准噶尔盆地车拐斜坡区储层碳酸盐胶结物碳氧同位素特征及其成因

陈 波，张顺存，孙国强，史基安，吴 涛

（1.广西高校北部湾石油天然气资源有效利用重点实验室（北部湾大学），广西钦州535000；2.甘肃省油气资源研究重点实验室/中国科学院油气资源研究重点实验室，甘肃兰州730000；3.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依834000）

胶结作用是成岩过程中常见的现象，可发生在成岩作用的各个阶段，也是致使储层物性变化的重要因素[1-2]。碳酸盐胶结物是储层中最常见且直接影响着储层物性的胶结物类型之一[3-4]，为水—岩相互作用的综合产物，对地质流体性质的变化反应异常敏感，是酸碱性地质环境良好的判定指示剂[5]，具有分布范围广、物质来源复杂、形成期次多等特点。碳酸盐胶结物形成机制一直是碎屑岩储层研究的热点和难点[6-7]，并且碳酸盐胶结物的类型及含量对储层物性具有重要影响，从而普遍受到石油地质学者所关注[8-9]。

准噶尔盆地西北缘是新疆油田重要的油气产区，处于玛湖凹陷与沙湾凹陷之间的车拐斜坡区，在三叠系—侏罗系已见油气显示，但一直未能有大的突破，以规模较小的岩性油气藏发现为主[10]。近年来，随着油气勘探技术的进步，车拐斜坡区发现了一系列构造圈闭及冲积扇体，陆续发现了车排子油田、小拐油田，探明石油地质储量也大幅增加，使该区成为盆地重要的油气增储区域，而车拐斜坡区储层地质方面的研究成果尚显匮乏[11-14]，在一定程度上制约了油气勘探进程。基于此，综合利用岩石矿物学和地球化学手段，对车拐斜坡区三叠系—侏罗系储层的碳酸盐胶结物的特征、成因机制及其对储层物性的影响进行了细致探讨，以期为研究区后续的油气勘探补充一定的地质认识。

1 区域地质概况

车拐斜坡区位于准噶尔盆地西北缘，横跨准盆地西部隆起及中央坳陷，包括红车断裂带、车排子凸起、中拐凸起和中央坳陷部分[10]。准噶尔盆地西北缘在石炭纪末大洋闭合，发生强烈弧陆碰撞，推覆体逐渐形成，前陆盆地开始发育。早二叠世火山活动强烈发育，二叠纪自北西向南东的强烈挤压，产生了北东走向的逆冲断层和北西走向的断展褶皱，发育了红车断裂带。三叠纪—二叠纪构造运动和隆起速度逐渐减弱，车拐一带主要发育以冲积扇—扇三角洲为主要的沉积环境，为一个典型的水进沉积过程[11]。到早侏罗世早期，研究区受红—车断裂的多条断层强烈活动影响，构造运动强烈、湖盆萎缩，以发育辫状河沉积为主，早侏罗世中期至晚期，构造运动变弱，随着湖侵的发育，辫状河沉积迅速被扇三角洲沉积所取代[15]。

车拐斜坡区三叠系—侏罗系以碎屑岩沉积发育为主，主要有砂砾岩、砂岩、粉砂岩和少量泥岩，三叠系从下到上依次发育百口泉组（T1b）、克拉玛依组（T2k）、白碱滩组（T3b），侏罗系从下而上依次发育八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）、西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t）、齐古组（J3q），本次研究主要以下侏罗统的八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）为主，同时结合少量三叠系百口泉组（T1b）、克拉玛依组（T2k）的数据辅以分析。

