碳酸鹽巖變形帶特征及其與油氣關(guān)系
——以塔里木盆地下古生界為例

鄔光輝, 陳志勇, 郭群英

(1.中山大學(xué) 海洋學(xué)院, 廣東 廣州 510006; 2.中國石油 勘探開發(fā)研究院, 北京 100083; 3.中國石油 塔里木油田公司, 新疆 庫爾勒 841000)

碳酸鹽巖變形帶特征及其與油氣關(guān)系
——以塔里木盆地下古生界為例

鄔光輝1, 陳志勇2, 郭群英3

(1.中山大學(xué) 海洋學(xué)院, 廣東 廣州 510006; 2.中國石油 勘探開發(fā)研究院, 北京 100083; 3.中國石油 塔里木油田公司, 新疆 庫爾勒 841000)

深入了解變形帶的差異性對碳酸鹽巖儲層滲流作用與油氣勘探開發(fā)研究具有重要意義。通過野外露頭、井下巖心的宏觀與微觀特征分析, 發(fā)現(xiàn)塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖變 形帶發(fā)育, 存在壓實(shí)變形帶、剪切變形帶和膨脹變形帶等 3 類成因變形帶。根據(jù)變形帶的發(fā)育演化特征可以進(jìn)一步劃分為 8 種類型: 壓實(shí)變形帶又可分為解聚壓實(shí)變形帶、碎裂壓實(shí)變形帶和壓溶壓實(shí)變形帶 3 種類型; 解聚剪切變形帶、碎裂剪切變形帶和膠結(jié)剪切變形帶則是 3 種常見的剪切變形帶; 膨脹變形帶包括碎裂膨脹變形帶和膠結(jié)膨脹變形帶。不同類型變形帶特征各異, 以解聚壓實(shí)變形帶與碎裂剪切變形帶最發(fā)育, 各類變形帶呈現(xiàn)從解聚型向剪切型和膠結(jié)型演變的趨勢。不同于碎屑巖變形帶滲透性急劇降低, 塔里木盆地碳酸 鹽巖變形帶的物 性與圍巖差別較 小, 不同次級類型變形帶滲流特征不同, 局部孔隙發(fā)育, 并影 響油氣儲層非均 質(zhì)性。受控于溶蝕、破裂與白云石化等三種后期改造作用, 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖發(fā)育高滲透變形帶, 可能形成有效滲流通道。

碳酸鹽巖; 變形帶; 分類; 高滲透; 儲層

變形帶(deformation band)是高孔隙巖石中常見的一種特殊的板狀變形構(gòu)造(Fossen et al., 2007), 為局部應(yīng)變的薄層帶, 具有小型斷層狀結(jié)構(gòu), 寬度大約數(shù)毫米, 呈單一帶狀、簇狀展布。變形帶通常有比較小的剪切位移, 一般為幾毫米到幾厘米, 并有部分壓實(shí)作用, 但缺少斷裂與裂縫的獨(dú)立的、連續(xù)的破裂面(Fossen et al., 2007; Faulkner et al., 2010)。變形帶可以形成于伸展、擠壓與走滑等多種構(gòu)造背景, 多分布在高孔隙砂巖中(Fossen and Bale, 2007)。近年來, 微觀研究、實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究等從不同方面揭示了變形帶的不同作用機(jī)制(Fossen et al., 2007;韓國鋒等, 2011; Cilona et al., 2012), 在脆性、延性和脆-延性轉(zhuǎn)換階段都具有與低孔隙巖石變形不同的微觀機(jī)制。變形帶主要通過擴(kuò)張、剪切和/或壓實(shí)過程中的顆?；瑒?、轉(zhuǎn)動和/或破裂發(fā)生顆粒重組而形成 (Schultz and Siddharthan, 2005; Cilona et al., 2012)?？紫缎吞妓猁}巖變形帶可以通過孔隙坍塌、顆粒旋轉(zhuǎn)和/或滑動調(diào)節(jié)體積和/或剪切應(yīng)變, 在先期階段的變形中壓溶有助于形成窄碎裂區(qū)(Tondi et al., 2012; Cilona et al., 2012)。礦物、顆粒大小、顆粒形狀、顆粒類型、膠結(jié)作用的級別和類型、孔隙度及圍壓等許多因素影響變形機(jī)制, 形成多種類型的變形帶(Fossen and Bale, 2007; Faulkner et al., 2010)。

