岩石学报  2012, Vol. 28 Issue (3): 758-768   PDF    
塔里木盆地寒武-奥陶系白云岩储层类型与分布特征
赵文智1, 沈安江2,3, 胡素云3, 潘文庆4, 郑剑锋2,3, 乔占峰2,3     
1. 中国石油勘探与生产分公司,北京 100007;
2. 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室,杭州 310023;
3. 中国石油勘探开发研究院,北京 100083;
4. 中国石油塔里木油气田分公司,库尔勒 841000
摘要: 塔里木盆地寒武-奥陶系白云岩是台盆区最重要的储层之一,发育4种类型:①潮坪白云岩。以含膏泥晶白云岩为主,石膏溶孔及白云岩砾间孔发育,发育于潮间-潮上坪蒸发环境。白云石表现为MgO-CaO呈线性正相关、低Mg/Ca值及高∑REE值、锶同位素值分布在0.7085~0.7100之间,略高于同期海水值0.7090、阴极发光不发光或暗色光。储层分布主要受沉积相控制,发育于中下寒武统地层;②蒸发台地白云岩。以藻丘及颗粒灰岩选择性白云石化为特征,发育铸模孔、膏溶孔和残留粒间孔,白云石Mg/Ca值变化范围大、δ13C、δ18O值相对偏正、分别大于2‰和-4‰、阴极发光发较亮红光。储层主要发育于台内靠近台缘一侧;③埋藏白云岩。发育细晶、中晶及粗晶白云岩,以晶间孔及晶间溶孔为主,δ18O值偏负在-5‰~-10‰(PDB)之间,87Sr/86Sr值相对较大,为0.7090~0.7110,阴极发光以发暗棕褐色、紫色光为主。埋藏白云岩储层发育主要受成岩相控制,但也表现出与沉积相具有相关性,这是因为物性好的台缘、台内礁滩体及有裂缝沟通构成的开放体系更有利于埋藏白云石化作用发生;④热液白云岩。以受热液改造的结晶白云岩为特征,往往伴生热液矿物,白云石δ18O值异常偏负、一般小于-9‰(PDB)、阴极发光多发明亮红光、稀土元素标准化配分曲线中Eu出现正异常、出现高于地层背景值的异常高温包裹体;主要发育在具有上覆隔挡层的不整合面之下地层及大断裂发育带附近。上述四类白云岩在规模与分布上有不同,但都可预测。埋藏和热液白云岩规模较大,受原始沉积相带和成岩流体来源双重约束。潮坪和蒸发台地白云岩规模可变性较大,可由沉积环境重建,结合成岩相研究预测评价。
关键词: 潮坪白云岩     蒸发台地白云岩     埋藏白云岩     热液白云岩     分布特征     寒武-奥陶系     塔里木盆地    
Types and distributional features of Cambrian-Ordovician dolostone reservoirs in Tarim Basin, northwestern China
Zhao WenZhi1, Shen AnJiang2,3, Hu SuYun3, Pan WenQing4, Zheng JianFeng2,3, Qiao ZhanFeng2,3     
1. Exploration & Production Company, PetroChina, Beijing 100007, China;
2. Key Laboratory of carbonate reservoirs, CNPC, Hangzhou 310023, China;
3. Research Institute of Petroleum Exploration & Development, PetroChina, Beijing 100083, China;
4. Tarim Oilfield Company, PetroChina, Kuerla 841000, China
Abstract: The Cambrian-Ordovician dolostones are important reservoirs for oil & gas accumulations in the Tarim Basin, northwestern China, four types of which are recognized: ① tidal flat dolostone or sabkha dolostone, which is dominated by dolomicrite with relatively well developed gypsum-dissolution and interbreccia porosities and was deposited in intertidal to supratidal evaporitic environments. The dolomite show linear correlation of MgO and CaO, low Mg/Ca ratios, high ∑REE with none to dull cathodoluminescene. 87Sr/86Sr ratios range from 0.7085~0.7100 and are slightly higher than those of the contemporaneous seawater. The reservoir occurs mainly in Middle-Lower Cambrian and is mainly controlled by sedimentary facies; ② evaporitic platform dolomite or seepage-reflux dolostone, which is characterized by reef mound and grainstone fabrics being selectively dolomitized with well developed moldic, gypsum-dissolved and intergranular porosities, shows the wide range of Mg/Ca values, δ13C and δ18O with the values of higher than 2 ‰ and -4 ‰, respectively, and bright red cathodoluminescene. The reservoir occurs mainly in the part of evaporitic platform or lagoon close to platform margin; ③ burial dolostone, composed of fine to coarse-crystalline dolomites with well developed inter-crystalline (dissolved) pores, shows relatively negative δ18O with a range from -5‰~-10‰ (PDB), higher 87Sr/86Sr ratios ranging from 0.7090 to 0.7110, and dark brown and purple cathodoluminescene. The development of this kind of reservoir was controlled mainly by diagenetic facies, however, tends to be related to the sedimentary facies, because platform margin and inner platform reef and shoal and other open systems with fractures are propitious to the burial dolomitization; ④ hydrothermal dolostone, characterized by crystallized dolomite modified by hydrothermal fluid and significantly negative δ18O values less than -9‰ (PDB), bright red cathodoluminescene, positive Eu abnormity of REE with homogenization temperatures of fluid inclusions 5 to 20℃ higher than the surrounding strata and irregularly developed enlarged intergranular pores and dissolved vugs and caverns. Hydrothermal dolostone is commonly accompanied by barite, fluorite, pyrite and other hydrothermal minerals. The reservoir occurs mainly along the deep-seated faults under the unconformities. The scale and distribution for the four types of dolostones are different, but they can be predicted using integrated methods. The distribution of burial and hydrothermal dolostones is constrained by both initial depositional facies and diagenetic fluid source. Sabkha dolostone or tidal flat dolostone are variable in scale but can be predicted with the reconstruction of sedimentary environment, diagenetic facies analysis and seismic inversion interpretation.
Key words: Reservoir     Tidal Flat     Evaporitic Platform     Burial Dolomitization     Hydrothermal Dolomitization     Cambrian-Ordovician     Tarim Basin    

