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The Tarim Basin in northwestern China is the second largest petroleum field in China. The reservoirs are predominantly Palaeozoic (Devonian, Ordovician, and Cambrian) carbonate rocks buried at a depth of 5000 m – 6000 m. Ordovician carbonate rocks are one of the main topics in recent hydrocarbon drilling projects. This great depth and a complex inhomogeneous geological and tectonic development results in many problems in hydrocarbon exploration and production. The Ordovician sequence is dominated by limestone, whereas Cambrian beds are predominantly composed of dolostones. These lithologic differences result in different exploration and production permutations. Cambrian dolomites have been intensively studied during the last few decades. By contrast, Ordovician limestones in the subsurface were rarely analysed. The TZ-162 well in the Tazhong region in the central Tarim Basin offers an excellent opportunity to study Lower and Upper Ordovician strata occurring at a thickness of 1700 m. Because of a marked unconformity the Middle Ordovician strata are probably absent in the region. The main aim of this study was the facies analysis of Middle and Upper Ordovician carbonate rocks. Because of the common occurrence of stylolites, these pressure solution characteristics in relation to different primary facies types were another subject of the recent study. Furthermore, Upper Cambrian limestones and dolomites in the Fengshan Formation, which are about 100 m thick, were studied in the Western Hills, in regard to intensive pressure solution and the formation of stylolites. These are predominantly related to mudstones with only traces of biogenic allochems and with common flat pebble conglomerates. The aim of this part of the study was to analyse the influence of the primary amount of noncarbonates (insoluble residue; clay, silt, organic matter) in Upper Cambrian limestones buried at depths of about 4000 m and deposited primarily in low energy environments in comparison to reefal limestones present in the Uppermost Ordovician of the TZ-162 well buried at depths of about 6000 m. The microscopic analysis of 150 petrographic thin sections was the main method used in both studies. Macroscopic description of sedimentological characteristics in the outcrop was carried out in the Upper Cambrian beds in the Western Hills. Furthermore, the amount of insoluble residue was analysed by gasometrical measurements. Selected samples were analyzed by XRD in order to determine the mineralogical composition of noncarbonates in general and the clay mineral composition in detail. Data of wireline logs (gamma ray, resistivity) were evaluated for the determination of large scale lithologic units in comparison to the facies and results of the mineralogical analysis. The combination of these data led to a combined facies-log analysis of the Ordovician sequence in the TZ-162 well. The influence of stylolites on the gamma ray readings was also evaluated by these combined data (macroscopic analysis, thin section, insoluble residue, gamma counts in API). The calculation of the amount of clay from the gamma ray and from the resistivity log were carried out and compared to the laboratory data, particularly in regard to the amount of the insoluble residue analysed quantitatively. The Lower and upper Ordovician strata of the TZ-162 well can be subdivided into two lithologic Units I - IX based on gamma ray log-shape analysis calibrated by local drilling cores and microfacies analysis. The lowermost Unit IX (96 m thick) is predominantly composed of mudstones and intraclastic wacke-packstones. It overlies a thin sequence of Upper Cambrian dolostones. The overlying Unit VIII (310 m thick) consists of pure mudstones and peloidal grainstones. Unit VII (240 m thick) and Unit VI (365 m thick) show a similar lithology, but lower gamma ray readings and less intercalation of thin dolomite beds. In general, a coarsening upwards development from mudstones to more packstones and grainstones is obvious. Unit V (95 m thick; no core available) might represent the weathered Middle Ordovician rocks also containing a diabase intercalation in comparison to the gamma log shape of the