英西地区湖相碳酸盐岩角砾岩成因机制与勘探意义

王艳清，刘占国，宋光永，张永庶，朱超，李森明，王鹏，唐鹏程

（1. 中国石油杭州地质研究院，杭州 310023；2. 中国石油青海油田公司，甘肃敦煌 736202）

0 引言

碳酸盐岩角砾岩，即由碳酸盐岩母岩后经一系列角砾化地质作用再次形成的一种粗碎屑岩类。国内外学者对其岩石学特征及成因机制等方面进行了许多研究，取得了大量研究成果，对其成因机制总体可归纳为4类[1]：沉积成因角砾岩，如碳酸盐岩重力流、碎屑流和风暴沉积[2-10]；非沉积成因角砾岩，主要与岩溶-溶塌作用有关[11-14]；构造角砾岩，由强构造破碎作用形成[15-16]；成岩角砾岩，埋藏成岩过程中由压溶、重结晶作用形成[1]。在油气勘探领域，碳酸盐岩角砾岩是一种优质的油气储集岩类，多形成大型、高产油气藏，勘探潜力巨大[17-18]。

柴达木盆地英西地区近期是中国湖相碳酸盐岩油气勘探的热点地区，该区油气勘探始于20世纪80年代初，早期钻探的 S20井获日产千吨的高产工业油气流。英西地区经过30多年的开采，已累计产油3×105m3，总产液量超过7×105m3。但由于资料限制，对该区高产稳产储集层类型及成因尚存有争议，有学者认为是裂缝型储集层[18-19]，但单一的裂缝型储集层无法解释长期稳产；有学者认为储集空间主要为晶间孔，孔隙之间以裂缝进行连通[20-21]，但仅靠纳米级晶间孔贡献也无法实现长期高产和稳产。本文通过对2014—2017年以来区内新井岩心、薄片、实验测试、测井、地震和产能等大量资料综合分析为基础，发现英西地区发育多类碳酸盐岩角砾岩，在对其进行类型划分、发育特征详细描述的基础上，进一步探讨了各类角砾岩成因和时空分布，认为构造成因角砾岩段是英西深层高产稳产储集层段，对英西深层高效勘探具有重要意义。

1 地质背景

柴达木盆地英西地区位于英雄岭富油气构造带西北端，受喜马拉雅运动时期昆仑山、阿尔金山持续挤压-走滑作用控制，区内发育多组北西—南东向逆冲断裂系统（见图1a）。新生界沉积地层发育齐全，自下而上依次为古近系路乐河组（E1+2）、下干柴沟组（E3），新近系上干柴沟组（N1）、下油砂山组（N21）、上油砂山组（N22）、狮子沟组（N23）和第四系七个泉组（Qp1+2）（见图1b）[22]。本次研究层段下干柴沟组上段（E32）深层湖相碳酸盐岩是研究区主力勘探目的层，钻井取心和元素地球化学分析表明（见表1），该层段沉积期总体具干旱炎热、物源欠补偿、缺氧还原的古环境特征[23]，湖盆水体震荡、蒸发、咸化并最终成为卤水湖盆[24]，主要发育湖相碳酸盐岩、灰质泥岩、膏-盐岩和薄层砂岩 4类沉积岩，混积特征显著。储集层岩石类型主要为碳酸盐岩，占储集层总厚度的95%以上。

2 英西湖相碳酸盐岩角砾岩特征

图1 柴达木盆地英西地区位置及地层综合柱状图

依据新井岩心、薄片资料，识别出英西地区发育沉积角砾岩、成岩角砾岩和构造角砾岩 3大类碳酸盐岩角砾岩，根据构造角砾岩发育的产状特征，又进一步划分为断层角砾岩和层间滑动角砾岩两种。

表1 英西及邻区下干柴沟组上段元素测试分析数据表

2.1 沉积角砾岩特征

该类角砾岩单层厚度薄，钻遇井及层位较少。例如S43井仅钻遇沉积角砾岩5 cm，S41-6-1井钻遇沉积角砾岩厚度约20 cm，其底部与膏质灰云岩，顶部与灰质泥岩、泥质灰云岩均呈突变接触；砾石成分主要为泥质灰云岩，分选差，粒径为2～30 mm，排列无定向性，磨圆度主要为次棱角状，个别砾石具弱磨圆特征，砂-泥级杂基和硬石膏、方解石等自生矿物充填砾间（见图2）。整体表现出准同生期弱固结的泥晶灰云岩滑塌搬运再沉积特征。沉积角砾岩发育少量溶蚀孔隙和微缝（见图2b）。

