断裂与不同圈层流体耦合作用下超深层碳酸盐岩成储机制

Fault and fluids from multiple spheres coupling alterations and influence on formation of ultra-deep carbonate reservoir

摘要

中西部塔里木和四川盆地超深层碳酸盐岩储层受断裂与不同圈层来源成岩流体耦合改造作用,断裂相关成岩流体类型如何识别、不同区域断裂-流体耦合改造的差异性和成储机理,亟待深入探索。基于建立的矿物-元素-同位素融合的成岩流体判识指标,准确区分断裂-流体耦合作用类型,主要包括大气圈层的大气水、地表圈层的海水、下伏基底地壳的壳源热液、碳酸盐岩层内的硫酸盐热还原作用(TSR)相关流体等。塔里木盆地塔北隆起塔河地区主要以大气水作用为主,形成岩溶缝洞型储层;顺北地区主要的储集空间类型为走滑断控缝洞型储层;顺北、顺南、塔中、古城等地区,热液沿走滑断裂对碳酸盐岩进行溶蚀改造,形成热液硅化和热液白云岩化储层;局部颗粒滩受断裂和裂缝及热液改造作用,形成沉积相带-断裂-溶蚀(相-断-溶)联控储层;断裂-热液耦合改造下形成的优质储层具有持续向万米超深层拓展的潜力。四川盆地川东北、川中、川东南地区热液沿北东方向走滑断裂上行,使茅口组颗粒滩相碳酸盐岩发生溶蚀和热液白云岩化作用,形成优质的相-断-溶联控储层;受东吴期构造抬升及沿走滑断裂下行大气水岩溶作用影响,茅口组上部发育岩溶型储层。川中、川南至川东地区依次发育有岩溶高地、斜坡和盆地,岩溶改造作用依次减弱。总结相-断-溶联控碳酸盐岩储层发育机理,沉积时期台内、台缘的高能相带的颗粒滩,在后期遭受区域性构造破裂或走滑断裂改造,再进一步受来自深部基底的热液流体改造,形成规模性断控热液改造型储层。在深埋藏过程中TSR相关高含CO₂、H₂S的酸性地层流体环境促使储集空间长期保存至今。

Abstract

The ultra-deep carbonate reservoirs in the Tarim and Sichuan Basins, western China, are influenced by the coupling alterations of faults and diagenetic fluids originating from multiple earth spheres. However, the types of fault-fluid coupling alterations, the differences in their alteration processes, and the resulting reservoir genetic mechanisms require further investigation. To address this, we established a set of identification indexes based on diagenetic minerals, elemental composition, and isotopic variations. The indexes accurately distinguish the coupling types between faults and various diagenetic fluids, primarily including meteoric water, seawater, deep-crustal hydrothermal fluids, and fluids associated with thermal sulfate reduction (TSR). In the Tahe area of the Tabei Uplift, Tarim Basin, meteoric water is the dominant diagenetic fluid, leading to the formation of karst fracture-cave reservoirs. In contrast, the main reservoir spaces in the Shunbei area are controlled by strike-slip fault-related fractures and caves. In the Shunbei, Shunnan, Tazhong, and Gucheng areas, hydrothermal fluids dissolve and modify carbonate reservoirs along strike-slip faults, forming reservoirs characterized by hydrothermal silicification and dolomitization. Furthermore, grain shoal carbonates altered by faults/fractures and hydrothermal fluids develop into reservoirs co-controlled by facies, faults, and dissolution. High-quality reservoirs associated with fault-hydrothermal coupling alterations have the potential to extend into ultra-deep layers (>10000 m). In the northeastern, central, and southeastern Sichuan Basin, hydrothermal fluids migrate upward along strike-slip faults. These fluids dissolve and dolomitize the grain shoal carbonates of the Maokou Formation, thereby forming high-quality reservoirs co-controlled by facies, faults, and dissolution. Additionally, influenced by tectonic uplift during the Dongwuan Stage and subsequent karst alteration by meteoric water migrating downward along faults, karst reservoirs are developed on the top of the Maokou Formation. From central to southern to eastern Sichuan Basin, the karst landscape transitions from karst highland to slope to basin, reflecting a progressive decrease in the intensity of karst modification. Based on global case studies, a generalized development mechanism for facies-fault-dissolution-controlled carbonate reservoirs is proposed. Shallow-water, high-energy grain shoal facies, developed in platform or platform margin settings, are first modified by regional tectonic fractures or strike-slip faults. They are then further altered by deep-basement-sourced hydrothermal fluids, ultimately forming high-quality, fault-controlled, hydrothermally altered reservoirs. During deep burial, an acidic formation fluid environment rich in CO₂ and H₂S, related to TSR, contributed to the long-term preservation of reservoir spaces to the present day.

Graphical abstract

关键词

深层碳酸盐岩 / 断裂-流体耦合改造 / 相-断-溶储层 / 热液白云岩 / 岩溶

Key words

Deep carbonate reservoir / coupling alteration of fault-fluid / facies-fault-dissolution reservoir / hydrothermal dolomite / karst

0 引言

海相碳酸盐岩油气藏是国内外超深层油气藏的主要类型,其控制因素和成因机制具有多样性;近期研究表明地球多圈层物质相互作用会对油气成藏产生显著的影响^[1]。前期基于国内外大型海相碳酸盐岩油气藏实例分析表明^[2],强构造沉积分异形成的台缘大型生物礁滩相储层^[3]、强烈隆升形成的不整合岩溶型储层以及强走滑断裂形成的断控缝洞型储层^[4],是超深层规模优质碳酸盐岩储层的主要类型。我国四川盆地在震旦纪发育绵阳—长宁裂陷槽,形成较强的构造沉积分异作用,裂陷槽周缘发育大型微生物丘滩相储层,是安岳、蓬莱大型气田的主要储层^[5];在二叠纪晚期至三叠纪早期发育开江—梁平裂陷(陆棚),裂陷周缘发育生物礁和高能滩相储层,是普光、元坝气田的主要储层^[3]。塔里木盆地台盆区自加里东中晚期至海西期遭受多期的强烈挤压,塔北和塔中遭受强烈隆升和多期的大气水岩溶作用,奥陶系灰岩发育岩溶缝洞型储层,是塔河—轮南和塔中油气田的主要储层^[6]。受挤压作用影响,塔中至塔北地区发育克拉通内走滑断裂,形成断控缝洞型储层,是顺北—富满油田主要储层^[7]。

