塔里木盆地古城臺(tái)緣帶寒武系丘灘體氣藏形成特征

張君龍，馮子輝，李 強(qiáng)，張 斌

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100；2.大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院 塔木察格勘探評(píng)價(jià)研究室，黑龍江 大慶 163712)

勘探實(shí)踐表明，寒武系碳酸鹽巖地層盡管地質(zhì)時(shí)代老，但如果油氣源充足、儲(chǔ)集條件優(yōu)越、保存條件良好，仍能夠發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的天然氣資源[1-3]，因此對(duì)寒武系碳酸鹽巖油氣藏的勘探研究已引起地質(zhì)家的高度重視。我國(guó)中、下寒武統(tǒng)中發(fā)育的微生物碳酸鹽巖或丘灘體是重要的儲(chǔ)集類型，已有許多學(xué)者對(duì)其形成特征和儲(chǔ)集特征開(kāi)展了深入研究[4-7]。胡文瑄等[4]通過(guò)野外觀察發(fā)現(xiàn)，寒武系凝塊石(礁)白云巖主要形成于潮下帶水動(dòng)力較強(qiáng)的沉積環(huán)境，而疊層石白云巖則形成于潮坪—潮間水動(dòng)力相對(duì)穩(wěn)定的沉積環(huán)境；宋金民等[6]通過(guò)野外剖面詳測(cè)和室內(nèi)分析認(rèn)為，寒武系與微生物作用有關(guān)的巖石結(jié)構(gòu)有球粒結(jié)構(gòu)、紋層結(jié)構(gòu)和微生物結(jié)構(gòu)，微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層的發(fā)育受控于沉積古地貌、成巖作用和微生物結(jié)構(gòu)。相對(duì)而言，對(duì)寒武系微生物碳酸鹽巖或丘灘體儲(chǔ)層油氣藏的研究目前尚未見(jiàn)報(bào)道。

城探1井是針對(duì)寒武系丘灘體鉆探的一口風(fēng)險(xiǎn)井，完鉆井深7 280 m，鉆遇寒武系地層739 m，其中丘灘體厚度450 m。城探1井揭示出3個(gè)現(xiàn)象，一是丘灘體儲(chǔ)層發(fā)育,丘灘體上部發(fā)育Ⅰ—Ⅱ類儲(chǔ)層，測(cè)井孔隙度6.9%～11.2%，但以含水為主；二是丘灘體發(fā)育有氣層,丘灘體下部綜合解釋氣層和差氣層共4層35.4 m，但儲(chǔ)層物性以Ⅱ—Ⅲ類儲(chǔ)層為主；三是丘灘體儲(chǔ)層中不但有天然氣，還有大量的殘余瀝青,尤其是丘灘體下部巖屑錄井中，見(jiàn)到大量的瀝青塊，發(fā)育井段合計(jì)347 m。上述現(xiàn)象表明，古城臺(tái)緣帶寒武系丘灘體具有較好的油氣成藏條件，但油氣藏的形成與演化也表現(xiàn)出復(fù)雜性。

本文基于城探1井鉆探成果，通過(guò)地質(zhì)、地球物理和地球化學(xué)等綜合分析，研究了古城臺(tái)緣帶寒武系丘灘體油氣成藏條件,以期為開(kāi)拓碳酸鹽巖勘探新領(lǐng)域和明確勘探方向提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

塔里木盆地寒武—奧陶紀(jì)時(shí)期發(fā)育碳酸鹽巖臺(tái)地。寒武系臺(tái)緣帶廣泛發(fā)育的多期疊置的丘灘體一直是地質(zhì)家們夢(mèng)想突破的重要領(lǐng)域[8-9]。古城臺(tái)緣帶位于塔里木盆地東部古城低凸起東側(cè)(圖1)，面積約2 500 km2，發(fā)育地層有寒武系、奧陶系、石炭系、三疊系、白堊系和古近系等，主要勘探目的層是中、下奧陶統(tǒng)和寒武系碳酸鹽巖。在構(gòu)造上古城臺(tái)緣帶總體呈西北傾的大型鼻狀構(gòu)造，被北東向斷裂切割成一系列斷塊和斷鼻。在沉積上古城臺(tái)緣帶碳酸鹽巖經(jīng)歷了局限臺(tái)地、半局限臺(tái)地和開(kāi)闊臺(tái)地的沉積演化過(guò)程[10-11]，沉積厚度大，一般超過(guò)3 km。古城臺(tái)緣帶是繼承性古隆起，東鄰滿加爾生油凹陷，是油氣側(cè)向運(yùn)移的有利指向區(qū)，油源條件優(yōu)越[12]。目前在中、下奧陶統(tǒng)油氣勘探已實(shí)現(xiàn)突破，部分單井獲日產(chǎn)超百萬(wàn)方的天然氣。

