張文博，金 強(qiáng)，徐守余，田 飛，崔健健

(中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266555)

塔北奧陶系露頭古溶洞充填特征及其油氣儲(chǔ)層意義

張文博，金 強(qiáng)，徐守余，田 飛，崔健健

(中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266555)

塔河油田是中國(guó)儲(chǔ)量規(guī)模最大的碳酸鹽巖巖溶縫洞型油藏，是1種極為特殊且復(fù)雜的油藏類(lèi)型。塔北柯坪—巴楚地區(qū)與塔河油區(qū)具有相似的地質(zhì)演化過(guò)程，奧陶系露頭廣泛發(fā)育古巖溶，溶洞被不同程度充填，充填物包括洞穴沉積物、垮塌角礫巖和化學(xué)充填物3種類(lèi)型，同一溶洞中可以出現(xiàn)2種或3種充填物組合，形成復(fù)合充填物。文中對(duì)該區(qū)溶洞砂泥質(zhì)沉積充填、垮塌角礫充填及化學(xué)充填特征進(jìn)行分析，探討溶洞的成因模式，從而指導(dǎo)塔河油田縫洞型儲(chǔ)層的充填物識(shí)別和充填過(guò)程研究，有助于查明該類(lèi)儲(chǔ)層的形成機(jī)制。

充填特征;儲(chǔ)層意義;古溶洞;奧陶系露頭;塔北地區(qū);塔河油田

引言

巖溶在地表—近地表和埋藏演化階段會(huì)發(fā)生反復(fù)的溶蝕和充填作用，形成充填程度、充填物類(lèi)型及組合特征各異的溶洞，當(dāng)作為油氣儲(chǔ)層時(shí)則會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間非均質(zhì)性，是1種極為特殊和復(fù)雜的儲(chǔ)層類(lèi)型［1］。塔河油田是中國(guó)儲(chǔ)量規(guī)模最大的碳酸鹽巖巖溶縫洞型油藏，溶洞充填特征的研究有助于查明該類(lèi)儲(chǔ)層的形成機(jī)制。塔里木盆地北部柯坪—巴楚地區(qū)廣泛出露奧陶系古溶洞，因與塔河奧陶系具有相似的地質(zhì)演化過(guò)程［2］，成為相似露頭古溶洞充填研究的重點(diǎn)區(qū)，研究點(diǎn)分布在沿314國(guó)道從柯坪向西至西克爾一帶，包括硫磺礦、硫磺溝、一間房、五道班和西克爾等地。近年來(lái)，有些學(xué)者開(kāi)始對(duì)該區(qū)溶洞充填特征進(jìn)行研究，劉偉認(rèn)為西克爾溶洞以沉積和化學(xué)充填為主［3］，牛永斌認(rèn)為硫磺溝和五道班地區(qū)存在鈣華沉積［4］，但對(duì)溶洞充填過(guò)程研究都不夠深入。本次研究的目的是查明露頭區(qū)溶洞充填程度、充填物類(lèi)型及組合等特征，探討溶洞充填模式，并與塔河典型溶洞充填特征進(jìn)行對(duì)比和應(yīng)用，指導(dǎo)塔河油田縫洞儲(chǔ)層的充填過(guò)程和形成機(jī)制研究。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于塔里木盆地北部的柯坪斷隆和巴楚隆起2大構(gòu)造單元，該區(qū)廣泛出露奧陶系，主要分布在314國(guó)道北側(cè)，南側(cè)少量分布。在柯坪斷隆呈多排山系向南—南東方向發(fā)展，在巴楚隆起西北部呈不連續(xù)點(diǎn)狀分布，出現(xiàn)在隆起高部位［5］。

