臺內微生物丘沉積特征及其對儲層發育的控制
——以塔里木盆地柯坪—巴楚地區下寒武統肖爾布拉克組為例

黃擎宇　胡素云　潘文慶　劉　偉　池英柳　王　坤石書緣　劉　強

1.中國石油勘探開發研究院　2.中國石油塔里木油田公司勘探開發研究院　3.中國石油華北油田公司二連分公司

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臺內微生物丘沉積特征及其對儲層發育的控制
——以塔里木盆地柯坪—巴楚地區下寒武統肖爾布拉克組為例

黃擎宇1胡素云1潘文慶2劉偉1池英柳1王坤1石書緣1劉強3

1.中國石油勘探開發研究院2.中國石油塔里木油田公司勘探開發研究院3.中國石油華北油田公司二連分公司

黃擎宇等.臺內微生物丘沉積特征及其對儲層發育的控制——以塔里木盆地柯坪—巴楚地區下寒武統肖爾布拉克組為例.天然氣工業，2016,36(6):21-29.

摘要塔里木盆地柯坪—巴楚地區下寒武統肖爾布拉克組廣泛發育一套微生物碳酸鹽巖，前人針對該組地層臺緣微生物礁的沉積、儲層特征進行了大量研究，但對臺內微生物丘的研究則較少。為此，在野外剖面實測、巖心觀察、薄片鑒定、陰極發光和物性測試的基礎上，對該組地層臺地內部微生物丘的沉積演化和儲層特征進行了系統分析。結果表明：①臺內微生物丘主要發育在開闊臺地相區，宏觀上呈明顯的丘狀正凸起，自下而上依次發育凝塊石云巖、殘余顆粒粉—細晶云巖→疊層石云巖→泡沫綿層云巖→藍細菌顆粒云巖，構成完整的丘基—丘核—丘蓋沉積組合；②儲層孔隙類型主要有泡沫綿層體腔孔、凝塊間孔、粒間孔、針狀溶孔和順層狀溶蝕孔洞等，儲層質量明顯好于層狀微生物建造；③沉積對微生物丘儲層的發育具有明顯的控制作用。結論認為：臺內微生物丘儲層作為肖爾布拉克組一種重要的儲層類型，對于塔里木盆地寒武系鹽下油氣勘探領域由臺緣向臺內擴展具有重要的意義。

關鍵詞塔里木盆地早寒武世肖爾布拉克期微生物碳酸鹽巖沉積序列臺內微生物丘儲集層勘探區

隨著全球油氣勘探向深部古老層系邁進，微生物碳酸鹽巖儲層越來越受到關注[1-3]。目前已在全球的多個盆地中發現了與微生物碳酸鹽巖有關的油氣田，如我國的四川盆地和渤海灣盆地，巴西的桑托斯盆地、阿曼鹽盆地、濱里海盆地，以及俄羅斯東西伯利亞地區等，展示出良好的油氣勘探前景[4-8]。塔里木盆地下寒武統肖爾布拉克組廣泛發育一套微生物碳酸鹽巖，儲層類型豐富。前人雖然針對該組北部臺緣帶的微生物礁沉積、儲層特征已進行了詳細研究[9-12]，但對臺地內部微生物丘的研究則較少涉及。另外，微生物碳酸鹽巖的沉積序列對于微生物群落類型和微生物結構演化具有重要影響，而這些結構特征又控制其孔隙類型和儲層質量，但目前針對微生物碳酸鹽巖相序結構與儲層發育之間相關關系的研究仍較為薄弱。因此，筆者以塔里木盆地柯坪—巴楚地區下寒武統肖爾布拉克組臺內微生物丘為研究對象，在剖面實測、薄片鑒定、陰極發光觀察和物性測試的基礎上，對其巖石學特征、沉積演化以及儲層特征等進行了研究，重點揭示臺內微生物丘的形成過程及其對儲層發育的控制，以期為塔里木盆地深層寒武系的油氣勘探提供更多的地質依據。

