碎屑岩

碎屑岩

岩石機械風化後形成的岩石碎屑和礦物碎屑,經搬運、沉積、壓實、膠結而成的岩石,稱為碎屑岩。

  • 中文名稱
    碎屑岩
  • 礦物成分
    石英和長石
  • 又    稱
    陸源碎屑岩
  • 分    類
    陸源碎屑岩和火山碎屑岩

基本簡介

簡介

碎屑岩是由于機械破碎的岩石殘餘物,經過搬運、沉積、壓實、膠結,最後形成的新岩石。又稱陸源碎屑岩。碎屑岩中碎屑含量達50%以上,除此之外,還含有基質與膠結物。基質和膠結物膠結了碎屑,形成碎屑結構。按碎屑顆粒大小可分為礫岩、砂岩、粉砂岩等。

碎屑岩碎屑岩

按物質來源分類

按物質來源可分為陸源碎屑岩和火山碎屑岩兩類。火山碎屑岩按碎屑粒徑又分為集塊岩(>64毫米) 、火山角礫岩( 64~2毫米)和凝灰岩(<2毫米)、粗礫岩(256~64毫米)、中礫岩(64~4毫米)、細礫岩(4~2毫米 )。砂岩按砂粒大小可細分為巨粒砂岩(2~1毫米),粗粒砂岩(1~0.5毫米)、中粒砂岩(0.5~0.25毫米 )、細粒砂岩(0.25~0.1毫米) 、微粒砂岩( 0.1~0.0625毫米 )。粉砂岩按粒度可分為粗粉砂岩( 0.0625 ~0.0312毫米 ),細粉砂岩( 0.0312~0.0039毫米 )。 碎屑岩主要由碎屑物質和膠結物質兩部分組成。

碎屑物

碎屑物質又可分為岩屑和礦物碎屑兩類。岩屑成分復雜,各類岩石都有。礦物碎屑主要是石英、長石、雲母和少量的重礦物。膠結物主要是化學沉積形成的礦物,它們充填在碎屑之間起膠結作用,主要有矽質礦物 、硫酸鹽礦物、碳酸鹽礦物、磷酸鹽礦物及矽酸鹽礦物。碎屑岩的孔隙是儲存地下水及油、氣的對象,研究碎屑岩對尋找地下水及油氣礦床有實際意義。

碎屑岩碎屑岩

礦物成分

碎屑岩的礦物成分以石英和長石為主,它們對儲層物性的影響不同。一般說來,石英砂岩比長石砂岩儲集物性好。

碎屑岩成分碎屑岩成分

原因一

長石的親水性和親油性比石英強,當被油或水潤濕時,長石表面所形成的液體薄膜比石英表面厚,在一般情況下這些液體薄膜不能移動。這樣,它在一定程度上減少了孔隙的流動截面積,導致滲透率變小。

原因二

長石和石英的抗風化能力不同。石英抗風化能力強,顆粒表面光滑,油氣容易通過;長石不耐風化,顆粒表面常有次生高嶺土和絹雲母,它們一方面對油氣有吸附作用,另一方面吸水膨脹堵塞原來的孔隙和喉道。因此,長石砂岩比石英砂岩儲集物性差

以上所說的是在一般情況下長石碎屑對碎屑岩儲層物性的影響,但切不可簡單地認為凡是長石砂岩的物性都不如石英砂岩。在實際工作中,應結合我國陸相盆地的沉積特征進行具體分析。實際上,中國某些油田長石-石英砂岩或長石砂岩的儲集物性是相當好的,甚至比海相石英砂岩還好,這主要是因為長石未經較深的風化所致。

礦石結構

碎屑岩沉積時所形成的粒間孔隙的大小、形態和發育程度主要受碎屑岩的結構(粒徑、分選、磨圓和填集程度等)的影響。

碎屑岩結構碎屑岩結構

理想球體緊密排列的端元形式有兩種:a表示立方體排列,堆積最疏松,孔隙度最大,其理論孔隙度為47.6%,孔徑大,滲透率也大。b表示菱面體排列。排列最緊密,孔隙度小,其理論孔隙度為25.9%,孔徑小,滲透率低。所以理論上的孔隙度介于46.7%-25.9%之間。這種理想情況在自然界是不存在的。自然界的實際情況比這種理想情況要復雜得多。

