阿克蘇地區(qū)寒武系肖爾布拉克組不同白云巖的孔隙特征、成因及演化

王振宇 寧科科 屈海洲 胡安平 張?jiān)品? 陳薇 羅新生 張興宇

關(guān)鍵詞 孔隙特征；孔隙成因；白云巖；肖爾布拉克組；阿克蘇地區(qū)

0 引言

白云巖儲(chǔ)集層是海相含油氣盆地的主要儲(chǔ)層之一[1]。阿克蘇地區(qū)的下古生界主要由白云巖組成，厚達(dá)數(shù)千米[2?8]。有學(xué)者通過(guò)對(duì)阿克蘇地區(qū)蘇蓋特布拉克等露頭剖面的研究，指出肖爾布拉克組白云巖類型主要為細(xì)—泥粉晶云巖、殘余顆粒云巖以及部分殘余凝塊石云巖[9]；孔隙類型包括溶孔、溶洞、晶間孔、晶間溶孔、粒間溶孔等，孔隙成因主要有沉積作用、白云石化作用、構(gòu)造作用和巖溶作用等[10?12]； 2013年，中國(guó)石油塔里木油田分公司通過(guò)對(duì)中深1C井肖爾布拉克組的試油，使得寒武系鹽下白云巖較好的儲(chǔ)集潛力得到證實(shí)[13]。但由于井下巖心資料有限，針對(duì)該組不同白云巖中孔隙特征、成因的對(duì)比分析，仍不夠深入。本文以肖西溝與蘇蓋特布拉克兩個(gè)典型剖面為例，針對(duì)孔隙發(fā)育的白云巖段，按照不同的巖性分類開(kāi)展孔隙特征研究，明確該地區(qū)不同類型的白云巖孔隙發(fā)育特征、成因及演化過(guò)程，以期對(duì)油氣勘探開(kāi)發(fā)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地位于天山、昆侖山和阿爾金山之間，是一個(gè)由古生代克拉通盆地和中、新生代前陸盆地疊加而成的復(fù)合盆地，盆地中心為塔克拉瑪干沙漠[14?17]。阿克蘇地區(qū)位于塔里木盆地西北緣，居于塔北古陸和塔南隆起之間，包括柯坪凸起和溫宿凸起兩個(gè)單元，為古隆起背景下的古沖斷帶[18?19]。區(qū)內(nèi)寒武系出露齊全，自下而上地層分別為玉爾吐斯組（?1y）、肖爾布拉克組（?1x）、吾松格爾組（?1w）、沙依里克組（?2s）、阿瓦塔格組（?2a）、丘里塔格組（?3q）[20?22]。肖爾布拉克組巖性以白云巖為主，具體可細(xì)分為凝塊石云巖、殘余顆粒云巖、泥-細(xì)晶云巖等，厚度達(dá)204 m[23?25]。塔里木盆地早寒武世具有南北兩高隆夾北東—南西向低坳的沉積地貌特征，控制著肖爾布拉克組沉積期“ 三隆兩坳” 古地理格局，進(jìn)而控制了肖爾布拉克組碳酸鹽巖緩坡沉積體系的發(fā)育，導(dǎo)致其沿古隆起向盆地依次發(fā)育混積坪、內(nèi)緩坡（泥）云坪、內(nèi)緩坡丘灘和臺(tái)洼、內(nèi)緩坡外帶及外緩坡/盆地等5 種沉積相帶，其中研究區(qū)處于內(nèi)緩坡相帶[26?28]（圖1）。

2 白云巖類型

依據(jù)露頭觀察描述及薄片鑒定，阿克蘇地區(qū)下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組白云巖類型主要為凝塊石云巖、（殘余）顆粒云巖、晶粒云巖3大類。并結(jié)合孔滲數(shù)據(jù)建立肖西溝剖面和蘇蓋特布拉克剖面肖爾布拉克組的沉積—儲(chǔ)層柱狀圖（圖2，3）。