1　地質背景

柯坪—巴楚地區位于塔里木盆地西北部，包括柯坪斷隆和巴楚隆起2個二級構造單元（圖1）。本次研究的野外資料均來自于柯坪隆起區（肖爾布拉克剖面和什艾日克剖面），鉆井資料主要來源于巴楚隆起（包括ST1井、F1井、K2井和H4井等）。該區在寒武紀時同屬“塔西臺地”的一部分，發育一套穩定的淺水碳酸鹽巖沉積，局部夾蒸發巖[13]。寒武系自下而上依次為：下寒武統玉爾吐斯組（?1y）、肖爾布拉克組（?1x）、吾松格爾組（?1w）、中寒武統沙依里克組（?2s）、阿瓦塔格組（?2a）和上寒武統丘里塔格組（?3q）。

圖1　研究區構造分區以及露頭剖面、鉆井位置圖

目的層肖爾布拉克組在露頭區該組可分為上、下兩段（簡稱肖上段和肖下段），分別對應2個三級層序（圖2）。肖下段整體顏色較深，以深灰色—灰色薄層狀泥晶—粉晶云巖為主，上部可見層狀微生物建造；上段整體顏色偏淺，主要由淺灰—灰白色、厚層—塊狀或丘狀微生物云巖、殘余顆粒云巖和粉—細晶云巖構成。肖爾布拉克組臺緣微生物礁主要分布在露頭區西部的蘇蓋特布拉克剖面、昆蓋闊坦剖面和英爾蘇剖面[9,14]，本次研究所涉及的肖爾布拉克剖面、什艾日克剖面以及巴楚地區的鉆井則均屬于臺地內部的微生物丘沉積。

圖2　什艾日克剖面肖爾布拉克組沉積、儲層綜合柱狀圖

2　臺內微生物丘沉積特征

2.1巖石學特征

露頭剖面實測及鏡下薄片鑒定發現，肖爾布拉克組微生物碳酸鹽巖均由白云巖組成，主要發育4種結構類型：凝塊石云巖、疊層石云巖、泡沫綿層云巖和與藍細菌相關的顆粒云巖（圖3）。

2.1.1凝塊石云巖

凝塊石云巖通常呈深灰色或灰色、中—厚層狀產出，局部發育層狀孔洞構造（圖3-a，黃色箭頭），近距離觀察部分凝塊石顯不規則斑狀特征（圖3-a，藍色箭頭）。顯微鏡下，凝塊可分為包殼狀凝塊和斑塊狀凝塊。包殼狀凝塊石通常由泥晶白云石組成的暗色薄層包裹內部的粉晶白云石而成，暗色殼層可見不規則的微生物暗邊包繞（圖3-b，黃色箭頭），指示其成因與微生物有關[10,15]；包殼內的粉晶白云石中可發育晶間溶孔。斑狀凝塊石主要由不規則的鈣化微生物凝塊以及凝塊間的亮晶白云石充填物組成（圖3-c），凝塊部分顏色較深，為泥晶球粒結構，凝塊周圍為泥粉晶白云石沉積物，凝塊間孔洞被后期細—中晶白云石全充填或半充填。凝塊石多發育在潮下帶水體相對較深的環境，臺地內部以及臺緣向海一側的深水環境均可出現。

2.1.2疊層石云巖

疊層石云巖主要呈淺灰、灰白色層狀或微波狀產出（圖3-d）。鏡下觀察疊層石多由明暗相間的紋層組成，其中暗層以泥晶白云石為主，亮層以粉—細晶白云石為主，并黏結大小不等的藻（藍菌）砂屑或球粒（圖3-e，藍色箭頭）。紋層厚度介于0.2～3.0mm，側向上呈連續狀或局部斷續狀展布，部分紋層頂部凹凸不平或波狀起伏（圖3-e，黃色箭頭），可能與微生物活動或水體能量波動有關。疊層石的暗層主要由微生物尤其是席狀藍細菌鈣化形成，而亮層則是微生物捕獲、黏結細粒沉積物或是由后期亮晶白云石膠結而成。該區疊層石在縱向上具有一定韻律性，通常與泡沫綿層云巖或顆粒云巖間互發育，但很少與凝塊石共生，由于現代凝塊石多發育于潮下環境且水深通常大于疊層石[16]。因此，疊層石的出現預示水體變淺，水動力能量開始增高。

