柴达木盆地西南缘狮子沟构造下干柴沟组上段天然流体压裂特征与超压起源

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 62, No. 2 (Mar. 2026)

1.中海石油气电集团技术研发中心, 北京 100028; 2.中联煤层气有限责任公司勘探开发研究院, 北京 100016; 3.造山带与地壳演化教育部重点实验室, 北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871; 4.中国石油青海油田分公司, 敦煌 736200; †通信作者, E-mail: zjguo@pku.edu.cn

摘要在柴达木盆地西南部狮子沟构造下干柴沟组上段纹层状泥质白云岩和均质泥质白云岩中发现天然流体压裂现象。为探究两类天然流体压裂缝网络的几何学特征、超压破裂发生时的温度–盐度条件、缝内流体与围岩作用过程以及多种超压因素背景下天然流体压裂的控制因素, 在岩芯尺度和单偏光–正交偏光–阴极发光下薄片尺度下, 对两类多级裂缝网络和脉体包裹体进行描述, 运用矿物分析仪(TIMA)对脉体及围岩的矿物类型、含量和分布进行表征, 测试脉体盐水包裹体的均一温度和盐度。结果表明, 纹层状和均质泥质白云岩中的天然流体压裂缝具有相似性和差异性。相似性在于压裂缝网络均由主脉、一级压裂脉和二级压裂脉这 3级脉体组成, 呈现“丰”字型特征, 硬石膏是主要脉体矿物类型。差异性表现在两方面: 1)纹层状泥质白云岩中一级压裂脉沿与主脉呈锐角斜交的陆源碎屑纹层方向延伸, 均质泥质白云岩中一级压裂脉沿近似垂直于主脉的方向扩展, 一级粗脉抑制周围平行脉体的发育, 方解石和天青石充填一级和二级压裂细脉; 2)纹层状泥质白云岩主脉中发育低成熟度原生重质油包裹体, 均质泥质白云岩主脉中仅发育原生盐水包裹体, 晶间解理和次生裂隙中存在重质油油迹, 盐水包裹体平均均一温度(215℃)大于样品埋藏深度控制的地温范围(35～ 150℃)。结合构造演化史、热演化史、埋藏史和油气成藏史, 提出在多种超压因素背景下, 纹层状泥质白云岩中天然流体压裂受控于构造挤压、石膏–硬石膏转化脱水以及生烃增压等多种超压因素的叠加; 均质泥质白云岩中天然流体压裂主要由下部热流体上涌产生的超压导致, 在热液与白云岩围岩作用过程中有利于萃取细脉中的 Sr2+而富集天青石。天然流体压裂的形成过程和发育样式对现今柴达木盆地西南部天青石矿的富集和下干柴沟组上段页岩油储层的人工水力压裂具有启示意义。

关键词 天然流体压裂; 超压; 盐水包裹体; 烃类包裹体; 天青石富集; 柴达木盆地

在石油开采中, 水力压裂作为低渗致密储层增产的重要手段得到广泛应用[1]。在水力压裂过程中, 井内流体压力增加, 井眼的周向应力在井周产生张应力, 当张应力超过岩石的抗张强度时, 水力压裂缝平行于最大主应力方向起裂。若围岩为均质, 压裂缝垂直于井壁沿井周最大主应力方向延伸[2], 形成板状、树枝状的压裂缝网络; 当围岩层理较为发育时, 则易受层理弱面诱导, 形成“丰”字型和“井”字型压裂缝网络[3–4]。

同样是由岩石内流体压力作用产生的裂缝, 天然超压裂缝(也称水力破裂缝)是当孔隙流体压力大于最小主应力和抗张强度之和时产生的张性裂缝[5]。超压裂缝一般延伸不平直, 裂缝开度不均匀, 几乎被方解石、石膏和硬石膏等矿物充填, 裂缝尾端多尖灭于低孔低渗的缝旁围岩中[6]。由超压流体形成超压裂缝的实例在全球不同区域广泛报道, 它们记录了不同岩性的围岩中, 不同地质历史时期埋藏应力背景下, 由不均衡压实、构造挤压、生烃增压、矿物成岩转化脱水、水热增压和岩浆热液等超压因素导致的天然破裂[6–12]。

人工水力压裂缝网的形成、延伸和终止以及天然超压裂缝形成和演化的相关研究均较多, 但鲜见由天然超压流体形成多级压裂缝网的实例报道。在柴达木盆地西南部(简称柴西南)狮子沟构造下干柴沟组上段深度为 4000m 左右的纹层状泥质白云岩和均质泥质白云岩中发现两处由超压导致的多级压裂现象, 其中保留了柴西南新生代多种超压成因背景下由天然流体导致的压裂现象, 记录了天然流体压裂时的温度和盐度等环境条件、围岩变形、裂缝起裂和延伸特征, 以及缝内流体与围岩相互作用后脉体与围岩的矿物组成和分布。

柴西南下干柴沟组上段是现今页岩油储层开发的主要层段, 中高频旋回的地层压裂缝起裂及扩展机理是储层改造技术方面的挑战[13–15]。由天然超压导致的流体压裂样式对现今超压背景下的下干柴沟组上段人工压裂具有借鉴意义。

本研究通过岩芯观察以及单偏光–正交偏光–阴极发光–荧光下的薄片描述, 揭示纹层状泥质白云岩和均质泥质白云岩中天然流体压裂多级裂缝网络的几何学特征; 使用矿物分析仪扫描薄片, 揭示脉体与围岩的矿物成分、含量和分布, 分析压裂缝内流体与围岩作用过程中对矿物富集的影响。通过对盐水包裹体和烃包裹体的描述以及盐水包裹体的温度–盐度测试, 揭示天然流体压裂的环境条件。在柴西南下干柴沟组上段多种超压因素背景下, 结合构造演化史、热演化史、埋藏史和油气成藏史, 厘定纹层状泥质白云岩和均质泥质白云岩中天然流体压裂差异性的超压控制因素。

