塔里木盆地順北地區中下奧陶統流體改造與油氣充注耦合關系

王昱翔， 王斌， 顧憶， 傅強， 楊柳鑫*

(1.中國石化石油物探技術研究院， 南京 211103； 2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所， 無錫 214126； 3.同濟大學海洋與地球科學學院， 上海 200092)

隨著順北油田勘探開發逐步深入，已逐步建設成為年產百萬噸產能基地[1-2]，成為中石化西北局繼塔河油田之后最主要的增儲上產領域。現有研究成果表明，大型主干斷裂帶是油氣富集的有利區域[3]，一間房組和鷹山組上段是最主要的勘探開發層系[4]，一直以來都備受廣大專家和學者的關注。目前針對順北地區的研究主要聚焦在斷裂-裂縫體系表征[5-6]、沉積特征[7-8]、儲集體成因[9-10]和巖溶作用[11-14]等方面的研究，但對于不同時期流體改造期次及序列和流體改造與油氣充注耦合關系方面研究較為薄弱，制約了斷溶體油藏成因認識。為此，現選取不同斷裂帶井區主要充填的方解石樣品，通過對其進行陰極發光、流體包裹體顯微鏡下觀察和油包裹體及其伴生鹽水包裹體均一溫度測試分析，結合方解石微區原位U-Pb同位素定年開展順北地區中下奧陶統流體改造期次及序列和油氣充注期次分析，揭示不同時期流體改造與油氣充注耦合關系。以期加深對順北地區斷溶體油藏成因的認識，進一步豐富斷溶體微觀地質理論體系。

圖1 順北地區構造位置圖及井位圖Fig.1 Structural location map and well location map of Shunbei area

1 地質概況

順北地區位于塔里木盆地的中西部[5]，構造位置處于阿瓦提坳陷、沙雅隆起以及順托果勒低隆起的過渡部位(圖1)。2015年，中石化西北局在北東向深大斷裂帶部署SB1井鉆探證實該區奧陶系沿斷裂帶發育碳酸鹽巖縫洞型儲集體，鉆進過程中在鷹山組發生井漏，在鷹山組中途測試見少量天然氣，上返一間房組酸壓見輕質原油，首次在順北地區奧陶系碳酸鹽巖獲得高產工業油氣流，實現了順北地區奧陶系碳酸鹽巖領域的實質性油氣突破以及塔河油田奧陶系含油氣范圍的南擴。近幾年勘探開發實踐表明[15-17]，整個順北地區奧陶系油氣資源豐富，具有整體含油氣的特點，一間房組和鷹山組是勘探開發熱點層系，主干、次級斷裂帶及內幕深層是勘探評價的主要領域，勘探開發潛力巨大。

受周緣板塊構造和區域動力背景控制，塔里木盆地經歷了加里東、海西、印支、燕山及喜山等多個構造旋回[18]，由于受上述多期次和多方向應力作用，導致盆地內部構造特征及演化比較復雜，順北地區古生界走滑斷裂走向以北東向、近南北向與北北西向為主。順北地區中下奧陶統地層埋深較大，平均井深近7 500 m，鉆井揭示主要產油層位為中奧陶統一間房組和中下奧陶統鷹山組。順北地區中下奧陶統一間房-鷹山組地層為海相碳酸鹽巖開闊臺地相沉積，兩者沉積環境變化不大，均為較低能水動力沉積環境[19]，巖性主要以微亮晶顆粒灰巖和泥(微)晶顆粒灰巖為主，局部發育薄層高能亮晶顆粒灰巖灘相沉積，區別在于一間房組臺內灘相發育程度更高，鷹山組灘相發育程度有限，主要為臺內低能沉積環境，主要體現在過渡巖類(云質灰巖和硅質灰巖)的含量占比和發育程度上，云質灰巖僅發育在鷹山組，但整體規模并不大且白云石不發育，主要以沿縫合線和交代圍巖的形式分布于地層之中。

2 巖石學特征

通過X衍射對全巖礦物組成定量分析(表1)，表明方解石是最主要的礦物成分(平均90%以上)，其次是少量的黏土礦物(平均4.9%)和石英(平均3%)，極少量的白云石、菱鐵礦、黃鐵礦、斜長石和石膏等。巖石結構組分含少量生屑和砂屑，生屑分布局限，以三葉蟲、腕足和有孔蟲為主，大多破碎，總體平均含量低于15%，大小約2 mm×5 mm；砂屑含量變化較大，變化區間10%～60%，偶見礫屑，粒徑0.5～2.0 mm，分布不均勻，局部富集，次圓狀至棱角狀，分選較好，純白云巖不發育。

