台内微生物丘沉积特征及其对储层发育的控制——以塔里木盆地柯坪—巴楚地区下寒武统肖尔布拉克组为例

黄擎宇　胡素云　潘文庆　刘　伟　池英柳　王　坤石书缘　刘　强

1.中国石油勘探开发研究院　2.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院　3.中国石油华北油田公司二连分公司



台内微生物丘沉积特征及其对储层发育的控制
——以塔里木盆地柯坪—巴楚地区下寒武统肖尔布拉克组为例

黄擎宇1胡素云1潘文庆2刘伟1池英柳1王坤1石书缘1刘强3

1.中国石油勘探开发研究院2.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院3.中国石油华北油田公司二连分公司

黄擎宇等.台内微生物丘沉积特征及其对储层发育的控制——以塔里木盆地柯坪—巴楚地区下寒武统肖尔布拉克组为例.天然气工业，2016,36(6):21-29.

摘要塔里木盆地柯坪—巴楚地区下寒武统肖尔布拉克组广泛发育一套微生物碳酸盐岩，前人针对该组地层台缘微生物礁的沉积、储层特征进行了大量研究，但对台内微生物丘的研究则较少。为此，在野外剖面实测、岩心观察、薄片鉴定、阴极发光和物性测试的基础上，对该组地层台地内部微生物丘的沉积演化和储层特征进行了系统分析。结果表明：①台内微生物丘主要发育在开阔台地相区，宏观上呈明显的丘状正凸起，自下而上依次发育凝块石云岩、残余颗粒粉—细晶云岩→叠层石云岩→泡沫绵层云岩→蓝细菌颗粒云岩，构成完整的丘基—丘核—丘盖沉积组合；②储层孔隙类型主要有泡沫绵层体腔孔、凝块间孔、粒间孔、针状溶孔和顺层状溶蚀孔洞等，储层质量明显好于层状微生物建造；③沉积对微生物丘储层的发育具有明显的控制作用。结论认为：台内微生物丘储层作为肖尔布拉克组一种重要的储层类型，对于塔里木盆地寒武系盐下油气勘探领域由台缘向台内扩展具有重要的意义。

关键词塔里木盆地早寒武世肖尔布拉克期微生物碳酸盐岩沉积序列台内微生物丘储集层勘探区

随着全球油气勘探向深部古老层系迈进，微生物碳酸盐岩储层越来越受到关注[1-3]。目前已在全球的多个盆地中发现了与微生物碳酸盐岩有关的油气田，如我国的四川盆地和渤海湾盆地，巴西的桑托斯盆地、阿曼盐盆地、滨里海盆地，以及俄罗斯东西伯利亚地区等，展示出良好的油气勘探前景[4-8]。塔里木盆地下寒武统肖尔布拉克组广泛发育一套微生物碳酸盐岩，储层类型丰富。前人虽然针对该组北部台缘带的微生物礁沉积、储层特征已进行了详细研究[9-12]，但对台地内部微生物丘的研究则较少涉及。另外，微生物碳酸盐岩的沉积序列对于微生物群落类型和微生物结构演化具有重要影响，而这些结构特征又控制其孔隙类型和储层质量，但目前针对微生物碳酸盐岩相序结构与储层发育之间相关关系的研究仍较为薄弱。因此，笔者以塔里木盆地柯坪—巴楚地区下寒武统肖尔布拉克组台内微生物丘为研究对象，在剖面实测、薄片鉴定、阴极发光观察和物性测试的基础上，对其岩石学特征、沉积演化以及储层特征等进行了研究，重点揭示台内微生物丘的形成过程及其对储层发育的控制，以期为塔里木盆地深层寒武系的油气勘探提供更多的地质依据。

