塔里木盆地東部寒武系白云巖儲層及相控特征①

邵龍義 韓俊 馬鋒 劉永福 許懷先 鄔光輝 吉叢偉

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院北京100083;

2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開發研究院烏魯木齊830011; 3.中國石油勘探開發研究院北京100083;4.中國石油塔里木油田分公司勘探開發研究院新疆庫爾勒841000)

塔里木盆地東部寒武系白云巖儲層及相控特征①

邵龍義1韓俊2馬鋒3劉永福4許懷先3鄔光輝3吉叢偉1

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院北京100083;

2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開發研究院烏魯木齊830011; 3.中國石油勘探開發研究院北京100083;4.中國石油塔里木油田分公司勘探開發研究院新疆庫爾勒841000)

根據鉆井巖心、薄片、物性等數據資料,對塔里木盆地東部寒武系白云巖儲層特征進行分析,并探討沉積相對儲層形成的控制作用。塔東地區寒武系白云巖可分為交代白云巖及縫洞充填型白云巖兩大類型,交代白云巖又可分為泥粉晶白云巖、細—中晶白云巖、粗晶白云巖以及角礫狀白云巖等次級類型。白云巖的儲集空間主要以晶間孔隙、溶蝕孔隙、縫合線孔隙和裂縫為主,裂縫起到了連通孔隙的作用,儲集空間組合類型以裂縫—孔洞型為主。研究表明:交代白云巖具有明顯的相控特點,東側的英東—羅西一帶的交代白云巖主要發育在內緩坡背景的臺地邊緣淺灘、開闊臺地及潮坪相帶,而在西側的古城4井一帶的交代白云巖以角礫狀白云巖為主,發育于環邊陸棚的礁前斜坡帶。白云巖儲層發育除受后期成巖作用(白云化作用、膠結作用、溶蝕作用)和斷裂等因素影響外,主要受早期沉積相帶的控制,內緩坡是儲層發育的有利部位。

塔里木盆地東部寒武系白云巖儲層相控特征

0 引言

碳酸鹽巖廣泛分布于各地質時代,約占沉積巖總面積的20%[1],世界上有大約三分之一的油氣資源賦存在碳酸鹽巖中,其中又有一半是在白云巖中[2,3]。白云巖中的各種次生孔隙被認為是潛在的油氣儲集空間[4～7]。塔里木盆地廣泛發育著下古生界碳酸鹽巖,其中寒武系和奧陶系中白云巖的厚度達1 600余米,且遍布盆地大部分地區,近年來的油氣勘探證明,下古生界白云巖儲層是目前該盆地深層最重要的勘探領域之一[8～10]。正因為如此,許多專家學者對白云巖巖石學特征、白云化機理、儲集性及油氣勘探潛力等進行了系列研究[11～14],但以前的研究多集中在塔北雅克拉、巴楚和塔中這幾個已發現下古生界白云巖油氣藏的地區,對于具有油氣遠景的塔里木盆地東部地區的寒武系白云巖研究相對較少[15～17]。目前塔東地區有古城4井、古城2井、英東2井、米蘭1井、羅西1井、塔東1、塔東2井等多口鉆井鉆遇寒武系白云巖,部分鉆井如塔東2井、古城4井、英東2井還見良好顯示,羅西1、米蘭1、古城2在寒武系白云巖中見瀝青,說明塔東白云巖具有良好勘探潛力。本文以這些鉆井的巖心、薄片等資料為基礎,對塔東寒武系白云巖儲層和相控特征進行分析。

1 區域地質背景

塔東地區位于塔里木盆地東部,西北方向為滿加爾凹陷,東南方向為塔南隆起,東北方向為英吉蘇凹陷—羅西坡折,西南方向上為古城鼻隆,近似呈一個北東南西向展布的條帶狀低凸起。在區域構造上,塔東地區主要受車爾臣大斷裂、孔雀河兩條邊界大斷層的控制(圖1)。中央隆起在區內可進一步劃分為古城鼻隆和塔東低凸起兩個次一級構造單元[18]。

