塔河油田奧陶系古徑流巖溶帶垮塌充填特征

金 強，田 飛，魯新便，康 遜

[1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580； 2.中國科學院 地質地球物理研究所，北京 100029；3.中國石化 西北分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011]

塔河油田奧陶系古徑流巖溶帶垮塌充填特征

金 強1，田 飛2，魯新便3，康 遜1

[1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580； 2.中國科學院 地質地球物理研究所，北京 100029；3.中國石化 西北分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830011]

巖溶縫洞是塔河油田主要儲集空間，但是它們70%以上的空間被地下河沉積砂泥和洞穴垮塌角礫等物質所充填，其中垮塌角礫約占30%。研究這些垮塌角礫的形成和分布對于巖溶儲層地質學具有重要意義。通過野外考察、巖心觀察以及測井和地震資料分析，發(fā)現(xiàn)徑流巖溶帶垮塌角礫大小、形態(tài)不一，而且與地下河砂泥沉積呈互層出現(xiàn)，顆粒較小的垮塌角礫有被搬運跡象；洞穴規(guī)模越大(如廳堂洞和干流洞)、越靠近活動性斷層的溶洞和表層巖溶帶的溶洞，垮塌角礫巖堆積厚度越大；顆粒較小的(<2 cm)垮塌角礫巖孔滲性差，顆粒較大者可具有較好的儲集性能和含油性，后者構成了塔河油田巖溶縫洞儲層的一部分。

縫洞；垮塌角礫巖；徑流巖溶帶；奧陶系；塔河油田

塔河油田位于塔里木盆地沙雅隆起中段的高部位，是我國發(fā)現(xiàn)的石油儲量最大、產量最高的碳酸鹽巖油田，其原油主要產自奧陶系巖溶儲層[1-3]。該儲層是塔北隆起發(fā)育期(晚加里東期—早海西期)奧陶系灰?guī)r經歷了長期的巖溶作用，形成的大面積巖溶縫洞等儲集空間[4-5]，其中塔河油田主體區(qū)奧陶系灰?guī)r內發(fā)育了完善的表層巖溶帶、滲流巖溶帶、徑流巖溶帶和潛流巖溶帶[6-8]。經過20多年的開發(fā)，發(fā)現(xiàn)徑流巖溶帶縫洞儲集空間大，是塔河油田原油儲量和產量的主體[9-10]。

徑流帶縫洞發(fā)育數(shù)目多、空間結構十分復雜，國內外學者進行了地質、地球物理和地球化學等多方面的研究[11-13]，提出了各種成因演化模式和成因結構[14-16]，還對縫洞充填特征提出了不同機制和充填模式[17-19]，尤其是巴楚-柯坪隆起奧陶系古巖溶露頭的考察[20-21]，對認識塔河油田縫洞形成和儲層特征具有很好的指導意義。作者跟蹤國內外研究趨勢，通過野外考察、樣品分析和綜合研究，針對塔河油田奧陶系巖溶縫洞形成過程，提出了不同巖溶帶的縫洞結構模式[8]、縫洞充填物類型識別及其分布規(guī)律，并且論述了沉積充填物[22]和化學充填物[23]特征及形成過程。通過對塔河油田主體區(qū)徑流巖溶帶的研究，發(fā)現(xiàn)其中垮塌角礫在縫洞碎屑充填物中占30%以上，但是變化范圍非常大(20%～100%)，含油性也差別很大，所以研究它們的分布規(guī)律、形成控制因素以及它們的儲集物性具有豐富巖溶儲層地質理論的意義。

1 徑流巖溶帶縫洞垮塌充填物特征

位于塔北隆起帶西部的巴楚隆起發(fā)育良好的奧陶系古巖溶露頭。硫磺溝地區(qū)出露的一個古溶洞應該是徑流巖溶帶溶洞(圖1a)[21]，因為該洞下部為地下河徑流沉積充填砂泥(圖1b)，左上角為垮塌角礫充填物(圖1c)，該垮塌角礫為洞頂原地垮塌、具有原巖的成層性，但是碎裂作用明顯。

塔河油田主體區(qū)(4區(qū)、6區(qū)和7區(qū))鉆井揭示了奧陶系比較完善的表層巖溶帶、滲流巖溶帶和徑流巖溶帶[7-8]。徑流巖溶帶的溶洞主要是地下河溶蝕作用形成的，由廳堂洞、干流洞、支流洞和末梢洞組成[8-22]。