1 区域地质背景

柴达木盆地是青藏高原现今最大的含油气盆地, 其西南部向西和向南分别被阿尔金断裂带和祁漫塔格–东昆仑断裂带围陷[16–17]。狮子沟构造位于柴西南英雄岭构造带西端(图 1)。柴西南新生界自下而上可以划分为 8 个地层单元: 1)早始新世路乐河组(E1+2l), >53.5～43.8Ma; 2)中始新世下干柴沟组下段(E31xg), 43.8～37.8Ma; 3)晚始新世下干柴沟组上段(E32xg), 37.8～35.5Ma; 4)渐新世上干柴沟组(N1sg), 35.5～22.0Ma; 5)早中新世下油砂山组(N21xy), 22.0～ 15.3Ma; 6)中中新世上油砂山组(N22sy), 15.3～8.1Ma; 7)晚中新世–上新世狮子沟组(N23s), 8.1～2.5Ma; 8)上新世–更新世(2.5～0Ma)七个泉组(Q1q)和达布逊–盐桥组(Q2–4)(图 2)[20]。

受控于新生代阿尔金断裂和祁漫塔格–东昆仑断裂的新生代演化, 柴西南新生代的构造演化分为3 个阶段[21–22]。阿金断裂自始新世发生左行走滑活动, 柴达木盆地块体沿阿尔金断裂向东北迁移, 柴西南处于相对伸展的应力背景, 表现为张扭作用控制下的沉积坳陷区, NW 向正断层控制下干柴沟组上段湖侵和湖退背景下的半深湖–深湖相沉积, 形成以碳酸盐矿物为主, 并与陆源碎屑、蒸发岩矿物和黏土矿物高频旋回的混合沉积, 主要矿物成分为伊利石、石英、方解石、白云石、石盐和黄铁矿(图3), 主要岩性为泥质白云岩、泥岩、泥质灰岩、灰云质页岩和泥质粉砂岩, 顶部发育巨厚膏盐岩层, 形成巨厚的烃源岩–储层–盖层组合(图 3), 累计纵向跨度达到 800～1200m, 是现今英雄岭源内页岩油赋存和勘探开发的层段[13–14,23–24]。早中新世以来, 受祁漫塔格‒东昆仑断裂左行走滑活动影响, 柴西南从早期的张扭背景转换为压扭背景, 在狮子沟形成下干柴沟组上段顶部盐层解耦的“双层楼”构造, 顶部为逆冲断层相关褶皱, 深部为走滑正花状构造(图 3(a))[18–19]。

地震属性、地层测试、声波测井和钻井泥浆比重变化揭示, 柴西南深部普遍发育超压[25–28], 如在狮子沟构造下干柴沟组上段, 盐下压力系数高达1.6～2.0, 部分高产井压力系数高达 2.2[29–30]。柴西南下干柴沟组上段地层超压具有复合成因, 在地层沉积后的不同地质历史阶段, 不均衡压实、构造挤压、生烃增压、石膏转化脱水、黏土矿物脱水以及水热增压等因素均影响地层超压的发育[29,31–35]。

柴达木盆地西部是我国最大的天青石(SrSO4)成矿区, 已探明大风山、尖顶山、碱山和油泉子等天青石矿床和矿化点, 占国内储量的 70%以上[36]。关于该区天青石矿床的物源和成矿模式, 存在不同的认识。一种观点认为, 是层控型陆相湖泊热水沉积天青石矿床, 即在深部卤水和第三系油田水补给背景下, 通过蒸发作用, 形成碳酸盐和硫酸盐沉积序列[37]。另一种观点认为, 是天青石通过沿切穿基底断层的富锶热液流动而富集成矿, 相关实例在柴达木盆地西部多有报道[38–39]。

2 天然流体超压裂缝的几何学特征

在低孔低渗地层中, 当孔隙流体压力大于最小主应力和抗张强度之和时, 将产生超压裂缝[40]。超压裂缝被矿物完全充填, 延伸不平直, 裂缝宽度不一, 尾端常尖灭于缝周围岩中[6]。在水力压裂开发过程中, 人工压裂缝于井壁起裂, 常呈现多级延伸的“丰”字型和“井”字型压裂缝网络[3,41]。在狮 A 井钻遇的狮子沟构造下干柴沟组上段 4100m 和 4150m两处岩芯中, 分别发现典型的由天然超压导致的压裂现象(图 4)。

在岩芯尺度, 狮 A 井 4100m 处的天然超压压裂缝表现为硬石膏主脉在纹层状泥质白云岩中顺着近水平的纹层形成一级压裂脉, 在近似垂直于一级压裂脉的方向形成二级压裂脉(图 4(a)和(b))。压裂主脉长约 7cm, 开度约为 1.5mm, 总体上近似竖直, 下半部主脉具有一定的弯曲弧度, 向下逐步尖灭于围岩中, 向上与顶部具有塑性变形性质的硬石膏脉以“T”字型连接后消失。一级压裂脉呈平行组系, 沿近水平纹层方向平直延伸, 与主脉共同形成“丰”字型结构, 开度不到 1mm, 显著小于主脉; 沿水平纹层延伸的长度有限, 约为 5.5cm, 逐步消失于围岩中。有些位置的一级压裂脉在主脉两侧同时发育, 另一些位置的一级压裂脉只在主脉单侧发育。二级压裂脉大致垂直于一级压裂脉体沿近似竖直的方向延伸, 长度为 2～3cm, 两端尖灭于围岩中, 长度和开度比一级压裂脉体更短、更窄。需要注意的是, 素描图中标注的其他脉体或为不与主脉直接相接的脉体, 或为顶部相接但呈现塑性变形特征的脉体, 在直观的压裂缝体系中与主脉不具有同源特征(图 4(b))。