塔里木盆地寒武系-中下奥陶统是一套以碳酸盐岩为主体的海相沉积层系,自下而上发育下寒武统玉尔吐斯组、肖尔布拉克组、吾松格尔组,中寒武统沙依里克组、阿瓦塔格组,上寒武统丘里塔格组,下奥陶统蓬莱坝组和中-下奥陶统鹰山组,各组以整合或平行不整合接触(张师本和高琴琴,1992)。寒武系至下奥陶统蓬莱坝组以白云岩为主,夹少量灰岩及灰质白云岩,中下奥陶统鹰山组下段为灰质白云岩或白云质灰岩,上段则以灰岩为主,白云质组份明显减少(图 1)。从沉积环境看,这套碳酸盐岩沉积从寒武纪初期的干旱半闭塞环境,演化为广阔的陆表海,后经镶边台地过渡为半闭塞且存在分异的台地环境。因而,下中寒武统沉积蒸发潮坪和蒸发台地(泻湖)相,发育石膏层,或呈夹层形式与白云岩间互,或呈斑块状与同层白云岩侧向过渡。中上寒武统-下奥陶统则以宽缓碳酸盐岩斜坡为主,后期出现镶边碳酸盐台地,内部分异也趋于明显,出现滩相和少量礁丘。这套开阔环境形成的碳酸盐岩发育较多白云岩,是在漫长地质历史中历经蒸发海水、表生大气淡水、埋藏成岩和热液等综合作用的结果(Cai et al.,2001a)。寒武—奥陶系发育的白云岩是塔里木盆地台盆区已经和将要发现油气藏的主要储集层,地位十分重要。本文依托62口井1500余米岩心观察和2500余件薄片镜下鉴定,对这套层系中广泛分布的多段白云岩储层的成因与分布特征开展研究和讨论,以指导未来进一步的找油气勘探实践。

图 1 塔里木盆地寒武-奥陶纪地层综合柱状图 Fig. 1 The Cambrian to Ordovician stratigraphic column of the Tarim Basin

根据储层岩石特征、孔隙特征、地球化学特征及成因,将塔里木盆地寒武-奥陶系白云岩储层划分为潮坪白云岩、蒸发台地白云岩、埋藏白云岩和热液白云岩储层。

图 2 塔里木盆地中下寒武统萨布哈白云岩储层发育模式图 有效储层发育于萨布哈向上变浅旋回的上部,受层序界面、干旱气候及沉积相带共同控制,孔隙形成于石膏的溶解 Fig. 2 The formation model of the Middle-Lower Cambrian sabkha dolomite reservoirs in the Tarim Basin The effective reservoirs were developed on the upper part of the sabkha shallowing-upward cycles and controlled by sequence boundary,dry climate and sedimentary facies with porosities mainly from dissolution of gypsum and anhydrite
1 潮坪白云岩