adjacent Zhong-1 well Biogenic constituents of the Lower Ordovician are minor amounts of brachiopods, ostracods, and fragments of echinoderms and dasycladaceans. The amount of dolomite intercalations and dolomitic limestones in general decreases upwards, reflecting a slight sea level rise resulting in normal marine conditions, as also indicated by the increasing amount and diversity of marine organisms. Locally even thin layers of oolitic limestones are intercalated, reflecting episodic deposition of high energy sediments. The Upper Ordovician strata of the TZ-162 well can be subdivided into two parts. The lower part (Units II to IV; 504 m thick) is similar to the Lower Ordovician and also reflects restricted environmental conditions. Unit V consists of grey brown microbial mudstones with some laminations and minor amounts of intercalated coarser grained calcarenites. Unit III (234 m thick) is characterized by mudstones, bioclastic wackestones and packstones with minor fossils including ostracods, gastropods and algal debris. Local birdseye structures indicate local peritidal environments. Unit II (136 m thick) reveals more biogenic allochems, such as foraminifera and mollusc debris, crinoids, echinoids, ostracods, and local bryozoans and corals. This indicates increasing full marine conditions resulting in higher diversity and increasing higher energy conditions. The topmost Unit I (103 m thick) was completely cored (core Nos 3-7). It is composed of grey, brownish grey and light grey limestones of moderate thickness (dm to 2 m; according to gamma ray intervals) and also reveals massive unbedded sections. The gamma ray logs reflect a significant coarsening upwards development. Biogenic allochems are mainly algae, corals, stromatoporoids, bryozoans and other similar components as described in Unit II. Furthermore, matrix-rich limestones with large microbial-girvanella oncoids are intercalated with local numerous peloids. Unit I indicates a well developed reefal structure located at the platform margin, as documented by seismic sections and the position of the TZ-162 well. By contrast, the Upper Cambrian limestones in the Western Hills indicate a low energy ramp position with predominant sedimentation of mudstones and wackestones. Nine microfacies and three subfacies are interpreted according to ramp microfacies classification. The outer ramp (RMF-1, 2 and 3) shows low water energy deposits in deeper water with a very low sedimentation rate. Mudstones and slightly laminated mudstones occur predominantly. In the mid ramp (RMF-9, 10 and 11) storm events markedly influenced the sediments deposited at a moderate water depth, resulting in the formation of crushed laminated mudstones, bamboo leaf-like or cloudy-like conglomerates with imbricate structures. Locally trilobite shell fragments are common along with molluscs and ostracods. In the inner ramp (RMF-19, 24 and 25) sediments with only traces of microfossils were deposited, probably because of the slightly higher salinity. Furthermore, dolomite is most common in these sediments. This facies only occurs in the lowermost Fengshan Formation and probably already reflects the uppermost part of the underlying Changshan Formation. The different types of stylolites which commonly occur in both areas analysed are classified based on the microscopic analysis in four structural types (stylolaminar, stylobedded, stylonodular, stylomottled, and stylobreccoid). In the topmost reefal part of the Upper Ordovician of TZ-162 well, higher amplitude stylolites and nodular and breccoid stylolite fabrics prevail. In the Lower Ordovician beds of the TZ-162 well and in the Upper Cambrian carbonate rocks of the Western Hills, low amplitude stylolites and laminated and hummocky stylolite textures dominate. The development of stylolites and types of stylolites in both locations is highly controlled by the primary depositional limestone facies types and the different burial histories. The Ordovician beds buried at a depth of 5000 m - 6000 m probably suffered a longer and more intensive pressure solution history than the Upper Cambrian beds in the Western Hills, which were buried at a maximum depth of 4000 m. This longer burial history and a stronger