尤東華，曹自成 ，徐明軍 ，錢一雄，王 石 ，王小林

(1.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126； 2.中國(guó)石化 西北油田分公司 勘探開發(fā) 研究院，新疆 烏魯木齊 830011； 3.中國(guó)石油 塔里木油田分公司 克拉油氣開發(fā)部，新疆 庫(kù)爾勒 841000； 4.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 5. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 216023)

正如諸多學(xué)者所言，白云巖儲(chǔ)層對(duì)于油氣工業(yè)的重要性不言而喻。全球范圍內(nèi)，碳酸鹽巖儲(chǔ)層中白云巖占比高達(dá)50%，而北美碳酸鹽巖領(lǐng)域80%的油氣賦存于白云巖儲(chǔ)層中[1]。白云巖儲(chǔ)層是中國(guó)深層-超深層領(lǐng)域的重點(diǎn)勘探對(duì)象。中國(guó)石化和中國(guó)石油在四川盆地均已取得了重大油氣發(fā)現(xiàn)與商業(yè)開發(fā)，如普光氣田、元壩氣田和磨溪-高石梯氣田等[2-4]。白云巖儲(chǔ)層成因是規(guī)模、優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)集體重要議題之一[5-6]。多類型白云巖儲(chǔ)集空間的形成與白云石化作用密不可分，又受特定地質(zhì)條件下不同類型流體性質(zhì)的控制。以白云巖儲(chǔ)集空間的來(lái)源與相關(guān)流體類型為主線，結(jié)合構(gòu)造沉積背景、白云石化作用以及后期流體改造特點(diǎn)可將白云巖儲(chǔ)層劃分為多種類型，如與蒸發(fā)巖溶解相關(guān)的白云巖儲(chǔ)層[7-8]、與白云石化相關(guān)的白云巖儲(chǔ)層[9]、與巖溶作用相關(guān)白云巖儲(chǔ)層[10-11]、與熱液白云石化相關(guān)白云巖儲(chǔ)層[12]以及與熱液蝕變相關(guān)白云巖儲(chǔ)層[13-14]等。此外，儲(chǔ)集空間的形成還可能與去白云石化和硫酸鹽熱化學(xué)還原作用(TSR)等多種地質(zhì)過(guò)程有關(guān)[15-16]。盡管不同學(xué)者對(duì)其中一些地質(zhì)過(guò)程及機(jī)制還存在爭(zhēng)議[17]，但較為一致的認(rèn)為白云巖儲(chǔ)集空間的形成與保持是多種地質(zhì)作用的結(jié)果[6,18]。

塔里木盆地鷹山組白云巖領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些油氣發(fā)現(xiàn)(如中1井、古隆1井和古城6井等)，使其成為當(dāng)前油氣勘探的重要方向之一。鷹山組優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層的形成受埋藏重結(jié)晶[19]、埋藏巖溶與埋藏溶蝕作用[20]、熱液溶蝕改造[21]、表生巖溶和去白云石化[22]等多因素控制[23]。盡管塔里木盆地不同地區(qū)鷹山組白云巖儲(chǔ)層都經(jīng)歷了多種流體的地質(zhì)作用，但較少報(bào)道相對(duì)單一流體作用主導(dǎo)下白云巖儲(chǔ)集空間形成的研究實(shí)例及其之間對(duì)比。本文擬分別以麥蓋提斜坡玉北8井、卡塔克隆起中19井、古城墟隆起古隆1井為例，基于巖心資料通過(guò)顯微巖石學(xué)研究并結(jié)合陰極發(fā)光、掃描電鏡、原位碳氧同位素、全巖碳氧同位素與鍶同位素等方法剖析鷹山組典型的淺埋藏型、巖溶型和熱液改造型白云巖儲(chǔ)層，闡明相對(duì)單一流體作用下形成的白云巖儲(chǔ)層特征，由此揭示不同成因類型白云巖儲(chǔ)層的礦物-巖石學(xué)與地球化學(xué)標(biāo)志及其差異性，為針對(duì)性開展不同成因類型白云巖儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