變形帶不僅類型多樣、變形機(jī)制復(fù)雜, 而且影響流 體流 動 , 并 造成儲 層的非 均質(zhì)性 , 是 近期巖 石物理研究的熱點(diǎn), 在油氣地質(zhì)研究中也引起關(guān)注(Sternlof et al., 2004; Rath et al., 2011)。變形帶與油氣關(guān)系密切, 一般認(rèn)為砂巖儲層中變形帶孔隙度和滲透率比圍巖低 2～3 個數(shù)量級(Fossen et al., 2007; Aydin and Ahmadov, 2009; Cilona et al., 2012), 變形帶多是阻礙流體流動, 并在油氣聚集過程中起封蓋作用(Parry et al., 2004; Sample et al., 2006; Fossen et al., 2007; Exner et al., 2013)。近期研究表明, 變形帶也并非都是低滲透帶, 尤其是碳酸鹽巖(Cilona et al., 2012; 鄔光輝等, 2012)。這類特殊現(xiàn)象尚未引起重視,缺少系統(tǒng)的構(gòu)造成巖作用研究(Eichhubl et al., 2010),尤其是后期改造作用有待深入。

本文在野外露頭、井下巖心與薄片觀察研究的基礎(chǔ)上, 對塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖變形帶進(jìn)行了詳細(xì)分類, 并論述不同類型變形帶的基本特征,對比分析不同類型變形帶的滲流作用, 并開展高滲透變形帶成因探討。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地寒武系-奧陶系海相碳酸鹽巖分布面積達(dá) 240000 km2, 厚度逾 2000 m, 具有多套儲蓋組合與含油氣層段, 油氣資源豐富(賈承造, 2009;杜金虎, 2010)。目前發(fā)現(xiàn)的碳酸鹽巖油氣主要分布在塔北隆起與塔中隆起斜坡地區(qū), 形成三級油氣地質(zhì)儲量近 50 億噸油當(dāng)量的碳酸鹽巖大油氣區(qū), 其中輪南-塔河油田、塔中北斜坡凝析氣田分別是我國最大的海相碳酸鹽巖油田與凝析氣田。

塔里木盆地碳酸鹽巖縱向上主要分布在奧陶系,以風(fēng)化殼型、礁灘型非構(gòu)造油氣藏為主, 形成大面積復(fù)合連片、沿古隆起斜坡廣泛分布的碳酸鹽巖油氣區(qū)(康玉柱, 2007; 鄔光輝等, 2009; 杜金虎, 2010;趙文智等, 2012)。碳酸鹽巖儲集空間主要為次生溶蝕孔洞與裂縫, 沿不同級別層序界面復(fù)雜分布(李建交等, 2009; 杜金虎, 2010; Zhou et al., 2010)。碳酸鹽巖具有多期油氣充注與調(diào)整, 呈現(xiàn)油氣相態(tài)與物性的多樣性與“下氣上油”的分布特性(杜金虎, 2010; Li et al., 2010)。不同于碳酸鹽巖孔隙型儲層, 塔里木盆地碳酸鹽巖油氣水產(chǎn)出變化大, 同一部位、同一口井都可能出現(xiàn)不同的生產(chǎn)特征, 油氣產(chǎn)量有比較穩(wěn)定的、緩慢下降的, 也有周期性變化的、產(chǎn)量忽高忽低的。在生產(chǎn)過程中油氣的初始產(chǎn)量高, 但多數(shù)井產(chǎn)量遞減快、穩(wěn)產(chǎn)難。輪古地區(qū)的遞減率達(dá) 20%以上, 塔河油田也是如此(杜金虎, 2010), 產(chǎn)量遞減率高是塔里木盆地碳酸鹽巖油氣藏的典型特征, 僅約 20%的高效井支撐 70%以上油氣產(chǎn)量。

2 變形帶特征

變形帶 形成于多 種 構(gòu)造背景 , 類 型 多樣(Fossen et al., 2007)。不同的劃分原則可能出現(xiàn)不同的變形帶分類方案, 一般根據(jù)變形機(jī)制分為壓實(shí)變形帶(compaction band)、剪切變形帶(shear band)和膨脹變形帶(dilation band)三大類(Schultz and Siddharthan, 2005; Cilona et al., 2012)。由 于塔里木盆地碳酸鹽巖變形帶復(fù)雜多樣, 本文在三大類變形帶成因機(jī)制的基礎(chǔ)上, 結(jié)合變形帶演變特征進(jìn)一步劃分次級類型。

2.1 壓實(shí)變形帶

壓實(shí)變形帶是碳酸鹽巖中常見的一種類型(Fossen and Bale, 2007), 受控壓實(shí) 作用, 多順層發(fā)生顆粒的流動、變形, 以及顆粒邊界溶解, 壓實(shí)過程中孔隙度降低很快(Charalampidou et al., 2011; Chemenda et al., 2012), 純壓實(shí)帶較少見, 很少有擴(kuò)張帶存在(Fossen et al., 2007; Aydin and Ahmadov, 2009)。塔里木盆地下古生界顆粒碳酸鹽巖埋藏過 程 中, 受 壓實(shí)作 用與 巖 石組 構(gòu)的差 異, 也 發(fā)育壓實(shí)變形帶。根據(jù)壓實(shí)變形帶的特征可分為解聚壓實(shí)變形帶(disaggregation compaction band)、碎裂壓實(shí)變形帶(cataclastic compaction band)和壓溶壓實(shí)變形帶(pressolution compaction band)三種類型(圖 1)。