柯坪—巴楚地區(qū)奧陶系以層厚質(zhì)純的碳酸鹽巖為主，分為下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組、中—下奧陶統(tǒng)鷹山組、中奧陶統(tǒng)一間房組、上奧陶統(tǒng)吐木休克組(塔河地區(qū)稱(chēng)恰爾巴克組)、良里塔格組和桑塔木組［6］。研究區(qū)在加里東中期、海西早期和海西晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期間都發(fā)生過(guò)巖溶作用，其中以海西早期最為強(qiáng)烈，溶蝕縫洞廣泛發(fā)育，鷹山組和一間房組為主要發(fā)育層位。燕山晚期前，柯坪—巴楚地區(qū)與塔河油區(qū)地質(zhì)演化過(guò)程較相似，不同點(diǎn)是，燕山晚期后柯坪—巴楚地區(qū)急劇抬升形成露頭，而塔河油區(qū)奧陶系深埋地下形成優(yōu)質(zhì)油氣儲(chǔ)層。

2 古溶洞充填物類(lèi)型及充填程度

2.1 古溶洞充填物類(lèi)型

2.1.1 洞穴沉積物

研究區(qū)存在砂泥巖和礫巖2種洞穴沉積物。硫磺3號(hào)溝發(fā)育大型砂泥巖充填溶洞，高約為5 m，寬約為4.2 m。洞內(nèi)灰綠色泥質(zhì)粉砂巖與棕黃色砂質(zhì)泥巖互層。沉積物顆粒較細(xì)，反映沉積時(shí)暗河水流強(qiáng)度不大。砂泥巖層彎曲變形，傾角約為20～50°，推測(cè)是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致巖層產(chǎn)狀發(fā)生變化。砂泥巖層上部和下部還存在垮塌角礫巖，也能導(dǎo)致砂泥巖層變形。

研究區(qū)五道班1號(hào)溝發(fā)育礫巖充填溶洞，高約為1.8 m，寬約為2 m。礫石為灰?guī)r，大小約為2～15 cm，屬于溶洞垮塌碎屑，礫石間泥質(zhì)－鈣質(zhì)膠結(jié)。礫石磨圓較好，分選較差，反映出該充填物是經(jīng)流水長(zhǎng)期搬運(yùn)，在某區(qū)沉積、再次搬運(yùn)后，又快速沉積而形成的。

2.1.2 垮塌角礫巖

溶洞在地表—近地表和埋藏過(guò)程中都會(huì)因重力作用發(fā)生垮塌而原地堆積形成角礫巖，沒(méi)有經(jīng)過(guò)流水搬運(yùn)而無(wú)分選和磨圓，角礫大小不一，形狀不規(guī)則，棱角明顯。溶洞垮塌主要取決于溶洞規(guī)模、幾何形態(tài)、洞頂巖層性質(zhì)和裂縫發(fā)育狀況等因素。

硫磺4號(hào)溝存在1個(gè)十分典型的垮塌角礫巖充填溶洞，高約為4.7 m，寬約為8 m。角礫巖大小從幾厘米至1.5 m，混雜分布，無(wú)分選和磨圓，角礫巖與圍巖巖性一致，經(jīng)推斷認(rèn)為是溶洞垮塌原地充填，沒(méi)有經(jīng)過(guò)流水搬運(yùn)，角礫巖間泥質(zhì)－鈣質(zhì)膠結(jié)，但還不能完全確定該溶洞垮塌于地表或埋藏階段。

由于角礫間隙較多，垮塌作用可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)擴(kuò)大原始溶洞體積，Loucks利用物質(zhì)平衡關(guān)系推算認(rèn)為溶洞垮塌后角礫巖化帶半徑可以是原始溶洞的4倍以上［1］。另外，垮塌也可以造成溶洞周?chē)牧芽p廣泛發(fā)育，甚至在洞頂產(chǎn)生小規(guī)模斷層。如一間房南7 km南支溝的1個(gè)垮塌溶洞，洞內(nèi)角礫巖因開(kāi)采螢石而被破壞，只在洞頂發(fā)育小規(guī)模斷層，巖層發(fā)生彎曲變形，斷層帶內(nèi)部充填角礫等碎屑物質(zhì)，這是溶洞垮塌的標(biāo)志。

