塔里木盆地塔河油田西部斜坡區(qū)中下奧陶統(tǒng)古巖溶洞穴發(fā)育特征

張長建，呂艷萍，張振哲

中國石化 西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830011

塔里木盆地塔河油田中下奧陶統(tǒng)發(fā)育巖溶縫洞型儲集體，其油氣資源豐富[1-2]。前人針對塔河油田中下奧陶統(tǒng)古巖溶的研究成果豐碩，主要體現(xiàn)在：(1)厘清了中下奧陶統(tǒng)之上不同地層覆蓋區(qū)的主要古巖溶期次，即塔河南部上奧陶統(tǒng)覆蓋區(qū)主要為加里東中期Ⅰ幕和Ⅱ幕古巖溶作用，志留系覆蓋區(qū)為加里東中期Ⅲ幕古巖溶作用，泥盆系—石炭系覆蓋區(qū)主要為海西早期古巖溶作用[3-6]；(2)基于古巖溶的主要控制因素和縫洞發(fā)育機(jī)制研究，提出了塔河剝蝕區(qū)非承壓循環(huán)條件下的巖溶分帶洞穴發(fā)育模式以及上奧陶統(tǒng)覆蓋承壓條件下的“層控型巖溶”、“斷控型巖溶”發(fā)育模式[7-13]；(3)基于洞穴成因機(jī)理厘清了地下河洞穴的類型分類，塔河主體區(qū)基于縱向巖溶帶的識別劃分了落水洞、滲流洞、廳堂洞、干流洞、支流洞和末梢洞等巖溶洞穴類型[7]，依據(jù)地下河外部形態(tài)劃分為單支管道型、網(wǎng)絡(luò)狀管道型、迷宮狀巖溶管道型及分散孤立型等溶洞類型[3,8]。

隨著勘探開發(fā)的推進(jìn)，塔河油田西部斜坡區(qū)12區(qū)泥盆系覆蓋區(qū)中下奧陶統(tǒng)古巖溶縫洞體逐漸成為重要動用目標(biāo)[14-16]。西部斜坡區(qū)中下奧陶統(tǒng)巖溶作用以海西早期表生巖溶為主，其古水文地貌條件與塔河油田主體區(qū)巖溶高地、巖溶斜坡所處條件存在很大差異[17-18]。針對塔河油田海西早期深切曲流峽谷區(qū)的古水文地貌特征研究未開展，深切曲流峽谷區(qū)的洞穴成因、洞穴類型劃分及洞穴溶蝕差異性不清楚，控制洞穴泥質(zhì)充填的機(jī)制和因素不確定，以上制約了研究區(qū)巖溶縫洞型油藏的開發(fā)動用。

本文以塔河油田西部斜坡深切曲流區(qū)中下奧陶統(tǒng)古巖溶洞穴為研究對象，充分利用鉆井資料及各種地震屬性方法，刻畫該區(qū)的古構(gòu)造、古地貌、古水文及古巖溶洞穴的發(fā)育特征，還原古巖溶期喀斯特流域，劃分巖溶盆地深切曲流峽谷區(qū)古巖溶洞穴的類型，分析不同類型巖溶洞穴的充填概率，為該區(qū)的井位部署提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克庫勒凸起，是塔里木盆地典型的巖溶縫洞型油藏(圖1a)。研究區(qū)為阿克庫勒凸起與哈拉哈塘凹陷之間的西部斜坡區(qū)12區(qū)中東部(圖1b)，為目前塔河油田中下奧陶統(tǒng)的重要油氣產(chǎn)能建設(shè)陣地之一。塔河12區(qū)經(jīng)歷了加里東中期—海西早期多幕次構(gòu)造運(yùn)動，致使該區(qū)地層發(fā)育條件非常復(fù)雜[19]。研究區(qū)奧陶系缺失恰爾巴克組、良里塔格組和桑塔木組，中下奧陶統(tǒng)表現(xiàn)為由南向北具有上傾尖滅的特征[4](圖1c)；本區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂面覆蓋了泥盆系東河塘組和石炭系，區(qū)內(nèi)分布有東河塘組尖滅線，該尖滅線呈南北向延伸，與西部志留系尖滅線基本平行，向南延伸部分與上奧陶統(tǒng)尖滅線呈近直角相交(圖1b)。

