塔里木盆地下寒武統(tǒng)微生物礁儲集性研究及油氣勘探意義

王　凱關(guān)　平鄧世彪劉沛顯金亦秋

（1.北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點實驗室 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 北京 100871；2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院 北京 100083）

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塔里木盆地下寒武統(tǒng)微生物礁儲集性研究及油氣勘探意義

王凱1關(guān)平1鄧世彪1劉沛顯1金亦秋2

（1.北京大學(xué)造山帶與地殼演化教育部重點實驗室 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院 北京 100871；2.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院 北京 100083）

摘 要通過塔北西部—柯坪地區(qū)大量的野外露頭觀測及室內(nèi)薄片觀察與物性分析，對塔里木盆地下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組上二亞段微生物礁白云巖儲集性進(jìn)行了精細(xì)研究。該層微生物礁僅在研究區(qū)南部三個剖面有發(fā)現(xiàn)，其中在昆蓋闊坦剖面發(fā)育數(shù)量最多、體積最大，呈近東西向帶狀、串珠狀分布；英爾蘇和蘇蓋特布拉克兩剖面發(fā)育數(shù)量和體積皆較小，呈現(xiàn)由南到北逐減趨勢。微生物礁白云巖具有粒內(nèi)孔、晶間孔、溶孔、格架孔、微裂縫和縫合線6種儲集空間，但儲集性能遠(yuǎn)低于預(yù)期目標(biāo)，平均孔隙度與滲透率分別僅有1.84％和0.91×10-3μm2，屬于特低孔特低滲儲集體。結(jié)合前人工作不難發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地下寒武統(tǒng)甚至更老地層的微生物礁不應(yīng)再作為臺緣帶油氣勘探的重點對象，而臺緣微生物顆粒灘更具有勘探潛力。

關(guān)鍵詞微生物礁 儲集性 塔里木盆地 下寒武統(tǒng) 油氣勘探

0 引言

微生物以無所不在、數(shù)量巨大以及豐富多樣的新陳代謝過程在地球表層系統(tǒng)中起到重要作用［1-7］。特別是，中新元古界到奧陶系廣泛發(fā)育的微生物碳酸鹽巖，是微生物巖最重要的富集層位，越來越受地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注，有關(guān)微生物巖的研究也越來越多［8-30］。隨著研究與勘探的深入，世界上不斷有微生物礁作為儲層的油氣田被發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地下寒武統(tǒng)微生物礁也成為了研究的重點［31-34］。 羅平等［23］和宋金民等［24-26］對該層位微生物巖進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，特別是以蘇蓋特布拉克剖面為主體對研究區(qū)微生物碳酸鹽巖巖石結(jié)構(gòu)特征和儲集性特征進(jìn)行了論述。但筆者通過對研究區(qū)詳細(xì)的野外精細(xì)測量發(fā)現(xiàn)，塔北西部—柯坪地區(qū)微生物礁在昆蓋闊坦剖面發(fā)育數(shù)量最多、體積最大，其他剖面發(fā)育規(guī)模較小或不發(fā)育。因此，本文以昆蓋闊坦剖面的微生物礁為主要研究對象，利用詳細(xì)的野外測量、采樣和室內(nèi)薄片觀察以及物性分析，對研究區(qū)微生物礁的宏觀分布、巖石結(jié)構(gòu)與儲集性及油氣勘探意義做進(jìn)一步厘清和研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于塔里木盆地西北部烏什縣境內(nèi)，屬于柯坪斷隆構(gòu)造分區(qū)，北東距阿克蘇市區(qū)約100 km。研究區(qū)地層出露良好，中下寒武統(tǒng)尤為發(fā)育，是早古生代微生物礁白云巖研究的天然實驗室。本次研究選取了七個典型剖面，從南向北依次為昆蓋闊坦剖面、英爾蘇剖面、蘇蓋特布拉克剖面、喀克巴什剖面、金磷礦剖面、庫魯南剖面和奧依皮克剖面（圖1）。

