李忠 黃思靜 劉嘉慶 蔡春芳 李曰俊 李開(kāi)開(kāi) 韓銀學(xué) 趙巖

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所北京100029;2.成都理工大學(xué)成都610059)

塔里木盆地塔河奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層埋藏成巖和構(gòu)造—熱流體作用及其有效性①

李忠1黃思靜2劉嘉慶1蔡春芳1李曰俊1李開(kāi)開(kāi)1韓銀學(xué)1趙巖1

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所北京100029;2.成都理工大學(xué)成都610059)

對(duì)層狀風(fēng)化殼模式的認(rèn)識(shí)一度支撐著塔里木盆地下古生界深層碳酸鹽巖油氣勘探,但這類深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層顯示出的強(qiáng)烈非均質(zhì)性使得勘探風(fēng)險(xiǎn)愈來(lái)愈大。研究以塔里木盆地塔河地區(qū)中—下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖儲(chǔ)層為典型實(shí)例,重點(diǎn)論述了成巖作用和構(gòu)造—熱流體復(fù)合作用對(duì)儲(chǔ)層的制約,并結(jié)合表生巖溶等其它要素開(kāi)展了儲(chǔ)層分布綜合解釋。研究認(rèn)識(shí)到:①奧陶系碳酸鹽巖正常深埋藏成巖作用的主要效應(yīng)是碳酸鹽的沉淀而不是碳酸鹽的溶解,建設(shè)性改造主要與表生巖溶作用(古喀斯特)或構(gòu)造—熱流體作用有關(guān),并導(dǎo)致了碳酸鹽巖儲(chǔ)層強(qiáng)烈的非均質(zhì)性。②從中下奧陶統(tǒng)到上奧陶統(tǒng),下部碳酸鹽巖地層熱流體活動(dòng)跡象明顯優(yōu)于上部地層。③奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—熱流體的建設(shè)性改造作用主要發(fā)生在中—晚泥盆世與二疊紀(jì)疊加改造的斷裂構(gòu)造交匯區(qū),以及中—晚奧陶世、前石炭紀(jì)形成的表生巖溶發(fā)育區(qū);有效儲(chǔ)層與高能沉積相帶關(guān)系有限。為此,提出了奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—流體作用與儲(chǔ)層形成概念模式,這為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層的形成分布規(guī)律提供了新的線索。

埋藏成巖作用構(gòu)造—熱流體作用碳酸鹽巖儲(chǔ)層塔河油田塔里木盆地

0 引言

以往研究認(rèn)識(shí)到,油氣盆地碳酸鹽巖高孔滲儲(chǔ)層的形成演化與表生作用、有機(jī)酸溶解作用、白云巖化、異常高壓、熱流體改造以及烴類充注等作用有關(guān)[1～10]。塔里木盆地碳酸鹽巖油氣勘探的突破最早始于1984年鉆探盆地北部(塔北隆起)塔河地區(qū)奧陶系的沙參2井,之后的進(jìn)一步勘探實(shí)踐也主要基于對(duì)表生作用即層狀風(fēng)化殼模式的認(rèn)識(shí),并取得了較好的油氣勘探成果。但是近年來(lái)的勘探實(shí)踐說(shuō)明,無(wú)論在塔北或塔中地區(qū),深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層顯示出了強(qiáng)烈的非均質(zhì)性,勘探風(fēng)險(xiǎn)增大;與此同時(shí),該區(qū)與“熱液”活動(dòng)有關(guān)的儲(chǔ)層類型被頻頻報(bào)導(dǎo)[11～18],但目前對(duì)這類儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)仍然處于初期階段。本文以塔河地區(qū)奧陶系(中下奧陶統(tǒng)鷹山組上段、中奧陶統(tǒng)一間房組為主)碳酸鹽巖儲(chǔ)層為例,通過(guò)儲(chǔ)層各類要素的綜合分析,重點(diǎn)論述(后期)埋藏成巖作用和構(gòu)造—熱流體復(fù)合作用對(duì)儲(chǔ)層的制約,為認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層的形成分布提供新的線索。

1 研究區(qū)構(gòu)造—沉積特征

塔河油田位于塔里木盆地塔北隆起的阿克庫(kù)勒凸起上(圖1a),其主體位于塔河鼻狀背斜帶上(圖1b),后者為北東—南西走向、向南西傾伏的大型鼻狀背斜構(gòu)造。背斜由前石炭系組成,志留系—泥盆系的背斜幅度略小于寒武系—奧陶系。志留系不整合于奧陶系之上;東河砂巖及以上地層構(gòu)造變形微弱,平整地不整合于下伏地層之上,說(shuō)明該大型鼻狀背斜構(gòu)造的雛形形成于奧陶紀(jì)末—志留紀(jì)初,東河砂巖沉積前基本定型。

