塔河油田奧陶系巖溶塌陷體結(jié)構(gòu)識別及成因分析

李新華，康志宏，劉 潔，楊德彬，汪 彥,陳華鑫,賀 煜

(1.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國地質(zhì)地質(zhì)學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

受巖溶作用影響，塔河油田奧陶系碳酸鹽巖儲集空間包括溶洞、溶孔以及裂縫3種類型，其中溶洞為主要儲集空間[1-3]。在巖溶期和埋藏期，復(fù)雜的斷裂體系、上覆地層壓力、構(gòu)造殘丘的不斷抬升以及壓扭作用等因素，致使巖溶洞穴被擠壓而變形，隨著作用力的加大，洞穴內(nèi)巖石隨之崩潰，部分溶洞垮塌，并產(chǎn)生了很多角礫巖堆積于洞穴底部，儲集空間變小，后期暗河流經(jīng)塌陷體再次產(chǎn)生大量沉積物充填角礫巖間隙，儲集空間進(jìn)一步變小[4-5]。

巖溶洞穴垮塌是巖溶演化過程的重要組成部分，可以分為巖溶期的洞穴垮塌和深埋后的洞穴垮塌。巖溶期的垮塌較為常見，主要特點是地下洞穴演變?yōu)椤耙痪€天”、地塹、深切河谷和地表河流等巖溶地貌[6-7]。進(jìn)入埋藏以后，洞頂和洞壁處于由上覆地層產(chǎn)生的應(yīng)力作用下，在拱頂形成拉張洞壁產(chǎn)生剪切應(yīng)力作用[8]。隨著機械壓實作用的加強，結(jié)合洞頂和洞壁巖石不斷破裂，最終在其自身重力作用下產(chǎn)生垮塌，當(dāng)洞穴溶洞垮塌后，在洞頂和洞壁形成新的破裂角礫?？逅笏纬傻慕堑[巖化帶和裂縫帶要比原始通道更寬[9]，延展范圍更大，儲集體的面積和體積變大。

關(guān)于巖溶塌陷儲集體的研究，Lucia 等[10-14]基于露頭、巖心資料，利用探地雷達(dá)、地震屬性分析等手段，對特定地質(zhì)背景下發(fā)生的古巖溶塌陷進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。Loucks提出單個溶洞的演化歷史模型和洞穴聯(lián)合垮塌體假說，從近地表潛流帶中發(fā)育，然后在滲流帶中被改造，最后至埋藏期間經(jīng)歷機械壓實和重力垮塌等多個階段多種作用改造形成巖溶洞穴。王擁軍[15]、康志宏[16]、李文科[17]和丁曉琪[18]通過南堡、塔河、川中和大牛地油田研究，認(rèn)為古巖溶發(fā)育過程中，受構(gòu)造運動、風(fēng)化剝蝕、埋藏等作用，導(dǎo)致古洞穴塌陷，塌陷較為常見，且是一種重要的油氣儲集體。劉春成[19]提出：巖溶塌陷識別難度大，演化歷史復(fù)雜，目前的技術(shù)手段只能有效識別出巖溶塌陷柱。錢一雄[20]對比了表生巖溶和埋藏溶蝕的充填礦物(巖石)學(xué)—地球化學(xué)特征，提出了不同類型巖溶的主控因素。張寶民[21]認(rèn)為巖溶塌陷過程產(chǎn)生的大量非構(gòu)造裂縫對地震解釋和儲層預(yù)測具有重要意義。鄭興平[22]從巖石力學(xué)角度研究垮塌機制，認(rèn)為不存在一個統(tǒng)一的塌陷深度范圍。楊瑞召[23]和王光付[24]認(rèn)為巖溶洞穴具有明顯的串珠狀地震反射特征，巖溶塌陷表現(xiàn)為地震同相軸不連續(xù)，弱振幅和雜亂反射特征。Kernes[25]和 Loucks[26]提出了洞穴相的理想層序，認(rèn)為洞頂角礫相和下部垮塌相是有利儲層。

已證實多層洞穴垮塌構(gòu)成良好油氣儲層的實例是：西德克薩斯的雷恩縣31油田[27]以及得克薩斯Gaines縣和Yoakum縣埃米羅德油田[28]。依據(jù)“聯(lián)合垮塌古洞穴系統(tǒng)”假說，在塔河油田、南堡油田和大牛地油田等奧陶系，亦被認(rèn)為存在類似的巖溶塌陷。古巖溶洞穴系統(tǒng)是塔河油田重要的油氣儲層，塌陷體是有利的油氣儲集體之一。塔河油田的TK604、TK632、TK740和TK10346等井證實塌陷體有極高的油氣累積產(chǎn)量，具有勘探和開發(fā)潛力。由于塌陷是古巖溶洞穴的再改造，使本已十分復(fù)雜的縫洞系統(tǒng)更加難以預(yù)測，如何從現(xiàn)有的技術(shù)資料中識別再現(xiàn)塌陷結(jié)構(gòu)、控制要素、形成演化等，是認(rèn)識儲集體性能和預(yù)測開發(fā)規(guī)律的基礎(chǔ)。本文基于現(xiàn)有信息識別和再現(xiàn)塌陷體響應(yīng)特征，結(jié)合塌陷幾何結(jié)構(gòu)預(yù)測塌陷主形成期，探討塌陷體成因類型和儲油性，力求為同類型古洞穴碳酸鹽巖油藏開發(fā)挖潛和有效儲層預(yù)測提供幫助。

