呂艷萍，呂 晶，徐想東，鄧光校，劉永立，3，劉存革， 張振哲，韓擁強(qiáng)

(1.中國石化 西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830011； 2.中國海洋石油國際有限公司，北京 100028； 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074； 4.廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院，廣東 茂名 525000； 5.新疆博塔油田技術(shù)服務(wù)有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

近年來，我國在深層碳酸鹽巖領(lǐng)域不斷取得重大油氣發(fā)現(xiàn)[1-3]，證實(shí)深層仍然發(fā)育碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。塔里木盆地塔河油田奧陶系海相油氣藏主要產(chǎn)層位于中下奧陶統(tǒng)頂面之下150 m范圍內(nèi)，已經(jīng)勘探開發(fā)了二十余年，對(duì)縫洞儲(chǔ)集體的成因機(jī)理、分布規(guī)律研究較為深入；北部上奧陶統(tǒng)剝蝕區(qū)主要為大氣淡水潛流—滲流環(huán)境下形成的縫洞儲(chǔ)集體[4-7]，南部上奧陶統(tǒng)覆蓋區(qū)斷裂的控制作用較強(qiáng)[4,6]。為尋找新的資源接替層系，中國石化西北油田分公司在塔河油田西部上奧陶統(tǒng)覆蓋區(qū)鷹山組中下部發(fā)現(xiàn)大量串珠狀、雜亂反射等地震反射異常，部署的A井在鷹山組上段下亞段獲得工業(yè)油氣流[8]，證實(shí)鷹山組中下部發(fā)育規(guī)模性縫洞儲(chǔ)集體。巫波等[9]認(rèn)為，這些縫洞儲(chǔ)集體主要受控于巖溶管道內(nèi)部下切深度及空間組合形式。本文針對(duì)鷹山組上段下亞段儲(chǔ)層樣品開展了碳氧同位素、鍶同位素、稀土元素和陰極發(fā)光測(cè)試工作，認(rèn)為鷹山組內(nèi)幕儲(chǔ)集體主要形成于海西早期大氣淡水深部緩流帶環(huán)境，與表層的縫洞儲(chǔ)集體形成環(huán)境存在較大差異。

1 地質(zhì)背景

塔河油田位于塔里木盆地北部阿克庫勒凸起中段(圖1)，早—中奧陶世沉積了厚度超過1 000 m、較純的碳酸鹽巖；下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組以白云巖、灰質(zhì)云巖為主，中下奧陶統(tǒng)鷹山組和中奧陶統(tǒng)一間房組以灰?guī)r為主，向下白云石化作用加強(qiáng)(圖2)。上奧陶統(tǒng)沉積環(huán)境與中下奧陶統(tǒng)相比發(fā)生了劇烈變化，由淺水碳酸鹽巖臺(tái)地轉(zhuǎn)變?yōu)檠蜎]臺(tái)地、緩坡和混積陸棚[10]，巖性為含泥灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和泥巖。

塔河油田奧陶系受到加里東中期、海西早期等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，北部上奧陶統(tǒng)被完全剝蝕，中下奧陶統(tǒng)也經(jīng)歷了不同程度的剝蝕，志留系、泥盆系殘余地層在阿克庫勒凸起周緣分布。在多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，中下奧陶統(tǒng)經(jīng)歷了多期古巖溶作用，形成了大量的縫洞儲(chǔ)集體，其中海西早期古巖溶發(fā)育階段是目前規(guī)?？p洞儲(chǔ)集體形成的重要時(shí)期。

圖1 塔里木盆地塔河油田研究區(qū)位置示意

圖2 塔里木盆地塔河油田研究區(qū)南北向地質(zhì)剖面

2 樣品采集與測(cè)試分析

研究區(qū)A井和B井(圖1)在鷹山組上段下亞段鉆遇巨晶方解石充填的洞穴，并取得了巖心資料。A井揭示了一個(gè)高度大于6.81 m的被巨晶方解石充填的巖溶洞穴(6 100～6 106.81 m)，溶洞頂部沒有揭示，且在6 115.13～6 168.24 m累計(jì)漏失泥漿1 476.05 m3；洞穴巨晶方解石內(nèi)部和洞穴底部灰?guī)r中存在構(gòu)造裂縫(圖4a-c)，縫面見稠油。B井則揭示了被巨晶方解石充填的洞穴33 cm(6 284.52～6 284.85 m，斜深)，但未揭示洞穴的底部，取心過程中在6 285.17～6 286.2 m井段出現(xiàn)鉆具放空、水侵、溢流現(xiàn)象，造成取心率較低；該洞穴頂部灰?guī)r發(fā)育方解石充填的構(gòu)造裂縫(圖4d)，洞穴巨晶方解石內(nèi)部也存在縫面被稠油侵染的構(gòu)造裂縫(圖4e-f)。

