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[油气矿产] 片贝地区绿凝灰质火山岩储集层的热水变质作用及次生孔隙的性质

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    [LV.5]渐新世

    发表于 2019-11-30 19:58:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

    山田泰生  内田隆

    摘要:片贝气田产出的天然气来自于深度超过4000米的绿凝灰质火山岩储集层。中新世的绿凝灰质火山岩是海底喷发的火山岩体,并接受了广泛的热液变质作用,由此改善了火山岩的储集性质。在火山岩储集层中,热液变质作用的时间是关键的争论点。此外,在有效的储集层的形成上也存在争论。有两种方案可以考虑:储集层的形成可以发生在深埋藏之后或海底火山作用之后不久。以同位素的结果及矿物学和流体包裹体的研究,认为后一种方案能够合理地解释热液变质过程。
    粘土矿物的变质分带和碳酸岩显示的两个热液流体的区域,在绿凝灰岩层的较低部位,玄武岩存在的高度一致于推测的热液上涌区域。流体包裹体的微温度测定数据说明了高温盐水被中低盐度的水进行了混合。在对比变化了的海水成因水时,推测为后来的水具有退化成因。这种水很可能从覆盖的泥岩中排出,且与石英结核中的碳氢化合物包裹体中的水是相似的。
    在海底变质作用的热液活动消失时,加热了覆盖与其上的泥岩,在低于其中的有机质埋藏时间所对应的成熟度情况下就开始了生油。
    关键词:热液变质作用,次生孔隙度,绿凝灰岩,火山岩储集层,流体包裹体,碳氢化合物包裹体,同位素
    1、 前言
    作为石油天然气的储集层,可以说砂岩占据了世界总数的60%,而剩余的40%为碳酸岩
    所占据。但在日本,火山岩类和侵入岩类(基岩)也作为储集层而占据着石油勘探领域的重要位置。以绿凝灰质火山岩类为储集层的石油、天然气的发现,是以新泻地区的见付油田的发现为转机的。其后,在新泻地区,相继发现了仅在我国(日本)为数不多的、具有较大储量的和显示高产能的吉井——东柏崎气田、片贝——南长岗气田。此外,在秋田地区也相继发现了由利原和鲇川油气田,因此认识到以绿凝灰质火山岩储集层为对象的深部勘探的重要性。
    在片贝地区,绿凝灰质火山岩成为主要的油气储集层之一。但是,在一般情况下火山岩孔隙比较贫乏,随着埋藏的加深其原生孔隙有的趋势。在另一方面,因海底火山活动而喷出的绿凝灰质火山岩类,存在着因强烈的变质作用而改善储集层性质的情况。所以,在研究火山岩储集层性质的时候,认识变质作用是重要的。
    本文对发现于片贝地区的绿凝灰质火山岩类的变质作用及次生孔隙特征进行了论述,且对火山岩储集层发展过程进行了研究。
    2、 样品及分析方法
    使用在片贝地区得到的岩心样品,进行薄片鉴定、阴极发光观察、X——射线衍射分析
    及扫描电子显微镜观察,掌握了变质程度及主要变质矿物。另外,使用水银压汞技术,对样品的孔径分布和水银孔隙度进行了测定。此外,对岩脉及结核体中取出的石英和碳酸盐矿物,使用X——射线衍射分析及能量色散检测扫描电子显微镜(SEM/EDS)对矿物进行鉴定之后,进行流体包裹体的微温度测量。对其中的一部分样品进行了碳、氧同位素测定(稳定同位素)。此外,从岩心样品中分离出伊利石,实施了K——Ar年代测定。
    3、 地质概况
    片贝气田位于长岗市南西约10公里处之丘陵地带,与邻近的南长岗气田一起,都位于
    NNE——SSW方向的背斜构造带上,构成初具规模的油气田。
