柴達木盆地東坪地區(qū)基巖風化殼與油氣成藏

伍勁，高先志，周偉，張永庶，楊云，由超

（1.中國石油 杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023；2.中國石油大學 地球科學學院，北京 100249；3.成都理工大學 能源學院，成都 610059；4.中國石油 青海油田分公司 勘探開發(fā)研究院，甘肅 敦煌 736202）

自2003年以來，柴達木盆地相繼在馬北地區(qū)、昆北地區(qū)和東坪地區(qū)的基巖頂部獲得重大油氣發(fā)現(xiàn)（圖1），引起對柴達木盆地基巖油氣藏勘探極大關(guān)注?；鶐r油氣藏是含油氣盆地重要勘探領(lǐng)域，國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)許多基巖油氣田[1-5]，一般認為，基巖油氣藏的儲集層主要為裂縫儲集層[6-9]，而對基巖風化溶蝕型儲集層特征的研究較少，研究程度較低[9-10]。針對深埋地下的花崗巖古風化殼發(fā)育特征也鮮有報道。柴達木盆地馬北地區(qū)、昆北地區(qū)和東坪地區(qū)基巖油氣藏儲集層中普遍發(fā)育溶蝕孔縫，這表明風化作用對柴達木盆地基巖儲集層的形成有重要作用。昆北地區(qū)油氣運移特征表明，基巖不整合面是重要的輸導層[11]。本文通過柴達木盆地東坪地區(qū)基巖風化殼特征的研究，劃分了基巖風化殼的結(jié)構(gòu)，指出了風化殼儲集層發(fā)育特點，討論了風化殼對基巖油氣藏形成的作用。

圖1 柴達木盆地基巖油氣藏發(fā)育區(qū)與研究區(qū)位置

1 研究區(qū)概況

東坪地區(qū)是柴達木盆地阿爾金山山前的一個斜坡區(qū)（圖1），遠離生烴凹陷，但在古太古界基巖和始新統(tǒng)路樂河組中發(fā)現(xiàn)了氣藏。研究區(qū)基巖的巖石類型主要為古太古界花崗巖和花崗片麻巖（圖2），基底埋深較淺，頂面埋深小于4 000 m.基巖之上為始新統(tǒng)路樂河組湖相砂泥巖直接覆蓋。

2 基巖風化殼結(jié)構(gòu)

許多學者對風化殼剖面進行過細致的研究和劃分，文獻［12］在研究火成巖風化殼剖面時提出，理想的風化殼剖面分為6個級別，自上而下分別為殘積土、完全風化層、高度風化層、中等風化層、輕微風化層和未風化的新鮮巖石。這一劃分方案得到了后期研究人員的廣泛引用[13-15]。但也有學者把風化殼剖面概括劃分為3個帶：即殘積土、風化巖和未風化原巖[16-18]。文獻［19］在對三塘湖盆地石炭系火山巖的研究中，將火山巖風化殼自上而下劃分為最終分解產(chǎn)物帶、水解帶、淋濾帶、崩解帶和未風化帶（母巖）。文獻［20］則把完整的火山巖風化殼剖面劃分為土壤層、水解帶、溶蝕帶、崩解帶和母巖。

不同風化殼結(jié)構(gòu)層是巖石風化程度的反映。從油氣勘探角度，需要查明風化殼與儲集層發(fā)育的關(guān)系，因此從風化作用對基巖儲集層發(fā)育的影響角度出發(fā)，基于對研究區(qū)巖心的研究，本文把基巖風化殼的結(jié)構(gòu)自上而下分為完全風化層、半風化層和未風化層3個層（表1）。

圖2 東坪地區(qū)古太古界基巖頂面構(gòu)造

2.1 完全風化層

完全風化層是基巖風化程度最嚴重的層，看不出原巖的原始性狀和結(jié)構(gòu)特征，基巖被風化成黏土及碎屑殘積層。完全風化層可以進一步分為古土壤層和風化殘積層。

2.1.1 古土壤層

古土壤層主要由黏土礦物組成，為富含有機質(zhì)的黑色碳質(zhì)泥巖，基巖幾乎完全風化成黏土礦物，呈深黑色。但東坪地區(qū)基巖頂部受強烈風化剝蝕作用的影響，古土壤層僅在部分井保留。

