王　坤， 劉　偉， 胡再元， 黃擎宇， 石書緣， 馬　奎

( 1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京　100086；　2. 中國石油勘探開發(fā)研究院 西北分院，甘肅 蘭州　730020 )

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多重流體介質(zhì)下塔里木盆地古城寒武系碳酸鹽巖儲層形成與保存

王坤1， 劉偉1， 胡再元2， 黃擎宇1， 石書緣1， 馬奎1

( 1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100086；2. 中國石油勘探開發(fā)研究院 西北分院，甘肅 蘭州730020 )

以塔里木盆地古城地區(qū)寒武系為例，探討多重流體介質(zhì)下碳酸鹽巖儲層形成與保存問題。古城地區(qū)寒武紀發(fā)育臺緣帶，上寒武統(tǒng)共發(fā)育4期礁灘體。根據(jù)礁灘體儲層的形態(tài)特征、巖石學特征和地球化學特征，可知存在大氣淡水、白云石化流體、熱液流體與硅化流體等4種重要流體參與碳酸鹽巖的成巖演化過程。其中大氣淡水為準同生期；白云石化流體主要作用于準同生的早成巖階段；熱液流體存在2期，分別為海西早期的盆地鹵水和二疊紀的中酸性巖漿熱液；早期組構選擇性硅化流體主要為寒武紀海水，晚期非組構選擇性硅化流體包括地層水和兩期熱液。分析多重流體介質(zhì)對儲層形成和保存的作用，大氣淡水導致的層間巖溶促進溶蝕孔洞的形成,具有較高水巖比例的盆地鹵水也具有較強的溶蝕能力。白云石化作用對孔隙形成貢獻并不大，但有利于已有孔隙的保存和繼承。熱液流體和Ⅱ、Ⅲ期硅化流體為同一流體的2種不同表現(xiàn)形式，巖漿熱液對硅化作用的貢獻更大。硅化作用整體表現(xiàn)為較強的硅質(zhì)膠結，破壞已有孔隙空間，對儲層的保存不利。

碳酸鹽巖； 流體介質(zhì)； 儲層形成； 儲層保存； 多重流體

0　引言

碳酸鹽巖的礦物成分與組構決定其易受后期成巖作用的影響。不同的流體環(huán)境往往形成不同的成巖作用，對儲層的影響也不盡相同。如四川盆地東部石炭系黃龍組準同生期的高鎂地層水，導致廣泛發(fā)育的白云石化作用，為裂縫—孔隙型儲層的發(fā)育創(chuàng)造條件[1]；塔里木盆地加里東中期的構造運動在塔中、塔北地區(qū)形成大范圍表生大氣淡水環(huán)境，在中奧陶統(tǒng)形成規(guī)模發(fā)育的縫洞型儲層[2]；塔里木盆地二疊紀大火山巖發(fā)育導致熱液溶蝕流體的廣泛活動，促進對深部儲層的改造[3]。我國海相碳酸鹽巖儲層具有時代老、埋深大的特點，多期的構造運動導致多種成巖流體的出現(xiàn)，對儲層的影響也十分復雜。人們對碳酸鹽巖儲層的研究多集中于分析描述儲集空間展布、成巖演化序列。這種以碳酸鹽巖巖體本身為對象的研究思路很難實現(xiàn)對儲層分布的宏觀預測。若建立流體介質(zhì)與儲層的相關關系，則通過流體研究能夠進一步減小儲層預測的難度。筆者以塔里木盆地古城地區(qū)寒武系白云巖儲層為例，在分析儲層巖石學、地球化學特征的基礎上，還原成巖流體的信息，探討多重成巖流體介質(zhì)下的儲層形成與保存機制，細化不同的流體介質(zhì)下的成巖響應，為碳酸鹽巖儲層研究提供依據(jù)。