1　地质背景

柯坪—巴楚地区位于塔里木盆地西北部，包括柯坪断隆和巴楚隆起2个二级构造单元（图1）。本次研究的野外资料均来自于柯坪隆起区（肖尔布拉克剖面和什艾日克剖面），钻井资料主要来源于巴楚隆起（包括ST1井、F1井、K2井和H4井等）。该区在寒武纪时同属“塔西台地”的一部分，发育一套稳定的浅水碳酸盐岩沉积，局部夹蒸发岩[13]。寒武系自下而上依次为：下寒武统玉尔吐斯组（Є1y）、肖尔布拉克组（Є1x）、吾松格尔组（Є1w）、中寒武统沙依里克组（Є2s）、阿瓦塔格组（Є2a）和上寒武统丘里塔格组（Є3q）。

图1　研究区构造分区以及露头剖面、钻井位置图

目的层肖尔布拉克组在露头区该组可分为上、下两段（简称肖上段和肖下段），分别对应2个三级层序（图2）。肖下段整体颜色较深，以深灰色—灰色薄层状泥晶—粉晶云岩为主，上部可见层状微生物建造；上段整体颜色偏浅，主要由浅灰—灰白色、厚层—块状或丘状微生物云岩、残余颗粒云岩和粉—细晶云岩构成。肖尔布拉克组台缘微生物礁主要分布在露头区西部的苏盖特布拉克剖面、昆盖阔坦剖面和英尔苏剖面[9,14]，本次研究所涉及的肖尔布拉克剖面、什艾日克剖面以及巴楚地区的钻井则均属于台地内部的微生物丘沉积。

图2　什艾日克剖面肖尔布拉克组沉积、储层综合柱状图

2　台内微生物丘沉积特征

2.1岩石学特征

露头剖面实测及镜下薄片鉴定发现，肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩均由白云岩组成，主要发育4种结构类型：凝块石云岩、叠层石云岩、泡沫绵层云岩和与蓝细菌相关的颗粒云岩（图3）。

2.1.1凝块石云岩

凝块石云岩通常呈深灰色或灰色、中—厚层状产出，局部发育层状孔洞构造（图3-a，黄色箭头），近距离观察部分凝块石显不规则斑状特征（图3-a，蓝色箭头）。显微镜下，凝块可分为包壳状凝块和斑块状凝块。包壳状凝块石通常由泥晶白云石组成的暗色薄层包裹内部的粉晶白云石而成，暗色壳层可见不规则的微生物暗边包绕（图3-b，黄色箭头），指示其成因与微生物有关[10,15]；包壳内的粉晶白云石中可发育晶间溶孔。斑状凝块石主要由不规则的钙化微生物凝块以及凝块间的亮晶白云石充填物组成（图3-c），凝块部分颜色较深，为泥晶球粒结构，凝块周围为泥粉晶白云石沉积物，凝块间孔洞被后期细—中晶白云石全充填或半充填。凝块石多发育在潮下带水体相对较深的环境，台地内部以及台缘向海一侧的深水环境均可出现。

2.1.2叠层石云岩

叠层石云岩主要呈浅灰、灰白色层状或微波状产出（图3-d）。镜下观察叠层石多由明暗相间的纹层组成，其中暗层以泥晶白云石为主，亮层以粉—细晶白云石为主，并黏结大小不等的藻（蓝菌）砂屑或球粒（图3-e，蓝色箭头）。纹层厚度介于0.2～3.0mm，侧向上呈连续状或局部断续状展布，部分纹层顶部凹凸不平或波状起伏（图3-e，黄色箭头），可能与微生物活动或水体能量波动有关。叠层石的暗层主要由微生物尤其是席状蓝细菌钙化形成，而亮层则是微生物捕获、黏结细粒沉积物或是由后期亮晶白云石胶结而成。该区叠层石在纵向上具有一定韵律性，通常与泡沫绵层云岩或颗粒云岩间互发育，但很少与凝块石共生，由于现代凝块石多发育于潮下环境且水深通常大于叠层石[16]。因此，叠层石的出现预示水体变浅，水动力能量开始增高。

