岩溶缝洞充填物碳氧同位素特征及环境意义——以塔河油田奥陶系鹰山组为例.pdf

岩溶缝洞充填物碳氧同位素特征及环境意义以塔河油田奥陶系鹰山组为例董红琪1,2,3，张庆玉2,3，梁嘉鹏2,3，梁彬2,3，李景瑞2,3，淡永1,2，聂国权2,3，季少聪2,3（1.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北武汉430074；2.中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心，广西桂林541004；3.广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站，广西平果531406）摘要：塔河油田奥陶系鹰山组岩溶缝洞是该地区主要的碳酸盐岩储层，弄清岩溶缝洞充填物特征有利于寻找最优储集体，对该区石油地质研究具有重要意义。通过对塔河油田 31 口钻井岩心观察、描述和充填物类型统计，选取 7 口典型钻井奥陶系鹰山组岩溶缝洞充填物取样，并对充填物样品13C 和 18O 进行测试分析。结果表明：（1）充填物碳氧同位素变化范围较大，13C 为 0.7510.14，18O 为5.9414.14。（2）奥陶系鹰山组岩溶缝洞充填物存在 4 中不同类型的形成环境：同生期或早期成岩岩溶环境、风化壳岩溶环境、埋藏岩溶环境、较晚期岩溶环境。该研究成果对古岩溶型油气储层研究及油气勘探具有重要意义。关键词：岩溶储层；缝洞充填物；碳氧同位素；鹰山组；塔河油田中图分类号：P618.13文献标识码：A文章编号:10014810（2023）04086312开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0引言碳酸盐岩储层是塔河油田的主要油气藏储体，奥陶系鹰山组岩溶缝洞是该区的典型岩溶储层14。据统计，塔河油田的原油产量已达 700 余万吨，其中奥陶系产油量约占总产量的 75%，但缝洞规模大小、充填程度、充填物类型及连通程度等因素造成岩溶缝洞型储层的复杂性，从而导致原油采收率较低2,5。勘探实践表明，塔河油田奥陶系鹰山组岩溶缝洞发育表现出强烈的非均质性，其充填类型、充填物类型、充填物特征的复杂多样，使得岩溶缝洞储层成为复杂的储层类型，对油藏的开发具有直接的影响5-6。近年来，随着我国石油地质的发展，很多学者对岩溶缝洞充填物进行了研究。淡永等认为岩溶缝洞充填物是岩溶储层形成与转化过程的产物，对其地球化学分析有助于认识岩溶形成环境、发育演化及其与油气储层发育的关系79。孔兴功等指出在不同地质背景条件下，碳氧同位素有不同的丰度特征，且具有后期蚀变小和良好的区域可对比性，是研究古气候和古环境的良好指标，而基岩的碳氧同位素地球化基金项目：中国地质科学院基本科研业务费专项-经费资助（2020012，2020018）；广西自然科学基金（2017GXNSFAA198208）；地质调查项目（DD20190562，DD20190723，DD20190342）第一作者简介：董红琪（1993）女，助理研究员，博士研究生，主要从事古岩溶储层与页岩气地质研究工作。E-mail：。通信作者：张庆玉（1983），男，高级工程师，博士，主要从事古岩溶储层与页岩气地质研究工作。E-mail：；梁嘉鹏（1993），男，助理研究员，硕士，主要从事岩溶地质研究工作。E-mail：。收稿日期：20230120第42卷第4期中国岩溶Vol.42No.42023年8月CARSOLOGICASINICAAug.2023董红琪，张庆玉，梁嘉鹏，等.岩溶缝洞充填物碳氧同位素特征及环境意义以塔河油田奥陶系鹰山组为例J.中国岩溶，2023，42（4）：863-874.DOI：10.11932/karst20230417学特征能反映沉积环境变化和事件地层的界线10。因此，本文通过对塔河油田多口钻井的奥陶系鹰山组岩心观察，采集典型钻孔鹰山组岩溶缝洞充填物和灰岩基岩，结合缝洞充填特征，对其碳氧同位素特征进行分析，弄清其沉积古环境，为反演储层形成过程提供新的地球化学依据。1地质概况塔河油田位于塔里木盆地塔北隆起区阿克库勒凸起中南部（图 1），西邻哈拉哈塘凹陷，东靠草湖凹陷，南接满加尔凹陷6。受加里东晚期、海西期及燕山期等多期构造运动地壳抬升的影响，塔河油田奥陶系碳酸盐岩缝洞充填呈现多期次、多形式的特点11。