塔河油田奧陶系古溶洞充填砂巖發(fā)育特征及成因——以塔河七區(qū)T615井為例

張文博，邵珠福，張英敏，田 飛，康 遜，李志誠

(1 中國石化勝利油田分公司東辛采油廠； 2 中國石油大學(華東)； 3 勝利石油管理局高級人才培訓中心)

塔河油田具有我國儲量規(guī)模最大的碳酸鹽巖巖溶縫洞型油藏。 目前，塔河油田的原油年產(chǎn)量已達700余萬噸，其中奧陶系產(chǎn)油量約占總產(chǎn)量的75%，但奧陶系巖溶縫洞型儲層的復雜性造成了原油采收率較低。為提高原油產(chǎn)量，迫切要求對儲層作精細的研究，使對儲層的研究由描述儲層分布轉(zhuǎn)向研究儲層內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 近年來，隨著鉆井和取心數(shù)量的增加，進一步認識到溶洞內(nèi)部充填物的特征對油藏的開發(fā)具有直接的影響。

塔里木盆地塔河油田奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層的形成演化，因受構(gòu)造條件、成巖環(huán)境、巖溶作用等的控制，表現(xiàn)出強烈的空間非均質(zhì)性［1］，它是一種極為復雜的儲層類型。 巖溶縫洞的充填物，包括地表—近地表的沉積和垮塌充填物，以及埋藏過程中的垮塌和化學充填物［2-4］。 很多學者對塔河油田碳酸鹽巖縫洞的充填物進行了類型劃分：肖玉茹等［5］劃分為化學淀積物、流水機械沉積物和重力崩塌堆積物三種；徐微等［6－7］則劃分出化學淀積巖相、搬運型巖相、垮塌型巖相和滲流充填相，共4大類9小類；張文博等［8］劃分出洞穴沉積物、垮塌角礫巖和化學充填物三類，其中洞穴沉積物主要是砂、礫石和黏土等。 任美鍔等［9］指出，形成于巖溶期地下暗河中的沉積物，可以是地表水向地下流動所攜帶的砂泥，也可以是溶洞垮塌的灰?guī)r塊，暗河水將各類碎屑物質(zhì)搬運并在某些區(qū)域沉積，沉積物經(jīng)過一定距離搬運，存在不同程度的分選和磨圓，有些還發(fā)育層理等沉積構(gòu)造。溶洞充填砂巖屬于洞穴沉積物的一種，這類沉積物在中國南方的現(xiàn)代溶洞中也見有廣泛發(fā)育［10－11］。 但目前針對古溶洞充填砂巖的研究多處在簡單描述階段，而對其儲層發(fā)育特征和形成機制的研究還較少。

不同充填程度的溶洞具有不同的油氣產(chǎn)能，未充填或半充填溶洞產(chǎn)能最好。如塔河四區(qū)S48井的產(chǎn)層為中—下奧陶統(tǒng)鷹山組上部的未充填型溶洞(洞頂距不整合面僅0.76 m，在鉆井過程中發(fā)生了強烈放空和鉆井液漏失)，自1997年投產(chǎn)以來，頭三年累計產(chǎn)原油50×104t以上［12］，此后連續(xù)自噴生產(chǎn)七年零九個月。 S48井單井產(chǎn)量如此之高且穩(wěn)定生產(chǎn)，在國內(nèi)絕無僅有，是塔河油田的“王牌井”。充填型溶洞的儲集特征取決于充填物的類型，而各類充填物中，以砂巖的儲集條件為最佳［5］，因此查明古溶洞充填砂巖的發(fā)育特征、儲集特性和形成機制，對研究塔河油田奧陶系剩余油分布和制定開發(fā)措施，以提高原油采收率，具有重要的意義。

本文在塔西北野外5處相似露頭區(qū)考察的基礎(chǔ)上，對塔北塔河油田12口井的中下奧陶統(tǒng)鷹山組的巖心進行了觀察，并開展20余口井的測井解釋分析，在綜合各種條件的基礎(chǔ)上，選取資料最豐富的塔河油田七區(qū)T615井古溶洞充填砂巖為重點對象來系統(tǒng)分析該類砂巖的發(fā)育特征并探討其形成機制。T615井鉆遇的溶洞高度達25 m（5 533.45～5 558.45 m井段，屬鷹山組)，溶洞中大部分被砂巖充填，且該井段全部取心，易于觀察，測井、薄片和孔滲分析等資料也比較充足。

