的白云岩化等作用是油田卤水富含钾、钙的主要原因之一9-11;(4)
3、岩浆活动过程中形成的原生水也是油田卤水的来源之一12-13。近年来,油田卤水形成及演化方面的研究文献很多14-15,关于油田卤水的物质来源和成因,其观点基本与上述观点相同。已有文献认为,南翼山构造区油田卤水的来许建新,秦成功,韩积斌,等.柴南翼山构造区油田卤水相关地层中岩石和矿物的沉积期后变化 J.盐湖研究,2023,31(3):35-46.Xu J,Qin C,Han J,et al.Postdepositional change of mineral and rock in strata related to oilfield water in Nanyishan tectonic are
4、a,Tsaidam basin,western,China J.Journal of Salt Lake Rescarch,2023,31(3):35-46.DOI:10.12119/j-yhyj.202303005南翼山构造区油田卤水相关地层中岩石和矿物的沉积期后变化许建新1,2*,秦成功1,2,3,韩积斌1,2,高雪峰4,郭斌4,赵为永,雷涛5,张海宁4(1.中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,青海 西宁810008;2.青海省盐湖地质与环境重点实验室,青海 西宁810008;3.中国科学院大学,北京100049;4.中国石油青海油田分公司勘探事业部,甘肃
5、敦煌736202;5.中国石油青海油田分公司勘探开发研究院,甘肃 敦煌736202)摘要:油田卤水与油气的生成、运移和储集等各个阶段都密切相关,其形成及演化必定受烃源岩、油气运移通道所在地层和油气藏储集层等岩层在沉积期后所发生的水岩反应的影响。南翼山构造区油田卤水的储层为N22y、N12y、N1g和E23g,正好是该区油气的主要烃源岩和储集层,油气的运移也是在这些地层之中进行的。本文通过对这些地层的地表露头和油井岩芯或岩屑的岩石薄片进行镜下观察和鉴定,识别岩石及其组成矿物在沉积期后的变化。南翼山构造区油田卤水相关地层中的岩石和矿物在沉积期后曾发生过方解石和粘土矿物分别交代石英和长石、长石的绢云
6、母化和粘土化、方解石白云石化、方解石的重结晶、灰(云)质岩的溶蚀、粘土矿物重结晶为黑云母、绢(白)云母、绿泥石和玉髓等,以及绢云母交代石英和长石、黑云母的白云母化和绿泥石化、黄铁矿的形成等方面的地球化学过程,也可见到硬石膏、天青石和铁方解石等自生矿物。岩石和矿物的这些沉积期后变化将为油田卤水形成及演化过程中水岩反应的深入研究提供岩石学和矿物学方面的证据。关键词:油田卤水;矿物;沉积期后变化;南翼山构造区中图分类号:P641.464文献标识码:A文章编号:1008-858X(2023)03-0035-12第 31 卷第 3 期2 0 2 3年 9 月JOURNAL OF SALT LAKE RE
7、SEARCH盐湖研究Vol.31 No.3Sep.2023盐湖研究第 31卷源,主要为古盐湖的残留卤水,同时在其演化过程中发生了与深部地层水以及淋滤了含盐地层的大气降水之间的混合,在沉积期后的演化过程中,油田卤水的水化学组成主要受水岩反应的影响14,16-18,20,23,25。这些文献对油田卤水(包括其它类型的深部卤水)形成及演化过程中水岩反应的影响都是从元素地球化学和同位素地球化学的角度来分析和讨论的,很少有通过岩石学和矿物学与地球化学相结合从而深入分析水岩反应对油田卤水形成及演化的影响的。本文拟通过地表岩层露头和油井岩芯及岩屑的岩石薄片的镜下观察和鉴定,识别油田卤水相关岩层及其组成矿物在
8、沉积期后的变化,为南翼山构造区油田卤水形成及演化过程中水岩反应的研究提供岩石学和矿物学方面的证据。1地质概况南翼山背斜构造位于柴达木盆地西部的茫崖凹陷(图 1),地面构造为两翼基本对称的箱状背斜构造,两翼倾角20左右。构造轴线呈北西西向展布,长轴50 km,短轴15 km。南翼山背斜构造的形成受控于翼南和翼北两条断裂的控制,呈两断夹一隆的构造模式26-28。N12早期,翼南和翼北断层形成。主要受这两组断层活动的影响,在N12末期,南翼山背斜构造雏形形成。N22早期又有新的断层形成,随着南翼山地区构造活动的不断继续,N22末期背斜构造已接近现今形态,N32末期最终定型27。南翼山构造具有双层结构