    七谷组被分为下部的绿凝灰岩层和上部的七谷泥岩层。绿凝灰质火山岩类是与日本海的上升相关联的,而在中新世活动的海底火山喷发,其物质是以流纹岩质(包括石英安山岩质熔岩及火山碎屑岩)为主体。在片贝地区的下部地层伴有玄武岩、安山岩类的发育。在片贝气田,绿凝灰质火山岩类发育在4000米以下的深度,通过地球物理测井曲线的特征基本可以划分为熔岩和凝灰岩。该套火山岩类,根据熔岩含量的多少,被划分为G0——G5六个层(猪间、赤掘,1982;星,1992)。
    除了片贝地区的酸性火山岩以外,对绿凝灰质火山岩进行了年代测定,根据数据,加藤分析得到的地质年代为23——14Ma。绿凝灰岩上部的泥岩层,根据微古生物化石鉴定,得到的时代也大致如此(例如:津田,1992)。
    绿凝灰质火山岩层上部的泥岩和下部的寺泊泥岩层,一般认为是向该火山岩类储集层提供油气的油气源岩(例如,井平,1974;关口,1984;加藤,1988)。
    4、 火山岩储集层的原生孔隙度和次生孔隙
    岩石的原生孔隙度会因埋藏产生的温度、压力、局部的热水活动以及差应力的产生等因
    素而减小,也会引起孔隙形态的变化。这就会产生以溶蚀孔隙和岩石裂隙为代表的次生孔隙(内田,1992)。由于近年来勘探的推进,已明确片贝地区及由利原地区为代表的绿凝灰质火山岩储集层是次生孔隙极为发育的油气储集层(片平,1974;岛津,1982等)。
    为了研究绿凝灰质火山岩类储集层的裂隙大小及裂隙的密度,对片贝地区的流纹岩类和玄武岩类进行岩心观察及薄片鉴定并对裂隙的存在频率进行研究。其结果是:在流纹岩中不仅肉眼级别的宏观裂隙发育,而且镜下级别的微观裂隙更为发育,但在玄武岩中,裂隙仅少量发育。
    为了掌握片贝地区的流纹岩/玄武岩的原生孔隙及次生孔隙的性质,和由利原地区的玄武岩一起用孔径分布数据绘制了各种相关图件。其结果是片贝地区的流纹岩及玄武岩和由利原地区的玄武岩的分布区域完全不同。在孔隙类型和岩相上存在明显的差别,并且从这些相关图件中可以识别出:原生孔隙发育型、裂隙发育型和溶蚀孔隙发育型这三种储集层类型。由此,更进一步地明确了在判断宏观裂隙发育型和微观裂隙发育型的时候,可以使用空气渗透率和理论渗透率相关图。在片贝地区,构成天然气储集层的流纹岩类的次生孔隙是以裂隙为主体并伴有溶蚀孔隙并含有气孔状原生孔隙。这种薄片鉴定的结果与相关图的判断结果是完全一致的。
    片贝地区的流纹岩/玄武岩类,根据储集层的性质(孔径分布数据及薄片鉴定结果)和测井响应(主要是γ射线、中子、密度、声波时差测井)被大范围地划分为4种岩相:流纹岩1、流纹岩2、碎屑流纹岩、玄武岩。流纹岩1与流纹岩2相比经历了较低温度的热水变质,储集性质是最好的。流纹岩2与流纹岩1相比经历了高温的热水变质,其储集性质比玄武岩类要好得多但比流纹岩1要相差若干。在另一方面,含有碎屑熔岩和凝灰角砾岩等的碎屑流纹岩及玄武岩类的储集性质相当差。在片贝构造中,它起着遮盖储集层的盖层作用。
    5、 绿凝灰质火山岩的变质作用
    关于发育在片贝地区的绿凝灰岩的形成时期及其接受变质作用的时期存在两种意见。加藤(1998)从现在的火山岩埋藏深度和流体包裹体的均一化温度出发,认为溶蚀孔隙是在西山期形成的。另一方面,岛津(1982,1990)发现伴有方铅矿存在的次生孔隙的存在,认为其是在海底火山活动之后发生变质形成了次生孔隙,因此改善了储集层的性质。
    正如岛津所指出的,从各种数据中都显示出在绿凝灰质火山活动之后,火山岩类受高温热水变质作用得到改造而改善了储集层的性质。本文对其发展过程进行了研究。
    发育在片贝地区的绿凝灰质火山岩类,在一般情况下承受着强烈的变质作用,其主要变质矿物是石英、钠长石、伊利石、绿泥石、碳酸盐矿物,其重要的特征是变质矿物中几乎不产沸石。该特征表明这种变质作用是在高的二氧化碳分压下作用的结果。
