Paleobiological Characteristics and Its Reservoir Significance of Bioclastic Migmatite in First Member of Shahejie Formation in Bohai Sea
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摘要: 渤海海域古近系沙一段广泛发育湖相混积岩,其中生物碎屑混积岩物性好、产能高,是混积岩中的优质储层.对生物碎屑混积岩中的生物碎屑成分展开系统的古生物研究,明确腹足类是渤海海域沙一段生物碎屑混积岩中最主要的生物碎屑类型,共鉴定出腹足类21属27种,介形类19属74种,并且均以适宜一定盐度浅水环境生活的小型化类型为主.结合古环境研究表明,高能环境腹足类易富集,相对低能环境介形类含量上升.通过铸体薄片、扫描电镜、电子探针等分析发现,生物碎屑对混积岩储层演化具有重要影响.生物碎屑体腔孔、壳体铸模孔、遮蔽孔、差异收缩缝直接提供了储集空间;生物碎屑早期溶蚀能有效改善储层渗透能力,促进生物碎屑富集段的白云岩化作用,形成生物碎屑白云岩优质储层;生物碎屑在微生物作用下形成性质稳定的泥晶套,起到了孔隙格架支撑作用.受壳体成分及各门类生物沉积环境差异影响,腹足类为主的生物碎屑混积岩物性更好.Abstract: Lacustrine migmatite is widely distributed in the first member of Shahejie Formation of Paleogene in Bohai Sea. The bioclastic migmatite is the high-quality reservoir with good physical properties and high productivity. In this paper, a systematic paleontological study of bioclastic components in bioclastic migmatites is carried out. It is confirmed that gastropods are the most important bioclastic types in the first member of the Shahejie Formation in Bohai Sea. 21 genus and 27 species of gastropods and 19 genus and 74 species of ostracoda are identified. They are mainly miniaturized types suitable for living in a certain salinity and shallow water environment. It is found that the gastropods are easily to accumulate in high energy environment, while the content of ostracods is relatively high in low energy environment combined with paleoenvironmental studies. The analyses of casting thin section, SEM and EPMA show that bioclasts play an important role in the evolution of migmatite reservoir. The reservoir space is directly provided by the cavity hole of the bioclastic body, the mold hole of the shell, the shielding hole and the differential contraction joint. Early dissolution of bioclasts can effectively improve the permeability of the reservoir, promote dolomitization of the bioclastic enrichment section, and form a high-quality reservoir of bioclastic dolomite. Bioclasts form a stable mud crystal set with the action of microorganism, which plays a supporting role of pore lattice. The physical properties of the bioclastic migmatite mainly composed of gastropods are better than the others, as influenced by the differences of shell composition and various kinds of biological sedimentary environment.
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Key words:
- Bohai Sea area /
- Paleogene /
- bioclastic migmatite /
- palaeontology /
- reservoir /
- sedimentation
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0. 前言
渤海湾盆地古近系湖相混积岩十分发育,混积岩类型多样,从深水到浅水,从淡水到咸水,均有发现(鄢继华等,2017;付小东等,2019).并且常伴随着重大油气勘探发现,如秦皇岛29和秦皇岛36等构造在湖相混积层系测试日产油超千立方米,湖相混积岩是渤海海域古近系岩性勘探的重点研究领域.渤海海域古近系湖相混积岩主要发育在沙河街组,其中以沙河街组一段(Es1)最为常见,解习农等(2018)将渤海海域古近系发育的这套混积岩系划分为19种岩石类型,并且指出混积岩系的优质储层集中发育在块状含生物碎屑砂岩,含层理含生物碎屑砂岩,含生物碎屑砾岩,陆源碎屑质生物碎屑白云岩以及含砂质生物碎屑白云岩5种岩性中,证实生物碎屑能有效改善混积岩储层,优质储层段生物碎屑大量富集.充分说明生物碎屑混积岩对古近系优质储层发育以及油气成藏具有重要意义.
作为产能贡献最大的混积岩类型,生物碎屑混积岩的岩石组成、结构、成岩过程与常规湖相混积岩具有较大差异,其中生物碎屑是组成成分上最显著的差异,也是形成优质储层的关键.此外生物碎屑对混积岩的形成具有重要环境指示意义(潘文静等,2017),生物碎屑壳体的埋藏、溶蚀、交代、胶结过程能够直观指示成岩流体作用.因此,探讨生物碎屑混积岩中古生物特征对深入理解生物碎屑混积岩成因及优质储层发育机理具有重要意义.近年来,有关湖相混积岩的研究多集中于混合沉积成因、混积岩的储层特征和混积岩中碳酸盐岩的白云岩化机制等沉积储层问题(张宁生等,2006;倪军娥等,2013;霍沈君等,2015;王清斌等,2018;Li et al., 2020),针对生物碎屑混积岩的研究较少,对生物碎屑尚未开展系统的古生物学研究,生物碎屑对混积岩储层演化的影响也没有深入认识.本文拟结合渤海海域古近系生物碎屑混积岩中丰富的古生物资料,系统总结混积岩中古生物特征,分析生物碎屑在储层形成及保存过程中的作用.本项研究对于深化理解渤海海域湖相混积岩的成因及优质储层发育机理具有现实意义.