圖1 塔里木盆地古城臺(tái)緣帶位置Fig.1 Location of Gucheng platform margin zone,Tarim Basin

三維地震揭示，古城臺(tái)緣帶寒武系發(fā)育4期丘灘體，其中城探1井揭示了第三期丘灘體的核部和第二期丘灘體的翼部(圖2)，平面上各期丘灘體呈近南北向展布。第一期丘灘體厚度225～650 m，平均420 m，寬度6.9～10.5 km，平均8.4 km；第二期丘灘體厚度125～525 m，平均375 m，寬度7.5～11.7 km，平均9.4 km；第三期丘灘體厚度125～500 m，平均390 m，寬度7.1～11.2 km，平均9.1 km；第四期丘灘體厚度125～550 m，平均360 m，寬度5.2～8.4 km，平均8.3 km。古城臺(tái)緣帶寒武系4期丘灘體橫向前積疊置，疊合面積1 800 km2，除第一期丘灘體外，埋深一般都小于7 500 m，為碳酸鹽巖油氣藏勘探提供了廣闊的領(lǐng)域。

2 天然氣來(lái)源分析

古城臺(tái)緣帶城探1井在寒武系丘灘體儲(chǔ)層中見(jiàn)到氣層，氣組分以甲烷為主，含少量重?zé)N類氣體，基本不含硫化氫。寒武系丘灘體儲(chǔ)層氣體組成與奧陶系白云巖儲(chǔ)層見(jiàn)到的天然氣特征基本相同。對(duì)古城地區(qū)天然氣的成因分析表明，天然氣成因基本為原油裂解氣[13]。

圖2 塔里木盆地古城臺(tái)緣帶丘灘體地震響應(yīng)特征Fig.2 Seismic response characteristics of mound-beach in Gucheng platform margin zone,Tarim Basin

城探1井在巖屑錄井過(guò)程中，于6 935～7 280 m井段見(jiàn)較多瀝青塊，用火點(diǎn)可燃燒。瀝青透射光薄片分析發(fā)現(xiàn)具有球晶狀結(jié)構(gòu)，顯示處于焦瀝青演化階段，反映原油裂解后殘留的結(jié)果。瀝青有機(jī)地球化學(xué)分析，TOC含量為76.82%；熱解色譜分析，S1為0.13 mg/g，S2為0.44 mg/g，H/C原子比為0.4，瀝青等效鏡質(zhì)體反射率Ro=2.43%～2.51%，展示瀝青目前仍具有進(jìn)一步裂解生氣的潛力[14]。推測(cè)古城臺(tái)緣帶發(fā)育古油藏，在后期的演化過(guò)程中，古油藏中原油裂解成氣，形成現(xiàn)今的天然氣藏。

方解石和石英充填物中見(jiàn)2期包裹體，一期是石英脈中的油氣包裹體，見(jiàn)淺綠色熒光，均一溫度為150～170 ℃；另一期為氣體包裹體，鏡下以暗色為主，均一溫度160～180 ℃，反映了2期成藏過(guò)程，結(jié)合地區(qū)沉積埋藏史和熱演化史分析，早期為晚奧陶世成油期，晚期為喜馬拉雅期成氣期。

