塔里木盆地塔河油田潛山區(qū)古巖溶縫洞類型及其改造作用

胡文革

（中國石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011）

20世紀80年代以來，古巖溶縫洞型儲集體成為全球油氣勘探與開發(fā)的重要目標［1］。中國塔里木盆地深層、超深層已經發(fā)現(xiàn)的油氣藏主要屬于該類型［2-5］。其中，塔河油田是最為典型的巖溶縫洞型油藏，具有十分豐富的油氣資源［6-7］。多年以來，圍繞古巖溶縫洞，提出了多種基于縫洞系統(tǒng)的劃分方法［8-15］。根據巖溶縫洞空間分布形態(tài)，劃分為層控型巖溶縫洞和斷控型巖溶縫洞［14］；根據巖溶垂向分帶結構，自上而下劃分為表層巖溶帶、垂直滲流帶和水平徑流帶［15］。塔河地區(qū)古巖溶縫洞體研究取得了進展［9，14，16-30］，但仍然存在縫洞關聯(lián)關系不清、埋藏期改造作用導致連通關系不明確的問題。

本文以塔河四區(qū)奧陶系油藏為例，基于巖溶縫洞體的成因，建立了基于巖溶水運動樣式和循環(huán)路徑的巖溶縫洞結構類型劃分思路，提出了表層型、暗河型和斷控型3 種類型縫洞體劃分方案，建立了不同的古巖溶縫洞發(fā)育模式。通過研究古巖溶縫洞的形成機制、分布控因和組合特征，結合古巖溶縫洞埋藏后的改造作用，以動態(tài)時空演化來認識地下現(xiàn)存的縫洞體結構特征，闡明了構造變化、溶洞垮塌和充填3種古巖溶縫洞體的改造作用及規(guī)律，表征了改造后的縫洞內部結構及空間分布模式。該成果深化了塔河四區(qū)縫洞空間結構再認識、成功指導了注采井網構建與完善調整，對縫洞型油藏精細開發(fā)具有重要意義。

1 古巖溶縫洞成因類型劃分與表征

以巖溶水流動樣式及循環(huán)路徑為出發(fā)點，結合巖溶縫洞的發(fā)育和組合特征、空間分布及其控制因素的差異性，將塔河油田潛山區(qū)古巖溶縫洞劃分為表層型、暗河型、斷控型3 種類型；同時，建立了不同類型古巖溶縫洞的地球物理表征方法。

1.1 表層型古巖溶縫洞

表層型古巖溶縫洞是指地表大氣淡水對碳酸鹽巖地層表層淋濾、巖溶改造而形成的縫洞體，巖溶水流動樣式以裂縫輸導的擴散流為主。循環(huán)路徑有兩種；①地表流向為降雨—地面溶溝—地表明河；②淺層流向為降雨—沿裂隙下滲—出露地表—明河。

儲集空間類型以小尺度（幾厘米到幾十厘米）巖溶縫洞為主，包括裂縫及溶擴裂縫、溶蝕孔洞和小型溶洞等［31-32］，其風化程度高、儲集能力較好?？p洞關聯(lián)性表現(xiàn)為以垂向溝通為主，橫向沿層理可短距離溝通，孔洞間關聯(lián)性好。

縫洞分布及控制因素表現(xiàn)為：垂向上主要發(fā)育在風化殼頂面以下0~70 m；平面上受到巖溶微地貌的控制，多發(fā)育于構造高部位和小角度緩坡帶。

地震識別標志表現(xiàn)為連續(xù)的雜亂弱特征、斷續(xù)的雜亂弱特征，通過古地貌恢復技術以及去強軸+最大似然技術予以表征。

新疆西北部柯坪地區(qū)南一溝剖面中下奧陶統(tǒng)一間房組出露地表，風化殼附近發(fā)育明顯的表層型古巖溶縫洞，包括表層網狀斷裂及沿著裂縫局部溶蝕擴大形成的小型溶蝕空間（圖1），溶蝕空間的垂向尺度為0.01~0.40m、水平尺度為0.05~0.60m（圖1）。

圖1 塔里木盆地柯坪地區(qū)南一溝剖面一間房組表層型巖溶縫洞發(fā)育特征Fig.1 Characteristics of epikarst fractures and vugs in the Yijianfang Formation，Nanyigou section，Keping area