9、,有基岩隆起背景27,浅部背斜为一典型的滑脱褶皱形态18。古近纪新近纪,南翼山构造区长期处于陆相湖泊环境,发育形成了由碳酸盐和碎屑物混合沉积而成的混积岩类29-30。在南翼山构造区,石油钻探工程已揭露的古近纪和新近纪地层有7套,自上而下分别为上新统狮子沟组(N32s)、上新统上油砂山组(N32y)、上新统下油砂山组(N12y)、中新统上干柴沟组(N1g)、渐新统下干柴沟组上段(E23g)、渐新统下干柴沟组下段(E13g)和古新统始新统路乐河组(E1+2l)。其中,N1g上部以浅湖较深湖沉积为主,N1g中下部至E23g多为较深湖深湖相沉积,湖相碳酸盐岩沉积由浅至深不断增多18,30。2岩石样品及
10、其薄片鉴定岩 石 样 品(8 件,分 别 为 NE3N1-2、NE3N1-3、NE3N1-4、CDEG1、CDEG2、CDEG3、CDNG1 和 NN2-4)采自柴达木盆地西部茫崖凹陷E3g-N1g和N12y等地层的地表露头(图1),岩石薄片由青海省地质矿产测试应用中心磨制并鉴定,所用偏光显微镜为 Leica-374型。油井岩芯及岩屑来自南翼山油田的8口油图 1南翼山构造区及其周边地区油田卤水相关地层岩石样品采集点分布图Fig.1The map of rock sample points of the strata related to oilfield water in Nanyishan
11、tectonic area and its extent36许建新,等:南翼山构造区油田卤水相关地层中岩石和矿物的沉积期后变化第3期井(翼评1、南102、南104、南106、南4、南浅2-6-2、南浅6-6和南浅22-6),所代表的地层为E23g、N12y和N22y。油井岩芯及岩屑薄片(25件)由中国石油青海油田分公司提供并鉴定,所用偏光显微镜为 ZEISS Imager.A2型。3南翼山构造区烃源岩及油气藏储集层和油田卤水的储集层油田卤水是烃类运移、聚集和油气藏形成的动力和载体,而油气藏是地层水在地质历史时期不断活动的结果,二者之间在不断地进行着物质交换,油田卤水与油气藏互为条件,相互依存3
12、1-32。因此,在研究油田卤水的形成和演化时,有必要将与油气生成、运移和储集等阶段相关的全部岩层和油田水一起作为研究对象进行系统的分析。根据南翼山构造区烃源岩的研究结果,该区E23g-N22y有机碳平均含量为0.45%0.52%,高于柴达木盆地西部地区岩层的生烃下限0.40%,而氯仿沥青A的含量大于600 mg/kg,说明这些岩层具有生烃能力且其烃转化能力较强。E13g和E1+2l有机质平均含量低于0.40%,为非生油岩33。烃源岩有机质成熟度的研究表明,南翼山构造区及其南北两侧生烃中心的E23g烃源岩均已进入成熟阶段,部分进入高熟阶段;N1g烃源岩大部分进入成熟阶段,上部部分烃源岩处于低熟阶
13、段;N12y烃源岩的下部和N22y烃源岩也已进入低熟阶段;E1+2l 烃源岩已达到过成熟阶段33-40。同时,有人认为深部的侏罗系也很有可能是该区古近纪新近纪油气藏的主要烃源岩34,但目前尚有争论38。南翼山的油气藏与断裂构造相伴生,同时受成岩作用和构造运动的影响,该区古近系新近系广泛发育有构造裂缝和成岩作用裂缝(如成岩收缩裂缝、矿物相变裂缝和溶蚀缝等)。这些裂缝和断裂一起决定着油气的运移方向和储集场所26,39,41-43。该区南西向和北西向两条逆断层以及由其产生的构造裂缝大多位于背斜构造轴部,为油气纵向运移的主要通道和储集场所,而分布于背斜轴部的褶皱相关裂缝是油气横向运移的主要通道和储集场
14、所。受断裂及其活动的影响,油气藏在南翼山构造西部和北翼最为富集39。就储集地层而言,南翼山油气藏的储集层为E13g(气藏)、E23g(凝析油气藏)、N12y(油藏)和N22y(油藏)。其中,E23g和N22y为主要储集层33。根据油井的射孔和放水试验结果(单井涌水量)以及含水地层的厚度等资料18,44-45,南翼山构造区的油田卤水分布于N22y、N12y、N1g和E23g等 4套地层中,各储卤层之间以泥岩为主要隔水层而分隔。其中,E23g和N22y为主要储卤层。油田卤水的聚集也受断裂和裂缝分布的控制,南翼山油田卤水目前的聚集和分布情况正好与该区断裂和裂缝的发育和分布情况一致26,30,41。4