图2 英西地区下干柴沟组上段沉积角砾岩岩心照片

2.2 成岩角砾岩特征

该类角砾岩在区内富膏盐层段普遍存在，单层厚10～50 cm，与上下地层为正常沉积接触关系，地层产状基本一致，无明显突变界面和构造改造特征。角砾岩段主要特征表现为原始沉积的泥质灰云岩内部大量生长析出自形、晶体粗大的硬石膏、钙芒硝等自生矿物集合体，使围岩具显著的撑开变形和切割特征进而呈现似角砾状（见图3）。其中钙芒硝矿物极易在钻井中被钻井液冲洗溶解，使围岩角砾结构特征更为明显（见图3a、图3b）；硬石膏溶解度低，因此保留了完整的晶体生长结构和切割围岩特征（见图3c—图3e）。成岩角砾岩仅发育围岩纳米级白云石晶间孔隙，大尺度的有效溶蚀孔隙欠发育。

图3 英西地区下干柴沟组上段成岩角砾岩岩心照片

2.3 构造角砾岩特征

2.3.1 断层角砾岩

该类角砾岩在逆冲断裂带钻井取心中常见，主要发育于邻近断层的碳酸盐岩段。角砾岩段岩心整体刚性破碎，无塑性变形特征，粒径大小不一，成分与围岩一致（见图4a、4c）。断层角砾岩段与上下地层为正常沉积接触关系，但底部地层倾角大，高角度构造裂缝发育（见图4b），与沉积角砾岩和成岩角砾岩相区分。薄片上可见围岩挤压破碎特征，角砾边缘平齐，棱角状，无磨圆特征，角砾无定向排列（见图4d、4e）。该类角砾岩角砾间缝洞发育，孔洞边缘规则，裂缝发育于破碎的角砾内部，无定向特征，缝洞被后期硬石膏等胶结物半充填，整体含油性好。

2.3.2 层间滑动角砾岩

该类角砾岩在远离断裂带的钻井取心层段中可见，集中发育在邻近区域厚层膏盐层之下的碳酸盐岩层。角砾岩岩心段可见刚性和塑性揉皱两种破碎特征，粒径大小不一，成分与围岩一致（见图5）。角砾岩段与塑性泥岩段互层发育，与上下地层为正常沉积接触关系，上下地层倾角亦无明显变化，未见明显高角度断层面和裂缝，但与之互层的泥岩段内部具显著的近水平滑脱面和挤压塑性变形特征（见图5a、图5b），因此将该类构造角砾岩定义为层间滑动角砾岩，并与高角度逆冲断层活动形成的断层角砾岩和上述其他两类角砾岩相区分。层间滑动角砾岩段角砾间缝洞发育，孔洞边缘规则，裂缝以剪切性质的网状裂缝为主，缝洞被后期硬石膏等胶结物半充填（见图5c—5e），整体含油性好。

3 英西湖相碳酸盐岩角砾岩成因及分布

3.1 沉积角砾岩成因及分布

古近系下干柴沟组上段沉积期，英西地区处于湖盆中心，在干旱的古气候背景下，湖盆水体经历了高频震荡的快速淡水补给淡化和缓慢的蒸发咸化的沉积演化过程（见图6）。垂向上，沉积角砾岩发育于淡水快速补给的湖平面上升半旋回（见图6）。平面上，通过井震资料对下干柴沟组上段下部和上部地层沉积厚度恢复（见图7），揭示了英西地区处于洼陷内古低隆的沉积古地貌背景，钻遇的沉积角砾岩分布在古低隆侧缘陡坡带，向洼陷内过渡为泥岩沉积，向隆起高部位过渡为水体能量较高的颗粒滩沉积。因此，英西地区沉积角砾岩为早期弱固结的碳酸盐岩受短期高能量的水体改造等地质作用影响，在洼陷内古低隆陡坡带发生事件性的滑塌破碎再沉积而形成（见图8），整体发育规模小，分布局限。

