彭 军，林 攀，夏青松，李 斌，韩浩东

(1.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中国地质调查局成都地质调查中心，四川 成都 610081)

0 引 言

白云岩储层在世界范围内占很大比例，约占碳酸盐岩储层的50%，尤其在深埋藏环境下，其所占比例更大[1]。彭军等通过模拟地层埋藏演化过程中的溶蚀作用，分析了塔里木盆地寒武系碳酸盐岩溶蚀作用特征及控制因素[2]。近年来，越来越多的学者意识到断层与裂缝活动及后期的溶蚀改造，对白云岩储层储集性能及渗流特征有着重要影响，甚至起着决定性作用，尤其是分布受主应力控制的构造裂缝，其更易形成规模性的网状通道。因此,开展构造裂缝的分布及精细研究,对储层特征及优质储层预测有着积极的指导意义[3-6]。

目前，塔里木盆地北部地区(简称“塔北地区”)深部白云岩储层研究仍然较薄弱。已有的认识主要有：塔北地区碳酸盐岩储层发育，其中，裂缝型及裂缝-孔洞型储层是主要的储层类型，近年来在裂缝型及裂缝-孔洞型储层中均发现高产工业气流；塔北地区构造运动强烈，构造裂缝发育，有利于溶蚀作用的发生[7]，其断裂具有多期次、继承性发育的特点[8-10]，盆内下古生界碳酸盐岩地层中广泛分布与构造相关的热液白云岩储层[11-13]。热液活动对油气成藏的影响已成为目前研究的热点[14-17]，主要集中在热液流体对碳酸盐岩储层的改造，包括碳酸盐岩储层孔洞与裂缝的扩溶以及热液矿物的充填，其中，构造热液白云岩化作用多以鞍状白云石与自形白云石充填物的出现为特征[11]。近年来塔里木盆地中部地区(简称“塔中地区”)和东部地区寒武系—下奥陶统均已发现热液白云岩储层[18]，而在塔北地区不仅发现热液作用的存在，且具有良好的构造条件，其中，有效裂缝沟通为后期白云岩储层改造提供有利条件[19-20]，这些与断层相关的构造热液白云岩储层往往是优质储层[21-26]。本文通过对塔北地区寒武系深部白云岩储层的构造裂缝及其充填特征展开精细研究，分析研究区裂缝发育程度、充填方式及有效性，以期对深部白云岩储层被有效裂缝改造的程度与方式有进一步认识。

1 区域地质背景

图1 塔北地区寒武系构造位置Fig.1 Location of Cambrian Structure in the Northern Tarim Basin

塔北地区是塔里木盆地中勘探程度最高的地区之一，蕴藏着丰富的油气资源。塔北隆起夹于北部坳陷与库车坳陷之间，从西往东依次分布英买力凸起、哈拉哈塘坳陷、轮南凸起等二级构造单元，面积约为54 000 km2(图1)，其下又分为塔河地区与天山南地区，塔河地区有塔深1(TS1)井、于奇6(YQ6)井钻遇寒武系，天山南地区有星火2(XH2)井、大古1(DG1)井钻遇寒武系。塔北隆起发育于加里东晚期—海西早期，于海西晚期定型，多期构造运动使其油气分布十分复杂[27-29]。塔北地区寒武系地层在加里东早期—海西早期抬升并遭受暴露剥蚀，在岩溶作用下形成了良好的缝洞系统；海西晚期地层再次抬升，剧烈的伸展运动形成了大量的张性断裂以及火山活动,从而引起了塔北地区的构造热液活动，形成了塔北地区复杂多样的储集空间类型。