1 塔河油田區(qū)奧陶系地質(zhì)特征

塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克庫勒凸起西南斜坡上，奧陶系由下而上分為下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組(O1p)、中下奧陶統(tǒng)鷹山組(O1-2y)、中奧陶統(tǒng)一間房組(O2yj)、上奧陶統(tǒng)恰爾巴克組(O3q)、良里塔格組(O3l)和桑塔木組(O3s)。 中—下奧陶統(tǒng)是一套質(zhì)純層厚的碳酸鹽巖臺地沉積，上奧陶統(tǒng)泥灰?guī)r和泥巖數(shù)量增加，變?yōu)樗樾汲练e與碳酸鹽巖沉積共存［12－13］。

受加里東中期和海西早期（晚泥盆世）構(gòu)造運動的影響，塔河油田區(qū)的奧陶系出露地表，發(fā)生強烈的大氣水巖溶作用（主要發(fā)生在海西早期），形成了規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復雜和充填特征多樣的巖溶縫洞系統(tǒng)，主要發(fā)育在鷹山組和一間房組。 主體區(qū)(四區(qū)、六區(qū)和七區(qū)) 上奧陶統(tǒng)和志留系—泥盆系被完全剝蝕，中、下奧陶統(tǒng)也不同程度缺失，鷹山組或一間房組直接與上覆石炭系巴楚組不整合接觸，志留系(柯坪塔格組)—泥盆系(東河塘組)及上奧陶統(tǒng)呈裙邊狀分布在西部和南部等圍斜地區(qū)［14］(圖1)。

圖1 塔河油田分區(qū)和奧陶系發(fā)育特征

2 充填砂巖的發(fā)育特征

2.1 塔西北野外露頭特征

相似地區(qū)的地質(zhì)特征類比是開展地質(zhì)研究的常用方法，野外露頭的考察結(jié)果和認識可有效指導地下地質(zhì)問題的解決。 我們在研究塔河油田深層奧陶系儲層時也采用了這一方法——選擇具有相似地質(zhì)特征的塔里木盆地西北部柯坪—巴楚地區(qū)的奧陶系露頭為研究對象。該地區(qū)奧陶系露頭廣泛發(fā)育古巖溶，其發(fā)育特征與塔河油田奧陶系的特征基本相似，在加里東運動中期發(fā)生強烈的大氣水巖溶作用，鷹山組和一間房組為巖溶主要發(fā)育層位。到燕山晚期前，該地區(qū)與塔河地區(qū)地質(zhì)演化基本一致，不同的是，在喜馬拉雅期，柯坪—巴楚地區(qū)奧陶系急劇抬升，形成良好露頭，而塔河地區(qū)奧陶系則深埋地下成為優(yōu)質(zhì)油氣儲層［15－16］。

對塔西北5個奧陶系（鷹山組或一間房組）露頭溶洞充填的考察點，包括硫磺礦、硫磺3號溝、一間房南7km溝、五道班、西克爾（314國道1310.4km溝）等地（圖2）。其中在硫磺溝、一間房南7km溝和西克爾三地露頭發(fā)現(xiàn)6個砂泥巖充填溶洞，溶洞的規(guī)模大小不一，以硫磺3號溝大型砂泥巖充填溶洞為最大，也最為典型。硫磺3號溝溶洞高約5m，寬約4.2m，洞內(nèi)被灰綠色泥質(zhì)粉砂巖與棕黃色砂質(zhì)泥巖互層充填（圖3）。溶洞中的沉積物顆粒細且呈水平狀，說明沉積時暗河水流強度不大，而今溶洞中的砂泥巖層彎曲變形，推測是區(qū)域構(gòu)造運動導致巖層產(chǎn)狀發(fā)生變化。 此外，砂泥巖層上部和下部還存在垮塌角礫巖，角礫巖間隙充填了砂泥，因而認為巖溶期溶洞垮塌也是導致砂泥巖層變形的原因之一。

