張 靜，張寶民，單秀琴

（中國石油勘探開發(fā)研究院）

古氣候與古海洋對碳酸鹽巖儲集層發(fā)育的控制

張 靜，張寶民，單秀琴

（中國石油勘探開發(fā)研究院）

以中國塔里木、四川及鄂爾多斯盆地碳酸鹽巖重點層系為例，探討古氣候背景與古海洋環(huán)境聯(lián)合控制海相碳酸鹽巖儲集層發(fā)育的機制。對海相碳酸鹽巖沉積和儲集層形成而言，古氣候總體上有干熱/干燥與濕熱/濕潤之分；顯生宙海水的地球化學(xué)成分曾發(fā)生明顯的周期性變化，方解石海與文石海交替出現(xiàn)。塔里木、四川及鄂爾多斯等盆地的油氣勘探實踐表明，海相碳酸鹽巖規(guī)模儲集層的孔隙類型與發(fā)育特征明顯受控于其沉積時的古氣候背景與古海洋環(huán)境。干熱/干燥古氣候背景下的文石海環(huán)境最有利于形成孔隙-孔洞型白云巖儲集層；干熱/干燥古氣候背景下的方解石海環(huán)境可形成以發(fā)育蒸發(fā)鹽鑄?？诪橹鞯目紫缎桶自茙r儲集層。濕熱/濕潤古氣候背景下的方解石海和文石海沉積則主要形成大型溶洞型儲集層。古氣候背景與古海洋環(huán)境聯(lián)合控制了碳酸鹽巖的沉積并深刻影響了其成巖作用，最終決定了規(guī)模儲集層的孔隙特征和儲集層類型。圖5參33

古氣候背景；古海洋環(huán)境；方解石海；文石海；碳酸鹽巖；白云石化；儲集層

0 引言

海相碳酸鹽巖的形成與沉積期的古氣候背景、古海洋環(huán)境密切相關(guān)[1]，古氣候背景主要指地球不同緯度帶碳酸鹽巖沉積時的氣候條件，總體上有干熱/干燥與濕熱/濕潤之分[2]；古海洋環(huán)境指冰室期（icehouse）的文石海（aragonite sea）環(huán)境和溫室期（greenhouse）的方解石海（calcite sea）環(huán)境[3-5]。在古氣候研究方面，前人一般以沉積類型及沉積物中所含古生物化石作為恢復(fù)古氣候帶的依據(jù)，建立了查明古氣候的礦物-巖石學(xué)標志和分析方法[2]；在古海洋研究方面，前人就顯生宙海水地球化學(xué)成分變化及其原因和文石海、方解石海特征，以及與之相關(guān)的生物演化、碳酸鹽巖沉積作用等作了相關(guān)論述[3-11]。但并沒有就不同古氣候背景、不同古海洋環(huán)境對碳酸鹽巖儲集層形成演化的控制作用及其影響進行專門探討。目前學(xué)術(shù)界對控制海相碳酸鹽巖沉積與成巖的地質(zhì)背景的探討還相對薄弱。

筆者對塔里木、四川及鄂爾多斯盆地震旦系、寒武系、奧陶系及三疊系等碳酸鹽巖重點層系的數(shù)十個野外露頭剖面、數(shù)百口鉆井巖心進行了較為系統(tǒng)的儲集層形成機制分析。通過野外剖面和巖心觀察描述及系列實驗分析（顯微薄片鑒定和元素、同位素地球化學(xué)及流體包裹體分析等）等綜合研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽沉積時的古氣候背景對碳酸鹽巖儲集層發(fā)育具有重要影響，干熱/干燥、濕熱/濕潤背景下儲集層發(fā)育特征差異顯著；地球南北兩極有冰蓋的冰室期-文石海沉積的控儲特征明顯不同于兩極無冰蓋的溫室期-方解石海。古氣候背景與古海洋環(huán)境對碳酸鹽巖儲集層的形成和演化具有重要的控制作用，并從根本上決定了儲集層的成因類型。本文以上述盆地的碳酸鹽巖重點層系為例，嘗試就古氣候背景與古海洋環(huán)境聯(lián)合控制碳酸鹽巖儲集層發(fā)育的機制進行初步探討，以期為碳酸鹽巖儲集層成因機理研究與分布預(yù)測提供更為廣闊的思路和途徑。

