屈海洲 ，劉茂瑤，張云峰 ，王振宇 ，張正紅，李世銀，鄧興梁

（1. 西南石油大學地球科學與技術(shù)學院，成都 610500；2. 中國石油集團碳酸鹽巖儲層重點實驗室西南石油大學分室，成都 610500；3. 西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；4. 中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000）

0 引言

巖溶作用是碳酸鹽巖暴露于濕潤的大氣淡水成巖環(huán)境中，受到物理因素（地表水流速、溫度、壓力、巖性、構(gòu)造運動、基準面、水力梯度及氣候等）、化學因素（巖溶水成分、酸堿度、CO2含量、氧化作用）和生物因素（根部生態(tài)系統(tǒng)、微生物及穴居生物）等綜合影響，地表水經(jīng)由滲透性通道與圍巖發(fā)生侵蝕、溶蝕、沉積、膠結(jié)等作用的綜合[1-5]。巖溶作用在不整合面之下依次形成表層巖溶帶、垂向滲濾帶、水平潛流帶及深部緩流帶等 4個作用帶；其中，潛水面是垂向滲濾帶與水平潛流帶的界面，后者內(nèi)部增強的地層水壓力促進侵蝕和溶蝕作用的發(fā)生，形成的巖溶縫洞體系連通性及有效性相對較好，可以形成巖溶型儲集層[2,6-10]。一旦基準面（通常是海平面）階段性的上升，潛水面及之下的水平潛流帶可成多期發(fā)育，形成縱向多套巖溶儲集層的疊置發(fā)育，厚度及儲集能力更大[2,9-11]。因此，準確識別潛水面位置，厘定其下水平潛流帶發(fā)育特征，將有助于預測巖溶儲集層分布，并對井位優(yōu)化、水平井靶層選取及軌跡設計等有重要意義。但是，實際鉆井不會對目的層連續(xù)全部取心，這就難以像露頭剖面那樣，利用巖石學、礦物學等特征確定古潛水面位置。受成像測井在沉積儲集層研究中廣泛應用的啟示[12-15]，本文以塔里木盆地塔中低凸起北斜坡奧陶系鷹山組為例，利用成像測井、常規(guī)測井、巖心等資料，分析不同巖溶地貌單元不同巖溶期次的巖溶作用尤其是水平潛流帶的特征及差異，建立了判識潛水面的方法，厘定潛水面期次、位置及分布，進而分析巖溶作用對儲集層的控制，并建立相應的巖溶控儲模式。

1 地質(zhì)背景

圖1 研究區(qū)巖溶古地貌及巖溶帶特征圖

塔中地區(qū)位于塔里木盆地中央隆起帶的中部，為塔中低凸起的主體部位（見圖1a），鷹山組原始沉積厚度可達900～1 000 m，自下而上分為4段，其中上部的鷹二段、鷹一段以泥晶灰?guī)r、顆?；?guī)r及少量凝塊石灰?guī)r為主，鷹二段底部—鷹四段則以灰?guī)r、云巖互層為特征[16-18]。中—晚奧陶世，由于區(qū)域擠壓構(gòu)造作用逐步形成塔中低凸起，并使得研究區(qū)鷹山組上部受到不同程度剝蝕，剝蝕間斷時間近15 Ma[7,16]，形成了自南西向北東逐漸降低的巖溶古地貌特征[14,19-22]（見圖1b）。單井剖面上部的表層巖溶帶發(fā)育由泥、砂及角礫等不同程度充填的溶縫、溶洞，垂向滲濾帶中巖溶水向下滲濾，形成高角度的溶縫及少量溶洞，水平潛流帶內(nèi)多發(fā)育囊狀溶蝕孔洞、近水平狀溶縫及溶洞，被泥、粉砂、砂、角礫等不同程度地充填，深部緩流帶內(nèi)水體變得停滯，孔洞縫發(fā)育較少[22-25]（見圖1c）。但是，在地貌較高的單井剖面中，水平潛流帶與垂向滲濾巖溶帶的巖溶組構(gòu)疊置發(fā)育較常見（見圖1d）。這主要受到后期海平面階段性上升影響，巖溶古地貌越高的部位，暴露時間越長、巖溶作用強度越大，多期水平潛流帶的發(fā)育使得巖溶儲集層更發(fā)育[19,26-27]，如巖溶斜坡的中古8井區(qū)、巖溶高地的中古43井區(qū)均發(fā)育優(yōu)質(zhì)巖溶儲集層，獲得千億立方米級的探明儲量。