现代萨布哈环境的典型实例,见于阿拉伯海湾沿岸的阿布得哈比(Abu Dhabi)地区(Butler,1969Bush,1973),萨布哈地层厚度3m,横向延伸约12km,泥粉晶白云石含量高达60%,伴生大量硬石膏沉淀。古代萨布哈地层是白云岩储层发育的重要层位,主要见于潮间-潮上坪环境,是比较理想的潮坪白云岩储层发育区。与之共生的蒸发岩是封闭性良好的盖层。如果存在油气输入条件,极易形成油气藏。如美国威利斯顿(Williston)盆地奥陶系红河(Red River)组油气层,以及密西西比系密新坎因(Mission Canyon)组油气层(Moore,2001)。此外,在萨布哈环境向陆地一侧,往往形成相对高的萨布哈边缘,极易暴露于大气中,受到淡水的淋滤,形成较好的储集层。同时,淡水和海水的交换形成回流,也有利于白云石化和孔隙的建设性发育,形成具良好物性条件的储集体。

塔里木盆地潮坪白云岩主要发育于中寒武统沙依里克组与阿瓦塔格组,是一套含石膏的潮间-潮上坪泥晶白云岩,发育石膏溶孔和白云岩砾间孔(图版Ⅰ-12)。分别见于巴楚隆起区(如和4井)和塔北隆起区(如牙哈10井)等地。下部是致密灰岩,向上变为致密泥晶白云岩,并经泥晶白云岩过渡为含膏泥晶白云岩及膏岩、云岩互层。这套原始沉积在暴露期受到淡水对石膏的淋滤作用,以及萨布哈白云石化作用的影响,内部结构发生较大变化,总体使白云岩储集物性得到建设性增强(图 2)。塔里木盆地寒武-奥陶系泥晶白云岩比较发育,但并非都有良好储集物性。从泥晶白云岩物性统计结果来看,与石膏溶蚀相关的含膏泥晶白云岩物性明显变好,且石膏层溶蚀导致的地层坍塌及膏溶角砾岩的形成,会增加储集性能,故石膏溶蚀为孔隙发育创造了条件。

图 图版Ⅰ 潮坪与蒸发台地白云岩显微照片 1.牙哈10,6210.76m,中下寒武统,含石膏泥晶白云岩,石膏准同生溶解作用形成膏模孔,潮坪白云岩储层,铸体,单偏光; 2.牙哈10, 6210.40m,中下寒武统,泥粉晶白云岩,膏岩层准同生溶解作用导致上覆白云岩层垮塌和角砾岩化,砾间孔,潮坪白云岩储层,铸体,单偏光; 3.塔中1,4305.40m,下寒武统,泥晶白云岩,阴极发光发暗棕色光,与高Fe、Na、P、 Sr含量和低Mn含量有关,潮坪白云岩常见的发光特征,阴极发光; 4.方1井,4602.85m,下寒武统,藻丘白云岩格架孔中充填的石膏及白云石化的亮晶方解石胶结物,石膏溶解形成膏溶孔,残留格架孔,正交光; 5.牙哈7x-1,5833.00m,中寒武统,颗粒白云岩储层,鲕模孔及少量粒间孔、粒间溶孔,文石质鲕准同生溶解作用的产物,蒸发台地白云岩储层,铸体,单偏光; 6.牙哈7x-1,5894.35m,中寒武统,颗粒白云岩及残留的颗粒结构,阴极发光发明亮的棕-桔红色光,与高Na、P、 Mn、Sr含量和低Fe含量有关,蒸发台地白云岩常见的发光特征,阴极发光; 7.英买32,5409.10m,中寒武统,中粗晶白云岩,晶间孔和晶间溶孔发育,埋藏白云石化的产物,但位于风化壳之下构成潜山洞穴的围岩,铸体,单偏光; 8.塔中3井,4066.68m,鹰山组,斑块状或准层状白云岩发育的晶间孔和晶间溶孔,面孔率可以达到10%,埋藏白云石化的产物,甚至与热液作用有关,单偏光 Fig. 图版Ⅰ Photomicrograph images showing tidal flat dolomite and evaporitic platform dolomite