1. 地质背景
渤海海域是渤海湾盆地的海上部分,分布在渤海湾盆地中东部,紧邻燕山造山带和胶辽隆起(图 1),新生代太平洋板块斜向俯冲为渤海海域的形成及演化提供了主要动力,形成了明显区别于渤海湾盆地陆上的构造活动特征及格局.其中沙三段沉积末期是新生代最重要的构造转折期之一,海域部分凹陷内部发生构造反转形成大量的凹中隆,同时渤海湾盆地的沉积中心开始向海域部分迁移(黄雷等,2012),为渤海海域古近系沙一、二段生物碎屑混积岩的广泛发育提供了特殊地质背景.
渤海海域古近系自下而上分别钻遇孔店组、沙河街组、东营组.其中沙河街组自下而上分为4段,依次是沙四段、沙三段、沙二段和沙一段,沙四段与沙三段均为湖相沉积,以砂泥岩沉积为主.沙一、二段沉积时期,渤海海域湖盆大范围收缩,滨浅湖遍布,在大量凹中隆的切割阻挡作用下形成大量局限浅盆、水下高地等微地貌单元,频繁干湿交替气候背景下物源体系十分发育,为生物碎屑混积岩的广泛发育提供了条件,其中沙一段生物碎屑混积岩最常见(图 1).生物碎屑混积岩是古近系重要的岩性油气藏勘探领域,并持续获得多个重大勘探发现.因此开展对渤海海域沙一段生物碎屑混积岩的古生物特征及生物碎屑对储层影响研究对古近系生物碎屑混积岩预测具有重要意义.
2. 古生物特征
2.1 生物碎屑类型
统计显示渤海海域古近系湖相生物碎屑混积岩中生物碎屑含量从0~73%不等,主要生物类型包括腹足类、介形类、双壳类,局部见少量龙介虫化石.按照各门类在探井中出现的频率统计,腹足类出现频率高达100%,说明腹足类是渤海海域古近系生物碎屑混积岩中最常见的生物类型.
对8个构造共计121件岩心样品开展古生物分析发现丰富的腹足类和介形虫化石(图 2).鉴定出腹足类化石共计21属27种(图 3),其中狭口螺属Stenothyra和恒河螺属Gangetia分异度最高分别达7种和6种,恒河螺属Gangetia、高盘螺属Valvata在各探井中钻遇频率分别高达90%和80%.恒河螺属Gangetia丰度最高,其中尤以小恒河螺Gangetia minys和长圆恒河螺Gangetia longirota最为常见.整体来看腹足类化石丰度及分异度均较高,壳饰趋于复杂化,小个体类型明显偏多.其中,恒河螺属Gangetia占有绝对优势.且以喜微咸水-半咸水、浅水的营底栖生活的前鳃亚纲属种居多,地方性分子如渤海螺属Bohaispira分异度较高,指示局限湖盆较为发育.介形类相对腹足类个体小,更易保存较为完整形态,鉴定出属种名称的多达19属74种(图 3),其中玻璃介属Candona、华花介属Chinocythere、小豆介属Phacocypris分异度分别高达13种、10种和9种,其中,黄骅小豆介Phacocypris huanghuaensis丰度最高,整体以光滑的小个体类型为主,指示轻微动荡的具弱氧化的低咸度环境.综上所述,腹足类与介形类均指示生物碎屑混积岩中生物来自于具有一定盐度的浅水环境.
图 2 渤海海域古近系湖相生物碎屑混积岩中常见化石照片a. BZ262A井, 3 264.51 m,小恒河螺Gangetia minys;b. BZ262A井,3 250.20 m,小恒河螺Gangetia minys;c. BZ262A井, 3 264.51 m,细弱恒河螺Gangetia exilis;d. BZ262A井, 3 264.51 m,短圆恒河螺Gangetia brevirota;e. BZ262A井, 3 264.51 m,均匀狭口螺Stenothyra paritis;f. BZ262A井, 3 264.51 m,优美狭口螺Stenothyra elegans;g. BZ262A井, 3 264.51 m,狭口螺属未定种Stenothyra sp.;h. BZ262A井,3 250.20 m,热河台高盘螺Valvata rehetaiensis;i. BZ262A井, 3 264.51 m,下辽副贝加尔螺?Parabaicalia xialiaoensis?;j. BZ262A井,3 264.51 m,乐陵真星介Eucypris lelingensis;k. BZ262A井,3 264.51 m,玻璃介未定种Candona sp.. 图 2a~2h线段比例尺=1 mmFig. 2. Photos of fossils in the lacustrine bioclastic migmatite of Paleogene, Bohai Sea area2.2 生物碎屑富集特征
生物碎屑富集是影响生物碎屑混积岩储层质量的关键.渤海湾盆地沙一段沉积时期腹足类大量繁盛,为腹足类在湖相混积岩中广泛沉积提供了条件.