圖1 塔河油田12區(qū)深切曲流峽谷區(qū)構(gòu)造位置及地層簡表

研究區(qū)中—下奧陶統(tǒng)頂面現(xiàn)今構(gòu)造東高西低，巖性主要為一套開闊臺地相泥晶灰?guī)r—顆?；?guī)r，從東向西方向呈現(xiàn)出一定的坡降特征，總體沿著中部曲流古河道流域發(fā)育較為平坦的單斜構(gòu)造形態(tài)。受多期構(gòu)造抬升運(yùn)動和暴露型表生巖溶作用，研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂部發(fā)育具有明顯地貌分異特征的巖溶地表—地下水文地貌結(jié)構(gòu)，是研究塔河泥盆系覆蓋區(qū)海西早期表生巖溶條件、巖溶儲層分區(qū)差異發(fā)育規(guī)律的有利區(qū)域。

2 中下奧陶統(tǒng)水文地貌特征

2.1 海西早期古地貌特征

圖2 塔河油田深切曲流區(qū)中下奧陶統(tǒng)巖溶古地貌和斷裂分布

2.2 古水文條件

2.2.1 地表古水系特征

塔河地區(qū)地表古水系恢復(fù)技術(shù)主要包括趨勢面、精細(xì)相干屬性以及混頻屬性等方法[8,14]。通過提取研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂部以下30 ms相干屬性圖(圖3a)、中下奧陶統(tǒng)頂面趨勢面分布圖(圖3b)和RGB(紅綠藍(lán)三色)混頻屬性圖(圖3c)，對海西早期巖溶地表古水系進(jìn)行了恢復(fù)及刻畫(圖3d)。

圖3 塔河油田深切曲流區(qū)中下奧陶統(tǒng)巖溶地表古水系平面分布

研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)巖溶地表水系可概括為以下四個方面的特征：

(1)可識別出1條主干水系(Rs1)和12條分支水系(Rs2—Rs13)。其中Rs2—Rs7為Rs1的北部分支水系，由北向南直接匯入峽谷；Rs8—Rs13為Rs1的南部分支水系，由南向北匯入峽谷，其中Rs8、Rs9、Rs10、Rs13間接通過暗河匯入峽谷，其他直接匯入峽谷。

(2)主干水系Rs1可分2段，上游段自東向西匯流，下游段自北向南匯流。蛇曲特征非常顯著，東西流向段的河曲帶彎曲率達(dá)到2.38，南北流向段的河曲帶彎曲率為1.87，局部單個河曲的彎曲率可達(dá)10.51。

(3)主干水系Rs1河谷橫斷表現(xiàn)為峽谷，以對稱型深而窄的“V”字形為主，其下切深大，谷壁陡峭，河谷寬300～400 m，下切深度100～150 m(圖4)。

圖4 塔河油田深切曲流區(qū)中下奧陶統(tǒng)地表水系橫剖面

(4)巖溶古水系橫剖面顯示，沿著水系的延伸方向，河床高程整體不穩(wěn)定，局部出現(xiàn)異常凸起地貌，表現(xiàn)為局部巖溶區(qū)域內(nèi)干涸或間歇性水流經(jīng)過的河谷和曲流丘(或離堆山)地貌，這類被廢棄的曲流段為深切曲流截彎取直后的產(chǎn)物[22]。從上述地表水系特征來看，研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)巖溶地表主干水系為典型的深切曲流，南、北分支地表水系向主干深切曲流匯流。