1 古海洋環(huán)境

“將今論古”的原理使沉積學(xué)家一度認為古代海水的化學(xué)成分和現(xiàn)代海水相同，該觀點直到20世紀70年代才受到質(zhì)疑：1975年Sandberg在對鈣質(zhì)鮞粒結(jié)構(gòu)特征的觀察中發(fā)現(xiàn)新生代早期的海水環(huán)境有利于方解石沉淀、新生代晚期至現(xiàn)代的海水環(huán)境有利于文石沉淀，并將有利于方解石和文石沉淀的地質(zhì)歷史時期分別稱為方解石海和文石海時期[3]。不同學(xué)者對碳酸鹽非骨屑顆粒、蒸發(fā)巖原生礦物成分和蒸發(fā)巖中流體包裹體的研究也表明，顯生宙海水地球化學(xué)成分曾發(fā)生明顯的周期性變化[3-10]。

Sandberg進一步研究表明[3-4]，晚前寒武紀以來，鮞粒的原生礦物成分變化指示了3個文石海時期（大致為晚前寒武紀—早寒武世、晚石炭世—晚三疊世或早侏羅世、新生代中期—現(xiàn)代）和2個方解石海時期（大致為寒武紀中期—早石炭世、晚三疊世或早侏羅世—新生代早中期）。這種方解石海和文石海的周期性變化與地質(zhì)歷史時期溫室期和冰室期的交替出現(xiàn)具有同步協(xié)調(diào)性，即方解石海時期和文石海時期分別與溫室期和冰室期大致對應(yīng)（見圖1）[3-4,8,10]。蒸發(fā)巖的類型在地質(zhì)歷史時期也經(jīng)歷了顯著的周期性變化，并與碳酸鹽非骨屑顆粒原生礦物成分呈現(xiàn)明顯的同步性，在文石海時期，海水具有Ca2+含量相對低、S含量相對高的特點，蒸發(fā)演化后的鹵水中富含Mg2+、Na+、K+，最后通過蒸發(fā)形成石鹽和瀉利鹽（MgSO4）沉積，繼續(xù)蒸發(fā)才能得到鉀鹽；方解石海時期，海水具有Ca2+含量相對高、S含量相對低的特點，蒸發(fā)海水在方解石和硬石膏沉淀之后形成的鹵水中富含Ca2+、Na+、K+而缺失S，最終通過蒸發(fā)形成石鹽和鉀石鹽（KCl），整個地質(zhì)歷史時期中，海水成分變化控制海相鉀鹽的形成時代（見圖1）[6-7,11]。

上述研究均針對長時間尺度的全球古海洋環(huán)境變化，本文對儲集層發(fā)育機制的探討亦以此為基礎(chǔ)。目前針對短時間尺度的相關(guān)研究還較少[12]，是今后研究的一個發(fā)展趨勢。

圖1 顯生宙海水地球化學(xué)成分、海底膠結(jié)物成分及蒸發(fā)巖類型的變化（據(jù)文獻[8,10]修改）

2 古氣候背景

文石海時期對應(yīng)全球冰室期[3-4,8,10]，此時地球南、北兩極被冰蓋所覆蓋，高緯度地區(qū)發(fā)育海洋冰川，海洋淺水碳酸鹽沉積物主要分布在南、北緯30°之間的熱帶—亞熱帶。在0～30°的低緯區(qū)，靠溫帶一側(cè)為亞熱帶高壓控制的干燥區(qū)，即干熱/干燥古氣候背景下的冰室期-文石海沉積環(huán)境；靠赤道一側(cè)為雨林區(qū)，即濕熱/濕潤古氣候背景下的冰室期-文石海沉積環(huán)境。方解石海時期對應(yīng)全球溫室期[3-4,8,10]，此時地球南、北兩極無冰蓋，高緯無海冰，在0～30°的低緯區(qū)，靠溫帶一側(cè)為亞熱帶高壓控制的干燥區(qū)，靠赤道一側(cè)為雨林區(qū)，形成干熱/干燥與濕熱/濕潤古氣候背景下的方解石海沉積環(huán)境。

