基本信息
- 項目名稱：
- 烴類逸散過程中的流體-巖石相互作用
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 鄂爾多斯盆地東北部中生界漂白蝕變現(xiàn)象規(guī)模宏大，但以往并未引起重視。通過文獻調(diào)研，野外地質(zhì)現(xiàn)象考察，典型剖面解剖，巖礦微觀特征觀察和巖石、流體地化測試，點的微觀剖析與宏觀地質(zhì)特征對比相印證，天然氣逸散的直接證據(jù)和流-巖作用的蝕變結(jié)果相融合，揭示了漂白蝕變巖石是天然氣與巖石發(fā)生流-巖相互作用的結(jié)果。該研究為油氣逸散提供了現(xiàn)今不具烴類特征的重要的識別標志，為油氣逸散規(guī)模這一國際性難題解決指出了新的途徑。
- 詳細介紹：
- 引言 油氣逸散的直接顯示油氣苗等很早就引起了關注，而對油氣逸散過程中與近地表沉積物所發(fā)生的流體-巖石相互作用的蝕變產(chǎn)物，如漂白砂巖，雖然早在1926年就曾報導過，但對其研究甚弱，直到最近幾年才成為研究的熱點。以往研究顯示，當還原性的流體進入紅層后將發(fā)生流-巖相互作用，紅色赤鐵礦包殼中的Fe3+被還原成Fe2+，從而從紅層中移開出現(xiàn)鐵虧損從而使砂巖“漂白”了；最新的一項研究（2009）表明，紅層漂白并不僅僅是因為鐵的虧損，而是由于烴類作用鐵質(zhì)使其從砂巖碎屑顆粒的包殼上移走并被固定在鐵白云石、微量的黃鐵礦和鏡鐵礦中。這些研究均證實了砂巖漂白現(xiàn)象的形成與還原性流體-烴類活動密切相關。本課題擬在油氣經(jīng)過和逸散的淺表層，尋找對油氣逸散具有指示意義的各種直接證據(jù)和間接判識指標，該研究將為示蹤、發(fā)現(xiàn)和預測相關礦床提供有效線索和重要標志，不僅對鄂爾多斯盆地的油氣勘探部署和資源評價具有重要的指導意義，而且可以為世界相關盆地研究提供資料基礎和借鑒，并推動流體-巖石相互作用研究及其在示蹤、預測相關礦產(chǎn)資源方面的進展。 一、漂白蝕變巖石時空分布特征 鄂爾多斯盆地東北部砂巖漂白現(xiàn)象主要分布在鄂爾多斯市北郊，在由西向東自塔拉壕、白泥渠、白泥梁、石匠窯，至達拉特旗敖包梁區(qū)間及東部神山溝和黃鐵綿兔溝范圍內(nèi)連續(xù)分布；在東勝市西北部高頭窯地區(qū)、北部罕臺川以及達拉特旗馬家敖包處零星分布。漂白現(xiàn)象主要發(fā)育在延安組頂部，主體位于延安組第Ⅴ單元的1-2煤(主煤) 之上，其分布型式多樣。 石油鉆井資料顯示，在油氣顯示井中延安組頂部發(fā)育灰白色砂巖。因此，漂白現(xiàn)象分布范圍遠比現(xiàn)今露頭所見要廣，整體由隱伏帶和出露帶構(gòu)成，出露帶在西北部被分割成幾塊，而在東北部、東部近連續(xù)分布。 盆地東北部分布著規(guī)模宏大的白堊系油苗，砂巖漂白現(xiàn)象分布區(qū)域與油苗分布點有一定的對應關系，且漂白分布區(qū)與淺層氣測顯示區(qū)重疊，暗示它們在成因上有機相連。 二、蝕變巖石特征 野外露頭中見漂白砂巖與紅色砂巖層相伴而生，且顏色出現(xiàn)從白色、白色微紅向紅色的漸變，在弱漂白微紅砂巖中見到斑點狀褐鐵礦結(jié)核。 顯微特征顯示，紅色砂巖基質(zhì)及部分砂屑都被氧化鐵浸染，同一樣品在漂白部分與弱漂白微紅接觸部位出現(xiàn)顏色分界，且前者中鐵礦物從中心向邊部顏色出現(xiàn)逐漸變淺的現(xiàn)象，代表了還原流體作用的結(jié)果；漂白砂巖膠結(jié)物主要為折扇狀、蠕蟲狀和片狀高嶺石，且粒度粗細不一，代表了不同的形成期次。 