1 古巖溶塌陷的識別和特征

綜合前人對古洞穴塌陷的研究成果和認(rèn)識，古巖溶塌陷可定義為：巖溶形成的洞穴，由于多期的巖溶作用、上覆地層(包括碳酸鹽巖母巖和其上部巖溶作用結(jié)束后的新沉積層)負(fù)荷和斷裂作用等，造成溶洞垮塌和與之相應(yīng)地層變形及破碎，所形成的上部地層下凹(sag)呈“U”或“V”字形結(jié)構(gòu)和垮塌充填式沉積的組合樣式。根據(jù)其定義，對于古巖溶塌陷體研究，可以通過鉆井、巖心、地震、常規(guī)測井和FMI 成像測井等技術(shù)手段來識別和再現(xiàn)古巖溶塌陷的獨特響應(yīng)特征。

1.1 鉆井

對于碳酸鹽巖縫洞儲層，鉆井過程中重要的鑒別標(biāo)志是鉆井液漏失和鉆桿放空現(xiàn)象。根據(jù)孔隙體積守恒規(guī)律，古洞穴塌陷后，孔隙體積仍然存在，儲集體的面積和體積均有所增大[9]，垮塌作用導(dǎo)致原有洞穴被塌陷角礫巖充填，洞穴頂部和四周出現(xiàn)大量縫隙和裂紋角礫巖，塌陷體內(nèi)部巖溶洞穴減小。因此，放空、漏失(部分充填)或僅有漏失而無放空是古巖溶塌陷體的表現(xiàn)特征。對已發(fā)現(xiàn)的塌陷帶統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)[4]：塔河油田的T740井塌陷帶中，有3口井有明顯漏失；AD8井塌陷帶有4口井有明顯放空和漏失。

1.2 巖心特征

洞穴垮塌的主要產(chǎn)物是破裂的雜亂角礫和洞頂及洞壁裂紋化角礫(也稱縫隙角礫巖)，上覆地層應(yīng)力釋放洞頂、洞壁崩塌產(chǎn)生混雜角礫巖和鑲嵌角礫巖。崩塌包括塊狀塌陷、板狀塌陷和碎片塌陷。Loucks[26]根據(jù)洞穴內(nèi)的角礫巖、充填物類型和結(jié)構(gòu)特點，提出了裂紋角礫巖、雜亂角礫巖、洞穴沉積充填三個端元分類方案(圖1)。該分類中的“洞穴沉積充填”為早期洞穴被地下暗河機械沉積充填，屬于巖溶期后、洞穴垮塌之前的巖溶產(chǎn)物。與塌陷直接相關(guān)的巖溶產(chǎn)物應(yīng)該主要是裂紋、鑲嵌和混雜角礫巖。

圖1 巖溶角礫和洞穴沉積物類型的三端分類圖(Loucks R G，1999)Fig.1 Ternary classification diagram of karst breccia and cave deposits(Loucks R G，1999)

據(jù)不完全統(tǒng)計，在塔河油田奧陶系目的層的塌陷儲集體中，巖心發(fā)育垮塌角礫巖的井有27口井左右，通過對此類巖心觀察分析[4]，將垮塌角礫巖充填物的巖性分為：洞穴裂紋角礫巖、雜亂角礫巖、暗河沉積的砂礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖等。

原始的洞穴塌陷體，如果沒有后期的充填和再次成巖作用，由于巖石破碎，一般難以取出完整的巖心。在表層巖溶作用下的垮塌相帶(早期垮塌)形成的角礫巖，由于伴隨強水動力攜帶豐富砂泥物源對角礫裂隙進(jìn)行充填，后期再次膠結(jié)作用導(dǎo)致巖心較為完整。角礫之間的孔隙充填物分砂泥質(zhì)和方解石兩類，其中砂泥質(zhì)主要是由暗河攜帶的河流砂泥填積而成，由灰綠色灰色砂巖或泥質(zhì)砂巖、粉砂巖組成(圖2)。YQ16井以洞內(nèi)的砂泥質(zhì)支撐的雜亂角礫巖為主，基質(zhì)為砂巖和粉砂巖。AD8井第二回次取心，上部以裂紋角礫巖和雜亂角礫巖為主；下部為砂泥質(zhì)支撐的雜亂角礫巖，角礫分選差，泥質(zhì)成分較多。