塔里木盆地寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)臺(tái)地區(qū)主要以碳酸鹽巖沉積為主，中寒武世發(fā)育一定厚度潟湖相膏鹽巖。鷹山組屬于早-中奧陶世地層，相當(dāng)于特馬豆克階-弗洛階-大坪階[24]。其下伏為早奧陶世蓬萊壩組，上覆中奧陶世一間房組。從巖性特征看，臺(tái)地相區(qū)下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組以白云巖為主，中、上奧陶統(tǒng)(一間房組與良里塔格組)以灰?guī)r為主。位于兩者之間的鷹山組自下而上可劃分為4段，分別為白云巖段、灰質(zhì)云巖段、云質(zhì)灰?guī)r段和灰?guī)r段[25]。從巖性變化上看，白云巖自下而上逐漸減少，從厚層白云巖向薄層灰?guī)r-云巖互層過(guò)渡，再轉(zhuǎn)變?yōu)楹駥踊規(guī)r為主。這種變化有可能反應(yīng)了早中奧陶世(自特馬豆克階至大坪階)古海水性質(zhì)的系統(tǒng)性變化,表現(xiàn)為海水鍶同位素組成的逐漸減低[26]以及古海水表層溫度從約40 ℃降低到30 ℃附近[27],并伴隨了海洋無(wú)脊椎動(dòng)物多樣性增加。在這之后的達(dá)瑞威爾階發(fā)生了奧陶紀(jì)生物大輻射事件[28]，以生物灰?guī)r的普遍發(fā)育與分布為重要特點(diǎn)。

2 淺埋藏型白云巖儲(chǔ)層

諸多學(xué)者就白云石化作用與儲(chǔ)層的關(guān)系進(jìn)行過(guò)論述，涉及多種白云石化模式、白云石化作用對(duì)儲(chǔ)層物性的直接與間接影響等[6,18]，本文不再討論。在此介紹一個(gè)關(guān)于淺埋藏白云石化作用形成優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層的實(shí)例——塔里木盆地玉北8井白云巖儲(chǔ)層。

圖1 塔里木盆地構(gòu)造單元及鉆井位置Fig.1 Structure units and well locations in the Tarim Basin

按照目前對(duì)鷹山組沉積期巖相古地理的認(rèn)識(shí)，該井鷹山組位于潮下帶至局限臺(tái)地相帶，具備滲透-回流白云石化作用的背景條件。井底巖心揭示優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層，其現(xiàn)今埋深超過(guò)7 100 m，厚度達(dá)17 m(未見底)。全直徑孔隙度高達(dá)10.8%，滲透率高達(dá)87.5×10-3μm2，孔隙度與滲透率呈正相關(guān)關(guān)系。白云巖儲(chǔ)集空間主要為鑄?？着c晶間孔隙。

2.1 顯微巖石學(xué)特征

巖心與薄片均顯示白云巖的原始巖相為含生屑的顆粒(粒屑)灰?guī)r，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)與顏色的不均一性。在透射光下原始的顆粒組分顏色較深，而膠結(jié)物顏色相對(duì)較淺。盡管強(qiáng)烈的白云石化作用使得原巖結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了較大改變，但依然存在可識(shí)別的生屑鑄?？椎妮喞?圖3a)。透射光下，鑄模孔周圍基質(zhì)白云石顏色較深，呈直面自形，大小約200 μm；鑄模孔內(nèi)白云石膠結(jié)物相對(duì)較為干凈透明，直面自形，較基質(zhì)白云石略大。陰極發(fā)光下基質(zhì)白云石與白云石膠結(jié)物均為昏暗發(fā)光-不發(fā)光呈暗紅色，僅孔隙內(nèi)部自形白云石的邊緣存在“亮邊”(圖3b,c)。

除鑄?？淄?，還有一類與白云石化作用相關(guān)的孔隙。巖心上為呈糖粒狀且發(fā)育大量小孔，微觀上表現(xiàn)為白云石晶體支撐下形成的晶間角孔(圖3d,e)。陰極發(fā)光下直面自形白云石呈相似特征，昏暗發(fā)光-不發(fā)光呈暗紅色。局部存在后期成巖流體的改造，使得部分白云石晶間孔隙被連晶方解石膠結(jié)物充填。陰極發(fā)光下自形白云石發(fā)光強(qiáng)度增加，且白云石的亮邊變暗，方解石膠結(jié)物基本不發(fā)光(圖3f)。

2.2 儲(chǔ)層成因分析

從原位微區(qū)碳、氧同位素的分析結(jié)果看(圖3)，鑄?？装自剖z結(jié)物、基質(zhì)白云石以及發(fā)育晶間孔的白云石其碳、氧同位素組成基本相似。白云石膠結(jié)物與基質(zhì)白云石相比，碳同位素值差別(δ13C)最大不超過(guò)0.3‰；而δ18O差別從0～1.1‰，但均大于-5‰。由于白云石氧同位素的分餾主要受溫度控制(即白云石化流體溫度越高則形成的白云石氧同位素越負(fù))，故微區(qū)碳、氧同位素特征表明白云石化作用發(fā)生于相對(duì)低溫的埋深階段。