本次研究針對(duì)洞穴巨晶方解石、洞頂和洞底的構(gòu)造裂縫方解石及圍巖，選送了碳氧同位素、鍶同位素、稀土元素和陰極發(fā)光測(cè)試樣品。碳氧同位素由國土資源部同位素地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，分析儀器為MAT253 EM質(zhì)譜儀，分析方法為磷酸鹽法；鍶同位素和稀土元素由核工業(yè)地質(zhì)分析測(cè)試研究中心測(cè)試，鍶同位素采用陽離子樹脂交換法分離和純化、利用PHOENIX熱電離質(zhì)譜儀進(jìn)行分析測(cè)試；稀土元素采用等離子體質(zhì)譜分析方法，分析儀器為ELEMENT XR等離子體質(zhì)譜分析儀。陰極發(fā)光由中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)微觀烴類檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，儀器為RELITRON Ⅲ，電流0.6～0.85 mA，電壓9～10 kV。

圖3 塔里木盆地塔河油田A井區(qū)振幅變化率與精細(xì)相干疊合圖及過A井地震剖面(b)

圖4 塔里木盆地塔河油田A井和B井巖心特征

3 儲(chǔ)層成因機(jī)理探討

3.1 碳氧同位素特征

從表1和圖5a可以看出，構(gòu)造裂縫和洞穴方解石樣品的δ13CPDB介于-0.4‰～-2.4‰之間，均值-1.49‰；δ18OPDB介于-13.8‰～-16.2‰之間，均值-14.74‰，兩者與塔河地區(qū)中下奧陶統(tǒng)灰?guī)r背景值相比，均明顯偏負(fù)。圖5中灰?guī)r背景值參考了前人公開發(fā)表的碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)[11]和鍶同位素?cái)?shù)據(jù)[12]。同時(shí)，圖5a中δ18O不變而δ13C可變的趨勢(shì)較為明顯，為大氣水方解石線[13]，表明脫氣作用是造成方解石沉淀的主要因素。B井構(gòu)造裂縫方解石δ13C值較高，并非水巖反應(yīng)強(qiáng)烈所致，而是因?yàn)榭焖倜摎?，?7Sr/86Sr比值較高也證實(shí)了這個(gè)認(rèn)識(shí)。前人公開發(fā)表的碳氧同位素中表層洞穴巨晶方解石δ18O明顯富集[4]，說明蒸發(fā)作用增強(qiáng)，表層風(fēng)化殼與內(nèi)幕洞穴巨晶方解石的沉淀機(jī)理存在差異。

晚泥盆世東河塘組沉積時(shí)期，在A井區(qū)存在發(fā)育大氣淡水—海水的混合水巖溶的地質(zhì)條件，但在此環(huán)境中沉淀的方解石δ18O會(huì)明顯富集，偏離大氣水方解石線[13]。因此，這兩口井的洞穴巨晶方解石及構(gòu)造裂縫方解石是在大氣淡水環(huán)境中形成的。

3.2 鍶同位素組成特征

在一個(gè)特定時(shí)期，海水中87Sr/86Sr比值由幔源鍶、殼源鍶和重溶鍶在海水中所占的比重決定[14]。從表1和圖5b可以看出，構(gòu)造裂縫和洞穴方解石的87Sr/86Sr比值介于0.709 622～0.709 968之間，遠(yuǎn)高于中下奧陶統(tǒng)泥晶灰?guī)r背景值[12]。晚泥盆世—早石炭世全球海水鍶同位素比值為0.707 8～0.708 4[15]，表明這些縫洞方解石的87Sr/86Sr比值明顯受到殼源鍶的影響，形成于海西早期古巖溶時(shí)期的可能性較大[12]。構(gòu)造裂縫和洞穴方解石的87Sr/86Sr比值變化范圍較窄，B井略高于A井，表明流體的水巖反應(yīng)程度相對(duì)穩(wěn)定。

表1 塔里木盆地塔河油田測(cè)試樣品碳、氧、鍶同位素組成

圖5 塔里木盆地塔河油田測(cè)試樣品碳、氧、鍶同位素關(guān)系

3.3 稀土元素組成特征

表2為樣品測(cè)試的稀土元素?cái)?shù)據(jù)，由于A井的云質(zhì)灰?guī)r受后期成巖作用的影響較大，碳氧同位素、鍶同位素均有反映，因此增加了TP28井3個(gè)泥晶灰?guī)r的稀土元素?cái)?shù)據(jù)作為背景值。該井與A井、B井的稀土元素樣品在同一家測(cè)試單位測(cè)試，測(cè)試儀器也相同。圖6是稀土元素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的配分模式[16]。所有樣品的稀土元素配分模式均具有LREE富集、HREE虧損的特征，溶液遷移過程中重稀土元素的遷移能力高于輕稀土元素，造成方解石和灰?guī)r形成過程中優(yōu)先富集LREE。洞穴、構(gòu)造裂縫方解石的∑REE與背景值相比，A井和B井各有1個(gè)洞穴方解石樣品明顯高于背景值，A井其余洞穴方解石略低于背景值，A井和B井的構(gòu)造裂縫方解石與背景值近似，反映出方解石形成過程中流體性質(zhì)存在明顯差異。各類樣品中Ce無正異常，而Eu具有輕微負(fù)異常，由于熱液產(chǎn)物或還原環(huán)境下常出現(xiàn)Eu正異常[17]，反映出構(gòu)造裂縫和洞穴方解石膠結(jié)物形成于弱氧化環(huán)境。