2.1.3 化學(xué)充填物

當(dāng)含碳酸或其他酸類(lèi)的飽和水溶液流經(jīng)溶洞或裂縫時(shí)，因溫度、壓力或其他條件發(fā)生變化，溶液內(nèi)氣體散失便會(huì)發(fā)生化學(xué)物質(zhì)沉淀，形成溶洞化學(xué)充填物。研究區(qū)溶洞化學(xué)充填現(xiàn)象十分普遍，包括方解石、石膏、硫磺和螢石等類(lèi)型。

硫磺礦和硫磺溝地區(qū)化學(xué)充填物類(lèi)型一致，以方解石、石膏和硫磺為主。硫磺4號(hào)溝入口處發(fā)育5層溶洞，高約為1.5～2.0 m，寬約為1.5～2.5 m，分為單支管道型和多支管道型。因開(kāi)采硫磺，方解石、石膏和硫磺只在洞頂和洞壁少量殘留。方解石因發(fā)生氧化普遍呈棕紅色;石膏為灰白色，呈塊狀，沒(méi)有明顯的解理;硫磺呈黃色，與石膏混雜分布。其中，方解石可能是巖溶期形成，石膏和硫磺可能與熱液作用相關(guān)。

一間房和西克爾地區(qū)化學(xué)充填特征相似，以方解石和螢石為主。在一間房南7 km南支溝發(fā)育5層大型溶洞，以第4層溶洞規(guī)模最大，寬約為10 m，高約為4 m，屬?gòu)d堂型溶洞，其他各層溶洞規(guī)模相對(duì)較小，屬廊道型，可見(jiàn)明顯的分支現(xiàn)象。各層溶洞之間裂縫十分發(fā)育，連接各層溶洞，裂縫局部擴(kuò)大形成小型洞，一般小于0.5 m，被巨晶方解石全部充填。螢石也十分發(fā)育，呈紫色與方解石混雜分布。

張興陽(yáng)認(rèn)為西克爾地區(qū)螢石屬熱液成因，成礦熱液是加熱的大氣淡水［7］;饒紅娟通過(guò)分析螢石微量元素和稀土元素也認(rèn)為其是熱液成因，而成礦流體來(lái)自于下伏寒武系的加熱盆地鹵水［8］。因此，該區(qū)螢石成因還存在認(rèn)識(shí)矛盾，需要進(jìn)一步分析。

五道班地區(qū)廣泛發(fā)育方解石充填洞，1號(hào)溝、2號(hào)溝和6號(hào)溝均有分布。該類(lèi)溶洞呈半橢圓形，延伸幾米至幾十米，全部為方解石充填。以6號(hào)溝為例進(jìn)行分析，該洞高約為3.8 m，長(zhǎng)約為20 m，沒(méi)有典型的溶洞形態(tài)，洞穴不切割周?chē)貙佣槍影l(fā)育。洞頂發(fā)育多層黑色白云巖化巖層，認(rèn)為是變質(zhì)作用所致，距洞頂越遠(yuǎn)顏色越淺，表明變質(zhì)作用越弱。另外，洞頂各巖層間充填方解石，方解石厚約為10～30 cm。由于該區(qū)逆沖斷層十分發(fā)育，推斷洞穴可能不是巖溶成因，而與逆沖斷層的推覆作用有關(guān)。其中，洞頂面為主推覆面，推覆作用導(dǎo)致巖層變質(zhì)發(fā)黑，距主推覆面越遠(yuǎn)變質(zhì)作用越弱。另外，推覆作用導(dǎo)致巖層滑脫形成順層縫、洞，主推覆面之下規(guī)模最大，而順層縫、洞充填方解石可能與推覆過(guò)程中的熱液作用相關(guān)。