研究区奥陶系由下而上划分为下奥陶统蓬莱坝组（O1p）、下奥陶统鹰山组（O1y）、中奥陶统一间房组（O2yj）、上奥陶统恰尔巴克组（O3q）、良里塔格组（O3l）和桑塔木组（O3s）。区内的下奥陶统为一套质纯的台地相沉积的碳酸盐岩，鹰山组在区内分布广泛，是研究区内岩溶发育的主要地层之一，岩性主要为灰、浅灰、褐灰色厚层状泥晶灰岩，藻凝块球粒泥晶灰岩夹含藻砂屑砾屑灰岩，岩性致密，易于溶蚀，为后期的岩溶发育、油气藏储集提供良好的物质基础，是塔河油田优质的岩溶型储层12,5,12。天山阿克库勒凸起沙雅沙雅隆起雅克拉断凸起一级构造单元边界二级构造单元边界研究区城市04080 km山脉哈拉哈塘凹陷塔河油田内幕岩溶分布库车库车凹陷库尔勒满加尔坳陷草湖凹陷沙西凸起顺托果勒隆起图1塔河油田构造位置图（据张文博5修改）Fig.1StructureofTaheoilfield(modifiedaccordingtoZhangWenbo5)2岩溶缝洞充填特征通过对塔河地区 A8、A16、T615 等 31 口钻井岩心进行观察，钻井分布图见图 2，并结合钻井测井录井数据，发现在区域上，鹰山组岩溶发育具有极强的非均质性13。根据岩心观察结果和测井资料绘制钻井连井剖面图（图 3），钻井 TK409 鹰山组下部发育一高约 72m 的大型溶洞，充填灰绿色泥岩，含溶洞角砾，而距其 1km 之外的钻井 T417 在同一层位仅发育溶蚀缝和小型溶孔。岩溶缝洞充填物的划分，国内外学者已有研究，基于塔河地区野外露头调查与井下岩心观察，综合朱学稳等研究成果，根据岩溶缝洞充填物的物质成分、沉积环境及形态组合等特征，将研究区奥陶系岩溶缝洞充填物划分为：机械沉积物、化学淀积物、塌积充填物及风化残积物四类1418。岩心观察资料显示塔河地区奥陶系鹰山组岩溶缝洞充填物主要有以下特征：以机械充填物、化学淀积物为主，其次是塌积充填物，其中塌积充填物主要充填于溶洞内，以 A8、T615、T502、S64、S70、T403 和 T624 七口钻孔最为典型。通过观察发现，各钻孔的充填特征如下：T502 井于 5438.745444.81m 发育溶洞，充填灰绿色钙泥质（图 4a），充填物呈条带状分布，由洞中部至洞底部，含 3 段砾石层，由上至下角砾依次变大、分选性变差；A8 井于 60406095m 发育大型溶洞，溶洞发育于径流溶蚀带，溶洞为岩溶角砾充填，角砾间为灰绿色钙泥质胶结，角砾为灰白色角砾（图 4b），大小约 0.25cm，分选性差；S64 于表层岩溶带5486555493.75m发育溶洞，灰绿色泥岩全充填，含岩溶角砾，洞顶缝充填方解石（图 4c）；T403 于径流溶蚀带内发育 3 处溶洞，均为灰绿色钙泥质充填（图 4.d），下部两处溶洞可见岩溶角砾；S70 分别于表层岩溶带和径流溶蚀带各发育一大型溶洞，灰绿色泥岩和灰色钙质粉砂岩全充填（图 4e）；T624 分别于表层岩溶带和径流溶蚀带各发育一处大型溶洞，部分为方解石充填（图 4f），部分为灰绿色钙泥质充填；T615 于 5520.955560.01m 发育溶洞，砂岩和灰绿色钙泥质全充填，含岩溶角砾（图 4g）。根据岩心及观察结果绘制 7 口典型钻井的溶洞充填结构图（图 5）。3充填物取样与测试对钻孔岩心进行系统观察之后，选取 7 口典型钻孔进行岩溶缝洞充填物采集，样品均取自鹰山组地层，样品类型包括溶蚀孔洞缝中充填的钙泥质、砂质、方解石和角砾，合计 30 个，另取大型溶洞附近灰864中国岩溶2023年岩基岩样品 5 个作对比分析，共计取样 35 个。采集的样品经研磨、烘干、酸化等前处理之后，测定其碳氧同位素组成。测试工作由自然资源部岩溶地质资源环境监督检测中心完成，测试仪器为 MAT253 稳定同位素质谱仪（美国，赛默飞），检测环境为温度24.3，湿度 40.0%，测试精度为 0.1。