塔里木盆地下寒武统微生物碳酸盐岩储集层特征

宋金民 ，罗平，杨式升，杨迪，周川闽，李朋威，翟秀芬

（1. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学）；2. 中国石油勘探开发研究院）

0 引言

微生物岩概念最早由Burne和Moore于1987年提出，主要指由微生物形成或与微生物有关的岩石[1]，多发育在后生生物出现前或集群灭绝期之后。微生物包括细菌、真菌、小型藻菌和原生动物[2]。目前微生物碳酸盐岩研究主要侧重于其结构、形态、产状、成因及沉积环境等方面[1-2]。

近年来，北美地区和巴西近海地区的油气勘探实践表明，微生物碳酸盐岩可作为一类重要的油气储集层[3-8]。2012年6月AAPG在美国德克萨斯州休斯顿召开了“微生物碳酸盐岩表征”的专题会议，推动了全球微生物碳酸盐岩储集层研究的热潮。目前，全球范围内微生物碳酸盐岩油气主要分布在美国阿拉巴马州墨西哥湾地区[3-6]、巴西桑托斯盆地[7-8]、阿曼盐盆[9]、哈萨克斯坦田吉兹油田[10]、俄罗斯东西伯利亚地区[11]、中国渤海湾盆地[12]和四川盆地[13-16]，产油气层主要为中上元古界（包括震旦系）、下寒武统、下石炭统和上侏罗统。中国塔里木盆地阿克苏露头区也发现了微生物碳酸盐岩[17-19]，但储集层特征研究尚不深入。本文基于野外地质剖面详测和室内薄片观察，探讨塔里木盆地下寒武统微生物碳酸盐岩储集层的岩石结构、储集层类型及其控制因素，为盆地腹地下寒武统油气勘探提供理论依据。

1 研究区地质背景

阿克苏露头区位于塔里木盆地西北部，属于柯坪断隆东段，距阿克苏市约80 km。该区主要出露震旦系—中寒武统，剖面连续且完整。本次研究自西向东选取了 3个典型剖面，依次为苏盖特布拉克、肖尔布拉克和什艾日克剖面（见图1）。

图1 阿克苏露头区地质图及剖面位置（根据文献[20]修改）

震旦纪末期的柯坪运动是 1次区域性地壳上升运动，造成寒武系与震旦系似平行不整合接触[21]。本区下寒武统从下到上依次为玉尔吐斯组、肖尔布拉克组、吾松格尔组；中寒武统包括沙依里克组和阿瓦塔格组。下寒武统肖尔布拉克组岩性分为两段，下段为发育层状孔洞的深灰色球粒叠层石白云岩，厚30～40 m，上段为发育微生物建造的白云岩，厚80～100 m。微生物碳酸盐岩储集层主要发育于肖尔布拉克组上段，其沉积环境为碳酸盐台地斜坡—台地边缘。本组内见三叶虫、金臂虫、软舌螺和腕足化石，自下而上发育 3个三叶虫带：Shizhudiscus带、Ushbsapi带和Kepingaspis Tianshanocephalus带[22]，但目前对微生物化石的研究还比较薄弱。

2 微生物碳酸盐岩岩石结构

阿克苏露头区下寒武统发育3种微生物巨观建造结构，尺度范围为几十米至千米级。苏盖特布拉克剖面为微生物礁岩建造[17-19]，肖尔布拉克剖面为层状微生物凝块石岩建造，什艾日克剖面为微生物叠层石岩建造。通过剖面实测和镜下薄片鉴定发现，肖尔布拉克组上段主要为白云岩，具有6类微观结构：颗粒结构、微生物结构、球粒结构、纹层构造、晶粒结构和碎裂结构（见图2）。

图2 阿克苏露头区下寒武统肖尔布拉克组上段微生物岩岩石结构类型

颗粒结构主要包括砂屑、砾屑等，以砂屑结构为主，占 75%，其形成于较动荡的水动力环境；碎裂结构和晶粒结构所占比例很小。碎裂结构指示构造活动，大的碎裂角砾为3～4 mm，原岩多为球粒结构。晶粒结构以粉细晶白云石为主，占 60%，成岩改造强烈，原岩结构未保留。