廳堂洞規(guī)模大(鉆井揭示的洞高一般大于15 m，最寬可達2 km以上)，充填物類型多。例如T403井在埋深5 487.4～5 554.4 m鉆遇洞高67 m的廳堂洞，由巖心和測井解釋證實，該廳堂洞完全被垮塌角礫-沉積砂泥所充填，呈現(xiàn)出10個韻律(圖2a，圖1d—h)。

這是典型的周期性巖溶動力學事件：降雨量較大時，地表河攜帶大量泥砂通過落水洞等進入徑流帶地下河，形成地下河砂泥沉積[22,24-25]，同時溶洞周緣溶蝕作用強烈；在降雨量減小時，徑流帶地下河作用減弱或斷流，潛水面下降造成溶洞頂板抗壓強度降低，使得洞頂垮塌，形成垮塌角礫堆積?？逅堑[具有磨圓現(xiàn)象(圖1f,g)。這種磨圓有兩種可能：一是垮塌角礫被地下河搬運而磨圓；另一種認為是垮塌之前被巖溶水淋濾的結果。

干流洞(洞高為5～15 m)也常見垮塌角礫與沉積砂泥間互充填的現(xiàn)象(圖2b)，該干流洞頂部還有1.5 m未被充填。

一些小型溶洞(包括洞高為0.5～5 m的支流洞和洞高小于0.5 m的末梢洞)垮塌角礫充填比沉積砂泥充填多，而且會有方解石等化學充填物。例如S64井在埋深5 499.3～5 500.4 m鉆遇到一個支流洞，大部分被垮塌角礫充填，頂部充填巨晶方解石(圖2c)。

野外露頭和成像測井可以看到很大的垮塌角礫(圖1a)，巖心上觀察到的垮塌角礫一般不超過5 cm(圖1d—h)，而且本身具有很多的溶蝕裂縫，角礫間或裂縫內常見砂泥充填物，還有一些化學膠結物，可能具有較好的儲集性能。

2 徑流巖溶帶垮塌充填物形成的控制因素

通過塔河主體區(qū)的160余口探井及相關測井和地震資料綜合解釋，發(fā)現(xiàn)靠近斷層和落水洞的部位垮塌角礫比較發(fā)育[8]，此外，如果原巖為薄層灰?guī)r，也容易形成垮塌角礫。

圖1 巴楚隆起露頭和塔河油田巖心觀察到的奧陶系徑流巖溶帶垮塌充填物特征

圖2 塔河油田鉆遇的徑流巖溶帶溶洞沉積砂泥和垮塌角礫充填特征

許多學者發(fā)現(xiàn)奧陶系巖溶期前有些斷層開始發(fā)育,而更多斷層是巖溶期發(fā)育的，還有少量斷層是巖溶期后發(fā)育的[26-27]。作者發(fā)現(xiàn)巖溶期的斷層規(guī)模不是很大(斷距<100 m)[8,16]，但是對巖溶作用具有明顯控制作用：斷層控制表層巖溶帶的地表河和落水洞的發(fā)育、控制滲流帶的滲流井和駐水洞發(fā)育，控制徑流帶地下河的走向和廳堂洞的發(fā)育，廳堂洞與落水洞往往發(fā)育在兩條斷層交叉處[8]。TK423井在埋深5 573.0～5 575.6 m處鉆遇一個支流洞，被三期垮塌角礫完全充填(圖3a)，地震資料解釋表明，該支流洞緊靠一條斷層(圖3b)，該斷層切割了巖溶上下地層，說明巖溶期有活動[17]，所以造成附近溶洞垮塌充填。

巖溶型碳酸鹽巖油田的開發(fā)，常把連通的縫洞稱為縫洞單元[28]。本文作出了T615井縫洞單元內部垮塌角礫充填物的等厚圖(圖4a)[29-30]，可以看出，T615井—TK730井一帶為一個廳堂洞，垮塌角礫巖厚度在TK730井附近厚度最大(達9 m)；TK632井為支流洞，垮塌角礫厚度不足3 m；TK632井北東方向為干流洞，垮塌角礫厚度可達5 m，其他地方垮塌角礫厚度基本在4 m以下(圖4a)。T615井鉆在該廳堂洞靠近邊緣位置，垮塌角礫厚度不足4 m，在成像測井上明顯看出角礫形態(tài)(圖4b)。

實際上，T615—TK730井一帶廳堂洞附近的斷層比較發(fā)育(圖4c)，而且TK730井附近斷層更多一些，所以該井附近的垮塌角礫厚度也大一些，尤其是TK730井東側斷層發(fā)育，垮塌作用還造成地震上的竄珠反射。雖然這些斷層的斷距不大，但是都是在巖溶期活動，所以對于垮塌角礫的形成起到直接控制作用。