圖2 塔西北露頭區(qū)地層發(fā)育特征及考察點位置

2.2 塔河油田巖心和測井特征

圖3 塔西北露頭區(qū)硫磺3號溝被砂泥巖充填的溶洞特征O2 yj 一間房組

考察區(qū)其它露頭的充填砂巖主要出現(xiàn)在溶洞底部，是溶洞演化初期的產(chǎn)物，溶洞中的其它部分多為垮塌角礫巖或多類型的化學充填物充填［7］。

塔河七區(qū)T615井5 533.45～5 558.45 m段的鷹山組古溶洞主要被砂巖和垮塌角礫巖所充填（圖4），據(jù)分析，溶洞中的充填物為海西早期（D3）產(chǎn)物。該段全部取心，所以能夠觀察到全段的充填砂巖和垮塌角礫巖的發(fā)育特征以及二者的組合關(guān)系。

據(jù)巖心觀察，該層頂部為揉皺狀灰綠色與褐色細砂巖互層，含垮塌的灰?guī)r角礫，砂泥質(zhì)充填于破碎的角礫之間(圖4a)。 上部為灰綠色細砂巖與褐色細砂巖，呈細層狀，細層厚約5 mm，少量斑塊狀、脈狀，局部見揉皺構(gòu)造，形成簡單小褶曲或復雜的揉皺(圖4b)。 中下部為綠灰色細砂巖和角礫巖的交替出現(xiàn)，砂巖分選好，但磨圓較差，棱角狀—次棱角狀，較疏松，具平行層理，局部見槽狀交錯層理和不明顯斜層理，角礫巖規(guī)模大小不一(圖4c)。這些特征與硫磺3號溝砂巖充填溶洞具有很大的相似性。 巖心上很多地方都達到油斑—油浸級別，表現(xiàn)出良好的含油氣特征。 另外，砂巖屬于方解石膠結(jié)（滴鹽酸放泡劇烈），認為這種現(xiàn)象與砂巖形成于碳酸鹽巖溶洞中有關(guān)。

圖4 塔河油田T615井奧陶系鷹山組溶洞充填特征

塔河油田奧陶系鷹山組和一間房組是質(zhì)純層厚的碳酸鹽巖，因此在發(fā)育的溶洞中一旦充填大規(guī)模的砂巖，在測井資料上則會有明顯的異常響應(yīng)，即砂巖充填段與未發(fā)生巖溶作用的碳酸鹽巖段在測井響應(yīng)上截然不同。在成像測井上，砂巖因電阻率較低而呈現(xiàn)深黑色特征，有的可看到明顯層理現(xiàn)象，在與角礫巖混雜區(qū)，則灰?guī)r呈現(xiàn)出亮色的塊狀，間隙則是深色［17］。砂泥充填物形成于地下河中，泥質(zhì)含量相對高，所以自然伽馬(GR) 值特別高，放射性測井鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)值同樣很高；深淺雙側(cè)向電阻率(RD和RS)值明顯降低且幅度差明顯（一般小于50 Ω·m），反映孔隙度的聲波時差（AC）和中子（CN）測井值明顯增大［18］（圖5）。 此外，由于砂泥巖較碳酸鹽巖密度小，所以密度測井(DEN) 值明顯降低（較純的砂泥巖密度約為2.65 g/cm3）。 以上充填砂巖測井響應(yīng)都明顯區(qū)別于溶洞外比較純的灰?guī)r(較純灰?guī)r的測井曲線通常比較平直)，所以利用測井資料比較容易識別出充填砂巖。

3 充填砂巖的儲集性

3.1 巖石學特征

T615井溶洞的充填砂巖中，礦物分選很好，但磨圓相對較差，為棱角狀—次棱角狀，顆粒間呈點或線接觸關(guān)系，在鏡下十分明顯。 通過該井12塊巖心的巖礦分析數(shù)據(jù)（表1）可以看出，雜基含量普遍小于10%，主要為2%～3%，屬于凈砂巖類。 三端元圖（圖6）中，石英相對含量75%～96%，巖屑相對含量3%～23%，長石相對含量1%～5%(表1)，參照碎屑巖命名準則［19］，將該井古溶洞充填砂巖命名為亞巖屑砂巖和石英砂巖。

表1 塔河油田T615井古溶洞充填砂巖的巖礦分析

圖5 塔河油田T615井鷹山組古溶洞充填砂巖剖面段巖性和常規(guī)測井響應(yīng)特征

3.2 孔隙特征

T615 井古溶洞的充填砂巖以原生粒間孔隙為主，其次是次生溶蝕孔隙和裂縫(圖7)。 由于分布在溶洞中，圍巖相對致密堅硬，雖然埋深大于5 500 m，但洞內(nèi)砂巖壓實作用仍然相對較弱，使得原生孔隙大量保留。由于溶洞是地下流體的最易流動的通道，且充填砂巖屬于鈣質(zhì)膠結(jié)，因此在后期的油氣充注過程中，酸性流體對砂巖也會造成一定的溶蝕，形成次生孔隙［20］。其中，碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕的孔隙是本區(qū)次生孔隙主要貢獻者，其次是長石的溶蝕，石英和巖屑溶蝕較少。