球粒结构的成因有两种：微生物成因和机械成因。微生物成因的球粒结构独立于颗粒结构外，因其边界相对模糊，形态不规则，完全不同于机械成因的球粒结构，国外称之为似球粒[2]，多形成于较安静的水动力环境，与钙化细菌的凝集作用有关。这种与微生物作用有关的球粒结构在古生界比较常见[2]。本次研究所涉及的球粒结构均为微生物成因。

纹层构造呈亮暗相间的结构，浅色纹层为粉晶白云石，深色纹层为泥晶白云石。根据其成因分为两类：一类是机械成因，主要形成于重力分异作用下的安静水体环境，纹层相对平直，局部具有冲刷构造；另一类是微生物成因，波状起伏，纹层边缘呈发散状，亮暗相间结构常呈过渡特征（见图3a）。微生物纹层占纹层构造的 65%，多与微生物膜或微生物席的粘结或捕集作用有关。

微生物结构是肖尔布拉克组上段的主要岩石结构，占55%，可进一步分为凝块石、叠层石、枝状石、核形石和泡沫绵层石。凝块石在 3个典型剖面上均发育，是微生物岩岩石结构的主体，占73%，凝块呈内敛团簇状，内部为泥晶结构，凝块间为亮晶白云石胶结。其中观结构呈不规则的斑块状，大小为（1～3 mm）×（1～4 mm），主要有3种形态：分枝状（见图3b）、孤立状（见图3c）和包壳状（见图3d）。

叠层石亦广泛发育，其中观结构为丘状、微波状或层状，厚度为50～80 cm。其微观结构为丘状或层状，具亮暗相间结构，暗层为微生物纹层，亮层则为粉晶白云石纹层，起伏幅度为0.2～1.0 mm，局部见葛万菌（见图3e）。

图3 阿克苏露头区下寒武统肖尔布拉克组上段微生物岩微观结构类型

枝状石仅在苏盖特布拉克剖面中发育，可见原地生长的表附菌，主要有两种微观形态：树枝状和簇球状。树枝状枝状石具二分叉叶状体，色暗，内部由隐晶白云石组成，叶状体之间为亮晶白云石胶结（见图3f）。叶状体向上、向外分叉丛生，丛体长度3～5 mm，整体呈小灌木丛状，丛体之间见溶蚀孔洞，亮晶白云石充填其中。簇球状枝状石为圆形或椭圆形叶状体，呈团密集分布，簇球直径约为0.3～0.8 mm，内具不规则偏心孔隙，为亮晶白云石充填（见图3g）。

核形石是微生物结核状构造，在苏盖特布拉克剖面中发育，厚约20～40 cm。微观结构呈圆形、次圆形或椭圆形，核心为砂屑、砾屑或凝块，大小为（0.5～2.0 mm）×（0.4～1.0 mm），核心外部包绕亮暗相间圈层（见图3h）。

泡沫绵层石主要见于什艾日克剖面中，其中观结构为浅灰色厚层—块状窗格孔白云岩，微观结构是由泡沫状蓝细菌组成的海绵状格架，为泥粉晶结构且叠置成叠层构造。海绵状格架内发育大量空腔，为亮晶白云石充填或半充填（见图3i）。

微生物岩主要由以下两种方式形成：微生物调整胞外聚合物沉淀和微生物捕获、固化颗粒沉积物[2]。上述 6种岩石结构中微生物结构、纹层构造和球粒结构均与微生物活动关系密切。纹层构造、叠层石、核形石、凝块石和球粒结构与微生物席的粘结或捕集作用有关，而枝状石、泡沫绵层石则与钙质微生物群落本身的生长格架有关。

