哈拉哈塘地區(qū)熱液巖溶形成演化與油氣分布

寧超眾，李勇，鄧曉娟，陳家恒，王孝明，孫昭，韓永泉

（1.中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油 塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000；3.中國石油技術開發(fā)有限公司，北京 100028；4.中國石油 長慶油田分公司，西安 710000）

哈拉哈塘油田自2009 年實施勘探開發(fā)一體化方案以來，勘探開發(fā)范圍不斷擴大，現已成為塔里木盆地原油增儲上產的主力油田。其奧陶系碳酸鹽巖油藏的分布受斷裂控制，以大型縫洞體為主要儲集空間[1-3]。前人主要對油藏中的斷裂表征和縫洞體刻畫進行研究，而對斷裂類型、儲集層成因機理和成藏要素耦合關系研究甚少。此外，相較于塔北隆起以南的順北油田，哈拉哈塘油田油氣分布具有較大差異性和不確定性，低產井和失利井大量出現，勘探規(guī)律難尋，嚴重影響了整體勘探開發(fā)效益。因此，應深化儲集層發(fā)育和成藏差異機理研究，明確油氣分布規(guī)律。本文從地球物理資料入手，應用地震屬性、分頻-顏色融合等方法，結合巖心、薄片觀察及地球化學分析等手段，厘定哈拉哈塘地區(qū)熱液巖溶特征，表征海西運動期活動斷裂和加里東運動期走滑斷裂差異，明確兩類斷裂對油氣成藏及分布的控制。

1 區(qū)域地質概況

哈拉哈塘油田古生界在構造上屬于塔里木盆地塔北隆起輪南大型鼻狀基底背斜的西翼，是輪南低凸起的組成部分[4]，勘探面積約4 300 km2（圖1）。

圖1 研究區(qū)構造位置Fig.1.Structural location of the study area

哈拉哈塘油田主力產層為中奧陶統(tǒng)一間房組，其次為中—下奧陶統(tǒng)鷹山組和上奧陶統(tǒng)良里塔格組。鉆井時頻繁出現鉆井液漏失和鉆具放空現象，而生產初期高產表明，油氣主要儲集于大型縫洞空間中，這些縫洞體被認為是巖溶的產物，在地震剖面上呈“串珠”狀強振幅低連續(xù)反射（以下簡稱“串珠”）。

哈拉哈塘地區(qū)古生界受塔里木盆地多旋回構造和沉積演化控制明顯：寒武紀—奧陶紀早期，哈拉哈塘地區(qū)與輪南和英買力地區(qū)同處于克拉通被動大陸邊緣[5]，沉積了中—下奧陶統(tǒng)鷹山組及其下伏的碳酸鹽巖地層；加里東運動中期，塔里木盆地北部轉為大型碳酸鹽巖斜坡，依次沉積了一間房組、吐木休克組、良里塔格組以及以碎屑巖為主的桑塔木組，其中一間房組、良里塔格組和桑塔木組沉積末期均發(fā)育不整合；志留紀—泥盆紀，塔北隆起繼承性發(fā)育，泥盆紀末期，隨著北昆侖洋關閉造山及南天山洋俯沖（早海西運動），輪南—哈拉哈塘地區(qū)形成大型的北東—南西向背斜隆起，哈拉哈塘地區(qū)位于該背斜隆起西翼[6]；石炭—二疊紀，哈拉哈塘地區(qū)在南天山洋持續(xù)俯沖作用下繼續(xù)沉降，而輪南和英買力這2 個北東—南西向的低隆起持續(xù)發(fā)育[7-8]；在二疊紀，塔里木盆地發(fā)生區(qū)域大規(guī)模巖漿活動[9-10]，該時期的巖漿活動及伴隨的火山噴發(fā)和熱液活動是塔里木盆地一次極其重要的地熱事件。

2 二疊紀熱事件與熱液巖溶

2.1 二疊紀熱事件

塔里木盆地二疊紀巖漿活動頻繁且分布廣泛，該巖漿活動是二疊紀中天山弧向塔里木盆地發(fā)生“A”俯沖的產物，源于板內裂谷[11]。在哈拉哈塘地區(qū)，二疊系火山巖幾乎覆蓋全區(qū)。二疊紀巖漿活動伴隨大規(guī)模熱液活動，其熱液巖溶作用在野外露頭區(qū)[9，12-13]以及塔中[14-15]、塔東[16]、英買力[12，17]、塔河[18]、哈拉哈塘[19]等地區(qū)均已被證實。

