塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖潛山古水系研究方法及意義

劉偉方，鄭多明，王洪求，董瑞霞，張喜梅，苗青

技術(shù)·應(yīng)用

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖潛山古水系研究方法及意義

劉偉方1，鄭多明2，王洪求1，董瑞霞2，張喜梅1，苗青2

（1中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院；2中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院）

塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖潛山主要存在地表及地下兩種古水系。兩類古水系與潛山碳酸鹽巖巖溶型洞縫儲(chǔ)層的發(fā)育及分布有著密切關(guān)系。地下水系控制著大型溶洞的分布，對(duì)后期溶洞垮塌、形成頂部大型垮塌裂縫具有重要作用；地表水系在潛山高部位以侵蝕作用為主，在潛山低部位以側(cè)向、縱向溶蝕作用為主，但都能在河床底部及兩側(cè)形成較深的溶蝕，并且在成巖作用過程中，由于后期充填物的差異性壓實(shí)而形成裂縫。同時(shí)這兩類古水系在演化過程中，都對(duì)潛山裂縫起著擴(kuò)溶作用，以形成更大的巖溶洞縫體系。在潛山區(qū)古水系研究過程中采用了古地貌恢復(fù)法、地震屬性法、頻譜分解法、分方位疊前裂縫預(yù)測(cè)法等方法。

塔里木盆地；潛山；巖溶儲(chǔ)層；裂縫型儲(chǔ)層；古水系；識(shí)別方法

塔里木盆地中—下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖在形成儲(chǔ)層的過程中，主要受兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響較大。一是受加里東期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，整體抬升并長(zhǎng)期接受剝蝕，形成廣泛分布的典型巖溶地貌，古水系發(fā)育；二是受海西期巨型走滑構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，裂縫發(fā)育。多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與多期巖溶作用，以及后期成巖作用的疊加，導(dǎo)致奧陶系碳酸鹽巖的巖溶縫洞系統(tǒng)非常發(fā)育且復(fù)雜。

塔里木盆地奧陶系的古水系主要發(fā)育于中—下奧陶統(tǒng)一間房組及鷹山組之中，在這些沉積的地層中，塔中地區(qū)地表水系特征明顯，但分布范圍相對(duì)局限，塔北地區(qū)則在輪古及哈拉哈塘地區(qū)分布較廣，水系大多呈樹枝狀分布，逐級(jí)向南匯聚。對(duì)于碳酸鹽巖地層而言，地表水系能夠引起河床底部及側(cè)岸巖溶，形成儲(chǔ)集空間；而地下水系雖然它們受后期成巖作用的影響而不易保存完整，但它們?nèi)匀皇翘妓猁}巖地層中極為有效的儲(chǔ)集空間。因此，研究古水系對(duì)預(yù)測(cè)與古巖溶有關(guān)的洞縫儲(chǔ)集空間的分布規(guī)律具有重要的意義。

1 古水系識(shí)別方法

古水系包括地表水系及地下水系。古水系類型不同，其識(shí)別方法也有所差異。

1.1 地表水系的識(shí)別

塔里木奧陶系碳酸鹽巖潛山的地表水系特征明顯，利用古地貌恢復(fù)技術(shù)、常規(guī)地震技術(shù)、相干體技術(shù)以及頻譜分解等技術(shù)可以很好地來識(shí)別。

1.1.1 古地貌恢復(fù)技術(shù)

目前，塔里木奧陶系潛山古地貌的恢復(fù)技術(shù)主要采用殘余厚度法或印模法。在輪古研究區(qū)，由于潛山暴露時(shí)間久、上覆地層厚度變化復(fù)雜，而潛山面以下卻存在相對(duì)穩(wěn)定的沉積界面，因此選擇殘余厚度法進(jìn)行古地貌恢復(fù)。

