海—塔盆地火山碎屑岩复杂岩性的岩石学机理及其测井响应

论文摘要

海-塔盆地是松辽外围盆地中最大的一个含油气盆地，是大庆外围勘探开发的一个重点区域。乌尔逊和贝尔凹陷是海拉尔盆地勘探面积最大，勘探程度较高的两个凹陷；塔南凹陷是塔木察格盆地内最大的生油凹陷，具有很大的油气勘探开发潜力。海-塔盆地具有多物源和近物源的特征，火山作用和正常风化作用为盆地提供沉积物。在盆地内的不同区域，来源于火山作用和正常风化作用的沉积物占的比例或者优势不同，形成了不同的岩性组合与结构，成岩作用使得这种差异更加多样化和复杂化，从而造成了岩性的复杂性。这种复杂性严重制约了对储层四性的认识，归结起来主要为“三难问题”，即岩性识别难、储层参数求取难和流体性质识别难。这就导致在岩性解释、储层类型划分和含油性预测等方面，遇到了准确性难有有效提高的问题。反过来，测井又为我们提供了与岩石成分和结构有关的测井地球物理信息，这些信息可能在针对性的研究中才能发掘。这些信息的发掘可以帮助我们解决岩石与测井响应的不适应性，同时为深入了解火山碎屑岩岩性及其变化的岩石学机理提供了有效的支持。本文根据岩心描述和薄片分析确定了研究区的岩石类型，在此基础上结合粒度分析进行火山-沉积作用分析，进而探讨了火山碎屑岩的堆积作用。沉积微相研究是单井相分析的基本任务，从而获得可靠的岩心沉积相分析结果。在此基础上结合重矿物、含砂率、古水流分析和岩性分布等，确定了物源-沉积体系和岩性分区。通过普通薄片、扫描电镜和X衍射分析确定了火山碎屑岩的成岩作用类型、特征和序列等，在此基础上结合有机质成熟度、最高裂解温度和古地温等确立了适合于研究区的成岩作用阶段划分标准。在成岩作用阶段的基本框架下，通过电子探针、普通薄片和扫描电镜分析，深入探讨了影响火山玻璃脱玻化的因素以及火山玻璃在成岩过程中的脱玻化行为。岩性的测井响应分析明确了具有不适应性的岩石类型，针对这些岩石类型，综合考虑影响岩石测井响应的因素，采用了在等效伊蒙混层和粉粒级以下凝灰质含量相近背景下，探寻CEC差别较大的原因的研究方法，明确了凝灰质成分对岩石导电能力的影响。在此基础上，寻找电阻率相近而CEC相差较大的岩石样品，探讨岩石在CEC相差较大的情况下电阻率相近的原因，明确了粉粒级以下凝灰质的赋存状态对岩石电阻率的影响。以凝灰质的成岩作用变化为基础，结合凝灰质的导电机理，确立了火山碎屑岩的测井响应模式。从测井响应的角度对火山碎屑岩进行岩石分类，依然未能达到较为满意的结果，这使得分区分层位的测井响应模式分析成为必然，研究表明这种分析模式可以进一步将岩性细区分出来。在孔隙类型分析的基础上，进行分区分层位的压汞实验分析，并结合产能结果，划分了储层类型，并建立了测井储层分类图版。针对储层与岩性的对应关系，分析不同储层相同岩性之间的差异，并探求其原因，为优质储层的确定奠定了岩石学和沉积学基础。一、火山-堆积作用岩心观察和薄片分析显示，研究区铜钵庙组-南屯组是一套介于正常陆源碎屑沉积岩和火山熔岩之间的过渡类型的岩性，岩石类型为火山熔岩、火山碎屑熔岩、熔结火山碎屑岩、火山碎屑岩类、沉积火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩和正常沉积岩。有火山作用参与的岩相分带受古地理分区的控制，在沉积物类型、搬运和沉积介质有明显的火山作用烙印，表现为在火山－沉积作用区出现火山碎屑与正常陆源碎屑的混积，从冲积扇到湖泊的沉积相带中包含火山岩相带，形成了正常沉积相带与火山岩复合的特色堆积作用。