3.2 成岩角砾岩成因及分布

图5 英西地区下干柴沟组上段层间滑动角砾岩岩心照片

图6 英西地区S41-6-1井下干柴沟组上段取心段沉积综合柱状图

Flügel将在成岩期由自生矿物生长、重结晶和压溶等成岩作用改造而形成的似角砾结构的碳酸盐岩定义为成岩角砾岩[1]。即成岩角砾岩是假角砾岩，为一种成岩现象。英西地区湖相碳酸盐岩受膏盐类自生矿物生长改造而形成的似角砾结构现象普遍，垂向上主要发育于湖盆蒸发咸化沉积相对持续、稳定的湖平面下降半旋回顶部（见图6），即膏云坪沉积期；平面上在膏云坪相带均有分布。英西地区在咸化湖盆沉积、成岩背景下，沉积期、准同生期和埋藏成岩期膏盐类矿物普遍发育，但产状具显著差异。沉积期主要形成成层性好的膏盐层[25]；准同生期主要形成于泥质灰云岩内部，矿物晶体自形、结晶粗大，呈斑块状；埋藏成岩期主要以胶结物的形式充填在孔洞及裂缝内，晶体细小，自形程度低。依据英西成岩角砾岩特征（见图3），形成似角砾结构的主要原因与自形、结晶粗大的膏盐类矿物结晶生长密切相关，即在准同生成岩期，高盐度地层水在弱固结的泥质灰云岩内饱和沉淀，形成自形程度高、晶体粗大的硬石膏、钙芒硝等自生矿物集合体，同时占据了原岩空间使弱固结的泥质灰云岩被撑开变形或被切割，进而呈现似角砾结构。

图7 英西地区下干柴沟组上段地层厚度图

图8 英西地区沉积角砾岩发育模式图

3.3 构造角砾岩成因及分布

在喜马拉雅期昆仑山、阿尔金山持续挤压-走滑作用控制下，英西地区下干柴沟组上段该套泥岩、碳酸盐岩和膏盐岩咸化湖盆沉积岩性组合，表现出了双重构造变形特征[26]。通过对英西地区地震资料构造解释发现（见图9a），英西地区下干柴沟组上段上部厚层膏盐层段发育了狮子沟大型区域逆冲滑脱-冲断断层，其中膏盐岩层内为近水平滑脱段，膏盐岩向浅层发生塑性流动的同时断裂也转化为冲断特征。在该断层的逆冲挤压和横向牵引作用下，其下部地层派生形成了同期的次级断裂系统。因膏盐岩层下部岩性主要为碳酸盐岩，泥岩次之，刚性相对较强，断裂系统主体以角度较高的双向冲断为主。

根据上述构造解释和分析，结合钻井岩心和测井资料揭示的两类构造角砾岩发育特征，可见两类角砾岩均与狮子沟大型区域断层活动密切相关，但应力作用机制和分布规律具显著差异，据此建立了英西构造角砾岩发育模式（见图9b）。其中层间滑动角砾岩集中发育在邻近狮子沟断层的膏盐岩滑脱层之下的碳酸盐岩层段，为滑脱断段形成的横向牵引剪切和挤压揉皱破碎形成，下部离滑脱层较远的地层受力逐渐减弱，破碎程度变低并消失于塑性较强的泥岩层。断层角砾岩集中发育于狮子沟断层之下的次级断裂系统影响范围内的碳酸盐岩层段，为断层挤压冲断使碳酸盐岩发生刚性破碎形成。横向上，在邻近的膏盐岩层之下，层间滑动角砾岩发育较广并与断层角砾岩可以连片成带分布；垂向上，断层角砾岩发育深度更大，但延展范围受次级断裂规模控制。