台缘礁滩、岩溶、走滑缝洞储集体的发育与形成主要受到强烈的单一因素控制。但近期勘探揭示了一些构造沉积分异不显著的区域,如缓坡台地或者台地内部的丘滩体,丘滩体规模本身较小,原生孔隙不发育,如塔里木盆地奥陶系鹰山组至一间房组的台内滩,四川盆地栖霞组至茅口组的台缘、台内滩等。这些台缘、台内滩等构造沉积分异不显著的碳酸盐岩需经历断裂与来自不同圈层的成岩流体的耦合改造作用才能发育成为有效储层。台内滩等需要经历什么类型的断裂-流体耦合改造作用,沉积相-断裂-流体(相-断-溶)多因素联控储层特征和发育机制等需要进一步开展研究。

本文重点以塔里木盆地奥陶系和四川盆地中二叠统茅口组碳酸盐岩为例,厘定大气圈层大气水、盆地基底壳源热液、沉积圈层硫酸盐热还原作用(TSR)相关成岩流体判识指标,明确断裂与不同圈层流体耦合作用过程,揭示相-断-溶联控储层发育机理和不同区域的差异性。这些研究为四川盆地和塔里木盆地超深层碳酸盐岩储层分布评价和油气勘探提供指导作用。

1 基本地质背景

我国中西部的塔里木、四川和鄂尔多斯盆地都经历了古生代以来的多期构造拉张、挤压、抬升等作用,影响了盆地内部碳酸盐岩台地及高能丘滩相的形成、发育与分布,影响了多期走滑断裂的发育与演化,也影响了来自大气圈层、地壳或地幔圈层流体的活动(图1^[8])。走滑断裂本身使碳酸盐岩发生机械破碎形成断裂破碎空腔体储集体,并且来自不同圈层的流体沿走滑断裂活动对致密灰岩、颗粒滩相碳酸盐岩等产生叠加改造,形成溶蚀储集体或热液白云岩化、硅化储集体(图1^[8])。

加里东中期(中奥陶世)原特提斯洋开始向北俯冲消减,塔里木板块南缘进入聚敛环境^[9],塔中古隆起开始形成。同期北天山洋盆自中寒武世开始向中天山下俯冲,到中奥陶世末洋盆闭合,在盆地北部形成近南北向的挤压应力场,塔北隆起逐步开始形成。随着塔中和塔北两个隆起的形成,在持续挤压应力作用下,塔里木盆地台盆区塔河、顺北、塔中、顺南、古城一带的下古生界碳酸盐岩中发育一系列北东向为主的走滑断裂系统^[4,10-11]。走滑断裂系统经历了加里东晚期、海西早期、海西晚期、印支期—燕山期及喜马拉雅期等多期演化^[12-13]。这些断至基底的走滑断裂一方面使碳酸盐岩发生机械破碎形成断裂空腔体型储集空间;另一方面走滑断裂成为来源于多个圈层的多种类型成岩流体和油气流体活动的通道,显著影响了超深碳酸盐岩储层发育和油气富集成藏^[4,14]。

塔里木盆地构造演化过程影响了寒武至奥陶纪碳酸盐岩台地结构、发育与演化;控制着碳酸盐岩礁滩相相带的发育^[15]。台地边缘的高能礁滩相、台内微地貌控制的颗粒滩相是有利储层发育的相带位置。塔中北部上奥陶统良里塔格组台缘带中发育生物礁滩复合体;寒武系—下奥陶统鹰山组台缘礁(丘)滩体平面上延伸距离远,多期侧向叠置和纵向叠加。除台缘带之外,塔北、塔中等地区的蓬莱坝组、鹰山组和一间房组广泛发育台内颗粒滩。钻井揭示塔北塔河地区台内颗粒滩主要有亮晶颗粒、泥晶颗粒和颗粒泥晶灰岩等类型,分别对应于高能滩、中能滩和低能滩;部分具有藻粘结灰岩颗粒的结构特征,属于灰泥丘的沉积产物。顺北地区鹰山组上段发育砂屑泥晶灰岩、泥晶砂屑灰岩及亮晶砂屑灰岩。高能丘滩体叠合断裂和流体改造作用,发育形成有利储集体。

四川盆地在加里东期—海西期处于拉张和挤压并存的环境,而印支期—燕山早期应处于早期拉张、晚期逐渐转为挤压的过渡环境,喜山期总体上处于区域挤压环境^[16]。加里东早期,川中高石梯—磨溪地区灯影组台缘带区域的伸展断层较发育,是在伸展性区域应力场下发育的中小规模正断层。海西早期,受广西运动影响,走滑断裂在川中地区广泛发育,平面呈线形或雁列式展布,剖面呈高角度或直立状。海西晚期,受东吴运动影响,四川盆地进入拉张环境,促使克拉通内裂陷和相关走滑断裂的发育,对早期的伸展断层或走滑断层产生改造^[17],大多数断裂终止于二叠系底界。