（1） 凝塊石云巖

通常呈淺灰色—灰色、厚層—塊狀產(chǎn)出，局部發(fā)育層狀孔洞，部分凝塊石在野外露頭剖面上顯示出不規(guī)則斑狀特征。在顯微鏡下可見(jiàn)斑塊狀凝塊，主要由不規(guī)則的鈣化微生物凝塊以及凝塊間的亮晶白云石充填物組成，凝塊部分顏色較深，凝塊周圍為泥粉晶白云石，凝塊間孔洞被后期細(xì)—中晶白云石全充填或部分充填（圖4a，b）。

（2） 殘余顆粒云巖

通常呈淺灰色—灰白色，中—厚層狀產(chǎn)出，局部發(fā)育溶蝕孔洞，呈不規(guī)則分布特征。在鏡下可見(jiàn)殘余顆粒主要為砂屑，含量大于75%，顆粒直徑多為1～3 mm。殘余顆粒受到較強(qiáng)的白云石化等成巖作用，鏡下常隱約觀察到砂屑的殘余幻影結(jié)構(gòu)。顆粒間孔隙多被后期膠結(jié)作用形成的白云巖全充填或部分充填（圖4c）。

（3） 晶粒云巖

常呈棕色—深棕色，薄—中層狀產(chǎn)出，局部出現(xiàn)厚層狀產(chǎn)出。鏡下晶粒結(jié)構(gòu)明顯，晶粒粒徑范圍為0.05～0.5 mm，即可識(shí)別出粉晶云巖、細(xì)晶云巖與中晶云巖。重結(jié)晶現(xiàn)象較發(fā)育，偶見(jiàn)縫合線發(fā)育，充填瀝青等?？紫都傲芽p等常充填自形程度較好的細(xì)晶白云石（圖4d～f）。

3 孔隙特征

3.1 孔隙類型

依據(jù)鑄體薄片中孔隙的觀察與統(tǒng)計(jì)，阿克蘇地區(qū)肖爾布拉克組中孔隙類型包括原生孔隙、次生孔隙兩類共4種類型（表1）。原生孔隙有晶間孔，次生孔隙有晶間溶孔、粒間溶孔、凝塊內(nèi)溶孔。具體特征如下：1）晶間孔，指晶粒云巖中礦物晶體之間的孔隙，薄片觀察其直徑介于0.5～3 mm（圖5a～d）。2）晶間溶孔，由溶解作用形成的晶粒之間的孔隙（包括原有的晶間孔的溶解擴(kuò)大）稱為晶間溶孔，薄片觀察其直徑一般為1 mm，少數(shù)大于3 mm，主要可見(jiàn)因溶蝕作用而導(dǎo)致晶粒邊緣呈現(xiàn)港灣狀或鋸齒狀，部分被瀝青質(zhì)充填（圖5b，d，e）。3）粒間溶孔，為粒間孔溶蝕擴(kuò)大形成，孔隙邊緣常有溶蝕的不規(guī)則現(xiàn)象和膠結(jié)物的殘余部分，孔徑介于0.1～0.3 mm。多分布在殘余砂屑中，連通性一般（圖5f，g）。4）凝塊內(nèi)溶孔，為凝塊結(jié)構(gòu)溶蝕擴(kuò)大形成，孔隙邊緣呈港灣狀，孔隙形態(tài)多為不規(guī)則狀，孔徑介于1～3 mm，多被白云石等部分或全充填，連通性好，主要分布在凝塊石云巖中，極少數(shù)分布在晶粒云巖和顆粒云巖的少量凝塊結(jié)構(gòu)中（圖5h，i）。

3.2 不同巖性的孔隙類型差異

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)野外取樣的53個(gè)樣品，鑒別每張薄片的巖性，統(tǒng)計(jì)每張薄片中4種孔隙類型的面孔率，累加得出4種孔隙類型總面孔率，然后根據(jù)3種巖性進(jìn)行分類，累加得出每種巖性中各種孔隙類型的面孔率，與總面孔率相比，得出不同巖性中各孔隙類型的占比[32]。在凝塊石云巖中，凝塊內(nèi)溶孔在所有孔隙類型中所占的比例最大，為72%。在殘余顆粒云巖中，粒間溶孔在所有孔隙類型中所占的比例最大，為51%。至于晶粒云巖，晶間溶孔在所有孔隙類型中所占的比例最大，為62%（圖6）?；诖私Y(jié)果，下文將從沉積組構(gòu)和成巖作用兩方面來(lái)對(duì)其差異性進(jìn)行成因探討。

