下侏罗统成岩环境分析与成岩阶段划分
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发布时间：2022-04-25 17:07
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时间：2023-10-21 17:29
库车坳陷下侏罗统各井粘土矿物、自生矿物的含量变化、形成温度、形成时间以及形成环境均有差异，表5-4为各井自生矿物、粘土矿物及重矿物的组合。利用这些信息对的成岩演化环境进行了分析，并进行了成岩阶段的划分(图5-4)。
表5-4 库车坳陷东部下侏罗统成岩环境分析
图5-4 库车坳陷东部下侏罗统自生矿物和脉体矿物形成时间与成岩关系
由表5-4可看出，下侏罗统具有典型的含煤地层沉积与成岩环境。据E.施塔赫等的资料，一般低位沼泽泥炭呈酸性，pH值为4.8～6.5;高位沼泽泥炭的酸性较强，pH值为3.3～4.6。阳霞组为湖泊沉积，经历了滨浅湖-沼泽化浅湖的沉积过程;阿合组也存在着分流间湾沼泽、河间洼地沼泽沉积。因此，下侏罗统沉积时及成岩早期的水介质呈酸性，使得储层中缺少早期碳酸盐胶结物，岩石的抗压实作用能力低，原始粒间孔隙不利于保存。随着成岩温度增高，进入中成岩阶段A期，有机质成熟，有机酸大量排出，但因缺少早期碳酸盐矿物，仅使部分颗粒溶解，对物性的改善不大，导致了下侏罗统储层为中-低孔、低渗储层，局部的中孔、中-高渗储层是断裂带附近裂缝发育所致。
(一)下侏罗统构造史、埋藏史、热演化史、成岩演化史分析
油气分布与储层所处的成岩阶段具有一定的相关性。处于中成岩阶段A期的储层往往是次生孔隙发育带，即有机质进入成熟阶段排烃的同时也排出大量有机酸，对储层中早期碳酸盐矿物及碎屑颗粒进行溶解，因而是液态烃的主要分布层段(次生油气藏除外)。中成岩阶段A2-B期，为生成有机质高成熟的凝析油湿气阶段，处于该期的地层是天然气主要的富集层段。
通过成岩演化确定成岩阶段，而成岩演化又受控于盆地的沉积史、埋藏史、构造史及古地温史。
1.构造史对成岩作用的影响
现今库车坳陷的复杂面貌是经过多次构造运动而形成的，其演化过程大体可分为两个阶段:中生代为前陆盆地演化阶段;新生代为再生前陆盆地演化阶段。
前陆盆地演化时期，库车坳陷位于天山山前，物源近、沉降快，沉降中心靠近山前陡坡，沉积厚度大，沉积物粒度粗。在盆地发育过程中，逆掩推覆构造发育伴生断裂带，裂缝发育，而且构造侧向挤压应力强，构造应力强度由盆地边缘向盆地中心减弱。这些作用对其中储层的发育和改造有重要影响，造成了储层强非均质性。
周兴熙等根据构造特征将库车盆地侏罗系储层划分为几个带，其中克孜1井-依西1井-依深4井为依奇克里克区带，依南4井-依南2井-依南5井为依南吐孜区带，这与作者的认识基本一致。克孜1井-依西1井-依深4井区带靠近坳陷北边界，受构造挤压力强于南部的依南4井-依南2井-依南5井区带，其成岩强度较强，但深度较浅。另外，通过对克孜1井、依西1井逆断层上、下盘的成岩作用进行对比，可见相同地层的成岩演化强度存在差异，下盘的成岩作用较强。这些特征反映了构造作用对成岩作用的影响。如综合考虑地层厚度、埋藏史可以认为，构造应力对克孜1井、依西1井的高成岩强度有重要影响。
2.埋藏史对成岩作用的影响
根据数值模拟成岩作用分析，侏罗纪以来地层的埋藏史大体可分为4个阶段:侏罗纪-早白垩世的连续沉降埋藏阶段，早白垩世末-晚白垩世的抬升剥蚀阶段，古近纪-新近纪的快速沉降埋藏阶段及新近纪末-第四纪的再次抬升剥蚀并受构造应力侧向挤压阶段。