2.2 熱液巖溶

前人對哈拉哈塘地區(qū)巖溶做過較多研究，斷裂對巖溶發(fā)育的控制作用也已被普遍認可[3]。大部分學者認為，哈拉哈塘地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖巖溶為大氣淡水巖溶和熱液巖溶綜合作用的結果[20-21]，但未能提供充足證據。然而，越來越多的證據表明，哈拉哈塘地區(qū)熱液巖溶對儲集層影響重大，熱液巖溶在地震資料、露頭、巖心、薄片及流體包裹體中均有顯示。

2.2.1 巖溶機理

熱液巖溶是埋藏巖溶的一種，主要是巖漿活動期后腐蝕性熱液流體沿裂隙或斷裂循環(huán)并改造地層形成的[2，12，22]。模擬實驗證實，在一定溫度范圍內，碳酸鹽巖酸液溶蝕速率隨溫度升高而增大，并有效改善儲集層物性[23-24]。熱液既可直接源于巖漿，也可以是經巖漿加熱改造的地層流體[25]。熱液巖溶分布不受不整合控制，主要受控于熱流體流動及流動通道。依據巴楚—柯坪露頭區(qū)奧陶系內螢石中稀土元素、微量元素、氫氧同位素等資料，形成螢石的熱流體應為巖漿加熱的先期封存的大氣淡水，即大氣淡水循環(huán)熱液[13]。熱液可以溶蝕地層，也可通過沉淀作用或交代作用形成熱液礦物。發(fā)生大規(guī)模熱液巖溶需要相對開放的環(huán)境，形成可持續(xù)的熱液循環(huán)條件：地表水可以通過侵出的巖墻、斷裂、輸導層等通道滲入地下，在深部經巖漿加熱及酸性氣體混入，形成酸性熱液，溶蝕碳酸鹽巖地層并沿著巖墻、斷裂形成的熱液排泄通道噴出地表（圖2）。當這個循環(huán)不斷進行時，深部由于物質不斷被帶出，可形成大型洞穴[26-27]。美國黃石公園中熱泉即為很好的熱液巖溶實例，熱液不斷溶蝕深部地層并沿通道排出地表，攜帶的溶蝕物質（主要是CaCO3和SiO2）在地表沉淀，形成大規(guī)模的“熱泉華”及階梯、石柱等地質景觀。

圖2 熱液巖溶流體循環(huán)系統(tǒng)模式（引自文獻［26］和文獻［28］）Fig.2.Models of fluid circulation systems of hydrothermal karst(from Reference[26]and Reference[28])

2.2.2 露頭、巖心和顯微鏡下薄片特征

在塔里木盆地西北緣一間房地區(qū)奧陶系出露區(qū)，熱液巖溶洞穴發(fā)育在斷裂上或斷裂交會處（圖3a）；在洞穴內部，洞穴橫切面高遠大于寬，為豎立洞穴（圖3b）；洞穴內壁見大量硬石膏、螢石等熱液礦物以及熱液方解石（圖3b，圖3c）；溶蝕裂縫呈現未充填—半充填—全充填狀態(tài)，充填物質以熱液方解石為主（圖3d）。

圖3 塔里木盆地西北緣一間房地區(qū)野外露頭及哈拉哈塘地區(qū)巖心和顯微鏡下熱液特征Fig.3.Field outcrops in Yijianfang area of the northwestern margin of the Tarim basin,and microscopic hydrothermal characteristics of the cores in Halahatang area

在哈拉哈塘地區(qū)的巖心上可見典型的熱液溶蝕現象，溶蝕孔洞沿大型裂縫發(fā)育，縫壁附著熱液方解石（圖3e），說明熱液溶蝕可以增加孔隙度；在偏光顯微鏡下，見充填有高溫方解石的晶洞，晶洞中充填瀝青（圖3f），說明熱液對碳酸鹽巖具有溶蝕和充填作用，且溶蝕的空間可以儲集油氣；熱液作用還可沿裂縫造成白云巖化，形成的白云石晶間孔隙內充填瀝青（圖3g）。在電子顯微鏡下溶蝕孔洞內部見地開石（圖3h），地開石是一種形成于高溫（大于90 ℃）的高嶺石的同質異像體，被認為是有機酸性流體影響原巖、富集Al 和SiO2的證據。