圖2 古洞穴塌陷形成的角礫巖巖心照片F(xiàn)ig.2 Core photos of breccias from the paleocave collapse(a)和(b)為細(xì)-粗礫-泥質(zhì)等雜亂角礫巖，泥質(zhì)成分較多，基質(zhì)和填隙物均為泥巖；(c)左側(cè)為灰?guī)r角礫，基質(zhì)為泥巖，右側(cè)為灰?guī)r，之間為灰?guī)r與垮塌角礫的界限；(d)、(e)和(f)為裂紋角礫巖，主體以灰?guī)r為主，裂隙被泥質(zhì)充填，角礫呈棱角狀；(g)雜亂角礫巖，角礫分選差，大小混雜；(h)以裂紋角礫巖、灰?guī)r為主，裂隙被泥質(zhì)充填；(i)—(k)為基質(zhì)支撐的雜亂角礫巖，角礫分選差，泥質(zhì)成分較多

1.3 FMI成像測井

電成像測井(FMI)可以彌補鉆井取心的不連續(xù)和不完整(取心率低)等問題，在巖溶塌陷體識別上極為重要。由于其電阻率圖像具有巖石結(jié)構(gòu)的高分辨率特點，能較好地反映不同巖石和不同巖石結(jié)構(gòu)在電阻率上的差異，其圖像特征相當(dāng)于巖石結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。FMI電阻率成像可以直觀顯示井壁地層的細(xì)微變化[29]。成像測井對巖溶中的基巖(灰?guī)r)、洞穴和裂縫響應(yīng)特征極為明顯：溶洞表現(xiàn)為黑色條帶或塊狀分布;開啟縫表現(xiàn)為黑色的正弦曲線。利用FMI成像測井影像，再現(xiàn)有關(guān)的洞穴、垮塌角礫、裂縫及其組合關(guān)系是巖溶塌陷研究的重要技術(shù)手段之一。利用塔河油田已有FMI成像資料，戎易民[30]展示了TH301井巖溶垮塌成像和巖心特征，但該井在奧陶系頂面不存在“下凹”特征，不符合“古巖溶塌陷”的定義。結(jié)合地震解釋成果，具有成像資料的TK458H和TK604井鉆遇于奧陶系頂面 “下凹”塌陷區(qū)域，具備古巖溶塌陷特征，因此，這兩口井的FMI成像儲集體特征更能代表塌陷的成像標(biāo)志(圖3)。

圖3 TK604井古洞穴塌陷FMI成像測井響應(yīng)特征圖版Fig.3 FMI imaging logging response characteristics of paleocave collapse in well TK604(a)5 551～5 556 m，雜亂角礫巖，強烈的旋轉(zhuǎn)和位移為特征，角礫大小混雜，有基質(zhì)為砂泥碎屑，基質(zhì)支撐不規(guī)則的灰?guī)r角礫；(b)5 566～5 571 m，裂紋角礫巖，不規(guī)則的裂縫極為發(fā)育，巖石中輕微張開的裂縫分開了灰?guī)r角礫，單個角礫形態(tài)受控于裂縫分布；(c)5 596～5 601 m，巖溶洞穴內(nèi)部的雜亂角礫巖和沉積充填物，或溶洞內(nèi)雜亂角礫巖；(d)5 629～5 634 m，裂紋角礫巖與鑲嵌角礫巖的組合關(guān)系，其灰?guī)r角礫之間的裂縫位移和旋轉(zhuǎn)增大；(e)5 647～5 652 m，裂紋角礫巖-鑲嵌角礫巖-小型溶洞的組合關(guān)系

在成像測井上，巖溶塌陷體以廣泛發(fā)育的由洞穴裂紋角礫巖、鑲嵌角礫巖、雜亂角礫巖、碎屑巖支撐雜亂角礫巖、殘余孔洞及基質(zhì)支撐雜亂角礫巖等所構(gòu)成的雜亂結(jié)構(gòu)響應(yīng)為主。由于FMI成像圖像僅僅是對于溶洞或碎屑分布、礫巖結(jié)構(gòu)、裂縫形態(tài)及其相互的垂向組合特征有較好的展示，而對巖石類型、密度、儲集性、電性和儲集體類型等，還需要通過常規(guī)測井信息進(jìn)一步厘定。

