塔里木盆地热液特点及其对碳酸盐岩储层的改造作用

刘 伟　黄擎宇王 坤石书缘姜 华

1.中国石油大学(北京）　2.中国石油勘探开发研究院

塔里木盆地热液特点及其对碳酸盐岩储层的改造作用

刘 伟1黄擎宇2王 坤2石书缘2姜 华2

1.中国石油大学(北京）2.中国石油勘探开发研究院

刘伟等.塔里木盆地热液特点及其对碳酸盐岩储层的改造作用.天然气工业，2016,36(3):14-21.

塔里木盆地热液活动普遍，为弄清其对该区下古生界碳酸盐岩储层的影响，分析了该盆地碳酸盐岩中热液活动产物的岩石学、地球化学特征，发现该区热液普遍具有贫镁离子、富含CO2的特点。进一步探讨了该区热液活动对储层的改造作用，发现热液流体成分是这一改造作用的决定性因素。研究结果表明：①热液流体富含CO2，沿断裂带通道附近溶蚀作用强烈，发育大小不等的溶蚀孔洞，形成规模较小但孔渗性很好的优质储层；②热液流体自身镁离子含量很少，虽然通过溶蚀寒武系白云岩能获得部分镁离子，但热液白云石化作用规模较小；③富含CO2的热液流体溶蚀围岩形成优质的溶蚀孔洞型储层，其分布明显受到断裂的控制；④热液白云石化作用主要表现为鞍形白云石充填溶蚀孔洞，以及在断裂附近热液活动导致白云石晶体重结晶或过度生长，堵塞已有的孔隙，总体而言是一种破坏性成岩作用。该成果可以为该盆地深部碳酸盐岩储层预测提供帮助。

塔里木盆地 早古生代 热液 碳酸盐岩 储集层 白云石化 CO2成岩作用 溶蚀作用

塔里木盆地下古生界热液活动非常普遍，在塔北、塔中、巴楚和塔东地区的寒武系、奥陶系都发现了热液活动的痕迹[1-14]。主要表现为不同规模的溶蚀孔洞以及孔洞内多种热液矿物沉淀，例如鞍形白云石、萤石、石英、闪锌矿、天青石、重晶石等[5]。前人针对塔里木盆地热液活动及其对储层的影响进行了深入的研究，主要认识体现在以下几个方面：塔里木盆地广泛的热液活动多与二叠纪强烈的岩浆—火山作用有关[1-7]；塔里木盆地广泛发育热液白云岩，构造热液白云石化作用是一种储层建设性成岩作用[4,8-10]；热液流体对下古生界碳酸盐岩产生了显著的溶蚀作用，形成溶蚀孔洞，对碳酸盐岩储层空间改善有积极的意义[5,11-12]；此外还有学者提出粉—细晶粒白云岩在热液作用下发生重结晶作用，形成中—粗晶白云岩，是良好的油气储层[13-14]。前人的研究参考国外典型热液活动地质认识与模型，可能会忽略塔里木盆地热液及其对储层的改造作用与国外典型热液活动的差异，进而影响对储层的客观评价。笔者以塔里木盆地下古生界碳酸盐岩为例，阐述塔里木盆地热液活动的特点以及对储层的影响，以期能够为塔里木盆地深部碳酸盐岩热液相关储层预测提供帮助。

1　塔里木盆地热液的特点

1.1热液活动时间及来源

塔里木盆地在演化历史中发生过4次重要地质热事件，分别在南华纪—寒武纪、早奥陶世、二叠纪和白垩纪[15]。前两期发生较早，并未影响到整个奥陶系，白垩纪岩浆活动主要局限在塔里木盆地周边地区。二叠纪火山活动几乎遍及整个盆地，玄武岩、辉绿岩广泛分布，对塔里木盆地影响最大[16]。吕修祥、王嗣敏、朱东亚等通过地球化学和火成岩体分布特征分析，认为塔里木盆地热液流体主要来自二叠纪岩浆活动[6-7,14]。大多数学者都认可这种观点，但也有学者认为西克尔和塔中45井萤石的形成与岩浆期后热液无关，而是低温大气淡水循环热液的产物[17]。