3 流體改造期次及序列

3.1 一間房組流體改造期次及序列

沉積早期為原始海水沉積環境[20]，顆粒間發生海水膠結作用，形成早期方解石，原生孔隙逐漸減少，巖石經膠結作用逐步固結成巖，并伴生泥晶化作用；隨著構造擠壓運動，處于構造高部位局部井區短暫暴露并接受大氣淡水改造，形成部分較大的溶蝕孔洞，同時沉淀亮晶方解石膠結并充填殘余原生孔隙，同時形成一些粒內溶孔或鑄模孔等儲集空間[21]，在這一階段溶蝕作用和膠結作用同時發生；當地層持續埋深，上覆地層壓力增加，殘余的原生孔隙和形成的次生孔隙逐步減少，壓溶作用出現并形成縫合線構造，沉積環境溫壓的改變形成早期硅質沉淀；當地層進入中埋藏階段，地層上覆壓力持續增加，此時加里東晚期-海西早期全球海平面上升，部分洞穴型儲集空間垮塌形成沉積角礫，同時壓溶作用影響形成縫合線構造；隨著地層埋深進入海西中-晚期，火山活動形成沿通源斷裂的上升流熱液流體遷移，但由于一間房組距離較遠，熱液流體運移至一間房組時熱能及勢能均已較弱，因而對一間房組地層改造較弱；在海西晚期深埋藏環境中，構造活動強烈，斷裂帶溝通水平地層或連通上下覆地層流體，混源流體溶解度改變，改造圍巖在未充填孔洞和裂縫體系內充填晚期形成的方解石，由于此時的地層為還原條件，所以充填物具有良好的陰極發光性。同時，構造裂縫破壞了早期形成的或火山活動時沉淀出的硅質巖，形成構造破裂縫，晚期方解石充填其中。

總體上，一間房組流體改造期次及序列如下：早期海水膠結[不發光-昏暗色，圖2(a)、圖2(b)]→第一期構造裂縫[加里東早期，圖2(a)]→局部大氣水改造方解石(亮晶方解石，弱陰極發光)→早期沉淀硅質[灰黑色條帶或團塊，圖2(c)、圖2(d)]→混源流體改造方解石[紅色-橙紅色陰極發光，圖2(f)]→第二期構造裂縫(加里東晚期-海西早期)→富硅熱液流體硅質交代圍巖(灰白色條帶或團塊)→第三期構造裂縫(硅質破裂)→顆粒內及顆粒間裂縫充填方解石[亮黃色陰極發光，圖2(f)]。綜上所述，流體改造形成3～4期方解石和1期硅質充填，其中，大氣水改造形成的亮晶方解石僅在局部井區發育，順北地區主要以不發光的早期方解石和紅色-橙紅色的第三期方解石為主。

表1 順北地區典型井全巖X衍射測試分析表(N=9)

圖2 順北地區中下奧陶統一間房組充填物陰極發光特征Fig.2 Cathodoluminescence characteristics of the fillings of the middle and lower Ordovician Yijianfang Formation in Shunbei area

3.2 鷹山組上部流體改造期次及序列

沉積早期依然為原始海水沉積環境，顆粒間發生海水膠結作用，形成早期方解石，原生孔隙逐漸減少，巖石經膠結作用逐步固結成巖，并伴生泥晶化作用[20]；因鷹山組距離層序界面較遠，加里東早-中期構造擠壓并不能使鷹山組暴露接受大氣水淋濾，但構造運動形成的裂縫體系可以溝通上下覆地層，使流體混合溶解度發生改變，從而對圍巖進行改造，形成方解石膠結物；隨著埋深增加，受壓實和壓溶作用影響，殘余原生孔隙逐步減少，并伴隨形成縫合線構造和早期硅質的沉淀；加里東晚期-海西早期，當地層進入中埋藏階段，上覆地層壓力較大，壓溶作用更加明顯，泥晶含量較多的縫合線處出現白云石化；海西晚期，火山活動頻繁并伴有深部熱液流體活動[14]，深部熱液沿通源深大斷裂向上運移進，流經富含硅質的寒武系地層，熱液流體溫度降低，進入鷹山組地層后隨即與圍巖作用，形成硅質沉積并交代圍巖[13]；成巖晚期，受喜山期強烈構造運動影響，早期沉淀硅質和交代成因硅質破裂，流體進入顆粒間裂縫改造圍巖形成晚期方解石。