四川盆地下二叠统沉积主要受到海西早期继承性古隆起、勉略洋俯冲导致的川北持续伸展以及峨眉山大火成岩省等多个构造体系的影响^[18],发育过程中经历了构造稳定期、抬升期、拉张裂陷三个阶段,形成台洼、台内低隆、镶边台地、台缘/台内颗粒滩、陆棚斜坡、盆地相深水沉积等类型^[19]。在隆起高点及环台洼相带发育有颗粒滩相碳酸盐岩。二叠纪早期,四川盆地周缘上扬子地区发育广泛的海侵,海平面上升;除北侧大巴山古陆、西北侧龙门山古陆、西侧康滇古陆和东侧江南古陆呈岛链或孤岛露出水面以外,上扬子古陆全被淹没,下二叠统沉积覆盖在石炭系等不同时代的地层之上。最早的沉积为梁山组,底部为风化壳上沉积的厚度不大的浅灰色铝土质泥岩,向上过渡为黑色碳质页岩夹煤线的滨海沼泽沉积。栖霞组时期开始进入稳定沉积阶段。沿川西台缘向台地方向发育有呈大型条带状展布的台内浅滩群,在川中地区也发育台内浅滩,岩性为云质灰岩、砂糖状白云岩。茅一段沉积时期,受峨眉山地幔柱早期构造隆升影响,整体地貌呈现南西高、北东低的特征,同时发生显著的海侵,整个四川盆地为西高东低的碳酸盐岩缓坡沉积^[20]。茅口组二段沉积时期,受峨眉山地幔柱活动抬升隆起影响,主体转变成台地相沉积,主要在川东北至川东南发育台缘高能颗粒滩,在西部、西北部等发育台内颗粒滩。茅三段沉积时期,开江—梁平海槽的雏形开始出现,川东北地区茅三段的沉积由开阔台地相转变为陡坡台地边缘相,而川东南地区仍为缓坡沉积。茅三段末期,出现大范围的以隆升作用为主的东吴运动,导致区域性大气水岩溶。

2 主要成岩流体类型

油气盆地中的储集层在沉积过程中或深埋藏成岩演化过程中往往会经历来自不同圈层的多种类型成岩流体改造作用^[21-24]。对深层-超深层碳酸盐岩储层溶蚀发育有重要影响的成岩流体类型主要包括海水、大气水、热液等。此外,TSR作用相关流体对储层深埋藏过程中的储集空间保持具有重要的作用^[25-26]。这些成岩流体改造形成的方解石、白云石等矿物具有显著不同的晶体结构类型(图2)和地球化学指标(表1^[27-30])。

塔里木盆地奥陶系不含孔隙和胶结物的致密泥晶灰岩或生屑灰岩一般是正常海相沉积的灰岩,其δ¹⁸O_V-PDB和δ¹³C_V-PDB值的变化范围分别为-8.6‰~-3.9‰和-2.4‰~2.0‰,平均值分别为-6.7‰和0.2‰;⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值变化范围为0.708 397~0.709 224,平均值为0.708 718^[23]。这些值与全球奥陶系正常海相灰岩特征值一致^[31]。T115井中上奥陶统灰岩的δ¹⁸O_V-PDB、δ¹³C_V-PDB和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值分别为-5.4‰、0.5‰和0.708 802,可代表塔里木盆地中上奥陶统海相灰岩的代表性指标值^[6]。灰岩沉积之后的中浅埋藏阶段,如果没有遭受构造抬升与大气降水岩溶以及沿断裂热液流体等的强烈的改造作用,灰岩中的成岩流体以继承海水而来的地层水为主,形成的方解石胶结物附着在灰岩颗粒/砾屑周围,呈环边放射状形态(图2a, b),其碳、氧、锶同位素组成和稀土元素组成与原始沉积灰岩基本一致^[23]。塔里木盆地典型的代表性钻井为S94、T114、S91、S119、TP2等,其中S94井作为代表样品的指标,其δ¹⁸O_V-PDB、δ¹³C_V-PDB和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值分别为-5.4‰、-0.15‰和0.708 710^[6]。

碳酸盐岩丘滩相储层在准同生期遭受大气水淋滤形成优质孔隙型储层,如四川盆地普光—元坝气田的长兴组和飞仙关组^[32];或者沉积期后遭受构造抬升,大气水沿走滑断裂作用形成岩溶缝洞型储层,如塔里木盆地塔河油田奥陶系岩溶缝洞型储层^[2],四川盆地川南地区茅口组岩溶孔洞型储层^[33]。大气降水岩溶作用在岩溶缝洞中沉淀的方解石常见有巨晶方解石(图2c)或与岩溶(构造)角砾共生的方解石^[6]。在鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组识别出水滴状方解石(图2d),也称为六水碳钙石(ikaite),代表低温条件下大气水在不整合面下孔洞中沉淀胶结的方解石^[34]。与灰岩围岩相比,这些方解石通常具有非常轻的氧同位素组成和高的锶同位素比值,塔里木盆地塔河油田奥陶系岩溶洞穴中充填的巨晶方解石的δ¹⁸O_V-PDB值为-18.8‰~-11.4‰,平均为-15.4‰;⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值为0.709 190~0.710 558,平均为0.709 727。方解石中原生流体包裹体在室温下为液相或者气液两相,气液两相包裹体的均一温度一般较低,为33 ℃~65 ℃之间,平均为48 ℃(表1^[27-30])。

埋藏过程中,沿着断裂有多期热液流体活动,能使碳酸盐岩储层发生溶蚀改造,形成热液白云岩化或热液硅化型储层。热液作用形成的典型矿物包括方解石脉、鞍形白云石、石英等(图2e, f和g)。塔里木盆地塔中、顺南、古城地区奥陶系碳酸盐岩在热液流体改造作用下形成热液硅化和热液白云岩化储层^[35]。四川盆地川西、川东南二叠系栖霞—茅口组发育热液白云岩化储层^[27];川中地区震旦系灯影组也揭示有热液改造白云岩储层^[36]。西加拿大盆地中寒武统碳酸盐岩形成构造-热液白云岩化储层^[30]。热液作用形成的方解石通常具有比地层温度较高的流体包裹体均一温度、较轻的氧同位素组成、较高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值和显著的Eu正异常的特征(表1^[27-30])。以塔里木盆地为例,塔中、顺北等地区奥陶系碳酸盐岩走滑断裂缝洞中充填的方解石脉的原生流体包裹体均一温度为122 ℃~199 ℃,平均为150 ℃。δ¹⁸O_V-PDB值为-14.6‰~-7.1‰,平均为-10.8‰;⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值为0.709 049~0.709 891,平均为0.709 353。δEu值为1.01~76.03,平均为13.96。西加拿大盆地寒武系断裂裂缝中充填的方解石脉的原生流体包裹体均一温度为141 ℃~192 ℃,平均为169 ℃。δ¹⁸O_V-PDB值为-19.8‰~-13.1‰,平均为-16.1‰。δEu值为1.18~1.65,平均为1.44。