目前在塔河—輪南地區(qū)地震資料上可識(shí)別出來(lái)的斷裂構(gòu)造有7期,從下到上(從老到新)分別是: (1)發(fā)育于寒武系—前寒武系的正斷層,形成于南華紀(jì)—寒武紀(jì);(2)發(fā)育于奧陶系—寒武系的沖斷層,形成與中—晚奧陶世;(3)發(fā)育于T06反射層(即石炭系底界)以下的走滑斷裂,形成于中—晚泥盆世;(4)發(fā)育于二疊系及其以下地層中的正斷層,形成于二疊紀(jì)早—中期,是與二疊紀(jì)巖漿作用有關(guān)的斷裂構(gòu)造;(5)發(fā)育于前中生代地層中的沖斷層,形成于二疊紀(jì)末—三疊紀(jì)初,后期構(gòu)造活動(dòng)對(duì)上覆地層也有明顯的影響;(6)沿石炭系膏鹽層的順層滑脫斷層,形成于三疊紀(jì)末;(7)主要發(fā)育于中生界的正斷層,向下可達(dá)石炭—二疊系,向上可以斷至古近系,形成于白堊紀(jì),持續(xù)到古近紀(jì)。第6期因規(guī)模小而忽略,因此一般認(rèn)為存在6期斷裂構(gòu)造,而對(duì)于本文關(guān)注的塔河地區(qū)寒武系—奧陶系而言,主要見(jiàn)第2～5期(圖1c)。

圖1 塔里木盆地(a)與塔北構(gòu)造單元?jiǎng)澐?b)與塔河不同期次斷裂分布(c)Fig.1 Tectonic unit division of Tarim Basin(a)and Tabei area(b)and fault distribution occurred in different periods in Tahe study area(c)

對(duì)于塔河地區(qū)奧陶系而言,縱向上早—中奧陶世、晚奧陶世沉積構(gòu)成兩個(gè)完整的海侵—海退沉積序列。據(jù)研究①李忠,等.塔里木盆地構(gòu)造—巖溶作用與儲(chǔ)層形成分配.中國(guó)石化股份有限公司(研究報(bào)告).2009,塔河地區(qū)下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組為弱鑲邊(或近緩坡)臺(tái)地建造為主,區(qū)內(nèi)半局限臺(tái)地—局限臺(tái)地發(fā)育;中下奧陶統(tǒng)鷹山組仍表現(xiàn)為弱的鑲邊的碳酸鹽巖臺(tái)地建造,但主要以開(kāi)闊臺(tái)地內(nèi)的臺(tái)內(nèi)淺灘亞相以及開(kāi)闊海臺(tái)坪亞相構(gòu)成;中奧陶統(tǒng)一間房組沉積時(shí)期的沉積水體與沉積物的堆積速率處于近平衡時(shí)狀態(tài),導(dǎo)致鑲邊碳酸鹽巖臺(tái)地建造為主,臺(tái)內(nèi)代表高能的顆?；?guī)r淺灘較鷹山組發(fā)育。塔河地區(qū)上奧陶統(tǒng)良里塔格組碳酸鹽建造在海平面快速上升(淹沒(méi))背景下,晚期雖然由緩坡型碳酸鹽臺(tái)地演變?yōu)?弱)鑲邊型碳酸鹽巖臺(tái)地,發(fā)育高能的臺(tái)地邊緣相,但臺(tái)地建造速度、高能相發(fā)育遠(yuǎn)不如塔中地區(qū)。

2 碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間特征

從塔河油田奧陶系碳酸鹽巖近6 000個(gè)物性資料統(tǒng)計(jì),碳酸鹽巖基質(zhì)主要顯示特低孔滲的物性特征,平均孔隙度1.15%,平均滲透率1.54×10-3μm2,縱向分布下部地層反而具有較好的孔滲性,即大多數(shù)的白云巖都比相應(yīng)的石灰?guī)r具有更高的孔隙度,尤其具有更高的滲透率,但總體上碳酸鹽巖基質(zhì)基本不具有儲(chǔ)集性;而且基質(zhì)孔隙度和滲透率的相關(guān)性較低(圖2),經(jīng)常出現(xiàn)常規(guī)樣品測(cè)試物性(主要反映碳酸鹽巖基質(zhì))對(duì)比與全直徑樣品相反的現(xiàn)象,說(shuō)明碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間主要為相對(duì)宏觀的孔、縫、洞,其與后期構(gòu)造—熱流體改造作用密切關(guān)聯(lián)。

塔河地區(qū)碳酸鹽巖裂縫密度統(tǒng)計(jì)表明,塔河地區(qū)西部、北部的裂縫密度較大,鷹山組局部裂縫密度可以達(dá)到140條/m以上,而一間房組可以達(dá)到150條/m以上;而鷹山組、一間房組碳酸鹽巖主力儲(chǔ)集體放空、漏失現(xiàn)象普遍,發(fā)育“多層樓”式的表生巖溶帶,也充分說(shuō)明宏觀孔、洞體系發(fā)育,是主要儲(chǔ)集空間類型。