2.2.3 地震響應特征

（1）地震剖面上表現為“串珠”狀強振幅，平面（方差體）上表現為孤立環(huán)狀或環(huán)狀組合（圖4a）。

（2）沿斷裂發(fā)育，其組合樣式體現走滑斷裂平面樣式，表現為“斷溶體”（圖4b）。

（3）發(fā)育深度不一。熱液巖溶形成的縫洞體沒有統(tǒng)一的發(fā)育界面，主要分布在一間房組及鷹山組上部，在良里塔格組三段也有分布，其距離奧陶系頂面的距離可超過500 m，甚至達800 m（圖4c）。

圖4 紅綠藍顏色融合體鷹山組2段底平面圖及海西運動期活動斷裂和加里東運動期走滑斷裂平面分布Fig.4.RGB fusion of the bottom of the second member of Yingshan formation,and plane distribution of Hercynian active faults and Caledonian strike-slip faults

2.2.4 流體包裹體

流體包裹體均一溫度為礦物生長的溫度下限，對古地溫和成巖演化具有指示作用。本次研究流體包裹體測溫使用設備為美國Fluid 公司氣流冷熱臺，配置Olympus BX5 偏光顯微鏡，共測試哈拉哈塘奧陶系樣品32個，樣品測試結果準確可靠（表1）。

測試結果表明，熱液方解石形成時溫度較高，一般大于100 ℃，X10 井熱液方解石溫度最高可達165 ℃，明顯高于當時正常地溫梯度下的埋藏溫度，甚至高于現今地溫155.1 ℃（6 582 m，產層中部深度，靜溫梯度裸眼測試）。方解石溫度與熱液礦物溫度相當，說明兩者同時形成于熱事件時期。研究還發(fā)現了明顯的方解石“降溫”現象（圖3i，圖3j，圖3k，表1），即方解石溫度由大型空間邊緣往中心逐步降低，說明膠結物膠結的過程中地溫不斷降低，可能反映熱事件之后巖漿活動逐漸減弱。

表1 哈拉哈塘地區(qū)一間房組和鷹山組流體包裹體測溫數據Table 1.Measured temperatures of fluid inclusions in Yijianfang formation and Yingshan formation in Halahatang area

2.2.5 熱液巖溶時期

熱液礦物（方解石、螢石、天青石、石膏、石英等）的成礦時間可以反映熱液作用的時期，通過對巴楚—柯坪露頭區(qū)螢石進行測年可厘定形成螢石的熱液活動時期為287—212 Ma[13]。這與晚海西運動期巖漿巖主要活動時期（291—259 Ma）[29-31]較為吻合，并反映該熱事件引起的熱液作用時期主要為二疊紀，其影響可持續(xù)到三疊紀，該時期也是哈拉哈塘地區(qū)熱液巖溶作用發(fā)生時期。

前人也對哈拉哈塘地區(qū)的主要生排烴和成藏時間進行過研究，自生伊利石K-Ar年齡測定數據表明，塔北哈得4石炭系油藏、塔中4C油藏油氣充注時間為224—275 Ma，與二疊紀巖漿活動時間大部分重疊并略有滯后[32]。顯微鏡下顯示，早期的熱液方解石未見瀝青，而晚期的熱液方解石膠結物中見氣液兩相包裹體與固體瀝青共存現象（圖3k），說明油氣可能是在熱液活動的中期或晚期充注的。

綜上所述，巖漿活動、熱液巖溶作用以及成藏均主要發(fā)生在二疊紀，時間相近并近似具有成因上的繼承性。中—晚海西運動期巖漿活動是塔北熱液巖溶和寒武—奧陶系生烴和成藏的原因。

