柴达木盆地英西地区湖相混积型碳酸盐岩储层成因及发育模式

宋光永， 朱 超, 李森明, 王艳清, 龙国徽,宫清顺, 田明智, 伍 劲

(1.中国石油杭州地质研究院，浙江杭州 310023; 2.中国石油青海油田分公司勘探开发研究院, 甘肃敦煌 736202)

与海相碳酸盐岩相比，湖相碳酸盐岩发育区易受到陆源碎屑沉积体系和干旱气候等因素干扰，沉淀以碳酸盐矿物为主，同时含有陆源碎屑、黏土、膏盐岩矿物等多种组分的细粒混积岩[1]。有学者称其为混积型碳酸盐岩[2-3]。该类碳酸盐岩靠近油源且具备储集条件，是现阶段陆相非常规油气勘探的重点岩性目标之一[4]。在中国多个盆地均已发现以此类碳酸盐岩为主体的工业油气流，表明湖相混积型碳酸盐岩储层具有极大的勘探潜力。柴达木盆地英西地区始新统下干柴沟组上段(E32)湖相碳酸盐岩更是陆续钻探了多口日产量达千吨以上的高产井，受到业界的高度关注，但其储层的复杂性也给勘探开发带来了极大的挑战。目前，前人已从不同角度研究了下干柴沟组上段储层的岩石矿物组成[5-7]、储集空间类型及物性[6,8]，并对储层的成因及主控因素进行了探讨[9-12]。前人的研究大多从单一维度论述英西地区下干柴沟组上段的储层特征、孔隙类型及成因，为了有效指导研究区的勘探实践，有必要将沉积作用、成岩作用和成储作用有机联系起来开展系统研究[5]。笔者在前人研究的基础上，综合运用大量岩心、测井和各项试验结果，从解剖柴达木盆地英西地区的岩石类型和岩相入手，厘清沉积作用、成岩作用与岩相、储集空间类型、地球化学微量元素及同位素组成等方面的联系，系统讨论湖相混积型碳酸盐岩储层的主要类型及成因机制，建立储层的综合发育模式。

1 地质背景

1.1 区域构造

英雄岭构造带位于盆地西南部，地表形貌为盆地内部一个大型隆起带。英西地区位于英雄岭构造带西端的狮子沟一带，南与油砂山构造相接，北至犬牙沟，西到红柳泉斜坡，东与干柴沟相接(图1(a))[13]。剖面上具深、浅双层结构，深层为古近系基底卷入的冲断构造，浅层为晚期受盖层滑脱断层控制的断层相关褶皱[14]。其构造演化可划分为4个阶段[15]：①路乐河组—下干柴沟组下段沉积末期为弱断陷拉张期；②下干柴沟组上段沉积期为快速沉降期；③上干柴沟组—下油砂山组沉积末期为坳陷期；④上油砂山组沉积期至今为构造反转期。受喜马拉雅构造运动影响，研究区构造应力场由拉张变为扭压。在阿尔金断裂左旋走滑和近SN向挤压应力场共同影响下，英雄岭构造带东、西两段的位移量出现差异，同时由于塑性膏盐岩的影响，发生滑脱变形，最终形成东西分段、垂向分层的构造格局[14]。英西地区构造变形强烈，发育复杂的裂缝系统，在勘探早期曾被认为是裂缝型油气藏[16]。

1.2 沉积地质背景

下干柴沟组上段沉积期是柴达木盆地湖盆发育的鼎盛时期，湖泊面积最大。英西地区处于相对封闭的沉积环境，在干旱的古气候背景下，物源补偿弱，湖水整体上经历了初始咸化、咸化、盐湖和淡化4个沉积演化阶段(图1(b))。早期初始咸化阶段，湖盆水体的物源补给相对较强，以泥质沉积为主，是烃源岩生成的主要时期；中期咸化阶段，随着湖平面显著下降，盐度增大，形成以混积型碳酸盐岩为主的储层沉积；晚期盐湖阶段，湖盆水体的物源补给最弱，蒸发作用强烈，水体最浅，盐度最高，以发育蒸发岩类沉积为主；下干柴沟组上段沉积末期为淡化沉积阶段，湖盆水体的物源补给开始增加，以发育砂、泥质碎屑岩沉积为主[13]。