2.1.3泡沫綿層云巖

泡沫綿層云巖主要發育在肖上段，剖面上呈淺灰、灰白色厚層或塊狀產出，并具有丘狀的宏觀特征（圖3-f）；近距離觀察該類白云巖也顯示疊層狀構造，但紋層厚度明顯較上述疊層石云巖大（通常超過1～2cm），并發育順層狀溶蝕孔洞，斷面上溶蝕孔呈蜂窩狀。鏡下觀察，該類白云巖主要由泡沫狀藍細菌組成[10]，單個泡沫大小不等，通常介于0.05～0.2mm，個別泡沫體可超過1mm，多為圓形、不規則橢圓形，少量呈長條形出現（圖3-g）。泡沫邊緣多由暗色的泥晶白云石組成，泡沫體腔內為粉—細晶白云石世代膠結，一世代為纖狀白云石，二世代為粒狀白云石，未充填部分則為殘余泡沫綿層體腔孔。該類白云巖多分布在疊層石云巖之上，頂部與砂屑、礫屑云巖共生，表明其形成環境的水動力能量較強。

圖3　柯坪—巴楚地區肖爾布拉克組微生物碳酸鹽巖巖石學特征圖版

2.1.4與藍細菌有關的顆粒云巖

顆粒云巖分布在肖上段頂部，通常呈淺灰、灰白色塊狀產出。鏡下觀察，該類白云巖的顆粒部分主要由砂屑、礫屑、團塊和少量核形石組成（圖3-h），其中砂（礫）屑多為早期形成的微生物巖（如疊層石、泡沫綿層石等）被波浪打碎后再沉積而成，顆粒內部可見明顯的微生物結構；團塊則與藍細菌對砂屑或凝塊的捕獲、黏結有關[17]，少量團塊還具有似核形石結構（圖3-i），但同心紋層厚度極薄且不規則。顆粒間多為亮晶或微亮晶白云石膠結，部分樣品還顯世代膠結特征。大量礫屑及粗砂屑顆粒說明沉積時水體能量高，但這些顆粒分選較差、磨圓一般，指示其搬運距離相對有限。

2.2縱向沉積序列

臺內微生物丘主要發育在肖上段，縱向上具有明顯的分段性，以什艾日克剖面為例，可將其分為丘基、丘核和丘蓋亞相（圖4）。其中丘基位于底部，厚20m左右，構成微生物丘發育的基礎，主要由灰色凝塊石云巖和少量殘余顆粒粉—細晶云巖組成。丘核位于中部，厚度為14m，主要由泡沫綿層云巖組成，泡沫狀藍細菌的鈣化以及早期的亮晶膠結物可起到類似骨架支撐的作用[18]，其底部為疊層石云巖，垂向上構成疊層石云巖與泡沫綿層云巖間互發育的特征。丘蓋位于微生物丘頂部，厚5m，以顆粒云巖為主，顆粒主要來源于已被打碎了的早期形成的微生物巖或丘間的泥晶云巖，部分顆粒還與絲狀微生物的黏結、包殼有關，形成斑狀凝塊石云巖。肖下段主要發育層狀微生物建造，縱向上分異不明顯，且巖石類型單一，以凝塊石云巖為主。

肖上段臺內微生物丘的沉積序列與顯生宙由宏觀造架生物形成的生物礁的縱向演化特征具有一定相似性，只是生物礁的礁核部位多由抗浪的、宏觀的造架生物（如珊瑚、海綿、紅藻等）構成，而研究區微生物丘的丘核部位則是由大量細小的微生物（主要是藍細菌）通過鈣化、黏結以及早期膠結作用而形成支撐格架。另外，結合前人對該層位臺緣微生物礁的研究發現，臺緣和臺內的微生物巖類型也有一定區別（圖4），其中臺緣微生物礁中發育枝狀石云巖[10,14]，而臺內微生物丘則以泡沫綿層云巖為主，說明臺緣部位水體能量更強，有利于呈樹枝狀的表附菌向上生長，而臺地內部的水體能量相對減弱，更適合泡沫狀腎形菌的側向生長。由此可見，水體能量以及海平面變化對碳酸鹽巖的沉積演化具有明顯的控制作用，無論是由大型造架生物構成的生物礁還是由微小藍細菌組成的微生物礁（丘）均是如此。

