塔里木盆地塔河油田中下奧陶統(tǒng)鷹山組內(nèi)幕儲層成因機理

呂艷萍，呂 晶，徐想東，鄧光校，劉永立，3，劉存革， 張振哲，韓擁強

(1.中國石化 西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830011； 2.中國海洋石油國際有限公司，北京 100028； 3.中國地質(zhì)大學(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074； 4.廣東石油化工學院 石油工程學院，廣東 茂名 525000； 5.新疆博塔油田技術(shù)服務(wù)有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

近年來，我國在深層碳酸鹽巖領(lǐng)域不斷取得重大油氣發(fā)現(xiàn)[1-3]，證實深層仍然發(fā)育碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層。塔里木盆地塔河油田奧陶系海相油氣藏主要產(chǎn)層位于中下奧陶統(tǒng)頂面之下150 m范圍內(nèi)，已經(jīng)勘探開發(fā)了二十余年，對縫洞儲集體的成因機理、分布規(guī)律研究較為深入；北部上奧陶統(tǒng)剝蝕區(qū)主要為大氣淡水潛流—滲流環(huán)境下形成的縫洞儲集體[4-7]，南部上奧陶統(tǒng)覆蓋區(qū)斷裂的控制作用較強[4,6]。為尋找新的資源接替層系，中國石化西北油田分公司在塔河油田西部上奧陶統(tǒng)覆蓋區(qū)鷹山組中下部發(fā)現(xiàn)大量串珠狀、雜亂反射等地震反射異常，部署的A井在鷹山組上段下亞段獲得工業(yè)油氣流[8]，證實鷹山組中下部發(fā)育規(guī)模性縫洞儲集體。巫波等[9]認為，這些縫洞儲集體主要受控于巖溶管道內(nèi)部下切深度及空間組合形式。本文針對鷹山組上段下亞段儲層樣品開展了碳氧同位素、鍶同位素、稀土元素和陰極發(fā)光測試工作，認為鷹山組內(nèi)幕儲集體主要形成于海西早期大氣淡水深部緩流帶環(huán)境，與表層的縫洞儲集體形成環(huán)境存在較大差異。

1 地質(zhì)背景

塔河油田位于塔里木盆地北部阿克庫勒凸起中段(圖1)，早—中奧陶世沉積了厚度超過1 000 m、較純的碳酸鹽巖；下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組以白云巖、灰質(zhì)云巖為主，中下奧陶統(tǒng)鷹山組和中奧陶統(tǒng)一間房組以灰?guī)r為主，向下白云石化作用加強(圖2)。上奧陶統(tǒng)沉積環(huán)境與中下奧陶統(tǒng)相比發(fā)生了劇烈變化，由淺水碳酸鹽巖臺地轉(zhuǎn)變?yōu)檠蜎]臺地、緩坡和混積陸棚[10]，巖性為含泥灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和泥巖。

塔河油田奧陶系受到加里東中期、海西早期等多期構(gòu)造運動的影響，北部上奧陶統(tǒng)被完全剝蝕，中下奧陶統(tǒng)也經(jīng)歷了不同程度的剝蝕，志留系、泥盆系殘余地層在阿克庫勒凸起周緣分布。在多期的構(gòu)造運動中，中下奧陶統(tǒng)經(jīng)歷了多期古巖溶作用，形成了大量的縫洞儲集體，其中海西早期古巖溶發(fā)育階段是目前規(guī)?？p洞儲集體形成的重要時期。

圖1 塔里木盆地塔河油田研究區(qū)位置示意

圖2 塔里木盆地塔河油田研究區(qū)南北向地質(zhì)剖面

2 樣品采集與測試分析

研究區(qū)A井和B井(圖1)在鷹山組上段下亞段鉆遇巨晶方解石充填的洞穴，并取得了巖心資料。A井揭示了一個高度大于6.81 m的被巨晶方解石充填的巖溶洞穴(6 100～6 106.81 m)，溶洞頂部沒有揭示，且在6 115.13～6 168.24 m累計漏失泥漿1 476.05 m3；洞穴巨晶方解石內(nèi)部和洞穴底部灰?guī)r中存在構(gòu)造裂縫(圖4a-c)，縫面見稠油。B井則揭示了被巨晶方解石充填的洞穴33 cm(6 284.52～6 284.85 m，斜深)，但未揭示洞穴的底部，取心過程中在6 285.17～6 286.2 m井段出現(xiàn)鉆具放空、水侵、溢流現(xiàn)象，造成取心率較低；該洞穴頂部灰?guī)r發(fā)育方解石充填的構(gòu)造裂縫(圖4d)，洞穴巨晶方解石內(nèi)部也存在縫面被稠油侵染的構(gòu)造裂縫(圖4e-f)。