3.3 孔－滲特征

圖6 塔河油田T615 井鷹山組古溶洞充填砂巖巖石組分三角圖

古溶洞的充填砂巖具有極高的孔隙度和滲透率。 從圖8 可以看出，絕大部分T615 井溶洞充填砂巖樣品的孔隙度大于10%，最高達20%，滲透率大于5×10-3μm2，最高達60×10-3μm2，具有很好的油氣儲滲性能，且兩者存在很好的指數(shù)關(guān)系。因此在致密的碳酸鹽巖背景之下，古溶洞充填砂巖是一種極好的油氣儲集體，它可成為研究剩余油分布和提高采收率技術(shù)的重點對象。

圖7 塔河油田T615 井鷹山組古溶洞充填砂巖鏡下儲集空間

圖8 塔河油田 T615 井鷹山組古溶洞充填砂巖孔隙度—滲透率關(guān)系曲線

4 充填砂巖的形成機制

4.1 砂巖來源分析

在一般巖溶環(huán)境下，暗河搬運的物質(zhì)大多是砂泥質(zhì)和灰?guī)r礫石，很難在25 m 高溶洞內(nèi)的大部分空間中充填如此純凈的砂巖，因而認為T615 井的古溶洞充填砂巖可能與一般暗河沉積的砂泥巖有一定的差別。結(jié)合研究區(qū)巖溶背景和前人分析，認為塔河七區(qū)T615 井大型古溶洞充填砂巖與塔里木盆地廣泛分布的上泥盆統(tǒng)東河塘組“東河砂巖”屬于同類。

“東河砂巖”是塔里木盆地晚泥盆世—早石炭世一套穿時的巖石地層單元，它為一套結(jié)構(gòu)和成分成熟度都很高的以海相巖屑石英細砂巖為主的濱岸沉積體，儲集性能很好，分布較廣，在塔北和塔中地區(qū)均有分布。1990 年7 月在塔北隆起東河塘斷裂帶的東河砂巖段獲得高產(chǎn)油流，從而發(fā)現(xiàn)了我國第一個高產(chǎn)高豐度海相砂巖油田［21］。

結(jié)合顧家裕［22］提供的東河塘油田DH1井東河砂巖的礦物分析數(shù)據(jù)，與塔河油田T615井古溶洞充填砂巖進行巖礦對比，發(fā)現(xiàn)它們的特征十分相似，都屬于亞巖屑砂巖和石英砂巖(表2，圖6）。 另外，由于東河砂巖屬于海相沉積，所以推測T615井古溶洞充填砂巖也應(yīng)呈現(xiàn)出一定的海相特征。 劉顯鳳等［23］分析了塔河油田溶洞內(nèi)充填砂巖的微量元素和稀土元素，認為其沉積環(huán)境具有海水和淡水混合特征，它們與東河砂巖表現(xiàn)出一定程度的同源性。

另外，在晚泥盆世東河塘期，塔河油田主體區(qū)仍然出露地表，處于剝蝕階段，但是東河塘組的沉積邊界應(yīng)該能夠到達這一區(qū)域，因為前人的研究認為，現(xiàn)今的東河塘組的尖滅線屬于剝蝕尖滅線［24］，位于塔河油田西部，與T615 井相距并不遠（見圖1）。 從這一點來看，雖然沉積邊界仍然沒有確定，但是結(jié)合上述巖礦和元素分析，認為T615 井就位于東河塘組砂巖沉積區(qū)或邊緣地帶，而在溶洞內(nèi)充填的砂巖就是東河塘組無障壁海岸砂。