1.4 常規(guī)測井

在常規(guī)測井上，巖溶洞穴和巖溶塌陷體差異較大，“巖溶洞穴”主要為洞穴空間及被相關(guān)外來物質(zhì)充填的洞穴內(nèi)衍生體，具有高伽馬-低電阻(砂、泥充填的響應(yīng)特征)以及高伽馬-高電阻(方解石充填響應(yīng)特征)。但“巖溶塌陷體”的測井響應(yīng)特征要更為復(fù)雜，并且類型多樣，從類型上塌陷包括多種巖石類型，如：裂紋角礫巖、鑲嵌角礫巖、溶洞內(nèi)雜亂角礫巖和溶洞及其沉積充填物。結(jié)合成像FMI的圖像和常規(guī)測井的電性等特征，能更加明確以裂紋角礫巖、混雜角礫、洞穴充填為三端元的巖溶角礫和洞穴沉積物類型的特點及差異。

碳酸鹽巖中洞穴的測井特征主要為高伽馬-低電阻，由于該層位富含高礦化度地層水，電阻率幅差較大，聲波時差等有一定的響應(yīng)。TK604井的5 534～5 566 m和5 581～5 614 m發(fā)育較為明顯的古洞穴(圖4)，厚度分別為32 m和33 m。結(jié)合FMI成像影像和高自然伽馬特征，洞穴內(nèi)存在砂泥質(zhì)的洞穴沉積物，如：5 534～5 540 m、5 544～5 550 m、5 557～5 562 m、5 580～5 596 m、5 601～5 604 m等。

洞穴內(nèi)發(fā)育垮塌后的雜亂角礫巖，與含砂泥質(zhì)的洞穴沉積物相比，其自然伽馬較低、電阻率微有變大和孔隙度變小的趨勢。

裂紋角礫巖和鑲嵌角礫巖在常規(guī)測井曲線上特征不明顯，尤其是裂紋角礫巖(圖4中5 568～5 570 m)。鑲嵌角礫巖自然伽馬與灰?guī)r背景相比，微有升高，呈齒狀；孔隙度測井的聲波曲線微有升高；電阻率介于基質(zhì)灰?guī)r與洞穴之間，深淺電阻率有幅差且呈齒狀，具有此測井特征的儲集體常常被認(rèn)為是裂縫孔洞型[31]，其巖石角礫極為不規(guī)則，自然伽馬和電阻率低值，且聲波曲線呈不規(guī)則齒狀，不屬于巖溶洞穴，而是后期構(gòu)造作用或巖溶洞穴塌陷波及而形成的裂紋角礫巖或鑲嵌角礫巖。

圖4 TK604井巖溶塌陷體常規(guī)測井響應(yīng)綜合柱狀圖Fig.4 Conventional well logs of the karst collapse interval in well TK604

1.5 地震響應(yīng)特征

隨著三維地震小面元采集，分辨率提高，相關(guān)巖溶儲集體逐漸顯現(xiàn)于地震反射之中，可從宏觀上反映巖溶洞穴塌陷儲層形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其與圍巖接觸關(guān)系。在三維地震精細(xì)解釋中，發(fā)現(xiàn)一系列地震剖面同相軸“下拉”、時間切片呈“環(huán)形和似環(huán)形”現(xiàn)象，也廣泛出現(xiàn)于國外含油氣盆地的碳酸鹽巖層系中，如西加拿大盆地泥盆系、密歇根盆地和阿帕拉契亞盆地的奧陶系(局部為志留系和泥盆系)等碳酸鹽巖層系[10]?？抵竞闧16]和楊瑞兆[23]等基于地質(zhì)模型進(jìn)行地震正演模擬結(jié)果表明：在地震反射特征上，巖溶塌陷體及其上覆地震同相軸具有明顯“下凹”(Sag)現(xiàn)象，塌陷主體伴隨 “串珠”狀的短軸強反射和雜亂反射特征，部分塌陷體邊界表現(xiàn) “串珠”和(或)同相軸錯位等反射特征。

根據(jù)地震剖面的反射特征識別巖溶塌陷體，首先，奧陶系頂面及其上部地層明顯“下凹”；其次，奧陶系內(nèi)部存在短軸強反射即“串珠”反射特征(圖5)。結(jié)合地震反射結(jié)構(gòu)和成因，塌陷成因類型可分為：表生巖溶塌陷、上覆地層負(fù)載塌陷和斷裂誘導(dǎo)塌陷。從地震剖面上看，洞穴塌陷主體部位巴楚組有明顯加厚特征，特別是表生巖溶塌陷(圖5中的(a)、(c)和(f))；塌陷作用常常以斷裂相伴生，從斷裂斷開層位分析，負(fù)載型斷開層位主要為巴楚組及其以下層位，斷裂型斷開層位較新，一般終止于卡拉沙依組以上地層。斷裂的繼承性活動較為明顯(圖5中的(b)、(e)和(f)繼承性斷裂)，該作用亦增加了裂紋和鑲嵌角礫巖發(fā)育，同時增加了儲集體的體積和連通性。