镜下观察,白云石的结晶度较低和有序度较差,反映白云石是快速结晶的产物,应该是沉积成因而不是埋藏成因的。岩石地球化学分析表明,这套白云岩储层与低温、碱性和偏氧化的蒸发潮坪环境有关。在MgO-CaO关系图上,二者呈线性正相关,反映白云石是沉积成因而非交代成因的(图 3a);具有高Fe、Na、P、Sr含量和低Mn含量的特点,由于Fe是阴极发光的猝灭剂,Mn是激活剂,所以阴极发光呈不发光或暗棕色发光(图版Ⅰ-3)(Hemming et al.,1989; Machel and Burton 1991; Barker and Kopp,1991; Budd et al.,2000);Ce和Eu出现负异常,是Ce3+被氧化成相对易溶的Ce4+而被迁移贫化及Eu3+被还原为相对易溶的Eu2+而被迁移贫化的结果(图 3b)(Olivarez and Owen,1991;胡忠贵等,2009);δ18O同位素值(PDB,下同)变化范围-4‰~-7‰,与海水相比明显偏负,δ13C同位素值(PDB,下同)变化范围-2‰~2‰(图 3c),均值接近于零,与海水相比明显偏负(Arthur et al.,1983;何莹等,2006);锶同位素值整体在0.7085~0.7100之间,略高于同期海水值0.7090(图 3d),与蒸发海水有关(Bush,1973; Mckenzie,1981; Denison et al.,1993)。这些都表明,中下寒武统发育的萨布哈白云岩是沉积成因的,与蒸发的潮间-潮上坪环境有关,可以通过岩相古地理重建和精细的层序划分与沉积环境成图,结合井、震资料作综合预测评价。其中,与膏岩共生的白云岩和蒸发台地边缘受淡水淋溶以及淡、海水回流改造的白云岩,一般储集物性较好,这类白云岩的发育规模与古地理格局和环境持续时间密切相关。

图 3 塔里木盆地不同类型白云岩岩石地球化学特征 (a)-MgO-CaO交会图;(b)-稀土元素标准化配分曲线图;(c)-C-O稳定同位素交会图;(d)-Mg/Ca-87Sr/86Sr交会图.据60口井425个样品分析测试数据绘制 Fig. 3 Geochemical characteristics of different types of dolomites in the Tarim Basin (a)-cross-plot of MgO and CaO;(b)-calibrated distribution curve of REE;(c)-cross-plot of C,O isotope values;(d)-cross-plot of Mg/Ca and 87Sr/86Sr. Data from 425 samples from 60 wells
2 蒸发台地白云岩

由障壁岛围成的半封闭海相台地(或泻湖)环境中发育的白云岩。见于塔里木盆地中下寒武统的玉尔吐丝组至阿瓦塔格组,地理位置上分布于塔北隆起及南斜坡、巴楚-塔中隆起等地区。类型包括台内礁丘白云岩、台内滩白云岩和改造型膏云岩等。孔隙类型主要发育鲕粒铸模孔、残留粒间孔、粒间溶孔、石膏溶孔和生物格架孔等。蒸发台地与外海之间是障壁岛,所以由陆地向障壁岛方向,蒸发盐沉积逐渐减少。在向陆一侧,膏岩沉积成层性变好,剖面所占比例较大;向海一侧石膏沉积逐渐变为斑块状,并不规则散布于碳酸盐沉积物中。垂向上,随着蒸发台地环境进一步变封闭,水体的蒸发量大于注入量,海水进一步咸化,石膏沉积向海一侧推进,沉积范围扩大。上述沉积序列在塔里木盆地寒武系阿瓦塔格组、沙依里克组及玉尔吐斯组清晰可见,如在巴楚隆起的和4井,寒武系沙依里克组见近百米成层性较好的膏岩层,之下是连续性很好的灰岩沉积,未见明显白云石化,或白云石化较弱。向西到方1井附近,同层沉积在膏岩层之下是藻丘白云岩(图版Ⅰ-4)。再向北到牙哈地区,同层沉积缺失膏岩沉积,主要发育颗粒白云岩(如牙哈7x-1井)(图版Ⅰ-5),这反映了从陆地向外海的环境变化。

