塔北與塔中地區奧陶系碳酸鹽巖儲層成因對比研究

阮 壯,于炳松,李朝暉,譚廣輝

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;2.中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點實驗室,北京 100083;3.吉林油田勘探開發研究院,吉林 松原138000)

塔北與塔中地區奧陶系碳酸鹽巖儲層成因對比研究

阮 壯1,于炳松2,李朝暉3,譚廣輝1

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;2.中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點實驗室,北京 100083;3.吉林油田勘探開發研究院,吉林 松原138000)

通過儲層發育層段、儲層類型、沉積演化、巖溶作用等方面的對比,發現塔北與塔中地區奧陶系碳酸鹽巖儲層在發育層位、沉積演化及巖溶期次上既有相似性,也有差異性。在塔中地區的油氣勘探中,應注意下奧陶統古風化殼巖溶發育與塔北地區的差異性,加強對上奧陶統礁灘儲集體的勘探。

塔里木盆地;奧陶系;碳酸鹽巖儲層;巖溶作用

塔里木盆地海相碳酸鹽巖有巨大的油氣資源潛力[1～3]。但在塔中地區,雖然早在 1989年和 1994年分別先后發現了塔中 1井下奧陶統白石巖潛山凝析氣藏和塔中 16井上奧陶統良里塔格組風化殼巖溶型油藏,但塔中地區奧陶系巖溶儲層特征和分布規律目前尚存諸多疑問,制約了該區碳酸鹽巖油氣勘探的進一步突破。近年來,塔中地區的勘探研究有了較大進展。本文通過對塔中、塔北地區奧陶系碳酸鹽巖儲層的對比,分析兩者在發育特征上的異同點,期望為塔中地區下一步油氣勘探提供參考。

1 儲層基本特征

1.1 巖石學特征

塔里木盆地寒武系-奧陶系碳酸鹽巖儲層主要為石灰巖和白云巖兩大類,其次是它們之間的過渡類型。灰巖主要分布在下奧陶統上部和上奧陶統下部,儲層巖石類型主要為亮晶粒屑灰巖、泥晶粒屑灰巖、生物灰巖及粒屑泥晶灰巖。白云巖在下奧陶統中相對發育,主要為不同成巖環境中形成的交代白云巖,并大多經歷了埋藏期較高溫度的改造。

1.2 儲層物性特征

1.3 儲層類型

按儲層的成因與巖性,可將塔中地區奧陶系碳酸鹽巖儲層劃分為白云巖溶蝕孔洞型儲層、白云巖巖溶縫洞型儲層、灰巖巖溶縫洞型儲層、礁灘相溶蝕孔洞型儲層和裂隙型儲層 5種類型。塔北奧陶系碳酸鹽巖儲層分為洞穴型、風化裂隙型、構造裂隙型、臺緣灘相顆粒灰巖溶蝕孔隙型、花斑狀灰巖裂隙-孔隙型和地表殘積物裂隙孔隙 (洞)型等 6種類型。其儲滲空間包括溶蝕孔隙、溶蝕孔洞、大型洞穴、風化裂隙和構造裂隙 5種類型[4]。可見,無論是塔北地區,還是塔中地區,后期改造形成的孔、隙、縫、洞是造成碳酸鹽巖儲層儲油物性變好的直接原因[5,6]。

1.4 儲層發育層位

塔中地區儲層主要有兩個層段,分別為下奧陶統鷹山組和上奧陶統良里塔格組。鷹山組的巖性以灰質白云巖及白云巖為主,其上缺失了中奧陶統的一間房組和卻爾卻克組,直接覆蓋上奧陶統的良里塔格組和桑塔木組地層。良里塔格組的巖性以生物屑泥晶灰巖、泥晶砂屑灰巖和生物礁灰巖為主。

塔北地區儲層發育層段為中奧陶統一間房組,巖性以一套開闊臺地相的生物屑泥晶灰巖、砂屑灰巖為主。大部分地區一間房組之上的中上奧陶統地層全部缺失,直接與志留系地層不整合接觸。

2 沉積特征

2.1 沉積演化

1.塔中地區

塔中地區晚寒武世—早奧陶世早中期發育厚層狀灰質白云巖,晚期發育泥晶灰巖。中奧陶世末,由于海平面迅速下降,致使中下奧陶統頂部遭受侵蝕[7]。在地層結構中,由于上寒武統以上奧陶統內部地層巖性較均一,缺乏好的巖性界面,地震反射以平行、弱反射為主,甚至認空白反射為主。在經歷了中奧陶世末海平面大規模下降之后,晚奧陶世海平面快速回升。在旋回的早期,發育良里塔格組局限臺地相生物屑泥晶灰巖、泥晶砂屑灰巖和生物礁灰巖。向上灰巖層逐漸減小,而碎屑巖沉積增多,發育混積內陸棚環境下的巨厚層暗色泥巖沉積(圖 1)。