3 丘灘體儲(chǔ)集條件分析

城探1井揭示了第二期丘灘體前翼，巖性以深灰、灰黑色菌藻白云巖、殘余砂屑球粒白云巖為主，殘余顆粒粒度較細(xì)(圖3a-d)，碳同位素以正偏為主，范圍0.043‰～1.4‰，平均0.634‰，去鈾GR值較高，范圍1.48～22.80 API，平均6.16 API(圖4)，反映水體相對(duì)較深、能量偏弱的沉積特征[15-17]。第二期丘灘體鉆遇孔隙型儲(chǔ)層39.2 m/5層，單層厚度3.8～15.2 m,儲(chǔ)層巖性以顆粒云巖為主，鑄體薄片上反映儲(chǔ)集空間以白云巖晶間孔、晶間溶孔基質(zhì)孔隙為主(圖5a，b)，成像測(cè)井影像上發(fā)育裂縫，CT掃描反映這種裂縫孔隙型儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙發(fā)育，基質(zhì)孔隙度為1.02%，但連通性好，連通體積百分比達(dá)76.6%，巖心孔隙度在0.8%～2.1%，平均1.3%，滲透率為0.006×10-3μm2，以Ⅱ—Ⅲ類儲(chǔ)層為主，反映丘灘體翼部?jī)?chǔ)層物性相對(duì)偏差的特征。結(jié)合孔隙空間類型及第二期丘灘體內(nèi)普遍發(fā)育大量瀝青的特征推斷，這類儲(chǔ)層孔隙成因主要為白云石的云化作用及有機(jī)酸溶蝕作用的結(jié)果[5,9,18-19]。

城探1井鉆遇第三期丘灘體的核部，上部巖性以殘余鮞粒、砂屑白云巖為主，下部發(fā)育含砂屑球粒白云巖，殘余顆粒粒度相對(duì)較粗(圖3e-h)，碳同位素整體表現(xiàn)為負(fù)偏，-1.05‰～0.29‰，平均-0.226‰，去鈾GR值低平，平均2.94 API(圖4)，反映水體相對(duì)較淺、能量較強(qiáng)的沉積特征[20-22]。第三期丘灘體鉆遇縫孔洞型儲(chǔ)層97.4 m/11層，單層厚度1.0～17.2 m，儲(chǔ)層巖性以殘余鮞粒白云巖、砂屑白云巖為主，巖心上可見(jiàn)溶塌角礫巖礫間中粗晶白云石充填的殘余孔洞，鏡下發(fā)育生物鑄膜溶蝕孔(圖5c,d)，巖石大薄片圖像具有明顯的滲流粉砂充填的示底構(gòu)造，成像測(cè)井上裂縫及溶蝕孔洞多，孔隙膠結(jié)物成分分析顯示，Sr/Ba值為0.65，表現(xiàn)出大氣淡水表生巖溶作用的特征[7,9,18]，依據(jù)儲(chǔ)層的發(fā)育情況推斷大氣淡水影響深度范圍在120～150 m。第三期丘灘體縫孔洞型儲(chǔ)層物性較好，巖心孔隙度1.2%～5.1%，平均2.2%，測(cè)井孔隙度3.8%～11.2%，平均6.8%，為Ⅰ—Ⅱ類儲(chǔ)層。

圖3 塔里木盆地古城臺(tái)緣帶城探1井巖石結(jié)構(gòu)類型a.7 257 m，殘余砂屑粉晶云巖；b.7 201.0 m，藻黏結(jié)砂屑粉晶云巖；c.7 142.7 m，藻紋層粉細(xì)晶云巖；d.7 099.4 m，粉細(xì)晶云巖；e.7 037.5 m，砂屑球粒粉晶云巖；f.7 006 m，砂屑球粒粉晶云巖；g.6 936.02 m，砂屑細(xì)晶云巖；h.6 888.38 m，砂屑鮞粒細(xì)晶云巖；i.6 891.18 m,殘余鮞粒細(xì)晶云巖Fig.3 Rock structure types of well CT1,Gucheng platform margin zone,Tarim Basin

圖4 塔里木盆地古城臺(tái)緣帶城探1井寒武系綜合柱狀圖Fig.4 Synthetic stratigraphic column of Cambrian,well CT1,Gucheng platform margin zone,Tarim Basin

圖5 塔里木盆地古城臺(tái)緣帶城探1井儲(chǔ)集空間類型Fig.5 Reservoir porosity types of well CT1,Gucheng platform margin zone,Tarim Basin

鉆井揭示的儲(chǔ)層特征表明，丘灘體不同部位儲(chǔ)層發(fā)育情況具有差異性。丘灘體建隆主體部位水體較淺，頂部容易發(fā)生表生巖溶作用改造形成物性較好的縫孔洞型儲(chǔ)層。丘灘體翼部沉積水體相對(duì)較深，表生巖溶作用弱，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)高，在早期白云石化作用的基礎(chǔ)上發(fā)生有機(jī)酸溶蝕作用，形成較均質(zhì)的基質(zhì)孔隙型儲(chǔ)層。野外地質(zhì)露頭剖面分析結(jié)果也表明丘灘體建隆主體部位的上部?jī)?chǔ)層較發(fā)育，優(yōu)于翼部的儲(chǔ)層特征[4-6]。