镜下观察白云石的结晶程度和有序度中等,可能与浅埋藏成岩环境相关。地球化学特征显示这套白云岩成因上与低温、碱性和偏氧化的蒸发台地环境有关。MgO-CaO呈线性负相关,反映白云岩是交代成因而非沉积成因的(图 3a);高Na、P、Mn、Sr和低Fe,导致阴极发光呈明亮发光或棕-桔红色光(图版Ⅰ-6);Ce3+易氧化成Ce4+而被迁移贫化,呈现Ce负异常,但由于浅埋藏环境中随温度升高,Eu3+易被氧化为难溶的Eu4+,而发生Eu相对富集,影响了Eu明显负异常特征的出现(图 3b);δ18O同位素值变化范围0‰~7‰,与海水相比明显偏正,δ13C同位素值变化范围0‰~4‰(图 3c),与海水相比明显偏正;锶同位素整体在0.7085~0.7100之间,略高于同期海水值0.7090(图 3d)。

与潮坪白云岩的最大区别是蒸发台地白云岩主要形成于水下(图 4),淡水淋溶导致的大规模石膏层的溶解和上覆白云岩层的垮塌现象也不多见。前者石膏层大多被溶解而消失,而后者往往仍保留大量的膏岩层,如和4、方1和康2井。储层物性的保持和改善往往在原始颗粒碳酸盐岩和含膏泥晶白云岩基础上,经过溶蚀增孔而形成。白云岩储层的规模受气候和古地理控制明显,往往发育于高频旋回或三级旋回向上变浅序列的上部层段。可以通过古地理重建和沉积环境精细成图,结合地震储层预测,对有利储层分布区进行评价。

图 4 塔里木盆地潮坪白云岩储层(位于水上)和蒸发台地白云岩储层(位于水下)发育模式图展示了不同岩性单元的侧向和垂向的变化关系 蒸发气候背景的潮间-潮上坪含膏泥晶白云岩、台内(或泻湖)颗粒白云岩及藻丘(礁)白云岩均可发育成有效储层 Fig. 4 A model showing tidal flat dolomite(developed above the sea level)and evaporitic platform dolomite(below the sea level)reservoirs developed with the lateral and vertical changes for different lithologic units in the Tarim Basin The effective reservoirs may occur in the intertidal-supratidal flat gypsum-bearing micrite dolomite under conditions of evaporitic climate,the inner platform(or lagoon)grained dolomite and algal mound(reef)dolomite
3 埋藏白云岩

是在埋藏过程中,各种灰岩被成岩物质交代,发生白云石化,或准同生期白云石在埋藏阶段发生重结晶作用,形成具有不同级次结晶结构的白云岩。埋藏白云石化作用可以发生在埋藏成岩演化的不同阶段,但形成的白云岩不论从白云石结晶程度还是白云岩的连续性与规模等,都有很大不同。总的趋势是随着埋藏深度加大,白云石化作用时间加长,白云石化程度提高,白云石结晶体逐渐变粗,会形成不同粒级的细、中、粗晶白云岩。

塔里木盆地的埋藏白云岩比较发育,层位上主要见于上寒武统丘里塔格组和下奥陶统蓬莱坝组,平面上主要见于塔西台地、罗西台地及塘南台缘带礁滩和台内礁滩(图 5)。在观察研究的60余口井中,有超过90%的井均见到埋藏白云石化成因的储层。孔隙类型主要有晶间孔和晶间溶孔(图版Ⅰ-78),对储层发育有控制作用的是埋藏过程中的白云石化和岩溶作用。其中,晶间孔显然是白云石化作用的产物,而晶间溶孔则是埋藏阶段发生岩溶作用的结果,包括有机酸、TSR及盆地深部热卤水(蔡春芳等,1997Cai et al.,2001b2008)对白云石晶体非组构的选择性溶蚀,使晶间孔溶蚀扩大。

图 5 塔里木盆地下奥陶统蓬莱坝组埋藏白云岩储层和热液白云岩储层分布图 图中揭示了埋藏白云岩储层分布与沉积相的关系,台缘带和台内滩相颗粒灰岩是埋藏白云岩储层有利发育区 Fig. 5 The distribution of the burial dolomite reservoirs and hydrothermal dolomite reservoirs in the Lower Ordovician Penglaiba Formation,the Tarim Basin The figure shows the relations between the burial dolomite reservoir and the sedimentary facies,the platform edge zones and the inner platform shoal grained limestone are the favorite area for the burial dolomite reservoir

