APP下载

古气候与古海洋对碳酸盐岩储集层发育的控制

2014-07-01张宝民单秀琴

石油勘探与开发 2014年1期
关键词:石海古气候储集层

张 静,张宝民,单秀琴

(中国石油勘探开发研究院)

古气候与古海洋对碳酸盐岩储集层发育的控制

张 静,张宝民,单秀琴

(中国石油勘探开发研究院)

以中国塔里木、四川及鄂尔多斯盆地碳酸盐岩重点层系为例,探讨古气候背景与古海洋环境联合控制海相碳酸盐岩储集层发育的机制。对海相碳酸盐岩沉积和储集层形成而言,古气候总体上有干热/干燥与湿热/湿润之分;显生宙海水的地球化学成分曾发生明显的周期性变化,方解石海与文石海交替出现。塔里木、四川及鄂尔多斯等盆地的油气勘探实践表明,海相碳酸盐岩规模储集层的孔隙类型与发育特征明显受控于其沉积时的古气候背景与古海洋环境。干热/干燥古气候背景下的文石海环境最有利于形成孔隙-孔洞型白云岩储集层;干热/干燥古气候背景下的方解石海环境可形成以发育蒸发盐铸模孔为主的孔隙型白云岩储集层。湿热/湿润古气候背景下的方解石海和文石海沉积则主要形成大型溶洞型储集层。古气候背景与古海洋环境联合控制了碳酸盐岩的沉积并深刻影响了其成岩作用,最终决定了规模储集层的孔隙特征和储集层类型。图5参33

古气候背景;古海洋环境;方解石海;文石海;碳酸盐岩;白云石化;储集层

0 引言

海相碳酸盐岩的形成与沉积期的古气候背景、古海洋环境密切相关[1],古气候背景主要指地球不同纬度带碳酸盐岩沉积时的气候条件,总体上有干热/干燥与湿热/湿润之分[2];古海洋环境指冰室期(icehouse)的文石海(aragonite sea)环境和温室期(greenhouse)的方解石海(calcite sea)环境[3-5]。在古气候研究方面,前人一般以沉积类型及沉积物中所含古生物化石作为恢复古气候带的依据,建立了查明古气候的矿物-岩石学标志和分析方法[2];在古海洋研究方面,前人就显生宙海水地球化学成分变化及其原因和文石海、方解石海特征,以及与之相关的生物演化、碳酸盐岩沉积作用等作了相关论述[3-11]。但并没有就不同古气候背景、不同古海洋环境对碳酸盐岩储集层形成演化的控制作用及其影响进行专门探讨。目前学术界对控制海相碳酸盐岩沉积与成岩的地质背景的探讨还相对薄弱。

笔者对塔里木、四川及鄂尔多斯盆地震旦系、寒武系、奥陶系及三叠系等碳酸盐岩重点层系的数十个野外露头剖面、数百口钻井岩心进行了较为系统的储集层形成机制分析。通过野外剖面和岩心观察描述及系列实验分析(显微薄片鉴定和元素、同位素地球化学及流体包裹体分析等)等综合研究发现,碳酸盐沉积时的古气候背景对碳酸盐岩储集层发育具有重要影响,干热/干燥、湿热/湿润背景下储集层发育特征差异显著;地球南北两极有冰盖的冰室期-文石海沉积的控储特征明显不同于两极无冰盖的温室期-方解石海。古气候背景与古海洋环境对碳酸盐岩储集层的形成和演化具有重要的控制作用,并从根本上决定了储集层的成因类型。本文以上述盆地的碳酸盐岩重点层系为例,尝试就古气候背景与古海洋环境联合控制碳酸盐岩储集层发育的机制进行初步探讨,以期为碳酸盐岩储集层成因机理研究与分布预测提供更为广阔的思路和途径。

1 古海洋环境

“将今论古”的原理使沉积学家一度认为古代海水的化学成分和现代海水相同,该观点直到20世纪70年代才受到质疑:1975年Sandberg在对钙质鲕粒结构特征的观察中发现新生代早期的海水环境有利于方解石沉淀、新生代晚期至现代的海水环境有利于文石沉淀,并将有利于方解石和文石沉淀的地质历史时期分别称为方解石海和文石海时期[3]。不同学者对碳酸盐非骨屑颗粒、蒸发岩原生矿物成分和蒸发岩中流体包裹体的研究也表明,显生宙海水地球化学成分曾发生明显的周期性变化[3-10]。

Sandberg进一步研究表明[3-4],晚前寒武纪以来,鲕粒的原生矿物成分变化指示了3个文石海时期(大致为晚前寒武纪—早寒武世、晚石炭世—晚三叠世或早侏罗世、新生代中期—现代)和2个方解石海时期(大致为寒武纪中期—早石炭世、晚三叠世或早侏罗世—新生代早中期)。这种方解石海和文石海的周期性变化与地质历史时期温室期和冰室期的交替出现具有同步协调性,即方解石海时期和文石海时期分别与温室期和冰室期大致对应(见图1)[3-4,8,10]。蒸发岩的类型在地质历史时期也经历了显著的周期性变化,并与碳酸盐非骨屑颗粒原生矿物成分呈现明显的同步性,在文石海时期,海水具有Ca2+含量相对低、S含量相对高的特点,蒸发演化后的卤水中富含Mg2+、Na+、K+,最后通过蒸发形成石盐和泻利盐(MgSO4)沉积,继续蒸发才能得到钾盐;方解石海时期,海水具有Ca2+含量相对高、S含量相对低的特点,蒸发海水在方解石和硬石膏沉淀之后形成的卤水中富含Ca2+、Na+、K+而缺失S,最终通过蒸发形成石盐和钾石盐(KCl),整个地质历史时期中,海水成分变化控制海相钾盐的形成时代(见图1)[6-7,11]。

