塔里木盆地寒武系发育巨厚的白云岩,油气勘探潜力巨大。长期以来,受控于寒武系白云岩形成时代老、埋藏深度大、储层改造和破坏严重、保存条件复杂、储集层类型多样以及非均质性强等因素,导致其勘探程度较低,未见突破性进展。2012年在塔中隆起中深1井寒武系盐下白云岩获得油气发现,开启了寒武系白云岩油气勘探的新阶段。针对塔里木盆地寒武系储层成因及白云石化机理等问题,论文在充分吸收前人研究成果的基础上,以沉积学、岩石学、储层地质学及行业标准为理论研究依据,根据地质、钻井、测井等资料,利用薄片、扫描电镜、阴极发光、压汞分析、流体包裹体、电子探针、X衍射、主微量元素分析、碳氧同位素、锶同位素、镁同位素、高温高压溶蚀实验等测试分析手段,分析储层岩石学、储集空间、物性、孔隙结构特征,综合研究储层成岩作用并重点分析了白云石化机理、储层溶蚀机理、储层发育主控因素,结合沉积相、断裂系统、烃源岩、盖层及有利溶蚀区分布等因素综合预测了有利勘探区。研究表明:(1)塔里木盆地寒武系储层岩石类型主要包括晶粒白云岩、(残余)颗粒白云岩、泥微晶白云岩、藻纹层白云岩、角砾状白云岩、过渡型白云岩及泥微晶灰岩、白云质灰岩等;非储层岩石类型包括膏岩、盐岩等蒸发岩以及泥岩等。孔隙及缝洞均普遍充填白云石、方解石、有机质及粘土矿物、石英、黄铁矿等,并在局部发育硬石膏、天青石、重晶石、石英、萤石、胶磷矿、伊利石、海绿石等热液矿物及其组合。(2)塔里木盆地寒武系储层孔隙度、渗透率变化范围较大,孔隙度介于0.1%～23.9%之间,渗透率介于0.003×10-3μm2～11200× 10-3μm2之间。寒武系碳酸盐岩储层储集空间以溶蚀孔(洞)和晶间溶孔为主,其次为裂缝、晶间孔、晶间溶孔、粒内溶孔、粒间溶孔等。寒武系地层共发育5期裂缝,裂缝在地层和区域上分布非均质性强,裂缝参数受断裂控制明显。依据压汞曲线和铸体薄片图像分析,孔隙结构可划分为4种类型:粗喉-大孔型,细喉-中孔型,细喉-小孔型、微喉-微孔型。CT扫描孔隙结构三维重构结果表明残余颗粒细晶白云岩的物性和孔隙结构较好,是研究区较有利的储集岩类。基于铸体薄片图像处理的多重分形-K均值聚类分析方法为白云岩储层孔隙结构定量分类评价提供了有效的新途径。(3)塔里木盆地寒武系碳酸盐岩经历的主要成岩作用包括泥晶化作用、压实压溶作用、胶结作用、白云石化作用、重结晶作用、过白云石化作用、硅化作用、充填作用、去白云石化作用、溶蚀作用、破裂作用,其中对储层具有建设意义的主要有白云石化作用、溶蚀作用和破裂作用。依据岩石学特征和包裹体温度,寒武系白云岩所经历的成岩阶段可划分为同生成岩阶段、早成岩阶段、中成岩阶段、晚成岩阶段。结合构造、地层埋藏史分别建立了晶粒白云岩和(残余)颗粒白云岩的成岩序列及孔隙演化模式。(4)根据岩石学和地球化学特征,确定了塔里木盆地寒武系白云石化作用主要有蒸发泵白云石化作用、回流渗透白云石化作用、中-深埋藏白云化作用以及构造-热液白云石化作用。根据Mg同位素、Sr同位素及稀土元素等地球化学特征,确定了塔里木盆地寒武系白云石化流体主要为海源流体;而热液的来源包括高温地层卤水和幔源流体。在白云石化作用类型空间分布上,巴楚地区肖尔布拉克组以埋藏白云石化作用为主并受一定热液作用改造;吾松格尔组、阿瓦塔格组以蒸发泵白云石化作用为主;沙依里克组以蒸发泵白云石化和埋藏白云石化作用为主,且白云石化作用不彻底;下丘里塔格组以埋藏白云石化作用为主并受一定程度的热液作用改造。塔北地区下丘里塔格组白云岩主要以回流渗透白云石化及中-深埋藏白云石化成因为主,受构造-热液改造明显。热液白云石化作用在塔北及古城地区普遍发育,并且热液作用对这些地区储层改造有积极意义。受岩浆类型的控制,塔北和古城地区热液作用强于巴楚地区。(5)塔里木盆地寒武系储层溶蚀作用具有多样性,包括(准)同生期大气淡水溶蚀作用、埋藏溶蚀作用、表生岩溶作用以及与深大断裂有关的溶蚀作用,溶蚀作用控制了储层储集空间的发育。埋藏溶蚀高温高压溶蚀实验结果表明,任何温压条件下方解石都比白云石更易溶;理论计算与模拟实验均表明碳酸盐岩溶蚀作用存在最佳溶蚀深度段,对应于浅-中埋藏阶段;溶蚀作用能够大幅度提高岩石的渗透率;碳酸盐岩溶蚀作用受岩石孔隙结构、矿物成分影响明显,裂缝为溶蚀作用提供了优势通道。(6)塔里木盆地寒武系储层的形成、演化、发育分布以及储集体质量受沉积作用、成岩作用和构造作用的共同控制。结合沉积作用、成岩作用及构造作用特征,明确了研究区储层主要控制因素及其空间分布,建立了塔北、巴楚地区颗粒白云岩、晶粒白云岩储层成因模式。台内丘滩、台缘滩及膏云坪等有利的沉积相带控制了塔里木盆地寒武系储层的宏观分布;高频层序控制了早期大气淡水溶蚀作用对高能相带储集空间的改造;构造作用形成的断裂带及裂缝密集带为后期有机酸、CO2、H2S、热液等溶蚀流体对储层的溶蚀改造提供了通道。早期大气淡水溶蚀形成的溶孔发育的颗粒白云岩及膏质白云岩类储集体是孔隙发育的基础,后期有机酸、CO2、热液流体及TSR相关的流体等对碳酸盐岩的埋藏溶蚀作用对储集空间起到重要的保持和改造作用。(7)依据塔里木盆地寒武系沉积相、断裂系统、烃源岩、盖层、有利溶蚀区分布等因素,综合预测了塔里木盆地寒武系油气有利勘探区。下寒武统Ⅰ级有利区分布在巴楚地区和田河气田东缘、塔中1号断裂带南缘及塔北隆起区;Ⅱ级有利勘探区主要分布在玛扎塔格断裂带南缘和塔北隆起东缘;Ⅲ级有利区主要为台内滩及蒸发云坪,主要有和田河气田北缘、吐木休克-阿恰-柯坪-沙井子断裂带、塔中北缘、塔北南缘。中寒武统Ⅰ级有利区分布于塔北牙哈地区、塔中地区;Ⅱ级有利勘探区主要分布于古城地区和巴楚地区西南部;Ⅲ级有利勘探区主要分布于塔北隆起东缘、塔中隆起南缘地区及巴楚地区西部。上寒武统Ⅰ类有利勘探区分布于塔北英买-牙哈地区台缘丘滩储集体;Ⅱ类有利勘探区分布于塔中2号断裂带、轮古-古城台缘带及英东地区;Ⅲ类有利勘探区主要分布在巴楚和田河气田东北缘及塔中地区台内滩、潮坪沉积区。