圖3 塔河油田T423井地層綜合柱狀圖(a)及過該井地震剖面(b)

受巖溶作用的碳酸鹽巖單層厚度與產狀也對垮塌角礫形成起控制作用。例如，湖南張家界附近的黃龍洞是經受巖溶作用的石炭系-二疊系灰?guī)r組成，供游人參觀的區(qū)域主要是徑流巖溶帶的廳堂洞和部分干流洞。廳堂洞規(guī)模很大(洞高可達140 m)，垮塌角礫在廳堂洞內堆積如山，其原因是石炭系—二疊系主要薄層灰?guī)r與泥巖互層，在斷層和巖溶作用下非常容易垮塌。而塔河油田奧陶系灰?guī)r均為厚層塊狀灰?guī)r，泥巖夾層也很少，所以垮塌規(guī)模及廳堂洞規(guī)模不如黃龍洞的大。

然而，徑流巖溶帶距奧陶系剝蝕面的深度可能對垮塌角礫形成具有一定的相關性。塔河油田4區(qū)在巖溶期處于較高部位，徑流巖溶帶距表層巖溶帶最淺的地方只有十幾米，廳堂洞內的垮塌角礫厚度可超過20 m；7區(qū)的T615井縫洞單元徑流巖溶帶距表層巖溶帶超過150 m，廳堂洞垮塌角礫厚度最大9 m。因此，徑流巖溶帶深度越小垮塌角礫形成的概率越大。

3 徑流巖溶帶垮塌角礫的儲集性能

徑流巖溶帶充填的砂質沉積物具有較好的孔隙度和滲透率，成為塔河油田良好的含油層和產層[22,25]。盡管這些砂質沉積物埋藏深度大于5 300 m，發(fā)生了膠結作用，但是受到的壓實作用很弱，保持了較多的原生孔隙，所以儲集性能較好。垮塌角礫與此類似，除了埋藏期的膠結作用以外，壓實作用很弱，也應該具有較高孔滲性，但是孔滲性是有變化的(圖4b)。

實際上，塔河油田徑流帶充填的垮塌角礫是和沉積砂泥質混合堆積而成，由于不同的排列方式和角礫巖本身磨圓的差異性，造成僅用測井聲波時差來擬合垮塌角礫巖的孔隙度會出現(xiàn)問題。根據(jù)巖心觀察和描述，發(fā)現(xiàn)垮塌角礫巖具角礫支撐結構，細粒碳酸鹽巖碎屑或沉積砂泥質充填角礫間，對其儲集性和滲流性影響很大。研究表明，密度測井和聲波時差與角礫巖間充填物含量關系密切，故建立孔隙度及滲透率評價方程如下[29]：

(1)

K=0.003 5e0.239Φ-0.045Vsh+3.53

(2)

式中：ρb為密度測井值，g/cm3；Δt為聲波時差值，μs/ft；Vsh為泥質含量，%。

對比驗證T403和S67等8口取心井垮塌角礫巖，計算孔隙度與實測孔隙度，相關系數(shù)為0.91(圖5a)；垮塌角礫巖滲透率與孔隙度正相關，但不是線性關系，例如T615井在取心段埋深5 548～5 550 m為典型的垮塌角礫巖，聲波時差就存在明顯的周波跳躍的特征，而實測孔隙度并不高，為此我們引入了泥質含量(Vsh)，再對垮塌角礫巖的滲透率進行擬合，取得了較好的效果(圖5b)。

圖4 塔河油田T615縫洞單元垮塌角礫厚度分布和測井、地震剖面特征

圖5 塔河油田縫洞垮塌角礫巖計算孔隙度與實測孔隙度關系(a)及滲透率與孔隙度關系(b)