2 样品与分析方法

通过9口探井33块样品的岩矿学分析，首先对样品的矿物组成成分、组构特征进行初步判断，其次对选取的样品磨制铸体薄片，使用铁氰化钾和茜素红混合溶液对铸体薄片染色，在镜下通常方解石呈橘红色，含铁方解石呈紫红色，而铁白云石呈蓝色[16]。在利用岩矿学初步分析碳酸盐胶结物含量、成分的基础上，本次优选出了19个具有代表性的样品进行系统的碳酸盐胶结物碳氧同位素分析。将19块样品研磨后过200目筛，样品处理采用磷酸法，即从钻井岩心中选取包含碳酸盐胶结物的样品，用正磷酸与样品反应6 h左右，将产生的CO2气体收集到玻璃管中，后采用双路进样方式送入德国菲尼根公司生产的稳定同位素质谱计MAT252进行碳氧同位素测定。碳氧同位素组成以δ值表示，δ值表示样品中元素的稳定同位素比值相对标准（标样）相应比值的千分偏差，结果均以PDB标准给出，分析精度为±0.2‰，上述测试均在中科院兰州油气资源研究重点实验室完成，数据结果见表1。

3 结果与讨论

3.1 岩石学特征

根据研究区碎屑岩中的成分特征，显微观察和研究表明，研究区主要发育岩屑砂岩以及少量的长石质岩屑砂岩，杂基和胶结物含量较高，成分成熟度低，说明碎屑颗粒具有近源快速沉积特征。

研究区胶结物类型多样，碳酸盐类胶结物、硅质胶结物、黏土矿物及沸石类胶结物均有发育，碳酸盐胶结物主要以方解石为主，铁方解石、白云石及铁白云石相对少见。研究区碳酸盐胶结物在镜下以橘红色为主（图1），碎屑颗粒多呈紧密排列，石英颗粒可见部分加大边（图1a），方解石交代少量碎屑颗粒（图1b），说明研究区碳酸盐胶结物形成晚于压实作用。同时可见充填于粒间孔隙的方解石被溶蚀从而形成溶蚀粒间孔（图1c、d、e、f），且研究区碳酸盐的晶粒较大，以粉晶—粗晶为主，镜下观察碳酸盐胶结物的结构特征、赋存状态表明其主要形成于成岩中晚期，与鲁新川等[10]对车拐地区成岩阶段的研究结果相吻合。

表1 研究区碳氧同位素及计算古温度数据Table1 Carbon and oxygen isotopes and calculated paleotemperature data of the study area

3.2 碳、氧同位素特征及成因

3.2.1 碳同位素特征及胶结物形成的物质来源

样品中的碳酸盐胶结物中的碳同位素可以指示成岩流体中碳物质的来源[5]，研究区样品碳酸盐胶结物的δ13CPDB值为-29.6 ‰～6.7 ‰，δ18OPDB值为-19.2‰～-12.5‰，δ18OSMOW值为11.07‰～19.97‰，跨度很大，反映了研究区碳酸盐胶结物形成的物质来源及水岩相互作用的复杂性。大量学者对碳酸盐岩的碳氧同位素研究结果表明[18-21]，海相碳酸盐的δ13CPDB主要分布在-4 ‰～4 ‰，典型湖相碳酸盐δ13CPDB为-2‰～6‰，受大气水影响的碳酸盐δ13CPDB为-5‰～-1‰，而与有机质影响相关的碳酸盐δ13CPDB值可低至-30 ‰～-20 ‰，非海相的δ18OPDB值多为-15‰～5‰，而湖相碳酸盐δ18OPDB值为-8‰～-4‰。结合研究区的碳氧同位素的分布关系特征，可见研究区的碳酸盐胶结物的碳氧同位素数据指示大部分胶结物的形成源于流体混合作用，少量数据指示部分胶结物与沉积碳酸盐的沉淀有关（图2）。由于研究区储层主要发育碎屑岩沉积为主，推测少量的碳酸盐溶解沉淀作用与二叠系碳酸盐烃源岩的发育有关，之前的研究成果表明，车拐地区烃源岩主要来自二叠系的以凝灰质碳酸盐和白云质泥岩为主的风城组、以凝灰岩和砂泥岩为主的佳木河组及以含煤层系的下侏罗统八道湾组[14]，而研究区的断裂十分发育，二叠系的逆断层可能成为二叠系碳酸盐烃源岩的主要运移通道[12,14]，从而使得研究区的碳同位素特征表现出受到部分沉积碳酸盐影响的响应特征。