mechanical and chemical compaction lead to more mature stylolites. The different primary facies cause different stylolite textures. Larger grains, such as biogenic fragments of stromatoporoids, corals, other bioclastic allochems (trilobites, molluscs, echinoids), and micritic matrix form so-called “iden”, which all have specific pressure solution stability as defined by LOGAN & SEMENIUK (1975). The insoluble residue was accumulated around those more stable allochems as stylolite-seams with low amplitude stylolites or as high-amplitude stylolites when primarily large grains were floating in micrite. In the Western Hills, the Cambrian mudstones, nearly barren of fossils, were dissolved homogeneously under the uniform conditions of compaction and formed stylobedded and stylolaminated fabrics as well as thin stylolitic clay flasers. Where flat pebble conglomerates occur, stylonodular and stylomottled fabrics are formed. The clay content of the selected intervals in the TZ-162 well is calculated by the gamma ray and resistivity logs. In the primary limestones the amount of insoluble residue coincides with the water energy in the environment and the detrital input by suspension load. But this correlation between logging results and microscopic analysis has large problems, as shown in the recent examples. In general the gamma ray logging curve should correspond to a specific lithology. But after the alterations by burial pressure solution processes and local enrichment of insoluble residues in different types of stylolites, misinterpretations may arise. A high gamma ray reading can not be used for differentiating between a clay enrichment by stylolites and a mudstone rich in clays. It has to be calibrated by microscopic analysis on core material. Furthermore, because of the errors during measurements of wireline logs and the calculation of the clay content, the cores of exploration wells should be studied using both macroscopic and microscopic scales as a standard analysis. Analyzing well data in this way can even be used for calibrating the depth of drilling cores in relation to the depth data of the gamma ray curve, as shown in the example of the Moosburg SC4 well. There a vertical shift of the position of the core material between 30 cm to 90 cm in comparison to the gamma log depth was documented. These different depth corrections are also caused by parts of cores sometimes missing in each core box. Only by using this combined method can a gamma ray log interpretation (log shape, amount of clay) be carried out and correlated with the real logging data. Das Tarim Becken in NW-China ist das zweitgrößte KW-Explorationsgebiet in China. Paläozoische Speichergesteine (Devon, Ordovizium, Kambrium) stellen in einer Teufe von 5000 – 6000 m die wichtigsten KW-Speichergesteine, wobei ordovizische Karbonatgesteine zurzeit von besonderem Interesse sind. Doch bedingen die große Versenkungsteufe und eine tektonisch komplexe Entwicklung große Probleme bei der KW-Exploration und -Produktion. Im Gegensatz zu kambrischem Dolomit, der häufig untersucht wurde, herrschen im Ordovizium Kalksteine vor, von denen bisher nur wenige Daten zur faziellen Entwicklung veröffentlicht wurden. Die Bohrung TZ-162 (Tazhong Gebiet, Tarim Becken) bietet eine sehr gute Möglichkeit die fazielle Entwicklung der ordovizischen Abfolge, die hier mit 1700 m Mächtigkeit vorliegt, zu untersuchen. Aufgrund einer deutlichen Diskonformität fehlen die Schichten des Mittleren Ordoviziums wahrscheinlich in diesem Gebiet. Die Faziesanalyse der Karbonatgesteine des Unteren und Oberen Ordovziums ist das vorrangige Ziel der vorliegenden Untersuchungen. Das Vorkommen zahlreicher Stylolithe, die in Abhängigkeit von den primärfaziellen Karbonatgesteinen unterschiedlich ausgebildet sind, stellen ein weiteres Ziel dar. Zahlreichen Stylolithe in Mudstones mit Lagen von flat-pebble Konglomeraten der oberkambrischen Fengshan Formation (etwa 100 m Mächtigkeit) wurden hinsichtlich des Zusammenhanges ihrer Bildung mit dem Anteil an Nichtkarbonaten (HCl-Unlösliches) in den primären Kalksteine untersucht. Im Gegensatz zu den ordovizischen Karbonaten (5000 – 6000 m Teufe) wurden diese Karbonatgesteine nur bis in etwa 4000 m versenkt. Daraus ergeben