海相碳酸盐岩地层中往往含有膏盐岩,在深埋藏过程中会发生硫酸盐热还原(TSR)作用。TSR作用往往会伴随碳酸盐岩储层中黄铁矿和方解石共同沉淀(图2h和i),孔洞中沉淀的方解石呈刀刃状(图2i)。TSR作用产生的方解石通常具有显著偏轻的碳和氧同位素组成,与围岩一致的锶同位素比值,较高的原生流体包裹体均一温度和δEu的正异常的特征。四川盆地震旦系灯影组、长兴组和飞仙关组碳酸盐岩气藏等都经历了较高的埋藏温度,并发生显著的TSR作用,天然气中H₂S和CO₂含量分别高达16.3%和28.8%。TSR相关的方解石的δ¹³C_V-PDB值为-18.9‰~-3.5‰,平均为-10.4‰;δ¹⁸O_V-PDB值为-12.3‰~-4.1‰,平均为-7.4‰。原生流体包裹体均一温度为134 ℃~218 ℃,平均为169 ℃,δEu值为1.06~10.10。塔里木盆地下古生界储层中与TSR作用相关方解石的δ¹³C_V-PDB值为-8.5‰~-4.5‰,平均为-6.7‰;δ¹⁸O_V-PDB值为-14.3‰~-10.8‰,平均为-12.7‰。原生流体包裹体均一温度为141 ℃~298 ℃,平均为224 ℃,δEu值为2.37~6.91(表1^[27-30])。

TSR作用会使油气藏中含有较多的H₂S、CO₂等组分。已有研究揭示TSR相关的CO₂会与溶液中的Ca²⁺离子结合生成CaCO₃沉淀,这个过程中产生的H⁺离子会促使溶液中的SiO₂沉淀;结果导致CO₂消耗并形成纯的H₂S^[37]。这个系列的反应过程的确会存在。但根据目前实际气藏观测结果,四川盆地的二叠系长兴组和飞仙关组、寒武系龙王庙组、震旦系灯影组和塔里木盆地寒武系和奥陶系气藏中都会同时含有高含量的CO₂和H₂S,CO₂并没有被大量消耗,孔隙中虽然会有少量自生方解石的充填^[38],但充填量是有限的。据此推测,局部TSR作用形成的CO₂量较少的情况下,CO₂可能会被全部消耗;但当TSR作用产生大量CO₂的时候,CO₂消耗量及产生方解石沉淀的过程会受到抑制,可能就是与CO₂和H₂S大量产生促使地层流体形成酸性条件有关。处于酸性状态的地层水能抑制方解石等碳酸盐岩矿物的沉淀,使储层孔隙得以持续保存下来^[25]。

3 塔里木断裂-流体耦合作用

塔里木盆地塔北、塔中、顺北、顺南、古城等台盆区的主体区域都发育有加里东期以来的多期走滑断裂并遭受二叠纪大火成岩省火山活动影响,塔北和塔中地区都经历了强烈的构造抬升作用。这些构造事件驱动大气圈层大气水、盆地基底地壳来源的壳源热液流体、沉积地层中TSR相关流体的活动,并且不同地区的构造断裂活动与不同圈层流体耦合过程具有显著的差异性。

3.1 断裂-流体耦合作用过程

加里东中期构造运动时期,塔里木盆地处于南“压”北“张”的应力背景中,塔中地区隆升强于塔北地区,走滑断裂在局部开始发育。此时的流体类型主要为与海水相关的早成岩期流体。在地震剖面上,走滑断裂断切至T₇⁴界面。顺北5-1X井奥陶系裂缝中充填的刀刃状的方解石脉,其δ¹³C和δ¹⁸O分别为0.5‰和-4.6‰,⁸⁷Sr/⁸⁶Sr为0.708 801,与灰岩围岩基本一致。方解石U-Pb年龄为(444.1±4.1) Ma和(488.2±49) Ma,表明为加里东中期海水相关的流体中形成(表1、图3)。

加里东晚期—海西早期塔里木处于南部与东北部不对称挤压应力背景中,塔北地区开始强烈隆升。这个时期是张扭走滑断裂主活动期,塔中和塔北的南、北两端的走滑体系开始对接。在地震剖面上,走滑断裂继承性发育,向上断至T₆⁰界面(图3)。这个时期,随埋藏深度的增加,下寒武统玉儿吐斯组烃源岩成熟生烃,油气向走滑断裂缝洞体系运移成藏。顺北42X、顺北45X井裂缝中充填的方解石中见有丰富的烃类包裹体,与烃类包裹体共生的盐水包裹体均一温度90 ℃~110 ℃。方解石U-Pb年龄为(430±42) Ma,表明为加里东晚期有机生烃相关流体的活动。受加里东中期(早奥陶世末期、奥陶纪末期)、海西早期(泥盆纪)、海西晚期(二叠纪末期)强烈构造挤压运动的影响,塔北地区下古生界碳酸盐岩被多次抬升暴露地表,遭受到了较为强烈的大气降水岩溶作用,局部形成巨晶方解石的沉淀。部分大气水沿走滑断裂从塔北隆起区域向顺北斜坡去渗流,顺北北部的顺北5-1X、顺北42X等井的岩心见有沿断裂扩容的现象。顺北1-3井见有沿断裂裂缝发育的砂泥质碎屑渗流产物,表明大气水顺着走滑断裂下渗并发生溶蚀作用,顺北1-3井奥陶系一间房组裂缝中充填的方解石的U-Pb年龄为(351±30) Ma和(383±14) Ma(表1^[27-30]),表明海西早期大气水活动的产物。

顺南4、顺北53X井等钻井遭受富硅热液流体改造和显著的硅化作用,原生流体包裹体均一温度为150~190 ℃^[35]。伴生的方解石U-Pb年龄为(430±18) Ma,代表加里东晚期热液流动的影响。顺北16井奥陶系一间房组方解石脉的δ¹⁸O为-14.4‰~-7.8‰,原生流体包裹体均一温度为141 ℃~298 ℃,平均值为224 ℃,表明受到热液活动的影响。热液方解石U-Pb同位素年龄约为(295±5.2) Ma和(232±2.0) Ma(表1),代表海西晚期二叠纪—三叠纪之间的断裂-热液耦合作用过程(图3)。

