单秀琴，张宝民，张静，张立平，贾进华，刘静江

（中国石油勘探开发研究院）

古流体恢复及在储集层形成机理研究中的应用
——以塔里木盆地奥陶系为例

单秀琴，张宝民，张静，张立平，贾进华，刘静江

（中国石油勘探开发研究院）

基于缝洞-溶洞充填泥的硼元素分析，充填方解石中包裹体均一温度-盐度、液相成分中阴离子、氢氧同位素测定，并结合区域地质背景，恢复塔里木盆地奥陶系岩溶储集层古流体，在此基础上分析岩溶储集层成因。缝洞-溶洞充填泥中硼元素含量总体小于80 µg/g；充填方解石中包裹体均一温度存在地区差异，盐度分布范围大，包裹体液相成分中HCO3-含量总体较高而Cl-、SO42-含量分布离散，包裹体氢氧同位素组成较为离散、δD值偏负、δ18O值偏正。这些证据表明，塔里木盆地奥陶系古流体来源于表生期大气淡水、被埋藏封存的淡水-海水混合水、海水及浓缩海水，以及沿断裂带上窜的寒武系白云岩层系、蒸发岩系的埋藏卤水；孔洞-溶洞型储集层形成的最主要建设性成岩作用是表生期大气淡水的侵蚀、溶蚀，在埋藏期经历了深部热流体不同程度的改造。图8表1参23

塔里木盆地；岩溶储集层；古流体恢复；储集层形成机理；微量元素硼；包裹体均一温度；包裹体盐度；氢氧同位素组成

碳酸盐岩规模优质储集层的形成主要受沉积微相与建设性成岩作用两大因素控制。建设性成岩作用主要包括溶蚀作用、白云石化和破裂3大类，其中以侵蚀性古流体的溶蚀作用分布最广泛、影响最强烈[1-2]。本文以塔里木盆地奥陶系岩溶储集层为例，通过古流体恢复，探讨储集层形成机理，为有利储集层预测提供依据。

1 研究区概况

塔里木盆地位于中国西部，面积达56×104km2。其中奥陶系碳酸盐岩广泛分布，最大残厚达千米，自下而上依次为蓬莱坝组、鹰山组、一间房组、吐木休克组和良里塔格组，各组之间均为平行不整合接触，奥陶系与上覆志留系（或石炭系）为角度不整合接触，其间经历了多期（至少7期）古岩溶作用（见图1），且晚期岩溶作用对早期岩溶储集层进行叠加改造。此外，巴楚—塔中主体区缺失一间房组和吐木休克组，表明该区经历了中加里东中晚期的古岩溶作用。塔北牙哈—英买力地区奥陶系被剥蚀殆尽，寒武系白云岩被下白垩统卡普沙良群陆相碎屑岩覆盖，表明其最终为印支—燕山期古岩溶定型[3]。受古岩溶作用影响，碳酸盐岩层系普遍发育缝洞、孔洞和大型溶洞，且被陆源碎屑和方解石等沉积物半充填或全充填。

图1 塔里木盆地塔北、巴楚—塔中地区岩溶储集层分布图

前人分别从现今地层水[4-6]和缝洞-溶洞化学充填胶结物[7-15]两个方面对塔里木盆地海相碳酸盐岩层系进行了古流体恢复：前者根据元素地球化学分析，并结合δD-δ18O关系，证明塔里木盆地碳酸盐岩层系古流体为地质时期海水蒸发残余，且在后期受到淡水混合、盐类和方解石溶解以及白云石化等水-岩反应的影响[4-6]；后者根据缝洞-溶洞充填方解石等胶结物的δ13C-δ18O关系和锶同位素组成，结合地质背景，认为奥陶系碳酸盐岩经历了大气淡水、海水-淡水混合水及热液等多种溶蚀作用[7-15]。

