塔里木盆地順南地區中下奧陶統碳酸鹽巖儲層特征與主控因素

劉 軍，陳強路，王 鵬，尤東華，席斌斌，宮晗凝

(1.中國石化 西北油田分公司 勘探開發研究院，烏魯木齊 830011；2.中國石化 石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所,江蘇 無錫 214126)

隨著超深層領域油氣勘探不斷突破，深層—超深層領域規模有效儲層的形成與保存機制日益成為研究的熱點[1]。近年來，隨著塔里木盆地順托果勒弱變形構造帶的精細研究和勘探實踐，認識到與多期構造活動相關的走滑斷裂具有重要的控儲控藏作用[2-4]。順南地區位于順托果勒低隆的南部，目前已有多口鉆井獲天然氣勘探突破[5]，并開展了深入的斷裂解析研究[6-7]，提出中下奧陶統碳酸鹽巖發育多類型的儲集體[8-11]。但隨著研究和勘探的推進，圍繞儲層發育規律和主控因素還有待深入研究。如發現一間房組灰巖微孔隙較發育，但是否受臺內灘相控制還無定論；SN4井發現熱液改造型儲層，但對深成熱液作用對有效儲層的貢獻等仍存在爭議[12-18]。因此，充分認識儲層的基本特征，總結規模儲層發育的主控因素，對于精準開展儲層預測、實施勘探部署有重要意義。本文在沉積相和多期構造演化背景研究的基礎上，運用鉆井實物資料和綜合錄井成果，結合地震儲層預測，以巖石學特征、成巖作用和儲集空間類型為研究出發點，對順南地區中下奧陶統儲層特征、規模儲層發育的主控因素和發育模式進行研究，旨在為該區下一步的勘探部署提供依據。

1 構造沉積背景

順南地區處于塔中Ⅰ號斷裂帶下盤的塔中北坡，南北介于順托果勒低隆和古城墟隆起之間，西以塔中Ⅰ號斷裂帶與卡塔克隆起相鄰，東北與滿加爾坳陷相接(圖1)。前寒武紀—早奧陶世，塔里木盆地在伸展背景下發育伸展斷層；中—晚奧陶世，塔里木盆地由伸展轉換為擠壓區域構造環境，來自SW方向強烈的擠壓導致塔中Ⅰ號逆沖斷裂和塔中南緣逆沖斷裂強烈活動，卡塔克隆起初步形成[19-21]；志留紀—中泥盆世，昆侖洋最終閉合，中昆侖地體與塔里木板塊南緣碰撞拼貼，引起塔中東南部強烈的逆沖褶皺變形，同時伴隨阿爾金強烈的造山作用，古城墟隆起形成并不斷抬升。順南地區處于卡塔克隆起和古城墟隆起之間的弱變形構造帶，受控于區域構造環境，主要發育NE向和NEE向斷裂體系[6](圖1)。

寒武紀—中奧陶世，順托果勒—古城墟及以西地區廣泛發育碳酸鹽巖臺地，沉積了厚達3 000 m的海相碳酸鹽巖，東部發育欠補償盆地，順南地區位于“西臺東盆”向西凸的馬蹄形臺地邊緣的內部。寒武紀碳酸鹽巖臺地經歷了早寒武世早期緩坡—早寒武世晚期—中晚寒武世弱鑲邊、進積鑲邊的演化[22]。早奧陶世晚期—中奧陶世，臺地結構由弱鑲邊臺地演化為無鑲邊碳酸鹽巖臺地[23]。順南—古城墟地區發育下奧陶統蓬萊壩組(O1p)、中下奧陶統鷹山組(O1-2ys)、中奧陶統一間房組(O2yj)、上奧陶統恰爾巴克組和卻爾卻克組。蓬萊壩組為半局限臺地潮坪和臺內灘沉積。鷹山組下段整體處于局限—半局限淺水潮下帶環境，局部高部位發育潮間帶；鷹山組上段沉積水體加深，為半局限淺水潮下帶。一間房組下段仍為半局限淺水潮下帶，局部發育潮間帶；上段沉積水體明顯加深，沉積環境逐漸由半局限環境轉變為開闊過渡潮下帶。由于差異沉降導致的可容納空間的變化，順南地區鷹山組和一間房組厚度遠大于北部和南部的順北和古城地區[24]。晚奧陶世早期，隨著海平面持續上升，碳酸鹽巖臺地被淹沒，順南地區沉積了恰爾巴克組瘤狀泥質灰巖。晚奧陶世晚期，伴隨著區域擠壓作用的增強和海平面的持續上升，順南—古城墟與滿加爾坳陷連為一體，演化為超補償混積陸棚，沉積了厚度超過2 000 m、以泥巖、泥質粉砂巖為主的卻爾卻克組[25](圖1)。