沉积环境对混积岩中生物碎屑类型与含量具有明显的控制作用,对生物碎屑保存状况有重要影响.其中水动力条件是影响生物碎屑类型的关键,腹足类在三角洲前缘、水下高地等高能沉积环境中占显著优势.如QHD29构造沙一段沉积时期古地貌为陡坡带背景的三角洲沉积环境,生物碎屑混积岩井段岩心中鉴定出腹足类化石9属15种,介形类仅4属7种.而沙一段沉积时期处于相对低能环境的BZ26构造,介形虫含量明显升高,局部成层富集,并鉴定出介形类7属12种,腹足类8属12种.腹足类化石分异度较高能环境的QHD29构造有所降低,但是介形类化石含量及分异度明显偏高(图 4).
古湖盆的水动力条件能够通过氧化还原及古水深条件反映,通常浅水环境水动力强,氧化性强.Ni/Co是应用最广泛的氧化还原元素指标之一,Co、Ni均是对氧化还原波动极其敏感的可变价态元素,并且均表现为氧化环境易迁移,还原环境易沉积,Ni在非硫化的缺氧环境易部分沉淀.Ni/Co小于5指示氧化环境,5~7指示次氧化环境,大于7指示缺氧环境(杨宗玉等,2017).QHD292E井Ni/Co平均值为2.15,小于BZ262A井平均值2.51,均小于5,均指示氧化环境,但QHD292E井Ni/Co值纵向上在1.85~2.41区间波动频繁,指示较为动荡的氧化环境,而BZ262A井沙一段Ni/Co值均在2.24以上,最大值达2.96,指示轻微动荡的氧化环境.元素Mn稳定性好,通常随着离岸距离增大水体加深,Mn/Fe增高(逄淑伊等,2019).QHD292E井MnO/Fe2O3平均值为0.03,显著低于BZ262A井平均值0.14(表 1),指示相对近岸浅水环境.综合水体氧化还原及古水深条件反映QHD292E井沙一段沉积时期为湖平面频繁波动的浅水环境,水动力条件较BZ262A井强.进一步证实高能环境腹足类更发育,低能环境介形虫更繁盛.
表 1 QHD292E井与BZ262A井元素分析Table Supplementary Table Analysis data of typical elements of Well QHD292E and Well BZ262A井号 深度(m) Ni(g/g) Co(g/g) MnO(%) Fe2O3(%) Ni/Co MnO/Fe2O3 Ni/Co平均值 MnO/Fe2O3平均值 QHD292E 3 255 46.70 19.40 0.08 3.70 2.41 0.02 2.15 0.03 QHD292E 3 320 25.60 12.70 0.07 1.82 2.02 0.04 QHD292E 3 335 23.30 12.60 0.06 1.69 1.85 0.04 QHD292E 3 390 15.50 7.43 0.06 1.19 2.09 0.05 QHD292E 3 430 9.75 4.36 0.03 1.24 2.24 0.02 QHD292E 3 475 14.50 6.26 0.11 2.78 2.32 0.04 BZ262A 3 195 36.93 15.68 0.30 2.49 2.36 0.12 2.51 0.14 BZ262A 3 215 34.48 13.34 0.33 2.26 2.59 0.15 BZ262A 3 225 33.68 13.98 0.31 2.17 2.41 0.14 BZ262A 3 235 33.68 14.31 0.32 2.16 2.35 0.15 BZ262A 3 246 20.97 8.99 0.67 4.19 2.33 0.16 BZ262A 3 278 44.60 16.72 0.42 4.57 2.67 0.09 BZ262A 3 290 32.31 14.45 0.34 3.28 2.24 0.10 BZ262A 3 300 50.72 17.12 0.42 2.95 2.96 0.14 BZ262A 3 310 38.85 15.54 0.42 2.87 2.50 0.15 BZ262A 3 320 33.39 12.45 0.38 2.45 2.68 0.15 造成这一现象的主要原因是湖相介形虫主要以营底栖生活类型为主,现代生物调查发现底栖类微体生物在细粒沉积物中更丰富,而腹足类生态习性丰富,有底栖、钻孔和附着于岩石上生活的类型,分布相对广泛.
