地下暗河溶洞系統(tǒng)特征描述及地質(zhì)建模
——以塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)為例

高翔，馬青，曹康，宋倩，董旭江

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500）

地下暗河溶洞系統(tǒng)特征描述及地質(zhì)建模
——以塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)為例

高翔，馬青，曹康，宋倩，董旭江

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500）

塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖的主要油氣產(chǎn)層為巖溶縫洞型儲(chǔ)層，通過巖心觀察、薄片鑒定，并根據(jù)錄井、測(cè)井、地震和生產(chǎn)資料等，針對(duì)該儲(chǔ)層建立了地下暗河溶洞系統(tǒng)的地質(zhì)概念模型，總結(jié)出地下暗河溶洞識(shí)別的3種地震反射特征：片狀反射、雜亂反射和弱反射。根據(jù)該地質(zhì)概念模型進(jìn)一步提出了哈拉哈塘地區(qū)潛山圍斜區(qū)的巖溶水循環(huán)模型和圈閉聚油模型，可以從理論上較好地解釋該地區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)情況。地下暗河溶洞系統(tǒng)地質(zhì)概念模型的建立，將為哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖巖溶縫洞型儲(chǔ)層的油氣勘探開發(fā)的快速推進(jìn)、儲(chǔ)量產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)提供地質(zhì)基礎(chǔ)保證。

碳酸鹽巖；巖溶縫洞型儲(chǔ)層；地下暗河溶洞系統(tǒng)；奧陶系；哈拉哈塘地區(qū)

0 引言

塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)奧陶系海相碳酸鹽巖不僅厚度大、分布廣、類型多，而且經(jīng)歷了多旋回和多期次重大的構(gòu)造作用與成巖作用的改造，導(dǎo)致其儲(chǔ)層的形成與演化過程發(fā)生多次變化［1］。前人研究表明［2-5］，奧陶紀(jì)塔里木盆地處于克拉通邊緣坳拉槽發(fā)展階段［6］，中、西部廣大地區(qū)發(fā)育淺海鑲邊碳酸鹽巖臺(tái)地，堆積了1 000多米厚的海相碳酸鹽巖［7］。其中塔北哈拉哈塘地區(qū)古潛山的形成主要發(fā)生在奧陶紀(jì)末—志留紀(jì)前的加里東中期Ⅲ幕構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期，并且是塔北隆起奧陶系古潛山第1次形成期［8］。這一期的古潛山隆起幅度比較大，剝蝕作用非常強(qiáng)烈，北部中下奧陶統(tǒng)鷹山組的地層都遭到強(qiáng)烈剝蝕，巖溶儲(chǔ)層在這一時(shí)期已經(jīng)形成［9-11］。而后兩期（石炭紀(jì)沉積前和三疊紀(jì)沉積前）古潛山巖溶期又對(duì)已形成的縫洞系統(tǒng)進(jìn)行了疊加改造和擴(kuò)溶，才形成現(xiàn)今極發(fā)育的古潛山巖溶縫洞型儲(chǔ)層［12-14］。

根據(jù)巖心觀察、薄片鑒定，以及錄井、測(cè)井、地震和生產(chǎn)資料的綜合分析，發(fā)現(xiàn)塔北哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖基質(zhì)孔隙度極低，滲透性極差，不能成為有效的儲(chǔ)層，所以哈拉哈塘地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的形成主要受控于巖溶作用［15］。塔里木盆地塔北西部奧陶系碳酸鹽巖區(qū)塊為勘探開發(fā)一體化研究區(qū)塊，目前該區(qū)塊奧陶系碳酸鹽巖油氣藏的勘探開發(fā)仍處于勘探早—中期和開發(fā)早期階段，對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)、非均質(zhì)縫洞體和油氣藏仍處于探索性研究階段［16］，因此建立地下暗河溶洞系統(tǒng)地質(zhì)概念模型將為該儲(chǔ)層的油氣勘探開發(fā)提供地質(zhì)基礎(chǔ)。

