乔占峰, 于洲, 佘敏, 潘立银, 张天付, 李文正, 沈安江. (2023). 中国古老超深层海相碳酸盐岩储集层成因研究新进展* [J]. 古地理学报, 25(6): 1257-1276.
QIAO Zhanfeng, YU Zhou, SHE Min, PAN Liyin, ZHANG Tianfu, LI Wenzheng, SHEN Anjiang. (2023). Progresses on ancient ultra-deeply buried marine carbonate reservoir in China[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(6): 1257-1276.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.05.083
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中国古老超深层海相碳酸盐岩储集层成因研究新进展*
乔占峰1,2, 于洲1,2, 佘敏1,2, 潘立银1,2, 张天付1,2, 李文正1,2, 沈安江1,2
1 中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023
2 中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室,浙江杭州 310023
通讯作者简介 沈安江,男,1965年生,博士,教授级高级工程师,主要从事碳酸盐岩沉积储层研究工作。E-mail: shenaj_hz@petroChina.com.cn。

第一作者简介 乔占峰,男,1983年生,博士,高级工程师,主要从事碳酸盐岩沉积储层地质研究工作。E-mail: qiaozf_hz@petroChina.com.cn。

收稿日期:2023-04-10 修回日期:2023-05-22
基金资助:*中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目(编号: 2021DJ0503)资助
摘要

中国海相碳酸盐岩具有年代老、埋藏深、后期成岩改造强的特点,随着油气勘探逐渐走向“更老”、“更深”、“更复杂”的深层和超深层,碳酸盐岩储集层成因和分布规律成为影响油气勘探开发效益的关键因素。近年来,在塔里木、四川和鄂尔多斯三大海相盆地多个领域取得了一系列的勘探新突破,古老超深层碳酸盐岩储集层地质理论和相关技术取得显著进展。地质理论进展包括: (1)近地表环境成因孔隙构成超深层碳酸盐岩储集层的基础; (2)浅埋藏阶段的孔隙保持是决定超深层储集层质量的关键; (3)构造活动驱动深部流体运动对储集层质量具有重要改造作用。技术进展包括微量稀土元素面扫、激光U-Pb定年、团簇同位素和非传统稳定同位素等储集层地球化学实验分析技术和高温高压溶蚀模拟技术。勘探的深入和分析技术手段的进步,显著提升了对三大盆地重点领域规模优质储集层发育及分布规律的认识,为下步油田勘探取得重大突破奠定了基础。

关键词: 超深层; 海相碳酸盐岩; 规模优质储集层; 储集层类型; 地质理论进展; 技术进展; 中国典型盆地
中图分类号:P581 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)06-1257-20
Progresses on ancient ultra-deeply buried marine carbonate reservoir in China
QIAO Zhanfeng1,2, YU Zhou1,2, SHE Min1,2, PAN Liyin1,2, ZHANG Tianfu1,2, LI Wenzheng1,2, SHEN Anjiang1,2
1 PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology,Hangzhou 310023,China
2 Key Laboratory of Carbonate Reservoir,CNPC,Hangzhou 310023,China
About the corresponding author SHEN Anjiang,born in 1965,is a professor-level senior engineer with Ph.D. He is mainly engaged in research on carbonate reservoir.

About the first author QIAO Zhanfeng,born in 1983,is a senior engineer with Ph.D. He is mainly engaged in research on carbonate reservoir geology. E-mail: qiaozf_hz@petroChina.com.cn.

Fund:Scientific Research and Technology Development Project of PetroChina(No.2021DJ0503)
Abstract

Marine carbonate rocks in China are featured by old age,deep burial,and strongly diagenetic modification during the burial stage. As oil and gas exploration gradually extents towards “older”,“deeper”,and “more complex”deep and ultra-deep layers,the genesis and distribution patterns of carbonate reservoirs have become key factors affecting the efficiency of oil and gas exploration and development. In recent years,a series of exploration breakthroughs have been made in multiple exploration fields in the Tarim,Sichuan,and Ordos basins. Meanwhile,substantial progress has been made both in the geological theory and in the related technologies of ancient deep carbonate reservoirs. Advancements in geological theory include the following aspects: (1)porosity formecl under subaerial environment constitutes the basis of the deeply-buried carbonate reservoir size;(2)the preservation of porosity during shallow burial period is the key to the size and the quality of the deeply-buried dolomite reservoir;and(3)tectonic activity-driven deep fluid movements play an important role in modifying the quality of deeply-buried carbonate reservoir. Technological advancements include: (1)geochemically experimental analysis techniques such as surface scanning of trace rare earth elements,laser-ablation U-Pb dating,clumped isotopes and non-traditional stable isotopes;and(2)high-temperature and high-pressure dissolution simulation techniques. The deepening of exploration realm and the progress of analytical techniques have significantly improved the understanding of the development and distribution of large-scale high-quality reservoirs in deeply buried fields of the three major basins,and built the foundation for major breakthroughs in oil field exploration in the future.

Key words: ultra-deeply buried strata; marine carbonate rock; large-scale high-quality reservoir; reservoir type; advancement in geological theory; technological advancement; Chinese typical basin

海相碳酸盐岩在全球油气勘探中占有重要地位, 全球剩余可采储量的47.5%(约2000×108 t)来自碳酸盐岩(穆龙新和万仑昆, 2017)。中国海相碳酸盐岩主要分布于塔里木、四川和鄂尔多斯三大克拉通盆地, 具有分布面积广、资源量大(油340×108 t、气24.30×1012 m3)、探明率低(油4.56%、气13.17%)等特点, 勘探潜力巨大。与国外克拉通碳酸盐岩不同的是, 中国海相碳酸盐岩主要处于三大叠合盆地的下构造层, 经历了多旋回构造演化, 具有年代老、埋藏深、成岩改造强等特征(沈安江等, 2019), 这导致中国海相碳酸盐岩储集层的发育和分布异常复杂, 制约着油气勘探的成功率。经过几代石油人的持续努力, 在中国海相碳酸盐岩地层中已发现了如任丘、塔河、普光、龙岗、元坝、安岳等一系列大型、特大型油气田, 展现出其具有巨大的油气勘探潜力。近年来, 油气勘探逐渐走向“更老”、“更深”、“更复杂”的超深层(埋深>6000 m), 并取得一系列重大勘探成果, 其中塔里木盆地满加尔凹陷区奥陶系和四川盆地蓬莱地区灯影组在超过8000 m的超深层钻探了一系列的高产油气井, 揭示出中国古老超深层碳酸盐岩油气勘探潜力巨大。然而, 进入超深层, 也面临着勘探成本升高、投资增大及碳酸盐岩储集层非均质性强等系列问题。因此, 碳酸盐岩储集层的成因和时空分布规律成为影响油气勘探开发效益的关键因素。

