塔里木盆地古城地區(qū)奧陶系鷹山組白云巖特征及孔隙成因*

王珊 曹穎輝 杜德道 張亞金 劉策

1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 1000832. 大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，大慶 163712

塔里木盆地奧陶系是油氣勘探的主力層段，目前已發(fā)現(xiàn)了多個深層碳酸鹽巖大油氣田(楊海軍等, 2011; 朱光有等, 2012)。古城地區(qū)奧陶系鷹山組儲層發(fā)育，是塔東探區(qū)重點勘探領(lǐng)域，但是與塔北和塔中不同(Zhuetal., 2019a, b, c; 楊海軍等, 2011; 張水昌等, 2011; 武芳芳等, 2010; 張保濤等, 2015; 孫崇浩等, 2016)，該區(qū)域鷹山組儲層以白云巖為主，前期鉆探的GC6、GC8、GC9井相繼在該層段獲得高產(chǎn)氣流，揭示了良好的勘探潛力。但是隨后部署的3口探井勘探成果較差，顯示了該區(qū)的復(fù)雜性。基于成功及失利井分析并結(jié)合前期研究成果(沈安江等, 2020; Caoetal., 2019; 劉偉等, 2016; 劉衛(wèi)紅等, 2017; 張月巧等, 2007)，筆者認(rèn)為規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲層是古城地區(qū)奧陶系白云巖勘探成功的關(guān)鍵，深入研究該區(qū)白云巖特征及儲層成因機(jī)理對油氣勘探具有重要意義。

圖1 古城地區(qū)構(gòu)造區(qū)劃圖及奧陶系綜合地層柱狀圖Fig.1 Tectonic units and Ordovician stratigraphic histogram of Gucheng area

前人對古城地區(qū)奧陶系鷹山組白云巖儲層進(jìn)行了研究并取得了較為豐富的認(rèn)識，但尚存在以下問題：(1)對于白云巖成因的探討相對較少。前人多從單一地球化學(xué)指標(biāo)出發(fā)，分析其地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義，如郭春濤等(2018)和劉策等(2017)通過稀土元素分析，探討了白云石化流體的性質(zhì)及成因機(jī)制；張振偉等(2016)通過碳、氧同位素分析，證實了早奧陶世晚期存在一期海退。目前尚缺乏利用多種手段對白云巖成因的綜合研究。(2)對孔隙的成因認(rèn)識存在分歧。周波等(2018)認(rèn)為中等程度的白云石化為孔隙形成的主要原因；張哨楠等(2019)、齊井順等(2016)認(rèn)為晚期熱液溶蝕是孔隙形成的關(guān)鍵；邵紅梅等(2014)則認(rèn)為熱液白云石化及熱液溶蝕是有效孔隙形成的主要因素。(3)在儲層主控因素方面，前人觀點相對統(tǒng)一，總體為相控論，認(rèn)為高能相帶為儲層形成的首要因素(沈安江等, 2018; 劉偉等, 2016; 張靜和羅平, 2010; 胡九珍等, 2009)。然而新鉆井情況揭示優(yōu)質(zhì)儲層并非單純相控，斷裂溶蝕起了極為重要的作用。研究區(qū)儲層究竟是相控、斷控、還是兩者綜合控制，兩種因素各發(fā)揮何種作用，需要從更宏觀的角度進(jìn)行綜合論述。

圖2 古城地區(qū)鷹山組白云巖類型及儲集空間特征(a)紋層狀粉晶白云巖，GC17，O1+2y3，6283.30m；(b)紋層狀粉細(xì)晶白云巖，GC601，O1+2y3，6085.00m；(c)殘余顆粒結(jié)構(gòu)細(xì)晶白云巖，晶間孔、晶間溶孔發(fā)育，GC601，O1+2y3，6075.86m；(d)細(xì)晶白云巖，晶間瀝青充填，去白云石化發(fā)育，GC14，O1+2y3，3-5/15；(e)細(xì)中晶白云巖，晶間溶孔發(fā)育，局部瀝青充填孔隙，GC13，O1+2y3，6268.00m；(f)殘余顆粒結(jié)構(gòu)細(xì)中晶白云巖，晶間孔順層發(fā)育，局部孔隙被方解石、瀝青充填，GC601，O1+2y3，6061.54m；(g)殘余顆粒結(jié)構(gòu)中晶白云巖，晶間孔發(fā)育，部分晶間孔方解石充填，微裂縫發(fā)育，GC601，O1+2y3，6148.10m；(h)中晶白云巖，晶間孔、晶間溶孔發(fā)育，部分晶間孔方解石充填，微裂縫溝通孔隙，GC601，O1+2y3，6128.67m；(i)粗晶白云巖，晶間孔、晶間溶孔發(fā)育，石英充填，GC9，O1+2y3，6114.20m；(j)粗晶白云巖，滲流粉砂，GC601，O1+2y3，6048.95m；(k)粗晶白云巖中夾泥質(zhì)條帶，GC601，O1+2y3，6083.85m；(l)溶蝕孔洞沿裂縫發(fā)育，洞中見白云石、方解石充填，GC601，O1+2y3，10-46/61Fig.2 Petrology and reservoir space of dolomite in Yingshan Formation of Gucheng area

