渤海灣盆地富臺油田碳酸鹽巖潛山裂縫充填機制

金強，毛晶晶，杜玉山，黃習習

（1.中國石油大學(華東)地球科學與技術(shù)學院；2.中國石化勝利油田地質(zhì)科學研究院）

渤海灣盆地富臺油田碳酸鹽巖潛山裂縫充填機制

金強1，毛晶晶1，杜玉山2，黃習習1

（1.中國石油大學(華東)地球科學與技術(shù)學院；2.中國石化勝利油田地質(zhì)科學研究院）

基于巖心和薄片觀察、裂縫充填物包裹體分析、圍巖及裂縫充填物碳氧同位素組成和微量元素分析，研究了渤海灣盆地富臺油田寒武系—奧陶系碳酸鹽巖潛山裂縫充填物的成因和分布。富臺油田潛山儲集層發(fā)育多種成因裂縫，裂縫多為方解石充填，充填率達60%以上，且多數(shù)為一期結(jié)晶的亮晶方解石。裂縫充填方解石中包裹體均一溫度高于潛山儲集層溫度，而且裂縫充填方解石中發(fā)育含油包裹體，說明裂縫方解石充填與油氣成藏同期；碳氧同位素和稀土元素組成分析表明，充填裂縫的方解石礦液既帶來深層熱液，又溶蝕潛山中的灰?guī)r和白云巖，再在潛山淺部裂縫中沉淀形成方解石等物質(zhì)。裂縫充填物的熱液成因，有助于解釋裂縫充填物的分布，即富臺潛山靠近埕南和埕南二臺階等斷層的裂縫充填程度高、遠離斷層的裂縫充填程度較低。圖8表3參25

碳酸鹽巖潛山；裂縫充填機制；深層熱液；富臺油田；渤海灣盆地

1 研究區(qū)地質(zhì)背景及問題提出

富臺油田位于渤海灣盆地濟陽坳陷北部埕南斷裂帶下降盤構(gòu)造高部位（見圖1），儲集層為厚500～900 m的寒武系—奧陶系碳酸鹽巖，上覆厚100～300 m的石炭-二疊系砂泥巖。該地區(qū)在燕山運動早期受到北東向擠壓，形成局部背斜，燕山運動晚期—喜馬拉雅運動期發(fā)生斷裂運動，寒武系—奧陶系碳酸鹽巖中形成了大量斷層和裂縫[1]，并在古近紀沙河街組沉積期形成潛山[2-3]。

自1975年發(fā)現(xiàn)任丘潛山油田以來，潛山成為渤海灣盆地油氣增儲上產(chǎn)的重要領(lǐng)域[4]。富臺油田潛山油藏面積僅4 km2，但其石油儲量達3 207×104t[5]。富臺油田潛山油藏的主要儲集空間為裂縫[6]，但60%以上的裂縫被方解石等膠結(jié)物充填，因此研究裂縫充填物的成因和分布對于潛山儲集層評價至關(guān)重要。本文基于巖心和薄片觀察、裂縫充填物包裹體分析、圍巖及裂縫充填物碳氧同位素組成和微量元素分析，研究渤海灣盆地富臺油田寒武系—奧陶系碳酸鹽巖潛山裂縫充

填物的成因和分布。

圖1 富臺油田位置及潛山頂面構(gòu)造圖

2 實驗

在巖心觀察的基礎(chǔ)上，采集潛山不同層位、不同巖性的含裂縫樣品，磨制普通薄片、熒光薄片和流體包裹體薄片50余片，進行巖石礦物和裂縫充填物礦物鑒定、熒光薄片分析和包裹體流體均一溫度及鹽度測定，測定程序參照石油行業(yè)標準[7-9]。

熒光薄片分析采用偏光顯微鏡（包括透射偏光系統(tǒng)、反射熒光系統(tǒng)、紫外光激發(fā)濾色片（波長365 nm）和顯微照相系統(tǒng)），鑒別基質(zhì)和裂縫充填物的礦物類型。

包裹體均一溫度和鹽度測量采用帶長焦距物鏡并安裝冷熱臺的偏光顯微鏡，所用冷熱臺最低溫度為?170 ℃，最高溫度為380 ℃。根據(jù)行業(yè)標準[9]，每次利用冷、熱臺測量時先進行標準物質(zhì)溫度校正。將選好包裹體的薄片放入熱臺，以5 ℃/min速率升溫，接近包裹體均一溫度時，采用1 ℃/min升溫速率，仔細觀察氣、液兩相變?yōu)閱蜗嗟倪^程，并記錄宿主礦物類型、產(chǎn)狀和包裹體大小、顏色、均一溫度范圍等。冰點測量：將選好包裹體的薄片放入冷凍室，使包裹體液相完全凍結(jié)，自然回溫解凍，記錄包裹體始融溫度和冰點溫度。