2 不同古地貌的各期巖溶作用特征

2.1 巖溶帶劃分標志

塔中地區(qū)鷹山組劃分為 4個巖溶帶：①表層巖溶帶發(fā)育較小規(guī)模的溶縫、溶洞等，易充填泥、砂及角礫等機械成因物質(zhì)，該帶頂界面為不整合面，內(nèi)部的伽馬曲線出現(xiàn)明顯高值，對應的電成像測井見深褐-黑色、黃白色的斑塊等溶洞響應特征，而溶縫則呈“近垂直”、“低幅度正弦曲線”、較大夾角的“V”字形等形態(tài)的暗色條帶（見圖2a、2b）。②垂向滲濾帶中以高角度溶縫為主，并有少量溶洞，電成像測井表現(xiàn)為“近垂直”、“高幅度的正弦曲線”、小夾角的“V”字形等形態(tài)的暗色或亮色條帶，自然伽馬與電阻率曲線呈箱型。③水平潛流帶以囊狀溶蝕孔洞、近水平溶縫、洞穴為主，被泥、粉砂、砂、礫等不同程度地充填（見圖2d、2e、2g、2i），成像測井表現(xiàn)為囊狀暗斑、暗色或亮色斑塊混雜、近水平不規(guī)則暗色條帶（見圖 2c、2f、2h），高伽馬、低電阻特征明顯。④深部緩流帶內(nèi)水體變得停滯，難以形成縫洞等巖溶組構(gòu)，電成像及常規(guī)測井響應不明顯。

2.2 各類巖溶古地貌的巖溶作用期次

基于單井巖溶剖面解釋及井間對比分析發(fā)現(xiàn)，受階段性上升的海平面影響，不同巖溶地貌單元中巖溶潛水面的期次及巖溶帶疊置發(fā)育特征不同。巖溶洼地、巖溶斜坡及巖溶高地分別發(fā)育第1期、第1、2期及第1、2、3期巖溶潛水面，總期次數(shù)量分別為1期、2期、3期（見圖3）。自巖溶洼地至巖溶高地，鷹山組受剝蝕的程度增強，而且上覆奧陶系良里塔格組下部的良五段—良四段隨之缺失明顯[19,28]，結(jié)合地球化學分析[26]，表明巖溶期后的海平面是階段性上升的。巖溶洼地最先被海水覆蓋接受良里塔格組沉積，各段沉積齊全，鷹山組巖溶作用時間最短，一般只發(fā)育第1期巖溶潛水面，典型特征是4個巖溶作用帶具有前述的巖溶組構(gòu)特征，相互疊置組合發(fā)育不明顯。當巖溶洼地被海水覆蓋后，巖溶高地及斜坡等部位的鷹山組巖層仍暴露于大氣環(huán)境中，發(fā)育第2期潛水面和巖溶帶；其深度上移并疊加改造第1期巖溶帶，典型特征是發(fā)育洞穴（見圖3），如G46井的5 338～5 341 m深度段，G451井的5 925.2～5 928.5 m 深度段，G7井的 5 820.4～5 821.6 m、5 828.4～5 829.5 m深度段，G9井的6 217.7～6 218.1 m、6 218.5～6 218.8 m和6 219.0～6 219.4 m等深度段，不同巖溶組構(gòu)的疊置組合發(fā)育特征較明顯，巖溶強度及組構(gòu)規(guī)模均較第 1期巖溶作用的更大。隨著海平面繼續(xù)上升，巖溶斜坡被淹沒并開始沉積良里塔格組，而巖溶高地繼續(xù)暴露于大氣環(huán)境，發(fā)育第3期潛水面。該期巖溶帶進一步疊加改造之前的第1、2期巖溶帶中的縫洞，導致潛水面之下普遍發(fā)育多個米級洞穴，如G46井第3期潛水面之下發(fā)育4個洞穴，高度分別為1.4，0.8，1.4，0.4 m（見圖3）。該期巖溶組構(gòu)尺度最大，相互疊置組合發(fā)育最明顯。此外，就同一期潛水面而言，較高古地貌的潛水面深度更大、巖溶組構(gòu)類型更豐富、尺度及厚度也更大（見圖3、表1）。