2 裂缝基本特征

裂缝为岩层沿着裂纹、裂隙、节理或任何一种面破碎而形成的间隙[30]。按裂缝面与岩芯中线垂直面的夹角可将裂缝分为立缝、平缝、斜缝。根据岩芯观察及描述，对塔北地区寒武系地层取芯裂缝倾角特征进行了较为详细的统计(图2)，结果表明各地区裂缝发育的优势倾角不尽相同。在天山南地区，裂缝为其主要储集空间，以立缝为主，平缝较为少见，立缝整体走向大致相同，缝旁常常伴生微裂缝甚至网状裂缝，少有溶蚀孔洞发育[图3(a)～(c)]。与天山南地区相比，塔河地区未充填的平缝更为发育，其次为立缝以及高角度斜缝[图3(d)～(i)]，独立分布的斜缝基本表现为未充填状态，而与平缝共生时则被大量充填，偶见网状裂缝，大部分被方解石全充填。总体来看，塔河地区北部寒武系白云岩储层斜缝更为发育，且与裂缝伴生的溶蚀孔洞也更为发育，而在塔河地区南部溶蚀孔洞更多表现为独立分布，如TS1井[图3(e)、(g)、(h)]。

图2 塔北地区寒武系白云岩储层中裂缝类型统计直方图Fig.2 Statistical Histogram of Fracture Types of Cambrian Dolomite Reservoir in the Northern Tarim Basin

图3 塔北地区寒武系白云岩储层取芯段裂缝照片Fig.3 Fracture Photos of Coring of Cambrian Dolomite Reservoir in the Northern Tarim Basin

裂缝线密度反映了岩石遭受应力改造后的破裂程度，是表征裂缝发育程度最简便直接的参数，是指发育在某段岩芯上的裂缝总数(n)与该段岩芯长度(l)的比值[31]。对塔河与天山南地区下丘里塔格群的裂缝线密度统计分析可以看出，塔北地区寒武系白云岩储层整体裂缝发育。其中，天山南地区裂缝分布在区域上很不均匀，裂缝线密度最低为22.48条·m-1(DG1井),最高达43.58条·m-1(XH2井)，且多数为未充填裂缝；塔河地区储集空间类型多样，裂缝更为发育，裂缝有效性在区域上存在极大差别，如YQ6井裂缝线密度为33.58条·m-1，但充填比例较高，TS1井裂缝线密度(32.45条·m-1)虽然低于YQ6井与XH2井，但裂缝充填程度较低，裂缝有效性较好，且伴生大量溶蚀孔洞，储层储集性能得到明显改善。

图4 塔北地区寒武系地层取芯段裂缝线密度随深度变化Fig.4 Variations of Fracture Linear Density of Coring with Depth of Cambrian Strata in the Northern Tarim Basin

岩芯描述以及FMI成像测井解释成果揭示，岩芯寒武系白云岩储层裂缝分布表现为明显的纵向变化。塔河地区寒武系上部裂缝线密度较高，但多以开度0.1～2.0 mm的立缝为主，且缝洞之间连通性较差，随着深度增加，下部则以开度相对略大的斜缝以及平缝为主，且缝洞之间的连通性也随深度增加呈逐渐变好的趋势[图4(a)]；天山南地区裂缝纵向上的分布在区域上表现出很大差异性，如XH2井裂缝线密度随深度增加而大幅增加[图4(b)]，裂缝的开度和缝洞之间连通性也与裂缝线密度变化趋势呈明显一致性，在最后两次取芯中甚至出现因断裂发育而岩芯破碎的现象，而DG1井随深度增加裂缝线密度递减，储集空间呈逐渐减少的趋势[图4(c)]。

通过FMI成像测井资料的分析可明确塔北地区寒武系地层裂缝产状，能够对裂缝进行更全面的表征。天山南地区发育单一及较集中的裂缝，主要为单一的高角度斜缝，断裂带可见不规则砾石，部分为断层伴生产物，裂缝及诱导裂缝的走向基本一致，呈NW向[图5(a)]。塔河地区可见产状呈水平、斜交、垂直层面等构造裂缝，最常见发育高角度平行斜缝，裂缝开度多在0.1～3.5 mm范围内变化，裂缝与诱导裂缝走向基本一致，呈NE向[图5(b)]。一般张性裂缝较宽，多为几百微米到几毫米，缝壁不规则，延伸不远，长度多为数十厘米，常被方解石或白云石胶结物充填。剪切裂缝一般较平直，形状较规则，组系分明，延伸较远，裂缝宽度多小于2 mm，常被方解石充填。

