李忠 黃思靜 劉嘉慶 蔡春芳 李曰俊 李開開 韓銀學 趙巖

(1.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所北京100029;2.成都理工大學成都610059)

塔里木盆地塔河奧陶系碳酸鹽巖儲層埋藏成巖和構(gòu)造—熱流體作用及其有效性①

李忠1黃思靜2劉嘉慶1蔡春芳1李曰俊1李開開1韓銀學1趙巖1

(1.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所北京100029;2.成都理工大學成都610059)

對層狀風化殼模式的認識一度支撐著塔里木盆地下古生界深層碳酸鹽巖油氣勘探,但這類深層碳酸鹽巖儲層顯示出的強烈非均質(zhì)性使得勘探風險愈來愈大。研究以塔里木盆地塔河地區(qū)中—下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖儲層為典型實例,重點論述了成巖作用和構(gòu)造—熱流體復合作用對儲層的制約,并結(jié)合表生巖溶等其它要素開展了儲層分布綜合解釋。研究認識到:①奧陶系碳酸鹽巖正常深埋藏成巖作用的主要效應是碳酸鹽的沉淀而不是碳酸鹽的溶解,建設性改造主要與表生巖溶作用(古喀斯特)或構(gòu)造—熱流體作用有關(guān),并導致了碳酸鹽巖儲層強烈的非均質(zhì)性。②從中下奧陶統(tǒng)到上奧陶統(tǒng),下部碳酸鹽巖地層熱流體活動跡象明顯優(yōu)于上部地層。③奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—熱流體的建設性改造作用主要發(fā)生在中—晚泥盆世與二疊紀疊加改造的斷裂構(gòu)造交匯區(qū),以及中—晚奧陶世、前石炭紀形成的表生巖溶發(fā)育區(qū);有效儲層與高能沉積相帶關(guān)系有限。為此,提出了奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—流體作用與儲層形成概念模式,這為進一步認識儲層的形成分布規(guī)律提供了新的線索。

埋藏成巖作用構(gòu)造—熱流體作用碳酸鹽巖儲層塔河油田塔里木盆地

0 引言

以往研究認識到,油氣盆地碳酸鹽巖高孔滲儲層的形成演化與表生作用、有機酸溶解作用、白云巖化、異常高壓、熱流體改造以及烴類充注等作用有關(guān)[1～10]。塔里木盆地碳酸鹽巖油氣勘探的突破最早始于1984年鉆探盆地北部(塔北隆起)塔河地區(qū)奧陶系的沙參2井,之后的進一步勘探實踐也主要基于對表生作用即層狀風化殼模式的認識,并取得了較好的油氣勘探成果。但是近年來的勘探實踐說明,無論在塔北或塔中地區(qū),深層碳酸鹽巖儲層顯示出了強烈的非均質(zhì)性,勘探風險增大;與此同時,該區(qū)與“熱液”活動有關(guān)的儲層類型被頻頻報導[11～18],但目前對這類儲層的認識仍然處于初期階段。本文以塔河地區(qū)奧陶系(中下奧陶統(tǒng)鷹山組上段、中奧陶統(tǒng)一間房組為主)碳酸鹽巖儲層為例,通過儲層各類要素的綜合分析,重點論述(后期)埋藏成巖作用和構(gòu)造—熱流體復合作用對儲層的制約,為認識儲層的形成分布提供新的線索。

1 研究區(qū)構(gòu)造—沉積特征

塔河油田位于塔里木盆地塔北隆起的阿克庫勒凸起上(圖1a),其主體位于塔河鼻狀背斜帶上(圖1b),后者為北東—南西走向、向南西傾伏的大型鼻狀背斜構(gòu)造。背斜由前石炭系組成,志留系—泥盆系的背斜幅度略小于寒武系—奧陶系。志留系不整合于奧陶系之上;東河砂巖及以上地層構(gòu)造變形微弱,平整地不整合于下伏地層之上,說明該大型鼻狀背斜構(gòu)造的雛形形成于奧陶紀末—志留紀初,東河砂巖沉積前基本定型。