2.1.3泡沫绵层云岩

泡沫绵层云岩主要发育在肖上段，剖面上呈浅灰、灰白色厚层或块状产出，并具有丘状的宏观特征（图3-f）；近距离观察该类白云岩也显示叠层状构造，但纹层厚度明显较上述叠层石云岩大（通常超过1～2cm），并发育顺层状溶蚀孔洞，断面上溶蚀孔呈蜂窝状。镜下观察，该类白云岩主要由泡沫状蓝细菌组成[10]，单个泡沫大小不等，通常介于0.05～0.2mm，个别泡沫体可超过1mm，多为圆形、不规则椭圆形，少量呈长条形出现（图3-g）。泡沫边缘多由暗色的泥晶白云石组成，泡沫体腔内为粉—细晶白云石世代胶结，一世代为纤状白云石，二世代为粒状白云石，未充填部分则为残余泡沫绵层体腔孔。该类白云岩多分布在叠层石云岩之上，顶部与砂屑、砾屑云岩共生，表明其形成环境的水动力能量较强。

图3　柯坪—巴楚地区肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩岩石学特征图版

2.1.4与蓝细菌有关的颗粒云岩

颗粒云岩分布在肖上段顶部，通常呈浅灰、灰白色块状产出。镜下观察，该类白云岩的颗粒部分主要由砂屑、砾屑、团块和少量核形石组成（图3-h），其中砂（砾）屑多为早期形成的微生物岩（如叠层石、泡沫绵层石等）被波浪打碎后再沉积而成，颗粒内部可见明显的微生物结构；团块则与蓝细菌对砂屑或凝块的捕获、黏结有关[17]，少量团块还具有似核形石结构（图3-i），但同心纹层厚度极薄且不规则。颗粒间多为亮晶或微亮晶白云石胶结，部分样品还显世代胶结特征。大量砾屑及粗砂屑颗粒说明沉积时水体能量高，但这些颗粒分选较差、磨圆一般，指示其搬运距离相对有限。

2.2纵向沉积序列

台内微生物丘主要发育在肖上段，纵向上具有明显的分段性，以什艾日克剖面为例，可将其分为丘基、丘核和丘盖亚相（图4）。其中丘基位于底部，厚20m左右，构成微生物丘发育的基础，主要由灰色凝块石云岩和少量残余颗粒粉—细晶云岩组成。丘核位于中部，厚度为14m，主要由泡沫绵层云岩组成，泡沫状蓝细菌的钙化以及早期的亮晶胶结物可起到类似骨架支撑的作用[18]，其底部为叠层石云岩，垂向上构成叠层石云岩与泡沫绵层云岩间互发育的特征。丘盖位于微生物丘顶部，厚5m，以颗粒云岩为主，颗粒主要来源于已被打碎了的早期形成的微生物岩或丘间的泥晶云岩，部分颗粒还与丝状微生物的黏结、包壳有关，形成斑状凝块石云岩。肖下段主要发育层状微生物建造，纵向上分异不明显，且岩石类型单一，以凝块石云岩为主。

肖上段台内微生物丘的沉积序列与显生宙由宏观造架生物形成的生物礁的纵向演化特征具有一定相似性，只是生物礁的礁核部位多由抗浪的、宏观的造架生物（如珊瑚、海绵、红藻等）构成，而研究区微生物丘的丘核部位则是由大量细小的微生物（主要是蓝细菌）通过钙化、黏结以及早期胶结作用而形成支撑格架。另外，结合前人对该层位台缘微生物礁的研究发现，台缘和台内的微生物岩类型也有一定区别（图4），其中台缘微生物礁中发育枝状石云岩[10,14]，而台内微生物丘则以泡沫绵层云岩为主，说明台缘部位水体能量更强，有利于呈树枝状的表附菌向上生长，而台地内部的水体能量相对减弱，更适合泡沫状肾形菌的侧向生长。由此可见，水体能量以及海平面变化对碳酸盐岩的沉积演化具有明显的控制作用，无论是由大型造架生物构成的生物礁还是由微小蓝细菌组成的微生物礁（丘）均是如此。

