準噶爾盆地車拐斜坡區(qū)儲層碳酸鹽膠結物碳氧同位素特征及其成因

陳 波，張順存，孫國強，史基安，吳 濤

（1.廣西高校北部灣石油天然氣資源有效利用重點實驗室（北部灣大學），廣西欽州535000；2.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室，甘肅蘭州730000；3.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依834000）

膠結作用是成巖過程中常見的現(xiàn)象，可發(fā)生在成巖作用的各個階段，也是致使儲層物性變化的重要因素[1-2]。碳酸鹽膠結物是儲層中最常見且直接影響著儲層物性的膠結物類型之一[3-4]，為水—巖相互作用的綜合產物，對地質流體性質的變化反應異常敏感，是酸堿性地質環(huán)境良好的判定指示劑[5]，具有分布范圍廣、物質來源復雜、形成期次多等特點。碳酸鹽膠結物形成機制一直是碎屑巖儲層研究的熱點和難點[6-7]，并且碳酸鹽膠結物的類型及含量對儲層物性具有重要影響，從而普遍受到石油地質學者所關注[8-9]。

準噶爾盆地西北緣是新疆油田重要的油氣產區(qū)，處于瑪湖凹陷與沙灣凹陷之間的車拐斜坡區(qū)，在三疊系—侏羅系已見油氣顯示，但一直未能有大的突破，以規(guī)模較小的巖性油氣藏發(fā)現(xiàn)為主[10]。近年來，隨著油氣勘探技術的進步，車拐斜坡區(qū)發(fā)現(xiàn)了一系列構造圈閉及沖積扇體，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了車排子油田、小拐油田，探明石油地質儲量也大幅增加，使該區(qū)成為盆地重要的油氣增儲區(qū)域，而車拐斜坡區(qū)儲層地質方面的研究成果尚顯匱乏[11-14]，在一定程度上制約了油氣勘探進程?；诖耍C合利用巖石礦物學和地球化學手段，對車拐斜坡區(qū)三疊系—侏羅系儲層的碳酸鹽膠結物的特征、成因機制及其對儲層物性的影響進行了細致探討，以期為研究區(qū)后續(xù)的油氣勘探補充一定的地質認識。

1 區(qū)域地質概況

車拐斜坡區(qū)位于準噶爾盆地西北緣，橫跨準盆地西部隆起及中央坳陷，包括紅車斷裂帶、車排子凸起、中拐凸起和中央坳陷部分[10]。準噶爾盆地西北緣在石炭紀末大洋閉合，發(fā)生強烈弧陸碰撞，推覆體逐漸形成，前陸盆地開始發(fā)育。早二疊世火山活動強烈發(fā)育，二疊紀自北西向南東的強烈擠壓，產生了北東走向的逆沖斷層和北西走向的斷展褶皺，發(fā)育了紅車斷裂帶。三疊紀—二疊紀構造運動和隆起速度逐漸減弱，車拐一帶主要發(fā)育以沖積扇—扇三角洲為主要的沉積環(huán)境，為一個典型的水進沉積過程[11]。到早侏羅世早期，研究區(qū)受紅—車斷裂的多條斷層強烈活動影響，構造運動強烈、湖盆萎縮，以發(fā)育辮狀河沉積為主，早侏羅世中期至晚期，構造運動變弱，隨著湖侵的發(fā)育，辮狀河沉積迅速被扇三角洲沉積所取代[15]。

車拐斜坡區(qū)三疊系—侏羅系以碎屑巖沉積發(fā)育為主，主要有砂礫巖、砂巖、粉砂巖和少量泥巖，三疊系從下到上依次發(fā)育百口泉組（T1b）、克拉瑪依組（T2k）、白堿灘組（T3b），侏羅系從下而上依次發(fā)育八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）、西山窯組（J2x）、頭屯河組（J2t）、齊古組（J3q），本次研究主要以下侏羅統(tǒng)的八道灣組（J1b）、三工河組（J1s）為主，同時結合少量三疊系百口泉組（T1b）、克拉瑪依組（T2k）的數(shù)據(jù)輔以分析。