大量資料研究表明:碎屑岩儲層儲集物性不僅與粒徑有關,而且與岩石顆粒的分選程度也有很大的關系。 一般來說,細粒碎屑磨圓度差,呈棱角狀,顆粒支撐時比較松散,它比圓度好的較粗的砂質沉積可能有更大的孔隙度。然而,細粒沉積物中孔喉小,毛細管壓力大,流體滲濾的阻力大,因此細粒沉積物的滲透率比粗粒的小。表示了分選系數一定時滲透率的對數值與粒度中值成線性關系,粒度愈大,滲透率愈高。在粒度相近的情況下,分選差的碎屑岩,因細小的碎屑充填了顆粒間孔隙和喉道,不僅降低了孔隙度,而且也降低了滲透率。表示了粒度中值一定時,滲透率的對數和分選系數(So)呈近似的線性關系,從分選好至中等時,滲透率下降很快;分選差時,滲透率下降就緩慢了。

影響因素

壓實作用和壓溶作用

壓實作用和壓溶作用是碎屑岩儲層的孔隙度和滲透率衰減的主要因素。所謂壓實作用就是通過岩石的脫水脫氣,岩石孔隙度變小,變得致密。壓實作用是通過顆粒的下沉,顆粒之間距離變小,沉積物體積收縮而進行的。壓實作用主要發生在成岩作用的早期,3000m以上壓實作用的效果和特征明顯。從成岩作用現象上來講,壓實作用不僅可以造成泥岩和頁岩岩屑等的假雜基化,火山岩岩屑等軟顆粒的塑性變形,還可以造成石英和長石等剛性顆粒的破裂和粒間接觸程度的提高。壓實作用使砂岩儲層的孔隙度迅速減小,但不同類型的砂岩,其孔隙度衰減的速率不同。如粘土雜基含量高的砂岩,其孔隙度衰減速率大,而純凈砂岩的孔隙度衰減速率小。

碎屑岩影響因素碎屑岩影響因素

壓溶作用是指發生在顆粒接觸點上,即壓力傳遞點上有明顯的溶解作用,造成顆粒間互相嵌入的凹凸接觸和縫合線接觸。由于碎屑顆粒在壓力作用下溶解,使得Si、Al、Na、K等造岩元素轉入溶液,引起物質再分配,造成在低壓處石英和長石顆粒的次生加大和膠結。據費希特鮑爾對含油區砂岩的研究,石英在500-1000m埋深就開始次生加大,並隨著埋深的增加,次生加大的石英顆粒增多。石英次生加大對岩石孔隙度有可觀的影響,有時可以佔滿全部孔隙。

膠結作用

膠結作用是砂岩中碎屑顆粒相互聯接的過程。松散的碎屑沉積物通過膠結作用變成固結的岩石。膠結作用是使儲層物性變差的重要因素。碎屑岩膠結物的成分是多種多樣的,有泥質、鈣質、矽質、鐵質、石膏質等。一般說來,泥質、鈣-泥質膠結的岩石較疏松,儲油物性較好,純鈣質、矽質、矽-鐵質或鐵質膠結的岩石致密,儲油物性較差。據松遼盆地儲集層鈣質含量的統計資料,一般當鈣質含量大于5%時,其儲油物性明顯下降。不同的粘土礦物岩石孔隙度滲透率的影響也是不同的。在埋藏初期,從富含粘土質的孔隙水中可以沉淀出高嶺石、綠泥石或伊利石形成碎屑顆粒周圍的粘土膜,或充填孔隙。高嶺石除了直接從孔隙水中沉淀外,還可以通過長石和雲母的風化,形成自生高嶺石,這種作用在顆粒邊緣或順著解理縫首先發生。在酸性孔隙水中長石更易高嶺石化。這種自生的粘土礦物填塞孔隙,降低了岩石的孔隙度。由掃描電鏡揭示,圍繞顆粒邊緣生長的伊利石是從孔隙的喉道部位向孔隙中央發展的,而高嶺石往往充填在孔隙中,因此伊利石的生成對孔隙度的影響雖小,但對滲透率的影響很大,高嶺石在降低岩石滲透率方面的作用比伊利石小得多。