鑒于以上原因，本文在前人研究基礎(chǔ)之上，通過巖心薄片觀察、物性分析、同位素、微量元素等地球化學(xué)綜合分析，對白云巖成因、孔隙成因以及儲層主控因素做了深入探討，以期對古城地區(qū)鷹山組白云巖的勘探部署提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

古城低凸起西南部以塔中I號斷裂與塔中隆起相鄰，東部以上寒武統(tǒng)-中下奧陶統(tǒng)坡折帶與東南隆起相接，北部與滿西低凸起毗鄰(圖1)，總體為北西傾的下古生界大型寬緩鼻狀構(gòu)造。古城低凸起形成于加里東中期，定型于加里東末期，海西期受南部擠壓作用影響而進(jìn)一步隆升，印支-喜山期構(gòu)造活動相對較弱(王招明等, 2014)。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及前人研究成果，塔里木盆地奧陶系經(jīng)歷了碳酸鹽巖弱鑲邊臺地-遠(yuǎn)端變陡的緩坡-混積陸棚的演化過程(Caoetal., 2019)。奧陶系自下而上發(fā)育蓬萊壩組、鷹山組、一間房組、吐木休克組和卻爾卻克組5套地層。鷹山組沉積時期，古城地區(qū)為遠(yuǎn)端變陡的碳酸鹽巖緩坡，廣泛發(fā)育顆粒灘沉積。鷹山組自下而上分為4段，總體厚度為600～800m，鷹四段和鷹三段為鷹下段，厚度為350～550m，為一套顆粒灘相白云巖沉積；鷹二段和鷹一段為鷹上段，厚度為180～280m，為一套開闊臺地灘間海相灰?guī)r沉積。

2 白云巖成因

2.1 巖石類型及特征

巖心及薄片觀察顯示，古城地區(qū)鷹山組白云巖主要發(fā)育在鷹下段，以結(jié)晶白云巖為主，按照晶粒大小，可劃分為粉晶、粉細(xì)晶、細(xì)晶、細(xì)中晶、中晶、粗晶白云巖6種類型。

粉晶白云巖直徑為0.03～0.1mm，自形-半自形為主，晶體緊密鑲嵌，多見紋層構(gòu)造(圖2a)，晶間常被泥質(zhì)充填，總體致密，孔隙不發(fā)育。

粉細(xì)晶白云巖由粉晶和細(xì)晶白云石組成，可見紋層構(gòu)造和殘余顆粒結(jié)構(gòu)，孔隙不發(fā)育(圖2b)。

細(xì)晶白云巖晶粒直徑多為0.01～0.25mm，自形-半自形為主，常見霧心亮邊結(jié)構(gòu)和去白云石化現(xiàn)象。殘余顆粒結(jié)構(gòu)明顯，孔隙較發(fā)育(圖2c)，局部見瀝青充填(圖2d)。

細(xì)中晶白云巖晶形以自形-半自形為主，晶粒緊密鑲嵌，局部晶間孔極發(fā)育(圖2e)，可見孔隙順層分布(圖2f)。

表1 古城地區(qū)奧陶系鷹山組碳酸鹽巖碳、氧、鍶同位素值

續(xù)表1

中晶白云巖晶粒直徑主要為0.25～0.5mm，自形-半自形為主，普遍觀察到霧心亮邊和殘余顆粒結(jié)構(gòu)。局部晶間孔極發(fā)育，孔中常被方解石、石英等充填(圖2g, h)。

粗晶白云巖晶粒直徑大于0.5mm，晶形多樣，半自形-他形均有發(fā)育，呈緊密鑲嵌分布(圖2i, j)。局部層段孔隙極為發(fā)育，常見方解石、石英等充填物(圖2i)。

2.2 地球化學(xué)特征及成因

本文研究的樣品來自古城地區(qū)GC601、GC7、GC8、GC9、GC10、GC12、GC13、GC14、GC16共9口井的鷹山組巖心。鍶同位素、鍶元素及稀土元素分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院完成，其中鍶元素及稀土元素分析儀器為PerkinElmer Elan DCR-e 等離子體質(zhì)譜分析儀，分析標(biāo)樣為GBW07104，分析誤差為5%；鍶同位素分析儀器為ISOPROBE-T熱表面電離質(zhì)譜儀，分析標(biāo)樣為NBS987，分析誤差為±0.00007。碳、氧同位素由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院MAT-253氣體同位素質(zhì)譜計和大慶油田有機(jī)地球化學(xué)實驗室ISOPRIM完成，分析標(biāo)樣為GBW04406，分析誤差分別為0.1‰和0.2‰。實驗結(jié)果見表1、表2。

2.2.1 碳、氧同位素

碳、氧同位素是判識白云巖成因的重要地球化學(xué)標(biāo)志，其組成主要受控于原巖的碳、氧同位素組成以及成巖流體的鹽度、溫度及組分等(強(qiáng)子同, 1998)。

白云巖的碳同位素主要繼承自其所交代的原巖(Land, 1980)，沉積期流體鹽度和有機(jī)質(zhì)埋藏率對其影響較為顯著，高鹽度蒸發(fā)環(huán)境會導(dǎo)致碳同位素偏正，白云石化過程中若有大量富12C的有機(jī)質(zhì)參與會導(dǎo)致碳同位素明顯偏負(fù)(黃思靜, 2010)。