图1 柴达木盆地西部地区构造位置及下干柴沟组上段沉积演化特征

2 储层特征

2.1 岩石矿物组成

X射线衍射全岩分析、岩性测井、岩石薄片和岩心的综合分析(表1)表明，英西地区下干柴沟组上段储层的矿物组成以铁白云石、黏土矿物、方解石、石英、钠长石和硬石膏为主，同时含有少量黄铁矿、钙芒硝、石盐和钾长石等。显微鉴定揭示，石英、钠长石和钾长石为陆源碎屑成因，铁白云石和方解石为碳酸盐化学沉积，硬石膏、钙芒硝和石盐为硫酸盐化学沉积，黄铁矿为自生矿物。因此研究区的储层主要为由碳酸盐矿物、陆源碎屑、蒸发岩矿物和黏土矿物等组成的细粒混积型碳酸盐岩。采用以陆源碎屑、碳酸盐矿物和黏土矿物为三端元的三组分命名规则[2,17]，将含量占比最多的端元矿物作为岩石的主名称，如果膏(盐)矿物的质量分数达到10%，则在三组分命名前冠以“含膏(盐)”命名。从成分三角图(图2)看，研究区储层大部分以碳酸盐岩组分为主。其次，根据碳酸盐岩中方解石和白云石的相对含量，按照白云石相对含量大于95%、75%～95%、50%～75%、25%～50%、5%～25%和小于5%的区间划分，碳酸盐岩可划分为(纯)白云岩、含灰白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩、含白云质灰岩和(纯)灰岩[17]。根据X射线衍射的分析结果，英西地区碳酸盐岩以含灰白云岩和灰质白云岩为主，二者共占74.2%(图3)，因此将研究区储层岩性简称为灰云岩。这种岩石矿物组成反映研究区湖相混积型碳酸盐岩为咸化环境的产物[2]。此外，岩矿组成中普遍存在黄铁矿，平均质量分数约为4.3%，指示了还原性沉积环境[8]。

表1 下干柴沟组上段典型岩心样品X射线衍射分析的全岩矿物组成及岩性Table 1 Mineral composition of whole rock by X-ray diffraction analysis and lithology of typical core samples from the upper member of Xiaganchaigou Formation

图2 下干柴沟组上段储层岩石组分特征

图3 下干柴沟组上段碳酸盐岩的岩性构成

2.2 岩性类型

明确定义岩性对于了解混积岩储层的孔隙系统和地质力学特性至关重要。混积岩岩性描述和分类具有一定挑战[18]。在下干柴沟组上段的沉积过程中，陆源碎屑混入、蒸发作用和自生矿物生成等各种机制相互交叉使得沉积物混杂，往往难以准确判断其沉积特征和成因。根据岩石结构(构造)为主、矿物成分为辅的命名原则，确定5种岩性，并解释其成因(表2)。

表2 下干柴沟组上段碳酸盐岩的岩性分类

2.2.1 颗粒灰云岩

颗粒灰云岩在微观上主要由砂屑、粉屑、球粒、硅质碎屑粉砂及灰泥等组成(图4(a)、(b))。基本未见生物碎屑。颗粒间为亮晶胶结。胶结物在单偏光下呈无色，正交偏光下显示高级干涉色(可达三级绿)、正低突起—中突起和平行消光，指示其为硬石膏矿物。颗粒间常见灰泥填隙物(图4(c))。以上特征表明颗粒灰云岩形成于中—低能量沉积环境[19-20]。

2.2.2 泥晶灰云岩

泥晶灰云岩在岩心上一般呈浅灰色、浅棕灰色，比周围泥岩的颜色浅，呈较均匀的致密块状，在偏光显微镜下难观察到孔隙(图4(d))。在扫描电镜下可见紧密堆积的白云石菱形体，自形—半自形，晶体直径为1～3 μm(图4(e))，晶间孔较发育，孔径约为1 μm，属于纳米级孔隙。