上述研究均针对长时间尺度的全球古海洋环境变化,本文对储集层发育机制的探讨亦以此为基础。目前针对短时间尺度的相关研究还较少[12],是今后研究的一个发展趋势。

图1 显生宙海水地球化学成分、海底胶结物成分及蒸发岩类型的变化(据文献[8,10]修改)

2 古气候背景

文石海时期对应全球冰室期[3-4,8,10],此时地球南、北两极被冰盖所覆盖,高纬度地区发育海洋冰川,海洋浅水碳酸盐沉积物主要分布在南、北纬30°之间的热带—亚热带。在0~30°的低纬区,靠温带一侧为亚热带高压控制的干燥区,即干热/干燥古气候背景下的冰室期-文石海沉积环境;靠赤道一侧为雨林区,即湿热/湿润古气候背景下的冰室期-文石海沉积环境。方解石海时期对应全球温室期[3-4,8,10],此时地球南、北两极无冰盖,高纬无海冰,在0~30°的低纬区,靠温带一侧为亚热带高压控制的干燥区,靠赤道一侧为雨林区,形成干热/干燥与湿热/湿润古气候背景下的方解石海沉积环境。

震旦纪以来,中国中西部叠合盆地中下组合海相碳酸盐岩沉积均经历了冰室期-文石海与温室期-方解石海的周期性演变,且基本上与全球变化同步。由于沉积时所处地球古纬度的不同[13-14],不同盆地碳酸盐岩沉积时的古气候背景与古海洋环境均有不同,海底与埋藏成岩环境的介质盐度存在很大差异。以部分典型层系为例,塔里木、四川盆地震旦系—中寒武统以及四川盆地石炭系—三叠系均为典型的干热/干燥古气候背景下的冰室期-文石海沉积;塔里木、鄂尔多斯盆地奥陶系分别为湿热/湿润、干热/干燥古气候背景下的温室期-方解石海沉积(见图2)。干热/干燥古气候背景、冰室期-文石海沉积的成岩介质盐度最高,湿热/湿润古气候背景、温室期-方解石海沉积的成岩介质盐度最低,进而也影响了白云石化作用的程度,导致塔里木、四川盆地震旦系—中寒武统以及四川盆地石炭系—三叠系白云岩普遍发育,而塔里木盆地奥陶系白云岩欠发育。

图2 塔里木、四川及鄂尔多斯盆地部分层系碳酸盐岩发育的古海洋环境与古气候背景示意图

3 不同古气候背景及古海洋环境下碳酸盐岩沉积与储集层特征

3.1 干热/干燥的古气候背景与孔隙-孔洞型白云岩储集层的形成

目前认为大多数白云岩是交代成因的,即通过白云石化作用而形成[15-16]。白云石形成所需的Mg2+来源问题一直是白云岩研究中的难点,也是白云岩成因理论中争论的焦点[15]。对世界不同地区白云岩的研究发现,Mg2+来源主要有以下几类:①海水(正常海水或浓缩海水)中的Mg2+;②黏土矿物释放出来的Mg2+;③地球深部岩浆热液带来的Mg2+;④有机质提供的Mg2+。虽然Mg2+的来源多种多样,但对于大规模白云岩的发育而言,充足、大量的Mg2+是关键。总体上看,海水是富Mg2+流体最原始、最主要的来源,特别是浓缩海水或卤水[16]。

地质历史时期大规模发育的白云岩多与蒸发岩密切相关,如形成于蒸发台地中的准同生白云岩[17]。这类白云岩的交代作用发生在准同生期,即碳酸钙沉积物刚沉积不久、尚未脱离沉积环境时[18]。被交代的沉积物为潮间—潮上带和膏盐湖环境中的文石泥和/或泥晶高镁方解石。白云石化流体为干热/干燥古气候背景下、由强烈蒸发作用形成的盐度变高的富Mg2+浓缩海水(卤水)[18]。该机理主要用于解释与蒸发岩伴生的潮坪及澙湖沉积物的白云石化作用。由这种机理形成的白云岩多较致密,难以独立成为好储集层。蒸发岩也是干热/干燥古气候背景下特有而常见的沉积类型,常与准同生白云岩共生或伴生。蒸发盐是易溶矿物,很容易在短时间尺度湿热/湿润古气候背景下被溶蚀而形成孔洞,从而有利于后期形成具有蒸发盐铸模孔的孔隙型含膏(膏质)白云岩储集层。准同生白云岩在中国多个大型盆地均有分布,是当前研究和勘探程度最高的一类白云岩储集层。典型实例如鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组、四川盆地三叠系雷口坡组—嘉陵江组及塔里木盆地中寒武统等层系,其中很多都是大型油气田的主力产层[17,19-22]。