相比之下，氧同位素受白云石化流體的組分和溫度共同控制，更能反映白云巖的成因。高鹽度蒸發(fā)環(huán)境會導(dǎo)致白云巖的氧同位素偏正，較高的形成溫度(如深埋環(huán)境、熱液發(fā)育環(huán)境)和稀釋的白云石化流體(如大氣淡水)會導(dǎo)致氧同位素偏負(fù)(黃思靜, 2010)。

研究區(qū)灰?guī)r和各類白云巖的δ13CPDB及δ18OPDB值分布情況見表3。碳同位素分析結(jié)果顯示(表3、圖3)，研究區(qū)灰?guī)rδ13CPDB值為-2.40‰～0.68‰，平均值為-1.32‰，與Veizeretal. (1999)所建立的奧陶系海相方解石的δ13CPDB值分布范圍(-1.5‰～0.5‰)一致，因此能代表研究區(qū)鷹山組沉積時期的海水信息，可將其作為各類白云巖成巖流體性質(zhì)探討的背景值。研究區(qū)白云巖的δ13CPDB值基本全部處于灰?guī)r碳同位素分布范圍之內(nèi)，僅有3個細(xì)中晶和中晶白云巖樣品略微偏負(fù)，說明白云巖的大部分碳繼承自其原巖灰?guī)r，白云石化流體與同期海水有關(guān)，局部可能有大氣淡水的混入。

圖3 古城地區(qū)奧陶系鷹山組碳酸鹽巖碳、氧同位素交會圖Fig.3 The relationship of δ18O vs. δ13C of carbonate rocks in Yingshan Formation of Gucheng area

氧同位素方面，根據(jù)Veizeretal. (1999)的研究，寒武-奧陶系海相方解石的δ18OPDB分布范圍為-9.50‰～-7.50‰。Land (1985)和Mckenzie (1981)研究認(rèn)為，從相同流體中沉淀出的白云石氧同位素值比方解石高約2‰～3‰；

表3 古城地區(qū)鷹山組碳酸鹽巖碳、氧同位素值

Majoretal. (1992)研究則認(rèn)為該值為1.5‰～3.5‰，本文取二者結(jié)論的平均值2.5‰。根據(jù)Veizeretal. (1999)的研究數(shù)據(jù)計算出寒武-奧陶系與方解石同源流體的白云石氧同位素值分布范圍約為-7.00‰～-5.00‰。

氧同位素分析結(jié)果揭示(表3、圖3)，粉晶和粉細(xì)晶白云巖δ18OPDB值分布相對集中，分布范圍為-8.00‰～3.60‰，平均約為-4.95‰；細(xì)晶、細(xì)中晶和中晶白云巖δ18OPDB值也較為接近，主要分布在-9.00‰～-6.00‰，平均約為-7.42‰；粗晶白云巖δ18OPDB值分布在-11.2‰～-8.31‰，平均為-9.77‰?？梢?，隨著白云石晶體的增大，δ18OPDB值呈逐漸偏負(fù)的趨勢，反映了淡水或深埋環(huán)境高溫的影響。

與奧陶系正常海相白云石氧同位素分布范圍相比，31個粉晶和粉細(xì)晶白云巖樣品中，10個樣品與之分布范圍一致，20個樣品偏正，僅有1個樣品略偏負(fù)，表明該類白云巖總體形成于蒸發(fā)海水或同期正常海水環(huán)境，受后期成巖作用的影響較弱。

45個細(xì)晶、細(xì)中晶和中晶(后文簡稱細(xì)晶-中晶)白云巖樣品中，20個樣品與同期海相白云石氧同位素分布范圍一致，23個樣品略偏負(fù)(-9.50‰～-7.03‰)，δ18OPDB值均>-10.0‰，僅有1個樣品偏正(-4.69‰)，1個樣品明顯偏負(fù)(-10.08‰)。以上特征說明，一部分細(xì)晶-中晶白云巖保留了同沉積海水的性質(zhì)，一部分受到了其他成巖流體的改造導(dǎo)致氧同位素偏負(fù)。由于熱液環(huán)境下形成的白云巖δ18OPDB值通常<-10.0‰(Machel and Mountjoy, 1986; Emery and Robinson, 1993)，故基本排除熱液流體的改造，或者受熱液流體改造程度微弱。δ18OPDB值偏負(fù)可能是大氣淡水改造或深埋環(huán)境高溫作用所致。前人研究表明(Meyersetal., 1997; 任影等, 2016)，大氣淡水和海水的混合流體通常具較低δ13CPDB值，并且δ13CPDB與δ18OPDB存在較好的相關(guān)性。雖然研究區(qū)細(xì)晶-中晶白云巖δ13CPDB值偏負(fù)特征不明顯，但與粉晶和粉細(xì)晶白云巖相比，δ13CPDB值偏低，且大部分樣品的δ13CPDB和δ18OPDB相關(guān)性較好(圖3)。同時巖石學(xué)及地震、測井資料(丁寒生等, 2017)上均有準(zhǔn)同生期大氣淡水淋濾溶蝕的證據(jù)，因此其白云石化過程中應(yīng)有大氣淡水的混入。同時，該類白云巖經(jīng)歷了深埋，故深埋增溫效應(yīng)必定對其有影響。綜上，偏輕的氧同位素特征應(yīng)是大氣淡水和埋藏升溫疊加作用的結(jié)果。