在岩芯尺度, 狮 A 井 4150m 处的天然超压压裂缝具有斜“丰”字型结构, 表现为短棒状轮廓的硬石膏主脉在相对均质的泥质白云岩中近似垂直于主脉的方向形成一级压裂脉和近似垂直于一级压裂脉的方向形成细微的二级压裂脉(图 4(c))。主脉形状不规则, 长 2cm 左右, 宽度在 3～7mm 之间。一级压裂脉沿近似垂直于主脉边缘的方向向围岩延伸, 逐步尖灭于围岩中, 最大长度为 4cm 左右, 最短为 5mm 左右。两条相对较长一级压裂脉的发育位置不完全沿主脉对称分布, 从主脉开始, 二者的开度亦有差别。岩芯尺度可识别的二级压裂脉数量较少, 沿近似垂直于一级压裂主脉的方向延伸, 有的二级压裂脉从主脉尖角处向围岩延伸, 长约 4mm。需要注意的是, 一些岩芯中的脉体与主脉并不直接相接, 可能与主脉不具有同源特征(图 4(d))。

在纹层状泥质白云岩和均质泥质白云岩中, 沿岩芯的轴向两处压裂位置切割并制作薄片(图 5(a)和 6(a))。正交偏光下, 高分辨率拼贴薄片揭示出顺近水平层中压裂和均质泥质白云岩中压裂缝的精细几何学特征。与岩芯中的压裂缝组系划分一致, 将薄片中压裂脉划分为主脉、一级压裂脉和二级压裂脉 3 个级次脉体, 还包括与压裂脉体系不具有几何学连接关系的其他脉体(图 5(a)和 6(a))。

与岩芯中的压裂脉组系划分相比, 根据高精度拼贴薄片中压裂缝的精细特征, 可以更明确地确定压裂脉组系。薄片显示, 顺近水平纹层的压裂主脉近似竖直延伸, 与近水平纹层的夹角约为 75°。主脉宽度不均匀, 开度为 1～1.5mm, 脉体边缘不平直, 主脉在底部发生分叉。由于近水平地层与主脉的高角度相交关系, 顺近水平地层发育的一级压裂脉体与主脉高角度相交, 一级压裂脉体与主脉两侧的夹角为高角度锐角。一级压裂脉的开度在 0.2mm 左右, 从主脉向沿一级压裂脉延伸方向, 开度有变小的趋势。值得注意的是, 并不是所有一级压裂脉都在主脉两侧对称地发育, 图 5(a)中右下方的一级压裂脉在主脉对侧并不发育。二级压裂脉与一级压裂脉以中–高角度至近似垂直的夹角(65°～90°)相交, 二级压裂脉从一级压裂脉中延伸出来或者跨越一级压裂脉, 开度一般小于一级压裂脉(图 5(a))。正交偏光下精细的薄片特征显示, 主脉矿物成分为硬石膏, 晶体呈自形到半自形(图 5(b)和(c))。沿主脉对称分布的一级压裂脉体在主脉两侧的开度并不一致(图 5(c))。一级压裂脉中发育垂直于缝边缘的硬石膏拉伸式晶体(图 5(c)和(d))。二级压裂脉以高角度从一级压裂脉中延伸出来, 开度一般不到 0.1mm(图 5(d))。通常情况下, 二级压裂脉的延伸不平直, 较细的硬石膏拉伸式晶体连接二级压裂脉体的两个边缘(图 5(e))。

薄片观察显示, 发生压裂的均质泥质白云岩没有发育明显的层理。主脉形状不规则, 两侧各有一条开度相对较大(约 1mm)的一级压裂脉在其中部近似垂直地延伸。开度极小的一级压裂细脉簇平行发育, 还有一些一级压裂细脉从主脉尖端延伸出来, 主脉与一级压裂粗脉和细脉共同组成倾斜的“丰”字型。少量二级压裂脉与一级压裂脉以锐角(45°～60°)相交, 其他脉体或者与主脉不相交(可能不与主脉同源), 或者延伸和贯穿主脉(反映这些脉体是在主脉形成后发育的)(图 6(a))。

薄片局部精细结构进一步揭示脉体的结晶特征。主脉中硬石膏晶体呈半自形块状, 两侧较粗的一级压裂脉体中硬石膏晶体呈纤维状生长结构, 与压裂方向近似平行的长轴状围岩碎屑夹杂于一级压裂脉体中, 与较粗一级压裂脉体近似平行的较细一级压裂脉体呈簇状延伸(图 6(b)和(c))。纤维状硬石膏晶体从一级压裂缝泥晶边缘呈纤维状延伸, 相互之间呈生长竞争关系(图 6(d))。阴极发光图像显示, 硬石膏脉体不发光, 泥质白云岩围岩发红光, 塑性弯曲变形的围岩碎片夹杂于一级压裂脉体中(图6(e))。主脉晶体中发育大量原生盐水包裹体, 不发育烃类包裹体, 压裂脉体中未见包裹体分布(图 6(f)和(g))。主脉中发育硬石膏解理和次生裂隙, 其中充填黄褐色重质油油迹(图 6(g)和(h))。

