塔河油田碳酸鹽巖小縫洞型儲(chǔ)層特征及成因演化

楊德彬，楊 敏，李新華，張 娟，汪 彥，王 明

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；2.中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆烏魯木齊 830011）

自塔里木盆地“串珠狀”地震反射理論提出以來［1-4］，由大型溶洞及其復(fù)合體在地震剖面上形成的串珠狀地震反射，已經(jīng)成為塔河油田奧陶系碳酸鹽巖勘探開發(fā)的主要對(duì)象。對(duì)于縫洞型儲(chǔ)層串珠狀地震反射的成因，很多學(xué)者做了大量的研究［5-11］，認(rèn)為碳酸鹽巖巖層內(nèi)大型溶洞與地層的強(qiáng)波阻抗界面會(huì)形成多次繞射，對(duì)這些繞射波進(jìn)行疊前偏移成像，可在垂向上形成多個(gè)強(qiáng)能量團(tuán)，即地震剖面意義上的“串珠”。塔河油田多年的勘探開發(fā)實(shí)踐表明，對(duì)70%以上的串珠狀地震反射特征進(jìn)行實(shí)鉆能夠鉆遇規(guī)模溶洞，并獲得較高的產(chǎn)能。

隨著塔河油田奧陶系碳酸鹽巖勘探開發(fā)程度的日益深入，剩余“常規(guī)串珠”的數(shù)量和規(guī)模逐漸減少、能量減弱。在勘探開發(fā)過程中，逐步發(fā)現(xiàn)除“常規(guī)串珠”以外的其他縫洞型儲(chǔ)層也具有較大的潛力。塔河油田T443井、T740井和S48井等表現(xiàn)為雜亂弱反射、“弱小串珠”等地震反射特征，但測(cè)試均獲得高產(chǎn)，說明這2 類地震反射特征所對(duì)應(yīng)的小縫洞型儲(chǔ)層也具有較大的開發(fā)潛力，擴(kuò)大了塔河油田碳酸鹽巖勘探開發(fā)的類型和領(lǐng)域［12］。目前針對(duì)小縫洞型儲(chǔ)層存在研究基礎(chǔ)薄弱、可借鑒經(jīng)驗(yàn)不多等諸多問題，為此，筆者從小縫洞概念入手，厘定其儲(chǔ)層類型，開展地震反射類型描述和成因演化研究，以期為塔河油田奧陶系碳酸鹽巖勘探開發(fā)新領(lǐng)域提供借鑒。

1 小縫洞的概念

前人研究認(rèn)為，塔河油田碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間以巖溶形成的縫洞系統(tǒng)為主，包括溶洞、孔洞和裂縫［13-14］。筆者提出的小縫洞與前人論述的縫洞系統(tǒng)沒有本質(zhì)上的不同，僅在尺度上存在差異。

小縫洞的概念有狹義和廣義之分。狹義的小縫洞是指單個(gè)的小縫洞，從實(shí)鉆或測(cè)井的尺度上來說，指直徑或?qū)挾炔淮笥?00×103μm 的溶洞（孔洞）。廣義的小縫洞則是指在地球物理角度，小于10 m 的溶洞、孔洞、裂縫組成的縫洞系統(tǒng)或體系，目前在塔河油田只能定性預(yù)測(cè)分布范圍，在地震剖面上通常表現(xiàn)為雜亂弱反射、“弱小串珠”等反射特征［15-17］。雖然這些小縫洞單個(gè)體積小，但數(shù)量多，且相互之間通過斷裂、裂縫和溶道等相互連接，其總體規(guī)模可能遠(yuǎn)大于單個(gè)常規(guī)串珠所表征的大型洞穴。從塔河油田勘探開發(fā)實(shí)踐出發(fā)，本文所涉及的小縫洞，不是指那些狹義概念中所講的孤立的、單個(gè)的小縫洞儲(chǔ)集體，而是指成因上有聯(lián)系、相互連通的各種尺度縫洞型儲(chǔ)集體或多個(gè)小縫洞集合體的總稱（表1）。