2.2.2 地下水系特征

強(qiáng)振幅異常、波阻抗屬性和RGB混相分頻等是識別奧陶系地下河形態(tài)和邊界的有效手段[8,17,23]。利用研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂面以下7～67 ms平均絕對振幅屬性(圖5a)、最小縱波阻抗屬性(圖5b)和混頻屬性(圖5c)，結(jié)合洞穴實鉆井標(biāo)定刻畫該井區(qū)地下河的平面分布結(jié)構(gòu)(圖5d)。從巖溶洞穴地震預(yù)測屬性圖可知，地表深切曲流對暗河的分布控制作用明顯，暗河洞道多分布于深切峽谷的兩岸區(qū)域，尤其以深切河曲的凸岸分布最為集中，其地形幅差大，有利于地下水排泄，也體現(xiàn)了深切曲流區(qū)峽谷強(qiáng)大的匯水能力。

圖5 塔河油田深切曲流區(qū)中下奧陶統(tǒng)古巖溶洞穴平面分布

3 中下奧陶統(tǒng)巖溶洞穴發(fā)育特征

3.1 鉆井巖溶洞穴特征

巖溶洞穴發(fā)育段的測井曲線響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為自然伽馬值增大、深淺側(cè)向電阻率降低、中子孔隙度和聲波孔隙度增大以及密度、孔隙度減小(圖6)，鉆時曲線顯示鉆時明顯減少，發(fā)生明顯放空以及鉆井液漏失[24-25]。結(jié)合鉆時參數(shù)、放空漏失以及測井響應(yīng)，研究區(qū)巖溶洞穴可劃分為未充填、部分充填和全充填3種類型[15,24]。

圖6 塔河油田深切曲流區(qū)中下奧陶統(tǒng)洞穴測井響應(yīng)特征

研究區(qū)實鉆井洞穴規(guī)模差異十分明顯。洞穴規(guī)模統(tǒng)計結(jié)果顯示，有37口實鉆井鉆遇到中下奧陶統(tǒng)洞穴，小于5 m和5～10 m的洞穴占比為91.9%，分別為26個和8個；10 m以上的洞穴占比為8.1%，僅有 3個。

洞穴發(fā)育深度主要集中在風(fēng)化殼之下0～90 m范圍內(nèi)。巖溶洞穴發(fā)育深度統(tǒng)計結(jié)果表明，中下奧陶統(tǒng)洞穴發(fā)育于不整合面以下0～30 m和30～60 m的總占比為81.2%，分別為14個和12個；分布于60～90 m和大于90 m范圍的總占比為18.8%，皆為3個。

洞穴泥質(zhì)充填程度較高。37口實鉆井中下奧陶統(tǒng)洞穴井段中，未被泥質(zhì)充填的井?dāng)?shù)為21個，總占比為56.8%；全充填洞穴井?dāng)?shù)為9個，占比為24.3%；部分充填井?dāng)?shù)為7個，總占比為18.9%。

3.2 地下河道地震響應(yīng)特征

針對塔河奧陶系碳酸鹽巖不同尺度縫洞儲集體的地震響應(yīng)特征，前人開展了大量數(shù)值正演研究，結(jié)果表明：當(dāng)縫洞體高度大于10 m時，地震剖面上表現(xiàn)為“串珠狀”強(qiáng)反射特征；當(dāng)縫洞體高度小于10 m時，地震剖面上表現(xiàn)為雜亂反射特征；當(dāng)縫洞體高度大于50 m時，依據(jù)鉆井標(biāo)定可進(jìn)行定量刻畫和體積計算[26]；地下河道一般對應(yīng)風(fēng)化殼之下的強(qiáng)波谷與波峰反射，沿地下河道走向的地震剖面表現(xiàn)為連續(xù)強(qiáng)反射特征，垂直地下河走向的地震剖面為“串珠狀”強(qiáng)反射特征[8]。

3.3 峽谷區(qū)巖溶洞穴分類特征

塔河油田深切曲流流域是完整的補(bǔ)給、徑流、排泄過程的巖溶水系統(tǒng)。地下水在剝蝕平臺區(qū)接受大氣降水入滲補(bǔ)給，地表水向地下迅速轉(zhuǎn)換形成大量地下洞穴，地表降水所具備的水力梯度由高勢巖溶平臺區(qū)指向低位峽谷。本文主要參考現(xiàn)代巖溶峽谷區(qū)的地下河洞穴分類[27]，將研究區(qū)地下河洞穴分為暗河型、伏流型、穿洞型、順河潛流型、滲流入流型等5種類型地下河洞穴(圖7)。