表2 塔河油田T615 井古溶洞充填砂巖與東河塘油田東河砂巖特征對比

4.2 充填過程

溶洞的沉積充填物主要包括兩種： 一是充填物來自地表，跟隨地面河水通過深入地下的裂縫、小型漏斗或天坑等垂直通道進入地下，這屬于外源物質(zhì)；二是溶洞在不同程度垮塌后形成的大量灰?guī)r塊充填在溶洞內(nèi)，這屬于內(nèi)源物質(zhì)。無論外源物質(zhì)還是內(nèi)源物質(zhì)，在溶洞內(nèi)都可以隨暗河水在經(jīng)過一定距離的搬運后，在合適的地方堆積下來。前述的特征分析表明，T615 井古溶洞充填砂巖屬于外源物質(zhì)，是由地表進入溶洞的。

T615 井大型古溶洞形成于海西早期 （晚泥盆世）大氣水巖溶階段，因上覆的中、上奧陶統(tǒng)已被全部剝蝕，古溶洞距頂部奧陶系/石炭系不整合面僅有12 m。 東河塘組沉積階段，T615 井區(qū)位于沉積范圍內(nèi)，海岸砂可以是通過垂直的巖溶裂縫或漏斗直接灌入地下暗河溶洞中，也有可能是海岸砂在其它地區(qū)進入地下暗河，經(jīng)過一段距離的搬運，然后在T615 井溶洞中停止搬運而堆積下來。

4.3 分布預測

通過砂巖來源和充填過程分析，認為塔河七區(qū)T615 井附近也應(yīng)該存在相似的砂巖充填溶洞。通過鉆井和測井曲線分析，發(fā)現(xiàn)TK631 井、TK632 井、TK730 井和TK734 井中都存在此類砂巖，砂巖規(guī)模大，厚度為16～24 m，由此印證了上述推斷的合理性。這些井之間相距不過幾百米，通過振幅變化率（圖9a）等地震屬性的提取，發(fā)現(xiàn)這幾口井都位于高振幅變化率區(qū)上，且井與井之間可以連接，由此推測這幾口井的溶洞之間是互相連通的(圖9b)。

由于塔河油田中下奧陶統(tǒng)鷹山組和一間房組是最主要的溶洞發(fā)育部位，溶洞數(shù)量多、規(guī)模大，因此推測塔河油田鷹山組—一間房組出露區(qū)與上泥盆統(tǒng)東河塘組東河砂巖沉積區(qū)交叉地帶的淺層溶洞內(nèi)都有可能充填了這類砂巖。

圖9 塔河油田七區(qū)推測溶洞展布圖

要分析充填有東河砂巖的溶洞分布，首先必須查明東河砂巖的沉積邊界，其次是要分析奧陶系內(nèi)部溶洞的展布范圍。充填的砂泥物質(zhì)進入溶洞之后，可能會經(jīng)過一段距離的搬運，并在溶洞沿途很多地方沉積分布，因此查明溶洞展布也是分析砂巖分布的條件，尤其是那些距不整合面較近的表層溶洞，最易發(fā)生充填。

另外，砂巖堆積部位會受巖溶地貌的強烈控制，巖溶地貌的轉(zhuǎn)換地帶往往是沉積物容易堆積的部位。夏日元等［25］在塔河油田四區(qū)、六區(qū)和七區(qū)劃分出巖溶高地、巖溶斜坡(上)、巖溶斜坡(下)和巖溶山間盆地四類二級前石炭紀古地貌，其中T615 井就位于巖溶斜坡(上)和巖溶斜坡(下)的轉(zhuǎn)換區(qū)，在該井及周圍區(qū)域都發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模充填砂巖。因此，在下一步的細致研究中，必須加強微地貌的研究，即三級古地貌的研究，以及微地貌與溶洞之間充填關(guān)系的研究，這也是研究充填砂巖分布的重要方面。

5 結(jié) 論

（1）塔河油田廣泛分布奧陶系巖溶縫洞。 以T615井大型溶洞為典型代表的充填砂巖特征和成因分析表明，塔河油田奧陶系古溶洞中的充填砂巖為亞巖屑砂巖和石英砂巖，石英含量高，分選較好，結(jié)構(gòu)成熟度高，孔隙以原生孔隙為主，溶蝕孔隙和裂縫次之，孔隙度和滲透率值都很高，是極好的油氣儲集體。

（2）塔河油田奧陶系古溶洞中的充填砂巖是晚泥盆世東河塘期由無障壁海岸砂灌入地下暗河溶洞形成的。

（3）確定塔河地區(qū)上泥盆統(tǒng)東河塘組東河砂巖的沉積邊界、奧陶系古溶洞的展布以及前石炭紀微古地貌特征，是查明古溶洞充填砂巖分布的重要途徑。

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