碎屑岩

溶解作用

在地下深處由于孔隙水成分的改變,導致長石、火山岩屑、碳酸鹽岩屑和方解石、硫酸鹽等膠結物的大量溶解,形成次生溶蝕孔隙,使儲層孔隙度增大。這種次生溶蝕孔隙對改善儲層物性的重要性近來受到愈來愈多的重視。影響溶解作用的因素很多,如沉積時具有較粗的粒度,孔隙-滲透性好的碎屑岩;砂岩中含可溶性物質較多;地下水呈酸性而且具有一定流動速度等都有利于次生孔隙形成。其中尤以酸性水的形成最為重要。對地下酸性水的形成條件,近來提出許多新見解。Schmidt(1979)認為:幹酷根熱演化早期釋放出大量CO2,是形成酸性水的重要原因,這種成油期前形成的酸性水溶蝕作用所造成的次生孔隙帶特別有利于油氣聚集。Curtis(1983)則認為:有機酸和無機質反應是形成次生孔隙的理想機理。據研究,在80-120℃時,地下水富含短鏈有機酸,能大大提高對高嶺石的溶解度,其中二元酸(如草酸)含量達到一定濃度時,使鋁的溶解度提高3個數量級。而Ⅲ型幹酪根熱演化過程中釋放出的羧基約有40%是以草酸形式出現的。先于油、氣(熱成因)形成的羧基釋放出有利于在相鄰砂岩孔喉中清除碳酸鹽、硫酸鹽和矽鋁酸鹽的CO2,從而提高砂岩儲集性。此外,在較高溫度下,碳酸鹽礦物之間的無機反應,亦能生成CO2;硫酸鹽在脫硫菌和有機質參與下能生成H2S也有利于提高硫酸鹽的溶解能力。但是必須指出,酸性水溶解的物質隻有在不斷被帶走的條件下,才能使溶蝕作用朝有利于形成次生孔隙方向發展。否則,隨著溶質增加,溶蝕作用就會減弱,在達到過飽和時還可以再沉淀,堵塞孔隙。

勘探現狀

中國油田在鞏固和擴大碳酸鹽岩油氣藏勘探成果的同時,不斷加大碎屑岩勘探力度,特別是在塔北隆起志留系獲得突破後,碎屑岩勘探已成為油田的重點勘探目標。

從1992年早期深層碎屑岩開發至今,16年來,油田對碎屑岩的認識和圈閉落實已經形成從無到精的發展,建立了從當初的零起點到現在海相碎屑岩勘探的豐碩成果,形成了東河塘、塔中4、塔中16、哈得遜、吉拉克、英買34-35井區等主力油田。2007年,在油田30%的探明石油地質儲量中,碎屑岩儲層原油產量就佔到了60%。

近幾年,在有序推進塔中、塔北區域碎屑岩的勘探中雖未取得突破,但地質認識得到提升,勘探主攻領和目標更加明確。隨著油田"三大陣地戰"的展開,油田在塔北地區石炭系、志留系及中新生界碎屑岩有了新發現。英買34、35井區新增探明石油地質儲量1104萬噸,哈6新增預測石油地質儲量2256.97萬噸。同時,通過對中古31井區的塔中6、塔中103、塔中101、中古31、塔中243等井在石炭系含礫砂岩段精細對比圖研究分析,拓展不同期次東河砂岩的分布與疊置關系研究,細化海相碎屑鹽岩研究,勾畫出石炭系、志留系、奧陶系幾個不同類型圈閉尋找方向。