震旦紀以來，中國中西部疊合盆地中下組合海相碳酸鹽巖沉積均經(jīng)歷了冰室期-文石海與溫室期-方解石海的周期性演變，且基本上與全球變化同步。由于沉積時所處地球古緯度的不同[13-14]，不同盆地碳酸鹽巖沉積時的古氣候背景與古海洋環(huán)境均有不同，海底與埋藏成巖環(huán)境的介質(zhì)鹽度存在很大差異。以部分典型層系為例，塔里木、四川盆地震旦系—中寒武統(tǒng)以及四川盆地石炭系—三疊系均為典型的干熱/干燥古氣候背景下的冰室期-文石海沉積；塔里木、鄂爾多斯盆地奧陶系分別為濕熱/濕潤、干熱/干燥古氣候背景下的溫室期-方解石海沉積（見圖2）。干熱/干燥古氣候背景、冰室期-文石海沉積的成巖介質(zhì)鹽度最高，濕熱/濕潤古氣候背景、溫室期-方解石海沉積的成巖介質(zhì)鹽度最低，進而也影響了白云石化作用的程度，導(dǎo)致塔里木、四川盆地震旦系—中寒武統(tǒng)以及四川盆地石炭系—三疊系白云巖普遍發(fā)育，而塔里木盆地奧陶系白云巖欠發(fā)育。

圖2 塔里木、四川及鄂爾多斯盆地部分層系碳酸鹽巖發(fā)育的古海洋環(huán)境與古氣候背景示意圖

3 不同古氣候背景及古海洋環(huán)境下碳酸鹽巖沉積與儲集層特征

3.1 干熱/干燥的古氣候背景與孔隙-孔洞型白云巖儲集層的形成

目前認為大多數(shù)白云巖是交代成因的，即通過白云石化作用而形成[15-16]。白云石形成所需的Mg2+來源問題一直是白云巖研究中的難點，也是白云巖成因理論中爭論的焦點[15]。對世界不同地區(qū)白云巖的研究發(fā)現(xiàn)，Mg2+來源主要有以下幾類：①海水（正常海水或濃縮海水）中的Mg2+；②黏土礦物釋放出來的Mg2+；③地球深部巖漿熱液帶來的Mg2+；④有機質(zhì)提供的Mg2+。雖然Mg2+的來源多種多樣，但對于大規(guī)模白云巖的發(fā)育而言，充足、大量的Mg2+是關(guān)鍵?？傮w上看，海水是富Mg2+流體最原始、最主要的來源，特別是濃縮海水或鹵水[16]。

地質(zhì)歷史時期大規(guī)模發(fā)育的白云巖多與蒸發(fā)巖密切相關(guān)，如形成于蒸發(fā)臺地中的準同生白云巖[17]。這類白云巖的交代作用發(fā)生在準同生期，即碳酸鈣沉積物剛沉積不久、尚未脫離沉積環(huán)境時[18]。被交代的沉積物為潮間—潮上帶和膏鹽湖環(huán)境中的文石泥和/或泥晶高鎂方解石。白云石化流體為干熱/干燥古氣候背景下、由強烈蒸發(fā)作用形成的鹽度變高的富Mg2+濃縮海水（鹵水）[18]。該機理主要用于解釋與蒸發(fā)巖伴生的潮坪及澙湖沉積物的白云石化作用。由這種機理形成的白云巖多較致密，難以獨立成為好儲集層。蒸發(fā)巖也是干熱/干燥古氣候背景下特有而常見的沉積類型，常與準同生白云巖共生或伴生。蒸發(fā)鹽是易溶礦物，很容易在短時間尺度濕熱/濕潤古氣候背景下被溶蝕而形成孔洞，從而有利于后期形成具有蒸發(fā)鹽鑄?？椎目紫缎秃啵ǜ噘|(zhì)）白云巖儲集層。準同生白云巖在中國多個大型盆地均有分布，是當前研究和勘探程度最高的一類白云巖儲集層。典型實例如鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組、四川盆地三疊系雷口坡組—嘉陵江組及塔里木盆地中寒武統(tǒng)等層系，其中很多都是大型油氣田的主力產(chǎn)層[17,19-22]。