圖6 塔河油田奧陶系徑流巖溶帶垮塌角礫充填物孔隙度和滲透率直方圖

在徑流巖溶帶充填物識別的基礎上[29]，利用公式(1)和(2)進行了塔河油田主體區(qū)的垮塌角礫儲集物性評價，結果按照廳堂洞、干流洞和支流洞等成因類型分別統(tǒng)計(圖6)。與一般砂巖儲層相比，徑流巖溶帶垮塌角礫巖多數(shù)物性是比較差的，其孔隙度小于8%，滲透率小于100×10-3μm2(圖6a—c)；但是值得重視的是，約半數(shù)垮塌角礫巖物性是好的，即孔隙度為12%～20%，滲透率為(100～1 000)×10-3μm2，本身具有溶蝕孔縫或者碎裂縫；孔隙度大于20%、滲透率大于1 000×10-3μm2的數(shù)量很少，可能是角礫本身溶蝕縫洞就很發(fā)育所致?？傮w看，廳堂洞物性較好的垮塌角礫巖數(shù)量多，其孔隙度中值為16%～18%、滲透率中值為(500～1 000)×10-3μm2；干流洞和支流洞物性較好的垮塌角礫巖孔隙度中值為14%～16%，支流洞垮塌角礫巖的物性相對干流洞也要差一些。通過巖心對比，發(fā)現(xiàn)孔滲性很差的垮塌角礫一般具有搬運磨圓現(xiàn)象(圖1d)，角礫直徑小于2 cm(圖1h)，它們與沉積砂泥共生、呈雜基支撐結構[31]，所以物性差。而顆粒很大的垮塌角礫，在垮塌前遭受淋濾溶蝕，本身就發(fā)育大量溶蝕孔縫，徑流巖溶帶埋藏以后沒有明顯的壓實作用，從成像測井看角礫間的膠結物也不多(圖4b)，因此孔滲性比較好。

識別出的末梢洞垮塌角礫巖數(shù)量少，沒有進行統(tǒng)計。

4 結論

1) 垮塌角礫巖在徑流巖溶帶廣泛分布，在廳堂洞和干流洞等比較大型的地下河通道內往往與沉積砂泥巖呈互層分布，在支流洞和末梢洞等規(guī)模小的溶洞內常常僅發(fā)育垮塌角礫巖?？逅堑[有一定的磨圓現(xiàn)象，一是由地下河短距離搬運造成；二是垮塌前淋濾和溶蝕作用造成。

2) 從T403井等大型廳堂洞來看，降雨量大時徑流帶溶洞以沉積砂泥充填為主，降雨量減小時可能以垮塌角礫充填為主，從而造成垮塌角礫巖與沉積砂泥巖互層現(xiàn)象。溶洞規(guī)模越大、越靠近活動斷層、徑流帶距表層巖溶帶越近，垮塌角礫巖堆積越多。

3) 顆粒較小的角礫(<2 cm)多數(shù)有一定的搬運作用，它們與沉積泥砂共生，物性差(孔隙度<10%、滲透率<100×10-3μm2)；顆粒較大的角礫本身發(fā)育溶蝕孔縫，角礫間的膠結作用比較弱，而且徑流帶充填的碎屑物質所受壓實作用弱，因此部分垮塌角礫巖具有較好儲集物性，孔隙度可達16%～18%、滲透率可達(500～1 000)×10-3μm2，是值得關注的巖溶儲集體的一種類型。

致謝：本文受到中國石油化工集團公司李陽院士和康玉柱院士的指導，受到中國石化勘探開發(fā)研究院和西北分公司勘探開發(fā)研究院開發(fā)地質所的支持和幫助，在此一并表示衷心感謝。

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(編輯 張玉銀)

Characteristics of collapse breccias filling in caves of runoff zone in the Ordovician karst in Tahe oilfield,Tarim Basin

Jin Qiang1,Tian Fei2,Lu Xinbian3,Kang Xun1

(1.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China;2.InstituteofGeologyandGeophysics,AcademiaSinica,Beijing100029，China;3.ExplorationandDevelopmentInstitute,NorthwestBranch,SINOPEC,Urumqi,Xinjiang830011,China)

Fractures and vugs are the major reservoir spaces in Tahe oilfield,but more than 70% of their spaces were filled by underground river sediments and cavern-roof collapse breccias,of which the latter accounts for over 30% in the cavern fillings.It is of great significant for reservoir geology of karst carbonates to study the formation and distribution of the collapse breccias.Combined with investigations on the Ordovician karst outcrops,observations of core samples and interpretations on well logging and seismic data,it was found that the collapse breccias are various in sizes and shapes in which small size of the breccias are transported by underground river and interbedded with sedimentary debris layers in caverns.The larger the caverns were(such as chamber caverns and main channel caverns)and the closer to active faults and epi-karst zone,the larger the thickness of the collapse breccias are.Porosities and permeabilities of the collapse breccias are low when the grain size of the breccias is smaller than 2cm.The breccias with bigger grain size would have better reservoir physical property and oil-bearing property,and thus should be one part of reservoir rocks in Tahe oilfield.

fracture-vug,collapse breccias,runoff zone,Ordovician,Tahe oilfield

2014-12-13;

2015-03-18。

金強(1956—)，男，博士、教授，油氣地質。E-mail:jinqiang@upc.edu.cn。

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2011CB201001)；中國石化科技項目(P11090)。

0253-9985(2015)05-0729-07

10.11743/ogg20150503

TE122.2

A