3 微生物碳酸盐岩储集层

塔里木盆地阿克苏露头区下寒武统肖尔布拉克组上段发育 3种类型微生物碳酸盐岩储集层：微生物礁白云岩、包壳凝块石白云岩和泡沫绵层叠层石白云岩。

3.1 微生物礁白云岩储集层

微生物礁建造发育在苏盖特布拉克剖面（见图4a），为高突起块体建造，厚60～100 m，横向延续3 km。野外地质调查发现肖尔布拉克组上段发育两期微生物礁：第1期主要发育在苏盖特布拉克北部（见图4b），呈由北向南的前积特征，北厚南薄，发育 4段微生物礁前积复合体（见图4a），每个复合体由若干个前积层组成，每个前积层厚约4～5 m。前积体内可见枝状石（见图4c），以及原地生长的表附菌；第2期主要发育在苏盖特布拉克南部（见图4b），呈由南向北超覆特征，北薄南厚。两期微生物礁界线清晰（见图4b），第1期为块状建造；第2期为中—厚层状砂屑-凝块石建造，以蓝细菌凝块结构为主（见图4d），局部发育微生物点礁建造，顶部发育叠层石建造（见图4e）。

图4 苏盖特布拉克地区肖尔布拉克组上段微生物礁储集层特征（—C1x上—下寒武统肖尔布拉克组上段；—C1x下—下寒武统肖尔布拉克组下段；—C1y—下寒武统玉尔吐斯组；Z2q—上震旦统奇格布拉克组）

微生物礁碳酸盐岩储集层中观特征多为溶孔白云岩，溶孔呈针状或不规则状，局部密集分布（见图4f）。溶孔大小为 0.5 mm×（1.0～2.0 mm）至 0.5 cm×1.0 cm，近观孔隙内充填沥青（见图4g）。镜下微生物礁白云岩主要包括枝状石、凝块石、叠层石白云岩等，以溶蚀粒间孔为主，面孔率为3%～10%，孔径多小于1 mm，大的可达1.0～1.5 cm，局部发育孔洞。第1期微生物礁发育礁核和礁基储集层，礁核主要为表附菌枝状石白云岩，溶孔多分布在表附菌丛体之间，面孔率为4%（见图4h）；礁基主要为凝块颗粒白云岩，以粒间溶孔为主，面孔率为3%。第2期微生物礁储集层以凝块石白云岩为主，面孔率约为8%～10%，溶蚀孔洞的分布具有较明显的非均质性，凝块的密度与溶孔的大小、数量和连通性略呈正相关关系（见图4i）。第2期微生物礁建造的第 4段发育叠层石白云岩储集层，孔隙类型为粒间溶孔或窗格孔，储集层厚度约为2 m，面孔率为3%，溶孔具顺层分布的特点（见图4j）。

为查明微生物礁白云岩的横向展布特征，在苏盖特布拉克露头区自南西至北东实测 5条剖面，依次编号为苏 0、苏南、苏Ⅲ、苏Ⅳ和苏北（见图 5）。各剖面下寒武统玉尔吐斯组、肖尔布拉克组横向对比表明，微生物礁白云岩发育在震旦纪末期北东方向的古岩溶高地之上，古地势北高南低，两期微生物礁结构明显。第 1期微生物礁形成于海退背景下，内部结构分为两段：下段为礁基，北部古高地为块状凝块、颗粒沉积，而南部低洼处则为薄层状球粒、生屑沉积；上段为礁核，北部古高地为块状枝状石，南部低洼处为厚层—块状分枝状凝块石建造，自下而上呈现出由颗粒滩向表附菌礁的演化特征。第 2期微生物礁形成于海侵背景下，内部结构自下而上分为 4段，表现为风暴沉积—泥晶球粒灰/云岩—凝块石—凝块石-叠层石的演化特征：第1段为中薄层状风暴岩，在南部较深水苏0、苏南剖面均有发育，厚20～30 m，至苏Ⅲ剖面尖灭；第2段为灰黑色薄层状含生屑泥晶球粒灰/云岩，厚 5～6 m；第3段为块状凝块石白云岩段，局部发育低幅度微生物点礁，其为第 2期微生物礁建造主体，在苏盖特布拉克南部的厚度为 50～60 m，北部的厚度则为15～30 m；第4段为中—薄层状凝块石-叠层石白云岩段，厚4～5 m，在苏Ⅲ剖面发育较厚，达20 m。

