川西坳陷上侏罗统蓬莱镇组水-岩相互作用研究

 张 涛¹, 郭建华², 贾庆素¹, 姜春艳³

(1. 中国石化股份有限公司 石油勘探开发研究院, 北京, 100083;
2.中南大学 地学与环境工程学院, 湖南 长沙, 410083;
3. 胜利油田 胜利采油厂地质所, 山东 东营, 257051)

摘要: 根据川西坳陷上侏罗统中段蓬莱镇组储层的成岩作用具有长石溶解, 硅质和方解石胶结的特点, 应用GWB软件分析各井矿物的溶解和沉淀, 得到平面等值线图,并对蓬莱镇组有利储集相带进行了预测。研究结果表明:计算得到的长石、 方解石含量等值线图与实际测量得到的长石、 方解石含量等值线图的变化规律一致, 说明所选的模拟条件可信; 影响本区矿物溶解与沉淀的主要因素是长石含量、 地温和pH值; 孝泉和新场地区地温低、 长石含量中等、 pH值低, 为次生孔隙发育的Ⅰ类区; 马井、 新都和洛带地区地温梯度、 长石含量及pH值不完全匹配, 为次生孔隙发育的Ⅱ类区; 温江地区为Ⅲ类区。
关键词: 成岩作用; 水-岩作用; 储层预测; 川西
中图分类号:P599.2 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)03-0522-05

Water-rock interaction of Penglaizhen formation of
upper Jurassic in the west of Sichuan depression

ZHANG Tao¹, GUO Jian-hua², JIA Qing-su¹, JIANG Chun-yan³

(1.Exploration and Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 100083, China;
2.School of Geoscience and Environmental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
3.Shengli Oil-field, SINOPEC, Dongying 257051, China)

Abstract: Reservoir diagenesis of Penglaizhen formation of upper Jurassic in the western Sichuan depression is characterized by feldspar dissolution, siliceous and calcite cementation. According to the characteristics, the amount of mineral dissolution and cementation for each well was calculated with the software GWB, then the isoline map was made, and the result was contrasted with the one gained with the actual measurement. The result of simulation is consistent with the actual measurement, which indicates that the simulation condition adopted is creditable. Then another simulation was carried out to investigate the factors which control the physical properties of reservoir, such as the feldspar content, the geothermal gradient and pH value. The growth of Penglaizhen formation reservoir is predicted as follows. Xiaoquan and Xinchang area belong to the primary area of the secondary pore formation with the characteristics of low geothermal gradient, middle feldspar content and low pH value; Majing, Xindu and Luodai belong to the subordinate area due to the mismatch of the geothermal gradient, feldspar content and pH value; Wenjiang belongs to the worst area.
Key words: diagenesis; water-rock interaction; reservoir prediction; the western Sichuan 

在研究成岩作用时, 需要对各种地质环境以及在地质过程中与周围介质相互作用时化学元素的迁移、 演变历史和再分布的规律进行研究^[1], 对地球化学进行模拟以研究水-岩相互作用的机理。这里使用美国伊利诺斯州大学地质系开发的GWB软件包中的“REACT”软件对地质问题进行模拟。 模拟的主要问题是滴定模型——与水岩相互作用有关的混合反应模型。 以水岩相互作用的地球化学模拟理论为基础, 对工作区成岩作用特征进行描述,对成岩序列进行分析,并对各层地下水的Stiff图进行对比分析, 建立研究区内水-岩相互作用的滴定模型, 并对研究区内主要油气聚集层的成岩演化过程进行模拟, 然后,将模拟计算的结果与实际资料进行对比(如将计算得到的矿物生成序列与镜下鉴定的结果相比较)来验正模型, 最后通过模拟不同条件下的水岩作用(改变温度、 成分、 pH值等)^[2,3], 找出控制次生孔隙生成的地球化学方面的控制因素, 对有利于次生孔隙发育的地区进行预测。