1)侏罗纪-早白垩世期间，库车东部地区基本为连续沉降-沉积，沉积速率较缓慢，一般为30～50m/Ma，在118.5Ma的时间内沉积地层厚约3100～3200m。如，早白垩末期，依南2井中阿合组底界埋深为2750～3200m，其上部阳霞组的埋深为2280～2750m;依南5井中阿合组底界埋深为2850～3200m，其上部阳霞组的埋深为2400～2850m。
2)早白垩世末-晚白垩世期间，库车坳陷整体表现为地层的抬升剥蚀。如依南2井、依南5井大约剥蚀掉上白垩统近400m，两井的阿合组底界分别抬升至2700m和2800m左右。阳霞组顶部距剥蚀面1800～2000m。
3)进入新生代后，库车坳陷开始再生前陆盆地演化阶段，盆地沉降速率逐渐加快，沉积速率由古近纪的30m/Ma到吉迪克、康村组沉积期的150m/Ma，库车组沉积期达最大，为近900m/Ma，此时地层的埋藏达最深。如依南2井阿合组、阳霞组底界深度分别为6880m和6620m;依南5井阿合组、阳霞组底界深度分别为7300m和7040m。
4)上新世末-第四纪，由于喜马拉雅运动的强烈影响，库车盆地全面褶皱回返、遭受剥蚀，并受到北部逆掩推覆体的侧向挤压应力，至现今面貌。依南2井剥蚀地层约2191m;依南5井剥蚀地层约2200m。
3.地热史对有机质和成岩作用的影响
(1)热演化参数Ro和Tmax
沉积地层的古地温控制着有机质的热演化和成岩作用，因此可以利用有机质的热演化参数Ro和Tmax以及伊/蒙混层粘土矿物的转化率、矿物包裹体的均一温度来研究成岩作用以及成岩作用对储层的改造程度，并判断有机质的热演化阶段。如依西1井3000m井段已进入了中成岩阶段A2亚期，Ro值达0.8%～1.1%，Tmax为460℃;3500m井段已进入中成岩B期，Ro值达1.2%～1.3%，Tmax为480～490℃;在3400m井段左右仍有一定的溶解作用，孔隙度最高可达6%，可作为天然气储层的底界。克孜1井3500m井段基本进入中成岩阶段B期，Tmax大于480℃，根据包裹体计算的地温梯度应为3.95℃/100m，是本区地温梯度最高者，地温已达138.2℃;岩石孔隙度很低，为2%左右，个别达4%，已进入非储集层阶段。依深4井Ro值、Tmax在1500～3000m井段变化不大，Ro值为0.6%～0.7%，Tmax为420～440℃，根据包裹体均一温度计算3000m井段古地温为96℃;中成岩阶段A1-A2亚期为有机质低成熟-成熟阶段，岩石孔隙度为5%～12%，可作为寻找油气藏的有利层段(图5-5)。依南2井3920～4700m井段Ro值大于0.1%～1.1%，其中4400m以下地层Ro值大于0.8%～1.1%，Tmax大于440℃，计算古地温为117～141℃，为中成岩阶段A2期有机质成熟阶段;本段发育两个次生孔隙带，第一次生孔隙发育带为3700～4000m井段，第二次生孔隙发育带为4500～4800m井段，孔隙度最高可达16%，一般为5%～15%，依南2井主要产气层段为4578～4783m，正分布在此层段中。吐孜2井4107.6m和4345m井段的Ro值分别为0.95%和1.01%;根据包裹体均一温度计算，4107.6m井段古地温为115℃，4345m井段古地温为122.1℃，为中成岩阶段A2期有机质成熟阶段;在4350m井段有一次生孔隙发育带，并具有较丰富的轻质油包裹体分布，因此认为此井段可能具有油气层。
图5-5 依深4井Ro和Tmax与孔隙度关系
(2)矿物包裹体均一温度
成岩演化与油气演化具不可逆性，不同阶段形成的包裹体，可反映出油气生成阶段的演化信息。在低演化程度时形成的水溶液包裹体和有机包裹体由于被捕获并封存在晶体内，虽然受到后期高温环境的影响，但包裹体在密闭的条件下保证了轻烃部分不散失、不裂解并仍保持其原始被捕获时的特点，即在高演化储集层中也可能保存有低演化程度的水溶液包裹体和有机质。因此，可以利用包裹体的均一温度、烃类的荧光颜色及激光拉曼分析的包裹体成分特征来研究地层古地温、埋藏史及探讨油气运移和成藏史。