塔東地區經歷了加里東、海西、印支、燕山和喜馬拉雅等多期構造活動的改造,總體表現為早古生代拉張裂陷、晚古生代抬升剝蝕、中新生代穩定沉降的特征,沉積時限達800 Ma[18,8]。塔東寒武系自下而上分為下寒武統西大山組—西山布拉克組、中寒武統莫合爾山組以及上寒武統突爾沙克塔格群中下部(圖2)。從鉆井揭示巖性來看,下寒武統西大山組—西山布拉克組主要為泥巖和硅質巖為主,夾少量石灰巖和白云巖,硅質巖和泥巖中見大量分散狀黃鐵礦晶體和豆狀黃鐵礦結核;中寒武統莫合爾山組總體上碳酸鹽巖增多,泥巖相對減少,說明相對下寒武統來說水體變淺,除英東2井仍以泥巖為主外,其他井多以碳酸鹽特別是石灰巖為主;上寒武統突爾沙克塔格群中下部是研究區主要的白云巖分布層位,主要以白云巖和石灰巖為主,夾少量泥巖,鏡下可見硅化殘余鮞粒和圓環狀排列的白云石,疊層石及藻紋層常見。總的來看,從下寒武統到中、上寒武統,白云巖含量比例呈逐漸增大的趨勢,而泥質灰巖及泥巖的比例則逐漸降低,白云化程度逐漸增加的趨勢明顯。

圖1 塔東地區位置及主要構造單元圖Fig.1 The map showing borehole locations and the main tectonic elements of the eastern Tarim Basin

2 白云巖儲集層特征

2.1 巖石學特征

塔東地區寒武系埋藏深,分布廣泛,厚度較大,由于時代較老,經歷沉積后成巖改造作用強烈,所以其巖石類型復雜多樣。通過巖心觀察和巖石薄片鑒定,可將研究區白云巖劃分為交代白云巖及縫洞充填型白云巖兩大類型,交代白云巖又可分為泥粉晶白云巖、細—中晶白云巖、粗晶白云巖以及角礫狀白云巖等次級類型(表1)。

(1)泥—粉晶白云巖

泥—粉晶白云巖白云石晶體小于0.063 mm,粉晶白云石是泥晶白云石經受重結晶作用而形成的,白云石晶體多呈半自形—它形等粒狀、鑲嵌狀結構,陸源泥質含量較高。這類白云巖中常常見到交代殘余的藻紋層以及少量的海綿骨針,有時還見到由暗色藻紋層和亮色微晶白云石相間構成的雙粘土層構造以及粒序層理,部分樣品中還見到可疑的石膏假晶,在英東2井莫合爾山組(井深4 801 m)的粉晶白云巖中還見到糞球粒殘余。藻紋層構造與潮汐環境密切相關,雙粘土層指示潮間帶的潮汐作用,粒序層理一般是潮上風暴潮形成,糞球粒指示潮下淺水環境,因此這類白云巖的原巖形成環境以潮間或潮上為主,偶爾亦有淺水潮下環境,主要分布在英東2井和米蘭1井的上寒武統。這類白云巖的δ13C和δ18O值變化大,δ13C值基本都偏正(0～2.5‰),δ18O值偏負,在-2‰～-8‰變化[15]。塔東地區寒武系泥—粉晶白云巖的地球化學特征和巖石學特征反映出其早期滲透回流交代云化作用成因[17]。

表1 塔里木盆地東部寒武系白云巖主要巖石類型Table 1 Ma i n types of dolom ites in the Cambrian of the eastern Tari m Basi n

圖2 塔東地區英東2井沉積相柱狀圖Fig.2 Columnar section showing stratigraphy and facies of the Cambrian in the eastern Tarim Basin