图1 研究区碳酸盐胶结物类型赋存特征Fig.1 Occurrence characteristic of carbonate cementation in the study area

图2 碳酸盐胶结物δ13CPDB与δ18OSMOW关系Fig.2 Relation between carbonate cements δ13CPDBand δ18OSMOW

研究区δ13CPDB值跨度很大，最低值为-29.6‰，较低的δ13CPDB值可能与有机质成熟脱羧基作用相关，而最大值高达6.7‰，明显较典型的海相或湖相的碳酸盐δ13CPDB高，而从图2分析可知，仅小部分碳氧同位素分布于纯沉积碳酸盐影响的区间范围，说明δ13CPDB值的正偏移受到了其他因素的影响。之前研究认为δ13CPDB值正偏移主要受甲烷菌等细菌的发酵作用、湖相碳酸盐岩溶解作用、深部热液作用的影响[21,25-28]。因此，研究区碳酸盐胶结物的成岩物质来源于部分沉积碳酸盐，保留了原始沉积信息使其δ13CPDB值偏重。如果将研究区碳氧同位素实际数据投入到王大锐等[3]提出的碳酸盐胶结物成因图版上，显示部分高δ13CPDB值是由于细菌等生物发酵造成的，但根据SHACKLETONG 等提出的利用氧同位素计算出的胶结物沉淀温度主要分布在80～110℃，此温度值为有机酸保存的最佳温度，但远远超出了微生物活动温度界限70℃[26]，因此，可以排除细菌发酵作用引起的δ13CPDB值正偏移。实际上，研究区δ13CPDB高值胶结物样品数据井均靠近红车断裂带附近，在三叠纪末、侏罗纪末发生两期油气充注与古构造形成期匹配，喜山期形成的一系列张性正断裂均断至侏罗系[11]，从早侏罗世（178 Ma）到古近纪一直存在油气充注[13-14]，而断裂带的发育为深部流体及油气运移提供了良好的通道，流体输送会与围岩作用而留下痕迹，研究区样品的碳氧同位素计算的古温度值高达137.9℃，说明可能存在深部热液作用使δ13CPDB值偏正[21]，因此推断研究区δ13CPDB值偏高是由于沉积碳酸盐溶解作用和混合热液流体作用共同影响造成的。

3.2.2 氧同位素特征及胶结物沉淀时的古温度

研究区δ18OPDB值为-19.2‰～-12.5‰，较典型的海相或湖相的碳酸盐δ18OPDB值偏负。大气水的渗入[29]、成岩地质流体环境温度的升高[30]、有机质降解[31]的影响都会造成δ18OPDB值负偏移，早侏罗世早期研究区受红—车断裂的多条断层强烈活动影响，构造抬升强烈[11]，且位于断裂带附近的井样品的δ18OPDB值明显较其他样品的值低，说明可能存在大气降水通过断裂带潜入地层中造成部分δ18OPDB值偏负。研究区储层目前已进入成岩晚期阶段[10]，随着成岩作用进入晚期，有机质成熟脱羧排酸生烃使δ18OPDB值偏轻，地层中温度也逐渐升高，升高的温度会消耗大量的18O也会造成δ18OPDB值偏负[25]。

碳同位素主要反映碳物质来源，对温度变化反映不敏感，但氧同位素温度异常的敏感，是良好的地质温度计[5,7]，一般δ18OPDB值随着温度的升高而变低[8]。利用SHACKLETON 等[32]提出的碳氧同位素数据计算温度的经验公式可大致判断碳酸盐胶结物沉淀时的温度：

式中：t为碳酸盐胶结物的沉淀温度，℃；δc为盐酸盐胶结物的δ18OPDB值，‰；δw为维也纳标准平均海水的δ18OSMOW值，‰，新生代以前的海水δ18OSMOW没有统一确定值[33]，但一般取现今海水值0，故本文δw取0。通过计算t值为87.3～137.9℃，平均109.9℃，且主要分布在100～120℃（图3），说明研究区发育的碳酸盐胶结物沉淀温度较高，且在镜下可见碳酸盐胶结物伴随沥青质的现象（图1d），推断此类胶结物可能形成于油气充注之后，两口井氧同位素计算的温度高于130℃，说明可能存在深部热液通过断裂带影响研究区碳酸盐胶结物的沉淀温度，因此，氧同位素偏负可能为多种流体混合作用和成岩环境温度升高共同作用所致。