2 樣品與分析方法

通過9口探井33塊樣品的巖礦學分析，首先對樣品的礦物組成成分、組構特征進行初步判斷，其次對選取的樣品磨制鑄體薄片，使用鐵氰化鉀和茜素紅混合溶液對鑄體薄片染色，在鏡下通常方解石呈橘紅色，含鐵方解石呈紫紅色，而鐵白云石呈藍色[16]。在利用巖礦學初步分析碳酸鹽膠結物含量、成分的基礎上，本次優(yōu)選出了19個具有代表性的樣品進行系統(tǒng)的碳酸鹽膠結物碳氧同位素分析。將19塊樣品研磨后過200目篩，樣品處理采用磷酸法，即從鉆井巖心中選取包含碳酸鹽膠結物的樣品，用正磷酸與樣品反應6 h左右，將產生的CO2氣體收集到玻璃管中，后采用雙路進樣方式送入德國菲尼根公司生產的穩(wěn)定同位素質譜計MAT252進行碳氧同位素測定。碳氧同位素組成以δ值表示，δ值表示樣品中元素的穩(wěn)定同位素比值相對標準（標樣）相應比值的千分偏差，結果均以PDB標準給出，分析精度為±0.2‰，上述測試均在中科院蘭州油氣資源研究重點實驗室完成，數(shù)據(jù)結果見表1。

3 結果與討論

3.1 巖石學特征

根據(jù)研究區(qū)碎屑巖中的成分特征，顯微觀察和研究表明，研究區(qū)主要發(fā)育巖屑砂巖以及少量的長石質巖屑砂巖，雜基和膠結物含量較高，成分成熟度低，說明碎屑顆粒具有近源快速沉積特征。

研究區(qū)膠結物類型多樣，碳酸鹽類膠結物、硅質膠結物、黏土礦物及沸石類膠結物均有發(fā)育，碳酸鹽膠結物主要以方解石為主，鐵方解石、白云石及鐵白云石相對少見。研究區(qū)碳酸鹽膠結物在鏡下以橘紅色為主（圖1），碎屑顆粒多呈緊密排列，石英顆?？梢姴糠旨哟筮叄▓D1a），方解石交代少量碎屑顆粒（圖1b），說明研究區(qū)碳酸鹽膠結物形成晚于壓實作用。同時可見充填于粒間孔隙的方解石被溶蝕從而形成溶蝕粒間孔（圖1c、d、e、f），且研究區(qū)碳酸鹽的晶粒較大，以粉晶—粗晶為主，鏡下觀察碳酸鹽膠結物的結構特征、賦存狀態(tài)表明其主要形成于成巖中晚期，與魯新川等[10]對車拐地區(qū)成巖階段的研究結果相吻合。

表1 研究區(qū)碳氧同位素及計算古溫度數(shù)據(jù)Table1 Carbon and oxygen isotopes and calculated paleotemperature data of the study area

3.2 碳、氧同位素特征及成因

3.2.1 碳同位素特征及膠結物形成的物質來源

樣品中的碳酸鹽膠結物中的碳同位素可以指示成巖流體中碳物質的來源[5]，研究區(qū)樣品碳酸鹽膠結物的δ13CPDB值為-29.6 ‰～6.7 ‰，δ18OPDB值為-19.2‰～-12.5‰，δ18OSMOW值為11.07‰～19.97‰，跨度很大，反映了研究區(qū)碳酸鹽膠結物形成的物質來源及水巖相互作用的復雜性。大量學者對碳酸鹽巖的碳氧同位素研究結果表明[18-21]，海相碳酸鹽的δ13CPDB主要分布在-4 ‰～4 ‰，典型湖相碳酸鹽δ13CPDB為-2‰～6‰，受大氣水影響的碳酸鹽δ13CPDB為-5‰～-1‰，而與有機質影響相關的碳酸鹽δ13CPDB值可低至-30 ‰～-20 ‰，非海相的δ18OPDB值多為-15‰～5‰，而湖相碳酸鹽δ18OPDB值為-8‰～-4‰。結合研究區(qū)的碳氧同位素的分布關系特征，可見研究區(qū)的碳酸鹽膠結物的碳氧同位素數(shù)據(jù)指示大部分膠結物的形成源于流體混合作用，少量數(shù)據(jù)指示部分膠結物與沉積碳酸鹽的沉淀有關（圖2）。由于研究區(qū)儲層主要發(fā)育碎屑巖沉積為主，推測少量的碳酸鹽溶解沉淀作用與二疊系碳酸鹽烴源巖的發(fā)育有關，之前的研究成果表明，車拐地區(qū)烴源巖主要來自二疊系的以凝灰質碳酸鹽和白云質泥巖為主的風城組、以凝灰?guī)r和砂泥巖為主的佳木河組及以含煤層系的下侏羅統(tǒng)八道灣組[14]，而研究區(qū)的斷裂十分發(fā)育，二疊系的逆斷層可能成為二疊系碳酸鹽烴源巖的主要運移通道[12,14]，從而使得研究區(qū)的碳同位素特征表現(xiàn)出受到部分沉積碳酸鹽影響的響應特征。