本次研究針對洞穴巨晶方解石、洞頂和洞底的構(gòu)造裂縫方解石及圍巖，選送了碳氧同位素、鍶同位素、稀土元素和陰極發(fā)光測試樣品。碳氧同位素由國土資源部同位素地質(zhì)重點實驗室測定，分析儀器為MAT253 EM質(zhì)譜儀，分析方法為磷酸鹽法；鍶同位素和稀土元素由核工業(yè)地質(zhì)分析測試研究中心測試，鍶同位素采用陽離子樹脂交換法分離和純化、利用PHOENIX熱電離質(zhì)譜儀進行分析測試；稀土元素采用等離子體質(zhì)譜分析方法，分析儀器為ELEMENT XR等離子體質(zhì)譜分析儀。陰極發(fā)光由中國地質(zhì)大學(武漢)微觀烴類檢測實驗室測試，儀器為RELITRON Ⅲ，電流0.6～0.85 mA，電壓9～10 kV。

圖3 塔里木盆地塔河油田A井區(qū)振幅變化率與精細相干疊合圖及過A井地震剖面(b)

圖4 塔里木盆地塔河油田A井和B井巖心特征

3 儲層成因機理探討

3.1 碳氧同位素特征

從表1和圖5a可以看出，構(gòu)造裂縫和洞穴方解石樣品的δ13CPDB介于-0.4‰～-2.4‰之間，均值-1.49‰；δ18OPDB介于-13.8‰～-16.2‰之間，均值-14.74‰，兩者與塔河地區(qū)中下奧陶統(tǒng)灰?guī)r背景值相比，均明顯偏負。圖5中灰?guī)r背景值參考了前人公開發(fā)表的碳氧同位素數(shù)據(jù)[11]和鍶同位素數(shù)據(jù)[12]。同時，圖5a中δ18O不變而δ13C可變的趨勢較為明顯，為大氣水方解石線[13]，表明脫氣作用是造成方解石沉淀的主要因素。B井構(gòu)造裂縫方解石δ13C值較高，并非水巖反應(yīng)強烈所致，而是因為快速脫氣，其87Sr/86Sr比值較高也證實了這個認識。前人公開發(fā)表的碳氧同位素中表層洞穴巨晶方解石δ18O明顯富集[4]，說明蒸發(fā)作用增強，表層風化殼與內(nèi)幕洞穴巨晶方解石的沉淀機理存在差異。

晚泥盆世東河塘組沉積時期，在A井區(qū)存在發(fā)育大氣淡水—海水的混合水巖溶的地質(zhì)條件，但在此環(huán)境中沉淀的方解石δ18O會明顯富集，偏離大氣水方解石線[13]。因此，這兩口井的洞穴巨晶方解石及構(gòu)造裂縫方解石是在大氣淡水環(huán)境中形成的。

3.2 鍶同位素組成特征

在一個特定時期，海水中87Sr/86Sr比值由幔源鍶、殼源鍶和重溶鍶在海水中所占的比重決定[14]。從表1和圖5b可以看出，構(gòu)造裂縫和洞穴方解石的87Sr/86Sr比值介于0.709 622～0.709 968之間，遠高于中下奧陶統(tǒng)泥晶灰?guī)r背景值[12]。晚泥盆世—早石炭世全球海水鍶同位素比值為0.707 8～0.708 4[15]，表明這些縫洞方解石的87Sr/86Sr比值明顯受到殼源鍶的影響，形成于海西早期古巖溶時期的可能性較大[12]。構(gòu)造裂縫和洞穴方解石的87Sr/86Sr比值變化范圍較窄，B井略高于A井，表明流體的水巖反應(yīng)程度相對穩(wěn)定。

表1 塔里木盆地塔河油田測試樣品碳、氧、鍶同位素組成

圖5 塔里木盆地塔河油田測試樣品碳、氧、鍶同位素關(guān)系

3.3 稀土元素組成特征

表2為樣品測試的稀土元素數(shù)據(jù)，由于A井的云質(zhì)灰?guī)r受后期成巖作用的影響較大，碳氧同位素、鍶同位素均有反映，因此增加了TP28井3個泥晶灰?guī)r的稀土元素數(shù)據(jù)作為背景值。該井與A井、B井的稀土元素樣品在同一家測試單位測試，測試儀器也相同。圖6是稀土元素數(shù)據(jù)經(jīng)球粒隕石標準化后的配分模式[16]。所有樣品的稀土元素配分模式均具有LREE富集、HREE虧損的特征，溶液遷移過程中重稀土元素的遷移能力高于輕稀土元素，造成方解石和灰?guī)r形成過程中優(yōu)先富集LREE。洞穴、構(gòu)造裂縫方解石的∑REE與背景值相比，A井和B井各有1個洞穴方解石樣品明顯高于背景值，A井其余洞穴方解石略低于背景值，A井和B井的構(gòu)造裂縫方解石與背景值近似，反映出方解石形成過程中流體性質(zhì)存在明顯差異。各類樣品中Ce無正異常，而Eu具有輕微負異常，由于熱液產(chǎn)物或還原環(huán)境下常出現(xiàn)Eu正異常[17]，反映出構(gòu)造裂縫和洞穴方解石膠結(jié)物形成于弱氧化環(huán)境。