研究區(qū)下寒武統(tǒng)地層出露完整，從下到上依次為玉爾吐斯組、肖爾布拉克組和吾松格爾組，底部與奇格布拉克組平行不整合接觸，頂部與沙依里克組整合接觸（表1）。

塔里木盆地早寒武世早期發(fā)生大規(guī)模海侵，隨后則發(fā)生持續(xù)性海退。研究區(qū)早寒武世早期屬于深水臺地相，中晚期則演變?yōu)闇\水碳酸鹽臺地相［35-36］。塔里木盆地早寒武世是具有緩坡—（斜坡坡度較小的）弱鑲邊的臺地［37-39］，在其南部地形較高的昆蓋闊坦、英爾蘇和蘇蓋特布拉克三剖面發(fā)育微生物礁。微生物礁主要集中在肖爾布拉克組上二亞段下部，并以昆蓋闊坦剖面最為典型（圖2）。根據(jù)筆者以及前人研究，潮下高、低能交替環(huán)境沉積形成了肖爾布拉克組，而微生物礁則形成于潮下高能帶［24］。

圖1　研究區(qū)地質(zhì)圖及剖面位置（據(jù)參考文獻(xiàn)［40］修改）Fig.1 Geologic map and location sections in the study area

表1　研究區(qū)下寒武統(tǒng)地層框架Table 1 Stratigraphic fram ework of Lower Cambrian in the study area

2 微生物礁特征

目前，學(xué)者們常根據(jù)不同的觀察尺度將微生物碳酸鹽巖按微觀結(jié)構(gòu)（microfabrics）、宏觀構(gòu)造（macrostructures）和巨觀構(gòu)造（megastructures）進(jìn)行分類［3，23，46］。因此，下面從宏觀展布、巖石手標(biāo)本和顯微鏡下特征對研究區(qū)微生物礁進(jìn)行詳細(xì)論述。

2.1 微生物礁宏觀展布特征

根據(jù)詳細(xì)的野外露頭觀察，下寒武統(tǒng)微生物礁只發(fā)育在研究區(qū)南部的昆蓋闊坦、蘇蓋特布拉克和英爾蘇三個剖面，其中以昆蓋闊坦剖面礁體發(fā)育數(shù)量最多、體積最大，厚度可達(dá)30 m（圖2）；英爾蘇剖面次之，厚度在20m左右；蘇蓋特布拉克剖面發(fā)育最薄，厚度不足10 m。微生物礁整體呈由南向北厚度逐漸減薄、規(guī)模逐漸減小的趨勢，并且在蘇蓋特布拉克剖面以北不再見礁體出露。

在昆蓋闊坦剖面露頭區(qū)，微生物礁出現(xiàn)在肖爾布拉克組的第16分層，全區(qū)約10 km內(nèi)的礁體成群分布。在前后距離2～3 km范圍內(nèi)連續(xù)觀察到8個微生物礁體群，礁體群在東西向上呈帶狀、串珠狀分布。礁體群厚度可達(dá)30 m，南北向展布達(dá)100 m；單個微生物礁體厚度最大可達(dá)25m，南北展布長達(dá)35m（圖3a，b）。

圖2　昆蓋闊坦剖面下寒武統(tǒng)綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Lower Cambrian in Kungaikuotan Section

圖3　研究區(qū)下寒武統(tǒng)微生物礁宏觀特征a.微生物礁宏觀特征，礁體右上角與地層楔狀接觸，昆蓋闊坦剖面1號礁體，羊圈高2.5m；b.微生物礁宏觀特征，礁體明顯分兩期，第二期礁體向南進(jìn)積，昆蓋闊坦剖面2號礁體；c.微生物礁宏觀特征，橫切面呈鞍狀，英爾蘇剖面；d.微生物礁宏觀特征，兩礁體相連呈連續(xù)的丘狀，蘇蓋特布拉克剖面。Fig.3 Macroscopic characteristics of Lower-Cambrianmicrobial reefs in the study aera