图5 苏盖特布拉克地区肖尔布拉克组上段微生物礁白云岩展布及储集层分布特征

微生物礁白云岩储集层段主要发育在第 1期微生物礁和第2期微生物礁的第3、4段（见图5）。第1期微生物礁白云岩储集层主要发育在北东古高地上，储集层累计厚度为30～40 m；第2期微生物礁白云岩储集层在整个苏盖特布拉克地区均有发育，但储集层厚度有差异，南西苏0、苏南剖面上厚度为10～12 m，苏Ⅲ剖面上厚度为32 m，北东苏Ⅳ、苏北剖面则为10～18 m，这种差异可能由海侵背景下的不同沉积古地貌控制。第2期微生物礁白云岩储集层累计厚度为10～32 m。两期微生物礁白云岩储集层总厚约为40～70 m。整体上，自南西向北东微生物礁白云岩储集层厚度、发育层数逐渐增加，储地比（储集层厚度与地层厚度之比）在南西的苏0、苏南剖面分别为0.09和0.11，至北东方向的苏Ⅳ、苏北剖面则增加为0.61和0.64。基质孔渗物性测试发现，微生物礁白云岩多属低孔低渗型储集层，孔隙度一般为2%～6%，最高可达13.32%，平均为4.32%。渗透率一般为（0.02～1.00）×10−3μm2，仅有两个样品渗透率较高，为（40～50）×10−3μm2，平均渗透率为 4.66×10−3μm2。

3.2 包壳凝块石白云岩储集层

肖尔布拉克剖面发育包壳凝块石白云岩储集层，为宏观块状建造，横向分布稳定（见图6a）。

图6 肖尔布拉克地区肖尔布拉克组上段包壳凝块石白云岩储集层结构特征

野外剖面上，肖尔布拉克组总厚度为94.8 m，下段为极薄—薄层状球粒白云岩构成的韵律结构，上部发育波状层理和层状孔洞。肖尔布拉克组上段厚 51.2 m，主要为深灰色块状包壳凝块石白云岩，近顶部发育叠层石和颗粒白云岩。包壳凝块石白云岩储集层厚30 m，储地比为0.58，储集层段由11个下细上粗的沉积韵律组成，单个韵律厚度为3～6 m，下部为深灰色球粒泥晶白云岩，上部为深灰色块状溶孔凝块石白云岩。韵律结构中上部发育溶蚀孔洞，呈圆形、椭圆形、扁平状至不规则状（见图6b），其大小从毫米级至（1～2 cm）×（2～5 cm），亮晶白云石半充填—未充填，溶孔密度为20～30个/dm2，面孔率8%～10%。中观角度来看，包壳凝块石与粉晶白云石互层，厚15～20 cm。包壳凝块石由暗色外包壳和浅色粉晶内核组成：外包壳呈不规则状包覆，形成“似钻孔”结构（见图6c）；内核大小为1.0～1.5 cm。溶孔多分布于包壳凝块石层，略成层分布。新鲜面近观呈亮暗相间斑块结构，斑块大小为1～3 cm，呈不规则状；溶孔以扁平状、针状为主，大小为（1～2）mm～（1.0～1.5）cm，面孔率为8%，主要分布在斑块结构内，局部连通，为亮晶白云石半充填，溶孔充填程度为30%～40%（见图6d）。

镜下微观特征观察发现，包壳凝块石暗色包壳为泥晶白云石，边缘为不规则微生物暗边包绕结构，呈发散状，可能由微生物稳定作用产生[23-24]；浅色“似钻孔”结构显微组分为粉晶白云石，见残余凝块结构，发育溶孔，主要为粒间和晶间溶孔，大小为 1 mm×2 mm，呈孤立状，见微裂缝，面孔率为5%（见图6e）。

物性测试资料表明，包壳凝块石属低孔低渗型储集层，孔隙度主要为1.50%～3.77%，最高可达9.76%，渗透率主要为（0.003～0.056）×10−3μm2，只有 1 个样品渗透率较高，为 45.52×10−3μm2，可能与后期强风化作用有关。