1　地質(zhì)背景

古城地區(qū)位于塔里木盆地塔東隆起西部，北鄰近滿加爾生烴凹陷，位于寒武紀巖相古地理格局中的塔西臺地臺緣帶[4](見圖1)。該地區(qū)僅有城探1井以寒武系為目的層，另有古城4、古城8井鉆揭部分寒武系地層。根據(jù)臺地相區(qū)的地層劃分方案，寒武系自下向上分別發(fā)育下統(tǒng)玉爾吐斯組、肖爾布拉克組、吾松格爾組，中統(tǒng)沙依里克組、阿瓦塔格組及上統(tǒng)丘里塔格組。古城地區(qū)是否發(fā)育下寒武統(tǒng)存在爭議，城探1井鉆遇寒武紀臺緣帶礁灘體，但并未鉆穿寒武系。根據(jù)巖相古地理研究及層序地層劃分方案，臺緣帶礁灘體發(fā)育于晚寒武世[5]。

圖1　塔里木盆地構造及研究區(qū)位置Fig.1 Tectonic zone division of the Tarim basin and the location of research area

古城地區(qū)發(fā)育多條NE向走滑斷裂，加里東中—晚期南東相強烈的斜向擠壓作用是該地區(qū)走滑斷裂形成的動力機制，形成右旋走滑特征的斷裂系統(tǒng)[6]。早二疊世末期，受北面古天山褶皺帶形成及南緣古特提斯洋俯沖活動的影響，塔里木盆地發(fā)生伸展作用，導致盆地中部、西部及北部地區(qū)出現(xiàn)大范圍巖漿侵入及火山噴發(fā)活動。

2　儲層發(fā)育特征

2.1礁灘體

古城地區(qū)晚寒武世臺緣帶共有4期礁灘體，呈進積式展布(見圖2)。三維地震資料對礁灘體的形態(tài)特征進行刻畫顯示，礁灘體規(guī)模為5.8～6.2 km，垂向生長高度為390～570 m。由圖2可知，Ⅰ、Ⅱ期礁灘體頂部具有明顯的丘形反射特征，礁灘體形態(tài)完整，Ⅲ、Ⅳ期礁灘體頂部反射呈水平狀，前翼存在明顯的削截現(xiàn)象。根據(jù)4期礁灘體的形態(tài)特征可以推斷，Ⅰ、Ⅱ期礁灘體發(fā)育于海平面上升階段，伴隨海平面的持續(xù)上升，礁灘體的生長逐漸變緩直至消亡，持續(xù)加深的水體可以對礁灘體形成良好保護；Ⅲ、Ⅳ期礁灘體發(fā)育于海平面下降半旋回，水體環(huán)境不穩(wěn)定，存在間歇性暴露，海退作用導致礁灘體消亡并發(fā)生表生巖溶作用。

圖2　過城探1井的三維地震剖面及地質(zhì)解釋剖面(圖1中AA')Fig.2 Seismic section across well Chengtan 1 and its geological interpretation section (AA' in Fig.1)

2.2巖石學

城探1井鉆穿Ⅲ期礁灘體主體并鉆遇Ⅱ期礁灘體前翼，古城8井鉆遇Ⅳ期礁灘體對應的礁后等時沉積。巖心及井壁取心顯示，古城地區(qū)寒武系以亮晶顆粒含云質(zhì)灰?guī)r、結晶白云巖、殘余顆粒結晶云巖、微生物白云巖為主體。

巖心顯示城探1井具有明顯的角礫化 (見圖3(a))，角礫為粉—晶白云巖，大小不一，分選磨圓差，薄片下可見滲流粉砂和示底構造 (見圖3(b))。角礫間為粗晶白云石及方解石充填，白云石的膠結充填過程早于方解石的(見圖3(a))。城探1井和古城8井的巖心見他形白云石基質(zhì)及鞍形白云石膠結物 (見圖3(c-d))。白云石基質(zhì)以細中晶為主，晶體形態(tài)不規(guī)則，晶間孔周圍的晶體形態(tài)稍好?；|(zhì)原巖結構破壞殆盡，見顆?；糜?，在正交偏光下具有明顯的波狀消光特征。鞍形白云石在城探1井角礫巖段最為發(fā)育，晶體粗大，以中粗晶為主，晶面彎曲，呈現(xiàn)鞍形，正交偏光下波狀消光特征明顯。利用電子探針分析城探1井薄片樣品，顯示白云石晶體內(nèi)部散布氟碳鈰礦 (見圖3(e))。該礦物在白云石膠結物晶體內(nèi)的含量高于基質(zhì)的，古城8井白云石晶體內(nèi)未發(fā)現(xiàn)此類礦物。2口井的巖心見到明顯的硅化現(xiàn)象。按照硅化方式與晶體大小不同，可將硅化作用分為早期組構選擇性硅化和晚期非組構選擇性硅化。早期硅化僅見于鮞粒包殼和球粒外圍的硅化，顆粒硅化的表層與白云石圍巖界限清晰 (見圖3(f))。晚期非組構選擇性硅化又可分為3期。Ⅰ期硅化作用主要見于微生物白云巖團塊，石英呈隱晶質(zhì)結構，單片光下能辨別微生物的結構 (見圖3(g))；Ⅱ、Ⅲ期硅化作用主要見于白云石基質(zhì)，原巖結構已無法識別，其中Ⅱ期硅化作用的石英晶體以粉細晶為主，可見硅質(zhì)沉淀形成的環(huán)帶結構 (見圖3(h))，Ⅲ期硅化的石英晶體以中粗晶和毫米級的六方雙錐狀石英晶體為主 (見圖3(i))。