在成巖早期的壓實(shí)過程中, 由于碳酸鹽巖顆粒間存在一定的孔隙空間(圖 1a), 可以通過顆粒的旋轉(zhuǎn)與顆粒之間的錯動發(fā)生重組, 形成顆粒長軸的順層 排 列 , 可 以 稱 之 為 解 聚 變 形 帶 (Fossen et al., 2007)。不同于砂巖中的解聚變形帶, 塔里木盆地碳酸鹽巖解聚壓實(shí)變形帶中顆粒雖然壓實(shí)緊密, 但沒有出現(xiàn)顆粒的碎裂, 顆粒從懸浮狀態(tài)逐漸演變到線接觸, 壓實(shí)程度逐漸增大, 并有少量泥質(zhì)析出。比較多見的是局部顆粒發(fā)生少量溶解作用, 并出現(xiàn)碳酸鹽巖膠結(jié), 孔隙快速降低, 形成致密的薄層膠結(jié)帶, 寬度一般在數(shù)毫米之內(nèi)。受控多旋回沉積差異,造成碳酸鹽巖顆粒的成分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的頻繁變化,在多階段差異壓實(shí)作用下, 解聚壓實(shí)變形帶是塔里木盆地碳酸鹽巖中比較常見的一種類型。

圖 1 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖壓實(shí)變形帶Fig.1 The compactional bands of the lower Paleozoic carbonate in the Tarim basin

在較大埋深與較強(qiáng)的壓實(shí)作用下, 緊密的壓實(shí)顆粒之間可能產(chǎn)生顆粒的破碎作用, 形成碎裂壓實(shí)變形帶(圖 1b)。碎裂巖大小不一, 顆粒分選與磨圓程度都很差, 僅局部受后期溶蝕作用出現(xiàn)磨圓度增高。塔里木盆地碳酸鹽巖中碎裂壓實(shí)變形帶寬度較大, 可能寬達(dá)數(shù)厘米, 遠(yuǎn)比一般砂巖中的變形帶寬。由于變形帶碎裂細(xì)粒物多, 也發(fā)生顆粒重組與孔隙充填, 其間孔隙空間快速降低。碎裂變形帶也是后期膠結(jié)作用比較嚴(yán)重的區(qū)域, 在塔中地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖中常見 2～3 期方解石膠結(jié), 呈斑點(diǎn)或斑塊狀零星分布。在缺少后期的裂縫與溶蝕作用下, 塔里木盆地碳酸鹽巖碎裂壓實(shí)變形帶孔隙空間幾乎全充填。

碳酸鹽巖中壓實(shí)變形帶多沿層發(fā)育(圖 1c), 在層間出現(xiàn)局部顆粒的緊密壓縮與變形, 并出現(xiàn)顆粒的部分壓溶, 其間可能出現(xiàn)顆粒的旋轉(zhuǎn)與少量的破碎, 部分溶蝕的顆粒與細(xì)粒的泥質(zhì)積聚形成薄層變形帶, 從而形成壓溶壓實(shí)變形帶。在多薄層變形顆粒與泥質(zhì)相對較多的部位有較大的變形寬度, 其間可能有橫向的流動。變形帶在進(jìn)一步的壓實(shí)過程中可能出現(xiàn)水平縫合線, 顆粒間發(fā)生明顯的壓溶作用,并出現(xiàn)低幅度的鋸齒縫合線, 通?？p合線較寬、泥質(zhì)含量較少。這類壓實(shí)變形帶多出現(xiàn)在成巖早期, 為致密不規(guī)則條帶, 孔滲快速降低, 阻礙流體流動。

2.2 剪切變形帶

在剪切作用下, 通過顆粒橫向滾動變形形成的剪切變形帶是最多見的一種類型(Fossen et al., 2007; Tondi et al., 2012)。塔里木盆地下古生界海相碳酸鹽巖經(jīng)歷多期、多種類型的構(gòu)造作用, 發(fā)育解聚剪切變形帶(disaggregation shear band)、碎裂剪切變形帶(cataclastic shear band)與膠結(jié)剪切變形帶(cementation shear band)等多種類型(圖 2)。

碳酸鹽巖顆粒沿剪切作用方向發(fā)生顆粒的旋轉(zhuǎn)或滾動, 造成局部狹窄條帶內(nèi)的剪切變形, 在高孔隙層段可能發(fā)生解聚型剪切變形帶(圖 2a)。剪切變形帶的顆?；瑒涌赡苄纬烧w的位錯, 形成一定位移的顆粒流(Fossen et al., 2007; Cilona et al., 2012),但不是裂縫的單一破裂面。加里東中晚期, 塔里木盆地寒武系-奧陶系碳酸鹽巖處于成巖早期, 受區(qū)域構(gòu)造擠壓作用, 有利于形成解聚型剪切變形帶。由于構(gòu)造作用的持續(xù)加強(qiáng), 解聚型剪切變形帶容易發(fā)生破裂, 形成碎裂剪切變形帶或是沿層破裂形成裂縫。塔中奧陶系碳酸鹽巖后期裂縫帶中見到早期顆粒變形的形跡, 可能是從解聚型剪切變形帶演變而來。