圖5 巖溶塌陷地震反射特征剖面圖Fig.5 Seismic reflection characteristics of karst collapse黃色層位為奧陶系碳酸鹽巖頂部地質(zhì)界面T74反射界面；其反射界面上部為石炭系下統(tǒng)巴楚組，厚度為50～60 m，該組下部為泥巖，是長期巖溶作用后的盆地范圍內(nèi)廣泛沉積層，具有填平補齊的特點；巴楚組上部為“雙峰灰?guī)r”，即兩套灰?guī)r夾一層泥巖。塌陷體T74反射界面及巴楚組明顯下凹，(a)、(c)、(f)巴楚組較兩側(cè)地層有加厚趨勢，說明塌陷形成早，為多期巖溶的后表生巖溶塌陷，塌陷體兩側(cè)存在串珠反射；(d)下凹地層波及至巴楚組以上的卡拉沙依組，說明塌陷變形時間較晚，為卡拉沙依組沉積后，地層負(fù)載作用，早期洞穴形成塌陷作用，塌陷體中部和兩側(cè)為串珠反射；(b)、(e)由于后期斷裂作用，斷層形成時間較晚，斷開層位較新

2 古巖溶塌陷體形成時間及演化

雖然巖心、成像和測井等能較為直觀地反映古洞穴的塌陷段特征，并為巖溶作用期次和巖溶產(chǎn)物的垂向結(jié)構(gòu)構(gòu)建提供了直接證據(jù)，但巖溶期次與塌陷期次是不同兩個概念，對于古洞穴塌陷期次或時間分析仍然存在一定的困難。Angela McDonnell[32]提出利用巖溶塌陷結(jié)構(gòu)的幾何特征確定塌陷形成時間，為地震反射特征確定塌陷演化提供了重要依據(jù)。該方法通過生長指數(shù)(EI)、垂向海拔變化(ΔZ)以及寬度(W)等參數(shù)定量評價古巖溶塌陷體的形成時間。EI為下降盤厚度b(古巖溶塌陷體內(nèi)部)與上升盤厚度a(邊界地層)的比值，EI最初應(yīng)用于生長斷層[31]，表征同沉積構(gòu)造斷裂兩側(cè)厚度的變化，在此用于計算分析古巖溶塌陷構(gòu)造的變形程度。ΔZ是古巖溶塌陷構(gòu)造某一時期塌陷中心與邊緣地層的海拔差。W是古巖溶塌陷構(gòu)造某一層沿特定方向的寬度，二者可以反映某一時期古巖溶塌陷構(gòu)造的變形大小。其它測量參數(shù)包括肩寬(Wsh)和內(nèi)凹陷寬度(Ws)，對了解凹陷特征很重要[33]，分別被稱為張力帶(T.Z.)和壓縮帶(C.Z.)，Ws是上覆巖層中塌陷形狀發(fā)生下凹變化主體區(qū)域；Wsh為從凹向凸轉(zhuǎn)折的拐點向外測量到地平線變平的點(圖6)。

圖6 塌陷體結(jié)構(gòu)測量參數(shù)簡圖(Angela，2007)Fig.6 Schematic diagram for the measured parameters of collapse structure (Angela,2007)ΔZ.垂向海拔變化；EI.生長(擴(kuò)張)指數(shù)=b/a；Wsh.外部寬度，凹陷上部地層拐點向外延伸至近乎水平時的寬度；Ws.凹陷內(nèi)部寬度，凹陷上部地層拐點間的水平寬度

研究區(qū)的區(qū)域傾角非常平緩，小于3°，因此測量沒有受到區(qū)域傾角的不利影響。選取7個巖溶塌陷結(jié)構(gòu)地震剖面作為樣本進(jìn)行分析(表1)。根據(jù)測量數(shù)據(jù)分布，編制生長指數(shù)與深度的交會圖等(圖7)，結(jié)合垂向深度變化與深度變化圖分析凹陷變形的時間，分析巖溶塌陷的演化史。

表1 塌陷結(jié)構(gòu)定量分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Quantitative analysis data of collapse structure

對測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)凹陷寬度(Ws)呈現(xiàn)總體向上變小的趨勢(圖7(a))，整體寬度從奧陶系頂面的540～650 m向上縮小至卡拉沙依組砂泥巖段的200～350 m，縮小度為37%～54%。在卡拉沙依組沉積時期，塌陷作用不再活躍，塌陷構(gòu)造最終定型于石炭紀(jì)晚期(圖7(c))。相反，肩寬(Wsh)向上呈增加的趨勢，從奧陶系頂面(T74)較狹窄的280～400 m，向上逐漸擴(kuò)大至卡拉沙依組的650～880 m(圖7(b))。受塌陷變形影響的地層下凹范圍為800～1 100 m。

圖7 塔河典型塌陷體結(jié)構(gòu)測量參數(shù)與深度交會圖Fig.7 Cross plot of measured parameters with depth of typical karst collapse in Tahe oilfield