(2)細—中晶白云巖

細—中晶白云巖晶粒大小范圍為0.063～0.5 mm,多為自形—半自形,具粒狀鑲嵌結構,泥質含量較少,晶體較為污濁,單偏光鏡下常呈淡黃色或褐黃色,常見霧心亮邊白云石,并伴有黃鐵礦晶體。這類白云巖亦常見殘余的原生結構,如含有鈣質或硅化的生物化石、硅化的鮞粒等。含鮞粒殘余白云巖一般為中晶白云巖,呈現出兩種形態,一種為單一的鮞粒殘余(圖3E),另一種是中細晶白云石呈圓環狀排列而表現出的鮞粒結構(圖3F)。含鮞粒殘余中細晶白云巖的沉積相帶應為臺地邊緣鮞粒灘高能相帶。主要分布在米蘭1井的上寒武統,在英東2井和羅西1井的上寒武統亦有分布。這類白云巖在δ13C在-1.5‰～+1.5‰變化,而δ18O值偏負,在-7‰～-10‰變化,反映出埋藏期變鹽度孔隙水的作用及其他來源的超鹽度流體密切相關埋藏云化作用,并疊加有高溫熱液交代作用成因[17]。

(3)粗—巨晶白云巖

粗—巨晶白云巖晶粒大小為>0.5 mm,白云石自形程度較高,主要由自形的白云石菱面體及粗晶白云石組成粒狀鑲嵌結構。白云石表面亦顯污濁,常見馬鞍形白云石(圖3C),個別粗晶白云巖中(米蘭1井5 524 m深度)見到交錯層理,代表灘相沉積。這類白云巖的δ13C和δ18O值與細—中晶白云巖相似,亦反映出這類白云巖的埋藏云化及熱液云化作用成因[17]。

(4)角礫狀白云巖

圖3 不同類型的白云巖的結構和構造特征A.粉晶白云巖,見細晶云巖充填縫,米蘭1井,5 298.38 m;B.粉細晶白云巖,見殘余雙粘土層構造及示頂底構造,米蘭1井,5 523.15 m; C.粗晶白云巖,有機質充填晶間孔,見馬鞍形白云石,米蘭1井,5 524.36 m;D.具疊層石構造的泥粉晶白云巖,水平狀藻紋層發育,米蘭1井,5 435.79 m;E.具鮞粒殘余的白云巖,英東2井,4 800.71 m;F.圓環狀排列的白云石,為含鮞粒殘余粗晶白云巖,米蘭1井,5 255. 36 m;G.角礫狀白云巖,中—粗晶,瀝青充填,古城4井,6 504.94 m;H.泥晶灰巖,見有機質充填縫與粉晶白云石充填縫,米蘭1井,5 658.22 m;I.細晶白云巖中的粗晶白云石充填縫,米蘭1井,5 325.02 mFig.3 Photomicrographs showing textures and structures of different types of dolomites

角礫狀白云巖在古城4井上寒武統的白云巖為代表,淺色的白云質角礫大小在0.5～1.0 cm,棱角明顯,角礫之間充填充填大小約2～5 mm的固體瀝青斑塊,顯微鏡下觀察發現角礫中的白云石晶體大小一般在0.2～0.6 mm之間,溶蝕孔隙發育,角礫間及溶蝕空隙中充填有固體瀝青及燧石。該類白云巖發育于礁前斜坡帶,由垮塌角礫石灰巖經過白云化作用形成(圖3G及圖4 I)。這類白云巖在δ13C在-0.4左右,而δ18O值明顯偏負,在-14‰～-9‰變化[15],反映出熱液交代云化作用成因。

(5)縫洞充填型白云巖

裂縫或晶洞內的白云石為粉晶白云石(圖3H)、細—中晶白云石(圖3A)和粗—巨晶白云石(圖3 I)都可見到。白云石較干凈,白云石充填的裂縫常與縫合線、硅質充填的裂縫相互切割。在米蘭1井、英東2井和羅西1井均有分布。晶洞內充填的白云石為后期熱液充填裂縫化學沉淀所形成,晶體粗大,多為粗晶和巨晶白云石,馬鞍形白云石常見。在英東2井上寒武統12筒巖心中最為常見。縫洞充填型白云巖以δ13C值偏正、δ18O值明顯偏負(-10‰～-13‰)為特征,與Boni等[19]描述的熱液白云石具有相似的同位素組成特征,反映出該類白云石的構造熱液沉淀成因。