圖 2 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖剪切變形帶Fig.2 The shear bands of the lower Paleozoic carbonate in the Tarim basin

隨著剪切作用的加強(qiáng), 碳酸鹽巖顆粒發(fā)生破碎,產(chǎn)生碎裂巖, 容易形成碎裂剪切變形帶(圖 2b)。通常中間核部較細(xì), 近原巖部位顆粒較粗, 基質(zhì)減少。塔里木盆地碳酸鹽巖變形帶中, 碎裂剪切變形帶可能形成相對較寬的條帶, 不同于碎屑巖(Fossen et al., 2007)。剪切帶中一般比較致密, 多有一定的壓實(shí)作用。碎裂剪切變形帶也是微小裂縫發(fā)育的有利部位(圖 2b), 沿斷裂帶甚至發(fā)育成為大型的破碎帶。雖然這類變形帶通常致密, 并經(jīng)受強(qiáng)烈的成巖膠結(jié)作用,由于有裂縫的發(fā)育, 并經(jīng)受一定的溶蝕作用, 在局部區(qū)段也可能形成有效的滲流通道。受控多期、多性質(zhì)的構(gòu)造運(yùn)動, 碎裂剪切變形帶在塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖中普遍發(fā)育。

砂巖變形帶中溶蝕作用較弱、膠結(jié)作用較少,相對研究比較少(Exner et al., 2013)。而塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖在漫長的成巖過程中, 經(jīng)歷多期溶蝕與膠結(jié)作用(杜金虎, 2010; 趙文智等, 2012),對變形帶具有明顯的改造作用。巖心與薄片觀察發(fā)現(xiàn), 塔里木盆地碳酸鹽巖變形帶溶蝕與膠結(jié)作用普遍, 可以出現(xiàn)在各種類型變形帶發(fā)育的任何階段,剪切變形帶中尤其發(fā)育。其中溶蝕與膠結(jié)往往相伴生, 溶蝕作用可以造成碳酸鹽巖剪切變形帶的擴(kuò)張,而膠結(jié)作用可以保持變形帶的空間, 從而形成膠結(jié)剪切變形帶(圖 2c)。剪切變形帶擴(kuò)張過程中, 往往沿一側(cè)發(fā)生溶蝕與膠結(jié)沉淀, 縫壁可以見到早期剪切作用的碎裂巖或泥質(zhì)(圖 2c), 其中方解石多不均一,可能是沉淀期有構(gòu)造作用影響。由于有膠結(jié)物的充填支撐, 多形成較寬的變形帶, 寬度可能達(dá)數(shù)厘米。這類變形帶多不規(guī)則, 橫向變化大。成巖早期變形帶的膠結(jié)作用發(fā)育, 充填嚴(yán)重, 缺少孔隙。晚期變形帶溶蝕孔洞中膠結(jié)沉淀多形成半充填, 而且局部不均一處也容易發(fā)生后期再溶蝕, 形成局部孔隙發(fā)育。

2.3 膨脹變形帶

膨脹變形帶多發(fā)生在拉張構(gòu)造背景(Fossen et al., 2007; Exner et al., 2013), 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖也有少量發(fā)育(圖 3)。

雖然塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖沉積后, 長期處于克拉通內(nèi)擠壓背景, 但當(dāng)碳酸鹽巖抬升暴露時, 由于壓力卸載與褶皺, 也會形成局部伸展應(yīng)力場。碳酸鹽巖顆粒受拉張作用, 可能形成局部的拉張 碎 裂 , 形 成 較 寬 的 碎 裂 膨 脹 變 形 帶 (cataclastic dilation band)(圖 3a)。變形帶出現(xiàn)碎裂巖化, 泥-粉晶基質(zhì)增多, 顆粒大小不均、分選差。其中微小裂縫發(fā)育, 見繼承發(fā)育的后期裂縫。碎裂膨脹變形帶充填嚴(yán)重, 并經(jīng)歷后期的壓實(shí), 整體致密, 滲透性降低明顯, 多形成流體障礙。