圖4　肖爾布拉克組上段臺內微生物丘縱向沉積序列及沉積模式圖

2.3橫向展布特征

結合野外露頭、鉆井資料以及前人研究成果，認為柯坪—巴楚地區肖爾布拉克組沉積時主要為弱鑲邊臺地相[19]，其中臺地邊緣主要分布在蘇蓋特布拉克、英爾蘇剖面以及昆蓋闊坦剖面，向東一直延伸到塔北西部，熊益學等[9]稱之為下寒武統北部臺緣帶，該臺緣帶以南的大部分地區則為臺內沉積，由北向南依次發育開闊臺地相、局限臺地相和潮坪相（圖5）。

臺內微生物丘主要發育在開闊臺地相區，宏觀上呈明顯的丘狀正凸起（圖3-f），延伸范圍可達上百米，且多個丘體側向疊置或是橫向連片發育，但相比臺緣帶的微生物礁，臺內微生物丘的隆起幅度并不高，可能與臺內水體能量減弱有關。這套與泡沫綿層結構有關的微生物丘沉積在什艾日克剖面和肖爾布拉克組剖面最為發育，南部的低洼處則過渡一套低能的泥晶云巖或層狀凝塊石云巖；另外，在南部覆蓋區ST1井肖爾布拉克組上部取心段的顆粒云巖中也發現少量具有泡沫綿層結構的粒屑（圖3-h），間接說明該區也發育有泡沫綿層云巖，但規模有限。總體上，臺內微生物丘具有由北向南、由開闊臺地向局限臺地逐漸減少的變化趨勢。

圖5　柯坪—巴楚地區肖爾布拉克組沉積模式圖

3　沉積對微生物丘儲層的控制

野外露頭觀察、鏡下薄片鑒定以及物性分析資料表明，研究區微生物丘儲層的孔隙類型多樣，主要有泡沫綿層體腔孔、殘余粒間孔、凝塊間孔、晶間（溶）孔、針狀溶孔以及溶蝕孔洞等（圖6）。儲層的發育受沉積作用控制明顯，主要體現在下述兩個方面。

3.1沉積序列

該區肖下段和肖上段均發育微生物巖，但其儲層發育程度卻有較大差別：肖下段儲層物性較差，孔隙度分布在0.09%～2.06%、平均為1.78%，滲透率介于0.011～0.566 mD、平均為0.267 mD，儲層厚度介于10～20m；肖上段儲層物性明顯變好，孔隙度介于1.08%～7.80%、平均為3.93%，滲透率介于0.008～2.127 mD、平均為0.489 mD，儲層厚度介于30～40m。造成這些現象的原因主要與微生物巖沉積序列的發育程度有關。

肖上段微生物丘發育凝塊石云巖→殘余顆粒粉—細晶云巖→疊層石云巖→泡沫綿層云巖→顆粒云巖的生長序列，構成完整的丘基—丘核—丘蓋沉積組合，儲層發育程度高、規模大；相比之下，肖下段層狀微生物建造僅出現凝塊石云巖→殘余顆粒粉晶云巖的沉積序列，僅僅相當于肖上段微生物丘的丘基部分，隨后受海侵影響水體加深，潮下低能帶的泥晶云巖覆蓋其上，并未形成完整的微生物丘沉積組合，也制約了儲層的發育程度和規模。