埋藏白云岩在塔里木盆地发育与分布的基本特点是:①埋藏早期交代白云石呈零星状散布于灰岩中,白云石化程度不高。其中,具泥晶结构的灰岩比颗粒结构的灰岩更易发生白云石化。随着埋藏深度和持续时间的加大,白云石逐渐富集,由沿着缝合线呈斑块状分布,最终表现为连续层状分布。这样一个较为完整的序列在塔里木盆地塔中、塔北地区从鹰山组至蓬莱坝组能清晰可见。显然,埋藏白云石化程度较高的层段,如塔中、塔北地区的蓬莱坝组,储层的物性条件和连续分布的规模都相对较好;②埋藏白云石化进程无疑控制了白云石结晶程度与连续分布的规模。但埋藏白云石化作用的发生同样具有组构选择性,即在台缘和台内的高能沉积相带,埋藏白云石化作用既容易发生又比较充分。这可能与埋藏流体的运动主要集中在沉积期或沉积期后不久建立起来的高孔隙度-渗透率带有关(Amthor et al.,1993; Moore,2001)。露头和井下观察研究发现,塔里木盆地的埋藏白云石化作用也主要发育于台缘和台内滩相颗粒灰岩中。在镜下可见不同粒级结晶白云岩普遍存在残留颗粒结构,便是埋藏白云石化作用选择性发生的佐证(图版Ⅱ-12)。因此,由埋藏白云石化作用形成的白云岩储层可以通过精细岩相古地理与成岩作用联合研究,进行空间分布的预测评价,从而达到对有利勘探区带的优选评价。

图 图版Ⅱ 埋藏与热液地白云岩显微照片 1.塘北2,4731.08m,蓬莱坝组,细中晶白云岩,颗粒和粒间胶结物均发生埋藏白云石化,残留颗粒结构,单偏光; 2.塘北2,4731.08m,蓬莱坝组,细中晶白云岩,颗粒和粒间胶结物均发生埋藏白云石化,残留颗粒结构在阴极发光下更加清晰,发明亮的棕-桔红色光,阴极发光; 3.玉东2,5160.86m,鹰山组,细中晶白云岩,白云石自形程度高,环带状构造,昏暗发光,反映中-深埋藏环境白云石化的产物,充填晶间孔的白云石明亮发光,可能与深埋藏成岩环境热液作用的影响有关,阴极发光; 4.中古9,6261.50m,鹰山组下段,细中晶白云岩,不发光或昏暗发光,反映中-深埋藏环境白云石化的产物,阴极发光; 5.塔中12,5298.85m,蓬莱坝组,中粗晶白云岩,伴生鞍状白云石及其它热液矿物,受热液影响白云石发明亮的棕-桔红色光,阴极发光; 6.塔里木盆地巴楚地区硫磺沟剖面,顺断裂及层面发育的热液侵蚀作用形成的洞穴,洞穴中充填热液矿物萤石、天青石、重晶石和闪锌矿等,残留未被充填的洞穴; 7.塔中3井,16-31/44,鹰山组,热液溶蚀孔洞为热液矿物巨亮晶方解石半充填,包裹体温度110~240℃,岩心照片; 8.巴楚地区青松石料厂露头剖面样品,斑块状或准层状白云岩,灰岩包裹斑块状白云岩或白云岩包裹残留灰岩斑块,白云石化率达到30%以上,埋藏白云石化的产物,甚至与热液作用有关,白云岩晶间孔和晶间溶孔发育 Fig. 图版Ⅱ Photomicrograph images showing burial dolomite and hydrothermal dolomite

镜下观察,白云石结晶程度相当高。地球化学特征显示这套白云岩成因上与埋藏成岩环境有关。MgO-CaO呈线性负相关,反映白云石是交代或重结晶成因而非沉积成因的(图 3a);Fe、Mn含量低,从而导致白云石发光呈昏暗的棕红色光(图版Ⅱ-34);Ce显示负异常,但不够明显,是在埋藏成岩过程中,随温度升高,Ce3+易被还原为难溶的Ce2+减缓了Ce负异常的出现(图 3b);正常情况下,随着温度升高,Eu易被氧化,形成难溶解的Eu4+,使Eu富集出现正异常,但分析结果为负异常(图 3b),较难于解释原因;埋藏成岩环境温度升高使白云石的δ18O同位素值偏负,一般为-4‰~-10‰,δ13C为-3‰~2‰,与埋藏环境中岩石-水相互作用有关的δ13C值是一致的(图 3c);锶同位素普遍高于同期海水值,最高达0.7110,这是埋藏成岩环境地壳内的流体经历了陆壳高Sr同位素的古老岩石的淋滤作用的结果(图 3d)(Cai et al.,2008)。