2.1.2 風化殘積層

風化殘積層主要由風化黏土和風化殘余砂粒、基巖角礫堆積而成，風化黏土礦物含量大于20%，基巖原始格架特征已經(jīng)消失，從淺到深風化殘留角礫粒度變大，反映了風化程度由強到弱的變化。坪1H-2-3井基巖風化層頂部3 077.20 m處巖心和薄片特征表明，其巖心由風化黏土和風化殘留角礫組成，黏土礦物含量大于20%，角礫分選差，邊緣見褐紅色鐵質(zhì)環(huán)邊，角礫粒徑一般為5～10 mm，少數(shù)角礫粒徑可達30 mm，組成角礫的主要礦物為鉀長石（圖3a），巖礦薄片中原始礦物晶形消失，風化殘留礦物主要為鉀長石，蝕變嚴重，解理蝕變加寬后被后期石膏和方解石充填，且礦物上有很多蝕變的“坑槽”，黏土礦物與石膏和碳酸鹽礦物膠結(jié)混雜在一起（圖3b），具有典型的完全風化層特征。

表1 東坪地區(qū)古太古界基巖風化殼結(jié)構(gòu)及特征

2.2 半風化層

半風化層是指基巖受到風化和礦物蝕變，溶蝕孔縫發(fā)育，整體上保持有原巖的基本骨架特征。根據(jù)礦物蝕變程度和溶蝕孔縫發(fā)育程度不同，半風化層自上而下分為風化溶蝕帶和風化崩解帶，前者可見明顯的礦物蝕變，溶蝕孔縫發(fā)育；后者則溶蝕現(xiàn)象輕微，節(jié)理縫發(fā)育（表1）。風化溶蝕帶以化學溶蝕風化作用為主，風化崩解帶以物理風化作用為主，盡管風化溶蝕帶和風化崩解帶的風化機理不同，但兩者間的界限并不十分明顯，呈過渡性變化。

2.2.1 風化溶蝕帶

風化溶蝕帶主要由強溶蝕基巖組成，保留基巖的原始格架，黏土礦物含量10%～20%，礦物蝕變和溶蝕作用嚴重，可見各種溶孔和裂縫。巖礦薄片中可見長石云母化、高嶺土化，黑云母和角閃石綠泥石化（圖3c），網(wǎng)狀裂縫發(fā)育，長石和黑云母礦物解理蝕變加寬，礦物之間接觸邊界見蝕變現(xiàn)象，可見礦物的原始晶形（圖3d，圖3e）。東坪306井和東坪105井的風化溶蝕帶巖心上發(fā)育大量的網(wǎng)狀裂縫，大部分裂縫未被充填，且具有溶蝕加寬現(xiàn)象，沿裂縫發(fā)育溶洞和溶孔，基巖局部巖石因風化溶蝕疏松破碎成直徑為2～10 cm的碎塊（圖3f，圖3g）。

2.2.2 風化崩解帶

風化崩解帶黏土礦物含量小于10%，基巖的原始格架完好保存，基巖中發(fā)育少量的弱溶蝕裂縫和沿裂縫發(fā)育的溶孔，裂縫為高陡的構(gòu)造縫和低緩的節(jié)理縫，裂縫密度總體隨深度增加而降低，可見裂縫集中發(fā)育帶與相對不發(fā)育帶相間分布。坪1H-2-3井3180—3 187 m風化崩解帶段為棕灰色花崗片麻巖，弱溶蝕，裂縫細長且邊界清晰，主要礦物為正長石（40%）、石英（30%）、斜長石（15%）和角閃石等暗色礦物（15%），礦物晶形完整，邊界清晰，長石絹云母化弱，晶體內(nèi)部見少量被蝕變加寬的解理（圖3h，圖3i）。

完全風化層和半風化層常規(guī)測井特征和成像測井特征如表1所述?；鶐r風化殼地震反射特征表現(xiàn)為基巖頂面不整合界面向下，振幅屬性差異變?nèi)?，反映巖石的性質(zhì)在不整合面附近差異大，向下差異變?nèi)酰@是不整合面附近風化差異導致的。

圖3 東坪地區(qū)基巖風化殼礦物蝕變和孔縫特征

2.3 未風化層

未風化層為致密基巖段，僅有少量的微裂縫，巖石致密，巖石中暗色礦物，如黑云母，可能會有因熱液蝕變作用引起的一些蝕變現(xiàn)象。

3 基巖風化殼厚度及其影響因素

通過巖心觀察、薄片鑒定及測井識別，分析統(tǒng)計了東坪地區(qū)25口井的基巖風化殼厚度。東坪地區(qū)所有鉆井均未鉆穿風化崩解帶，因此，風化殼的總厚度還無法統(tǒng)計，但所有井均鉆穿了風化溶蝕帶。統(tǒng)計完全風化層和風化溶蝕帶的累計厚度，最薄不到45 m，最厚超過180 m（圖4）。如果包括鉆遇的風化崩解帶厚度，風化殼累計總厚度最大超過300 m，單井鉆遇風化殼平均厚度超過200 m（表2）。