2.2.3 含膏灰云岩

含膏灰云岩是指在泥晶灰云岩基质中发育硬石膏或石盐“斑晶”的岩石类型(图4(f)、(g))。硬石膏斑晶主要发育于下干柴沟组上段的咸化阶段，石盐斑晶主要发育于盐湖阶段。斑晶自形程度高，有时能见到斑晶中残留的泥晶基质。夏志远等[13]测试了英西地区石盐“斑晶”中的流体包裹体，主要为纯液相包裹体和气液两相包裹体，不发育烃类包裹体。采用低温冷冻法对8个纯液相包裹体进行了均一温度测定，均一温度在20～30 ℃，平均温度为27.8 ℃，揭示斑晶为准同生期交代生长成因。

图4 下干柴沟组上段混积碳酸盐岩岩性特征

2.2.4 纹层状灰云岩

在纹层状灰云岩中，富碳酸盐岩纹层与富有机质泥岩纹层或粉砂岩纹层或硬石膏纹层组成韵律结构(图4(h)、(i))。纹层的厚度通常为0.1～0.5 mm。纹层韵律往往形成于水动力较弱的湖湾浅湖或半深湖—深湖亚相[21]。硬石膏纹层直接反映沉积期的水体为高度咸化[22]。富有机质纹层的纹层状灰云岩可形成具有工业价值的油页岩[8]。

2.2.5 角砾状灰云岩

角砾状灰云岩为具角砾状构造的碳酸盐岩。其岩心具碎裂结构，角砾成分相同，均为泥晶灰云岩角砾(图4(j))。角砾大小不一，破碎不强烈时可拼合成一体(图4(k))；薄片上可见围岩被挤压破碎的特征；角砾呈棱角状、无磨圆特征、边缘平齐、无定向排列。该类储集岩的缝洞发育，孔洞边缘规则并可见硬石膏胶结物完全充填或半充填(图4(l))，为角砾化作用之后流体渗入孔洞后沉淀而成。

2.3 储集空间类型

英西地区下干柴沟组上段岩心、岩石薄片和测井资料等的综合研究认为，研究区的储层中发育裂缝-角砾间孔(洞)、溶蚀孔和晶间孔3大类储集空间(表3、图5)。储集空间呈多种尺度(纳米—厘米级),具有多种成因。

图5 下干柴沟组上段混积型碳酸盐岩储集空间

表3 下干柴沟组上段碳酸盐岩储集空间类型及特征

英西地区湖相混积型碳酸盐岩的储集空间类型与岩性紧密相关，特定的储集空间只发育于特定的岩性中。表现为：裂缝-角砾间孔(洞)发育于角砾状灰云岩中；溶蚀孔主要发育于颗粒灰云岩及含膏灰云岩中；晶间孔主要发育于泥晶灰云岩中；微裂缝广泛发育于脆性泥晶灰云岩、角砾状灰云岩中；层间缝主要发育于纹层状灰云岩中。

3 储层成因机制

基于上述岩性及储集空间类型分析，研究区混积型碳酸盐岩可以分为白云石晶间孔型、溶孔型、裂缝-角砾间孔(洞)型3种储层。

3.1 白云石晶间孔型储层

晶间孔型储层主要发育于泥晶灰云岩及含膏灰云岩中。其孔隙度为3%～14.4%，平均为6.8%，无裂缝样品氦气法渗透率测试，渗透率普遍小于0.01×10-3μm2。储集空间大小为微米—纳米级，是研究区低效储层类型。