矿物分析仪(TESCAN integrated mineral analy-zer, TIMA)是结合扫描电子显微镜和能谱分析仪的矿物自动分析仪器, 可以呈现所扫描薄片的矿物成分、含量和分布特征[42]。本研究利用 TIMA 获取纹层状泥质白云岩和均质泥质白云岩的压裂脉薄片中平面矿物成分和对应的百分含量, 呈现不同矿物的平面分布特征(图 7 和表 1)。TIMA 测试在广州拓岩检测技术有限公司使用 MIRA3 扫描电子显微镜完成。实验前对两张薄片样品在进行喷碳, 实验中加速电压为 25kV, 电流强度为 8.24nA, 工作距离为15mm, 电流和背散射电子(back scattered electron, BSE)信号强度使用铂法拉第杯自动程序校准, 能量色散谱(energy dispersive spectroscopy, EDS)信号使用 Mn 标样进行校准。测试中使用解离模式, 同时获取 BSE 图像和 EDS 数据, 每个点的 X 射线计数为1000, 像素大小为 3μm, 能谱步长为 9μm。

阴极发光图像显示主脉、一级压裂脉和二级压裂脉均不发光, 泥质白云岩围岩发红光, 压裂脉体中存在发光的碎片颗粒, 指示有部分白云石围岩碎片存在于脉体中(图 5(f)和(g))。主脉中不发育盐水包裹体, 发育在荧光下不发光的黄褐色原生重质油包裹体(群)(图 5(h)和(i))。一级和二级压裂脉体的硬石膏中未见流体包裹体。

与岩性矿物扫描测井显示的两处流体压裂井段矿物组成和含量(图 3(c))相比, TIMA 获取的两处流体压裂薄片矿物成分和含量(图 7)更加精细。两种压裂脉薄片中矿物成分和分布既有相似之处, 也有不同之处。相似之处在于, 两种压裂脉中围岩的主要矿物成分均为白云石, 少量方解石分布其中; 围岩中均分布以石英、正长石、斜长石和白云母为代表的陆源碎屑矿物; 两种压裂脉体中, 硬石膏均是主要充填矿物(图 7(a)和(b))。

两种压裂脉矿物成分分布最显著的差别是, 在沿近水平纹层的各级压裂脉体中, 充填矿物除围岩碎屑矿物外, 几乎全部为硬石膏(图 7(a)), 而在均质泥质白云岩的压裂脉中, 主脉和两条一级压裂粗脉的矿物成分几乎全部为硬石膏, 与两条一级压裂粗脉近似平行的成簇发育的一级压裂脉以及与一级压裂脉近似垂直的二级压裂脉几乎完全被方解石和天青石矿物充填(图 7(b))。此外, 近水平一级压裂脉常沿显示纹层特征、含陆源碎屑矿物的近水平方向发育, 一级压裂脉中含邻近上下层陆源碎屑矿物组成的岩屑颗粒。在均质泥质白云岩压裂主脉中, 脉体边缘分布少量原位围岩碎片, 与邻近主脉边缘轮廓匹配良好, 但在顺近水平纹层的压裂主脉中不存在这种特征(图 7(a)和(b))。

此外, 对比 TIMA 矿物分布与岩芯及薄片中压裂脉可以发现, 一些不与主脉直接相连的脉体同样有一级和二级压裂脉体展布, 意味着它们虽然在平面图中看似不相连, 但在岩芯内部的三维空间中可能为相互连接的同源压裂脉体系(图 7(b))。

综上所述, 纹层状泥质白云岩与均质泥质白云岩中的压裂脉相似之处在于, 由主脉、一级压裂脉和二级压裂脉构成的压裂缝网络具有“丰”字型特征。两种压裂脉体的不同之处体现在以下方面。1) 主脉和一级压裂脉在纹层状泥质白云岩中构成竖直的“丰”字型结构, 在均质泥质白云岩中则呈现倾斜的“丰”字型结构。2)顺纹层发育的一级压裂脉与主脉以大角度的锐角相交, 不完全垂直于主脉; 均质泥质白云岩中的一级压裂脉近似垂直于主脉。3)顺近水平纹层压裂的各级脉体均被硬石膏充填, 主脉中含大量原生低成熟度重质油包裹体, 不含任何盐水包裹体; 均质泥质白云岩压裂主脉中充填矿物主要为硬石膏, 一级压裂细脉和二级压裂细脉的充填矿物主要为方解石和天青石, 主脉中含大量原生盐水包裹体, 不含任何烃包裹体, 低成熟度重质油油迹出现于主脉晶体的解理和次生裂隙中。上述差异性揭示纹层状泥质白云岩与均质泥质白云岩中发生的压裂具有潜在的超压成因差异。

3 超压脉体中盐水包裹体冰点温度和均一温度的测量

矿物生长过程中捕获的原生烃类或盐水包裹体记录了流体演化环境的信息[43]。在平行于近水平纹层的压裂缝中, 一级和二级脉体中不发育包裹体; 主脉晶体中不发育盐水包裹体, 单偏光下常见原生低成熟度的黄褐色重质油包裹体, 有时成群分布, 在荧光下不发光。烃类包裹体呈浑圆状、不规则状和长方形, 较小者直径为 1～3μm, 较大者直径可达30μm, 气液比大于 50% (图 5(h)和(i))。

在均质泥质白云岩压裂缝中, 一级和二级脉体中不发育包裹体; 主脉的硬石膏晶体中发育大量原生盐水包裹体, 不发育烃类包裹体。成群发育的盐水包裹体多呈线状分布, 较小者直径约为 2μm, 较大者直径可达 35μm, 呈长方形、浑圆状和不规则状, 气液比为 10%～20% (图 6(f)和(g))。