4 成因分析

4.1 沉積作用

（1） 凝塊石云巖

沉積作用可以通過(guò)沉積環(huán)境的變化控制不同類型微生物巖的分布，因此凝塊等生物成因組構(gòu)的含量大小等與孔隙參數(shù)之間有一定的相關(guān)性，從而影響孔隙發(fā)育[33?34]。為探討凝塊石云巖中不同沉積組分的孔隙發(fā)育特征，依據(jù)研究區(qū)內(nèi)的24個(gè)凝塊石云巖樣品，定量化各個(gè)樣品內(nèi)的沉積組構(gòu)參數(shù)（凝塊的含量、單個(gè)的大小、分選、堆積以及膠結(jié)物含量），分析它們與各個(gè)孔隙參數(shù)（喉道均值、平均配位數(shù)以及面孔率）之間的相關(guān)關(guān)系。具體結(jié)果如下：1）單個(gè)凝塊大小與孔隙面孔率及喉道均值呈弱負(fù)相關(guān)性（圖7a，b）；2）凝塊堆積程度與孔隙平均配位數(shù)呈弱正相關(guān)性（圖7c）；3）膠結(jié)物含量與孔隙面孔率呈弱負(fù)相關(guān)性（圖7d），但與喉道均值呈弱正相關(guān)性（圖7e）；4）凝塊含量與孔隙面孔率呈弱正相關(guān)性（圖7f），但與喉道均值呈弱負(fù)相關(guān)性（圖7g）。通過(guò)以上結(jié)果可以得知：凝塊石云巖中孔隙發(fā)育的連通性與單個(gè)凝塊大小、堆積程度、膠結(jié)物含量以及凝塊含量有一定關(guān)系，即單個(gè)凝塊越小、堆積越疏松、膠結(jié)物含量越少、凝塊含量越多，其孔隙的連通性越大。同時(shí)凝塊石云巖中膠結(jié)物含量與單個(gè)凝塊越大，孔隙面孔率越小。

（2） 殘余顆粒云巖

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的15個(gè)殘余顆粒云巖樣品，分析殘余砂屑云巖中的沉積組構(gòu)（殘余顆粒含量及膠結(jié)物含量）與各孔隙參數(shù)之間的關(guān)系。具體結(jié)果如下：1）殘余顆粒含量與孔隙面孔率呈弱正相關(guān)性（圖7h）；2）膠結(jié)物含量與孔隙面孔率呈弱負(fù)相關(guān)性（圖7i）。通過(guò)以上結(jié)果可以得知，殘余砂屑云巖中殘余顆粒含量越高、膠結(jié)物含量越低，其孔隙面孔率就越大。

（3） 晶粒云巖

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的14個(gè)晶粒云巖樣品，分析晶粒云巖中沉積組構(gòu)（晶粒大小、膠結(jié)物含量）與各孔隙參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明晶粒云巖中沉積組構(gòu)與各孔隙參數(shù)之間的相關(guān)性較弱，即晶粒云巖中孔隙發(fā)育時(shí)受到沉積作用的影響較小。

4.2 成巖作用

阿克蘇地區(qū)肖爾布拉克組白云巖的成巖作用類型主要有膠結(jié)作用、白云石化作用、溶蝕作用、壓實(shí)壓溶作用、重結(jié)晶作用等。這些成巖作用間斷或持續(xù)地發(fā)生在各個(gè)成巖階段中，對(duì)孔隙發(fā)育起著建設(shè)性或破壞性作用[35?36]。