圖 1 塔中地區寒武 -奧陶系層序結構與沉積模式1.白云巖;2.膏巖;3.灰巖;4.礁灰巖;5.粒屑長巖;6.砂巖;7.粉砂巖;8.泥巖;9.上超;10.削截;11.丘形體Fig.1 Internal structures and sedimentarymodel for the Cambrian-Ordovician stratigraphic sequences in central Tarim Basin1=dolostone;2=gypsolith;3=limestone;4=reef limestone;5=grainstone;6=sandstone;7=siltstone;8=mudstone;9=onlap;10=truncation;11=mound

2 塔北地區

塔北地區下中奧陶統厚度由臺地相區向斜坡-盆地相區迅速減薄,并在其頂部形成視削截型式的退積結構,代表著海平面的快速上升而引發的臺地邊緣向陸地方向遷移。上奧陶統地層東厚西薄,為一個巨大的楔狀體,由東向西呈超覆結構,巖性以泥巖為主變為泥灰巖與泥巖互層沉積,顯示為混積陸棚環境 (圖 2)。

開展跨城鄉“文化走親”和文化旅游。近年來，隨著農村居民文化消費需求提升和審美喜好習慣的變化，他們已不再滿足于“文化下鄉”的老節目、老面孔，產生了從“單一性”向“多樣化”、從“普泛性”向“特色化”、從“原居地”向“跨區域”、從

由此可見,塔中、塔北地區在沉積演化特征上有著很大的相似性,沉積相的縱向展布上也有一致性。但是在塔中地區,T74不整合面使下奧陶統頂部的地層遭受剝蝕,T74界面下巖溶儲層為下奧陶統鷹山組局限臺地相白云巖、灰質白云巖。而在塔北地區,T74不整合面造成的剝蝕程度相對較低,中奧陶統沉積整體發育。因此,T74界面控制的巖溶儲層是中奧陶統一間房組臺緣高能相帶的顆粒灰巖類。塔北和塔中地區晚奧陶世地層均發育,但加里東晚期與海西期構造運動所產生的 T70不整合面使塔北地區大面積暴露遭受長時間剝蝕,整個上奧陶統及中奧陶統頂部沉積被剝蝕,部分地區甚至直接與T7

4不整合面疊加,直接剝蝕至下奧陶統,在上奧陶統依然保留的地區則發育混積陸棚相,沒有形成良好儲層的基本條件。在塔中地區,上奧陶統發育相對完整,良里塔格組為一套高能礁灘相帶灰巖,構成了一套質量較好的儲集體。

圖 2 塔北地區寒武 -奧陶系層序結構 (a)與沉積模式 (b)Fig.2 Internal structures(a)and sedimentary model(b)for the Cambrian-Ordovician stratigraphic sequences in northern Tar im Basin

2.2 碳酸鹽巖臺地沉積體系

雖然塔北、塔中地區沉積演化相似,但控制儲層發育的因素還包括了其它許多方面,其中臺地結構對于儲層的影響很大。在中奧陶世時,塔中、塔北兩地的臺地沉積形態有很大的差異。

經典層序地層學理論指出:碳酸鹽巖的坡折帶通常是由臺地邊緣礁灘相發育形成的。當然,構造斷裂系統也可以成為控制坡折帶發育的主要因素。這兩種不同因素所控制的臺緣形態在中上奧陶統中塔北地區得到了典型的體現,塔中地區主要受 I號斷裂帶的控制,發育斷崖型臺地邊緣結構 (圖 3);而塔北地區地形平坦,臺地邊緣發育的礁灘成為了控制臺緣形態的主要因素,可將其稱為陡坡型臺地邊緣結構 (圖 4)[8]。

圖 3 塔中地區斷崖型臺緣結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the cliff-type platform-margin in central Tarim Basin

圖 4 塔北地區陡坡型臺緣Fig.4 Schematic diagram of the scarp-type platform-margin in northern Tarim Basin

塔中地區在中晚奧陶世的地層中發育大量斷裂系統,這有利于晚奧陶世該地區的同生期巖溶作用發育,沿著斷裂帶在良里塔格組的臺緣礁灘相中往往發育淡水淋濾作用,淡水透鏡體發育[10]。但斷層所造成的古地貌落差導致塔中地區的暴露面積小,往往斷層上盤才得以暴露。塔北地區的平坦古地貌導致了地層的整體抬升暴露。因此,塔中地區接受風化殼巖溶改造的面積、時間遠不如塔北,且均一性也比塔北地區差。

3 巖溶作用

塔北與塔中地區的巖溶作用按發生的成巖環境,可劃分為同生巖溶、風化殼巖溶和埋藏巖溶等 3種類型。這 3種不同類型的巖溶在塔中、塔北地區奧陶系碳酸鹽巖中發育良好,是儲層形成的主控因素之一。

