師 政， 邱隆偉， 田 琨， 楊勇強(qiáng)， 王曄磊， 暢 通

( 1. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580； 2. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院 海外油氣規(guī)劃所，北京 100083 )

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南堡凹陷下古生界表生巖溶特征及識別

師 政1， 邱隆偉1， 田 琨2， 楊勇強(qiáng)1， 王曄磊1， 暢 通1

( 1. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580； 2. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院 海外油氣規(guī)劃所，北京 100083 )

綜合野外、巖心、地震、鉆、測井和分析化驗(yàn)資料，總結(jié)南堡凹陷下古生界碳酸鹽巖表生巖溶特征，分析不同類型的巖溶識別標(biāo)志，確立識別方案并進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用.結(jié)果表明：南堡凹陷下古生界表生巖溶可劃分為晚印支—早燕山期和喜馬拉雅期；表生溶洞多呈倒置漏斗形，內(nèi)部多形成巖溶塌陷體或被各種黏土充填；表生巖溶帶在地震剖面上主要表現(xiàn)為同相軸不連續(xù)—弱振幅的雜亂反射特征；泥漿漏失段發(fā)育在距不整合面30 m范圍內(nèi)；測井曲線上為高伽馬—高聲波—高井徑—低密度—低電阻率—暗色成像斑塊的組合特征；表生溶孔在陰極射線下顯示明亮的橙色發(fā)光條帶，碳、氧同位素值呈明顯負(fù)向偏移的特點(diǎn).以鉆井響應(yīng)和測井組合特征為主要識別標(biāo)志，巖石學(xué)特征和地震反射標(biāo)志為次要識別標(biāo)志，地球化學(xué)特征為輔助識別標(biāo)志，在NP280井中識別3個(gè)表生巖溶帶.該方法可以有效地針對表生巖溶儲層進(jìn)行精細(xì)識別，為相似地區(qū)的碳酸鹽巖勘探提供理論依據(jù).

南堡凹陷； 表生巖溶； 巖溶儲層； 巖溶特征； 巖溶識別

0 引言

隨著勘探進(jìn)程的推進(jìn)，南堡凹陷下古生界奧陶系和寒武系碳酸鹽巖潛山油氣資源充足、成藏條件好，逐漸成為油氣儲量新的增長點(diǎn)[1];但碳酸鹽巖儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，有效識別與評價(jià)優(yōu)質(zhì)儲層是影響勘探成效的重點(diǎn).巖溶作用是影響碳酸鹽巖儲層物性的關(guān)鍵因素，按成巖階段的不同可劃分為準(zhǔn)同生巖溶、表生巖溶和埋藏巖溶等類型[2-5].其中表生巖溶是最重要的巖溶類型，指在表生成巖環(huán)境中碳酸鹽巖地層遭受長期風(fēng)化剝蝕和大氣水淋濾形成的巖溶作用.南堡凹陷內(nèi)碳酸鹽巖潛山經(jīng)歷多期構(gòu)造抬升，發(fā)育大面積的表生巖溶儲層，多數(shù)探井在該套儲層中發(fā)現(xiàn)油氣顯示，預(yù)示該儲層具有較大的勘探潛力.

人們對南堡凹陷及周邊地區(qū)的潛山儲層進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：南堡凹陷奧陶系潛山有利儲層為受多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與多期巖溶作用控制的斷裂裂縫—巖溶復(fù)合儲集體[1]，而凹陷及周邊寒武系碳酸鹽巖儲層受多期巖溶及成巖作用的共同控制[6]；南堡凹陷周邊凸起地區(qū)巖溶作用表現(xiàn)為巖溶角礫、溶蝕孔洞和鉆具放空等現(xiàn)象[7]；南堡凹陷內(nèi)石灰?guī)r、白云巖在不同巖溶環(huán)境中溶蝕機(jī)理存在差異性[8-9]等.這些研究多數(shù)沒有基于巖溶分類的前提，而是側(cè)重巖溶儲層的整體特征描述.研究區(qū)缺乏表生巖溶各類特征的系統(tǒng)總結(jié)，給識別和預(yù)測優(yōu)質(zhì)表生巖溶儲層造成困難，制約油氣勘探進(jìn)程.

