塔里木盆地寒武系與蒸發巖相關的白云巖儲層特征及主控因素①

鄭劍鋒 沈安江 劉永福 陳永權

(1.中國石油杭州地質研究院 杭州 310023;2.中國石油集團碳酸鹽巖儲層重點實驗室 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

塔里木盆地寒武紀地層廣泛發育白云巖，白云巖領域是未來勘探的重要接替領域。全球大油氣田統計表明，有蒸發巖分布的含油氣盆地擁有全世界50%以上的探明儲量。蒸發巖又稱巖鹽，可以和鹽間、鹽下的白云巖儲層構成很好的儲蓋組合［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巖有關，可見蒸發巖的存在意義重大。鉆井和地震揭示塔里木盆地中西臺地區中寒武世地層沉積了巨厚的蒸發巖，其中就發育許多與蒸發巖有關的白云巖儲層。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巖有關的，其最大的區別在于薩布哈白云巖儲層主要發育于潮間—潮上坪，而滲透回流白云巖儲層主要發育于蒸發臺地或潟湖中［2］。從目前公開發表的文獻來看，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］，而對與蒸發巖有關的白云巖儲層的研究卻相對較少，本文系統描述了與蒸發巖有關的薩布哈白云巖儲層和滲透回流白云巖儲層的宏觀、微觀巖石學特征及地球化學特征，并對儲層形成的主控因素及發育規律進行了分析，為該領域的下一步勘探提供依據。

1 區域地質背景

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合盆地，盆地中心為塔克拉瑪干沙漠。塔里木盆地寒武紀主要為蒸發臺地、局限臺地相沉積環境，大規模發育白云巖，其中，中寒武世主要為干旱氣候環境，形成了巴楚—英買力大潟湖(圖1)，并沉積了巨厚的蒸發巖。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生奠定了基礎。本文研究區位于中西臺地的寒武系，地層序列自下而上為下統的玉爾吐斯組、肖爾布拉克組、吾松格爾組，中統的沙依里克組、阿瓦塔格組和上統的丘里塔格組，其中蒸發巖主要發育于中寒武世地層中，早寒武世地層中也少量發育。從和4井實鉆資料來看，蒸發巖的厚度可達360 m(圖2)。目前塔里木盆地中下寒武統鹽間—鹽下白云巖儲層的勘探程度不高，自20世紀90年代中期以來，鉆遇中寒武統蒸發巖層的只有牙哈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 巖石學特征

2.1 薩布哈白云巖儲層

圖1 塔里木盆地中寒武統巖相古地理圖(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造;(3)又由于發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，導致了該類白云巖具有泥質含量高的特征;(4)陰極發光強度弱［17］，以不發光或發暗褐色光為主(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模孔(圖3A，C)和溶塌角礫礫間孔(圖3B，D)，對156個該類儲層物性進行統計，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)格架等結構(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、石鹽等蒸發鹽類礦物充填或半充填的原生孔隙(圖4A—C，G);(5)陰極發光以暗紅色、褐色光為主，由于其形成于蒸發臺地(潟湖)中，發光強度較薩布哈白云巖強(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)或蒸發巖類礦物及未完全白云石化的文石質顆粒受到溶解形成的鑄模孔(圖4C、F)，對76個該類儲層物性進行統計，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的24%。

3 地球化學特征

在不同的成巖環境中，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烙印［18］，利用 C、O、Sr同位素、主量元素、稀土元素等測試數據進行綜合分析，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，元素分析數據和碳、氧同位素數據分別測試于中石油碳酸鹽巖儲層重點實驗室Panalytical Axios XRF和DELTA V型碳、氧同位素質譜儀;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質譜儀和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，具有高泥質含量的特征，為準同生期沉積成因而非后期交代成因的產物。滲透回流白云巖的CaO和MgO百分含量具有線性負相關的趨勢，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含量低的特點。

