微生物岩储层特征及主控因素——以塔里木盆地下寒武统肖尔布拉克组为例

高洁，魏丹，张昆

（中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

塔里木盆地寒武系—奥陶系连续发育多组有勘探潜力的巨厚层碳酸盐岩[1-3]。勘探初期，在奥陶系发现了塔中1、轮南1等一系列碳酸盐岩油气藏，但寒武系的勘探却一直没有突破。直至2012年，中下寒武统白云岩储层发现了2套工业产层（阿瓦塔格组和肖尔布拉克组，钻遇中深1井），从此开启了寒武系白云岩储层勘探的新阶段[3-5]。

目前，已有很多学者针对塔里木盆地中下寒武统白云岩储层开展了研究，在层序沉积、岩石类型[6-11]及白云岩成因[12]的研究上取得了大量成果。研究发现，中下寒武统底部玉尔吐斯组发育的烃源岩，可以为上部地层提供油气，中下寒武统中部发育的大量连续分布的膏盐岩为盐下和盐间白云岩提供了优质盖层[13-14]。肖尔布拉克组发育广泛的微生物岩，已成为近年来的勘探重点。

北美和我国的微生物岩储层均已获得了油气发现，表明微生物岩是有效的油气储层[15-18]。 近年来，随着塔里木盆地油气勘探的深入，在阿克苏地区的露头区域发现了微生物岩。李鹏威等[19]提出塔里木盆地西北缘上震旦统主要发育泡沫绵层石白云岩、非叠层石球粒白云岩和层状叠层石白云岩，以微生物层产出；下寒武统主要发育凝块石白云岩、泡沫绵层石白云岩和叠层石白云岩，以礁体或微生物层产出。宋金民等[20]通过研究塔里木盆地西北缘下寒武统微生物碳酸盐岩储层，首次提出微生物结构是微生物碳酸盐岩储层形成的一个重要因素。但关于微生物岩储层特征的研究尚不深入。

为此，本文在前人研究的基础上，选取柯坪地区出露完整的苏盖特布拉克、肖尔布拉克西沟和什艾日克剖面，通过野外描述、岩石薄片观察以及物性分析，对肖尔布拉克组微生物岩和储集空间特征开展系统研究，并分析了微生物岩储层的控制因素，以期为区带和目标储层评价提供科学依据。

1 地质背景

塔里木盆地是一个大型复合多旋回叠合含油气盆地，面积达56×104km2。柯坪地区位于塔里木盆地西北缘的阿克苏地区，属于塔北隆起构造带，面积近2×104km2[19]（见图1）。 该地区寒武系露头发育广泛。

图1 研究区下寒武统地层特征、野外露头剖面分布及地层柱状图（据沈安江等[6，15]修改 ）

塔里木盆地南华系—震旦系沉积了一套裂谷体系，以巨厚粗碎屑岩为主。寒武纪发育碳酸盐岩台地环境，周缘为被动大陆边缘斜坡带。其中，下寒武统从下到上依次发育玉尔吐斯组、肖尔布拉克组和吾松格尔组（见图1b）。玉尔吐斯组为海泛期深水缓坡沉积，在经历快速海侵后沉积的泥页岩和硅质泥岩，是一套优质的烃源岩[9]；随后全盆地进入海退期，发育肖尔布拉克组，以碳酸盐岩缓坡体系沉积为主，沉积背景由“三隆两洼”的古构造格局控制，整体表现为“南高北低、西高东低”[21-25]。平面上，自古隆向盆地方向依次发育古隆—台内丘滩—台缘相—斜坡相—盆地[1，8]，柯坪地区主要为台内丘滩—台缘相。肖尔布拉克组以泥晶、颗粒和微生物岩沉积组合为特征，与顶底地层均呈整合接触；随着古气候逐渐干旱炎热，中寒武世广泛分布厚层蒸发岩，构成了区域的优质直接盖层[8]。

2 储层类型和特征

野外露头观察表明，柯坪地区肖尔布拉克组微生物岩已基本或全部白云岩化，其微生物岩类型多样，主要包括凝块石白云岩、泡沫绵层石白云岩、叠层石白云岩和层纹石白云岩（见表1）。

表1 塔里木盆地肖尔布拉克组微生物岩类型和特征

凝块石白云岩发育广泛，在3条剖面上均发育（见图2），主要位于肖尔布拉克组上段下部和下段上部。野外露头（见图3）发现，凝块石白云岩呈中—厚层块状产出，具有明暗相间的凝块状组构特征（见图3a）。