除广泛发育的准同生白云岩外,还有一类白云岩的原岩沉积时水体盐度正常、能量较高,与低能量、高盐度的蒸发环境迥异,不具备发生准同生白云石化的条件,如礁滩相颗粒白云岩和礁白云岩等,其白云石化作用主要发生在埋藏期,属成岩埋藏白云岩[23]。很多学者认为这类白云岩的形成与周围的蒸发环境不存在明显的因果关联。然而随着近年来白云岩成因研究的不断深入,越来越多有力的证据表明[24-29],在蒸发台地相关层系以及与之有一定距离的层系中,对于由正常盐度水体中的碳酸盐沉积物转变而来的大规模白云岩,其白云石化流体主要就是蒸发台地中的浓缩海水(卤水)。其成因多与卤水在埋藏期通过压实排挤或热对流循环机制对其周围的灰岩地层进行交代有关。这类白云岩的实例如四川盆地下三叠统飞仙关组、石炭系黄龙组、鄂尔多斯盆地下奥陶统马家沟组四段以及塔里木盆地中西部地区中寒武统蒸发岩系之上巨厚的颗粒白云岩和结晶白云岩[24-29]。这种成岩埋藏白云岩可通过多种成孔机制发育晶(粒)间孔、晶(粒)间溶孔等储集空间,是孔隙型白云岩储集层最主要的成因类型[23],如四川盆地下三叠统飞仙关组广泛发育的鲕粒白云岩和结晶白云岩储集层。

在干热/干燥的古气候背景下,水体中的Ca2+不断被消耗而Mg2+不断富集,一方面有利于形成与硬石膏等蒸发盐类矿物共生的准同生白云岩,另一方面可以作为富含Mg2+埋藏孔隙水,在埋藏期通过压实排挤等机制向下方或侧向渗透,或在热对流等动力的驱动下向上方运移,进入到周围渗透性较好的灰岩如礁滩相灰岩中,导致其发生白云石化。因此,干热/干燥古气候背景下发育的蒸发台地中的卤水不仅是准同生白云岩的Mg2+来源,亦可以在埋藏环境中导致大规模白云石化作用的发生。这也正是地史时期巨厚而分布广泛的白云岩多与干热/干燥古气候背景和在该背景下发育的蒸发台地密切相关的主要原因。由于准同生白云岩和成岩埋藏白云岩都可以在不同的成岩阶段通过特定的成孔机制形成诸如蒸发盐铸模孔、晶(粒)间孔、晶(粒)间溶孔等储集空间而成为孔隙-孔洞型储集层[23],干热/干燥古气候背景是大规模孔隙-孔洞型白云岩储集层发育的一个非常重要的有利因素。

图3 不同古海洋环境与古气候背景下碳酸盐岩孔隙发育特征对比

3.2 文石海环境与孔隙-孔洞型白云岩储集层的形成

当海水的c(Mg2+)/c(Ca2+)值小于2.2、为2.2~5.3、大于5.3时,分别形成低镁方解石、高镁方解石+文石、文石。现代海水的c(Mg2+)/c(Ca2+)值为5.2,热带浅海碳酸盐沉积主要由文石和高镁方解石组成,这一特点对应地质历史时期的文石海时期。古代方解石海时期,当海水的c(Mg2+)/c(Ca2+)值小于2时,碳酸盐沉积的原生矿物以低镁方解石为主[4,6,9,11,30]。显生宙海水化学成分的周期性变化导致了不同时期碳酸盐沉积原生矿物的不同。

文石、高镁方解石和低镁方解石的化学活动性有明显差异。文石和高镁方解石为准稳定矿物,在成岩作用过程中会向稳定的低镁方解石转化,因此已经成岩的古代碳酸盐岩主要由低镁方解石构成。由此可见,文石海时期与方解石海时期的碳酸盐沉积具有不同的成岩潜能。不同的海水成分和原生矿物组成势必造成碳酸盐岩早期成岩作用方式的显著差别[4]。

碳酸盐沉积物矿物成分的差异必然影响储集层储集空间的发育。通过笔者对塔里木、四川及鄂尔多斯等盆地碳酸盐岩储集层的研究发现,同样是礁、丘、滩沉积,文石海碳酸盐岩比方解石海碳酸盐岩的基质孔隙更为发育。以普遍发育的颗粒碳酸盐岩为例,四川盆地下三叠统飞仙关组鲕粒白云岩发育大量以铸模(鲕模)孔、粒(晶)间孔、粒(晶)间溶孔为特征的原生和次生基质孔隙(见图3a、3b);而华北地区广泛(面积可达300×104km2)发育的中寒武统张夏组鲕粒白云岩中却基本未见基质孔隙(见图3c)。再如,同为灰泥丘沉积,四川盆地震旦纪灰泥丘中孔洞极为发育(见图3d),而塔里木与鄂尔多斯盆地奥陶纪灰泥丘中却几乎未见任何有效的储集空间(见图3e)。造成这一现象的主要原因正是文石海环境中有大量易溶的文石、高镁方解石沉淀,使得沉积物在遭受同生—准同生期暴露与大气淡水溶蚀时更容易形成孔洞。越来越多的证据表明,在浅海环境中,文石或高镁方解石质的碳酸盐沉积物在沉积过程中大量溶解,即同沉积溶解。例如,佛罗里达碳酸盐台地中,有超过50%的碳酸盐被溶解[32]。

