微生物巖儲(chǔ)層特征及主控因素
——以塔里木盆地下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組為例

高潔，魏丹，張昆

（中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

塔里木盆地寒武系—奧陶系連續(xù)發(fā)育多組有勘探潛力的巨厚層碳酸鹽巖[1-3]。勘探初期，在奧陶系發(fā)現(xiàn)了塔中1、輪南1等一系列碳酸鹽巖油氣藏，但寒武系的勘探卻一直沒有突破。直至2012年，中下寒武統(tǒng)白云巖儲(chǔ)層發(fā)現(xiàn)了2套工業(yè)產(chǎn)層（阿瓦塔格組和肖爾布拉克組，鉆遇中深1井），從此開啟了寒武系白云巖儲(chǔ)層勘探的新階段[3-5]。

目前，已有很多學(xué)者針對塔里木盆地中下寒武統(tǒng)白云巖儲(chǔ)層開展了研究，在層序沉積、巖石類型[6-11]及白云巖成因[12]的研究上取得了大量成果。研究發(fā)現(xiàn)，中下寒武統(tǒng)底部玉爾吐斯組發(fā)育的烴源巖，可以為上部地層提供油氣，中下寒武統(tǒng)中部發(fā)育的大量連續(xù)分布的膏鹽巖為鹽下和鹽間白云巖提供了優(yōu)質(zhì)蓋層[13-14]。肖爾布拉克組發(fā)育廣泛的微生物巖，已成為近年來的勘探重點(diǎn)。

北美和我國的微生物巖儲(chǔ)層均已獲得了油氣發(fā)現(xiàn)，表明微生物巖是有效的油氣儲(chǔ)層[15-18]。 近年來，隨著塔里木盆地油氣勘探的深入，在阿克蘇地區(qū)的露頭區(qū)域發(fā)現(xiàn)了微生物巖。李鵬威等[19]提出塔里木盆地西北緣上震旦統(tǒng)主要發(fā)育泡沫綿層石白云巖、非疊層石球粒白云巖和層狀疊層石白云巖，以微生物層產(chǎn)出；下寒武統(tǒng)主要發(fā)育凝塊石白云巖、泡沫綿層石白云巖和疊層石白云巖，以礁體或微生物層產(chǎn)出。宋金民等[20]通過研究塔里木盆地西北緣下寒武統(tǒng)微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層，首次提出微生物結(jié)構(gòu)是微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)層形成的一個(gè)重要因素。但關(guān)于微生物巖儲(chǔ)層特征的研究尚不深入。

為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選取柯坪地區(qū)出露完整的蘇蓋特布拉克、肖爾布拉克西溝和什艾日克剖面，通過野外描述、巖石薄片觀察以及物性分析，對肖爾布拉克組微生物巖和儲(chǔ)集空間特征開展系統(tǒng)研究，并分析了微生物巖儲(chǔ)層的控制因素，以期為區(qū)帶和目標(biāo)儲(chǔ)層評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地是一個(gè)大型復(fù)合多旋回疊合含油氣盆地，面積達(dá)56×104km2?？缕旱貐^(qū)位于塔里木盆地西北緣的阿克蘇地區(qū)，屬于塔北隆起構(gòu)造帶，面積近2×104km2[19]（見圖1）。 該地區(qū)寒武系露頭發(fā)育廣泛。

圖1 研究區(qū)下寒武統(tǒng)地層特征、野外露頭剖面分布及地層柱狀圖（據(jù)沈安江等[6，15]修改 ）

塔里木盆地南華系—震旦系沉積了一套裂谷體系，以巨厚粗碎屑巖為主。寒武紀(jì)發(fā)育碳酸鹽巖臺(tái)地環(huán)境，周緣為被動(dòng)大陸邊緣斜坡帶。其中，下寒武統(tǒng)從下到上依次發(fā)育玉爾吐斯組、肖爾布拉克組和吾松格爾組（見圖1b）。玉爾吐斯組為海泛期深水緩坡沉積，在經(jīng)歷快速海侵后沉積的泥頁巖和硅質(zhì)泥巖，是一套優(yōu)質(zhì)的烴源巖[9]；隨后全盆地進(jìn)入海退期，發(fā)育肖爾布拉克組，以碳酸鹽巖緩坡體系沉積為主，沉積背景由“三隆兩洼”的古構(gòu)造格局控制，整體表現(xiàn)為“南高北低、西高東低”[21-25]。平面上，自古隆向盆地方向依次發(fā)育古隆—臺(tái)內(nèi)丘灘—臺(tái)緣相—斜坡相—盆地[1，8]，柯坪地區(qū)主要為臺(tái)內(nèi)丘灘—臺(tái)緣相。肖爾布拉克組以泥晶、顆粒和微生物巖沉積組合為特征，與頂?shù)椎貙泳收辖佑|；隨著古氣候逐漸干旱炎熱，中寒武世廣泛分布厚層蒸發(fā)巖，構(gòu)成了區(qū)域的優(yōu)質(zhì)直接蓋層[8]。