    5·1、变质作用的温度
    片贝地区的绿凝灰质火山岩类中的绿泥石和岩脉及结核中的绿泥石应用cathelineau and nieva的绿泥石地质温度计在1985年测得绿凝灰岩比较浅的部位,其温度范围是220——290oC,在比较深的部位的温度范围值是300——330oC。这一温度显示出比现今同层位的温度160——180oC高,表明这种凝灰岩层经受了300oC以上的高温热水变质作用。
    关于出现在片贝地区的绿凝灰质火山岩中的石英,对其中的水相包裹体和碳氢化合物包裹体测定了均一化温度,前者的温度是100——300oC,后者的温度是140——170oC。另外在碳酸盐矿物中(方解石和铁白云石),测得的均一化温度是100——250oC。碳酸盐矿物多数是以脉状产出的(一部分是结核体)。从脉状体的空间分布及交叉关系上看,认为它们是在热水变质作用的较后时期形成的。对岩盐的均一化温度测得了一个数据点,其温度是160——200oC。
    5·2、碳酸盐矿物的碳氧同位素组成
    在片贝地区的绿凝灰质火山岩类中,高品质的碳酸盐碳氧同位素比值给岩石的成因类型提供了重要的信息。
    热水成因的碳酸盐矿物的碳氧同位素比值的范围约为0到-10(PDB)(chmoto and pye,1979)。这个数值接近在碳酸盐和金伯利岩中分析得到的深部成因的碳同位素比-5到-8(PDB),而成岩过程中形成的碳酸盐矿物的碳同位素比值范围是从+20——+10到-20至-30以下及一般情况下相当广泛的范围值。(longstaffe,1989)。
    热水成因的碳酸盐矿物的氧同位素比,分布范围比较广。在海底成因的碳酸盐矿物中,有学者认为其氧同位素比值广泛分布在地幔成因的-25到海水成因的+10(pdb)之间。而成岩过程中形成的碳酸盐矿物,样同位素比值显示为-5到+5(pdb)之间。
    片贝地区的绿凝灰岩矿物以-3到-9(pdb)的碳同位素比和比-15(pdb)轻的氧同位素比为特征。该同位素组成范围表明因热水变质作用而形成了这些碳酸盐矿物,而另一些比值则接近地幔成因的碳氧同位素比,显示出高温下的水/岩石比。
    碳酸盐矿物的氧同位素比,由矿物的种类、水的氧同位素比、生成温度这三个因素决定(松本、松久,1983)。所以,在估计与碳酸盐矿物相关的氧同位素时18δOH2O,根据水和碳酸盐矿物的氧同位素平衡可知其范围值约为0到+5(SMOD)。另外,在铁白云石中测得的SMOV值约为0(碳酸盐矿物的矿物种类即化学组成用SEM/EDS设备进行分析,且对生成温度使用了流体包裹体均一化温度的平均值)。而关于水和碳酸盐矿物的氧同位素的分配问题,对方解石使用了Epstein(1953)方法,对铁白云石采用了与白云石相关的Fritz and smith(1970)的方法进行测定。
    5·3、变质矿物的分布
    为研究变质矿物的的分布,以粘土矿物的变质分带为基础,研究了铁白云石中的Mg离子含量。
    关于主要的粘土矿物分带,有:a、伊利石带,b、伊利石+绿泥石带,c、绿泥石带。这三个带都与石英和钠长石共生。伊利石带在上部发现两处,向周边分布有伊利石+绿泥石带和绿泥石带。
    此外,在片贝地区的绿凝灰岩层中,发现碳酸盐矿物(方解石、Mg质菱铁矿、铁白云石)具有特征值。其中铁白云石的Mg最大含量呈有规律变化。深度越大,铁白云石中的Mg最大含量越低。在其等值线上可发现两个特征值。
    5·4、流体包裹体
    流体包裹体对于判断在热水变质作用中流体的相关性质起着很大的作用。