圖1 塔里木盆地順南地區地質概要

2 儲層特征

2.1 巖石學特征

根據順南地區16口鉆井巖心和薄片資料統計分析，中下奧陶統構成儲層的主要巖石類型有灰巖、灰質云巖/云質灰巖、白云巖和熱蝕變形成的硅化巖。

(1)顆粒灰巖。顆粒成分有內碎屑、微球粒、生物碎屑等，大多富含藻屑；顆粒粒徑不均一，中等分選，亮晶方解石膠結，為潮汐水道沉積(圖2a,b)。

(2)藻粘結灰巖。藻粘結和凝塊結構，藻凝塊大小不一，分選差，泥晶支撐，為低能潮間帶—局限潮下帶沉積產物(圖2c)。

(3)細晶白云巖。主要發育于鷹山組下段，沉積環境以局限—半局限潮下帶為主，以厚層狀灰巖夾薄層淺灰色云巖為特征。白云巖晶形為他形—半自形，局部見由不同晶粒大小的白云石層構成的紋層，不均勻霧心亮邊，少量白云石晶面較干凈，晶體間多為鑲嵌接觸，沿碎粒化縫隙發育溶孔縫，被瀝青質充填，現有效孔隙主要為晶間孔、晶間溶孔(圖2g-i)。

圖2 塔里木盆地順南地區中下奧陶統儲層巖石學特征和孔隙發育特征

(4)熱蝕變硅化巖。SN4井鷹山組上段發育富硅熱液流體改造的蝕變硅化巖段，硅化巖的石英含量大于70%，最高可達95%以上，硅化巖殘余灰質含量介于10%～20%之間，粒間方解石膠結物小于10%。原始灰巖顆粒結構已被破壞，部分石英晶體邊緣平直，部分石英由于相互嵌合致使接觸邊緣彎曲。石英晶體呈自形—半自形柱狀，晶體長度介于50～500 μm之間，寬度為10～50 μm，長短軸之比為1～2(圖2k,l)。古城地區鷹山組下段硅化巖保持了交代原巖的碎粒化結構(圖2j)。

2.2 儲集空間類型和成因

根據對巖心觀察、薄片鑒定、常規掃描電鏡、氬離子拋光—聚焦離子束掃描電鏡和綜合錄井資料，順南地區中下奧陶統發育不同尺度的儲集空間，有微孔隙、孔隙、縫洞等類型。

(1)粒內微孔隙。鑄體薄片觀察為藻包殼內斑點(塊)溶蝕，具有明顯的顆粒組構選擇性(圖2a-c)。通過常規掃描電鏡、氬離子拋光—聚焦離子束掃描電鏡分析，藻屑內部分布有微孔隙，藻屑與藻屑之間的亮晶膠結物不發育微孔隙(圖2d)。微孔隙一種是自形方解石晶間棱角狀孔，孔隙大小主要介于幾百nm～幾個μm(圖2e)；另一種為有機孔，是有機質熱演化形成的瀝青收縮孔(圖2f)。

