片贝地区绿凝灰质火山岩储集层的热水变质作用及次生孔隙的性质

片贝地区绿凝灰质火山岩储集层的热水变质作用及次生孔隙的性质编译：王立群山田泰生内田隆摘要：片贝气田产出的天然气来自于深度超过4000米的绿凝灰质火山岩储集层。中新世的绿凝灰质火山岩是海底喷发的火山岩体，并接受了广泛的热液变质作用，由此改善了火山岩的储集性质。在火山岩储集层中，热液变质作用的时间是关键的争论点。此外，在有效的储集层的形成上也存在争论。有两种方案可以考虑：储集层的形成可以发生在深埋藏之后或海底火山作用之后不久。以同位素的结果及矿物学和流体包裹体的研究，认为后一种方案能够合理地解释热液变质过程。粘土矿物的变质分带和碳酸岩显示的两个热液流体的区域，在绿凝灰岩层的较低部位，玄武岩存在的高度一致于推测的热液上涌区域。流体包裹体的微温度测定数据说明了高温盐水被中低盐度的水进行了混合。在对比变化了的海水成因水时，推测为后来的水具有退化成因。这种水很可能从覆盖的泥岩中排出，且与石英结核中的碳氢化合物包裹体中的水是相似的。在海底变质作用的热液活动消失时，加热了覆盖与其上的泥岩，在低于其中的有机质埋藏时间所对应的成熟度情况下就开始了生油。关键词：热液变质作用，次生孔隙度，绿凝灰岩，火山岩储集层，流体包裹体，碳氢化合物包裹体，同位素1、前言作为石油天然气的储集层，可以说砂岩占据了世界总数的60%，而剩余的40%为碳酸岩所占据。但在日本，火山岩类和侵入岩类（基岩）也作为储集层而占据着石油勘探领域的重要位置。以绿凝灰质火山岩类为储集层的石油、天然气的发现，是以新泻地区的见付油田的发现为转机的。其后，在新泻地区，相继发现了仅在我国（日本）为数不多的、具有较大储量的和显示高产能的吉井——东柏崎气田、片贝——南长岗气田。此外，在秋田地区也相继发现了由利原和鲇川油气田，因此认识到以绿凝灰质火山岩储集层为对象的深部勘探的重要性。在片贝地区，绿凝灰质火山岩成为主要的油气储集层之一。但是，在一般情况下火山岩孔隙比较贫乏，随着埋藏的加深其原生孔隙有的趋势。在另一方面，因海底火山活动而喷出的绿凝灰质火山岩类，存在着因强烈的变质作用而改善储集层性质的情况。所以，在研究火山岩储集层性质的时候，认识变质作用是重要的。本文对发现于片贝地区的绿凝灰质火山岩类的变质作用及次生孔隙特征进行了论述，且对火山岩储集层发展过程进行了研究。2、样品及分析方法使用在片贝地区得到的岩心样品，进行薄片鉴定、阴极发光观察、X——射线衍射分析及扫描电子显微镜观察，掌握了变质程度及主要变质矿物。另外，使用水银压汞技术，对样品的孔径分布和水银孔隙度进行了测定。此外，对岩脉及结核体中取出的石英和碳酸盐矿物，使用X——射线衍射分析及能量色散检测扫描电子显微镜（SEM/EDS）对矿物进行鉴定之后，进行流体包裹体的微温度测量。对其中的一部分样品进行了碳、氧同位素测定（稳定同位素）。此外，从岩心样品中分离出伊利石，实施了K——Ar年代测定。3、地质概况片贝气田位于长岗市南西约10公里处之丘陵地带，与邻近的南长岗气田一起，都位于NNE——SSW方向的背斜构造带上，构成初具规模的油气田。七谷组被分为下部的绿凝灰岩层和上部的七谷泥岩层。绿凝灰质火山岩类是与日本海的上升相关联的，而在中新世活动的海底火山喷发，其物质是以流纹岩质（包括石英安山岩质熔岩及火山碎屑岩）为主体。在片贝地区的下部地层伴有玄武岩、安山岩类的发育。在片贝气田，绿凝灰质火山岩类发育在4000米以下的深度，通过地球物理测井曲线的特征基本可以划分为熔岩和凝灰岩。该套火山岩类，根据熔岩含量的多少，被划分为G0——G5六个层（猪间、赤掘，1982；星，1992）。除了片贝地区的酸性火山岩以外，对绿凝灰质火山岩进行了年代测定，根据数据，加藤分析得到的地质年代为23——14Ma。绿凝灰岩上部的泥岩层，根据微古生物化石鉴定，得到的时代也大致如此（例如：津田，1992）。绿凝灰质火山岩层上部的泥岩和下部的寺泊泥岩层，一般认为是向该火山岩类储集层提供油气的油气源岩（例如，井平，1974；关口，1984；加藤，1988）。