塔里木盆地奥陶系鹰山组多类型白云岩储层成因机制

尤东华，曹自成 ，徐明军 ，钱一雄，王 石 ，王小林

(1.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126； 2.中国石化 西北油田分公司 勘探开发 研究院，新疆 乌鲁木齐 830011； 3.中国石油 塔里木油田分公司 克拉油气开发部，新疆 库尔勒 841000； 4.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083； 5. 南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 216023)

正如诸多学者所言，白云岩储层对于油气工业的重要性不言而喻。全球范围内，碳酸盐岩储层中白云岩占比高达50%，而北美碳酸盐岩领域80%的油气赋存于白云岩储层中[1]。白云岩储层是中国深层-超深层领域的重点勘探对象。中国石化和中国石油在四川盆地均已取得了重大油气发现与商业开发，如普光气田、元坝气田和磨溪-高石梯气田等[2-4]。白云岩储层成因是规模、优质白云岩储集体重要议题之一[5-6]。多类型白云岩储集空间的形成与白云石化作用密不可分，又受特定地质条件下不同类型流体性质的控制。以白云岩储集空间的来源与相关流体类型为主线，结合构造沉积背景、白云石化作用以及后期流体改造特点可将白云岩储层划分为多种类型，如与蒸发岩溶解相关的白云岩储层[7-8]、与白云石化相关的白云岩储层[9]、与岩溶作用相关白云岩储层[10-11]、与热液白云石化相关白云岩储层[12]以及与热液蚀变相关白云岩储层[13-14]等。此外，储集空间的形成还可能与去白云石化和硫酸盐热化学还原作用(TSR)等多种地质过程有关[15-16]。尽管不同学者对其中一些地质过程及机制还存在争议[17]，但较为一致的认为白云岩储集空间的形成与保持是多种地质作用的结果[6,18]。

塔里木盆地鹰山组白云岩领域已经取得了一些油气发现(如中1井、古隆1井和古城6井等)，使其成为当前油气勘探的重要方向之一。鹰山组优质白云岩储层的形成受埋藏重结晶[19]、埋藏岩溶与埋藏溶蚀作用[20]、热液溶蚀改造[21]、表生岩溶和去白云石化[22]等多因素控制[23]。尽管塔里木盆地不同地区鹰山组白云岩储层都经历了多种流体的地质作用，但较少报道相对单一流体作用主导下白云岩储集空间形成的研究实例及其之间对比。本文拟分别以麦盖提斜坡玉北8井、卡塔克隆起中19井、古城墟隆起古隆1井为例，基于岩心资料通过显微岩石学研究并结合阴极发光、扫描电镜、原位碳氧同位素、全岩碳氧同位素与锶同位素等方法剖析鹰山组典型的浅埋藏型、岩溶型和热液改造型白云岩储层，阐明相对单一流体作用下形成的白云岩储层特征，由此揭示不同成因类型白云岩储层的矿物-岩石学与地球化学标志及其差异性，为针对性开展不同成因类型白云岩储层的预测与评价提供参考。

1 区域地质背景

塔里木盆地寒武纪—奥陶纪台地区主要以碳酸盐岩沉积为主，中寒武世发育一定厚度潟湖相膏盐岩。鹰山组属于早-中奥陶世地层，相当于特马豆克阶-弗洛阶-大坪阶[24]。其下伏为早奥陶世蓬莱坝组，上覆中奥陶世一间房组。从岩性特征看，台地相区下奥陶统蓬莱坝组以白云岩为主，中、上奥陶统(一间房组与良里塔格组)以灰岩为主。位于两者之间的鹰山组自下而上可划分为4段，分别为白云岩段、灰质云岩段、云质灰岩段和灰岩段[25]。从岩性变化上看，白云岩自下而上逐渐减少，从厚层白云岩向薄层灰岩-云岩互层过渡，再转变为厚层灰岩为主。这种变化有可能反应了早中奥陶世(自特马豆克阶至大坪阶)古海水性质的系统性变化,表现为海水锶同位素组成的逐渐减低[26]以及古海水表层温度从约40 ℃降低到30 ℃附近[27],并伴随了海洋无脊椎动物多样性增加。在这之后的达瑞威尔阶发生了奥陶纪生物大辐射事件[28]，以生物灰岩的普遍发育与分布为重要特点。