统计显示基底岩性对古生物属种类型没有直接影响,如同是砂砾岩基底QHD29构造生物碎屑滩以腹足类为主,而BZ36构造以介形为主.并且与层位不同岩性基底之上的生物碎屑混积岩中古生物属种类型没有明显差异,均为区域地层常见属种类型.但是火山岩基底的生物碎屑含量通常异常丰富,如CFD2构造.在其他地质条件都相似的条件下火山岩基底能为生物生存提供更多的营养物质,促进生物勃发,这是生物能够大量保存的物质基础.
3. 生物碎屑混积岩储层特征
生物碎屑混积岩储层是生物碎屑、内源碳酸盐岩、外源碎屑岩通过生物作用、化学沉积、物理沉积综合作用的结果,同时具备碳酸盐岩和碎屑岩的成岩特征,高含量生物碎屑是区别于其他混积岩类型的显著特点,具有岩石成分复杂,成岩期次多,储层横向变化快的特征.
全岩分析显示渤海海域沙一段湖相生物碎屑混积岩的主要矿物组成有碳酸盐岩矿物(4%~86%)、石英(6%~60%)、长石(3%~52%)、黏土矿物(2%~76%),按照岩石组构大致可以划分为生物碎屑碳酸盐岩、含生物碎屑碎屑岩两大类.主要储集空间类型包括晶间孔、颗粒溶蚀孔、铸模孔、体腔孔、遮蔽孔、收缩缝、微裂缝等.物性非均质性强,386块岩心实测孔隙度为2.90%~34.62%,渗透率为0.01×10-3~767.48×10-3 μm2(图 5a),从特低孔低渗储层到高孔高渗储层均有覆盖.高孔高渗储层段生物碎屑含量高,并且普遍发生溶蚀,发育多种孔隙类型,低孔低渗储层通常以晶间孔为主.
3.1 生物碎屑体腔孔
渤海海域生物碎屑混积岩中生物碎屑体腔孔主要以腹足类体腔孔为主,其次为介形类,偶见龙介虫体腔孔,其他生物形成的生物碎屑体腔孔少见(图 6a,6b).腹足类体腔孔发育井段孔隙度为9.00%~34.62%,平均值约17.68%,渗透率为0.19×10-3~115.50×10-3 μm2,平均值约21.35×10-3 μm2.介形类体腔孔发育井段孔隙度为10.30%~27.00%,平均值为18.23%,渗透率为0.01×10-3~10.10×10-3 μm2,平均值约1.59×10-3 μm2.两者孔隙度整体接近,渗透率差异明显(图 5b).
图 6 生物碎屑对湖相混积岩储层的改善作用a. QHD292EB井,3 353.50 m,生物体腔孔;b. B362Q井,2 390.25 m,介形虫体腔孔发育,部分被粉晶白云石胶结充填;c. QHD292ED井,3 433.00 m,生物碎屑遮蔽孔发育;d. QHD292E井,3 370.36 m,生物碎屑遮蔽孔发育;e. QHD292E井,3 382.14 m,遮蔽孔;f. BZ262A井,3 257.10 m,铸模孔大量发育,仅剩泥晶套;g. BZ262A井, 3 252.06 m, 生物碎屑铸模孔;h. BZ262A井,3 263.96 m,铸模孔发育,部分生物碎屑体腔被充填;i. B362Q井,2 381.60 m,微裂缝沿介形壳体裂开、扩散Fig. 6. Improvement of lacustrine migmatite reservoir by bioclastic3.2 遮蔽孔
遮蔽孔隙是颗粒堆积过程中,由于较大颗粒的遮挡保留的孔隙空间,或者由凸面向上的介壳形成遮挡,在其下部保留的孔隙空间.生物碎屑混积岩中主要发育生物碎屑成因和砾石成因两种类型遮蔽孔,遮蔽孔发育井段通常发育大量铸模孔及粒间孔(图 6c~6e).生物碎屑成因遮蔽孔发育井段储层孔隙度为26.70%~34.62%,渗透率为84.35×10-3~176.37×10-3 μm2,显著好于砾石成因遮蔽孔物性(8.50%~9.20%,0.21×10-3~25.00×10-3 μm2)(图 5b).
3.3 壳体铸模孔
壳体铸模孔是生物壳体与围岩矿物选择性溶蚀的结果,主要由腹足类、介形类以及未知类型的化石碎片溶蚀产生(图 6f~6h).腹足类铸模孔最常见,介形虫壳体选择性溶蚀现象明显.铸模孔发育井段常伴随体腔孔、残余体腔孔、晶间孔及粒间孔发育,整体呈中孔中渗特征,平均孔隙度达21.68%,平均渗透率为382.14×10-3 μm2(图 5b).