目前在塔河—輪南地區(qū)地震資料上可識別出來的斷裂構(gòu)造有7期,從下到上(從老到新)分別是: (1)發(fā)育于寒武系—前寒武系的正斷層,形成于南華紀—寒武紀;(2)發(fā)育于奧陶系—寒武系的沖斷層,形成與中—晚奧陶世;(3)發(fā)育于T06反射層(即石炭系底界)以下的走滑斷裂,形成于中—晚泥盆世;(4)發(fā)育于二疊系及其以下地層中的正斷層,形成于二疊紀早—中期,是與二疊紀巖漿作用有關(guān)的斷裂構(gòu)造;(5)發(fā)育于前中生代地層中的沖斷層,形成于二疊紀末—三疊紀初,后期構(gòu)造活動對上覆地層也有明顯的影響;(6)沿石炭系膏鹽層的順層滑脫斷層,形成于三疊紀末;(7)主要發(fā)育于中生界的正斷層,向下可達石炭—二疊系,向上可以斷至古近系,形成于白堊紀,持續(xù)到古近紀。第6期因規(guī)模小而忽略,因此一般認為存在6期斷裂構(gòu)造,而對于本文關(guān)注的塔河地區(qū)寒武系—奧陶系而言,主要見第2～5期(圖1c)。

圖1 塔里木盆地(a)與塔北構(gòu)造單元劃分(b)與塔河不同期次斷裂分布(c)Fig.1 Tectonic unit division of Tarim Basin(a)and Tabei area(b)and fault distribution occurred in different periods in Tahe study area(c)

對于塔河地區(qū)奧陶系而言,縱向上早—中奧陶世、晚奧陶世沉積構(gòu)成兩個完整的海侵—海退沉積序列。據(jù)研究①李忠,等.塔里木盆地構(gòu)造—巖溶作用與儲層形成分配.中國石化股份有限公司(研究報告).2009,塔河地區(qū)下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組為弱鑲邊(或近緩坡)臺地建造為主,區(qū)內(nèi)半局限臺地—局限臺地發(fā)育;中下奧陶統(tǒng)鷹山組仍表現(xiàn)為弱的鑲邊的碳酸鹽巖臺地建造,但主要以開闊臺地內(nèi)的臺內(nèi)淺灘亞相以及開闊海臺坪亞相構(gòu)成;中奧陶統(tǒng)一間房組沉積時期的沉積水體與沉積物的堆積速率處于近平衡時狀態(tài),導致鑲邊碳酸鹽巖臺地建造為主,臺內(nèi)代表高能的顆?；?guī)r淺灘較鷹山組發(fā)育。塔河地區(qū)上奧陶統(tǒng)良里塔格組碳酸鹽建造在海平面快速上升(淹沒)背景下,晚期雖然由緩坡型碳酸鹽臺地演變?yōu)?弱)鑲邊型碳酸鹽巖臺地,發(fā)育高能的臺地邊緣相,但臺地建造速度、高能相發(fā)育遠不如塔中地區(qū)。

2 碳酸鹽巖儲集空間特征

從塔河油田奧陶系碳酸鹽巖近6 000個物性資料統(tǒng)計,碳酸鹽巖基質(zhì)主要顯示特低孔滲的物性特征,平均孔隙度1.15%,平均滲透率1.54×10-3μm2,縱向分布下部地層反而具有較好的孔滲性,即大多數(shù)的白云巖都比相應的石灰?guī)r具有更高的孔隙度,尤其具有更高的滲透率,但總體上碳酸鹽巖基質(zhì)基本不具有儲集性;而且基質(zhì)孔隙度和滲透率的相關(guān)性較低(圖2),經(jīng)常出現(xiàn)常規(guī)樣品測試物性(主要反映碳酸鹽巖基質(zhì))對比與全直徑樣品相反的現(xiàn)象,說明碳酸鹽巖儲集空間主要為相對宏觀的孔、縫、洞,其與后期構(gòu)造—熱流體改造作用密切關(guān)聯(lián)。

塔河地區(qū)碳酸鹽巖裂縫密度統(tǒng)計表明,塔河地區(qū)西部、北部的裂縫密度較大,鷹山組局部裂縫密度可以達到140條/m以上,而一間房組可以達到150條/m以上;而鷹山組、一間房組碳酸鹽巖主力儲集體放空、漏失現(xiàn)象普遍,發(fā)育“多層樓”式的表生巖溶帶,也充分說明宏觀孔、洞體系發(fā)育,是主要儲集空間類型。