3.3 泡沫绵层叠层石白云岩储集层

泡沫绵层叠层石白云岩储集层发育于什艾日克剖面，为浅灰色宏观块状建造，分布稳定（见图7a）。

什艾日克剖面下寒武统沉积结构与苏盖特布拉克地区、肖尔布拉克地区略有差别。肖尔布拉克组下段沉积厚度较大，达59.2 m，波状层理与层状孔洞段较其他两个地区厚；肖尔布拉克组上段厚40.8 m，较其他两个地区薄，下部为深灰色凝块白云岩，上部为浅灰色泡沫绵层叠层石白云岩，近顶部为砂屑白云岩，上部储集层厚度为18 m，储地比为0.44。中观角度上，浅灰色块状叠层结构清晰（见图7b），发育10个沉积韵律，韵律厚度为0.8～4.6 m，溶孔多发育在韵律结构的中上部，略成层发育（见图7c）。溶孔类型为窗格孔，形状为圆形或椭圆形，新鲜面溶孔呈蜂窝状（见图7d），大小为（1～2 mm）×（2～4 mm），呈孤立状，未充填，面孔率为10%～15%。

镜下微观特征观察发现，叠层石构造主要由泡沫绵层组成（见图3i、图7e），泡沫状蓝细菌构成其格架，单个泡沫体呈圆形或次圆形，大小为0.2～0.3 mm。泡沫体由边缘和体腔组成，边缘为薄层暗色泥晶结构，体腔主要为亮晶粉晶结构，泡沫绵层体叠置成叠层构造（见图3i），与四川盆地震旦系灯影组泡沫绵层结构类似[25]。窗格孔非常发育，其大小为（0.2～0.5）mm～（1.5～2.0）mm，略成层分布，孔隙类型为粒间和晶间溶孔，多发育在泡沫绵层结构的亮晶体腔内，为自形粉—细晶白云石半充填，充填程度为 15%～20%，局部见微裂缝连通孔隙，面孔率12%～15%（见图7e）。

物性测试资料表明，泡沫绵层叠层石白云岩储集层属中低孔、低渗型储集层，孔隙度一般为3.07%～8.38%，平均为 5.73%，渗透率一般为（0.001～1.537）×10−3μm2，平均渗透率为 0.8×10−3μm2。其孔隙度比微生物礁、包壳凝块石白云岩储集层要高，但渗透率变化较大，与孔隙本身的结构和性质有关：窗格孔成层分布，若微裂缝连通孔隙，则渗透率较高；若微裂缝不发育，则渗透率偏低。

4 微生物碳酸盐岩储集层控制因素

4.1 沉积古地貌

微生物礁发育在震旦纪末期苏盖特布拉克地区北东古岩溶高地之上。对比苏盖特布拉克露头区苏北剖面、肖尔布拉克和什艾日克剖面下寒武统发现，苏盖特布拉克北东地区在震旦纪末期也是整个露头区的古岩溶高地，肖尔布拉克地区位于古岩溶斜坡，什艾日克地区则位于古岩溶洼地（见图8）。

沉积古地貌决定沉积相带展布，沉积相带控制微生物岩的类型、发育形态和分布特征。早寒武世肖尔布拉克组沉积期古地貌基本继承了震旦纪末的岩溶古地貌形态。自西向东，苏盖特布拉克、肖尔布拉克和什艾日克剖面依次处于沉积古高地、沉积斜坡和沉积洼地，沉积相带依次为台地边缘、台内滩和潮坪。微生物礁主要发育在西部的苏盖特布拉克地区，主要为台地边缘相的表附菌礁；处于古沉积斜坡处的肖尔布拉克地区发育包壳凝块石，主要为中等水动力条件下的台内浅滩微生物建造；处于古沉积洼地的什艾日克地区发育泡沫绵层叠层石，主要为较弱水动力条件下的潮坪相席状—层状微生物建造。自西向东，随着沉积相带演变，微生物碳酸盐岩的沉积厚度、储集层厚度和储地比均逐渐减小，苏北剖面、肖尔布拉克剖面和什艾日克剖面的沉积厚度分别为64.0 m、51.2 m和40.8 m，储集层厚度分别为41 m、30 m和18 m，储地比分别为0.64、0.58和0.44（见图8）。