前人围绕深层—超深层碳酸盐岩储集层成因提出了诸多认识, 如深层和古老海相碳酸盐岩储集层仍具相控性、原始高能丘滩相带和早期白云石化作用是优质储集体发育的基础(沈安江等, 2019, 何治亮等, 2021)、后期深埋环境下的构造—流体活动是深层优质碳酸盐岩储集层形成—保持的关键(何治亮等, 2021)等观点, 为前期深层碳酸盐岩有利区带预测提供了重要指导。近年来, 随着塔里木、四川和鄂尔多斯三大海相盆地在超深层碳酸盐岩多个领域取得了一系列的勘探新突破, 如前寒武系微生物白云岩储集层、走滑断裂相关缝洞型储集层、含蒸发岩碳酸盐岩体系等领域。随着科技进步和研究深化, 古老超深层碳酸盐岩储集层地质理论和相关技术均取得显著进展, 其促进了对古老超深层碳酸盐岩储集层发育规律的认识深化, 对于下一步的油气勘探亦具有重要的指导意义。

1 古老超深层碳酸盐岩储集层类型与特征

前人根据地质背景、物质基础和成孔作用等储层发育条件, 将碳酸盐岩储集层划分为沉积型、复合型和成岩型共3大类11亚类(沈安江等, 2015), 有效指导了塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地的海相碳酸盐岩油气勘探。而随着油气勘探进入超深层, 甚至特深层, 不同地质背景下的储集层在物质基础、孔隙保持机制和成岩演化方面亦表现出一定的特殊性, 从而影响到对规模优质储集层的预测。基于此, 笔者将三大盆地超深层碳酸盐岩储集层划分为4种类型, 分别是微生物白云岩储集层、与蒸发岩共生白云岩储集层、与灰岩共生白云岩储集层和灰岩断控储集层(表 1)。

表 1 塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地超深层碳酸盐岩储集层类型与特征 Table 1 Types and characteristics of ancient ultra-deeply buried marine carbonate reservoir in Tarim, Sichuan and Ordos Basins

微生物白云岩储集层以叠层石白云岩和凝块石白云岩为主要储集体, 在四川盆地震旦系灯影组和塔里木盆地震旦系奇格布拉克组、肖尔布拉克组中均有发育(邹才能等, 2014; 乔占峰等, 2019; 赵路子等, 2020)。针对微生物白云岩储集层的天然气勘探发现以四川盆地最为显著, 如部署于川中古隆起北斜坡的蓬探1井在灯二段微生物白云岩储集层段获得天然气121.98×104 m3/d(赵路子等, 2020)。该类储集层主要形成于台缘丘滩体中, 储集岩性主要为藻叠层石白云岩、藻凝块石白云岩、藻砂屑白云岩和泡沫绵层石白云岩, 储集空间包括格架孔、粒间孔、溶蚀孔洞和溶缝等。储层质量受沉积相、准同生溶蚀作用和断裂控制, 孔隙以丘滩相微生物岩基质孔为基础, 经历暴露溶蚀后发育溶蚀孔洞, 部分叠加后期断裂改造。

与蒸发岩共生白云岩储集层发育于蒸发岩—白云岩共生体系的盐间白云岩和盐下白云岩中, 包括丘滩体、膏溶孔和生物扰动型3类白云岩储集层, 在四川盆地龙王庙组、飞仙关组、嘉陵江组和雷口坡组, 塔里木盆地肖尔布拉克组、吾松格尔组和沙依里克组及鄂尔多斯盆地马家沟组均有分布(杜金虎等, 2016; 于洲等, 2018, 2021, 2022, 2023; 付玲等, 2020; 张天付等, 2020; 廖荣峰等, 2022)。与蒸发岩共生白云岩储集层是海相碳酸盐岩油气勘探的重要目标之一, 如鄂尔多斯盆地专门针对此类储集层部署的风险探井——米探1井首次在奥陶系盐下马四段白云岩层段获得天然气无阻流量35.241 4×104 m3(付金华等, 2021)。该类储集层形成于台内潟湖边缘的丘滩体中, 储集岩性为鲕粒云岩、砂屑云岩、粉—细晶白云岩及微生物白云岩, 储集空间包括溶孔、粒间(溶)孔、粒内孔、晶间(溶)孔和窗格孔等。储层质量受沉积相和准同生溶蚀作用控制, 孔隙以准同生基质孔为主, 准同生暴露溶蚀孔为辅。

与灰岩共生的白云岩储集层是指白云岩与灰岩在空间上以夹层或互层状产出的储集层类型, 在四川盆地栖霞组、茅口组、长兴组和塔里木盆地蓬莱坝组、鹰山组均有分布(乔占峰等, 2020, 2023; 杨雨等, 2021; 朱茂等, 2022)。该类储集层形成于台缘、台内和缓坡高能颗粒滩相中, 储集岩性为颗粒白云岩和晶粒化的颗粒白云岩, 储集空间以晶间溶孔和溶蚀孔洞为主。储层质量受沉积相、白云石化作用和热液溶蚀作用控制, 其以准同生基质孔为基础, 但埋藏云化破坏孔隙, 而热液溶蚀改善储集层, 故云化路径控制该类储层质量。准同生云化滩主控规模白云岩的分布, 断裂控制优质储集层分布。

灰岩断控储集层主要发育于塔里木盆地中奥陶统, 以塔里木盆地富满地区、哈拉哈塘地区中奥陶统最为典型(王清华等, 2022; Qiao et al., 2023)。该类储集层储集空间为缝洞复合体, 主要受走滑断裂和埋藏溶蚀作用控制。走滑断裂分段性控制储集层分布和质量, 其中张扭段为汇水区, 断裂联通性好, 有利于大气流体下渗以及热流体上涌以对储集层进行溶蚀改造, 而压扭段为分流区, 岩溶储集层多发育于断裂带两侧, 因断裂开启度低, 故受流体改造程度低于张扭段(王清华等, 2022)。

2 古老超深层碳酸盐岩储集层成因的地质理论进展

在形成规模优质储集层过程中, 不同类型碳酸盐岩在成储的关键控制因素方面具有一定的差异, 但也存在一定的共性。该共性可总结为3个方面: (1)除灰岩断控储集层外, 近地表环境成因孔隙构成了超深层碳酸盐岩储集层的基础; (2)浅埋藏阶段的孔隙保持机制是决定超深层碳酸盐岩储集层质量的关键; (3)在储层改造机制方面, 深部构造本身可形成规模优质储集层, 而伴生流体活动可以改善或破坏先期储集层质量。