sich Hinweise zum Zeitfaktor der Versenkung, der neben den primären Faziestypen die Bildung von Stylolithen beeinflusst. Die Untersuchungen basieren überwiegend auf der mikroskopischen Faziesanalyse von 150 Dünnschliffen. Darüber hinaus erfolgte die makroskopische Untersuchung der kambrischen Karbonatgesteine im Aufschluss in den Western Hills bei Peking. Die Gehalte an unlöslichem Rückstand (Nichtkarbonate) wurden gasometrisch ermittelt. Von ausgewählten Proben wurden die pauschale mineralogische und die tonmineralogische Zusammensetzung röntgenographisch ermittelt. Bohrlochmessungen (Log-Shape Analyse) wurden zur Definition mächtiger (bis 370 m) lithologischer Einheiten unter Berücksichtigung der faziellen und mineralogischen Daten der Einzelproben herangezogen. Diese Daten führen zu einer kombinierten Fazies-Log-Analyse, in der die punktuelle Information aus lokalen Bohrkernen auf mächtige Einheiten übertragen werden kann. Dabei zeigte sich, dass Stylolithen und die damit verbundene Anreicherungen von Tonmineralen von erheblichem Einfluss auf das Gamma Log sind und somit die Log-Shape-Analyse verfälschen können. Hierbei wurde der Gehalt an Tonmineralen vom Gamma- und Widerstandslog errechnet und mit den im Labor quantitativ ermittelten Werten in Beziehung gesetzt. Die Karbonatgesteine des Unteren und Mittleren Ordoviziums in der Bohrung TZ-162 können aufgrund der Gamma-Log-Shape Analyse und der repräsentativen mikrofaziellen Daten aus Bohrkernen in neun lithologische Einheiten unterteilt werden. Die liegende Einheit IX (96 m) besteht überwiegend aus Mudstones und Intraklast-Wackestones und überlagert kambrischen Dolomit. Die hangende Einheit VII (310 m) besteht aus reinen Mudstones und Peloid-Grainstones. Einheit VII (240 m) und Einheit VI (365 m) weisen ähnliche Lithololgie aber geringere Gamma Strahlung und weniger Dolomit-Einschaltungen auf. Generell kann eine Entwicklung von Mudstones zu Packstones und Grainstones vom Liegenden zum Hangenden festgestellt werde. Einheit V (95 m) besteht wahrscheinlich aus verwitterten Gesteinen des Mittleren Ordoviziums mit Einschaltungen von Diabas, wie aus Log-Korrelationen mit der benachbarten Bohrung Zhong-1 hervorgeht. Im Unteren Ordovizium treten nur wenige Brachiopoden, Ostrakoden und Bruchstücke von Echinodermen sowie vereinzelt Dasycladaceen auf. Generell nimmt der Anteil an Einschaltungen von Dolomit und dolomitischen Kalken zum Hangenden ab. Dies weist ebenso wie die zunehmende Menge und Diversität der Organismen auf normal marine Bedingungen hin. Lokale Einschaltungen von Ooid-Grainstones deuten auf episodische Sedimentation unter höherer Wasserenergie. Die Karbonatgesteinsfolge des Oberen Ordoviziums kann in zwei Bereiche unterteilt werden. Der untere Teil (Einheiten II bis IV; 504 m) ist den Sedimente des Unteren Ordoviziums ähnlich und zeigt restriktive marine Bedingungen an. Einheit III (234 m) weist Mudstones, bioclastische Wackestones and Packstones mit nur wenigen Fossilien auf (Ostrakoden, Gastropoden und Algenbruchstücke). Birdseyes weisen auf lokale intertidale Bedingungen hin. Einheit II (136 m) weist verstärkt biogene Komponenten auf (Foraminiferen, Mollusken, Crinoiden, Echinodemren, Ostrakoden und vereinzelt Breyozoen und Korallenbruchstücke) was zunehmend normal marine Bedingungen mit höherer Diversität anzeigt. Die hangende Einheit I (103 m) ist vollständig gekernt, besteht überwiegend aus massigen, ungeschichteten Kalken sowie geschichteten Einschaltungen von einigen dm bis zu 2 m Mächtigkeit (gemäß Gamm-log-Shape) und weist die interessante Entwicklung von riffogenen Strukturen auf. Die allgemeine „coarsening-upwards“ Entwicklung, die durch zum hangenden geringere Gammastrahlung dokumentiert ist, geht parallel mit einer Änderung zu größeren Individuen und Artenvielfalt einer normal marinen Fauna wie Algae, Korallen, Stromatoporen, Bryozoen neben anderen biogenen Komponenten wie bereits in Einheit II beschrieben. Matrix-reiche Kalke mit großen Girvanella-Onkoiden sind lokal eingeschaltet. Diese in Einheit I dokumentierte Riff-Struktur wurde am Plattformrand gebildet, wie auch aus der Position der Bohrung TZ-162 in seismischen Schnitten hervorgeht. Die Karbonatgesteine des Oberen Kambriums (Mudstones