2.3 各期次水平潛流帶的巖溶特征

巖溶古地貌各單元均發(fā)育了第 1期水平潛流帶，以囊狀溶蝕孔洞層、近水平溶縫為主要巖溶組構(gòu)，被泥、砂或埋藏期膠結(jié)物部分充填。自巖溶高地、斜坡至洼地，該期水平潛流帶的發(fā)育深度逐漸減小，距不整合面的平均距離分別為154，123，42 m，平均厚度分別為45，41，32 m，其中儲集層發(fā)育厚度平均值分別為40，29，13 m，均具有向低地貌變薄趨勢（見表1）。儲集層級別整體以Ⅰ、Ⅱ類優(yōu)質(zhì)儲集層為主。此外，巖溶高地和斜坡的水平潛流帶以囊狀溶蝕孔洞更發(fā)育（見圖3），占巖溶組構(gòu)總厚度比例分別約為57%、63%，而巖溶洼地以近水平溶縫相對更為發(fā)育，約占58%。

圖2 塔中地區(qū)奧陶系鷹山組不同巖溶帶識別特征

第 2期水平潛流帶發(fā)育在巖溶高地及斜坡中，距不整合面的平均距離明顯變小，分別為 82，64 m。該期水平潛流帶平均厚度分別為38，24 m，其中發(fā)育了巖溶組構(gòu)的厚度占比分別為 56%、46%。這些巖溶組構(gòu)中不僅有囊狀溶蝕孔洞、近水平溶縫，更發(fā)育洞穴及不同巖溶組構(gòu)疊置組合等典型判識特征（見圖3）。其中，洞穴平均直徑分別為1.9，0.9 m，而諸如近水平溶縫切割先期高角度溶縫等不同巖溶組構(gòu)疊置組合的厚度比例分別為 25%、11%。巖溶高地的第 2期巖溶作用強度較斜坡的更大，儲集層平均厚度為21，15 m。但巖溶斜坡儲集層質(zhì)量略高，以Ⅰ-Ⅱ類儲集層為主，巖溶高地以Ⅱ-Ⅲ類儲集層為主（見表1）。

第 3期水平潛流帶僅在巖溶高地中發(fā)育，典型特征是多個洞穴及更明顯的巖溶組構(gòu)疊置組合，后者厚度比例的平均值達到 36%，各巖溶組構(gòu)的平均直徑均是3期中最大的。距不整合面的平均距離僅17 m，平均厚度約為15 m，其中儲集層平均厚度為13 m，以Ⅱ-Ⅲ類儲集層為主。

3 各期潛水面的判識標志

因為潛水面之上的垂向滲濾帶與之下的水平潛流帶的巖溶組構(gòu)差異明顯，所以可以通過巖心標定電成像測井，分析后者圖像顯示的洞穴、囊狀溶蝕孔洞、不同產(chǎn)狀溶縫等巖溶組構(gòu)的特征，再結(jié)合自然伽馬、電阻率數(shù)據(jù)，劃分巖溶帶，厘定潛水面位置。

圖3 不同巖溶古地貌潛水面發(fā)育期次對比及巖溶組構(gòu)發(fā)育概要圖（剖面位置見圖1）

表1 不同巖溶古地貌各期潛水面之下的水平潛流帶特征統(tǒng)計表

3.1 第1期潛水面

最先發(fā)育的第 1期潛水面之下水平潛流帶的巖溶組構(gòu)類型較單一，主要為順層發(fā)育的囊狀孔洞或近水平的溶縫（見圖4a、圖4b、圖5），被泥、砂等不同程度地充填，幾乎不發(fā)育洞穴，潛水面之上垂向滲濾帶主要發(fā)育高角度溶縫。水平潛流帶電成像測井表現(xiàn)為囊狀暗色斑塊集中成層分布、近水平暗色不規(guī)則條帶（見圖5），而垂向滲濾帶多為高幅度的正弦狀、小夾角的“V”字形等形態(tài)的暗色條帶，再結(jié)合常規(guī)測井，厘定潛水面位于自然伽馬值增高成尖峰狀、電阻率降低的位置。如位于巖溶高地中的G451井井深5 957.6 m之下為囊狀溶蝕孔洞層、近水平溶縫，之上發(fā)育的高角度溶縫為垂向滲濾帶特征。再結(jié)合自然伽馬及電阻率變化的尖峰位置，厘定了第 1期潛水面位于井深5 957.6 m處（見圖4b）。

