塔里木盆地塔河油田中下奥陶统鹰山组内幕储层成因机理

吕艳萍，吕 晶，徐想东，邓光校，刘永立，3，刘存革， 张振哲，韩拥强

(1.中国石化 西北油田分公司 勘探开发研究院，乌鲁木齐 830011； 2.中国海洋石油国际有限公司，北京 100028； 3.中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074； 4.广东石油化工学院 石油工程学院，广东 茂名 525000； 5.新疆博塔油田技术服务有限公司，新疆 库尔勒 841000)

近年来，我国在深层碳酸盐岩领域不断取得重大油气发现[1-3]，证实深层仍然发育碳酸盐岩优质储层。塔里木盆地塔河油田奥陶系海相油气藏主要产层位于中下奥陶统顶面之下150 m范围内，已经勘探开发了二十余年，对缝洞储集体的成因机理、分布规律研究较为深入；北部上奥陶统剥蚀区主要为大气淡水潜流—渗流环境下形成的缝洞储集体[4-7]，南部上奥陶统覆盖区断裂的控制作用较强[4,6]。为寻找新的资源接替层系，中国石化西北油田分公司在塔河油田西部上奥陶统覆盖区鹰山组中下部发现大量串珠状、杂乱反射等地震反射异常，部署的A井在鹰山组上段下亚段获得工业油气流[8]，证实鹰山组中下部发育规模性缝洞储集体。巫波等[9]认为，这些缝洞储集体主要受控于岩溶管道内部下切深度及空间组合形式。本文针对鹰山组上段下亚段储层样品开展了碳氧同位素、锶同位素、稀土元素和阴极发光测试工作，认为鹰山组内幕储集体主要形成于海西早期大气淡水深部缓流带环境，与表层的缝洞储集体形成环境存在较大差异。

1 地质背景

塔河油田位于塔里木盆地北部阿克库勒凸起中段(图1)，早—中奥陶世沉积了厚度超过1 000 m、较纯的碳酸盐岩；下奥陶统蓬莱坝组以白云岩、灰质云岩为主，中下奥陶统鹰山组和中奥陶统一间房组以灰岩为主，向下白云石化作用加强(图2)。上奥陶统沉积环境与中下奥陶统相比发生了剧烈变化，由浅水碳酸盐岩台地转变为淹没台地、缓坡和混积陆棚[10]，岩性为含泥灰岩、瘤状灰岩、泥质灰岩和泥岩。

塔河油田奥陶系受到加里东中期、海西早期等多期构造运动的影响，北部上奥陶统被完全剥蚀，中下奥陶统也经历了不同程度的剥蚀，志留系、泥盆系残余地层在阿克库勒凸起周缘分布。在多期的构造运动中，中下奥陶统经历了多期古岩溶作用，形成了大量的缝洞储集体，其中海西早期古岩溶发育阶段是目前规模缝洞储集体形成的重要时期。

图1 塔里木盆地塔河油田研究区位置示意

图2 塔里木盆地塔河油田研究区南北向地质剖面

2 样品采集与测试分析

研究区A井和B井(图1)在鹰山组上段下亚段钻遇巨晶方解石充填的洞穴，并取得了岩心资料。A井揭示了一个高度大于6.81 m的被巨晶方解石充填的岩溶洞穴(6 100～6 106.81 m)，溶洞顶部没有揭示，且在6 115.13～6 168.24 m累计漏失泥浆1 476.05 m3；洞穴巨晶方解石内部和洞穴底部灰岩中存在构造裂缝(图4a-c)，缝面见稠油。B井则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，取心过程中在6 285.17～6 286.2 m井段出现钻具放空、水侵、溢流现象，造成取心率较低；该洞穴顶部灰岩发育方解石充填的构造裂缝(图4d)，洞穴巨晶方解石内部也存在缝面被稠油侵染的构造裂缝(图4e-f)。