筆者綜合應(yīng)用南堡凹陷內(nèi)滿覆蓋的三維地震數(shù)據(jù)體，13口井的鉆、測、錄井，8口井的鉆井取心，500余張各類薄片，以及金屬元素分析和碳、氧同位素分析測試等資料，研究南堡凹陷下古生界表生巖溶期次、古地貌、巖石學(xué)、地球物理和地球化學(xué)等特征，以深化表生巖溶的地質(zhì)認(rèn)識；對各種巖溶識別標(biāo)志進(jìn)行總結(jié)分類，確立表生巖溶識別方案，實(shí)現(xiàn)對表生巖溶儲層的綜合預(yù)測.

1 地質(zhì)概況

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷的東北部，北部以西南莊—柏各莊斷層為界,南部與沙壘田凸起呈斷超式接觸，整體面積為1 900 km2，灘海面積約為1 000 km2[1].南堡凹陷在早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期間受南北向擠壓，形成東西向強(qiáng)烈褶皺，發(fā)育多條北東向走滑斷層；在斷陷發(fā)育期，伴隨斷裂運(yùn)動(dòng)及斷塊的掀斜運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生南堡1、2、3、4、5號5個(gè)潛山構(gòu)造，其中除4號潛山為太古界潛山以外，其余4個(gè)是寒武系或奧陶系潛山，潛山頂面與上覆中生界、古近系呈不整合接觸.寒武系、奧陶系沉積環(huán)境主要包括環(huán)陸潮坪、濱岸淺灘、遠(yuǎn)岸淺灘、局限海和開闊海等5種沉積相類型[6-7]，巖石類型包括白云質(zhì)灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、泥晶白云巖、灰質(zhì)白云巖及粉砂質(zhì)頁巖等[8-9].這種大面積發(fā)育的灰?guī)r—白云巖巖性組合為表生巖溶作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)(見圖1).

圖1 南堡凹陷構(gòu)造位置Fig.1 Tectonic position of Nanpu sag

2 表生巖溶期次及古地貌

表生巖溶作用的發(fā)生與沉積間斷或者不整合面緊密相關(guān)，根據(jù)區(qū)域不整合分析劃分表生巖溶期次是一種切實(shí)可行的方法[10].文中應(yīng)用3Dmove軟件對南堡凹陷構(gòu)造演化過程進(jìn)行模擬，認(rèn)為下古生界主要經(jīng)歷晚印支—早燕山和喜馬拉雅兩期構(gòu)造抬升過程，形成兩期表生巖溶.第一期即晚印支—早燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期，古生界受擠壓作用呈“東高西低”的地貌特征，地層抬升遭受剝蝕形成第一期表生巖溶，然后持續(xù)沉降、接受沉積.第二期即喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)時(shí)期，古生界與上覆中生界一起抬升并遭受差異剝蝕，研究區(qū)西南部和東南部中生界剝蝕殆盡，下古生界再一次出露地表，在第一期表生巖溶帶的基礎(chǔ)上形成第二期表生巖溶帶，由于北部地區(qū)存在中生界的“保護(hù)”效應(yīng)，碳酸鹽巖潛山仍以第一期表生巖溶作用為主(見圖2).

巖溶作用與古侵蝕面的地貌特征密切相關(guān)[11-13].采用層位拉平技術(shù)進(jìn)行古地貌恢復(fù)，應(yīng)用古構(gòu)造線進(jìn)行邊界刻畫，分別在兩期表生巖溶地貌中劃分巖溶高地和巖溶斜坡2種地貌單元；再按照潛山出露的地層繼續(xù)細(xì)分為寒武系和奧陶系2類.勘探實(shí)踐表明，優(yōu)質(zhì)表生巖溶儲層集中發(fā)育于第二期巖溶斜坡和第二期巖溶高地(寒武系和奧陶系).由于發(fā)育時(shí)期早、埋藏深度大等，第一期表生巖溶不利于巖溶儲層的保存.