除廣泛發(fā)育的準同生白云巖外，還有一類白云巖的原巖沉積時水體鹽度正常、能量較高，與低能量、高鹽度的蒸發(fā)環(huán)境迥異，不具備發(fā)生準同生白云石化的條件，如礁灘相顆粒白云巖和礁白云巖等，其白云石化作用主要發(fā)生在埋藏期，屬成巖埋藏白云巖[23]。很多學(xué)者認為這類白云巖的形成與周圍的蒸發(fā)環(huán)境不存在明顯的因果關(guān)聯(lián)。然而隨著近年來白云巖成因研究的不斷深入，越來越多有力的證據(jù)表明[24-29]，在蒸發(fā)臺地相關(guān)層系以及與之有一定距離的層系中，對于由正常鹽度水體中的碳酸鹽沉積物轉(zhuǎn)變而來的大規(guī)模白云巖，其白云石化流體主要就是蒸發(fā)臺地中的濃縮海水（鹵水）。其成因多與鹵水在埋藏期通過壓實排擠或熱對流循環(huán)機制對其周圍的灰?guī)r地層進行交代有關(guān)。這類白云巖的實例如四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組、石炭系黃龍組、鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組四段以及塔里木盆地中西部地區(qū)中寒武統(tǒng)蒸發(fā)巖系之上巨厚的顆粒白云巖和結(jié)晶白云巖[24-29]。這種成巖埋藏白云巖可通過多種成孔機制發(fā)育晶（粒）間孔、晶（粒）間溶孔等儲集空間，是孔隙型白云巖儲集層最主要的成因類型[23]，如四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組廣泛發(fā)育的鮞粒白云巖和結(jié)晶白云巖儲集層。

在干熱/干燥的古氣候背景下，水體中的Ca2+不斷被消耗而Mg2+不斷富集，一方面有利于形成與硬石膏等蒸發(fā)鹽類礦物共生的準同生白云巖，另一方面可以作為富含Mg2+埋藏孔隙水，在埋藏期通過壓實排擠等機制向下方或側(cè)向滲透，或在熱對流等動力的驅(qū)動下向上方運移，進入到周圍滲透性較好的灰?guī)r如礁灘相灰?guī)r中，導(dǎo)致其發(fā)生白云石化。因此，干熱/干燥古氣候背景下發(fā)育的蒸發(fā)臺地中的鹵水不僅是準同生白云巖的Mg2+來源，亦可以在埋藏環(huán)境中導(dǎo)致大規(guī)模白云石化作用的發(fā)生。這也正是地史時期巨厚而分布廣泛的白云巖多與干熱/干燥古氣候背景和在該背景下發(fā)育的蒸發(fā)臺地密切相關(guān)的主要原因。由于準同生白云巖和成巖埋藏白云巖都可以在不同的成巖階段通過特定的成孔機制形成諸如蒸發(fā)鹽鑄模孔、晶（粒）間孔、晶（粒）間溶孔等儲集空間而成為孔隙-孔洞型儲集層[23]，干熱/干燥古氣候背景是大規(guī)模孔隙-孔洞型白云巖儲集層發(fā)育的一個非常重要的有利因素。

圖3 不同古海洋環(huán)境與古氣候背景下碳酸鹽巖孔隙發(fā)育特征對比

3.2 文石海環(huán)境與孔隙-孔洞型白云巖儲集層的形成

當海水的c（Mg2+）/c（Ca2+）值小于2.2、為2.2～5.3、大于5.3時，分別形成低鎂方解石、高鎂方解石+文石、文石。現(xiàn)代海水的c（Mg2+）/c（Ca2+）值為5.2，熱帶淺海碳酸鹽沉積主要由文石和高鎂方解石組成，這一特點對應(yīng)地質(zhì)歷史時期的文石海時期。古代方解石海時期，當海水的c（Mg2+）/c（Ca2+）值小于2時，碳酸鹽沉積的原生礦物以低鎂方解石為主[4,6,9,11,30]。顯生宙海水化學(xué)成分的周期性變化導(dǎo)致了不同時期碳酸鹽沉積原生礦物的不同。

文石、高鎂方解石和低鎂方解石的化學(xué)活動性有明顯差異。文石和高鎂方解石為準穩(wěn)定礦物，在成巖作用過程中會向穩(wěn)定的低鎂方解石轉(zhuǎn)化，因此已經(jīng)成巖的古代碳酸鹽巖主要由低鎂方解石構(gòu)成。由此可見，文石海時期與方解石海時期的碳酸鹽沉積具有不同的成巖潛能。不同的海水成分和原生礦物組成勢必造成碳酸鹽巖早期成巖作用方式的顯著差別[4]。