3.2 稀土元素

一些經歷過成巖作用和變質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行球粒隕石標準化可以看出，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，但泥質的增加會導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為Ce的負異常，但隨著泥質含量的增加，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、氧穩定同位素

白云石的碳、氧穩定同位素組成與引起白云石化的流體介質有關，并主要受到介質鹽度和溫度的影響。海水蒸發作用使海水的碳、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，兩者能很好的區別開來。對比國外全新世蒸發環境中形成的白云巖的碳、氧穩定同位素數據［22］，塔里木盆地的薩布哈白云巖的δ18O要偏負的多，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果，但總體上其變化范圍窄的特征基本不變。

3.4 鍶穩定同位素比值

海水的蒸發作用不會對Sr同位素有較大影響，所以蒸發環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的補充，并且受到高泥質的影響，從而導致了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特征Fig.5 The geochemical features of Cambrian dolomite in Tarim basin

4 測井響應特征

通常利用自然伽馬測井能夠定性解釋沉積相，而中、下寒武統的薩布哈白云巖和滲透回流白云巖的發育主要受沉積相控制，故它們的自然伽馬響應特征是不同的。前文提及薩布哈白云巖儲層具有泥質含量高的特點，故自然伽馬曲線表現為高值;而滲透回流白云巖儲層主要發育在蒸發臺地(或潟湖)中，巖性以顆粒白云巖、礁丘白云巖為主，泥質含量相對較低，故自然伽馬曲線表現為低值，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基礎，而薩布哈環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育成有效儲層的原因。事實上，塔里木盆地寒武—奧陶系泥晶白云巖是非常發育的，但不含石膏的泥晶白云巖是不可能發育成儲層的。

綜上所述，薩布哈白云巖儲層發育的主控因素為: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基礎;②同生期大氣淡水溶蝕作用使石膏溶解形成膏模孔及膏巖層溶解導致白云巖層垮塌形成礫間孔縫。塔里木盆地中下寒武統干旱氣候背景下潮間—潮上帶的膏云坪是有利儲層發育區。

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Adams和Rhodes1961年提出的滲透回流白云石化模式，海水受到蒸發，在潟湖內石膏達到飽和，并沿著潟湖向陸的一側蒸發鹽發生沉淀。盡管潟湖底床向陸一側的邊緣發生蒸發鹽沉淀而封閉，但是高密度鹵水仍能在蒸發巖沉淀作用帶向海一側的潟湖底床向下滲透回流，使原始灰巖發生白云石化［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生白云石化，故臺地(潟湖)—臺緣的礁灘體是儲層發育的優勢相帶。同時在干旱氣候背景下，缺乏亮晶方解石的膠結，但又能經常受大氣淡水淋溶作用的改造，使溶解形成鑄模孔(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模孔;③未完全白云石化的文石質顆粒溶解形成顆粒鑄模孔、粒間溶孔。塔里木盆地中下寒武統干旱氣候背景下，位于臺緣帶后側、蒸發潟湖靠海一側的礁灘體是有利儲層發育區。

6 結論

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巖有關的兩種白云巖儲層，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巖存在聯系。

(1)薩布哈白云巖發育于潮間—潮上坪蒸發環境，巖性上以紋層狀紅褐色含石膏、泥質泥晶，陰極發光不發光或發暗色光為主要特征;地球化學特征上以MgO、CaO的線性正關、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)滲透回流白云巖發育于蒸發臺地(或潟湖)環境，巖性上以灰色的保留原巖顆粒、藻(丘)格架結構的粉晶白云巖為特征，常伴生硬石膏、石鹽等蒸發鹽類礦物及相對較薩布哈白云巖強的陰極發光;地球化學特征上以MgO、CaO的線性負相關、稀土Ce元素負異常、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、垮塌而形成膏模孔及溶塌角礫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顆粒受大氣淡水溶蝕形成鑄模孔、粒間溶孔是滲透回流白云巖儲層的主控因素。

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