塔北奥陶系露头古溶洞充填特征及其油气储层意义

张文博，金 强，徐守余，田 飞，崔健健

(中国石油大学，山东 青岛 266555)

塔北奥陶系露头古溶洞充填特征及其油气储层意义

张文博，金 强，徐守余，田 飞，崔健健

(中国石油大学，山东 青岛 266555)

塔河油田是中国储量规模最大的碳酸盐岩岩溶缝洞型油藏，是1种极为特殊且复杂的油藏类型。塔北柯坪—巴楚地区与塔河油区具有相似的地质演化过程，奥陶系露头广泛发育古岩溶，溶洞被不同程度充填，充填物包括洞穴沉积物、垮塌角砾岩和化学充填物3种类型，同一溶洞中可以出现2种或3种充填物组合，形成复合充填物。文中对该区溶洞砂泥质沉积充填、垮塌角砾充填及化学充填特征进行分析，探讨溶洞的成因模式，从而指导塔河油田缝洞型储层的充填物识别和充填过程研究，有助于查明该类储层的形成机制。

充填特征;储层意义;古溶洞;奥陶系露头;塔北地区;塔河油田

引言

岩溶在地表—近地表和埋藏演化阶段会发生反复的溶蚀和充填作用，形成充填程度、充填物类型及组合特征各异的溶洞，当作为油气储层时则会表现出强烈的空间非均质性，是1种极为特殊和复杂的储层类型［1］。塔河油田是中国储量规模最大的碳酸盐岩岩溶缝洞型油藏，溶洞充填特征的研究有助于查明该类储层的形成机制。塔里木盆地北部柯坪—巴楚地区广泛出露奥陶系古溶洞，因与塔河奥陶系具有相似的地质演化过程［2］，成为相似露头古溶洞充填研究的重点区，研究点分布在沿314国道从柯坪向西至西克尔一带，包括硫磺矿、硫磺沟、一间房、五道班和西克尔等地。近年来，有些学者开始对该区溶洞充填特征进行研究，刘伟认为西克尔溶洞以沉积和化学充填为主［3］，牛永斌认为硫磺沟和五道班地区存在钙华沉积［4］，但对溶洞充填过程研究都不够深入。本次研究的目的是查明露头区溶洞充填程度、充填物类型及组合等特征，探讨溶洞充填模式，并与塔河典型溶洞充填特征进行对比和应用，指导塔河油田缝洞储层的充填过程和形成机制研究。

1 地质概况

研究区位于塔里木盆地北部的柯坪断隆和巴楚隆起2大构造单元，该区广泛出露奥陶系，主要分布在314国道北侧，南侧少量分布。在柯坪断隆呈多排山系向南—南东方向发展，在巴楚隆起西北部呈不连续点状分布，出现在隆起高部位［5］。

柯坪—巴楚地区奥陶系以层厚质纯的碳酸盐岩为主，分为下奥陶统蓬莱坝组、中—下奥陶统鹰山组、中奥陶统一间房组、上奥陶统吐木休克组(塔河地区称恰尔巴克组)、良里塔格组和桑塔木组［6］。研究区在加里东中期、海西早期和海西晚期构造运动期间都发生过岩溶作用，其中以海西早期最为强烈，溶蚀缝洞广泛发育，鹰山组和一间房组为主要发育层位。燕山晚期前，柯坪—巴楚地区与塔河油区地质演化过程较相似，不同点是，燕山晚期后柯坪—巴楚地区急剧抬升形成露头，而塔河油区奥陶系深埋地下形成优质油气储层。

2 古溶洞充填物类型及充填程度

2.1 古溶洞充填物类型

2.1.1 洞穴沉积物

研究区存在砂泥岩和砾岩2种洞穴沉积物。硫磺3号沟发育大型砂泥岩充填溶洞，高约为5 m，宽约为4.2 m。洞内灰绿色泥质粉砂岩与棕黄色砂质泥岩互层。沉积物颗粒较细，反映沉积时暗河水流强度不大。砂泥岩层弯曲变形，倾角约为20～50°，推测是构造运动导致岩层产状发生变化。砂泥岩层上部和下部还存在垮塌角砾岩，也能导致砂泥岩层变形。

研究区五道班1号沟发育砾岩充填溶洞，高约为1.8 m，宽约为2 m。砾石为灰岩，大小约为2～15 cm，属于溶洞垮塌碎屑，砾石间泥质－钙质胶结。砾石磨圆较好，分选较差，反映出该充填物是经流水长期搬运，在某区沉积、再次搬运后，又快速沉积而形成的。

2.1.2 垮塌角砾岩

溶洞在地表—近地表和埋藏过程中都会因重力作用发生垮塌而原地堆积形成角砾岩，没有经过流水搬运而无分选和磨圆，角砾大小不一，形状不规则，棱角明显。溶洞垮塌主要取决于溶洞规模、几何形态、洞顶岩层性质和裂缝发育状况等因素。

硫磺4号沟存在1个十分典型的垮塌角砾岩充填溶洞，高约为4.7 m，宽约为8 m。角砾岩大小从几厘米至1.5 m，混杂分布，无分选和磨圆，角砾岩与围岩岩性一致，经推断认为是溶洞垮塌原地充填，没有经过流水搬运，角砾岩间泥质－钙质胶结，但还不能完全确定该溶洞垮塌于地表或埋藏阶段。