三、巖石地球化學特征 巖石地球化學特征體現(xiàn)：漂白砂巖總鐵含量(TFe2O3)及Fe3+/Fe2+比值都很低，表明紅色原巖經(jīng)歷從弱漂白至漂白過程出現(xiàn)了兩種變化：第一，當二者鐵含量接近時，說明砂巖漂白是由于鐵以低價的形式重新富集，或者紅色的細粒赤鐵礦重結(jié)晶形成粗粒的鏡鐵礦；第二，當二者鐵含量相差懸殊時，說明漂白是由于紅色原巖經(jīng)弱漂白至漂白過程中鐵發(fā)生遷移，從而使漂白砂巖中的TFe2O3含量明顯低于弱漂白砂巖，由于鐵虧損從而變白。 表1 漂白砂巖及圍巖主量元素含量表 單位：Wt% 樣號 樣品 SiO2 TiO2 Al2O3 TFe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 LOI TOTAL M1 神山溝露頭,漂白砂巖 73.84 0.41 18.00 0.44 0.01 0.17 0.11 0.06 0.45 0.01 6.76 100.26 M2 ,漂白砂巖，巖心 71.14 0.63 19.21 0.49 0.01 0.26 0.07 0.19 1.46 0.02 6.74 100.22 M3 漂白砂巖，巖心, 67.22 0.84 21.95 0.70 0.01 0.27 0.11 0.14 0.86 0.02 7.79 99.90 M5 白泥渠露頭,漂白砂巖 74.50 0.49 16.43 0.39 <0.01 0.14 0.08 0.07 3.00 0.03 4.84 99.97 M6 神山溝露頭, 漂白砂巖 76.60 0.78 17.49 0.53 0.01 0.17 0.10 0.25 2.87 0.02 1.30 100.12 M8 神山溝露頭, 弱漂白砂巖 76.22 0.57 16.39 2.02 0.01 0.19 0.09 0.18 2.83 0.01 1.04 99.55 M9 高頭窯露頭,漂白含泥質(zhì)礫巖 73.50 0.39 18.46 0.33 0.01 0.13 0.13 0.04 0.35 0.02 6.86 100.22 REE分析顯示漂白砂巖和紅色砂巖呈右傾的V型REE配分型式,表明二者具有繼承性；ΣREE含量漂白砂巖大部分低于紅色砂巖，說明在流巖作用過程中REE發(fā)生了活化遷移；漂白砂巖顯示Eu虧損而Ce弱富集，指示其形成過程中的物理化學條件為酸性介質(zhì)、還原環(huán)境。 四、漂白蝕變現(xiàn)象與天然氣逸散的關系 漂白砂巖與紅色原巖的顏色變化、巖石學、地球化學特征指示了流體作用。巖石地球化學結(jié)果已證實漂白砂巖形成介質(zhì)為酸性、還原環(huán)境。到底這種還原性流體是什么？研究認為，漂白現(xiàn)象形成與上古生界煤成氣關系密切，主要證據(jù)有：漂白砂巖與白堊系油苗空間分布有很好的對應性，北部白堊系油苗存在證實上古生界天然氣在盆地北緣的散失；產(chǎn)氣井本身發(fā)育漂白砂巖，且伊深1井氣體分析確認來自石炭-下二疊統(tǒng)煤系地層(付金華等，1983)，更直接證明了漂白砂巖與上古生界煤型氣關系密切 。 漂白砂巖分布區(qū)域與層位顯示高的二疊系氣測異常關系密切，油苗顯示也與氣測異常層位顯示高的區(qū)域重疊，說明淺層氣藏的天然氣逸散作用對東北部延安組砂巖漂白現(xiàn)象形成有一定的貢獻；緊鄰漂白砂巖底板的有機質(zhì)條帶生物標志物特征、方解石膠結(jié)物碳同位素特征及流體包裹體研究均顯示存在天然氣逸散，上古生界天然氣的散失滿足了漂白砂巖形成所需的環(huán)境，漂白砂巖中的高嶺石膠結(jié)物氫氧同位素顯示為低溫熱液成因，也印證了存在深部熱流體作用。 