图3 研究区碳酸盐胶结物沉积温度分布Fig.3 Deposition temperature distribution of carbonate cementites in the study area

3.3 碳酸盐胶结物的地质意义

碳酸盐胶结物对储层物性的影响不同学者有不同观点[1-8]，部分学者认为碳酸盐胶结物对碎屑颗粒具有支撑作用，抵御了压实应力对孔隙空间的破坏，对储层物性保护有积极意义，但大部分学者认为碳酸盐胶结物的形成占据堵塞孔隙，是降低储层物性的主要因素之一。

图4 同一深度下碳酸盐胶结物含量与孔隙度关系Fig.4 Relation between carbonate cement content and porosity at the same depth

碳酸盐胶结物对储层物性的双面性与其形成期次有关，成岩早期系统较为开放，温压条件较低，沉积有机质在生物化学甲烷的非平衡氧化作用下，孔隙流体中Ca2+离子达到过饱和形成CaCO3沉淀物，此类胶结物常形成于强压实作用前，缓和了后期压实作用对孔隙的破坏性，且可作为后期酸性流体的溶蚀对象物质，因此对储层物性具有积极意义。随着埋深增加，成岩作用的进行，压力和温度不断升高，有机酸脱羧释产生CO2，前期黏土矿物因压实脱水排出H2O，随着CO2分压的增高，孔隙流体偏酸性，储层中产生大量的CO32-与HCO3-，酸性流体与储层中长石（钙长石、钾长石、钠长石）发生溶蚀作用释放大量的Ca2+、K+、Na+，同时黏土矿物之间的互相转换，如蒙皂石向伊利石转化会释放大量的Fe3+和Mg2+。随着酸性流体的消耗，成岩环境由酸性逐渐向碱性转变，还原性增强，Fe3+在封闭还原条件下可被还原成Fe2+，流体中富含的Ca2+、Mg2+与CO32-反应生成方解石（CaCO3）和白云石[CaMg(CO3)2]时，Fe2+很容易进入这两种矿物的晶格中，从而形成含铁方解石或铁白云石含铁碳酸盐矿物[5]，成岩晚期形成的碳酸盐胶结物会占据堵塞孔隙中，对储层物性具有破坏作用。研究区碳酸盐胶结物主要形成于成岩作用晚期，通过20余口井碳酸盐胶结物含量与孔隙度之间的关系统计，可见在研究区碳酸盐胶结物与孔隙呈负相关性（图4），说明研究区碳酸盐胶结物不利于储层物性的保护。

4 结论

1）车拐斜坡区碳酸盐胶结物以晶体较大的粉晶—粗晶形式赋存于排列紧密的碎屑颗粒孔隙间，镜下可见方解石交代碎屑颗粒且伴随出现沥青质现象，表明研究区碳酸盐胶结物主要形成于成岩中晚期阶段。

2）碳酸盐胶结物的碳氧同位素分布范围大，δ13CPDB值较典型的海相或湖相的碳酸盐呈正偏移，δ18OPDB值呈负偏移，δ13CPDB正偏移主要受到混合热液流体碳同位素分馏和沉积碳酸盐溶解的共同作用，δ18OPDB值负偏移则可能是大气降水、深部热水等多种流体混合作用和成岩温度升高的影响造成的。

3）碳酸盐胶结物形成与有机酸脱羧产生产生的CO2、黏土矿物压实排水作用、长石碎屑溶蚀及黏土矿物相互转换释放大量的Ca2+、Fe3+和Mg2+等离子有关，研究区碳酸盐胶结物含量与孔隙度呈负相关性，对储层物性起破坏作用。