3 海西運動期活動斷裂

哈拉哈塘地區(qū)二疊紀強烈?guī)r漿活動不僅形成了大量褶皺，也形成了大量斷裂，該類型斷裂形成于巖漿上拱對圍巖和上覆地層的擠壓，屬于張性斷裂，在該時期活動性開啟，主要分布于東河塘褶皺區(qū)東部鄰近褶皺區(qū)的位置。不同于哈拉哈塘大型走滑斷裂，該張性斷裂沒有明顯斷距，加之深層地震分辨率有限，故在地震剖面上難以識別，也鮮有人研究。通過對時間域地震體進行分頻-相干-顏色融合，可以在平面上借助其伴生的巖溶與熱液排泄通道識別該類型斷裂并區(qū)分于哈拉哈塘地區(qū)走滑斷裂。

3.1 海西運動期活動斷裂分布特征

哈拉哈塘地區(qū)巖溶與斷裂關系密切，表現為巖溶沿斷裂發(fā)育，對斷裂進行擴溶，塔河油田將此類斷控巖溶縫洞體稱之為斷溶體[3]，哈拉哈塘地區(qū)斷裂和相關巖溶的展布和相關關系可較好地反映斷溶體特性?；谛〔ㄗ儞Q的分頻方法，在地震有效帶寬（5～50 Hz）內將哈6 區(qū)時間域地震數據分解為頻率不等的一系列單頻地震體。由于調諧效應，低頻體對大型地質體具有較好的反映，而高頻體對小型地質體具有較好的反映。提取15 Hz、25 Hz 和40 Hz 頻率體分別計算相干屬性，并進行紅綠藍顏色融合〔（15 Hz（紅）、25 Hz（綠）和40 Hz（藍）〕。在顏色融合體鷹山組二段底平面上，巖溶體表現為近圓形的環(huán)狀或拉長的環(huán)狀，環(huán)狀排列能夠反映斷裂的展布。環(huán)狀的顏色、形態(tài)及排列方向顯示出哈拉哈塘地區(qū)具有2 種截然不同的斷裂（圖4，表2）。

表2 哈拉哈塘地區(qū)2種斷裂特征對比Table 2.Comparison of two types of faults in Halahatang area

（1）加里東運動期走滑斷裂 該類型斷裂上的巖溶表現為以綠色圓環(huán)為主，說明巖溶規(guī)模中等，斷裂呈北北東—南南西向和北北西—南南東向并相交為“X”型，在整個哈6區(qū)普遍分布。

（2）海西運動期活動斷裂 斷裂上巖溶表現為以紅色圓環(huán)為主，說明巖溶規(guī)模更大，環(huán)狀為拉長狀且拉長方向與環(huán)狀排列方向一致，較好地指示了該類型斷裂的展布。斷裂主要為北西—南東向（與齊古區(qū)熱液排泄通道排列方向一致），斷裂間距更小更加密集，主要分布于哈6區(qū)西北部。

在哈6 區(qū)區(qū)分出加里東運動期走滑斷裂和海西運動期活動斷裂后，結合哈拉哈塘地區(qū)斷裂平面分布（圖5），可近一步明確海西運動期活動斷裂不同于加里東運動期走滑斷裂的其他特征：海西運動期活動斷裂較短，加里東運動期走滑斷裂較長且直；海西運動期活動斷裂在平面上更加密集；海西運動期活動斷裂具有“向源”特性，即均指向哈拉哈塘地區(qū)西北部巖漿和褶皺強烈發(fā)育區(qū)（東河塘斷隆區(qū)）且圍繞其分布。海西運動期活動斷裂在哈6區(qū)西北部和齊古區(qū)主要為近北西—南東向，在新墾區(qū)主要為近南北向（圖5，圖6）。

圖5 哈拉哈塘地區(qū)熱液排泄通道、強振幅“串珠”及斷裂平面分布Fig.5.Plane distribution of hydrothermal channels,strong-amplitude“beads”and faults in Halahatang area

圖6 哈拉哈塘鷹山組二段底相干平面、產量分布和巖溶分區(qū)疊合圖Fig.6.Overlap of the coherence plane,production distribution and karst zone at the bottom of the second member of Yingshan formation in Halahatang area