從輪古研究區(qū)古地貌恢復(fù)結(jié)果（圖1）可以看出，該區(qū)潛山頂面呈現(xiàn)北高南低格局，喀斯特地貌非常發(fā)育，形態(tài)極不規(guī)則，巖溶殘丘群體分布，以大量錯(cuò)綜復(fù)雜的峰叢、沖蝕溝為特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)西北部的地勢(shì)最高，巖溶現(xiàn)象最為發(fā)育，峰叢分布雜亂無序，沖蝕溝蜿蜒曲折，縱橫交錯(cuò)，但總體走向呈北西—南東向。從巖溶古地理的角度分析，該區(qū)屬于巖溶斜坡，坡上地表水系發(fā)育，整體由北向南流，并呈樹枝狀分布，各分支河道向南逐漸匯聚。

圖1 塔里木盆地輪古研究區(qū)古地貌恢復(fù)結(jié)果灰度代表地面高程。顏色由白到黑，示地貌高差由小到大

1.1.2 常規(guī)地震技術(shù)

常規(guī)地震技術(shù)也就是所謂的“相面法”，通過相對(duì)保真的常規(guī)地震剖面和水平切片上振幅與相位的變化特征來識(shí)別河道，這是常用且有效的方法之一。利用三維地震資料，可以識(shí)別出有一定規(guī)模的河道。

塔中研究區(qū)地震剖面上的河道橫切面一般表現(xiàn)為一組強(qiáng)振幅同相軸，相鄰剖面均有與此類似現(xiàn)象。從單一剖面看，河道反射特征與塔里木盆地奧陶系所謂的“串珠”反射特征類似，不同的是，“串珠”反射在地震切片上的分布呈現(xiàn)相對(duì)孤立的特征，而河道則呈現(xiàn)連續(xù)、彎曲、寬窄不一、延伸很大的特征（圖2）?！跋嗝娣ā奔夹g(shù)用于河道識(shí)別只能是初步的、定性的，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)河道的厚度，同時(shí)由于地震資料的分辨率比較低，較小規(guī)模的河道也無法分辨。

1.1.3 相干體技術(shù)

相干體分析技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一項(xiàng)三維地震解釋技術(shù)。當(dāng)存在斷層、地層巖性突變、特殊地質(zhì)體時(shí)，地震道之間的波形特征會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致局部的道與道之間相關(guān)性的突變。地震相干數(shù)據(jù)體［1］通過突出地震信號(hào)的差異，使得所描述的地質(zhì)異常體能夠更清楚地顯示，進(jìn)而能夠更好地揭示斷層、巖性體邊緣、不整合等地質(zhì)現(xiàn)象。在古水系的研究中，利用相干體技術(shù)能夠突出地表水系與圍巖的橫向差異及不相干的地震地質(zhì)特征，故能夠更加真實(shí)地反映地表水系的分布。

通過哈拉哈塘研究區(qū)潛山頂面沿層相干切片，可以很明顯地看到古地表水系與圍巖之間的不連續(xù)、不相干特征，其地表水系特征明顯，并逐級(jí)向南匯聚（圖3）。

1.1.4 頻譜分解技術(shù)與混頻技術(shù)

（1）頻譜分解技術(shù)

常規(guī)地震技術(shù)及相干體技術(shù)等對(duì)古水系分布均有較好的反映，尤其是相干體技術(shù)能夠?qū)⒑拥肋吔缈坍嫷梅浅Ｇ宄?，但它只能定性地描述古水系的展布特征。利用頻譜分解技術(shù)，不但可將河道邊界刻畫清楚，而且利用調(diào)諧頻率，還能夠半定量地描述河道沉積體的厚度。

頻譜分解技術(shù)，通過時(shí)—頻變換獲得有限帶寬地震子波的各種頻率分量特征，從頻率域出發(fā)對(duì)薄層時(shí)間厚度和地質(zhì)體的非連續(xù)性進(jìn)行檢測(cè)，可以突破地震分辨率小于1/4波長(zhǎng)的限制，對(duì)于薄層厚度和地質(zhì)體的非連續(xù)性成像方面十分有效［2］。