圖2 南堡凹陷表生巖溶期次及古地貌單元Fig.2 Supergene karst period and palaeogeomorphology units of Nanpu sag

3 表生巖溶綜合特征

3.1 巖石學(xué)

野外露頭常見的表生溶洞規(guī)模差異較大，可見洞徑從幾十厘米至幾米的溶洞.表生溶洞受到下部致密巖層的遮擋作用，垂向上多呈“上細(xì)下粗”的倒置漏斗形(見圖3(a)).因長期受到大氣水淋濾作用，溶蝕孔洞邊緣多呈垂向及垂側(cè)向港灣狀溶蝕，溶洞內(nèi)多形成巖溶塌陷體(見圖3(b))或被各種物質(zhì)充填.檢測溶洞中充填物(見圖3(c-d))的金屬元素及氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見表1)表明，表生期溶洞充填物中各種金屬元素和氧化物(除Co外)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于埋藏期充填物的，其中Cu和Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別最大，可達(dá)幾十到上百倍.這是典型地表環(huán)境下Cu、Fe等金屬元素富集造成的結(jié)果[11-12].鉆井巖心中常見巖溶角礫巖 (見圖3(e))，角礫間發(fā)育溶積砂和溶積泥等碎屑沉積物(見圖3(f))，未見到鈣化或者其他洞穴化學(xué)沉積.溶洞多與節(jié)理、裂縫伴生發(fā)育(見圖3(g))，最大溶洞直徑達(dá)5 cm(見圖3(h)).研究區(qū)碳酸鹽巖沉積物在地表環(huán)境下受到大氣淡水淋濾作用，發(fā)生溶解而產(chǎn)生粒內(nèi)溶孔、鑄?？?、粒間溶孔和構(gòu)造—溶蝕縫等儲集空間類型.鑄體薄片觀察和掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，方解石顆粒比白云石顆粒中發(fā)育更多的溶蝕孔隙，如在NP1-90井5 225.0 m薄片中可見方解石顆粒中發(fā)育呈條帶狀的粒內(nèi)溶孔(見圖3(i)).粒間溶孔在顆粒、礦物邊緣有溶蝕擴(kuò)大現(xiàn)象(見圖3(j-k)).較大的溶蝕縫、粒間溶孔(見圖3(l-m))常被半充填，充填物包括晶型較好的方解石顆粒(見圖3(n))及少量黏土礦物.

表1 不同溶洞充填物金屬元素及氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：樣品1為溶洞埋藏期充填物；樣品2為溶洞表生期充填物

圖3 南堡凹陷表生巖溶巖石學(xué)特征Fig.3 Petrological features of supergene karst in Nanpu sag

3.2 地球物理

3.2.1 地震反射

地震反射特征可以從宏觀上反映表生巖溶的保存形態(tài)、分布特征和發(fā)育規(guī)模[14].在南堡凹陷地震剖面中，碳酸鹽巖潛山頂不整合面同向軸連續(xù)性差，多被斷層、巖溶垮塌體錯(cuò)斷.不整合面之下表生巖溶帶偶見“串珠狀”反射，主要表現(xiàn)為同向軸不連續(xù)、弱振幅的雜亂反射(見圖4).

圖4 南堡凹陷表生巖溶地震反射特征Fig.4 Seismic section features of supergene karst in Nanpu sag

3.2.2 鉆井響應(yīng)

不同地層的粒度、硬度、孔隙度等性質(zhì)不同，在鉆進(jìn)過程中有不同的鉆井響應(yīng)特征[15].當(dāng)鉆遇巖溶作用形成的溶孔、溶洞時(shí)，規(guī)模較大的未充填溶洞造成鉆具放空并伴有大量泥漿漏失，而被充填的溶洞通常只出現(xiàn)泥漿漏失、鉆速加快的現(xiàn)象.南堡凹陷鉆井資料顯示：泥漿漏失段發(fā)育在距不整合面30 m內(nèi)(見表2)，且未發(fā)現(xiàn)鉆具放空現(xiàn)象.南堡凹陷表生巖溶作用受控于不整合面，巖溶發(fā)育范圍廣泛，但未被充填的較大溶洞難以保存，多被洞頂、洞壁及上覆地層充填而形成巖溶滑塌體.