上述孔隙和微孔隙主要發育于一間房組下段的顆粒灰巖、藻粘結灰巖中，藻類等微生物的發育促進原始有機質的富集，半局限潮下沉積環境有利于有機質的保存；進入埋藏成巖環境隨著埋深的增加，藻屑內含的有機質達到成熟—過成熟階段，SN1井換算Ro達到2.1%[26]。有機質熱演化可形成有機質收縮孔，對SN7井26塊含藻屑顆粒的灰巖進行總有機碳含量(TOC)和微孔賦存氣分析，微孔賦存氣含量與TOC大致呈正關性(圖3)，微孔賦存氣含量和TOC較高的樣品對應的有機質充填部位，發育瀝青收縮孔，孔隙相對較大，連通性較好(圖2f)。同時有機質演化過程中有機酸的排出，促進了碳酸鹽灰泥的溶解和方解石的重結晶作用，形成了方解石晶間微孔。有機質演化過程生成一定量烴類氣體抑制成巖膠結，有利于孔隙的保存。但是，順南地區藻灰巖有機質含量總體較低，26個樣品TOC全部小于0.2%，生烴形成的有機酸規模不大，很難在顆粒間進一步溶蝕(圖2d)，這也可能是微孔隙僅發育于藻屑顆粒內而具組構選擇性的原因。此外,還偶見生物體腔孔、遮蔽孔等粒內孔。

圖3 塔里木盆地順南地區SN7井樣品微孔賦存氣濃度與總有機碳對應關系

(2)晶間和晶間溶蝕孔。主要是鷹山組下段白云巖中晶間孔與晶間溶孔，孔隙分布與微裂隙有關，微裂縫通常延伸較短，具有一定的定向性，沿微裂縫可見一定程度的擴溶(圖2h，i)。

(3)石英晶間孔。熱蝕變硅質巖中的石英晶間孔，這些晶間孔主要為短柱狀石英晶體形成的搭建構造而保留下來的，直徑約為0.1～1 mm(圖2l)。

(4)微裂隙。一種是局部擠壓應力作用下巖石發生碎粒化而發生的張裂縫，現今被瀝青充填(圖2g)；另一種是構造裂隙，早期被亮晶方解石充填，晚期為張開縫(圖2c)。

(5)礦物充填殘余縫洞。構造破裂作用形成的一組或多組不同寬度的裂縫被后期熱液作用改造，發生溶蝕和充填作用，礦物未完全充填形成的礦物晶洞和裂隙。如SN4井鷹山組熱液改造的硅化巖段發育高角度石英、方解石半充填及共軛的中角度方解石(部分含石英)充填—半充填縫，兩者相交處形成“V”字形孔洞；遠離高角度裂縫灰質含量增加，沿縫合線有溶蝕現象，局部發育溶孔(圖4)。未完全充填的裂縫、溶蝕孔和晶洞構成有效儲集空間。

圖4 塔里木盆地順南地區SN4井鷹山組熱蝕變硅化巖段巖心裂縫—孔洞發育特征

(6)縫洞儲集體。走滑斷裂帶斷面形成的斷裂空腔及其圍巖破碎帶在三維空間上形成斷縫儲集體，其發育程度與走滑斷裂帶的分段性、變形強度及多組斷裂的交叉有關[11]。這類儲集體往往被深層上行流體改造而具有溶蝕特征。由于儲集空間規模較大，主要表現在鉆井的放空和漏失(表1)，地震剖面表現為“串珠狀”反射特征。

表1 塔里木盆地順南地區鉆井放空漏失統計

2.3 儲層物性特征

2.3.1 一間房組灰巖物性特征

一間房組顆粒灰巖、藻粘結灰巖基質孔隙度和滲透率均比較低，據4口井51塊全直徑巖心樣品物性統計[27]，孔隙度在0.20%～3.90%，平均為1.52%，其中孔隙度小于2%的占樣品總數的74%；滲透率在(0.003～5.84)×10-3μm2，平均為0.62×10-3μm2，其中滲透率小于1.0×10-3μm2的占80%，屬于特低孔特低滲儲層(圖5a)。孔隙度和滲透率相關性差(圖5b)，不構成孔隙型儲層。SN7井孔隙度相對較高，但與滲透率相關性也很差(圖5)，反映出這類樣品發育孤立的孔隙。這些孔隙主要與藻灰巖發育有關，受一定的微相控制，孔隙的連通性是制約有效儲層的關鍵。