在英爾蘇剖面露頭區(qū)，微生物礁出現(xiàn)在肖爾布拉克組的第10分層，呈小型丘狀和鞍狀（圖3c）。在蘇蓋特布拉克剖面區(qū)，微生物礁僅出現(xiàn)在肖爾布拉克組的第12～13層，產(chǎn)出規(guī)模較小，常夾在地層中（圖3d）。

2.2 微生物礁巖石學(xué)特征

通過巖石野外樣品和顯微鏡下觀察，研究區(qū)微生物礁主要發(fā)育凝塊石結(jié)構(gòu)、似球粒結(jié)構(gòu)、包殼結(jié)構(gòu)、紋層構(gòu)造和縫合線構(gòu)造5種結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特征（圖4）。

凝塊石結(jié)構(gòu)（圖4b）是研究區(qū)常見的微生物結(jié)構(gòu)，凝塊石內(nèi)部顏色較深，為泥晶白云巖，凝塊石間為細(xì)—粉晶白云巖。

似球粒結(jié)構(gòu)（圖4c）是與微生物作用有關(guān)的球粒結(jié)構(gòu)，是研究區(qū)最為常見的微生物結(jié)構(gòu)。似球粒形成在水動力較弱的環(huán)境中，與微生物自身的鈣化作用和凝集作用有關(guān)［3，23，26，46］。

包殼結(jié)構(gòu)（圖4d）也是研究區(qū)微生物結(jié)構(gòu)之一，常圍繞在一個或多個砂屑、凝塊石外，與微生物的黏結(jié)作用和鈣化作用有關(guān)［47-48］。

紋層構(gòu)造是研究區(qū)常見微生物構(gòu)造之一，形成亮暗相間結(jié)構(gòu)（圖4e）。暗層為泥晶白云巖，成因上與微生物膜或微生物席的黏結(jié)或捕獲作用有關(guān)［46-47］；亮層為細(xì)—粉晶白云巖，易發(fā)育格架孔，成為油氣儲集的空間。

縫合線構(gòu)造在研究區(qū)也很常見（圖4f），微生物作用的強(qiáng)弱或有無易造成沉積物在垂直剖面上的成分差異，隨埋藏深度或應(yīng)力的增大可以形成縫合線構(gòu)造。普遍存在的縫合線構(gòu)造與微生物作用的周期性、間歇性及較強(qiáng)的地質(zhì)應(yīng)力作用或埋藏作用有關(guān)，值得進(jìn)一步研究。

3 微生物礁儲層特征

根據(jù)詳細(xì)的野外露頭觀察和測量，厘清研究區(qū)微生物礁在昆蓋闊坦剖面發(fā)育規(guī)模最大、保存最完整。在昆蓋闊坦剖面中2號微生物礁保存完好，與地層接觸關(guān)系清晰，是作為礁灘儲層建模的不錯選擇。因此，本次研究以2號微生物礁（圖5）為研究對象，通過近網(wǎng)格狀的野外采樣與較全面的室內(nèi)分析，精細(xì)描述了研究區(qū)微生物礁的儲層特征。

3.1 微生物礁儲集空間類型

通過對微生物礁系統(tǒng)采樣及鏡下薄片觀察，研究區(qū)微生物礁主要發(fā)育粒內(nèi)孔、晶間孔、溶孔、格架孔、微裂縫和縫合線6種儲集空間類型（圖6）。

粒內(nèi)孔（圖6a）是研究區(qū)微生物礁體中常見儲集空間類型之一，與微生物顆粒（似球粒）成巖后期的溶蝕作用有關(guān)。由于往往受沉積環(huán)境和后期改造的共同控制，形成孔隙相對孤立、連通性較差的儲層空間。