本次研究针对洞穴巨晶方解石、洞顶和洞底的构造裂缝方解石及围岩，选送了碳氧同位素、锶同位素、稀土元素和阴极发光测试样品。碳氧同位素由国土资源部同位素地质重点实验室测定，分析仪器为MAT253 EM质谱仪，分析方法为磷酸盐法；锶同位素和稀土元素由核工业地质分析测试研究中心测试，锶同位素采用阳离子树脂交换法分离和纯化、利用PHOENIX热电离质谱仪进行分析测试；稀土元素采用等离子体质谱分析方法，分析仪器为ELEMENT XR等离子体质谱分析仪。阴极发光由中国地质大学(武汉)微观烃类检测实验室测试，仪器为RELITRON Ⅲ，电流0.6～0.85 mA，电压9～10 kV。

图3 塔里木盆地塔河油田A井区振幅变化率与精细相干叠合图及过A井地震剖面(b)

图4 塔里木盆地塔河油田A井和B井岩心特征

3 储层成因机理探讨

3.1 碳氧同位素特征

从表1和图5a可以看出，构造裂缝和洞穴方解石样品的δ13CPDB介于-0.4‰～-2.4‰之间，均值-1.49‰；δ18OPDB介于-13.8‰～-16.2‰之间，均值-14.74‰，两者与塔河地区中下奥陶统灰岩背景值相比，均明显偏负。图5中灰岩背景值参考了前人公开发表的碳氧同位素数据[11]和锶同位素数据[12]。同时，图5a中δ18O不变而δ13C可变的趋势较为明显，为大气水方解石线[13]，表明脱气作用是造成方解石沉淀的主要因素。B井构造裂缝方解石δ13C值较高，并非水岩反应强烈所致，而是因为快速脱气，其87Sr/86Sr比值较高也证实了这个认识。前人公开发表的碳氧同位素中表层洞穴巨晶方解石δ18O明显富集[4]，说明蒸发作用增强，表层风化壳与内幕洞穴巨晶方解石的沉淀机理存在差异。

晚泥盆世东河塘组沉积时期，在A井区存在发育大气淡水—海水的混合水岩溶的地质条件，但在此环境中沉淀的方解石δ18O会明显富集，偏离大气水方解石线[13]。因此，这两口井的洞穴巨晶方解石及构造裂缝方解石是在大气淡水环境中形成的。

3.2 锶同位素组成特征

在一个特定时期，海水中87Sr/86Sr比值由幔源锶、壳源锶和重溶锶在海水中所占的比重决定[14]。从表1和图5b可以看出，构造裂缝和洞穴方解石的87Sr/86Sr比值介于0.709 622～0.709 968之间，远高于中下奥陶统泥晶灰岩背景值[12]。晚泥盆世—早石炭世全球海水锶同位素比值为0.707 8～0.708 4[15]，表明这些缝洞方解石的87Sr/86Sr比值明显受到壳源锶的影响，形成于海西早期古岩溶时期的可能性较大[12]。构造裂缝和洞穴方解石的87Sr/86Sr比值变化范围较窄，B井略高于A井，表明流体的水岩反应程度相对稳定。

表1 塔里木盆地塔河油田测试样品碳、氧、锶同位素组成

图5 塔里木盆地塔河油田测试样品碳、氧、锶同位素关系

3.3 稀土元素组成特征

表2为样品测试的稀土元素数据，由于A井的云质灰岩受后期成岩作用的影响较大，碳氧同位素、锶同位素均有反映，因此增加了TP28井3个泥晶灰岩的稀土元素数据作为背景值。该井与A井、B井的稀土元素样品在同一家测试单位测试，测试仪器也相同。图6是稀土元素数据经球粒陨石标准化后的配分模式[16]。所有样品的稀土元素配分模式均具有LREE富集、HREE亏损的特征，溶液迁移过程中重稀土元素的迁移能力高于轻稀土元素，造成方解石和灰岩形成过程中优先富集LREE。洞穴、构造裂缝方解石的∑REE与背景值相比，A井和B井各有1个洞穴方解石样品明显高于背景值，A井其余洞穴方解石略低于背景值，A井和B井的构造裂缝方解石与背景值近似，反映出方解石形成过程中流体性质存在明显差异。各类样品中Ce无正异常，而Eu具有轻微负异常，由于热液产物或还原环境下常出现Eu正异常[17]，反映出构造裂缝和洞穴方解石胶结物形成于弱氧化环境。