2 浅埋藏型白云岩储层

诸多学者就白云石化作用与储层的关系进行过论述，涉及多种白云石化模式、白云石化作用对储层物性的直接与间接影响等[6,18]，本文不再讨论。在此介绍一个关于浅埋藏白云石化作用形成优质白云岩储层的实例——塔里木盆地玉北8井白云岩储层。

图1 塔里木盆地构造单元及钻井位置Fig.1 Structure units and well locations in the Tarim Basin

按照目前对鹰山组沉积期岩相古地理的认识，该井鹰山组位于潮下带至局限台地相带，具备渗透-回流白云石化作用的背景条件。井底岩心揭示优质白云岩储层，其现今埋深超过7 100 m，厚度达17 m(未见底)。全直径孔隙度高达10.8%，渗透率高达87.5×10-3μm2，孔隙度与渗透率呈正相关关系。白云岩储集空间主要为铸模孔与晶间孔隙。

2.1 显微岩石学特征

岩心与薄片均显示白云岩的原始岩相为含生屑的颗粒(粒屑)灰岩，表现为结构与颜色的不均一性。在透射光下原始的颗粒组分颜色较深，而胶结物颜色相对较浅。尽管强烈的白云石化作用使得原岩结构特征发生了较大改变，但依然存在可识别的生屑铸模孔的轮廓(图3a)。透射光下，铸模孔周围基质白云石颜色较深，呈直面自形，大小约200 μm；铸模孔内白云石胶结物相对较为干净透明，直面自形，较基质白云石略大。阴极发光下基质白云石与白云石胶结物均为昏暗发光-不发光呈暗红色，仅孔隙内部自形白云石的边缘存在“亮边”(图3b,c)。

除铸模孔外，还有一类与白云石化作用相关的孔隙。岩心上为呈糖粒状且发育大量小孔，微观上表现为白云石晶体支撑下形成的晶间角孔(图3d,e)。阴极发光下直面自形白云石呈相似特征，昏暗发光-不发光呈暗红色。局部存在后期成岩流体的改造，使得部分白云石晶间孔隙被连晶方解石胶结物充填。阴极发光下自形白云石发光强度增加，且白云石的亮边变暗，方解石胶结物基本不发光(图3f)。

2.2 储层成因分析

从原位微区碳、氧同位素的分析结果看(图3)，铸模孔白云石胶结物、基质白云石以及发育晶间孔的白云石其碳、氧同位素组成基本相似。白云石胶结物与基质白云石相比，碳同位素值差别(δ13C)最大不超过0.3‰；而δ18O差别从0～1.1‰，但均大于-5‰。由于白云石氧同位素的分馏主要受温度控制(即白云石化流体温度越高则形成的白云石氧同位素越负)，故微区碳、氧同位素特征表明白云石化作用发生于相对低温的埋深阶段。

图2 塔里木盆地玉北8井(a)、中19井(b)和古隆1井(c)鹰山组白云岩发育特征及样品采集位置Fig. 2 Characteristics of dolomite development and sampling locations in the Yingshan Formation in Wells YB8(a)/Z19(b)/GL1(c),Tarim Basin

后期成岩流体一方面在白云石晶间孔隙内形成方解石胶结物，另一方面对先存的直面自形白云石存在强烈的蚀变。主要表现为白云石氧同位素偏负(-6.7‰)，而碳同位素变化不大。指示成岩流体产物的方解石胶结物碳同位素为-3.2‰，氧同位素为-11.1‰。

孔隙形成之后对孔隙有重要影响的主要有白云石的次生加大、埋藏阶段少量鞍形白云石的形成以及局部方解石的胶结。由于白云石化作用使得白云岩储层具有更强的抗压实、抗压溶能力[33]，导致浅埋藏期形成的大量孔隙得以保存。

3 岩溶型白云岩储层

3.1 显微岩石学特征

岩心与薄片分析显示该井鹰山组主要由云质泥晶灰岩、云质亮晶-微亮晶似球粒灰岩、云质纹层藻灰岩与生物钻孔白云岩、粉晶-细晶白云岩构成，以厚层白云岩夹薄层灰岩为主要特点。从全区地层对比及局部构造位置看，该井岩性组合特点显示鹰山组中、上部灰