根据地质构造方法，对不同组系裂缝的产状、切割关系、充填类型和溶蚀情况进行裂缝期次研究，并将裂缝分为3期。第一期为加里东期断裂体系，由于盆地受裂解、裂陷伸展构造作用，产生了NWW向、近EW向及NEE向的张性裂缝，在岩芯上裂缝多呈低开度锯齿状，缝长延伸较短，一般常呈闭合U型[图3(h)]，充填程度较低，少量被方解石充填，该期裂缝由于后期受到海西期构造运动的强烈改造，大部分已演化为剪切裂缝；第二期为海西期断裂体系，其在加里东期形成的NW向、NWW向断裂上继承性发育，并新形成了NW向、近EW向、NE向压扭性断裂体系，部分在岩芯裂缝边缘呈凹凸状，为改造前期张性裂缝的证据，部分裂缝边缘光滑，缝长延伸远，开度大且常见切开岩芯或切割低开度裂缝，部分被方解石充填[图3(g)]，该时期为裂缝的主要形成时期，在FMI成像测井中拾取到的裂缝多呈NW向、NE向，与该时期应力方向吻合；第三期为燕山期—喜山期断裂体系，主要形成了盆地西北缘和西南缘大规模的逆冲断裂和逆掩构造体系，来自SW向较强的挤压对NW向断裂强化或形成NW向断裂的派生断层，在岩芯上裂缝部分切开岩芯，并伴生开度较小、走向一致的小裂缝[图3(i)]。

3 裂缝充填特征与有效性

3.1 充填特征

塔河地区与天山南地区的裂缝充填矿物及其产状在镜下具有各自不同的特点。

塔河地区充填矿物类型复杂，最显著的特征为热液矿物组合发育，如方解石-鞍状白云石、重晶石-石膏-石英，其中主要的充填矿物为方解石-鞍状白云石矿物组合，最常见的产出状态为裂缝边缘紧密生长呈刀尖状的鞍状白云石，巨晶方解石与之呈镶嵌接触，为典型的热液充填模式[图6(a)]。鞍状白云石镜下可见波状消光，偶见次生加大边或雾心亮边结构；石英与重晶石相对少见，相较天山南地区石英充填物而言，石英未见两期充填，重晶石多与交代白云石的方解石共生[图6(b)]。电子探针下，不同产状的方解石元素特征差异明显，可知方解石并非一次性充填[图6(d)]；充填裂缝的鞍状白云石与临近的基质白云石相比有明显的Mn富集[图6(c)]。阴极发光图像中，充填方解石发橘黄色光，鞍状白云石见雾心亮边结构，晶粒边缘发亮红色光，内部为红色光[图6(e)、(f)]。各类充填矿物遭受溶蚀的程度较天山南地区更高，说明塔河地区在成岩晚期仍遭受较强烈的流体溶蚀改造，从而形成较好的储集空间。

c1为井径1；c2为井径2；γGR为自然伽马；RLLD为深侧向电阻率；RLLS为浅侧向电阻率；DT值为声波时差；FVAH值为裂缝水动力宽度；FVTL值为裂缝长度；FVDC值为裂缝密度；w(U)为铀含量(质量分数，下同)

图(c)括号中的数字表示白云石元素含量，图(d)括号中的数字表示方解石元素含量

图(g)括号中的数字表示白云石元素含量

图8 塔北地区寒武系白云岩储层裂缝中充填方解石和白云石的流体包裹体Fig.8 Fluid Inclusion of Calcite and Dolomite Fillings at Fractures of Cambrian Dolomite Reservoir in the Northern Tarim Basin