2.2 古溶洞充填程度

研究區(qū)因開(kāi)采硫磺或螢石礦導(dǎo)致溶洞多被破壞成空洞，溶洞原始形態(tài)及充填程度只能通過(guò)洞緣殘余物來(lái)推斷。根據(jù)充填程度將溶洞分成3種類(lèi)型:全充填型、半充填型和未充填型。

絕大部分溶洞屬于充填型，充填特征前已述及。半充填型溶洞數(shù)量較少，在一間房南7 km發(fā)現(xiàn)1個(gè)半充填廊道型溶洞，在洞頂和洞底發(fā)育少量角礫、方解石和石膏。洞穴口高約為4 m，寬約為1.2 m，但是洞穴內(nèi)部規(guī)模不斷變化，黃成毅研究認(rèn)為該洞穴延伸約為80 m，高約為0.5～8.0 m，寬約為0.5～2.0 m，不同位置洞穴橫截面具有不同的形態(tài)［9］。未充填溶洞規(guī)模較小，在硫磺4號(hào)溝多有發(fā)現(xiàn)，為地下河小型管道或裂縫溶蝕擴(kuò)大形成，此類(lèi)洞穴數(shù)量也較少。

3 古溶洞充填模式

研究區(qū)只發(fā)育1種類(lèi)型充填物的溶洞并不多見(jiàn)，多種充填物充填的溶洞占大多數(shù)，存在多個(gè)類(lèi)型的充填物組合，反映不同的充填模式。因此，該區(qū)主要存在2種溶洞復(fù)合充填模式。

(1)洞穴沉積物－垮塌角礫巖充填模式。洞穴沉積物和垮塌角礫巖可以分布在溶洞任何部位，互層或混雜分布。硫磺3號(hào)溝入口處大型溶洞即為該類(lèi)充填物組合，其溶洞充填模式是:充填物一般形成于溶洞地表—近地表發(fā)育階段，砂泥巖為暗河沉積，同時(shí)溶洞因重力作用發(fā)生垮塌形成角礫巖，巖溶期或埋藏階段化學(xué)充填現(xiàn)象不明顯(圖1)。

(2)洞穴沉積物－化學(xué)充填物充填模式。該類(lèi)組合在各研究點(diǎn)均有發(fā)育。洞穴沉積物很薄，一般小于20 cm，分布在溶洞頂部或底部?；瘜W(xué)充填物分布在任何部位，又可分成2種組合:①方解石－石膏－硫磺組合，該類(lèi)組合在硫磺礦和硫磺溝地區(qū)分布，3種礦物在溶洞及周緣裂縫內(nèi)混雜分布，石膏和硫磺可能是熱液成因;②方解石－螢石組合，巨晶方解石在巖溶期形成，螢石與熱液作用相關(guān)。由此可以看出，一間房、西克爾地區(qū)溶洞充填特征與硫磺礦、硫磺溝地區(qū)明顯不同，表現(xiàn)在螢石與石膏、硫磺的差別，表明兩地區(qū)溶洞在埋藏過(guò)程中可能經(jīng)歷了不同的熱液充填過(guò)程。其中，巖溶期暗河沉積砂泥質(zhì)，當(dāng)潛水面下降則發(fā)育巨晶方解石，而石膏、硫磺或螢石則是埋藏過(guò)程中熱液作用的產(chǎn)物，垮塌角礫巖發(fā)育不明顯(圖2)。