五、漂白蝕變巖石的形成機制 砂巖漂白現(xiàn)象的形成機制可以通過以下模式來表達： （1）從上古生界氣藏中向上逸散的天然氣達到延安組，其首先作為還原劑將砂巖中的Fe3+膠結(jié)物還原形成Fe2+遷移，反應方程式為: CH4+4Fe2O3+16H+= CO2+10H2O +8Fe2+ （2）天然氣繼續(xù)上升，與上覆直羅組中下滲的含氧水相遇，在氧化環(huán)境下，喜氧細菌氧化甲烷產(chǎn)生二氧化碳和水，反應方程式為: CH4+ O2 = CO2+ H2O （3）一旦沉積物或孔隙流體中的氧被消耗，便開始了厭氧細菌還原硫酸鹽作用，產(chǎn)生H2S，進一步的反應使砂巖中的Fe3+被H2S還原形成硫同位素較大負值（低至-39.2‰）的黃鐵礦沉淀。 CH4+ SO42-= H2S +HCO3- 2H2S+ Fe2O3+2H+= FeS2+3H2O +Fe2+ （4）以上過程，細菌還原硫酸鹽的結(jié)果，使SO42-減少，同時，HCO3-進入到孔隙流體中，使流體pH值升高，促使了碳同位素較輕（小于－10‰）的孔隙充填方解石沉淀。 六、結(jié)論 鄂爾多斯盆地東北部漂白蝕變砂巖主要發(fā)育在延安組頂部，在延安組出露地層和鉆孔巖心中均可見到，平面分布上具有一定的規(guī)模。通過蝕變巖石野外露頭地質(zhì)特征、巖石學、大量的巖石地球化學以及相關砂巖的對比研究，結(jié)合研究區(qū)天然氣逸散的地質(zhì)作用，探討了盆地東北部中生界砂巖漂白蝕變現(xiàn)象判識標志及其形成機制，認為其形成為上古生界較高成熟度的天然氣逸散后與巖石發(fā)生還原作用的結(jié)果。 七、特色與創(chuàng)新 將本研究置于鄂爾多斯盆地演化-改造過程、期次及特征的區(qū)域背景下， （1）通過野外實地考察、追蹤，查明不同蝕變巖石的空間分布、組合、產(chǎn)狀等地質(zhì)特征；進而遴選典型地區(qū)和剖面，有序、系統(tǒng)采集具有代表性的樣品，使不同巖石類型在空間分布和蝕變序列中得以體現(xiàn)，使測試樣品的地質(zhì)背景代表性、質(zhì)量的可靠性得以保證。 （2）將鄂爾多斯盆地東北部規(guī)模宏大但以往并未引起重視的侏羅系砂巖的漂白蝕變現(xiàn)象，與油氣，特別是古生界天然氣的規(guī)模逸散相聯(lián)系，結(jié)合研究區(qū)油苗和巖石蝕變現(xiàn)象的形成和時空分布關系進行深入的專題研究，為油氣逸散研究提供了現(xiàn)今不具烴類特征的重要的識別標志，為油氣逸散這一國際性難題解決指出了新的途徑。 致謝 本研究得到國家自然基金（40902042）與西安石油大學大學生創(chuàng)新基金聯(lián)合資助，在論文完成過程中得到了馬艷萍老師的悉心指導和學院的大力支持，在此深表感謝。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：研究擬通過揭示蝕變巖石形成的流-巖作用機制，確立油氣逸散的間接判識指標，其將為示蹤、發(fā)現(xiàn)和預測相關礦床提供有效線索和重要標志。 基本思路：以鄂爾多斯盆地東北部漂白砂巖為切入點，通過野外考察，典型剖面解剖，宏觀地質(zhì)現(xiàn)象、巖礦微觀特征和大量巖石、流體地化測試結(jié)合，點的微觀剖析與宏觀地質(zhì)特征對比相印證，天然氣逸散的直接證據(jù)和流-巖作用的蝕變結(jié)果融為一體，揭示蝕變巖石形成的流-巖相互作用機制。
科學性、先進性及獨特之處