圖4　研究區(qū)下寒武統(tǒng)微生物礁巖石學(xué)特征a.微生物凝塊結(jié)構(gòu)，凝塊間為亮晶白云石膠結(jié)，昆蓋闊坦剖面，2H1-07；b.微生物凝塊結(jié)構(gòu)，凝塊間為亮晶白云石膠結(jié)，昆蓋闊坦剖面，2W1-11；c.似球粒結(jié)構(gòu)，亮晶白云石膠結(jié)，昆蓋闊坦剖面，JT4-5；d.包殼結(jié)構(gòu)（黃色箭頭），包殼包裹在凝塊石外，昆蓋闊坦剖面，JT4-2；e.紋層構(gòu)造，暗層為與微生物作用有關(guān)的高有機(jī)質(zhì)紋層，亮層為粉晶白云巖，昆蓋闊坦剖面，JT1-2；f.縫合線構(gòu)造（黃色箭頭），左邊為與微生物作用有關(guān)的泥晶白云巖，右邊為細(xì)晶白云巖，昆蓋闊坦剖面，KJT2-17。Fig.4 Petrologic characteristics of Lower Cambrianmicrobial reefs in the study area

圖5　昆蓋闊坦剖面2號微生物礁采樣點及期次示意圖Fig.5 Sampling points and schematic diagram of the 2ndmicrobial reefs，Kungaikuotan Section

圖6　昆蓋闊坦2號微生物礁儲集空間類型a.粒內(nèi)孔，昆蓋闊坦剖面2號礁體，KJT2-38鑄體；b.微裂縫、晶間孔（黃色箭頭），昆蓋闊坦剖面2號礁體，KJT2-3鑄體；c.格架孔，亮暗相間結(jié)構(gòu)，昆蓋闊坦剖面2號礁體，KJT2-25鑄體；d.溶孔，昆蓋闊坦剖面2號礁體，KJT2-35鑄體。Fig.6 Types of reservoir space of the 2ndmicrobial reefs，Kungaikuotan Section

晶間孔（圖4b紅色箭頭；圖6b黃色箭頭）屬于白云石化作用后殘余孔隙及少量后期溶蝕孔隙。在整個微生物礁體中發(fā)育程度不高，成巖后期溶蝕作用不強(qiáng)，作為油氣儲集空間的貢獻(xiàn)率不高。

溶孔（圖4d、e紅色箭頭；圖6d）是微生物礁成巖作用后期遭受溶蝕作用形成。這是研究區(qū)最重要的儲集類型，但只在局部發(fā)育，普遍發(fā)育程度不高，可能與局部流體作用較強(qiáng)有關(guān)。

格架孔（圖6c）的形成與微生物周期性活動有關(guān)，形成亮暗相間結(jié)構(gòu)。亮層主要與微生物礦化作用和膠結(jié)作用有關(guān)，發(fā)育格架孔；暗層則以微生物的黏結(jié)和捕獲作用為主，不發(fā)育孔隙［45，47］。

微裂縫（圖6b）在研究區(qū)微生物礁體中較常見，可能與后期構(gòu)造活動或采樣中人為因素有關(guān)。增加了油氣儲集空間的連通性，有助于各類孔隙進(jìn)一步發(fā)育。

縫合線（圖4f）是研究區(qū)微生物礁體發(fā)育的重要儲集空間，與沉積環(huán)境、埋藏深度及后期構(gòu)造應(yīng)力作用等有關(guān)。

3.2 微生物礁孔隙度及滲透率

對研究區(qū)微生物礁觀察點和昆蓋闊坦2號微生物礁建模點（圖5）詳細(xì)的薄片觀察后，進(jìn)一步對微生物礁白云巖進(jìn)行物性分析，精確掌握研究區(qū)微生物礁白云巖的孔隙度和滲透率情況（表2）。