碳酸鹽沉積物礦物成分的差異必然影響儲集層儲集空間的發(fā)育。通過筆者對塔里木、四川及鄂爾多斯等盆地碳酸鹽巖儲集層的研究發(fā)現(xiàn)，同樣是礁、丘、灘沉積，文石海碳酸鹽巖比方解石海碳酸鹽巖的基質(zhì)孔隙更為發(fā)育。以普遍發(fā)育的顆粒碳酸鹽巖為例，四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組鮞粒白云巖發(fā)育大量以鑄模（鮞模）孔、粒（晶）間孔、粒（晶）間溶孔為特征的原生和次生基質(zhì)孔隙（見圖3a、3b）；而華北地區(qū)廣泛（面積可達300×104km2）發(fā)育的中寒武統(tǒng)張夏組鮞粒白云巖中卻基本未見基質(zhì)孔隙（見圖3c）。再如，同為灰泥丘沉積，四川盆地震旦紀灰泥丘中孔洞極為發(fā)育（見圖3d），而塔里木與鄂爾多斯盆地奧陶紀灰泥丘中卻幾乎未見任何有效的儲集空間（見圖3e）。造成這一現(xiàn)象的主要原因正是文石海環(huán)境中有大量易溶的文石、高鎂方解石沉淀，使得沉積物在遭受同生—準同生期暴露與大氣淡水溶蝕時更容易形成孔洞。越來越多的證據(jù)表明，在淺海環(huán)境中，文石或高鎂方解石質(zhì)的碳酸鹽沉積物在沉積過程中大量溶解，即同沉積溶解。例如，佛羅里達碳酸鹽臺地中，有超過50%的碳酸鹽被溶解[32]。

除容易發(fā)生溶蝕外，文石海碳酸鹽沉積的另一個不同于方解石海的成巖潛能表現(xiàn)為：文石海時期沉積的高鎂方解石相對富鎂，在其向低鎂方解石轉(zhuǎn)化的過程中可以為孔隙流體提供大量Mg2+，是后期發(fā)生白云石化作用的有利因素。海泡石的形成證明了這一點：相關(guān)研究表明，全球顯生宙正常鹽度海水、非熱液活動環(huán)境下形成的海泡石的地史分布全部對應(yīng)文石海，而方解石海沉積則缺乏海泡石，顯然與文石海高鎂方解石的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化有關(guān)[4]。蒸發(fā)巖類型在文石海時期主要為MgSO4型，也可能成為Mg2+的另一個重要來源。雖然導(dǎo)致白云巖形成的因素眾多，但大量Mg2+的存在是最為關(guān)鍵的因素。除了可能具備相對充足的Mg2+外，文石海沉積物中原生和次生基質(zhì)孔隙的普遍發(fā)育還可以為后期水-巖作用提供大量反應(yīng)空間，從而有利于白云石化作用的進行。相對于方解石海而言，文石海環(huán)境更有利于白云巖的形成，進而成為孔隙-孔洞型白云巖儲集層發(fā)育的一個潛在的有利因素。

3.3 干熱/干燥的古氣候背景與早成巖期孔洞的形成與保存

儲集層發(fā)育早期，干熱/干燥的古氣候環(huán)境多起著建設(shè)性成巖作用。干熱/干燥環(huán)境下成巖流體相對匱乏，導(dǎo)致沉積物中膠結(jié)物相對匱乏，大量孔隙空間得以發(fā)育，因此有利于早成巖期孔洞的形成與保持。而濕熱/濕潤的古氣候?qū)υ绯蓭r期孔洞發(fā)育多起破壞性作用。濕熱/濕潤條件下，相對充足的成巖流體使得膠結(jié)物大量形成并充填孔洞，因此不利于早成巖期儲集空間的發(fā)育與保持?？傮w而言，干熱/干燥古氣候背景下形成的碳酸鹽巖具有膠結(jié)物少、膠結(jié)期次少的特征，而濕熱/濕潤古氣候背景下形成的碳酸鹽巖具有膠結(jié)物多、膠結(jié)期次多的特征。

以干熱/干燥古氣候背景下的四川盆地震旦系燈影組為例。燈影組發(fā)育大規(guī)模同生—準同生期層間巖溶，其特征明顯不同于濕熱/濕潤古氣候背景下形成的層間巖溶，突出表現(xiàn)為：每一層層間巖溶面之下，都普遍發(fā)育鈣結(jié)殼（鈣結(jié)殼是干熱/干燥氣候條件下碳酸鹽巖表面遭受風(fēng)化、大氣淡水滲流與溶蝕作用的產(chǎn)物，即干熱/干燥古氣候背景下的古土壤），包括其頂部的滲流豆粒和之下的“白堊”狀泥晶云巖。鈣結(jié)殼之下，是普遍發(fā)育的“葡萄、花邊”構(gòu)造和孔洞極為發(fā)育的好儲集層。無論是野外露頭還是覆蓋區(qū)鉆井剖面，鈣結(jié)殼和“葡萄、花邊”構(gòu)造均疊置分布、成對出現(xiàn)。前者指示同生—準同生期大氣淡水滲流帶，后者指示同生—準同生期大氣淡水潛流帶。盡管燈影組白云巖經(jīng)歷了幾乎所有碳酸鹽巖成巖作用過程，但其孔隙多為半充填（見圖3d），孔洞十分發(fā)育，有沿砂屑白云巖層理發(fā)育的孔洞、沿凝塊（球粒）周圍發(fā)育的孔洞、沿富藻層溶解形成的孔洞，以及顆粒溶蝕形成的孔洞等?？傮w上看，具有膠結(jié)期次少、膠結(jié)物少的特點，屬典型干熱/干燥古氣候背景下的產(chǎn)物。而以塔里木盆地奧陶系為典型代表的濕熱/濕潤古氣候背景下的方解石海沉積物突出表現(xiàn)為膠結(jié)物多、膠結(jié)期次多的成巖作用特征，明顯不同于四川盆地震旦系。