上述參數(shù)說明塌陷體結(jié)構(gòu)的變化存在一定的規(guī)律性，其中內(nèi)側(cè)凹陷寬度的逐漸減小表明溶洞垮塌活動在石炭紀(jì)晚期逐漸停止，并隨著后期沉積充填作用的持續(xù)影響，塌陷體對其上部地層的影響逐漸變小，因此肩寬和總體寬度呈增加的趨勢。而垂直補償深度和生長指數(shù)兩個結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化規(guī)律表明：塌陷的形成具有多期次性，而在下巴楚泥巖段達(dá)到了塌陷作用的峰值。

3 古巖溶塌陷體結(jié)構(gòu)和主控因素討論

針對上述碳酸鹽巖塌陷儲集體塌陷主控因素，眾多學(xué)者開展了大量研究，基于露頭類比[9]、分析化驗[34]及地震屬性分析[35-39]等多種研究成果，提出了 3 種成因模式：古巖溶塌陷、熱液溶蝕塌陷以及斷層走滑-伸展作用引起的地層下陷，且后兩種模式往往同時發(fā)生，即現(xiàn)今的構(gòu)造-熱液白云石化模式[40]。塔河油田的塌陷成因類型主要為：上覆地層負(fù)載塌陷[4,9,41]、構(gòu)造運動[21,41]、(斷裂)誘導(dǎo)塌陷[4]、后期表生巖溶塌陷[4,36]和落水洞型[19]4種主要類型。

結(jié)合地震反射特征和鉆井揭示巖溶塌陷產(chǎn)物特征，構(gòu)建了塔河TK734-T615-TK730-TK632-TK602井塌陷體結(jié)構(gòu)連井地質(zhì)剖面實例(圖8)。TK734、T615、TK730、TK632和TK602井均發(fā)育溶蝕洞穴，總體可分為3～4個巖溶期次，保留的洞穴主要為泥質(zhì)充填型、砂巖充填型、砂泥充填型和垮塌角礫充填型，單層洞穴厚度為15～60 m。這些洞穴類型在地震和測井上容易識別，井震結(jié)合證實多期洞穴存在，過井地震(反演)剖面發(fā)育巖溶暗河帶，這些信息為塌陷形成研究奠定了基礎(chǔ)。

從TK734至TK602井之間存在3個具有T74層面及其上覆地層下凹的區(qū)域，依次分別為TK734-TK615井之間的1號塌陷體、TK615-TK730井之間的2號塌陷體和TK632井的3號塌陷體(圖8)。三個塌陷體的結(jié)構(gòu)、主控因素和儲集性能有所差異。

3.1 塌陷體1——早期(表生巖溶期)溶蝕塌陷

明顯特點是T74界面明顯下凹，該面的垂直補償深度(△Z)大，巴楚組下泥巖段厚度大，EI指數(shù)最大值位于巴楚組下泥巖段；奧陶系碳酸鹽巖各巖溶期的洞穴層呈下凹形態(tài)，單層洞穴厚度薄，三期巖溶帶斷續(xù)可見。

從EI指數(shù)和巴楚組下泥巖段厚度分析認(rèn)為：該塌陷體主要形成于巖溶作用晚期至石炭紀(jì)早期(巴楚組下泥巖段)。其形成過程分為三個階段：首先，隨著巖溶基準(zhǔn)面下降，從奧陶系碳酸鹽巖頂部開始，逐步形成第1、2、3和4期巖溶，這4期巖溶作用在T615井有極好的顯現(xiàn)[3、5]，構(gòu)成了不同特征的3～4個巖溶層；其次，在第3～4期巖溶作用形成之后，洞穴體積增大，第3～4期洞穴層上覆碳酸鹽巖負(fù)載導(dǎo)致洞穴垮塌，洞穴空間被塌陷角礫充填，上覆地層出現(xiàn)整體下凹；最后，海水再次侵入本區(qū)，沉積巴楚組下泥巖段，在本塌陷體頂部的下凹區(qū)域形成充填式沉積，厚度明顯大于周邊未塌陷區(qū)。

該類型從下至上多層洞穴垮塌嚴(yán)重，導(dǎo)致塌陷帶內(nèi)角礫巖發(fā)育，構(gòu)成了灰?guī)r基質(zhì)-裂縫-混雜角礫-泥質(zhì)支撐的混雜角礫復(fù)雜巖性組合。儲集體上下整體連通，具有一定的儲集性能，但容易溝通下部底水，后期常見水，并緩慢上升，如：TK734CH井，初期2007年產(chǎn)油68.2 t/d，含水10.57%，到2011年含水34%，2013年高含水99%。