表2 塔里木盆地塔河油田測(cè)試樣品稀土元素組成

圖6 塔里木盆地塔河油田測(cè)試樣品方解石稀土元素配分模式

3.4 陰極發(fā)光特征

碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光主要受礦物中Fe、Mn含量和Mn/Fe比值的控制，Mn2+通常作為激活劑，而Fe2+通常為猝滅劑。隨著礦物中Fe、Mn含量和Mn/Fe比值的變化，碳酸鹽礦物在陰極射線下呈現(xiàn)出不同的顏色。根據(jù)前人[18]研究成果，方解石膠結(jié)物在接近補(bǔ)給區(qū)時(shí)不發(fā)光，進(jìn)入承壓水層，Eh迅速降低，在過渡帶內(nèi)光亮發(fā)光的方解石膠結(jié)物形成，昏暗發(fā)光的方解石膠結(jié)物應(yīng)在更遠(yuǎn)處的還原孔隙水中沉淀。

B井構(gòu)造裂縫和洞穴巨晶方解石均發(fā)橘黃色光(圖7a-b)，表明流體性質(zhì)、Eh相對(duì)穩(wěn)定，處于弱氧化環(huán)境；而A井洞穴巨晶方解石發(fā)暗棕色光和橘黃色光(圖7c-d)，構(gòu)造裂縫發(fā)暗棕色光、暗橘黃色光和亮黃色光(圖7e)，表明Eh多變，處于弱氧化—弱還原沉積環(huán)境。

3.5 儲(chǔ)層成因機(jī)理探討

海西早期古巖溶時(shí)期，塔河油田中下奧陶統(tǒng)在上奧陶統(tǒng)剝蝕區(qū)發(fā)育3個(gè)巖溶旋回[19]，形成3套洞穴層，但多數(shù)大型洞穴主要發(fā)育在中下奧陶統(tǒng)頂面之下150 m范圍內(nèi)，巖溶緩坡最為發(fā)育，巖溶盆地內(nèi)主要沿?cái)嗔褞Оl(fā)育。而A井發(fā)育的洞穴距中奧陶統(tǒng)頂面262 m，B井為245 m，兩者都處于上奧陶統(tǒng)良里塔格組覆蓋區(qū)，在海西早期巖溶地貌中處于巖溶盆地的邊緣。有學(xué)者用順層(承壓)深潛流巖溶模式解釋上奧陶統(tǒng)覆蓋區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂部洞穴的成因[20]，也有學(xué)者認(rèn)為鷹山組深層縫洞儲(chǔ)集體主要受控于上部潛流巖溶帶形成的巖溶管道[9]。由于A井區(qū)發(fā)育在鷹山組上段下亞段內(nèi)的洞穴距中下奧陶統(tǒng)頂面距離較大，且處于巖溶盆地，更符合深部緩流帶模式。深部緩流帶承壓、水流緩慢流動(dòng)[21]，基本不受泄水基準(zhǔn)面控制，可以發(fā)育到很深的部位，水體受蒸發(fā)作用的影響較弱，方解石膠結(jié)物易形成大氣淡水方解石線。因此，研究區(qū)鷹山組上段下亞段發(fā)育的巖溶縫洞儲(chǔ)集體形成于海西早期大氣淡水深部緩流帶環(huán)境中，沒有熱液溶蝕和混合水巖溶的貢獻(xiàn)。研究區(qū)內(nèi)洞穴氧化還原環(huán)境和流體來源存在差異，A井的洞穴為弱氧化—弱還原環(huán)境，B井的洞穴為弱氧化環(huán)境，后者離補(bǔ)給區(qū)的距離更近。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)鷹山組上段下亞段縫洞儲(chǔ)集體距中奧陶統(tǒng)頂面的距離超過250 m，在主干斷裂帶之間發(fā)育，呈層狀、蜂窩狀分布，與中下奧陶統(tǒng)頂部的風(fēng)化殼縫洞儲(chǔ)集體存在明顯差異。

(2)研究區(qū)洞穴巨晶方解石和構(gòu)造裂縫方解石的碳氧同位素低于背景值，存在大氣水方解石線；鍶同位素遠(yuǎn)高于背景值，明顯受殼源鍶的影響；稀土元素?zé)oCe和Eu正異常，反映出無熱液流體的參與；陰極發(fā)光則反映出A井和B井的補(bǔ)給區(qū)不同，洞穴氧化還原環(huán)境存在差異。

(3)根據(jù)方解石膠結(jié)物的地球化學(xué)特征，以及研究區(qū)所處的古巖溶背景，認(rèn)為該區(qū)鷹山組上段下亞段的縫洞儲(chǔ)集體主要形成于海西早期大氣淡水深部緩流帶環(huán)境。

圖7 塔里木盆地塔河油田構(gòu)造裂縫和洞穴方解石陰極發(fā)光特征