3.2 第2期潛水面

圖4 G451井鷹山組各期潛水面判識圖

隨著海平面上升，巖溶高地及斜坡中形成了第2期潛水面，其發(fā)育深度上移至第1期垂向滲濾帶中，第2期的水平潛流帶疊加改造早期垂向滲濾帶。該期潛水面多位于洞穴、近水平溶縫切割先存的高角度溶縫及順層發(fā)育且直徑較大的囊狀溶蝕孔洞等典型巖溶標志出現(xiàn)的位置，其下巖溶組構(gòu)的尺度、厚度、規(guī)模等明顯增大，相互切割、組合及疊置發(fā)育特征明顯（見圖4a、圖4c）。相應的電成像測井圖像表現(xiàn)為近水平不規(guī)則暗色條帶切割高幅度正弦狀條帶或小夾角的“V”字形暗色條帶，囊狀暗色斑塊、亮-暗色斑團混雜，以及這些特征的交替出現(xiàn)（見圖6）。第2期潛水面之下的自然伽馬呈明顯的高值段，少數(shù)仍呈尖峰狀，電阻率明顯降低。如 G451井5 884.7～5 885.2 m發(fā)育洞穴，與高角度溶縫伴生，底部被近水平溶縫切割（見圖4c）。之下以囊狀孔洞、近水平溶縫為主，或切割第1期垂向滲濾帶的高角度溶縫，并可見兩個泥質(zhì)充填洞穴。之上50 m內(nèi)仍以高角度溶縫為主。再結(jié)合5 884.7 m之下自然伽馬曲線呈尖峰狀、電阻率明顯較小的特征，厘定該深度為第2期潛水面位置。

圖5 不同巖溶古地貌第1期潛水面之下的水平潛流帶巖溶組構(gòu)特征

圖6 不同巖溶古地貌第2期潛水面之下的水平潛流帶內(nèi)巖溶組構(gòu)特征

3.3 第3期潛水面

最晚期即第 3期潛水面及其巖溶作用帶上移，進一步疊加改造巖溶高地中的前兩期巖溶組構(gòu)，形成的孔洞縫的尺度和規(guī)模是3期中最大的（見圖4d、圖7）。該期潛水面之下普遍發(fā)育數(shù)個被泥質(zhì)、角礫等半充填的洞穴或洞穴與溶縫的集合體，高度達到米級，近水平溶縫切割高角度溶縫且二者縫寬都較大、囊狀孔洞直徑大（見圖4a、4d）。相應的電成像圖像特征為多個高度為米級的暗色斑團，較寬的正弦狀、“Λ”或“V”形的暗色條帶，較大的暗色斑塊（見圖7）。潛水面位于由多個尖峰組成的自然伽馬高值段的頂部，之下電阻率降低。該期潛水面之上的垂向滲濾帶以寬大的高角度及斜交溶縫為主，至鷹山組頂不整合面處，發(fā)育表層巖溶帶的洞穴（見圖4a）。如G451井5 819.5 m之下發(fā)育4個洞穴，直徑分別為0.7，0.9，1.0，1.1 m，還發(fā)育近水平溶縫、高角度溶縫與直徑較大的囊狀孔洞的疊置組合（見圖4d）。此外深度段5 819.5～5 826.0 m為自然伽馬高值段，電阻率顯著降低，故厘定5 819.5 m為第3期潛水面發(fā)育深度。

圖7 第3期潛水面之下的水平潛流帶內(nèi)巖溶組構(gòu)特征

4 各期潛水面分布

利用上述各期巖溶潛水面識別標志，劃分單井巖溶剖面并進行連井對比分析，再結(jié)合研究區(qū)巖溶古地貌特征，可預測各期潛水面的分布。第一期潛水面在研究區(qū)鷹山組中均有發(fā)育，其中，G104井—G101井—G102井一帶和G5井—G9井—G701井一帶（見圖8中綠線）以北至塔中1號斷裂，為古地貌最低的巖溶洼地，僅發(fā)育第 1期潛水面，儲集層發(fā)育范圍小。而以南至研究區(qū)三維地震數(shù)據(jù)邊界，主要是暴露時間較長的巖溶斜坡和巖溶高地，則發(fā)育第 2期潛水面。儲集層發(fā)育范圍大，以Ⅰ—Ⅱ類儲集層為主，獲得探明儲量的G8井區(qū)就位于此區(qū)域。其中，在G111井—G8井—G47井—G7井—T161井一帶（見圖8中的藍線）以南至研究區(qū)三維地震數(shù)據(jù)邊界，除了G432井南部局部較低巖溶平臺區(qū)（見圖 8中藍線閉合區(qū)域）之外，這些地區(qū)主要為巖溶高地和局部巖溶斜坡較高的殘丘峰，巖溶古地貌最高、暴露時間最長，還發(fā)育了第 3期潛水面（見圖 8）。3期水平潛流帶使得該范圍的巖溶儲集層發(fā)育范圍大，以Ⅰ—Ⅱ類儲集層為主，獲得探明儲量的G43井區(qū)就位于該區(qū)域內(nèi)。

