山西地区硅质胶结物形成原因分析

山西地区硅质胶结物形成原因分析

硅胶合物是碎屑岩储层中常见的矿物之一。它也是影响碎屑岩储量质量的最重要岩材料（resaeandtiang对方，1997）。大部分沉积盆地中硅质胶结物均形成于60~145℃的成岩温度条件下(Walderhaug,1994),也就是说从成岩早期到成岩晚期硅质胶结都可以发生。硅质胶结物发生的时间期次及其形成机制(RezaeeandTingate,1997;Haddadetal.,2006)、形成硅质胶结物的硅质来源(McBride,1989;RezaeeandTingate,1997)、油气侵位对石英胶结作用的影响(Molenaaretal.,2008)、综合埋藏史和岩石学特征确定压实作用和石英胶结作用发生的时间(Dutton,1997)、与硅质胶结物有关的成岩模型的建立(Walderhaug,2000;Makowitzetal.,2006;Landeretal.,2008)、碎屑岩中形成自生石英时硅质的传递过程(HendryandTrewin,1995)、硅质胶结物对碎屑岩储集层质量的影响等问题一直都是国内外学者研究的热点之一。硅质胶结作用发生的时间可以通过显微镜薄片法、石英包裹体测温来确定;形成硅质胶结物的物质来源目前已有众多国内外学者做过研究,结果表明,全球范围内多个沉积盆地中硅质胶结物的硅质来源达20种,最重要的有:(1)碎屑长石溶解提供的硅(McBride,1989;RezaeeandTingate,1997;黄思静等,2007);(2)易溶硅酸盐组分溶解和黏土矿物转化过程中释放的硅(McBride,1989;黄思静等,2007);(3)碎屑石英因压溶作用释放的游离硅并造成石英的沉淀(RezaeeandTingate,1997;史丹妮和金巍,1999);(4)同生—早成岩阶段由火山作用提供的硅质来源(黄思静等,2007)。事实上,并非所有的胶结作用都对储集层具有破坏性的影响,一些早期分散的胶结物对储集层的影响是正面的,黄思静等(2007)将其(也包括其他一些成岩过程)称为保持性成岩作用,其主要机制是对粒间孔隙体积的保持作用,有别于建设性成岩作用和破坏性成岩作用。在鄂尔多斯盆地上古生界的成岩矿物构成中,硅质胶结物十分常见,含量一般在4%~8%,最高介于12%~15%,平均值高达3.8%,位居所有自生矿物之首,不但超过了方解石含量的平均值,也超过了方解石和白云石含量平均值之和,这在含油气盆地的储集层中十分少见。在大多数的含油气盆地中,碳酸盐矿物通常是含量最多的自生矿物,如鄂尔多斯盆地延长组(吴素娟等,2005)、东海盆地台北凹陷古近系(张敏强等,2007)、西湖凹陷古近系(王春梅等,2008)和四川盆地三叠系的须家河组(1)。通常,硅质和高岭石等矿物是在相对酸性条件下沉淀,而碳酸盐矿物则是在相对碱性的成岩介质中沉淀。因此可以说明酸性介质在鄂尔多斯盆地上古生界砂岩成岩流体中起主导地位。1沉积体系及沉积特征鄂尔多斯盆地是中国重要的含油气盆地之一,盆地基底为太古代和早元古代变质岩,盖层为中晚元古代至第四纪沉积,沉积岩总厚度约为6000ue00fm,其中上古生界地层沉积厚度约为600~1700m(杨华等,2006)。盆地古生界缺失志留系、泥盆系及下石炭统,上石炭统广泛分布,自下而上依次发育了羊虎沟组(西部)、本溪组(东部)、下二叠统太原组、山西组、中二叠统石盒子组(下石盒子组、上石盒子组、上二叠统石千峰组,各地层岩性及厚度见表1(何自新和南珺祥,2004)。本溪组(羊虎沟组)由西向东以潮坪—潟湖—障壁岛—浅水陆棚环境为特征(何自新和南珺祥,2004);太原组继晚石炭世沉积之后随盆地沉降,表现为冲积扇、三角洲、潮坪—浅水陆棚碳酸盐岩、障壁岛等共存,并形成陆源碎屑与碳酸盐岩的混合沉积(汪正江等,2002)。