und Wackestones), die hinsichtlich der von der primären fazies abhängigen Ausbildung von Drucksuturen untersucht wurden, wurden dagegen auf einer Rampe mit geringer Wasserenergie abgelagert. Hier wurden neun Ramp-Mikrofaziestypen und drei Subfaziestypen in der oberkambrischen Fengshan Formation unterschieden. Auf der distalen Rampe (RMF-1, 2 und 3) wurden im tieferen Ablagerungsraum bei geringen Sedimentationsraten reine und schwach laminierte Mudstones unter niederenergetischen Bedingungen gebildet. Im Bereich der mittleren Rampe (RMF-9, 10 and 11) beeinflußten Stürme die Ablagerungen unter mittlerer Wassertiefe und führten zur Aufarbeitung von laminierten Mudstones und zu Flat-Pebble-Konglomeraten. Vereinzelt treten Trilobiten, Mollusken und Ostrakoden auf. Auf der proximalen, inneren Rampe (RMF-19, 24 und 25) kommen aufgrund der etwas höheren Salinität nur sehr wenige Mikrofossilien vor. Hier tritt auch verstärkt Dolomit auf. Die unterschiedlichen Typen an Stylolithen, die in beiden vergleichend untersuchten Abfolgen auftreten, werden aufgrund der mikroskopischen Analyse in fünf struturelle Typen klassifiziert (stylolaminar, stylobedded, stylonodular, stylomottled, und stylobreccoid). In den Schichten des unteren Ordoviziums (Bohrung TZ-162) und des Oberen Kambriums (Aufschluß Western Hills) treten vorwiegend Stylolithen mit geringer Amplitude sowie laminierte Drucksuturen mit leicht hügeliger Textur auf. Diese Bildungen sind in beiden untersuchten Bereichen durch die primäre Fazies (Mudstones, Wackestones) und die unterschiedliche Versenkungsgeschichte beeinflusst. Die ordovizischen Karbonatgesteine weisen verstärkt reife Stylolithen mit höherer Anreicherung von Nichtkarbonaten auf. Sie liegen in einer Teufe zwischen 5000 und 6000 m und haben wahrscheinlich eine längere und intensivere Drucklösungsentwicklung erfahren als die oberkambrischen Gesteine, diese sich heute an der Oberfläche befinden und nur bis etwa 4000 m versenkt worden sind. Die unterschiedlichen Faziestypen führen zu unterschiedlichen Stylolithen. Dabei bilden die verschiedenen biogenen Allocheme (Stromatoporen, Korallen, Trilobiten, Mollusken, Echinodermen) und die mikritische Matrix so-genannte „Iden“ mit unterschiedlicher relativer Drucklösungsresistenz. Die Nichtkarbonate werden um die Allocheme angereichert und bilden dort Drucklösungssäume mit geringer oder mit hoher Amplitude je nachdem ob die Allocheme in Matrix schwimmen oder ein Korn-gestütztes Gefüge bilden. In den kambrischen Mudstones, die fast frei von Fossilien sind, traten vorwiegend homogene, ungestörte flächenhafte Drucklösungsprozesse auf, was nur zu „stylobedded“ und „stylolaminated“ Strukturen führt. Nur wenn Flat-Pebble Konglomerate auftreten, entstehen „stylomottled“ Gefüge. In einem Beispiel wird der Tongehalt des hangenden riffogenen Bereichs des oberen Ordoviziums in der Bohrung TZ-162 auf der Basis der Gamma- und Widerstandmessungen errechnet. Im primären Kalkstein spiegelt der Gehalt an Nichtkarbonaten, der als Suspension in den Ablagerungsraum eingetragen wurde, die Wasserenergie wider, was auch die entsprechende Respons im Gamma Log haben sollte. Dieser Zusammenhang wird aber durch die Drucklösung und die Anreicherung von Nichtkarbonaten in Stylolithen zerstört, woraus sich fazielle Fehlinterpretationen ergeben können, wenn nur das Gamma Log herangezogen wird. Eine hohe Gamma Strahlung kann nicht als Kriterium für den primären Gehalt an Nichtkarbonaten verwendet werden. Nur eine Kalibrierung mittels mikroskopischer Untersuchungen an Kernmaterial im Vergleich zum Gamma Log kann dieses Problem lösen. Derartige Untersuchungen können auch für die Kalibrierung der Kernteufe im Vergleich zur Messteufe von Bohrlochmessungen verwendet werden, wie am Beispiel der Bohrung Moosburg SC4 dokumenteirt wird. Hier zeigt sich, dass die vertikale Teufendifferenz zwischen Kernteufe und Messteufe zwischen 30 cm und 90 cm beträgt, was auch durch kleine Kernverluste in den einzelnen Kernkisten bedingt ist. Nur die kombinierte Analyse von Gamma Log Interpretation, (Log Shape, Tongehalt) erlaubt die genauen Positionierung von Kernmaterial und damit die Übertragung von lokalen Messungen (Plugs, Porosität, Permeabilität) auf Bohrungsabschnitte. |