3 碳酸鹽巖儲(chǔ)層演化的物質(zhì)基礎(chǔ)

塔河地區(qū)作為重要儲(chǔ)集層的一間房組和鷹山組基本上由石灰?guī)r構(gòu)成,但巖石中白云石的平均含量(介于0.77%～7.28%)總體隨地層的變老和埋藏深度的增加而增加。奧陶系石灰?guī)r中的顆粒含量平均值達(dá)到34%,顆粒/灰泥比可達(dá)到了0.58,說(shuō)明高能環(huán)境的灘相沉積具有重要意義,很多巖石已構(gòu)成顆粒支撐。同時(shí),生物門類的多樣化和窄鹽度生物的出現(xiàn)也說(shuō)明沉積環(huán)境相對(duì)開(kāi)闊,海水鹽度基本正常。

圖2 塔河地區(qū)主要碳酸鹽巖儲(chǔ)集層孔隙度和滲透率相關(guān)性投點(diǎn)圖a.一間房組上段;b.鷹山組上段Fig.2 A plot showing correlation between porosity and permeability of the main carbonate reservoirs in Tahe area a.the uppermember of Yijianfang For mation;b.the uppermember of Yingshan Formatio

塔河地區(qū)奧陶系早成巖階段(包括準(zhǔn)同生成巖期和淺埋藏成巖期)碳酸鹽的成巖作用以海水膠結(jié)成巖作用為主,且往往比較強(qiáng)烈。除了早期泥晶化作用發(fā)育外,在顆?；?guī)r中亮晶膠結(jié)物含量多在20%以上,最大可達(dá)40%以上(圖3之Ⅰ、Ⅲ),這也是前述碳酸鹽巖基質(zhì)顯示特低孔滲物性特征的主要原因。早成巖階段海水膠結(jié)作用表現(xiàn)為沒(méi)有或僅有非常弱的陰極發(fā)光(圖3之Ⅱ、Ⅳ)。與四川盆地三疊系飛仙關(guān)組相比,塔河地區(qū)早成巖階段的大氣淡水成巖作用較弱,相應(yīng)的碳酸鹽礦物溶解作用也就不發(fā)育。

圖3 塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖早期膠結(jié)物顯微組構(gòu)特征Ⅰ(單偏光)-Ⅱ(陰極發(fā)光):早期泥晶化作用發(fā)育,陰極發(fā)光下泥晶套呈弱環(huán)帶,S114井,一間房組,6 341.39 m,照片短邊長(zhǎng)2 mm;Ⅲ(單偏光)-Ⅳ(陰極發(fā)光):亮晶鮞?；?guī)r,錳含量極低的海相碳酸鹽膠結(jié)作用強(qiáng),陰極發(fā)光極弱,S119井,一間房組,6 092.9 m,照片短邊長(zhǎng)4 mmFig.3 Microscopical fabric features of early carbonate cements from Ordovician carbonate rocks in Tahe area

圖4 塔河油田奧陶系和川東北三疊系飛仙關(guān)組碳酸鹽巖(或礦物)鍶含量(a)與鍶同位素組成(b)對(duì)比直方圖(川東北樣品數(shù)據(jù)來(lái)自黃思靜等[19～21];塔河樣品數(shù)據(jù)來(lái)自①李忠,等.塔里木盆地構(gòu)造—巖溶作用與儲(chǔ)層形成分布中國(guó)石化股份有限公司(研究報(bào)告),2009,不同的分析項(xiàng)目樣品有差別,樣品總數(shù)變化在130～190之間)Fig.4 A histogram contrasting strontium content(a)and strontium isotope composition(b)bet ween Ordovician carbonate in Tahe Oilfield and Triassic Feixianguan For mation carbonate in northeast Sichuan

另一方面,塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖(全巖)具有較高的鐵、錳含量①和較低的鍶含量(圖4a);在同位素組成上,塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽的87Sr/86Sr比值顯著高于同期海水(圖4b),而川東北三疊系飛仙關(guān)組碳酸鹽巖則相對(duì)接近同期海水。這說(shuō)明川東北飛仙關(guān)組碳酸鹽成巖過(guò)程中海源流體的影響是主要的,而塔河地區(qū)非海相流體(包括后期表生大氣水和/或可能來(lái)自深部碎屑巖的地層水)的影響顯著。

4 碳酸鹽巖后期改造作用及對(duì)儲(chǔ)層的改造效應(yīng)

正因?yàn)樗佑吞飱W陶系碳酸鹽巖早成巖階段海水膠結(jié)作用強(qiáng),基質(zhì)主體顯示特低孔滲的物性特征,因此碳酸鹽巖有效儲(chǔ)層的形成必須依靠后期改造作用,即只能從正常深埋藏溶蝕作用、表生巖溶作用(古喀斯特)或構(gòu)造—熱流體作用中尋找機(jī)會(huì)。