- （1）通過野外考察，查明不同蝕變巖石的空間分布地質(zhì)特征；遴選典型剖面，系統(tǒng)采集代表性樣品，使不同巖石類型在空間分布和蝕變序列中得以體現(xiàn)，使測試樣品的地質(zhì)背景代表性、質(zhì)量的可靠性得以保證。（2）將鄂爾多斯盆地東北部規(guī)模宏大但以往并未引起重視的中生界漂白蝕變現(xiàn)象，與古生界天然氣的規(guī)模逸散相聯(lián)系，為油氣逸散研究提供了現(xiàn)今不具烴類特征的重要的識別標志，為油氣逸散規(guī)模這一國際性難題解決指出了新的途徑。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 油氣逸散是資源評價中的重要內(nèi)容。本研究對油氣與圍巖相互作用后形成的已不具烴類特征的蝕變產(chǎn)物與直接顯示油氣逸散的過程及結(jié)果相結(jié)合，對其追根溯源，可能為深入探討和全面評價油氣逸散及其規(guī)模提供新的重要途徑和判識標志。該研究對鄂爾多斯盆地的油氣勘探部署和資源評價具有重要的指導意義，并且可以為世界相關盆地研究提供資料基礎和借鑒，并推動流體-巖石相互作用研究及其在示蹤、預測相關礦產(chǎn)資源方面的進展。
學術(shù)論文摘要
- 鄂爾多斯盆地東北部漂白蝕變砂巖主要發(fā)育在延安組頂部，平面分布上具有一定的規(guī)模。通過蝕變巖石野外露頭地質(zhì)特征、巖石學、大量的巖石地球化學以及相關砂巖的對比研究，結(jié)合研究區(qū)東北部天然氣逸散的地質(zhì)作用、蝕變巖石及其圍巖方解石膠結(jié)物碳氧同位素分析、流體包裹體特征、有機質(zhì)特征分析，結(jié)果表明，漂白砂巖與紅色砂巖的顏色變化、巖石、地球化學特征指示了流體作用，漂白砂巖總鐵含量(TFe2O3)及Fe3+ /Fe2+比值都很低。漂白現(xiàn)象形成與上古生界煤成氣關系密切，方解石膠結(jié)物碳氧同位素分析表明，其δ13C較輕，小于-10‰，指示有有機碳源供給；流體包裹體研究表明，研究區(qū)存在天然氣逸散作用；漂白砂巖有機質(zhì)生物標志物參數(shù)顯示，其中的有機質(zhì)成熟度較高，為外來有機質(zhì)。綜合分析表明，漂白蝕變巖石的形成是由于上古生界較高成熟度的天然氣逸散后與巖石發(fā)生流體-巖石相互作用的結(jié)果。
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 全部屬實
參考文獻
- [1]Chan M A, Parry W T, and Bowman J R. Diagenetic hematite and manganese oxides and fault-related fluid flow in Jurassic sandstones, Southeastern Utah[J]. AAPG Bulletin, 2000, 84(9): 1281-1310 [2]Beitler B, Chan M A, Parry W T. Bleaching of Jurassic Navajo sandstone on Colorado Plateau Laramide highs: Evidence of exhumed hydrocarbon supergiants? [J]. Geology, 2003, 31(12): 1041-1044 [3]馬艷萍, 劉池陽, 趙俊峰, 等. 鄂爾多斯盆地東北部砂巖漂白現(xiàn)象與天然氣逸散的關系[J].