2 儲(chǔ)層類型及特征

在多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖溶疊加改造作用下，塔河油田奧陶系碳酸鹽巖地層中形成了大量的溶洞、溶蝕孔洞和裂縫，構(gòu)成了中-下奧陶統(tǒng)一間房組、鷹山組主要的儲(chǔ)集空間［18-19］。結(jié)合小縫洞概念，根據(jù)巖心觀察資料以及前人研究成果，將塔河油田碳酸鹽巖小縫洞型儲(chǔ)層分為裂縫型、孔洞型（含小型溶洞）、裂縫-孔洞型（含洞間溶道）3大類。

表1 塔河油田奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)集空間類型劃分Table1 Classification of Ordovician carbonate reservoir space types in Tahe Oilfield

裂縫型 裂縫主要包括構(gòu)造縫、構(gòu)造溶蝕縫和壓溶縫，在研究區(qū)普遍發(fā)育，以構(gòu)造縫最為發(fā)育。從塔里木盆地柯坪地區(qū)野外露頭來看，裂縫寬度大小不一，長度亦有差別，主要表現(xiàn)為剪切縫，部分為張性縫。取心資料顯示，早期發(fā)育的裂縫大部分被方解石、泥質(zhì)或?yàn)r青充填，后期發(fā)育的裂縫常呈張開狀態(tài)。巖心上顯示的高角度縫在FMI成像測(cè)井上有所顯示，水平縫切過垂直縫，裂縫均無填充，且具有沿裂縫溶蝕擴(kuò)大的特征（圖1）。裂縫是小縫洞型儲(chǔ)層的基本構(gòu)架，不同沉積時(shí)期發(fā)育的裂縫相互切割呈網(wǎng)狀，裂縫網(wǎng)絡(luò)將小規(guī)?？p洞相互連接成縫洞群，極大地提高和改善了孔滲性。

圖1 塔河油田裂縫型儲(chǔ)層野外露頭、成像測(cè)井與巖心特征對(duì)比Fig.1 Comparisons of characterics of outcrop，electric image logging and core of fractured reservoirs in Tahe Oilfield

孔洞型（含小型溶洞） 溶蝕孔洞是指沿裂縫或含生物碎屑的巖層發(fā)生溶蝕而形成的孔洞，整體上表現(xiàn)為規(guī)模小、連通性差的特征，局部遭受溶蝕強(qiáng)烈或持續(xù)巖溶的部分，會(huì)發(fā)育為小型溶洞。孔洞在成像測(cè)井上基本表現(xiàn)為團(tuán)塊狀或云霧狀，鉆井過程中被泥漿充填，故呈現(xiàn)暗黑色（圖2）。受溶蝕的影響，在取心時(shí)巖心一般會(huì)發(fā)生破碎，取心率較低。隨著溶蝕作用的繼續(xù)，溶孔逐漸發(fā)育為溶洞，一般從數(shù)毫米級(jí)至數(shù)米級(jí)不等，無組構(gòu)選擇、形狀各異，在鉆井過程中表現(xiàn)為鉆井液漏失或鉆遇放空。溶蝕孔洞是小縫洞型儲(chǔ)層重要的儲(chǔ)集空間，雖然單個(gè)規(guī)模較小、分布孤立，但通過裂縫將其串聯(lián)成群組，會(huì)大幅提高縫洞空間的有效性。

圖2 塔河油田孔洞型儲(chǔ)層成像測(cè)井與巖心特征對(duì)比Fig.2 Comparisons of characterics of electric image logging and cores of vuggy reservoirs in Tahe Oilfield

