塔河地區(qū)奧陶系深埋巖溶洞穴特征及保存機(jī)制初探

雷川，陳紅漢，蘇奧，韓淑敏

塔河地區(qū)奧陶系深埋巖溶洞穴特征及保存機(jī)制初探

雷川1，2，陳紅漢1，3，蘇奧3，韓淑敏4

（1.中國(guó)科學(xué)院蘭州油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，武漢430074；4.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理有限責(zé)任公司，河北涿州072750）

塔河地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖深埋巖溶洞穴的埋藏深度較大，在世界范圍內(nèi)罕見，是研究深埋洞穴的典型實(shí)例，目前對(duì)于其保存機(jī)制尚不清楚。根據(jù)鉆井、測(cè)井和地震資料，在深入調(diào)研研究區(qū)深埋古巖溶洞穴的識(shí)別、分布和充填特征的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)：①巖溶高地充填程度相對(duì)于巖溶斜坡明顯偏高；②伴隨垮塌的鐘乳石類次生化學(xué)沉淀多集中于巖溶高地；③洞穴內(nèi)可見海岸碎屑巖；④T74不整合面以下200 m深度段內(nèi)存在多個(gè)洞穴系統(tǒng)，均暗示洞穴的保存與潛水面有關(guān)，因此可推測(cè)出該區(qū)埋藏巖溶洞穴的保存與潛流帶水力支撐作用有關(guān)。

深埋巖溶洞穴；識(shí)別與分布；充填特征；保存機(jī)制；塔河地區(qū)

0 引言

碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖溶儲(chǔ)層是重要的油氣儲(chǔ)集層之一，尤其是溶洞和洞穴型儲(chǔ)層，其儲(chǔ)集空間規(guī)模大，具備形成大型油氣田的潛力，已成為油氣勘探的重要領(lǐng)域，并受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者持續(xù)、廣泛的關(guān)注［1-3］。在Loucks［2］統(tǒng)計(jì)的35個(gè)古洞穴系統(tǒng)中，埋藏深度最大的是Delaware和Val Verde盆地的垮塌角礫巖充填洞穴，為5 335 m，但未見完好的洞穴保存；保存較好的洞穴中，埋藏深度最大的是Oklahoma盆地的洞穴［4-5］，為1 950 m（高2 m）。塔河地區(qū)深度為5 000 m以下的奧陶系地層發(fā)生放空漏液的鉆井達(dá)數(shù)百口，漏失段深度甚至達(dá)6 772 m，并全部分布于不整合面以下300 m深度段之內(nèi)，平均距不整合面90 m［6］。研究區(qū)洞穴埋藏深度之大，在世界范圍內(nèi)較為罕見。目前對(duì)于該洞穴為何能保存在如此深的地層中及保存機(jī)制方面的研究尚屬薄弱環(huán)節(jié)，而且對(duì)于洞穴承載能力的研究也僅局限于淺部洞穴［7-8］。鑒于研究區(qū)深埋巖溶洞穴與世界其他盆地碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖溶洞穴的特征及保存深度均有較大差異，因此有必要弄清該區(qū)深埋巖溶洞穴的保存模式。筆者以塔河地區(qū)奧陶系為調(diào)研對(duì)象，總結(jié)該區(qū)洞穴的識(shí)別、分布和充填特征，并探討其保存機(jī)制，以期為該區(qū)油氣勘探和深埋洞穴理論研究提供參考。

1 深埋巖溶洞穴識(shí)別與分布

塔河油田奧陶系碳酸鹽巖經(jīng)歷了至少6期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了多期地表和近地表?xiàng)l件下巖溶的疊加改造，發(fā)育了大規(guī)模的巖溶型儲(chǔ)層，其儲(chǔ)集空間包括溶孔、溶縫、溶洞和洞穴。其中，洞穴的類型可分為充填型、未充填型以及半充填型（過渡類型）。深埋巖溶洞穴不像淺埋洞穴能夠利用GPR（探地雷達(dá)）等手段進(jìn)行識(shí)別，甚至關(guān)于其存在也受到部分學(xué)者的質(zhì)疑，然而利用鉆井、測(cè)井和地震等手段卻可在一定程度上反映并揭示塔河地區(qū)深埋巖溶洞穴的存在及特征。