4碳氧同位素特征从碳氧同位素测试结果（表 1）可见，鹰山组岩溶图2钻孔分布图(图中圆点为岩心观察井，绿色点代表取样钻孔)Fig.2Drillingsdistribution(circularpoint:coreobservationwell;greenpoint:samplingborehole)20TK6545 517.005 530.00 m溶洞半充填图例灰岩泥质灰岩角砾灰岩中砂岩 粉砂质泥岩泥岩05001 000 m 类储层 类储层溶洞地表水系溶蚀孔缝5 506.625 507.80 m溶蚀缝洞发育段5 586.505 658.50 m灰绿色泥质、溶洞角砾岩充填溶洞角砾岩5 5205 5405 5605 5805 6005 6205 6405 6605 6805 7005 7205 7405 7605 7805 5005 4205 4405 4605 4805 5005 5205 5405 5605 5805 6005 6205 6405 6605 5505 56005 650T417TK409406080100120140160相对高程/m180200220240260280300320图3塔河地区古岩溶发育剖面结构图Fig.3ProfilestructureofpaleokarstdevelopmentinTahearea第42卷第4期董红琪等：岩溶缝洞充填物碳氧同位素特征及环境意义以塔河油田奥陶系鹰山组为例865缝洞钙泥质充填物和方解石的 13C、18O 值变化范围较大，钙泥质充填物 13C 值介于 0.755.24、平均值为2.307，18O 值介于5.9411.15、平 均 值 为8.997；方 解 石 的 13C 值 介 于4.3310.14、平均值为7.341，18O 值介于8.1414.14、平均值为12.565。不同充填物的 13C、18O 值具有一定的差异性，但与基岩碳氧同位素值（13C 值为0.121.42、平均值为0.95；18O 值 为 6.529.05、平 均 值 为7.742）相比，缝洞充填物的碳氧同位素值普遍具有偏负的特征，以方解石最为显著，表明岩溶缝洞充填物在形成过程中受到大气淡水的影响，反映了当(a)T502 溶洞内充填的钙泥质,胶结良好(b)A8 溶洞内充填的基岩角砾,钙泥质胶结(c)S64 溶洞充填灰绿色泥岩(d)T403 溶洞充填钙泥质胶结角砾(e)S70 溶洞充填粉砂质泥岩(f)T624 洞顶缝充填方解石(g)T615 溶洞内充填粉砂,胶结良好图4典型钻孔岩溶缝洞充填特征Fig.4Fillingcharacteristicsoftypicaldrillingkarstfracture-cavity866中国岩溶2023年自然伽码岩性剖面岩溶结构剖面(垂向 1250)T624 奥陶系岩溶结构剖面图S70 井奥陶系岩溶结构剖面图深度/mGR/API01505 6205 6405 6605 6805 704完钻井深灰岩灰绿色泥质充填物溶缝灰岩灰绿色泥质充填物溶缝角砾层砂质充填物5 7005 4405 4605 4805 500RD1(m)(m)10 000RS岩性剖面岩溶结构剖面(垂向 1250)深度/mRD1(m)10 0001(m)10 000RS510inSPCAL30 MV 120自然伽码GR/API0401040610inSPACCAL第42卷第4期董红琪等：岩溶缝洞充填物碳氧同位素特征及环境意义以塔河油田奥陶系鹰山组为例867灰岩灰绿色泥质充填物溶缝砾石灰岩灰绿色泥质充填物溶缝角砾层砂质充填物自然伽码岩性剖面岩溶结构剖面(垂向 1250)A8 奥陶系岩溶结构剖面图深度/mGR/API0150LLD1(m)(m)10 000LLS5106 030.5inSPCAL30 MV 1206 0406 0605 488.05 5005 5256 0806 100T403 奥陶系岩溶结构剖面图岩性剖面岩溶结构剖面深度/m深侧向电阻率0.220 000(ohmm)浅侧向电阻率自然伽码GR/API0150414井径868中国岩溶2023年时的风化壳沉积环境1923。5岩溶缝洞充填古环境条件分析对奥陶系岩溶缝洞充填物及灰岩基岩碳氧同位素进行交会投影（图 6），可以看出，岩溶缝洞充填物至少存在 4 种不同的形成环境（表 2）。鹰山组灰岩形成于海相沉积环境，基岩背景值 13C 为0.121.42、18O 为6.529.05，因此可将充填物碳氧同位素值与基岩背景值对比分析，判断其形成环境6。Schopf（1980）指出，如果 13C 来自淡水，那么此环境中沉积的淡水碳酸盐沉积物的 13C 值具有较高负值，一般在155之间；当大气中的 CO2含量较少时，溶解在淡水中的 CO2多来自土壤和腐殖质，导致沉淀物中 13C 偏负，一般为高负值；如果来自海相灰岩，则接近其背景值。另外，受加里东晚期海西早期暴露环境的影响，大气淡水中低 13C 的CO2会造成方解石的 13C 偏负。