3.4 干熱/干燥古氣候背景下方解石海與蒸發(fā)鹽鑄?？仔桶自茙r儲集層的形成

干熱/干燥的古氣候是白云巖和蒸發(fā)鹽礦物發(fā)育的一個獨立有利因素，不受原巖沉積時古海洋環(huán)境的影響。由此除文石海沉積環(huán)境外，干熱/干燥古氣候背景下的方解石海沉積物同樣可以形成發(fā)育蒸發(fā)鹽鑄?？椎目紫缎桶自茙r儲集層，且這類白云巖儲集層的規(guī)模通常較大。典型實例如形成于方解石海環(huán)境中的鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組含蒸發(fā)鹽的碳酸鹽巖層系。馬家溝組沉積期經(jīng)歷了多次海進和海退。其中，馬一段、馬三段、馬五段沉積時氣候干熱，海平面下降，海水濃縮，形成膏鹽盆和含鉀鹽盆。在局限/蒸發(fā)臺地向上變淺序列的上部，發(fā)育了富含蒸發(fā)鹽礦物（如硬石膏結(jié)核、石鹽）的泥粉晶白云巖，屬典型薩布哈成因。該成因類型的白云巖本身多較致密，基本無可見基質(zhì)孔隙，但由于伴生了蒸發(fā)鹽礦物并遭受了與高頻層序界面有關(guān)的準同生期大氣淡水溶蝕，導(dǎo)致其中的蒸發(fā)鹽礦物被溶解，因此發(fā)育了大量硬石膏和/或石鹽鑄?？祝ㄒ妶D3f），可形成垂向上多旋回、平面上準層狀的孔隙型儲集層。這種儲集層的突出特點是孔隙度高但滲透率低，受到后期巖溶作用的疊加改造后其儲集性能可明顯改善，如馬五段含蒸發(fā)鹽鑄?？椎目紫缎桶自茙r經(jīng)表生期風(fēng)化殼巖溶作用的改造后形成了較好的孔隙-溶洞型儲集層。

3.5 濕熱/濕潤古氣候背景下方解石海/文石海與大型溶洞型碳酸鹽巖儲集層的形成

前已述及，無論是方解石海還是文石海，碳酸鹽巖沉積時濕熱/濕潤的古氣候背景均不利于早成巖期儲集空間的發(fā)育。以塔中地區(qū)I號斷裂帶上奧陶統(tǒng)良里塔格組臺地邊緣礁灘相灰?guī)r為例，其沉積背景為典型的濕熱/濕潤古氣候背景下的方解石海，并經(jīng)歷了準同生期層間巖溶和表生期風(fēng)化殼巖溶作用的改造。但在其中難以識別宏觀尺度的層間巖溶現(xiàn)象，不具備四川盆地震旦系普遍發(fā)育的鈣結(jié)殼、“葡萄、花邊”構(gòu)造及大量半充填的孔洞。僅在薄片中可見一些微觀層間巖溶現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為層內(nèi)溶蝕孔洞中不見淺埋藏晚期粒狀方解石膠結(jié)物，淺埋藏早期棱柱狀方解石和海底膠結(jié)的纖狀環(huán)邊方解石呈“殘骸”狀等。基質(zhì)孔隙發(fā)育程度總體較差，難以形成孔隙型儲集層，如果沒有表生期風(fēng)化殼巖溶作用的改造形成大型縫洞，則很難形成優(yōu)質(zhì)儲集層[33]。地質(zhì)與地球物理綜合研究表明，塔中I號臺緣帶良里塔格組灰?guī)r中可能發(fā)育2～3層大型溶洞。如塔中62-1井，在4 959.10～4 959.30 m和4 973.21～4 973.76 m井段分別放空0.20 m和0.55 m，塔中62-2井在4 784.00～4 798.40 m井段鉆揭一高逾10 m的大型溶洞。該組不經(jīng)措施改造獲工業(yè)油氣流或高產(chǎn)工業(yè)油氣流的鉆井均有大型巖溶洞穴存在，而經(jīng)措施改造后仍獲低產(chǎn)或未獲產(chǎn)能的失利井均未發(fā)育大型巖溶洞穴。說明表生期巖溶作用形成的大型洞穴明顯控制了儲集層的形成與分布，并決定了油氣成藏與高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)井、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)塊的分布，儲集層類型屬典型的溶洞型儲集層。