4.1 深埋藏成巖作用

研究將深埋藏成巖作用介定為埋藏深度增加、地溫正常增大、無(wú)大規(guī)模穿層流體活動(dòng)發(fā)育的成巖作用,以區(qū)別于構(gòu)造抬升—?jiǎng)兟秾?dǎo)致的表生巖溶作用和由于斷裂以及相關(guān)的熱流體活動(dòng)(地溫異常增大)所引發(fā)的構(gòu)造熱流體—巖石相互作用。

顯微觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)表明,塔河油田奧陶系碳酸鹽巖除了同生(成巖)期部分層位的選擇性溶解外,基質(zhì)主體顯示膠結(jié)作用或多期次膠結(jié)作用為主,沒(méi)有或難于觀測(cè)到有效的后期正常深埋藏溶蝕作用跡象,從而總體顯示特低孔滲的物性特征。

事實(shí)上,塔河地區(qū)奧陶系的埋藏歷史顯著不同于川東北[16,22],印支—燕山—喜山期盆地持續(xù)沉降造成當(dāng)前埋藏深度即為最大埋藏深度,加里東—海西期古喀斯特作用之后基本上沒(méi)經(jīng)歷重要的抬升運(yùn)動(dòng),這使得與構(gòu)造抬升有關(guān)的碳酸鹽溶解作用(即倒退溶解模式[22])在盆地持續(xù)沉降過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)。換言之,塔河地區(qū)正常深埋藏成巖作用(無(wú)大規(guī)模穿層流體活動(dòng))的主要效應(yīng)是碳酸鹽的沉淀而不是碳酸鹽的溶解。因此,塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖在正常深埋藏成巖作用中難于獲得顯著建設(shè)性改造(即溶蝕作用)的機(jī)會(huì)。

4.2 表生巖溶作用(古喀斯特)

早古生代后期(至少有三期)、晚古生代早期的古喀斯特作用是奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間最為重要的形成機(jī)制,這些儲(chǔ)集空間主要分布在靠近不整合面的層段,這已經(jīng)為大量的勘探實(shí)踐與研究所證實(shí),這里不多贅述。但正如前面所述,塔里木盆地深層奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層顯示出了強(qiáng)烈的非均質(zhì)性,絕非層狀風(fēng)化殼模式的認(rèn)識(shí)所能概括。

通過(guò)對(duì)勘探井以及部分開(kāi)發(fā)井的統(tǒng)計(jì)(圖5),可以看出無(wú)論?dān)椛浇M或一間房組,比較確認(rèn)的表生巖溶作用井(巖芯證據(jù))主要都發(fā)育在上奧陶統(tǒng)桑塔木組尖滅線以北的塔河主體區(qū),而在該尖滅線以南的地區(qū),表生巖溶作用發(fā)育井相對(duì)較少,而大量的空洞發(fā)育井往往多位于斷裂附近,可能與深埋改造有關(guān)。而從巖溶作用發(fā)育的層位與T47(即一間房組頂界)、T07(即奧陶系頂界)兩個(gè)不整合面的距離來(lái)看,絕大部分一間房組尖滅線以北的塔河鷹山組的巖溶作用發(fā)育部位距T07不整合面的距離不足50 m,僅個(gè)別井距不整合面較遠(yuǎn)(S88井距T07不整合面141 m),但卻與斷裂緊鄰;而在一間房組尖滅線以南,桑塔木組尖滅線以北的地區(qū),巖溶發(fā)育部位距離T47不整合面的距離不超過(guò)100 m,而距T07不整合面的距離大部分也小于180 m。大部分一間房組尖滅線以南,桑塔木組尖滅線以北地區(qū)的一間房組的巖溶作用發(fā)育部位距T47不整合面的距離不足50 m,僅個(gè)別井距T47不整合面較遠(yuǎn)(S1067井距T47不整合面91 m),同時(shí)距不整合面的距離也不遠(yuǎn)。

圖5 塔河地區(qū)鷹山組(a)、一間房組(b)表生巖溶與洞穴發(fā)育井分布Fig.5 Distribution ofwells found karst and cave at Yingshan Formation(a)and Yijianfang Formation(b)in Tahe area

此外,研究發(fā)現(xiàn)由于離不整合面110～130 m的深度界線是錳、鐵含量的急劇變化帶(銳減)②見(jiàn)前頁(yè),因而認(rèn)為在塔河地區(qū)古氣候條件、古構(gòu)造和巖性條件下,喀斯特作用的有效深度范圍應(yīng)在離不整合面110～130 m之間,遠(yuǎn)離該深度范圍,碳酸鹽的溶解作用顯然與其它機(jī)制有關(guān)。但在不整合重疊發(fā)育區(qū),以及持續(xù)斷裂活動(dòng)區(qū),上述深度范圍可以擴(kuò)展至200～300 m。