3.2 不同地区成储差异性

塔里木盆地塔北隆起地区分别在加里东中期(早奥陶世末—奥陶纪末期)、海西早期(泥盆纪)、海西晚期(二叠纪末期)受强烈构造挤压运动的影响,下古生界碳酸盐岩被多次抬升暴露地表,遭受到了较为强烈的大气降水岩溶作用。塔里木盆地北部受多期次岩溶作用影响发育了典型的岩溶地貌,包括岩溶高地、岩溶丘丛、岩溶斜坡、岩溶洼地等。大气降水沿着已经存在的走滑断裂体系溶蚀改造形成的岩溶缝洞型储集体是塔北隆起区的下古生界碳酸盐岩中最重要的油气储集空间(图4^[39])。钻井统计结果表明大气降水岩溶作用一般只发育在地表岩溶不整合面之下200 m左右范围内^[2,40],局部延伸至1 100 m^[41]。储集空间类型主要包括岩溶洞穴型、岩溶裂缝和岩溶孔洞型储层。

受多幕次继承性活动的影响,顺北地区主干走滑断裂以主滑移带高陡断层的方式向下断穿寒武系,断切至基底,向上以雁列断层的方式断至石炭系、二叠系。多期走滑断裂活动形成了顺北地区奥陶系断控缝洞型碳酸盐岩储集体,其储集空间主要是断控缝洞体系,包括断裂空腔(洞穴)、构造缝和构造角砾缝以及少量沿断裂裂缝发育的溶蚀孔洞和孔隙^[4]。顺北4号带、8号带所发现的多口千吨井的储层是7 000~9 000 m的超深层致密灰岩走滑断裂改造形成的缝洞型储层。受走滑断裂多期继承性活动,断裂-裂缝的储集结构呈韵律性多次出现,构成以洞穴(断层空腔)、裂缝带和基岩有序排列的多组缝洞集合体,呈栅簇状分布的特征。典型的栅簇状结构特征的钻井为顺北47斜井。依据钻井岩心、钻井泥浆漏失、成像测井和地震资料综合分析,顺北47斜井揭示该井钻揭一段断裂空腔(1.9 m, 8 084.78~8 086.68 m)和多段断裂裂缝破碎角砾岩段,储层发育段总体上呈栅簇状。成像测井揭示走滑断裂中心部位(核部)发育断裂角砾,两侧则是裂缝发育带,角砾与角砾之间普遍见空腔体储集空间,具有高孔隙度、高渗率的特征。

除了走滑断裂控制形成断裂缝洞体储集空间之外,顺北地区局部流体活动对断裂裂缝储集体具有进一步的溶蚀改善作用。从塔河隆起高部位沿着走滑断裂向顺北地区渗流的大气降水作用表现为断裂裂缝中方解石的充填和溶蚀扩容的现象,满深171H和顺北42X井钻井岩心揭示了这些现象。顺深1斜、顺北隆2井、顺深2、顺中22等井钻揭了主干走滑断裂之间受低序级断裂影响的优质储层,其中顺深1斜已产油累计2.07×10⁴ t,产气累计1.23×10⁸ m³。顺南7、古隆2、顺中2等揭示奥陶系颗粒滩相灰岩和藻粘结颗粒灰岩,颗粒灰岩受断裂/裂缝的破裂作用,进一步经历大气降水或热液流体沿裂缝的溶蚀改造作用,从而发育成为相-断-溶联控的优质储集体(图4^[39])。顺南7井在超过6 000 m深度的奥陶系一间房组岩心揭示有丰富的粒间孔、裂缝和溶蚀孔洞等储集空间类型;顺中2井在超过7 500 m深度的一间房组钻揭优质相-断-溶联控藻颗粒滩相灰岩储层,厚度达40 m,孔隙度9.1%~11.7%。

基底走滑断裂成为深部热液向上运移的重要通道(图4^[39])。受深部热源驱动,深部热液流体沿着断层从深部向浅部运移。流体具有较高的温度,挟带大量CO₂、丰富的硅、氟和硫等组分。热液流体沿着断层向上运移经过碳酸盐岩地层时会发生溶蚀、交代,并产生石英、萤石、方解石、白云石等沉淀,从而形成热液改造型储集体。在塔中地区主要见有热液溶蚀形成的溶蚀孔洞型储层,顺南地区主要是富硅热液流体作用形成热液硅化型储层,古城地区则是富镁热液流体作用下形成的热液白云岩化储层(图4^[39])。在顺南地区,已有一批钻井揭示了富硅热液流体的活动和对储层的建设性改造作用,以顺南4井为代表。顺南4井在6 668~6 681 m段的奥陶系鹰山组中揭示了强烈的硅化热液改造形成的碳酸盐岩储层。硅化灰岩(现今埋深6 669~6 673 m)中石英流体包裹体均一温度为150 ℃~190 ℃^[35]。硅化灰岩段储集空间以残余裂缝、溶蚀孔洞、晶间孔隙为主,该段孔隙度为3%~20.5%,远高于未溶蚀改造的灰岩(孔隙度1.4%~1.6%)。顺南4井鹰山组累产天然气超1 200×10⁴ m³。顺南501井和顺北蓬1井鹰山组见较高温的萤石与黄铁矿等热液矿物,指示热液流体活动^[42]。

3.3 断裂-热液耦合改造超深储层发育

基于实验和数值模拟,深部热液流体沿着走滑断裂向浅部运移过程中具有深部溶蚀-浅部充填的规律^[43]。因此,在深部热液流体发育的区域,热液溶蚀作用形成的优质储集体具有持续向万米深层拓展的潜力,也已经有多口钻井揭示深部优质储层的发育(图5^[43])。