    从片贝地区的绿凝灰质火山岩层的岩心样品中,发现一处石英中含有碳氢化合物的流体包裹体。碳氢化合物的存在意味着在矿物的形成时,存在石油(该石油不是运移来的),这对于研究石油的形成、运移、聚集具有重大的意义。该碳氢化合物包裹体是在流纹质熔岩的缺陷内的石英中发现的。从石英晶体的发育出发,判断这种碳氢化合物包裹体为原生——假次生成因,是由液相和气相两相构成的。在紫外线照射下的荧光反应中,碳氢化合物显示亮蓝色。根据包裹体的荧光反应颜色及石油成熟度分析,表明该石油的成熟度比较高。
    另一方面,包含在石英中的水相流体包裹体,在均一化温度和冰的溶解温度图中,表现出一种趋势,因为流体包裹体内部的流体的气浓度不高以及上述趋势的温度范围大,所以认为这种趋势不仅是因气相的分离形成的,而且两种水的混合也可以形成。这种混合趋势之一端的高温高盐度水是热水流体,根据它的高盐度和具有碳酸盐矿物的同位素组成这两方面的证据,可以认为它是高温变质海水成因。而该趋势的另一端是中等温度和低盐度的水,温度约在70——150oC时,盐的浓度接近于零。这在海水热水活动中,这种盐度的水被认为是低温热液水。
    大多数的石英中的流体包裹体,只有一部分表现出规律性。均一化温度在300oC以上的石英样品与这一规律不一致。这被认为高的均一化温度为活跃的热水活动的结果,也正因为如此低温成分的影响难以表现出来。
    对碳酸盐矿物,当其均一化温度在200oC以下时可以看到冰的溶解温度大致集中在-20oC左右。所测试的脉状碳酸盐矿物,因为是变质作用后期产生的,所以其与热水活动相关的混合现象变弱及热水活动衰退。这样低温热液水的影响可能不存在。
    对于重晶石来说,冰的溶解温度低于-3.1——-2.1oC,表明高盐度热水的影响更强。
    5·5、变质作用的时期
    为了研究变质作用的准确时期,对流纹岩的4块样品进行了变质矿物——伊利石的K-Ar年代测定。其结果是所测得的年代值约为12Ma。
    该值比新泻地区的绿凝灰岩层中测得的约为23——14Ma要年轻一些,因此认为在绿凝灰质火山活动之后发生了热水变质作用。
    火山活动开始后,经过短时间就出现热水活动的这种现象,在大量的热水矿床中都有报告。
    6、 进一步研究
    6·1、片贝地区绿凝灰质火山岩类的变质史
    发现于片贝地区的绿凝灰质火山岩中的变质矿物的分布特征与绿凝灰质海底火山活动相一致,上述变质矿物的组成和流体包裹体数据证明了变质作用带与产生高温变质海水的海底热水活动的关系。
    海底热水活动产生的高温变质海水在一般情况下显示弱酸性。这种弱酸性的水,从热水上升区域的中心部位向周边对流时,因为和岩石的反应而发生ph值的上升和温度的下降。热水的这种条件变化在相图上表现明显,并且热水的组成由钾云母——钠长石相向钾云母——绿泥石——钠长石相及绿泥石——钠长石相移动。若以这种方式考虑,产生高温变质海水的海底热水活动在热水上升区域的中心部位分布有伊利石——绿泥石带,其边缘部位分布有绿泥石带。实际的粘土矿物也是这种模式。因为有两处存在伊利石带,所以可以推测为存在两处热水上升区域。这种热水上升区域与玄武岩发育区相一致,表明玄武岩岩浆的喷出口起着热水通道的作用。
    基于上述证据,可编写如下变质史。
    开始于更新世的绿凝灰质海底火山活动大约持续到距今14——13Ma。伴随着海底火山活动的衰退,绿凝灰质火山岩类开始被半深湖相的泥岩所覆盖。其后在距今12Ma左右,以喷出火山岩类的喉道部分为主要上升通道的热水活动开始了。以通过海水/岩石相互作用而形成的变质海水为成因的弱酸性高温热水形成了粘土矿物的变质分带。
    这种热水活动提高了周边的低地温梯度,且加热了覆盖绿凝灰岩层的上部和侧面的泥岩层。受这种加热的影响,泥岩层进入了低温热液阶段,排除了因含水矿物脱水而产生的水。这种热水活动水和低温热液成因的水的发育,可由上述流体包裹体中两种水的混合趋势来证明。这种混合趋势的一端的温度为70——150oC,可认为是低温热液温度。另外前面曾谈到过碳氢化合物的出现,这也证明进入低温热液阶段的推测是正确的。