1.1深埋巖溶洞穴識(shí)別

首先，在塔河油田發(fā)生鉆井放空的頻率較高，已統(tǒng)計(jì)的822口井中有351口井在奧陶系發(fā)生放空漏失，漏失率達(dá)42.7%①丁勇，邵小明.塔河油田奧陶系巖溶洞穴及斷裂平面分布圖.中國(guó)石化西北油田分公司，2007.，放空厚度為小于1 m到大于30 m不等，并伴有泥漿漏失，漏失量甚至達(dá)2 000 m3以上。其次，塔河油田中、下奧陶統(tǒng)均以淺海臺(tái)地碳酸鹽巖為主，縱向上巖性無劇烈變化，測(cè)井曲線波動(dòng)較??；在中、上奧陶統(tǒng)分界線（T74不整合面）以下均發(fā)育多個(gè)古巖溶洞穴系統(tǒng)，測(cè)井曲線具有明顯的規(guī)律性，充填和半充填洞穴一般均表現(xiàn)為擴(kuò)徑，電阻率、密度減小，聲波時(shí)差、中子孔隙度和自然伽馬增大。最后，地震波遇到洞穴系統(tǒng)會(huì)發(fā)生速度減小、振幅衰減、頻率變化、散射、繞射及吸收等現(xiàn)象，從而在地震剖面上形成一系列特殊帶，具體為：①洞穴系統(tǒng)在偏移剖面上表現(xiàn)為“串珠狀”短反射［9-10］，經(jīng)后期鉆井驗(yàn)證，吻合率高達(dá)92%［11］；②裂縫和溶洞發(fā)育帶均表現(xiàn)為振幅變化率加大，呈線性分布的振幅變化率異常指示了地下暗河通道的存在，零星分布的異常點(diǎn)指示了落水洞的存在［9，12］；③頻率差異振幅相關(guān)異常（FDCA）反映了碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖溶的垂直滲流溶蝕和水平徑流溶蝕的特征［13］，唐文榜等［14］在S48井的3個(gè)等時(shí)切片中識(shí)別出不同深度和不同延伸方向的古暗河、落水洞和腳洞；④在平均相干值弱的區(qū)域，巖溶和裂縫的發(fā)育程度均相對(duì)較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，處于強(qiáng)相干性區(qū)域中的9口井的儲(chǔ)層物性相對(duì)不好且極少見油氣顯示，而處于弱相干性區(qū)域中的35口井的儲(chǔ)層物性好且有28口井獲得油氣［9］。

綜上所述，鉆井、測(cè)井和地震資料的綜合運(yùn)用可以在一定程度上證明塔河地區(qū)深埋藏洞穴的存在。

1.2深埋巖溶洞穴分布

在塔河地區(qū)部分鉆井資料的基礎(chǔ)上，筆者綜合研究了該地區(qū)奧陶系深埋巖溶洞穴的分布特征，發(fā)現(xiàn)：①洞穴的發(fā)育深度幾乎在T74不整合面以下200 m深度段內(nèi)，而且至少可見4個(gè)相對(duì)密集發(fā)育段，分別為不整合面以下1～20 m，30～60 m，80～100 m和140～160 m深度段，甚至在大于180 m的深度段也有洞穴發(fā)育（圖1），說明T74不整合面以下200 m深度段內(nèi)可能存在4個(gè)洞穴層；②充填洞穴主要集中于古巖溶高地，未充填和半充填洞穴均主要分布于古巖溶斜坡（圖2）。塔河地區(qū)深埋巖溶洞穴的保存機(jī)制可能與該分布特征有關(guān)。

圖1 洞穴發(fā)育段距T74不整合面的深度與鉆遇井?dāng)?shù)頻率圖Fig.1 The plot of the number of drilling wells and the distance between T74unconformity and caves

圖2 不同類型鉆井在塔河地區(qū)平面分布圖（底圖為T74不整合面在海西早期古地貌圖）Fig.2 Distribution of different types of drilling wells in Tahe area