3 碳酸鹽巖儲層演化的物質(zhì)基礎

塔河地區(qū)作為重要儲集層的一間房組和鷹山組基本上由石灰?guī)r構(gòu)成,但巖石中白云石的平均含量(介于0.77%～7.28%)總體隨地層的變老和埋藏深度的增加而增加。奧陶系石灰?guī)r中的顆粒含量平均值達到34%,顆粒/灰泥比可達到了0.58,說明高能環(huán)境的灘相沉積具有重要意義,很多巖石已構(gòu)成顆粒支撐。同時,生物門類的多樣化和窄鹽度生物的出現(xiàn)也說明沉積環(huán)境相對開闊,海水鹽度基本正常。

圖2 塔河地區(qū)主要碳酸鹽巖儲集層孔隙度和滲透率相關(guān)性投點圖a.一間房組上段;b.鷹山組上段Fig.2 A plot showing correlation between porosity and permeability of the main carbonate reservoirs in Tahe area a.the uppermember of Yijianfang For mation;b.the uppermember of Yingshan Formatio

塔河地區(qū)奧陶系早成巖階段(包括準同生成巖期和淺埋藏成巖期)碳酸鹽的成巖作用以海水膠結(jié)成巖作用為主,且往往比較強烈。除了早期泥晶化作用發(fā)育外,在顆?；?guī)r中亮晶膠結(jié)物含量多在20%以上,最大可達40%以上(圖3之Ⅰ、Ⅲ),這也是前述碳酸鹽巖基質(zhì)顯示特低孔滲物性特征的主要原因。早成巖階段海水膠結(jié)作用表現(xiàn)為沒有或僅有非常弱的陰極發(fā)光(圖3之Ⅱ、Ⅳ)。與四川盆地三疊系飛仙關(guān)組相比,塔河地區(qū)早成巖階段的大氣淡水成巖作用較弱,相應的碳酸鹽礦物溶解作用也就不發(fā)育。

圖3 塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖早期膠結(jié)物顯微組構(gòu)特征Ⅰ(單偏光)-Ⅱ(陰極發(fā)光):早期泥晶化作用發(fā)育,陰極發(fā)光下泥晶套呈弱環(huán)帶,S114井,一間房組,6 341.39 m,照片短邊長2 mm;Ⅲ(單偏光)-Ⅳ(陰極發(fā)光):亮晶鮞?；?guī)r,錳含量極低的海相碳酸鹽膠結(jié)作用強,陰極發(fā)光極弱,S119井,一間房組,6 092.9 m,照片短邊長4 mmFig.3 Microscopical fabric features of early carbonate cements from Ordovician carbonate rocks in Tahe area

圖4 塔河油田奧陶系和川東北三疊系飛仙關(guān)組碳酸鹽巖(或礦物)鍶含量(a)與鍶同位素組成(b)對比直方圖(川東北樣品數(shù)據(jù)來自黃思靜等[19～21];塔河樣品數(shù)據(jù)來自①李忠,等.塔里木盆地構(gòu)造—巖溶作用與儲層形成分布中國石化股份有限公司(研究報告),2009,不同的分析項目樣品有差別,樣品總數(shù)變化在130～190之間)Fig.4 A histogram contrasting strontium content(a)and strontium isotope composition(b)bet ween Ordovician carbonate in Tahe Oilfield and Triassic Feixianguan For mation carbonate in northeast Sichuan

另一方面,塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖(全巖)具有較高的鐵、錳含量①和較低的鍶含量(圖4a);在同位素組成上,塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽的87Sr/86Sr比值顯著高于同期海水(圖4b),而川東北三疊系飛仙關(guān)組碳酸鹽巖則相對接近同期海水。這說明川東北飛仙關(guān)組碳酸鹽成巖過程中海源流體的影響是主要的,而塔河地區(qū)非海相流體(包括后期表生大氣水和/或可能來自深部碎屑巖的地層水)的影響顯著。

4 碳酸鹽巖后期改造作用及對儲層的改造效應

正因為塔河油田奧陶系碳酸鹽巖早成巖階段海水膠結(jié)作用強,基質(zhì)主體顯示特低孔滲的物性特征,因此碳酸鹽巖有效儲層的形成必須依靠后期改造作用,即只能從正常深埋藏溶蝕作用、表生巖溶作用(古喀斯特)或構(gòu)造—熱流體作用中尋找機會。