表2 南堡凹陷鉆井泥漿漏失量統(tǒng)計(jì)

3.2.3 測井曲線

測井曲線特征(特別是FMI成像測井)直接反映碳酸鹽巖溶洞發(fā)育特點(diǎn)，在無取心井區(qū)巖溶儲層的識別方面具有重要意義[16-19].常規(guī)測井曲線上，表生溶洞多充填泥質(zhì)，自然伽馬曲線幅值高于致密灰?guī)r段的；聲波傳播速度在溶洞發(fā)育處降低，聲波時(shí)差曲線表現(xiàn)為高值段；井徑有不規(guī)則的增大現(xiàn)象；密度測井幅值降低；電阻率明顯降低，深、淺側(cè)向電阻率呈正幅度差，且幅度差越大溶蝕程度越強(qiáng)烈；在 FMI 成像測井圖(見圖5)上，表生巖溶帶呈暗色斑塊，可見雜亂的洞穴角礫巖被溶縫錯(cuò)斷.

圖5 NP1井表生巖溶段測井響應(yīng)Fig.5 Logging feature of surpergene karst of well NP1

3.3 地球化學(xué)

圖6 表生巖溶陰極發(fā)光特征(NP1-90井,5 225.6 m)Fig.6 Cathode luminescence feature of supergene karst(well NP1-90,5 225.6 m)

3.3.1 陰極發(fā)光

碳酸鹽礦物的陰極發(fā)光性主要受晶格中Mn 、Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)的控制[20-22].Mn是最常見的發(fā)光激活劑，當(dāng)?shù)V物晶格中Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于發(fā)光下限(15～80)×10-6時(shí)，礦物陰極發(fā)光；Fe是最重要的猝滅劑，當(dāng)?shù)V物晶格中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在(10～15)×10-3時(shí)，開始猝滅陰極發(fā)光直至完全猝滅.該研究中未發(fā)生溶蝕的原始海相碳酸鹽沉積物Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50×10-6，在陰極射線下不發(fā)光或者顯示均一的暗紅色光.表生溶孔或溶縫邊緣受到大氣淡水的長期淋濾作用，造成Mn和Fe的富集，且Fe的猝滅作用不十分明顯，故顯示明亮的橙色發(fā)光條帶(見圖6).

3.3.2 碳、氧同位素

碳、氧同位素地球化學(xué)特征是研究碳酸鹽巖溶蝕環(huán)境的重要證據(jù)，不同類型的巖溶作用在形成過程中經(jīng)歷不同的流體環(huán)境，因此利用碳、氧同位素分析方法可以較好地識別溶蝕作用的類型[23-24].溶蝕縫洞方解石和未溶蝕基巖方解石的碳、氧同位素平均值和分布范圍存在較大差別.根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，未溶蝕基巖方解石δ13C平均為-0.8‰，δ18O平均為-14.1‰；巖溶縫洞方解石δ13C平均為-2.8‰，δ18O平均為-18.8‰.巖溶縫洞方解石的碳、氧同位素值呈明顯負(fù)向偏移的特點(diǎn)，能夠和未溶蝕基巖方解石很好地區(qū)分開(見圖7).由于樣品取自不整合面附近，巖溶縫洞方解石的δ18O和δ13C值偏負(fù)表明巖溶作用發(fā)生于表生環(huán)境，受到大氣淡水的影響.