图4　肖尔布拉克组上段台内微生物丘纵向沉积序列及沉积模式图

2.3横向展布特征

结合野外露头、钻井资料以及前人研究成果，认为柯坪—巴楚地区肖尔布拉克组沉积时主要为弱镶边台地相[19]，其中台地边缘主要分布在苏盖特布拉克、英尔苏剖面以及昆盖阔坦剖面，向东一直延伸到塔北西部，熊益学等[9]称之为下寒武统北部台缘带，该台缘带以南的大部分地区则为台内沉积，由北向南依次发育开阔台地相、局限台地相和潮坪相（图5）。

台内微生物丘主要发育在开阔台地相区，宏观上呈明显的丘状正凸起（图3-f），延伸范围可达上百米，且多个丘体侧向叠置或是横向连片发育，但相比台缘带的微生物礁，台内微生物丘的隆起幅度并不高，可能与台内水体能量减弱有关。这套与泡沫绵层结构有关的微生物丘沉积在什艾日克剖面和肖尔布拉克组剖面最为发育，南部的低洼处则过渡一套低能的泥晶云岩或层状凝块石云岩；另外，在南部覆盖区ST1井肖尔布拉克组上部取心段的颗粒云岩中也发现少量具有泡沫绵层结构的粒屑（图3-h），间接说明该区也发育有泡沫绵层云岩，但规模有限。总体上，台内微生物丘具有由北向南、由开阔台地向局限台地逐渐减少的变化趋势。

图5　柯坪—巴楚地区肖尔布拉克组沉积模式图

3　沉积对微生物丘储层的控制

野外露头观察、镜下薄片鉴定以及物性分析资料表明，研究区微生物丘储层的孔隙类型多样，主要有泡沫绵层体腔孔、残余粒间孔、凝块间孔、晶间（溶）孔、针状溶孔以及溶蚀孔洞等（图6）。储层的发育受沉积作用控制明显，主要体现在下述两个方面。

3.1沉积序列

该区肖下段和肖上段均发育微生物岩，但其储层发育程度却有较大差别：肖下段储层物性较差，孔隙度分布在0.09%～2.06%、平均为1.78%，渗透率介于0.011～0.566 mD、平均为0.267 mD，储层厚度介于10～20m；肖上段储层物性明显变好，孔隙度介于1.08%～7.80%、平均为3.93%，渗透率介于0.008～2.127 mD、平均为0.489 mD，储层厚度介于30～40m。造成这些现象的原因主要与微生物岩沉积序列的发育程度有关。

肖上段微生物丘发育凝块石云岩→残余颗粒粉—细晶云岩→叠层石云岩→泡沫绵层云岩→颗粒云岩的生长序列，构成完整的丘基—丘核—丘盖沉积组合，储层发育程度高、规模大；相比之下，肖下段层状微生物建造仅出现凝块石云岩→残余颗粒粉晶云岩的沉积序列，仅仅相当于肖上段微生物丘的丘基部分，随后受海侵影响水体加深，潮下低能带的泥晶云岩覆盖其上，并未形成完整的微生物丘沉积组合，也制约了储层的发育程度和规模。

另外，肖上段发育完整的、向上变浅的微生物丘沉积组合，在垂向加积过程中势必会不同程度的暴露出水面接受大气淡水溶蚀改造，形成短期沉积间断面，特别是在古地貌相对较高的部位。该现象在什艾日克剖面以及ST1井表现最为明显，什艾日克剖面肖上段顶部发育大量因暴露侵蚀、淋滤而形成的凹凸不平的溶沟或溶坑等；镜下观察，可见与大气淡水渗流带相关的新月型、悬垂型胶结物，以及与潜流带相关的马牙状或刀刃状等厚环边胶结物等（图6-g、h）；阴极发光测试显示这些胶结物多发中等亮度斑状红色光，与发暗色光的基质形成鲜明对比（图6-i）；物性测试也表明肖上段顶部受大气淡水改造的岩石往往具有相对较高的渗透性（图2）。而肖下段层状微生物建造则属于一种夭折的向上变浅序列，并未生长到接近海平面的位置。因此受短期暴露溶蚀改造的程度非常有限。