天山南地区裂缝多独立分布，成群分布时裂缝大部分未充填，该地区最显著的特征为大量白云石与石英充填裂缝。白云石多发育于被扩溶的裂缝边缘，呈自形粉—细晶[图7(a)]，扫描电镜下充填裂缝的白云石晶体呈标准菱面体，与塔河地区差异明显，鞍状白云石仅少量发育[图7(b)]。石英可见两期充填，第一期石英多为细小隐晶质附着在缝缘，第二期石英晶粒粗大,充填于裂缝中央，在高倍镜下可见石英的生长纹[图7(c)]，扫描电镜下石英呈晶簇状充填于裂缝中，石英晶间缝中偶见丝状伊利石或黏土矿物溶蚀残余[图7(d)～(f)]。电子探针下，由基质白云石到缝缘的自形白云石表现出明显的Fe富集、Mn稀缺的特征[图7(g)]。阴极发光图像中可见被粗大石英晶粒附着的白云石发亮红色光，表现为富Mn、贫Fe的特征[图7(h)、(i)]。充填矿物中偶见白云石与黄铁矿伴生的现象，黄铁矿在纵向上分布不均且产状上有所差别，上部多呈斑点状，中部呈大片的块状充填在白云石晶粒间，下部偶见黄铁矿充填裂缝，可能为热液流体自深部所带来。在充填作用较强的层位中，仍可见部分未充填的裂缝及充填矿物被溶蚀的现象，表明天山南地区在大规模的充填作用后又遭受了构造应力以及溶蚀流体的改造。

针对塔北地区复杂的充填特征，采用流体包裹体的方法对其进行更详细的分析。流体包裹体是随宿主矿物形成或演化而被捕获封存于主矿物晶格缺陷中的成岩流体，它记录和保存了主矿物生长或演化时的各种地球化学信息[32]。本次研究对象为原生包裹体，原生包裹体是与主矿物同时形成的，是表征主矿物形成时流体物理化学条件的直接证据。

塔河地区与天南山地区寒武系白云岩储层裂缝中充填白云石、方解石的流体包裹体主要为两相水溶液包裹体。方解石中的流体包裹体气相体积分数为15%～20%(25 ℃条件下)，呈群体或串珠状分布，形状多为椭圆形或似圆状，大小范围为10～18 μm[图8(a)、(b)]；白云石的流体包裹体大部分为液相，H2O所占比例大于90%，多为独立分布，形状以长条状和不规则状为主，大小范围为3～10 μm[图8(c)]。

塔河地区的主要充填物为方解石，本次针对YQ6井裂缝中充填方解石进行分析，从中获取了101个气-液两相盐水包裹体均一温度及38个冰点温度。其中包裹体均一温度分布范围比较广，最低温度71.2 ℃，最高温度228.0 ℃，集中分布在100 ℃～160 ℃之间，峰值出现在100 ℃～110 ℃之间(表1)。蔺军等在对塔河地区充填方解石进行研究时将其分为3期流体的产物[33]。本次研究在分布范围更广的均一温度以及盐度差异的基础上对前人结论进行补充，将塔河地区寒武系白云岩储层裂缝中的充填方解石分为4期，分别对应的温度区间为70 ℃～100 ℃、100 ℃～130 ℃、130 ℃～180 ℃及180 ℃以上(图9)，再依据其冰点温度计算每一期流体的盐度。第一期流体对应的盐度分布在1.2%～1.6%NaCl当量之间，平均值为1.4%NaCl当量；第二期流体对应的盐度分布在5.71%～8.00%NaCl当量之间，平均值为6.86%NaCl当量；第三期流体对应的盐度分布在4.65%～8.00%NaCl当量之间，平均值为6.02%NaCl当量；第四期流体对应的盐度分布在5.71%～7.17%NaCl当量之间，平均值为6.62%NaCl当量。根据不同期次流体温度与盐度的差异可以得知：第一期流体温度与盐度较低，推测为浅埋藏时期的成岩流体成因；第二期与第三期流体温度、盐度有一定升高，推测为中—深埋藏时期的成岩流体成因；第四期流体温度、盐度均属于高值，推测流体性质为高温卤水。