4.3 構(gòu)造—熱流體作用

對(duì)塔里木盆地業(yè)已開(kāi)展的研究表明,針狀溶蝕是埋藏溶蝕流體在碳酸鹽巖上產(chǎn)生的一種特殊的溶蝕現(xiàn)象,并以小而密的針狀孔發(fā)育為特征,一般孔徑多為0.01～0.03 mm,少數(shù)可超過(guò)0.1 mm;且多發(fā)育在縫合線和微裂縫附近,如塔河油田鷹山組和一間房組碳酸鹽巖常見(jiàn)。除了針狀溶孔外,埋藏溶蝕流體也可以在一些井段產(chǎn)生孔徑較大的溶蝕孔洞,如塔河油田TS1井上寒武統(tǒng)丘里塔格組白云巖地層中孔徑可高達(dá)1～2 cm,孔洞壁多發(fā)育方解石和白云石晶簇,個(gè)別溶洞被方解石全充填。在這種埋深達(dá)7 000～8 000 m、壓力大于80 MPa的環(huán)境下,這些溶蝕孔洞的形成顯然與外源的溶蝕流體作用密切相關(guān)。熱流體除了會(huì)在一些井段產(chǎn)生特征的溶蝕作用外,也會(huì)在其流動(dòng)性減弱時(shí)沉淀特征礦物,如重晶石、熱液石英、螢石、閃鋅礦、鞍狀白云石及粗晶白云石[11,12,14,16～18]。另外還存在豐富的黃鐵礦常沿裂縫、微裂縫分布,可能反映了熱流體的活動(dòng)及其運(yùn)移通道。

塔河地區(qū)不同產(chǎn)狀方解石(構(gòu)造裂縫方解石、巨晶方解石、膠結(jié)物)以及重晶石礦物也存在相當(dāng)多的高溫流體包裹體(>120℃);對(duì)塔河地區(qū)奧陶系不同層位流體包裹體均一溫度分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖6),結(jié)果顯示由中下奧陶統(tǒng)至上奧陶統(tǒng)高溫包裹體所占比例逐漸減小,這可能指示了熱流體自下而上運(yùn)移,在運(yùn)移過(guò)程中,流體與圍巖的相互作用程度不斷深入,流體的溫度將會(huì)降低。塔河地區(qū)奧陶系儲(chǔ)層中重晶石、螢石、方解石等自生礦物(圖6)以及奧陶系地層水[17]87Sr/86Sr介于0.708 75～0.714 46間,大多數(shù)高于碳酸鹽巖全巖及同期海水87Sr/86Sr(0.706 0～0.709 0),表明具有外來(lái)的、富87Sr的流體的貢獻(xiàn)。事實(shí)上,配對(duì)樣品的分析,即同時(shí)具備高溫流體包裹體(>120℃)和高87Sr/86Sr比值的脈體礦物和巨晶方解石的大量存在(從上奧陶統(tǒng)至下奧陶統(tǒng)增加),充分說(shuō)明流體主要來(lái)源于深部富87Sr的熱流體。

圖6 塔河地區(qū)奧陶系不同層位脈體礦物與巨晶方解石Sr同位素與流體包裹體均一溫度關(guān)系(塔河樣品數(shù)據(jù)來(lái)自前頁(yè)注①) a.鷹山組;b.一間房組;c.良里塔格組Fig.6Sr isotope and homogenization temperatures of fluid inclusions from fracture-filling calcite and macrocrystalline calcite ofOrdovician carbonate,Tahe area a.Yingshan Formation;b.Yijianfang Fo rmation;c.Lianglitag Fo rmation

另?yè)?jù)蔡春芳等[17]研究,塔河地區(qū)奧陶系儲(chǔ)層自生方解石δ13C與δ18O之間具有良好的線性關(guān)系,顯示有機(jī)碳的貢獻(xiàn)與δ18O負(fù)值的增大存在相關(guān)關(guān)系:有機(jī)碳貢獻(xiàn)比例越大,方解石δ18O負(fù)值越大;同時(shí),塔河地區(qū)奧陶系地層水HCO3-的δ13C與δ18O關(guān)系圖與方解石類似,而δ13C值與87Sr/86Sr負(fù)相關(guān)表明TSR來(lái)源的有機(jī)CO2與富87Sr的外來(lái)流體為同一來(lái)源。僅僅根據(jù)δ13C與δ18O資料,可能存在大氣淡水影響的機(jī)理解釋,即油氣的生物降解作用越強(qiáng),產(chǎn)生的CO2越多,HCO3-的δ13C和δ18O越發(fā)生負(fù)偏移。但根據(jù)上述Sr-C-O同位素與流體包裹體均一溫度配對(duì)樣品的分析結(jié)果,本文更傾向于解釋為:來(lái)自深部的熱流體攜帶熱化學(xué)硫酸鹽還原作用產(chǎn)生的有機(jī)CO2向上運(yùn)移并影響儲(chǔ)層中次生礦物與地層水的形成演化。