本研究测量了主脉中原生盐水包裹体的冰点温度和均一温度。为增加所测量包裹体的数目, 在具有压裂脉岩石样品制作薄片的同一位置多次切割, 制作包裹体片。累计测量均质泥质白云岩压裂主脉中 66 个原生盐水包裹体。盐水包裹体冰点温度和均一温度的测量在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成, 采用 Linkam TS600 型冷热台进行显微测温。热电偶使用合成流体包裹体, 在−196 ～600℃ 进行校准, 实验中利用液氮进行冷却。利用不破坏包裹体结构的冷冻显微测温法进行盐度分析[44]。实验前先排气, 设置目标温度为 1℃, 排气降温速率为 20℃/min, 分步将盐水包裹体降温至过冷却, 1～−80℃之间的降温速率为 30℃/min, −80～ −90℃之间的降温速率为 10℃/min。待流体相全部凝固后进行升温, −90～−30℃之间的升温速率为30℃/min, −30～−10℃之间(冰点附近)的升温速率为1℃/min, 到达冰点温度时, 最后一块冰晶融化。在冷冻过程中消失的气泡重新出现时, 记录冰点温度Tm。然后继续升温, −10～150℃之间的升温速率为30℃/min, 150～350℃之间的升温速率为 10℃/min, 记录盐水包裹体中气泡均一时的温度(代表均一温度 Th)。需要强调的是, 硬石膏晶体因发育解理和愈合次生微裂隙, 其中可能捕获次生包裹体[45], 因此测量时选用硬石膏晶体中非次生愈合微裂隙和解理中的盐水包裹体。

Hall 等[46]1988 年提出 NaCl-H2O 体系中盐度(S)与冰点温度(Tm)的关系式:

Bodnar[47]据此给出盐度–冰点温度关系表。在获得盐水包裹体冰点温度后, 查找盐度–冰点温度关系表, 可以确定冰点温度对应的近似盐度值。66 个原生盐水包裹体的平均盐度(Sm)为 23.2%, 均一温度(Th)范围为 103～327℃, 峰值均一温度范围为 190～ 230℃, 最高峰均一温度范围为 220～230℃, 平均均一温度为 215℃(图 8)。

4 天然流体超压来源与超压压裂缝的演化

超压裂缝是古超压存在的直接证据[48]。地震资料以及地层压力测试、声波时差和钻井泥浆比重变化等测井资料证实, 现今柴西南深部普遍存在地层超压[25–28]。有关柴西南下干柴沟组上段的超压成因, 前人提出不同阶段差异性的观点, 不均衡压实、石膏向硬石膏转化过程中脱水、构造挤压、生烃增压、黏土矿物转化脱水以及水热增压等是超压形成的原因[29,31,33–34]。

在沉积埋藏期间, 当沉积物垂向负荷增加时, 岩石的压实使孔隙体积缩小, 并挤压孔隙中流体。当快速埋藏时, 因快速增加的垂向负荷应力, 在流体排出不够快的地区, 孔隙压力高于静水压力, 导致产生不均衡压实成因超压[7]。因此, 柴西南下干柴沟组上段的快速沉积导致形成不均衡压实控制的超压[12,29]。

研究表明, 现今柴西南地表普遍存在未脱水的石膏[49]。随着埋藏深度增加, 环境温度和压力升高, 石膏向硬石膏转化过程中脱水, 每生成 1mol 硬石膏, 其固态摩尔体积减小 28.37cm3, 生成 2mol 的水, 摩尔体积相应地增加 36cm3, 如果水不能排出, 上覆负荷压力由固液两相共同承担[50–51]。因此, 石膏向硬石膏转化脱水是柴西南下干柴沟组上段形成超压的重要原因之一[30,35]。蒋启财[34]利用发生石膏–硬石膏转化的热力学相关系, 计算得出狮子沟构造下干柴沟组上段发生石膏–硬石膏转化脱水的平均温度为 86℃, 下限温度为 65℃。

构造挤压成因超压在不同地区的存在被广泛证实[6,48]。低孔低渗岩层中, 当含流体的多孔介质受外力作用时, 岩体总应力由骨架和孔隙流体共同承担, 构造活动区低渗岩层中, 水平应力的变化可快速产生大量超压[52–53]。因早中新世祁漫塔格–东昆仑断裂走滑活动对柴西南的挤压, 狮子沟构造从始新世的伸展性质向挤压性质转换, NE 向的最大主应力构造挤压持续至今[22–23]。对于以狮子沟构造为代表的柴西南下干柴沟组上段低孔低渗的湖相碳酸盐岩致密储层, 早中新世以来的构造挤压是导致超压的重要因素[54]。

生烃过程中, 固态干酪根转换时伴随体积膨胀, 在标准温度–压力条件下, 1 个体积的原油完全裂解可产生 534.3 个体积的气体, 在封闭系统内形成超压[55]。柴西南油气藏具有持续充注和多期成藏的特点[56]。储层定量荧光分析及三维全息扫描荧光光谱揭示, 原油组分中既含早期低成熟度重质油, 又含晚期成熟的中质油[57]。在持续充注背景下, 可以将狮子沟构造划分为 3 个主要成藏期: 下油砂山组(N21)沉积末期(15Ma)、上油砂山组(N22)沉积末期(12Ma)和狮子沟组(N23)至第四系(Q)沉积期(4～ 2Ma)[57–61](图 9)。下油砂山组(N21)沉积期充注成藏的烃类来自路乐河组(E1+2)和下干柴沟组下段(E31)烃源岩, 表现为少量生烃且成熟度低, 此时下干柴沟组上段烃源岩开始进入生烃门限。上油砂山组(N22)沉积期烃类充注成藏时, 路乐河组(E1+2)和下干柴沟组下段(E31)主力烃源岩达到生烃高峰, 烃类达到成熟–高成熟程度。狮子沟组(N23)沉积末期, 下干柴沟组上段(E32xg)烃源岩达到生烃高峰, 高成熟度油气发生大规模的运移和聚集(图 9)[24,57–59,63]。因此, 由生烃导致的超压从上油砂山组(N22)沉积期开始显现, 之后持续增强。