總體上，鷹山組上部流體改造期次及序列如下：早期海水膠結[不發光-昏暗色，圖3(a)、圖3(b)]→第一期構造裂縫[加里東早期，圖3(a)]→混源流體改造方解石[紅色-橙紅色陰極發光，圖3(c)、圖3(d)]→早期沉淀硅質(灰黑色條帶或團塊)→第二期構造裂縫(加里東晚期-海西早期)→富硅熱液流體硅質交代圍巖[灰白色條帶或團塊，圖3(e)、圖3(f)]→第三期構造裂縫(硅質破裂)→顆粒內及顆粒間裂縫充填方解石[橙黃色陰極發光，圖3(h)]。流體改造形成3期方解石和1期硅質充填，與一間房組流體改造序列相比，鷹山組上部地層未遭受局部大氣淡水改造影響。

圖3 順北地區中下奧陶統鷹山組上段充填物陰極發光特征Fig.3 Cathodoluminescence characteristics of fillings in the upper member of Yingshan formation of middle lower Ordovician in Shunbei area

4 流體包裹體

4.1 巖相學特征及其組合

通過對10口典型鉆井78件順北地區中下奧陶統碳酸鹽巖儲層流體包裹體薄片進行油包裹體檢測，篩選出19件含油包裹體樣品開展顯微鏡下觀察和熒光測試分析(表2)。

表2 順北地區典型井油包裹體樣品統計(N=19)

含油包裹體主要形成于裂縫充填方解石或溶蝕孔洞方解石中，油包裹體分布形態主要以橢圓形和條形為主，熒光顏色包括黃色、黃綠色和藍白色，整體豐度較高，表明順北地區中下奧陶統是油氣富集的有利區域且不同井區原油成熟度存在差異[22-26]。

通過對S1-7井一間房組28個流體包裹體薄片進行觀測，含油包裹體顆粒指數(grain with oil inclusions, GOI)約為22.2%，包裹體成群或均勻分布于水平裂縫充填方解石內，形態多為方形、橢圓和長條狀，成因類型以原生鹽水包裹體為主，此外還有少量原生油包裹體和次生裂紋鹽水包裹體(圖4)，包裹體大小分布區間4.3～17.8 μm，平均9.3 μm，其中原生鹽水包裹體大小5～17.8 μm，平均9.62 μm；原生油包裹體大小4.3～11.3 μm，平均7.5 μm，油包裹體熒光顯示呈現藍白色，指示原油成熟度很高；次生裂紋鹽水包裹體大小5.7～11.2 μm，平均8.45 μm。

圖4 S1-7井一間房組流體包裹體顯微照片Fig.4 Micrograph characteristics of fluid inclusions in Yijianfang Formation of well S1-7

通過對SP2井鷹山組33個流體包裹體薄片進行觀測，GOI約為40%，包裹體成群或均勻分布于高角度裂縫或溶蝕孔洞充填的方解石內，形態多為不規則和橢圓形，成因類型以原生鹽水包裹體為主，此外還有原生油包裹體和次生油包裹體(圖5)。原生鹽水包裹體占包裹體類型總數的66.7%，大小2.61～12.2 μm，平均5.85 μm；原生油包裹體大小2.79～23.61 μm，平均7.82 μm，原生油包裹體熒光顯示呈現藍綠色—藍白色，指示原油成熟度較高；次生裂紋油包裹體平均大小7.91 μm，熒光顯示呈現黃綠色和藍白色。

圖5 SP2井鷹山組上段流體包裹體顯微照片及熒光特征Fig.5 Micrograph and fluorescence characteristics of fluid inclusions in the upper Yingshan Formation of well SP2