白云岩地球化学分析(如碳、氧同位素和微量元素、常量元素分析等)能有效追溯白云石化的流体性质[22-23]。碳、氧同位素测试在中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室进行，测试仪器为Delta V Advantage型同位素比质谱仪。执行标准为SY/T 5238—2008[24])。根据氧同位素、X射线衍射全岩测试数据分析结果，英西地区下干柴沟组上段泥晶灰云岩中白云石的含量与δ18O成正比(图6)。一般认为，湖相碳酸盐岩的δ18O与沉积水体的盐度相关，盐度越大，δ18O越大。这指示白云石化的程度受湖盆水体的盐度控制[19]，盐度越大，白云石化作用越强。此外，该泥晶白云石还具有Mg/Ca比值低[10]、有序度低[19]、与蒸发岩矿物伴生等特征。综上，研究区白云石化作用可能发生于准同生期湖盆水体蒸发浓缩过程中。

图6 下干柴沟组上段白云石含量与δ18O的关系

白云石化过程中产生了大量收缩晶间孔，是支撑英西地区持续稳产的重要因素[17]。白云石晶间孔型储层的发育程度受白云化强度及泥质含量控制，泥质含量低，白云化程度高，晶间孔越发育(图7)。

图7 下干柴沟组上段碳酸盐岩孔隙度与黏土矿物含量及白云石含量的关系

3.2 溶孔型储层

溶孔型储层主要发育于颗粒灰云岩及含膏灰云岩中。其孔隙度为5%～8%，渗透率为(0.01～1.00)×10-3μm2，渗透率明显高于晶间孔型储层，是研究区中—低产、长期稳产型储层。

分析表明，在第1组模拟实验中，样品的孔隙度由5.6%增加至12.1%，渗透率由0.63×10-3μm2增加至5 002.00×10-3μm2；在第2组模拟实验中，样品的孔隙度由6.7%增加至10.5%，渗透率由0.13×10-3μm2增加至160.00×10-3μm2。这表明含膏灰云岩与2组实验流体均发生了显著的溶蚀反应，形成了大量的溶蚀孔，反应前后的CT扫描图像也证实了这一点(图8)；大气淡水增孔效应大于乙酸溶液，表明其对含膏灰云岩的溶蚀作用更强。

图8 膏质灰云岩溶蚀物理模拟实验结果

另外，岩心上可见到频繁发育的暴露侵蚀面、近地表角砾岩化、不规则岩溶管道被渗流粉砂充填、花斑状岩溶系统等岩石学现象，亦证实研究区存在暴露溶蚀[27]。

3.3 裂缝-角砾间孔(洞)型储层

裂缝-角砾间孔(洞)型储层主要发育于角砾状灰云岩中。其孔隙度大于8%，渗透率普遍大于1.00×10-3μm2。具有储集空间尺寸大(毫米—厘米级)、渗透性好(裂缝发育)等特点，是研究区高产稳产储层，这对于该地区下一步的高效勘探具有重要意义。

地震资料显示，研究区位于狮子沟大型区域滑脱冲断层带之上。由于膏盐岩的塑性流动，下干柴沟组上段内部出现强烈的逆冲滑脱变形，向浅层转化为冲断[12]。在滑脱冲断断层的逆冲挤压和横向牵引作用下，断层下部地层中形成同期次级断裂系统(图9(a))。在这种构造背景下，形成软硬地层叠加的“三明治”结构岩性组合(膏盐岩层与碳酸盐岩地层间互发育)，造成碳酸盐岩层内裂缝-角砾间孔(洞)广泛发育。因此裂缝-角砾间孔(洞)型储层是在研究区构造动力学环境和独特的岩性结构共同作用下形成的。依据前人对英西地区构造变形特征的研究结果，裂缝-角砾间孔(洞)型储层形成于上新世晚期的构造强变形期[11]。