除容易发生溶蚀外,文石海碳酸盐沉积的另一个不同于方解石海的成岩潜能表现为:文石海时期沉积的高镁方解石相对富镁,在其向低镁方解石转化的过程中可以为孔隙流体提供大量Mg2+,是后期发生白云石化作用的有利因素。海泡石的形成证明了这一点:相关研究表明,全球显生宙正常盐度海水、非热液活动环境下形成的海泡石的地史分布全部对应文石海,而方解石海沉积则缺乏海泡石,显然与文石海高镁方解石的稳定转化有关[4]。蒸发岩类型在文石海时期主要为MgSO4型,也可能成为Mg2+的另一个重要来源。虽然导致白云岩形成的因素众多,但大量Mg2+的存在是最为关键的因素。除了可能具备相对充足的Mg2+外,文石海沉积物中原生和次生基质孔隙的普遍发育还可以为后期水-岩作用提供大量反应空间,从而有利于白云石化作用的进行。相对于方解石海而言,文石海环境更有利于白云岩的形成,进而成为孔隙-孔洞型白云岩储集层发育的一个潜在的有利因素。

3.3 干热/干燥的古气候背景与早成岩期孔洞的形成与保存

储集层发育早期,干热/干燥的古气候环境多起着建设性成岩作用。干热/干燥环境下成岩流体相对匮乏,导致沉积物中胶结物相对匮乏,大量孔隙空间得以发育,因此有利于早成岩期孔洞的形成与保持。而湿热/湿润的古气候对早成岩期孔洞发育多起破坏性作用。湿热/湿润条件下,相对充足的成岩流体使得胶结物大量形成并充填孔洞,因此不利于早成岩期储集空间的发育与保持。总体而言,干热/干燥古气候背景下形成的碳酸盐岩具有胶结物少、胶结期次少的特征,而湿热/湿润古气候背景下形成的碳酸盐岩具有胶结物多、胶结期次多的特征。

以干热/干燥古气候背景下的四川盆地震旦系灯影组为例。灯影组发育大规模同生—准同生期层间岩溶,其特征明显不同于湿热/湿润古气候背景下形成的层间岩溶,突出表现为:每一层层间岩溶面之下,都普遍发育钙结壳(钙结壳是干热/干燥气候条件下碳酸盐岩表面遭受风化、大气淡水渗流与溶蚀作用的产物,即干热/干燥古气候背景下的古土壤),包括其顶部的渗流豆粒和之下的“白垩”状泥晶云岩。钙结壳之下,是普遍发育的“葡萄、花边”构造和孔洞极为发育的好储集层。无论是野外露头还是覆盖区钻井剖面,钙结壳和“葡萄、花边”构造均叠置分布、成对出现。前者指示同生—准同生期大气淡水渗流带,后者指示同生—准同生期大气淡水潜流带。尽管灯影组白云岩经历了几乎所有碳酸盐岩成岩作用过程,但其孔隙多为半充填(见图3d),孔洞十分发育,有沿砂屑白云岩层理发育的孔洞、沿凝块(球粒)周围发育的孔洞、沿富藻层溶解形成的孔洞,以及颗粒溶蚀形成的孔洞等。总体上看,具有胶结期次少、胶结物少的特点,属典型干热/干燥古气候背景下的产物。而以塔里木盆地奥陶系为典型代表的湿热/湿润古气候背景下的方解石海沉积物突出表现为胶结物多、胶结期次多的成岩作用特征,明显不同于四川盆地震旦系。

3.4 干热/干燥古气候背景下方解石海与蒸发盐铸模孔型白云岩储集层的形成

干热/干燥的古气候是白云岩和蒸发盐矿物发育的一个独立有利因素,不受原岩沉积时古海洋环境的影响。由此除文石海沉积环境外,干热/干燥古气候背景下的方解石海沉积物同样可以形成发育蒸发盐铸模孔的孔隙型白云岩储集层,且这类白云岩储集层的规模通常较大。典型实例如形成于方解石海环境中的鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组含蒸发盐的碳酸盐岩层系。马家沟组沉积期经历了多次海进和海退。其中,马一段、马三段、马五段沉积时气候干热,海平面下降,海水浓缩,形成膏盐盆和含钾盐盆。在局限/蒸发台地向上变浅序列的上部,发育了富含蒸发盐矿物(如硬石膏结核、石盐)的泥粉晶白云岩,属典型萨布哈成因。该成因类型的白云岩本身多较致密,基本无可见基质孔隙,但由于伴生了蒸发盐矿物并遭受了与高频层序界面有关的准同生期大气淡水溶蚀,导致其中的蒸发盐矿物被溶解,因此发育了大量硬石膏和/或石盐铸模孔(见图3f),可形成垂向上多旋回、平面上准层状的孔隙型储集层。这种储集层的突出特点是孔隙度高但渗透率低,受到后期岩溶作用的叠加改造后其储集性能可明显改善,如马五段含蒸发盐铸模孔的孔隙型白云岩经表生期风化壳岩溶作用的改造后形成了较好的孔隙-溶洞型储集层。