圖7 南堡凹陷表生巖溶碳、氧同位素特征Fig.7 Carbon-oxygen isotopes feature of Nanpu sag

4 表生巖溶識別與應(yīng)用

4.1 巖溶儲層識別

分析南堡凹陷表生巖溶特征，不同巖溶特征作為巖溶識別標(biāo)志使用時(shí)可操作性和準(zhǔn)確性存在差異.為了取得更好的識別效果，需要對各種識別標(biāo)志進(jìn)行分類，可劃分為主要識別標(biāo)志、次要識別標(biāo)志和輔助識別標(biāo)志3類.其中測井組合標(biāo)志垂向分辨率高、鉆井響應(yīng)標(biāo)志最直觀，作為主要識別標(biāo)志；巖石學(xué)標(biāo)志和地震識別標(biāo)志受取樣頻率和地震數(shù)據(jù)體品質(zhì)的限制，作為次要識別標(biāo)志；陰極發(fā)光、同位素特征等地球化學(xué)標(biāo)志起輔助識別作用.在表生巖溶儲層的識別過程中，應(yīng)分清主次、綜合分析各類識別標(biāo)志，才能夠得到更加準(zhǔn)確的識別結(jié)果.

4.2 實(shí)例應(yīng)用

NP280井位于第二期表生巖溶斜坡地貌，潛山頂部地層為奧陶系.首先根據(jù)鉆井?dāng)?shù)據(jù)分析和測井曲線，泥漿漏失段位于4 499.0 m以下，漏失量為24.4 m3；在4 500.0、4 512.0、4 520.0 m識別出高伽馬—高聲波—高井徑—低密度—低電阻率的典型巖溶測井組合特征，因此將這3個(gè)層段劃為表生巖溶帶，完成初步識別.然后,考慮次要識別標(biāo)志.雖然NP280井處“串珠狀”地震發(fā)射特征不明顯，但是巖溶角礫(4 499.2、4 511.3 m)、溶積泥砂(4 520.2 m)和溶蝕裂縫(4 496.5 m)等巖溶巖石學(xué)標(biāo)志比較常見.最后,應(yīng)用陰極發(fā)光(4 496.4、4 511.3 m)和碳、氧同位素(4 496.4 m)等地球化學(xué)等標(biāo)志進(jìn)行輔助識別.

在NP280井奧陶系潛山頂部地層中預(yù)測4 499.0～4 504.0、4 511.0～4 513.0、4 518.0～4 522.0 m等3個(gè)表生巖溶發(fā)育帶，試油結(jié)果表明3個(gè)層段有較好的油氣顯示(見圖8).因此該方法具有較高的準(zhǔn)確性和適用性.

圖8 NP280井表生巖溶帶預(yù)測Fig.8 Prediction of supergene karst in well NP280

5 結(jié)論

(1)南堡凹陷下古生界發(fā)育大面積的表生巖溶，可劃分為晚印支—早燕山期和喜馬拉雅期2期.優(yōu)質(zhì)表生巖溶儲層集中發(fā)育于第二期巖溶斜坡和高地.表生溶洞多呈倒置漏斗形，內(nèi)部多形成巖溶塌陷體或被各種黏土充填,并且溶洞多與節(jié)理、裂縫伴生發(fā)育.

(2)潛山頂不整合面之下的表生巖溶帶偶見“串珠狀”地震反射，主要表現(xiàn)為同向軸不連續(xù)、弱振幅的雜亂反射特征.泥漿漏失段發(fā)育在距不整合面30 m內(nèi).測井曲線上為高伽馬—高聲波—高井徑—低密度—低電阻率—暗色斑塊的組合特征.表生溶孔或溶縫邊緣在陰極射線下顯示明亮的橙色發(fā)光條帶.溶蝕縫洞方解石碳、氧同位素值呈明顯負(fù)向偏移的特點(diǎn).

(3)表生巖溶主要識別標(biāo)志包括巖石學(xué)標(biāo)志和測井組合標(biāo)志，次要識別標(biāo)志包括鉆井響應(yīng)和地震反射標(biāo)志，輔助識別標(biāo)志為地球化學(xué)標(biāo)志.應(yīng)用該方法在NP280井中識別3個(gè)表生巖溶帶，識別結(jié)果與試油數(shù)據(jù)一致.

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2015-01-28；編輯：陸雅玲

國家油氣重大專項(xiàng)(2011ZX05009-002)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(14CX06068A)

師 政(1986-)，男，博士研究生，主要從事沉積學(xué)及石油地質(zhì)學(xué)方面的研究.

TE112.221

A

2095-4107(2015)03-0032-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.005