2.2 儲集空間類型

孔隙類型分類的一個基本的原則是孔隙的成因。Choquette和Pray[20]把碳酸鹽巖孔隙分類分為原生孔隙和次生孔隙兩大類。通過巖心觀察、巖石薄片鑒定發現,研究區白云巖儲集空間組合類型以裂縫—孔洞型為主,發育的孔隙主要以次生孔隙為主,基本見不到原生孔隙。發育的次生孔隙類型主要有:晶間孔、晶間溶孔、晶內溶孔、角礫孔和礫間溶孔及縫合線孔隙。未充填的裂縫不僅可以提供儲集空間,而且可以起到連通白云巖各種孔隙的的作用,這對有效白云巖儲層的形成至關重要。各類白云巖發育的孔隙類型如圖4所示。

晶間孔隙是指白云石晶體之間的孔隙,即在白云石含量高、呈晶體支撐狀態時晶體間未被灰泥和膠結物充填的部分。晶間孔隙是一種組構選擇性孔隙,其大小和形態嚴格受到白云石晶體大小、形態與排列方式的制約[21]。本區白云巖中具有儲集意義的晶間孔發育于中晶以上的白云巖中,主要分布于中晶白云巖(圖4H)、細晶白云巖(圖4B)、含鮞粒殘余白云巖(圖4D)和粗晶白云巖(圖4F)中。研究區的晶間孔隙往往與裂縫相伴生,是重要的有效儲集孔隙之一。

溶蝕孔隙是由溶蝕作用形成的孔隙,無組構選擇性。其大小和形態不受原巖組分控制,可大可小。其邊界多呈港灣狀,常可切割原巖組構。溶蝕孔隙按照溶蝕部分的位置又可分為晶間溶蝕孔隙和晶內溶蝕孔隙。本區白云巖中的溶蝕孔隙以晶間溶孔(圖4C)為主,含少量的晶內溶蝕孔隙(圖4 I),主要分布于中晶云巖和粗晶云巖中,常常與將晶間孔相伴生。溶蝕孔隙的儲層性往往不如晶間孔隙,因而其孔隙的連通性不如晶間孔,缺乏足夠的裂縫和縫合線連通孔隙。

圖4 塔里木盆地東部寒武紀不同類型的白云巖A.粉晶白云巖,見半充填裂縫切割有機質充填縫,英東2井,4 425.37 m;B.細晶白云巖,晶間孔發育,裂縫連接晶間孔,米蘭1井,5 356.4 m;C.中晶白云巖,見晶內溶蝕孔隙和未充填裂縫,米蘭1井,5 357.45 m;D.粗晶云巖,半充填縫連接晶間孔,米蘭1井,4 587.71 m;E.粗晶白云巖,未充填縫切割白云石,米蘭1井,5 524.5 m;F.粗晶白云巖,見晶間孔,米蘭1井,5 524.5 m;G.泥粉晶白云巖,發育晶間孔及未充填裂縫,米蘭1井,5 252.49 m;H.中晶云巖,發育晶間孔,米蘭1井,5 325.24 m;I.角礫狀白云巖,見燧石膠結物,晶間縫、瀝青收縮縫發育,見少量晶間溶孔,古城4井,6 503.86 m。Fig.4 Photomicrographs showing different types of dolomites in the Cambrian of the eastern Tar im Basin

角礫孔隙及礫間溶孔主要出現在本區的古城地區,見于古城4井上寒武統。此類孔隙的形成是兩種作用疊加的結果:一是礁前斜坡垮塌角礫化作用形成角礫間孔,二是在此基礎上又發生溶蝕作用,進一步形成礫間溶蝕孔隙。礫間溶孔是在角礫孔的基礎上經后期溶蝕擴大而形成的[21],其邊界常呈渾圓狀或港灣狀,溶蝕痕跡明顯,孔隙大小介于1～50 mm,孔隙壁瀝青充填較多(圖4 I)。在角礫孔及礫間溶孔發育段,巖石不僅具有孔隙大、孔隙度較高的特點,而且孔隙的連通性良好,因而構成了一種優質的白云巖儲集層。