4 蓋層條件分析

城探1井揭示各期丘灘體頂部的巖性及形成條件有明顯差異，從而造成丘灘體直接蓋層發(fā)育的不同。第二期丘灘體頂部發(fā)育約40 m厚的灰黑色、深灰色粉細(xì)晶白云巖，巖心孔隙度為0.8%，滲透率為0.003×10-3μm2，電阻率值一般大于26 000 Ω·m，去鈾GR高值，一般在8 API以上，表現(xiàn)出泥質(zhì)含量高的特征(圖4)。成像測(cè)井圖像呈紋層狀結(jié)構(gòu)，反映水體較深的低能斜坡—陸棚沉積環(huán)境。第二期丘灘體無(wú)鈾伽馬自下而上由齒狀低平值向尖峰狀高值變化，表現(xiàn)出海平面逐漸上升、水體加深的特征[15-17]，在地震剖面上(圖2)，第二期頂面為強(qiáng)振幅連續(xù)的反射同相軸，在區(qū)內(nèi)可連續(xù)追蹤、分布穩(wěn)定，強(qiáng)振幅反射界面所構(gòu)成的丘灘體包絡(luò)形態(tài)完整。在丘灘體朝向陸地一側(cè)，上覆地層有向其頂面超覆的特征，向盆地方向上覆地層地震同相軸逐漸下超在其之上，呈現(xiàn)下超密集段特征。由于海侵形成的海泛密集段穩(wěn)定發(fā)育，巖性致密，對(duì)丘灘體具有較好的封蓋能力，可作為丘灘體的直接蓋層。城探1井第二期丘灘體見(jiàn)到氣層就是其蓋層有效的直接證據(jù)。第一期丘灘體頂面與第二期丘灘體具有相似的密集段、強(qiáng)振幅連續(xù)的地震反射特征，推測(cè)第一期頂面也發(fā)育直接蓋層。

城探1井第三期丘灘體頂部發(fā)育約13 m厚的灰白色殘余砂屑粉細(xì)晶白云巖(圖3i)，巖心孔隙度為0.6%，滲透率為0.005 ×10-3μm2，電阻率值為32 000 Ω·m，去鈾GR值低平，一般在2.1 API，為泥質(zhì)含量較低的表征。第三期丘灘體碳同位素?cái)?shù)據(jù)具有自下而上數(shù)值由正偏逐漸負(fù)偏的變換特征，無(wú)鈾伽馬自下而上由尖峰狀高值向低平值變化，反映海平面下降過(guò)程[15-17]，頂部自然伽馬能譜測(cè)井釷鈾比大于7，表現(xiàn)出風(fēng)化殘積層特征[19-20]，在地震剖面上(圖2)，第三期丘灘體頂面為明顯的削截特征，地化、測(cè)井及地震資料綜合分析表明第三期丘灘體在海退背景下形成，頂面遭受暴露剝蝕，發(fā)育風(fēng)化殘積層，厚度薄，橫向分布不穩(wěn)定，粉細(xì)晶白云巖封蓋能力較差，丘灘體成藏直接蓋層條件差，導(dǎo)致這期丘灘體優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要為含水層或含氣水層。第三、四期丘灘體頂面地震同相軸均具有削截特征，推測(cè)這類丘灘體成藏需要配合有效的區(qū)域蓋層。