4、火山岩储集层的原生孔隙度和次生孔隙岩石的原生孔隙度会因埋藏产生的温度、压力、局部的热水活动以及差应力的产生等因素而减小，也会引起孔隙形态的变化。这就会产生以溶蚀孔隙和岩石裂隙为代表的次生孔隙（内田，1992）。由于近年来勘探的推进，已明确片贝地区及由利原地区为代表的绿凝灰质火山岩储集层是次生孔隙极为发育的油气储集层（片平，1974；岛津，1982等）。为了研究绿凝灰质火山岩类储集层的裂隙大小及裂隙的密度，对片贝地区的流纹岩类和玄武岩类进行岩心观察及薄片鉴定并对裂隙的存在频率进行研究。其结果是：在流纹岩中不仅肉眼级别的宏观裂隙发育，而且镜下级别的微观裂隙更为发育，但在玄武岩中，裂隙仅少量发育。为了掌握片贝地区的流纹岩/玄武岩的原生孔隙及次生孔隙的性质，和由利原地区的玄武岩一起用孔径分布数据绘制了各种相关图件。其结果是片贝地区的流纹岩及玄武岩和由利原地区的玄武岩的分布区域完全不同。在孔隙类型和岩相上存在明显的差别，并且从这些相关图件中可以识别出：原生孔隙发育型、裂隙发育型和溶蚀孔隙发育型这三种储集层类型。由此，更进一步地明确了在判断宏观裂隙发育型和微观裂隙发育型的时候，可以使用空气渗透率和理论渗透率相关图。在片贝地区，构成天然气储集层的流纹岩类的次生孔隙是以裂隙为主体并伴有溶蚀孔隙并含有气孔状原生孔隙。这种薄片鉴定的结果与相关图的判断结果是完全一致的。片贝地区的流纹岩/玄武岩类，根据储集层的性质（孔径分布数据及薄片鉴定结果）和测井响应（主要是γ射线、中子、密度、声波时差测井）被大范围地划分为4种岩相：流纹岩1、流纹岩2、碎屑流纹岩、玄武岩。流纹岩1与流纹岩2相比经历了较低温度的热水变质，储集性质是最好的。流纹岩2与流纹岩1相比经历了高温的热水变质，其储集性质比玄武岩类要好得多但比流纹岩1要相差若干。在另一方面，含有碎屑熔岩和凝灰角砾岩等的碎屑流纹岩及玄武岩类的储集性质相当差。在片贝构造中，它起着遮盖储集层的盖层作用。5、绿凝灰质火山岩的变质作用关于发育在片贝地区的绿凝灰岩的形成时期及其接受变质作用的时期存在两种意见。加藤（1998）从现在的火山岩埋藏深度和流体包裹体的均一化温度出发，认为溶蚀孔隙是在西山期形成的。另一方面，岛津（1982，1990）发现伴有方铅矿存在的次生孔隙的存在，认为其是在海底火山活动之后发生变质形成了次生孔隙，因此改善了储集层的性质。正如岛津所指出的，从各种数据中都显示出在绿凝灰质火山活动之后，火山岩类受高温热水变质作用得到改造而改善了储集层的性质。本文对其发展过程进行了研究。发育在片贝地区的绿凝灰质火山岩类，在一般情况下承受着强烈的变质作用，其主要变质矿物是石英、钠长石、伊利石、绿泥石、碳酸盐矿物，其重要的特征是变质矿物中几乎不产沸石。该特征表明这种变质作用是在高的二氧化碳分压下作用的结果。5·1、变质作用的温度片贝地区的绿凝灰质火山岩类中的绿泥石和岩脉及结核中的绿泥石应用cathelineauandnieva的绿泥石地质温度计在1985年测得绿凝灰岩比较浅的部位，其温度范围是220——290ºC，在比较深的部位的温度范围值是300——330ºC。这一温度显示出比现今同层位的温度160——180ºC高，表明这种凝灰岩层经受了300ºC以上的高温热水变质作用。关于出现在片贝地区的绿凝灰质火山岩中的石英，对其中的水相包裹体和碳氢化合物包裹体测定了均一化温度，前者的温度是100——300ºC，后者的温度是140——170ºC。另外在碳酸盐矿物中（方解石和铁白云石），测得的均一化温度是100——250ºC。碳酸盐矿物多数是以脉状产出的（一部分是结核体）。从脉状体的空间分布及交叉关系上看，认为它们是在热水变质作用的较后时期形成的。对岩盐的均一化温度测得了一个数据点，其温度是160——200ºC。5·2、碳酸盐矿物的碳氧同位素组成在片贝地区的绿凝灰质火山岩类中，高品质的碳酸盐碳氧同位素比值给岩石的成因类型提供了重要的信息。