由于塔里木盆地奧陶系沉積時處在濕熱/濕潤的古氣候背景下，不發(fā)育易溶的蒸發(fā)鹽礦物，因此不具備類似于鄂爾多斯盆地奧陶系干熱/干燥古氣候背景下形成蒸發(fā)鹽鑄?？椎臈l件，孔隙型儲集層不發(fā)育。在構(gòu)造斷裂與表生期風(fēng)化殼巖溶作用下可形成較大規(guī)模的溶蝕縫洞，成為溶洞型儲集層。

4 不同古氣候與古海洋環(huán)境下碳酸鹽巖儲集空間演化特征

碳酸鹽巖儲集層中次生孔隙占主導(dǎo)地位，因此其沉積后的建設(shè)性成巖改造尤為重要。碳酸鹽巖的成巖改造作用多種多樣，其中，溶蝕作用對碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲集層的形成具有決定性的作用[1]。溶蝕作用在很大程度上受到碳酸鹽巖基質(zhì)孔隙發(fā)育程度的影響，基質(zhì)孔隙發(fā)育程度的差異最終將導(dǎo)致儲集層儲集空間發(fā)育特征和儲集層類型的不同。

在質(zhì)純、層厚、具基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖中，溶蝕作用主要沿巖石骨架間孔或晶間孔進行，巖溶水運動以基質(zhì)孔中的彌散（擴散）流為特征。隨著侵蝕、溶蝕作用的持續(xù)進行而最終演變?yōu)榉涓C狀溶蝕孔洞，表現(xiàn)為巖石整體的巖溶化。具有成洞率高、均質(zhì)性好、方向性弱和儲集空間規(guī)模小的特點，主要形成孔隙-孔洞型儲集層。如果在這類碳酸鹽巖中同時發(fā)育裂縫和/或?qū)永恚瑒t更有利于溶蝕作用的進行。而在質(zhì)純、層厚、致密的碳酸鹽巖中，溶蝕作用主要沿斷裂、裂隙進行，巖溶水運動以斷裂、裂隙中的管道流為特征，隨著侵蝕、溶蝕作用的持續(xù)進行而溶洞規(guī)模不斷擴大。具有成洞率低、非均質(zhì)性強、方向性強和洞穴規(guī)模大的特點，往往形成大型縫洞型儲集層。但如果這類碳酸鹽巖中裂縫和/或?qū)永聿话l(fā)育，則溶蝕作用難以進行，儲集空間不發(fā)育（見圖4）。這一機理很好地解釋了基質(zhì)孔隙欠發(fā)育的塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖形成大型溶洞型儲集層，而基質(zhì)孔隙較發(fā)育的四川盆地震旦系或三疊系碳酸鹽巖不容易發(fā)育較大規(guī)模的縫洞而主要形成孔隙-孔洞型儲集層的原因。

圖4 碳酸鹽巖儲集空間演化特征

濕熱/濕潤古氣候背景下的方解石海和文石海沉積物由于基質(zhì)孔隙欠發(fā)育，因此不利于孔隙型碳酸鹽巖儲集層的形成，主要依賴于構(gòu)造斷裂并通過后期巖溶改造而發(fā)育大型溶洞型儲集層，如塔里木盆地奧陶系良里塔格組。干熱/干燥古氣候背景下的方解石海，碳酸鹽巖本身可能不易發(fā)育基質(zhì)孔，但可發(fā)育大規(guī)模含蒸發(fā)鹽的白云巖并配合溶蝕作用而形成大量蒸發(fā)鹽鑄模孔，從而成為孔隙型白云巖儲集層，如鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組。而干熱/干燥古氣候背景下的文石海，一方面由于沉淀大量易溶的礦物（文石、高鎂方解石等），容易在同生—準同生期發(fā)生溶解，另一方面由于沉積物中的膠結(jié)物相對匱乏，不但有利于原生基質(zhì)孔隙的發(fā)育，還有利于早成巖期孔洞的形成和保存。同時，該背景下大量Mg2+和沉積物中孔隙空間的存在有利于白云石化作用的發(fā)生，因此可以發(fā)育優(yōu)質(zhì)孔隙-孔洞型白云巖儲集層，如四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組與震旦系燈影組。