火山碎屑的特殊沉积作用主要有火山碎屑河道、火山碎屑（扇）三角洲和深水火山灰沉积等类型。冲积平原上的火山碎屑沉积主要有三类，分别是：（1）冲积扇中热基浪成因的片流沉积；（2）辫状河废弃河道中热基浪成因的沙滩沉积和（3）曲流河道中热基浪成因的边滩沉积。三角洲平原上的火山碎屑沉积主要表现为热基浪成因的分流河道和热基浪成因的天然堤，三角洲前缘主要有热基浪成因和热碎屑流成因的水下河道、热基浪成因和热碎屑流成因的河口坝以及热基浪成因的远砂坝四种类型。深水环境的火山碎屑沉积主要有空落成因的静水泥沉积，热基浪成因的浊流沉积和水下扇沉积。沉积相、重矿物、含砂率、古水流和岩性分区可以有效确定物源-沉积体系，其中岩性分区可以展示具有特色岩性的分布与构造位置。乌尔逊凹陷内存在变质岩碎屑沉积岩区、火山碎屑岩区和火山碎屑沉积岩区三个单岩性区和其间的混合区。根据岩石中各碎屑组成的含量可将混合区分为正常沉积碎屑占优势的混合区和火山碎屑占优势的混合区。各单岩性区与构造单元相符合，变质岩碎屑沉积岩区对应乌西断阶带，火山碎屑岩区对应巴彦塔拉构造带，火山碎屑沉积岩区为乌东弧形构造带的一部分。贝尔凹陷内存在正常沉积岩区和火山碎屑岩区两个单岩性区和其间的混合区，正常沉积岩区对应苏乃诺尔构造带，火山碎屑岩区对应苏德尔构造带。塔南凹陷内存在火山碎屑岩区、火山碎屑沉积岩区和正常沉积岩区三个单岩性区和其间的混合区，火山碎屑岩区对应东部断阶带，火山碎屑沉积岩区对应西部潜山断裂带北段，正常沉积岩区对应西部潜山断裂带南段。二、成岩作用薄片分析和扫描电镜分析显示本区的成岩作用类型包括熔结作用、机械渗滤作用、压实与压溶作用、脱玻化作用、重结晶作用、胶结作用、自生矿物转化和溶蚀溶解作用。其中，熔结作用、脱玻化作用以及凝灰质的溶蚀溶解作用为火山碎屑岩所特有的成岩作用类型。根据成岩作用中体现出的成岩共生关系，确定了本区成岩共生组合主要有四类，分别是：（1）自生白云母和绿泥石；（2）石英的溶解与硅质胶结；（3）蒙皂石、伊利石和绿泥石以及（4）沸石与自生石英、自生长石。根据各种成岩作用发生的先后顺序，成岩序列可以分为熔结作用阶段、机械渗滤作用阶段、脱玻化作用阶段、凝灰质溶蚀溶解作用阶段、粘土矿物混层阶段、自生白云母阶段、沸石胶结阶段、颗粒强烈胶结阶段以及铁白云发育阶段。在此基础上，结合镜质体反射率（Ro）、有机质成熟度、有机质最高裂解温度以及矿物共生组合认为研究区下白垩统为早成岩B期到晚成岩B期，主要为晚成岩A期。影响火山玻璃脱玻化的因素较多，包括温压、PH值、EH值、成岩流体和自生成分结构等。本文以研究区广泛发育的酸性火山玻璃为研究对象，从影响火山玻璃脱玻化的因素出发，借助于扫描电镜和电子探针手段，对酸性火山玻璃的脱玻脱化作用进行深入分析。结果显示，火山玻璃脱玻化过程中矿物的晶出顺序实际上是按照氧的脱极化程度从高到低来进行的，其脱玻化行为可以分为5个阶段，分别是：1)水化作用阶段；2)脱硅阶段；3)脱铝阶段；4)富钠/富钾阶段；5)最后结晶阶段。这五个阶段并不是玻屑在蚀变过程中必须要经历的，受控于岩石的温压、PH、EH和流体性质等，火山玻璃可能只经历几种阶段，如凝灰质的溶蚀溶解作用会导致火山玻璃直接被溶解。三、测井响应电阻率是测井解释的重要参数，研究区凝灰质的导电情况从测井解释上无法得到统一的认识，既存在高电阻的凝灰质，也存在低电阻的凝灰质。为了明确凝灰质的导电能力，本次研究中重点对高、中和低含量凝灰质的岩石进行了电化学实验，包括岩石的CEC（阳离子交换能力）和电阻率。研究表明对于含钠（或者钾）的火山玻璃来说，其表面的机械性能和电性能等与内部有明显差异。