1 地下暗河溶洞系統(tǒng)地質(zhì)概念模型

地下暗河溶洞系統(tǒng)是由地下水匯集或地表水的滲入，經(jīng)過巖石溶蝕、坍塌以及水的搬運(yùn)形成的地下管狀系統(tǒng)［17］，管道有粗有細(xì)。粗的部分在強(qiáng)溶蝕作用和洞頂坍塌作用下會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，形成未塌陷的廳堂式溶洞段，或者塌陷形成塌陷型溶洞-洞頂縫系統(tǒng)；細(xì)的部分主要為過水巖溶管道即暗河段。

1.1 地下暗河地質(zhì)概念模型

地下暗河溶洞系統(tǒng)按高度可以分成兩段式，即高度小于10m的過水暗河段和高度大于10m的廳堂式溶洞段。廳堂式溶洞段可能是強(qiáng)水流的反復(fù)沖刷溶蝕加洞頂崩塌掉塊，也可能是2條以上的暗河交匯處疊加溶塌造成的［18］，或者是地下暗河在其拐彎處發(fā)生多期側(cè)向溶蝕、擴(kuò)容、塌陷、充填和截彎取直現(xiàn)象產(chǎn)生（見圖1）。廳堂式溶洞段在上覆重壓和構(gòu)造應(yīng)力擠壓下，極容易坍塌形成塌陷型溶洞和洞頂縫系統(tǒng)［19］。

未塌陷的廳堂式溶洞段和塌陷型縫洞體的高度一般都在10m以上，在地震上可以形成“串珠狀”反射，從而被識(shí)別出來［20］。然而地下暗河段的高度大部分都在10m以下或更低，通過研究發(fā)現(xiàn)，哈拉哈塘地區(qū)的地下暗河地震反射類型大體可以劃分為3類：弱反射、雜亂反射和片狀反射。

圖1 多期側(cè)向擴(kuò)溶多期塌陷充填型溶洞地質(zhì)模型

當(dāng)?shù)叵掳岛拥母叨群艿蜁r(shí)，其地震響應(yīng)為弱反射。如哈得23井在奧陶系內(nèi)鉆了3個(gè)井眼，分別為哈得23、哈得23C和哈得23C2。其中哈得23井原井眼在奧陶系內(nèi)井眼軌跡已偏離了地震強(qiáng)反射串珠狀發(fā)育區(qū)，鉆至地震弱反射地區(qū)，分析測(cè)井曲線并根據(jù)地震孔隙度反演，發(fā)現(xiàn)井底存在地下暗河，并于井深6 272.00m開始回填側(cè)鉆，側(cè)鉆至6 419.35m時(shí)，放空0.3m至井深6 419.65m，累計(jì)漏失鉆井液1 040.51m3，隨后試油獲得油氣顯示。

本區(qū)哈得23、哈得23C的雙井眼實(shí)鉆特征可以組合出廳堂式溶洞的輪廓，哈得23井底部鉆遇了10m左右的暗河，哈得23C鉆遇了廳堂式溶洞的頂部，并發(fā)生鉆具放空現(xiàn)象，2個(gè)井底的水平距離45m左右，溶洞高度在63m左右，正好符合串珠平面圖的溶洞大?。ㄒ妶D2）。

圖2 哈得23、哈得23C、哈得23C2井油藏剖面

在大型縫洞集合體（規(guī)模大、反射強(qiáng)的串珠群、串珠鏈）附近，地下暗河的地震響應(yīng)為雜亂反射。如哈13-4C井（見圖3），鉆至地震雜亂反射區(qū)，通過測(cè)井曲線發(fā)現(xiàn)，在哈13-4C井7 165.00m附近，自然伽馬曲線明顯增高，電阻率曲線顯著降低，總烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，分析存在4.1m左右的地下暗河，測(cè)試獲得油氣顯示。

圖3 哈13-4C井地下暗河地震雜亂反射解釋

當(dāng)?shù)叵掳岛拥母叨葎偤眠_(dá)到地震最低分辨率時(shí)，形成了片狀反射。如哈7-H12井（見圖4），鉆至地震片狀反射地區(qū)，其水平段鉆揭一間房組63m/垂深8.42m，井底放空13m/垂深1.73m并發(fā)生井漏，試油獲高產(chǎn)油流，隨后投入生產(chǎn)，無水采油累計(jì)產(chǎn)油2.761 7×104t。根據(jù)三維地震相剖面圖和波阻抗反演圖，可見長(zhǎng)條狀地下暗河輪廓，證實(shí)該片狀反射為地下暗河溶洞的地震反射。