（1） 膠結(jié)作用

在凝塊石云巖中，膠結(jié)作用常發(fā)生于凝塊內(nèi)溶孔中；在殘余顆粒云巖中，膠結(jié)作用常發(fā)生于粒間溶孔中。鏡下至少觀察到2～3期膠結(jié)產(chǎn)物。早期膠結(jié)產(chǎn)物圍繞凝塊或者從殘余顆粒邊緣生長(zhǎng)。晚期膠結(jié)物在早期膠結(jié)物之上繼續(xù)生長(zhǎng)，形成自形程度好的中—細(xì)晶白云石，部分樣品還可見(jiàn)方解石膠結(jié)物。后期受到溶蝕作用，晶體邊緣被溶解（圖8a～f，k，l）。圖7d、i表明膠結(jié)作用對(duì)于凝塊石云巖和殘余顆粒云巖的孔隙發(fā)育有破壞性作用。在晶粒云巖中，膠結(jié)作用常發(fā)生在裂縫中，早期膠結(jié)產(chǎn)物形成于裂縫周圍，呈單向纖狀、纖柱狀白云石。晚期膠結(jié)產(chǎn)物在早期膠結(jié)物之上繼續(xù)生長(zhǎng)，晶粒較大、常為細(xì)晶，自形程度高（圖8g，h，j）。

（2） 白云石化作用

Weyl[37]根據(jù)質(zhì)量守恒原理，提出在準(zhǔn)同生期發(fā)生白云石化時(shí)，方解石向較大密度白云石轉(zhuǎn)化，理論上會(huì)導(dǎo)致孔隙度增加13%，使得晶粒云巖中出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的晶間孔（圖8g～i）。研究區(qū)內(nèi)肖爾布拉克組的晶粒云巖大部分都是由白云石化作用形成的，故其孔隙發(fā)育與沉積組構(gòu)的相關(guān)性不明顯。

（3） 溶蝕作用

研究區(qū)肖爾布拉克組中常見(jiàn)的溶蝕作用主要包括大氣淡水溶蝕作用、埋藏期的溶蝕作用等，是各類巖性孔隙增加的重要作用之一。在凝塊石云巖中，凝塊組構(gòu)由于受到大氣淡水溶蝕作用而形成凝塊內(nèi)溶孔，溶孔內(nèi)部充填白云石。埋藏期酸性流體沿著先期的孔縫進(jìn)行溶蝕改造，形成擴(kuò)溶的凝塊內(nèi)溶孔，是凝塊石云巖有效孔隙保存較好的關(guān)鍵因素（圖8a～c）。在殘余顆粒云巖中，顆粒間孔隙受到酸性地層水的溶蝕，發(fā)育粒間溶孔，被白云石和方解石所充填（圖8e，f，k，l）。伴隨著構(gòu)造縫的產(chǎn)生和酸性流體的運(yùn)移，使得晶粒云巖受到埋藏期溶蝕作用，形成擴(kuò)溶的溶縫，溶蝕微縫和晶間溶孔等，部分被白云石所充填（圖8g，h，j）。

（4） 壓實(shí)及壓溶作用

研究區(qū)肖爾布拉克組在埋藏期受到機(jī)械壓實(shí)作用，造成孔隙急劇減少，顆粒畸形，揉碎和錯(cuò)斷，部分地區(qū)發(fā)育溶蝕裂縫。

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，粉晶云巖的晶粒點(diǎn)接觸頻率高，晶粒間呈線狀接觸，在壓溶作用下產(chǎn)生縫合線構(gòu)造，并被瀝青質(zhì)全充填（圖8h）。而在凝塊石云巖與殘余顆粒云巖中則少見(jiàn)或未見(jiàn)縫合線構(gòu)造。

（5） 重結(jié)晶作用

重結(jié)晶作用主要發(fā)生于淺埋藏到大量生烴的階段。隨著巖石埋深增加，地溫梯度增高，壓力較大，部分晶粒由微泥晶白云石重結(jié)晶為粉晶白云石，局部晶粒已達(dá)到細(xì)晶（圖8f，i）。重結(jié)晶作用主要發(fā)生在晶粒云巖中，形成晶間孔隙，而凝塊石云巖和殘余顆粒云巖則少見(jiàn)或未見(jiàn)。