表2 塔里木盆地塔河油田测试样品稀土元素组成

图6 塔里木盆地塔河油田测试样品方解石稀土元素配分模式

3.4 阴极发光特征

碳酸盐矿物的阴极发光主要受矿物中Fe、Mn含量和Mn/Fe比值的控制，Mn2+通常作为激活剂，而Fe2+通常为猝灭剂。随着矿物中Fe、Mn含量和Mn/Fe比值的变化，碳酸盐矿物在阴极射线下呈现出不同的颜色。根据前人[18]研究成果，方解石胶结物在接近补给区时不发光，进入承压水层，Eh迅速降低，在过渡带内光亮发光的方解石胶结物形成，昏暗发光的方解石胶结物应在更远处的还原孔隙水中沉淀。

B井构造裂缝和洞穴巨晶方解石均发橘黄色光(图7a-b)，表明流体性质、Eh相对稳定，处于弱氧化环境；而A井洞穴巨晶方解石发暗棕色光和橘黄色光(图7c-d)，构造裂缝发暗棕色光、暗橘黄色光和亮黄色光(图7e)，表明Eh多变，处于弱氧化—弱还原沉积环境。

3.5 储层成因机理探讨

海西早期古岩溶时期，塔河油田中下奥陶统在上奥陶统剥蚀区发育3个岩溶旋回[19]，形成3套洞穴层，但多数大型洞穴主要发育在中下奥陶统顶面之下150 m范围内，岩溶缓坡最为发育，岩溶盆地内主要沿断裂带发育。而A井发育的洞穴距中奥陶统顶面262 m，B井为245 m，两者都处于上奥陶统良里塔格组覆盖区，在海西早期岩溶地貌中处于岩溶盆地的边缘。有学者用顺层(承压)深潜流岩溶模式解释上奥陶统覆盖区中下奥陶统顶部洞穴的成因[20]，也有学者认为鹰山组深层缝洞储集体主要受控于上部潜流岩溶带形成的岩溶管道[9]。由于A井区发育在鹰山组上段下亚段内的洞穴距中下奥陶统顶面距离较大，且处于岩溶盆地，更符合深部缓流带模式。深部缓流带承压、水流缓慢流动[21]，基本不受泄水基准面控制，可以发育到很深的部位，水体受蒸发作用的影响较弱，方解石胶结物易形成大气淡水方解石线。因此，研究区鹰山组上段下亚段发育的岩溶缝洞储集体形成于海西早期大气淡水深部缓流带环境中，没有热液溶蚀和混合水岩溶的贡献。研究区内洞穴氧化还原环境和流体来源存在差异，A井的洞穴为弱氧化—弱还原环境，B井的洞穴为弱氧化环境，后者离补给区的距离更近。

4 结论

(1)研究区鹰山组上段下亚段缝洞储集体距中奥陶统顶面的距离超过250 m，在主干断裂带之间发育，呈层状、蜂窝状分布，与中下奥陶统顶部的风化壳缝洞储集体存在明显差异。

(2)研究区洞穴巨晶方解石和构造裂缝方解石的碳氧同位素低于背景值，存在大气水方解石线；锶同位素远高于背景值，明显受壳源锶的影响；稀土元素无Ce和Eu正异常，反映出无热液流体的参与；阴极发光则反映出A井和B井的补给区不同，洞穴氧化还原环境存在差异。

(3)根据方解石胶结物的地球化学特征，以及研究区所处的古岩溶背景，认为该区鹰山组上段下亚段的缝洞储集体主要形成于海西早期大气淡水深部缓流带环境。

图7 塔里木盆地塔河油田构造裂缝和洞穴方解石阴极发光特征