對部分樣品裂縫內(nèi)充填物（主要為方解石，少量白云石和硬石膏等）和縫外原巖（灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖、灰質(zhì)白云巖等）再次采樣，對其進行微量元素和碳、氧同位素等分析測試，微量元素在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心的ELEMENT XR高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜儀上完成，測試程序依據(jù)GB/T 14506.30-2010[10]。碳、氧同位素組成分析在中國石化勝利油田地質(zhì)科學研究院測試中心的MAT251同位素質(zhì)譜儀上完成，檢測程序依據(jù)SY/T 5238-2008[11]。

3 裂縫充填物及圍巖的巖石學特征

對研究區(qū)CG201井、CG202井、CG203井、CG204井、CG205井、CG208井等6口系統(tǒng)取心井（見圖1）的巖心觀察表明，潛山發(fā)育多組系裂縫，靠近斷層處裂縫較發(fā)育，其中白云巖等脆性巖石中裂縫發(fā)育較好，包括張性裂縫、雁行排列的張扭性裂縫和不規(guī)則裂縫，裂縫多被方解石充填（見圖2），少量被硬石膏充填（見圖2b），肉眼觀察充填物晶形一致、顏色雪白，具有一次性充填特征，部分巖心上存在熱褪色（見圖2c）和熱碎裂（見圖2d）現(xiàn)象，裂縫未充填部分為石油所占據(jù)（見圖2a、2c）。

對200余個巖石薄片（包括勝利油田地質(zhì)科學研究院制作的薄片）進行了觀察，結(jié)果表明裂縫發(fā)育具有如下特征（見表1）：①裂縫以張性裂縫為主，其在灰?guī)r和白云巖中均發(fā)育，以半自形為主的方解石占裂縫充填物的78.4%，一期結(jié)晶的方解石占75%左右；②張扭性裂縫以方解石充填為主，晶形均為他形，一期結(jié)晶方

解石占80%；③約25%的薄片中見到裂縫溶蝕現(xiàn)象，方解石占充填物的82.6%，且以自形方解石為主；④不規(guī)則的碎裂縫中方解石充填率下降，硬石膏含量增加（6.9%），一期結(jié)晶的方解石數(shù)量下降（約占60%）；⑤部分薄片中發(fā)育泥質(zhì)充填（約占50%～60%）的縫合線。裂縫未充填率變化較大，未充填部分多數(shù)被石油占據(jù)。

圖2 富臺油田潛山儲集層巖心上裂縫及其充填物特征

表1 富臺油田潛山儲集層巖石薄片上裂縫及充填物特征統(tǒng)計表

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫充填方解石多具一期形成、半自形、晶體大小均一等特征（見圖3a）；部分裂縫中，靠近裂縫邊緣處方解石為粉晶、裂縫中部為中晶（見圖3b），說明成礦流體初始流速快、結(jié)晶顆粒小，后期流速慢、結(jié)晶顆粒大；奧陶系上馬家溝組白云質(zhì)灰?guī)r裂縫中見兩期方解石充填，早期方解石晶形小、顏色暗，晚期方解石晶形大、清潔透明（見圖3c、3d）；少數(shù)張性裂縫中存在多種礦物充填，如硬石膏、白云石、方解石和石英等（見圖3e）；薄片中亦觀察到熱碎裂現(xiàn)象（見圖3f）及熱褪色現(xiàn)象（見圖3c、3d和3g），還見到晶形很好的馬鞍狀白云石（見圖3h）。另外，膏質(zhì)云巖裂縫主要為硬石膏充填。