13件粗晶白云巖樣品中δ18OPDB值與同期海相白云石相比均偏負(fù)，其中4件樣品δ18OPDB值<-10.0‰(-11.20‰～-10.05‰)，反映了熱液流體的改造。9件樣品δ18OPDB值>-10.0‰(-9.96‰～-8.31‰)，δ13CPDB不具偏負(fù)特征，且δ13CPDB和δ18OPDB不具明顯相關(guān)性(圖3)，因此理論上該類巖石未經(jīng)受過大氣淡水溶蝕。但是存在另一種可能，即熱液或埋藏升溫作用導(dǎo)致原始地球化學(xué)特征發(fā)生蝕變，淡水改造的地球化學(xué)信息被掩蓋，因此不能完全排除淡水改造的可能性。

方解石脈的δ18OPDB值分布范圍為-13.33‰～-10.91‰，平均為-11.94‰，嚴(yán)重偏負(fù)。巖心上的產(chǎn)狀表明其為最后一期充填，進(jìn)一步證實研究區(qū)白云巖成巖晚期受到了熱液的改造。

綜上，碳、氧同位素分析表明粉晶和粉細(xì)晶白云巖形成于蒸發(fā)海水或同期正常海水環(huán)境，為準(zhǔn)同生海源成因；細(xì)晶-中晶白云巖總體為埋藏成因，且早期受到了大氣淡水的改造；粗晶白云巖主要反映了埋藏-熱液改造的特征。

2.2.2 鍶同位素

鍶同位素對研究白云巖成巖環(huán)境具有重要意義(黃思靜等, 2001; 黃思靜, 2010; 史忠生等, 2003)。一般認(rèn)為，87Sr/86Sr值主要受鍶來源的控制而不因物理、化學(xué)和生物作用發(fā)生同位素分餾，因此在一定地質(zhì)時期內(nèi)，海水的87Sr/86Sr值是不變的(向芳和王成善, 2001; 黃思靜, 2010)。這一特性使鍶同位素廣泛用于流體來源分析(Rogeretal., 2004)。海相碳酸鹽巖和海水的鍶同位素主要有3個來源：(Veizeretal., 1999; 黃思靜, 2010)，即殼源、幔源以及古老海相碳酸鹽巖重溶。上述三種物質(zhì)的87Sr/86Sr值分別為0.720±0.005、0.704±0.002及0.708±0.001，三者共同控制了碳酸鹽巖鍶同位素組成。

奧陶世海水87Sr/86Sr值約為0.7079～0.7092(Veizeretal., 1999; Denison REetal., 1998)，研究區(qū)灰?guī)r87Sr/86Sr值為0.708568～0.709197，平均為0.708954，處于同期海水的87Sr/86Sr值范圍內(nèi)，巖心薄片資料上未見明顯的后期改造特征，因此該值可作為研究區(qū)正常海相碳酸鹽巖的鍶同位素背景值。

圖4 古城地區(qū)奧陶系鷹山組碳酸鹽巖87Sr/86Sr分布圖Fig.4 Diagram showing 87Sr/86Sr values for carbonate rocks in Yingshan Formation of Gucheng area

研究區(qū)灰?guī)r及各類白云巖87Sr/86Sr值分布情況見表4。從87Sr/86Sr分布圖(圖4)可以直觀的得出，粉晶、粉細(xì)晶、細(xì)晶及細(xì)中晶(后文簡稱粉晶-細(xì)中晶)白云巖87Sr/86Sr值十分接近，反映了同一種流體來源，且87Sr/86Sr值均處在灰?guī)r背景值內(nèi)，說明其繼承或保存了同生期海水的鍶同位素特征，白云石化介質(zhì)與同期海源流體有關(guān)。

表4 古城地區(qū)鷹山組碳酸鹽巖87Sr/86Sr值與Sr元素值分布特征

粗晶白云巖和方解石脈的87Sr/86Sr平均值分別為0.709309和0.709533，總體略高于灰?guī)r背景值，說明盆地內(nèi)部另有富含放射性87Sr的地層水或熱液流體對白云巖進(jìn)行過改造。根據(jù)王坤等(2016)對古城地區(qū)流體介質(zhì)的研究，這種流體可能為二疊紀(jì)裂谷拉張背景下沿走滑斷裂上涌的中酸性巖漿水。其流經(jīng)深部碎屑巖疏導(dǎo)層時吸附了大量放射性成因87Sr而導(dǎo)致87Sr/86Sr值較高。

層間含泥粗晶白云巖和層間泥質(zhì)的87Sr/86Sr平均值分別為0.712366和0.815304，遠(yuǎn)高于灰?guī)r背景值。結(jié)合薄片上觀察到的滲濾砂等暴露證據(jù)(圖2j)，推測受到了殼源鍶的注入，應(yīng)為大氣淡水溶蝕淋濾所致。

總體來看，粉晶-細(xì)中晶白云巖顯示出繼承原始灰?guī)r鍶同位素的特征，反映了白云石化流體主要與同期海水有關(guān)；大部分粗晶白云巖和方解石脈略高于灰?guī)r背景值，說明晚期成巖過程中遭受了深部熱液的改造；層間含泥粗晶白云巖和層間泥質(zhì)具有遠(yuǎn)高于灰?guī)r背景值的特征，說明其為巖溶面沉積物，研究區(qū)成巖早期受到了大氣淡水的淋濾溶蝕。