热水成因的碳酸盐矿物的碳氧同位素比值的范围约为0到-10（PDB）(chmotoandpye，1979)。这个数值接近在碳酸盐和金伯利岩中分析得到的深部成因的碳同位素比-5到-8（PDB），而成岩过程中形成的碳酸盐矿物的碳同位素比值范围是从+20——+10到-20至-30以下及一般情况下相当广泛的范围值。（longstaffe，1989）。热水成因的碳酸盐矿物的氧同位素比，分布范围比较广。在海底成因的碳酸盐矿物中，有学者认为其氧同位素比值广泛分布在地幔成因的-25到海水成因的+10（pdb）之间。而成岩过程中形成的碳酸盐矿物，样同位素比值显示为-5到+5（pdb）之间。片贝地区的绿凝灰岩矿物以-3到-9（pdb）的碳同位素比和比-15（pdb）轻的氧同位素比为特征。该同位素组成范围表明因热水变质作用而形成了这些碳酸盐矿物，而另一些比值则接近地幔成因的碳氧同位素比，显示出高温下的水/岩石比。碳酸盐矿物的氧同位素比，由矿物的种类、水的氧同位素比、生成温度这三个因素决定（松本、松久，1983）。所以，在估计与碳酸盐矿物相关的氧同位素时18δOH2O，根据水和碳酸盐矿物的氧同位素平衡可知其范围值约为0到+5（SMOD）。另外，在铁白云石中测得的SMOV值约为0（碳酸盐矿物的矿物种类即化学组成用SEM/EDS设备进行分析，且对生成温度使用了流体包裹体均一化温度的平均值）。而关于水和碳酸盐矿物的氧同位素的分配问题，对方解石使用了Epstein（1953）方法，对铁白云石采用了与白云石相关的Fritzandsmith（1970）的方法进行测定。5·3、变质矿物的分布为研究变质矿物的的分布，以粘土矿物的变质分带为基础，研究了铁白云石中的Mg离子含量。关于主要的粘土矿物分带，有：a、伊利石带，b、伊利石+绿泥石带，c、绿泥石带。这三个带都与石英和钠长石共生。伊利石带在上部发现两处，向周边分布有伊利石+绿泥石带和绿泥石带。此外，在片贝地区的绿凝灰岩层中，发现碳酸盐矿物（方解石、Mg质菱铁矿、铁白云石）具有特征值。其中铁白云石的Mg最大含量呈有规律变化。深度越大，铁白云石中的Mg最大含量越低。在其等值线上可发现两个特征值。5·4、流体包裹体流体包裹体对于判断在热水变质作用中流体的相关性质起着很大的作用。从片贝地区的绿凝灰质火山岩层的岩心样品中，发现一处石英中含有碳氢化合物的流体包裹体。碳氢化合物的存在意味着在矿物的形成时，存在石油（该石油不是运移来的），这对于研究石油的形成、运移、聚集具有重大的意义。该碳氢化合物包裹体是在流纹质熔岩的缺陷内的石英中发现的。从石英晶体的发育出发，判断这种碳氢化合物包裹体为原生——假次生成因，是由液相和气相两相构成的。在紫外线照射下的荧光反应中，碳氢化合物显示亮蓝色。根据包裹体的荧光反应颜色及石油成熟度分析，表明该石油的成熟度比较高。另一方面，包含在石英中的水相流体包裹体，在均一化温度和冰的溶解温度图中，表现出一种趋势，因为流体包裹体内部的流体的气浓度不高以及上述趋势的温度范围大，所以认为这种趋势不仅是因气相的分离形成的，而且两种水的混合也可以形成。这种混合趋势之一端的高温高盐度水是热水流体，根据它的高盐度和具有碳酸盐矿物的同位素组成这两方面的证据，可以认为它是高温变质海水成因。而该趋势的另一端是中等温度和低盐度的水，温度约在70——150ºC时，盐的浓度接近于零。这在海水热水活动中，这种盐度的水被认为是低温热液水。大多数的石英中的流体包裹体，只有一部分表现出规律性。均一化温度在300ºC以上的石英样品与这一规律不一致。这被认为高的均一化温度为活跃的热水活动的结果，也正因为如此低温成分的影响难以表现出来。对碳酸盐矿物，当其均一化温度在200ºC以下时可以看到冰的溶解温度大致集中在-20ºC左右。所测试的脉状碳酸盐矿物，因为是变质作用后期产生的，所以其与热水活动相关的混合现象变弱及热水活动衰退。这样低温热液水的影响可能不存在。对于重晶石来说，冰的溶解温度低于-3.1——-2.1ºC，表明高盐