鄭劍鋒 沈安江 劉永福 陳永權(quán)

(1.中國石油杭州地質(zhì)研究院 杭州 310023;2.中國石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310023;3.中國石油塔里木油田分公司 新疆庫爾勒 841000)

0 引言

塔里木盆地寒武紀(jì)地層廣泛發(fā)育白云巖，白云巖領(lǐng)域是未來勘探的重要接替領(lǐng)域。全球大油氣田統(tǒng)計(jì)表明，有蒸發(fā)巖分布的含油氣盆地?fù)碛腥澜?0%以上的探明儲量。蒸發(fā)巖又稱巖鹽，可以和鹽間、鹽下的白云巖儲層構(gòu)成很好的儲蓋組合［1］。此外，薩布哈白云巖和滲透回流白云巖的形成也都與蒸發(fā)巖有關(guān)，可見蒸發(fā)巖的存在意義重大。鉆井和地震揭示塔里木盆地中西臺地區(qū)中寒武世地層沉積了巨厚的蒸發(fā)巖，其中就發(fā)育許多與蒸發(fā)巖有關(guān)的白云巖儲層。按白云巖成因分類，可以把塔里木盆地的白云巖儲層分為薩布哈白云巖儲層、滲透回流白云巖儲層、埋藏白云巖儲層和熱液白云巖儲層，前兩種儲層是與蒸發(fā)巖有關(guān)的，其最大的區(qū)別在于薩布哈白云巖儲層主要發(fā)育于潮間—潮上坪，而滲透回流白云巖儲層主要發(fā)育于蒸發(fā)臺地或潟湖中［2］。從目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看，前人對塔里木盆地的埋藏型、熱液型、潛山型白云巖儲層的研究較多［3～16］，而對與蒸發(fā)巖有關(guān)的白云巖儲層的研究卻相對較少，本文系統(tǒng)描述了與蒸發(fā)巖有關(guān)的薩布哈白云巖儲層和滲透回流白云巖儲層的宏觀、微觀巖石學(xué)特征及地球化學(xué)特征，并對儲層形成的主控因素及發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了分析，為該領(lǐng)域的下一步勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

塔里木盆地位于天山、昆侖山和阿爾金山之間，是一個由古生代克拉通盆地和中、新生代前陸盆地疊加而成的復(fù)合盆地，盆地中心為塔克拉瑪干沙漠。塔里木盆地寒武紀(jì)主要為蒸發(fā)臺地、局限臺地相沉積環(huán)境，大規(guī)模發(fā)育白云巖，其中，中寒武世主要為干旱氣候環(huán)境，形成了巴楚—英買力大潟湖(圖1)，并沉積了巨厚的蒸發(fā)巖。這種巖相古地理、古氣候背景為薩布哈白云石化和滲透回流白云石化作用的發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。本文研究區(qū)位于中西臺地的寒武系，地層序列自下而上為下統(tǒng)的玉爾吐斯組、肖爾布拉克組、吾松格爾組，中統(tǒng)的沙依里克組、阿瓦塔格組和上統(tǒng)的丘里塔格組，其中蒸發(fā)巖主要發(fā)育于中寒武世地層中，早寒武世地層中也少量發(fā)育。從和4井實(shí)鉆資料來看，蒸發(fā)巖的厚度可達(dá)360 m(圖2)。目前塔里木盆地中下寒武統(tǒng)鹽間—鹽下白云巖儲層的勘探程度不高，自20世紀(jì)90年代中期以來，鉆遇中寒武統(tǒng)蒸發(fā)巖層的只有牙哈5、牙哈10、牙哈7x-1、英買36、和4、和6、方1、康2及塔參1井等十來口井，其中和4井、方1井鉆穿了整個寒武系。

2 巖石學(xué)特征

2.1 薩布哈白云巖儲層

圖1 塔里木盆地中寒武統(tǒng)巖相古地理圖(塔里木油田，2008)Fig.1 The map showing Middle Cambrian lithofacies paleogeography in Tarim Basin(Tarim Oil field，2008)

