塔里木盆地寒武系-奥陶系深层储集体地质特征

**章　绪论 大型油气田是指*终可采储量合计达到5×108bbl（1bbl=0.159m3）的油气田（李春荣等，2007），据白国平（2006）的统计，在全世界已勘探发现的877个大型油气田中，以碳酸盐岩作为储集体的油气田有283个，尽管碳酸盐岩大型油气田的数量相对碎屑岩较少，但石油和天然气的可采储量分别占总可采储量的48.66%和45.26%。据IHS公司统计，碳酸盐岩油气资源量约占全球油气资源量的70%，探明可采储量约占50%，产量约占60%（李阳等，2018；宋芊和金之钧，2000）。中国碳酸盐岩油气资源也十分丰富，塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、柴达木盆地、渤海湾盆地等都在碳酸盐岩层系中获得突破，探明的石油和天然气可采储量分别占全国的5.5%和33%（李阳等，2018；谢锦龙等，2009）。与北美、中东等地区的碳酸盐岩储层相比，中国的油气藏表现出地质时代老、埋藏深等特点，因此勘探和开发的难度更大（李阳等，2018）。国内大部分碳酸盐岩油气藏都是以裂缝-溶洞-溶孔型为主，在纵向上和横向上非均质性非常强，基本上没有统一的油水界面及压力系统，因此已不能沿用储层的概念来描述这些油气藏，它们在空间上的叠置关系呈现出独立的储集空间集合体特征。碳酸盐岩储集体的分类方案较多，如罗平等（2008）将碳酸盐岩储集体分为礁滩、台内滩、岩溶和白云岩四大类；赵宗举等（2008，2007）则根据储层成岩类型将碳酸盐岩储集体分为古风化壳岩溶、礁滩和白云岩三大类；赵文智等（2012）则按照石油工业的预测评价将碳酸盐岩储集体分为沉积型、成岩型和改造型三大类。本书综合上述分类，将碳酸盐岩油气藏的储集体类型按沉积和成因类型分为生物礁、颗粒滩、白云岩、岩溶及断控-热液改造5种。 **节　碳酸盐岩储集体研究现状 一、石灰岩储集体 （一）生物礁储集体 对生物礁进行系统、科学的地质学、生物学研究可以追溯到18世纪末和19世纪初（赵邦六等，2009；钟建华等，2005；Lyell，1841），之后，学者从生物堆积、生长特征、抗风浪性、生长位置、生物礁分类、生物礁成岩过程等方面对生物礁进行了系统的研究（范嘉松，1996；Dunham，1970）。 生物礁是油气资源的有利富集场所，因其格架孔、裂缝和溶洞发育，而利于形成良好的生物礁储集体。此外，据吕俏凤（2012）的统计，世界上绝大多数生物礁储集体距烃源岩位置近，生储盖条件匹配良好，因此，生物礁油气藏的勘探与开发引起了石油地质学家的巨大兴趣。生物礁油气藏的勘探开发始于20世纪初的北美地区（王才良，2000），20世纪七八十年代是生物礁油气藏勘探开发的高峰期，在北美、中东等地区发现和识别出多个生物礁油气藏，据董治斌（2015）统计，全世界173个沉积盆地中，探明了约1000个生物礁油田；生物礁油气田的储量占世界油气田储量的10%（张兵，2010）。生物礁油气田往往体量巨大，如20世纪初在墨西哥发现的阿尔苏4号井日产原油可达3300t，20世纪90年代在里海北部发现的卡萨冈生物礁油田储量达到70×108t（李梅，2012）。部分生物礁储层的孔隙在早成岩阶段损失非常严重，Prezbindowski（1985）估计美国墨西哥湾生物礁储层的原生孔隙在埋藏达到100m之前就因为海相胶结作用损失了21%，而其后的成岩作用仅损失了9%；Walls和Burrowes（1985）也发现放射状方解石（往往是海相成因）是影响西加盆地中-上志留统生物礁储层物性的*重要因素。 近20年国外学者对生物礁的研究已取得了较大的突破，国内学者也做了大量的研究工作，对于研究区礁滩相储集体，主要研究了如图1-1所示的几个方面。 对于塔里木盆地的生物礁，经过多年的研究，取得了很大的进展，归纳起来有以下几点。 （1）明确了塔中地区生物礁演化的定位，确定了造礁生物的组成，并以各门类生物的生态学特征对其进行了分类和总结。 （2）通过钻井岩性特征、测井响应、古生物和地震资料等对礁滩型储集体进行识别，并系统地归纳了其在各项资料上的反映特征。 （3）对比了礁滩型储集体中不同亚相储集体物性的差别。 （4）建立浅水高能滩亚相储集体和礁亚相储集体的成岩-孔隙演化模式。 （5）总结了多种因素共同控制礁滩型储集体的发育，包括有利的岩石组合、沉积作用、溶蚀作用（大气淡水溶蚀作用、表生期不整合岩溶、埋藏溶蚀）、多期的油气运移、构造作用等。 （6）建立礁滩型储集体地质-地球物理的识别模型，并投入实际勘探中应用，用以预测有利储集体的分布。 （二）颗粒滩储集体 颗粒滩储集体在碳酸盐岩油气藏中占非常重要的地位，全世界范围的油气勘探工作揭示，有相当规模和数量的油气藏以滩相碳酸盐岩作为主要的储层，如沙特阿拉伯的加瓦尔油田、阿联酋和卡塔尔的上侏罗统阿拉伯组油气田、美国海湾地区的侏罗系碳酸盐岩油气田、四川盆地的普光气田等（聂杞连，2016）。 国内外学者对颗粒滩的形成环境、岩相古地理及颗粒滩的成岩演化控制因素进行了大量的研究，认为颗粒滩可以形成于台缘斜坡、台地内部、缓坡（内缓坡和中缓坡）等水动力条件较高的环境下（文晓涛，2014；刘宝和，2008），颗粒滩的形成和演化受到古地貌、古气候、海平面变化等因素的影响（谭秀成等，2011；王兴志，2002）。古地貌决定了不同构造位置的水动力条件，从而控制了发育于高能碳酸盐岩颗粒滩储层的形成位置，经过强水动力条件的冲刷，颗粒滩相灰泥含量极少，容易形成良好的原生粒间孔。干旱或潮湿的气候下碳酸盐岩台地中大气淡水的注入有显著的差别，潮湿环境中，大量的大气淡水注入有利于准同生溶蚀作用的发生，在滩相沉积物中形成大量的铸模孔（Ehrenberg et al.，2008）。 （三）岩溶储集体 岩溶储集体在全球的油气勘探中有重要的地位，有相当数量的油气田以岩溶储层为主（张春林，2013），如美国阿纳达科油田、阿联酋布哈萨油田、我国的塔河油田等（刘存革等，2008）。岩溶储集体的储集空间一般为超出岩心和薄片大小的孔洞缝体系，具有非常强烈的非均质性（沈安江等，2016a）。国内外学者在碳酸盐岩沉积学和成岩作用的基础上，对古岩溶的识别标志及其发育规律进行了研究，并将现代岩溶的岩石学特征、地球化学特征引入古岩溶储层的研究中，对古岩溶作用的形成机理和大气水的成岩作用等方面进行了探讨（傅恒等，2017；钱一雄等，2007；Loucks，1999；Longman，1980）。此外，地震技术被用于岩溶储层的识别和预测，碳氧锶同位素、微量元素、流体包裹体等地球化学手段也被用于研究古老大气淡水的流体性质（白晓亮，2012；吴茂炳等，2007；刘存革等，2007）。 岩溶是指碳酸盐岩岩体暴露于大气淡水成岩环境中，由对碳酸盐岩不饱和的地表水和地下水对可溶性岩石的溶解、淋滤、侵蚀、搬运和沉积等一系列地质作用的综合（白晓亮，2012）。大气淡水活动相关的岩溶作用按照活动的成岩阶段主要为（准）同生岩溶和表生岩溶。准同生岩溶发生于准同生成岩环境中，受沉积旋回和海平面升降变化的控制，潮坪、颗粒滩等浅水沉积物在海退沉积序列中，露出海面或处于大气淡水透镜体内，受到大气淡水的淋滤和溶蚀，形成各类孔隙，常见铸模孔等组构选择性孔隙。表生岩溶发生于表生成岩环境中，主要是指受海平面升降和构造运动的抬升影响，已经固结成岩的碳酸盐岩抬升至地表，接受大气淡水的淋滤和溶蚀，常形成大规模的溶洞。Loucks（1999）建立了相应的岩溶模式（图1-2），并根据洞穴深度，纵向上较老的地层发育*新的洞穴，较新的地层发育*老的洞穴，由下至上地对洞穴的充填物及潜流带-被动潜水面-渗流带的特征进行了详尽的描述与讨论。 （四）断裂-热液储集体 与构造运动、断裂活动相关的热液进入碳酸盐岩储层后，可能发生的改造包括白云石化、萤石化、硅化及热液淋滤（Ramaker et al.