找到與斷裂相關的"凹中隆"是台盆區碎屑岩勘探最有利的突破點後,堅定了油田科研人員加大勘探力度,尋找戰略接替區的信心。科研人員從加強層序地層學的研究與套用、加強高解析度地震採集處理解釋攻關、加強儲層預測與圈閉描述技術的套用三個方面對台盆區碎屑岩展開主攻。在對東河砂岩古地貌進行分析後認為,構造演化研究和古地貌形態的精細刻畫,為沉積相的研究和有利砂體分布範圍的預測提供了指導。確定草湖凹陷周緣為相對獨立沉積區,與滿加爾凹陷有古梁分割,推測古梁區存在東河砂岩,向南進入海盆,相變為下泥岩段。同時,圍繞富油氣凹陷確定了3個前陸區碎屑鹽岩有利區帶:焉耆盆地侏羅系、塔西南山前中新統、古近系、白堊系和塔東南若羌構造帶侏羅系。

中國油田在今年勘探部署中,確定積極發展塔北,並針對碎屑岩勘探專門進行了安排,主要是通過開展精細勘探研究,加強評價,積極探索,力爭獲得油氣勘探持續突破。油田力爭在三至五年內,台盆區碎屑岩和新區新領域油氣勘探目標要發現1至2個戰略性接替領域,為實現2020年油氣產量當量突破5000萬噸奠定堅實的資源基礎。

孔隙類型

原生孔隙

是指在沉積時期或在成岩過程中形成的孔隙。原生孔隙主要是粒間孔隙。所謂粒間孔隙是指碎屑顆粒支撐的碎屑岩,在碎屑顆粒之間未被雜基充填,膠結物含量少而留下的原始孔隙。粒間孔隙在砂岩儲層中最普遍,分布比較穩定。具粒間孔隙的砂岩儲集層其孔隙度為5%-40%,後者幾乎是未固結的松散砂層。

原生孔隙------碎屑岩原生孔隙------碎屑岩

次生孔隙

盡管早在1934年,Natting就已發現砂岩中的次生孔隙,但是在相當長時間內,大多數油氣地質學家仍將原生粒間孔隙作為砂岩的主要儲集空間類型。直到1977年Schmidt等對砂岩的成岩過程和次生孔隙作了較全面的討論後,情況才發生了根本的變化。Schmidt等參照研究程度較高的碳酸鹽岩孔隙類型,結合碎屑岩的具體特點,將碎屑岩中孔隙類型分為5種,即粒間孔隙、特大孔隙、鑄模孔隙、組分內孔隙和裂縫。

80年代中期,中國對砂岩次生孔隙的研究也有較大發展。如呂正謀等(1985)對東營凹陷下第三系砂岩次生孔隙作了較深入的研究,提出了12種識別次生孔隙的標志。類似的研究在我國其它油氣區也已廣泛開展。

砂岩的次生孔隙主要是其非矽酸鹽組分(以碳酸鹽礦物為主)溶解的產物。形成這種溶解孔隙的可溶物質可呈三種結構形式:沉積的物質、自生膠結物以及自生交代產物。岩石組分的破裂和收縮也可使砂岩產生重要的次生孔隙,不過,通常在數量上都是居于次要地位。按次生孔隙的成因,可將其劃分為五種基本類型。

混合孔隙

指部分原生孔隙和部分次生孔隙組成的孔隙。例如,砂岩顆粒的邊緣遭受溶蝕形成的次生孔隙與原生孔的組合;砂岩發生不完全的膠結作用,膠結物溶解形成的次生孔隙與原生孔隙的組合;在砂岩顆粒邊緣的交代物溶解形成的次生孔隙與原生孔隙的組合;在砂岩顆粒邊緣被交代時,經常與其相鄰的粒內空間同時被同一種礦物所膠結,當這些自生礦物全部被溶解以後,就會形成混合孔隙。以上這些孔隙都是混合孔隙。大部分孔隙都是混合成因的,它們可以具有次生孔隙的所有結構方式。但混合孔隙中原生孔隙和次生孔隙的相對含量往往難于估計。

成因類型

沖積扇砂礫岩體

沖積扇是指在幹旱、半幹旱氣候地區,山間河流攜帶大量碎屑物質進入平原,在出山口處因流速變小,能量降低,而使碎屑物沉積下來形成的扇形錐積體。沖積扇中的砂礫岩體稱為沖積扇砂礫岩體。沖積扇在平面上的形態為扇形或圓錐形,多個扇體在平面上組合形成裙邊狀碎屑堆積體。沖積扇主要由礫、砂和泥質組成的混雜堆積,粒度粗,分選差,成分復雜,圓度不好。但在沖積扇的中部有儲集物性較好的辮狀河道砂礫岩體,鄰近若有油源,油氣一般可以在此聚集。如我國新疆準噶爾盆地西北緣的克拉瑪依油田三疊系儲油層就是沖積扇砂礫岩體。