2 深埋巖溶洞穴充填特征

深埋巖溶洞穴的充填物揭示了洞穴的成因及后期垮塌、化學(xué)充填的過程。塔河地區(qū)奧陶系深埋巖溶洞穴的充填類型包括機(jī)械沉積巖充填型、化學(xué)充填型和垮塌角礫充填型。不同充填物在測(cè)井曲線上具有明顯的規(guī)律性（圖3）。圖3（a）中5 681～5 688 m深度段為巨晶方解石所充填，距離T74不整合面190 m，深側(cè)向電阻率值和淺側(cè)向電阻率值異常高，均大于20 000 Ω·m，其他測(cè)井曲線接近純灰?guī)r段曲線特征。圖3（b）中6 103～6 114 m深度段為暗河沉積物所充填，距離T74不整合面111.5 m，鉆井顯示為泥質(zhì)充填，深側(cè)向電阻率和淺側(cè)向電阻率均明顯減小，且二者差值明顯增大，密度明顯減小，自然伽馬、聲波時(shí)差、井徑均明顯增大，鈾、釷、鉀含量也均明顯增大。圖3（c）中5 856～5 884 m深度段為泥質(zhì)加底部垮塌角礫巖所充填，距離T74不整合面89 m，其中5 856～5 875 m深度段為泥質(zhì)充填特征；5 875～5 884 m深度段為垮塌角礫巖充填特征，深側(cè)向電阻率、淺側(cè)向電阻率、聲波時(shí)差、自然伽馬和補(bǔ)償中子測(cè)井曲線均波動(dòng)較大，呈鋸齒狀。

圖3 塔河地區(qū)不同充填類型洞穴測(cè)井響應(yīng)特征Fig.3 Logging response characteristics of karst caves with different fillings in Tahe area

2.1機(jī)械沉積巖充填物

對(duì)于塔河地區(qū)洞穴的鉆井取心，暗河沉積巖是該類充填物中最為常見的，其次是洞穴內(nèi)沉積的海岸碎屑巖。暗河礫巖的礫石成分主要為碎屑灰?guī)r和微晶灰?guī)r等，偶見鐘乳石碎片，略具磨圓度，分選性較差，略具定向或無定向排列；海岸碎屑巖的顆粒主要為陸源石英碎屑，缺乏灰?guī)r碎屑，充填物為方解石膠結(jié)物，且顆粒的分選性和磨圓度均較好，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較高①李國(guó)蓉.塔河油田奧陶系碳酸鹽巖古巖溶作用研究.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院，2002.。這說明充填顆粒并非源自碳酸鹽巖儲(chǔ)層內(nèi)部，而是由海侵過程中隨海水搬運(yùn)進(jìn)入洞穴的碎屑沉積而成。

2.2化學(xué)充填物

塔河地區(qū)洞穴的化學(xué)充填物主要包括巨晶方解石和鐘乳石，少量石膏和螢石。巨晶方解石厚度達(dá)0.7～7.0 m，其中可見縫合線構(gòu)造。塔河地區(qū)深埋巖溶洞穴內(nèi)鐘乳石較為普遍，而在其他盆地幾乎未發(fā)現(xiàn)。例如，在T403井、S66井、S71井和T416井部分井段均可見沉淀于洞穴內(nèi)的鐘乳石［15］；在S85井5 960.00～5 966.58 m和S99井6 171.72～6 178.05 m深度段均可見巨晶方解石，并保存有大量的有效空間，在S114井6 322.79～6 329.68 m深度段見一小型溶洞，高約10 cm，自下而上由化學(xué)沉淀的粒狀方解石層和鐘乳石狀方解石紋層構(gòu)成［16-17］。筆者在深入調(diào)研含鐘乳石鉆井的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)有鐘乳石發(fā)育的井位幾乎都位于海西早期古地貌巖溶高地（表1）。

表1 部分含鐘乳石鉆井的分布位置Table 1 Distribution of part of the drillings with stalactites

2.3垮塌角礫充填物

洞穴垮塌角礫巖是洞穴到達(dá)所承受的壓力極限時(shí)，洞穴頂板或洞壁發(fā)生原地破裂、堆積并成巖的產(chǎn)物。一般角礫巖的粒徑為0.5～1.0 cm，最大達(dá)數(shù)十厘米，分選性和磨圓度均差，且磨圓度為棱角—次棱角狀，呈雜亂堆積。礫石成分以碎屑灰?guī)r、微晶灰?guī)r和方解石晶體為主，膠結(jié)物為方解石、泥質(zhì)、泥晶碳酸鹽巖顆粒和碳酸鹽巖碎屑等。

3 深埋巖溶洞穴保存機(jī)制初探

盡管研究區(qū)內(nèi)大量洞穴被充填，但仍有少量洞穴得以保存。相對(duì)于其他地區(qū)的洞穴，研究區(qū)洞穴最突出的特征是埋藏深度大，然而關(guān)于其保存機(jī)制尚不清楚。筆者根據(jù)塔河地區(qū)深埋巖溶洞穴的分布特征和充填物特征推測(cè)出該區(qū)深埋巖溶洞穴的保存機(jī)制是潛流帶水力支撐作用。潛水面以下的洞穴飽含水，即水洞，對(duì)于支撐洞穴起到積極作用。一般而言，洞穴充填流體后產(chǎn)生的浮力可以承受40%的上覆地層壓力［18］，具體依據(jù)如下：