風化殼的厚度與基巖的抗風化性（礦物構(gòu)成）、古地貌、風化時間、構(gòu)造背景、先存斷裂和先存裂縫發(fā)育程度等多種因素有關(guān)。

圖4 研究區(qū)風化殼厚度與古地貌相對地勢的關(guān)系

3.1 母巖類型的影響

巖石風化過程中母巖巖性所起的作用非常明顯，特別是母巖的礦物成分、可溶組分的含量，決定了巖石的風化規(guī)模、風化產(chǎn)物、裂縫、溶孔、溶洞發(fā)育程度以及風化黏土層發(fā)育規(guī)模等。

東坪地區(qū)基巖分為花崗巖類和花崗片麻巖類（圖2），由于片麻巖類礦物組成中含有較多的黑云母和角閃石類暗色易風化礦物，故東坪1井區(qū)含暗色礦物多的花崗片麻巖風化殼的物性參數(shù)好于東坪3井區(qū)花崗巖風化殼，且東坪1井區(qū)花崗片麻巖風化殼厚度要大于東坪3井區(qū)花崗巖風化殼厚度（表2）。盡管風化崩解帶沒有鉆穿，但其風化溶蝕帶厚度足以說明巖性的影響。

表2 東坪地區(qū)基巖風化殼物性和厚度統(tǒng)計

3.2 地貌對風化殼結(jié)構(gòu)和厚度的影響

高地勢區(qū)保存的風化殼厚度往往小于低地勢區(qū)的風化殼厚度，這種地勢高低的影響，可以通過東坪地區(qū)和昆北地區(qū)風化殼厚度的統(tǒng)計結(jié)果得到體現(xiàn)。圖4為恢復到古近紀沉積前的古地貌與相應的風化殼厚度（完全風化層與風化溶蝕帶兩者之和）關(guān)系，從圖4中可見，昆北地區(qū)為相對高地勢區(qū)，風化殼厚度相對較小；東坪地區(qū)地勢相對低，風化殼厚度較大。

文獻［13］在解釋地形地貌環(huán)境對風化作用深度的影響時認為，中等坡度的斜坡和與之相關(guān)的地形影響了匯水系統(tǒng)和與匯水系統(tǒng)相關(guān)的淋濾作用的強度。在地貌高部位，土壤層和風化殘積層往往被剝蝕，只保存半風化層；而在地貌緩坡帶，土壤層和風化殘積層能夠得到保存；在地貌陡坡帶，由于斜坡不穩(wěn)及強烈剝蝕，土壤層和風化殘積層不容易保存；在地貌洼地帶，往往能夠保存較完整的風化殼。文獻［20］在對新疆北部石炭系大型火山巖風化體結(jié)構(gòu)研究時也注意到，低洼區(qū)的火山巖風化體發(fā)育完整的風化殼5層結(jié)構(gòu)；坡度較陡的古構(gòu)造高部位缺失土壤層和完全風化層。

綜上所述，地貌對風化殼結(jié)構(gòu)和厚度的影響如圖5所示。

圖5 不同古地貌下風化殼發(fā)育結(jié)構(gòu)分布（根據(jù)文獻［13］改編）

3.3 先存斷裂和裂縫對風化殼厚度的影響

許多研究者發(fā)現(xiàn)，先存斷裂對風化殼厚度有明顯影響[13，20-21]。斷裂控制了風化殼儲集層的滲流能力，越靠近斷裂，滲流半徑和滲流能力越大，斷裂發(fā)育處有利于地表水向下滲濾到更深的部位，促進深部巖石的風化淋濾，從而使得斷裂發(fā)育處的風化殼厚度明顯增加，儲集層儲集性能也明顯變好?；鶐r早期裂縫的存在能夠強化風化淋濾作用，先存裂縫發(fā)育區(qū)往往有利于形成較厚的風化殼。

東坪地區(qū)東坪1井區(qū)東坪105井在3 496—3 499 m處發(fā)育斷裂帶，斷裂帶之下的巖心發(fā)育大量溶孔、溶洞和溶蝕加寬縫，從而使得斷裂帶之下的儲集物性明顯變好，風化殼厚度大。東坪5井、東坪308井和東坪306井均在斷層邊上，其風化溶蝕帶厚度均超過100 m，分別為117 m，110 m和104 m，明顯大于其他不發(fā)育斷層的井。