1 蓬莱镇组(J_3p)成岩作用特征及成岩环境

1.1 成岩作用类型及特征

蓬莱镇组成岩作用的主要类型有: 压实作用, 石英次生加大, 方解石(或白云石)胶结和交代作用、 溶蚀作用。

X衍射分析结果表明,在伊利石/蒙皂石有序间层(I/S)中, 蒙皂石(S)含量(质量分数,下同)为53%~66%, 平均含量为59%, R₀=0.40%~0.45%, 表明J₃p最高演化阶段为早成岩B期—晚成岩A^[4]。 其成岩作用具有以下特征:

a. 压实和压溶作用弱或较弱。

b. 硅质(石英次生加大边)胶结、 交代发育。

c. 碳酸盐胶结作用主要为方解石胶结, 部分为含铁方解石, 少量为白云石。 平面上以鸭子河、 孝泉构造最发育, 新场、 马井、 东泰、 合兴场、 中江、 丰各、 新都等构造次之。

d. 溶蚀作用的发育程度中等, 表现为长石被溶成串珠状、 残骸状, 岩屑中易溶矿物溶蚀形成蜂窝状, 在原生粒间溶蚀成不规则状; 次生的粒内溶孔(含铸模孔)和原生—次生混合成因的粒间溶孔是蓬莱镇组碎屑岩储层的主要储渗空间类型^[2]。
1.2 成岩环境分析

以马井地区为例分析蓬莱镇组的储层成岩环境, 发现蓬莱镇组储层经历了2次成岩环境(先碱性溶液环境和后酸性溶液环境)改造。
1.2.1 碱性溶液环境

在岩石中先期连续析出自生绿泥石、 伊利石→薄细-中晶方解石→连晶方解石胶结、交代和菱形白云石(硬石膏), 表明地层首先经历了碱性溶液成岩作用改造。

蓬莱镇组在沉积时期气候炎热、 干旱, 地层水具有离子浓度高、 显碱性的特征。 通过铸体薄片观察, 形成于自生绿泥石、 伊利石及碎屑石英次生加大后的剩余空间, 说明连晶方解石形成于碎屑石英次生加大之后到次生溶蚀前的阶段; 根据连晶方解石包裹体缺乏烃类分子, 均一温度为72.5~87.7 ℃, 连晶方解石稳定同位素的δ¹³C为-2.57‰~-3.78‰, δ¹⁸O为-11.1‰~-13.05‰的特征, 表明没有有机成因的CO₂加入, 形成方解石的溶液是从侏罗系泥岩、 粘土矿物晶间内释放的水。

该成岩环境及发生的成岩作用使原生粒间孔隙减少, 平均值为7.5%, 严重的胶结可使孔隙度大大减少, 平均值为16.65%, 对储层具有严重的破坏作用。
1.2.2 酸性溶液环境

在连晶方解石胶结交代以后出现的长石的溶解, 自生高岭石、 自生石英的形成, 说明侏罗系砂岩储层在经历了碱性成岩溶液成岩作用后又经历了酸性溶液成岩作用, 这种酸性水来源于本地层以外, 是由下部须家河组地层水上升来的, 证据如下:

a. 溶蚀孔隙主要由碎屑长石和岩屑溶蚀形成, 它们可完全溶解而绿泥石以包壳保存下来, 或者完全溶解形成铸模孔漂浮于连晶方解石中, 反映出酸性水的溶蚀作用发生于连晶方解石沉淀之后。

b. 侏罗系主要为一套红色砂岩、 泥岩间互的地层, 泥岩隔层阻止喜山期下渗大气水对地层进行成岩改造; 而且地层中有机质缺乏, 因此,采用侏罗系地层本身泥岩成岩转变释出的水溶液来解释次生溶蚀的机制不合适。

c. 侏罗系次生溶蚀作用发育强度的纵向变化趋势不明显, 与不整合面关系不密切, 以及侏罗系砂岩的溶蚀主要是铝硅酸盐溶蚀, 碳酸盐矿物不受影响等,这些都表明这一时期进入侏罗系砂岩中的酸性水不是来源于地表或近地表的大气水。

d. 侏罗系砂岩中溶蚀作用表现为铝硅酸盐(长石和岩屑)的溶蚀, 碳酸盐矿物不受影响。R.C.Surdam等^[3]认为, 这可能指示酸性溶液具有较高的CO₂分压,有机酸控制碱度。 在燕山—喜山期, 伴随多次地壳抬升, 断裂可作为下部须家河地层水上升并侧向运移到蓬莱镇组地层的通道^[5], 而且这一时期须家河组已进入产生气体的高峰期, 生烃增压驱动地层水向上运动。 Stiff图水型分析结果表明, 蓬莱镇组地层水来源于下伏上三叠统须家河组的地层水。 水中的有机酸部分裂解转化为CH₄和CO₂, 而铝硅酸盐矿物(如长石)不稳定, 溶解形成次生孔隙。 此外, 在须家河组地层内, 这种有机酸性水可导致碎屑石英部分溶解。 因此, 须家河组地层水相对富含SiO₂; 而由深部至浅部, 地层温度降低, 促使地层水中自生石英沉淀。