4.3 構(gòu)造破裂作用

研究區(qū)肖爾布拉克組經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成的多期構(gòu)造裂縫為成巖流體提供了良好的滲流通道[38]。通過(guò)對(duì)野外剖面及鏡下薄片的觀察，可以確定研究區(qū)肖爾布拉克組至少發(fā)育了三期裂縫。第一期裂縫縫寬約0.01～0.04 mm，第二期裂縫縫寬介于0.3～0.9 mm，第三期裂縫縫寬約0.02～0.06 mm。各期裂縫多被白云石充填，第三期還可見(jiàn)瀝青質(zhì)充填（圖9）。

5 孔隙演化

5.1 成巖演化序列

根據(jù)前文成巖作用分析，結(jié)合塔里木盆地構(gòu)造地質(zhì)演化[39]，認(rèn)為研究區(qū)下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組的成巖過(guò)程中至少經(jīng)歷了以下幾個(gè)重要的時(shí)期：同生期、早成巖期（加里東中期）、中成巖期（加里東晚期—海西早期）、晚成巖期（海西晚期以來(lái)）（圖10）。

5.2 孔隙發(fā)育模式

阿克蘇地區(qū)肖爾布拉克組為碳酸鹽巖內(nèi)緩坡沉積[25]，結(jié)合白云巖類型、巖石組分、成巖作用等關(guān)鍵因素，可分別建立研究區(qū)肖爾布拉克組3類白云巖的孔隙演化模式。

（1） 凝塊石云巖

凝塊石云巖主要沉積于內(nèi)緩坡生物礁亞相，其孔隙演化過(guò)程如圖11所示：在海底成巖環(huán)境，微生物形成凝塊組構(gòu)，并且此時(shí)發(fā)生膠結(jié)作用，纖狀膠結(jié)物圍繞凝塊組構(gòu)邊緣生長(zhǎng)，形成環(huán)邊的亮晶膠結(jié)物。至同生—準(zhǔn)同生期，由于相對(duì)海平面下降，較高沉積微地貌上的生物礁亞相[24]短暫地暴露在大氣水成巖環(huán)境中，受到大氣淡水的選擇性溶蝕作用，導(dǎo)致凝塊組構(gòu)間形成粒間溶孔，凝塊組構(gòu)內(nèi)形成凝塊內(nèi)溶孔。又由于蒸發(fā)作用使得鹵水向下滲透回流，凝塊及先期膠結(jié)物等組構(gòu)開(kāi)始白云石化，局部晶間孔形成。在淺埋藏階段，受到壓實(shí)作用和構(gòu)造作用，開(kāi)始出現(xiàn)裂縫。同時(shí)由于膠結(jié)作用，溶孔中的白云石膠結(jié)物開(kāi)始形成。其主要產(chǎn)狀為：凝塊組構(gòu)邊緣開(kāi)始沉淀潔凈的平直自形白云石，半菱形狀（多與凝塊組構(gòu)中白云石光性方位一致），局部可見(jiàn)細(xì)晶自形菱形白云石膠結(jié)物。在中—深埋藏階段，先期的溶孔、裂縫等受熱液及酸性地層水的溶蝕作用而擴(kuò)大，而此階段的膠結(jié)作用多形成中—細(xì)晶的自形白云石膠結(jié)物，常充填于凝塊內(nèi)溶孔、粒間溶孔等孔隙中，局部可見(jiàn)熱液作用形成的自形粗—中晶白云石、鞍狀白云石（波狀消光）等膠結(jié)物。因此，早期的大氣淡水溶蝕作用和埋藏期溶蝕作用是增加有效孔隙的主要因素，中粗晶膠結(jié)物的充填支撐，保護(hù)殘余孔隙免于壓實(shí)作用的破壞。