1.2热液中Mg2+含量

前人多认为，塔里木盆地下古生界碳酸盐岩中热液白云岩发育，并且形成优质的白云岩储层，例如塔中地区中古9井鹰山组和英买力地区英7井[4,9]。但是应该注意到，典型热液成因的白云岩在塔里木盆地并非普遍现象。尽管中古9井在鹰山组石灰岩地层中形成的优质白云岩储层被看作是热液成因的，但是在更多受热液强烈改造的地层中，并没有见到具有一定分布规模的热液白云岩。例如塔中45井良里塔格组、巴楚露头区鹰山组和一间房组以萤石和方解石沉淀为主(图1-a、图1-b），古城地区寒武系以鞍形白云石、方解石和石英沉淀为主(图1-c、图1-d），顺南地区则以硅质岩沉淀为主，塔北和巴楚地区溶洞中有鞍形白云石充填(图1-e、图1-f）等。此外，露头区奥陶系鹰山组石灰岩地层中，虽然有大量辉绿岩侵入体，但侵入体周围并没有发生白云石化，而是以大理石化为主[11]。井下存在同样的现象，如塔中地区中16井中—下奥陶统辉绿岩体周围也以大理岩化为主。这些现象都说明塔里木盆地热液流体中Mg2+含量很低，难以满足大规模白云石化作用的需求。

为了进一步了解热液流体中Mg2+的来源，对鞍形白云石、中粗晶白云岩和残余颗粒白云岩3类样品的Mg同位素进行了分析。Mg同位素之间存在较大的相对质量差，如26Mg和24Mg之间质量差可达8%，这种大的相对质量差使得很多地质过程中Mg同位素能够发生显著的质量分馏，因而可以作为地球化学“示踪剂”[18]。对幔源岩石，如洋中脊玄武岩和橄榄岩包体，研究表明地幔的Mg同位素平均组成为δ26Mg = (－0.25‰±0.07‰)[19]。硅酸盐矿物风化过程中Mg同位素发生显著分馏，轻Mg同位素优先进入流体，沉积岩和土壤作为风化作用的固相产物相对地幔富集重Mg同位素。河水的δ26Mg ＜0.5‰，平均值为－1.09‰；海水的Mg同位素较为均一，δ26Mg = －0.8‰；海洋沉积钙质碳酸盐的δ26Mg介于－1.0‰～－5.5‰，远低于海水和河水；白云岩的δ26Mg介于－1.0‰～－2.5‰。高温岩浆过程Mg同位素无显著分馏[19]。所以，如果鞍形白云石的Mg2+来自热液流体，Mg同位素值应该偏重，接近幔源岩石的Mg同位素组成；反之则会偏轻。结果表明，与热液活动有关的鞍形白云石的Mg同位素组成与地幔橄榄岩和玄武岩的Mg同位素组成差异较大，反而是与未受热液改造的残余颗粒白云岩相近(图2）。这说明热流体自身携带的Mg2+非常少，热液中Mg2+主要来自对下部地层中白云岩的溶解。

由此可以推断，来自岩浆的热液自身携带的Mg2+非常少，热液流体在流经下部白云岩地层时，溶蚀围岩，获取Mg2+。但总体而言，热液中Mg2+含量并不高。

图1　塔里木盆地下古生界热液产物特征图版

图2　塔里木盆地寒武系不同类型白云岩镁同位素分布图

1.3热液中CO2的含量

对于岩浆热液而言，不仅具有很高的温度，而且含有CO2和H2S等酸性气体[20-21]。朱东亚采用加热释气法对塔里木盆地塔北和塔中地区二叠系火成岩中所含流体进行了研究，表明CO2是火成岩所释放气体中最主要的组成部分，最高可达91.47%[22]。吕修祥、朱东亚指出，塔中地区天然气藏中CO2是常见非烃组分，含量通常在1%以上，最高的中1H 井CO2含量达13%[6,23]。笔者在塔里木盆地西缘巴楚西克尔露头区采集了萤石和方解石样品，利用激光拉曼探针分析流体包裹体成分，结果表明气相和液相包裹体中CO2含量很高。其中气相包裹体中CO2含量介于28.2%～92.5%；液相包裹体中CO2含量介于0～26%（表1）。这些都表明，热液活动期，流体中存在大量的CO2。

表1　流体包裹体气、液相成分表

2　热液对储层的改造作用

热液流体对碳酸盐岩围岩的改造作用主要表现在两个方面，即热液溶蚀作用与热液白云石化作用。

2.1热液溶蚀作用与孔隙建造

塔里木盆地热液流体多含有CO2、H2S等气体，其中又以CO2最为普遍，从而使流体呈酸性，直接作用于碳酸盐岩，形成溶蚀孔洞。此外，深部流体带来大量热能，从而使流体的化学侵蚀性大大增强，促进溶蚀作用的发生[7]。白云岩溶蚀模拟实验表明，封闭环境，在40 ℃、10 MPa和140 ℃、50 MPa条件下，分压为2 MPa的二氧化碳水溶液对白云岩（10目颗粒）的溶蚀量分别是去离子水溶蚀量的12倍和9.7倍（图3）。

