塔里木盆地熱液特點及其對碳酸鹽巖儲層的改造作用

劉 偉　黃擎宇王 坤石書緣姜 華

1.中國石油大學(北京）　2.中國石油勘探開發研究院

塔里木盆地熱液特點及其對碳酸鹽巖儲層的改造作用

劉 偉1黃擎宇2王 坤2石書緣2姜 華2

1.中國石油大學(北京）2.中國石油勘探開發研究院

劉偉等.塔里木盆地熱液特點及其對碳酸鹽巖儲層的改造作用.天然氣工業，2016,36(3):14-21.

塔里木盆地熱液活動普遍，為弄清其對該區下古生界碳酸鹽巖儲層的影響，分析了該盆地碳酸鹽巖中熱液活動產物的巖石學、地球化學特征，發現該區熱液普遍具有貧鎂離子、富含CO2的特點。進一步探討了該區熱液活動對儲層的改造作用，發現熱液流體成分是這一改造作用的決定性因素。研究結果表明：①熱液流體富含CO2，沿斷裂帶通道附近溶蝕作用強烈，發育大小不等的溶蝕孔洞，形成規模較小但孔滲性很好的優質儲層；②熱液流體自身鎂離子含量很少，雖然通過溶蝕寒武系白云巖能獲得部分鎂離子，但熱液白云石化作用規模較小；③富含CO2的熱液流體溶蝕圍巖形成優質的溶蝕孔洞型儲層，其分布明顯受到斷裂的控制；④熱液白云石化作用主要表現為鞍形白云石充填溶蝕孔洞，以及在斷裂附近熱液活動導致白云石晶體重結晶或過度生長，堵塞已有的孔隙，總體而言是一種破壞性成巖作用。該成果可以為該盆地深部碳酸鹽巖儲層預測提供幫助。

塔里木盆地 早古生代 熱液 碳酸鹽巖 儲集層 白云石化 CO2成巖作用 溶蝕作用

塔里木盆地下古生界熱液活動非常普遍，在塔北、塔中、巴楚和塔東地區的寒武系、奧陶系都發現了熱液活動的痕跡[1-14]。主要表現為不同規模的溶蝕孔洞以及孔洞內多種熱液礦物沉淀，例如鞍形白云石、螢石、石英、閃鋅礦、天青石、重晶石等[5]。前人針對塔里木盆地熱液活動及其對儲層的影響進行了深入的研究，主要認識體現在以下幾個方面：塔里木盆地廣泛的熱液活動多與二疊紀強烈的巖漿—火山作用有關[1-7]；塔里木盆地廣泛發育熱液白云巖，構造熱液白云石化作用是一種儲層建設性成巖作用[4,8-10]；熱液流體對下古生界碳酸鹽巖產生了顯著的溶蝕作用，形成溶蝕孔洞，對碳酸鹽巖儲層空間改善有積極的意義[5,11-12]；此外還有學者提出粉—細晶粒白云巖在熱液作用下發生重結晶作用，形成中—粗晶白云巖，是良好的油氣儲層[13-14]。前人的研究參考國外典型熱液活動地質認識與模型，可能會忽略塔里木盆地熱液及其對儲層的改造作用與國外典型熱液活動的差異，進而影響對儲層的客觀評價。筆者以塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖為例，闡述塔里木盆地熱液活動的特點以及對儲層的影響，以期能夠為塔里木盆地深部碳酸鹽巖熱液相關儲層預測提供幫助。

1　塔里木盆地熱液的特點

1.1熱液活動時間及來源

塔里木盆地在演化歷史中發生過4次重要地質熱事件，分別在南華紀—寒武紀、早奧陶世、二疊紀和白堊紀[15]。前兩期發生較早，并未影響到整個奧陶系，白堊紀巖漿活動主要局限在塔里木盆地周邊地區。二疊紀火山活動幾乎遍及整個盆地，玄武巖、輝綠巖廣泛分布，對塔里木盆地影響最大[16]。呂修祥、王嗣敏、朱東亞等通過地球化學和火成巖體分布特征分析，認為塔里木盆地熱液流體主要來自二疊紀巖漿活動[6-7,14]。大多數學者都認可這種觀點，但也有學者認為西克爾和塔中45井螢石的形成與巖漿期后熱液無關，而是低溫大氣淡水循環熱液的產物[17]。