综上所述, 认为川西前陆盆地侏罗系砂岩中受酸性水控制的次生溶蚀作用、 自生高岭石、 自生石英是深部三叠系须家河组流体侵入到侏罗系砂岩地层中作用的标志。

2 地下水的水化学特征

在气田水成因分析中, 美国水文地质学家诺瓦克等在阿巴拉契亚含油气盆地气田水实验中得出了一种分析方法, 即根据碱金属、 碱土金属离子系数关系, 用斯蒂夫(Stiff)图示方法(图1), 区分不同层系地层水间的差异。 该方法以n(Na⁺)∶n(Ca²⁺), n(Na⁺)∶n(Mg²⁺),n(Mg²⁺)∶n(K⁺),n(Ca²⁺)∶n(Mg²⁺),n(Na⁺+K⁺)∶n(Ca²⁺+Mg²⁺),n(Na⁺)∶n(K⁺)6组离子的水分析结果的值为判别系数^[5], 按比例计算后, 绘制出各含水层水化学特征的Stiff图。 Stiff图的绘制过程如下:

图 1   川孝160井蓬莱镇组地下水Stiff图
Fig. 1   Stiff map of formation water in Penglaizhen
formation of Chx160 well  

a. 分别计算出水样中n(Na⁺)∶n(Ca²⁺),n(Na⁺)∶n(Mg²⁺),n(Mg²⁺)∶n(K⁺),n(Ca²⁺)∶n(Mg²⁺),n(Na⁺+K⁺)∶n(Ca²⁺+Mg²⁺),n(Na⁺)∶n(K⁺)6组离子含量的值, 离子含量的单位为mg/L;

b. 以中轴线为零点, 在它左侧的上、 中、 下3个横轴上分别绘制n(Na⁺)∶n(Ca²⁺),n(Na⁺)∶n(Mg²⁺),n(Mg²⁺)∶n(K⁺)3个比例系数的数值点; 在它的右侧上、 中、 下3个横轴上分别绘制n(Ca²⁺)∶n(Mg²⁺), n(Na⁺+K⁺)∶n(Ca²⁺+Mg²⁺),n(Na⁺)∶n(K⁺)4个比例系数的数值点。

c. 连接6个比例系数点即可得出该水样的Stiff图(见图1)。

应用Rockware软件, 绘制了研究区内的6口井的水化学特征Stiff图(图2)。

图 2   川西坳陷上侏罗统蓬莱镇组
地层水Stiff特征图
Fig. 2   Stiff characteristic graph of formation
water in Penglaizhen formation of upper
Jurassic, the western Sichuan depression  

对照四川盆地白垩系(K₁, K_2t), 侏罗系(J₃p), 须家河组上部(T₃xj_5-6), 须家河组下部(T₃xj_2-4)和雷口坡组(T_2l)水化学特征背景图, 通过与区内各井的水化学特征Stiff图对比, 可以得到如下结论:

本区大部分地下水均有来自下部的特征,浅19、 川孝161-2、 川孝195、 联30、 龙3井等蓬莱镇组地层水亦呈现下部须家河组、 雷口坡组地层水特征。 这是处于高压状态的深部流体沿断裂通道逐级向上运移的结果。 流体自下而上运动, 也导致深部成因的天然气一起向浅层地层运移, 以游离相态或水溶相态, 运移到浅部地层后, 由于温度、 压力降低, 地下水的溶解能力也降低, 天然气从水中脱出形成气藏, 溶解于水中的矿物质也析出形成胶结物, 从而使到达浅层的水的矿化度降低。 但总体上侏罗系地层水矿化度较高, 大部分地区矿化度大于30 g/L,为CaCl₂型,受地表渗入水的影响小^[6,7]。 因此, 浅部大多数地下水来自深部, 但由于温度、 压力降低和矿物质析出, 使浅部地下水的矿化度远小于深部地下水的矿化度。

3 水岩相互作用模型的建立及验证

选取深部须家河组地层中的某水样与上覆蓬莱镇组地层中的各水样进行混合反应, 得到反应后的长石、 石英、 方解石和白云石各矿物的体积变化率^[8-11], 分3个层位进行模拟。