2.1 近地表环境成因孔隙构成超深层碳酸盐岩储集层的基础

大量实例解剖揭示, 尽管超深层碳酸盐岩储集层都不同程度地受到了后期成岩改造的影响, 但沉积期是决定古老深层白云岩储集层发育规模的重要基础, 与地表大气水环境相关的溶蚀作用是决定储集层质量的关键因素。

2.1.1 有利的沉积相带是优质储集层发育的基础 沉积相带对于超深层碳酸盐岩储集层的贡献已有共识, 表现为超深层碳酸盐岩储集层发育仍具有明显的相控性, 原始沉积物中的先存孔隙是储集层发育的物质基础(马永生等, 2011)。以川中地区灯影组为例, 钻井取心及岩石学观察揭示, 埋深7000~8000 m的川中古隆起北斜坡灯影组台缘带储集层在岩石类型和孔隙类型方面与埋深5000~6000 m的高石梯—磨溪地区相似, 均以丘滩复合体的藻凝块白云岩、藻叠层白云岩、藻砂屑白云岩和泡沫绵层石白云岩发育的大量原生格架孔或粒间孔为主, 这些孔隙也构成后期溶蚀改造的先存孔隙(周进高等, 2015; 谭磊等, 2022; 杨雨等, 2022)。

沉积相带对超深层储集层的重要控制作用不仅体现在微生物白云岩和颗粒白云岩等沉积组构保留的白云岩中(沈安江等, 2019), 而且对于相当部分的、传统认为是埋藏成因的晶粒白云岩也同样如此。以四川盆地栖霞组和塔里木盆地蓬莱坝组为例(乔占峰等, 2021, 2022), 其在普通单偏光镜下显示为晶粒白云岩, 孔隙以晶间孔为主, 但经过原岩结构恢复后可知, 这些所谓的“晶粒白云岩”的原岩具颗粒结构, 且所谓的“晶间孔”事实上为粒间孔, 这同样体现出原岩结构或沉积相带的重要控制作用。

因此, 有利微相是优质储集层发育的物质基础, 如丘滩体。颗粒在堆积过程中产生的粒间孔、微生物凝块或微生物叠层之间的格架孔和微生物腐烂产生的窗格孔等先存孔隙, 构成了储集层的初始孔隙。此外, 这些先存孔隙为后期成岩流体的进入和改造提供了渗流通道, 如部分颗粒白云岩经过埋藏白云石化流体改造后形成具有晶粒结构的晶粒白云岩。而一些发育于潟湖和丘滩间海等低能环境中的沉积物虽在早期发生白云石化, 但因缺乏先存基质孔隙, 在后期成岩过程中流体难以进入以进行改造, 故往往难以形成优质白云岩储集层。

2.1.2 与地表大气水环境相关的溶蚀作用是决定深层储集层质量的关键 碳酸盐岩礁滩沉积体本身可发育大量的基质孔, 但是准同生溶蚀作用和表生期岩溶改造作用对于储集层质量提升仍具有重要意义(乔占峰等, 2022)。

准同生溶蚀对储集层物性优化具有决定性作用。以四川盆地下三叠统飞仙关组为例, 孔隙类型及其与层序的密切关系揭示出准同生溶蚀作用对储集层质量提升的贡献非常大(Qiao et al., 2016)。尽管现今该储集层段孔隙度大于2%的地层占比高达90%, 但以原生粒间孔为主的储集层段占比仅50%左右, 故溶蚀作用形成的粒内溶孔和膏模孔在储集层中占有重要地位。统计显示, 早期接受溶蚀改造与未接受溶蚀改造的储集层孔隙度之差可达8%(Qiao et al., 2016, 乔占峰等, 2022), 表明层序界面相关溶蚀作用改造对于提升储集层物性和规模具有重要意义。

不论是灰岩还是白云岩, 表生岩溶作用都对储集层物性具有显著的改善作用。以鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组盐下和深层为例, 靠近风化壳剥蚀窗口区的白云岩储集层普遍发育溶蚀孔洞, 而远离风化壳剥蚀窗口区的则受表生岩溶作用改造弱, 甚至仍能见到较多准同生期充填的石盐充填矿物, 储集空间仍以早期粒间(溶)孔、粒内(溶)孔和膏模孔等先存孔隙为主(于洲等, 2018、2023; 丁振纯等, 2021)。再以川中地区灯影组二段为例(杨雨等, 2022), 与桐湾运动相关的不整合面导致的溶蚀作用对灯影组储集层具有重要的改造作用, 溶蚀孔洞在经历了一定程度的充填后, 仍保留有大量的储集空间。

2.2 浅埋藏阶段孔隙保持机制是决定超深层储集层质量的关键

2.2.1 云化路径是影响白云岩储集层孔隙保持的重要机制之一 四川盆地油气勘探中一直有“没有白云岩就没有储集层”的说法。白云岩是深层规模优质储集层发育的主要储集岩石类型, 前人在近200年的研究中提出了蒸发泵、渗透回流、海水、埋藏、热液、微生物等多种白云石化作用模式, 这对于解释白云岩的形成和分布规律具有重要的指导意义(Warren, 2000)。然而, 中国海相盆地白云岩主要位于下古生界及之下地层, 多经历了复杂的构造变动, 遭受过强烈的成岩期后改造, 因此单一的成因机制解释不足以深刻地认识古老深层白云岩的形成过程以及相关储集层的发育规律。近年来, 多位学者从多期云化作用的叠加改造机制(Guo et al., 2016; Veillard et al., 2019; Lukoczki et al., 2019; Ngia et al., 2019; Liu et al., 2021; 乔占峰等, 2020, 2021, 2022, 2023; 沈安江等, 2022b)角度来认识古老白云岩的形成路径及其对储集层的贡献, 取得显著进展。

乔占峰等(2020)通过将岩石学观测、常规地球化学分析与激光原位U-Pb定年技术结合, 对塔里木盆地蓬莱坝组白云岩进行研究, 认为厚达200余米的蓬莱坝组白云岩为3期白云石化作用叠加改造的结果。这3期白云石化作用分别为准同生期白云石化作用、晚奥陶世到志留纪浅埋藏白云石化作用(464—433 Ma)和泥盆纪埋藏白云石化作用(约382± 29 Ma)(图 1), 其中浅埋藏白云石化作用会对准同生白云石进行重结晶改造, 并将部分灰岩交代为白云岩, 而埋藏白云石化作用表现为白云石次生加大。在多期白云石化作用下, 埋藏晶粒白云岩的形成路径可划分为2种类型: (1)准同生白云岩经埋藏白云石化作用的重结晶改造后形成Ⅰ 型埋藏白云岩, 表现为细中晶(残余)颗粒白云岩; (2)灰岩在浅埋藏期通过交代作用形成Ⅱ型埋藏白云岩, 表现为中粗晶他形白云岩(图 1)。由于准同生白云岩有利于继承基质孔, 且这些基质孔在埋藏期构成了流体运移的通道, 因此准同生白云岩的发育规模一定程度上也决定了埋藏白云岩的发育规模(乔占峰等, 2023)。同时, 准同生白云岩的埋藏白云石化主要表现为岩石结构和孔隙形态的转变, 这也决定着白云岩储集层的规模(乔占峰等, 2021), 而周围灰岩的云化交代则更多表现为对先期孔隙的充填。