3.1 同生巖溶

同生巖溶作用發生于同生期大氣成巖環境中。受次級沉積旋回和海平面變化的控制,尤其在海退沉積序列中,伴隨海平面周期性相對下降,粒屑灘、骨架礁等淺水沉積體,時而出露海面或處于淡水透鏡體內,在潮濕多雨的氣候下,受到富含 CO2的大氣淡水的淋濾,發生選擇性和非選擇性的淋濾、溶蝕作用,形成大小不一、形態各異的各種孔隙。同生期巖溶產生的孔隙通常難以保存,塔中與塔北地區同生巖溶作用所產生的孔隙往往都被后期充填[9]。

3.2 埋藏巖溶

塔北地區奧陶系碳酸鹽巖熱水溶蝕作用明顯。雅克拉地區的晶洞石英溶洞充填礦物中的異形白云石及高嶺石充填物中六方板柱狀的迪開石都證明了塔北熱水溶蝕作用的存在[10]。塔中 12井 4654m處縫洞充填物的礦物學和地球化學分析表明,不同類型、期次和生長環帶的礦物微量元素含量雖然有不同程度的變化,但總體上具有高含量 Mg、Ba、Mn、Fe、Ti、Ni和 Zn的特點。其相對高的 Zn、Ni含量指示其形成時的流體介質有深部流體的加入。

3.3 風化殼巖溶

1.巖溶發育條件

風化殼巖溶受不整合面的控制。對于風化殼巖溶,可主要通過與剝蝕面伴生的風化殘積層、高角度溶溝和溶縫、大型溶洞、中小型溶蝕孔洞、鉆井過程中的鉆具放空以及泥漿的大量漏失、電測井曲線上表現出高自然伽瑪和低電阻等標志加以識別。在不整合界面之下,裂縫與溶孔具有伴生的特點 (圖 5)。在塔中與塔北地區的奧陶系中,風化殼巖溶是控制儲層發育的最重要因素。儲油空間最大的溶洞、溶孔通常都是風化殼巖溶的結果。

圖5 T74不整合面下裂縫與溶孔發育特征Fig.5 Characteristics of the fissures and solution openings beneath T74unconformity

2.巖溶期次

巖溶期次是評價風化殼巖溶的重要因素,一般而言,疊加了多期次巖溶作用的儲層質量要好于發生單期次巖溶作用的儲層[11,12]。

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖經歷了中奧陶世末、奧陶紀末 -志留紀初、志留紀末 -泥盆紀初、晚泥盆世中期四個期次巖溶作用的改造,各期巖溶作用發生的強度在不同構造上存在差異,對儲層的影響也不盡相同 (表 1)。

加里東中期巖溶主要表現為早中奧陶世與晚奧陶世之間、中晚奧陶世內部及晚奧陶世末發生的巖溶作用。該期巖溶可分為 3幕:

加里東中期第一幕:為下奧陶統與中下奧陶統之間的古巖溶。沙西地區表現較弱,該區英買 1井下奧陶統頂部顆粒灰巖中顆粒周圍發育氧化鐵環邊,并有星散分布的褐鐵礦化黃鐵礦;下奧陶統頂部為灰綠色至暗紫紅色的雜色灰巖,與上覆中奧陶統底部的深灰色鈣質泥巖在巖性和色調上明顯突變,表明前者遭受過地表風化。此外據地震資料,阿克庫勒凸起圍斜及滿加爾坳陷下奧陶統與中上奧陶統上超明顯,表明其間有間斷,塔中地區表現為下奧陶統與中上奧陶統之間的平行不整合接觸。因此,該期運動影響范圍較大,造成下奧陶統頂部較強的巖溶。

加里東中期第二幕:為中上奧陶統內部良里塔格組與桑塔木組之間的古巖溶。在阿克庫勒凸起表現明顯。塔中地區不發育。

加里東晚期第三幕:為奧陶系與志留系間的古巖溶,在塔北地區表現明顯。地震資料表明,在碳酸鹽巖臺地沉積區,志留系上超明顯,可見下伏地層被切削,表明志留系與奧陶系間多為假整合到微角度不整合接觸。該幕在塔中地區表現強烈,造成中央壘帶和塔中東部地區缺失中上奧陶統,導致下奧陶統較強的溶蝕作用。

海西早期巖溶以阿克庫勒地區最為顯著,該區鉆井普遍見下石炭統與下奧陶統呈假整合或角度不整合接觸,下奧陶統碳酸鹽巖受到強烈的古巖溶作用 (可能疊加了加里東中期等二幕)。此外,雅克拉部分地區 (如沙 5井區)亦受該期巖溶作用。該期巖溶作用在塔中東部表現強烈,導致塔中東部地區石炭系直接覆蓋在下奧陶統碳酸鹽巖之上。