根據(jù)白云巖儲層評價標(biāo)準(zhǔn)，可將微生物礁白云巖按孔隙度＜1.8％、1.8％～4.5％和＞4.5％分為Ⅲ類、Ⅱ類和Ⅰ類。研究發(fā)現(xiàn)微生物礁建模點白云巖以Ⅲ、Ⅱ類儲層為主（圖7a），Ⅲ、Ⅱ類儲層平均孔隙度分別為1.32％和3.08％，皆屬于特低孔儲層；Ⅰ類儲層僅在局部發(fā)育，平均孔隙度達(dá)6.34％，屬于低孔儲層。建模點樣品中滲透率＜1×10-3μm2有35個，屬于特低滲儲層；滲透率位于1～10×10-3μm2之間的樣品有3個，屬于低滲儲層；＞10×10-3μm2的樣品只有1個，為中滲儲層（圖7b）。而礁體觀察點同樣是以Ⅲ、Ⅱ類儲層為主（圖7c），孔隙度分別為1.20％和2.17％，具有與礁體建模點一致的特征，同時也證明了建模點選取的正確性和有效性；平均滲透率也僅有0.638×10-3μm2，仍以特低滲儲層為主（圖7d），滲透率＞1×10-3μm2樣品比率不足1％。

總之，雖然微生物礁發(fā)育粒內(nèi)孔、晶間孔、溶孔、格架孔、微裂縫和縫合線6種儲集空間類型。但平均孔隙度為1.84％，平均滲透率僅有0.91×10-3μm2，屬于特低孔特低滲白云巖儲層。Ⅰ類儲層樣品普遍具有溶孔較發(fā)育的特點，但在微生物礁中只見局部發(fā)育；而Ⅲ類儲層則以致密的微生物結(jié)構(gòu)為主要特征，在微生物礁中卻普遍存在。這可能與微生物作用類型和強(qiáng)弱以及后期流體溶蝕有關(guān)，微生物巖的原生結(jié)構(gòu)和構(gòu)造直接影響后期流體溶蝕作用強(qiáng)弱，對儲層發(fā)育的有效性起著關(guān)鍵作用［23］。因此，研究區(qū)微生物礁儲集空間普遍發(fā)育程度不高、連通性較差，僅局部發(fā)育較好，多為致密型微生物礁（圖4c），很難成為下寒武統(tǒng)油氣儲集的主要場所。

表2　研究區(qū)微生物礁白云巖物性參數(shù)表Table 2 The porosity and perm eability ofm icrobial-reef dolostones in the study area

4 勘探意義

國內(nèi)不少專家學(xué)者根據(jù)生物礁、灘儲層發(fā)育特征及空間展布規(guī)律，為海相油氣盆地資源勘探提供了新思路，并取得了重大發(fā)現(xiàn)和突破，為我國油氣勘探做出巨大貢獻(xiàn)［49-56］。同時，成功勘探經(jīng)驗也為塔里木盆地深層油氣勘探指明了方向。

塔北西部—柯坪地區(qū)下寒武統(tǒng)屬于塔里木盆地臺緣帶，臺緣帶微生物礁與灘當(dāng)然成為了該層位最重要的勘探對象。根據(jù)上述研究認(rèn)識并結(jié)合前人［23-26，57-60］的研究成果不難發(fā)現(xiàn)，與以往礁、灘皆為良好油氣儲層的經(jīng)驗不同，下寒武統(tǒng)微生物礁白云巖儲集性較差，屬于特低孔特低滲儲層，不可能再是未來油氣勘探的主要對象。因此，塔里木盆地下寒武統(tǒng)油氣勘探的重點不應(yīng)該再是肖爾布拉克組上二亞段微生物礁，更可能是肖爾布拉克組上二、三亞段的微生物臺緣顆粒灘。

造成微生物礁、灘儲集性顯著差異的原因可能與微生物的種類有關(guān)。早寒武世造礁微生物包括細(xì)菌、真菌、微體藻類及原生動物，這些微生物主要通過與自身有關(guān)的礦化作用和黏結(jié)、捕獲沉積物來建造微生物巖［3，5，7，23，38，46-47］。 這類微生物由于缺乏類似珊瑚、海綿等骨架生物，既難以形成大型生物礁，又由于缺乏各類原始孔隙，而不利于后期流體改造，自然很難形成規(guī)模的油氣儲集空間。因此，在塔里木盆地寒武系地層中，微生物礁不應(yīng)再作為臺緣帶油氣勘探的重點，而瞄準(zhǔn)與微生物作用相關(guān)的顆粒灘更具有勘探潛力。這對塔里木盆地更古老地層油氣勘探也具重要的啟發(fā)意義。