3.4 差异收缩缝
生物碎屑混积岩岩心中壳体周围差异收缩缝普遍发育,镜下可见大量微裂缝均沿着生物碎屑壳壁裂开、扩散(图 6i).
3.5 白云石晶间孔和颗粒溶蚀孔
白云石晶间孔和颗粒溶蚀孔是生物碎屑混积岩中最常见的孔隙类型(图 6a,7a),白云石含量与储层物性整体呈正相关关系,与储层渗透性关系尤为紧密,并且腹足类高含量带对应的白云石含量普遍偏高(图 7).
4. 生物碎屑对储层演化的影响
4.1 生物碎屑机械沉积对储层的影响
生物碎屑机械堆积、埋藏过程中能够形成大量生物碎屑体腔孔、遮蔽孔,诱发差异收缩缝,进而有效改善生物碎屑混积岩储层.
理论上所有具壳生物死亡以后,壳体内部的软体部分迅速腐蚀分解,均能形成生物碎屑体腔孔.生物碎屑体腔孔的保存主要受生物壳体大小、结构,沉积过程的机械压实、充填、胶结和溶蚀作用影响.腹足类化石大小适中,壳高多分布在0.5~20.0 mm,而收缩包卷的壳体结构能减少沉积物充填.具有一定厚度的钙质壳体能有效抵抗机械挤压破坏,因此被较好保存的概率更大.介形虫个体微小,长度多为0.4~2.0 mm,多保存在细砂岩或者是碳酸盐岩中,这可能是引起以介形类体腔孔为主要孔隙类型的储集层渗透率通常偏低的重要原因.此外,介形类结构简单,体腔孔极易被充填.双壳类个体大、结构简单、极易遭受机械破坏,多以碎片的形式保存,几乎没有体腔孔保存.
生物碎屑成因遮蔽孔的形成与生物碎屑含量、陆源碎屑含量及粒度大小联系紧密,以内源碳酸盐岩化学沉积为主的井段遮蔽孔含量明显偏低,大量粗粒陆源碎屑沉积井段遮蔽孔相对发育.
研究证实混积岩中微裂缝对改善储层物性具有重要影响(丁一等,2013).生物碎屑壳体密度较围岩低,尤其是体积大、质量小的腹足类壳体与围岩的密度差明显.不同成分间较大的孔隙度、含水性差异导致岩石的均质性减弱,在地质应力作用下孔隙排水速率的显著差异,导致岩石极易沿生物碎屑壳体轮廓发生破碎.
4.2 壳体溶蚀对储层的改善作用
腹足类壳体主要矿物成分是文石含有少量低镁方解石,生物死亡埋藏后文石部分在沉积过程中极易发生同沉积溶解形成孔洞(张静等,2014),这是腹足类壳体普遍遭受溶蚀的重要原因.
介形虫壳体的主要矿物成分是相对稳定的低镁方解石(MgCO3 < 4%的方解石),当地质流体中溶解了一定含量的CO2时低镁方解石也能通过化学反应(CO2+H2O+CaCO3→Ca(HCO3)2)发生溶解,当地层流体处于停滞状态时,水溶液极易饱和达到新的平衡态,对低镁方解石的溶蚀减弱.因此介形虫的溶蚀通常发生在地表经大气水溶蚀或后期有机酸溶蚀,选择性溶蚀现象明显.
例如B362Q井沙一段发育多期介壳滩,碳酸盐岩碳氧同位素测试恢复的古温度结果反映研究区成岩温度波动大,根据岩心及薄片资料对取样测试间隔段成岩温度进行推测,显示研究区经历多期暴露或浅埋成岩环境,低温暴露成岩区间,普遍显示出强烈的溶蚀特征(表 2,图 8).2 396.10~2 396.50 m井段白云岩实测成岩温度最低,为23.98~31.20 ℃,平均值为27.07℃,古盐度为31.05‰~32.56‰,反映咸化湖盆表生成岩环境,薄片下生物碎屑发生彻底的溶蚀,部分长石成分也明显溶蚀.2 394.2~2 395.7 m指示埋藏成岩成因,古温度为40.38~46.06 ℃,该井段藻白云岩溶蚀程度高,而以方解石为主要成分的介形虫壳体几乎没发生溶蚀.2 390.25 m井段显示明显的表生成岩特征,岩心中沉积厚约3 cm黏土层,并且发育垂向淋滤缝,指示大气水成岩环境(王清斌等,2018),原地沉积的介形虫壳体强烈溶蚀,而保存在碳酸盐岩砾石中并被搬运至地表再沉积的这部分介形虫壳体未完全溶蚀(图 8).