理论上，溶洞充填碎屑岩在隆升剥蚀期暗河侵蚀、溶蚀成洞过程中沉积，其中泥质岩是元素、微量元素测试分析和古流体恢复的最佳样品[2]。本文对奥陶系缝洞和大型溶洞中充填物进行了系统采样和测试分析，获得数据5×104余个。对其中泥岩样品进行了微量元素测试分析；对方解石等胶结物样品进行了方解石中包裹体均一温度-盐度、液相成分中阴离子含量和δD-δ18O关系测试分析。

2 缝洞-溶洞充填泥微量元素硼含量分析

2.1 缝洞-溶洞充填碎屑岩岩性特征

塔里木盆地奥陶系缝洞-溶洞充填碎屑岩的类型多样，归纳为4类：①风化壳残积角砾岩，广泛发育在各期碳酸盐岩潜山顶面，由粒径不一、形态各异的碳酸盐岩角砾和砂泥充填胶结物组成，一般厚1～20 m。角砾的岩性与不整合面下最新基岩岩性相同，充填胶结物岩性与不整合面上最老岩层岩性相同。为潜山顶部溶洞因断裂活动、河流或海浪侵蚀而崩塌，并在地壳再次沉降时被新的沉积物所充填胶结形成，因而可将其视为古老溶洞的“遗痕”（见图2a）。此外，普遍可见与上覆直接盖层岩性相同的砂泥岩充填于潜山顶部溶洞中（见图2b）。②洞穴崩塌角砾岩，普遍见于钻井揭示的溶洞中，为粒径不一、形态各异的碳酸盐岩角砾与暗河搬运来的陆源碎屑的混合沉积，或被方解石等充填胶结而成。角砾成分与围岩相同，为隆升剥蚀期断裂活动与暗河侵蚀、溶蚀所导致的溶洞洞顶与洞壁的坍塌形成。③溶洞沉积砂砾岩，砾石多为略具定向性或呈叠瓦状排列的碳酸盐岩角砾，小角砾磨圆度较差，所夹泥质粉砂岩或粉砂质泥岩具斜层理或水平层理，属洪水/平水期暗河上游、较大古地形坡度背景下的冲洪积成因（见图2c）。④溶洞沉积砂岩和泥岩，包括含砾砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩，为平水期暗河中下游、较小古地形坡度背景下的沉积（见图2d—2i）。

图2 塔里木盆地奥陶系缝洞-溶洞充填碎屑岩特征

2.2 缝洞-溶洞充填泥微量元素硼含量及古流体特征

前人将硼含量作为判断古水介质盐度的首选指标，并通常以小于40 µg/g、40～80 µg/g和大于80 µg/g作为区分淡水、半咸水和咸水的标准[16]，该指标已广泛用于古环境判别，但在储集层研究中却鲜见。

对塔北、巴楚、塔中地区奥陶系碳酸盐岩上覆直接盖层（上奥陶统吐木休克组和桑塔木组、志留系、石炭系海相泥岩）43块样品，以及碳酸盐岩缝洞-溶洞充填泥的97块样品进行硼含量测试。结果表明，上奥陶统、志留系、石炭系海相泥岩硼含量分别为79.7～276.0、77.83～147.92、89.6～142.0 µg/g，平均含量分别为126.3、84.8和115.6 µg/g，且发现海相古生物化石，属于典型海相沉积；塔北、巴楚、塔中地区碳酸盐岩缝洞-溶洞充填泥硼含量分别为1～179、35.2～ 230.0、5～367 µg/g（见图3）。缝洞-溶洞充填泥硼含量所揭示的古流体具有如下特征。

图3 塔里木盆地塔北、塔中、巴楚地区溶洞充填泥微量元素硼含量直方图

①塔北地区碳酸盐岩缝洞-溶洞充填泥的硼含量主体小于80 µg/g，表明古流体主要为淡水、半咸水，其次为咸水。结合地质背景分析发现硼含量大于80 µg/g的充填泥有两种成因，其中大部分是晚奥陶世桑塔木组沉积期、志留纪、石炭纪海侵初期海水侵入风化壳残积角砾岩中，或沿断裂和裂缝侵入缝洞-溶洞中而形成的海相沉积，并含有海相古生物化石（见图2b）；其次与古隆起围斜低部位“滞水区”岩溶水循环不畅有关，如轮东1井良里塔格组灰岩溶洞中3个灰白色泥岩样品硼含量分别为87.2、96.5、161.0 µg/g[17]。