天山南地区主要的充填矿物为白云石，对DG1井裂缝中充填白云石的流体包裹体进行了均一温度测定。结果显示，天山南地区充填白云石中的包裹体均一温度分布范围相较于塔河地区要窄很多，最低温度72.6 ℃，最高温度仅152.6 ℃。根据盐水包裹体均一温度统计，将天山南地区寒武系白云岩裂缝中的充填白云石分为3个温度区间，分别为70 ℃～90 ℃、90 ℃～110 ℃及110 ℃以上，平均温度分别为81.23 ℃、102.73 ℃、137.27 ℃(图10)，反映了天山南地区寒武系白云岩裂缝中充填白云石形成于3个不同时期。

表1 塔北地区寒武系白云岩储层裂缝充填物的流体包裹体均一温度及冰点温度Tab.1 Homogenization and Freezing Temperatures of Fluid Inclusions of Fracture Fillings of Cambrian Dolomite Reservoir in the Northern Tarim Basin

图9 塔河地区寒武系白云岩储层裂缝中充填方解石的流体包裹体均一温度分布Fig.9 Distribution of Homogenization Temperatures of Fluid Inclusion of Calcite-filling at Fracture of Cambrian Dolomite Reservoir in Tahe Area

图10 天山南地区寒武系白云岩储层裂缝中充填白云石的流体包裹体均一温度分布Fig.10 Distribution of Homogenization Temperatures of Fluid Inclusion of Dolomite-filling at Fracture of Cambrian Dolomite Reservoir in the Southern Tianshan Area

3.2 有效性

根据张鹏等对塔北地区寒武系地层的野外露头、岩芯薄片研究，认为在出现频率以及体积占比上，研究区次生孔隙占比接近95%，原生孔隙占比不到5%[34]。因此，对塔北地区而言，后期的改造作用对于优质储层的形成至关重要，而保留下来的构造裂缝不仅自身是良好的储集空间，而且对白云岩内的各类孔隙有着重要的连通作用，是构造作用及成岩作用后期改造的重要产物。在埋藏过程中，部分构造裂缝被成岩流体全充填，丧失了改造白云岩储层的功能，称为无效裂缝。未充填、半充填的裂缝仍可作为油气运移的通道和储集空间，这些裂缝被称为有效裂缝[35]。在塔北地区裂缝线密度均较高的情况下，裂缝有效性是影响超深层白云岩储层储集性能的重要因素。

天山南地区和塔河地区在裂缝有效性上的表现差异较为明显。天山南地区的裂缝有效性相对于塔河地区整体较差，大量裂缝处于全充填的状态，半充填裂缝较少，且主要为石英与白云石充填，一般大量的硅质充填后难以再被晚期流体溶蚀，岩芯上较少的溶蚀孔洞也表明流体对白云石的改造作用并不理想[图11(a)、(b)]。塔河地区裂缝主要为未充填或半充填，少量裂缝被方解石、鞍状白云石充填，薄片下清晰可见裂缝中充填矿物的溶蚀现象以及裂缝内大量溶蚀孔洞的发育，表明该地区曾发生强烈的后期溶蚀作用，因此，储层裂缝具有充填少、扩溶改造明显、缝洞连通性好的特点[图11(c)、(d)]。通过对塔北地区寒武系白云岩储层岩芯裂缝充填情况的统计，可对裂缝有效性进行综合分析(图12)。