表 2 B362Q井生物碎屑混积岩井段碳、氧同位素值Table Supplementary Table Analysis data of carbon and oxygen isotopes in bioclastic migmatite of Well B362Q样号 深度(m) 层位 岩石类型 δ13C(‰,PDB) δ18O(‰,PDB) 古盐度S(‰) 古盐度指数Z 古温度(℃) B362Q 2 386.42 沙一段 生物碎屑 2.60 -7.22 27.53 129.03 48.71 B362Q 2 386.95 沙一段 鲕粒 1.97 -9.40 25.35 126.65 60.06 B362Q 2 391.00 沙一段 生物碎屑 0.15 -14.85 19.90 120.21 90.09 B362Q 2 392.45 沙一段 泥晶套 1.75 -11.30 23.45 125.26 70.26 B362Q 2 394.20 沙一段 砂屑 2.55 -5.57 29.18 129.75 40.38 B362Q 2 395.00 沙一段 砂屑 2.76 -6.00 28.75 129.96 42.53 B362Q 2 395.00 沙一段 洞充填物 1.49 -6.70 28.05 127.01 46.06 B362Q 2 395.70 沙一段 泥晶云岩 -0.50 -6.53 28.22 123.02 45.20 B362Q 2 396.10 沙一段 泥晶云岩 0.04 -2.62 32.13 126.08 26.02 B362Q 2 396.10 沙一段 泥晶云岩 0.40 -3.70 31.05 126.28 31.20 B362Q 2 396.50 沙一段 泥晶云岩 0.74 -2.19 32.56 127.72 23.98 注:古盐度S=δ18OPDB +21.2/0.61;古盐度指数Z=2.048×(δ13CPDB+50)+0.498×(δ18OPDB+50);古温度T=13.85-4.54×δ18OPDB +0.04×(δ18OPDB)2.据Keith and Weber(1964). 4.3 生物碎屑对白云岩化的促进作用
对生物碎屑混积岩中腹足壳体微区进行电子探针测试显示壳体MgO含量为39.41%~45.05%,并且壳体内部MgO含量明显高于壳体边缘部位,如图 7b化石外壁3号、4号测点MgO含量分别为41.49%和39.41%,较其邻近的化石内壁1号(45.05%)、2号(40.18%)显著偏低(表 3).说明腹足壳体成分中具有较高镁含量,并且能经流体作用迁移到介质中参与成岩作用.吕正祥等(2018)研究也证实生物碎屑壳体淋滤溶蚀过程中能够释放一定含量的Mg2+,并能有效促进碳酸盐岩的白云岩化.
表 3 生物碎屑壳体电子探针数值Table Supplementary Table EPMA data of bioclastic shell井号 井深(m) 点号 MgO(%) QHD292E 3 375.65 1 45.05 QHD292E 3 375.65 2 40.18 QHD292E 3 375.65 3 41.49 QHD292E 3 375.65 4 39.41 生物碎屑混积岩在阴极发光下白云岩化壳体及白云石胶结物发黄-暗红色光(图 7c,7d),反映流动性介质中多期交代成因,研究证实水体流体性对白云岩化作用有重要影响(赵文智等,2015).而早期生物成因的体腔孔、铸模孔和遮蔽孔能有效改善储层物性,增大流体作用空间,增强水体流动性,进而大大促进碳酸盐岩白云岩化.
综上所述,生物碎屑能够通过提供Mg2+、增强流体流动性,有效促进生物碎屑混积岩发生白云岩化作用,进而改善储层.
4.4 生物碎屑相关的泥晶套及其对储层的保护作用
生物碎屑表层覆盖的泥晶套内部结构十分致密(图 9),性质稳定并且具有较强抗压实作用,对孔隙格架具有重要支撑保护作用,如图 6d、6f所示的生物碎屑混积岩分别在3 370.36 m和3 257.10 m的深度,在泥晶套的保护下,孔隙度分别达到了27.2%和28.6%.
生物碎屑相关的泥晶套成因与微生物作用密切相关.生物碎屑壳体表面常见的“大象皮”结构纹饰(图 10),是微生物作用后形成的特有结构(Hagadorn and Bottjer, 1997),指示生物碎屑极易受微生物作用.而微生物表面均覆盖一层含有糖霜醛酸的粘性鞘,实验证明这种粘液成分对颗粒的吸附能力显著强于黏土黏液层.并且微生物细胞通过自身代谢能够形成大量碳酸盐岩沉淀,整体形成黏土、有机质、碳酸盐岩颗粒的有机复合体即覆盖生物碎屑表层的泥晶套,类似钢筋水泥建造,极大地增强生物碎屑的抗压性能(毕义泉等,2001).蓝细菌等微生物体内的酸不可水解有机碳,与有机质不溶成分结构相似(Zhang et al., 2019),证实泥晶套具有较强的耐腐蚀性,使得生物碎屑混积岩在较大的埋深条件下经过长期成岩作用仍能保存较好的储集空间.