（2） 殘余顆粒云巖

殘余顆粒云巖主要沉積于內(nèi)緩坡顆粒灘亞相，其孔隙演化過(guò)程如圖12所示：在海底成巖環(huán)境，纖狀方解石圍繞顆粒邊緣生長(zhǎng)，形成環(huán)邊的亮晶膠結(jié)物。同生—準(zhǔn)同生期相對(duì)海平面下降，較高沉積微地貌上的顆粒灘亞相短暫地暴露在大氣水成巖環(huán)境中，受到大氣淡水的選擇性溶蝕作用，導(dǎo)致顆粒間形成粒間溶孔。由于海水蒸發(fā)作用使得鹵水向下滲透回流，填隙物與顆粒開(kāi)始白云石化，局部晶間孔形成。在淺埋藏階段，受到壓實(shí)作用和構(gòu)造作用開(kāi)始出現(xiàn)少量裂縫。同時(shí)由于膠結(jié)作用，粒間溶孔中的早期白云石膠結(jié)物開(kāi)始形成。在中—深埋藏階段，受到構(gòu)造破裂作用以及熱液和酸性地層水的溶蝕作用，先期裂縫和孔隙發(fā)生擴(kuò)溶現(xiàn)象，中—細(xì)晶的自形白云石等晚期膠結(jié)物形成在粒間溶孔與擴(kuò)溶縫中。因此，埋藏期溶蝕作用對(duì)于先期孔縫的溶蝕擴(kuò)大作用是增加有效孔隙的關(guān)鍵因素。

（3） 晶粒云巖

晶粒云巖主要沉積于內(nèi)緩坡灘間海亞相，其孔隙演化過(guò)程如圖13所示：在準(zhǔn)同生期，受到強(qiáng)烈的白云石化作用形成晶粒結(jié)構(gòu)。由于處于灘間較低沉積微地貌上，受到大氣淡水的溶蝕改造作用較弱，早期的晶間溶孔并不發(fā)育。淺埋藏階段，重結(jié)晶作用使得晶粒有增大現(xiàn)象。由于構(gòu)造破裂作用，導(dǎo)致晶粒云巖中產(chǎn)生2～3期裂縫，局部可見(jiàn)細(xì)晶自形白云石膠結(jié)物。最后在中—深埋藏階段，油氣運(yùn)移充注使得縫合線多被瀝青質(zhì)充填，且在酸性地層水的作用下，使得晶間溶孔開(kāi)始發(fā)育，裂縫開(kāi)始進(jìn)一步擴(kuò)溶，被隨后膠結(jié)作用產(chǎn)生的細(xì)晶白云石等膠結(jié)物部分充填。

6 結(jié)論

（1） 阿克蘇地區(qū)下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組發(fā)育凝塊石云巖、殘余顆粒云巖與晶粒云巖，孔隙類型包括原生孔隙、次生孔隙兩類共4種類型，其中原生孔隙有晶間孔，次生孔隙有晶間溶孔、粒間溶孔、凝塊內(nèi)溶孔。

（2） 凝塊石云巖中孔隙面孔率與膠結(jié)物含量及單個(gè)凝塊大小呈反比，孔隙的連通性與單個(gè)凝塊大小、堆積疏松程度、膠結(jié)物含量、凝塊含量呈正比。同生—準(zhǔn)同生期大氣淡水溶蝕作用是形成孔隙的關(guān)鍵，埋藏期溶蝕及熱液等作用使得孔隙進(jìn)一步改善，最終形成以凝塊內(nèi)溶孔（占比72%）為主的孔隙類型。

（3） 殘余砂屑云巖孔隙面孔率與殘余顆粒含量呈正比、與膠結(jié)物含量呈反比。同生—準(zhǔn)同生期的溶蝕作用是形成孔隙的基礎(chǔ)，埋藏期溶蝕作用是增加有效孔隙的關(guān)鍵因素，最終形成以粒間溶孔（占比51%）為主的孔隙類型。

（4） 晶粒云巖的各孔隙參數(shù)與沉積組構(gòu)之間的相關(guān)性較弱，受后期成巖作用的影響更加強(qiáng)烈。由于較低的沉積微地貌，早期的大氣水溶蝕作用對(duì)晶粒云巖孔隙發(fā)育影響較小，而埋藏期的溶蝕作用是有效孔隙發(fā)育的關(guān)鍵因素，使其形成以晶間溶孔（占比62%）為主的孔隙類型。