图3 塔里木盆地玉北8井鹰山组白云岩岩石学特征与原位微区碳氧同位素分析结果Fig.3 Petrographic characteristics of dolomite sampled from the Yingshan Formation in Well YB8, Tarim Basin, and the in-situ δ13C & δ18O compositions a.加厚薄片，透射光下生屑残余结构及铸模孔轮廓，埋深7 175.39 m；b.阴极发光下白云石整体不发光，孔隙内部白云石的边缘呈砖红色，埋深7 175.39 m，黄色圆圈为原位微区碳、氧同位素样品取样位置，取样直径为0.2 mm(下同)；c.生屑铸模孔，阴极发光下白云石整体昏暗发光，孔隙内白云石胶结物边缘呈砖红色，埋深7 175.39 m；d.阴极发光下孔洞发育区白云石整体不发光，埋深7 174.56 m；e.直面自形白云石发育晶间孔隙，埋深7 176.34 m；f.直面自形白云石晶间发育方解石胶结物，阴极发光下白云石具中等强度呈砖红色、方解石整体不发光，埋深7 175.98 m Dol.白云石；Cal.方解石；Pore.孔隙

白云石晶体粒径一般为0.10～0.25 mm，呈直面自形-半自形特点。晶体内部富含方解石微包体，局部可见雾心亮边结构。白云石晶间以晶间溶孔为主要特征，少量晶间孔与晶内溶孔。去白云石化作用表现为白云石晶内、晶体边缘被溶蚀成港湾状并被方解石胶结，但依然具有白云石晶体的轮廓(图4b，c)。白云岩中部分溶蚀孔、洞、缝被亮晶方解石胶结物充填，可见方解石晶体中残留的白云石晶体碎片。阴极发光下白云石呈中等强度暗红色，方解石昏暗发光-不发光(图4d)。

图4 塔里木盆地中19井鹰山组白云岩储层去白云石化作用特征Fig.4 Characteristics of reservoir dedolomitization in the Yingshan Formation in Well Z19, Tarim Basina.铸体光片，大气淡水成因方解石胶结大量白云石晶间孔，茜素红染色，蓝色为残余晶间孔、晶间溶孔，埋深5 520.60 m；b，c.图a局部放大，部分白云石发生去白云石化(黑色箭头)，埋深5 520.60 m；d.阴极发光下白云石具中等强度发光呈砖红色、晶间与晶内方解石胶结物不发光，埋深5 551.27 m； Dol.白云石；Cal.方解石

3.2 储层成因分析

岩溶作用对白云岩的影响一方面表现为大气淡水对原岩矿物的非组构选择性溶解形成次生孔隙，另一方面在溶蚀孔隙中形成大气淡水成因方解石胶结物。在此过程中，白云石(岩)必然会受到流体作用的影响，包括碳氧同位素[35]、锶同位素与微量元素组成[22]。

鹰山组灰岩δ13C为-2.1‰～-0.8‰(平均-1.3‰，样品数n=12)，δ18O为-9‰～-6.9‰(平均-7.7‰，n=12)。该分析结果与盆地范围内鹰山组灰岩的分析数据基本一致，代表了同时期海相灰岩的碳、氧同位素组成特征。白云岩全岩样品的δ13C为-2‰～-0.7‰(平均-1.2‰，n=14)，δ18O为-10‰～-7‰(平均-8.1‰，n=14)。白云岩碳同位素组成与灰岩基本一致，这是因为δ13C值在成岩过程中较为稳定。一方面，白云岩δ13C值主要代表前驱物灰岩，而不是白云石化流体的δ13C特征[36]；另一方面，大气淡水成岩环境中只有水岩比大于1 000的情况下才有可能改变碳酸盐岩δ13C值[37]。氧同位素对成岩过程的响应则较为敏感。碳酸盐岩中如果白云石与方解石具有相似的流体来源，白云石δ18O值通常比共生方解石偏重2‰～3‰左右[38-39]。鹰山组白云岩与灰岩互层共生关系表明其应该具有相似的沉积-成岩流体特征，白云岩δ18O值应该比灰岩偏重。与此恰恰相反，该井白云岩全岩样品δ18O组成反而偏轻，最高达-10‰(平均值偏轻0.3‰)。碳酸盐矿物氧同位素的分馏主要受流体温度与盐度控制，贫18O通常反映流体具有较低盐度或者较高的温度。从白云岩储层发育的地质背景及其显微岩石学特征分析，由于其经历了不整合面相关岩溶流体的影响以及次生方解石胶结物的发育导致其全岩氧同位素组成偏负。