图3　不同温压条件下白云岩颗粒的溶蚀量图

当溶蚀孔（洞）内有鞍形白云石胶结物，并且这些鞍形白云石晶体具有溶蚀痕迹时，可认为这些溶蚀孔（洞）的形成与热液流体的活动有关[24]。钻井揭示了塔里木盆地深层热液流体对碳酸盐岩储层的改造作用，热液溶蚀在塔北、塔中、古城等地区形成了不同规模的溶蚀孔洞。较大的溶洞（直径大于1 cm）多在断裂带附近发育，如古城地区城探1井寒武系、顺南地区奥陶系鹰山组（图4）。溶洞多呈不规则形状，与裂缝伴生，被热液矿物充填或半充填，但是不同地区溶洞内充填物特征有差异。例如古城地区溶洞内充填物以鞍形白云石、方解石为主，其次是石英晶体；顺南地区鹰山组溶洞以硅质岩充填为主。规模较小的溶洞（直径小于1 cm）和溶孔通常密集分布，这种溶蚀孔洞在古城地区古城8井寒武系和塔北地区塔深1井寒武系最为典型。古城8井寒武系为含灰质白云岩，小型溶洞和溶孔十分发育（图4-c），孔洞直径介于1～7 mm，多数小于4 mm，具有层状分布的特征。薄片中，白云石晶体以他形晶为主，见有港湾状溶蚀痕迹。溶蚀孔洞内可见数量不等的鞍形白云石和石英晶体，进一步表明这些溶孔是热液溶蚀成因。塔深1井寒武系5次取心中均可见溶蚀孔洞发育，其直径介于1～58 mm，又以1～10 mm规模的孔洞最为普遍，密集分布或孤立分布[25]。

图4　热液溶蚀孔洞特征图

大量热液流体沿断裂快速涌入地层，具有较高的水岩比，对围岩造成强烈的溶蚀，形成沿断裂分布的规模不等的溶蚀孔洞。遇到遮挡层或高孔渗层后，热液流体会向远离断裂的方向流动，较高的基质孔有利于热液流体对储层进行整体的改造，形成密集分布的小型溶蚀孔洞。当流体中离子过饱和的时候，开始沉淀热液矿物。城探1井、古城8井和塔深1井钻遇寒武系台缘带并且靠近断裂带，有利于热液流体对储层改造，形成溶蚀孔洞型储层。古城地区城探1井寒武系台缘带丘滩体2次取心可见较多厘米级孔洞，测井显示丘滩体主体部位（6 830～7 093 m）Ⅰ类和Ⅱ类储层累计厚度为97.4 m，储地比为37%。塔北地区塔深1井寒武系台缘丘滩体钻遇Ⅰ类储层61.5 m、Ⅱ类储层23.5 m、Ⅲ类储层456 m，储地比为35.5%。顺南地区顺南4井奥陶系石灰岩遭受热液溶蚀作用，形成硅质岩充填的大型洞穴，试气获百万立方米以上的高产工业气流。

2.2热液白云石化作用与孔隙破坏

Davies和Smith Jr.对构造控制的热液白云石化作用进行了更详细的定义：即富镁热液（特别是卤水）在温度和压力升高的埋藏条件下沿着拉张断层或转换断层或断裂系统上升，碰到渗透性差的隔挡层后侧向侵入到渗透性好的围岩中发生的白云石化作用[26]。塔里木盆地热液流体普遍贫镁离子，白云石化作用的规模有限，主要有两种方式：①鞍形白云石从热液中直接析出，充填在溶蚀孔洞中；②热液流体以重结晶的方式改造原有白云岩，形成中—粗晶他形白云石。

鞍形白云石以粗粒的白色晶体集合为特征，晶体集合通常显示晶面弯曲的特征，呈马鞍形，被看作是指示热液环境最重要的岩石学标志[26]。鞍形白云石在塔里木盆地下古生界碳酸盐岩中分布广泛，塔北、塔中、古城、巴楚地区均有发现，主要以缝洞充填物的形式出现。鞍形白云石以乳白色、白色或浅灰黄色为主，镜下观察晶面表面较脏，富含包裹体，晶面弯曲呈镰刀状或锯齿状，正交偏光下波状消光特征明显。包裹体显微测温表明，鞍形白云石具有明显的高温、高盐度特征，从塔里木46个样品的测试结果来看，均一温度范围通常分布在110～150 ℃（图3），高于塔北—塔中地区寒武系—下奥陶统在二叠纪时的地层温度80～105 ℃[8]。盐度值主要区间为16.71～22.71（NaCl质量分数）。