2 儲(chǔ)層類型和特征

野外露頭觀察表明，柯坪地區(qū)肖爾布拉克組微生物巖已基本或全部白云巖化，其微生物巖類型多樣，主要包括凝塊石白云巖、泡沫綿層石白云巖、疊層石白云巖和層紋石白云巖（見表1）。

表1 塔里木盆地肖爾布拉克組微生物巖類型和特征

凝塊石白云巖發(fā)育廣泛，在3條剖面上均發(fā)育（見圖2），主要位于肖爾布拉克組上段下部和下段上部。野外露頭（見圖3）發(fā)現(xiàn)，凝塊石白云巖呈中—厚層塊狀產(chǎn)出，具有明暗相間的凝塊狀組構(gòu)特征（見圖3a）。

圖2 塔里木盆地肖爾布拉克組碳酸鹽巖露頭剖面特征

圖3 塔里木盆地肖爾布拉克組微生物巖微觀結(jié)構(gòu)特征

顯微鏡下，暗色凝塊為藻紋層，由泥晶白云石組成，呈波狀起伏，局部彎曲成“包殼”，凝塊內(nèi)部的淺色區(qū)域?yàn)榉邸?xì)晶白云石膠結(jié)物（見圖3b）。

泡沫綿層石白云巖主要見于蘇蓋特布拉克和什艾日克剖面，發(fā)育在肖爾布拉克組上段的上部（見圖2）。宏觀上，泡沫綿層石白云巖呈淺灰色厚-塊狀，具有丘狀構(gòu)造特征，風(fēng)化面及內(nèi)部均可見較多的順層溶蝕孔洞（見圖3c）。微觀上，泡沫綿層石白云巖是由大小不等的似泡沫狀的腔體相連而成。腔體是由微生物組成的格架，腔壁由暗色泥晶白云石組成，腔體內(nèi)部充填亮晶白云石（見圖3d）。

疊層石白云巖在3條剖面均發(fā)育，主要發(fā)育于肖爾布拉克組上段的頂部，以波狀、穹狀為主。宏觀上，成層性較好，為灰色至深灰色薄—中厚層狀產(chǎn)出（見圖3e），側(cè)向連續(xù)性較好。微觀上，發(fā)育明暗交互紋層——暗紋層為強(qiáng)烈泥晶白云石，連續(xù)性較弱；亮紋層主要為粉—細(xì)晶白云石膠結(jié)物（見圖3f）。一般情況下，疊層石的出現(xiàn)預(yù)示水體變淺、水動(dòng)力能量開始增高。

層紋石白云巖在研究區(qū)發(fā)育廣泛，是主要的巖石類型，位于肖爾布拉克組下段。宏觀上，該巖性的紋層呈平行展布，紋層厚1～2 mm，側(cè)向連續(xù)性較好（見圖3g）。微觀上，暗紋層主要是微生物紋層，富含有機(jī)質(zhì)，縱向上厚度變化較大，約1.5 mm；亮紋層則由泥—粉晶白云石組成，厚約3 mm（見圖3h）。

3 儲(chǔ)集空間類型和物性特征

3.1 儲(chǔ)集空間類型

研究區(qū)肖爾布拉克組微生物巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間為孔隙和裂縫?？紫斗譃榻M構(gòu)選擇性和非組構(gòu)選擇性——組構(gòu)選擇性孔隙包括窗格孔和微生物格架孔，非組構(gòu)選擇性孔隙包括晶間（溶）孔和溶蝕孔洞；裂縫包括構(gòu)造縫和溶蝕縫。不同巖類儲(chǔ)集空間類型和發(fā)育程度不同（見圖3、圖4）。

圖4 塔里木盆地下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組微生物巖主要儲(chǔ)集空間特征

3.1.1 組構(gòu)選擇性孔隙

窗格孔常見于疊層石白云巖和層紋石白云巖，屬于原生孔隙，孔隙直徑為0.1～1.0 cm，但大多在成巖后期被充填（見圖4a，4b）。若其未被全部充填，后期發(fā)生溶蝕作用，可成為有利的儲(chǔ)集空間。