3.2 海西運動期活動斷裂與熱液排泄通道

海西運動期活動斷裂上也發(fā)育熱液排泄通道，主要集中于新墾區(qū)和齊古區(qū)內，數目達70 多個（圖5a，圖5b）。海西運動期活動斷裂具有以下特征：①熱液排泄通道貫穿奧陶—二疊系，地震剖面上出現同相軸“下拉”現象，并且在奧陶系的頂部，這些通道內部或附近位置總會發(fā)育強振幅“串珠”（圖5c），“串珠”是低密度縫洞體的地震響應，這是熱液作用形成大型巖溶體的證據之一；②哈拉哈塘地區(qū)石炭系方差體在平面上呈圓環(huán)或橢圓環(huán)，其組合方向指向東河塘斷背斜方向，橢圓環(huán)拉長方向與組合方向一致，顯然通道組合方向指示了斷裂走向（圖5d）。綜上說明，海西運動期斷裂在熱事件時期是活動開啟的，熱液排泄通道形成于海西運動期活動斷裂，海西運動期熱液在沿加里東運動期或海西運動期的斷裂循環(huán)過程中，溶蝕奧陶系碳酸鹽巖地層形成洞穴，熱液攜帶溶蝕物質沿排泄通道排出地表，該過程不斷進行形成大規(guī)模巖溶。

4 斷裂類型對油氣分布的控制

4.1 海西運動期活動斷裂與油氣分布

哈拉哈塘地區(qū)油氣產能分布的平面非均質性極強，近距離內兩口井生產狀況可有很大的差異（如哈6 區(qū)西北部X11 井為高產井，而鄰近井X13 井、X14 井和X36 井均為失利井），成藏因素和工程因素都是可能的控制因素。但從大范圍來看，油氣產能的區(qū)域性差異十分明顯：新墾區(qū)產能遠低于哈6 區(qū)產能，即便在哈6 區(qū)內，西部產能也遠低于東部產能。區(qū)域產能差異反映了油氣的分布差異，由油藏性質決定而非工程因素。進一步研究發(fā)現，海西運動期活動斷裂發(fā)育區(qū)為失利井和低產井主要分布區(qū)，特別是位于海西運動期活動斷裂上的井幾乎全部失利或低產，典型井如X7 井、X6 井、X8 井、X22 井、X23 井等；而高產井往往分布在大型加里東運動期走滑斷裂及其分支斷裂上或其附近，如哈6 區(qū)東部高產井密集分布區(qū)，可見油氣分布與斷裂類型具有直接關系。

哈拉哈塘地區(qū)海西運動期活動斷裂主要分布于西部和北部，鄰近東河塘斷隆區(qū)，根據海西運動期活動斷裂的分布范圍及其對巖溶發(fā)育的控制程度將哈6、新墾、齊古和熱普北部在內的區(qū)域劃分為面積相當的2 個區(qū)：西部為海西運動期活動斷裂主控巖溶區(qū)（Ⅰ區(qū)），東部為加里東運動期走滑斷裂主控巖溶區(qū)（Ⅱ區(qū)）。對比Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的斷裂發(fā)育程度、巖溶密度和生產特征（表3）可知，Ⅰ區(qū)盡管“串珠”密度更大，巖溶更加發(fā)育，但總井數和高效井數遠少于Ⅱ區(qū)，失利井數卻與Ⅱ區(qū)相當，鉆井成功率（40.3%）僅為Ⅱ區(qū)的一半。由此可見，海西運動期活動斷裂對巖溶和油氣分布的控制作用十分明顯，其上發(fā)育的巖溶體油氣成藏能力差。

表3 哈拉哈塘地區(qū)主控巖溶區(qū)參數對比Table 3.Parameters of the primary karst zones in Halahatang area