除鞍形白云石外，部分中—粗晶他形白云石的形成也与热液作用相关[27]。这类基质白云石通常与鞍形白云石或其他热液矿物（如萤石、重晶石、自生石英等）共生。在岩心及镜下，这类中—粗晶他形白云石与鞍形白云石之间多为过渡关系，不存在明显界线（图1-g）。这类白云石晶体自形程度差，多由曲面—他形晶组成，晶体之间凹凸或缝合线接触，波状消光特征明显，部分样品可见残余颗粒幻影以及不规则亮边。与正常埋藏成因的中—粗晶他形白云石相比，这类白云石的均一温度偏高10～20℃以上，与鞍形白云石的均一温度相似(图5）。地球化学分析表明，这类白云岩除了富Fe和Mn元素外，还有较高的Sr同位素值以及氧同位素更加偏负(图6）。这说明其形成过程中除了地层中封存的海源流体的影响之外，外部来源的热流体贡献更明显。这类受热液影响的中—粗晶白云石的分布与鞍形白云石的分布具有一定相似性，在靠近大型断裂的位置比较发育。

图6　塔里木盆地不同成因白云岩O—Sr同位素分布图

正如前面所述，塔里木盆地热液本身镁离子含量很低，虽然通过溶蚀寒武系白云岩的方式获得镁离子，但总体而言，热液中镁离子含量偏低，因此少见西加拿大盆地泥盆系那样的典型热液白云岩储层。热液白云石化作用对储层的影响体现在两个方面。一是形成的鞍形白云石充填溶蚀孔洞（图1-c、图6），这种现象在热液活动区非常普遍，有时甚至近完全充填（图4-b）。另一方面，较高的流体温度会造成原有白云石重结晶或过度生长，晶体形态由自形—半自形变为他形，呈镶嵌状接触，早期保留下来的孔隙空间被充填破坏（图1-h）。黄擎宇对白云岩储层不同类型孔隙贡献进行了统计，发现中—粗晶他形白云岩中晶间孔的贡献率仅为12%，远低于细晶平面自形白云岩中69%的贡献率[28]。总体而言，热液白云石化作用表现为对孔隙的破坏，是一种破坏性成岩作用。

3　结论

1）塔里木盆地热液活动普遍，热液通常具有贫镁离子、富二氧化碳的特点。

2）热液流体自身镁离子含量很少，虽然通过溶蚀寒武系白云岩获得部分镁离子，但热液白云石化作用规模较小。

3）富含CO2的热液流体溶蚀围岩形成优质的溶蚀孔洞型储层，其分布明显受到断裂作用的控制。

4）热液成因的鞍形白云石充填溶蚀孔洞，此外靠近断裂的区域热液活动导致白云石晶体重结晶或过度生长，堵塞已有孔隙，总体而言是一种破坏性成岩作用。

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Characteristics of hydrothermal activity in the Tarim Basin and its reworking effect on carbonate reservoirs

Liu Wei1, Huang Qingyu2, Wang Kun2, Shi Shuyuan2, Jiang Hua2
(1. China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.14-21, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Hydrothermal activity is common in the Tarim Basin. In this paper, petrologic and geochemical characteristics were analyzed of the products of such activity in carbonate rocks in this basin so as to figure out its effect on the Lower Palaeozoic carbonate reservoirs in this area. It is shown that the hydrothermal fluid in the Tarim Basin is generally high in CO2content, but very low in Mg2+content. Then, the reworking effect of hydrothermal activity on reservoirs in this area was further discussed. It is indicated that the component of hydrothermal fluid is the deciding factor for the reworking of reservoirs. The research provided the following findings. Firstly, hydrothermal fluid is rich in CO2. And dissolution is strong near the pathways of fracturing zones and dissolved pores of different sizes are developed. Therefore, smallscale quality reservoirs with good porosity and permeability are formed. Secondly, magnesium content of the hydrothermal fluid itself is quite low, and some magnesium can be produced from Cambrian dolomites by means of dissolution, but the scale of hydrothermal dolomitization is smaller. Thirdly, quality dissolved pore-cave reservoirs are formed due to the dissolution effect of hydrothermal fluid with abundant CO2on the surrounding rocks, and their distribution is dominantly controlled by fracturing. And fourthly, the hydrothermal dolomization is mainly presented in the following two forms. One is dissolved pores/caves filled with saddle dolomites, and the other is a type of destructive diagenesis, based on which, the hydrothermal activities close to the fracturing lead to recrystallization or overgrowth of dolomite crystal and the existing pores are blocked. This paper provides assistance in the prediction of deep carbonate reservoirs in the Tarim Basin.

Tarim Basin; Early Palaeozoic; Hydrothermal; Carbonate; Reservoir; Dolomitization; CO2; Diagenesis; Dissolution

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.003

国家科技重大专项（编号：2011ZX05004-001）、中国石油天然气股份有限公司重大科技专项（编号：2014E-32-01）。

刘伟，1978年生，高级工程师，博士；从事碳酸盐岩沉积与储层研究工作。地址：（100083）北京市海淀区学院路20号910信箱。ORCID:0000-0002-3375-2888。E-mail:liuwei086@petrochina.com.cn

2015-12-18编 辑罗冬梅）