受控于巖溶時期地形地貌展布，地表水沿裂隙會形成多向分流，可以在一個地區(qū)形成多個局部表層巖溶縫洞系統(tǒng)。塔河油田四區(qū)普遍發(fā)育表層型古巖溶縫洞，以裂縫和沿著裂縫發(fā)育的溶蝕孔洞為主（圖2），局部發(fā)育小型巖溶洞穴。該區(qū)表層型巖溶縫洞垂向發(fā)育深度主要位于風化殼頂面以下0~70 m，且具有似層狀連片分布的特征，屬淺層巖溶水循環(huán)的產物。由于該類縫洞多形成于暴露剝蝕初期或長期風化剝蝕后期，外來物充填程度高，單位體積有效空間占比低。實鉆半-全充填占比達60%以上，油井產能低、供液能力差。

圖2 塔里木盆地塔河油田表層型古巖溶縫洞發(fā)育特征與空間分布Fig.2 Development characteristics and spatial distribution of paleokarst fracture-vug of epikarst type，Tahe oilfield，Tarim Basin

1.2 暗河型古巖溶縫洞

暗河型古巖溶縫洞是指徑流溶蝕形成的大型地下河道，暗河內一般會存在外來泥沙充填和垮塌填充等地質特征。循環(huán)路徑有兩種：①地表明河—落水洞等—地下巖溶管道或暗河—明河；②地表—沿裂隙下滲—匯入地下巖溶管道或暗河—明河或巖溶泉等。

儲集空間類型以大規(guī)模或大尺度巖溶（幾米到幾十米，甚至百米）縫洞為主，包括地下河入口、落水洞、豎井、廳堂型溶洞、水平潛流洞道、末梢洞、天窗以及地下河出口等。縫洞關聯(lián)性表現(xiàn)為沿巖溶水方向溝通性好，垂向上主要發(fā)育在風化殼頂面以下40m 或70 m以深。

地震識別標志上：落水洞表現(xiàn)為串珠狀反射，廳堂型溶洞、地下廊道表現(xiàn)為連續(xù)的強反射、串珠狀反射、雜亂強反射［33-34］。地球物理表征方法有能量體屬性以及疊前疊后波阻抗反演。

與表層型古巖溶縫洞不同的是，暗河型古巖溶縫洞主要發(fā)育在不整合面之下更深的部位，垂向上主要受到多期次排泄基準面的控制［14，35］，平面上受到斷裂走向的控制，其發(fā)育部位和規(guī)模與斷裂等密切相關［11］。塔河四區(qū)暗河型古巖溶縫洞由落水洞、廳堂型溶洞和暗河管道組成，在平面上呈彎曲分布、具有明顯的方向性，充填物以砂泥和角礫為主（圖3）。由相互關聯(lián)的暗河入口、落水洞、暗河管道與出口等多種巖溶形態(tài)類型構成了暗河巖溶縫洞系統(tǒng)。

圖3 塔里木盆地塔河四區(qū)暗河型古巖溶縫洞發(fā)育特征Fig.3 Spatial distribution of paleokarst fracture-vug of underground river type，Block 4，Tahe oilfield，Tarim Basin

廳堂型溶洞作為地下巖溶管道的一個重要組成要素，是因溶蝕、崩塌再溶蝕形成的較大規(guī)模的洞穴，主要發(fā)育在斷裂交匯處、暗河交匯處或落水洞下方（圖4c）。廳堂型溶洞在地震剖面上呈不連續(xù)強反射或串珠反射，在阻抗屬性上表現(xiàn)為近圓形強異常體（圖4a，b）；在測井曲線的響應上十分敏感，如T403 井5 565.5~5 585.5 m 井段。該段自然伽馬值急劇升高、自然伽馬曲線整體上呈現(xiàn)箱形形態(tài)，廳堂型溶洞頂部5 565.5~5 576.5 m 井段井徑擴徑明顯；密度、中子和聲波孔隙度曲線呈鋸齒震蕩特征；同時，該段呈現(xiàn)出明顯的高孔滲特征，孔隙度高達10 %以上，滲透率可達1 000×10-3μm（2圖4c）。廳堂型溶洞洞穴高度一般為10~100 m，該部位上的油井產能高、累產量高，是目前塔河油田重要的開發(fā)對象。