圖4 哈7-H12井地下暗河地震片狀反射解釋

1.2 地下暗河溶洞系統(tǒng)

地下暗河溶洞系統(tǒng)的巖溶溶洞一般分為主洞和側(cè)支洞。主洞通常沿泄水?dāng)鄬诱共?，?guī)模一般較大，地震剖面上反映為強(qiáng)串珠狀。側(cè)支洞規(guī)模較小，地震剖面上反映為弱串珠、片狀反射和雜亂反射，其末端可能與泄水?dāng)鄬酉噙B，其層位可向上延伸至良三段。主洞、側(cè)支洞、泄水?dāng)鄬雍投错斂p共同構(gòu)成了地下暗河系統(tǒng)。

本區(qū)所鉆遇典型主洞支洞系統(tǒng)為熱普1井和熱普1C井（見圖5）。熱普1井鉆至井深6 960.98m發(fā)生井漏，強(qiáng)鉆10m完鉆，累計(jì)排液110.69m3，鉆遇高度為12m左右的溶洞，無硫化氫，未見油。熱普1C井鉆至井深6 978.59m發(fā)生井漏，強(qiáng)鉆進(jìn)至井深6 988.64m完鉆，累計(jì)漏失鉆井液272.2m3，測(cè)試為油層，并投入生產(chǎn)，日產(chǎn)油36.6m3。

圖5 熱普1、熱普1C井鉆遇地下暗河溶洞系統(tǒng)情況

2 潛山圍斜區(qū)溶洞系統(tǒng)巖溶水循環(huán)

2.1 巖溶水循環(huán)原理

哈拉哈塘油田主要為奧陶系碳酸鹽巖古潛山圍斜區(qū)的巖溶縫洞型儲(chǔ)層［21-26］，工區(qū)內(nèi)奧陶系碳酸鹽巖地層發(fā)育由于受到多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，發(fā)育有多套斷裂系統(tǒng)［27-29］。在晚加里東—早海西期地層抬升暴露期間，平行于流體重力場(chǎng)方向的斷裂系統(tǒng)是流體運(yùn)移的優(yōu)勢(shì)通道，對(duì)順層巖溶起到了重要的促進(jìn)作用［30-33］。工區(qū)大部分地區(qū)上覆有巨厚的桑塔木組泥巖蓋層，因此其地下暗河溶洞系統(tǒng)的形成相比喀斯特地貌區(qū)有其獨(dú)特性。

哈拉哈塘古潛山圍斜區(qū)大型巖溶縫洞系統(tǒng)的形成，首先要解決的就是巖溶地下水的循環(huán)問題。由于該區(qū)被巨厚的桑塔木組泥巖覆蓋，而且古潛山地區(qū)下傾方向沒有切入奧陶系碳酸鹽巖地層很深的河流下切谷存在，可應(yīng)用地下暗河溶洞系統(tǒng)理論解釋圍斜區(qū)奧陶系碳酸鹽巖溶縫洞系統(tǒng)的供水和泄水模式：北部地區(qū)的奧陶系碳酸鹽巖喀斯特地貌暴露區(qū)為主要的供水區(qū)，巖溶水從地上河流沿落水洞進(jìn)入地下暗河，并在地下暗河內(nèi)順斷層流動(dòng)，溶蝕進(jìn)入南部潛山圍斜區(qū)，然后順斷層以涌泉的方式返回地表泄水，從而構(gòu)成潛山圍斜區(qū)巖溶水的循環(huán)系統(tǒng)。

2.2 巖溶水順斷層泄水

哈拉哈塘圍斜區(qū)地下暗河溶洞系統(tǒng)依靠斷層泄水的原理必然導(dǎo)致出現(xiàn)一系列的地質(zhì)現(xiàn)象。最主要的就是圍斜區(qū)的溶洞發(fā)育程度不及潛山區(qū)，越往南溶洞的發(fā)育程度越低，且出現(xiàn)溶洞沿?cái)嗔褞Ъ蟹植?。這一現(xiàn)象在哈拉哈塘南部的熱瓦普和金躍區(qū)塊十分明顯［34］（見圖6a）；其次就是清水溶蝕現(xiàn)象，哈拉哈塘圍斜區(qū)幾乎找不到泥質(zhì)或粉砂質(zhì)充填的溶洞，僅發(fā)現(xiàn)熱普7004井鉆遇奧陶系泥質(zhì)充填溶洞（見圖6b），溶洞高度達(dá)58m。但熱普7004井溶洞中充填的泥巖顏色為灰綠色，且在地震剖面中見明顯斷層，判斷灰綠色泥巖為志留系河流相泥巖泥巖，順斷層灌入奧陶系溶洞，斷層是開啟的，可以作為巖溶水的泄水通道。