4.1 深埋藏成巖作用

研究將深埋藏成巖作用介定為埋藏深度增加、地溫正常增大、無大規(guī)模穿層流體活動發(fā)育的成巖作用,以區(qū)別于構(gòu)造抬升—剝露導致的表生巖溶作用和由于斷裂以及相關(guān)的熱流體活動(地溫異常增大)所引發(fā)的構(gòu)造熱流體—巖石相互作用。

顯微觀測和統(tǒng)計表明,塔河油田奧陶系碳酸鹽巖除了同生(成巖)期部分層位的選擇性溶解外,基質(zhì)主體顯示膠結(jié)作用或多期次膠結(jié)作用為主,沒有或難于觀測到有效的后期正常深埋藏溶蝕作用跡象,從而總體顯示特低孔滲的物性特征。

事實上,塔河地區(qū)奧陶系的埋藏歷史顯著不同于川東北[16,22],印支—燕山—喜山期盆地持續(xù)沉降造成當前埋藏深度即為最大埋藏深度,加里東—海西期古喀斯特作用之后基本上沒經(jīng)歷重要的抬升運動,這使得與構(gòu)造抬升有關(guān)的碳酸鹽溶解作用(即倒退溶解模式[22])在盆地持續(xù)沉降過程中難以實現(xiàn)。換言之,塔河地區(qū)正常深埋藏成巖作用(無大規(guī)模穿層流體活動)的主要效應是碳酸鹽的沉淀而不是碳酸鹽的溶解。因此,塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖在正常深埋藏成巖作用中難于獲得顯著建設性改造(即溶蝕作用)的機會。

4.2 表生巖溶作用(古喀斯特)

早古生代后期(至少有三期)、晚古生代早期的古喀斯特作用是奧陶系碳酸鹽巖儲集空間最為重要的形成機制,這些儲集空間主要分布在靠近不整合面的層段,這已經(jīng)為大量的勘探實踐與研究所證實,這里不多贅述。但正如前面所述,塔里木盆地深層奧陶系碳酸鹽巖儲層顯示出了強烈的非均質(zhì)性,絕非層狀風化殼模式的認識所能概括。

通過對勘探井以及部分開發(fā)井的統(tǒng)計(圖5),可以看出無論鷹山組或一間房組,比較確認的表生巖溶作用井(巖芯證據(jù))主要都發(fā)育在上奧陶統(tǒng)桑塔木組尖滅線以北的塔河主體區(qū),而在該尖滅線以南的地區(qū),表生巖溶作用發(fā)育井相對較少,而大量的空洞發(fā)育井往往多位于斷裂附近,可能與深埋改造有關(guān)。而從巖溶作用發(fā)育的層位與T47(即一間房組頂界)、T07(即奧陶系頂界)兩個不整合面的距離來看,絕大部分一間房組尖滅線以北的塔河鷹山組的巖溶作用發(fā)育部位距T07不整合面的距離不足50 m,僅個別井距不整合面較遠(S88井距T07不整合面141 m),但卻與斷裂緊鄰;而在一間房組尖滅線以南,桑塔木組尖滅線以北的地區(qū),巖溶發(fā)育部位距離T47不整合面的距離不超過100 m,而距T07不整合面的距離大部分也小于180 m。大部分一間房組尖滅線以南,桑塔木組尖滅線以北地區(qū)的一間房組的巖溶作用發(fā)育部位距T47不整合面的距離不足50 m,僅個別井距T47不整合面較遠(S1067井距T47不整合面91 m),同時距不整合面的距離也不遠。

圖5 塔河地區(qū)鷹山組(a)、一間房組(b)表生巖溶與洞穴發(fā)育井分布Fig.5 Distribution ofwells found karst and cave at Yingshan Formation(a)and Yijianfang Formation(b)in Tahe area

此外,研究發(fā)現(xiàn)由于離不整合面110～130 m的深度界線是錳、鐵含量的急劇變化帶(銳減)②見前頁,因而認為在塔河地區(qū)古氣候條件、古構(gòu)造和巖性條件下,喀斯特作用的有效深度范圍應在離不整合面110～130 m之間,遠離該深度范圍,碳酸鹽的溶解作用顯然與其它機制有關(guān)。但在不整合重疊發(fā)育區(qū),以及持續(xù)斷裂活動區(qū),上述深度范圍可以擴展至200～300 m。