图 1 塔里木盆地永安坝剖面蓬莱坝组规模白云岩形成路径模式(据乔占峰等, 2021)Fig.1 Forming path pattern of the Penglaiba Formation dolomite in Yong'anba section of Tarim Basin(after Qiao et al., 2021)

对塔里木和四川盆地重点白云岩层系进行的成岩序列和孔隙演化解剖, 可进一步解释白云岩的云化路径对储集层质量具有重要的控制作用(图 2)。准同生白云石化作用的发生阶段和发育程度对于超深层白云岩和白云岩储集层的规模与质量至关重要, 表现为白云石化作用越早, 浅埋藏期胶结、压实和压溶作用越弱, 则其对于孔隙保持的意义更加明显。根据白云石化作用发生阶段, 可划分出云化保持型、云化改造型和灰岩埋藏云化型3种云化路径(沈安江等, 2022b)。如白云石化较早的鱼洞梁剖面飞仙关组自准同生期遭受白云石化作用后, 后期改造非常弱, 为典型的云化保持型, 其准同生基质孔基本得以保存, 具有最优的储集层物性; 四川盆地罗家寨飞仙关组、龙王庙组及塔里木盆地肖尔布拉克组鲕粒白云岩和蓬莱坝组晶粒白云岩自准同生期白云石化后, 在埋藏期又进一步经历了白云石化改造, 属于云化改造型, 其准同生基质孔也得到了较大程度的保存; 而塔东鹰山组属于埋藏期白云石化作用直接交代灰岩而成, 其不利于储集层发育, 主要受断裂控制, 基质孔发育规模欠佳(图 2)。因此, 云化路径对于岩石孔隙经过浅埋藏期后能否保持至关重要。

图 2 塔里木盆地和四川盆地典型储集层溶蚀作用和白云石化作用与孔隙演化的关系Fig.2 Relationship between dissolution and dolomitization stage with pore evolution of typical reservoirs in Tarim Basin and Sichuan Basin

2.2.2 蒸发岩对共生碳酸盐岩储集层孔隙保持的贡献 蒸发岩—白云岩共生体系可划分为同层共生型和垂向叠加共生型2种类型。共生方式的不同, 造成蒸发岩对白云岩储集层的影响存在差异。

对于同层共生型而言, 蒸发岩对白云岩储集层的影响更多地表现在准同生期的白云石化和初始孔隙形成的物质基础方面。在蒸发潮坪环境中, 强烈的蒸发作用导致海水浓缩, 硬石膏以结核状或晶体状析出并弥散分布于沉积物中; 而伴随着硬石膏的析出, 流体中Mg2+/Ca2+值升高, 为白云石化作用提供了充足的Mg2+来源, 致使灰泥快速发生准同生白云石化并形成含硬石膏结核或柱状晶泥粉晶白云岩。该类白云岩的基质孔隙虽不发育, 但其内部弥散分布的硬石膏结核或晶体具有易溶的特点, 遭受溶蚀作用后即可形成优质膏溶孔型白云岩储集层(郑剑锋等, 2013; 于洲等, 2020, 2023; 周进高等, 2020)。

对于垂向叠加共生型而言, 也就是通常的盐下白云岩体系, 其具有更为有利的规模优质储集层发育潜力。首先, 垂向共生型代表了海水环境的显著变化, 在从早期的正常开阔环境转变为受限环境过程中, 过渡段往往有利于丘滩体的规模发育, 成为规模优质储集层的物质基础, 如鄂尔多斯盆地奥陶系盐下地层(于洲等, 2018, 2021, 2022, 2023)、塔里木盆地中寒武统膏盐岩之下的肖尔布拉克组(杜金虎等, 2016)和吾松格尔组(张天付等, 2020)均发育规模丘滩体。其次, 膏盐岩的地层压力和物性封闭作用有助于形成异常压力, 在一定程度上减缓了压实作用, 有利于盐下地层孔隙的保存。最后, 由于上覆蒸发岩具有较高的热导率, 使得下伏碳酸盐岩层系中热量较低, 减缓了成岩作用进程(刘文汇等, 2016)。另外, 蒸发岩矿物与烃类易于发生硫酸盐还原作用形成H2S, 而H2S气体可形成具有腐蚀性的氢硫酸并对碳酸盐岩储集层进行溶蚀改造, 也可进一步改善储集层渗流能力(朱光有等, 2006; 蔡春芳和赵龙, 2016; Jiang et al., 2018)。

因此, 对于与蒸发岩共生的白云岩体系, 不仅应考虑白云岩地层内本身共生的蒸发岩, 而且还应该从宏观地层结构上进行整体分析, 以更深刻地认识储集层发育规律。

2.3 构造活动驱动深部流体运移对储集层质量的重要改造

塔里木、四川和鄂尔多斯三大盆地碳酸盐岩地层在沉积期后都经历了多期次构造运动, 伴随着复杂的深部流体活动, 加之碳酸盐岩较强的化学活泼性特点, 造成其容易遭受埋藏成岩改造。对于深部流体活动对储集层的影响一直存在不同观点: 一部分学者认为埋藏溶蚀作用是碳酸盐岩储集层形成的重要机制, 流体包括TSR、有机酸、热液等(朱光有等, 2006; 朱东亚等, 2015; 蔡春芳等, 2016); 另一部分学者认为埋藏热液溶蚀作用只是对碳酸盐岩储集层进行调整, 局部可形成储集层, 但同时造成另一部分储集层的充填, 故增孔作用有限(沈安江等, 2015)。随着富满油田的发现, 对于深部构造活动驱动的热液流体作用又掀起了新一波研究热潮, 进展包括2个方面:一是走滑断裂本身在活动过程中可形成有利储集空间, 二是走滑断裂活动伴生的热液流体对储集层的进一步改造。