圖2 塔里木盆地寒武系地層綜合柱狀圖Fig.2 The strata composite column of Cambrian in Tarim Basin

圖3 塔里木盆地寒武系薩布哈白云巖儲層巖石特征Fig.3 The petrological features of Cambrian sabkha dolomite reservoir in Tarim basin

薩布哈白云巖儲層的巖石特征為:(1)巖性多以紋層狀泥晶白云巖、粉晶白云巖和泥晶隱藻白云巖為主夾溶塌角礫巖(圖3A—E);(2)由于巖石在氧化環(huán)境受到長期暴露，故呈褐色、暗紅色(圖3A，B)，并可見干裂、泥裂及鳥眼等暴露構(gòu)造;(3)又由于發(fā)育于干旱氣候背景下，故常伴生硬石膏(圖3C，E)，并且由于位于海陸過渡帶靠近陸地一側(cè)，導(dǎo)致了該類白云巖具有泥質(zhì)含量高的特征;(4)陰極發(fā)光強(qiáng)度弱［17］，以不發(fā)光或發(fā)暗褐色光為主(圖3F);(5)巖石的孔隙類型為石膏及膏巖層受到溶解或垮塌而形成的膏?？?圖3A，C)和溶塌角礫礫間孔(圖3B，D)，對156個該類儲層物性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，31個樣品的孔隙度＞4.5%，19個樣品的孔隙度在2.5% ～4.5%之間，48個樣品的孔隙度在1.5% ～2.5%之間，58個樣品的孔隙度＜1.5%，其中孔隙度＞2.5%的樣品約占總樣品數(shù)的32%。

2.2 滲透回流白云巖儲層

滲透回流白云巖儲層的巖石特征為:(1)巖性主要以顆粒白云巖及藻白云巖為主，較好地保留了原巖的顆粒、藻(丘)格架等結(jié)構(gòu)(圖4A—F);(2)白云石晶體以粉晶為主(圖4D—F);(3)顏色以灰色、深灰色為主，明顯較薩布哈白云巖暗(圖4A，B);(4)常伴生硬石膏、石鹽等蒸發(fā)鹽類礦物充填或半充填的原生孔隙(圖4A—C，G);(5)陰極發(fā)光以暗紅色、褐色光為主，由于其形成于蒸發(fā)臺地(潟湖)中，發(fā)光強(qiáng)度較薩布哈白云巖強(qiáng)(圖4H);(6)巖石的孔隙類型主要為殘留粒間孔、格架孔、體腔孔(圖4D—F)或蒸發(fā)巖類礦物及未完全白云石化的文石質(zhì)顆粒受到溶解形成的鑄?？?圖4C、F)，對76個該類儲層物性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，10個樣品的孔隙度＞4.5%，8個樣品的孔隙度在2.5%～4.5%之間，12個樣品的孔隙度在1.5% ～2.5%之間，46個樣品的孔隙度＜1.5%，其中孔隙度＞2.5%的樣品約占總樣品數(shù)的24%。

3 地球化學(xué)特征

在不同的成巖環(huán)境中，引起白云石化作用和白云石生成的流體顯然具有不同的成分與特性，必然或多或少地留下其地球化學(xué)烙?。?8］，利用 C、O、Sr同位素、主量元素、稀土元素等測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，能較好地反映成巖流體的特性，從而識別出白云巖的成因。文中，元素分析數(shù)據(jù)和碳、氧同位素?cái)?shù)據(jù)分別測試于中石油碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Panalytical Axios XRF和DELTA V型碳、氧同位素質(zhì)譜儀;鍶同位素和稀土元素分別測試于國土資源部宜昌檢測中心固態(tài)質(zhì)譜儀和IVP—MS(X Series II)。