圖3 富臺油田潛山裂縫及其充填物的鏡下特征

熱褪色是指裂縫兩側(cè)數(shù)毫米（甚至數(shù)厘米）范圍內(nèi)，圍巖的顏色由深變淺甚至變白的現(xiàn)象，是熱液對

圍巖改造的結(jié)果[12]。奧陶系八陡組、上馬家溝組、下馬家溝組、冶里組—亮甲山組以及寒武系鳳山組的灰?guī)r、白云巖裂縫附近均見該現(xiàn)象。熱碎裂現(xiàn)象常與熱褪色作用伴生，富臺油田潛山碳酸鹽巖在巖心及薄片上均見到熱碎裂現(xiàn)象，其是熱流體在壓力降低的情況下體積迅速膨脹或發(fā)生沸騰導致的[13-14]。裂縫中鞍形粗晶白云石可能也是熱液作用形成的[15]，大型鞍形白云石多形成于溫度高于100 ℃的熱液環(huán)境中[16]。

圖4 富臺油田潛山裂縫充填方解石中流體包裹體薄片特征及其具體測溫點均一溫度

4 裂縫充填物包裹體特征及均一溫度

所測包裹體是一條或一組裂縫同種充填礦物（方解石）內(nèi)的包裹體，其結(jié)果具有一定可比性。以往認為富臺油田潛山裂縫形成早、充填也早，應(yīng)只發(fā)育氣-液包裹體，但本次研究幾乎在所有裂縫充填方解石中都發(fā)現(xiàn)了油-水包裹體（見圖4）。圖4a是CG202井下馬家溝組泥晶灰?guī)r薄片照片，其中發(fā)育3條裂縫，圖4b、4c和4d分別為同一條裂縫中3處包裹體的放大圖像，可見包裹體多數(shù)為長條狀，沿方解石長軸方向分布，部分沿方解石晶體裂縫方向分布，包裹體長軸基本在3～9 μm，部分超過10 μm，本文用于均一溫度測定的氣-液或油-水包裹體均大于5 μm，如圖4b中包裹體長約11 μm，寬約5 μm。圖4b和圖4c中共發(fā)育3個鹽水-氣包裹體，均一溫度在120～149 ℃，圖4d中發(fā)育3個油-水包裹體，均一溫度在121～130 ℃，

說明方解石充填與油氣成藏是同期的，即富臺油田潛山裂縫充填期也是油氣成藏期。CG201井上馬家溝組一塊白云質(zhì)灰?guī)r薄片中發(fā)育X形裂縫（見圖4e），一組裂縫充填的方解石中發(fā)育油-水包裹體，均一溫度在98.2～126.7 ℃，同時發(fā)育鹽水-氣包裹體，均一溫度103.1 ℃（見圖4f、4g），另一組裂縫充填方解石中發(fā)育鹽水-氣包裹體，均一溫度為118.5～120.6 ℃（見圖4h），也說明方解石充填與油氣成藏是同期的。

將裂縫充填方解石中流體包裹體均一溫度作直方圖（見圖5），由圖可見，流體包裹體中鹽水-氣包裹體數(shù)量占優(yōu)，均一溫度分布較寬（75～155 ℃），主峰在120～130 ℃；油-水包裹體占18%，均一溫度以110～130 ℃為主，少數(shù)在80 ℃左右。

圖5 富臺油田潛山裂縫充填方解石中流體包裹體均一溫度分布

沙河街組沉積期以來，富臺油田潛山埋藏史見圖6，其中地溫分布根據(jù)文獻[17]、油氣成藏期據(jù)文獻[18]確定。可以看出，該潛山成藏時地溫應(yīng)該在95～110 ℃，而含油包裹體的均一溫度在110～130 ℃，高出前者約20 ℃；鹽水-氣包裹體的均一溫度可以高達155 ℃，說明裂縫中充填的方解石為熱液（來自深部、比周圍環(huán)境高10 ℃或更高的多成因流體[19]）成因。若熱液含碳酸鈣等物質(zhì)，當溫度降低、達到超飽和狀態(tài)時，即形成方解石等礦物。

圖6 富臺油田潛山新生代以來埋藏史及成藏史圖

表2 富臺油田潛山裂縫充填方解石的碳、氧同位素分析數(shù)據(jù)

5 裂縫充填物及圍巖碳氧同位素和稀土元素分析

對36塊裂縫充填方解石樣品及7塊圍巖樣品進行了碳氧同位素組成分析（見表2），結(jié)果表明：方解石樣品的δ13C值在?4.6‰～0.6‰，平均為?1.8‰；δ13O