4 发育模式

溶孔型储层和白云石晶间孔型储层均形成于沉积-准同生期，与沉积环境和沉积序列密切相关[17,22]，其发育模式如图10所示，即在整体洼陷的背景中局部发育低幅度古隆起。在咸化湖盆周期性咸化的控制下，一个完整沉积序列由4个阶段(期)组成，且从早到晚依次沉积富有机质泥岩、碳酸盐岩、膏岩和盐岩。第Ⅰ阶段，湖盆周缘有间歇性河水注入，湖平面急剧上升，浅湖—半深湖区主要以泥、粉砂等陆源碎屑沉积物为主，湖水盐度低。第Ⅱ阶段，陆源补给减弱，在干旱气候条件下蒸发作用强烈，湖平面持续下降，湖水盐度上升，并开始以碳酸盐岩沉积为主，在洼陷区表现为纹层状灰岩和泥晶灰岩沉积，隆起区表现为颗粒灰岩和泥晶灰岩沉积。第Ⅲ阶段，湖水进一步咸化，膏岩开始沉淀并消耗水体中易与镁离子结合的硫酸根离子，从而解放了被硫酸根束缚的镁离子，使得水体中自由镁离子大幅增加[4]，并对刚沉积不久的灰岩层产生准同生期白云石化作用；由于白云石化作用时间短，白云石化并不彻底，造成研究区碳酸盐岩均以灰云岩为主，且白云石晶体小、有序度低。第Ⅳ阶段，湖平面持续下降，由于重卤水下沉，在低洼处形成盐岩层；随着低幅度古隆起区局部暴露于湖平面之上，发生大气淡水淋滤作用，形成溶孔型储层；大气淡水淋滤带的范围取决于暴露期的持续时长以及大气淡水的供给程度[25]。综合分析认为，白云石晶间孔型储层和溶孔型储层发育于每个湖平面下降层序的中—晚期。

图9 英西地区构造特征及裂缝-角砾间孔(洞)型储层的发育模式

图10 下干柴沟组上段白云石晶间孔型、溶孔型储层发育模式

裂缝-角砾间孔(洞)型储层形成于狮子沟断层发育的构造活跃期，其发育模式如图9(b)所示。其中层间滑脱成因的裂缝-角砾间孔(洞)型储层集中发育于邻近狮子沟断层、膏盐岩水平滑脱段之下的碳酸盐岩层段，由断层水平滑脱段的横向牵引剪切作用和挤压揉皱破碎作用造成。冲断成因的裂缝-角砾间孔(洞)型储层集中发育于狮子沟断层之下次级断裂系统影响范围内的碳酸盐岩层段，为断层挤压冲断作用使碳酸盐岩发生刚性破碎而成。横向上，在与断层邻近的膏盐岩层之下，层间滑脱角砾岩发育较广并与断层角砾岩可以呈连片、成带分布；垂向上，断层角砾岩的发育深度更大，但延展范围受次级断裂的规模控制[11]。

5 结 论

(1)柴达木盆地英西地区下干柴沟组上段沉积了一套由泥晶碳酸盐矿物、陆源碎屑、黏土矿物和膏盐类矿物等混积形成的细粒、复杂岩性体。储层主要分布于以碳酸盐矿物占主体的灰云岩层段。具有泥晶灰云岩、纹层状灰云岩、含膏灰云岩、颗粒灰云岩、角砾状灰云岩等5种岩性。

(2)存在3类储层：第1类为裂缝-角砾间孔(洞)型储层，其储集空间孔径大，宏观可见，主要发育于角砾状灰云岩中；第2类为溶孔型储层，其储集空间为微米级，主要发育于颗粒灰云岩和含膏灰云岩中；第3类为晶间孔型储层，其储集空间微小，为纳米级。

(3)明确了3类储层的成因机制及发育模式。白云石晶间孔型储层形成于准同生期的白云石化作用，发育于每个咸化周期的中—晚期；溶孔型储层形成于准同生暴露期大气淡水对古隆起高部位颗粒灰云岩和含膏灰云岩的膏盐矿物产生溶蚀的过程中，储层的发育受控于沉积古地貌背景和湖平面升降周期；裂缝-角砾间孔(洞)型储层形成于上新世晚期狮子沟断层滑脱冲断构造活动中。

(4)英西地区湖相混积型碳酸盐岩形成于咸化湖盆陆源补给贫乏的凹陷区，以孔隙微小、渗透性较差的白云石晶间孔型储层为主体，属于低效的储集体。通常需要采取压裂及水平井等开发手段。但在某些地质营力(如构造破碎，溶蚀作用等)影响下，仍可形成相对优质的“甜点”，产生局部的常规高产油藏。