綜合礦物學(xué)、流體包體學(xué)和地球化學(xué)等依據(jù),可以厘定中下奧陶統(tǒng)鷹山組、中奧陶統(tǒng)一間房組、上奧陶統(tǒng)的良里塔格組等各層系碳酸鹽巖熱流體明顯影響的井位;進(jìn)一步以不同層位碳酸鹽巖基質(zhì)孔隙度的平均值(取2.5%)為基準(zhǔn),與上述不同井位、不同層位中具有熱流體改造證據(jù)的碳酸鹽巖的物性作對(duì)比,將那些高于基準(zhǔn)的樣品區(qū)圈定為熱流體建設(shè)性改造范圍或建設(shè)性埋藏巖溶分布范圍,反之為熱流體非建設(shè)性改造范圍(圖7)。

圖7 塔河地區(qū)奧陶系構(gòu)造—熱流體改造的碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型平面分布圖a.鷹山組;b.一間房組;c.良里塔格組Fig.7 Distribution ofOrdovician carbonate reservoirs influenced by structural-the rmal geofluid alteration in Tahe areaa.Yingshan Formation;b.Yijianfang Fo rmation;c.Lianglitag Fo rmation

對(duì)比分析認(rèn)識(shí)到,熱流體在塔河地區(qū)奧陶系平面上以及縱向上存在以下特征:①?gòu)闹邢聤W陶統(tǒng)鷹山組、中奧陶統(tǒng)一間房組、到上奧陶統(tǒng)的良里塔格組(圖7),熱流體發(fā)育的井位數(shù)迅速減少,反映熱流體自下而上運(yùn)移的特征,下部地層熱流體活動(dòng)跡象明顯優(yōu)于上部地層。②西部井區(qū)(高H2S濃度井區(qū))及北、中部井區(qū)(S76—S106等井區(qū))熱流體顯示程度高于東部及東南部井區(qū),這可能與熱流體運(yùn)移方向存在著一定關(guān)系。③熱流體傾向于發(fā)育在不同方向斷層的交匯地帶,西南部及北部熱流體活動(dòng)井區(qū)主要分布在西部北東—南西向斷裂與近南北向斷裂交匯處以及北部北東—南西向輪南斷裂與近南北向斷裂交匯處。

應(yīng)該指出,目前尚沒(méi)有可信的有關(guān)重晶石、石英、螢石、閃鋅礦、鞍狀白云石及粗晶白云石等熱流體礦物的年代學(xué)數(shù)據(jù)。但根據(jù)熱流體作用的礦物學(xué)—地球化學(xué)記錄與斷裂活動(dòng)期次匹配分析,推測(cè)主要熱流體活動(dòng)區(qū)應(yīng)與形成于中—晚泥盆世、二疊紀(jì)早—中期又重新活動(dòng)(與巖漿作用有關(guān))并伴有明顯疊加改造跡象的斷裂構(gòu)造有關(guān),另一部分則與早期表生巖溶發(fā)育區(qū)有關(guān)(如圖8(a)北部井區(qū))。

5 儲(chǔ)層改造模式與討論

前已述及,塔河油田奧陶系碳酸鹽巖早成巖階段海水膠結(jié)成巖作用強(qiáng),有效儲(chǔ)層的形成必須依靠后期改造作用。而該區(qū)正常深埋藏成巖作用(無(wú)大規(guī)模穿層流體活動(dòng))的主要效應(yīng)是碳酸鹽的沉淀而不是碳酸鹽的溶解,建設(shè)性改造(即溶蝕作用)主要與表生巖溶作用(古喀斯特)和/或構(gòu)造—熱流體作用有關(guān)。

表生巖溶作用形成層狀風(fēng)化殼型儲(chǔ)集體,而在塔北或塔中地區(qū)深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層顯示出了強(qiáng)烈的非均質(zhì)性則是表生巖溶作用與構(gòu)造—熱流體作用復(fù)合的結(jié)果。從圖7不難看出,構(gòu)造—熱流體對(duì)儲(chǔ)層的建設(shè)性改造作用主要發(fā)生在中—晚泥盆世與二疊紀(jì)疊加改造的斷裂構(gòu)造交匯區(qū),以及中—晚奧陶世、前石炭紀(jì)形成的表生巖溶發(fā)育區(qū)。

基于對(duì)塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖埋藏?cái)嗔褬?gòu)造、成巖作用、熱流體作用礦物學(xué)—地球化學(xué)等實(shí)際資料的綜合分析,并充分考慮了勘探資料所揭示的有利儲(chǔ)層分布,本文提出塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—流體作用與儲(chǔ)層分布概念模式(圖8)。

該模式的構(gòu)成要點(diǎn)有:

①塔河地區(qū)奧陶系(主要涉及中下奧陶統(tǒng)鷹山組上段、中奧陶統(tǒng)一間房組)碳酸鹽巖有效儲(chǔ)層的形成主要依賴于后期表生巖溶作用(古喀斯特)和構(gòu)造—熱流體作用,總體上表生巖溶作用在前,構(gòu)造—熱流體作用在后。除了斷裂—裂隙構(gòu)造系統(tǒng)外,決定構(gòu)造—熱流體作用分布發(fā)育的輸導(dǎo)空間主要還與早期表生巖溶系統(tǒng)密切相關(guān),與高能沉積的礁灘體(臺(tái)內(nèi)灘為主)的殘留孔隙系統(tǒng)也有一定關(guān)系(圖8),這與Davies和Smith[5]的模式不同。而斷裂構(gòu)造交匯區(qū)、中—晚奧陶世和前石炭紀(jì)形成的表生巖溶區(qū)、與建設(shè)性熱流體作用的疊加區(qū)正是有利儲(chǔ)層分布發(fā)育地區(qū)。

②由于壓力勢(shì)差,并可能受到熱力的誘導(dǎo),熱流體發(fā)生了較大尺度的活動(dòng)并與巖石發(fā)生化學(xué)作用。研究表明[17]熱流體源于前奧陶紀(jì)乃至前寒武紀(jì)碎屑巖,曾流經(jīng)深部寒武系及下奧陶統(tǒng)石膏層,在有烴類介入下發(fā)生熱化學(xué)硫酸鹽還原作用,產(chǎn)生了CO2和H2S等酸性物質(zhì);本文認(rèn)為熱流體在向上運(yùn)移過(guò)程中依次發(fā)生儲(chǔ)層溶蝕(或擴(kuò)溶)、膠結(jié)(充填)作用。從這個(gè)意義上說(shuō),考慮質(zhì)量平衡,則深部溶蝕(或擴(kuò)溶)發(fā)育區(qū)的上部和鄰區(qū),膠結(jié)(充填)作用應(yīng)該較強(qiáng)。

圖8 塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—流體作用與儲(chǔ)層分布概念模式早期巖溶:指中奧陶世末—志留紀(jì)巖溶(加里東期);早期和晚期巖溶疊加:指中奧陶世末—志留紀(jì)巖溶(加里東期)和泥盆紀(jì)末巖溶(海西期)疊加Fig.8 A conceptionalmodel showing structural-geofluid processes and related reservoir fo rmation forOrdovician carbonates in Tahe area

③模式反映了多期構(gòu)造—多源流體疊加改造、多種作用機(jī)制在奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層中的復(fù)合特點(diǎn),其中深部熱流體在中—晚泥盆世、二疊紀(jì)沿?cái)嗔褬?gòu)造的活動(dòng)、沿巖溶界面/不整合界面以及臺(tái)內(nèi)灘等高能沉積體(原始儲(chǔ)集性有保存)的側(cè)向活動(dòng)和溶蝕作用具有重要意義;當(dāng)然本文并不否認(rèn)表生流體在中—晚奧陶世、前石炭紀(jì)(中—晚泥盆世?)對(duì)奧陶系碳酸鹽巖的巖溶改造效應(yīng),即分別對(duì)應(yīng)“早期巖溶”和“晚期巖溶”(圖8);相反,這種建設(shè)性的改造作用不僅造就了“層狀”風(fēng)化殼儲(chǔ)集體,而且也為后期深部熱流體的活動(dòng)提供了輸導(dǎo)空間。

該模式的不確定性在于:

①表生巖溶作用與構(gòu)造—熱流體作用對(duì)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層物性影響的差異和重要性評(píng)判尚難確定;此外,盡管模式初步考慮到了質(zhì)量平衡,即溶蝕(或擴(kuò)溶)、膠結(jié)(充填)作用的對(duì)立統(tǒng)一,但質(zhì)量平衡定量問(wèn)題及分布發(fā)育機(jī)理問(wèn)題仍然有待厘定,其中各類作用類型的精細(xì)判別與相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究亟待開(kāi)展。

②考慮到斷裂構(gòu)造與熱流體作用的礦物學(xué)—地球化學(xué)等實(shí)際資料,認(rèn)為二疊紀(jì)巖漿活動(dòng)或隱伏巖體的熱力作用為熱流體活動(dòng)提供了主要?jiǎng)恿?但改造奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層的熱流體主體并沒(méi)有與巖漿熱液發(fā)生直接交換,即儲(chǔ)層改造流體的地球化學(xué)示蹤參數(shù)(如鍶同位素)并不直接反映與巖漿源有關(guān)。但由于缺乏可信的熱流體礦物的年代學(xué)數(shù)據(jù)和流體來(lái)源示蹤,其不確定性尚有待進(jìn)一步研究。