另外，肖上段發育完整的、向上變淺的微生物丘沉積組合，在垂向加積過程中勢必會不同程度的暴露出水面接受大氣淡水溶蝕改造，形成短期沉積間斷面，特別是在古地貌相對較高的部位。該現象在什艾日克剖面以及ST1井表現最為明顯，什艾日克剖面肖上段頂部發育大量因暴露侵蝕、淋濾而形成的凹凸不平的溶溝或溶坑等；鏡下觀察，可見與大氣淡水滲流帶相關的新月型、懸垂型膠結物，以及與潛流帶相關的馬牙狀或刀刃狀等厚環邊膠結物等（圖6-g、h）；陰極發光測試顯示這些膠結物多發中等亮度斑狀紅色光，與發暗色光的基質形成鮮明對比（圖6-i）；物性測試也表明肖上段頂部受大氣淡水改造的巖石往往具有相對較高的滲透性（圖2）。而肖下段層狀微生物建造則屬于一種夭折的向上變淺序列，并未生長到接近海平面的位置。因此受短期暴露溶蝕改造的程度非常有限。

由此可見，發育完整的、向上變淺的沉積序列不僅有利于微生物丘的規模發育，也有助于丘體頂部沉積物（巖）接受準同生期大氣淡水改造，同時這些與微生物丘有關的原始儲集空間的存在，也為后期的埋藏溶蝕提供豐富的物質基礎[20-21]。

3.2沉積相類型

沉積相類型控制微生物結構，而微生物的結構又決定了其儲層孔隙類型及發育程度。研究區什艾日克剖面肖上段微生物丘儲層中，不同亞相中的微生物結構、孔隙類型以及儲層質量也明顯不同（圖7）。

3.2.1丘基

位于潮下低能帶之上，沉積時相對海平面開始下降，但水深仍相對較大、水體能量不強，主要發育包殼狀凝塊石云巖，凝塊間多為泥晶基質填隙，殘余少量凝塊間孔（圖6-a、b），凝塊內則為粉晶白云石充填，孔隙發育程度低，孔隙度介于1.08%～3.01%、平均為2.01%，滲透率介于0.018～0.566 mD、平均為0.236 mD；局部受風暴浪影響形成的殘余顆粒粉—細晶云巖的孔隙度有所升高（圖6-c），孔隙度介于1.92%～4.41%、平均為3.15%，滲透率介于0.036～1.042 mD、平均為0.304 mD（圖7）。

圖6　研究區肖爾布拉克組微生物碳酸鹽巖儲層特征圖

3.2.2丘核

沉積時相對海平面持續下降，在中等或較強動蕩水動力條件下，泡沫狀藍細菌大量生長，藍細菌鈣化后其體腔內及周邊均殘留有大量原生孔隙，并伴生順層狀溶蝕孔洞，雖然后期亮晶白云石不同程度充填，但仍有不少孔隙保存下來（圖6-d～f），其孔隙度介于4.03%～7.80%、平均為5.47%，滲透率介于0.015～2.197 mD、平均為0.849 mD（圖7）。

圖7　研究區不同類型微生物碳酸鹽巖孔隙度、滲透率特征圖

3.2.3 丘蓋

相對海平面進一步下降，水體能量不斷增強，丘體頂部處于浪基面附近，泡沫狀藍細菌已停止生長，早期形成的還未完全固結的微生物云巖被波浪打碎后堆積在丘體頂部或側翼，形成大量具有顆粒結構的巖石，并伴生斑狀凝塊石云巖。（殘余）粒間孔、粒內孔、（殘余）凝塊間孔和針狀溶孔大量發育（圖3-c、圖6-g、h），孔隙度介于3.29%～5.20%、平均為4.27%，滲透率介于0.058～3.627 mD、平均為1.472 mD（圖7）。

總體上，微生物丘儲層的孔隙類型和發育程度亦受微生物結構控制，而微生物結構的差異則與水體能量、沉積環境以及沉積相類型有關。就研究區而言，能量相對較低的丘基主要發育凝塊結構，儲層物性較差；而水體能量較高的丘核和丘蓋中主要發育泡沫綿層結構和顆粒結構，儲層物性好，構成研究區微生物丘儲層的主體。