2.3地球化學

對城探1井、古城8井寒武系白云石基質(zhì)、鞍形白云石及方解石膠結物樣品，進行碳氧同位素分析及包裹體測溫。碳氧同位素分析結果見圖4。Veizer J等研究表明，相同沉積環(huán)境下的白云石與方解石之間存在氧同位素分餾，白云石更富集δ18O約為3‰，而碳同位素不存在明顯分餾。Veizer J等給出的寒武紀全球海相方解石的δ18O為-10‰～-8‰[7]，寒武紀海相白云石的δ18O為-7‰～-5‰。古城地區(qū)寒武系白云石樣品的δ18O為-10.4‰～-7.9‰，較寒武系正常海相白云石明顯偏負，方解石樣品的氧同位素特征(δ18O為-12.7‰～-11.7‰)也明顯偏負。

鞍形白云石與方解石膠結物的鹽水包裹體均一溫度與鹽度特征見圖5。其中鞍形白云石的均一溫度具有2個分布區(qū)間，分別為115～148 ℃和164～195 ℃。在低溫區(qū)間內(nèi)，鞍形白云石均一溫度越高，鹽度越大；在高溫區(qū)間內(nèi)，鞍形白云石的均一溫度和鹽度相關性不明顯。方解石膠結物的均一溫度(157～186 ℃)更接近鞍形白云石的高溫流體包裹體的。白云石與方解石包裹體的鹽度(w(NaCl))普遍大于10%，最高可達26.3%，遠大于正常海水鹽度(3.5%)。

圖3　古城地區(qū)寒武系碳酸鹽巖巖石學特征Fig.3 Characteristics of petrology and mineralogy of Cambrian carbonate in Gucheng area

圖4　古城地區(qū)寒武系碳酸鹽巖碳氧同位素特征Fig.4 Characters of the carbon-oxygen isotope of Cambrian carbonate in Gucheng area

圖5　古城地區(qū)寒武系白云石及方解石膠結物流體包裹體均一溫度與鹽度分布Fig.5 Homogenization temperatures and salinities of the Cambrain carbonate in Gucheng area

3　成巖流體介質(zhì)識別

根據(jù)古城地區(qū)的臺緣帶礁灘體的形態(tài)、儲層巖石學、地球化學等特征,可以確定至少存在4種流體介質(zhì)參與該地區(qū)碳酸鹽巖的成巖演化，分別為大氣淡水、白云石化流體、熱液流體與硅化流體，且各類流體對儲層的影響不同。

3.1大氣淡水與白云石化流體

從Ⅲ、Ⅳ期礁灘體的地震反射形態(tài)可知，2期礁灘體沉積后遭受一定的暴露溶蝕作用，礁灘體頂部以水平狀明顯區(qū)別于Ⅰ、Ⅱ期礁灘體，可知準同生階段的大氣淡水參與沉積初期的巖溶作用，形成巖溶垮塌型角礫巖和滲流粉砂構造。