（1）深埋巖溶洞穴分布規(guī)律顯示充填洞穴主要集中于海西早期古巖溶高地，未充填和半充填洞穴主要分布于斜坡（參見圖2）。這可能說明潛水面以下的斜坡帶洞穴因飽含水而得以保存，潛水面以上的高地洞穴屬于干洞，洞穴處于包氣帶，失去了水動(dòng)力條件，而且高地風(fēng)化剝蝕程度相對(duì)強(qiáng)烈，使得巖石變脆、易碎，崩塌現(xiàn)象顯著（圖4）。

（2）洞穴內(nèi)的鐘乳石類化學(xué)充填物較常見，而且主要發(fā)育在巖溶高地，相對(duì)較少發(fā)育在斜坡帶。洞穴處于包氣帶時(shí)，在垮塌萎縮階段發(fā)生次生化學(xué)沉積，形成鐘乳石，而潛流帶則不會(huì)產(chǎn)生。這說明了巖溶高地包氣帶洞穴坍塌普遍，而斜坡潛流帶洞穴卻保存相對(duì)較好。

圖4 潛流帶水力支撐作用與洞穴保存機(jī)制模式圖Fig.4 The hydraulic support of undercurrent and preservation mechanism of burial caves

（3）洞穴內(nèi)可見的海岸碎屑顆粒并非來源于碳酸鹽巖儲(chǔ)層內(nèi)部，而是來源于外來海水。洞穴充填的水（流體）屬于潛水，而潛水面又與海平面升降有關(guān)，所以支撐洞穴保存的潛水實(shí)際上受控于海平面的變化。T74不整合面以下200 m深度段內(nèi)存在多個(gè)洞穴系統(tǒng)，也正好暗示了潛水面具有周期性變化。

隨著地層埋深逐漸加大，洞穴負(fù)荷不斷增大。若洞穴空間仍被水充填，則流體會(huì)承載部分負(fù)荷，洞穴相對(duì)不易垮塌（參見圖4）。因此，潛水面以下的水洞比干洞更有可能保存在地層深部。

4 結(jié)論

（1）塔河地區(qū)奧陶系洞穴屬于典型的深埋古巖溶洞穴系統(tǒng)。盡管垮塌和充填普遍，但是仍可探測(cè)到保存較為完好的半充填和未充填型洞穴，它們是研究區(qū)內(nèi)重要的油氣儲(chǔ)集體。

（2）鉆井、常規(guī)測(cè)井、成像測(cè)井以及地震等方法的聯(lián)合使用可有效識(shí)別深埋巖溶洞穴。塔河地區(qū)奧陶系深埋巖溶洞穴的充填類型分為機(jī)械沉積巖充填型、化學(xué)充填型和垮塌角礫充填型。

（3）巖溶高地充填程度相對(duì)于巖溶斜坡明顯偏高，伴隨垮塌的鐘乳石類次生化學(xué)沉淀多集中于巖溶高地，洞穴內(nèi)可見海岸碎屑顆粒以及不整合面以下200 m深度段內(nèi)存在多個(gè)洞穴系統(tǒng)等現(xiàn)象，均暗示了洞穴的保存與潛水面有關(guān)，因此推測(cè)出該區(qū)深埋巖溶洞穴的保存機(jī)制是潛流帶水力支撐作用。

［1］Kerans C.Karst-controlled reservoir heterogeneity in Ellenburger Group carbonates of West Texas［J］.AAPG Bulletin，1988，72：1160-1183.

［2］Loucks R G.Paleocave carbonate reservoirs：Origins，burial-depth modifications，spatial complexity，and reservoir implications［J］. AAPG Bulletin，1999，83：1795-1834.

［3］Loucks R G，Mescher P K，McMechan G A.Three-dimensional architecture of a coalesced，collapsed-paleocave system in the Lower Ordovician Ellenburger Group，central Texas［J］.AAPG Bulletin，2004，88：545-564.