圖5 塔里木盆地順南地區一間房組灰巖物性特征[27]

2.3.2 鷹山組白云巖物性特征

順南地區白云巖儲層[28]主要分布于鷹山組下段。據5口鉆井79件直徑2.5 cm小柱樣氣體法孔隙度與滲透率測定結果分析，孔隙度在0.21%～3.6%之間，平均1.40%，其中孔隙度小于2%的占樣品數的80%；滲透率在(0.003～92)×10-3μm2之間，個別樣品滲透率值偏高與裂縫有關，平均值不具代表性(平均2.12×10-3μm2)，滲透率小于1.0×10-3μm2的樣品占84%，為特低孔特低滲儲層(圖6a)。孔隙度和滲透率相關性差(圖6b)，表明為非孔隙型儲層。從儲集空間類型分析，晶間孔的發育多與微裂隙相關，儲層為裂縫—孔隙型。5口井物性數據統計表明，孔隙度大于2%的樣品主要是SN501井，巖石學特征主要是具殘余結構中晶白云巖、細晶白云巖，無殘余結構中晶白云巖，與其他井樣品相比白云化程度較高，說明白云化對物性具有一定的改善作用。鄰區古城地區白云巖也具有相似的物性特征[29]，中—粗晶白云巖物性最好，孔隙度分布在2%～5%，滲透率主要分布在(0.01～10.00)×10-3μm2；細晶白云巖次之；微晶白云巖最差，孔隙度大多低于1%。

2.4 儲層類型

根據儲集空間組合關系、形成機制，將順南地區中下奧陶統碳酸鹽巖儲層類型劃分為斷控縫洞型、熱液改造孔縫洞型和裂縫—孔隙型3種。

圖7 塔里木盆地順南地區斷裂帶和斷裂裂隙發育特征

(2)熱液改造孔縫洞型儲層是斷控縫洞疊加了深部熱液作用的溶蝕、交代和充填改造。順南和古城地區分別在鷹山組上段灰巖和下段灰質云巖地層發育硅化巖孔縫洞型儲層。儲集空間是裂縫、硅化巖石英晶間孔和沉淀礦物未完全充填形成的晶洞(圖4)，硅化巖段石英晶間孔隙非常發育，硅化巖孔隙度可達20.5%[31]，是熱液改造孔縫洞型儲層主要的儲集巖類型。

(3)裂縫—孔隙型儲層包括灰巖裂縫—孔隙型儲層和白云巖裂縫—孔隙型儲層。灰巖裂縫—孔隙型儲層以孔隙和微孔隙為主要儲集空間，構成特低孔特低滲儲層，層位上主要分布于一間房組—鷹山組上段，其分布與藻灰巖沉積微相有關；單層厚度小，地層分布上不具明顯的特殊結構，預測難度比較大。白云巖裂縫—孔隙型儲層以白云巖晶間孔、晶間溶孔為主要儲集空間，構成特低孔特低滲儲層。由于晶間孔發育與白云巖化有關，層位上鷹山組下段及以下地層白云化程度高，白云巖儲層相對更發育；平面上由順南緩坡向古城墟隆起，儲層有變好的趨勢。

3 規模儲層的主控因素與發育模式

綜合上述分析，順南地區中下奧陶統碳酸鹽巖儲集空間類型多樣，既有鉆井顯示為放空、漏失等大尺度洞穴，也有基質/顆粒微孔隙；既有白云巖，也有灰巖，還有熱液交代的硅質巖，總體屬多類型、多成因的裂縫—孔洞型儲集體。儲層發育受構造破裂作用、深埋藏環境下的熱液溶蝕改造和沉積微相、白云巖化等多因素影響，而多期發育的走滑斷裂及伴生的裂縫是規模有效儲層形成的關鍵因素。