3.5 湿热/湿润古气候背景下方解石海/文石海与大型溶洞型碳酸盐岩储集层的形成

前已述及,无论是方解石海还是文石海,碳酸盐岩沉积时湿热/湿润的古气候背景均不利于早成岩期储集空间的发育。以塔中地区I号断裂带上奥陶统良里塔格组台地边缘礁滩相灰岩为例,其沉积背景为典型的湿热/湿润古气候背景下的方解石海,并经历了准同生期层间岩溶和表生期风化壳岩溶作用的改造。但在其中难以识别宏观尺度的层间岩溶现象,不具备四川盆地震旦系普遍发育的钙结壳、“葡萄、花边”构造及大量半充填的孔洞。仅在薄片中可见一些微观层间岩溶现象,主要表现为层内溶蚀孔洞中不见浅埋藏晚期粒状方解石胶结物,浅埋藏早期棱柱状方解石和海底胶结的纤状环边方解石呈“残骸”状等。基质孔隙发育程度总体较差,难以形成孔隙型储集层,如果没有表生期风化壳岩溶作用的改造形成大型缝洞,则很难形成优质储集层[33]。地质与地球物理综合研究表明,塔中I号台缘带良里塔格组灰岩中可能发育2~3层大型溶洞。如塔中62-1井,在4 959.10~4 959.30 m和4 973.21~4 973.76 m井段分别放空0.20 m和0.55 m,塔中62-2井在4 784.00~4 798.40 m井段钻揭一高逾10 m的大型溶洞。该组不经措施改造获工业油气流或高产工业油气流的钻井均有大型岩溶洞穴存在,而经措施改造后仍获低产或未获产能的失利井均未发育大型岩溶洞穴。说明表生期岩溶作用形成的大型洞穴明显控制了储集层的形成与分布,并决定了油气成藏与高产稳产井、高产稳产区块的分布,储集层类型属典型的溶洞型储集层。

由于塔里木盆地奥陶系沉积时处在湿热/湿润的古气候背景下,不发育易溶的蒸发盐矿物,因此不具备类似于鄂尔多斯盆地奥陶系干热/干燥古气候背景下形成蒸发盐铸模孔的条件,孔隙型储集层不发育。在构造断裂与表生期风化壳岩溶作用下可形成较大规模的溶蚀缝洞,成为溶洞型储集层。

4 不同古气候与古海洋环境下碳酸盐岩储集空间演化特征

碳酸盐岩储集层中次生孔隙占主导地位,因此其沉积后的建设性成岩改造尤为重要。碳酸盐岩的成岩改造作用多种多样,其中,溶蚀作用对碳酸盐岩优质储集层的形成具有决定性的作用[1]。溶蚀作用在很大程度上受到碳酸盐岩基质孔隙发育程度的影响,基质孔隙发育程度的差异最终将导致储集层储集空间发育特征和储集层类型的不同。

在质纯、层厚、具基质孔隙的碳酸盐岩中,溶蚀作用主要沿岩石骨架间孔或晶间孔进行,岩溶水运动以基质孔中的弥散(扩散)流为特征。随着侵蚀、溶蚀作用的持续进行而最终演变为蜂窝状溶蚀孔洞,表现为岩石整体的岩溶化。具有成洞率高、均质性好、方向性弱和储集空间规模小的特点,主要形成孔隙-孔洞型储集层。如果在这类碳酸盐岩中同时发育裂缝和/或层理,则更有利于溶蚀作用的进行。而在质纯、层厚、致密的碳酸盐岩中,溶蚀作用主要沿断裂、裂隙进行,岩溶水运动以断裂、裂隙中的管道流为特征,随着侵蚀、溶蚀作用的持续进行而溶洞规模不断扩大。具有成洞率低、非均质性强、方向性强和洞穴规模大的特点,往往形成大型缝洞型储集层。但如果这类碳酸盐岩中裂缝和/或层理不发育,则溶蚀作用难以进行,储集空间不发育(见图4)。这一机理很好地解释了基质孔隙欠发育的塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩形成大型溶洞型储集层,而基质孔隙较发育的四川盆地震旦系或三叠系碳酸盐岩不容易发育较大规模的缝洞而主要形成孔隙-孔洞型储集层的原因。

图4 碳酸盐岩储集空间演化特征

湿热/湿润古气候背景下的方解石海和文石海沉积物由于基质孔隙欠发育,因此不利于孔隙型碳酸盐岩储集层的形成,主要依赖于构造断裂并通过后期岩溶改造而发育大型溶洞型储集层,如塔里木盆地奥陶系良里塔格组。干热/干燥古气候背景下的方解石海,碳酸盐岩本身可能不易发育基质孔,但可发育大规模含蒸发盐的白云岩并配合溶蚀作用而形成大量蒸发盐铸模孔,从而成为孔隙型白云岩储集层,如鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组。而干热/干燥古气候背景下的文石海,一方面由于沉淀大量易溶的矿物(文石、高镁方解石等),容易在同生—准同生期发生溶解,另一方面由于沉积物中的胶结物相对匮乏,不但有利于原生基质孔隙的发育,还有利于早成岩期孔洞的形成和保存。同时,该背景下大量Mg2+和沉积物中孔隙空间的存在有利于白云石化作用的发生,因此可以发育优质孔隙-孔洞型白云岩储集层,如四川盆地下三叠统飞仙关组与震旦系灯影组。