研究表明, 黏土矿物的转化脱水伴生超压[64]。典型的黏土矿物转化是蒙脱石向伊利石转化。随着地层埋藏深度增加, 成岩过程中地层温度升高, 当地层温度达到蒙脱石脱水门限时, 蒙脱石向伊利石转化, 并释放晶格层间水和吸附水, 可以使孔隙水体积增加 6.6%[9]。尽管黏土矿物脱水是柴西南深部产生超压的原因之一, 但根据柴西南深部钻井中超压的产生伴随伊利石含量的降低而不是增加、蒙脱石向伊利石转化的深度与超压深度并不吻合以及脱水增加的体积远小于超压增大的体积这些现象, 华保钦等[31]判断蒙脱石向伊利石转化过程中产生的超压不是柴西南超压发育的主要原因。此外, 流体受热膨胀而增压的体积相对较小, 且容易被流体流动释放[7], 因此与不均衡压实、石膏向硬石膏转化脱水、构造挤压和生烃增压这些因素相比, 黏土矿物转化脱水和水热增压对超压形成的影响可以忽略不计。

裂缝脉体中的盐水包裹体和烃类包裹体为压裂发生时的温度、盐度、年代和流体起源提供了关键信息[52]。纹层状泥质白云岩中顺近水平纹层压裂的主脉中只发育原生低成熟度重质油包裹体, 不发育盐水包裹体(图 5(h)和(i)), 指示其流体充注可能发生在下油砂山组(N21)低成熟度重质油成藏期, 该阶段已经发生挤压构造反转, 且岩芯样品的深度对应石膏向硬石膏转换脱水的下限温度(图 9), 将发生石膏向硬石膏的转化脱水。因此, 导致纹层状泥质白云岩中近水平纹层压裂的超压成因中叠加了生烃、构造挤压和石膏转换脱水 3 种因素, 但由于烃类未达到生气阶段, 低成熟度重质烃类导致的超压程度有限。

均质泥质白云岩的天然压裂主脉中含大量原生盐水包裹体, 不含有任何烃包裹体, 低成熟度重质油油迹分布于硬石膏主脉晶体的解理或次生裂隙中(图 6(f)和(h))。包裹体的盐度可以近似地反映成岩期地层孔隙流体的盐度, 同期形成的包裹体应具有相似的盐度[65]。在柴西南下干柴沟组盐湖相沉积背景中, 硬石膏脉体中流体的盐度值(23.2%)显著大于围岩的背景盐度值(20‰～40‰)[66]。盆地热演化史、埋藏史和有机质生烃史为同一地质过程的 3 个方面[67], 在由地温梯度控制的埋藏温度背景中, 将主脉中原生盐水包裹体的均一温度与盆地热演化史温度匹配, 可以间接地确定脉体的形成时代。狮子沟构造下干柴沟组上段底部在埋藏最深时的温度约为 150℃(图 9)[58], 然而, 均质泥质白云岩压裂主脉中原生盐水包裹体的均一温度范围为 100～330℃, 频数最高的均一温度范围为 220～230℃, 平均均一温度约为 215℃, 均一温度的整体范围远超过下干柴沟组上段埋藏史控制的地温范围(35～150℃), 指示均质泥质白云岩压裂脉流体的深部热流体来源。

有关均质泥质白云岩中压裂形成的时代, 在非埋藏深度控制的温度背景中不能应用盐水包裹体均一温度与热演化史温度来确定主脉流体的充注时间。但是, 热液脉体与硬石膏晶体的解理和次生裂隙中重质油油迹的发育为均质泥质白云岩压裂主脉形成的相对时间提供了关键信息。切穿基底的活动断裂为下部流体的运移提供了通道[68], 张性正断层有助于下部流体的垂向运移, 挤压背景下的断层不利于流体的垂向流动, 下部流体一般是在拉张环境中上涌, 产生流体超压裂缝[69–72]。柴西南狮子沟构造的新生代构造演化分为始新世以来的张扭阶段、早中新世以来的压扭阶段和第四纪以来的强烈挤压阶段[17,23,73–74], 因此由下部热液导致的均质泥质白云岩中的压裂可能发生于始新世至早中新世伸展拉张阶段。

均质泥质白云岩压裂主脉中不发育任何烃类包裹体以及硬石膏晶体的解理和次生裂隙中低成熟度重质油油迹进一步对主脉发生压裂的时段进行了限定。主脉中, 在未产生压裂缝的周围存在与围岩轮廓匹配较好的围岩碎片, 表明主脉超压流体注入时围岩尚未完全固结, 超压流体的注入早于纹层状泥质白云岩发生压裂的时间。主脉中无任何烃类包裹体, 次生裂隙及解理中存在重质油油迹, 说明主脉形成的时间早于低成熟度重质油的次生充注。下油砂山组(N21)沉积期来自路乐河组(E1+2l)和下干柴沟组下段(E31xg)烃源岩的烃类表现为低成熟度特征, 在此阶段, 下干柴沟组上段烃源岩开始进入生烃门限[57,62–63]。因此, 均质泥质白云岩中主脉压裂发生于下油砂山组(N21)成藏期之前, 与狮子沟构造始新世至早中新世的张扭时段吻合。

在柴西南下干柴沟组上段多种超压成因(表 2)背景下, 狮子沟构造下干柴沟组上段均质泥质白云岩的流体压裂应该发生于始新世至早中新世张扭构造阶段, 且超压来源于热液, 早于构造反转挤压、生烃增压和石膏脱水增压的时间, 可能叠加不均衡压实增压的影响, 但不是导致流体压裂的主要超压因素。