海西晚期巖溶以雅克拉至沙西凸起中部及北部最顯著,表現為三疊系與下伏下奧陶統以及寒武系-震旦系碳酸鹽巖呈不整合接觸,該區碳酸鹽巖受到強烈的古巖溶作用 (可能疊加前期古巖溶作用)。

印支-燕山期巖溶僅在局部地區有所表現,如沙西凸起北部,表現為侏羅系或白堊系與下奧陶統不整合接觸,使后者受到較強的古巖溶作用。該期巖溶在塔中隆起也不發育。

表 1 塔北、塔中地區奧陶系巖溶期次對比表Table1 Comparison of the karstification phases of the Ordovician strata in northern and central Tar im Basin

3.4 巖溶結果

在塔中與塔北地區的奧陶系中,同生巖溶及埋藏巖溶都屬于相對次要巖溶作用,同生巖溶幾乎都得不到保存。塔中、塔北兩地區最大的區別體現在遭受風化殼巖溶的面積與期次上。塔北地區奧陶系碳酸鹽巖主要接受海西早期、海西晚期的巖溶改造,其次是加里東中期;塔中地區則是加里東中期第一幕、加里東晚期和海西早期三期巖溶作用最強烈。相對而言,塔北地區奧陶系碳酸鹽巖所經受的巖溶期次多、暴露時間長,且由于臺地結構特征暴露面積廣。這也是塔北地區能形成塔河-輪南這樣億噸級大油田的原因。當然,塔中地區比塔北多了良里塔格組儲層,其勘探潛力還有待進一步論證。

4 主要認識與結論

(1)塔中與塔北地區的碳酸鹽巖儲層的發育層段不同,塔中地區儲層主要為下奧陶統鷹山組局限臺地相白云巖以及上奧陶統良里塔格組高能礁灘相生物屑泥晶灰巖、泥晶砂屑灰巖和生物礁灰巖。塔北地區儲層主要為中奧陶統一間房組開闊臺地相生物屑泥晶灰巖、砂屑灰巖。

(2)塔中與塔北地區奧陶系的沉積演化特征的相似性造成它們在沉積相的縱向展布上也有很大的相似性。

(3)在塔中地區,斷裂帶控制的臺緣形態導致該地區遭受風化殼巖溶面積較小;塔北地區奧陶世的平坦古地貌造成塔北接受風化殼巖溶改造的面積大。

(4)塔北地區奧陶系碳酸鹽巖巖溶期次以海西早期、海西晚期最為強烈,其次是加里東中期。塔中地區則以加里東中期第一幕、加里東晚期和海西早期三期巖溶作用最強烈。塔北地區奧陶系碳酸鹽巖所經受的巖溶期次多、暴露時間長,而塔中地區奧陶系碳酸鹽巖的巖溶期次少,暴露時間相對較短。

(5)根據塔北與塔中地區奧陶系儲層的對比研究,可以預測塔中地區也有著優質碳酸鹽巖儲層發育的條件。但鑒于兩者在構造演化和儲層發育上的差異性,在塔中地區奧陶系儲層研究中,應注意下奧陶統古風化殼巖溶發育與塔北地區的區別,重視在不整合面下伏地層中尋找與斷裂作用密切關聯的巖溶。同時,應加強對上奧陶統礁灘相儲集體的勘探。

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Comparative study of the genesis of the Ordovician carbonate reservoir rocks in northern and central Tarim Bas in,X injiang

RUAN Zhuang1,YU Bing-song2,L I Zhao-hui3,TAN Guang-hui1
(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Exploration,China University of Petroleum,B eijing102249,China;2.State Key Laboratory of Geological Processes and M ineral Resources,China University of Geosciences,Beijing100083,China;3.Research Institute of O il Field Exploration and Developm ent,Songyuan138000,Jilin,China)

The comparative study of reservoir horizons,reservoir types,sedimentary evolution and karstification phases indicates that there are both similarities and differences in reservoir horizons,sedimentary evolution and karstification phases of the Ordovician carbonate reservoir rocks in northern and central Tar im Basin,Xinjiang.In the petroleum exploration in central Tar im Basin,particular attention should be drawn to the UpperOrdovician reef reservoirs due to their differences in the development of palaeo-weathering crust karsts in the Lower Ordovician strata in northern Tarim Basin.

Tarim Basin;Ordovician;carbonate rock reservoir;karstification

1009-3850(2010)03-0084-06

2010-01-20;改回日期2010-08-05

阮壯 (1983-),男,博士研究生,巖石學、礦物學、礦床學專業

受國家自然科學基金項目 (40472064、40672079)和中國地質大學 (北京)海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室開放基金項目(2008-01)

TE122.2+21

A

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