塔里木盆地寒武系普遍發(fā)生白云巖化。由于古城地區(qū)寒武系碳酸鹽巖遭受多期流體改造，已無法還原原始白云石化流體的信息，因此以參考臺地內(nèi)的研究為主，分析該地區(qū)臺緣帶的白云石化流體。黃擎宇等分析塔里木盆地寒武系臺地相白云巖地球化學特征，認為原始結構保留的白云巖主要形成于同生—準同生階段，細晶自形—半自形白云巖主要形成于淺埋藏環(huán)境，白云化流體為中等鹽度或輕微蒸發(fā)海水，寒武系白云巖在成巖早期階段已基本形成[8-9]。由此可知，研究區(qū)寒武系在后期流體改造之前白云石化流體的作用已基本結束。

3.2熱液流體

他形白云石、鞍形白云石與熱液礦物被認為是重要的熱液活動證據(jù)[10]。古城地區(qū)具有明顯波狀消光特征的白云石基質(zhì)和膠結物，共同指示較高溫度的成巖流體導致的重結晶作用和白云石沉淀 (見圖3(c-d))。氟碳鈰礦物常與中酸性巖漿巖的侵入有關，城探1井白云石晶體中發(fā)現(xiàn)該類礦物，表明存在明顯與巖漿有關的流體活動。白云石與方解石氧同位素特征較同時期正常海相白云石和方解石的明顯偏負，表明存在高溫效應導致的氧同位素負漂移。鞍形白云石和方解石膠結物的流體包裹體均一溫度普遍大于110 ℃，可以確定熱液流體的存在。

根據(jù)流體包裹體均一溫度的分布區(qū)間，確定該區(qū)存在2期熱液，其中高溫熱液先后形成鞍形白云石及方解石膠結物。利用方解石和白云石的δ18O分餾系數(shù)α與絕對溫度T的關系式

1 000lnαcalcite-water=2.78×106T-2-2.89,

1 000lnαdolomite-water=3.14×106T-2-2.00,

圖6　古城地區(qū)寒武系碳酸鹽巖流體介質(zhì)氧同位素特征反演Fig.6 Inversion of the oxygen character of the fluid medium for carbonate diagenesis in Gucheng area

可反推成巖流體的氧同位素特征[11](見圖6)。計算鞍形白云石樣品的白云化流體δ18O值(SMOW),具有2個分布區(qū)間(4.2‰～7.9‰，9.3‰～13.1‰)，均遠高于寒武紀海水的δ18O(SMOW)值，證實2期熱液流體的高鹽度特征。由方解石樣品得到的成巖流體δ18O(SMOW)為8.9‰～12.4‰，與溫度較高的熱液的氧同位素特征更加相似。

盆地鹵水、巖漿熱液、膏鹽巖的溶解是18O主要的來源[12]，這些流體又具有很高的鹽度，而溫度和鹽度的增加使成巖流體的δ18O (SMOW)值發(fā)生正漂移[13]。結合巖石學特征，可推測其中一期具有較高溫度(164～195 ℃)、鹽度和δ18O (SMOW)值(9.3‰～13.1‰)的熱流體為中酸性巖漿水，導致鞍形白云石和方解石及氟碳鈰礦物的沉淀。盡管張興陽等研究表明，大氣淡水下滲或低鹽度地層水對膏鹽巖的溶解可以提高流體的鹽度和δ18O值[14]，但與臺內(nèi)沉積相比，古城地區(qū)古生界地層無膏鹽巖沉積，且寒武系上覆奧陶系致密灰?guī)r被認為是一套穩(wěn)定區(qū)域性蓋層，封閉性良好。因此，另一期熱液較高的鹽度和δ18O值與膏鹽巖的溶解關系不大，故該期具有較低溫度(115～148 ℃)、鹽度和δ18O (SMOW)值(4.2‰～7.9‰)的熱液為盆地鹵水，導致鞍形白云石沉淀。塔里木盆地二疊紀發(fā)育塔里木盆地最大規(guī)模的巖漿作用過程，二疊紀火山巖體研究表明古城地區(qū)存在中酸性火山巖[15]，可知巖漿熱液的活動期為二疊紀。盡管巴楚隆起的和4井、康2井，以及塔中隆起的中深1井與中深5井寒武系取心顯示存在熱液改造痕跡，但與古城地區(qū)相比，其改造程度明顯偏弱，表明盆地鹵水及巖漿熱液并非來自于塔中及巴楚地區(qū)。盡管寒武紀的兩臺夾一盆的古地理格局(見圖1)到晚古生代發(fā)生細微改變，但古城地區(qū)與滿加爾凹陷區(qū)的隆凹格局一直存在至今。趙孟軍等研究認為，滿加爾凹陷寒武系至奧陶系有烴源巖發(fā)育[16]，在海西早期逐漸成熟。伴隨生烴熱增壓作用，有利于盆地鹵水的大范圍活動，因此，推測盆地鹵水可能來自于滿加爾凹陷，活動時間為海西早期。