圖1 研究區(qū)碳酸鹽膠結物類型賦存特征Fig.1 Occurrence characteristic of carbonate cementation in the study area

圖2 碳酸鹽膠結物δ13CPDB與δ18OSMOW關系Fig.2 Relation between carbonate cements δ13CPDBand δ18OSMOW

研究區(qū)δ13CPDB值跨度很大，最低值為-29.6‰，較低的δ13CPDB值可能與有機質成熟脫羧基作用相關，而最大值高達6.7‰，明顯較典型的海相或湖相的碳酸鹽δ13CPDB高，而從圖2分析可知，僅小部分碳氧同位素分布于純沉積碳酸鹽影響的區(qū)間范圍，說明δ13CPDB值的正偏移受到了其他因素的影響。之前研究認為δ13CPDB值正偏移主要受甲烷菌等細菌的發(fā)酵作用、湖相碳酸鹽巖溶解作用、深部熱液作用的影響[21,25-28]。因此，研究區(qū)碳酸鹽膠結物的成巖物質來源于部分沉積碳酸鹽，保留了原始沉積信息使其δ13CPDB值偏重。如果將研究區(qū)碳氧同位素實際數(shù)據(jù)投入到王大銳等[3]提出的碳酸鹽膠結物成因圖版上，顯示部分高δ13CPDB值是由于細菌等生物發(fā)酵造成的，但根據(jù)SHACKLETONG 等提出的利用氧同位素計算出的膠結物沉淀溫度主要分布在80～110℃，此溫度值為有機酸保存的最佳溫度，但遠遠超出了微生物活動溫度界限70℃[26]，因此，可以排除細菌發(fā)酵作用引起的δ13CPDB值正偏移。實際上，研究區(qū)δ13CPDB高值膠結物樣品數(shù)據(jù)井均靠近紅車斷裂帶附近，在三疊紀末、侏羅紀末發(fā)生兩期油氣充注與古構造形成期匹配，喜山期形成的一系列張性正斷裂均斷至侏羅系[11]，從早侏羅世（178 Ma）到古近紀一直存在油氣充注[13-14]，而斷裂帶的發(fā)育為深部流體及油氣運移提供了良好的通道，流體輸送會與圍巖作用而留下痕跡，研究區(qū)樣品的碳氧同位素計算的古溫度值高達137.9℃，說明可能存在深部熱液作用使δ13CPDB值偏正[21]，因此推斷研究區(qū)δ13CPDB值偏高是由于沉積碳酸鹽溶解作用和混合熱液流體作用共同影響造成的。

3.2.2 氧同位素特征及膠結物沉淀時的古溫度

研究區(qū)δ18OPDB值為-19.2‰～-12.5‰，較典型的海相或湖相的碳酸鹽δ18OPDB值偏負。大氣水的滲入[29]、成巖地質流體環(huán)境溫度的升高[30]、有機質降解[31]的影響都會造成δ18OPDB值負偏移，早侏羅世早期研究區(qū)受紅—車斷裂的多條斷層強烈活動影響，構造抬升強烈[11]，且位于斷裂帶附近的井樣品的δ18OPDB值明顯較其他樣品的值低，說明可能存在大氣降水通過斷裂帶潛入地層中造成部分δ18OPDB值偏負。研究區(qū)儲層目前已進入成巖晚期階段[10]，隨著成巖作用進入晚期，有機質成熟脫羧排酸生烴使δ18OPDB值偏輕，地層中溫度也逐漸升高，升高的溫度會消耗大量的18O也會造成δ18OPDB值偏負[25]。

碳同位素主要反映碳物質來源，對溫度變化反映不敏感，但氧同位素溫度異常的敏感，是良好的地質溫度計[5,7]，一般δ18OPDB值隨著溫度的升高而變低[8]。利用SHACKLETON 等[32]提出的碳氧同位素數(shù)據(jù)計算溫度的經(jīng)驗公式可大致判斷碳酸鹽膠結物沉淀時的溫度：