3.1 主量元素

通過對塔里木盆地寒武系泥、粉晶白云巖中的全巖主量元素CaO和MgO百分含量值進(jìn)行交匯分析可以看出(圖5A)，薩布哈白云巖的CaO和MgO百分含量具有線性正相關(guān)的趨勢［19］，同時SiO2(7.6% ～33.71%)和Al2O3(2.85% ～8.86%)含量明顯偏高，反映了薩布哈白云巖位于海陸過渡帶靠近陸地一側(cè)，具有高泥質(zhì)含量的特征，為準(zhǔn)同生期沉積成因而非后期交代成因的產(chǎn)物。滲透回流白云巖的CaO和MgO百分含量具有線性負(fù)相關(guān)的趨勢，并且整體具有高CaO低MgO的特征，反映了滲透回流白云巖泥質(zhì)含量低的特點(diǎn)。

3.2 稀土元素

一些經(jīng)歷過成巖作用和變質(zhì)作用的碳酸鹽沉積物，其稀土元素的含量基本相同，這說明了碳酸鹽沉積物沉積之后，在成巖過程中稀土元素只發(fā)生微小變化，所以利用稀土元素也能較好地反映白云巖的成因。通過對塔里木盆地寒武系泥、粉晶白云巖的稀土元素進(jìn)行球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化可以看出，薩布哈白云巖和滲透回流白云巖的的稀土元素特征是不同的(圖5B)。薩布哈白云巖的中稀土元素含量比滲透回流白云巖高，這是由于碳酸鹽巖中的稀土元素總量在沉積巖中是最低的，但泥質(zhì)的增加會導(dǎo)致稀土元素含量的增加。又由于Ce3+在大洋中會被氧化為Ce4+，以CeO2的形勢沉淀出來，故海水的Ce表現(xiàn)為虧損的特征，而形成薩布哈白云巖和滲透回流白云巖的成巖流體主要為高鹽度的海水，所以從配分模式圖中也可看出它們整體也表現(xiàn)為Ce的負(fù)異常，但隨著泥質(zhì)含量的增加，Ce的虧損會逐漸消失［20］，故薩布哈白云巖Ce的虧損程度要比滲透回流白云巖低。

3.3 碳、氧穩(wěn)定同位素

白云石的碳、氧穩(wěn)定同位素組成與引起白云石化的流體介質(zhì)有關(guān)，并主要受到介質(zhì)鹽度和溫度的影響。海水蒸發(fā)作用使海水的碳、氧同位素向偏正方向遷移。相反，埋藏條件下地下鹵水是海水、地層水，包括有淡水和海水混入的地下流體，再加上高溫使氧同位素向偏負(fù)的方向遷移［21］。從塔里木盆地寒武系泥、粉晶白云巖的δ13C和δ18O交會圖可以看出(圖5C):薩布哈白云巖的δ18O在-7‰～-4‰(PDB)之間，δ13C在-1‰～+1.5‰(PDB)之間，而滲透回流白云巖的 δ18O在-5‰ ～0‰(PDB)，δ13C在 +2.5‰～+4‰(PDB)之間，兩者能很好的區(qū)別開來。對比國外全新世蒸發(fā)環(huán)境中形成的白云巖的碳、氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)［22］，塔里木盆地的薩布哈白云巖的δ18O要偏負(fù)的多，這是由于塔里木盆地白云巖的年代要老的多，而所采集樣品又緊鄰潛山面，在漫長的埋藏過程中受到溫度、大氣淡水等因素影響的結(jié)果，但總體上其變化范圍窄的特征基本不變。

3.4 鍶穩(wěn)定同位素比值

海水的蒸發(fā)作用不會對Sr同位素有較大影響，所以蒸發(fā)環(huán)境形成的白云巖一般將保持著海水的Sr同位素特征，87Sr的相對豐度是用87Sr/86Sr的比值來表達(dá)的［20］。塔里木盆地寒武系薩布哈白云巖和滲透回流白云巖的87Sr/86Sr比值存在著差別(圖5D)，前者變化范圍在0.709 0～0.709 8之間，而后者在0.708 7～0.709 4之間，這說明了雖然薩布哈白云巖和滲透回流白云巖都是準(zhǔn)同生期形成的，但是薩布哈白云巖由于常暴露在水上，能接受大氣淡水的Sr的補(bǔ)充，并且受到高泥質(zhì)的影響，從而導(dǎo)致了87Sr/86Sr值較滲透回流白云巖高。