圖8 鷹山組巖溶潛水面及巖溶儲集層平面分布圖

5 控儲模式

研究區(qū)鷹一、二段中發(fā)育多套巖溶儲集層，在垂直于地層走向的剖面上具有“區(qū)域穿層、局部順層”的展布特征[9,26-27]，平面上儲集層在巖溶高地、斜坡中大范圍發(fā)育，且以較優(yōu)質(zhì)的Ⅰ—Ⅱ類儲集層為主，而巖溶洼地儲集層發(fā)育范圍較?。ㄒ妶D8），這主要是受到海平面階段上升的巖溶作用控制，即 3期水平潛流帶內(nèi)巖溶縫洞形成的多套儲集體的控制。中晚奧陶世構(gòu)造運動趨于活躍[16,27]，寬緩臺地上沉積的鷹山組巖層仍處于初始的近水平狀時，即被抬升暴露，受到巖溶作用，此時地層傾角極小。巖溶古地貌由南西向北東降低，大部分地區(qū)的相對高程差值小于300 m，橫跨寬度可達27 500 m[21]，據(jù)此可計算巖溶古地貌高點到巖溶早期海平面的坡度角，即不整合面與水平面最大夾角小于等于 0.63°；而局部最大高程差達 600 m 的T161井區(qū)，坡度角小于2.8°，那么不整合面之下的各期潛水面與水平面夾角則較之更小。因此，垂直地層走向的南西—北東向剖面上，各期水平潛流帶內(nèi)多套儲集體與各亞段呈極小角度相交，整體上“穿層”分布（見圖9）。但在地層殘留特征一致的局部區(qū)塊或平行地層走向的北西—南東向剖面中，各期儲集體則呈準層狀分布在各亞段內(nèi)，具有“順層”發(fā)育特征。巖溶古地貌由低到高，鷹山組巖溶潛水面及水平潛流帶的期次增多、同一期水平潛流帶厚度增大（見圖9）。因此，研究區(qū)相對較高地貌的巖溶高地、斜坡不僅發(fā)育2、3期潛水面，而且各期水平潛流帶厚度也較巖溶洼地大，使得較優(yōu)質(zhì)的Ⅰ—Ⅱ類儲集層大范圍發(fā)育（見圖 8），因而是相對有利的勘探區(qū)域。一旦能通過單井識別、井震結(jié)合、地質(zhì)建模等方法技術(shù)，確定各期潛水面三維空間展布，則可以對儲集層地質(zhì)建模、井位優(yōu)化甚至是水平井靶層選取及軌跡設計等提供重要指導作用。

圖9 鷹山組巖溶作用的控儲模式圖（地層傾角及水平潛流帶厚度被放大）

6 結(jié)論

以巖溶潛水面之下水平潛流帶的巖溶特征為依據(jù)，建立了不同期次潛水面判識方法和標志。塔中地區(qū)鷹山組中第 1、2、3期潛水面對應的水平潛流帶的典型判識標志分別為：囊狀溶蝕孔洞層或近水平溶縫等單一巖溶組構(gòu)，出現(xiàn)小型洞穴或不同巖溶組構(gòu)的疊置組合發(fā)育，多層洞穴及更大直徑巖溶組構(gòu)的疊置組合發(fā)育。同一剖面中晚期潛水面之下的巖溶組構(gòu)類型較早期的更豐富，巖溶組構(gòu)的直徑及疊置組合的厚度比例更大。

階段性上升的海平面使得中下奧陶統(tǒng)鷹山組巖溶洼地、斜坡、高地分別發(fā)育第1期、第1、2期、第1、2、3期潛水面。同一期潛水面距不整合的深度、水平潛流帶的厚度及其中儲集層厚度，均具有隨著巖溶地貌增高而變大的趨勢。

受控于巖溶期鷹山組近水平的地層產(chǎn)狀，階段性上升的海平面形成的 3期潛水面及其下水平潛流帶中巖溶縫洞與地層夾角極小，且每期水平潛流帶厚度有從低地貌到高地貌逐漸增厚的趨勢。這就控制了儲集體“區(qū)域穿層、局部順層”的展布特征，使得巖溶高地和斜坡具有更多期次的潛水面及較同期更大的水平潛流帶厚度，儲集層套數(shù)更多、厚度更大，Ⅰ、Ⅱ類較優(yōu)質(zhì)儲集層更為發(fā)育，成為有利的勘探區(qū)域。