5 圈閉與保存條件分析

各期丘灘體頂面構(gòu)造圈閉沿臺(tái)緣丘灘體沉積呈南北條帶式展布(圖6)，丘灘體建隆主體部位與構(gòu)造圈閉高點(diǎn)大體相當(dāng)。

城探1井井震標(biāo)定，儲(chǔ)層一般具有強(qiáng)振幅、低頻屬性以及低阻抗特征。利用振幅屬性和波阻抗反演對(duì)丘灘體儲(chǔ)層進(jìn)行預(yù)測(cè)，丘灘體整體上儲(chǔ)層發(fā)育，儲(chǔ)層厚度一般為80～180 m；建隆主體部位蓋層預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，第一、二期丘灘體直接蓋層一般厚度在30～80 m，第三、四期直接蓋層一般厚度在20～30 m。綜合構(gòu)造、儲(chǔ)層及蓋層的發(fā)育情況表明，第一、二期丘灘體構(gòu)造圈閉發(fā)育，圈閉內(nèi)發(fā)育儲(chǔ)層；丘灘體頂部直接蓋層條件好，單個(gè)丘灘體可能整體含氣、獨(dú)立成藏。第三、四期丘灘體構(gòu)造圈閉發(fā)育，儲(chǔ)層條件較好，但直接蓋層條件較差，需要其他區(qū)域蓋層遮擋成藏，例如以寒武系上部、奧陶系蓬萊壩組下部致密灰?guī)r作蓋層。

圖6 塔里木盆地古城地區(qū)4期丘灘體頂面構(gòu)造Fig.6 Top surface structures of four stages of mound-beach in Gucheng platform margin zone,Tarim Basin

古城臺(tái)緣帶構(gòu)造演化主要經(jīng)歷早期伸展(加里東期)、中期抬升、剝蝕(海西—印支期)、后期沉降(燕山—喜馬拉雅期)3個(gè)演化階段，晚期構(gòu)造活動(dòng)弱，以埋藏作用為主，有利于油氣藏的保存[23-24]。區(qū)內(nèi)發(fā)育3期斷裂，第一期發(fā)育于寒武紀(jì)，以張性正斷層為主，數(shù)量多，規(guī)模小；第二期發(fā)育于早中奧陶世，以張扭性走滑斷裂為主，規(guī)模大，分布廣，以北東向?yàn)橹?；第三期發(fā)育于晚奧陶世—泥盆紀(jì)，以壓扭性走滑斷裂為主，與南部阿爾金山車(chē)爾臣斷裂活動(dòng)有關(guān)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，是早、中奧陶世繼承性發(fā)育的斷裂。第一和第二期斷裂形成時(shí)間早于第一期成藏時(shí)間，在全區(qū)發(fā)育，為油氣成藏運(yùn)移提供了通道。第三期斷裂形成于第一期成藏之后，對(duì)古油藏有破壞作用，由于斷裂主要發(fā)育在研究區(qū)南部，對(duì)丘灘體成藏的影響從南向北有減弱趨勢(shì)。

6 結(jié)論

(1)古城臺(tái)緣帶寒武系丘灘體氣藏為原油裂解氣。丘灘體中揭示的大量瀝青證實(shí)，古城臺(tái)緣帶存在古油藏，古油藏裂解氣為氣藏形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。古油藏形成時(shí)間大約在加里東期，天然氣成藏時(shí)間大約在喜馬拉雅期。

(2)古城臺(tái)緣帶寒武系丘灘體主體部位水體淺，可以形成大氣水表生巖溶縫孔洞型優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層；丘灘體翼部水體相對(duì)較深，表生巖溶作用弱，儲(chǔ)層以白云石化作用及有機(jī)酸溶蝕作用下形成的晶間孔、晶間溶孔為主，儲(chǔ)層物性較差，但基質(zhì)孔隙發(fā)育，連通性好。

(3)古城臺(tái)緣帶寒武系第一、二期丘灘體在海侵背景下形成，頂部發(fā)育海泛密集段穩(wěn)定分布的粉細(xì)晶白云巖，可作為丘灘體的直接蓋層；第三、四期丘灘體在海退背景下形成，頂面遭受風(fēng)化剝蝕，不利于形成穩(wěn)定有效的直接蓋層。

(4)古城臺(tái)緣帶晚期構(gòu)造活動(dòng)弱，斷裂對(duì)油氣藏的破壞作用小。寒武系第一、二期丘灘體巖溶型儲(chǔ)層發(fā)育，頂部具備穩(wěn)定蓋層條件，儲(chǔ)蓋組合配置好，丘灘體主體部位構(gòu)造圈閉有效性落實(shí)，可獨(dú)立成藏。第三、四期丘灘體優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育，以?shī)W陶系蓬萊壩組下部灰?guī)r作為區(qū)域蓋層，在寒武系頂部有效構(gòu)造圈閉內(nèi)有望規(guī)模成藏。