圖2 洞穴沉積物－化學(xué)充填物充填模式

4 露頭古溶洞充填特征研究意義

塔河油田與柯坪—巴楚地區(qū)奧陶系具有相似的地質(zhì)演化過(guò)程，廣泛發(fā)育不同充填特征的古溶洞，并形成1種極為特殊復(fù)雜但十分優(yōu)質(zhì)的油氣儲(chǔ)層。1997年10月艾協(xié)克2號(hào)構(gòu)造高點(diǎn)的S48井在鉆入奧陶系0.76 m之后發(fā)生強(qiáng)烈放空和漏失，獲高產(chǎn)油氣流，截至2010年該井累計(jì)產(chǎn)油71.70 ×104t，其中連續(xù)自噴生產(chǎn)7 a零9個(gè)月，單井產(chǎn)量高且穩(wěn)定生產(chǎn)。塔河油田建產(chǎn)以來(lái)，每年約以60 ×104t的產(chǎn)量遞增，2010年塔河油田產(chǎn)量達(dá)720× 104t，其中奧陶系產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的75%。但是儲(chǔ)層埋深普遍大于5 300 m，地層壓力為60 MPa左右，地溫大于125°，且經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、多期巖溶疊加改造以及地表和埋藏過(guò)程中沉積、垮塌及化學(xué)充填影響，空間變化大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于超深、超高壓復(fù)雜儲(chǔ)層。目前在油藏開(kāi)發(fā)中存在儲(chǔ)量動(dòng)用率低、采油速度低和采收率低的“三低”現(xiàn)象，高效開(kāi)發(fā)對(duì)縫洞儲(chǔ)層精細(xì)研究提出迫切需求。

塔河油田巖心上發(fā)現(xiàn)的最大全充填溶洞為25 m (T615井5 533.45～5 558.45 m);測(cè)井解釋最大未充填溶洞達(dá)37 m(AD4井6 505～6 542 m)，最大全充填洞達(dá)73 m(TK409井5 586～5 659 m)，T403井全充填溶洞也達(dá)68.5 m(5 486.5～5 555.0 m)［10］。溶洞充填物也分為3種類(lèi)型，與露頭區(qū)一致，如S75井溶洞充填方解石(5 681～5 687 m)，與一間房地區(qū)巨晶方解石充填溶洞相似;T615井溶洞充填砂巖(圖3)與硫磺3號(hào)溝砂泥質(zhì)充填溶洞一致;T403井溶洞充填垮塌角礫巖和砂泥巖混合(圖4)，與硫磺4號(hào)溝垮塌角礫巖充填溶洞類(lèi)同。并且各溶洞的充填過(guò)程都可以用單獨(dú)充填模式和復(fù)合充填模式(洞穴沉積物－垮塌角礫巖充填模式、洞穴沉積物－化學(xué)充填物充填模式)進(jìn)行解釋。

圖3 塔河油田T615井溶洞充填砂泥巖

圖4 塔河油田T403井溶洞充填角礫巖

不同充填過(guò)程和充填物類(lèi)型對(duì)縫洞儲(chǔ)層演化及性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生很大的影響，未充填或半充填溶洞具有極好的產(chǎn)能，其中S48井最為典型;充填溶洞因充填物不同也表現(xiàn)出不同的特征，如溶洞垮塌可以在洞緣和溶洞之間產(chǎn)生大量裂縫，將多個(gè)溶洞相互連通，大大擴(kuò)展了儲(chǔ)層范圍，且垮塌角礫巖的弱膠結(jié)也表現(xiàn)出很好的儲(chǔ)層性質(zhì);若溶洞充填純凈石英砂巖，則可以形成優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)層，在T615井巖心上可觀察到十分明顯的溶洞充填砂巖油浸現(xiàn)象;而縫洞充填方解石則可將縫洞儲(chǔ)層完全封閉，導(dǎo)致原本連通的洞穴相互隔絕，大大縮小儲(chǔ)層范圍，降低儲(chǔ)層質(zhì)量［11－12］。因此，查明溶洞充填特征對(duì)研究有效縫洞儲(chǔ)層分布范圍十分重要。