4.2 油氣差異分布機理

哈拉哈塘地區(qū)海西運動期活動斷裂形成、熱液巖溶作用、生排烴以及油氣成藏均發(fā)生于二疊紀且時間相近，斷裂本身特點及四者相關關系決定了哈拉哈塘地區(qū)油氣的分布。海西運動期活動斷裂發(fā)育于板內裂谷期，是巖漿上拱產生的張性斷裂，伴生大量張開縫。相對于先存加里東運動期走滑斷裂，海西運動期活動斷裂延伸較短但較密集，其縱向上斷距可能較小，但開啟度可能較大，并周期性活動。在熱液巖溶期，海西運動期活動斷裂控制了巖溶發(fā)育以及熱液的排泄。與熱液巖溶期同時或略晚于熱液巖溶期，寒武系—奧陶系烴源巖在高熱流值背景下進入生油門限，大量油氣從北部坳陷沿加里東運動期走滑斷裂向北運移[33-34]。然而海西運動期活動斷裂在生排烴期間歇性活動并開啟，使得油氣在此散失并沿斷裂繼續(xù)向上運移，使大量發(fā)育在海西運動期活動斷裂上的巖溶儲集層不能或不能完全成藏。海西運動期活動斷裂上的大量失利井在鉆井、試油或開井初期均見油氣顯示，說明油氣的確曾在此處發(fā)生運移（如X22 井為失利井，但試油結果顯示為油跡，且其上志留系見瀝青膠結砂巖）。加里東運動期走滑斷裂在成藏期雖有活動但活動程度較小，其力學性質依然保持壓扭性，總體仍保持封閉性，使大量油氣在此類斷裂上發(fā)育的巖溶儲集體中成藏。因此在進一步油氣勘探時為了避免鉆遇失利井，提高鉆井成功率，應區(qū)分海西運動期活動斷裂和加里東運動期走滑斷裂，盡量避開海西運動期活動斷裂上分布的巖溶儲集層，尋找加里東運動期走滑斷裂上的有利儲集層。

5 實例井分析

X43 井為哈拉哈塘地區(qū)2019 年新鉆井。該井遠離哈拉哈塘北部海西運動期活動斷裂發(fā)育區(qū)，處于2 條加里東運動期走滑斷裂的交會處，該處巖溶在地震相干體上表現為暗色圓環(huán)（圖7a），地震剖面上表現為強振幅“串珠”（圖7b），是典型的熱液巖溶儲集層。X43井在一間房組上部7 279.00～7 292.00 m發(fā)生井漏、放空、井口失返現象（鉆至井段7 276.69～7 292.00 m井漏，井段7 287.05～7 287.94 m放空0.89 m），說明鉆遇大量裂縫并鉆遇巖溶洞穴（圖7c）。在裸眼井段7 222.00～7 292.00 m進行常規(guī)試油，4 mm油嘴放噴求產，油壓31.14 MPa，折日產油57.52 m3，折日產氣7 310 m3，不含水，綜合評價為全井最好的油氣層。X43井于2019年10月正式投產，自噴采油，投產后產量和壓力穩(wěn)定，截至2020年12月，累計產油1.9×104t，目前依然自噴生產。綜上說明，加里東運動期走滑斷裂上熱液巖溶形成了優(yōu)質儲集層且油氣在此處順利成藏。

圖7 哈拉哈塘地區(qū)X43井多信息綜合實例圖Fig.7.Multi-information composite maps of Well X43 in Halahatang area

6 結論

（1）哈拉哈塘地區(qū)奧陶系縫洞體為熱液沿斷裂巖溶改造形成，熱液巖溶可在塔里木盆地野外露頭以及哈拉哈塘地區(qū)地震剖面、巖心、顯微鏡下和流體包裹體中識別。

（2）哈拉哈塘地區(qū)奧陶系存在海西運動期活動斷裂和加里東運動期走滑斷裂2 種不同類型的斷裂。海西運動期活動斷裂形成于二疊紀巖漿活動時期，屬于張性斷裂，總體靠近東河塘斷隆，可由其伴生巖溶識別，主要為北西—南東走向，相比于加里東運動期走滑斷裂規(guī)模較小，但密度更大。

（3）巖漿活動、斷裂形成、熱液巖溶作用以及油氣成藏均主要發(fā)生在二疊紀，時間相近并具有成因上的繼承性，巖漿活動產生的能量是哈拉哈塘地區(qū)熱液巖溶、生烴和油氣成藏的真因。

（4）哈拉哈塘地區(qū)斷裂對油氣具有明顯控制作用，走滑斷裂上發(fā)育的巖溶體是有利的成藏部位；海西運動期活動斷裂在巖漿活動時期間歇性開啟，造成油氣散失，使其巖溶儲集層成藏能力差，造成哈拉哈塘地區(qū)東西部油氣分布差異巨大，下一步油氣勘探應盡量尋找加里東運動期走滑斷裂上巖溶儲集層，以提高鉆井成功率。