通过对区内7口井、6个野外露头剖面矿物包裹体均一温度的测定，计算出不同井的平均地温梯度(图5-6)。其中，明南1井古地温梯度最高，目前埋深浅是地层抬升所致。按平均地温梯度计算，明南1井阳霞组地层顶部抬升了2712m，表明明南1井阳霞组、阿合组在进入中成岩阶段A期以后地层抬升、埋藏变浅。根据碳、氧同位素分析，明南1井的碳酸盐胶结物与有机质有关，为中成岩期的产物，后由于地层抬升及淡水淋滤，使明南1井的岩石物性明显好于其他井，砂岩孔隙内有大量个体小、结晶度差、淡水淋滤作用成因的高岭石存在。
库车河、黑英山、克拉苏、吐格尔明、克孜勒努尔沟剖面样品中，矿物包裹体均一温库车坳陷东部地区部分井包裹体均一温度直方图库车河、黑英山、克拉苏、吐格尔明、克孜勒努尔沟剖面样品中，矿物包裹体均一温度显示出其成岩演化阶段和有机质热演化程度处于中成岩阶段A期，有机质为低成熟-成熟阶段。
图5-6 库车东部地区古地温梯度变化图
图5-7
库车坳陷东部地区6口井的包裹体均一温度直方图显示，各井的温度范围有差别(图5-7)，明南1井的主要温度范围为90～110℃，依南5井为100～150℃，依南2井与依南4井为90～160℃，依深4井温度范围为90～150℃，克孜1井温度较高为110～180℃，这与各井的热演化程度是一致的。由整个地区包裹体均一温度分布频率图可看出(图5-8)，温度范围为80～180℃，与其相对应的是有机质演化为低成熟-成熟-高、过成熟阶段，成岩阶段由中成岩阶段A期-中成岩阶段B期。
图5-8 库车坳陷东部地区包裹体均一温度分布频率图
从库车东部地区不同矿物中包裹体均一温度随深度变化可看出(图5-9)，石英加大的形成温度在105～145℃范围内，高岭石一般在酸性环境下沉淀形成，物质主要来自长石颗粒的溶解，溶解后的铝硅酸盐以自生高岭石的形式沉淀于粒间、粒内孔中，富余的SiO2则以石英次生加大的形式出现。由此看来，石英次生加大的两个温度范围正对应次生孔隙发育的两个带。方解石的形成温度在98～110℃范围内，为中成岩阶段形成。方解石脉、石英脉的形成温度为132℃和157.2～186.7℃，为后期中-低温热液的产物。石英裂隙中由于硅质愈合而形成的次生包裹体，其温度范围较大，可以形成于成岩过程中的任何阶段，它的温度可显示岩层在成岩过程中所经历的温度范围。
图5-9 库车坳陷东部地区自生矿物的形成温度
(二)成岩演化史与成岩阶段划分
根据实测的有机质热演化指标、矿物包裹体均一温度、岩石结构与自生矿物的纵向分布、粘土矿物的分布与转化、有机酸丰度的变化和孔隙类型的分布，以库车坳陷东部地区下侏罗统阳霞组、阿合组为例进行了成岩阶段划分，划分出了中成岩阶段A和B两期，其中A期又可分为A1和A2两个亚期。
1.中成岩阶段A1亚期
中成岩阶段A1亚期主要有明南1井的阳霞组和阿合组，分布井段为600～1200m，根据矿物包裹体均一温度计算其经受的古地温为89.9～110.4℃。根据现今明南1井埋深计算的地温梯度为11.9℃/100m;但根据其他井的平均古地温梯度3.0℃/100m计算，明南1井阳霞组、阿合组现今的埋深是在进入中成岩阶段A1亚期以后地层抬升造成的，推算明南1井在埋深1600～3800m时进入中成岩阶段A1亚期。阿合组实测Ro值为0.61%和0.64%，岩石视压实率为59.12%，为中等压实，颗粒间线接触，自生矿物有铁白云石、石英加大和菱铁矿。阳霞组粘土矿物伊/蒙混层平均含量为14.3%，伊利石平均含量为12.8%，高岭石平均含量为68.3%，绿泥石平均含量为16%;阿合组粘土矿物伊/蒙混层平均含量为12.2%，伊利石平均含量为14.2%，高岭石平均含量为58.2%，绿泥石平均含量为16%。