圖4 塔里木盆地塔河四區(qū)廳堂型溶洞地球物理響應特征Fig.4 Geophysical responses of giant caves of corridor hall type in the Block 4，Tahe oilfield，Tarim Basin

1.3 斷控型古巖溶縫洞

斷控型古巖溶縫洞是大氣淡水沿斷裂面或斷裂兩側構造裂縫下滲、溶蝕形成的縫洞集合體［14，24，28，36］，垂向縫洞儲集體可達600 m。該類縫洞體不受控于區(qū)域性巖溶排泄基準面與巖溶微地貌部位，其發(fā)育程度、空間分布與巖溶作用時期斷裂的結構密切有關，包括斷裂的級次、規(guī)模、分段性、分層性以及開啟程度。循環(huán)路徑有2 種：①沿斷裂垂向流，即巖溶水—斷裂—斷層泉（或明河）；②沿裂隙垂向流，即巖溶水沿裂隙下滲—匯入斷裂面—斷層泉等。斷裂在巖溶作用過程中主要發(fā)揮著導水的作用，隨著溶蝕作用的強化，由初期的溶蝕縫進而演變?yōu)檩^大的溶洞。縫洞關聯(lián)性表現(xiàn)為垂向溝通為主，沿斷裂發(fā)育，深度變化較大，達數百米；沿斷裂走向呈分段溝通特征。儲集空間由溶蝕縫與斷面控制的溶蝕孔洞和溶洞組成。

地震識別標志為沿斷裂方向的連續(xù)強相位錯斷的串珠反射，平面上沿斷裂發(fā)育強能量體；中-小尺度溶擴縫表現(xiàn)為沿斷裂帶的雜亂反射特征。地球物理表征方法有相干體以及最大似然/螞蟻體+能量體組合。

由相互關聯(lián)的溶蝕縫、孔洞和溶洞共同構成了斷控型縫洞系統(tǒng)，同一條斷裂帶可以發(fā)育多個巖溶縫洞系統(tǒng)。大型斷裂發(fā)育部位往往形成顯著的集中水流，形成平面延伸長、縱向深度大的縫洞系統(tǒng)（圖5）；次級斷裂巖溶水匯聚相對較弱、溶蝕強度相對較低，形成多個沿斷裂分隔的縫洞系統(tǒng)，以小規(guī)?？锥大w和局部溶洞為主。

圖5 塔里木盆地塔河四區(qū)斷控型古巖溶縫洞發(fā)育特征與空間分布Fig.5 Development characteristics and spatial distribution of paleokarst fracture-vug of fault-controlled type in the Block 4 of the Tahe oilfield，Tarim Basin

1.4 古巖溶縫洞發(fā)育模式

在不同地貌和構造背景下，不同類型的古巖溶縫洞呈現(xiàn)出不同的上下疊置和空間配置關系（圖6）。

圖6 塔里木盆地塔河潛山區(qū)3類古巖溶縫洞發(fā)育模式Fig.6 Schematic diagram showing the development models of three types of paleokarst fracture-vug in the buried hill are，Tahe oilfield，Tarim Basin

古潛山區(qū)殘丘常發(fā)育“表層型+暗河型”上下疊置組合；平臺區(qū)多發(fā)育“斷控型+暗河型”疊置組合；緩斜坡區(qū)發(fā)育“表層型+斷控型+暗河型”組合；環(huán)形凹地發(fā)育“暗河型+斷控型”平面配置組合等。不同模式組合決定著縫洞空間關聯(lián)關系，影響開發(fā)井網構建原則及開發(fā)政策的制定。

2 古巖溶縫洞改造作用與模式

塔河古巖溶縫洞改造分為巖溶期和埋藏期兩個階段，前者指海西早期，發(fā)生大氣淡水巖溶作用［11，37-38］，后者指石炭系地層沉積之后為的時期?？p洞改造受構造升降、多期次斷裂活動及上覆地層重力作用等因素的影響。此外斷裂錯斷、機械壓實垮塌、角礫巖化及化學充填等作用對縫洞結構與連通性均有直接影響。