    在热水活动变弱或衰退时,富含Mg2+的海水成分渗入,这就形成了铁白云石中的Mg2+含量最大值等值线的分布形态。
    铁白云石中的最大Mg2+含量之所以随深度发生变化,是因为铁白云石中的Mg2+来自于海水的缘故。铁白云石的溶解度随温度的增加而减少,所以温度越高,铁白云石越容易沉淀,且海水中的Mg2+以溶解状态也难以达到高温部位,所以预测铁白云石中的Mg2+的含量时,发现在高温部位减少。如果遵循这一模式,在等值线图的形态上见到的两个高峰值表示高温区域和热水上升区域。由该模式推测的热水上升区域与粘土矿物分布推测的热水上升区域是一致的。此时与铁白云石形成相关的水的氧同位素的值为0(smov),因此铁白云石在海水成分的影响下,其形成过程与上述模式是一致的。
    这种铁白云石中的Mg2+含量的变化多在低温海水和高温热水之间,温度梯度较高的时期形成,且在不太强烈的火山活动之后变化。
    此外,在热水上升区域的顶部,热水中的Ba2+和海水中的SO42-混合形成岩盐。这与热水上升区域的顶部岩盐含量高的事实相符。
    6·2、储集层的形成和石油的聚集
    在片贝地区,绿凝灰质火山岩类受到强烈的热水变质作用,改善了火山岩类的储集性质。由于海底热水活动的产生的水和岩石的相互作用,在高温变质海水形成时,由于高渗透率部位的水和岩石比较高,使变质海水的ph值变低,这促进了岩石的溶蚀。所以在该渗透率部位因热水变质作用的存在,可能改善了储集层的性质。
    在片贝——南长岗气田的绿凝灰岩中,上部发育火山碎屑——玻屑熔岩相,但储油物性差,没有油气显示。在该岩相中存在微晶质石英集合体中伴有绢云母化。这一结果表明热水变质作用对火山岩储集层的性质给予了强烈的影响。在另一方面从热水活动的观点出发,该火山碎屑岩及碎屑熔岩相发育在热水活动的低强度部位及海水活动的低温部位,在该环境下,高温热水及低温海水发生混合且产生高低温梯度,容易形成变质矿物生成的最好环境,所以过多的变质矿物致使储集层性质变差。
    片贝地区的玄武岩类和由利原地区的玄武岩类不同,其储油物性差的原因是不存在气孔,而固结埋藏后的成岩作用及热水变质作用的环境不同,也是两地区玄武岩物性不同的一个原因。
    发育在绿凝灰岩层下部的熔岩相和角砾化熔岩相中存在大量的微小裂隙,在变质作用下这些裂隙改善了储集层的性质。钻探发现的油气产层多在推测的热水上升区域。
    一般认为石油向储集层运移的时间,在储集层的性质因热水变质作用而被改善之后。在片贝地区,伴随改善储集层性质的热水活动也促进了泥岩的升温从而加速了石油的生成。这种变质过程使得储集层的形成和石油的生成相匹配。但是,早期进入储集层中的石油却抑制了其后的变质作用的进行。
    若干研究表明,碳氢化合物包裹体的组成与现在生产的石油的组成不同,因此认为石油的聚集是多阶段进行的。在片贝地区,一般认为石油的形成比较早,但其聚集却是多期进行的。
    7、 总结
    (1)、在片贝地区的流纹岩中,溶蚀孔隙和微裂隙发育。
    (2)、提出了用孔径分布判断原生孔隙和次生孔隙的方法,该方法可以识别储集层性质。
    (3)、片贝地区的绿凝灰质火山岩类在海底火山活动衰退之后的约12Ma接受高温热水变质作用,并改善了储集性质。另外,推测出两处热水活动产生的热水上升区。
    (4)、因这种热水变质作用,在绿凝灰质火山岩类的上部及侧面还有下面沉积的泥岩在低温热液阶段被加热,较早地生成了石油。

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