5. 讨论
不同生物碎屑来自不同的生物门类,具有不同的生活习性形成区域上差异富集的现象,整体呈现腹足类高能环境更富集、介形类低能环境富集的分布特征.不同门类生物碎屑的壳体成分、结构、大小差异明显,引起生物碎屑在沉积过程中保存状况、成岩过程明显不同.通常腹足类最易保存体腔孔,并且遮蔽孔、收缩缝等更发育,利于物性保持.而文石质的壳体让其极易发生溶蚀.早期较好的物性为后期成岩流体充分交换提供了条件,促进了白云岩化作用.这是造成研究区腹足类为主的生物碎屑混积岩物性更好的重要原因.
介形虫虽然个体小、易充填,但在大气水成岩作用或者后期有机酸的溶蚀下,壳体也可以发生强烈溶蚀形成大量铸模孔,有效改善储层.因此介形类的溶蚀受成岩环境影响大,选择性溶蚀现象常见,区域储层质量差异明显.
高含量生物碎屑能有效提高体腔孔、铸模孔等与壳体直接相关的孔隙含量,进而改善储层;但在不同地区早期成岩环境有很大区别,在缺少大气水成岩作用的条件下,生物碎屑不能大量溶蚀,理论上也会存在生物碎屑含量高但储层质量差的情况.渤海沙一段生物碎屑含量与物性的正相关性与其特殊地质背景密切相关.在渤海海域垦利10构造沙三段也钻遇湖相生物碎屑混积岩,但生物碎屑未发生溶蚀,碳酸盐岩成分未白云岩化,储层致密,孔隙度平均值仅8.66%,渗透率局部低于0.01×10-3 μm2.
综上所述,渤海海域古近系沙一段生物碎屑混积岩储层质量与沉积生物碎屑类型、含量联系紧密,是生物、环境、成岩作用相互作用的结果,整体呈现出以腹足类为生物碎屑主要组成的生物碎屑混积岩物性更好的规律性.
6. 结论
(1)渤海海域古近系沙一段湖相混积岩中生物碎屑含量从0~73%不等,共鉴定出腹足类21属27种,介形类19属74种,其中腹足类是最主要的生物碎屑组成类型.古生物生态习性显示,生物主要来自于具有一定盐度的浅水环境,并且高能环境腹足类优势更明显,低能环境介形虫更易富集.
(2)生物碎屑通过产生大量生物碎屑体腔孔、壳体铸模孔、遮蔽孔,诱发微裂隙等方式直接提供了储集空间,极大地改善了湖相混积岩储层.受化石结构及大小影响,腹足类体腔孔最易保存.受化石壳体成分影响,腹足类更易形成铸模孔,介形虫溶蚀强度受沉积环境影响明显,整体呈现出以腹足类为生物碎屑主要组成的生物碎屑混积岩物性更好的规律性.
(3)生物碎屑壳体能为白云岩化作用提供镁离子,并且生物碎屑早期产生的孔隙为白云岩化反应提供介质流动性空间,促进了生物碎屑高含量井段广泛发育生物碎屑白云岩优质储层.生物碎屑表层生长的泥晶套,能有效起到孔隙格架支撑作用,对生物碎屑混积岩储层具有显著保护作用.