值在?20.4‰～?8.4‰，平均為?15.0‰；圍巖δ13C平均值為?0.9‰，δ13O平均值為?8.3‰，可見裂縫充填方解石同位素組成低于圍巖。對比前人發(fā)表的δ18O數(shù)據(jù)[20]，富臺油田潛山裂縫充填方解石應(yīng)當屬于熱液礦脈或熱水蝕變碳酸鹽。δ13C-δ18O散點圖[21]可以反映方解石成礦流體性質(zhì)（見圖7），富臺油田潛山灰?guī)r和白云巖（即圍巖）數(shù)據(jù)落入B區(qū)，裂縫充填方解石數(shù)據(jù)基本上落在C區(qū)及C區(qū)與D區(qū)之間，說明裂縫充填方解石為低溫—較高溫熱液所形成。即，沿斷層和裂縫輸導上來的熱液在潛山中溫度、壓力、流速等不斷下降，達到方解石過飽和狀態(tài)后在裂縫中沉淀下來，形成脈狀方解石。

圖7 富臺油田潛山不同層系裂縫充填方解石及圍巖的δ13C與δ18O關(guān)系圖（底圖據(jù)文獻[20-21]）

稀土元素（REE）作為地球化學示蹤工具被廣泛使用[22]。通過對裂縫充填方解石及圍巖樣品中稀土元素的分析，可得到稀土元素總量（∑REE）、輕重稀土元素比（LREE/HREE）以及δEu、δCe等值（見表3），據(jù)此作出稀土元素球粒隕石標準化配分模式圖（見圖8）。

裂縫充填方解石中稀土元素總量在8×10?6以上，平均為11.9×10?6；裂縫充填含硬石膏的方解石中稀土元素總量較低，最小可低至1×10?6以下（樣品S9）；裂縫圍巖稀土元素總量最高為39.550×10?6（樣品Y9），平均為15.82×10?6。即裂縫充填方解石中稀土元素總量小于圍巖，表明圍巖稀土元素具有向裂縫遷移的特點。

圖8a表明，裂縫充填方解石中稀土元素配分模式與圍巖一致，均表現(xiàn)為輕稀土元素富集、重稀土元素虧損。由稀土元素配分原理可知[23]，這些方解石與圍巖具有親緣關(guān)系，即未飽和的熱液上升過程中溶蝕圍巖，隨著熱液上升、溫度降低，熱液攜帶的碳酸鹽達到飽和狀態(tài)而沉淀，所以裂縫充填方解石的稀土元素配分模式與圍巖一致。而由圖8b可見，裂縫中充填的含硬石膏方解石與圍巖的稀土元素差別較大，兩者間沒有親緣關(guān)系，熱液僅為深部流體。

表3 富臺油田潛山部分樣品裂縫充填物與圍巖的稀土元素特征

由表3可見，裂縫充填方解石δCe值處于弱的負異常狀態(tài)（δCe<1），在稀土元素配分模式圖上呈不明顯的谷狀，反映成礦流體為弱氧化狀態(tài)[24]；CG202井 3 962.1 m下馬家溝組灰?guī)r裂縫充填方解石δEu值最高（2.180），可能是高溫熱液的反映[25]，其他樣品δEu值分布在0.587～0.773，在稀土元素配分模式圖上呈谷

狀，反映為低溫熱液作用。

圖8 富臺油田潛山裂縫充填方解石及圍巖稀土元素配分模式圖

由表3可見，裂縫充填物δEu值大于圍巖δEu值，說明方解石充填物相對圍巖發(fā)生了Eu富集，這是由于裂縫中方解石充填物的形成經(jīng)歷了流體-圍巖反應(yīng)。高溫流體富集Eu的能力強，使其淀積的方解石具有高δEu值，較低溫流體富集Eu的能力弱，所形成的方解石δEu小于1。

裂縫充填方解石產(chǎn)狀與分布、鹽水-氣包裹體和油-水包裹體共生及其均一溫度相互交叉特征、稀土元素組成及其與圍巖的比較證實，熱液作用導致了富臺潛山碳酸鹽巖裂縫的充填，其中包括油氣成藏充注的熱液。即富臺潛山裂縫發(fā)育早（燕山期為主），充填晚，主要在成藏期前后；埕南二臺階斷層是該區(qū)油源斷層，也是熱液通道，當熱液進入潛山裂縫網(wǎng)絡(luò)時，迅速降溫而使方解石等礦物沉淀，如此可解釋潛山裂縫充填規(guī)律：靠近埕南和埕南二臺階等斷層的裂縫充填程度高（大于70%），且見到二次充填特征（見圖3c），遠離斷層的裂縫充填程度較低（小于50%），基本是一次充填特征。因此，在該潛山油藏地質(zhì)建模時，可據(jù)此調(diào)整裂縫孔隙度和滲透率。