微生物格架孔主要與微生物活動(dòng)有關(guān)。野外剖面觀察發(fā)現(xiàn)，微生物格架孔在泡沫綿層石白云巖中發(fā)育最廣泛（見圖3c），在凝塊石白云巖和疊層石白云巖中則分布較少。顯微鏡下，微生物格架孔在不同巖石中的大小和形狀均不同，并受到不同程度的白云石充填。其中：泡沫綿層腔格架孔發(fā)育在泡沫綿層腔中，孔隙直徑為0.1～4.0 mm，大多已被白云石充填（見圖3d）；對于凝塊石白云巖，微生物格架孔是凝塊格架間被充填的不規(guī)則孔隙（見圖3b）；疊層石白云巖的格架孔主要存在于亮暗紋層間，孔隙多呈不規(guī)則狀，大小差異較大，孔徑在0.1～1.0 mm，順層分布（見圖3f）。

3.1.2 非組構(gòu)選擇性孔隙

晶間（溶）孔發(fā)育主要與白云石化作用有關(guān)，受白云石晶體的大小和分布控制，即由白云石膠結(jié)物充填原生孔隙后，受后期擴(kuò)溶影響，形成晶間（溶）孔，常呈斑塊狀分布，連通性差（見圖4c）。

溶蝕孔洞由非選擇性溶蝕形成，孔洞的大小不等，多見于凝塊石白云巖和泡沫綿層石白云巖。凝塊石白云巖中的溶蝕孔洞多發(fā)育在凝塊之間的填隙物中（見圖4c），孔隙直徑為0.1～1.0 mm，連通性較好。

3.1.3 構(gòu)造縫和溶蝕縫

與構(gòu)造作用相關(guān)的裂縫和溶蝕縫可見于微生物巖中，改善了儲(chǔ)層滲透率。肖爾布拉克組下段普遍發(fā)育與構(gòu)造、流體活動(dòng)有關(guān)的巖脈（見圖4d—4f），充填物為方解石、白云石、泥質(zhì)或殘余瀝青（見圖4d，4f）。

3.2 儲(chǔ)層物性特征

塔里木盆地下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組微生物巖儲(chǔ)層物性較好，孔隙度分布在1.00%～10.00%，最高可達(dá)15.38%，但滲透率普遍較低，多為0.100×10-3μm2左右，可低至 0.070×10-3μm2，最高可達(dá) 37.351×10-3μm2。不同類型微生物白云巖，孔滲大小和孔喉特征均不同，表現(xiàn)為較強(qiáng)的非均質(zhì)性（見表2）。

表2 塔里木盆地肖爾布拉克組微生物巖類型及特征

——凝塊石白云巖的孔隙類型主要為溶蝕孔洞和晶間（溶）孔，其次為微生物格架孔?？紫吨饕l(fā)育在凝塊格架之間（見圖3b，4a，4c）?？紫抖葹?1.90%～8.04%，平均為 4.63%；滲透率為 0.007×10-3～6.426×10-3μm2，平均為 1.296 ×10-3μm2（見表 2）；排驅(qū)壓力為 0.031～0.578 MPa，平均為 0.339 MPa；孔喉半徑為 0.144 0～6.865 0 μm，平均為 2.442 0 μm[17-19，23]。

——泡沫綿層石白云巖的孔隙類型主要為微生物格架孔，其次為溶蝕孔洞和晶間（溶）孔?？紫吨饕l(fā)育在泡沫棉層腔體內(nèi)部，形狀近似橢圓形（見圖3d）?？紫抖葹?.17%～10.00%，平均為5.17%；滲透率為0.006×10-3～0.057 ×10-3μm2，平均為 0.023×10-3μm2（見表 2）；壓汞曲線呈現(xiàn)較細(xì)歪度，平均排驅(qū)壓力為1.081 MPa；孔喉半徑分布均勻，平均孔喉半徑為 0.049 0 μm[17-19，21]。

——疊層石白云巖孔隙類型為微生物格架孔和窗格孔，位于暗層之間，形狀以扁平狀為主，長軸平行于紋層方向，局部遭受了強(qiáng)烈膠結(jié)作用（見圖3f，4b）。平均孔隙度為1.49%～3.79%；平均滲透率為0.080×10-3～0.203 ×10-3μm2（見表 2）；平均排驅(qū)壓力為 2.775 MPa；平均孔喉半徑為0.003 5 μm，孔喉分布具有粗、細(xì)2個(gè)峰值[17-19，21]。