②塔中地区缝洞-溶洞充填泥的硼含量也总体小于80 µg/g，古流体大多为淡水、半咸水，其次是咸水。硼含量为80～134 µg/g的样品也属晚奥陶世桑塔木组沉积期、志留纪、石炭纪海侵初期海水侵入风化壳残积角砾岩或沿断裂、裂缝侵入缝洞-溶洞中形成的海相沉积；硼含量为211～367 µg/g的样品取自塔中12井（218 µg/g）、塔中102井（211 µg/g）和塔中451井（323 µg/g和367 µg/g）。塔中12井样品取自蓬莱坝组顶，为土黄色白云岩风化壳，表明蓬莱坝组沉积后暴露剥蚀期仍继承了寒武纪—早奥陶世早期的干热古气候[3]，蒸发作用强，地表水盐度高；塔中102井、塔中451井区断裂发育，又恰处于中寒武统蒸发潟湖沉积的边缘[3]，因而在溶洞被海相沉积埋藏后的晚二叠世，因断裂强烈活动导致中寒武统埋藏卤水沿断裂上涌，并侵入缝洞-溶洞，改造其中的充填泥[18]。塔中Ⅰ号带良里塔格组礁滩体储集层也为大气淡水溶蚀成因。例如，塔中62-1井4 895.5 m井段溶洞被油味浓的黑褐色透明巨晶方解石夹绿灰色泥质纹层半充填，其硼含量仅为4.74 µg/g，是塔中所有测试样品最低值，表明暗河在溶蚀成洞过程中将所携带的陆源泥沉淀其中。

③巴楚地区缝洞-溶洞充填泥的硼含量总体上与塔北和塔中地区相似，但硼含量小于80 µg/g的样品比例小。结合地质背景分析发现，巴楚地区缝洞-溶洞充填泥样品均来自玛扎塔格断裂带和田河气田钻井（玛2、玛4、玛401和玛5井，见图1），且位于中寒武统蒸发潟湖沉积腹部[18]，因而也经历了类似于塔中102井、塔中451井的演化历程。

3 缝洞-溶洞充填方解石中包裹体分析

3.1 包裹体均一温度、盐度分析及古流体指示意义

碳酸盐岩成岩演化过程中，早表生期成岩和浅、中、深埋藏期成岩，以及晚表生期成岩（岩溶作用）阶段都有大量方解石、白云石充填物和胶结物形成，且均含流体包裹体。流体包裹体均一温度和盐度分别近似于宿主矿物形成时的古地温和流体介质盐度。据此可分别恢复其形成时的古地温、成岩阶段[19]和古流体盐度。现代海水平均盐度为3.3%，平均盐度小于3.3%为半咸水—淡水，平均盐度大于3.3%为咸水、超咸水，以此为标准判断古流体盐度。

图4为塔里木盆地奥陶系缝洞-溶洞充填方解石宏观产状和特征。偏光显微镜下，各期方解石间常见胶结不整合，总体上早期沉淀方解石污浊，晚期明亮。浅—中埋藏期形成的盐水包裹体在室温下常呈气液两相，可测出均一温度和盐度，且与烃类包裹体共生。暴露剥蚀期地表—近地表环境下不宜形成粗晶胶结物和可测包裹体，且其形成的少量包裹体在室温下一般仍保持捕获时的液相单一相态，难以测出均一温度和盐度，所以导致低温低盐度包裹体数据偏少（见图5、图6）。