图2 塔里木盆地肖尔布拉克组碳酸盐岩露头剖面特征

图3 塔里木盆地肖尔布拉克组微生物岩微观结构特征

显微镜下，暗色凝块为藻纹层，由泥晶白云石组成，呈波状起伏，局部弯曲成“包壳”，凝块内部的浅色区域为粉—细晶白云石胶结物（见图3b）。

泡沫绵层石白云岩主要见于苏盖特布拉克和什艾日克剖面，发育在肖尔布拉克组上段的上部（见图2）。宏观上，泡沫绵层石白云岩呈浅灰色厚-块状，具有丘状构造特征，风化面及内部均可见较多的顺层溶蚀孔洞（见图3c）。微观上，泡沫绵层石白云岩是由大小不等的似泡沫状的腔体相连而成。腔体是由微生物组成的格架，腔壁由暗色泥晶白云石组成，腔体内部充填亮晶白云石（见图3d）。

叠层石白云岩在3条剖面均发育，主要发育于肖尔布拉克组上段的顶部，以波状、穹状为主。宏观上，成层性较好，为灰色至深灰色薄—中厚层状产出（见图3e），侧向连续性较好。微观上，发育明暗交互纹层——暗纹层为强烈泥晶白云石，连续性较弱；亮纹层主要为粉—细晶白云石胶结物（见图3f）。一般情况下，叠层石的出现预示水体变浅、水动力能量开始增高。

层纹石白云岩在研究区发育广泛，是主要的岩石类型，位于肖尔布拉克组下段。宏观上，该岩性的纹层呈平行展布，纹层厚1～2 mm，侧向连续性较好（见图3g）。微观上，暗纹层主要是微生物纹层，富含有机质，纵向上厚度变化较大，约1.5 mm；亮纹层则由泥—粉晶白云石组成，厚约3 mm（见图3h）。

3 储集空间类型和物性特征

3.1 储集空间类型

研究区肖尔布拉克组微生物岩储层储集空间为孔隙和裂缝。孔隙分为组构选择性和非组构选择性——组构选择性孔隙包括窗格孔和微生物格架孔，非组构选择性孔隙包括晶间（溶）孔和溶蚀孔洞；裂缝包括构造缝和溶蚀缝。不同岩类储集空间类型和发育程度不同（见图3、图4）。

图4 塔里木盆地下寒武统肖尔布拉克组微生物岩主要储集空间特征

3.1.1 组构选择性孔隙

窗格孔常见于叠层石白云岩和层纹石白云岩，属于原生孔隙，孔隙直径为0.1～1.0 cm，但大多在成岩后期被充填（见图4a，4b）。若其未被全部充填，后期发生溶蚀作用，可成为有利的储集空间。

微生物格架孔主要与微生物活动有关。野外剖面观察发现，微生物格架孔在泡沫绵层石白云岩中发育最广泛（见图3c），在凝块石白云岩和叠层石白云岩中则分布较少。显微镜下，微生物格架孔在不同岩石中的大小和形状均不同，并受到不同程度的白云石充填。其中：泡沫绵层腔格架孔发育在泡沫绵层腔中，孔隙直径为0.1～4.0 mm，大多已被白云石充填（见图3d）；对于凝块石白云岩，微生物格架孔是凝块格架间被充填的不规则孔隙（见图3b）；叠层石白云岩的格架孔主要存在于亮暗纹层间，孔隙多呈不规则状，大小差异较大，孔径在0.1～1.0 mm，顺层分布（见图3f）。

3.1.2 非组构选择性孔隙

晶间（溶）孔发育主要与白云石化作用有关，受白云石晶体的大小和分布控制，即由白云石胶结物充填原生孔隙后，受后期扩溶影响，形成晶间（溶）孔，常呈斑块状分布，连通性差（见图4c）。

溶蚀孔洞由非选择性溶蚀形成，孔洞的大小不等，多见于凝块石白云岩和泡沫绵层石白云岩。凝块石白云岩中的溶蚀孔洞多发育在凝块之间的填隙物中（见图4c），孔隙直径为0.1～1.0 mm，连通性较好。

3.1.3 构造缝和溶蚀缝

与构造作用相关的裂缝和溶蚀缝可见于微生物岩中，改善了储层渗透率。肖尔布拉克组下段普遍发育与构造、流体活动有关的岩脉（见图4d—4f），充填物为方解石、白云石、泥质或残余沥青（见图4d，4f）。