3.3.1 暗河型溶洞

暗河型溶洞指峽谷發(fā)育過程中受排泄基面控制形成的地下水位洞或淺潛流洞，洞道的延伸或走向總是指向主干地表排水網(wǎng)[27]。以TH12146井鉆遇的暗河型巖溶洞穴為例，本區(qū)暗河型溶洞特征為：(1)以深切曲流為中心，南北坡巖溶臺地的地表巖溶水進(jìn)入地下形成暗河，暗河走向多與深切河谷走向近乎直角相交，延伸長度多大于400 m，暗河入口多為地表季節(jié)性干谷，出口為深切曲流峽谷(圖8a，b)；(2)以泥盆系東河塘組尖滅線為界，暗河型洞道的發(fā)育規(guī)模、復(fù)雜程度存在明顯差異。東河塘組尖滅線以西的暗河型溶洞以單一管道洞穴分布于河谷兩側(cè)的巖溶臺地，東河塘組尖滅線以東的暗河型管道更為連續(xù)，呈現(xiàn)明顯的分支—主干樹枝狀特征(圖7)。

圖7 塔河油田深切曲流峽谷流域地下水系統(tǒng)

圖8 塔河油田中下奧陶統(tǒng)暗河型、伏流型洞穴地震響應(yīng)特征

3.3.2 伏流型溶洞

伏流型溶洞為發(fā)育在伏流段上有明顯進(jìn)水洞和出流洞口的溶洞，由河流的一段伏流形成[27]。本區(qū)典型主干伏流型溶洞位于AD8、AD8CH井區(qū)(圖6a，8c，8d)，其主要特征為：該段主干深切曲流遭地下河襲奪并進(jìn)一步退化為地表干谷(圖7)，上游地表河在TH121145井附近轉(zhuǎn)入地下河形成伏流，地下河在AD8井附近重新轉(zhuǎn)換為深切曲流河谷，伏流洞道上下游具有明顯的坡降，總延伸長度達(dá)到4 km；平面上，該伏流型洞穴與上伏地表干谷縱向上不重疊，并與北部4條分支暗河相接，表明該伏流段洞穴具有較大的巖溶水匯聚能力。

3.3.3 穿洞型溶洞

穿洞型溶洞為兩端開口并透光的殘留地下伏流或暗河洞，洞道短，僅有百余米[27]。TH121125井鉆遇穿洞型溶洞(圖9a，b)，其主要特征為：(1)從古水文地貌角度看，高彎曲率曲流的頸部由于深切曲流的側(cè)向侵蝕作用，水流截彎取直作用造成曲流頸的下部巖層貫穿形成穿洞，又可稱為天生橋或天然拱[22]；(2)TH121125井區(qū)的曲流頸部寬度僅為300 m左右，在中下奧陶統(tǒng)鷹山組頂面(6 071 m)之下鉆遇了62 m泥質(zhì)充填溶洞(6 083～6 145 m)(圖6c，9a，9b)，保留了僅12 m厚的“橋梁”；(3)穿洞型溶洞由于兩端開口并透光，易被碎屑巖物質(zhì)充填。受溶洞充填作用影響，TH121125井在鷹山組測試干層，未鉆獲工業(yè)油氣流。