2.3.1 走滑断裂本身在活动过程中可形成有利储集空间 走滑断裂是主要由扭应力或剪应力引起的地层岩体沿着某些构造边界或特定的构造带发生走滑作用的断裂。以塔里木盆地奥陶系为例, 其先后经历了中晚加里东期、海西期、印支期和燕山期等多期运动改造(汤良杰等, 2012; 陈洪汉等, 2016), 扭应力或剪应力的大小和方向、地层岩体的变形差异以及多期次的构造叠合等均会产生不同类型的走滑断裂及构造样式。不同构造部位应力分布差异较大, 导致岩体的变形样式表现出纵向分层性和平面分段性, 前者表现为纵向上深层以主干断裂为主, 浅层以雁列式、马尾状等分支断裂为主, 而后者则表现为平面上可根据受力作用不同分为叠接挤压段、叠接拉分段、线性走滑段等。由于走滑断裂面不平整, 因此在走滑断裂活动过程中会形成大量的断层角砾砾间孔、断层空腔和裂缝带(王清华等, 2022), 而这些均可构成优质的储集空间。一般来说, 应力越大, 走滑断裂的级次或规模就越大, 活动性也越强, 并造成断层控制的裂缝发育带及其溶蚀孔洞的范围越大, 且主干断层控制的缝洞储集层规模大于分支断层。同时, 断层活动强度越大, 缝网系统发育程度也就越高, 断控缝洞储集层质量就越好。

2.3.2 走滑断裂伴生流体活动对储集层的进一步改造 走滑断裂是驱动多种流体运移的重要动力和通道。Qiao等(2023)通过对哈拉哈塘油田一间房组和鹰山组岩溶储集层中不同期次孔缝洞中充填的方解石进行U-Pb定年和碳氧团簇同位素分析发现, 塔北隆起中上奥陶统经历了多期次的构造活动改造, 可识别出7期相关的方解石, 涉及大气水、热液和地层水等多种流体活动(图 3), 而每一期的流体活动都可能在温度、压力变化过程中引发溶蚀和充填, 从而对储集层进行改造。勘探开发实践揭示, 溶蚀作用对缝洞体的扩大和方解石胶结造成的缝洞体分割是导致地下断控储集层非均质性异常强烈的重要因素之一(吕海涛等, 2021)。

图 3 塔里木盆地哈拉哈塘地区奥陶系构造埋藏演化与流体活动模式(据乔占峰等, 2023; 有修改)Fig.3 Tectonic-burial evolution and fluids activities history of the Ordovician in Halahatang area, Tarim Basin (modified from Qiao et al., 2023)

3 碳酸盐岩储集层成因实验分析技术进展

碳酸盐岩储集层成因实验研究包括2个方面: 一是通过对成岩产物的地球化学分析, 反演储集层经历的成岩作用过程, 进而认识储集层成因机制; 二是通过设置类似地下成岩环境的实验条件, 尽可能逼真地模拟成岩过程, 从正演的角度认识储集层的形成演化过程。近年来, 勘探生产的需要与当前科技进步相结合, 极大地促进了碳酸盐岩储集层实验分析技术的发展, 为古老超深层碳酸盐岩储集层成因机制研究和分布刻画提供了重要的支撑。

3.1 碳酸盐岩成岩成储过程实验分析技术

近年来, 微量稀土元素面扫描、激光U-Pb定年、团簇同位素和镁同位素等新技术的进步, 显著推动了碳酸盐岩成岩成储过程研究。但是, 由于古老超深层碳酸盐岩成岩演化的复杂性, 也使得各项技术在应用过程中有很多需要注意的地方。

3.1.1 微量稀土元素面扫描技术 依据碳酸盐岩各成岩组构的微量元素特征, 可以识别成岩流体性质, 进而判断成岩环境。前期主要采用全岩溶液法测试, 但由于需要取样50 mg, 并且只适用于成分均质的碳酸盐岩胶结物, 导致其应用难度较大。近年来, 激光原位法和激光面扫描技术发展迅速。激光原位法可以获取单点(10~100 μm)的微量元素特征, 但是容易遗漏多种结构组分并存的多组构信息。激光面扫描成像法由于原位分析具有高分辨率(间隔>5 μm)和极高的精度(10-9)等优势, 不仅可以快速、全面获得各个成岩组构的微量元素组成特征, 而且可得到从单个元素到元素比值的平面空间分布特点(图 4)以及任意线段和任意方位的元素定量数据, 因此对于单矿物形成过程中的成岩流体示踪和成岩环境识别具有重要意义。

图 4 塔里木盆地蓬莱坝组中粗晶白云岩微量与稀土元素面扫结果(据乔占峰等, 2021)Fig.4 Surface scan results of trace and rare earth elements of medium coarse crystal dolomite in the Penglaiba Formation of Tarim Basin(after Qiao et al., 2021)

针对中国超深层白云岩多具有埋藏重结晶或多期生长的特点, 高精度微量稀土元素面扫描技术为深入解剖白云石形成过程中微量稀土元素的分布特征、进而解析流体来源和成岩环境提供了先进手段。需要指出的是, 稀土元素的平面成像受到黏土矿物的严重影响, 因此使用该方法时需要结合U、Th含量和传统阴极发光技术和地球化学分析, 确定其是否能够代表碳酸盐矿物中的稀土含量。如图 4, 沿缝合线黏土富集部位稀土元素含量明显更高。

3.1.2 激光U-Pb定年技术 近年来, 基于LA-ICP-MS的U-Pb定年技术取得了显著进步, 与现有的溶液法U-Pb等时线定年相比, 其优势在于: (1)样品制备简单, 无需复杂的化学处理; (2)样品用量少, 空间分辨率高(通常激光斑束直径100 μm); (3)分析速度快(单点分析时长小于3 min); (4)实验成功率高。因此, 激光U-Pb同位素定年技术更适用于古老碳酸盐岩的成岩年代学和成藏年代分析, 并已取得较好的应用效果, 如用来分析生物碎屑(Li et al., 2014)、方解石脉(Coogan et al., 2016; Roberts and Walker, 2016; Nuriel et al., 2017)、古土壤(Methner et al., 2016)、方解石胶结物(Godeau et al., 2018)和微生物白云岩(沈安江等, 2019)。

必须强调的是, U-Pb定年的理论基础是矿物形成后便立即与外界流体隔绝而进入封闭状态, 但古老超深层碳酸盐岩实际上大多经历了多期成岩改造, 故矿物的定年结果仅代表了最后一期成岩改造的时间。如乔占峰等(2021)对塔里木盆地蓬莱坝组埋藏白云石进行的定年分析表明, 随着白云石重结晶程度增强, 测试年龄则越晚, 表明其反映了埋藏白云石化的改造过程。因此, 在应用激光U-Pb定年技术对古老碳酸盐矿物进行分析时, 对矿物进行成岩蚀变分析必不可少, 如此才能更好地解释年龄结果所代表的地质含义。