3.2 储层物性特征

塔里木盆地下寒武统肖尔布拉克组微生物岩储层物性较好，孔隙度分布在1.00%～10.00%，最高可达15.38%，但渗透率普遍较低，多为0.100×10-3μm2左右，可低至 0.070×10-3μm2，最高可达 37.351×10-3μm2。不同类型微生物白云岩，孔渗大小和孔喉特征均不同，表现为较强的非均质性（见表2）。

表2 塔里木盆地肖尔布拉克组微生物岩类型及特征

——凝块石白云岩的孔隙类型主要为溶蚀孔洞和晶间（溶）孔，其次为微生物格架孔。孔隙主要发育在凝块格架之间（见图3b，4a，4c）。孔隙度为 1.90%～8.04%，平均为 4.63%；渗透率为 0.007×10-3～6.426×10-3μm2，平均为 1.296 ×10-3μm2（见表 2）；排驱压力为 0.031～0.578 MPa，平均为 0.339 MPa；孔喉半径为 0.144 0～6.865 0 μm，平均为 2.442 0 μm[17-19，23]。

——泡沫绵层石白云岩的孔隙类型主要为微生物格架孔，其次为溶蚀孔洞和晶间（溶）孔。孔隙主要发育在泡沫棉层腔体内部，形状近似椭圆形（见图3d）。孔隙度为1.17%～10.00%，平均为5.17%；渗透率为0.006×10-3～0.057 ×10-3μm2，平均为 0.023×10-3μm2（见表 2）；压汞曲线呈现较细歪度，平均排驱压力为1.081 MPa；孔喉半径分布均匀，平均孔喉半径为 0.049 0 μm[17-19，21]。

——叠层石白云岩孔隙类型为微生物格架孔和窗格孔，位于暗层之间，形状以扁平状为主，长轴平行于纹层方向，局部遭受了强烈胶结作用（见图3f，4b）。平均孔隙度为1.49%～3.79%；平均渗透率为0.080×10-3～0.203 ×10-3μm2（见表 2）；平均排驱压力为 2.775 MPa；平均孔喉半径为0.003 5 μm，孔喉分布具有粗、细2个峰值[17-19，21]。

——层纹石白云岩总体呈现低孔低渗的特征，平均孔隙度仅有1%左右。局部溶蚀孔洞顺层发育，孔隙度可达8.90%（见表2）。

综上所述，结合前人研究成果，肖尔布拉克组微生物岩非均质性较强，其中，凝块石白云岩和泡沫绵层石白云岩物性最好，叠层石白云岩和层纹石白云岩次之。

4 储层物性的控制因素

通过对肖尔布拉克组微生物白云岩储层类型和孔隙特征分析认为，有效储层的发育主要受沉积、成岩等多重因素控制。

4.1 沉积作用

柯坪地区肖尔布拉克组主要处于碳酸盐岩缓坡背景，不同类型的微生物岩分布在不同的相带（见图5）。如：叠层石白云岩和泡沫绵层石白云岩主要发育在中缓坡丘滩潮间带，潮间带属于中—高能沉积环境，水动力中等或较强，在动荡水体中，叠层石和泡沫状蓝细菌易于大量生长，从而形成叠层石白云岩和泡沫绵层石白云岩；而凝块石白云岩和层纹石白云岩主要发育在中缓坡洼地潮下带，潮下带属于低能沉积环境，水体较深，水动力较弱，易于凝块石白云岩和层纹石白云岩形成。其中，凝块石白云岩主要为“包壳”结构，凝块格架多为泥晶组分。

图5 塔里木盆地肖尔布拉克组微生物岩储层形成过程示意

在沉积相影响下，微生物结构同时控制着微生物岩的孔隙类型、孔喉结构及孔渗分布[26-27]。在沉积—早成岩阶段，微生物沉积物发生白云石化作用，其中，有机质和泥晶组成了微生物“包壳”，抗压能力强，受成岩作用影响小，更易保留原始结构，进而保护了原生孔隙。比如：叠层石白云岩和层纹石白云岩发育窗格孔及顺层溶孔，凝块石白云岩的原生孔隙（微生物格架孔）多发育在泥晶凝块“包壳”内部，泡沫绵层石白云岩的原生孔主要位于泡沫腔内。