2.2.3 鍶元素

碳酸鹽巖礦物的Sr主要來源于海水，因而Sr元素含量越高，樣品對海水的代表性越好(Yangetal., 1999)。白云石化是Sr消耗的過程(黃思靜, 2010)，因此Sr含量與白云石化程度有關(guān)，一般情況下，早期形成的白云石Sr豐度較晚期形成的白云石要高(Warren, 2000)。蒸發(fā)環(huán)境中形成的白云石Sr含量可達(dá)500×10-6～700×10-6(Bein and Land, 1983)；正常海水中形成的白云石的Sr含量理論上為470×10-6～550×10-6(Qing and Mountjoy, 1989)， 晚期埋藏成因的白云巖Sr含量平均值多在100×10-6以內(nèi)(Morrow, 1982)。

研究區(qū)各類巖石的Sr含量及分布特征見表4及表5。灰?guī)r的Sr含量值為131.9×10-6～205.1×10-6，平均為160.2×10-6。低于粉晶和粉細(xì)晶白云巖的Sr含量，亦顯著低于正常海水沉淀方解石的Sr含量(600×10-6)(Baker and Burns, 1985)，說明灰?guī)r在新生變形過程中發(fā)生了強(qiáng)烈的脫鍶作用。數(shù)據(jù)顯示隨著白云石晶體的增大，Sr含量逐漸減少，說明從粉晶到中晶，白云石經(jīng)歷的成巖蝕變增強(qiáng)，Sr逐漸流失。同時數(shù)據(jù)顯示研究區(qū)各類白云巖和灰?guī)r的Sr含量普遍較低，其中中晶白云巖Sr含量最低，平均為118.3×10-6，但仍大于晚期埋藏成因的白云巖值，說明研究區(qū)白云巖并非深埋階段形成，應(yīng)主要為中淺埋藏期的產(chǎn)物，晚期埋藏對其有一定的改造作用。層間泥質(zhì)沉積物Sr含量均值僅為35.20×10-6，較白云巖與灰?guī)r明顯偏低，進(jìn)一步證實了大氣淡水的淋濾溶蝕。

表5 古城地區(qū)鷹山組不同巖石類型Sr元素值

2.2.4 稀土元素

白云巖中稀土元素(REE)組成及地球化學(xué)性質(zhì)主要取決于原巖及白云石化流體的稀土元素(Lottermoser, 1992)，常用作成巖流體的來源及形成環(huán)境的指示劑。

研究表明，PAAS 均一化的海水稀土元素具有輕稀土元素(LREE)虧損、重稀土元素(HREE)富集、Ce虧損、La富集、Gd輕微富集等主要特征(zhang and Nozaki, 1996)。研究區(qū)灰?guī)r稀土元素表現(xiàn)為LREE富集、HREE虧損(表6、圖5)，這一特征與海水不同。前人研究揭示碳酸鹽巖在成巖過程LREE優(yōu)先富集，且HREE遷移能力強(qiáng)于LREE，造成了巖石中LREE高于HREE的特征(胡忠貴等, 2009)?；?guī)rδCe平均值為0.78，與全新世古海水的δCe值(0.75)接近(Webb and Kamber, 2000)，La具有顯著正異常，Gd也表現(xiàn)出輕微的正異常，均與古海水特征相似。因此灰?guī)r總體上代表了沉積時期海水的稀土元素特征。

表6 古城地區(qū)鷹山組碳酸鹽巖稀土元素特征

圖5 古城地區(qū)奧陶系鷹山組碳酸鹽巖PASS標(biāo)準(zhǔn)化(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Taylor and McLennan, 1985)稀土元素配分圖(a)灰?guī)r、粉晶、粉細(xì)晶白云巖稀土元素配分圖；(b)灰?guī)r、細(xì)晶-粗晶白云巖稀土元素配分圖Fig.5 PASS-normalized REE distribution of carbonate rocks in Yingshan Formation of Gucheng area

粉晶白云巖和粉細(xì)晶白云巖REE配分模式相似，且與灰?guī)rREE配分模式基本相同，均顯示輕稀土元素(LREE)富集，重稀土元素(HREE)虧損及Eu、Ce的負(fù)異常(表6、圖5a)，說明二者的白云石化流體具有同源性，其稀土元素主要繼承自原巖灰?guī)r，白云石化流體源于海水。

細(xì)晶、細(xì)中晶、中晶及粗晶白云巖(后文簡稱細(xì)晶-粗晶白云巖)同樣顯示LREE富集、HREE虧損的特征(表6、圖5b)，說明成巖過程中未受到強(qiáng)烈的陸源物質(zhì)的影響。這4類白云巖的Eu和Ce具有一定的差異。研究表明稀土元素Eu正異常通常指示高溫?zé)嵋旱淖饔?Frimmel, 2009; 丁振舉等, 2000; 胡文瑄等, 2010)。Ce由于其敏感的氧化還原性，常用來指示水體的氧化程度，在強(qiáng)氧化環(huán)境中，Ce3+易氧化為Ce4+呈難溶的CeO2遷出而出現(xiàn)負(fù)異常(Frimmel, 2009)。研究區(qū)22個細(xì)晶-粗晶白云巖樣品中，5個樣品表現(xiàn)為Eu弱負(fù)異常(δEu為0.80～0.96，平均0.92)和Ce負(fù)異常(δCe值為0.74～0.96，平均為0.83)，與灰?guī)r特征相似，反映了對原巖的繼承性；17個樣品Eu為明顯的正異常(δEu值為1.03～3.62，平均為1.62)，Ce則有兩種情況，11個樣品表現(xiàn)為Ce負(fù)異常(δCe為0.09～0.94，平均為0.68)，6個樣品為Ce正異常(δCe為1.21～1.28，平均為1.25)，這說明可能有兩期性質(zhì)不同的熱液或者同一期熱液在不同演化階段對該類巖石進(jìn)行了改造。目的層段巖心薄片中可見石英等熱液礦物，且閆博等(2018)研究也揭示塔東地區(qū)存在多期熱液活動。因此，從稀土元素的特征來看，研究區(qū)大部分細(xì)晶-粗晶白云巖均不同程度受到了熱液的改造。