4.2 均一溫度

通過對S1-7井一間房組7 353.65 m取心層段28個流體包裹體薄片樣品中的不同成因類型的油包裹體和與油包裹體共生的鹽水包裹體進行均一溫度測定，裂縫充填方解石中檢測到兩期鹽水包裹體[圖6(a)]，均一溫度分布區間分別為84～98 ℃，平均均一溫度92.49 ℃(N=10)和113～130 ℃，平均均一溫度119.91 ℃(N=12)；同時檢測到兩期原生油包裹體，均一溫度分別為64.5 ℃和115 ℃。通過對SP2井鷹山組7 535.46～7 536.1 m取心層段33個流體包裹體薄片樣品中的不同成因類型的油包裹體和與油包裹體共生的鹽水包裹體進行均一溫度測定，裂縫充填方解石中檢測到兩期鹽水包裹體[圖6(b)]，均一溫度分布區間91.2～104 ℃，平均均一溫度96.1 ℃(N=5)和112.7～128.1 ℃，平均均一溫度119.97 ℃(N=6)。同時，檢測到一期原生油包裹體和兩期次生油包裹體，前者均一溫度分布區間50.9～61.3 ℃，平均均一溫度56.1 ℃；后者均一溫度分別為37.1 ℃和43.6 ℃，平均均一溫度39.02 ℃和56.1～66.6 ℃，平均均一溫度62.63 ℃。

5 油氣充注期次及時期

S1-7井一間房組方解石充填物整體呈橙紅色-亮黃色陰極發光特征[圖2(f)]，顯示受流體改造較強[27-28]，結合一間房組流體改造期次及序列認識，S1-7井流體包裹體宿主礦物為加里東晚期-海西早期形成的第三期混源流體改造方解石(橙紅色陰極發光)或是喜山期的晚期第四期方解石(亮黃色陰極發光)。但從陰極發光特征來看，晚期的第四期方解石主要充填于喜山期構造活動形成的貫穿顆粒或切割顆粒的破裂縫中，而S1-7井流體包裹體觀測發現包裹體主要附存于方解石顆粒內，與裂縫關系并不密切，因此，推測包裹體主要形成于第三期橙紅色方解石生長期間。包裹體均一溫度測試結果表明，S1-7井一間房組存在兩期油氣充注，分別為加里東晚期和海西晚期—印支期，對應的油氣充注時期約為428 Ma和247 Ma，與宿主礦物形成時期認識基本一致。

SP2井鷹山組上段方解石為高角度裂縫和溶蝕孔洞充填，表現為不發光-紅色陰極發光，指示圍巖改造很弱[圖3(d)]，結合鷹山組流體改造期次及序列認識，SP2井流體包裹體宿主礦物為加里東晚期形成的第二期方解石(紅色-橙紅色陰極發光)，在第二期加里東晚期-海西早期構造運動后，方解石顆粒及邊緣形成裂隙，沿裂隙分布的藍白色成熟度較高的油包裹體即為晚期油氣充注期間裂隙愈合時所捕獲[29-30]。包裹體均一溫度測試結果表明，SP2井鷹山組上段也存在兩期油氣充注，分別為加里東晚期和海西晚期—印支期，對應的油氣充注時期為418 Ma和238 Ma，與宿主礦物形成時期認識基本一致。

綜上所述，順北地區中下奧陶統一間房和鷹山組上段主要有加里東晚期和海西晚期-印支期兩期油氣充注，油氣充注時期為418～428 Ma和238～247 Ma，且從流體包裹體富集程度來看，與油包裹體共生的鹽水包裹體平均均一溫度分布區間92.49～119.97 ℃，占流體包裹體總量的87.74%，分析認為研究區主成藏期為海西晚期-印支期。

6 流體改造與油氣充注耦合關系

為進一步探討不同時期流體改造與油氣充注耦合關系，在流體改造期次及序列定性分析基礎上，結合方解石微區原位U-Pb同位素定年開展宿主礦物形成時期與油氣充注時期耦合關系分析[31-34]。首先，挑選符合條件的方解石樣品制靶，選擇預掃描點位，然后利用LA-ICP-MS激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜儀進行原位微區元素分析，并從中選取U、Pb含量符合條件的方解石顆粒開展定年測試分析。測試分析結果表明，方解石主要形成于加里東中晚期[(466.8±8)～(470.6±4.5)Ma]，即流體改造期次和序列中指示的紅色-橙紅色混源流體改造方解石，與前述認識基本一致。