圖2 塔里木盆地玉北8井(a)、中19井(b)和古隆1井(c)鷹山組白云巖發(fā)育特征及樣品采集位置Fig. 2 Characteristics of dolomite development and sampling locations in the Yingshan Formation in Wells YB8(a)/Z19(b)/GL1(c),Tarim Basin

后期成巖流體一方面在白云石晶間孔隙內(nèi)形成方解石膠結(jié)物，另一方面對(duì)先存的直面自形白云石存在強(qiáng)烈的蝕變。主要表現(xiàn)為白云石氧同位素偏負(fù)(-6.7‰)，而碳同位素變化不大。指示成巖流體產(chǎn)物的方解石膠結(jié)物碳同位素為-3.2‰，氧同位素為-11.1‰。

孔隙形成之后對(duì)孔隙有重要影響的主要有白云石的次生加大、埋藏階段少量鞍形白云石的形成以及局部方解石的膠結(jié)。由于白云石化作用使得白云巖儲(chǔ)層具有更強(qiáng)的抗壓實(shí)、抗壓溶能力[33]，導(dǎo)致淺埋藏期形成的大量孔隙得以保存。

3 巖溶型白云巖儲(chǔ)層

3.1 顯微巖石學(xué)特征

巖心與薄片分析顯示該井鷹山組主要由云質(zhì)泥晶灰?guī)r、云質(zhì)亮晶-微亮晶似球?；?guī)r、云質(zhì)紋層藻灰?guī)r與生物鉆孔白云巖、粉晶-細(xì)晶白云巖構(gòu)成，以厚層白云巖夾薄層灰?guī)r為主要特點(diǎn)。從全區(qū)地層對(duì)比及局部構(gòu)造位置看，該井巖性組合特點(diǎn)顯示鷹山組中、上部灰

圖3 塔里木盆地玉北8井鷹山組白云巖巖石學(xué)特征與原位微區(qū)碳氧同位素分析結(jié)果Fig.3 Petrographic characteristics of dolomite sampled from the Yingshan Formation in Well YB8, Tarim Basin, and the in-situ δ13C & δ18O compositions a.加厚薄片，透射光下生屑?xì)堄嘟Y(jié)構(gòu)及鑄?？纵喞?，埋深7 175.39 m；b.陰極發(fā)光下白云石整體不發(fā)光，孔隙內(nèi)部白云石的邊緣呈磚紅色，埋深7 175.39 m，黃色圓圈為原位微區(qū)碳、氧同位素樣品取樣位置，取樣直徑為0.2 mm(下同)；c.生屑鑄模孔，陰極發(fā)光下白云石整體昏暗發(fā)光，孔隙內(nèi)白云石膠結(jié)物邊緣呈磚紅色，埋深7 175.39 m；d.陰極發(fā)光下孔洞發(fā)育區(qū)白云石整體不發(fā)光，埋深7 174.56 m；e.直面自形白云石發(fā)育晶間孔隙，埋深7 176.34 m；f.直面自形白云石晶間發(fā)育方解石膠結(jié)物，陰極發(fā)光下白云石具中等強(qiáng)度呈磚紅色、方解石整體不發(fā)光，埋深7 175.98 m Dol.白云石；Cal.方解石；Pore.孔隙

白云石晶體粒徑一般為0.10～0.25 mm，呈直面自形-半自形特點(diǎn)。晶體內(nèi)部富含方解石微包體，局部可見霧心亮邊結(jié)構(gòu)。白云石晶間以晶間溶孔為主要特征，少量晶間孔與晶內(nèi)溶孔。去白云石化作用表現(xiàn)為白云石晶內(nèi)、晶體邊緣被溶蝕成港灣狀并被方解石膠結(jié)，但依然具有白云石晶體的輪廓(圖4b，c)。白云巖中部分溶蝕孔、洞、縫被亮晶方解石膠結(jié)物充填，可見方解石晶體中殘留的白云石晶體碎片。陰極發(fā)光下白云石呈中等強(qiáng)度暗紅色，方解石昏暗發(fā)光-不發(fā)光(圖4d)。

圖4 塔里木盆地中19井鷹山組白云巖儲(chǔ)層去白云石化作用特征Fig.4 Characteristics of reservoir dedolomitization in the Yingshan Formation in Well Z19, Tarim Basina.鑄體光片，大氣淡水成因方解石膠結(jié)大量白云石晶間孔，茜素紅染色，藍(lán)色為殘余晶間孔、晶間溶孔，埋深5 520.60 m；b，c.圖a局部放大，部分白云石發(fā)生去白云石化(黑色箭頭)，埋深5 520.60 m；d.陰極發(fā)光下白云石具中等強(qiáng)度發(fā)光呈磚紅色、晶間與晶內(nèi)方解石膠結(jié)物不發(fā)光，埋深5 551.27 m； Dol.白云石；Cal.方解石