2.1 斷裂改造作用

斷裂對古巖溶縫洞的控制作用可以分為巖溶期和埋藏期兩個階段。巖溶演化的初期，地表裂隙帶和斷裂帶是地表水由分散轉向匯聚的有利部位，容易形成不同的級次地表溶溝及與之相應的皮下徑流場，因而控制了表層型古巖溶縫洞的發(fā)育。當巖溶演化達到一定程度，地表水可向地下轉換形成集中式流動，從而發(fā)育暗河型古巖溶縫洞集合體。斷裂的走向往往控制暗河的延伸方向，斷裂交匯處易溶蝕擴大形成廳堂型溶洞（圖7a）。無論是巖溶發(fā)育的初期還是晚期，在斷控型巖溶縫洞中，斷裂控制了縫洞的展布方向、縱向深度和平面分布范圍；斷裂發(fā)育規(guī)模、斷開深度與縫洞規(guī)模和縱向發(fā)育深度呈正相關。

埋藏期，斷裂對古巖溶縫洞的改造以破壞性為主，斷裂活化切斷了巖溶期形成的巖溶管道，使得原本連續(xù)的洞道上下完全錯位或部分錯位，從而改變了巖溶縫洞的連通關系；原始巖溶縫洞的錯斷、變形程度越高，其分隔的可能性越大（圖7b）。同時，埋藏期斷裂的活化也可能構建出新的連通通道，導致巖溶期相互不連通的巖溶縫洞相互連通。TK424CH 井和TK440井在巖溶期分別發(fā)育表層型巖溶縫洞和暗河型巖溶縫洞，在空間上兩者并不關聯(lián)，但是動態(tài)關系顯示兩口井注采連通。在埋藏期，TK424CH 井和TK440 井之間形成了一條NE 向延伸的次級斷裂，提供了地層流體的連通路徑，從而影響了水驅氣驅效果。

巖溶期的斷裂兩側往往伴生溶蝕空間，在地震剖面上表現(xiàn)為雜亂強反射或串珠狀反射，在波阻抗反演屬性上呈現(xiàn)出阻抗異常（圖7b，c）。由于埋藏期巖溶作用已經終止，期間的斷裂在地震剖面上僅表現(xiàn)為相位錯斷特征（圖7b，c）。

圖7 塔里木盆地塔河四區(qū)斷裂與縫洞體疊合圖Fig.7 Superimposition of fault upon fracture-vug bodies in the Block 4，Tahe oilfield，Tarim Basin

2.2 垮塌作用

巖溶垮塌作用在塔河地區(qū)十分普遍［21，39］，它極大地改變了古巖溶縫洞輪廓形態(tài)和內部結構。按照垮塌作用發(fā)生的時間，可分為早期垮塌和晚期垮塌，分別對應于巖溶期和埋藏期。

在巖溶期，溶洞洞頂和洞壁在重力作用下，會形成一個應力穹隆或最大剪切帶，從而導致洞頂垮塌，洞底形成堆積角礫巖。另外，在斷裂轉換段或者交匯處，容易發(fā)生大型洞穴周緣的垮塌。在地震上，巖溶期垮塌呈強反射或雜亂反射。上覆地層逐漸填平補齊，沉積連續(xù)性好，與中-下奧陶統(tǒng)頂面構造具有一致性，無明顯的構造變形（圖8a）。在測井曲線上，自然伽馬值呈現(xiàn)中幅度齒化特征，井徑曲線顯示明顯的擴徑，孔隙度曲線小幅度增大特征。在巖心上，可見發(fā)育在洞底膠結松散的垮塌角礫。巖溶期的縫洞垮塌體內破碎角礫巖伴隨著搬運和再溶蝕作用，洞穴多為不完全充填，縫洞的連通性較好，不造成縫洞間分隔。