形成于不同古海洋环境与古气候背景下的碳酸盐岩具有不同的孔隙空间发育潜能,加之所处沉积相带、岩石类型以及成岩后经历的建设性成岩改造作用等因素的不同,四川、塔里木及鄂尔多斯盆地不同地质时代发育不同类型的碳酸盐岩储集层(见图5)。

图5 四川、塔里木、鄂尔多斯盆地中下组合海相碳酸盐岩时代分布与主要储集层类型

5 结论

塔里木、四川及鄂尔多斯等盆地碳酸盐岩的勘探实践表明,古海洋环境与古气候背景是控制碳酸盐岩沉积作用并影响其成岩作用的首要因素。地质历史时期,文石海与方解石海的交替出现以及沉积时的古气候背景从根本上控制了碳酸盐岩的沉积特征及沉积岩类型,并在很大程度上影响碳酸盐岩储集空间的形成和演化,由此导致了不同古海洋环境和古气候背景下碳酸盐岩储集层的发育特征存在明显差异,最终决定了储集层的成因类型。干热/干燥古气候背景下的文石海环境最有利于孔隙-孔洞型白云岩储集层的形成。干热/干燥古气候背景下的方解石海沉积物可形成以发育蒸发盐铸模孔为主的孔隙型白云岩储集层。湿热/湿润古气候背景下的方解石海和文石海沉积物则主要形成大型溶洞型碳酸盐岩储集层。从古海洋环境和古气候背景的角度出发,探讨二者对碳酸盐岩储集层发育的控制作用,对拓展碳酸盐岩储集层的相关研究具有重要意义。

[1] 张宝民, 刘静江, 边立曾, 等. 礁滩体与建设性成岩作用[J]. 地学前缘, 2009, 16( 1): 270-289.

Zhang Baomin, Liu Jingjiang, Bian Lizeng, et al. Reef-banks and reservoir constructive diagenesis[J]. Earth Science Frontiers, 2009, 16(1): 270-289.

[2] 赵锡文. 古气候学概论[M]. 北京: 地质出版社, 1992.

Zhao Xiwen. Paleoclimatology[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1992.

[3] 颜佳新, 伍明. 显生宙海水成分、碳酸盐沉积和生物演化系统研究进展[J]. 地质科技情报, 2006, 25(3): 1-7.

Yan Jiaxin, Wu Ming. Synchronized osciliations in Phanerozoic chemical composition of seawater, carbonate sedimentation and biotic evolution: Progresses and prospects[J]. Geological Science and Technology Information, 2006, 25(3): 1-7.

[4] Sandberg P A. An oscillating trend in Phanerozoic nonskeletal carbonate mineralogy[J]. Nature, 1983, 305: 19 - 22.

[5] 拓守廷, 刘志飞. 始新世—渐新世界线的全球气候事件: 从“温室”到“冰室”[J]. 地球科学进展, 2003, 18(5): 691-696.

Tuo Shouting, Liu Zhifei. Global climate event at the Eocene-Oligocene transition: From greenhouse to icehouse[J]. Advance in Earth Sciences, 2003, 18(5): 691-696.

[6] Lowenstein T K, Timofeeff M N, Brennan S T, et al. Oscillations in Phanerozoic seawater chemistry: Evidences from fluid inclusions[J]. Science, 2001, 294: 1086-1088.

[7] Horita J, Zimmermann H, Holland H D. Chemical evolution of seawater during the Phanenozoic: Implications from the record of marine evaporates[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2002, 66(21): 3733-3756.

[8] Stanley S M. Influence of seawater chemistry on biomineralization throughout Phanerozoic time: Paleontological and experimental evidence[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2006, 232(2/3/4): 214-236.

[9] Steuber T, Veizer J. Phanerozoic record of plate tectonic control of seawater chemistry and carbonate sedimentation[J]. Geology, 2002, 30: 1123-1126.

[10] 刘喜停, 颜佳新. 海水化学演化对生物矿化的影响综述[J]. 古地理学报, 2009, 11(4): 446-454.

Liu Xiting, Yan Jiaxin. A review of influences of seawater chemical evolution on biomineralization[J]. Journal of Palaeogeography, 2009, 11(4): 446-454.

[11] Hardie L A. Secular variation in seawater chemistry: An explanation for the coupled secular variation in the mineralogies of marine limestones and potash evaporates over the Last 600 m. y. [J]. Geology, 1996, 24(3): 279-283.

[12] 陈曦, 王成善, 黄永建. 白垩纪快速气候变化研究新进展: 温室世界中的冰川证据[J]. 现代地质, 2011, 25(3): 409-418.

Chen Xi, Wang Chengshan, Huang Yongjian. Progress in the study of Cretaceous rapid climate change: Evidence of glaciation in a greenhouse world[J]. Geoscience, 2011, 25(3): 409-418.

[13] 马宗晋, 杜品仁, 洪汉净. 地球构造与动力学[M]. 广州: 广东科技出版社, 2003.