总之,尽管塔里木盆地从浅埋藏至深埋藏不同阶段均发育埋藏白云岩,但从连续性、物性条件和发育规模看,以深埋藏白云岩的储层物性最好,优势发育层段以丘里塔格组和蓬莱坝组为主,分布于塔中和塔北地区。此外,这类白云岩储层的相控性比较明显,可以通过岩相古地理和成岩相研究和划分,实现对有利白云岩储层分布的预测评价。

4 热液白云岩

热液白云岩是由来自地壳深部的热液,交代或溶蚀碳酸盐矿物形成白云岩或溶洞,从而形成白云岩或溶洞型碳酸盐岩储层。规模分布的热液白云岩并不多见,这主要是深部热液往往需要沿深大断裂或者大型不整合面向上侵入,导致了热液白云岩分布的选择性和局限性。

塔里木盆地热液活动比较活跃,并具有期次多的特点,主要活动期与二叠纪全盆地广泛发育的岩浆活动有关。因而在下古生界碳酸盐岩层系的多个层段发生热液交代白云石化和溶蚀孔洞的发育,尤以塔中下奥陶统鹰山组最为典型,大量的热液白云岩及热液溶蚀孔洞沿断裂及不整合面发育(图 6)。热液白云岩储集空间类型比较复杂,既有与表生期溶蚀作用有关的洞穴,也有热液溶蚀洞穴,表现为对先期存在的表生溶蚀洞穴的叠加改造和纯热液溶蚀洞穴的独立发展,在发育表生岩溶作用的层段,热液作用的改造和建设性溶蚀作用也往往比较强烈。此外,还有热液白云岩由交代作用形成的晶间孔和晶间溶孔。

图 6 过中古4井地震剖面揭示的热液白云岩及热液溶蚀孔洞沿不整合面发育(a)和过中古9井地震剖面揭示的热液白云岩及热液溶蚀孔洞沿断裂及不整合面发育(b) Fig. 6 The seismic profile through the Zhonggu 4 well reveals that the hydrothermal dolomites and caves and vugs formed by hydrothermal dissolution are distributed along the unconformity surfaces(a)and the seismic profile through the Zhonggu 9 well reveals that the hydrothermal dolomites and caves and vugs formed by hydrothermal dissolution are distributed along the faults and unconformity surfaces(b)

白云石结晶程度和有序度都很高,说明是热液逐渐冷却条件下,白云石充分结晶析出的结果。热液白云岩的岩石地球化学特征很明显。分析表明,塔里木盆地奥陶系鹰山组分布的热液白云岩,MgO-CaO呈线性负相关性,说明白云石发生了重结晶,并非沉积成因(图 3a);由于热液中Mn含量相对较高,故阴极发光片呈明亮发光或红-桔红色发光(图版Ⅱ-5);随温度升高,Ce3+易被还原为难溶的Ce2+形成相对富集,而沿不整合发生的表生作用是一种氧化环境,Ce元素应该显示负异常,两种因素综合起来,使Ce元素富集的趋正和趋负异常特征都不太明显(图 3b);但在高温环境中,Eu3+易被氧化为难溶的Eu4+而出现Eu元素正异常(图 3a),说明热液成因的可靠性;此外,从热液中沉淀析出的白云石或受热液作用重结晶的白云石,δ18O明显偏负,一般为-10‰~-20‰,δ13C为-3‰~3‰(图 3c);锶同位素值(0.7090~0.7100)高于同期海水值,但低于埋藏白云岩,这是由于地幔流体中Rb元素的不相容作用而使Sr同位素比值比较低,Mg/Ca接近1(图 3d),高于潮坪白云岩,低于蒸发台地白云岩;包裹体均一温度110~240℃,也明显高于埋藏白云岩。