進入埋藏期后，由上覆地層壓力增加引起的機械壓實作用通常會導致溶洞整體垮塌，縫洞儲集空間變小。同時，在溶洞上方會形成塌陷構造及次生斷裂或裂縫網［9］。在地震剖面上，巖溶期垮塌體呈雜亂或串珠狀反射，同相軸具有錯斷下掉或頂部下凹特征?？逅课坏纳细渤练e地層厚度均一、連續(xù)，具有明顯的構造變化，且伴有上覆地層的錯位或錯斷，常表現(xiàn)為同相軸下凹（圖8b）。在測井曲線上，自然伽馬值呈現(xiàn)低幅齒化，井徑曲線無明顯變化，孔隙度曲線無明顯變大特征（圖4c）。在巖心上，可見砂泥質膠結的灰?guī)r角礫、泥質或方解石充填，膠結充填程度高［39］。埋藏期的垮塌導致先期形成溶洞的連通性變差，形成分隔；同時，洞頂或洞壁新產生的裂縫和崩落角礫巖也可造成不同類型縫洞間連通，連通方式由溶洞連通轉變?yōu)榻堑[巖間裂縫或洞頂縫網連通。

圖8 塔里木盆地塔河四區(qū)典型垮塌特征地震深度偏移剖面Fig.8 Seismic depth migration section showing typical collapse in the Block 4，Tahe oilfield，Tarim Basin

2.3 充填作用

古巖溶縫洞的充填在塔河油田也是普遍存在的［22，40-41］，且增強了巖溶縫洞結構的非均質性。古巖溶縫洞的充填作用主要包括巖溶期的搬運充填作用和埋藏期的化學充填作用，分別對應于流水機械沉積和化學沉積兩種洞穴沉積物［42］。

巖溶期發(fā)育的縫洞（尤其是在暗河型縫洞）中，搬運沉積物是普遍存在的，充填物多為由硅質巖碎屑或碳酸鹽巖組成的機械沉積物。這一類充填易在暗河入口（包括落水洞、豎井等）、縫洞低部位（包括斷裂錯斷導致的縫洞下掉部位）、轉彎和縮徑的位置發(fā)生，從而影響暗河縫洞的連通性。泥質含量反演以及疊前波阻抗反演技術可預測縫洞充填性（圖9a）。

埋藏期，當地層水中的溶質達到飽和時，容易形成方解石以及石英等化學沉積物，膠結先存的角礫或裂縫等（圖9b）?；瘜W充填可降低古巖溶縫洞的儲集和連通能力。

圖9 塔里木盆地塔河地區(qū)古巖溶縫洞改造作用綜合模式Fig.9 Integrated model of paleokarst fracture-vug reconstruction，Tahe oilfield，Tarim Basin

2.4 改造后縫洞系統(tǒng)模式

基于表層型、暗河型和斷控型3 種巖溶縫洞類型，經埋藏期斷裂作用、垮塌作用和充填作用對縫洞系統(tǒng)的改造后，重構了現(xiàn)今3種結構類型模式，不同結構類型對應不同的開發(fā)方式與井網設計，為縫洞型油藏的效益開發(fā)奠定基礎。

1）連通式縫洞系統(tǒng)結構

這一類縫洞系統(tǒng)基本保持或繼承了巖溶期較為完整的內部結構，連通關系好，基于巖溶水運動樣式和循環(huán)路徑，系統(tǒng)地進行有效縫洞體積計算、儲量分類和經濟效益評價。以少井高產、低注高采的思路，沿縫洞展布整體布局注采井網，提高驅替效益。

2）部分連通式縫洞系統(tǒng)結構

這一縫洞類型因斷裂錯斷、垮塌以及充填等改造作用，導致縫洞間部分或完全分隔，其連通關系和程度可通過改造作用強度進行判識。對于部分連通式類型，可以從井組或單個縫洞的角度，進行有效體積計算、油氣富集程度評價以及地質儲量計算，以井組或單洞的形式進行注采井網構建、分段或逐洞開發(fā)。

3）縫洞系統(tǒng)間貫通式結構

埋藏期斷裂（構造裂縫）可使不同縫洞系統(tǒng)之間實現(xiàn)連通，垮塌縫洞體周圍產生的應力裂縫以及垮塌角礫巖間的裂縫也存在溝通鄰近縫洞系統(tǒng)的可能性。這種新的連通關系，使得井網由原來沿同一縫洞系統(tǒng)布局，轉變?yōu)橄到y(tǒng)間基于連通節(jié)點和路徑的“縱向疊置、平面配置”的空間結構構建，從而形成空間上高效的驅替關系。但斷裂或裂縫作為連通通道，易形成水竄、氣竄，造成水驅氣驅效率降低，這一點在現(xiàn)場開發(fā)過程中應引起特別的注意。