统计塔北、塔中地区奥陶系缝洞-溶洞充填方解石135个样品的2 084个包裹体测温数据发现，塔北地区包裹体均一温度为40～120 ℃，峰值为60～69 ℃；塔中地区包裹体均一温度为40～160 ℃，峰值为80～99 ℃（见图6a）。塔北地区包裹体形成于浅—中埋藏阶段，而塔中地区包裹体发育于浅—中和中—深埋藏阶段。构造分析发现塔中地区包裹体所揭示的高地温与强烈断裂活动所带来的深部热流体作用有关，而非埋深导致。因为塔北、塔中地区的沉积序列相似，但塔中地区奥陶系缺失了鹰山组顶部、一间房组和吐木休克组，奥陶系及上覆地层残厚薄于塔北地区。

图4 塔北、塔中奥陶系缝洞-溶洞充填方解石产状与岩性特征

图5 塔中奥陶系缝洞-溶洞充填方解石中的包裹体照片

图6b为塔北和塔中地区奥陶系缝洞-溶洞充填方解石中包裹体均一温度-盐度相关关系。所获得的1 300余个盐度数据的分布范围很大，为0～23.5%。如前所述，由于包裹体形成条件与测试技术所限，淡水包裹体数据较少。结合地质背景综合分析发现：缝洞-溶洞充填方解石形成期次多，从暴露剥蚀期至浅、中、深埋藏期均广泛发育，揭示古流体来源于表生期大气淡水（大气降水、河流和暗河）、被埋藏封存的淡水-海水混合水（半咸水）、海水（咸水）和浓缩海水（卤水），以及因强烈断裂活动而上涌的中寒武统蒸发岩系的埋藏卤水。

图6 塔北、塔中奥陶系缝洞-溶洞充填方解石的包裹体均一温度及其与盐度关系

3.2 包裹体液相成分中阴离子分析及古流体指示意义

采用离子色谱法可测定包裹体液相成分中的阴离子（F-、Cl-、Br-、PO43-、NO3-和SO42-），该方法已广泛应用于古流体液相成分分析[20-21]，但在油气储集层研究中却应用较少。由于目前微区、微量取样和测试分析技术尚不完善，因而只能对储集层大孔隙（孔洞、溶洞和裂缝）中的充填物（如方解石等）进行群体包裹体测试分析，所获得包裹体液相成分中的阴离子构成与含量反映某个地质时期流体介质的总体特征，对于古流体恢复与溶蚀机理分析极为重要。通常氯离子含量与古盐度正相关，氯离子含量较低说明水循环通畅，氯离子含量高说明循环不畅或埋藏浓缩；SO42-含量也与古盐度正相关，多来源于蒸发岩系的埋藏卤水，并可指示TSR（硫酸盐热化学还原）作用；大气淡水中HCO3-含量很高，其丰度可反映大气淡水的混入程度和古流体的侵蚀性。

包裹体液相成分中阴离子测试由核工业北京地质研究院分析中心完成，采用离子色谱法测定Cl-、F-、Br-、NO3-、SO42-含量，采用滴定法测定CO32-、HCO3-和OH-含量。71块测试样品，除塔中48井1个样品为重晶石（包裹体液相成分中F-、Cl-、NO3-、HCO3-、SO42-含量依次为0、62.3、0、0、139.9 µg/g）外，其余均为亮晶方解石，其包裹体液相成分中阴离子测定结果见表1。综合分析表1并结合地质背景得到如下认识。

①包裹体液相成分中Cl-含量总体分布较离散，为4.8～95.5 µg/g，表明方解石等结晶沉淀时古流体盐度差异大。结合前述微量元素硼测试结果，可判定古流体类型和溶洞成因。例如塔中62-1井4 895.5 m深度溶洞充填方解石的包裹体液相成分中Cl-含量仅为8.8 µg/g，充填泥的硼含量仅为4.74 µg/g，表明为大气淡水溶蚀成因，储集层类型为礁滩体岩溶储集层[2]。这修正了前人关于塔中Ⅰ号带良里塔格组为埋藏溶蚀储集层的认识[22]，为储集层预测提供了依据。