表2 塔里木盆地塔河油田測試樣品稀土元素組成

圖6 塔里木盆地塔河油田測試樣品方解石稀土元素配分模式

3.4 陰極發(fā)光特征

碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光主要受礦物中Fe、Mn含量和Mn/Fe比值的控制，Mn2+通常作為激活劑，而Fe2+通常為猝滅劑。隨著礦物中Fe、Mn含量和Mn/Fe比值的變化，碳酸鹽礦物在陰極射線下呈現(xiàn)出不同的顏色。根據(jù)前人[18]研究成果，方解石膠結(jié)物在接近補給區(qū)時不發(fā)光，進入承壓水層，Eh迅速降低，在過渡帶內(nèi)光亮發(fā)光的方解石膠結(jié)物形成，昏暗發(fā)光的方解石膠結(jié)物應(yīng)在更遠處的還原孔隙水中沉淀。

B井構(gòu)造裂縫和洞穴巨晶方解石均發(fā)橘黃色光(圖7a-b)，表明流體性質(zhì)、Eh相對穩(wěn)定，處于弱氧化環(huán)境；而A井洞穴巨晶方解石發(fā)暗棕色光和橘黃色光(圖7c-d)，構(gòu)造裂縫發(fā)暗棕色光、暗橘黃色光和亮黃色光(圖7e)，表明Eh多變，處于弱氧化—弱還原沉積環(huán)境。

3.5 儲層成因機理探討

海西早期古巖溶時期，塔河油田中下奧陶統(tǒng)在上奧陶統(tǒng)剝蝕區(qū)發(fā)育3個巖溶旋回[19]，形成3套洞穴層，但多數(shù)大型洞穴主要發(fā)育在中下奧陶統(tǒng)頂面之下150 m范圍內(nèi)，巖溶緩坡最為發(fā)育，巖溶盆地內(nèi)主要沿斷裂帶發(fā)育。而A井發(fā)育的洞穴距中奧陶統(tǒng)頂面262 m，B井為245 m，兩者都處于上奧陶統(tǒng)良里塔格組覆蓋區(qū)，在海西早期巖溶地貌中處于巖溶盆地的邊緣。有學者用順層(承壓)深潛流巖溶模式解釋上奧陶統(tǒng)覆蓋區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂部洞穴的成因[20]，也有學者認為鷹山組深層縫洞儲集體主要受控于上部潛流巖溶帶形成的巖溶管道[9]。由于A井區(qū)發(fā)育在鷹山組上段下亞段內(nèi)的洞穴距中下奧陶統(tǒng)頂面距離較大，且處于巖溶盆地，更符合深部緩流帶模式。深部緩流帶承壓、水流緩慢流動[21]，基本不受泄水基準面控制，可以發(fā)育到很深的部位，水體受蒸發(fā)作用的影響較弱，方解石膠結(jié)物易形成大氣淡水方解石線。因此，研究區(qū)鷹山組上段下亞段發(fā)育的巖溶縫洞儲集體形成于海西早期大氣淡水深部緩流帶環(huán)境中，沒有熱液溶蝕和混合水巖溶的貢獻。研究區(qū)內(nèi)洞穴氧化還原環(huán)境和流體來源存在差異，A井的洞穴為弱氧化—弱還原環(huán)境，B井的洞穴為弱氧化環(huán)境，后者離補給區(qū)的距離更近。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)鷹山組上段下亞段縫洞儲集體距中奧陶統(tǒng)頂面的距離超過250 m，在主干斷裂帶之間發(fā)育，呈層狀、蜂窩狀分布，與中下奧陶統(tǒng)頂部的風化殼縫洞儲集體存在明顯差異。

(2)研究區(qū)洞穴巨晶方解石和構(gòu)造裂縫方解石的碳氧同位素低于背景值，存在大氣水方解石線；鍶同位素遠高于背景值，明顯受殼源鍶的影響；稀土元素無Ce和Eu正異常，反映出無熱液流體的參與；陰極發(fā)光則反映出A井和B井的補給區(qū)不同，洞穴氧化還原環(huán)境存在差異。

(3)根據(jù)方解石膠結(jié)物的地球化學特征，以及研究區(qū)所處的古巖溶背景，認為該區(qū)鷹山組上段下亞段的縫洞儲集體主要形成于海西早期大氣淡水深部緩流帶環(huán)境。

圖7 塔里木盆地塔河油田構(gòu)造裂縫和洞穴方解石陰極發(fā)光特征