王大锐等学者指出，大气淡水严重贫 18O，受其影响的碳酸盐岩充填物的 18O 也严重偏负，同时，在温暖多雨的季节里形成的沉淀物贫 18O，反之，在寒冷干旱的季节里形成的沉淀物相对富集 18O1920。第类为同生期或早成岩岩溶环境，岩溶缝洞充填物的 13C 为2.290.75、18O 为5.948.57，与鹰山组海相灰岩碳氧同位素特征相似，说明落入区的缝洞充填物形成于同生期或者早期成岩的海相岩溶环境。其中介于基岩碳氧同位素丰度范围内的钙泥质充填物可能为同生岩溶期由流水携带泥质与碳酸盐岩沉积共同充填的结果。区有两个样品的 13C 值偏正，根据张正红等6的研究成果，泥质充填物 13C 值为正值时，说明有机质（CH4）含量及有机质在成岩后期的转化对 13C 值影响较小，可灰岩灰绿色泥质充填物方解石溶缝砂质充填物黑色泥质充填物砾石灰岩灰绿色泥质充填物溶缝砾石(垂向 1250)T615 奥陶系岩溶结构剖面图S64 井奥陶系岩溶结构剖面图自然伽码岩性剖面岩溶结构剖面深度/mGR/API01505 5405 560RD1(m)(m)10 000RSSP30 MV 1205 520.95岩性剖面岩溶结构剖面深度/m中感应电阻率220 000(m)(m)八测向电阻率自然伽码GR/API01500100(mV)自然电位T502 奥陶系岩溶结构剖面图岩性剖面岩溶结构剖面深度/m中感应电阻率220 000(m)(m)八测向电阻率自然伽码GR/API0150SP60 mv 20001005 4345 4405 448(mV)自然电位图5典型钻孔岩溶缝洞充填结构图Fig.5Fillingstructureoftypicaldrillingkarstfracture-cavity第42卷第4期董红琪等：岩溶缝洞充填物碳氧同位素特征及环境意义以塔河油田奥陶系鹰山组为例869以指示原始环境。第类为加里东晚期海西早期风化壳岩溶，碳氧同位素偏负最明显，13C 为10.148.57、18O 为14.1413.44。18O 值偏负主要是由于大气淡水 18O 值较低，导致沉淀方解石 18O 值偏负。13C 值偏负主要有两个原因，一是加里东晚期海西早期暴露环境受大气淡水中低 13C 的 CO2的影响，与碳酸盐岩反应后沉淀的方解石 13C 偏负，其次是风化壳上覆志留系碎屑岩地层中有机质含量高，受有机质氧化 CH4影响，13C 值较低2326。表 1样品信息和 13C、18O 测试结果Table1Sampleinformationandtestresultsof13Cand18O序号样品编号地层13C（V-PDB）18O（V-PDB）岩性1AD8-1（25/30）O1y0.175.94洞顶缝钙泥质充填物2AD8-2（14/46）O1y0.757.03溶洞顶部充填的灰绿色钙泥3AD8-2（37/46）O1y3.159.12溶洞内钙质泥岩4S64-1（20/20）O1y1.427.63灰岩（基岩）5S64-2（30/60）O1y1.359.43溶洞钙泥质6S64-2（40/60）O1y1.578.77溶缝钙华7S64-6（34/37）O1y0.799.05泥晶砂屑灰岩8S70-12（6/71）O1y0.97.22钙质泥9S70-13（13/26）O1y3.239.99钙质泥10S70-14（2/29）O1y1.396.52泥晶灰岩（基岩）11T403-1（3/60）O1y1.127.66钙泥质12T403-4（59/66）O1y0.977.11灰岩（基岩）13T403-6（27/36）O1y4.419.84钙泥质14T403-7（20/44）O1y2.297.89钙泥质15T403-7（23/44）O1y1.7210.23钙泥质16T403-8（14/44）O1y1.137.93泥晶灰岩（基岩）17T403-8（30/44）O1y2.4510.56钙泥质18T403-8（42/44）O1y1.568.44钙泥质19T502-14（22/44）O1y4.559.34角砾20T502-14（23/44）O1y0.837.64溶洞底部灰岩角砾21T502-14（4/44）O1y3.399.6钙泥质22T502-14（8/44）O1y5.2411.15钙泥质23T502-15（3/32）O1y0.838.21斑状泥晶灰岩（基岩）24T615-10（21/33）O1y3.0712.43溶洞充填