至此，根據(jù)上述巖石學(xué)及碳、氧、鍶同位素、鍶元素及稀土元素的分析可得，研究區(qū)粉晶和粉細(xì)晶白云巖總體形成于蒸發(fā)環(huán)境，為準(zhǔn)同生海源成因；細(xì)晶-粗晶白云巖主要為中淺埋藏成因，并且受到了準(zhǔn)同生期大氣淡水的淋濾及晚期熱液流體的改造。

3 孔隙成因及儲層主控因素

3.1 孔隙類型及特征

巖心、薄片及成像測井資料表明，研究區(qū)鷹山組白云巖儲集空間主要有晶間孔、晶間溶孔、溶蝕孔洞及裂縫。

圖6 古城地區(qū)奧陶系鷹山組白云巖孔隙度直方圖Fig.6 Histogram showing the porosity ranges of dolomite in Yingshan Formation of Gucheng area

晶間孔 晶間孔為研究區(qū)儲層段最重要的孔隙類型，孔隙直徑較小，約0.05～0.5mm，孔隙邊界平直，呈多邊形，在細(xì)晶-粗晶白云巖中最為發(fā)育(圖2c, e-i)。晶間溶孔為晶間孔溶蝕擴(kuò)大形成，直徑相對晶間孔較大，一般約為0.5～1mm之間，通常形態(tài)為不規(guī)則港灣狀(圖2c, h)，在巖心上呈針孔狀。晶間孔和晶間溶孔通常被白云石、方解石等充填(圖2f-h)，充填物中亦見瀝青(圖2d)及石英(圖2i)。大部分晶間孔和晶間溶孔具有一定的連通性，滲透率較好。需要說明的是，部分晶間孔或晶間溶孔發(fā)育在殘余顆粒結(jié)構(gòu)白云巖中，其分布具有規(guī)律性，應(yīng)為粒間孔或者粒內(nèi)孔演變而來(圖2f,g)。

表7 古城地區(qū)鷹山組不同類型白云巖孔隙度及滲透率分析結(jié)果

溶蝕孔洞 直徑在2mm以上，形狀不規(guī)則，具有明顯的非均質(zhì)性，在研究區(qū)中晶及粗晶白云巖中最為發(fā)育。部分孔洞沿層面發(fā)育，推測與原始沉積環(huán)境相關(guān)，部分孔洞沿裂縫分布，應(yīng)為裂縫擴(kuò)溶孔洞，洞壁上多發(fā)育多期充填物，一般為白云石、方解石等(圖2l)。

裂縫 在研究區(qū)各類巖石中均有發(fā)育，是重要的儲滲空間，既可作為儲集空間，又可作為流體運(yùn)移的通道。研究區(qū)裂縫寬度通常從微米級到毫米級大小不一(圖2g-i, l)，部分被白云石、方解石、硅質(zhì)等充填。

圖7 古城地區(qū)奧陶系鷹山組白云巖孔隙度-滲透率交會圖Fig.7 The relationship of porosity and permeability of dolomite in Yingshan Formation of Gucheng area

3.2 物性特征

本次研究對部分井的鷹山組白云巖巖心物性進(jìn)行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果見表7。物性數(shù)據(jù)分析表明，古城地區(qū)鷹山組白云巖孔隙度普遍不高，主要分布范圍在0.60%～3.0%，大部分樣品滲透率也較低，通常小于0.10×10-3μm2。物性數(shù)據(jù)圖表顯示(圖6、表7)，粗晶、細(xì)中晶、中晶白云巖孔隙度相對較高，細(xì)晶白云巖次之，粉晶及粉細(xì)晶白云巖孔隙度最低，這也同巖心薄片的觀察結(jié)果一致。由此可得，研究區(qū)儲層主要發(fā)育在細(xì)中晶、中晶和粗晶(后文簡稱細(xì)中晶-粗晶)白云巖中，整體為一套中低孔中低滲儲層。

從孔滲相關(guān)性上來看(圖7)，粉細(xì)晶和細(xì)晶白云巖孔滲相關(guān)性較好，說明儲層以基質(zhì)孔為主，相對均質(zhì)。粉晶、細(xì)中晶-粗晶白云巖孔滲相關(guān)性較差，部分較低孔隙度的樣品具有較高的滲透率，說明裂縫對巖石儲集性改造明顯。

圖8 古城地區(qū)鷹山組儲層白云石化及孔隙演化模式Fig.8 Dolomitization and pore evolution model of dolomite reservoir in Yingshan Formation of Gucheng area