在地下成巖環(huán)境, 當(dāng)巖石拉張變形時, 往往伴隨溶蝕與膠結(jié)作用, 形成膠結(jié)膨脹變形帶(圖 3b)。當(dāng)碳酸鹽巖顆粒膨脹碎裂的同時, 隨著孔隙空間的增長與構(gòu) 造抬升 , 形 成流體 進(jìn)入的 低勢 區(qū) , 可 能發(fā)生一定的溶蝕作用, 隨后出現(xiàn)強(qiáng)烈的膠結(jié)沉淀, 最終大部分縫隙為碳酸鹽巖膠結(jié)。這類變形帶多不規(guī)則,可能形成較寬的溶蝕與膠結(jié)帶。由于細(xì)粒碳酸鹽巖較易溶解, 生成較粗的方解石或白云石, 其間發(fā)育少量晶間孔隙, 具有一定的滲透性。

綜上所述, 塔里木盆地碳酸鹽巖發(fā)育壓實(shí)類、剪切類與膨脹類三大類變形帶, 根據(jù)變形特征可以進(jìn)一步細(xì)分為 8 種類型, 其中以解聚壓實(shí)變形帶和碎裂剪切變形帶最為發(fā)育。各類變形帶都有從解聚型 → 碎 裂 型 → (溶 蝕 )膠 結(jié) 型 演 變 的 趨 勢 (圖 4),在 進(jìn) 一 步 的 構(gòu) 造 作 用 下, 最 后 可 能 發(fā) 展 成 為 裂 縫,以至大型的斷裂帶。由于塔里木盆地經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動與復(fù)雜的成巖演化, 早期的變形帶容易繼承性發(fā)育, 演化成為變形更強(qiáng)烈的類型, 或是轉(zhuǎn)化成裂縫, 形成多期多類型的疊加。

圖 3 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖膨脹變形帶Fig.3 The dilational bands of the lower Paleozoic carbonate in the Tarim basin

圖 4 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖變形帶演化模式Fig.4 The evolution model of deformation bands for the lower Paleozoic carbonate in the Tarim basin

3 變形帶滲流作用

3.1 變形帶滲流的差異性

不同于裂縫, 由于變形帶造成顆粒的變形與碎裂, 形成致密帶, 變形帶孔隙度和滲透率一般認(rèn)為比圍巖低, 滲透率可降低 0～6 個數(shù)量級, 一般為 2～3個數(shù)量級(Fossen et al., 2007; Aydin and Ahmadov, 2009; Cilona et al., 2012)(圖 5)。由于變形帶成分、結(jié)構(gòu)、孔隙度及應(yīng)力場等因素影響(Fossen et al., 2007; Cilona et al., 2012), 變形帶可能表現(xiàn)出滲流作用的巨大差異。受變形帶的空間分布、橫向變化等因素影響, 一般認(rèn)為在油氣藏尺度上變形帶阻礙流體流動作用很小(Fossen et al., 2007; Exner et al., 2013), 很難證實(shí) 變 形帶對油層中流體的 流 動有顯著影響。

圖 5 圍巖滲透率與變形帶滲透率 的交會關(guān)系(Fossen and Bale, 2007)Fig.5 Permeability of the host rock plotted against that of deformation bands

通過塔里木盆地碳酸鹽巖宏觀與微觀變形帶的分析, 大多數(shù)變形帶以低滲透特征出現(xiàn), 表現(xiàn)出阻礙流體運(yùn)動的特征(圖 1a, 1c, 2a, 2c, 3a)。受顆粒旋轉(zhuǎn)或滑動、剪切、溶蝕與膠結(jié)作用等不同因素的影響, 不同類型變形帶的物性差異明顯(表 1)。由于下古生界碳酸鹽巖長期深埋, 上覆地層壓實(shí)作用強(qiáng)烈,而且后期的溶蝕與裂縫改造作用較弱, 壓實(shí)變形帶多以孔滲的降低為主, 僅少量碎裂壓實(shí)變形帶中的微裂縫可能形成局部滲流通道。雖然壓實(shí)變形帶多為致密層, 但后期的溶蝕容易沿變形帶兩側(cè)的孔隙發(fā)生, 變形帶可能形成局部流體運(yùn)移的底板, 造成流體的順層流動, 形成溶蝕的孔洞層(圖 1a)。在剪切作用下, 解聚剪切變形帶通過顆粒的旋轉(zhuǎn)滑動而形成, 多造成顆粒排列緊密, 形成低孔滲帶。碎裂剪切變形帶中顆粒破碎形成的微裂縫, 以及粒間的裂縫可能形成較好的滲流通道(圖 2b), 并且容易成為后期溶蝕的有利部位, 也可能形成裂縫的繼承性發(fā)育。因此, 這種類型的變形帶滲透性相對較好, 可能成為有效的滲流通道。碎屑巖中膨脹變形帶多以增孔作用為主(Exner et al., 2013), 其中的裂縫網(wǎng)絡(luò)容易形成流體運(yùn)移的優(yōu)勢通道。但在塔里木克拉通碳酸鹽巖中, 由于拉張作用較弱, 碳酸鹽巖變形帶位于風(fēng)化殼表層巖溶帶容易為泥質(zhì)充填, 地下則有較強(qiáng)的后期膠結(jié)作用, 以低孔低滲為主。在微裂縫發(fā)育的局部地區(qū), 以及少量后期再溶蝕或裂縫擴(kuò)張區(qū)段, 可能保持有較高的孔滲, 其分布規(guī)律還有待研究。