縫合線孔隙在本區白云巖中相當常見,鏡下觀察主要分布在泥粉晶白云巖(圖4A和圖4G)、細晶白云巖(圖4B)及粗晶白云巖(圖4E)。縫合線的寬度一般0.1～1 mm,其內除充填有白云石外,還常有有機質充填,說明這些縫合線不僅是白云化流體的運移通道,也是烴類運移的通道和儲集空間。此外,縫合線可使巖石滲透率有明顯改善作用。根據對英東2井上寒武統巖心觀察和物性統計表明,孔滲特征較好的層段往往縫合線發育,發育密度2～5條/10cm,而孔滲特征較差的層段縫合線少見,發育密度很小。

裂縫在白云巖儲層形成的作用主要體現在以下兩方面:一是裂縫的發育有利于白云化作用尤其是后生白云化作用的進行。裂縫不僅能夠提供后期白云化流體運移的通道,而且裂縫愈發育,白云化作用對原巖的改造愈徹底,這有利于形成大規模的白云化儲層;二是裂縫可以起到連通各種次生孔隙的作用。

圖5 塔東羅西地區寒武系沉積模式圖Fig.5 Depositionalmodel of the Cambrian in the Luoxi area

3 白云巖儲層發育的相控特征分析

從巖性組合與沉積特征來看,本區寒武系交代白云巖的發育具有明顯的相控特點,塔東羅西地區寒武系主要為盆地—緩坡沉積相帶,交代白云巖主要發育在內緩坡背景的臺地邊緣淺灘、開闊臺地及潮坪相帶(圖5),塔東1和塔東2深水盆地相帶寒武系多以泥晶灰巖和泥巖為主,白云巖很少見;英東2、米蘭1和羅西1井緩坡相帶寒武系白云巖發育,粉晶—粗巨晶均有分布;而在西側的古城4井一帶寒武系主要為盆地—斜坡沉積相帶,交代白云巖以角礫狀白云巖為主,發育于環邊陸棚的礁前斜坡帶(圖6),白云石主要為含顆粒殘余的粗晶云巖且多為瀝青浸染。

縱向上白云巖的分布與沉積演化的關系密切,隨著寒武系水體逐漸變淺(圖5和6),沉積相帶逐漸由深水盆地相帶、斜坡相帶向高能淺灘和生物礁相帶轉化,碳酸鹽巖的含量也隨之增多,這充分說明塔東碳酸鹽巖尤其是白云巖的宏觀分布具有明顯的相控特點。

白云巖儲層發育的影響因素較多,關系復雜。本區白云巖儲層的發育除受后期成巖作用(白云化作用、膠結作用、溶蝕作用)和斷裂等因素影響外,其交代成因的基體白云巖儲層主要受早期沉積相帶的控制。白云巖儲層主要發育在碳酸鹽臺內顆粒灘和臺緣高能相帶(圖7)。沉積相對碳酸鹽巖的形成、分布以及儲層物性都有明顯的控制作用。白云化流體最容易進入孔滲較好的高能相帶的石灰巖,因而白云化后表現出白云巖分布的相控特點。

圖6 古城坡折帶附近寒武系沉積模式圖Fig.6 Depositionalmodel of the Cambrian in the Gucheng Slope Break area

圖7 塔東地區寒武系巖性與沉積相對比圖Fig.7 The Tadong 2(west)—Luoxi 1(east)cross section showing the variation in lithology and sedimentary facies of the Cambrain

4 結論

(1)按照晶體結構、特殊的構造和成分以及白云巖的賦存狀態,可將塔東地區寒武系白云巖類分為交代白云巖、縫洞充填型白云巖兩大類,交代白云巖按晶體大小可分為泥粉—晶白云巖、細—中晶白云巖、粗—巨晶白云巖以及角礫狀白云巖等次級類型。