②包裹体液相成分中SO42-含量为2.74～1 184.00 µg/g。塔北地区除1个样品SO42-含量高达908 µg/g外，其余为2.74～121.00 µg/g；塔中地区SO42-含量为0～1 184 µg/g，数据离散且部分井含量很高，表明缝洞-溶洞充填方解石等矿物结晶沉淀时古流体盐度差异大。结合地质背景分析发现，样品中SO42-含量高多与其含有重晶石有关，如位于近南北向断裂带上的轮古391井，包裹体液相成分中SO42-含量为908 µg/g的样品，缝洞-溶洞充填物为绿灰色泥岩与方解石、重晶石（见图4f），重晶石的成因多与断裂沟通寒武系白云岩层系、蒸发岩系，其埋藏卤水上窜有关。

由表1可见，塔中地区高SO42-含量以塔中16井、塔中5井、塔中1井、塔中60井、塔中2井和塔中48井样品最为突出，依次为1 184.0、744.8、700.7、409.4、402.9、139.9 µg/g。结合构造背景分析发现，这些井均位于断裂带上，岩心观察与薄片鉴定均发现强烈的热液活动证据（见图7a、7b）。此外还存在热烘烤和硅质交代作用。如塔中62-1井，两个样品包裹体液相成分中SO42-含量均较低，分别为7.2 µg/g和14.2 µg/g，与该井区远离中寒武统蒸发岩系有关，石英的形成与断裂沟通基底硅质热液有关[3]（见图4a、7c）。

③包裹体液相成分中HCO3-含量分布也较离散，为0～824 µg/g。其中塔北地区HCO3-含量高，为26～824 µg/g；塔中地区HCO3-含量较低且数据离散，为0～628.2 µg/g。无论塔北还是塔中，除个别样品外，HCO3-含量总体上均较高，表明缝洞-溶洞充填方解石等结晶沉淀前古流体更富含HCO3-，且具有强侵蚀性。据此结合包裹体均一温度-盐度资料综合分析，可确定溶洞成因。例如，塔北英买11井的溶洞充填方解石样品（见图4g）包裹体均一温度、盐度分别为65.6～98.5 ℃和0，包裹体液相成分中Cl-、SO42-和HCO3-含量依次为5.37、6.60、83.70 µg/g，证明该溶洞为大气降水（河流、暗河）侵蚀、溶蚀成因。

表1 塔里木盆地奥陶系缝洞-溶洞中溶积化学岩包裹体液相成分中阴离子测试结果

图7 塔中奥陶系缝洞-溶洞充填物中强烈热流体活动证据

3.3 包裹体氢氧同位素组成及古流体指示意义

对17块缝洞-溶洞充填方解石样品包裹体中的水进行氢-氧同位素测试，由核工业北京地质研究院分析中心完成，所用仪器为Finnigan MAT253型质谱仪。综合测试分析结果，以及前人对塔里木盆地现今地层水[4-6]、露头和钻井缝洞-溶洞充填萤石、重晶石[7]的包裹体氢-氧同位素测试数据（见图8），得到如下认识。

图8 塔里木盆地奥陶系地层水与缝洞-溶洞充填化学岩包裹体氢-氧同位素相关关系（地层水资料据文献[4-6,23]，萤石成矿流体资料据文献[7]）

①现今地层水集中分布于大气降水线右下方，仅1个数据位于变质水区。前人认为塔北地区地层水为大气淡水与受水-岩反应改造过的盆地流体混合的产物；塔中地区地层水为海水蒸发浓缩残余，并在晚燕山—喜马拉雅期与淡水发生混合；巴楚地区地层水为经历了蒸发浓缩作用的同生期海水与现代大气水的混合水[4-6,23]。笔者认为现今地层水经历了漫长、复杂的水-岩相互作用，其盐度受控于沿断裂带上窜的寒武系白云岩层系和蒸发岩系的埋藏卤水；塔中、巴楚地区淡水与海水的混合，不大可能发生在喜马拉雅期—现今，因为塔里木盆地石油具有多期成藏、晚期保存的特点，天然气具有晚期成藏特点（如和田河气田和塔中Ⅰ号带凝析油气田），若喜马拉雅期至今的大气水沿断裂裂缝下渗而与地层水混合，则油气不能成藏或油气藏被破坏殆尽。