3.1.3 团簇同位素 碳酸盐矿物团簇同位素温度计原理是基于碳酸盐矿物中CO2质量数为47的同位素的浓度(13C—18O 化学键的浓度)只取决于温度, 而与成岩流体的δ13C和 δ18O 无关, 因此可根据CO2中质量数为47的同位素的浓度求解出温度(Eiler and Schauble, 2004)。该方法主要应用于古温度重建和成岩流体示踪研究(如: MacDonald et al., 2017; Mangenot et al., 2018; Swart et al., 2019; Al-Ramadan et al., 2020; Fiebig et al., 2021), 不仅解决了无法获取包裹体均一温度矿物(缺少盐水包裹体)的形成温度问题, 而且通过对含烃类包裹体宿主矿物(无伴生盐水包裹体)团簇同位素测试, 解决了烃类捕获温度的问题, 可为油气成藏史重建提供重要参数。碳酸盐矿物团簇同位素还可为成岩流体属性示踪提供参数, 因为碳酸盐矿物 δ18O 受温度、成岩流体属性和分馏系数控制, 故通过团簇同位素(Δ47)测试获取矿物形成温度, 再测试矿物的 δ18O 值, 就能求解成岩流体属性(分馏系数是常量)。

也有研究显示, 碳酸盐矿物团簇同位素在经历高温环境后可能发生固态重排(Stolper and Eiler, 2015)。对于中国超深层碳酸盐岩来说, 其都经历了长期的高温埋藏环境, 若不经过固态重排校正, 可能会得出误导性的地质认识。Qiao等(2023)针对哈拉哈塘奥陶系的研究显示, 形成于近地表的孔洞方解石经历埋藏高温后发生固态重排, 用团簇同位素法测得温度高达80 ℃, 但经模拟校正后为30 ℃左右, 与实际地质条件更为吻合。Veillard等(2019)针对澳大利亚东北部Marion平原埋藏深度小于1 km的中新统白云岩, 应用团簇同位素法和X衍射法重点分析了低温条件下白云石的重结晶作用, 指出白云石在浅埋藏条件下的重结晶作用发生于非常低的水岩比条件下, 溶蚀—再沉淀过程会对白云石的团簇同位素温度和氧同位素造成影响, 变化幅度可达3‰。因此, 对埋藏白云岩地球化学特征分析时, 如果不考虑重结晶改造, 可能会造成错误的解读。

3.1.4 镁同位素 镁(Mg)是地壳中第八丰富的元素, 广泛分布在地球的各大储库中, 其中白云岩是最主要的储库之一。Mg具有3种稳定同位素, 分别为24Mg、25Mg和26Mg, 相对丰度分别为78.99%、10.00%和11.01%(Catanzaro et al., 1966; Rosman and Taylor, 1998)。近年来, 随着多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)和标准—样品交叉测试法(SSB)的推广和应用, 高精度Mg同位素实验数据已经能够满足于探究白云岩形成过程中流体的来源和迁移规律(Galy et al., 2001, 2003)。目前, 白云岩Mg同位素已得到了广泛的测量, δ26Mg值范围为-3.25‰~-0.38‰, 显著高于灰岩(-5‰~-3‰; Hoefs, 2015; Teng, 2017)(图 5)。此外, 白云岩的矿物组成简单, Mg同位素对诸如溶蚀作用、早期成岩作用、埋藏蚀变作用和热液蚀变作用等沉积后生作用具有较强的抵抗性(Jacobson et al., 2010; Geske et al., 2012; Fantle and Higgins, 2014; Fantle et al., 2020)。

图 5 地球地质储库的δ26Mg值分布范围(据Hoefs, 2015; Teng, 2017; 有修改)Fig.5 Geogeological reservoir distribution range of 26Mg value(modified from Hoefs, 2015; Teng, 2017)

前人研究表明, 白云岩形成过程中Mg同位素会发生分馏效应, 24Mg会优先进入白云石晶格(Higgins and Schrag, 2010; Blä ttler et al., 2015; Higgins et al., 2018)。因此, 在渗透回流和蒸发泵等准同生白云石化作用过程中, 随着白云石化作用的进行, 流体中的26Mg会逐渐富集, 造成沿着白云石化流体运移方向镁同位素逐渐偏重(Ning et al., 2020; 李茜等, 2022, 2023; 朱光有等, 2023)。Qing等(2023)和乔占峰等(2023)探讨了塔里木盆地蓬莱坝组埋藏白云岩重结晶作用与镁同位素的响应关系, 分别识别出 δ26Mg 值的垂向变化趋势与沉积旋回具有密切关系, 并结合常规碳、氧、锶同位素和锶元素含量变化, 建立了埋藏白云岩形成过程中镁同位素的变化关系。

值得注意的是, 虽然高精度Mg同位素在探究白云岩成因方面已初显成效, 但是有关不同类型白云石化过程中Mg同位素的分馏机理和流体迁移规律仍需要更深入的研究。例如热液白云石化过程中, 由于白云石化流体来源于后期热液, 而并非来源于均一的海水, 导致Mg同位素难以示踪热液活动诱发形成的白云岩成因。又例如, 由于对微生物活动过程中的Mg同位素分馏机理认识存在争议, 导致Mg同位素在探究微生物诱导形成的原生白云石方面存在巨大阻碍。

总而言之, 古老超深层碳酸盐岩由于多经历复杂的埋藏演化, 受到多期、多类型成岩作用的叠加改造, 使得岩石学和传统地球化学信息发生重置, 故先进技术的应用也应充分结合传统岩石学和地球化学手段, 在基本岩石学和成岩演化过程中进行更深入的应用研究。

3.2 溶蚀模拟实验技术

在成岩演化过程中, 由于流体活动和构造运动的多旋回性以及溶蚀作用地质背景的多变性, 各期次溶蚀作用相互叠加改造, 使得不同期次的溶蚀作用难以区分, 很难依靠地质观察和推理等方式来确认。孔隙形成与保存模拟实验是在实验室重现溶蚀与沉淀过程, 也是认识碳酸盐岩孔隙发育主控因素和分布规律的重要手段。自20世纪30年代以来, 国内外学者陆续开展了碳酸盐岩在模拟地层条件下的溶蚀实验(佘敏等, 2020), 实验装置包括旋转盘法、自由漂移法、静态pH法、高温高压旋转盘法、金刚石压腔装置、流动液相反应釜和静态高压釜等(梁金同等, 2023), 岩石样品为颗粒或块体, 模拟内容是流体与岩石表面的反应方式。然而在实际成岩作用中, 流体是在碳酸盐岩内部孔隙中运移并发生溶蚀和沉淀的, 具有岩石固体比面积大和孔隙比较狭窄的特点。此外, 岩石内部孔隙结构一方面控制溶蚀作用, 另一方面会随着溶蚀发生变化, 这些都是岩石表面反应所无法模拟的。