3.2 塌陷體2——中期(早石炭世)負(fù)載塌陷

T74界面和石炭系均存在下凹現(xiàn)象，巴楚組下泥巖段厚度相對較大，EI指數(shù)最大值位于巴楚組下泥巖段；奧陶系碳酸鹽巖中各巖溶期次的洞穴層呈水平形態(tài)，第1期溶洞為單層洞穴，三期巖溶帶明顯，最下部溶洞為充填或充填程度低，頂部為砂巖充填，中部為泥質(zhì)支撐的混雜角礫復(fù)雜巖。與塌陷體1的差別在于：奧陶系內(nèi)部地層不具有變形下凹特征，石炭系整體有微弱下凹變形，內(nèi)凹陷寬度(Ws)逐漸變得寬緩。

根據(jù)上述特征，該類塌陷體主要塌陷位置在上部1～2期洞穴，塌陷時間為石炭系沉積開始。由于洞穴存在部分未充填的洞穴空間，石炭系沉積物負(fù)載導(dǎo)致上部洞穴塌陷。導(dǎo)致儲集體具有明顯的分層特征，且各層差異較大。如T615井區(qū)，深部洞穴為未充填洞穴，測井曲線上呈低自然伽馬；上部洞穴為混雜角礫-泥質(zhì)支撐的混雜角礫和砂巖充填物組成。上部儲集體由縫隙、雜亂角礫、富碎屑基質(zhì)支撐的雜亂角礫巖和洞穴沉積的石英砂巖組成，具有一定儲集性，相應(yīng)層位的T615及T615CX于本層初期產(chǎn)油分別為34.4 t/d和28.1 t/d，累積產(chǎn)油分別為2.05×104t和1.69×104t；下部儲層由縫隙、雜亂角礫和未充填的洞穴為主，T615CH井初期產(chǎn)油73.1 t/d，累積產(chǎn)油1.26×104t。

此類塌陷屬于埋藏后塌陷，其埋藏塌陷深度(H垮塌)受控于洞穴圍巖的抗彎強度(R)、洞穴尺度(L)及洞穴與風(fēng)化暴露面的距離(h)有關(guān)，即圍巖強度越大，洞穴尺度越小，洞穴距離風(fēng)化剝蝕面越深，洞穴越難垮塌，反之易發(fā)生垮塌現(xiàn)象。牛玉靜[4]根據(jù)巖石物理力學(xué)原理和巖石的抗彎強度推導(dǎo)出如下公式：H垮塌≈44.4R(h/L)2。并通過計算認(rèn)為：塔河油田古洞穴系統(tǒng)發(fā)育在T74頂面下150 m以內(nèi)的垮塌概率達(dá)到了76%，進(jìn)一步從力學(xué)機制上證實塔河油田該類塌陷是較為普遍存在的。

3.3 塌陷體3——晚期(海西晚期)斷控塌陷

該類型塌陷體奧陶系上覆地層同時發(fā)生變形，T74面與變形程度一致(圖8、圖5(b))；地震剖面上奧陶系呈現(xiàn)雜亂強反射；構(gòu)造變形在地震響應(yīng)中，主要表現(xiàn)為地層下凹，與之相鄰的上下地層均產(chǎn)生下凹，并未有任何的上覆地層加厚；伴隨明顯的斷裂發(fā)育，斷開石炭系層位(圖5(b)、(e)和(f))。

海西晚期，由于南天山洋閉合，塔北受南北向強大擠壓作用，研究區(qū)的北部雅克拉-輪臺斷裂帶抬升，遭受剝蝕，盡管本研究區(qū)構(gòu)造強度相對較弱，但隨著小面元的高分辨率三維采集，地震品質(zhì)提升，證實低幅度的下凹變形和小斷距走滑斷裂較為發(fā)育。斷裂在早期斷裂、古洞穴(包括落水洞)的基礎(chǔ)上再次活動和塌陷，構(gòu)成了海西晚期埋藏后的古溶洞塌陷，形成新的“縫隙、鑲嵌角礫巖、雜亂角礫和原始溶洞(或充填)”的塌陷結(jié)構(gòu)。

該類塌陷更加符合Loucks提出的“巖溶塌陷”[10]，如果多個古洞穴垮塌構(gòu)成一個“縫隙、鑲嵌角礫巖和雜亂角礫”組合體，亦即稱為“古聯(lián)合垮塌體”。此類塌陷的典型鉆井是TK604(圖3和圖4)和TK632井(圖8的塌陷體3)，與上面塌陷體1和2相比，晚期塌陷中的縫隙、鑲嵌角礫巖、雜亂角礫等沒有沉積時期砂泥質(zhì)等充填，儲集性能更好，如TK632井上部和下部洞穴塌陷層累積產(chǎn)油6.6×104t。