圖2 塔里木盆地塔中研究區(qū)地表水系沿層地震屬性平面特征及地震剖面特征

圖3 塔里木盆地哈拉哈塘研究區(qū)潛山頂面沿層相干切片

在哈拉哈塘研究區(qū)，通過短時(shí)窗傅氏變換對(duì)相對(duì)保真的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分解處理，通過分頻掃描，認(rèn)為在地震資料主頻20Hz附近的能量屬性上對(duì)河道有明確的響應(yīng)。從圖4中可以看出，不同中心頻率的分頻切片結(jié)果均比全頻段振幅屬性切片能更好地刻畫出古水系特征，但它們之間也存在著差異,這主要是由于特定頻率的調(diào)諧數(shù)據(jù)體所反映的古水系河道厚度不同引起的。

（2）混頻技術(shù)

經(jīng)過頻譜響應(yīng)分析，較低分頻結(jié)果與較厚的沉積體對(duì)應(yīng)，較高分頻結(jié)果與較薄的沉積體對(duì)應(yīng)。頻譜分解技術(shù)通常是在單一頻率基礎(chǔ)上應(yīng)用不同頻段來識(shí)別特定厚度的巖體，而地下地質(zhì)體的厚度一般存在較大變化，需要多張分頻屬性圖來反映地質(zhì)體的空間分布特征。對(duì)于古地表水系而言，河道沉積厚度是變化的，單一頻率無法精確反映這種厚度的變化。因此，同一河道其頻譜響應(yīng)是多頻組合的。而利用混頻技術(shù)，綜合低、中、高頻的多頻信息來反映沉積厚度，其有效信息較單一頻率的分頻結(jié)果更豐富，它對(duì)古水系特征的描述也更可靠。

混頻技術(shù)利用的是RGB（Red-Green-Blue）三原色原理，它是在頻譜分解技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的［3－4］。RGB混頻技術(shù)將互不重疊的低頻段、中頻段、高頻段能量屬性的分頻結(jié)果以RGB模式混合起來顯示，形成一個(gè)具有寬頻信息的彩色數(shù)據(jù)體，然后在該數(shù)據(jù)體上進(jìn)行地質(zhì)體的刻畫與分析。

圖4 塔里木盆地哈拉哈塘研究區(qū)沿潛山頂面的全頻段振幅屬性切片及不同分頻能量屬性切片

在哈拉哈塘研究區(qū)地表水系刻畫中，RGB混頻數(shù)據(jù)體上地表水系展布特征非常清晰(圖5)。與圖4相比，混頻結(jié)果對(duì)于古水系的分辨能力有了很大的改善。從圖5可看出：研究區(qū)的地表水系特征非常明顯：水系連續(xù)、形狀彎曲、寬窄不一、延伸很大，并由北部潛山高部位逐級(jí)向南匯聚；研究區(qū)西部有一本區(qū)最大的分支水系，它與西部的斷裂有密切關(guān)系；中部和東部的分支水系規(guī)模相對(duì)較小，它們同樣與該區(qū)北東—南西走向及北西—南東走向的“X”形斷裂有關(guān)。預(yù)測(cè)哈拉哈塘研究區(qū)地表古水系的長(zhǎng)為9.21～51.04km，寬為32～105m，水道沉積厚度為43～125m。

圖5 塔里木盆地哈拉哈塘研究區(qū)RGB混合數(shù)據(jù)體上地表水系展布特征圖中方框區(qū)域?qū)?yīng)圖6a和6b

1.2 地下水系的識(shí)別

通常，有碳酸鹽巖出露的地方就可能存在地下水系，而且地下水系的規(guī)模巨大。事實(shí)上，地下水系是從地下縱橫交織、錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)裂隙及被溶蝕的巖石縫、隙、孔、管發(fā)展而來的，這些裂隙和溶蝕的孔、管在地下水的作用下不斷擴(kuò)大，不斷加長(zhǎng)，互相連通，最終構(gòu)成了一個(gè)巨大而無規(guī)則可循的地下巖石管網(wǎng)系統(tǒng)［5］。