3.4 風化殼發(fā)育模式

根據(jù)上述基巖風化殼發(fā)育的影響因素，結(jié)合東坪地區(qū)基巖風化殼的結(jié)構(gòu)和厚度分布以及恢復的古近系沉積前的古地貌和地質(zhì)特點，綜合構(gòu)建了東坪地區(qū)風化殼發(fā)育模式（圖6）。

4 基巖風化殼對基巖油氣藏形成的作用

東坪地區(qū)基巖風化殼對基巖油氣藏形成的作用體現(xiàn)在兩個方面，這主要是由風化殼不同結(jié)構(gòu)層所決定的：風化溶蝕帶和風化崩解帶起到輸導層和儲集層作用；完全風化層起到局部蓋層和隔夾層作用。

4.1 風化溶蝕帶和風化崩解帶的輸導層和儲集層作用

油源對比表明，東坪地區(qū)油氣來自鄰區(qū)的一里坪凹陷的侏羅系烴源巖，深洼帶的侏羅系油氣通過斷層調(diào)整到上盤進入風化殼儲集層中，因風化溶蝕帶和風化崩解帶的區(qū)域發(fā)育，油氣沿風化殼儲集層長距離運移，最后進入東坪地區(qū)基巖構(gòu)造高部位聚集成藏（圖7）。從東坪地區(qū)油氣藏分布看，油氣層分布集中在風化殼上下，證明風化殼儲集層是東坪地區(qū)油氣來源的重要輸導層和油氣藏形成的重要儲集層。

圖6 東坪地區(qū)基巖風化殼分布模式

圖7 東坪地區(qū)風化殼結(jié)構(gòu)與油氣運聚特點（剖面位置見圖2）

4.2 完全風化層的局部蓋層和隔夾層作用

基巖風化殼頂部的完全風化層，以風化殘積物和風化堆積物為主，泥質(zhì)含量高，在經(jīng)歷了后期沉積壓實作用和膠結(jié)作用后，儲集性能較差，成為阻止油氣向上運移的蓋層（圖7）。

由于東坪地區(qū)風化殼完全風化層厚度不大，其封蓋能力有限，只在局部起到一定蓋層作用。東坪1井區(qū)和東坪3井區(qū)的氣層分布特征表明，完全風化層多作為氣藏的隔夾層，對油氣分布僅起到一定的分隔作用，油氣藏主要的蓋層為風化殼上覆沉積巖中的厚層泥巖。

5 結(jié)論

柴達木盆地在古近系沉積前經(jīng)歷了長期的風化。由花崗巖和花崗片麻巖構(gòu)成的東坪地區(qū)基巖，由于長期的風化作用，形成了平均單井累計厚度超過200 m的基巖風化殼，其厚度明顯高于盆地內(nèi)的昆北地區(qū)。東坪地區(qū)發(fā)育較厚的基巖風化殼是與古近系沉積前東坪地區(qū)一直處于相對低的古地勢有關(guān)，相對低的地勢有利于風化殼的形成和保存；基巖巖類的不同也對風化殼厚度有影響，由于花崗片麻巖礦物組成中含有較多的黑云母和角閃石類暗色易風化礦物，故東坪1井區(qū)花崗片麻巖風化殼厚度大于東坪3井區(qū)花崗巖風化殼厚度；風化殼厚度還與先存斷裂和裂縫有關(guān)，先存斷層發(fā)育帶易形成厚層風化殼。

根據(jù)研究區(qū)基巖的風化程度和風化產(chǎn)物特征，基巖風化殼自上而下可分為完全風化層、半風化層和未風化層，其中，完全風化層完全失去基巖的原始格架結(jié)構(gòu)，由古土壤層和高黏土礦物含量的風化殘積層組成；半風化層則保留了基巖的原始格架結(jié)構(gòu)，依礦物溶蝕和礦物蝕變程度可進一步分為風化溶蝕帶和風化崩解帶，風化溶蝕帶發(fā)育溶蝕孔洞和溶蝕縫，風化崩解帶發(fā)育弱溶蝕風化節(jié)理縫和構(gòu)造縫。

風化溶蝕帶和風化崩解帶是基巖風化殼儲集層發(fā)育的主要部位，對基巖氣藏形成起到主要輸導層和儲集層作用；完全風化層厚度較薄，不足以單獨形成蓋層，主要在氣藏中對天然氣的分布起到一定的隔夾層作用。