4.3 構(gòu)造—熱流體作用

對塔里木盆地業(yè)已開展的研究表明,針狀溶蝕是埋藏溶蝕流體在碳酸鹽巖上產(chǎn)生的一種特殊的溶蝕現(xiàn)象,并以小而密的針狀孔發(fā)育為特征,一般孔徑多為0.01～0.03 mm,少數(shù)可超過0.1 mm;且多發(fā)育在縫合線和微裂縫附近,如塔河油田鷹山組和一間房組碳酸鹽巖常見。除了針狀溶孔外,埋藏溶蝕流體也可以在一些井段產(chǎn)生孔徑較大的溶蝕孔洞,如塔河油田TS1井上寒武統(tǒng)丘里塔格組白云巖地層中孔徑可高達1～2 cm,孔洞壁多發(fā)育方解石和白云石晶簇,個別溶洞被方解石全充填。在這種埋深達7 000～8 000 m、壓力大于80 MPa的環(huán)境下,這些溶蝕孔洞的形成顯然與外源的溶蝕流體作用密切相關(guān)。熱流體除了會在一些井段產(chǎn)生特征的溶蝕作用外,也會在其流動性減弱時沉淀特征礦物,如重晶石、熱液石英、螢石、閃鋅礦、鞍狀白云石及粗晶白云石[11,12,14,16～18]。另外還存在豐富的黃鐵礦常沿裂縫、微裂縫分布,可能反映了熱流體的活動及其運移通道。

塔河地區(qū)不同產(chǎn)狀方解石(構(gòu)造裂縫方解石、巨晶方解石、膠結(jié)物)以及重晶石礦物也存在相當多的高溫流體包裹體(>120℃);對塔河地區(qū)奧陶系不同層位流體包裹體均一溫度分別進行統(tǒng)計(圖6),結(jié)果顯示由中下奧陶統(tǒng)至上奧陶統(tǒng)高溫包裹體所占比例逐漸減小,這可能指示了熱流體自下而上運移,在運移過程中,流體與圍巖的相互作用程度不斷深入,流體的溫度將會降低。塔河地區(qū)奧陶系儲層中重晶石、螢石、方解石等自生礦物(圖6)以及奧陶系地層水[17]87Sr/86Sr介于0.708 75～0.714 46間,大多數(shù)高于碳酸鹽巖全巖及同期海水87Sr/86Sr(0.706 0～0.709 0),表明具有外來的、富87Sr的流體的貢獻。事實上,配對樣品的分析,即同時具備高溫流體包裹體(>120℃)和高87Sr/86Sr比值的脈體礦物和巨晶方解石的大量存在(從上奧陶統(tǒng)至下奧陶統(tǒng)增加),充分說明流體主要來源于深部富87Sr的熱流體。

圖6 塔河地區(qū)奧陶系不同層位脈體礦物與巨晶方解石Sr同位素與流體包裹體均一溫度關(guān)系(塔河樣品數(shù)據(jù)來自前頁注①) a.鷹山組;b.一間房組;c.良里塔格組Fig.6Sr isotope and homogenization temperatures of fluid inclusions from fracture-filling calcite and macrocrystalline calcite ofOrdovician carbonate,Tahe area a.Yingshan Formation;b.Yijianfang Fo rmation;c.Lianglitag Fo rmation

另據(jù)蔡春芳等[17]研究,塔河地區(qū)奧陶系儲層自生方解石δ13C與δ18O之間具有良好的線性關(guān)系,顯示有機碳的貢獻與δ18O負值的增大存在相關(guān)關(guān)系:有機碳貢獻比例越大,方解石δ18O負值越大;同時,塔河地區(qū)奧陶系地層水HCO3-的δ13C與δ18O關(guān)系圖與方解石類似,而δ13C值與87Sr/86Sr負相關(guān)表明TSR來源的有機CO2與富87Sr的外來流體為同一來源。僅僅根據(jù)δ13C與δ18O資料,可能存在大氣淡水影響的機理解釋,即油氣的生物降解作用越強,產(chǎn)生的CO2越多,HCO3-的δ13C和δ18O越發(fā)生負偏移。但根據(jù)上述Sr-C-O同位素與流體包裹體均一溫度配對樣品的分析結(jié)果,本文更傾向于解釋為:來自深部的熱流體攜帶熱化學硫酸鹽還原作用產(chǎn)生的有機CO2向上運移并影響儲層中次生礦物與地層水的形成演化。