3.3 孔隙成因

基于前文分析并結(jié)合沉積構(gòu)造演化背景總結(jié)了古城地區(qū)鷹山組儲層的白云石化及孔隙演化過程(圖8)：早-中奧陶世，研究區(qū)為碳酸鹽巖緩坡，海水潛流環(huán)境下沉積灰?guī)r顆粒灘，由于海水對方解石過飽和，發(fā)生膠結(jié)作用使原生孔隙被封堵；緩坡環(huán)境下，海平面周期性升降，中等鹽度的海水在密度差以及海平面變化的驅(qū)動下滲透回流，沉積物發(fā)生白云石化，形成粉晶-粉細(xì)晶白云巖。同時顆粒灘不斷暴露出水面，受到準(zhǔn)同生期大氣淡水淋濾溶蝕，產(chǎn)生一定數(shù)量的次生溶孔；淺-中埋藏時期，孔隙水為主要成巖流體，殘余海水提供Mg2+，沉積物發(fā)生大規(guī)模白云石化作用，形成自形-半自形細(xì)晶-中晶白云巖，晶間孔發(fā)育，連通性較好；深埋藏時期，地層流體為主要成巖流體，隨著溫度持續(xù)增高，發(fā)生過度白云石化作用，部分白云石晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樗沃写志О自剖?，早期形成的晶間孔隙被部分封堵；晚奧陶-三疊紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動形成斷裂及大量伴生裂縫(馮子輝, 2019)，巖石的儲集性能提高，多期熱液沿裂縫進(jìn)入成巖體系發(fā)生溶蝕，儲集空間再次增多；隨著溶蝕作用的進(jìn)行，熱液流體的Mg2+對白云石逐漸飽和，基質(zhì)白云巖再次被改造形成中粗晶他形白云巖，同時孔洞縫中也沉淀一定量的中粗晶鞍形白云石、石英等熱液礦物，孔隙減少；之后發(fā)生一期或多期方解石充填，孔隙再次減少，形成現(xiàn)今的孔隙發(fā)育狀態(tài)。

基于上述分析，筆者認(rèn)為古城地區(qū)奧陶系鷹山組白云石孔隙形成受以下因素控制。

(1)高能緩坡灘沉積是孔隙形成的物質(zhì)基礎(chǔ)

根據(jù)前文所述，鷹下段白云巖中物性最好的巖石類型為細(xì)中晶-粗晶白云巖。薄片觀察顯示，大部分細(xì)中晶-粗晶白云巖中具有明顯的殘余顆粒結(jié)構(gòu)(圖2f, g)，表明其原巖為顆?；?guī)r。奧陶系碳酸鹽巖緩坡沉積環(huán)境下，顆?；?guī)r為高能緩坡灘沉積。與之相對，發(fā)育在低能環(huán)境的紋層狀粉晶白云巖、粉細(xì)晶白云巖則普遍致密，即使同樣經(jīng)歷了早期云化，仍不能發(fā)育好儲層(圖2a, b)。由此可見，孔隙的發(fā)育受控于原始沉積相帶，緩坡顆粒灘為鷹山組白云巖孔隙發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖9 過GC9-GC6-GC8井地震剖面反射特征(a)與結(jié)構(gòu)張量屬性剖面反射特征(b)Fig.9 The reflection characteristics of seismic profile (a) and structural tensor attribute profile (b) through well GC9-GC6-GC8

圖10 過GC601、GC18井地震剖面反射特征(a、c)與結(jié)構(gòu)張量屬性剖面反射特征(b、d)Fig.10 The reflection characteristics of seismic profile (a, c) and structural tensor attribute profile (b, d) through well GC601, GC18

(2)準(zhǔn)同生期暴露溶蝕是孔隙形成的關(guān)鍵

巖心薄片資料顯示并非所有白云巖均能發(fā)育成好儲層。古城地區(qū)多口井具有如下特征：致密的灘相白云巖與多孔的灘相白云巖間互發(fā)育形成多個向上變淺的旋回，旋回頂部孔隙發(fā)育。這種現(xiàn)象應(yīng)為沉積物受到準(zhǔn)同生期周期性暴露溶蝕所致。古城地區(qū)鷹三段內(nèi)幕發(fā)育多期與海平面下降相關(guān)的暴露，丁寒生等(2017)在鷹山組識別出4個四級層序界面。巖心薄片上順層理發(fā)育的較均勻的基質(zhì)孔隙(圖2f)、較多滲流粉砂(圖2j)、示底構(gòu)造及滲流沉積現(xiàn)象(圖2k)均反映了淡水淋濾的特征，前文相關(guān)的地化分析亦進(jìn)一步證實了準(zhǔn)同生期的暴露溶蝕。準(zhǔn)同生期大氣淡水溶蝕可形成良好的晶間孔隙，這些孔隙既是儲層孔隙的基礎(chǔ)，也為成巖流體提供了運(yùn)移通道，有利于后期進(jìn)一步改造。