从整体上对模拟计算结果进行整理, 绘制长石、 方解石矿物的体积变化等值线图, 再与实际岩石中长石、 方解石矿物含量的等值线图进行比较。 若对比结果在总体趋势上较一致, 则应用该模型对其他地区的水样进行模拟计算, 找到模拟效果好的孔渗带; 否则, 重新调整模型, 直至计算结果与实测含量在总体趋势上一致。

孝泉地区蓬莱镇组地下水与CH137井须家河组地下水反应的方解石含量等值线变化趋势(图3)与 J₃p层方解石含量等值线变化趋势(图4)较一致; 另外,在川西坳陷中段孝泉地区水岩相互作用模拟过程中,长石变化量等值线图与孝泉地区J₃p层岩石中长石含量等值线图中, 长石含量(岩石测定)高表明水岩相互作用中长石变化量大, 在排除物源性质以及搬运距离对矿物含量的影响外, 两等值线图基本对应, 说明选择用蓬莱镇组模型合适。

图 3   孝泉地区J₃p层地下水与CH137井T₃x²层
地下水反应的方解石体积变化等值线图
Fig. 3   Isoline of volume change quantity of
calcites in reaction process of blending
groundwater between J₃p formatic
of Xiaoquan area and T₃x²
formation of well CH137

图 4   川西坳陷孝泉地区J₃p方解石含量等值线图
Fig. 4   Isoline of calcite content in J₃p formation
of Xiaoquan area, the western Sichuan depression

4 成岩主控因素分析及次生孔隙发育带预测

4.1 成岩主控因素分析

在一个复杂的反应系统中, 温度是控制石英、 方解石、 长石溶解和沉淀的重要因素。 随着温度的升高, 方解石与石英、 长石与石英达到平衡所需的pH值将降低, SiO₂的溶解度随温度、 压力和pH值的增加而增加, 方解石的溶解度随温度、 压力、pH值的增加而降低。 若有系统外的酸性物质加入, pH值也是控制石英和方解石溶解与沉淀的重要因素^[12-14], 为此, 对蓬莱镇组的地下水作变温模拟实验, 研究温度对次生孔隙发育的影响。

连晶方解石的包体测试分析结果表明,包裹体均一温度较低,在72.5~97.6 ℃的范围内。 假设目前该层位地下水各离子和矿物已达到平衡, 对蓬莱镇组地下水反应模型进行变温模拟, 参考包体均一温度最高为97.6 ℃, 故对其进行40~100 ℃的变温模拟实验, 研究温度对成岩作用影响。

对川孝285井蓬莱镇组地下水进行40~100 ℃变温模拟实验,结果如图5所示。可以看出, 硬石膏一直处于沉淀状态, 方解石早期发生溶解, 晚期在高温下发生胶结; 石英次生加大在75~96 ℃发生; 长石在75 ℃以前溶解量很小, 而在75 ℃以上其溶解量大大增加。 以上模拟结果与蓬莱镇储层成岩演化相吻合。 在进行变温模型模拟过程中, 随着温度升高, 物质之间达到平衡状态所需pH值逐渐降低, 从川孝285 J₃p在温度为40~100 ℃的模拟过程中pH值的变化也可以看出这一特征, 因此,pH值也是预测孔隙发育的主要因素。

图 5   川孝285井J₃p地层水与岩石反应过程
中各矿物的体积随温度变化图
Fig. 5   Correlation diagram of volume of mineral
and temperature during reaction of formation
water and rock, J₃p formation of well CX285

4.2 次生孔隙发育带预测

结合本层成岩作用及次生孔隙多由长石溶蚀作用形成这一特点, 可以从高温(85~95 ℃)、 低pH值及高长石(岩石成分鉴定)含量等方面预测次生孔隙发育带。 对于蓬莱镇组地层, 由于蓬莱镇组埋藏浅, 地温低, 可用低pH值及长石含量分布对次生孔隙发育带进行预测。 孝泉与新场的长石含量中等, pH值低, 为次生孔隙发育的I类区; 孝泉地区17口井J₃p地下水与CH137井T₃x₂地下水反应结果表明,在川孝279井以东地区长石变化量(长石变化量为负值表示长石溶解), 是孔隙最发育地区; 马井、 新都地区地温较高, 长石含量低,pH值中等, 而洛带地区地温低, pH值高, 长石含量高, 可见,马井、新都、洛带这3个地区影响次生孔隙发育的3个因素不完全匹配, 为次生孔隙发育的II类区; 温江地区为III类区。