6 結(jié)論

富臺油田潛山儲集層發(fā)育多種成因裂縫，但是裂縫充填物主要為方解石，少量為硬石膏、黃鐵礦、白云石等。方解石充填物產(chǎn)狀單一，多數(shù)為一期結(jié)晶，巖心和薄片上觀察均可見熱褪色、熱碎裂現(xiàn)象，反映潛山受到過熱液作用。

裂縫中方解石的流體包裹體分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)裂縫均發(fā)育含油包裹體，說明裂縫充填期與油氣成藏期一致。包裹體均一溫度、碳氧同位素組成及稀土元素測試結(jié)果表明，方解石主要是較低溫度的熱液、部分為較高溫度的熱液所形成，熱液主體是高于潛山約20 ℃的成礦流體。裂縫充填方解石及圍巖稀土元素分析表明，部分裂縫充填的方解石來源于潛山的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等，說明熱液對圍巖具有較強的溶蝕和元素遷移能力，隨著熱液上升、溫度下降，所攜帶的碳酸鹽等物質(zhì)達到超飽和狀態(tài)，在裂縫網(wǎng)絡(luò)中淀積成方解石等裂縫充填物。

包裹體均一溫度分析表明，裂縫方解石充填與油氣成藏同期，即形成富臺油田潛山裂縫充填物的熱液可能是油氣成藏相關(guān)的流體，通過埕南和埕南二臺階斷層進入潛山，進入斷層-裂縫網(wǎng)絡(luò)；進入潛山時熱液溫度高、溶蝕碳酸鹽巖的能力強，進入裂縫網(wǎng)絡(luò)后，流速降低、溫度下降、熱液達到超飽和狀態(tài)，使其攜帶的碳酸鹽等物質(zhì)淀積在裂縫中。因此，富臺油田潛山靠近埕南和埕南二臺階等斷層的裂縫充填程度高、遠離斷層的裂縫充填程度較低，在油藏地質(zhì)建模中需要考慮這種規(guī)律。

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（編輯 黃昌武）

Fracture filling mechanisms in the carbonate buried-hill of Futai Oilfield in Bohai Bay Basin,East China

Jin Qiang1,Mao Jingjing1,Du Yushan2,Huang Xixi1
(1.School of Geosciences,China University of Petroleum (Huadong),Qingdao 266580,China; 2.The Geology Institute of Shengli Oilfield,Sinopec,Dongying 257015,China)

Genesis and distribution of fracture fillings of the Cambrian-Ordovician carbonate buried-hill in Futai Oilfield of Bohai Bay Basin were investigated based on observation of core samples and thin sections,analysis of inclusions in fracture fillings,stable isotopic compositions of carbon and oxygen as well as trace element compositions in the fillings and surrounding rocks.There are many kinds of fractures developed in Futai buried-hill structure.Generally,the fracture spaces are filled over 60% by calcite,mostly sparry calcite and formed once time in the fractures.The homogenization temperatures of inclusions in calcite fillings in the fractures are higher than those in the buried-hill reservoirs.Oil-bearing fluid inclusions were found in the calcite fillings in the fractures,which means that the fracture filling is at the same time as oil-pool formation.Analysis of compositions of stable carbon and oxygen isotopes and rare earth elements showed that calcite mother fluids (including oil-pool forming fluid) were hydrothermal fluids coming from deep strata in the basin,and the hydrothermal fluids dissolved the limestone and dolomite and then deposited calcite in the fracture networks in the shallow part of the buried-hill structure.The hydrothermal genesis of calcite fillings in the fractures is useful in understanding the distribution of the calcite filling contents in the buried-hill structure,that is,the fractures near Chengnan and Chengnan Ertaijie faults have higher filling contents,while the fractures far from these faults have fewer fillings.

carbonate buried-hill; fracture filling mechanism; deep thermal fluid; Futai Oilfield; Bohai Bay Basin

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）項目（2011CB201001）；國家油氣重大專項（2011ZX05014-004）

TE122.2

A

1000-0747(2015)04-0454-09

10.11698/PED.2015.04.06

金強(1956-)，男，江蘇南京人，中國石油大學(華東)教授，主要從事油氣地質(zhì)和地球化學方面的教學與科研工作。地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號，中國石油大學地球科學與技術(shù)學院，郵政編碼：266580。E-mail: jinqiang@upc.edu.cn

2014-07-13

2015-03-11