5 結(jié)論

（1）塔北西部—柯坪地區(qū)下寒武統(tǒng)微生物礁只出現(xiàn)在研究區(qū)南部，其中昆蓋闊坦剖面發(fā)育數(shù)量最多、體積最大，礁體群在近東西向上呈帶狀、串珠狀分布；在英爾蘇和蘇蓋特布拉克剖面發(fā)育規(guī)模較小，整體呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢。

圖7　研究區(qū)微生物礁儲層類型及滲透率散點圖Fig.7 Types of reservoirs ofmicrobial reefs and scatter diagram of permeability in the study area

（2）研究區(qū)微生物礁發(fā)育凝塊石結(jié)構(gòu)、似球粒結(jié)構(gòu)、包殼結(jié)構(gòu)、紋層構(gòu)造和縫合線構(gòu)造5種結(jié)構(gòu)及構(gòu)造，具有粒內(nèi)孔、晶間孔、溶孔、格架孔、微裂縫和縫合線6種儲集空間類型，但儲集性遠(yuǎn)低于預(yù)期目標(biāo)，平均孔隙度和滲透率僅有1.84％和0.91×10-3μm2，屬于特低孔特低滲儲層。

（3）研究區(qū)微生物礁儲集性偏差，在塔里木盆地下寒武統(tǒng)地層中，該類微生物礁不應(yīng)再作為臺緣帶油氣勘探的重點對象，而臺緣微生物顆粒灘更具有勘探潛力。

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Reservoirs of the Lower Cambrian M icrobial Reefs and Its Significance on Petroleum Exp loration，Tarim Basin，NW China

WANG Kai1GUAN Ping1DENG ShiBiao1LIU PeiXian1JIN YiQiu2
（1.MOE Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution，School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China；2.Research Institute of Petroleum Exploration and Development，CNPC，Beijing 100083，China）

Abstract：The microbial reef reservoirs of the 2ndsubmember in the upper part of the Lower Cambrian Xiaoerbulak Formation have been researched based on outcrop section，thin section identification and experiment analysis in the west of North Tarim to Kelpin area.Themicrobial reefs were found in south of the study area，of which the largest number and volume growth in Kungaikuotan section，showing a nearly E-W distribution，while less development in Yingersu and Sugaitebulak sections.6 kinds of reservoir space developed in themicrobial reef dolostones：intragranular pores，intergranular pores，dissolved pores，fenestral pores，micro-fractures and stylolites.But the reservoir characteristics are far from expectative goals，the average porosity and permeability are only 1.84％and 0.91×10-3μm2，belongs to ultra-low porosity and ultra-low permeability reservoirs.It's difficult to the effective reservoirs of Lower Cambrian in Tarim Basin.Combined with previous work，themicrobial reefs should not be used as the key objects of hydrocarbon exploration in Lower Cambrian and even older strata，whereas themicrobial bank can be used as the next major explorative horizon.

Key words：microbial reef；reservoir characteristics；Tarim Basin；Lower Cambrian；hydrocarbon exploration

第一作者簡介王 凱 男 1989年出生 碩士研究生 礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué) E-mail：wk2013@pku.edu.cn

通信作者關(guān) 平 男 教授 E-mail：pguanl@pku.edu.cn

中圖分類號TE122.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號：1000-0550（2016）02-0386-11

doi：10.14027/j.cnki.cjxb.2016.02.017

收稿日期：2015-05-14；收修改稿日期：2015-07-03

基金項目：國家科技重大專項（2011ZX05004-004-005）［Foundation：Natural Science and Technology Major Project，No.2011ZX05004-004-005?