統(tǒng)計(jì)分析表明(表 2), 碳酸鹽巖雖然非均質(zhì)性極強(qiáng), 在不同的尺度都有較大的差異, 但含裂縫的巖樣滲透率明顯比未含裂縫樣品的滲透率高 1～2 個數(shù)量級, 也遠(yuǎn)高于大多未鉆遇大型縫洞體的油氣層滲透率。試油取得的滲透率數(shù)值代表大范圍儲層的整體響應(yīng) , 普 遍比常 規(guī)物 性 分析 的 滲透 率還低 , 表 明儲 層 的 連 通 性 較 差 , 不 僅 井 下 裂 縫 沒 有 普 遍 溝 通 ,而且變形帶可能是造成油氣儲層滲透性低于常規(guī)巖樣物性的重要因素。雖然油藏范圍內(nèi)難以有效定量估算變形帶對儲層滲透性的影響, 但對比分析可以發(fā)現(xiàn)變形帶發(fā)育區(qū)段不僅碳酸鹽巖儲層的非均質(zhì)性進(jìn)一步加強(qiáng), 而且在不同程度上影響了油層的滲流性能, 從而造成油氣產(chǎn)出的不穩(wěn)定, 油氣采收率也明顯降低。

綜合分析可見, 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖變形帶對儲層物性的作用不同于碎屑巖(Sternlof et al., 2004; Fossen and Bale, 2007; Tondi et al., 2012), 膨脹變形帶并非都是增孔作用, 而剪切變形帶可能殘余局部孔隙, 并在部分裂縫發(fā)育區(qū)形成良好的滲流通道。由于塔里木盆地碳酸鹽巖整體基質(zhì)物性低, 油氣層中變形帶對流體大多具有一定的阻礙作用, 碳酸鹽巖變形帶可能是造成油氣層滲透性整體較低的重要原因。

表 1 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖變形帶特征及其滲流作用Table 1 The characteristics and percolation of the carbonate deformation bands in lower Paleozoic in the Tarim basin

表 2 塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖不同方法滲透率對比Table 2 Comparison of the permeabilites of Ordovician carbonate in the Tarim basin by different methods

3.2 高滲透變形帶控制因素

雖然目前碳酸鹽巖變形帶研究少, 但已揭示出由于壓溶與膠結(jié)作用等造成與砂巖變形帶特征的差異(Rath et al., 2011; Cilona et al., 2012)。不同于低滲透的碎屑巖變形帶(Fossen and Bale, 2007), 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖存在縫隙發(fā)育的變形帶, 主要分布在剪切變形帶中(圖 1b, 2b, 3b), 并可能形成局部區(qū)段的高滲透帶, 分析認(rèn)為其中后期的改造作用是主導(dǎo)因素。

塔里木盆地海相碳酸鹽巖經(jīng)歷多期的構(gòu)造運(yùn)動和成巖演化, 早期的原生孔隙幾乎消失殆盡, 儲層受控于后期溶蝕作用與破裂作用(杜金虎, 2010)。通過變形帶的分析, 可能存在溶蝕作用、破裂作用、白云石化作用等三種增孔作用(圖 6)。

圖 6 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖變形帶后期改造作用Fig.6 Reforms of deformation bands of the lower Paleozoic carbonate in the Tarim basin

在漫長的埋藏成巖與抬升暴露過程中, 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖變形帶多經(jīng)歷后期不同程度的溶蝕作用。大多碳酸鹽巖剪切變形帶顆粒大小不一, 非均質(zhì)性強(qiáng), 局部微孔隙有利于后期的溶蝕。在變形帶中的泥粉晶灰泥質(zhì)填隙物首先受到溶蝕, 在較大的顆粒間形成溶蝕孔隙。由于變形帶顆粒細(xì)微,不同于圍巖, 多形成微小的溶孔(圖 6a)。在圍巖膠結(jié)致密區(qū)段, 沿變形帶進(jìn)一步的溶蝕過程中, 也可能形成穿透變形帶的孔洞。水平狀的壓實(shí)變形帶進(jìn)一步發(fā)展成為壓溶作用的縫合線, 其間也多有局部的溶蝕作用, 表明壓實(shí)變形帶也有不均一之處, 能成為后期溶蝕的有利部位。由于塔里木盆地下古生界碳 酸 鹽 巖 斷 裂 帶 是 流 體 活 動 的 有 利 部 位 (李 朋 等, 2011; 杜金虎, 2010), 而剪切變形帶發(fā)育主要位于斷裂破碎帶, 容易成為埋藏期與表生暴露期的溶蝕區(qū), 發(fā)生不同程度的溶蝕作用, 因此剪切變形帶或多或少有一定的溶蝕孔隙, 可能形成一定區(qū)域范圍的次生孔隙發(fā)育區(qū)。