3.2 儲(chǔ)層成因分析

巖溶作用對(duì)白云巖的影響一方面表現(xiàn)為大氣淡水對(duì)原巖礦物的非組構(gòu)選擇性溶解形成次生孔隙，另一方面在溶蝕孔隙中形成大氣淡水成因方解石膠結(jié)物。在此過(guò)程中，白云石(巖)必然會(huì)受到流體作用的影響，包括碳氧同位素[35]、鍶同位素與微量元素組成[22]。

鷹山組灰?guī)rδ13C為-2.1‰～-0.8‰(平均-1.3‰，樣品數(shù)n=12)，δ18O為-9‰～-6.9‰(平均-7.7‰，n=12)。該分析結(jié)果與盆地范圍內(nèi)鷹山組灰?guī)r的分析數(shù)據(jù)基本一致，代表了同時(shí)期海相灰?guī)r的碳、氧同位素組成特征。白云巖全巖樣品的δ13C為-2‰～-0.7‰(平均-1.2‰，n=14)，δ18O為-10‰～-7‰(平均-8.1‰，n=14)。白云巖碳同位素組成與灰?guī)r基本一致，這是因?yàn)棣?3C值在成巖過(guò)程中較為穩(wěn)定。一方面，白云巖δ13C值主要代表前驅(qū)物灰?guī)r，而不是白云石化流體的δ13C特征[36]；另一方面，大氣淡水成巖環(huán)境中只有水巖比大于1 000的情況下才有可能改變碳酸鹽巖δ13C值[37]。氧同位素對(duì)成巖過(guò)程的響應(yīng)則較為敏感。碳酸鹽巖中如果白云石與方解石具有相似的流體來(lái)源，白云石δ18O值通常比共生方解石偏重2‰～3‰左右[38-39]。鷹山組白云巖與灰?guī)r互層共生關(guān)系表明其應(yīng)該具有相似的沉積-成巖流體特征，白云巖δ18O值應(yīng)該比灰?guī)r偏重。與此恰恰相反，該井白云巖全巖樣品δ18O組成反而偏輕，最高達(dá)-10‰(平均值偏輕0.3‰)。碳酸鹽礦物氧同位素的分餾主要受流體溫度與鹽度控制，貧18O通常反映流體具有較低鹽度或者較高的溫度。從白云巖儲(chǔ)層發(fā)育的地質(zhì)背景及其顯微巖石學(xué)特征分析，由于其經(jīng)歷了不整合面相關(guān)巖溶流體的影響以及次生方解石膠結(jié)物的發(fā)育導(dǎo)致其全巖氧同位素組成偏負(fù)。

4 熱液改造型白云巖儲(chǔ)層

已有較多文獻(xiàn)論述了盆地深部流體對(duì)碳酸鹽巖的改造作用[13-14,41-42]，充分表明熱液改造相關(guān)白云巖儲(chǔ)層是重要勘探對(duì)象之一。此類白云巖儲(chǔ)集空間的形成主要與白云石化之后的熱液流體作用相關(guān)，以次生熱液礦物組合為主要標(biāo)志。熱液流體性質(zhì)的差異一定程度上控制了熱液改造型白云巖儲(chǔ)層的復(fù)雜多變。原始白云巖的成分與結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)集空間的形成亦有一定的制約[43-51]。在此，以古隆1井為例介紹含硅熱液流體對(duì)鷹山組白云巖儲(chǔ)層的改造。古隆1井位于塔中Ⅰ號(hào)帶以北，臨近北東東向斷裂。鷹山組白云巖是主要的天然氣產(chǎn)層，儲(chǔ)集空間以裂縫、孔隙為主，代表性熱液礦物微晶石英。

4.1 顯微巖石學(xué)特征

由于二氧化硅溶解度隨溫度增加而顯著增加，因此深部來(lái)源含硅熱液自下而上進(jìn)入白云巖地層主要表現(xiàn)為石英的沉淀，白云石晶間孔隙被大量微晶石英充填膠結(jié)(圖5b,c)。含硅熱液具有一定的酸性組分(如CO2)，掃描電鏡下可見白云石晶面的弱溶蝕(圖5d)。單個(gè)白云石晶體包含了多個(gè)顆粒組分及粒間膠結(jié)物，表明原巖為顆粒結(jié)構(gòu)灰?guī)r(圖5a,b)。白云石晶間的初始孔隙可能來(lái)源于白云石化作用，而非灰泥組分的溶解。在鑄體薄片與電子探針背散射條件下可見微晶石英晶間發(fā)育一些微孔隙。