中國科學(D輯), 2007, 37(增刊Ⅰ): 127-138 [4]Ma Yanping, Liu Chiyang, Zhao Junfeng, Huang Lei, Yu Lin, Wang Jianqiang. Characteristics of bleaching of sandstone in Northeast of Ordos basin and its relationship with Natural gas leakage[J]. Science in China (Series D), 2007, 50(Ⅱ): 153-164 [5]劉池洋, 馬艷萍, 吳柏林, 劉超. 油氣耗散-油氣地質(zhì)和資源評價的弱點和難點. 石油與天然氣地質(zhì)[J], 2008, 29(4): 517-526 [6]Parry W T, Chan M A, and Barbara P. Nash. Diagenetic characteristics of the Jurassic Navajo Sandstone in the Covenant oil field, central Utah thrust belt[J]. AAPG Bulletin, 2009, 93(8): 1039-1061
同類課題研究水平概述
- 關于油氣經(jīng)過和逸散的淺表層形成的各種蝕變產(chǎn)物，如漂白砂巖，很早就已發(fā)現(xiàn)(Molton,1926)，之后諸多文獻報導了其與烴類空間關系方面的研究實例[8-15]。這些研究表明了紅層漂白與油氣區(qū)或與油氣顯示關系密切，甚至漂白砂巖本身就聚集了大量油氣。 有關紅層漂白Moulton (1926) 已在實驗室得到驗證。Shebl和Surdam(1996)的水-巖-烴類高溫分解實驗結(jié)果也已證實。Parry等(2004)選取Navajo砂巖層中的地下水、儲層甲烷以及紅色的Navajo砂巖進行地球化學模擬，結(jié)果當甲烷參與反應時，紅色砂巖被漂白了。 通過同位素、流體包裹體等研究也探討了漂白成因機制，如Kirkland 等（1995）對比俄克拉荷馬州中南部的二疊系紅層上部與下部黃鐵礦的δ34S 值，表明與赤鐵礦反應生成黃鐵礦的H2S 是細菌還原硫酸鹽的產(chǎn)物。Breit和Meunier(1990)以及Chan等(2000)通過測定漂白砂巖附近的方解石脈中的流體包裹體冰點溫度，結(jié)果表明紅層漂白經(jīng)歷了烴類等還原性流體的改造。Chan等(2000)對比了猶他州東南部的侏羅系漂白砂巖與紅色原巖中的方解石脈與方解石膠結(jié)物的碳氧同位素值，結(jié)果顯示漂白區(qū)明顯要低于未漂白區(qū)。Beitler等(2003)和Chan 等(2000)認為，最可能的漂白劑是石油和天然氣。Oehler等(2005)通過火星上傳回的高反射率的環(huán)形坑航片，發(fā)現(xiàn)其與陸地上的紅層漂白現(xiàn)象相似。據(jù)此，他們大膽的推測火星大氣層中存在甲烷。 目前，國內(nèi)學者主要源于對沉積型鈾礦的研究[22-31]，據(jù)褪色蝕變帶中分布的油跡、油斑以及與產(chǎn)油井的空間關系推測其形成與油氣關系密切。最近報導了鄂爾多斯盆地東北部的砂巖漂白現(xiàn)象的研究[3,32-34]，對其形成機制進行了初步探討。 以上研究從實例、理論、測試和實驗模擬等證實了漂白砂巖與烴類密切相關。研究區(qū)延安組頂部砂巖曾經(jīng)歷過較短暫的風化剝蝕改造,其對砂巖漂白現(xiàn)象的形成有無影響？是否會為烴類-巖石相互作用創(chuàng)造有利條件？對此國內(nèi)外尚無研究報導，是值得進一步探究的重要問題。流-巖蝕變作用的發(fā)生與巖石的類型、組成及其所經(jīng)歷的地質(zhì)演化過程有何關聯(lián)？這一系列問題都是值得深入探討和研究的。