塔里木盆地顺北至顺南地区是深部热液流体沿走滑断裂广泛发育的地区。顺北4区、顺北8区等多口钻井揭示了深部优质储层的发育。顺北16井在T₇⁴界面下奥陶系一间房组顶部揭示裂缝被方解石充填(图5c),流体包裹体和地球化学特征表明沉淀方解石的流体类型为热液流体。再进一步往深部钻进过程中,钻遇多个泥浆漏失和放空段,在钻井底部约6 986.56 m附近钻遇泥浆漏失段,漏失泥浆183.40 m³;表明在深部仍有缝洞储集空间保留下来(图5a)。泥浆漏失段也是油气储产段。顺北804X井也钻遇类似的现象,在T₇⁴界面之下的奥陶系一间房组深度8 050.88 m钻揭热液成因方解石的胶结充填(图5d),包裹体均一温度可达140 ℃,稀土元素具有δEu正异常的特征。在钻井底部约8 350.0 m附近钻遇未被方解石充填的缝洞段,见有钻井放空和泥浆漏失的现象,为高产油气段(图5b)。实际地球物理预测也表明深部缝洞储集空间占比约53%。这些结果表明,深部热液沿断裂活动溶蚀改造型储层具有持续向深部拓展的潜力,愈向深部断裂和热液耦合改造型储层应更为发育(图5b)。

4 四川盆地断裂-流体耦合作用

与塔里木盆地类似,四川盆地经历了加里东期以来基底走滑断裂活动、二叠纪峨眉山大火成岩省火山活动、海西晚期东吴构造抬升运动等影响,中二叠统碳酸盐岩也因此经历了走滑断裂以及沿走滑断裂下行的大气圈层的大气水和源于盆地基底地壳的壳源上行热液流体的改造作用,促使规模优质储集体的发育。

4.1 下行大气水岩溶改造

受东吴运动影响,在继承川中泸州古隆起的基础上,四川盆地南部、东南部等地区发生抬升成为古地貌高地区域^[19],中二叠统茅口组暴露至地表,遭受大气降水岩溶作用。在隆起高点区域,大气水不但在地表施加岩溶改造,也沿着走滑断裂和相关裂缝的通道向下运移渗流对茅口组进行溶蚀作用。岩溶改造储层沿断裂破碎带分布,纵向岩溶作用深度大,发育孔隙-孔洞型储层。

川南、川东南等地区有多口钻井揭示茅口组岩溶改造作用。川南正阳1井钻井揭示茅口组顶部不整合面下的岩心见有大量溶蚀孔洞,钻井过程中见放空现象,表明岩溶缝洞的存在。茅口组主要储集空间类型有孔隙-孔洞型和裂缝-溶洞型,洞穴大小不一,最大可达5 m。福宝1井钻井揭示茅口组岩性以灰色生屑灰岩、砂屑灰岩、粉晶灰岩为主,取心段岩溶作用十分发育,主要见有溶洞、溶沟、溶缝间的残余溶孔、针孔及粒间溶孔,岩溶层累计厚度6.42 m。隆盛1井钻井揭示茅口组为与断裂有关的岩溶缝洞型储层,测试日产气20.6×10⁴ m³。元坝地区茅口组岩溶作用识别出表层风化壳、垂直渗流带、水平潜流带3个岩溶作用带,元坝7、元坝702井区预测有效岩溶储层最大厚度达28 m,平均厚度为13 m^[33]。

通过对川南和川东南地区茅口组的沉积、储层特征进行对比研究,茅口组储层受台内浅滩相带和东吴期不整合面大气淡水溶蚀共同控制。浅滩相沉积是储层发育的物质基础。福宝1井、先探1井、隆盛1井均发育反映高能相带的亮晶生屑灰岩、亮晶砂屑灰岩、灰质白云岩,颗粒滩分别厚15、22、20和9 m,后期叠加准同生期溶蚀和东吴期岩溶作用形成孔隙-孔洞型储层。受东吴运动影响,四川盆地地层发生差异隆升和岩溶作用。但东吴运动的暴露时间相对较短,岩溶作用强度及规模受局部微古地貌的影响较为显著。深大基底断裂及层间断裂控制茅口组岩溶储层的发育。荷包场地区基底断裂在下二叠统内部多表现为双断负花状构造,分支断裂间地层下凹明显,具有拉分构造作用特征,有利于下行大气水岩溶改造作用。

4.2 上行热液溶蚀改造

在中二叠统茅口组沉积时期,构造与沉积分异较弱,四川盆地区域总体处于缓坡台地及台缘斜坡位置。在沉积高点位置,发育高能的颗粒滩,会发生一定程度的弱白云岩化作用。白云岩化浅滩在浅埋藏成岩阶段为高孔渗体,沿断裂上行热液流体易于渗入,使颗粒滩进一步发生热液白云石化,具有似层状分布的特点。热液白云岩化作用多沿基底走滑断裂呈北西-南东向带状展布。

茅口组热液白云岩储层岩性为细-中晶白云岩、硅质白云岩、残余颗粒白云岩,局部含燧石结核和团块,常见白云岩与层状硅质岩互层。泰来6井、丰度狗子水、宝兴两河口剖面为代表的茅三段中部,岩性为亮晶含生屑砂屑的砂糖状白云岩,发育晶间孔与网状缝系统,见有粗晶方解石和白云石的多期充填。白云岩在显微镜下可见生屑颗粒的幻影结构。热液白云岩储层主要发育基质孔隙、构造破裂形成的缝洞两类储集空间,基质孔隙包括晶间孔、晶间溶孔两种类型,主要发育于细-中晶白云岩、砂糖状白云岩及颗粒灰岩中,孔隙分布较均匀,并且部分孔隙连通性较好。

泰来6井岩心揭示,茅口组三段热液白云岩热液破裂缝洞发育,缝洞周缘被马鞍状白云石半充填,发育有丰富的晶间孔隙。泰来6井测井孔隙度为2.9%~5.7%,平均为4.14%。邻区卧龙河地区卧67井钻遇白云岩储层8.44 m,孔隙度7.7%;卧93井钻遇白云岩储层厚11.9 m,孔隙度4.3%。