由此可见，发育完整的、向上变浅的沉积序列不仅有利于微生物丘的规模发育，也有助于丘体顶部沉积物（岩）接受准同生期大气淡水改造，同时这些与微生物丘有关的原始储集空间的存在，也为后期的埋藏溶蚀提供丰富的物质基础[20-21]。

3.2沉积相类型

沉积相类型控制微生物结构，而微生物的结构又决定了其储层孔隙类型及发育程度。研究区什艾日克剖面肖上段微生物丘储层中，不同亚相中的微生物结构、孔隙类型以及储层质量也明显不同（图7）。

3.2.1丘基

位于潮下低能带之上，沉积时相对海平面开始下降，但水深仍相对较大、水体能量不强，主要发育包壳状凝块石云岩，凝块间多为泥晶基质填隙，残余少量凝块间孔（图6-a、b），凝块内则为粉晶白云石充填，孔隙发育程度低，孔隙度介于1.08%～3.01%、平均为2.01%，渗透率介于0.018～0.566 mD、平均为0.236 mD；局部受风暴浪影响形成的残余颗粒粉—细晶云岩的孔隙度有所升高（图6-c），孔隙度介于1.92%～4.41%、平均为3.15%，渗透率介于0.036～1.042 mD、平均为0.304 mD（图7）。

图6　研究区肖尔布拉克组微生物碳酸盐岩储层特征图

3.2.2丘核

沉积时相对海平面持续下降，在中等或较强动荡水动力条件下，泡沫状蓝细菌大量生长，蓝细菌钙化后其体腔内及周边均残留有大量原生孔隙，并伴生顺层状溶蚀孔洞，虽然后期亮晶白云石不同程度充填，但仍有不少孔隙保存下来（图6-d～f），其孔隙度介于4.03%～7.80%、平均为5.47%，渗透率介于0.015～2.197 mD、平均为0.849 mD（图7）。

图7　研究区不同类型微生物碳酸盐岩孔隙度、渗透率特征图

3.2.3 丘盖

相对海平面进一步下降，水体能量不断增强，丘体顶部处于浪基面附近，泡沫状蓝细菌已停止生长，早期形成的还未完全固结的微生物云岩被波浪打碎后堆积在丘体顶部或侧翼，形成大量具有颗粒结构的岩石，并伴生斑状凝块石云岩。（残余）粒间孔、粒内孔、（残余）凝块间孔和针状溶孔大量发育（图3-c、图6-g、h），孔隙度介于3.29%～5.20%、平均为4.27%，渗透率介于0.058～3.627 mD、平均为1.472 mD（图7）。

总体上，微生物丘储层的孔隙类型和发育程度亦受微生物结构控制，而微生物结构的差异则与水体能量、沉积环境以及沉积相类型有关。就研究区而言，能量相对较低的丘基主要发育凝块结构，储层物性较差；而水体能量较高的丘核和丘盖中主要发育泡沫绵层结构和颗粒结构，储层物性好，构成研究区微生物丘储层的主体。

4　结论

1）肖尔布拉克组台内微生物丘主要出现在开阔台地相区，宏观上呈明显的丘状正凸起，纵向上依次发育凝块石云岩、残余颗粒粉—细晶云岩→叠层石云岩→泡沫绵层云岩→蓝细菌颗粒云岩，构成完整的丘基—丘核—丘盖沉积组合，其孔隙类型主要有泡沫绵层体腔孔、凝块间孔、粒间孔、针状溶孔和顺层状溶蚀孔洞等，孔隙度多介于1.08%～7.80%，渗透率介于0.008～2.127 mD，储层厚度介于30～40m。