Ma Zongjin, Du Pinren, Hong Hanjing. Structure and dynamics of the earth[M]. Guangzhou: Guangdong Science and Technology Press, 2003.

[14] 洪汉净, 马宗晋, 程国梁, 等. 我国大陆古板块运动演化的特征[J]. 石油与天然气地质, 2005, 26(1): 23-28.

Hong Hanjing, Ma Zongjin, Cheng Guoliang, et al. Characteristics of fossil continental plate evolution and movement in China[J]. Oil & Gas Geology, 2005, 26(1): 23-28.

[15] 张景廉, 曹正林, 于均民. 白云岩成因初探[J]. 海相油气地质, 2006, 8(1/2): 109-115.

Zhang Jinglian, Cao Zhenglin, Yu Junmin. Discussion on the origin of dolomitization[J]. Marine Origin Petroleum Geology, 2006, 8(1/2): 109-115.

[16] Machel H G. Concepts and models of dolomitization: A critical reappraisal[M]// Braithwaite C J R, Rizzi G, Darke G. The geometry and petrogenesis of dolomite hydrocarbon reservoirs. London: Geological Society of London, 2004: 7-63.

[17] 赵文智, 沈安江, 胡素云, 等. 中国碳酸盐岩储集层大型化发育的地质条件与分布特征[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(1): 1-12.

Zhao Wenzhi, Shen Anjiang, Hu Suyun, et al. Geological conditions and distributional features of large-scale carbonate reservoirs onshore China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(1): 1-12.

[18] Mckenzie J A. Holocene dolomitization of calcium carbonate sediments from the coastal sabkhas of Abu Dhabi, UAE: A stable isotope study[J]. Journal of Geology, 1981, 89: 185-198.

[19] 何江, 方少仙, 侯方浩, 等. 风化壳古岩溶垂向分带与储集层评价预测: 以鄂尔多斯盆地中部气田区马家沟组马五5—马五1亚段为例[J]. 石油勘探与开发, 2013, 40(5): 534-542.

He Jiang, Fang Shaoxian, Hou Fanghao, et al. Vertical zonation of weathered crust ancient karst and the reservoir evaluation and prediction: A case study of M55-M51sub-members of Majiagou Formation in gas fields, central Ordos Basin, NW China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(5): 534-542.

[20] 丁熊, 陈景山, 谭秀成, 等. 川中—川南过渡带雷口坡组台内滩组合特征[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(4): 444-451.

Ding Xiong, Chen Jingshan, Tan Xiucheng, et al. Structural characteristics of intra-platform shoal in the Leikoupo Formation (T2) in the transitional zone of the central and southern Sichuan Basin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(4): 444-451.

[21] 邬光辉, 李洪辉, 张立平, 等. 塔里木盆地麦盖提斜坡奥陶系风化壳成藏条件[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(2): 144-153.

Wu Guanghui, Li Honghui, Zhang Liping, et al. Reservoir-forming conditions of the Ordovician weathering crust in the Maigaiti slope, Tarim Basin, NW China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(2): 144-153.

[22] 陈莉琼, 沈昭国, 侯方浩, 等. 四川盆地三叠纪蒸发岩盆地形成环境及白云岩储层[J]. 石油实验地质, 2010, 32( 4): 334-340.

Chen Liqiong, Shen Zhaoguo, Hou Fanghao, et al. Formation environment of Triassic evaporate rock basin and dolostone reservoirs in the Sichuan Basin[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2010, 32(4): 334-340.

[23] 张静, 胡见义, 罗平, 等. 深埋优质白云岩储集层发育的主控因素与勘探意义[J]. 石油勘探与开发, 2010, 37(2): 203-210.

Zhang Jing, Hu Jianyi, Luo Ping, et al. Master control factors of deep high-quality dolomite reservoirs and the exploration significance[J]. Petroleum Exploration and Development, 2010, 37(2): 203-210.

[24] 罗平, 苏立萍, 罗忠, 等. 激光显微取样技术在川东北飞仙关组鲕粒白云岩碳氧同位素特征研究中的应用[J]. 地球化学, 2006, 35(3): 325-330.

Luo Ping, Su Liping, Luo Zhong, et al. Application of laser micro-sampling technique to analysis of C and O isotopes of oolitic dolomites in Feixianguan Formation, northeast Sichuan[J]. Geochimica, 2006, 35(3): 325-330.

[25] 苏中堂, 陈洪德, 徐粉燕, 等. 鄂尔多斯盆地马家沟组白云岩地球化学特征及白云岩化机制分析[J]. 岩石学报, 2011, 27(8): 2230-2238.

Su Zhongtang, Chen Hongde, Xu Fenyan, et al. Geochemistry and dolomitization mechanism of Majiagou dolomites in Ordovician, Ordos, China[J]. Acta Petrologica Sinica, 2011, 27(8): 2230-2238.

[26] 郑荣才, 文华国, 郑超, 等. 川东北普光气田下三叠统飞仙关组白云岩成因: 来自岩石结构与Sr同位素和Sr含量的证据[J]. 岩石学报, 2009, 25(10): 2459-2468.

Zheng Rongcai, Wen Huaguo, Zheng Chao, et al. Genesis of dolostone of the Febdanguan Formation, Lower Triassic in the NE Sichuan basin: Evidences from rock structure and strontium content and isotopic composition[J]. Acta Petrologica Sinica, 2009, 25(10): 2459-2468.