綜合礦物學、流體包體學和地球化學等依據(jù),可以厘定中下奧陶統(tǒng)鷹山組、中奧陶統(tǒng)一間房組、上奧陶統(tǒng)的良里塔格組等各層系碳酸鹽巖熱流體明顯影響的井位;進一步以不同層位碳酸鹽巖基質(zhì)孔隙度的平均值(取2.5%)為基準,與上述不同井位、不同層位中具有熱流體改造證據(jù)的碳酸鹽巖的物性作對比,將那些高于基準的樣品區(qū)圈定為熱流體建設性改造范圍或建設性埋藏巖溶分布范圍,反之為熱流體非建設性改造范圍(圖7)。

圖7 塔河地區(qū)奧陶系構(gòu)造—熱流體改造的碳酸鹽巖儲層類型平面分布圖a.鷹山組;b.一間房組;c.良里塔格組Fig.7 Distribution ofOrdovician carbonate reservoirs influenced by structural-the rmal geofluid alteration in Tahe areaa.Yingshan Formation;b.Yijianfang Fo rmation;c.Lianglitag Fo rmation

對比分析認識到,熱流體在塔河地區(qū)奧陶系平面上以及縱向上存在以下特征:①從中下奧陶統(tǒng)鷹山組、中奧陶統(tǒng)一間房組、到上奧陶統(tǒng)的良里塔格組(圖7),熱流體發(fā)育的井位數(shù)迅速減少,反映熱流體自下而上運移的特征,下部地層熱流體活動跡象明顯優(yōu)于上部地層。②西部井區(qū)(高H2S濃度井區(qū))及北、中部井區(qū)(S76—S106等井區(qū))熱流體顯示程度高于東部及東南部井區(qū),這可能與熱流體運移方向存在著一定關(guān)系。③熱流體傾向于發(fā)育在不同方向斷層的交匯地帶,西南部及北部熱流體活動井區(qū)主要分布在西部北東—南西向斷裂與近南北向斷裂交匯處以及北部北東—南西向輪南斷裂與近南北向斷裂交匯處。

應該指出,目前尚沒有可信的有關(guān)重晶石、石英、螢石、閃鋅礦、鞍狀白云石及粗晶白云石等熱流體礦物的年代學數(shù)據(jù)。但根據(jù)熱流體作用的礦物學—地球化學記錄與斷裂活動期次匹配分析,推測主要熱流體活動區(qū)應與形成于中—晚泥盆世、二疊紀早—中期又重新活動(與巖漿作用有關(guān))并伴有明顯疊加改造跡象的斷裂構(gòu)造有關(guān),另一部分則與早期表生巖溶發(fā)育區(qū)有關(guān)(如圖8(a)北部井區(qū))。

5 儲層改造模式與討論

前已述及,塔河油田奧陶系碳酸鹽巖早成巖階段海水膠結(jié)成巖作用強,有效儲層的形成必須依靠后期改造作用。而該區(qū)正常深埋藏成巖作用(無大規(guī)模穿層流體活動)的主要效應是碳酸鹽的沉淀而不是碳酸鹽的溶解,建設性改造(即溶蝕作用)主要與表生巖溶作用(古喀斯特)和/或構(gòu)造—熱流體作用有關(guān)。

表生巖溶作用形成層狀風化殼型儲集體,而在塔北或塔中地區(qū)深層碳酸鹽巖儲層顯示出了強烈的非均質(zhì)性則是表生巖溶作用與構(gòu)造—熱流體作用復合的結(jié)果。從圖7不難看出,構(gòu)造—熱流體對儲層的建設性改造作用主要發(fā)生在中—晚泥盆世與二疊紀疊加改造的斷裂構(gòu)造交匯區(qū),以及中—晚奧陶世、前石炭紀形成的表生巖溶發(fā)育區(qū)。

基于對塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖埋藏斷裂構(gòu)造、成巖作用、熱流體作用礦物學—地球化學等實際資料的綜合分析,并充分考慮了勘探資料所揭示的有利儲層分布,本文提出塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—流體作用與儲層分布概念模式(圖8)。