碎屑岩碎屑岩

河流砂岩體

在長期沉降的氣候潮濕區。河流發育。由河流成因的砂岩體稱為河流砂岩體。河流的主要類型有辮狀河和曲流河,其沉積模式如圖 所示。河流砂岩體包括礫、砂、粉砂和粘土等各類碎屑沉積物,但以砂質為主,成分復雜,分選差至中等。河流砂岩體的形態極不規則,多呈帶狀,樹枝狀或網狀,邊緣呈鋸齒狀。古河道砂岩體以河床中的邊灘和心灘砂岩的儲油物性最好。目前世界範圍內已發現了不少以古河道砂岩體為儲集層的油氣藏,如美國堪薩斯州的布希城油田、加拿大阿爾伯達省的貝爾希油田、利比亞蘇爾特盆地的Sarir油田和中國的長慶油田等。

三角洲砂岩體

隨著油氣勘探工作的深入,日益證明世界上許多大油氣田與三角洲砂岩體有著密切的聯系。如科威特的布爾甘油田,西非奈及利亞尼日河三角洲發現許多大油田,中國的大慶長垣三角洲、東營凹陷的東辛、勝坨三角洲等。

碎屑岩碎屑岩

三角洲是河流入海(湖)處,由于坡度減緩,流速突然降低,水流分散,河流所攜帶的砂泥在河口附近堆積下來,形成平面上略似尖頂朝向陸地的三角形沉積體。根據河流、波浪和潮汐能量的強弱,三角洲可分為河控三角洲、浪控三角洲和潮控三角洲等類型。大的河流三角洲規模可以很大,面積可達幾十至幾萬平方公裏。三角洲可進一步劃分為三角洲平原、三角洲前緣和前三角洲等亞環境。各個亞環境的沉積物特征是不同的。三角洲平原中的分流河道砂岩體,三角洲前緣的水下分流河道砂岩體、河口壩砂岩體、遠砂壩砂岩體以及前緣席狀砂體都是常見的良好的儲集層

扇三角洲砂岩體:扇三角洲是指沖積扇或辮狀河直接進入水體形成的一類砂體(據Galloway,1983)。蓋洛韋等人(1983)按水體能量條件將扇三角洲分為湖泊扇三角洲、波浪改造的扇三角洲和潮汐改造的扇三角洲。其中湖泊扇三角洲受波浪和潮汐改造較弱,呈扇形

中國陸相沉積,特別是東部的斷陷湖盆常常是長條狀的箕狀凹陷。在湖盆的短軸方向上,坡度陡,物源近,很難形成源遠流長的曲流河。辮狀河直接進入淺湖形成的扇三角洲,稱為辮狀河三角洲。孫永傳等曾將沖積扇進入淺湖形成的扇形碎屑岩體稱為水下沖積扇。而紀友亮等卻仍將其歸屬于扇三角洲。扇三角洲可以劃分出如下微相:扇三角洲平原與正常三角洲平原有較大的差別,實際上扇三角洲水上平原屬于近山口的沖積扇環境。扇三角洲的分流河道砂體、水下分流河道砂體、河口壩砂體及前緣席狀砂構成了扇三角洲的主要儲集層。

海岸砂岩體

海岸環境又稱濱岸環境,它位于海水浪基面以上緊鄰陸地的濱淺海地帶。由于在地質歷史中反復的海進和海退,因此,海岸沉積物是一個很寬的帶。海岸地帶由于波浪、沿岸流、潮汐以及風的作用,可以破壞附近的三角洲沉積而形成一系列海岸砂岩體,主要有海灘砂、砂壩、堤島、風成砂丘等。海岸砂岩體一般呈帶狀或串珠狀沿岸線分布,由于它們經受反復的沖洗和簸揚,一般分選好,圓度大,岩性以中細砂岩為主,較疏松,孔隙度和滲透率都較高,有良好的儲油性能,是油氣聚集的良好場所。海岸砂岩體包括海進砂岩體和海退砂岩體。海退砂岩體下伏暗色海相頁岩,生油條件好;而海進砂岩體下伏三角洲平原或其它海岸沉積物,生油條件差,故目前世界上發現的海岸砂岩體油氣田多屬海退型砂岩體。如美國堪薩斯州格林烏德縣契洛鞋帶狀油田就是一例。