由于钾钠离子易于移动，玻屑表面的水中的氢离子将与玻璃中的钠（钾）离子进行离子交换生成氢氧化钠（钾）或者碳酸钠（钾）溶液，生成的氢氧化钠（钾）或者碳酸钠（钾）溶液将吸附在玻屑的表面形成溶液膜。溶液膜中的钠离子（钾离子）具有较高的迁移能力，这些阳离子可以与外面的水溶液进行离子交换，因而具有较高的阳离子交换能力。通过系统的镜下分析和相关实验，确定了系列具有测井响应的特殊岩性的岩石学机理，包括的岩石类型有：高伽马砂岩、高阻泥岩、低阻凝灰岩和中子密度变关系砂岩等。以高伽马砂岩和低阻凝灰岩为例，高伽马砂岩伽马值的大小与凝灰质、粘土、长石和钙质的含量以及含油有关。凝灰质含量高钍值较高；长石和粘土含量高铀、钍和钾均有富集；含油砂岩富铀。钙质通过影响铀的迁移和沉淀来改变砂岩伽马值，钙质含量高铀值较低。低阻凝灰岩与爆发式火山喷发产生的火山玻璃有关，新生的火山玻璃富含钾钠离子，具有较高的阳离子交换能力，表现为低阻。火山玻璃粘土矿化产生附加导电性也可以使岩石电阻率降低。这些特殊岩性的岩石学机理研究提高了实际生产中部分储层四性解释的准确性。测井岩性识别研究表明，利用深侧向电阻率值和密度与中子交会值XD-N做交会图，可以区分出安山岩、火山角砾岩、凝灰质高阻砾岩、泥岩和其它岩性五大类。再利用伽马和声波做交会图可以区分其它岩性分为（凝灰质）砾岩、（凝灰质）砂岩和凝灰岩类。建立的分层分区的岩性-测井响应模式可有效地区分凝灰岩（凝灰岩和沉凝灰岩）、凝灰质砾岩、凝灰质砂岩、普通砾岩、普通砂岩。建立了符合岩石学和测井地球物理标准的火山碎屑岩的分类体系。四、储层分类铸体薄片观察显示，研究区孔隙类型分为三类：原生孔隙、次生孔隙、混合孔隙，其中次生孔隙最为发育。次生孔隙主要为溶蚀粒间孔、溶蚀粒内孔和溶蚀填隙物内孔。成岩作用对孔隙度具有影响，压实作用和胶结作用会明显减小孔隙度，溶蚀溶解作用会增加孔隙度。利用压汞资料可以将储层分为四类，Ⅰ类储层排驱压力小于0.063MPa，半径均值大于3μm，孔隙度在1621%之间，渗透率大于60μm2，属于好的储层；ⅡA类储层排驱压力在0.0630.485MPa之间，半径均值0.503μm，孔隙度在1019%之间，渗透率在0.680μm2，属于一般的储层；ⅡB类储层排驱压力在0.22MPa之间，半径均值0.10.5μm，孔隙度在614%之间，渗透率在0.060.8μm2，属于差的储层；Ⅲ类储层排驱压力在大于2MPa，半径均值小于0.1μm，孔隙度在314%之间，渗透率在小于0.5μm2，属于很差的储层。通过大庆油田试油结论发现，Ⅰ类储层自然高产，ⅡA类储层压后高产，ⅡB类压后低产，Ⅲ类储层压后无产能。储层孔隙特征研究表明，Ⅰ类储层的孔隙以溶蚀粒间孔为主，孔喉连通性好，粘土矿物主要是高岭石和伊利石，高岭石以分散式充填于孔隙中，伊利石主要为内衬式充填。ⅡA类储层孔隙主要是粒间孔隙和溶蚀粒内孔隙，孔喉连通性较好，粘土矿物以伊利石为主，伊利石以搭桥式充填于孔隙中或以内衬式吸附于骨架颗粒表面；ⅡB类储层粒间孔隙发育较少，粒内孔和填隙物内孔隙数量增加，连通性较差，粘土矿物以伊利石为主，且以搭桥式充填于孔隙中，粒间广泛发育次生石英；Ⅲ类储层在铸体薄片中几乎观察不到有效的孔隙。经研究，声波、密度、中子测井曲线可以作为划分储层类别的主要手段。声波曲线因为受压实影响而不宜直接反映储层物性特征，密度曲线能反映储层孔隙度特征，XD-N能间接反映泥质含量，因此根据密度曲线和XD-N可间接评价储层物性连通性的好坏，进行储层类别判定。