1.2熱液中Mg2+含量

前人多認為，塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖中熱液白云巖發育，并且形成優質的白云巖儲層，例如塔中地區中古9井鷹山組和英買力地區英7井[4,9]。但是應該注意到，典型熱液成因的白云巖在塔里木盆地并非普遍現象。盡管中古9井在鷹山組石灰巖地層中形成的優質白云巖儲層被看作是熱液成因的，但是在更多受熱液強烈改造的地層中，并沒有見到具有一定分布規模的熱液白云巖。例如塔中45井良里塔格組、巴楚露頭區鷹山組和一間房組以螢石和方解石沉淀為主(圖1-a、圖1-b），古城地區寒武系以鞍形白云石、方解石和石英沉淀為主(圖1-c、圖1-d），順南地區則以硅質巖沉淀為主，塔北和巴楚地區溶洞中有鞍形白云石充填(圖1-e、圖1-f）等。此外，露頭區奧陶系鷹山組石灰巖地層中，雖然有大量輝綠巖侵入體，但侵入體周圍并沒有發生白云石化，而是以大理石化為主[11]。井下存在同樣的現象，如塔中地區中16井中—下奧陶統輝綠巖體周圍也以大理巖化為主。這些現象都說明塔里木盆地熱液流體中Mg2+含量很低，難以滿足大規模白云石化作用的需求。

為了進一步了解熱液流體中Mg2+的來源，對鞍形白云石、中粗晶白云巖和殘余顆粒白云巖3類樣品的Mg同位素進行了分析。Mg同位素之間存在較大的相對質量差，如26Mg和24Mg之間質量差可達8%，這種大的相對質量差使得很多地質過程中Mg同位素能夠發生顯著的質量分餾，因而可以作為地球化學“示蹤劑”[18]。對幔源巖石，如洋中脊玄武巖和橄欖巖包體，研究表明地幔的Mg同位素平均組成為δ26Mg = (－0.25‰±0.07‰)[19]。硅酸鹽礦物風化過程中Mg同位素發生顯著分餾，輕Mg同位素優先進入流體，沉積巖和土壤作為風化作用的固相產物相對地幔富集重Mg同位素。河水的δ26Mg ＜0.5‰，平均值為－1.09‰；海水的Mg同位素較為均一，δ26Mg = －0.8‰；海洋沉積鈣質碳酸鹽的δ26Mg介于－1.0‰～－5.5‰，遠低于海水和河水；白云巖的δ26Mg介于－1.0‰～－2.5‰。高溫巖漿過程Mg同位素無顯著分餾[19]。所以，如果鞍形白云石的Mg2+來自熱液流體，Mg同位素值應該偏重，接近幔源巖石的Mg同位素組成；反之則會偏輕。結果表明，與熱液活動有關的鞍形白云石的Mg同位素組成與地幔橄欖巖和玄武巖的Mg同位素組成差異較大，反而是與未受熱液改造的殘余顆粒白云巖相近(圖2）。這說明熱流體自身攜帶的Mg2+非常少，熱液中Mg2+主要來自對下部地層中白云巖的溶解。