4.2 儲(chǔ)層成因分析

盆地深部熱液流體通常含有CO2，HF和H2S等酸性組分，沿?cái)嗔焉锨诌^(guò)程中其與碳酸鹽巖發(fā)生水-巖相互反應(yīng)。一方面形成溶蝕性儲(chǔ)集空間，另一方面熱液流體中物質(zhì)組分或流體-巖石相互作用的產(chǎn)物在儲(chǔ)集空間中形成熱液礦物。

螢石是典型的熱液礦物之一，已有較多研究表明其主要來(lái)源于盆地深部[41]。順南501井螢石流體包裹體分析表明其溫度達(dá)165～175 ℃，鹽度為15.5%～17.5%(NaCl)。熱液流體對(duì)白云巖改造過(guò)程中導(dǎo)致白云石與次生方解石相對(duì)富集Fe2+和Mn2+[52]。與螢石相比，石英是熱液流體活動(dòng)更為常見的產(chǎn)物。目前研究認(rèn)為，硅化儲(chǔ)集空間的形成主要與其中的CO2組分有關(guān)[53]，熱液流體中溶解的二氧化硅主要表現(xiàn)為石英沉淀。受流體中二氧化硅飽和程度、流體與圍巖相互作用過(guò)程溫度平衡等因素的影響，從含硅流體中快速析出的微晶石英晶間可發(fā)育一些微孔隙，其類似于加拿大西加盆地Parkland氣田熱液成因燧石儲(chǔ)層的形成[54]。受熱液蝕變影響的白云石、次生白云石與方解石膠結(jié)物的δ18O值較同時(shí)期灰?guī)r、白云巖明顯偏負(fù)(古隆1井裂縫白云石膠結(jié)物δ18O值達(dá)-14‰，方解石膠結(jié)物δ18O值達(dá)-12‰)。原位稀土元素分析表明，熱液改造白云石呈明顯的Eu正異常特征[55]。

圖5 塔里木盆地古隆1井鷹山組白云巖巖石學(xué)特征Fig.5 Petrographic characteristics of dolomite in the Yingshan Formation in Well GL1, Tarim Basina.白云石晶體內(nèi)具有多個(gè)顆粒組分結(jié)構(gòu)特征，晶間發(fā)育固態(tài)瀝青及殘余孔隙，埋深6 431.60 m；b.具顆粒結(jié)構(gòu)特征的白云石晶間被微晶石英膠結(jié)充填，埋深6 431.60 m；c.背散射條件下，白云石晶間微晶石英發(fā)育一些微孔隙，白云石晶內(nèi)具殘余方解石成分，埋深6 431.60 m；d.掃 描電鏡下可見被微晶石英包裹的白云石晶面發(fā)育溶蝕微孔，埋深6 530.54 m； Dol.白云石；Qtz.石英;Cal.方解石

5 結(jié)論

淺埋藏型白云巖儲(chǔ)層以高孔、高滲為典型特征，白云石自形程度好，晶間孔隙發(fā)育。不同類型白云石具有相對(duì)一致的碳、氧同位素組成，基本反應(yīng)了其形成于淺埋藏階段且具有相似流體來(lái)源的特點(diǎn)。巖溶型白云巖儲(chǔ)層與不整合面密切相關(guān)，大氣淡水作用下導(dǎo)致白云石晶間孔、晶間溶孔的形成，伴隨去白云石化與方解石膠結(jié)物的形成。白云巖全巖呈貧18O、富87Sr特征。熱液改造型白云巖儲(chǔ)層呈非均質(zhì)性特征，熱液流體與白云巖相互作用過(guò)程中一方面形成晶間孔、晶間溶孔，另一方面伴生螢石、石英與方解石等熱液成因膠結(jié)物。熱液礦物流體包裹體通常具有高溫高鹽度特點(diǎn)，相關(guān)白云石與方解石以貧18O、Eu正異常為典型特征。淺埋藏型白云巖儲(chǔ)層可能受沉積相、沉積微相的控制，巖溶型白云巖儲(chǔ)層主要受不整面相關(guān)巖溶作用的控制，而熱液改造型白云巖儲(chǔ)層與斷裂相關(guān)熱液流體活動(dòng)密切相關(guān)。