對(duì)于塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖潛山而言，它們受加里東期運(yùn)動(dòng)的影響而整體抬升，并接受長(zhǎng)期風(fēng)化與剝蝕，且形成了規(guī)模巨大的地下水體系。但由于地質(zhì)環(huán)境的變遷，地下水流或者遷入更深的巖層，或者改道，或者發(fā)生充填，而且受后期成巖作用、構(gòu)造活動(dòng)及上覆地層壓實(shí)等因素的影響，水系保存極不完整。所以古地下水系在現(xiàn)今的地震資料中很難識(shí)別與追蹤，它們只能在地質(zhì)成因指導(dǎo)下，利用地震技術(shù)來尋找其殘留特征。

圖6為圖5中兩塊不同區(qū)域的放大圖，并改變了其亮度及對(duì)比度。從圖6a中可以看出，位于哈拉哈塘研究區(qū)中部的地表水系匯聚處，存在一個(gè)明顯的相對(duì)地表水系的較低分頻能量異常條帶，該條帶連續(xù)、彎曲，類似河道特征，但延伸極為有限（僅970m），可能是古地下水系的殘余部分。圖6b位于哈拉哈塘研究區(qū)的東南部，存在相對(duì)地表水系的低分頻能量異常區(qū)，該區(qū)分布著數(shù)條方向各異、形狀彎曲、較連續(xù)的條帶異常，并與其北部地表水系呈不明顯銜接。

圖6 塔里木盆地哈拉哈塘研究區(qū)可能的古地下水系特征（a）和（b）圖的位置見圖5

從圖5看，哈拉哈塘研究區(qū)潛山地表水系發(fā)育，但東西有明顯差異，中西部地表水系特征明顯，而東部地表水系分布范圍相對(duì)局限，向南延伸短，并快速消失。造成上述分布特征的原因，一是與西部大斷裂發(fā)育有關(guān)，二是東部地表水系向南延伸的過程中，可能轉(zhuǎn)為地下水系，所以形成了圖6b的分頻異常特征。

地震分方位疊前裂縫預(yù)測(cè)法也是一種預(yù)測(cè)水系的有效方法。圖7是用該方法切過哈拉哈塘研究區(qū)東部地表水系與南部可能的地下水系的一條任意線地震剖面。從剖面上看，兩類水系有較大的差異：一是地表水系位于潛山面，而地下水系位于潛山面以下；二是地表水系分布區(qū)的地震響應(yīng)特征呈現(xiàn)同相軸連續(xù)、振幅強(qiáng)度穩(wěn)定、地層成層性好，而地下水系發(fā)育區(qū)的地震波組雜亂，振幅能量強(qiáng)弱變化很大，這與復(fù)雜的地下水系及復(fù)雜的后期改造有密切關(guān)系。

圖7 塔里木盆地切過哈拉哈塘研究區(qū)北部地表和地下水系的地震剖面E—E′剖面位置見圖6b

2 古水系識(shí)別的意義

在現(xiàn)代巖溶區(qū)，地下水系復(fù)雜多變，寬窄差距極大，且有些河段只有干涸的地下河道，或被大量地表物質(zhì)充填，導(dǎo)致部分河道完全封堵。雖然地下水系難以追蹤與測(cè)量，但可以肯定，地下水系的巖溶洞穴具有極大的空間。對(duì)于地表水系，它能夠形成河床下及河床兩側(cè)巖溶區(qū)，而且縱向上河床巖溶發(fā)育可以劃分兩個(gè)巖溶帶，即上部的孔洞、洞穴帶（孔穴帶）及下部的孔隙帶?？偟内厔?shì)是，隨著深度的增加，巖溶發(fā)育程度逐漸減弱，上部充填程度較下部嚴(yán)重。河床下發(fā)育的巖溶，受河流控制，它與所處的地貌條件密切相關(guān)：平原地區(qū)與丘陵地區(qū)，其深度較淺，孔穴帶下限的深度在20m左右；巖溶山地的孔穴帶下限深度達(dá)80～100m左右,也就是說河流上游的巖溶發(fā)育深度一般大于河流下游的巖溶深度［6］。根據(jù)上述的現(xiàn)代巖溶考察，說明地表水系與地下水系都能形成有效的巖溶空間。