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图 2 渤海海域古近系湖相生物碎屑混积岩中常见化石照片
a. BZ262A井, 3 264.51 m,小恒河螺Gangetia minys;b. BZ262A井,3 250.20 m,小恒河螺Gangetia minys;c. BZ262A井, 3 264.51 m,细弱恒河螺Gangetia exilis;d. BZ262A井, 3 264.51 m,短圆恒河螺Gangetia brevirota;e. BZ262A井, 3 264.51 m,均匀狭口螺Stenothyra paritis;f. BZ262A井, 3 264.51 m,优美狭口螺Stenothyra elegans;g. BZ262A井, 3 264.51 m,狭口螺属未定种Stenothyra sp.;h. BZ262A井,3 250.20 m,热河台高盘螺Valvata rehetaiensis;i. BZ262A井, 3 264.51 m,下辽副贝加尔螺?Parabaicalia xialiaoensis?;j. BZ262A井,3 264.51 m,乐陵真星介Eucypris lelingensis;k. BZ262A井,3 264.51 m,玻璃介未定种Candona sp.. 图 2a~2h线段比例尺=1 mm
Fig. 2. Photos of fossils in the lacustrine bioclastic migmatite of Paleogene, Bohai Sea area
图 6 生物碎屑对湖相混积岩储层的改善作用
a. QHD292EB井,3 353.50 m,生物体腔孔;b. B362Q井,2 390.25 m,介形虫体腔孔发育,部分被粉晶白云石胶结充填;c. QHD292ED井,3 433.00 m,生物碎屑遮蔽孔发育;d. QHD292E井,3 370.36 m,生物碎屑遮蔽孔发育;e. QHD292E井,3 382.14 m,遮蔽孔;f. BZ262A井,3 257.10 m,铸模孔大量发育,仅剩泥晶套;g. BZ262A井, 3 252.06 m, 生物碎屑铸模孔;h. BZ262A井,3 263.96 m,铸模孔发育,部分生物碎屑体腔被充填;i. B362Q井,2 381.60 m,微裂缝沿介形壳体裂开、扩散
Fig. 6. Improvement of lacustrine migmatite reservoir by bioclastic
表 1 QHD292E井与BZ262A井元素分析
Table 1. Analysis data of typical elements of Well QHD292E and Well BZ262A
井号 深度(m) Ni(g/g) Co(g/g) MnO(%) Fe2O3(%) Ni/Co MnO/Fe2O3 Ni/Co平均值 MnO/Fe2O3平均值 QHD292E 3 255 46.70 19.40 0.08 3.70 2.41 0.02 2.15 0.03 QHD292E 3 320 25.60 12.70 0.07 1.82 2.02 0.04 QHD292E 3 335 23.30 12.60 0.06 1.69 1.85 0.04 QHD292E 3 390 15.50 7.43 0.06 1.19 2.09 0.05 QHD292E 3 430 9.75 4.36 0.03 1.24 2.24 0.02 QHD292E 3 475 14.50 6.26 0.11 2.78 2.32 0.04 BZ262A 3 195 36.93 15.68 0.30 2.49 2.36 0.12 2.51 0.14 BZ262A 3 215 34.48 13.34 0.33 2.26 2.59 0.15 BZ262A 3 225 33.68 13.98 0.31 2.17 2.41 0.14 BZ262A 3 235 33.68 14.31 0.32 2.16 2.35 0.15 BZ262A 3 246 20.97 8.99 0.67 4.19 2.33 0.16 BZ262A 3 278 44.60 16.72 0.42 4.57 2.67 0.09 BZ262A 3 290 32.31 14.45 0.34 3.28 2.24 0.10 BZ262A 3 300 50.72 17.12 0.42 2.95 2.96 0.14 BZ262A 3 310 38.85 15.54 0.42 2.87 2.50 0.15 BZ262A 3 320 33.39 12.45 0.38 2.45 2.68 0.15 表 2 B362Q井生物碎屑混积岩井段碳、氧同位素值
Table 2. Analysis data of carbon and oxygen isotopes in bioclastic migmatite of Well B362Q
样号 深度(m) 层位 岩石类型 δ13C(‰,PDB) δ18O(‰,PDB) 古盐度S(‰) 古盐度指数Z 古温度(℃) B362Q 2 386.42 沙一段 生物碎屑 2.60 -7.22 27.53 129.03 48.71 B362Q 2 386.95 沙一段 鲕粒 1.97 -9.40 25.35 126.65 60.06 B362Q 2 391.00 沙一段 生物碎屑 0.15 -14.85 19.90 120.21 90.09 B362Q 2 392.45 沙一段 泥晶套 1.75 -11.30 23.45 125.26 70.26 B362Q 2 394.20 沙一段 砂屑 2.55 -5.57 29.18 129.75 40.38 B362Q 2 395.00 沙一段 砂屑 2.76 -6.00 28.75 129.96 42.53 B362Q 2 395.00 沙一段 洞充填物 1.49 -6.70 28.05 127.01 46.06 B362Q 2 395.70 沙一段 泥晶云岩 -0.50 -6.53 28.22 123.02 45.20 B362Q 2 396.10 沙一段 泥晶云岩 0.04 -2.62 32.13 126.08 26.02 B362Q 2 396.10 沙一段 泥晶云岩 0.40 -3.70 31.05 126.28 31.20 B362Q 2 396.50 沙一段 泥晶云岩 0.74 -2.19 32.56 127.72 23.98 注:古盐度S=δ18OPDB +21.2/0.61;古盐度指数Z=2.048×(δ13CPDB+50)+0.498×(δ18OPDB+50);古温度T=13.85-4.54×δ18OPDB +0.04×(δ18OPDB)2.据Keith and Weber(1964). 表 3 生物碎屑壳体电子探针数值
Table 3. EPMA data of bioclastic shell
井号 井深(m) 点号 MgO(%) QHD292E 3 375.65 1 45.05 QHD292E 3 375.65 2 40.18 QHD292E 3 375.65 3 41.49 QHD292E 3 375.65 4 39.41 -
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