塔里木盆地塔中地区中下奥陶统鹰山组和上奥陶统良里塔格组之间发育不整合或平行不整合,二者间存在11Ma的地层缺失。在巴楚隆起区,二者间缺失地层更多,不整合更明显。而在远离古隆起高部位的斜坡区,二者间地层缺失量逐渐减少至整合接触。塔中地区,鹰山组和良里塔格组之间见层间岩溶储层段发育,并在部分井孔见准层状白云岩或斑块状白云岩。巴楚隆起区从露头到井下都普遍见到溶蚀型和层型或斑块状白云岩,规模更大。这两个地区鹰山组和良里塔格组发育的溶蚀型、准层状和斑块状白云岩具有以下特征:①溶洞既可以出现在不整合面之下也可以出现在不整合面之上,而且距离不整合面有远也有近,分布并不规则。如塔中ZG41,TZ3,TZ162,TZ80和TZ12井和巴楚地区康2井等,在不整合面之下见溶蚀洞穴和白云岩,而在TZ45井则在不整合面之上见溶蚀型洞穴和白云岩,说明溶蚀现象不完全由表生淋滤作用引起;②不整合面之下的溶洞多有充填,呈全充填或半充填不等(如ZG41、TZ80、12井),充填物多为热液成因的萤石、巨亮晶方解石等,揭示溶蚀作用是热液成因的(图版Ⅱ-67);③沿不整合所见白云石化作用,较弱时呈灰岩包裹斑块状白云岩状,较强时又呈残留灰岩被白云岩包裹状(图版Ⅱ-8),说明这些白云岩是热液交代成因的;④沿深大断裂分布,且溶洞的分布并非象表生溶蚀作用形成者多分布在距不整合面0~50m深度范围,与深度关系不大,特别在深大断裂处,溶洞的分布未见终止的深度下限。在地震剖面上,产业界俗称的“羊肉串”多是溶蚀洞穴的反映,可以看到,有深大断裂发育的地方,地震剖面上“羊肉串”的分布可至很深的范围,说明这类洞穴的热液成因性(图 7)。

图 7 塔北哈拉哈塘区块哈8井区鹰山组及蓬莱坝组深部热液岩溶塌陷特征 “羊肉串”的分布可至很深的范围,主要受断裂控制,非象表生溶蚀作用形成者多分布在距不整合面0~50m深度范围 Fig. 7 The collapse characteristics of the deep hydrothermal karst of the Yingshan Formation and Penglaiba Formation in the Ha 8 well field of Halahatang area,Tabei Uplift The beadlike caves and vugs may have a wide distribution deeply,and are mainly dominated by faults. They are different from those which formed by surface dissolution commonly with a distance of 0~50m off the unconformity surface

塔里木盆地热液沿深大断裂侵入发生溶蚀和交代白云石化的特征,决定这类白云岩的预测应该关注三点:一是分布不受埋藏深度限制,且有可能在某些大断裂部位,越往深处去,溶洞的发育规模和连通性越好,这有可能在奥陶系鹰山组之下的某些层段,特别是寒武-震旦系形成新的储盖组合,值得下一步风险勘探目标选择时关注;二是不整合上下都有溶洞发育的可能性,在适宜部位,对不整合面以上溶洞的识别与成藏潜力的关注,应该成为下一步勘探目标选择的重点之一;三是由于热液白云石化作用选择性发生的特点,使得这类白云岩分布可以通过基底断裂和基底断裂与不整合连通关系研究,结合重点地震剖面几何外形识别与反演处理解释,进行有效预测评价。

5 结论与建议

塔里木盆地寒武-奥陶系发育的白云岩是一套在深层具有较好储集性能的储集体类型。从成因看,发育潮坪白云岩、蒸发台地白云岩、埋藏白云岩和热液白云岩四大类,都可以依据岩相古地理环境重建、构造发育史分析、基底断裂展布与成岩相研究等进行有效预测评价。其中,潮间-潮上坪与膏岩共生相序上部层段的潮坪白云岩、蒸发台地边缘相序上部层段的蒸发台地白云岩、埋藏白云岩家族中隶属深埋藏部分的白云岩以及沿深大断裂和与深大断裂相连通的不整合分布的热液白云岩等,在白云岩的连续性、规模和储集空间数量等方面具有有利条件,是有利白云岩储层发育的主要部位。从地理分布看,与古隆起及上斜坡相关的部位,是各类白云岩储层集中发育的重点范围,已在巴楚-塔中,塔北-英买力等地井下揭露多段白云岩的存在,预计在麦盖提斜坡,塔东隆起区等地也有白云岩储层发育。

塔里木盆地白云岩的研究程度和认识程度都还不高,有利分布区的预测难度还比较大,应该通过地质、地球物理和实验室手段,加强各类白云岩成因机理与分布规律的研究,并注重建立有效预测方法,结合成藏主控因素综合研究,提出风险勘探和预探的有利靶区,以有效推动白云岩储层段油气储量发现的节奏和规模。

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