由此可以推斷，來自巖漿的熱液自身攜帶的Mg2+非常少，熱液流體在流經下部白云巖地層時，溶蝕圍巖，獲取Mg2+。但總體而言，熱液中Mg2+含量并不高。

圖1　塔里木盆地下古生界熱液產物特征圖版

圖2　塔里木盆地寒武系不同類型白云巖鎂同位素分布圖

1.3熱液中CO2的含量

對于巖漿熱液而言，不僅具有很高的溫度，而且含有CO2和H2S等酸性氣體[20-21]。朱東亞采用加熱釋氣法對塔里木盆地塔北和塔中地區二疊系火成巖中所含流體進行了研究，表明CO2是火成巖所釋放氣體中最主要的組成部分，最高可達91.47%[22]。呂修祥、朱東亞指出，塔中地區天然氣藏中CO2是常見非烴組分，含量通常在1%以上，最高的中1H 井CO2含量達13%[6,23]。筆者在塔里木盆地西緣巴楚西克爾露頭區采集了螢石和方解石樣品，利用激光拉曼探針分析流體包裹體成分，結果表明氣相和液相包裹體中CO2含量很高。其中氣相包裹體中CO2含量介于28.2%～92.5%；液相包裹體中CO2含量介于0～26%（表1）。這些都表明，熱液活動期，流體中存在大量的CO2。

表1　流體包裹體氣、液相成分表

2　熱液對儲層的改造作用

熱液流體對碳酸鹽巖圍巖的改造作用主要表現在兩個方面，即熱液溶蝕作用與熱液白云石化作用。

2.1熱液溶蝕作用與孔隙建造

塔里木盆地熱液流體多含有CO2、H2S等氣體，其中又以CO2最為普遍，從而使流體呈酸性，直接作用于碳酸鹽巖，形成溶蝕孔洞。此外，深部流體帶來大量熱能，從而使流體的化學侵蝕性大大增強，促進溶蝕作用的發生[7]。白云巖溶蝕模擬實驗表明，封閉環境，在40 ℃、10 MPa和140 ℃、50 MPa條件下，分壓為2 MPa的二氧化碳水溶液對白云巖（10目顆粒）的溶蝕量分別是去離子水溶蝕量的12倍和9.7倍（圖3）。

圖3　不同溫壓條件下白云巖顆粒的溶蝕量圖

當溶蝕孔（洞）內有鞍形白云石膠結物，并且這些鞍形白云石晶體具有溶蝕痕跡時，可認為這些溶蝕孔（洞）的形成與熱液流體的活動有關[24]。鉆井揭示了塔里木盆地深層熱液流體對碳酸鹽巖儲層的改造作用，熱液溶蝕在塔北、塔中、古城等地區形成了不同規模的溶蝕孔洞。較大的溶洞（直徑大于1 cm）多在斷裂帶附近發育，如古城地區城探1井寒武系、順南地區奧陶系鷹山組（圖4）。溶洞多呈不規則形狀，與裂縫伴生，被熱液礦物充填或半充填，但是不同地區溶洞內充填物特征有差異。例如古城地區溶洞內充填物以鞍形白云石、方解石為主，其次是石英晶體；順南地區鷹山組溶洞以硅質巖充填為主。規模較小的溶洞（直徑小于1 cm）和溶孔通常密集分布，這種溶蝕孔洞在古城地區古城8井寒武系和塔北地區塔深1井寒武系最為典型。古城8井寒武系為含灰質白云巖，小型溶洞和溶孔十分發育（圖4-c），孔洞直徑介于1～7 mm，多數小于4 mm，具有層狀分布的特征。薄片中，白云石晶體以他形晶為主，見有港灣狀溶蝕痕跡。溶蝕孔洞內可見數量不等的鞍形白云石和石英晶體，進一步表明這些溶孔是熱液溶蝕成因。塔深1井寒武系5次取心中均可見溶蝕孔洞發育，其直徑介于1～58 mm，又以1～10 mm規模的孔洞最為普遍，密集分布或孤立分布[25]。