——層紋石白云巖總體呈現(xiàn)低孔低滲的特征，平均孔隙度僅有1%左右。局部溶蝕孔洞順層發(fā)育，孔隙度可達(dá)8.90%（見表2）。

綜上所述，結(jié)合前人研究成果，肖爾布拉克組微生物巖非均質(zhì)性較強(qiáng)，其中，凝塊石白云巖和泡沫綿層石白云巖物性最好，疊層石白云巖和層紋石白云巖次之。

4 儲(chǔ)層物性的控制因素

通過對肖爾布拉克組微生物白云巖儲(chǔ)層類型和孔隙特征分析認(rèn)為，有效儲(chǔ)層的發(fā)育主要受沉積、成巖等多重因素控制。

4.1 沉積作用

柯坪地區(qū)肖爾布拉克組主要處于碳酸鹽巖緩坡背景，不同類型的微生物巖分布在不同的相帶（見圖5）。如：疊層石白云巖和泡沫綿層石白云巖主要發(fā)育在中緩坡丘灘潮間帶，潮間帶屬于中—高能沉積環(huán)境，水動(dòng)力中等或較強(qiáng)，在動(dòng)蕩水體中，疊層石和泡沫狀藍(lán)細(xì)菌易于大量生長，從而形成疊層石白云巖和泡沫綿層石白云巖；而凝塊石白云巖和層紋石白云巖主要發(fā)育在中緩坡洼地潮下帶，潮下帶屬于低能沉積環(huán)境，水體較深，水動(dòng)力較弱，易于凝塊石白云巖和層紋石白云巖形成。其中，凝塊石白云巖主要為“包殼”結(jié)構(gòu)，凝塊格架多為泥晶組分。

圖5 塔里木盆地肖爾布拉克組微生物巖儲(chǔ)層形成過程示意

在沉積相影響下，微生物結(jié)構(gòu)同時(shí)控制著微生物巖的孔隙類型、孔喉結(jié)構(gòu)及孔滲分布[26-27]。在沉積—早成巖階段，微生物沉積物發(fā)生白云石化作用，其中，有機(jī)質(zhì)和泥晶組成了微生物“包殼”，抗壓能力強(qiáng)，受成巖作用影響小，更易保留原始結(jié)構(gòu)，進(jìn)而保護(hù)了原生孔隙。比如：疊層石白云巖和層紋石白云巖發(fā)育窗格孔及順層溶孔，凝塊石白云巖的原生孔隙（微生物格架孔）多發(fā)育在泥晶凝塊“包殼”內(nèi)部，泡沫綿層石白云巖的原生孔主要位于泡沫腔內(nèi)。

因此，沉積環(huán)境控制了微生物結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層特征，其中，微生物結(jié)構(gòu)的差異則與古地貌、沉積環(huán)境、沉積相類型，以及水動(dòng)力強(qiáng)弱有關(guān)。

4.2 成巖作用

根據(jù)肖爾布拉克組微生物巖儲(chǔ)層礦物接觸和切割關(guān)系，研究區(qū)微生物巖的成巖作用序列由早到晚依次為：準(zhǔn)同生—淺埋藏白云石化、大氣淡水淋濾（溶蝕）作用、埋藏溶蝕作用、中—深埋藏白云石化、熱流體白云石化和方解石化（見圖5）。其中同生、早—中成巖和晚成巖階段溶蝕作用對微生物巖儲(chǔ)層具有顯著建設(shè)性改造，且不同類型微生物巖的成巖改造程度也不同。

4.2.1 早期大氣淡水淋濾作用

中緩坡潮間帶丘灘發(fā)育古隆起，當(dāng)海平面下降時(shí)，古隆起區(qū)暴露地表，易遭受大氣淡水淋濾作用。根據(jù)前人對肖爾布拉克組微生物巖的地化分析結(jié)果，微生物巖格架孔內(nèi)部充填的方解石膠結(jié)物具有形成溫度低、δ18Ow低（-5.13‰，SWOM 標(biāo)準(zhǔn)）的特征，證實(shí)為大氣淡水成因，也輔證了研究區(qū)大氣淡水淋濾作用的發(fā)生[27]。研究區(qū)的大氣淡水淋濾（溶蝕）作用主要發(fā)生在暴露地表的古隆起區(qū)域的泡沫綿層石白云巖和疊層石白云巖中（見圖5），在微生物“包殼”或者腔體內(nèi)部、微生物紋層之間形成溶蝕孔隙[21]。