6.1 加里東晚期-海西早期

加里東晚期-海西早期，當地層進入中埋藏階段，斷裂開始發育并伴隨走滑斷裂形成，伴生大量的次級斷裂與裂縫系統，裂縫溝通了上下覆地層，造成封存地層海水混合，同時對圍巖持續改造形成紅色-橙紅色陰極發光方解石。同時，加里東晚-海西早期處于高熟油氣烴源灶供烴區，油氣沿斷裂向上運聚，發生第一期油氣充注。隨著地層埋深進入海西中-晚期，火山活動頻繁并伴有深部熱液流體活動，深部熱液沿通源深大斷裂向上運移，流經富含硅質的寒武系地層，熱液流體溫度降低，進入地層后隨即與圍巖作用，形成硅質沉積并交代圍巖，構造裂縫破壞了早期形成的或火山活動時沉淀出的硅質巖。

6.2 海西晚-印支期

海西晚期下寒武統玉爾吐斯組處于過成熟的凝析油氣供烴區，油氣沿繼承性活動的走滑斷裂帶垂向運移，發生第二次油氣充注，并聚集于構造形成的顆粒內及顆粒間裂縫體系內。印支期，盆地東緣沿阿爾金-祁連-秦嶺發育的大型走滑構造作用受東南斷階阻隔，在盆內基本無同期構造變形響應，斷裂活動并不發育，但從油氣包裹體均一溫度和熱演化史數據看，油氣的運聚成藏在該期依舊持續。

圖6 流體包裹體均一溫度分布直方圖Fig.6 Histogram of homogeneous temperature distribution of fluid inclusions

6.3 喜山期

燕山-喜山期以來，下寒武統玉爾吐斯組烴源巖在地溫梯度低和深埋高壓的地質背景下，可能并未演化為成熟的中期階段，以凝析油和干氣為主，塔里木盆地進入陸內坳陷與山前坳陷演化階段，順北地區走滑斷裂帶體系再次繼承性活動，但由于整個塔北地區斷裂體系活動強度具有南弱北強的特點，順北地區的斷裂活動性相對較弱，油氣的充注強度也相應較弱。

總體上，加里東晚期-海西早期、海西晚-印支期、喜山期三期主干通源深大走滑斷裂帶具有繼承性活動的特點，同時海西晚期火山構造活動導致破碎帶發育，為烴源巖供烴區的油氣運移提供了保障，由此形成加里東晚-印支期的油氣持續充注，最終形成以揮發油藏為主的油氣藏。此外，上覆地層桑塔木組泥巖蓋層發育且晚期構造活動較弱，對中下奧陶統油藏有較好的封蓋作用，從而保護了深層-超深層晚期原生油氣藏。基于上述分析，順北地區中下奧陶統流體改造與油氣充注耦合關系如下(圖7)：早期海水膠結(不發光-昏暗色陰極)→第一期構造裂縫(加里東早期)→局部大氣水改造方解石(加里東中期)→早期沉淀硅質(灰黑色條帶或團塊)→混源流體改造方解石(加里東晚期-海西早期)→第二期構造裂縫→第一期油氣充注→局部富硅熱液流體硅質交代圍巖(灰白色條帶或灰黑色團塊)→第三期構造裂縫(硅質破裂)→顆粒內及顆粒間裂縫充填方解石→第二期油氣充注(海西晚期-印支期)。

圖7 順北地區流體改造與油氣充注耦合關系Fig.7 Coupling relationship between fluid transformation and oil and gas filling in Shunbei area

7 結論

(1)順北地區一間房組和鷹山組上段均經歷多期流體改造，形成了具有不同陰極發光特征的多期方解石充填物，兩者流體改造期次基本一致，區別在于鷹山組地層未經歷大氣水改造且整體改造強度較弱。

(2)順北地區一間房組-鷹山組上段發育多期鹽水包裹體和油包裹體，主要賦存于裂縫和溶蝕孔洞充填方解石內，熒光顏色以藍綠色-藍白色為主，存在加里東晚期和海西晚期-印支期兩期油氣充注，充注時期為418～428 Ma和238～247 Ma，主成藏期為海西晚期-印支期。

(3)油包裹體宿主礦物主要為方解石，其主要形成于加里東中晚期，揭示了油氣充注發生在加里東中晚期之后，間接表明加里東晚期-海西早期構造活動對研究區油氣充注有重要影響，建議在后續研究工作中應重點關注這一時期的斷裂-裂縫體系精細表征。