Ⅰ类储层的DEN值小于等于2.43g/cm3，CNL值在1227%之间，XD-N值在-710之间；Ⅱ类储层的DEN值在2.432.54g/cm3之间，CNL值在624%之间，XD-N值在-106.5之间；Ⅲ类储层的DEN值大于2.54g/cm3，CNL值在723%之间，XD-N在-150之间对四类储层的岩性进行统计表明，四类储层中各种岩性都有，粗粒级相比细粒级有更好的物性。同一岩性可以在不同的储层类型中出现，其中以砾岩最为典型，从Ⅰ类至Ⅲ类储层均存在，而且含量不低于9%。这与砾岩的形成环境有关，不同环境下形成的砾岩在成分、粒度和分选上有很大的差异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 一、选题依据
• 二、选题的目的和意义
• 三、国内外相关领域研究现状
• 四、主要研究内容
• 五、技术路线
• 六、工作量
• 七、论文创新点
• 第1章 海-塔盆地区域地质概况
• 1.1 盆地地理位置与研究区
• 1.2 盆地构造特征与演化
• 1.2.1 盆地构造演化史
• 1.2.2 板块活动与盆地发育机制
• 1.2.3 盆地构造特征
• 1.3 区域地层特征
• 1.4 油气地质概况
• 1.4.1 烃源岩条件
• 1.4.2 储集层特征
• 1.4.3 盖层条件
• 1.4.4 生储盖组合
• 1.4.5 成藏条件及类型
• 第2章 火山碎屑岩的岩性与分区
• 2.1 火山碎屑岩的岩石分类
• 2.1.1 分类原则与分类方案
• 2.1.2 岩石类型与特征
• 2.2 火山-沉积（堆积）作用
• 2.2.1 相关术语体系与研究方法
• 2.2.2 过渡环境火山碎屑沉积作用与沉积物
• 2.2.3 深水环境火山碎屑沉积作用与沉积物
• 2.3 岩性组合分区及物源沉积体系
• 2.3.1 研究方法
• 2.3.2 铜钵庙组-南屯组岩性分区及物源-沉积体系
• 第3章 火山碎屑岩的成岩作用与埋藏改造
• 3.1 成岩作用类型及特征
• 3.1.1 成岩作用类型
• 3.1.2 成岩共生组合与成岩序列
• 3.1.3 成岩相
• 3.2 成岩作用阶段划分
• 3.2.1 划分依据和划分方案
• 3.2.2 成岩阶段划分
• 3.3 火山玻璃的脱玻化
• 3.3.1 影响火山玻璃脱玻化的主要因素
• 3.3.2 火山玻璃脱玻化过程
• 3.4 埋藏改造作用对凝灰质孔隙结构的影响
• 3.4.1 成岩作用对凝灰质孔隙结构的影响
• 3.4.2 有机质成熟度对凝灰质孔隙结构的影响
• 第4章 火山碎屑岩的测井响应
• 4.1 主要岩石的测井响应
• 4.2 岩性测井响应与岩石学机理
• 4.2.1 基本岩性
• 4.2.2 特殊岩性
• 4.3 岩石的测井分类
• 4.3.1 分类原则
• 4.3.2 分类方案
• 4.4 测井响应分区模式
• 4.4.1 海拉尔
• 4.4.2 塔木察格
• 第5章 储层分类与测井识别
• 5.1 孔隙类型及特征
• 5.1.1 孔隙类型
• 5.1.2 埋藏改造作用对孔隙的影响
• 5.1.3 利用测井资料进行孔隙度计算
• 5.2 储层分类与孔隙特征
• 5.2.1 储层分类方案
• 5.2.2 储层特征与测井曲线识别
• 5.3 岩性和储层的对应关系
• 5.3.1 同一储层的岩石类型
• 5.3.2 同一岩性的储层类型
• 结论
• 参考文献
• 图版 1
• 图版 2
• 图版 3
• 图版 4
• 攻读博士学位期间发表学术论文
• 致谢