参考文献:

[1]李义连,杨玉环,卢学实. 水-岩相互作用模拟的研究进展[J]. 水文地质工程地质, 2003(3): 99-102.
LI Yi-lian, YANG Yu-huan, LU Xue-shi. Research advance on modeling study of water-rock interaction[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2003(3): 99-102.
[2]邓少云, 符晓. 川西新场气田侏罗系蓬莱镇组储层特征[J]. 天然气工业, 1997, 17(4): 83-87.
DENG Shao-yun, FU Xiao. Characteristics of reservoir Penglaizhen formation in Xinchang gas field[J]. Natural Gas Industry, 1997, 17(4): 83-87.
[3]Surdam R C, Crossey L J, Hagen E S, et al. Organic-inorganic interactions and sandstone diagenesis[J]. AAPG, 1989, 73(1): 1-23.
[4]曾小英. 川西坳陷上侏罗统蓬莱镇组砂岩储层的成岩作用及对成藏的影响[J]. 矿物岩石, 2000, 19(4): 47-51.
ZENG Xiao-ying. Diagenesis of the upper Jurassic Penglaizhen sandstones in the west Sichuan basin[J]. Journal of Mineral Petrology, 2000, 19(4): 47-51.
[5]邵正华. 油田古水文地质与水文地球化学[M]. 北京:科学出版社, 1987.
SHAO Zheng-hua. Paleohydrogeology and hydrogeochemistry for oil fields[M]. Beijing: Science Press, 1987.
[6]吴世祥, 江泽成, 张林. 川西侏罗系成藏主控因素及分类[J]. 天然气工业, 2001, 21(4): 20-23.
WU Shi-xiang, JIANG Ze-cheng, ZHANG Lin. Gas pool types and dominating pool formation factors of Jurassic system in western Sichuan basin[J]. Natural Gas Industry, 2001, 21(4): 20-23.
[7]刘树根, 罗志立, 戴苏兰. 川西前陆盆地的“四川运动”及与油气关系[J]. 石油与天然气地质, 1996, 17(4): 276-281.
LIU Shu-gen, LUO Zhi-li, DAI Su-lan. Sichuan movement in west Sichuan foreland basin and its relation to oil and gas[J]. Oil and Gas Geology, 1996, 17(4): 276-281.
[8]Bethke G M. Geochemical reaction modeling[M]. New York: Oxford University Press,1996.
[9]罗明高. 定量储层地质学[M]. 地质出版社, 1998.
LUO Ming-gao. Geology of quantitative reservoir[M]. Beijing: Geological Press, 1998.
[10]蓝俊康. 山东淄博市临淄区地下水-水岩作用模型[J]. 桂林工业学院学报, 1996, 16(4): 410-414.
LAN Jun-kang. Simulation models of water-rock interaction in the aquifer of Linzi area, Zibo, Shandong[J]. 1996, 16(4): 410-414.
[11]Tempel R N, Shevenell L A, Lecchler P, et al. Geochemical modeling approach to predicting arsenic concentrations in a mine pit lake[J]. Applied Geochemistry, 2000, 15: 475-492.
[12]王广才. 平顶山矿区地下热水深部温度估算[J]. 煤田地质与勘探, 1996(5): 40-41.
WANG Guang-cai. The temperature estimation of deep geothermal water in pingdingshan coalfield[J]. Coal Geology & Exploration, 1996(5): 40-41.
[13]Read M H. Seawater-basalt reaction and origin of greenstones and related to deposits[J]. Econ Geol, 1983, 78: 466-485.
[14]庞忠和. 全体系地球化学模拟与水岩相互作用研究[J]. 地学前缘, 1996, 3(3-4): 119-123.
PANG Zhong-he. Whole-system geochemical modeling and the study of water-rock interaction[J]. Earth Science Frontiers, 1996, 3(3-4): 119-123.

稿日期:2004 -07 -02

作者简介:张 涛(1973-), 男, 河南南阳人,高级工程师, 从事含油气盆地沉积学与储层地质学研究

论文联系人: 郭建华, 男, 教授, 博士, 博士生导师;电话:0731-8836235; E-mail: gjh796@mail.csu.edu.cn