山西组为煤系地层,石盒子组(上、下石盒子组)大体沿袭山西组的沉积特征,气候逐渐干旱;石千峰组沉积时,沉积环境已完全转变为陆相沉积环境(汪正江等,2002)。2增强石英的组构鄂尔多斯盆地上古生界不同地层碎屑岩中均发育硅质胶结物(图1,图2),其形成贯穿于整个成岩期,其产状有次生石英加大型、微粒栉壳型、孔隙充填型、自生石英微粒以及隐晶孔隙型等(杨奕华等,2001)。200多件薄片的观察鉴定和数千份砂岩薄片鉴定数据(来源于长庆油田的薄片鉴定结果)的统计分析得出,大多数硅质胶结物均是围绕着碎屑石英颗粒边缘发育,生长方式有不规则的次生加大边(图1-c,1-d,1-e,1-f;图2-h,2-i,2-j,2-k,2-l)、规则的次生石英加大边或自生石英晶体(图1-a,1-c,1-e,1-f;图2-g)等。有些加大部分与原碎屑石英之间会有一个清晰的界线(所谓的“脏线”)(图1-a,1-b,1-e,1-f;图2-g,2-i,2-k),有些没有“脏线”,但有些碎屑石英颗粒周围会出现平直的边(自生石英晶体在切片时呈现的平直边),这也属于石英次生加大的一种现象,有时“脏线”与平直的石英晶体边会同时出现,这都有助于鉴定石英次生加大的现象及估算加大部分的多少。加大部分常由多个具相同光性方位的石英组成,这些石英最终连接成一个大的晶体形成“加大边”并堵塞一部分孔隙(图1)。硅质胶结物的沉淀常伴随着高岭石的沉淀(图1-e,1-f;图2-g,2-h,2-i,2-j)。在阴极发光下,石英的加大部分通常没有阴极发光(图2-l)。对鄂尔多斯盆地上古生界砂岩中硅质胶结物的薄片观察和阴极发光分析发现,硅质胶结作用的发生可能会掩盖砂岩沉积时的原始组构,使砂岩的原始组构发生变化,尤其是碎屑石英的粒径、磨圆度、石英颗粒之间的接触关系等。薄片统计得出:石英加大边均在0.01~0.2mm之间,致使加大后的碎屑石英的粒度增大9%~34%,砂岩磨圆度可由原来的次圆状或圆状变成现今的次棱角状或棱角状(图1-e,1-f;图2-g),由点接触变成线接触或面接触。显然,当砂岩处于较弱的压实作用时,硅质胶结作用即开始发生。因此,可以判断成岩早期就已经有硅质胶结作用发生。对鄂尔多斯盆地上古生界砂岩取心样品中4900件砂岩薄片鉴定的统计分析得出(表2),不同地层组、段硅质胶结物的平均含量分别为石千峰组2.7%、上石盒子组2.4%、下石盒子组3.01%、山西组1段2.15%、山西组2段5.11%、太原组0.75%、本溪组4.43%,其中山西组2段的硅质胶结物含量最高(图3),纵向上没有表现出硅质胶结物的含量随深度的增加而增加的趋势,显示出硅质胶结物成因的复杂性。3颗粒间接触的方式薄片观察表明,鄂尔多斯盆地上古生界砂岩中碎屑颗粒间接触关系为线接触、面接触、凹凸接触,但是不考虑硅质胶结碎屑石英颗粒加大的部分,也就是说,硅质胶结作用发生过程中碎屑颗粒之间是以点接触为主,有些接触关系甚至为漂浮状(图1-c,1-f;图2-i,2-k,2-l),由此说明,硅质胶结作用主要发生在成岩早期,也就是所谓的砂岩因压实作用而完全固结、颗粒相对位置完全固定之前的较早成岩阶段(黄思静等,2007)。而压溶作用使碎屑石英溶解提供的游离硅主要发生在较晚的成岩阶段(RezaeeandTingate,1997),而且碎屑颗粒之间常以缝合线接触。因此可以判断,鄂尔多斯盆地上古生界砂岩中形成的硅质胶结物很有可能不是由碎屑石英的溶解造成的。