4　結論

1）肖爾布拉克組臺內微生物丘主要出現在開闊臺地相區，宏觀上呈明顯的丘狀正凸起，縱向上依次發育凝塊石云巖、殘余顆粒粉—細晶云巖→疊層石云巖→泡沫綿層云巖→藍細菌顆粒云巖，構成完整的丘基—丘核—丘蓋沉積組合，其孔隙類型主要有泡沫綿層體腔孔、凝塊間孔、粒間孔、針狀溶孔和順層狀溶蝕孔洞等，孔隙度多介于1.08%～7.80%，滲透率介于0.008～2.127 mD，儲層厚度介于30～40m。

2）沉積對微生物丘儲層的發育具有明顯的控制作用：一方面發育完整的微生物丘沉積序列構成儲層規模發育的基礎，同時也有利于丘體頂部接受短期暴露溶蝕改造，因此，微生物丘的儲層物性明顯好于下伏或相鄰地層中的層狀微生物建造；另一方面，沉積相類型對微生物結構具有明顯控制作用，進而影響儲層發育程度，水體能量較高的丘核和丘蓋中廣泛發育泡沫綿層結構和顆粒結構，構成微生物丘儲層的主體。

3）臺內微生物丘儲層是肖爾布拉克組碳酸鹽巖中一類重要的儲集層類型，加強對微生物丘儲層的研究對于塔里木盆地寒武系鹽下油氣勘探由臺緣向臺內擴展具有重要意義。

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（修改回稿日期2016-02-17編輯羅冬梅）

Sedimentary characteristics of intra-platform microbial mounds and their controlling effects on the development of reservoirs: A case study of the Lower Cambrian Xiaoerbulake Fm in the Keping-Bachu area,Tarim Basin

Huang Qingyu1,Hu Suyun1,Pan Wenqing2,Liu Wei1,Chi Yingliu1,Wang Kun1,Shi Shuyuan1,Liu Qiang3
(1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development,Beijing 100083,China; 2.Institute of Petroleum Exploration and Development， PetroChina Tarim Oilfield Company， Korla， Xinjiang 841000， China; 3.Erlian Branch of PetroChina Huabei Oilfield Company， Xilinhot， Inner Mongolia 026000， China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 6,pp.21-29,6/25/2016.(ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:A set of microbial carbonate rocks are widely developed in the Lower Cambrian Xiaoerbulake Fm in the Keping-Bachu area,Tarim Basin.Previous studies focused on the sedimentary and reservoir characteristics of the platform margin microbial reefs.However,the intra-platform microbial mounds were less investigated.In this paper,therefore,the sedimentary evolution and reservoir characteristics of intra-platform microbial mounds in the Xiaoerbulake Fm were analyzed systematically by means of field outcrop measurement,core observation,thin section analysis,cathode luminescence examination and physical property test.Based on these studies,the following results are obtained.Firstly,intra-platform microbial mounds are mainly developed in the zones of open platform facies and hummocky highs are obviously presented in the macroscopic scale.Thrombolite dolomite and residual powder grain-fine crystalline dolomite → stromatolite dolomite → foam spongy dolomite → cyanobacteria grain dolomite are developed successively from bottom to top and a complete sedimentary assemblage of mound base-core-cap is constituted.Secondly,its reservoir quality is much better than that of laminated microbial formations and its pore types include mainly foam spongy visceral pore,interclot pore,intergranular pore,needle dissolved pore and bedded dissolved pore.Thirdly,sedimentation plays a vital role in the development of microbial mound reservoirs.It is concluded that the intra-platform microbial mound reservoir,as an important type of reservoir in the Xiaoerbulake Fm,is significant to the extension of the Cambrian subsalt oil and gas exploration in the Tarim Basin from the platform margin to the internal platform.

Keywords:Tarim Basin; Early Cambrian; Xiaoerbulake Fm; Microbial carbonate rock; Sedimentary succession; Intra-platform; Microbial mound; Reservoir; Exploration area

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.06.003

基金項目：國家科技重大專項（編號：2016ZX05004）、中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項（編號：2014E-3201）。

作者簡介：黃擎宇，1984年生，博士研究生；主要從事碳酸鹽巖儲層地質學方面的研究工作。地址: (100083)北京市海淀區學院路20號。電話: (010)83595718。ORCID:0000-0002-9013-9940。E-mail:qingyuh08@163.com