图7 什艾日克地区肖尔布拉克组上段泡沫绵层叠层石白云岩储集层结构特征

4.2 成岩作用

白云石化作用、埋藏溶蚀作用和晚期热液作用有利于形成微生物碳酸盐岩储集层[6,19]。微生物碳酸盐岩经历了强烈白云石化作用后，一方面破坏了原始沉积的微生物结构，另一方面有利于形成储集层。微生物碳酸盐岩在埋藏条件下，与有机质生烃、成熟和运移有关的酸性流体会对其产生溶蚀作用。沥青充填于微生物礁白云岩针状溶孔，证明其经历过油气充注事件。结合研究区埋藏史、古地热梯度和古气温资料[21,26]分析发现，下寒武统玉尔吐斯组黑色页岩在奥陶纪时古地温为72.5 ℃，开始大量生油，二叠纪时期古地温为148.2 ℃，达到生油高峰，大量油气运移到上覆微生物礁白云岩储集层中产生有机酸溶蚀作用。另外野外调查中，在阿克苏露头区发现肖尔布拉克组下段发育典型斑马纹白云岩，其流体包裹体均一温度为158.4～161.2 ℃，远高于其最大埋藏古地温，表明其为热液成因。深部热液沿断裂和裂缝上涌，对微生物碳酸盐岩产生溶蚀形成优质储集层。类似的热液溶蚀白云岩储集层还见于柯坪地区下奥陶统蓬莱坝组[27]。

图8 阿克苏露头区下寒武统及其微生物岩储集层对比

4.3 微生物结构

阿克苏地区肖尔布拉克组上段的两期微生物建造在横向上具可对比性（见图8），微生物结构对孔隙结构和产状具有控制作用。不同地区微生物结构类型不同，储集层厚度和孔隙类型也有差别。苏盖特布拉克剖面储集层为微生物礁白云岩，以针状溶孔为主；肖尔布拉克剖面储集层为包壳状凝块石白云岩，以孤立大溶孔为主；什艾日克剖面储集层为泡沫绵层叠层石白云岩，发育顺层分布的窗格孔。微生物结构控制选择性溶蚀作用，苏盖特布拉克地区凝块石白云岩储集层中溶孔分布具有非均质性。凝块较发育的部位发育厘米级孔隙，其连通性较好；而在凝块结构不发育的部位发育毫米级孔隙。

5 结论

塔里木盆地阿克苏露头区下寒武统肖尔布拉克组上段发育微生物碳酸盐岩，岩石结构主要包括球粒结构、纹层构造、凝块石、叠层石、枝状石、核形石和泡沫绵层石。

肖尔布拉克组上段发育 3种类型的微生物碳酸盐岩储集层，即微生物礁、包壳凝块石和泡沫绵层叠层石白云岩储集层。两期微生物礁发育在震旦纪末期古岩溶高地之上，第 1期为由北向南前积的表附菌礁，第 2期为由南向北超覆的蓝细菌凝块建造；其储集层由枝状石、凝块石和叠层石白云岩构成，厚40～70 m，以针状溶孔为主，呈低孔低渗特征。包壳凝块石白云岩储集层发育在古沉积斜坡，储集层厚30 m，发育孤立状溶孔，呈低孔低渗特征。泡沫绵层叠层石白云岩储集层发育在古沉积洼地，储集层厚18 m，窗格孔成层密集发育，为中低孔低渗型储集层。

微生物碳酸盐岩储集层发育受控于沉积古地貌、成岩作用和微生物结构。沉积古地貌决定沉积相带，沉积相带控制微生物岩类型、发育形态和展布特征，成岩作用则控制储集层孔隙的形成和演化，微生物结构控制选择性溶蚀作用，影响孔隙的分布状态。

致谢：感谢中国石油勘探开发研究院塔里木分院、石油地质实验研究中心提供研究所需的仪器和设备。本文野外研究工作得到了周刚、陈文玲、饶红娟、陆朋朋、王鑫等的协助，在此一并表示感谢。

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