4 热液改造型白云岩储层

已有较多文献论述了盆地深部流体对碳酸盐岩的改造作用[13-14,41-42]，充分表明热液改造相关白云岩储层是重要勘探对象之一。此类白云岩储集空间的形成主要与白云石化之后的热液流体作用相关，以次生热液矿物组合为主要标志。热液流体性质的差异一定程度上控制了热液改造型白云岩储层的复杂多变。原始白云岩的成分与结构对储集空间的形成亦有一定的制约[43-51]。在此，以古隆1井为例介绍含硅热液流体对鹰山组白云岩储层的改造。古隆1井位于塔中Ⅰ号带以北，临近北东东向断裂。鹰山组白云岩是主要的天然气产层，储集空间以裂缝、孔隙为主，代表性热液矿物微晶石英。

4.1 显微岩石学特征

由于二氧化硅溶解度随温度增加而显著增加，因此深部来源含硅热液自下而上进入白云岩地层主要表现为石英的沉淀，白云石晶间孔隙被大量微晶石英充填胶结(图5b,c)。含硅热液具有一定的酸性组分(如CO2)，扫描电镜下可见白云石晶面的弱溶蚀(图5d)。单个白云石晶体包含了多个颗粒组分及粒间胶结物，表明原岩为颗粒结构灰岩(图5a,b)。白云石晶间的初始孔隙可能来源于白云石化作用，而非灰泥组分的溶解。在铸体薄片与电子探针背散射条件下可见微晶石英晶间发育一些微孔隙。

4.2 储层成因分析

盆地深部热液流体通常含有CO2，HF和H2S等酸性组分，沿断裂上侵过程中其与碳酸盐岩发生水-岩相互反应。一方面形成溶蚀性储集空间，另一方面热液流体中物质组分或流体-岩石相互作用的产物在储集空间中形成热液矿物。

萤石是典型的热液矿物之一，已有较多研究表明其主要来源于盆地深部[41]。顺南501井萤石流体包裹体分析表明其温度达165～175 ℃，盐度为15.5%～17.5%(NaCl)。热液流体对白云岩改造过程中导致白云石与次生方解石相对富集Fe2+和Mn2+[52]。与萤石相比，石英是热液流体活动更为常见的产物。目前研究认为，硅化储集空间的形成主要与其中的CO2组分有关[53]，热液流体中溶解的二氧化硅主要表现为石英沉淀。受流体中二氧化硅饱和程度、流体与围岩相互作用过程温度平衡等因素的影响，从含硅流体中快速析出的微晶石英晶间可发育一些微孔隙，其类似于加拿大西加盆地Parkland气田热液成因燧石储层的形成[54]。受热液蚀变影响的白云石、次生白云石与方解石胶结物的δ18O值较同时期灰岩、白云岩明显偏负(古隆1井裂缝白云石胶结物δ18O值达-14‰，方解石胶结物δ18O值达-12‰)。原位稀土元素分析表明，热液改造白云石呈明显的Eu正异常特征[55]。

图5 塔里木盆地古隆1井鹰山组白云岩岩石学特征Fig.5 Petrographic characteristics of dolomite in the Yingshan Formation in Well GL1, Tarim Basina.白云石晶体内具有多个颗粒组分结构特征，晶间发育固态沥青及残余孔隙，埋深6 431.60 m；b.具颗粒结构特征的白云石晶间被微晶石英胶结充填，埋深6 431.60 m；c.背散射条件下，白云石晶间微晶石英发育一些微孔隙，白云石晶内具残余方解石成分，埋深6 431.60 m；d.扫 描电镜下可见被微晶石英包裹的白云石晶面发育溶蚀微孔，埋深6 530.54 m； Dol.白云石；Qtz.石英;Cal.方解石

5 结论

浅埋藏型白云岩储层以高孔、高渗为典型特征，白云石自形程度好，晶间孔隙发育。不同类型白云石具有相对一致的碳、氧同位素组成，基本反应了其形成于浅埋藏阶段且具有相似流体来源的特点。岩溶型白云岩储层与不整合面密切相关，大气淡水作用下导致白云石晶间孔、晶间溶孔的形成，伴随去白云石化与方解石胶结物的形成。白云岩全岩呈贫18O、富87Sr特征。热液改造型白云岩储层呈非均质性特征，热液流体与白云岩相互作用过程中一方面形成晶间孔、晶间溶孔，另一方面伴生萤石、石英与方解石等热液成因胶结物。热液矿物流体包裹体通常具有高温高盐度特点，相关白云石与方解石以贫18O、Eu正异常为典型特征。浅埋藏型白云岩储层可能受沉积相、沉积微相的控制，岩溶型白云岩储层主要受不整面相关岩溶作用的控制，而热液改造型白云岩储层与断裂相关热液流体活动密切相关。