該模式的構(gòu)成要點有:

①塔河地區(qū)奧陶系(主要涉及中下奧陶統(tǒng)鷹山組上段、中奧陶統(tǒng)一間房組)碳酸鹽巖有效儲層的形成主要依賴于后期表生巖溶作用(古喀斯特)和構(gòu)造—熱流體作用,總體上表生巖溶作用在前,構(gòu)造—熱流體作用在后。除了斷裂—裂隙構(gòu)造系統(tǒng)外,決定構(gòu)造—熱流體作用分布發(fā)育的輸導空間主要還與早期表生巖溶系統(tǒng)密切相關(guān),與高能沉積的礁灘體(臺內(nèi)灘為主)的殘留孔隙系統(tǒng)也有一定關(guān)系(圖8),這與Davies和Smith[5]的模式不同。而斷裂構(gòu)造交匯區(qū)、中—晚奧陶世和前石炭紀形成的表生巖溶區(qū)、與建設性熱流體作用的疊加區(qū)正是有利儲層分布發(fā)育地區(qū)。

②由于壓力勢差,并可能受到熱力的誘導,熱流體發(fā)生了較大尺度的活動并與巖石發(fā)生化學作用。研究表明[17]熱流體源于前奧陶紀乃至前寒武紀碎屑巖,曾流經(jīng)深部寒武系及下奧陶統(tǒng)石膏層,在有烴類介入下發(fā)生熱化學硫酸鹽還原作用,產(chǎn)生了CO2和H2S等酸性物質(zhì);本文認為熱流體在向上運移過程中依次發(fā)生儲層溶蝕(或擴溶)、膠結(jié)(充填)作用。從這個意義上說,考慮質(zhì)量平衡,則深部溶蝕(或擴溶)發(fā)育區(qū)的上部和鄰區(qū),膠結(jié)(充填)作用應該較強。

圖8 塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—流體作用與儲層分布概念模式早期巖溶:指中奧陶世末—志留紀巖溶(加里東期);早期和晚期巖溶疊加:指中奧陶世末—志留紀巖溶(加里東期)和泥盆紀末巖溶(海西期)疊加Fig.8 A conceptionalmodel showing structural-geofluid processes and related reservoir fo rmation forOrdovician carbonates in Tahe area

③模式反映了多期構(gòu)造—多源流體疊加改造、多種作用機制在奧陶系碳酸鹽巖儲層中的復合特點,其中深部熱流體在中—晚泥盆世、二疊紀沿斷裂構(gòu)造的活動、沿巖溶界面/不整合界面以及臺內(nèi)灘等高能沉積體(原始儲集性有保存)的側(cè)向活動和溶蝕作用具有重要意義;當然本文并不否認表生流體在中—晚奧陶世、前石炭紀(中—晚泥盆世?)對奧陶系碳酸鹽巖的巖溶改造效應,即分別對應“早期巖溶”和“晚期巖溶”(圖8);相反,這種建設性的改造作用不僅造就了“層狀”風化殼儲集體,而且也為后期深部熱流體的活動提供了輸導空間。

該模式的不確定性在于:

①表生巖溶作用與構(gòu)造—熱流體作用對奧陶系碳酸鹽巖儲層物性影響的差異和重要性評判尚難確定;此外,盡管模式初步考慮到了質(zhì)量平衡,即溶蝕(或擴溶)、膠結(jié)(充填)作用的對立統(tǒng)一,但質(zhì)量平衡定量問題及分布發(fā)育機理問題仍然有待厘定,其中各類作用類型的精細判別與相關(guān)實驗和數(shù)值模擬研究亟待開展。

②考慮到斷裂構(gòu)造與熱流體作用的礦物學—地球化學等實際資料,認為二疊紀巖漿活動或隱伏巖體的熱力作用為熱流體活動提供了主要動力,但改造奧陶系碳酸鹽巖儲層的熱流體主體并沒有與巖漿熱液發(fā)生直接交換,即儲層改造流體的地球化學示蹤參數(shù)(如鍶同位素)并不直接反映與巖漿源有關(guān)。但由于缺乏可信的熱流體礦物的年代學數(shù)據(jù)和流體來源示蹤,其不確定性尚有待進一步研究。