与其他井相比，明南1井阳霞组高岭石含量异常高，并且结晶程度低，在红外显微镜下出现4个峰，即3690cm-1，3662cm-1，2649cm-1和3619cm-1，X衍射高岭石结晶指数为0.178和0.173，因此认为它的成因与阳霞组埋藏浅及大气淡水淋滤有关。明南1井地层水矿化度较高，阿合组平均为3586.3mg/L，为NaHCO3型。泥岩干酪根有机酸含量，阳霞组为9695mg/L，阿合组为11896mg/L。阳霞组平均孔隙度为16.4%，渗透率为64.9×10-3μm2，阿合组平均孔隙度为17.0%，渗透率为276.6×10-3μm2，表明阿合组有机酸含量高，对岩石溶解作用强，使地层水矿化度高。明南1井压力系数为0.97，在库车东部地区储集性能最好，但由于缺乏好的盖层，封存条件差，较难形成油气藏。在明南1井1036.4m井段取沥青砂岩经气相色谱分析，有生物降解沥青存在。
2.中成岩阶段A2亚期
依南地区依南1井、依南4井、依南5井、依深4井的阳霞组、阿合组，依西1井、克孜1井的上部阳霞组重复段均处于中成岩阶段A2亚期。此段的Ro值为0.7%～1.2%，Tmax为460～480℃。克孜1井、依西1井Tmax最大为480℃;压力系数克孜1井为1.23，依深4井为1.31～1.39，依南4井为1.38～1.68，依南2井为1.25～1.87，依南5井为1.69。岩石视压实率为74.5%，为较强压实，颗粒间线-凹凸接触。自生矿物以铁方解石、铁白云石、石英加大、菱铁矿为主，阿合组中黄铁矿较为常见。孔隙类型为粒间溶孔、晶间微孔较为发育，依南2井、依南4井、依南5井发育部分粒间溶孔，依南4井、依南5井微裂缝发育。阳霞组粘土矿物含量，伊/蒙混层平均为21.1%，伊利石为54.17%，高岭石为19.9%，绿泥石为9.8%;阿合组粘土矿物平均含量，伊/蒙混层为15.8%，伊利石为48.19%，高岭石为5.05%。地层水矿化度，阳霞组平均为30358mg/L，阿合组平均为18253.8mg/L。阳霞组有机酸含量平均为12136mg/L、阿合组平均为11622.35mg/L，说明中成岩阶段A2亚期下部有机酸含量减少。阳霞组平均孔隙度为4.02%，渗透率为0.73×10-3μm2;阿合组平均孔隙度为7.13%，渗透率为8.87×10-3μm2。岩石物性显示出阿合组要好于阳霞组，如何解释有机酸含量降低、埋深加大反而物性更好?看来是构造裂缝的发育、地层水的流动使岩石的溶解度增强，改善了岩石的储集性能。
图5-10 库车坳陷东部下侏罗统成岩演化序列图
依南2井阳霞组下部和阿合组顶部获较高产工业油气流;其他井油气显示的层段也多分布于此阶段，但多由于封存条件差，未获得好的油气藏。依南2井此段下部出现了异常高压带。
3.中成岩阶段B期
中成岩阶段B期在库车东部地区主要分布在克孜1井阿合组，Ro值为1.59%～1.88%，矿物包裹体均一温度为142～171.95℃，颗粒间呈凹凸-缝合接触，平均视压实率为84.15%，为强压实，自生矿物有石英加大、铁白云石和黄铁矿。克孜1井泥岩有机酸含量为11067mg/L。岩石致密，仅见有少量不可压缩的残留粒间孔，岩石孔隙度为2.59%，渗透率为0.06×10-3μm2。此段为有机质高成熟阶段，但为非储集层。
图5-10为库车坳陷东部地区具有代表性的克孜1井、依南2井、明南1井3口井的成岩、演化序列图。由图可看出，明南1井岩石物性好，但缺失好的盖层封存条件，因而未形成油气藏;依南2井封存条件好，正处于中成岩阶段A2亚期第二次生孔隙发育带，因而获较高的工业气藏;克孜1井由于岩石致密，孔隙度大部分低于6%，可认为是非储层。