a 地震反演有效孔隙度平面示意

圖6 潛山圍斜區(qū)地下暗河系統(tǒng)順斷層發(fā)育及泄水情況

3 地下暗河溶洞圈閉聚油原理

3.1 地下暗河溶洞圈閉油氣成藏原理及模型

哈拉哈塘奧陶系碳酸鹽巖古潛山圍斜區(qū)存在非常發(fā)育的地下暗河溶洞儲(chǔ)層。工區(qū)內(nèi)奧陶系碳酸鹽巖基質(zhì)孔隙發(fā)育極差，滲透率極低，巖層致密，基本上可充當(dāng)蓋層；地下暗河溶洞頂部自然彎曲和溶蝕塌陷產(chǎn)生的縫洞體可以成為圈閉［35］，油氣運(yùn)移進(jìn)入圈閉成藏，這就是哈拉哈塘乃至塔北隆起南部斜坡區(qū)油氣成藏的原理（見圖7a）。因此，哈拉哈塘奧陶系碳酸鹽巖油田不是單一的油藏，而是由無數(shù)的大大小小的地下暗河溶洞圈閉油藏組成的油藏群，大型的縫洞體中出現(xiàn)中高產(chǎn)井，中—小型縫洞體中出現(xiàn)中低產(chǎn)井。

當(dāng)發(fā)生重質(zhì)油、瀝青或者方解石充填暗河，或者斷層錯(cuò)斷暗河，且裂縫被瀝青或者膠結(jié)物充填，或者泥質(zhì)和粉砂質(zhì)局部充填暗河溶洞，或者溶洞中的灰質(zhì)沉積物被方解石致密膠結(jié)等情況時(shí)，會(huì)在地下暗河溶洞系統(tǒng)內(nèi)形成堵點(diǎn)。在堵點(diǎn)下傾方向的地下暗河溶洞內(nèi)可以形成一個(gè)超級(jí)圈閉，造成超級(jí)圈閉下傾方向的若干個(gè)縫洞體油氣藏不受溢出點(diǎn)控制，從而形成高產(chǎn)或超高產(chǎn)縫洞體油氣藏（見圖7b），哈拉哈塘古潛山圍斜區(qū)內(nèi)大量存在的定容型油氣藏就是此原因產(chǎn)生的。

應(yīng)用堵點(diǎn)超級(jí)圈閉理論可以較好地解釋塔北南部斜坡區(qū)奧陶系油氣局部富集現(xiàn)象。例如，塔河油田最早的建產(chǎn)區(qū)和輪南油田，2個(gè)區(qū)域都屬于石炭紀(jì)沉積前的古潛山喀斯特地貌區(qū)，唯一不同的就是塔河油田處于輪南油田的下傾方向，但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)前者要比后者油氣更加富集［36］。推測(cè)可能是奧陶系地下暗河溶洞系統(tǒng)內(nèi)充填了大量的泥質(zhì)充填物，形成了大量的堵點(diǎn)圈閉，堵住了油氣向上傾方向運(yùn)移的通道，造成了塔河油田相對(duì)富油和輪南油田相對(duì)貧油的現(xiàn)狀［37］。