對(duì)于塔里木盆地中—下奧陶統(tǒng)潛山而言，古水系對(duì)形成洞縫型儲(chǔ)層起到了非常有效的作用。古地下水系由于埋藏深、年代久，以及受后期成巖作用、構(gòu)造活動(dòng)及上覆地層壓實(shí)等因素的影響，保存極不完整，但殘留部分仍是現(xiàn)今最為有利的儲(chǔ)層類型之一，尤其是洞穴在上覆巨厚地層的壓力下造成頂板垮塌，可形成很大的裂縫區(qū)域［7］，但這類垮塌縫在地震資料上一般很難識(shí)別，故研究古地下水系的分布規(guī)律對(duì)尋找垮塌縫的分布具有一定的指導(dǎo)意義。

古地表水系從出現(xiàn)到消亡的過程中，一是會(huì)對(duì)河床底部和兩側(cè)都產(chǎn)生溶蝕，形成沿古水系分布的溶蝕孔洞；二是可能形成差異壓實(shí)裂縫。在塔里木的盆地沉積演化中，古水系在消亡后，河道填平補(bǔ)齊的沉積及其上覆地層均為碳酸鹽巖，這對(duì)于古地表水系而言，兩側(cè)河床的碳酸鹽巖成巖早、硬度大，而河道沉積則相對(duì)成巖晚、硬度小，上覆的上奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖在巨厚地層壓力下，可能由于差異性壓實(shí)作用，形成沿古水系分布的裂縫（圖8），并呈現(xiàn)古河道相對(duì)較寬且裂縫相對(duì)發(fā)育的特征。

圖8 古地表水系差異性壓實(shí)裂縫形成示意圖

目前，對(duì)裂縫型儲(chǔ)層主要是根據(jù)地震散射理論來進(jìn)行預(yù)測(cè)，即利用縱波垂直于裂縫帶傳播會(huì)有明顯的旅行時(shí)延遲和衰減以及頻率變低等現(xiàn)象，建立分方位地震數(shù)據(jù)體、頻率屬性數(shù)據(jù)體等，并綜合描述裂縫型儲(chǔ)集層的發(fā)育程度［8］。從哈拉哈塘研究區(qū)潛山頂面裂縫密度預(yù)測(cè)結(jié)果（圖9）可以看出，在研究區(qū)西部發(fā)育一個(gè)整體呈現(xiàn)北西—南東向的裂縫條帶，該條帶與圖5中的西部古地表水系位置相近，而且在古水系較寬的位置，裂縫也最為發(fā)育，從而證明了差異性壓實(shí)裂縫存在的可能。

3 結(jié)論

（1）古地貌恢復(fù)、常規(guī)地震剖面和水平切片、相干切片及混頻技術(shù)，可以較準(zhǔn)確識(shí)別古地表水系的分布范圍及估算出古水系沉積厚度；而混頻技術(shù)能夠有效改善單一頻率分頻成果的分辨效果，它在識(shí)別古地下水系時(shí)更為有效。