(3)早期白云石化作用有利于孔隙的繼承和保存

白云石化對研究區(qū)孔隙發(fā)育究竟起何種作用需要結(jié)合巖石類型、孔隙特征等詳細(xì)分析。古城地區(qū)多口鉆井揭示，鷹下段灰?guī)r儲層總體較差，無論是低能的泥晶灰?guī)r還是高能的亮晶顆?；?guī)r，均膠結(jié)致密，孔隙基本不發(fā)育，優(yōu)質(zhì)儲層普遍發(fā)育在白云巖地層中，這揭示了白云石化作用對孔隙形成的重要性。前文述及研究區(qū)儲層主要發(fā)育在細(xì)中晶-粗晶白云巖中，該類白云巖總體為早期中淺埋藏成因，局部受晚期埋藏-熱液改造。前人研究表明，早期適度的白云石化有利于原生孔隙的繼承，且白云石化使巖石具有更高的強(qiáng)度和脆性，能夠更好的抵抗埋藏期的壓實作用，這既有利于已有孔隙的保存，也有利于裂縫的形成，同時為后期的熱液等成巖流體提供了運(yùn)移通道和儲集空間(Glover, 1968; Hugman and Friedman, 1979)。而晚期埋藏-熱液白云石化則主要表現(xiàn)為重結(jié)晶及過度白云石化，可部分或者全部封堵孔隙，對儲層起破壞作用。綜上，白云石化是研究區(qū)孔隙大規(guī)模存在的前提條件，早期白云石化作用對孔隙的繼承和保存最為有利。

(4)構(gòu)造破裂及埋藏-熱液溶蝕對孔隙起到有利的改造作用

巖心、薄片資料顯示，古城地區(qū)非組構(gòu)選擇性溶蝕孔洞發(fā)育，并且多沿組構(gòu)選擇性孔隙及裂縫分布。這一特征揭示了構(gòu)造破裂和埋藏-熱液溶蝕的疊加改造作用。研究區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動，產(chǎn)生了大量裂縫，裂縫可溝通原有孔隙，埋藏-熱液流體后期可將其溶蝕擴(kuò)大?？梢姌?gòu)造破裂和埋藏-熱液溶蝕能極大的改善儲層物性，有助于形成裂縫-孔洞型優(yōu)質(zhì)儲層。

3.4 儲層主控因素

研究區(qū)成功井及失利井測井資料、地震資料、酸壓以及系統(tǒng)試井資料綜合分析表明，規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲層是古城奧陶系白云巖勘探成功的關(guān)鍵，儲層既要質(zhì)量好，又要成規(guī)模，勘探才有可能獲得成功。本次研究在明確白云巖孔隙成因的基礎(chǔ)之上，重點梳理了研究區(qū)3口高產(chǎn)井和2口失利井的鉆井及地震資料，從更宏觀更綜合的角度，對規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲層的主控因素進(jìn)行了初步分析。

GC6、GC8、GC9井3口高產(chǎn)井均發(fā)育裂縫-孔洞型規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲層(Caoetal., 2019)，鉆井資料表明3口井均為云化灘相沉積(沈安江等, 2018)，儲層規(guī)模大，地震資料顯示斷裂發(fā)育，呈典型的斷溶體特征(圖9)，儲層質(zhì)量好。GC601井孔隙發(fā)育較普遍，鉆井資料表明為云化灘沉積(圖2f)，儲層規(guī)模大，測井解釋Ⅱ類儲層厚度49.4m，孔隙度為0.10%～3.30%，但地震資料顯示該井缺乏斷裂溶蝕改造，斷溶體特征不明顯(圖10a, b)，滲透率低，導(dǎo)致儲層質(zhì)量較差從而失利。GC18井地震資料顯示斷溶體發(fā)育(圖10c, d)，測井解釋Ⅰ類儲層厚約110m，孔隙度為3.60%～9.50%，為裂縫-孔洞型優(yōu)質(zhì)儲層，但是該井?dāng)嗳荏w規(guī)模較小，井周能量較低物性較差，無大的灘體、縫洞體，儲層規(guī)模有限，導(dǎo)致該井產(chǎn)水量有限。

綜上可得，古城地區(qū)鷹山組規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲層受云化灘和斷裂熱液溶蝕(斷溶體)雙重控制，其中云化灘控制了儲層規(guī)模，斷裂熱液溶蝕控制了儲層質(zhì)量，二者疊合區(qū)域應(yīng)為規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育區(qū)。這一結(jié)論初步回答了沉積相帶和斷裂溶蝕在儲層發(fā)育中的作用，也對該區(qū)域下一步勘探部署提供了重要依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)古城地區(qū)鷹山組發(fā)育粉晶、粉細(xì)晶、細(xì)晶、細(xì)中晶、中晶、粗晶6種白云巖，孔隙主要發(fā)育在細(xì)中晶-粗晶白云巖中。碳、氧、鍶同位素、鍶元素及稀土元素分析表明粉晶、粉細(xì)晶白云巖總體形成于蒸發(fā)海水環(huán)境，為準(zhǔn)同生海源成因。細(xì)晶-粗晶白云巖主要為中淺埋藏成因，并且疊加了早期淡水溶蝕及晚期埋藏-熱液改造作用。

(2)高能緩坡灘是研究區(qū)白云巖孔隙形成的物質(zhì)基礎(chǔ)、準(zhǔn)同生暴露溶蝕是孔隙形成的關(guān)鍵、早期白云石化有利于孔隙的繼承和保存，構(gòu)造破裂和埋藏-熱液溶蝕作用對孔隙起到有利的改造作用。

(3)鷹山組白云巖規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲層受控于云化灘和斷裂熱液溶蝕改造，云化灘控制儲層規(guī)模，斷裂熱液溶蝕控制儲層質(zhì)量，云化灘和斷溶體疊合之處為規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育區(qū)。