6 主要認(rèn)識(shí)

(1)塔河油田奧陶系碳酸鹽巖早成巖階段(準(zhǔn)同生期和淺埋藏期)碳酸鹽膠結(jié)作用極強(qiáng),有效儲(chǔ)層的形成必須依靠后期改造作用。而該區(qū)正常深埋藏成巖作用(無(wú)大規(guī)模穿層流體活動(dòng))的主要效應(yīng)是碳酸鹽的沉淀而不是碳酸鹽的溶解,建設(shè)性改造(即溶蝕作用)主要與表生巖溶作用(古喀斯特)或構(gòu)造—熱流體作用有關(guān)。

(2)塔河油田奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造—熱流體的建設(shè)性改造作用主要發(fā)生在中—晚泥盆世與二疊紀(jì)疊加改造的斷裂構(gòu)造交匯區(qū),以及中—晚奧陶世、前石炭紀(jì)形成的表生巖溶發(fā)育區(qū)。

(3)塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層強(qiáng)烈的非均質(zhì)性主要是表生巖溶作用與構(gòu)造—熱流體作用復(fù)合的結(jié)果,但原始臺(tái)內(nèi)灘等高能沉積體的(殘留)孔隙空間對(duì)后期流體活動(dòng)和輸導(dǎo)的影響也不容忽視;而厘定表生巖溶、構(gòu)造、熱流體等不同作用機(jī)制的相對(duì)重要性、作用期次(年代學(xué))的研究亟待深入和細(xì)化。

結(jié)語(yǔ)與致謝劉寶珺院士是我國(guó)沉積成巖作用研究[23～25]的主要開(kāi)拓者和倡導(dǎo)者之一,在此特輯出版之際,謹(jǐn)以本文淺談塔里木盆地碳酸鹽巖成巖作用關(guān)注問(wèn)題,借此對(duì)先生八十華誕暨從事地質(zhì)工作60周年表示恭賀,也感謝先生所給予作者的諸多教誨!

感謝何起祥教授針對(duì)本文提出的寶貴修改建議!感謝李陽(yáng)、許衛(wèi)平、王國(guó)力、黃太柱、王毅、張俊、鄔興威等專家在項(xiàng)目研究中給予的支持和具體幫助!

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Buried D iagenesis,Structurally Controlled Thermal-Fluid Process and Their Effect on Ordovici an Carbonate Reservoirs i n Tahe,Tari m Basi n

L I Zhong1HUANG Si-jing2L IU Jia-qing1CA IChun-fang1L I Yue-jun1L I Kai-kai1HAN Yin-xue1ZHAO Yan1
(1.I nstitute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029; 2.I nstitute of Sed imentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059)

The understanding for layered weathering crustmodel once sustained oil and gas exploration of the Lower Paleozoic deep-buried carbonate in the Tarim Basin.However,strong heterogeneous characteristics of the carbonate reservoir types increases exploration risk in the study area.As a case study,TheMiddle-LowerOrdovician carbonate reservoirs of Tahe area,Tarim basin,are studied in this paper,with focuses on superposition effect of burial diagenesis and structurally controlled thermal-fluid,on reservoir formation.Finally,combined with other elements including epigenetic karst process and so on,a comprehensive explanation on reservoir distribution is given in this research. The main recognition includes:①Nor mal deep-buried diagenesisofOrdovician carbonatesmainly resulted in precipitation rather than dissolution,and constructive modification primarily related to the epigenetic karstification(paleokarst)or structurally controlled thermal-fluid flow and led to strong heterogeneity of carbonate reservoirs.②From the LowerOrdovician to UpperOrdovician,thermal fluid flow evidence in the lower carbonate strata is stronger than that of the upper carbonate strata.③The constructive modification of structural-thermal fluid flow in Ordovician carbonate mainly occurred in structural intersection of superimposed faults developed duringMiddle-LateDevonian and Permian, respectively,and the strong pre-existed epigenetic karstification area formed atMiddle-Late Ordovician and pre-Carboniferous periods.The most efficient carbonate reservoirs have limited genetic relation with high-energy depositional facies in the study area.This paper puts for ward a conceptual model about structural-geofluid processes and related reservoir for mation for the Ordovician carbonates in Tahe area,which provides a new clue for further understanding for mation and distribution of the studied reservoirs.

burial diagenesis;structurally controlled ther mal-fluid flow;carbonate reservoir;Tahe oilfield;Tari m Basin

book=5,ebook=304

李忠男1964年出生研究員博士導(dǎo)師沉積學(xué)與盆地動(dòng)力學(xué)E-mail:lizhong@mail.igcas. ac.cn

P578.6

A

1000-0550(2010)05-0969-11

①國(guó)家基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(編號(hào):2006CB202304)和國(guó)家重大專項(xiàng)(編號(hào):2008ZX05008-003)資助。

2009-09-28;收修改稿日期:2009-10-10