塔里木盆地在奧陶紀(jì)中晚期經(jīng)歷多期的構(gòu)造活動, 下古生界碳酸鹽巖成巖早中期發(fā)育不同類型的破裂作用(杜金虎, 2010)。一是在壓實(shí)變形帶中, 隨著后期壓溶作用的持續(xù)作用, 沿層分布的變形帶受顆粒間不均一的壓溶作用, 在先期階段的變形中壓溶有助于形成窄的碎裂區(qū)(Cilona et al., 2012), 可能形成鋸齒狀縫合線(圖 1c)。觀察發(fā)現(xiàn)很多早期發(fā)育的水平縫合線是在壓實(shí)變形帶的基礎(chǔ)之上演變而來,局部保留了顆粒的旋轉(zhuǎn)與緊密破裂特征。二是在先期階段的變形中壓溶有助于形成窄的碎裂區(qū), 有利于后期構(gòu)造縫合線的發(fā)育。塔里木盆地碳酸鹽巖構(gòu)造縫合線多見早期的壓實(shí)變形, 可能沿早期的薄弱面發(fā)育, 但多有改造與變化, 僅部分區(qū)段沿變形帶發(fā)育。三是變形帶在剪切作用下, 顆粒產(chǎn)生破裂, 形成顆粒內(nèi)微裂縫, 在變形帶內(nèi)部也容易發(fā)生顆粒間的裂縫(Fossen et al., 2007; Exner et al., 2013)。這些裂縫的發(fā)育有利于提高變形帶的局部滲透性, 在后期構(gòu)造作用下, 微裂縫的進(jìn)一步發(fā)育也可能形成有效的滲流通道。四是變形帶在繼承性應(yīng)力作用下,尤其是膨脹變形帶與剪切變形帶, 多演變?yōu)榫哂衅屏鸦瑒?面的 裂 縫, 或是 束 狀變 形帶(Fossen et al., 2007)。后期構(gòu)造裂縫沿剪切變形帶的發(fā)育比較常見(圖 2b, 6b), 裂縫多不規(guī)則, 并有殘余溶蝕孔隙, 局部見瀝青或含油顯示, 具有一定的有效孔隙度, 是流體輸導(dǎo)的優(yōu)勢通道。

白云石化對塔里木盆地寒武系-奧陶系碳酸鹽巖儲層具有重要的建設(shè)性作用(沈安江等, 2006; 杜金虎, 2010; 趙文智等, 2012), 白云石化對變形帶的孔隙增長也有重要貢獻(xiàn)。沿變形帶發(fā)生白云石化時,泥粉晶鈣質(zhì)形成較粗大的白云石, 出現(xiàn)晶間孔隙,從而增加變形帶內(nèi)的有效儲集空間, 研究發(fā)現(xiàn)熱液白云石化在局部區(qū)段也可能產(chǎn)生增孔作用(杜金虎,2010)。變形帶可能是熱液流體的通道或屏障, 制約熱液沿變形帶流動, 出現(xiàn)局部的熱液白云石化或熱液溶蝕作用。同時伴隨的流體活動也發(fā)生一定程度的溶蝕作用, 可能改善儲層。如塔中地區(qū)斷裂附近中古 5 井奧陶系灰?guī)r中出現(xiàn)熱液白云石化, 儲層段孔隙度增長超過 5%。即使在局部發(fā)生白云石的重結(jié)晶時, 流體也可能溶蝕其中的細(xì)粒鈣質(zhì)成分, 形成溶蝕孔隙(圖 6c)。

由于塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖經(jīng)歷了漫長的埋藏成巖作用, 儲層基質(zhì)孔滲都很低, 孔隙度一般＜3%, 滲透率一般＜0.5 md(Li et al., 2010)。而局部變形帶經(jīng)過多期、多種建設(shè)性作用的改造, 孔隙度可能增加 1%～5%, 滲透率則可能增加 1～3 個數(shù)量級,可能形成局部比圍巖更好的儲層區(qū)段。

總之, 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖變形帶的物性及其對流體的影響作用不同于典型的碎屑巖變形帶, 盡管變形帶形成期造成物性的快速降低,但由于成巖作用強(qiáng)烈, 碳酸鹽巖基質(zhì)儲層以低孔低滲為主, 與變形帶的孔滲差別較小, 變形帶對流體流動的影響不如高孔隙砂巖儲層中明顯。由于局部變形帶是后期溶蝕、破裂與白云石化作用的有利部位 , 從 而形 成較圍 巖更 高 的局 部高滲 透帶 , 是 流體運(yùn)移的有利通道, 而且可能形成局部區(qū)域溶蝕儲集體。