塔河油田奧陶系縫洞型儲(chǔ)層埋深很大，橫縱向尺度差別大且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單井資料只能揭示溶洞局部充填特征。雖然三維地震可以描述溶洞空間展布特征，但縫洞響應(yīng)類(lèi)型多樣，分辨率較低，且縫洞異常體的范圍遠(yuǎn)大于真實(shí)的溶洞體積，對(duì)于絕大多數(shù)小于10～15 m的溶洞充填特征解釋更是困難很大［13］。因此，開(kāi)展相似露頭區(qū)溶洞充填特征研究，總結(jié)充填模式十分重要，將露頭研究成果應(yīng)用到塔河油田中，綜合鉆井、測(cè)井及地震等資料分析，識(shí)別并刻畫(huà)出地下溶洞空間展布以及不同位置溶洞充填特征，查明縫洞儲(chǔ)層充填過(guò)程和演化機(jī)制，將大大有利于油田生產(chǎn)開(kāi)發(fā)。在井位部署方面，可利用斜井或水平井鉆通多個(gè)溶洞，提高鉆井成功率;還可以根據(jù)不同充填物性質(zhì)采取不同的生產(chǎn)措施，如對(duì)強(qiáng)膠結(jié)角礫巖段或化學(xué)充填段進(jìn)行酸化、壓裂等措施，以提高油氣采收率，最終實(shí)現(xiàn)縫洞油藏高效開(kāi)發(fā)。

5 結(jié)論

(1)塔北柯坪—巴楚地區(qū)奧陶系露頭廣泛發(fā)育古巖溶，溶洞充填物包括洞穴沉積物、垮塌角礫巖和化學(xué)充填物3種類(lèi)型。溶洞被各類(lèi)型充填物不同程度充填，分為全充填型、半充填型和未充填型。

(2)同一溶洞中可出現(xiàn)多種類(lèi)型充填物組合，存在2種復(fù)合充填模式:洞穴沉積物－垮塌角礫巖充填模式，在硫磺溝地區(qū)發(fā)育;洞穴沉積物－化學(xué)充填物充填模式，在硫磺礦、硫磺溝、一間房和西克爾地區(qū)發(fā)育。

(3)露頭區(qū)與塔河油田奧陶系具有相似的地質(zhì)演化過(guò)程，溶洞充填特征也有可比性，相似露頭溶洞充填特征考察對(duì)查明塔河油田縫洞儲(chǔ)層充填特征和充填過(guò)程有指導(dǎo)作用，有助于實(shí)現(xiàn)油藏高效開(kāi)發(fā)。

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Paleo－cavern filling characteristics and hydrocarbon reservoir implication in the Ordovician outcrops in northern Tarim Basin

ZHANG Wen－bo，JIN Qiang，XU Shou－yu，TIAN Fei，CUI Jian－jian
(China University of Petroleum，Qingdao，Shandong266555，China)

The Tahe oilfield has the largest reserve in carbonate paleokarst fracture－cavern reservoirs in China.This type of reservoirs is very special and complex.The Keping－Bachu area in northern Tarim Basin has similar geological evolution process with the Tahe oilfield.Paleokarst was developed widely in the Ordovician outcrops，the caverns were filled to various degrees with fillings including cavern deposits，collapsed breccia and chemical fillings.There may be two or three types of fillings in a same cave，forming composite fillings.This paper analyzes the characteristics of arenaceous－pelitic deposits，collapsed breccia filling and chemical filling，and discusses the genetic model of caverns，thus guiding the identification of fillings and the study of filling process for fracture－cavern reservoirs in Tahe oilfield and is helpful to work out the formation mechanism of such reservoirs.

filling characteristics;reservoir implication;paleo－cavern;Ordovician outcrop;northern Tarim Basin;Tahe oilfield

TE122

A

1006－6535(2012)03－0050－05

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.012

20110920;改回日期:20111108

國(guó)家“973”項(xiàng)目“碳酸鹽巖縫洞型油藏縫洞單元形成機(jī)制及模式研究”(2011CB201001)

張文博(1987－)，男，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)資源勘查工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)石油大學(xué)(華東)礦產(chǎn)普查與勘探專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生，主要從事油氣地質(zhì)與勘探方面的研究工作。

編輯黃華彪