3.3硅化流體

硅化現(xiàn)象的復雜性指示硅化流體的多期性。由于硅化的顆粒包殼與圍巖存在清晰而圓滑的界限 (見圖3(f))，可以推斷早期組構選擇性硅化作用發(fā)生時顆粒尚未完全成巖，硅化流體為海水。寒武系野外露頭的下統(tǒng)玉爾吐斯組與中統(tǒng)阿瓦塔格組發(fā)育沉積成因的硅質(zhì)巖[17]。張保民等研究表明，塔里木盆地中下寒武統(tǒng)硅質(zhì)巖形成于大陸邊緣環(huán)境，與海底熱液活動有關，在一定情況下，寒武紀海水是硅化流體，局部的海底熱液活動范圍內(nèi)出現(xiàn)同生期硅化作用。由于組構選擇性硅化現(xiàn)象很少見，故推斷晚寒武世古城臺緣帶海底熱液活動(如熱煙囪)分布局限。非組構選擇性硅化作用中的Ⅰ期硅化作用保留原始的微生物結構，可見它形成于白云巖的重結晶作用之前，排除該期硅化與熱液活動有關。推測Ⅰ期硅化作用發(fā)生于淺埋藏階段，硅化流體為寒武系地層水。地層流體和造硅微生物(硅藻、放射蟲等)骨骼往往構成硅化物質(zhì)來源的主體[18]。

對于古城地區(qū)Ⅱ、Ⅲ期非組構選擇性硅化作用機理，可以通過與塔里木盆地其他地區(qū)類似的硅化作用進行對比而得到。陳永權等認為古城4井寒武系的硅化作用與巖漿或變質(zhì)水有關，且與華北克拉通南部元古代熊耳群火山巖中的硅化巖成因類似，即深部流體對火山巖的溶解、淋濾作用形成硅質(zhì)巖物質(zhì)來源主體[19-20]。朱東亞等認為，塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖地層中的晶簇狀石英晶體形成于巖漿熱液流體[21]。因此，推測熱液流體也是導致Ⅱ、Ⅲ期非組構選擇性硅化作用的流體。

4　多重流體介質(zhì)

不同流體介質(zhì)下的水巖反應，如溶蝕、膠結、白云石化、破裂、重結晶作用等對碳酸鹽巖儲層的演化產(chǎn)生重要影響，既可以導致儲層形成，又可以降低儲集性能。根據(jù)古城地區(qū)寒武系經(jīng)歷的4種流體介質(zhì)的成分、來源和期次，梳理不同流體介質(zhì)下儲層演化響應，分為流體介質(zhì)與儲層的形成和保存過程。

4.1流體介質(zhì)與儲層的形成

除了極少量的早期組構選擇性硅化作用外，準同生期的大氣淡水是古城地區(qū)寒武系沉積后經(jīng)歷的最早的成巖流體環(huán)境，該流體介質(zhì)導致準同生巖溶作用的發(fā)生。巖溶作用往往形成規(guī)模不等的溶孔、溶洞及溶縫，對儲層的形成和改善有重要作用。巖溶垮塌作用形成的角礫巖具有較大的礫間孔洞，在適度膠結的情況下是良好的儲集空間。準同生期層間作用一般形成幾米至20余米的孔隙發(fā)育帶[22]。由于古城地區(qū)寒武系遭受多期流體改造，根據(jù)現(xiàn)今的儲層形貌研究準同生期大氣淡水對儲層形成的貢獻，該期流體對儲層也有建設性作用。