3.4 塌陷成因類型和結(jié)構(gòu)模式

依據(jù)上述鉆井、地震資料和地質(zhì)剖面解釋成果，按成因類型，將巖溶洞穴塌陷劃分為三類：溶蝕塌陷、負(fù)載塌陷、斷控塌陷(圖9)。

圖9 巖溶塌陷類型及結(jié)構(gòu)模式圖Fig.9 Karst collapse type and structure model diagram in Tahe oilfield(a)模式1溶蝕塌陷；(b)模式2負(fù)載塌陷；(c)模式3 斷控塌陷；地層符號：O1下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖，C1b1下石炭統(tǒng)巴楚組泥巖段，C1b2下石炭統(tǒng)巴楚組雙峰灰?guī)r段，C1k1下石炭統(tǒng)卡拉沙依砂泥巖段

模式1溶蝕塌陷型。塌陷形成于巖溶期，洞穴形成之后，由于地表巖溶的溶蝕作用進(jìn)一步加強，溶蝕體積擴(kuò)大，導(dǎo)致早期洞穴頂部抗壓能力變低，洞頂巖石出現(xiàn)破碎和垮塌，崩落于洞穴底部。同時流動水流攜帶大量泥沙進(jìn)一步充填洞穴，形成以砂泥質(zhì)碎屑支撐的基質(zhì)混雜角礫巖。洞頂呈現(xiàn)下凹特征，原始洞穴周緣發(fā)育受塌陷擾動的裂紋角礫(圖9中蘋果綠色部分)。上覆地層巴楚組下泥巖段為填平補齊充填式沉積，塌陷頂部的石炭系底部巴楚組泥巖明顯厚度增大。稱該類型的塌陷為“早期”(或巖溶期)塌陷，包括落水洞型塌陷均屬于該類型。此類塌陷，砂泥質(zhì)充填較為嚴(yán)重，有效孔隙低，不利于油氣儲集。有利的儲集部位主要集中于洞穴周緣受塌陷擾動裂紋巖帶。

模型2負(fù)載塌陷型。塌陷形成于巖溶期之后，巖溶洞穴接受上覆地層沉積壓實之后，由于上部地層的負(fù)載作用大于洞穴頂部的巖石的抗壓強度，當(dāng)超過洞穴的支撐能力時，洞穴則出現(xiàn)塌陷，并在洞底產(chǎn)生堆積物。溶洞主體充填物以鑲嵌-混雜角礫巖為主，洞穴周緣發(fā)育受塌陷擾動的裂紋角礫(圖9中蘋果綠色部分)。塌陷作用導(dǎo)致上覆石炭系變形下凹，石炭系卡拉沙依組厚度增大，通過地震剖面上的地層增厚層位，可以進(jìn)一步分析其塌陷期，即后期沉積物會產(chǎn)生“填平補齊”特征。與模式1相比，砂泥質(zhì)充填主要集中于原始洞穴底部(溶洞內(nèi)沉積充填形成的泥沙)，但其上部洞穴塌陷體中的裂紋-鑲嵌-混雜角礫巖系列，仍存在有效的儲集空間。

模式3斷控塌陷型。塌陷形成于海西晚期及其之后，斷層作用是塌陷的主誘導(dǎo)因素。斷裂構(gòu)造使原裂縫數(shù)量和規(guī)模不斷增加，巖石的抗壓強度變低而導(dǎo)致原洞穴塌陷。沿斷裂帶發(fā)育大量裂紋和混雜角礫巖，該角礫堆積于洞穴底部，形成受斷裂控制的洞穴垮塌體和溶洞帶。目前鉆探證實，此類塌陷有效孔隙發(fā)育，是油氣開發(fā)有利的潛力目標(biāo)區(qū)。

4 結(jié) 論

(1)基于研究區(qū)鉆井和測井，解釋了巖溶塌陷體裂紋角礫巖、鑲嵌角礫巖、混雜角礫巖和溶洞及其沉積充填物等獨特的響應(yīng)特征；巖溶塌陷具有頂部地層地震同相軸“下凹”和伴隨“串珠”—雜亂狀反射的結(jié)構(gòu)特征；塌陷形成具有多期次性，在下巴楚泥巖段達(dá)到峰值。

(2)從連井地質(zhì)剖面實例分析認(rèn)為：古巖溶塌陷體結(jié)構(gòu)上可分為單層和多層洞穴的塌陷，多層洞穴的塌陷層位亦有差異；從塌陷的時間上可分為表生巖溶期、早石炭世和海西晚期；塌陷的主控因素包括巖溶作用、地層重力負(fù)載和構(gòu)造作用，三者的相互組合導(dǎo)致了古洞穴塌陷的復(fù)雜儲集體結(jié)構(gòu)。

(3)洞穴塌陷進(jìn)一步劃分為溶蝕塌陷、負(fù)載塌陷和斷控塌陷三種模式，后兩者屬于晚期塌陷，發(fā)育有效的儲集空間，油氣儲集條件較好，可作為油氣開發(fā)有利的潛力目標(biāo)區(qū)。