3.1岩性矿物及古生界鄂尔多斯盆地上古生界硅质胶结物的包裹体均一化温度测定结果表明,包裹体均一化温度主要集中在90~100℃的温度区间,其次集中在100~110℃的温度区间;赵国泉等(2005)对鄂尔多斯盆地上古生界砂岩中石英次生加大边的流体包裹体均一温度的测定结果也显示出,石英胶结作用主要发生在100~120℃,其次是小于100℃。该温度大致相当于长石等铝硅酸盐矿物溶解的理想温度(80~120℃)(SurdamandCrossey,1987;Surdametal.,1989)。根据反应方程式(1),长石溶解过程中会生成硅质和高岭石。在这个反应中,1cm3的钾长石被酸溶解后可以生成0.43cm3的石英和0.46cm3的高岭石(RezaeeandTingate,1997)。薄片观察也表明,硅质胶结物常与高岭石胶结物相伴生,绝大部分的砂岩薄片中缺乏长石,大多数的碎屑长石可能是在埋藏成岩过程中溶解消失的。薄片鉴定结果统计也发现,整个鄂尔多斯盆地上古生界从石千峰组到本溪组,长石含量逐渐减少(表2),很多薄片中基本上看不到长石,但仍可见到长石溶蚀残留下的部分,下部地层中高达93.3%的样品中长石含量低于1%。此外,鄂尔多斯盆地上古生界是非常重要的含煤层系,与煤系地层有关的有机质类型以Ⅲ型干酪根为主(黄思静等,2007)。在埋藏成岩过程中,由压实作用可释放出有机酸流体,并从相对浅埋藏成岩阶段持续到相对深埋藏成岩阶段,成为与其相邻砂岩地层中长石碎屑广泛溶解的成岩流体(黄思静等,2007)。因此,对于鄂尔多斯盆地上古生界砂岩的大多数硅质胶结物来说,由有机酸造成的长石等铝硅酸盐溶解提供的硅是最主要的物质来源。3.2火山物质来源晚古生代鄂尔多斯盆地周缘火山活动十分频繁和强烈(杨华等,2007),上古生界可划分出多期火山事件层,盆内及周缘地区在石炭纪—二叠纪,都不同程度地受到同期火山作用的影响(包洪平等,2007),同期火山物质的脱玻化作用可以提供形成硅质胶结物的物质来源。薄片和X射线衍射表明,石千峰组和石盒子组等存在相对较多的同期火山物质(图4),同时这些地层中长石溶解相对较少(黄思静等,2008),与同期火山物质有关的硅质来源也是发生硅质沉淀的主要原因之一。4硅质胶结物与储集层的关系硅质胶结对碎屑岩储集层的影响程度对于不同含油气盆地来说是不一样的,通常认为硅质胶结对储集层的影响到是负面的(杨奕华等,2001;丁晓琪等,2007;季汉成等,2009),尤其是硅质胶结物的沉淀发生在相对深埋地层中,大多数砂岩中碎屑颗粒之间的关系基本固定,硅质作用的发生尽管可以提高岩石的机械强度,但对砂岩孔隙的保存没有实际意义(黄思静等,2007)。薄片分析和阴极发光分析表明,鄂尔多斯盆地上古生界砂岩的硅质胶结物沉淀于早成岩期,即相对较浅埋深成岩阶段,也就是发生在有效压实作用之前,相应地提高了砂岩的抗压强度。鄂尔多斯盆地上古生界砂岩中除石千峰组和石盒子组上部地层外,长石等铝硅酸盐溶解提供的硅是硅质胶结物的主要物质来源。硅质胶结物对储集层的影响类似于高岭石,其存在代表了长石的溶解,由于在大多数成岩条件下,它们都是在相对封闭体系中就地溶解—再沉淀作用的产物,并没有引入外来物质(不同于非本层物质来源的硅质胶结物沉淀),因而它们对储集层的影响至少是中性的。与同期火山物质蚀变有关的硅质来源造成的硅质胶结物沉淀也发生在相对早期的成岩阶段,其对储集层的影响也主要是正面的。闫建萍等(2010)在研究鄂尔多斯盆地上古生界低孔低渗储集层成岩作用特征时也认为,硅质胶结作用对储集层具有积极作用,但对硅质胶结物的成因未做详细的讨论。大多数在较早成岩阶段发生的硅质胶结作用具有保持储集层孔隙的作用,属于保持性成岩作用的范畴(黄思静等,2007)。实际上,根据鄂尔多斯盆地上古生界砂岩硅质胶结物含量与面孔率的投点图可发现,二者之间呈良好的正相关关系(图5)。因此,鄂尔多斯盆地上古生界砂岩中硅质胶结作用的发生对