，2014；Cai et al.，2008；Jin et al.，2006；Packard et al.，2001；Rogers and Longman，2001；Qing and Mountjoy，1992，1994），沉积盆地中，Machel 和Lonnee（2002）沿用了White（1957）的定义，将热液定义为温度高于环境温度的流体，因此，热液仅仅是一个描述流体温度状态的名词，热液进入储层与碳酸盐岩发生的水岩反应取决于流体性质，可能提高也可能降低储层的孔隙度和渗透率。自20世纪以来，全世界范围内在碳酸盐岩储层内识别出了大量与断裂-热液活动有关的储集体，Lu X等（2017）也提出了断溶体的概念用以描述这类储集体。 关于断裂-热液储层的研究主要集中在断裂-流体活动发生的时间、流体来源、流体规模等问题上，然而，受限于沉积盆地定年难度较大、示踪手段有限及沉积成岩因素的多期叠加改造，这些问题仍存在较大争议。例如：①伴随着断裂活动，热液的来源可能有很多种，如深循环的大气淡水（Qing and Mountjoy，1992）、下伏碎屑岩中的孔隙水（Davies and Smith，2006）、与岩浆活动相关的流体（Jiang et al.，2015；Zhu et al.，2015）等，这些流体对原碳酸盐岩的饱和度并不明确，能否形成新的次生孔隙在各个地区有显著的不同；②部分学者则认为地下流体对碳酸盐岩的不饱和度非常低（约1000ppm），因此溶解碳酸盐矿物并形成新的次生孔隙需要非常大的流体通量，如不饱和度以100ppm计算的话，在单位体积灰岩中溶蚀形成1%的孔隙度需要270倍的流体与灰岩充分发生反应（Ehrenberg et al.，2012），而埋藏环境中往往难以解释相应的水动力学机制，因此，这些学者认为断裂-热液活动相关的储层中断裂的增容作用是形成储层的主要机制（Ehrenberg et al.，2016，2012，2009；Bjrlykke and Jahren，2012）。 二、白云岩储集体 灰岩的白云石化是碳酸钙被碳酸镁钙交代的过程，实质上是文石/方解石的溶蚀和白云石的沉淀过程（Putnis，2015）。一方面，白云石化的碳酸盐岩储集体会很大程度上继承原始灰岩储集体（颗粒滩、生物礁、岩溶、断控储集体）的特征；另一方面，大规模的白云石化（交代作用）需要大量的流体对镁离子和钙离子进行搬运，与大气淡水的活动相似，这类长期的、大规模的流体活动可能改变储层的储集空间。在很长一段时间内，白云岩被认为具有比灰岩更高的孔隙度和渗透率（Blatt et al.，1972），因此白云岩在油气勘探中的重要性不言而喻。然而，此后的研究发现，并不是所有的白云岩都具有良好的储集性能。例如，Schmoker和Halley（1982）通过对南佛罗里达的新生代白云岩（埋藏深度小于1km）的研究发现，白云岩的孔隙度与临近的灰岩的孔隙度相近，甚至更低；同时，也有一些未经历显著埋藏的、年轻的白云岩非常致密（Lucia and Major，1994）。这些例子说明，白云岩并不天然具有比灰岩更好的储集性能，因此，在石油勘探过程中，地质学家需要预测的不是白云岩发育在哪些（构造、层序）位置，而是要预测优质白云岩储层发育在哪些位置（Sun，1995）。 白云岩油气藏实际上在很大程度上继承了上文所述的生物礁、颗粒滩和岩溶油气藏的特点。除此之外，灰岩的白云石化过程会对储集体有以下几点重要的改造。 （1）等摩尔交代。1mol的白云石交代1mol的方解石时，原始灰岩的体积会减小大约13%（Van Tuyl，1914），即灰岩被白云岩等摩尔交代时，孔隙度能够增加约13%（如原岩的孔隙度可以从40%增加到45%）。尽管这种模式过于理想化，并且很难证明在实际情况下白云石化是等摩尔交代形成的（Machel，2004），一些未经历显著埋藏却非常致密的白云岩也证