圖9 塔河油田中下奧陶統(tǒng)穿洞型、順河潛流型及滲流入流型洞穴地震響應(yīng)特征

3.3.4 順河潛流型溶洞

順河潛流型溶洞僅存在于巖溶峽谷區(qū)，其溶洞延伸方向與峽谷平行，洞穴進(jìn)、出口在河谷同側(cè)，在水頭差作用下，基于最小阻力原理，上游的水流以最短的水力途徑穿過河床以下側(cè)岸的強(qiáng)透水帶，并在下游河谷區(qū)排泄，發(fā)育形成與原河谷平行的地下通道[27]。深切曲流具有天然的發(fā)育順河潛流型溶洞的優(yōu)勢，以TH12144井鉆遇的溶洞為例(圖6b，9c，9d)，其特征如下：受深切曲流的高曲率河曲地貌影響，流水會侵蝕曲流河谷坡腳上側(cè)，曲流河谷坡腳上側(cè)與下側(cè)的水流具有天然水頭差，尋求最短水力途徑的河水極易貫穿坡腳上下側(cè)，從而形成貫穿的順河潛流型溶洞；順河潛流型溶洞溶蝕能力強(qiáng)，洞穴空間大。TH12218井也屬于順河潛流型溶洞，酸壓改造溝通臨近的順河潛流型溶洞，累產(chǎn)超過40×104t，取得了很好的油氣開發(fā)成果。TH12144井鉆遇全充填溶洞(圖6b)，通過酸壓改造溝通周邊未充填洞穴，依舊可以取得較好的油氣成果。

3.3.5 滲流入流型溶洞

滲流入流型溶洞主要形成于滲流帶，為巖溶峽谷的兩側(cè)谷岸坡地帶的小型分支地表河潛入地下，自峽谷區(qū)排泄所形成的具有垂直滲流性質(zhì)的溶洞[27]。研究區(qū)深切曲流河谷兩側(cè)岸發(fā)育滲流入流型溶洞，以TH12134CX井和S104CX井為例(圖9e，f)，溶洞發(fā)育特征如下：(1)地震剖面及波阻抗反演屬性上可識別入流洞口和出口洞；(2)縱比降很大，地震曲線順溶洞剖面上表現(xiàn)為較高角度的階梯狀下行趨勢；(3)平面上溶洞延伸長度較短，多為200～400 m，緊臨峽谷，其走向多垂直于峽谷，流向指向峽谷；(4)TH12134CX井鉆遇的滲流入流型溶洞洞道較短，溶蝕程度較弱，油氣開發(fā)效果一般。

總體來說，深切曲流峽谷區(qū)不同類型地下河溶洞具有如下發(fā)育特征：

(1)以泥盆系東河塘組尖滅線為界，東河塘組覆蓋區(qū)地下河溶洞多表現(xiàn)為單支狀洞道，主要為滲流入流型和順流潛流型溶洞，東邊石炭系覆蓋區(qū)溶洞樹枝狀洞道增多，主要為暗河型、伏流型和順流潛流型溶洞。

(2)作為區(qū)域排泄基準(zhǔn)面的最低位，所有地下河洞穴排泄點(diǎn)基本都指向深切曲流，滲流入流型、暗河型溶洞的走向基本與曲流走向垂直，順流潛流型、穿洞型和伏流型溶洞的走向基本與曲流走向平行。

(3)深切曲流為順流潛流型、穿洞型溶洞提供天然有利水動力條件，順流潛流型溶洞多發(fā)育于深切曲流的河曲處，穿洞型溶洞發(fā)育于高彎曲率的河曲處。

(4)深切曲流峽谷區(qū)溶洞的發(fā)育規(guī)模存在明顯差異性，結(jié)合溶洞成因水動力條件及鉆井驗證，順流潛流型和伏流型溶洞的發(fā)育程度最高，洞道長，溶洞空間大，而滲流入流型溶洞的相對溶蝕強(qiáng)度低，延伸短，溶洞空間小。

(5)深切曲流河谷南北臺地巖溶洞穴的延伸方向受控于走滑斷裂。深切曲流北部選擇北北東向走滑斷裂發(fā)生溶蝕，地下洞道主要以北東—南西走向與主干峽谷匯流；而南坡則選擇北北西向走滑斷裂發(fā)生溶蝕，地下洞道主要以南東—北西走向與主干峽谷匯流；東部東西向斷裂有利于東西走向地下洞道的發(fā)育，東西、北北西和北北東向3個方向形成的網(wǎng)格狀斷裂系統(tǒng)進(jìn)一步促成樹枝狀地下河網(wǎng)絡(luò)的形成[8]。