形成于不同古海洋環(huán)境與古氣候背景下的碳酸鹽巖具有不同的孔隙空間發(fā)育潛能，加之所處沉積相帶、巖石類型以及成巖后經(jīng)歷的建設(shè)性成巖改造作用等因素的不同，四川、塔里木及鄂爾多斯盆地不同地質(zhì)時代發(fā)育不同類型的碳酸鹽巖儲集層（見圖5）。

圖5 四川、塔里木、鄂爾多斯盆地中下組合海相碳酸鹽巖時代分布與主要儲集層類型

5 結(jié)論

塔里木、四川及鄂爾多斯等盆地碳酸鹽巖的勘探實踐表明，古海洋環(huán)境與古氣候背景是控制碳酸鹽巖沉積作用并影響其成巖作用的首要因素。地質(zhì)歷史時期，文石海與方解石海的交替出現(xiàn)以及沉積時的古氣候背景從根本上控制了碳酸鹽巖的沉積特征及沉積巖類型，并在很大程度上影響碳酸鹽巖儲集空間的形成和演化，由此導(dǎo)致了不同古海洋環(huán)境和古氣候背景下碳酸鹽巖儲集層的發(fā)育特征存在明顯差異，最終決定了儲集層的成因類型。干熱/干燥古氣候背景下的文石海環(huán)境最有利于孔隙-孔洞型白云巖儲集層的形成。干熱/干燥古氣候背景下的方解石海沉積物可形成以發(fā)育蒸發(fā)鹽鑄?？诪橹鞯目紫缎桶自茙r儲集層。濕熱/濕潤古氣候背景下的方解石海和文石海沉積物則主要形成大型溶洞型碳酸鹽巖儲集層。從古海洋環(huán)境和古氣候背景的角度出發(fā)，探討二者對碳酸鹽巖儲集層發(fā)育的控制作用，對拓展碳酸鹽巖儲集層的相關(guān)研究具有重要意義。

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Controlling effects of paleo-climate and paleo-ocean on formation of carbonate reservoirs

Zhang Jing, Zhang Baomin, Shan Xiuqin
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

The controlling effects of paleo-climate and paleo-ocean on the formation of marine carbonate reservoirs were studied taking key carbonate strata in the Tarim, Sichuan and Ordos Basins as examples. Dry heat/aridity and moist heat/moisture are the two distinctive types of paleo-climate background as far as carbonate sedimentation and reservoir formation are concerned. The geochemistry of the Phanerozoic ocean experienced cyclic variation, with calcite sea and aragonite sea occurring alternately. Carbonate exploration practice in the Tarim, Sichuan and Ordos Basins shows that the features of carbonate reservoir are evidently controlled by paleo-climate and paleo-ocean environment. The aragonite sea under dry heat/arid climate is most favorable for the formation of porous dolomite reservoirs. The calcite sea under dry heat/arid climate is favorable for the formation of porous dolomite reservoirs with evaporite moldic pores. The calcite sea and aragonite sea under moist heat/moist climate may only lead to the formation of cavernous carbonate reservoir. Paleo-climate and paleo-ocean environment exert great influence on carbonate sedimentation and its diagenesis, and ultimately determine the porosity features and types of carbonate reservoirs.

paleo-climate; paleo-ocean environment; calcite sea; aragonite sea; carbonate; dolomitization; reservoir

TE122.31

A

張靜（1979-），女，北京市人，博士，中國石油勘探開發(fā)研究院工程師，主要從事碳酸鹽巖儲集層研究工作。地址：北京市海淀區(qū)學(xué)院路20號，中國石油勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)實驗中心，郵政編碼：100083。E-mail：zj_1224@petrochina.com.cn

2013-05-05

2013-10-16

（編輯 王大銳 繪圖 劉方方）

1000-0747(2014)01-0121-08

10.11698/PED.2014.01.16

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”項目（2008ZX05004）