基于对狮子沟构造下干柴沟组上段纹层状泥质白云岩和均质泥质白云岩中两处流体压裂现象的分析, 可将二者的发育过程可概括如下。

对于纹层状泥质白云岩, 早中新世之后的构造挤压增压、石膏脱水增压和微弱的生烃增压导致其中发生顺近水平纹层的天然流体压裂, 硬石膏流体首先沿近似竖直的张裂缝注入, 当超压达到围岩纹层抗张强度的极限值时, 形成近似与近水平纹层平行的一级压裂缝簇, 主裂缝空间的流体压力得到释放, 一级压裂缝簇连通近似竖直的主裂缝流体压力体系。当超压仍然大于一级压裂缝围岩的抗张强度时, 在近似垂直于一级压裂缝的方向继续产生更细的二级压裂缝, 整个超压体系连通, 超压进一步释放。主裂缝开放空间中, 硬石膏结晶成自形或半自形晶体, 在主裂缝中硬石膏流体的超压作用下, 一级和二级压裂缝逐步张开, 形成垂直于一级和二级压裂缝边缘的拉伸式硬石膏脉体。

均质泥质白云岩中的流体压裂由始新世至中新世伸展拉张阶段下部热液的注入主导。在不规则的空间中, 热液注入其中, 扰动围岩碎片脱落, 当超压达到围岩边界抗张强度时, 一级压裂沿近似垂直于主裂缝边缘的方向张开, 二级压裂缝沿近似垂直于一级压裂缝的方向展开, 当某条一级压裂缝开度较大时, 周围与之平行的其他一级压裂缝簇的张开程度将受到抑制。在一级和二级压裂缝形成后, 主裂缝的流体超压逐步释放。主裂缝流体为一级和二级压裂缝提供了流体来源, 在开度大的一级压裂缝中, 硬石膏沿近垂直缝边缘形成生长竞争的硬石膏晶体; 在开度小的一级和二级压裂细缝中, 形成方解石和天青石的拉伸式晶体。

5 天然流体压裂对天青石富集的影响

TIMA 分析结果显示均质泥质白云岩压裂形成一级和二级天青石和方解石细脉(图 7(b)), 表明下部热液导致的天然流体压裂在与白云岩围岩的相互作用中富集天青石。狮子沟构造深部切穿基底的断裂(图 3)为下部热液提供了垂向运移通道。2019 年3 月发生于狮子沟构造深部的 5.0 级地震的震源深度可达万米[75], 这些断裂的存在为狮子沟构造深部富含稀有元素的卤水进入下干柴沟组上段地层并与围岩反应提供了通道。张浩等[76]和张小军等[77]根据“泥晶结构中铁白云石和方解石中偶见钠长石、黄铁矿、重晶石和天青石等热液矿物; 碳酸盐岩中富含 Ca2+, Fe2+, Mg2+和 Sr2+等多种离子的碱性热卤水; ΣREE 总量较高、变化范围较大、稀土元素分配模式具有明显 Eu 负异常特征, 指示偏碱性的深湖热卤水还原环境; δ18O 均值介于热液成因白云岩与准同生白云岩之间”, 证实狮子沟构造下干柴沟组上段白云岩遭受热液改造。

不同于纹层状泥质白云岩中的压裂, 均质泥质白云岩中压裂的白云岩围岩中, 一级压裂细脉和二级压裂脉中充满方解石和天青石矿物(图 7(b))。在均质泥质白云岩压裂主脉中, 盐水包裹体的均一温度超过埋藏控制的地温范围(图 8 和 9), 证实热液是导致均质超压压裂的直接因素。在此背景下, 灰岩因热液交代作用而白云岩化, 导致热液中 Mg2+替代围岩中 Ca2+[78–79], 在狭小的细缝空间中, CaCO3发生过饱和结晶, 形成方解石细脉(图 7(b))。Scholle等[80]认为对围岩 Sr2+的萃取是天青石矿床的重要成因之一。在英国石炭纪 Keuper 组泥灰岩中的 Yate天青石矿床中, 白云石化过程中释放出的 Sr2+是天青石的重要成矿来源[81–82]。在本研究区均质泥质白云岩中, 空间大的主脉边缘没有天青石分布, 在空间相对较大的一级压裂粗脉边缘, 天青石沿围岩少量分布, 一级压裂细脉和二级压裂脉中广泛充填天青石, 表明沿白云石围岩细缝对 Sr2+的萃取为天青石细脉提供了 Sr2+。在压裂脉体形成后, 混合成分(Sr2+, Ca2+, SO42−和 CO32−等)的热液通过压裂通道流动, 在 SO42−浓度相同的条件下, 天青石(SrSO4)的溶度积常数(3.2×10−7)小于 CaSO4溶度积常数(9.1 ×10−6), 压裂细缝内 Sr2+和 SO42−过饱和沉淀, 形成天青石脉体。因此, 均质泥质白云岩中由天然流体压裂导致的天青石结晶, 指示柴西南狮子沟构造下干柴沟组上段天青石富集属于沿切穿基底断层运移热液萃取围岩 Sr2+的成矿模式。

6 结论

本研究针对柴西南狮子沟构造下干柴沟组上段的天然流体压裂现象, 在岩芯尺度和薄片尺度对压裂缝脉体、脉体中盐水包裹体和烃类包裹体进行描述, 并测量盐水包裹体的均一温度和盐度, 利用TIMA 表征超压压裂脉体与围岩的矿物组成、含量和分布, 结合区域构造演化史、热演化史、埋藏史和油气成藏史, 基于脉体中烃类包裹体和盐水包裹体特征以及盐水包裹体的均一温度, 探究超压成因以及流体压裂过程对天青石富集的影响, 得到如下结论。