圖4　熱液溶蝕孔洞特征圖

大量熱液流體沿斷裂快速涌入地層，具有較高的水巖比，對圍巖造成強烈的溶蝕，形成沿斷裂分布的規模不等的溶蝕孔洞。遇到遮擋層或高孔滲層后，熱液流體會向遠離斷裂的方向流動，較高的基質孔有利于熱液流體對儲層進行整體的改造，形成密集分布的小型溶蝕孔洞。當流體中離子過飽和的時候，開始沉淀熱液礦物。城探1井、古城8井和塔深1井鉆遇寒武系臺緣帶并且靠近斷裂帶，有利于熱液流體對儲層改造，形成溶蝕孔洞型儲層。古城地區城探1井寒武系臺緣帶丘灘體2次取心可見較多厘米級孔洞，測井顯示丘灘體主體部位（6 830～7 093 m）Ⅰ類和Ⅱ類儲層累計厚度為97.4 m，儲地比為37%。塔北地區塔深1井寒武系臺緣丘灘體鉆遇Ⅰ類儲層61.5 m、Ⅱ類儲層23.5 m、Ⅲ類儲層456 m，儲地比為35.5%。順南地區順南4井奧陶系石灰巖遭受熱液溶蝕作用，形成硅質巖充填的大型洞穴，試氣獲百萬立方米以上的高產工業氣流。

2.2熱液白云石化作用與孔隙破壞

Davies和Smith Jr.對構造控制的熱液白云石化作用進行了更詳細的定義：即富鎂熱液（特別是鹵水）在溫度和壓力升高的埋藏條件下沿著拉張斷層或轉換斷層或斷裂系統上升，碰到滲透性差的隔擋層后側向侵入到滲透性好的圍巖中發生的白云石化作用[26]。塔里木盆地熱液流體普遍貧鎂離子，白云石化作用的規模有限，主要有兩種方式：①鞍形白云石從熱液中直接析出，充填在溶蝕孔洞中；②熱液流體以重結晶的方式改造原有白云巖，形成中—粗晶他形白云石。

鞍形白云石以粗粒的白色晶體集合為特征，晶體集合通常顯示晶面彎曲的特征，呈馬鞍形，被看作是指示熱液環境最重要的巖石學標志[26]。鞍形白云石在塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖中分布廣泛，塔北、塔中、古城、巴楚地區均有發現，主要以縫洞充填物的形式出現。鞍形白云石以乳白色、白色或淺灰黃色為主，鏡下觀察晶面表面較臟，富含包裹體，晶面彎曲呈鐮刀狀或鋸齒狀，正交偏光下波狀消光特征明顯。包裹體顯微測溫表明，鞍形白云石具有明顯的高溫、高鹽度特征，從塔里木46個樣品的測試結果來看，均一溫度范圍通常分布在110～150 ℃（圖3），高于塔北—塔中地區寒武系—下奧陶統在二疊紀時的地層溫度80～105 ℃[8]。鹽度值主要區間為16.71～22.71（NaCl質量分數）。

除鞍形白云石外，部分中—粗晶他形白云石的形成也與熱液作用相關[27]。這類基質白云石通常與鞍形白云石或其他熱液礦物（如螢石、重晶石、自生石英等）共生。在巖心及鏡下，這類中—粗晶他形白云石與鞍形白云石之間多為過渡關系，不存在明顯界線（圖1-g）。這類白云石晶體自形程度差，多由曲面—他形晶組成，晶體之間凹凸或縫合線接觸，波狀消光特征明顯，部分樣品可見殘余顆粒幻影以及不規則亮邊。與正常埋藏成因的中—粗晶他形白云石相比，這類白云石的均一溫度偏高10～20℃以上，與鞍形白云石的均一溫度相似(圖5）。地球化學分析表明，這類白云巖除了富Fe和Mn元素外，還有較高的Sr同位素值以及氧同位素更加偏負(圖6）。這說明其形成過程中除了地層中封存的海源流體的影響之外，外部來源的熱流體貢獻更明顯。這類受熱液影響的中—粗晶白云石的分布與鞍形白云石的分布具有一定相似性，在靠近大型斷裂的位置比較發育。