4.2.2 埋藏溶蝕作用

巖心、薄片觀察表明，肖爾布拉克組微生物巖還發(fā)育溶蝕孔洞，如白云石晶間（溶）孔等，局部一些溶蝕孔洞伴生瀝青，說明該類溶蝕孔洞和有機(jī)質(zhì)生烴有關(guān)。結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造埋藏史，微生物巖儲(chǔ)層經(jīng)歷中—深埋藏階段，隨著埋藏深度和溫度升高，有機(jī)質(zhì)生烴釋放的有機(jī)酸、CO2等酸性流體進(jìn)入微生物巖儲(chǔ)層后發(fā)生溶蝕作用，初始孔隙和裂縫為酸性流體提供通道。酸性流體的溶蝕作用一方面使連通性較好的孔隙繼續(xù)溶蝕擴(kuò)大，形成孔洞；另一方面對滲透性較好的儲(chǔ)層進(jìn)行基質(zhì)溶蝕，雖然無明顯孔隙形成，但增加了滲透性。例如成巖初期發(fā)生大氣淡水淋濾的泡沫綿層石和疊層石白云巖，在后期埋藏過程中，有機(jī)酸易于進(jìn)入物性較好的巖層發(fā)生溶蝕（見圖5）。此外，微生物巖中有機(jī)質(zhì)含量相對較高，是一種有效的烴源巖。根據(jù)就近原則，埋藏溶蝕作用更容易發(fā)生在具有微生物結(jié)構(gòu)的白云巖中，比如層紋石白云巖，有機(jī)酸沿著微生物紋層發(fā)生溶蝕作用（見圖5）。

4.2.3 熱液溶蝕作用

野外觀察發(fā)現(xiàn)，肖爾布拉克組下段發(fā)育典型斑馬紋白云巖（見圖4e），其流體包裹體均一溫度為158.4～161.2℃，高于最大埋藏古地溫148.2℃，表明其熱液成因（見圖6）[26，28]。 熱液溶蝕作用對肖爾布拉克組微生物巖儲(chǔ)層的有利影響較小。比如：泡沫綿層石白云巖和疊層石白云巖，會(huì)被熱液成因的斑馬紋白云石充填孔隙，導(dǎo)致孔隙度下降；對于凝塊石白云巖，熱液順裂縫發(fā)生溶蝕改造作用，形成有效儲(chǔ)層，局部形成熱液成因的白云石，充填裂縫和孔隙；對于初始孔滲較差的巖性，比如層紋石白云巖，改造作用不明顯（見圖5）[26]。

圖6 塔里木盆地肖爾布拉克組白云巖包裹體均一溫度

5 結(jié)論

1）塔里木盆地肖爾布拉克組微生物巖主要包括凝塊石白云巖、泡沫綿層石白云巖、疊層石白云巖和層紋石白云巖。儲(chǔ)集空間主要為晶間（溶）孔、溶蝕孔洞、窗格孔和微生物格架孔，其次為構(gòu)造（溶蝕）縫。整體上，微生物巖非均質(zhì)性強(qiáng)，以凝塊石白云巖和泡沫綿層石白云巖物性最好，疊層石白云巖和層紋石白云巖次之。

2）微生物巖的巖石類型和物性特征主要受沉積和成巖共同作用。沉積環(huán)境等因素控制了微生物結(jié)構(gòu)種類，從而決定了原始孔隙特征，是控制微生物巖儲(chǔ)層物性的先天因素；成巖作用是對儲(chǔ)層的后期改造。

3）微生物巖物性受到溶蝕作用（包括早成巖階段的大氣淡水淋濾作用、有機(jī)質(zhì)生烴及晚期熱液溶蝕作用）的影響。大氣淡水淋濾作用導(dǎo)致泡沫綿層石白云巖發(fā)育順層溶孔和擴(kuò)大溶孔，儲(chǔ)層連通性好；有機(jī)質(zhì)生烴作用更易發(fā)生在與其相鄰的具有微生物結(jié)構(gòu)的微生物巖中；熱液改造作用對微生物巖儲(chǔ)層的有利影響較小，熱液成因的斑馬紋白云石會(huì)充填孔隙，導(dǎo)致孔隙度下降。