钙泥质砂岩25T615-11（26/36）O1y3.3210.81砂岩26T615-11（29/36）O1y0.57.11洞底角砾27T615-7（10/35）O1y4.7210.86溶洞充填钙泥28T615-8（4/33）O1y5.628.14缝壁方解石29T615-7（9/35）O1y0.127.75缝壁微晶灰岩（基岩）30T615-9（13/74）O1y3.219.46溶洞充填泥质粉砂岩31T624-5（5/32）O1y4.3312.69斜缝方解石32T624-6（12/31）O1y10.1413.87方解石33T624-6（18/31）O1y6.4513.11方解石34T624-6（2/31）O1y8.9414.14方解石35T624-6（3/31）O1y8.5713.44斜缝方解石36T502-10（21/44）O1y0.348.57硅质团块37T502-10（44/44）O1y1.5910.72硅质团块38T502-9（26/40）O1y1.418.23硅质团块870中国岩溶2023年第 类 为 埋 藏 岩 溶 环 境，充 填 物的 13C 为6.543.07、18O 为13.1112.43，与区碳氧同位素值相比较，13C 和 18O 均偏负，但偏负程度有所不同。根据前人研究成果，13C 值的主控因素是形成充填物的水中 13C 的来源，主要受盐度的影响2729。而 13C 值偏正代表受到海水影响，13C值偏负则是受到大气淡水的影响30。反映了缝洞充填物在埋藏岩溶环境下受到了不同程度的大气淡水的影响。第 类 为 较 晚 期 至 现 代 岩 溶 环 境，13C 为5.240.79、18O 为11.158.77，与基岩背景值的碳氧同位素差异较大，充填物多为富含泥质的钙泥质机械充填，主要充填于溶洞、溶蚀构造缝中，充填过程缓慢，充填时间较长，且在不同程度上受到有机质的影响。岩溶缝洞充填物是岩溶储层形成于转化过程的产物，分析碳酸盐岩及其岩溶缝洞充填物的碳、氧同位素是古岩溶型油气储层研究的重要手段之一，有助于认识岩溶形成环境、发育演化及其与油气储层发育的关系，对岩溶储层预测及油气勘探具有重要的指导意义。6结论（1）塔河油田奥陶系鹰山组岩溶缝洞充填物类型主要为钙泥质和方解石，溶洞中充填的角砾以基岩角砾为主；（2）充填物的 13C 和 18O 值变化范围较大，13C为 0.7510.14，18O 为5.9414.14。相较于基岩碳氧同位素，80%的充填物 13C 和 18O 值偏负，其中以方解石偏负程度最高。钙泥质充填物的 13C 和 18O 值明显偏正；（3）鹰山组岩溶缝洞充填物存在 4 种不同类型的形成环境。同生期或早成岩岩溶环境下形成的充填物碳氧同位素具有明显的偏正效应，反映了海相沉积环境的特点；风化壳岩溶环境下形成的充填物则明显偏负，反映出大气淡水强烈的淋滤和溶滤作用对充填物的改造；埋藏岩溶环境和较晚期岩溶环境在不同程度上分别受到大气淡水和有机质的影响，形成环境较为复杂。参考文献胡向阳,权莲顺,齐得山,侯加根.塔河油田缝洞型碳酸盐岩油藏溶洞充填特征J.特种油气藏,2014,21（1）：18-21.HUXiangyang,QUANLianshun,QIDeshan,HOUJiagen.Fea-turesofcavernfillinginfractured/vuggycarbonateoilreservoirs,TaheoilfieldJ.SpecialOil&GasReservoirs,2014,21（1）：18-21.1漆立新,云露.塔河油田奥陶系碳酸盐岩岩溶发育特征与主控因素J.石油与天然气地质,2010,31（1）：1-12.QILixin,YUNLu.Developmentcharacteristicsandmaincon-trollingfactorsoftheOrdoviciancarbonatekarstinTaheoil-fieldJ.Oil&GasGeology,2010,31（1）：1-12.2苏江玉,俞仁莲.对塔河油田油气成藏地质研究若干问题的思考J.石油实验地质,2011,33（2）：105-112.SU Jiangyu,YU Renlian.Discussion of several problems 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