②巴楚—塔中地区萤石成矿流体的组成均位于现今地层水范围内，前人认为成矿流体可能为源于大气淡水的低温循环热液，而非岩浆热液[7]，笔者的观点与之相同。

③缝洞-溶洞充填方解石样品中包裹体的氢-氧同位素组成较为离散，δD值和δ18O值分别为-129.5‰～-67.0‰和-4.5‰～5.9‰，总体上δD值偏负，δ18O值偏正，位于现今地层水及巴楚—塔中地区萤石成矿流体的下方。缝洞-溶洞充填方解石中包裹体δD值偏负可能与其形成时代老（约在360 Ma年前）、包裹体捕获的古流体更原始有关；塔中地区缝洞-溶洞充填方解石中包裹体的δ18O值偏正，应与实验样品均位于断裂带上，断裂沟通寒武系白云岩层系、蒸发岩系，其埋藏卤水上窜所引起的强烈热液作用有关。

4 结论

塔里木盆地奥陶系古流体主要来源于表生期大气淡水（大气降水、河流和暗河）、被埋藏封存的淡水-海水混合水、海水（咸水）和浓缩海水（卤水），以及沿断裂带上窜的寒武系白云岩层系、蒸发岩系的埋藏卤水。大气淡水与海水的混合（半咸水）可能发生于每一个岩溶发育期和缝洞-溶洞形成后的浅埋藏期，而与源于寒武系白云岩层系、蒸发岩系上窜埋藏卤水的混合可能发生于晚海西—燕山期的中—深埋藏期，与油气成藏过程相吻合。

奥陶系孔洞-溶洞型储集层形成的最主要建设性成岩作用是表生期大气淡水的侵蚀、溶蚀，且储集层在埋藏期遭受了深部热流体不同程度的改造。

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（编辑 林敏捷）

Paleofluid restoration and its application in studies of reservoir forming:A case study of the Ordovician in Tarim Basin,NW China

Shan Xiuqin,Zhang Baomin,Zhang Jing,Zhang Liping,Jia Jinhua,Liu Jingjiang
(PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration &Development,Beijing 100083,China)

Karst reservoir paleofluid types of the Ordovician formation in the Tarim Basin are restored based on the analysis of element boron of filled mud,the test of fluid inclusions homogenization temperature and salinity,liquid anion and hydroxyl isotope of filled calcite in vug-fractures,and regional geologic background.The origin of the karst reservoirs are analyzed on this basis.The element boron contents of mud filled in vug-fractures are less than 80 µg/g generally;fluid inclusions have different homogenization temperatures in different regions,and the salinities are in a large range.The HCO3-contents are high,and the Cl-and SO42-contents are dispersive in the liquid component of the fluid inclusions.The hydroxyl isotope contents are relatively dispersive,with relatively negative δD value and positive δ18O value.This evidence shows that the paleofluid of the Ordovician was from supergene atmospheric freshwater,buried fresh-brackish mixed water,seawater or concentrated seawater,and buried brine from underlying dolomite or evaporate rock of the Cambrian formation.The main constructive diagenesis for the formation of vug-cave type reservoirs is erosion and dissolution caused by atmospheric freshwater,and the reservoirs have been subjected to thermal fluid reformation from underlying evaporate rock of the Cambrian during burial stage.

Tarim Basin;karst reservoir;paleofluid restoration;reservoir forming mechanism;element boron;fluid inclusions homogenization temperature;fluid inclusions salinity;hydrogen and oxygen isotopic composition

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2011ZX05004）

TE122

A

1000-0747(2015)03-0274-09

10.11698/PED.2015.03.03

单秀琴（1964-），女，河北沧州人，硕士，中国石油勘探开发研究院高级工程师，主要从事碳酸盐岩储集层研究工作。地址：北京海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院石油地质研究所，邮政编码：100083。E-mail：sxq69@petrochina.com.cn

2014-10-14

2015-03-29