圖4 塔里木盆地寒武系滲透回流白云巖儲層巖石特征Fig.4 The petrological features of Cambrian seepage reflux dolomite reservoir in Tarim basin

圖5 塔里木盆地下古生界白云巖地球化學(xué)特征Fig.5 The geochemical features of Cambrian dolomite in Tarim basin

4 測井響應(yīng)特征

通常利用自然伽馬測井能夠定性解釋沉積相，而中、下寒武統(tǒng)的薩布哈白云巖和滲透回流白云巖的發(fā)育主要受沉積相控制，故它們的自然伽馬響應(yīng)特征是不同的。前文提及薩布哈白云巖儲層具有泥質(zhì)含量高的特點(diǎn)，故自然伽馬曲線表現(xiàn)為高值;而滲透回流白云巖儲層主要發(fā)育在蒸發(fā)臺地(或潟湖)中，巖性以顆粒白云巖、礁丘白云巖為主，泥質(zhì)含量相對較低，故自然伽馬曲線表現(xiàn)為低值，又由于受海平面頻繁變化控制，薩布哈白云巖儲層和滲透回流白云巖儲層交替發(fā)育，使得自然伽馬曲線呈指狀、箱狀頻繁變化的特征，如牙哈7x-1(圖6A)和牙哈10井(圖6B)，通過薄片標(biāo)定，吻合得很好。

5 儲層形成的主控因素

5.1 薩布哈白云巖儲層

薩布哈白云巖儲層發(fā)育于潮間—潮上坪，主要受沉積相帶的控制，在薩布哈向上變淺的地層序列中，由下至上具有氣候逐漸干旱和石膏含量逐漸增多的特征［23～25］。石膏一般以結(jié)核狀或薄層狀分布，很容易被罕見的雨水所溶解，所以這類儲層的孔隙類型主要為石膏及膏巖層受到溶蝕而形成的膏模孔和溶塌角礫礫間孔。由此可見石膏的存在非常重要，它為儲層的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，而薩布哈環(huán)境的過渡屬性又為頻繁的大氣淡水淋溶作用提供了條件(圖7)。這很好地解釋了薩布哈白云巖儲層為什么主要發(fā)育于薩布哈地層序列的中上部，而下部的純泥晶白云巖反而不能發(fā)育成有效儲層的原因。事實(shí)上，塔里木盆地寒武—奧陶系泥晶白云巖是非常發(fā)育的，但不含石膏的泥晶白云巖是不可能發(fā)育成儲層的。

綜上所述，薩布哈白云巖儲層發(fā)育的主控因素為:①薩布哈白云石化作用及伴生的石膏沉淀作用為儲層的形成奠定物質(zhì)基礎(chǔ);②同生期大氣淡水溶蝕作用使石膏溶解形成膏?？准案鄮r層溶解導(dǎo)致白云巖層垮塌形成礫間孔縫。塔里木盆地中下寒武統(tǒng)干旱氣候背景下潮間—潮上帶的膏云坪是有利儲層發(fā)育區(qū)。

5.2 滲透回流白云巖儲層

圖6 塔里木盆地薩布哈白云巖和滲透回流白云巖測井識別圖Fig.6 The well logging feature of sabkha dolomite and seepage reflux dolomite reservoir in Tarim Basin

圖7 塔里木盆地薩布哈白云巖成巖演化示意圖Fig.7 The sketch showing diagenetic processes of Cambrian sabkha dolomite in Tarim basin