3.1 多階段發育的走滑斷裂是儲層發育的主要控制因素

各類儲集空間的成因機制分析表明(表2)，不同期次的張性斷裂、壓扭走滑斷裂、張扭走滑斷裂疊加，對儲層發育具有重要的控制作用。一是走滑斷裂形成的斷面空腔及圍巖裂縫構成的縫洞體是有效的儲集空間，斷裂的活動強度和分段性影響儲層發育的規模、部位[32-33]。勘探成果表明，SN4井部署在斷裂帶上，鷹山組上段發生井漏，放空5.48 m；SN5、SN501、SN401、SN7井等部署在主干斷裂帶之間，在鷹山組下段不同程度地發生井漏和放空，說明斷裂帶多期活動形成的縫洞系統是重要的儲集類型。二是走滑斷裂橋流泵吸機制，是深部熱液上行進行交代、溶蝕、沉淀形成熱液改造孔縫洞的先決條件。三是裂縫的溝通作用是白云巖晶間孔隙、藻灰巖顆粒內的微孔隙成為有效儲集空間的必要條件。

表2 塔里木盆地順南地區碳酸鹽巖各類儲集空間與成因關系統計

3.2 熱液侵入對儲層的改造作用

埋藏期深層熱液流體上行改造是順南地區儲層發育的一個顯著特點，如鷹山組多孔硅化巖儲集體[31]。深層酸性熱液沿深大斷裂上行進入碳酸鹽巖地層，在相對封閉的埋藏成巖環境中，溶蝕、膠結作用呈孿生關系存在，分別在不同部位出現縫洞發育帶和膠結帶，是孔隙組構的變化和孔隙空間的重新分配，地層總孔隙空間度基本保持不變[18]。碳酸鹽巖地層中由熱液流體帶來的硅、鋇、氟等離子的增加，形成新的礦物組合一定程度上還占據先存孔隙空間。雖然交代硅質可以形成硅化巖儲層，但交代作用的發生可能與先存原巖結構有關，有的硅化作用仍保持了碎粒化結構(圖2j)，說明擠壓破裂作用形成的碎粒化碳酸鹽巖可能是交代作用發生的特殊的局限條件，這也可能是有大量的熱液礦物組合指示熱液作用的存在，而形成硅化巖儲層僅有較少量例案的原因。SN4井鷹山組上段獲得天然氣(25.8～38)×104m3/d，除了3～4回次揭示的2.35 m縫洞型儲層和0.82 m硅化巖儲層外，走滑斷裂形成的5.8 m的放空段則是更為重要的儲集體。熱液活動需要有斷裂、不整合面和高滲透層作為熱液的通道，更多指示了先存儲集空間的存在，是埋藏階段物質和空間的再分配和再調整過程，從這種意義上講熱液作用對深部儲層的建設作用有限。對比SN4、SN501井熱液改造儲層的發育規模差別巨大，可能與走滑斷裂帶變形影響的斷裂—裂隙的發育范圍、富硅熱流體的上行流動強度、規模差異有關。

3.3 裂縫溝通作用是藻灰巖形成規模有效儲層的關鍵

如前文所述，SN7井一間房組藻屑灰巖中見有機質收縮孔和方解石晶間微孔，這些粒內微孔之間大多是連通的，而顆粒周邊往往未見孔隙和有機質，基本不連通(圖2d)。SN7、ST1井灰巖樣品的物性分析表明，藻灰巖由于微孔隙的發育具有明顯的“增孔”作用，38個直徑2.5 cm巖心柱塞樣物性分析孔隙度大于2%的占84%，但滲透率小于0.1×10-3μm2的占68%，小于1.0×10-3μm2的占79%(表3)，其中滲透率低于檢測限的占39%。根據物性的定義和測定規范，孔隙度的測定以孔隙體積占樣品總體積的百分比表征儲集性，而滲透率表征巖石的連通性。物性分析結果表明，滲透率與孔隙度的相關性很低，SN7井的微孔賦存氣是藻屑熱演化自生而孤立封存的，不代表外部運移來的烴類，說明這類藻灰巖，必須有裂縫的溝通作用才能成為有效儲層。