1 )柴西南狮子沟构造下干柴沟组上段纹层状泥质白云岩和均质泥质白云岩中发育超压导致流体压裂现象, 两类岩石中的压裂脉体均由主脉、一级压裂脉体和二级压裂脉体组成, 硬石膏是其中主要矿物类型。纹层状泥质白云岩中一级脉体沿陆源碎屑纹层开启, 呈现“丰”字型特征; 均质泥质白云岩中一级脉体垂直于主脉发育, 天青石和方解石拉伸式脉体充填于一级和二级细脉中。

2 )纹层状泥质白云岩主脉中发育原生低成熟度重质油包裹体, 均质泥质白云岩主脉中发育原生盐水包裹体, 晶间解理和次生裂隙中存在重质油油迹。盐水包裹体的均一温度范围为 100～330℃, 平均均一温度为 215℃, 大于埋藏深度控制的地温范围(35～150℃), 表明是下部热液导致超压形成。在柴西南下干柴沟组上段构造演化史、热演化史、埋藏史和油气成藏史约束下, 纹层状泥质白云岩中的压裂由叠加了构造挤压、石膏–硬石膏转化脱水以及生烃的复合超压导致, 均质泥质白云岩中的压裂由断裂疏导的下部热流体上涌而形成超压导致。

3 )在纹层发育的泥质白云岩层段, 与主脉以一定角度斜交的陆源碎屑矿物纹层作为弱面, 在流体压裂过程中易于起裂和延伸。均质白云岩中的压裂近似垂直于主脉边缘起裂, 不具有沿优势矿物分布的特征。一级压裂粗脉的发育抑制周围近似平行脉体的发育, 对下干柴沟组上段页岩油储层的人工起裂和延伸具有启示意义。

4 )断裂为下部热液的运移提供了通道, 下部热液导致的均质泥质白云岩的流体压裂过程中, 热液萃取一级和二级压裂细缝周围白云岩围岩中的 Sr2+, 形成天青石脉体, 表明深部超压热流体压裂对柴西南狮子沟构造下干柴沟组上段天青石的富集成矿具有影响。

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Characteristics of Natural Hydraulic Fracturing and Its Overpressure Origin in Upper Xiaganchaigou Formation of the Shizigou Structure,SW Qaidam Basin

1. Technology Research and Development Center of Power and Gas Company of CNOOC, Beijing 100028; 2. China United Coalbed MethaneCo., Beijing 100016; 3. The Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 4. Qinghai Oilfield Company, PetroChina, Dunhuang 736200; † Corresponding author, E-mail: zjguo@pku.edu.cn

Abstract Two kinds of natural hydraulic fracturing were found in laminated argillaceous dolomite and homoge-neous argillaceous dolomite of the Upper Xiaganchaigou Formation in the Shizigou Structure in the southwestern Qaidam Basin (SW Qaidam Basin). To explore the geometric characteristics of networks of natural hydraulic frac-turing, the temperature-salinity conditions when hydraulic fracturing occured, the interaction between fluid in frac-tures and surrounding rocks, and controlling factors of natural hydraulic fracturing under the background of mul-tiple overpressure factors, the two kinds of multilevel fracture networks and inclusions in veins were described at the core scale and thin section scale under single polarized light, orthogonal light and cathodoluminescence. Types, distribution, and contents of minerals in veins and surrounding rocks were further characterized by TESCAN integrated mineral analyzer (TIMA). In addition, the homogenization temperature and salinity of aqueous inclusions in veins were tested. Results show that natural hydraulic fracturing in laminated argillaceous dolomite and homoge-neous argillaceous dolomite has similarities and differences. Regarding similarity, both fracture networks consist of three-level veins, including the main vein, the first-level hydraulic veins, and the second-level hydraulic veins, showing orthogonal nets in cores. In addition, anhydrite is the main filling mineral in veins. The differences are as follows. Firstly, the first-level hydraulic veins develop along the lamina directions that intersect the main vein with an angle in laminated argillaceous dolomite, while the first-level hydraulic veins are perpendicular to the main vein in homogeneous argillaceous dolomite. The thicker vein inhibits the development of thinner veins which are nearly parallel to the thicker one. Moreover, thinner first-level and second-level hydraulic veins in homogeneous argilla-ceous dolomite are mostly filled by calcite and celestite. Secondly, only low-mature heavy oil inclusions develop in the main vein in laminated argillaceous dolomite, while in homogeneous argillaceous dolomite, only aqueous inclusions develop in the main vein, and heavy oil traces exist in intergranular cleavage and secondary fissures. The average homogenization temperature of aqueous inclusions (215℃) is greater than the paleogeothermal range (35–150℃) controlled by the burial depth of the sample. Considering multiple overpressure backgrounds, the tectonic evolution history, thermal history, burial history, and hydrocarbon accumulation history, we propose that natural hydraulic fracturing in the laminated argillaceous dolomite may be attributed to the superposition of tectonic compression, gypsum-anhydrite transformation, and hydrocarbon generation. Hydraulic fracturing in homogeneous argillaceous dolomite is attributed to overpressure caused by upwelling of deep thermal fluid. During the reaction between hydrothermal solution and surrounding dolomite, celestite in thin veins is beneficial to enrichment by extracting Sr2+ from surrounding dolomite. Formation process and geometrical patterns of two kinds of hydraulic fracturing have enlightening significance for enrichment of celestite deposits and the current artificial hydraulic fracturing of shale oil reservoirs in the upper Xiaganchaigou Formation in the SW Qaidam Basin.

Key words natural hydraulic fracturing; overpressure; aqueous inclusion; hydrocarbon inclusion; celestite enrich-ment; Qaidam Basin