裂縫-孔洞型（含洞間溶道） 一般為地表水和地下水沿早期裂縫系統(tǒng)溶蝕擴(kuò)大，表現(xiàn)為沿裂縫發(fā)育特征，屬于無組構(gòu)溶蝕。與孔洞型儲(chǔ)層不同的是，裂縫-孔洞型儲(chǔ)層中裂縫更為發(fā)育，增加了儲(chǔ)層之間的連通性，局部強(qiáng)溶蝕段會(huì)形成連通大型溶洞間的溶道。成像測(cè)井上在裂縫周圍分布著溶孔，使儲(chǔ)集空間增大，巖心上表現(xiàn)為破碎特征（圖3）。這類儲(chǔ)層在鉆井過程中往往表現(xiàn)為鉆井液漏失。裂縫-孔洞型儲(chǔ)層（含洞間溶道）是小縫洞型儲(chǔ)層最為常見的一種類型，油氣富集程度高、單井產(chǎn)能高。

圖3 塔河油田裂縫-孔洞型儲(chǔ)層成像測(cè)井與巖心特征對(duì)比Fig.3 Comparisons of characterics of electric image logging and cores of fractured-vuggy reservoir in Tahe Oilfield

3 井-震綜合標(biāo)定剖析

結(jié)合小縫洞概念及儲(chǔ)層特征，根據(jù)地震剖面特征，利用井-震標(biāo)定，進(jìn)行典型井縫洞發(fā)育特征解剖。

雜亂弱反射是小縫洞型儲(chǔ)層典型地震反射特征之一。以塔河油田T10-1 井為例（圖4），從測(cè)井解釋結(jié)果來看，該井以裂縫型儲(chǔ)層為主，局部井段發(fā)育裂縫-孔洞型儲(chǔ)層。其中，裂縫型儲(chǔ)層主要發(fā)育3 段，自中-下奧陶統(tǒng)頂面（T74頂面）深度6 155 m以下至6 187，6 188～6 269 和6 270～6 370 m，累積厚度為213 m。測(cè)井曲線上，密度無明顯波動(dòng)，井徑相對(duì)穩(wěn)定，中子孔隙度局部存在波動(dòng)，雙側(cè)向電阻率為2 000～19 000 Ω·m，表明裂縫發(fā)育。裂縫-孔洞型儲(chǔ)層發(fā)育在6 187～6 188 和6 269～6 270 m 井段，累積厚度僅為2 m。地震剖面上與裂縫發(fā)育段無明顯差異。測(cè)井曲線上，密度和井徑均具有1 個(gè)明顯的低值波谷，中子孔隙度局部增大，表現(xiàn)為尖峰形態(tài)，雙側(cè)向電阻率表現(xiàn)為漏斗形減小特征。其中6 269～6 270 m 井段與成像測(cè)井資料對(duì)應(yīng)較好，能較為明顯的看到狹長形暗色溶孔發(fā)育。T10-1井井周沒有可以形成“串珠狀”地震反射的規(guī)模溶洞，單井測(cè)井解釋也以單個(gè)體積小的小縫洞為主。但單井累積產(chǎn)量高，說明這種小縫洞數(shù)量多，形成了相互連通的小縫洞群，整體規(guī)模大。

圖4 塔河油田T10-1井井-震標(biāo)定結(jié)果Fig.4 Results of well-seismic calibration in Well T10-1 in Tahe Oilfield

“弱小串珠”也是小縫洞型儲(chǔ)層典型地震反射特征之一。以塔河油田TH12-1井為例（圖5），從測(cè)井解釋結(jié)果來看，該井目的層以裂縫型儲(chǔ)層為主，局部發(fā)育裂縫-孔洞型儲(chǔ)層和致密基巖。裂縫型儲(chǔ)層發(fā)育在6 335～6 357 和6 370～6 381 m 井段，累積厚度為33 m，成像測(cè)井指示含中、高角度裂縫，局部含弱溶蝕孔；6 387～6 402 m 為溶孔發(fā)育段，成像測(cè)井指示含充填或半充填溶孔。測(cè)井曲線上表現(xiàn)為電阻率減小，為漏斗形態(tài)；中子孔隙度增大，為箱狀形態(tài)；井徑明顯減小，且相對(duì)光滑；密度減小，聲波時(shí)差增大。與T10-1 井雜亂弱反射特征相比，TH12-1 井鉆遇的“弱小串珠”儲(chǔ)層規(guī)模更小，但該井累積產(chǎn)油量達(dá)8×104t，表明形成了相互連通、規(guī)模較大的小縫洞群。