(2)白云巖的儲集空間主要以晶間孔隙、溶蝕孔隙和縫合線孔隙和裂縫為主,裂縫起到了連通孔隙的作用,儲集空間組合類型以裂縫—孔洞型為主。受埋藏云化作用交代成因的細—粗晶白云巖儲層物性最好。

(3)塔東地區寒武系白云巖發育具有明顯的相控特征,羅西1、米蘭1井、英東2井一帶白云巖主要發育于緩坡背景的內緩坡淺灘相帶,而古城4井的白云巖發育于環邊礁臺地背景的礁前斜坡相帶。

(4)區內白云巖儲層發育除受原始沉積相帶控制外,還受到后期成巖作用(白云化作用、膠結作用、溶蝕作用)和斷裂等因素影響,原始的沉積相帶是白云巖儲層發育的基礎條件,有利的后期溶蝕作用和白云化作用為優質儲層的形成提供了保證。構造斷裂的存在控制了流體的運移和隨后的相關的成巖作用過程以及產生了有利的裂縫系統。

致謝中國石油勘探開發研究院塔里木分院對本文野外工作及資料收集工作給予支持,中國礦業大學張鵬飛教授和劉煥杰教授審閱了初稿,在此一并致謝。

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Characteristics of the Cambrian Dolom ite Reservoirs and Their Facies-Controlling in Eastern Tari m Basin

SHAO Long-yi1HAN Jun2MA Feng3L IU Yong-fu4XU Huai-xian3WU Guang-hui3J ICong-wei1
(1.College of Geoscience and Surveying Engineering,China Un iversity ofM ining and Technology,Beijing100083; 2.Northwest Petroleum Company,SINOPEC,Urumuqi 830011; 3.Research Institute of Petroleum Exploration&Development,PetroChina,Beijing 100083; 4.Research Institute of Petroleum Exploration&Development,PetroChina Tar im O ilfeild Company,Korle,Xingjiang 841000)

Based on data from core samples,thin section,and physical property,we have investigated petrological characteristics and reservoir properties of dolomite reserviors in the Cambrian of the eastern Tarim Basin.The dolomites in eastern Tari m basin can be subdivided into two categories,replacement dolomite and crack-cavity-filled dolomite.The replacement dolomite can be further subdivided into mud-silt-sized dolomite,fine and midium crystal dolomite,coarse crystal dolomite,and breccia dolomite.The reservoir space in dolomites is predominated by inter-crystal pore,dissolved pore,stylolite pore and cracks and fractures.Cracks and fracturesmainly play the role of connecting the pores.The most common reservoir space is mainly the overlapped complex of cracks and cavities.The replacement dolomites show an obvious facies-controlled feature,with the dolomite of the Yingdong-Luoxi region being developed in the marginal shoal,and tidal flat facies belts of the inner ramp setting,and the dolomite in the vicinity of Well Gucheng 4 being developed in the fore-reef slope facies belt of the rimmed shelf setting.Thin section identification and geochemical analysis indicate that the genesis of dolomite in the study area includes the seepage-reflux,burial,and hydrother mal dolomitization.The distribution of the dolomite reservoirswere controlled by the sedimentary facies,diagenesis(dolomitization,cementation,disolution),and fractures.Higher quality reservoirs are those shaolfacies dolomite overprinted with interaction of seepage-reflux dolomitization,burial dolomitization and/or hydrothermal dolomitization.

eastern Tarim Basin;Cambrian;dolomite reservoir;facies-controlling features

book=5,ebook=277

邵龍義男1964年出生沉積學和煤田地質學E-mail:shaol@cumtb.edu.cn

P588.24+5

A

1000-0550(2010)05-0953-09

①國家油氣重大專項(編號:2009ZX0509009-002)及中國石油勘探開發研究院“塔里木盆地寒武系白云巖儲層特征與主控因素研究”項目資助。

2010-05-20;收修改稿日期:2010-06-20