湖泊砂岩體

湖泊是陸地上水流匯集的地方,由于它距物源近,大量碎屑物質在湖泊中堆積,使湖泊砂岩體很發育。湖泊的水動力條件和沉積過程與開闊的淺海相似,同樣有波浪和沿岸流作用。在湖浪、湖岸流以及河流的地質作用下,湖泊砂岩體的類型是多種多樣的,包括洪積成因的湖邊扇砂礫岩體、湖成三角洲砂岩體、濱淺湖的湖灘砂岩體、水下隆起上的淺灘砂岩體、深湖的湖底扇砂岩體等。其中以濱淺湖的湖灘砂岩體和湖成三角洲砂岩體最為發育,儲集物性亦好,可作為良好的儲集層。中國大部分油氣田成生在陸相沉積盆地之中,湖泊砂岩體就成為主要的儲集層。例如大慶油田的主要產層屬于下白堊統湖成三角洲砂岩復合體。大港部分油田的產層屬于下第三系濱淺湖灘砂岩體(沿岸砂壩)。下遼河盆地和泌陽盆地的部分油田的產層屬于下第三系湖底扇砂岩體。

濁積砂岩體

濁積砂岩體是由于地震、海嘯等因素的影響,把河流攜帶至海岸帶堆積的大量未固化的沉積物,以懸浮的高密度底流的方式沿海底峽谷搬運至深海堆積而成的砂岩體。這種高密度流稱之為濁流。由濁流形成的砂岩體稱為濁積砂岩體。它的平面形態經常是扇形,又稱海底扇或深海扇。濁流也經常在湖泊中發生,它所形成的扇形砂岩體稱湖底扇。圖 為活克(1978)所建立的海底扇相模式。濁積砂岩體由根部至前緣,由下部至上部沉積物一般由粗變細,分選由差變好,扇體的扇中部分一般有分選較好的砂質沉積,可構成良好的儲集層。由于濁積砂岩體發育在深水泥岩之中,這些泥岩既可作為生油岩又可作為封閉層,因此,濁積砂岩體不僅含油氣豐實,而且也是地層、岩性油氣藏發育的有利地區。如北海地區的米勒(Miller)油田和阿爾巴(Alba)油田,以及美國加利福尼亞州文圖拉盆地的第三系油田和洛杉磯盆地的威明頓(Wilnington)油田等,後者的石油可採儲量達7.84×1010m3。

資料記載

天然氣與石油相比,產出的環境有較為明顯的差別。據B.C.Вышемнрскнй(1980)的統計(表) 表明:世界石油主要分布在海相地層中,在陸相地層中僅佔次要地位;而天然氣在陸相地層中佔有相當大的比例。這一點對我國陸相盆地天然氣的勘探有重要的指導意義。其次,由于天然氣的分子直徑小和易于滲流,因此在儲集物性較差的儲集層中聚集的天然氣也有開採價值。據美國的統計資料,1979年美國探明的天然氣儲量為5.494×1012m3,其中約有1.426×1012m3(約佔總量1/4)來自孔隙度為5-15%的儲集層。可見低孔低滲的砂岩體中可能擁有巨大的天然氣潛量。它是我們現在乃至今後低孔滲儲層油氣勘探開發的物質基礎。

碎屑岩-----濁積砂岩體碎屑岩-----濁積砂岩體

工程地質性質

碎屑岩的一般較好,但其膠結物的成分和膠結類型影響顯著,如矽質基底式膠結的岩石比泥質接觸式膠結的岩石強度高、孔隙率小、透水性低等。此外,碎屑的成分、粒度、級配對工程性質也有一定的影響,如石英質的砂岩和礫岩比長石質的砂岩為好。

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