“十二五”期间, 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室自主研制了高温高压溶解动力学模拟装置, 利用耐高温高压岩心夹持器作为反应釜, 采用岩石柱塞样模拟地下真实地质背景下的岩石内部流体流动和水—岩反应。 该模拟结果可揭示碳酸盐岩储集层岩性、物性、孔喉结构类型、温度、压力、流体属性、流速对溶蚀和沉淀作用的控制, 为深层碳酸盐岩埋藏溶蚀孔洞发育样式和分布规律认识提供了实验数据。

针对古老深层碳酸盐岩储集层经历跨构造层溶蚀改造的特点, 需对高温高压溶解动力学物理模拟装置进行3个方面的改进: 一是多阶段—连续流装置实现了仿真地层环境下岩石—流体持续化学反应模拟, 为跨构造期溶蚀—沉淀过程重现提供了有效手段; 二是渗透率在线检测和可视化实现了高温高压反应过程中渗透率实时快速检测, 提供了溶蚀过程中孔喉结构变化的定量表征方法; 三是高温高压流体原位检测装置与激光拉曼装置连用, 实现了岩石—流体化学反应前后流体组分与含量的原位动态检测, 检测速度提高5倍。多阶段—连续流装置能够模拟不同的地层埋藏环境, 完成在不同的温度和压力条件并且保持流体连续流动情况下的2个以上阶段水岩反应过程, 实现连续的多阶段水岩反应实验模拟, 有助于使实验阶段中流体化学性质更接近于自然界的实际情况。模拟实验结果很好地解释了埋藏溶蚀规模发生的焦点问题, 提出了埋藏溶蚀流体酸性保留机制, 即近酸源处流体侧向运移, 由于温度高、流速快, 溶蚀孔隙类型以溶缝为主, 形成酸性流体运移通道, 从而确保酸性流体传输至目的层位改善储集空间。

4 古老超深层碳酸盐岩储集层典型实例

以震旦系微生物白云岩为典型实例, 对超深层碳酸盐岩储集层特征和成因进行介绍。震旦系微生物白云岩是塔里木盆地和四川盆地油气勘探重点领域。近十多年来, 围绕四川盆地德阳—安岳裂陷两侧深层震旦系灯影组进行高效勘探并取得显著成效。“十二五”期间, 在德阳—安岳裂陷东侧川中古隆起核部高石梯—磨溪地区发现安岳气田, 其中灯影组气藏埋深主要为5000~6000 m, 探明储量超万亿立方米(邹才能等, 2014)。2020年, 在德阳—安岳裂陷东侧高石梯—磨溪地区以北的蓬莱—中江地区灯影组二段(简称灯二段)台缘带部署的蓬探1井, 测试获日产百万立方米高产气流(赵路子等, 2020), 川中古隆起北斜坡勘探取得战略性突破。其后, 多口探井钻揭灯二段和灯四段厚层白云岩储集层埋深6000~8000 m, 含气性良好(杨雨等, 2022b)。前寒武系微生物白云岩展现了不受深度下限约束的良好勘探前景。

4.1 储集层特征

钻井取心及岩石学观察揭示, 川中古隆起北斜坡灯影组台缘带储集岩在岩石类型及成岩作用上与高石梯—磨溪地区相似, 以丘滩复合体的藻凝块白云岩(图 6-a)、藻叠层石白云岩(图 6-b)、藻砂屑白云岩(图 6-c)、泡沫绵层石白云岩(图 6-d)为主, 储集空间以格架孔、粒内溶孔及粒间溶孔为主, 孔隙度平均为2.8%~4.7%, 储集层厚度可达300 m。

图 6 川中古隆起北斜坡灯影组碳酸盐岩储集层岩石学特征
a—PS2井, 7800.97 m, 凝块石白云岩; b—PS2井, 7797.35 m, 叠层石白云岩; c—PS5井, 5636.94 m, 砂屑白云岩; d—PS2井, 7793.94 m, 泡沫绵层石白云岩; e—PS4井, 6226.37 m, 裂缝型白云岩; f—PS2井, 7796.03 m, 角砾状白云岩Fig.6 Petrology characteristics of carbonate reservoir in the Dengying Formation on the north slope of central Sichuan ancient uplift

4.2 储集层主控因素

灯影组微生物白云岩总体表现出储集层厚度大、物性好的特点, 但是在纵、横向上也具有较强的非均质性, 这与储集层发育的物质基础、浅埋藏期孔隙保持和埋藏期储集层改造等因素有关。

4.2.1 储集层发育的物质基础 储集层孔隙类型和发育程度揭示, 沉积微相构成灯影组储集层的物质基础。在水体相对高能动荡的沉积相带, 颗粒或蓝细菌核形石、蓝细菌团块才可能形成, 同时台缘带丘滩体发育于相对古地貌高部位, 这些沉积相带的颗粒除了在沉积物中作为骨架具有支撑作用外, 还在海平面频繁升降过程中易于暴露出水面而遭受同生期—准同生期溶蚀作用, 形成早期溶蚀孔隙。在灯影组中, 颗粒浅滩、蓝细菌凝块丘、蓝细菌叠层丘等相带是储集层发育的有利沉积相带, 格架孔、粒内溶孔及粒间溶孔都集中发育在高能相带。相对应地, 台地内发育具窗格孔的纹层状泥晶白云岩、泡沫绵层石白云岩、核形石白云岩等指示低能环境的岩石类型, 常见石膏假晶, 孔隙几乎完全被胶结物充填。

在丘滩复合体迁移背景下, 不同期次的暴露溶蚀对灯影组微生物白云岩孔隙发育具有重要的贡献作用, 如灯二段沉积期末和灯四段沉积期末三级层序的暴露溶蚀(图 7), 对前期处于地形高部位的丘滩复合体造成进一步的溶蚀改造, 显著改善了储集层质量。灯二段大量发育的葡萄花边结构就形成于该机制。

图 7 川中北斜坡灯影组层序地层格架与丘滩复合体迁移特征Fig.7 Sequence stratigraphic framework and migration of mound-shoal complexes of the Dengying Formation in north slope of Chuanzhong palaeouplift in Sichuan Basin

塔里木盆地奇格布拉克组与四川盆地灯影组微生物白云岩的差别之一在于奇格布拉克组为单一的海平面上升旋回沉积, 顶部经历不整合面改造, 而灯影组在沉积期间发生多次海平面上升下降旋回, 经历了多期暴露溶蚀。这导致灯影组丘滩复合体规模和溶蚀改造强度均大于奇格布拉克组。