式中：t為碳酸鹽膠結物的沉淀溫度，℃；δc為鹽酸鹽膠結物的δ18OPDB值，‰；δw為維也納標準平均海水的δ18OSMOW值，‰，新生代以前的海水δ18OSMOW沒有統(tǒng)一確定值[33]，但一般取現(xiàn)今海水值0，故本文δw取0。通過計算t值為87.3～137.9℃，平均109.9℃，且主要分布在100～120℃（圖3），說明研究區(qū)發(fā)育的碳酸鹽膠結物沉淀溫度較高，且在鏡下可見碳酸鹽膠結物伴隨瀝青質的現(xiàn)象（圖1d），推斷此類膠結物可能形成于油氣充注之后，兩口井氧同位素計算的溫度高于130℃，說明可能存在深部熱液通過斷裂帶影響研究區(qū)碳酸鹽膠結物的沉淀溫度，因此，氧同位素偏負可能為多種流體混合作用和成巖環(huán)境溫度升高共同作用所致。

圖3 研究區(qū)碳酸鹽膠結物沉積溫度分布Fig.3 Deposition temperature distribution of carbonate cementites in the study area

3.3 碳酸鹽膠結物的地質意義

碳酸鹽膠結物對儲層物性的影響不同學者有不同觀點[1-8]，部分學者認為碳酸鹽膠結物對碎屑顆粒具有支撐作用，抵御了壓實應力對孔隙空間的破壞，對儲層物性保護有積極意義，但大部分學者認為碳酸鹽膠結物的形成占據(jù)堵塞孔隙，是降低儲層物性的主要因素之一。

圖4 同一深度下碳酸鹽膠結物含量與孔隙度關系Fig.4 Relation between carbonate cement content and porosity at the same depth

碳酸鹽膠結物對儲層物性的雙面性與其形成期次有關，成巖早期系統(tǒng)較為開放，溫壓條件較低，沉積有機質在生物化學甲烷的非平衡氧化作用下，孔隙流體中Ca2+離子達到過飽和形成CaCO3沉淀物，此類膠結物常形成于強壓實作用前，緩和了后期壓實作用對孔隙的破壞性，且可作為后期酸性流體的溶蝕對象物質，因此對儲層物性具有積極意義。隨著埋深增加，成巖作用的進行，壓力和溫度不斷升高，有機酸脫羧釋產生CO2，前期黏土礦物因壓實脫水排出H2O，隨著CO2分壓的增高，孔隙流體偏酸性，儲層中產生大量的CO32-與HCO3-，酸性流體與儲層中長石（鈣長石、鉀長石、鈉長石）發(fā)生溶蝕作用釋放大量的Ca2+、K+、Na+，同時黏土礦物之間的互相轉換，如蒙皂石向伊利石轉化會釋放大量的Fe3+和Mg2+。隨著酸性流體的消耗，成巖環(huán)境由酸性逐漸向堿性轉變，還原性增強，F(xiàn)e3+在封閉還原條件下可被還原成Fe2+，流體中富含的Ca2+、Mg2+與CO32-反應生成方解石（CaCO3）和白云石[CaMg(CO3)2]時，F(xiàn)e2+很容易進入這兩種礦物的晶格中，從而形成含鐵方解石或鐵白云石含鐵碳酸鹽礦物[5]，成巖晚期形成的碳酸鹽膠結物會占據(jù)堵塞孔隙中，對儲層物性具有破壞作用。研究區(qū)碳酸鹽膠結物主要形成于成巖作用晚期，通過20余口井碳酸鹽膠結物含量與孔隙度之間的關系統(tǒng)計，可見在研究區(qū)碳酸鹽膠結物與孔隙呈負相關性（圖4），說明研究區(qū)碳酸鹽膠結物不利于儲層物性的保護。

4 結論

1）車拐斜坡區(qū)碳酸鹽膠結物以晶體較大的粉晶—粗晶形式賦存于排列緊密的碎屑顆?？紫堕g，鏡下可見方解石交代碎屑顆粒且伴隨出現(xiàn)瀝青質現(xiàn)象，表明研究區(qū)碳酸鹽膠結物主要形成于成巖中晚期階段。

2）碳酸鹽膠結物的碳氧同位素分布范圍大，δ13CPDB值較典型的海相或湖相的碳酸鹽呈正偏移，δ18OPDB值呈負偏移，δ13CPDB正偏移主要受到混合熱液流體碳同位素分餾和沉積碳酸鹽溶解的共同作用，δ18OPDB值負偏移則可能是大氣降水、深部熱水等多種流體混合作用和成巖溫度升高的影響造成的。

3）碳酸鹽膠結物形成與有機酸脫羧產生產生的CO2、黏土礦物壓實排水作用、長石碎屑溶蝕及黏土礦物相互轉換釋放大量的Ca2+、Fe3+和Mg2+等離子有關，研究區(qū)碳酸鹽膠結物含量與孔隙度呈負相關性，對儲層物性起破壞作用。