圖9 塔里木盆地哈拉哈塘研究區(qū)潛山頂面裂縫密度預(yù)測(cè)結(jié)果紅色代表裂縫最為發(fā)育的部位

（2）塔里木盆地奧陶系潛山區(qū)的古水系有助于形成多種類型的巖溶洞縫儲(chǔ)層：古地下水系的巖溶洞穴及洞穴垮塌裂縫，古地表水系的河床兩側(cè)及河床底部的溶蝕孔洞與裂縫。古地表水系填平補(bǔ)齊后的差異性壓實(shí)裂縫雖然利用分方位裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)可檢測(cè)到異常，但目前還缺乏實(shí)際鉆井或野外露頭的佐證。

（3）為取得較好地質(zhì)效果，在進(jìn)行古水系刻畫及相關(guān)儲(chǔ)層的有效性分析時(shí)，應(yīng)采用相對(duì)保真處理的地震數(shù)據(jù)體。

［1］Bahorich M，F(xiàn)armer S．3-D Seismic discontinuity for faults and stratigraphic features：The coherence cub［J］.The Leading Edge，1995，14(10)：1053-1058.

［2］Partyka G A，Gridley J M，Lopez J.Interpretational application of spectral decomposition in reservoir characterization［J］．The Leading Edge，1999，18(3)：353-360.

［3］Theophanis S，Queen J．Color display of the localized spectrum［J］．Geophysics，2000，65(4)：1330-1340

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［7］Robertson H C.Modern cave systems as analogs for paleokarst reservoirs［C］//碳酸鹽巖縫洞型油藏勘探開發(fā)技術(shù)國際研討會(huì)，2004.

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編輯：趙國憲

Research Methods and the Significance of Palaeodrainage Patterns in Ordovician Buried-hill Carbonate Reservoirs,Tarim Basin

Liu Weifang,Zheng Duoming,Wang Hongqiu,Dong Ruixia,Zhang Ximei,Miao Qing

There are two patterns of palaeodrainages,the surface ones and the underground ones in Ordovician carbonate buried hills in Tarim Basin.They are closely relative with the distribution and development of caved and fractured karst reservoirs in buried hills.Underground drainages controls the distribution of large-scaled caves and has a great influence upon huge cracked fractures at the top caused by cave collapse during late phase.Surface drainages are generally erosive in high parts of buried hills and generally solvent in lateral or vertical in low parts while they can be solvent at the two sides and the bottom of drainages.Surface drainages can induce to form fractures due to differentiate compaction of fillings during late diagenesis.During development and evolution of the two patterns of palaeodrainages, they meanwhile play a role of enlarging dissolution to fractures so as to form larger scaled karst cave/fracture system.In the process of researching palaeodrainage patterns in carbonate buried hills,some key research methods are applied, such as the paleogeomorphic construction,the seismic attribute analysis,the frequency division processing,and the azimuth division prestack fracture detection.

Buried-hill Reservoir；Karst reservoir;Fractured reservoir；Palaeodrainage Pattern;Recognition method; Tarim Basin

TE111.2；TE122.3

A

10.3969/j.issn.1672-9854.2013.04.011

1672-9854(2013)-04-0075-07

2013-04-16；改回日期：2013-08-28

本文受國家“十二五”規(guī)劃大型油氣田及煤層氣開發(fā)科技重大專項(xiàng)“海相碳酸鹽巖儲(chǔ)層地震描述與油氣藏有效預(yù)測(cè)技術(shù)研究”課題（編號(hào)：2011ZX05004-003）資助

劉偉方：1969年生，博士，高級(jí)工程師。1993年畢業(yè)于長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院地質(zhì)礦產(chǎn)普查專業(yè)；1996年畢業(yè)于中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所沉積學(xué)專業(yè)，獲碩士學(xué)位；2006年獲中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)博士學(xué)位。長(zhǎng)期從事構(gòu)造、儲(chǔ)層及地震屬性方面的研究工作。通訊地址：730020甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)雁兒灣路535號(hào)；電話：（0931）8686183

Liu Weifang：male,D Sc,Senior Geology Engineer.Add:PetroChina Northwest Research Institute of Petroleum Exploration&Development,535 Yanerwan Rd.,Lanzhou,Ganshu,730020,China