4.2.2 孔隙保持机制 前已述及, 微生物白云岩在准同生期具有非常高的孔隙度, 且孔隙主要以扁平状格架孔或孔洞为主。理论上, 其在正常埋藏过程中非常容易遭受上覆压力作用产生变形减孔, 然而川中北斜坡灯影组超8000 m深的岩心和薄片的观察揭示, 尽管地层为常压条件, 但微生物白云岩中格架孔或溶蚀孔洞依然保持良好, 很少受埋藏压实作用改造。综合地质特征与前人研究成果, 认为微生物白云岩储集层孔隙保持机制有以下3个方面:

一是微生物白云岩的白云石化作用发生时间早, 使得其较早地具有较为坚硬的骨架, 有助于降低压实减孔作用。对于微生物白云岩的白云石化机制, 前人已有大量的研究, 主要包括2种观点: 一种是震旦纪“白云石海”导致微生物白云石的直接沉淀成岩(Hu et al., 2020; Jiang et al., 2022); 另一种是准同生白云石化作用, 高硫含量、高温的海水环境和微生物活动共同驱动准同生白云石化作用发生(Zhang et al., 2020; Qiao et al., 2022)。在这2种机制下微生物白云岩均在早期就具有更高的抗压实能力, 使得准同生期孔隙得以保持。

二是微生物有机质降解导致的酸性环境, 不利于大规模的碳酸盐矿物沉淀充填孔隙。沈安江等(2022a)开展的微生物有机质降解和热解生酸模拟揭示, 叠层石和凝块石中微生物有机质含量丰富, 生物降解和热解过程中生酸量大, 一方面导致有机酸溶蚀成孔, 另一方面有利于初始孔隙的保持。台地内的纹层状泥晶白云岩、泡沫绵层石白云岩、核形石白云岩中孔隙充填严重, 也可能受到了台地内微生物白云岩中酸性流体较少的影响。

三是浅埋藏阶段一定程度的环边胶结造成岩石进一步固化, 从而对孔隙起到保护作用。根据不同学者对灯影组葡萄花边白云岩的激光U-Pb定年结果(图 7)分析, 多期次的花边结构主要形成于浅埋藏阶段(沈安江等, 2019; Qiao et al., 2023), 其在中深埋藏阶段对储集层孔隙起到了很好的保护作用。

4.2.3 深埋藏期储集层改造机制 四川盆地灯影组经历了多期强烈的构造运动, 对储集层造成显著影响。以川中地区灯影组为例, 该组走滑断裂非常发育(图 7), 断裂附近白云岩地层破碎角砾化严重(图 6-e)。同时, 与构造运动相关的高温流体溶蚀作用和充填作用对储集层造成了强烈的影响(蒋裕强等, 2016), 一方面是溶蚀作用形成大量溶蚀孔洞, 改善储集层, 而另一方面孔洞中多见石英、鞍状白云石、闪锌矿等热液矿物, 充填部分孔隙。

此外, 受不同地区构造埋藏史差异的影响, 埋藏充填作用发生序列亦不同。沈安江等(2019)和Qiao等(2022)分别对川中地区和川东地区灯影组微生物白云岩葡萄花边结构进行了精细定年分析, 结果显示, 在区域构造运动的差异驱动下, 不同地区的充填序列存在显著差异(如图 8), 川东地区葡萄花边充填相比川中更晚, 导致关键成藏期孔隙发育程度存在差异, 间接影响了储集层演化。

图 8 川中和川东地区灯影组微生物白云岩埋藏成岩孔隙演化史(据Qiao et al., 2022)Fig.8 Burial diagenetic-porosity evolution history of the Sinian Dengying Formation microbial dolomite in central and eastern Sichuan Basin(after Qiao et al., 2022)

总之, 超深层碳酸盐岩储集层的规模优质发育受到了沉积期和近地表大气水溶蚀、浅埋藏阶段孔隙保持和深埋藏条件下构造运动驱动流体运移等3个方面的影响, 但是不同类型储集层的决定性因素有所不同, 有些可能由其中一方面因素决定, 而有些可能受到了多种因素的控制。如与蒸发岩共生白云岩因其独特的岩性组合特征, 在沉积期后就可能具有良好的孔隙保持能力, 从而发育规模储集层, 而灰岩断控储集层的主要成因机制在于埋藏条件下的构造活动和伴生流体作用。相比之下, 震旦系微生物白云岩表现出了受多种因素影响的特点。

5 结论和展望

依据古老超深层碳酸盐岩储集层的物质基础、孔隙保持机制和成岩演化特征, 将超深层碳酸盐岩储集层划分为4种类型, 分别是微生物白云岩储集层、与蒸发岩共生白云岩储集层、与灰岩共生白云岩储集层和灰岩断控储集层。近地表环境成因孔隙构成了超深层碳酸盐岩储集层的基础, 浅埋藏阶段孔隙保持机制是决定超深层储集层质量的关键, 构造活动驱动深部流体运移对储集层质量具有重要改造作用。文中讨论了微量稀土元素面扫、激光U-Pb定年、团簇同位素和镁同位素等地球化学实验技术和高温高压溶蚀模拟技术在超深层碳酸盐岩成岩成储中的应用, 并以震旦系微生物白云岩为实例, 对超深层碳酸盐岩储集层发育的控制因素进行了分析, 这对进一步认识超深、特深层领域碳酸盐岩储集层成因和发育规律具有一定的指导意义。

超深层碳酸盐岩是当前和未来重要的油气勘探对象之一, 其往往经历了多旋回构造演化的强烈影响, 具有年代老、埋藏深、成岩改造强等特征。针对超深层碳酸盐岩的油气勘探工作, 目前仍面临着深部流体多期次叠加改造而难以精确判识、不同类型规模有效储集层孔隙保持机制复杂多变和成岩储集层过程定量化预测难等问题。为有效支撑下一步勘探部署工作, 一方面要坚持实验技术的创新, 如开发石英矿物等一系列同位素定年技术, 多参数相互印证, 示踪深部流体的来源及判识流体性质, 另一方面仍需要进一步加强深部地层资料的基础研究工作, 如结合万米深井资料和岩心, 重建超深层碳酸盐岩温压场和流体场, 开展早期原生孔或表生溶孔在超深层高温高压复杂流体条件下的孔隙保持—破坏的定量评估、埋藏溶蚀孔洞在超深层高温高压复杂流体作用下的保持—破坏定量评估和构造—流体活动耦合作用控制下的孔隙保持—破坏定量评估等基础研究。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 徐杰)

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