15、油田卤水和油气藏储集层及烃源岩的岩性及矿物组成根据钻井资料,南翼山构造区油田卤水和油气藏储集层及烃源岩的岩性自上而下分别为:上油砂山组(N22y):以灰色泥岩和含灰质泥岩为主,夹灰色云灰岩,见少量灰质砂岩和藻灰岩。下油砂山组(N12y):上段为灰色泥岩与泥灰岩互层,中段为灰色泥岩与钙质泥岩互层,下段以灰色泥岩、钙质泥岩、泥灰岩为主。上干柴沟组(N1g):为灰色泥岩与钙质泥岩互层,夹灰色砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉砂岩。下干柴沟组上段(E23g):以钙质泥岩、砂质泥岩为主。与泥灰岩、泥云岩、泥质粉砂岩及灰岩呈不等厚互层。下干柴沟组下段(E13g):上段以棕红、棕褐色泥岩、砂质泥岩、钙质粉砂岩为主夹少
16、量棕红色泥质粉砂岩。下段以棕褐色、棕灰色、灰白色钙质粉砂岩为主夹少量灰色泥岩、砂质泥岩、钙质泥岩薄层。总体而言,南翼山油田卤水和油气藏储集层及烃源岩主要由碳酸盐岩和碎屑岩组成,是碳酸盐岩和碎屑岩共生的混合沉积岩。碳酸盐岩主要有颗粒灰岩、颗粒白云岩、泥晶灰岩、泥晶白云岩和藻灰(云)岩。颗粒灰岩和泥晶灰岩中常见白云石化现象。颗粒白云岩由颗粒灰岩经白云石化作用形成,云化作用程度在 55%90%之间,藻灰(云)岩主要为藻叠层灰(云)岩和藻粘结岩29,46。碎屑岩包括粉砂岩、细砂岩和中粗粒砂岩、泥岩。组成各类碎屑岩的碎屑颗粒主要为石英、钾长石、斜长石等矿物碎屑和不同类型的岩屑。各类碎屑岩的组成如表1所示
17、。37盐湖研究第 31卷5油田卤水相关地层的岩石和矿物特征Eg-Ng和N12y等地层地表露头的岩石为钙质粉砂岩、泥质泥晶灰岩、含泥含粉砂泥(粉)晶灰岩、粉砂质泥晶灰岩和含泥粉砂质粉晶灰岩。E23g、N12y和N22y等地层的井下岩芯和岩屑为泥晶灰(云)岩、泥质泥晶灰岩、砂质泥晶灰岩、鲕粒灰(云)岩、藻灰岩、含灰泥岩、含砂灰(云)质泥岩、含砂泥岩、粉砂质泥岩、含灰砂质泥岩、含灰粉砂岩、含泥灰质粗粉砂质极细砂岩、泥质粗粉砂质极细砂岩和含膏细砂岩。岩石薄片的镜下特征如图2、3所示。5.1地表露头岩石薄片的镜下特征钙质粉砂岩:由碎屑颗粒和填隙物组成。碎屑颗粒主要为石英(包括玉髓集合体)碎屑和长石碎屑,
18、长石主要为斜长石,其次为钾长石,含少量碳酸盐岩屑。石英碎屑边缘被绢云母、碳酸盐矿物或硅质交代,有些石英内部有隐晶质玉髓集合体。可见斜长石不同程度的绢云母化和粘土化、钾长石被粘土矿物和绢云母交代等现象。填隙物主要为粘土矿物和一些钙质成分,含铁质粉末。粘土矿物基本已经完全重结晶为细小鳞片状或片状黑云母、白云母及绢云母和隐晶质玉髓集合体,黑云母和白云母大致平行相间分布于碎屑颗粒之间,具显著的定向性。部分黑云母被绿泥石及铁质粉末交代(图2A-C)。泥质泥晶灰岩:由碳酸盐矿物方解石及粘土质组成。方解石呈显微细小他形不规则粒状,少数呈隐晶质,粒度大多0.01 mm,属泥晶范畴,多以细小泥晶集合体产出,少数
19、呈隐晶质集合体分布于泥晶集合体之中。粘土质呈浸染状或不均匀浸染状分布于泥晶方解石集合体之中。岩石薄片中可见溶蚀孔(洞)(图2D)。含泥含粉砂泥(粉)晶灰岩、粉砂质泥晶灰岩和含泥粉砂质粉晶灰岩:由碳酸盐矿物方解石和碎屑颗粒及粘土质组成,可见铁质粉末。方解石呈显微细小他形不规则粒状,粒度大多在0.010.1 mm之间或0.01 mm,属粉晶或泥晶范畴,有轻微重结晶现象,多以细小粉晶彼此镶嵌集合体产出。碎屑颗粒主要为石英碎屑,粉砂质泥晶灰岩中可见少量长石碎屑(图2G)。粉砂质泥晶灰岩中可见石英碎屑边缘被方解石交代、长石的绢云母化和粘土化等现象(图2G)。粘土质大多已重结晶为绢(白)云母(图2 E,F