4 演化過程

塔河油田碳酸鹽巖地層經(jīng)歷了加里東期和海西期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，數(shù)次地表暴露使下奧陶統(tǒng)經(jīng)歷了多次表生巖溶作用［13-14］。對(duì)于每一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，后期產(chǎn)生的斷裂與縫洞系統(tǒng)都會(huì)對(duì)前期的斷裂和縫洞系統(tǒng)進(jìn)行再改造。新縫洞系統(tǒng)繼承之前縫洞系統(tǒng)的一些面貌，多期演化增加了縫洞系統(tǒng)的復(fù)雜性［20-23］?？p洞系統(tǒng)演化整體是復(fù)雜的，但是每一個(gè)獨(dú)立構(gòu)造時(shí)期，縫洞系統(tǒng)演化過程卻是有據(jù)可循的。從時(shí)間尺度上看，縫洞系統(tǒng)的演化都會(huì)經(jīng)歷幼年期、青年期、壯年期和老年期等4個(gè)時(shí)期。

幼年期 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使脆性的碳酸鹽巖地層產(chǎn)生錯(cuò)綜復(fù)雜的裂縫、斷裂系統(tǒng)。地表水或地下熱液沿裂縫或斷裂進(jìn)行溶蝕，形成各種溶蝕孔洞，這是縫洞系統(tǒng)演化的早期或幼年期，是后續(xù)縫洞系統(tǒng)演化的基礎(chǔ)。在第1階段（圖6a），地層處于埋藏狀態(tài)，尚未經(jīng)歷大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和表生巖溶溶蝕作用。除繼承前期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的儲(chǔ)集空間，其他儲(chǔ)集空間類型尚不發(fā)育；進(jìn)入第2階段后（圖6b），碳酸鹽巖地層由埋藏狀態(tài)逐漸抬升，隨著上部地層的風(fēng)化剝蝕，地表水開始在斷層、裂縫發(fā)育的位置形成水道，并發(fā)育溶蝕孔縫。此階段的斷裂、裂縫及沿這些裂縫發(fā)育的溶蝕孔縫，為后期縫洞發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。如果縫洞系統(tǒng)就此終止，所形成的小縫洞型儲(chǔ)層類型為裂縫型、經(jīng)巖溶水改造的裂縫-孔洞型。

青年期 隨著地層繼續(xù)抬升，地層內(nèi)部斷層、裂縫遭受溶蝕形成小規(guī)模溶洞，溶洞之間開始向外沿裂縫、孔洞溶蝕擴(kuò)大。與其他小溶洞相互溝通的溶道也開始形成，這些小型溶洞和洞間溶道在后期不被充填的情況下，形成有利的儲(chǔ)集空間。這一時(shí)期形成的小縫洞型儲(chǔ)層類型以孔洞型為主，主要包括洞間溶道及小型溶洞（圖6c）。