图9 英西地区地震构造解释与构造角砾岩发育模式图（剖面位置见图1）

4 碳酸盐岩角砾岩油气勘探意义

依据岩性、物性和产能资料分析，英西地区下干柴沟组上段发育3种储集层类型：①裂缝-孔洞型储集层，岩性主要为断层角砾岩和层间滑动角砾岩两类构造角砾岩，储集空间为构造角砾化缝-洞，孔隙度大于8%，渗透率普遍大于 1×10-3μm2，表现出初期高产、长期稳产特征（见图10a）；②溶孔型储集层，岩性主要为砂屑灰云岩、纹层状灰云岩和沉积角砾岩，储集空间以溶孔为主，次为晶间孔，孔隙度为 5%～8%，渗透率为（0.01～1.00）×10-3μm2，表现出中低产日产量、长期稳产特征（见图10b）；③裂缝型储集层，岩性主要为块状泥质灰云岩，储集空间主要为晶间孔，次为裂缝，基质孔隙度为 3%～8%，无裂缝连通样品渗透率普遍小于 0.01×10-3μm2，表现出初期高产、产能快速衰竭特征（见图10c）。

由此可见，构造成因的断层角砾岩和层间滑动角砾岩形成的裂缝-孔洞型储集层是英西地区深层高产稳产储集层，对该区下步高效勘探具重要意义。根据两类构造角砾岩成因和分布规律，认为邻近厚层膏盐岩层之下的碳酸盐岩层是层间滑动角砾岩与断层角砾高产稳产储集层最为有利的发育层段，如S38井、S205井高产井钻探已被证实，两类构造角砾岩储集层在平面上连片成带分布，进而形成了英西地区大面积分布的优质规模储集体。在下干柴沟组中下部，层间滑动角砾岩发育程度低，但在次级断裂集中发育带可寻找到规模较大的断层角砾岩高产稳产储集层，这也是S20井区能够长期高产稳产的主力产层段。

图10 英西地区下干柴沟组上段典型试采曲线对比图

除上述构造角砾岩高产稳产储集层之外，本次研究指出的沉积角砾岩和成岩角砾岩虽然自身发育规模和含油性较差，但从寻找规模碳酸盐岩储集体角度具有良好的指相意义。沉积角砾岩反映了斜坡—古隆起区进入高能水体沉积期，指示其邻区的古隆起带发育颗粒滩相碳酸盐岩有利储集体，利于形成储集能力良好的溶孔储集层，可通过后期储集层改造提高产能。成岩角砾岩发育的旋回部位和平面分布反映了准同生期高盐度卤水的来源和活动规律，揭示了咸化湖盆进入水体浅、盐度高、能量低的演化阶段，对区域沉积相和碳酸盐岩集中段时空展布预测具重要意义。

5 结论

英西地区下干柴沟组上段发育 3类成因碳酸盐岩角砾岩，分别为沉积角砾岩、成岩角砾岩和构造角砾岩，其中构造角砾岩进一步分为断层角砾岩和层间滑动角砾岩。

英西地区沉积角砾岩为早期弱固结的碳酸盐岩受短期高能量的水体改造等地质作用影响，在洼陷内古低隆陡坡带发生事件性的滑塌破碎再沉积而形成。成岩角砾岩与准同生期弱固结的泥质碳酸盐岩内部自形、结晶粗大的膏盐类矿物结晶生长密切相关，造成围岩撑开变形或被切割形成似角砾结构。断层角砾岩和层间滑动角砾岩均与狮子沟大型区域断层活动密切相关，其中层间滑动角砾岩成因于狮子沟断层滑脱形成的横向牵引剪切和挤压揉皱破碎，断层角砾岩为狮子沟断层之下派生的次级断裂挤压冲断活动使碳酸盐岩发生刚性破碎形成。

构造成因的断层角砾岩和层间滑动角砾岩形成的裂缝-孔洞型储集层是英西地区深层高产稳产储集层，对该区深层高效勘探具重要意义。认为邻近厚层膏盐岩层之下的碳酸盐岩层是层间滑动角砾岩与断层角砾高产稳产储集层最为有利的发育层段，两类构造角砾岩储集层在平面上连片成带分布，进而形成了英西地区大面积分布的最优质的规模储集体。在下干柴沟组中下部，次级断裂集中发育带可寻找到规模较大的断层角砾岩高产稳产储集层。从寻找规模碳酸盐岩储集体角度，沉积角砾岩和成岩角砾岩具有良好的指相意义。