因此，沉积环境控制了微生物结构和储层特征，其中，微生物结构的差异则与古地貌、沉积环境、沉积相类型，以及水动力强弱有关。

4.2 成岩作用

根据肖尔布拉克组微生物岩储层矿物接触和切割关系，研究区微生物岩的成岩作用序列由早到晚依次为：准同生—浅埋藏白云石化、大气淡水淋滤（溶蚀）作用、埋藏溶蚀作用、中—深埋藏白云石化、热流体白云石化和方解石化（见图5）。其中同生、早—中成岩和晚成岩阶段溶蚀作用对微生物岩储层具有显著建设性改造，且不同类型微生物岩的成岩改造程度也不同。

4.2.1 早期大气淡水淋滤作用

中缓坡潮间带丘滩发育古隆起，当海平面下降时，古隆起区暴露地表，易遭受大气淡水淋滤作用。根据前人对肖尔布拉克组微生物岩的地化分析结果，微生物岩格架孔内部充填的方解石胶结物具有形成温度低、δ18Ow低（-5.13‰，SWOM 标准）的特征，证实为大气淡水成因，也辅证了研究区大气淡水淋滤作用的发生[27]。研究区的大气淡水淋滤（溶蚀）作用主要发生在暴露地表的古隆起区域的泡沫绵层石白云岩和叠层石白云岩中（见图5），在微生物“包壳”或者腔体内部、微生物纹层之间形成溶蚀孔隙[21]。

4.2.2 埋藏溶蚀作用

岩心、薄片观察表明，肖尔布拉克组微生物岩还发育溶蚀孔洞，如白云石晶间（溶）孔等，局部一些溶蚀孔洞伴生沥青，说明该类溶蚀孔洞和有机质生烃有关。结合研究区构造埋藏史，微生物岩储层经历中—深埋藏阶段，随着埋藏深度和温度升高，有机质生烃释放的有机酸、CO2等酸性流体进入微生物岩储层后发生溶蚀作用，初始孔隙和裂缝为酸性流体提供通道。酸性流体的溶蚀作用一方面使连通性较好的孔隙继续溶蚀扩大，形成孔洞；另一方面对渗透性较好的储层进行基质溶蚀，虽然无明显孔隙形成，但增加了渗透性。例如成岩初期发生大气淡水淋滤的泡沫绵层石和叠层石白云岩，在后期埋藏过程中，有机酸易于进入物性较好的岩层发生溶蚀（见图5）。此外，微生物岩中有机质含量相对较高，是一种有效的烃源岩。根据就近原则，埋藏溶蚀作用更容易发生在具有微生物结构的白云岩中，比如层纹石白云岩，有机酸沿着微生物纹层发生溶蚀作用（见图5）。

4.2.3 热液溶蚀作用

野外观察发现，肖尔布拉克组下段发育典型斑马纹白云岩（见图4e），其流体包裹体均一温度为158.4～161.2℃，高于最大埋藏古地温148.2℃，表明其热液成因（见图6）[26，28]。 热液溶蚀作用对肖尔布拉克组微生物岩储层的有利影响较小。比如：泡沫绵层石白云岩和叠层石白云岩，会被热液成因的斑马纹白云石充填孔隙，导致孔隙度下降；对于凝块石白云岩，热液顺裂缝发生溶蚀改造作用，形成有效储层，局部形成热液成因的白云石，充填裂缝和孔隙；对于初始孔渗较差的岩性，比如层纹石白云岩，改造作用不明显（见图5）[26]。

图6 塔里木盆地肖尔布拉克组白云岩包裹体均一温度

5 结论

1）塔里木盆地肖尔布拉克组微生物岩主要包括凝块石白云岩、泡沫绵层石白云岩、叠层石白云岩和层纹石白云岩。储集空间主要为晶间（溶）孔、溶蚀孔洞、窗格孔和微生物格架孔，其次为构造（溶蚀）缝。整体上，微生物岩非均质性强，以凝块石白云岩和泡沫绵层石白云岩物性最好，叠层石白云岩和层纹石白云岩次之。

2）微生物岩的岩石类型和物性特征主要受沉积和成岩共同作用。沉积环境等因素控制了微生物结构种类，从而决定了原始孔隙特征，是控制微生物岩储层物性的先天因素；成岩作用是对储层的后期改造。

3）微生物岩物性受到溶蚀作用（包括早成岩阶段的大气淡水淋滤作用、有机质生烃及晚期热液溶蚀作用）的影响。大气淡水淋滤作用导致泡沫绵层石白云岩发育顺层溶孔和扩大溶孔，储层连通性好；有机质生烃作用更易发生在与其相邻的具有微生物结构的微生物岩中；热液改造作用对微生物岩储层的有利影响较小，热液成因的斑马纹白云石会充填孔隙，导致孔隙度下降。