20、,H)及少量黑云母和(或)绿泥石(图2F,H),零星分散于泥(粉)晶方解石集合体之中,略具定向性。5.2井下岩芯和岩屑薄片的镜下特征泥晶灰(云)岩、泥质泥晶灰岩和砂质泥晶灰岩:主要由泥晶方解石组成,其次为粘土矿物和陆源碎屑颗粒。碎屑颗粒主要有石英碎屑和长石碎屑,少量黑云母(图 3 B11、B12、C07)和白云母(图 3 B03、B06、B11)碎片零星分布。有些薄片中可见碳酸盐岩和泥岩等内碎屑(图3 C13)。可见黄铁矿(图3 B12、C13)。泥晶方解石和泥质交代石英碎屑和长石碎屑边缘的现象比较普遍,也可见长石碎屑轻微粘土化表1南翼山构造区碎屑岩及泥质岩的组分构成*Table 1Compo
21、nents of the clastic rock and pelitic rock in Nanyishan tectonic area碎屑类型矿物碎屑岩屑填隙物石英(%)钾长石(%)斜长石(%)火成岩(%)沉积岩(%)变质岩(%)泥质杂基(%)细粉砂级石英(%)方解石(%)白云石(%)泥岩62.017.05.0-30.0粉砂岩31.03.414.05.022.019.01.3细砂岩31.07.014.01.21.08.019.016.01.3中粗粒砂岩17.016.08.01.027.03.030.0*表中数据引自文献 29。38许建新,等:南翼山构造区油田卤水相关地层中岩石和矿物的沉积期
22、后变化第3期现象(图3 C03),个别白云母碎片边缘被泥晶方解石所交代(图3 B03),个别薄片中可见泥晶方解石的白云石化现象(图3 C07)。鲕粒灰(云)岩:主要由鲕粒组成。部分鲕粒的鲕核为陆源碎屑颗粒,有些鲕粒内部被碳酸盐矿物和硅质充填。鲕粒之间为泥晶方解石(或白云石),少量石英碎屑较均匀地分布其间,部分鲕粒含铁质粉末。石英碎屑边缘被泥晶方解石轻微交代,可见泥晶方解石的白云石化现象(图3C06)。藻灰岩:具有藻粘结结构或藻叠层结构,主要由泥晶方解石组成,局部含石英碎屑或长石碎屑,可见少量内碎屑局部分布。溶蚀孔发育,多被硬石膏及亮晶方解石充填(图3 B04)或被硬石膏及天青石充填(图3B07
23、)。含灰泥岩和含砂灰(云)质泥岩:主要由水云母等粘土矿物组成,其次为泥晶方解石和(含)陆源碎屑。陆源碎屑主要为石英碎屑和(或)长石碎屑,少量云母(白云母)碎片(图3 A03,C02)零星分布,可见A-F为Eg-Ng岩石,A-C:钙质粉砂岩;D:泥质泥晶灰岩;E:含泥粉砂质粉晶灰岩;F:含泥含粉砂粉晶灰岩。G-H为N12y岩石,G:粉砂质泥晶灰岩;H:含泥含粉砂泥晶灰岩。Q-石英,CH-玉髓,F-长石,P-斜长石,MU-白云母,B-黑云母,S-绢云母,C-碳酸盐矿物,CA-方解石,D-白云石,CM-粘土矿物,CL-绿泥石,IR-铁质粉末,DP-溶蚀孔(洞)。A-F represent the r
24、ocks in Eg-Ng,A-C:calcareous siltstone;D:muddy micrite:E:mud bearng silty micrite;F:mud and silty bearing micrite.G-H represent the rocks inN12y.G:silty micrite;H:mud and silty bearing micrte.Q-quartz,CH-chalcedony;F-feldspar;P-plagioclase,MU-muscovite B-biotite S-sericite.C-carbonate,CA-calcite,D-d
25、olomite,CM-clay mineral,CL-chlorite IR-ferrous powder.DP-solution ave.图 2茫崖凹陷渐新统中新统干柴沟组(Eg-Ng)和上新统下油砂山组(N12y)地表露头岩石的镜下图片(A、B、G:50X(+);C、E、F、H:100X(+);D:200X(+);图片均缩小至原图片的37%。)Fig.2Images of the rock thin sections in Oligocene-MioceneGanchaigou formation(Eg-Ng)and Pliocene lower Youshashanformation(N
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