［4］Hammes U，Lucia F J，Kearns C.Reservoir heterogeneity in karstrelated reservoirs：Lower Ordovician Ellenburger Group，west Texas［G］∥Stoudt E L.Precambrian-Devonian geology of the Franklin Mountains，west Texas-analogs for exploration and production in Ordovician and Silurian karsted reservoirs in the Permian basin. West Texas Geological Society，1996：99-115.

［5］Esteban M.Palaeokarst：Practical applications［G］∥Wright V P，Esteban M，Smart P L.Palaeokarsts and palaeokarstic reservoirs. Postgraduate Research for Sedimentology，University of Reading， PRIS Contribution 152，1991：89-119.

［6］肖玉茹，王敦則，沈杉平.新疆塔里木盆地塔河油田奧陶系古洞穴型碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征及其受控因素［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2003，17（1）：92-98.

［7］李仁江，盛謙，張勇慧，等.溶洞頂板極限承載力研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28（8）：1621-1625.

［8］孫銀行，連捷，武毅.巖溶含水介質(zhì)充填水和泥識(shí)別的地球物理勘查技術(shù)探討［J］.中國(guó)巖溶，2012，31（4）：459-464.

［9］韓革華，漆立新，李宗杰，等.塔河油田奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2006，27（6）：860-870.

［10］胡中平.溶洞地震波“串珠狀”形成機(jī)理及識(shí)別方法［J］.中國(guó)西部油氣地質(zhì)，2006，2（4）：423-426.

［11］葉勇，楊子興，李佩，等.碳酸鹽巖溶洞數(shù)值模擬及地震識(shí)別［J］.天然氣工業(yè)，2007，27（3）：43-45.

［12］李宗杰，王勤聰.塔河油田奧陶系古巖溶洞穴識(shí)別及預(yù)測(cè)［J］.新疆地質(zhì)，2003，21（2）：181-184.

［13］王者順，王尚旭，唐文榜.塔河碳酸鹽巖溶洞油藏的地震響應(yīng)及頻率差異分析［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2004，25（1）：93-96.

［14］唐文榜，劉來祥，樊桂芳，等.溶洞充填物判識(shí)的頻率差異分析技術(shù)［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2002，23（1）：41-44.

［15］陳鑫.塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)集體井下和露頭對(duì)比研究［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2010.

［16］智慧文.塔河油田奧陶系碳酸鹽巖測(cè)井儲(chǔ)層評(píng)價(jià)研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2006.

［17］于海波.塔河油田8區(qū)、10區(qū)奧陶系巖溶縫洞系統(tǒng)研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2007.

［18］White E L，White W B.Processes of cavern breakdown［J］.National Speleothem Society Bulletin，1969，31：83-96.

（本文編輯：涂曉燕）

圖版Ⅰ

（本文編輯：王會(huì)玲）

Characteristics and preservation mechanism of the Ordovician deep burial karst caves in Tahe area

LEI Chuan1，2，CHEN Honghan1，3，SU Ao3，HAN Shumin4
（1.Key Laboratory of Petroleum Resources Research，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；4.Bureau of Geophysics Prospecting Inc.，CNPC，Zhuozhou 072750，Hebei，China）

TheOrdoviciankarst caves in Tahe area are characterized deep buried depth,and they are the typical examples to study deep buried caves.The preservation mechanism is not clear.Based on drilling,logging and seismic data,this paper studied the recognition,distribution and fillings of deep burial paleokarst caves.The result shows that:①filling degree in highland is higher than that in slope relatively;②stalactite precipitation associated with collapseis is mainly inkarst highland;③clasticrockderivedfrombrinesediment isobservedincaves;④thereareseveral cavesystemsunder the unconformity within 200 m depth.All of these conclusions suggest that the preservation of caves is related to the ground water level.The preservation mechanism of deep buried karst caves may be the hydraulic support of undercurrent.

deepburiedkarstcaves；recognitionanddistribution；fillingfeatures；preservationmechanism；Tahearea

TE121.1+3

A

1673-8926（2014）02-0027-05

2013-09-03；

2013-10-10

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目“塔里木盆地構(gòu)造差異演化與下古生界油氣成藏過程”（編號(hào)：2012CB214804）和國(guó)家重大科技專項(xiàng)“深層油氣有效儲(chǔ)集體形成、分布規(guī)律與預(yù)測(cè)技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05008-003-30）聯(lián)合資助

雷川（1988-），男，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樘妓猁}巖儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)。地址：（730000）甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)東崗西路382號(hào)。電話：（0931）4960870。E-mail：leichuan1988@163.com。