综合钻井、岩心、野外剖面、区域断裂发育、沉积相展布及白云岩的分布,总结茅口组热液白云岩储层发育的主控因素,即颗粒滩相叠加走滑断裂和热液溶蚀改造作用(图6)。颗粒滩的发育和分布是热液白云岩储层的基础。在茅口组沉积时期,在古地貌相对高的隆起部位发育多期叠置的颗粒滩(图6),为早期白云岩化奠定了基础。受峨眉地裂运动时期拉张构造环境的影响,四川盆地发育一系列基底走滑断裂,基底断裂为富镁热液流体运移提供通道体系,促使颗粒滩发育形成热液白云岩化的相-断-溶储层(图6)。从岩石学分析来看,茅口组白云岩见有大量的雾心亮边白云石和鞍型白云石,稀土元素见有明显的总量偏低、轻稀土略微富集的特点,δEu呈现出明显正异常,其原生流体包裹体温度可达141 ℃~200 ℃,碳氧同位素组成显著偏轻,⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值显著偏高,表明了热液白云岩作用的存在^[44]。

4.3 茅口组断控储层发育模式与分布

4.3.1 断裂-流体耦合改造储层发育模式

综合前面所述,四川盆地茅口组碳酸盐岩储层受颗粒滩相、构造与断裂发育及流体改造联合控制,形成相-断-溶耦合联控型储层,但不同地区又有显著的差异。川南地区大气水沿断裂下行岩溶为主,川西、川北地区受沿断裂上行热液流体影响(图7)。受东吴运动影响,川南等地区局部发生构造抬升,构造抬升位置处大气水沿着走滑断裂下行形成岩溶缝洞型储层。二叠纪峨眉山大成山岩省导致了广泛的热液流体活动,热液沿着断裂上行优先在孔渗性相对较好的颗粒滩或早期弱白云岩化相带发生溶蚀改造,促使热液白云岩化储层的进一步形成。通过U-Pb测年得到热液活动的时间为263~255 Ma,表明在中晚二叠世活动(表1),与该时期峨眉山大火成岩省导致的深部热液活动密切相关。

4.3.2 储层分布特征

与塔里木盆地相比,四川盆地克拉通内走滑断裂整体发育规模较小,部分断裂分层变形特征不明显。川中—川北走滑断裂呈条带状(图8^{[16,18-20,27,44-52]})。川中—川北地区切穿基底至海相层系的条带状走滑断裂带为大尺度走滑基底断裂,具有直立状、正/负花状的典型走滑断裂样式。条带状走滑断裂体系横向延伸长,二/三维地震资料解释表明条带状断裂带基本横跨四川盆地。川南环带状走滑断裂体系横向延伸较短,与川南泸州隆起匹配性好,围绕东吴期泸州隆起及周缘分布。

茅口组一段沉积时期,四川盆地主体处于中/外缓坡相带,仅在川西局部发育少量的台内缓坡颗粒滩。茅口组二段和三段沉积时期,盆地主体处于开阔台地相带,在川中、川北和川东地区发育北西-南东相展布的台缘和台内颗粒滩,与条带状走滑断裂展布基本一致(图8^{[16,18-20,27,44-52]})。台内和台缘滩处于沉积期的微地貌高点位置,有利于局部准同生期发生一定程度的白云岩化。颗粒滩和局部的白云岩化为后期储层发育奠定了基础。

峨眉山大火成岩省时期的玄武岩和侵入岩主要在四川盆地川西地区大规模发育,在川北、川东南等局部地区也有发育。火山活动促使了深部圈层热液流体对流循环,沿着断裂裂缝在孔渗性相对较好的颗粒滩位置渗流,进一步促使热液白云岩化的进行,形成优质白云岩储层。基于野外露头测量和钻井资料,茅口组白云岩主要在川西、川北江油—川中南充—川东南涪陵一带、川东宣汉一带分布,与火山岩分布、切穿基底的条带状走滑断裂、颗粒滩的分布密切相关(图8^{[16,18-20,27,45-52]})。川西地区峨眉山火山岩分布区的洪雅张村、宝兴五龙等野外剖面茅口组见有斑马纹状热液白云岩,厚度达数十米。川中阆中、南充至川东南涪陵一带热液白云岩沿走滑断裂和颗粒滩相带分布,厚度约为10~30 m,其中角探1井钻井揭示白云岩储层厚度15 m,测试获日产气量112.8×10⁴ m³的高产工业气流^[45];川深1井茅口组白云岩厚度为25 m,广探2井厚31 m,泰来6井厚26 m,狗子水剖面厚26.7 m。此外,合川—潼南地区的磨溪39井—潼深4 井—潼深3井一带处于局部隆起的高部位,发育厚层颗粒滩白云岩储层,储层发育条件好;潼深11井在茅二段钻遇13 m白云岩储层,测试获日产气233×10⁴ m³,展示了规模勘探的潜力^[46]。

受东吴运动影响,川中泸州古隆起及周缘发生抬升暴露,遭受大气降水岩溶作用。大气水沿着泸州古隆起南部川南地区环状断裂下行,对茅口组碳酸盐岩产生岩溶改造。泸州古隆起处于岩溶高点区域,其周缘地区,特别是川南地区处于岩溶斜坡位置,往东至川东地区则处于岩溶洼地区域。依据古地貌、沉积相、断裂等分布,泸州古隆起岩溶高点和周边岩溶斜坡区域是岩溶储层发育的有利区域,岩溶储层主要在蜀南—川中地区泸州、自贡、安岳、南充、合川一带的茅口组岩溶高地、岩溶残丘及岩溶斜坡区域^[47](图8)。

5 断控热液改造储层的差异性

美国、加拿大、中东、巴西等多个大中型油气田中都证实有断控热液改造型优质碳酸盐岩储层的发育^[30,53-55],其中美国纽约盆地、加拿大西加拿大盆地所发现的断控热液白云岩储层最具有代表性。把这些地区研究成果与我国塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地断控热液改造型储层进行对比比较(表2^[30,53-54]),可明确断控热液白云岩储层发育的主控因素。

西加拿大盆地中受断控热液改造作用影响的层系为中寒武统—中泥盆统碳酸盐岩,储层的岩石类型主要为泥灰岩、颗粒灰岩、白云岩等^[53]。热液流体来源主要为深部蛇纹岩地层中的热卤水,在向上对流循环时与下渗海水混合形成热流体;在逆冲推覆构造应力作用下,热液流体沿着断裂裂缝体系发生区域性热对流循环,形成热液溶蚀和热液白云岩化储层。储层的储集空间类型主要包括构造和水力破裂缝、溶蚀孔洞、白云岩晶间孔等;热液改造型储层分布范围广,沿断裂带展布达数十公里。优质储层发育的主控因素包括颗粒滩相灰岩的早期白云岩化,后期构造破裂/断裂裂缝改造、热液溶蚀改造、热液白云岩化形成鞍形白云岩储层。