表3 塔里木盆地順南地區微生物相關灰巖巖心柱塞樣物性分析

3.4 規模有效儲層發育模式

通過對研究區儲集空間與成因、儲層類型與主控因素的分析，建立了儲層發育模式(圖8)。

圖8 塔里木盆地順南地區中下奧陶統碳酸鹽巖儲層發育模式

早奧陶世晚期—中奧陶世，順南地區總體處于局限—半局限淺水潮下帶環境，局部高地勢部位發育潮間帶，高能灘相不發育，沉積了泥晶灰巖、泥晶顆粒灰巖和藻粘結灰巖。同生—準同生期海水潛流環境下顆粒沉積以后出現泥晶化和海底膠結作用，大量的原生孔隙消失，局部高地準同生期形成的少量鑄模孔隨著進入埋藏成巖環境逐步膠結充填，保存有少量生物遮蔽孔。早成巖期下奧陶統灰巖被大量交代成微晶白云巖，云化作用的不徹底性形成云質灰巖或灰質云巖。埋藏環境中微晶灰巖進一步重結晶，形成粉—細晶自形—半自形云巖，并向中—粗晶白云石轉變，發育晶間孔。順南地區處于塔中Ⅰ號斷裂帶的下盤，整體構造隆升程度較弱，缺乏強烈表生巖溶作用的地質條件，加里東期—海西早期多階段的壓扭、張扭走滑斷裂，使中下奧陶統碳酸鹽巖發生強烈的破裂作用，形成斷裂控制的縫洞儲集體，構成中下奧陶統最重要的儲集空間。晚泥盆世深部熱流體沿深大斷裂上行對縫洞體改造，發生熱液溶蝕和熱蝕變礦物的充填作用，形成熱液改造斷控縫洞型儲層。隨著埋深的不斷增加，藻灰巖中的有機質不斷熱演化，具有一定的生烴能力，生烴作用中的有機酸對藻屑顆粒進行溶蝕，同時有機質在高—過演化階段形成有機收縮孔，這些孔隙疊加構造裂隙，可成為有效儲層。經過多階段的成巖演化，中下奧陶統現今可形成多類型的儲集空間，并由斷裂貫穿圍繞不同主干斷裂、次級斷裂和派生斷裂帶，構成立體儲集系統。

4 結論

(1)順南地區中下奧陶統沉積期處于局限—半局限淺水潮下帶環境，局部高地勢部位發育潮間帶，高能灘相總體不發育。研究區位于塔中Ⅰ號斷裂帶的下盤，整體構造隆升程度較弱，不具備發生強烈表生巖溶作用的地質條件。中下奧陶統儲層發育縫洞儲集體、礦物充填殘余縫洞、孔隙和微裂隙等不同尺度的儲集空間，這些儲集空間主要形成于埋藏期成巖次生改造和構造破裂作用。

(2)根據儲集空間組合關系、形成機制，研究區中下奧陶統碳酸鹽巖儲層類型劃分為斷控縫洞型、熱液改造孔縫洞型、裂縫—孔隙型3種。裂縫—孔隙型分布于一間房組—鷹山組上段灰巖和鷹山組下段白云巖基質中，基質物性較差，裂縫的溝通作用才能成為有效儲層。

(3)加里東期—海西早期多階段的壓扭、張扭走滑斷裂，使中下奧陶統碳酸鹽巖發生強烈的破裂作用，是中下奧陶統規模有效儲層發育的關鍵因素，不僅形成了縫洞體儲集空間，還是溝通孔隙、微孔隙成為有效儲層和發生熱液作用的必要條件。熱液對儲層的改造作用更多指示了先存儲集空間的存在。