3.4 溶洞充填性分布特征

依據(jù)鉆井鉆遇溶洞充填性及其對應(yīng)的溶洞類型(圖7)，溶洞充填性分布特征如下。

以泥盆系東河塘組尖滅線為界，東河塘組覆蓋區(qū)溶洞全泥質(zhì)充填的概率更高。東河塘組覆蓋區(qū)全充填溶洞為6個，東邊石炭系覆蓋區(qū)鷹山組全充填溶洞僅為3個，表明中下奧陶統(tǒng)上覆不同地層對鷹山組溶洞充填性有一定影響。

穿洞型溶洞和順河潛流型溶洞這類貫穿深切河曲的溶洞，更易被泥質(zhì)全充填。比如TH121125井屬于截彎取直后形成的天生橋下的穿洞型溶洞，橫向延伸距離短，兩端透光，極容易被泥質(zhì)充填；受深切曲流特殊巖溶水動力環(huán)境影響，研究區(qū)的順河潛流型溶洞出、入口洞道極為通暢，易被碎屑物灌入充填，TH12167、TH12144、TH12193X等井皆屬于順河潛流型全充填溶洞。

暗河型溶洞和滲流入流型溶洞這類垂直指向峽谷的溶洞，入口處的洞穴更易被泥質(zhì)充填。如TH12156井、TH12146井鉆遇樹枝狀暗河的分支入口洞穴，S104CX井、TH12153井鉆遇滲流入流型溶洞的入水口洞穴，皆表現(xiàn)為全充填和半充填特征。

4 中下奧陶統(tǒng)巖溶洞穴發(fā)育模式

深切峽谷作為巖溶水的主要排泄渠道，直接控制了巖溶洞穴的平面分布和走向——巖溶洞穴總體以峽谷為中心進(jìn)行匯流，形成了海西早期巖溶盆地深切曲流峽谷區(qū)中心匯流型巖溶洞穴模式(圖10)。該模式特點(diǎn)如下：(1)發(fā)育海西早期表生巖溶作用下的深切曲流喀斯特流域二元結(jié)構(gòu)(地表和地下)；(2)洞穴網(wǎng)絡(luò)主體發(fā)育于深切曲流峽谷區(qū)南北兩側(cè)的高地貌巖溶殘丘區(qū)，發(fā)育暗河型、伏流型、穿洞型、順河潛流型、滲流入流型等5種類型的地下河洞穴，洞穴巖溶水最終排泄到深切河谷中；(3)平面上，巖溶洞穴走向受控于走滑斷裂：曲流河谷北坡受控于北北東向走滑斷裂，南坡受控于北北西向走滑斷裂，東部受控于東西、北北東和北北西向斷裂組成的網(wǎng)格狀走滑斷裂體系。

圖10 塔河油田深切曲流區(qū)中下奧陶統(tǒng)洞穴發(fā)育模式

5 結(jié)論

(1)塔河深切曲流峽谷區(qū)中下奧陶統(tǒng)發(fā)育海西早期古喀斯特流域二元結(jié)構(gòu)：以峽谷—巖溶溶丘—洼地地貌單元為主，巖溶地表水系呈東西向匯流，分支水系發(fā)育，地下形成以深切曲流為排泄中心的洞穴系統(tǒng)。

(2)塔河深切曲流峽谷區(qū)中下奧陶統(tǒng)巖溶洞穴分為暗河型、伏流型、穿洞型、順河潛流型、滲流入流型等5種類型的地下河洞穴，鉆井溶洞主要分布在不整合面以下0～90 m，順流潛流型和伏流型溶洞的規(guī)模最大。

(3)貫穿深切河曲的穿洞型和順河潛流型溶洞，泥質(zhì)充填概率高，暗河型和滲流入流型溶洞的入口處易被泥質(zhì)充填。

(4)塔河深切曲流峽谷區(qū)中下奧陶統(tǒng)發(fā)育深切曲流峽谷區(qū)中心匯流型巖溶洞穴模式，洞穴的分布主要受控于深切曲流峽谷、巖溶殘丘及走滑斷裂。