根據(jù)Adams和Rhodes1961年提出的滲透回流白云石化模式，海水受到蒸發(fā)，在潟湖內(nèi)石膏達(dá)到飽和，并沿著潟湖向陸的一側(cè)蒸發(fā)鹽發(fā)生沉淀。盡管潟湖底床向陸一側(cè)的邊緣發(fā)生蒸發(fā)鹽沉淀而封閉，但是高密度鹵水仍能在蒸發(fā)巖沉淀作用帶向海一側(cè)的潟湖底床向下滲透回流，使原始灰?guī)r發(fā)生白云石化［22，26］。孔隙中充填的石膏或者未完全白云石化的文石顆粒由于礁(丘)灘體本身具有良好的物性，最容易在原始孔隙中沉淀石膏，并接受回流的鎂離子而發(fā)生白云石化，故臺地(潟湖)—臺緣的礁灘體是儲層發(fā)育的優(yōu)勢相帶。同時在干旱氣候背景下，缺乏亮晶方解石的膠結(jié)，但又能經(jīng)常受大氣淡水淋溶作用的改造，使溶解形成鑄?？?圖8)。這類儲層往往位于高頻旋回或三級旋回向上變淺序列的上部，側(cè)向上與膏巖層相變，垂向上為膏巖層覆蓋，通常所說的鹽下白云巖儲層就賦存于這類儲蓋組合中。

圖8 塔里木盆地滲透回流白云巖儲層孔隙演化示意圖Fig.8 The sketch showing diagenetic processes of Cambrian seepage reflux dolomite in Tarim basin

綜上所述，滲透回流白云巖儲層發(fā)育的主控因素為:①滲透回流白云石化作用保留了部分原生粒間孔及藻格架孔;②石膏沉淀及溶解作用形成膏?？?③未完全白云石化的文石質(zhì)顆粒溶解形成顆粒鑄?？?、粒間溶孔。塔里木盆地中下寒武統(tǒng)干旱氣候背景下，位于臺緣帶后側(cè)、蒸發(fā)潟湖靠海一側(cè)的礁灘體是有利儲層發(fā)育區(qū)。

6 結(jié)論

薩布哈白云巖儲層和滲透回流白云巖儲層是塔里木盆地寒武系與蒸發(fā)巖有關(guān)的兩種白云巖儲層，兩者具有不同的識別特征，儲層形成的主控因素也存在差異，但都直接或間接的與蒸發(fā)巖存在聯(lián)系。

(1)薩布哈白云巖發(fā)育于潮間—潮上坪蒸發(fā)環(huán)境，巖性上以紋層狀紅褐色含石膏、泥質(zhì)泥晶，陰極發(fā)光不發(fā)光或發(fā)暗色光為主要特征;地球化學(xué)特征上以MgO、CaO的線性正關(guān)、高稀土含量、δ18O值變化范圍窄及87Sr/86Sr比值相對較高為特征;并且可以通過在幅度頻繁快速變化的自然伽馬曲線中尋找高值段來識別。

(2)滲透回流白云巖發(fā)育于蒸發(fā)臺地(或潟湖)環(huán)境，巖性上以灰色的保留原巖顆粒、藻(丘)格架結(jié)構(gòu)的粉晶白云巖為特征，常伴生硬石膏、石鹽等蒸發(fā)鹽類礦物及相對較薩布哈白云巖強(qiáng)的陰極發(fā)光;地球化學(xué)特征上以MgO、CaO的線性負(fù)相關(guān)、稀土Ce元素負(fù)異常、相對偏正的δ13C、δ18O值及87Sr/86Sr比值相對較低為特征;并且可以通過在幅度頻繁快速變化的自然伽馬曲線中尋找低值段來識別。

(3)薩布哈白云石化及伴生石膏的沉淀作用和準(zhǔn)同生期大氣淡水溶蝕作用使石膏或膏巖層溶解、垮塌而形成膏?？准叭芩堑[礫間孔是薩布哈白云巖儲層的主控因素。

(4)滲透回流白云石化保留了部分原生粒間孔、藻格架孔和石膏及未完全白云石化的文石質(zhì)顆粒受大氣淡水溶蝕形成鑄?？?、粒間溶孔是滲透回流白云巖儲層的主控因素。

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