3 塔河四區(qū)古巖溶縫洞劃分及應用

塔河四區(qū)位于阿克庫勒鼻狀構造軸部，是塔河油田主體區(qū)最典型的古潛山巖溶發(fā)育區(qū)，該區(qū)古巖溶縫洞類型豐富，包括大尺度的巖溶洞穴與中小尺度的裂縫-孔洞等。塔河四區(qū)屬于高成熟開發(fā)區(qū)，高產井—S48 井位于本研究區(qū)，為研究提供了豐富的動靜資料和認識借鑒（圖10）。

圖10 塔里木盆地塔河四區(qū)位置、地層及海西早期巖溶古地貌Fig.10 Location，stratigraphic sequence and Early Hercynian paleokarst geomorphology of the Block 4 in the Tahe oilfield of Tarim Basin

通過對塔河四區(qū)古巖溶縫洞的表征和描述，繪制了不同類型古巖溶縫洞的平面分布圖（圖11），并在古巖溶縫洞結構改造作用研究的基礎上，構建了縫洞間關聯(lián)和連通關系。塔河四區(qū)表層型巖溶縫洞與暗河型、斷控型縫洞相互疊置分布，共劃分出6個表層型縫洞發(fā)育區(qū)，呈連片狀分布（圖11a）；25 個暗河型巖溶縫洞發(fā)育區(qū)，呈條帶狀段塞式分布（圖11b-c）；2 個斷控型古巖溶縫洞發(fā)育區(qū)，呈條帶狀散點式分布（圖11c）。結合古巖溶縫洞改造作用研究，識別出具有分隔能力的全充填縫洞27個，錯斷縫洞9個（圖11d）。

圖11 塔里木盆地塔河四區(qū)古巖溶縫洞結構平面分布Fig.11 The plane distribution of paleokarst fracture-vug architecture in the Block 4 of the Tahe oilfield，Tarim Basin

根據古巖溶縫洞結構的劃分結果，重新計算塔河四區(qū)縫洞體積和儲量，認識縫洞間關系，精細評價儲量動用狀況，找出了占區(qū)塊探明儲量43 %的未動用儲量，開展綜合治理，區(qū)塊日產油氣量提升50%以上，油田開發(fā)指標明顯改善（表1；圖12）。表層巖溶縫洞平均單井累產油1.1×104t，暗河型縫洞的平均單井累產油10.3×104t，斷控型縫洞的平均單井累產油3.8×104t。

圖12 塔里木盆地塔河油田四區(qū)開發(fā)曲線Fig.12 Development curve of the Block 4，Tahe oilfield，Tarim Basin

表1 塔里木盆地塔河四區(qū)綜合治理前、后開發(fā)指標對比Table 1 Comparison of development indexes before and after comprehensive treatment in the Block 4 of the Tahe oilfield，Tarim Basin

4 結論

1）基于潛山區(qū)古巖溶縫洞成因建立了表層型、暗河型和斷控型3 種有利儲集體劃分方法。表層型巖溶縫洞以小規(guī)?？p洞體為主，以平面溝通為主，平面上受到巖溶地貌的控制，多發(fā)育于構造高部位和小角度緩坡帶，以不整合面以下0~70 m 發(fā)育為主。暗河型古巖溶縫洞主要由廳堂型溶洞、廊道-分支河道和落水洞等組成，單位體積有效空間占比大，橫向溝通性好，主要分布在不整合面70 m 以下。斷控型巖溶縫洞沿斷裂表現(xiàn)為條帶狀展布的小規(guī)?？锥大w，局部發(fā)育溶洞，以垂向溝通為主，沿斷裂走向有分段溝通特征。

2）古巖溶縫洞埋藏過程中的斷裂作用、垮塌作用和充填作用改變了原始巖溶縫洞系統(tǒng)的內部結構，重構了連通式、部分連通式和貫通式3 種縫洞系統(tǒng)結構模式，制定了相應的開發(fā)政策。

3）塔河四區(qū)古巖溶縫洞系統(tǒng)結構類型劃分及模式的研究，有效指導了縫洞系統(tǒng)的再認識，支撐了儲量動用評價和注采井網調整，提升了油藏開發(fā)水平，也進一步證實了縫洞系統(tǒng)結構類型劃分方法的科學性。