4 結(jié) 論

(1) 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖發(fā)育多種特征與成因的變形帶, 根據(jù)其成因與演化可以分為 3大類共 8 種類型, 其中解聚壓實(shí)變形帶與碎裂剪切變形帶最發(fā)育, 各類變形帶呈現(xiàn)從解聚型→剪切型→溶蝕膠結(jié)型的演變趨勢。

(2) 不同于其他地區(qū)中新生代碎屑巖與碳酸鹽巖變形帶, 塔里木盆地碳酸鹽巖變形帶的物性與圍巖差別較小, 局部孔隙發(fā)育。

(3) 受控于后期溶蝕、破裂與白云石化等三種后期改造作用, 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖發(fā)育高滲透 變形帶 , 尤 其是碎 裂剪切 變形帶 , 并 可能形 成有效滲流通道。

(4) 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖不同類型與不同特征的變形帶對儲層的滲流作用差異大, 勘探開發(fā)中需要具體分析。

致謝: 感謝屈泰來、李浩武等同事的幫助, 感謝審稿專家與編輯的寶貴建議！

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(1) 目的：簡單介紹該研究或者調(diào)查等的前提、目的和任務(wù)、所涉及的主題范圍，即闡明該項(xiàng)研究的目的或撰寫該文的原因。 (2) 方法：簡單介紹該研究或調(diào)查的原理、條件、對象、手段或方法、程序等，即闡明所采用的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、試驗(yàn)方法或手段。 (3) 結(jié)果：簡單闡明該研究或調(diào)查等所得出的結(jié)果、數(shù)據(jù)、被確定的關(guān)系、觀察到的結(jié)果或者所得出的效果、性能等。 (4) 結(jié)論：簡單介紹通過對上述結(jié)果的分析、研究、比較、評價、應(yīng)用所得出的主要結(jié)論，可分列為一、二、三等項(xiàng)。

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本刊不強(qiáng)求中、英文摘要一一對應(yīng)，希望英文摘要在中文摘要的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加大篇幅，增加信息量。英文摘要的寫作質(zhì)量及其包含的信息量將作為本刊取舍稿件的重要依據(jù)之一。

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Characteristics of Carbonate Deformation Band and its Significance for Hydrocarbon Exploration—An Example from the Lower Paleozoic in the Tarim Basin

WU Guanghui1, CHEN Zhiyong2and GUO Qunying3
(1. School of Marine Sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, Guangdong, China; 2. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China; 3. Tarim Oilfield Company, PetroChina, Kuerle 841000, Xinjiang, China)

The insight of the differentiation between sandstone and carbonate deformation bands is significant to seepage effect and production dynamic monitoring in hydrocarbon reservoirs. Based on the macroscopic and microscopic analysis of the lower Paleozoic carbonate rocks from the outcrops and wells in the Tarim basin, we found that deformation bands can be divided into 3 types by mechanism and 8 subtypes by kinematics. The compaction band can be subdivided into disaggregation, cataclastic and pressolution compaction band. There are various shear bands including disaggregation shear band, cataclastic shear band and cementation shear band. Cataclastic and cementation bands of subtypes can be found in dilation bands. Except for different features in subtype deformation bands and well-developed disaggregated compactional bands and cataclastic shear bands, the evolution characteristics of them indicated that they all evolved from a disaggregation subtype to a cataclastic subtype, then to a dissolution and cementation subtype. In contrast with their strongly lowering permeability of sandstones, the deformation bands did not cause significant petrophysical property changes of the lower Paleozoic carbonate in the Tarim basin. Although the permeability reduced in the early deformation stage, there is not much difference of permeability between deformation bands and host rocks by long-term diagenesis and polytype permeabilityincrease effects. There are local high porous zones developed in shear deformation bands as well as some other kind deformation bands, which influence the reservoir heterogeneity to some extent. In spite of the permeability reduction in most deformation bands with different effect on fluid flow, it is demonstrated that there are some high permeability deformation bands in the lower Paleozoic carbonate in the Tarim basin. The structural diagenesis of dissolution, fracturing and dolomization resulted in the effective reservoirs and efficient seepage channels of some local deformation bands, the cataclastic shear bands in particular, which is obvious different from that in the Meso-Cenozoic reservoirs.

carbonate; deformation band; classification; high permeability; reservoir

TE12; P542

A

1001-1552(2014)03-0580-010

?文獻(xiàn)采用作者-出版年制，文內(nèi)

單作者為（作者，出版年），雙作者為（作者1 和作者 2，出版年），三個及以上作者為（作者 1 等，出版年）。

2013-07-10; 改回日期: 2013-08-11

項(xiàng)目資助: 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目(編號: 2011CB201106)和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號: 40534019)資助。

鄔光輝(1971–), 男, 副教授, 從事石油地質(zhì)研究。Email: wghhjc@sina.com