圖7 哈拉哈塘地下暗河溶洞系統(tǒng)圈閉油氣藏模型

3.2 地下暗河溶洞系統(tǒng)圈閉油氣差異聚集

哈拉哈塘奧陶系碳酸鹽巖古潛山圍斜區(qū)油氣藏的原油密度分異比較徹底［38］，其原油密度從北向南有規(guī)律地逐漸降低：原油密度大于0.92 g/cm3為重質(zhì)油區(qū)，主要分布在北部的哈7—哈15—新墾1井一帶；原油密度0.87～0.92 g/cm3為中質(zhì)油區(qū)，主要分布于哈6—哈10—新墾7井一帶；原油密度小于0.87 g/cm3為輕質(zhì)油區(qū)，主要分布于哈13—熱普3井一帶。從而呈現(xiàn)出重質(zhì)油在斜坡上方、輕質(zhì)油和凝析氣在斜坡下方的反向非正常分布狀態(tài)，這種原油密度反向分布狀態(tài)在塔河油田和輪南油田也是存在的。哈拉哈塘地區(qū)原油密度的反向分布特征和油氣差異性聚集，恰恰證明了哈拉哈塘奧陶系古潛山斜坡區(qū)油田不是一個(gè)單一的油氣藏，而是大大小小無數(shù)個(gè)油氣藏通過地下暗河系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)在一起組成的大型油氣藏群。

4 結(jié)論

1）塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層的形成主要受控于巖溶作用，其中溶洞型儲(chǔ)層為哈拉哈塘地區(qū)的主力油氣產(chǎn)層。

2）地下暗河溶洞系統(tǒng)由主洞、側(cè)支洞、泄水?dāng)鄬雍投错斂p構(gòu)成，并按照高度和規(guī)模大小可劃分為過水地下暗河段（高度小于10m）和廳堂式溶洞段（高度大于10m），并進(jìn)一步識(shí)別出地下暗河段的3種地震響應(yīng)特征（弱反射、片狀反射和雜亂反射）。

3）哈拉哈塘地區(qū)北部奧陶系碳酸鹽巖喀斯特地貌暴露區(qū)為主要的供水區(qū)，以地上河流—落水洞—地下暗河溶洞系統(tǒng)—斷層為巖溶水的滲流通道，最終于斷層處泄水，構(gòu)成潛山圍斜區(qū)巖溶水循環(huán)系統(tǒng)。

4）哈拉哈塘油田為無數(shù)個(gè)大小不一的油氣藏通過地下暗河溶洞系統(tǒng)相連通所組成的大型油氣藏群，其中油氣差異性聚集，原油密度由南向北逐漸增高，在局部地區(qū)由于存在堵點(diǎn)，形成超級(jí)圈閉。

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（編輯 孫薇）

Characteristics and geological modeling of underground river water-eroded cave system: taking Harahatang Area of Tarim Basin as an example

GAO Xiang,MA Qing,CAO Kang,SONG Qian,DONG Xujiang
(School of Geoscience and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

The Ordovician carbonate reservoirs of Harahatang Area in the Tarim Basin are water-eroded cave reservoirs.Through the core observation,thin section identification,logging,well logging,seismic logging and production data,the geological model of underground river water-eroded cave system is established for the karst fracture-cavity reservoirs of Ordovician carbonate ancient buried hill.Three types of seismic reflection characteristics to identify underground river are concluded:flake reflection,clutter reflection and weak reflection.According to this geological model,the karst water circulation model and the trap oil accumulating model at the periclinal area of Harahatang ancient buried hill are proposed.Those models could better explain the actual production in the region.The establishment of the geological concept models of underground river water-eroded cave system can provide a geological assurance for the exploration and development of the oilfield and the rapid growth of reserves at Harahatang Ordovician carbonate karst fracture-cavity reservoirs.

carbonate rocks;karstfracture-cavity reservoir;undergroundriverwater-erodedcave system;Ordovician;Harahatang Area

國(guó)家科技重大專項(xiàng)專題“塔里木盆地海相碳酸鹽巖油氣資源潛力、有利勘探區(qū)帶評(píng)價(jià)與目標(biāo)優(yōu)選研究”（2011ZX05004-004）

TE321

A

10.6056/dkyqt201606020

2016-03-29；改回日期：2016-09-11。

高翔，男，1989年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榈V產(chǎn)普查與勘探。E-mail：1013128133@qq.com。

高翔，馬青，曹康，等.地下暗河溶洞系統(tǒng)特征描述及地質(zhì)建模：以塔里木盆地哈拉哈塘地區(qū)為例［J］.斷塊油氣田，2016，23（6）：782-787，792.

GAO Xiang，MA Qing，CAO Kang，et al.Characteristics and geological modeling of underground river water-eroded cave system:taking Harahatang Area of Tarim Basin as an example［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：782-787，792.