美国纽约地区受断控热液改造作用影响的层系为上奥陶统碳酸盐岩,储层的岩石类型主要为泥灰岩、颗粒灰岩、白云岩等。热液流体来源主要为下伏的砂岩高含水层和深部基底地层中的热卤水;深部热卤水沿着走滑断裂及相关的一些花状破裂构造发生区域性热对流循环,形成热液溶蚀和热液白云岩化储层。储层的储集空间类型主要包括构造和水力破裂缝、溶蚀孔洞、白云岩晶间孔、白云岩化构造角砾间孔隙等;热液改造型储层分布范围广,沿断裂带展布达数十公里。优质储层发育的主控因素包括浅埋藏初期白云岩化及后期构造破裂和沿着断裂热液溶蚀和热液白云岩化作用。

四川盆地中受断控热液改造作用影响的层系主要为中二叠统的碳酸盐岩,储层岩石类型主要为泥灰岩、颗粒灰岩、白云岩等。热液流体来源主要为循环的海水、下伏深部地层中的热卤水等;热液流体沿着走滑断裂及相关的一些裂缝体系发生热对流循 环,形成热液溶蚀和热液白云岩化储层;规模性热液流体活动的驱动力为二叠纪大火成岩省岩浆活动相关热力驱动的热液对流循环。储层的储集空间类型主要包括构造裂缝、溶蚀孔洞、白云岩晶间孔、白云岩化构造角砾间孔隙等。热液改造型储层分布范围广,在川西、川中、川东南等地区广泛发育。优质储层发育的主控因素包括沉积期局部高点颗粒滩灰岩的早期白云岩化,后期构造破裂和沿着走滑断裂热液溶蚀和热液白云岩化作用。

塔里木盆地中受断控热液改造作用影响的层系主要为寒武系至中下奥陶统,储层岩石类型主要为泥灰岩、颗粒灰岩、白云岩等。热液流体来源主要为下伏深部地层中的热卤水等;热液流体沿着走滑断裂及相关的一些裂缝体系发生热对流循环,形成热液溶蚀、热液硅化和热液白云岩化储层;规模性热液流体活动的驱动力为二叠纪大火成岩省岩浆活动相关热力驱动的热液对流循环。储层的储集空间类型主要包括构造裂缝、溶蚀孔洞、硅化构造角砾间孔隙、白云岩晶间孔等;热液改造型储层分布范围广,在顺南地区发育热液硅化型碳酸盐岩储层,古城地区则发生热液白云岩化型储层。优质储层发育的主控因素包括沉积期局部高点颗粒滩灰岩在后期构造破裂和沿着走滑断裂热液溶蚀和热液硅化及白云岩化作用。

鄂尔多斯盆地中受断控热液改造作用影响的层系主要为中寒武统、奥陶系,储层岩石类型主要为泥灰岩、颗粒灰岩、白云岩等。热液流体来源主要为下伏深部地层中的热卤水等。由于鄂尔多斯盆地内部构造相对稳定,走滑断裂和火山活动发育较弱,热液流体活动和热液改造规模都较弱,因此热液改造储层发育较为有限。

综合上述典型实例分析解剖,明确规模优质断控热液改造储层,即相-断-溶联控型储层发育的机理和主控因素。沉积时期位于台内、台缘的高能相带位置形成的颗粒滩相灰岩,在沉积成岩早期发生一定程度的白云岩化作用,后期遭受区域性构造破裂或走滑断裂改造,区域构造应力或大规模火山活动热力驱动区域性热液流体从深部层位向浅部圈层对流循环,促使显著的构造破裂、大规模热液溶蚀、热液硅化、热液白云岩化作用等,由此形成规模性相-断-溶联控型储层。

6 结论

中西部塔里木和四川盆地深层-超深层碳酸盐岩储层受断裂与不同圈层来源成岩流体耦合改造作用,主要包括大气圈层的大气水、地表圈层的海水、下伏基底地壳的壳源热液、碳酸盐岩层内的TSR相关流体等。建立了矿物-元素-同位素融合的流体判识指标,能准确区分不同属性成岩流体类型。

塔里木盆地从塔北、顺北、顺南至古城地区奥陶系碳酸盐岩储层经历的断裂-流体耦合作用类型具有显著的差异性。塔北隆起塔河地区主要以大气水作用为主,形成岩溶缝洞型储层;顺北地区主要的储集空间类型为走滑断控缝洞型储层;塔中、顺南至古城地区主要受热液改造作用,形成热液硅化和热液白云岩化储层;局部颗粒滩相受大气水、热液等改造作用可形成相-断-溶联控储层。热液改造作用形成的储集空间具有持续向超深层拓展的潜力。

四川盆地中二叠统茅口组碳酸盐岩储层受断裂和流体耦合改造作用。川东北、川中、川东南地区热液流体沿北东方向走滑断裂活动,使茅口组颗粒滩相碳酸盐岩发生溶蚀和热液白云岩化作用,形成优质热液改造的相-断-溶联控型储层。受东吴抬升作用影响,四川盆地茅口组发生隆升遭受大气水岩溶作用影响,川中、川南至川东地区依次发育有岩溶高地、斜坡和盆地,岩溶改造作用依次减弱。

基于国内外典型实例对比分析,明确相-断-溶联控碳酸盐岩储层发育的机理和主控因素。沉积时期位于台内、台缘的高能相带颗粒滩相构成优质储集体的基础,后期遭受区域性构造破裂或走滑断裂改造,区域构造应力或大规模火山活动相关的区域热力场驱动热液流体从深部圈层向浅部圈层对流循环,促使大规模热液溶蚀、热液硅化、热液白云岩化作用等,由此形成规模性断控热液改造型储层。

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基金资助

国家自然科学基金项目(U24B6001)

国家自然科学基金项目(U2244209)

国家自然科学基金项目(42141021)

企业勘探生产项目(YK-2023-10)

企业勘探生产项目(P26062_2)