6 主要認識

(1)塔河油田奧陶系碳酸鹽巖早成巖階段(準同生期和淺埋藏期)碳酸鹽膠結(jié)作用極強,有效儲層的形成必須依靠后期改造作用。而該區(qū)正常深埋藏成巖作用(無大規(guī)模穿層流體活動)的主要效應是碳酸鹽的沉淀而不是碳酸鹽的溶解,建設性改造(即溶蝕作用)主要與表生巖溶作用(古喀斯特)或構(gòu)造—熱流體作用有關(guān)。

(2)塔河油田奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—熱流體的建設性改造作用主要發(fā)生在中—晚泥盆世與二疊紀疊加改造的斷裂構(gòu)造交匯區(qū),以及中—晚奧陶世、前石炭紀形成的表生巖溶發(fā)育區(qū)。

(3)塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲層強烈的非均質(zhì)性主要是表生巖溶作用與構(gòu)造—熱流體作用復合的結(jié)果,但原始臺內(nèi)灘等高能沉積體的(殘留)孔隙空間對后期流體活動和輸導的影響也不容忽視;而厘定表生巖溶、構(gòu)造、熱流體等不同作用機制的相對重要性、作用期次(年代學)的研究亟待深入和細化。

結(jié)語與致謝劉寶珺院士是我國沉積成巖作用研究[23～25]的主要開拓者和倡導者之一,在此特輯出版之際,謹以本文淺談塔里木盆地碳酸鹽巖成巖作用關(guān)注問題,借此對先生八十華誕暨從事地質(zhì)工作60周年表示恭賀,也感謝先生所給予作者的諸多教誨!

感謝何起祥教授針對本文提出的寶貴修改建議!感謝李陽、許衛(wèi)平、王國力、黃太柱、王毅、張俊、鄔興威等專家在項目研究中給予的支持和具體幫助!

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Buried D iagenesis,Structurally Controlled Thermal-Fluid Process and Their Effect on Ordovici an Carbonate Reservoirs i n Tahe,Tari m Basi n

L I Zhong1HUANG Si-jing2L IU Jia-qing1CA IChun-fang1L I Yue-jun1L I Kai-kai1HAN Yin-xue1ZHAO Yan1
(1.I nstitute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029; 2.I nstitute of Sed imentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059)

The understanding for layered weathering crustmodel once sustained oil and gas exploration of the Lower Paleozoic deep-buried carbonate in the Tarim Basin.However,strong heterogeneous characteristics of the carbonate reservoir types increases exploration risk in the study area.As a case study,TheMiddle-LowerOrdovician carbonate reservoirs of Tahe area,Tarim basin,are studied in this paper,with focuses on superposition effect of burial diagenesis and structurally controlled thermal-fluid,on reservoir formation.Finally,combined with other elements including epigenetic karst process and so on,a comprehensive explanation on reservoir distribution is given in this research. The main recognition includes:①Nor mal deep-buried diagenesisofOrdovician carbonatesmainly resulted in precipitation rather than dissolution,and constructive modification primarily related to the epigenetic karstification(paleokarst)or structurally controlled thermal-fluid flow and led to strong heterogeneity of carbonate reservoirs.②From the LowerOrdovician to UpperOrdovician,thermal fluid flow evidence in the lower carbonate strata is stronger than that of the upper carbonate strata.③The constructive modification of structural-thermal fluid flow in Ordovician carbonate mainly occurred in structural intersection of superimposed faults developed duringMiddle-LateDevonian and Permian, respectively,and the strong pre-existed epigenetic karstification area formed atMiddle-Late Ordovician and pre-Carboniferous periods.The most efficient carbonate reservoirs have limited genetic relation with high-energy depositional facies in the study area.This paper puts for ward a conceptual model about structural-geofluid processes and related reservoir for mation for the Ordovician carbonates in Tahe area,which provides a new clue for further understanding for mation and distribution of the studied reservoirs.

burial diagenesis;structurally controlled ther mal-fluid flow;carbonate reservoir;Tahe oilfield;Tari m Basin

book=5,ebook=304

李忠男1964年出生研究員博士導師沉積學與盆地動力學E-mail:lizhong@mail.igcas. ac.cn

P578.6

A

1000-0550(2010)05-0969-11

①國家基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目(編號:2006CB202304)和國家重大專項(編號:2008ZX05008-003)資助。

2009-09-28;收修改稿日期:2009-10-10