圖6　塔里木盆地不同成因白云巖O—Sr同位素分布圖

正如前面所述，塔里木盆地熱液本身鎂離子含量很低，雖然通過溶蝕寒武系白云巖的方式獲得鎂離子，但總體而言，熱液中鎂離子含量偏低，因此少見西加拿大盆地泥盆系那樣的典型熱液白云巖儲層。熱液白云石化作用對儲層的影響體現在兩個方面。一是形成的鞍形白云石充填溶蝕孔洞（圖1-c、圖6），這種現象在熱液活動區非常普遍，有時甚至近完全充填（圖4-b）。另一方面，較高的流體溫度會造成原有白云石重結晶或過度生長，晶體形態由自形—半自形變為他形，呈鑲嵌狀接觸，早期保留下來的孔隙空間被充填破壞（圖1-h）。黃擎宇對白云巖儲層不同類型孔隙貢獻進行了統計，發現中—粗晶他形白云巖中晶間孔的貢獻率僅為12%，遠低于細晶平面自形白云巖中69%的貢獻率[28]。總體而言，熱液白云石化作用表現為對孔隙的破壞，是一種破壞性成巖作用。

3　結論

1）塔里木盆地熱液活動普遍，熱液通常具有貧鎂離子、富二氧化碳的特點。

2）熱液流體自身鎂離子含量很少，雖然通過溶蝕寒武系白云巖獲得部分鎂離子，但熱液白云石化作用規模較小。

3）富含CO2的熱液流體溶蝕圍巖形成優質的溶蝕孔洞型儲層，其分布明顯受到斷裂作用的控制。

4）熱液成因的鞍形白云石充填溶蝕孔洞，此外靠近斷裂的區域熱液活動導致白云石晶體重結晶或過度生長，堵塞已有孔隙，總體而言是一種破壞性成巖作用。

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Characteristics of hydrothermal activity in the Tarim Basin and its reworking effect on carbonate reservoirs

Liu Wei1, Huang Qingyu2, Wang Kun2, Shi Shuyuan2, Jiang Hua2
(1. China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.14-21, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Hydrothermal activity is common in the Tarim Basin. In this paper, petrologic and geochemical characteristics were analyzed of the products of such activity in carbonate rocks in this basin so as to figure out its effect on the Lower Palaeozoic carbonate reservoirs in this area. It is shown that the hydrothermal fluid in the Tarim Basin is generally high in CO2content, but very low in Mg2+content. Then, the reworking effect of hydrothermal activity on reservoirs in this area was further discussed. It is indicated that the component of hydrothermal fluid is the deciding factor for the reworking of reservoirs. The research provided the following findings. Firstly, hydrothermal fluid is rich in CO2. And dissolution is strong near the pathways of fracturing zones and dissolved pores of different sizes are developed. Therefore, smallscale quality reservoirs with good porosity and permeability are formed. Secondly, magnesium content of the hydrothermal fluid itself is quite low, and some magnesium can be produced from Cambrian dolomites by means of dissolution, but the scale of hydrothermal dolomitization is smaller. Thirdly, quality dissolved pore-cave reservoirs are formed due to the dissolution effect of hydrothermal fluid with abundant CO2on the surrounding rocks, and their distribution is dominantly controlled by fracturing. And fourthly, the hydrothermal dolomization is mainly presented in the following two forms. One is dissolved pores/caves filled with saddle dolomites, and the other is a type of destructive diagenesis, based on which, the hydrothermal activities close to the fracturing lead to recrystallization or overgrowth of dolomite crystal and the existing pores are blocked. This paper provides assistance in the prediction of deep carbonate reservoirs in the Tarim Basin.

Tarim Basin; Early Palaeozoic; Hydrothermal; Carbonate; Reservoir; Dolomitization; CO2; Diagenesis; Dissolution

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.003

國家科技重大專項（編號：2011ZX05004-001）、中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項（編號：2014E-32-01）。

劉偉，1978年生，高級工程師，博士；從事碳酸鹽巖沉積與儲層研究工作。地址：（100083）北京市海淀區學院路20號910信箱。ORCID:0000-0002-3375-2888。E-mail:liuwei086@petrochina.com.cn

2015-12-18編 輯羅冬梅）