2）沉积对微生物丘储层的发育具有明显的控制作用：一方面发育完整的微生物丘沉积序列构成储层规模发育的基础，同时也有利于丘体顶部接受短期暴露溶蚀改造，因此，微生物丘的储层物性明显好于下伏或相邻地层中的层状微生物建造；另一方面，沉积相类型对微生物结构具有明显控制作用，进而影响储层发育程度，水体能量较高的丘核和丘盖中广泛发育泡沫绵层结构和颗粒结构，构成微生物丘储层的主体。

3）台内微生物丘储层是肖尔布拉克组碳酸盐岩中一类重要的储集层类型，加强对微生物丘储层的研究对于塔里木盆地寒武系盐下油气勘探由台缘向台内扩展具有重要意义。

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（修改回稿日期2016-02-17编辑罗冬梅）

Sedimentary characteristics of intra-platform microbial mounds and their controlling effects on the development of reservoirs: A case study of the Lower Cambrian Xiaoerbulake Fm in the Keping-Bachu area,Tarim Basin

Huang Qingyu1,Hu Suyun1,Pan Wenqing2,Liu Wei1,Chi Yingliu1,Wang Kun1,Shi Shuyuan1,Liu Qiang3
(1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development,Beijing 100083,China; 2.Institute of Petroleum Exploration and Development， PetroChina Tarim Oilfield Company， Korla， Xinjiang 841000， China; 3.Erlian Branch of PetroChina Huabei Oilfield Company， Xilinhot， Inner Mongolia 026000， China)

NATUR.GAS IND.VOLUME 36,ISSUE 6,pp.21-29,6/25/2016.(ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:A set of microbial carbonate rocks are widely developed in the Lower Cambrian Xiaoerbulake Fm in the Keping-Bachu area,Tarim Basin.Previous studies focused on the sedimentary and reservoir characteristics of the platform margin microbial reefs.However,the intra-platform microbial mounds were less investigated.In this paper,therefore,the sedimentary evolution and reservoir characteristics of intra-platform microbial mounds in the Xiaoerbulake Fm were analyzed systematically by means of field outcrop measurement,core observation,thin section analysis,cathode luminescence examination and physical property test.Based on these studies,the following results are obtained.Firstly,intra-platform microbial mounds are mainly developed in the zones of open platform facies and hummocky highs are obviously presented in the macroscopic scale.Thrombolite dolomite and residual powder grain-fine crystalline dolomite → stromatolite dolomite → foam spongy dolomite → cyanobacteria grain dolomite are developed successively from bottom to top and a complete sedimentary assemblage of mound base-core-cap is constituted.Secondly,its reservoir quality is much better than that of laminated microbial formations and its pore types include mainly foam spongy visceral pore,interclot pore,intergranular pore,needle dissolved pore and bedded dissolved pore.Thirdly,sedimentation plays a vital role in the development of microbial mound reservoirs.It is concluded that the intra-platform microbial mound reservoir,as an important type of reservoir in the Xiaoerbulake Fm,is significant to the extension of the Cambrian subsalt oil and gas exploration in the Tarim Basin from the platform margin to the internal platform.

Keywords:Tarim Basin; Early Cambrian; Xiaoerbulake Fm; Microbial carbonate rock; Sedimentary succession; Intra-platform; Microbial mound; Reservoir; Exploration area

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.06.003

基金项目：国家科技重大专项（编号：2016ZX05004）、中国石油天然气股份有限公司重大科技专项（编号：2014E-3201）。

作者简介：黄擎宇，1984年生，博士研究生；主要从事碳酸盐岩储层地质学方面的研究工作。地址: (100083)北京市海淀区学院路20号。电话: (010)83595718。ORCID:0000-0002-9013-9940。E-mail:qingyuh08@163.com