[27] 胡忠贵, 郑荣才, 文华国, 等. 川东邻水—渝北地区石炭系黄龙组白云岩成因[J]. 岩石学报, 2008, 24(6): 1369-1378.

Hu Zhonggui, Zheng Rongcai, Wen Huaguo, et al. Dolostone genesis of Huanglong Formation of Carboniferous in Linshui of eastern Sichuan-northern Chongqing area[J]. Acta Petrologica Sinica, 2008, 24(6): 1369-1378.

[28] 张学丰, 瑄胡文, 张军涛, 等. 塔里木盆地下奥陶统白云岩化流体来源的地球化学分析[J]. 地学前缘, 2008, 15(2): 80-89.

Zhang Xuefeng, Hu Wenxuan, Zhang Juntao, et al. Geochemical analyses on dolomitizing fluids of Lower Ordovician carbonate reservoir in Tarim basin[J]. Geoscience Frontiers, 2008, 15(2): 80-89.

[29] 张静, 罗平. 塔里木盆地奥陶系孔隙型白云岩储集层成因[J]. 石油实验地质, 2010, 32(5): 470-474.

Zhang Jing, Luo Ping. Genesis of Ordovician matrix-porosity dolomite reservoir in the Tarim Basin[J]. Petroleum Geology and Experiment, 2010, 32(5): 470-474.

[30] Stanley S M, Hardie L A. Hypercalcification: Paleontology links plate tectonics and geochemistry to sedimentology[J] . GSA Today, 1999, 9(2): 1-7.

[31] 何自新, 杨奕华. 鄂尔多斯盆地奥陶系储集层图册[M]. 北京: 石油工业出版社, 2004.

He Zixin, Yang Yihua. Atlas of the Ordovician reservoir in the Ordos Basin[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2004.

[32] Sanders D. Syndepositional dissolution of calcium carbonate in neritic carbonate environments: Geological recognition, processes, potential significance[J]. Journal of African Earth Sciences, 2003, 36(3): 99-134.

[33] 倪新锋, 沈安江, 潘文庆, 等. 优质碳酸盐岩缝洞型储集层地质建模: 以塔中北斜坡及塔北南缘奥陶系为例[J]. 石油勘探与开发, 2013, 40(4): 414-422.

Ni Xinfeng, Shen Anjiang, Pan Wenqing, et al. Geological modeling of excellent fractured-vuggy carbonate reservoirs: A case study of the Ordovician in the northern slope of Tazhong palaeouplift and the southern area of Tabei slope, Tarim Basin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(4): 414-422.

Controlling effects of paleo-climate and paleo-ocean on formation of carbonate reservoirs

Zhang Jing, Zhang Baomin, Shan Xiuqin
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China)

The controlling effects of paleo-climate and paleo-ocean on the formation of marine carbonate reservoirs were studied taking key carbonate strata in the Tarim, Sichuan and Ordos Basins as examples. Dry heat/aridity and moist heat/moisture are the two distinctive types of paleo-climate background as far as carbonate sedimentation and reservoir formation are concerned. The geochemistry of the Phanerozoic ocean experienced cyclic variation, with calcite sea and aragonite sea occurring alternately. Carbonate exploration practice in the Tarim, Sichuan and Ordos Basins shows that the features of carbonate reservoir are evidently controlled by paleo-climate and paleo-ocean environment. The aragonite sea under dry heat/arid climate is most favorable for the formation of porous dolomite reservoirs. The calcite sea under dry heat/arid climate is favorable for the formation of porous dolomite reservoirs with evaporite moldic pores. The calcite sea and aragonite sea under moist heat/moist climate may only lead to the formation of cavernous carbonate reservoir. Paleo-climate and paleo-ocean environment exert great influence on carbonate sedimentation and its diagenesis, and ultimately determine the porosity features and types of carbonate reservoirs.

paleo-climate; paleo-ocean environment; calcite sea; aragonite sea; carbonate; dolomitization; reservoir

TE122.31

A

张静(1979-),女,北京市人,博士,中国石油勘探开发研究院工程师,主要从事碳酸盐岩储集层研究工作。地址:北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院石油地质实验中心,邮政编码:100083。E-mail:zj_1224@petrochina.com.cn

2013-05-05

2013-10-16

(编辑 王大锐 绘图 刘方方)

1000-0747(2014)01-0121-08

10.11698/PED.2014.01.16

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”项目(2008ZX05004)

猜你喜欢

石海古气候储集层
“养鹅书记”石海岗
咸宁职业技术学院美术教师作品选
云浮中云石海全球石材集中采购中心开工
川中震旦系灯影组储集层形成及演化研究
日本南海海槽IODP C0004C岩芯样品热释光信号特征及其对古气候变化的响应
花岗岩储集层随钻评价方法及应用
四川盆地普光气田须家河组四段储集层特征
南日群岛东部海域岩芯沉积物有机碳含量和δ13CTOC值的变化特征及古气候环境意义
多源多相复杂储集层预测——以春风油田新近系沙湾组一段1砂组为例
中全新世以来杭州湾古气候、环境变迁及对良渚文化的可能影响