壯年期 在第4階段，地層抬升達(dá)到最大高度，隨著巖溶作用的進(jìn)行，小型溶洞持續(xù)擴(kuò)大，相鄰的溶洞通過溶道或管道連接在一起，形成大型溶洞。同時(shí)，此階段發(fā)育的小型溶洞在后期埋藏過程中不容易發(fā)生坍塌，可以提供有效的縫洞儲(chǔ)集空間（圖6d）。進(jìn)入第5 階段后，地層開始下降，逐漸由暴露期向埋藏期轉(zhuǎn)變。溶洞的溶蝕程度達(dá)到最大，相鄰溶洞進(jìn)一步連通形成大的廳堂洞穴。落水洞向下發(fā)育新的溶洞。隨著地層的下降，碳酸鹽巖逐漸被淺埋，上部地層開始通過落水洞、豎井等向洞穴充填碎屑巖沉積物（圖6e）。這是塔河油田碳酸鹽巖縫洞系統(tǒng)最重要的發(fā)展階段，也是目前塔河地區(qū)最重要的常規(guī)串珠狀大型縫洞系統(tǒng)發(fā)育的階段。該階段形成的小縫洞型儲(chǔ)層以孔洞型、裂縫-孔洞型為主，包括小型溶洞、洞間溶道及沿裂縫溶蝕擴(kuò)大的孔洞，是開發(fā)潛力較大的一種類型。

圖5 塔河油田TH12-1井井-震標(biāo)定結(jié)果Fig.5 Results of well-seismic calibration in Well TH12-1 in Tahe Oilfield

圖6 塔河油田小縫洞系統(tǒng)發(fā)育演化模式Fig.6 Evolution models of small-scale fracture-cavity system in Tahe Oilfield

老年期 在第6 階段（圖6f—6h），碳酸鹽巖埋藏深度繼續(xù)加大，當(dāng)上覆地層壓力大于溶洞頂部巖石所能承受的壓力時(shí)，溶洞發(fā)生垮塌，上覆地層巖石對(duì)垮塌的空間進(jìn)行部分充填?？逅w周圍形成大量次生的裂縫和斷層，這些裂縫與斷層大多呈現(xiàn)環(huán)形和放射狀的形態(tài)；而溶蝕體積較小的溶洞和小型管道，不容易發(fā)生垮塌。因此該階段以形成孔洞型儲(chǔ)層為主，主要包括殘余的小型溶洞和洞間溶道。

5 結(jié)論

塔河油田碳酸鹽巖小縫洞是除巨洞（即地球物理尺度上能夠產(chǎn)生串珠狀地震反射、實(shí)鉆/測(cè)井尺度上直徑或?qū)挾却笥?00×103μm）之外的、所有其他不同尺度的孔洞、裂縫和孔隙組成的縫洞系統(tǒng)或體系，其規(guī)?？赡苓h(yuǎn)大于所謂的單個(gè)串珠狀大型洞穴型儲(chǔ)集體，是繼串珠型儲(chǔ)集體之后又一個(gè)潛力巨大的勘探開發(fā)目標(biāo)，通常表現(xiàn)為雜亂弱和弱小串珠等地震反射特征。小縫洞型儲(chǔ)層類型分為裂縫型、孔洞型、裂縫-孔洞型。雖然單井測(cè)井解釋的小縫洞體積較小，但數(shù)量多，形成了相互連通的小縫洞群，整體規(guī)模大。

結(jié)合塔河油田縫洞發(fā)育演化過程，從時(shí)間尺度上，將小縫洞型儲(chǔ)層演化過程劃分為幼年期、青年期、壯年期和老年期。不同演化時(shí)期形成的儲(chǔ)層類型存在差異。裂縫、裂縫伴生孔洞主要形成于幼年期?？锥葱?、裂縫-孔洞型儲(chǔ)層主要形成于青年期和壯年期，包括洞間溶道及小型溶洞。老年期以發(fā)育孔洞型儲(chǔ)層為主，主要包括各種規(guī)模溶洞垮塌體殘留的小型溶洞、殘余洞間溶道。其中，形成于青、壯年期的小型洞穴、洞間溶道及沿裂縫溶蝕擴(kuò)大的孔洞，是開發(fā)潛力較大的對(duì)象，是未來可能形成高產(chǎn)井的最主要類型。