溶蝕孔洞的鞍形白云石是熱液具有溶蝕能力的主要證據(jù)，也可以對熱液相關的溶蝕孔洞進行甄別[23]。巖心薄片顯示，寒武系發(fā)育較多與熱液活動相關的溶蝕孔洞(見圖3(d)),并且古城8井熱液溶蝕現(xiàn)象明顯多于城探1井的。由于古城8井未見氟碳鈰礦的方解石膠結物，白云石膠結物的含量也較城探1井的少，可以判定巖漿熱液分布局限，對古城8井的影響微弱，盆地鹵水對古城8井的影響更明顯。Ehrenherg S N等計算表明，在埋藏條件下，1體積灰?guī)r通過溶蝕產(chǎn)生1%的孔隙度需要270體積的水[24]，白云石需要的水量與此相當。因此，較高的水巖比例是溶蝕作用的前提。一般盆地鹵水的活動具有規(guī)模性和持續(xù)性，能夠形成足夠高的水巖比例，因此推斷來自于滿加爾坳陷的盆地鹵水具有較強的溶蝕能力，對儲層的形成起到重要的促進作用。

4.2流體介質(zhì)與儲層的保存

與盆地鹵水相比，巖漿熱液并沒有表現(xiàn)出較好的溶蝕性能。城探1井的鞍形白云石的膠結程度明顯強于古城8井的，特別是在角礫巖發(fā)育段。另外，城探1井方解石含量較高，角礫巖發(fā)育段的部分礫間孔洞被白云石及方解石完全充填，更表明該熱液具有較強的膠結能力。雖然巖漿熱液中也溶解較多CO2氣體，但水巖比例較低，隨著CO2被消耗，造成碳酸鹽巖的沉淀，減少孔隙空間。因此，巖漿熱液流體介質(zhì)的出現(xiàn)對于儲層的保存不利，膠結作用對已有孔隙造成阻塞。

早期組構選擇性硅化和Ⅰ期非組構選擇性硅化作用對巖石體積的改變有限，加之規(guī)模很小，對儲層的影響微弱。Ⅱ、Ⅲ期非組構選擇性硅化整體表現(xiàn)為過度硅化作用，即硅化流體在與白云石基質(zhì)發(fā)生交代的同時，在晶間孔(洞)內(nèi)發(fā)生硅質(zhì)沉淀。薄片顯示，發(fā)生此類硅化作用的部位已有孔隙損失殆盡，而Ⅱ期硅化作用的環(huán)帶很有可能代表原始的孔隙邊界(見圖3(h))。城探1井的Ⅱ、Ⅲ期硅化作用強于古城8井的。由于古城8井巖漿熱液活動強度不如城探1井的，故推斷巖漿熱液對Ⅱ、Ⅲ期的硅化作用貢獻更大。與白云石化流體相比，晚期硅化流體(熱液流體)沒有表現(xiàn)出對孔隙的保存和繼承，整體表現(xiàn)為對儲層的破壞性作用，對儲層的保存不利。

5　結論

(1)塔里木盆地古城地區(qū)寒武系礁灘體儲層地震剖面上的削截特征、碳酸鹽巖礦物以白云石為主體、具有波狀消光的白云石基質(zhì)和膠結物及多種硅化現(xiàn)象，分別指示大氣淡水、白云石化流體、熱液流體和硅化流體4種成巖流體介質(zhì)。

(2)大氣淡水對碳酸鹽巖的影響主要在準同生期；白云化流體的的作用時間在準同生期的早成巖階段；熱液流體包括海西早期的盆地鹵水和二疊紀巖漿熱液；早期硅化流體為沉積期海水，非組構選擇性的Ⅰ期硅化流體為地層水，Ⅱ、Ⅲ期硅化流體為熱液流體。

(3)大氣淡水和寒武系地層鹵水熱液具有較強的溶蝕能力，對儲層的形成起到重要作用；白云石化流體對已有孔隙的保存和繼承有重要作用，巖漿熱液和硅化流體的存在對儲層的保存不利。

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2015-10-13；編輯：關開澄

國家科技重大專項(2011ZX05004-001)

王坤(1985-)，男，博士研究生，主要從事碳酸鹽巖沉積與儲集層方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.009

TE112.21

A

2095-4107(2016)01-0080-08