图11 塔北地区寒武系白云岩储层裂缝充填情况的显微镜下特征Fig.11 Microscopic Features of Fracture Fillings of Cambrian Dolomite Reservoir in the Northern Tarim Basin

图12 塔北地区寒武系白云岩储层裂缝有效性以及线密度分布Fig.12 Effectiveness and Distribution of Linear Density of Fracture of Cambrian Dolomite Reservoir in the Northern Tarim Basin

4 讨 论

塔北地区共经历了6期较大的构造运动。刘迪研究认为在这6期构造运动中，发生于中泥盆世末的海西早期运动以及中二叠世末的海西晚期运动是最重要的两期构造运动，是形成大量裂缝的主要地质时期[36]。而在海西晚期，强烈的拉张应力伴随有大规模的岩浆侵入活动和火山喷发作用，被认为是最主要的充填时期。

在这段地质时期，塔河地区被下渗的大气降水、地层水和从盆地深部自下而上运移的热液流体改造，形成了大量方解石与其他各类热液矿物充填裂缝。根据流体包裹体均一温度与盐度分析可知，方解石充填发生在4个不同的时期，其中前3期为不同埋藏时期地层内成岩流体成因，最后一期为自下部运移而来的200 ℃高温热液流体成因。天山南地区充填裂缝的白云石多为自形细晶，鞍状白云石不发育，充填白云石中的流体包裹体均一温度普遍不高，证明该地区大量的充填白云石成岩流体与热液无关，而是地层内的成岩流体成因。天山南地区也发育大量充填石英，镜下观察到充填石英分为两期，产状差异明显，成因上也有区别。第一期为沿缝缘生长的细小隐晶质石英紧密附着于充填白云石上，在扫描电镜下，细小的自生石英晶间孔中充填丝状伊利石以及黏土矿物的溶蚀残余，据此认为天山南地区表生作用强烈，导致大量黏土矿物充填缝洞，埋藏后黏土矿物在转化或是遭受溶蚀时释放氧化硅，为第一期充填石英的物质来源。肖冬生等在鄂尔多斯盆地下石盒子组的研究中也提出相似的观点，认为黏土矿物的转化蚀变是自生石英的主要来源[37]。后期地层被热液流体侵入，深部流体携带的大量硅质可能为第二期裂缝中较粗大的充填石英提供了硅源。综上所述，天山南地区充填石英分为两期：第一期来源于黏土矿物的转化与溶蚀后释放的硅沉淀析出；第二期来源于深部热液中携带的硅质充填。

5 结 语

(1)塔北地区寒武系白云岩储层整体裂缝发育。天山南地区主要发育单一分布的立缝或高角度斜缝，偶见派生网状裂缝，裂缝线密度及其纵向变化在不同井位上表现出较强的差异性；塔河地区比天山南地区更发育平缝，常见平缝切开岩芯，裂缝线密度整体较高，随深度增加均表现出物性变好的趋势。

(2)塔河地区方解石充填共分为4期，对应的温度区间分别为70 ℃～100 ℃、100 ℃～130 ℃、130 ℃～180 ℃及180 ℃以上，其中前3期为地层内成岩流体成因，最后一期为自下部运移而来的200 ℃高温热液流体成因。天山南地区的充填白云石可分为3期，对应的温度区间分别为70 ℃～90 ℃、90 ℃～110 ℃及110 ℃以上，其成岩流体均与深部热液无关，而是地层内的成岩流体成因；充填石英分为两期，第一期为黏土矿物转化蚀变来源，第二期可能为热液成因来源。

(3)塔河地区与天山南地区裂缝有效性差异明显。天山南地区由于大量石英的充填与较弱的后期溶蚀导致裂缝有效性较差；塔河地区裂缝线密度大且有效性好，发育未充填裂缝以及半充填裂缝，为有利的勘探地区，推测其原因为构造作用形成大量裂缝且未被全部充填，而后期主要的充填矿物被大量溶蚀后形成储集空间。