由于角砾间隙较多，垮塌作用可以远远扩大原始溶洞体积，Loucks利用物质平衡关系推算认为溶洞垮塌后角砾岩化带半径可以是原始溶洞的4倍以上［1］。另外，垮塌也可以造成溶洞周围的裂缝广泛发育，甚至在洞顶产生小规模断层。如一间房南7 km南支沟的1个垮塌溶洞，洞内角砾岩因开采萤石而被破坏，只在洞顶发育小规模断层，岩层发生弯曲变形，断层带内部充填角砾等碎屑物质，这是溶洞垮塌的标志。

2.1.3 化学充填物

当含碳酸或其他酸类的饱和水溶液流经溶洞或裂缝时，因温度、压力或其他条件发生变化，溶液内气体散失便会发生化学物质沉淀，形成溶洞化学充填物。研究区溶洞化学充填现象十分普遍，包括方解石、石膏、硫磺和萤石等类型。

硫磺矿和硫磺沟地区化学充填物类型一致，以方解石、石膏和硫磺为主。硫磺4号沟入口处发育5层溶洞，高约为1.5～2.0 m，宽约为1.5～2.5 m，分为单支管道型和多支管道型。因开采硫磺，方解石、石膏和硫磺只在洞顶和洞壁少量残留。方解石因发生氧化普遍呈棕红色;石膏为灰白色，呈块状，没有明显的解理;硫磺呈黄色，与石膏混杂分布。其中，方解石可能是岩溶期形成，石膏和硫磺可能与热液作用相关。

一间房和西克尔地区化学充填特征相似，以方解石和萤石为主。在一间房南7 km南支沟发育5层大型溶洞，以第4层溶洞规模最大，宽约为10 m，高约为4 m，属厅堂型溶洞，其他各层溶洞规模相对较小，属廊道型，可见明显的分支现象。各层溶洞之间裂缝十分发育，连接各层溶洞，裂缝局部扩大形成小型洞，一般小于0.5 m，被巨晶方解石全部充填。萤石也十分发育，呈紫色与方解石混杂分布。

张兴阳认为西克尔地区萤石属热液成因，成矿热液是加热的大气淡水［7］;饶红娟通过分析萤石微量元素和稀土元素也认为其是热液成因，而成矿流体来自于下伏寒武系的加热盆地卤水［8］。因此，该区萤石成因还存在认识矛盾，需要进一步分析。

五道班地区广泛发育方解石充填洞，1号沟、2号沟和6号沟均有分布。该类溶洞呈半椭圆形，延伸几米至几十米，全部为方解石充填。以6号沟为例进行分析，该洞高约为3.8 m，长约为20 m，没有典型的溶洞形态，洞穴不切割周围地层而顺层发育。洞顶发育多层黑色白云岩化岩层，认为是变质作用所致，距洞顶越远颜色越浅，表明变质作用越弱。另外，洞顶各岩层间充填方解石，方解石厚约为10～30 cm。由于该区逆冲断层十分发育，推断洞穴可能不是岩溶成因，而与逆冲断层的推覆作用有关。其中，洞顶面为主推覆面，推覆作用导致岩层变质发黑，距主推覆面越远变质作用越弱。另外，推覆作用导致岩层滑脱形成顺层缝、洞，主推覆面之下规模最大，而顺层缝、洞充填方解石可能与推覆过程中的热液作用相关。

2.2 古溶洞充填程度

研究区因开采硫磺或萤石矿导致溶洞多被破坏成空洞，溶洞原始形态及充填程度只能通过洞缘残余物来推断。根据充填程度将溶洞分成3种类型:全充填型、半充填型和未充填型。

绝大部分溶洞属于充填型，充填特征前已述及。半充填型溶洞数量较少，在一间房南7 km发现1个半充填廊道型溶洞，在洞顶和洞底发育少量角砾、方解石和石膏。洞穴口高约为4 m，宽约为1.2 m，但是洞穴内部规模不断变化，黄成毅研究认为该洞穴延伸约为80 m，高约为0.5～8.0 m，宽约为0.5～2.0 m，不同位置洞穴横截面具有不同的形态［9］。未充填溶洞规模较小，在硫磺4号沟多有发现，为地下河小型管道或裂缝溶蚀扩大形成，此类洞穴数量也较少。

3 古溶洞充填模式

研究区只发育1种类型充填物的溶洞并不多见，多种充填物充填的溶洞占大多数，存在多个类型的充填物组合，反映不同的充填模式。因此，该区主要存在2种溶洞复合充填模式。

(1)洞穴沉积物－垮塌角砾岩充填模式。洞穴沉积物和垮塌角砾岩可以分布在溶洞任何部位，互层或混杂分布。硫磺3号沟入口处大型溶洞即为该类充填物组合，其溶洞充填模式是:充填物一般形成于溶洞地表—近地表发育阶段，砂泥岩为暗河沉积，同时溶洞因重力作用发生垮塌形成角砾岩，岩溶期或埋藏阶段化学充填现象不明显(图1)。

(2)洞穴沉积物－化学充填物充填模式。该类组合在各研究点均有发育。洞穴沉积物很薄，一般小于20 cm，分布在溶洞顶部或底部。化学充填物分布在任何部位，又可分成2种组合:①方解石－石膏－硫磺组合，该类组合在硫磺矿和硫磺沟地区分布，3种矿物在溶洞及周缘裂缝内混杂分布，石膏和硫磺可能是热液成因;②方解石－萤石组合，巨晶方解石在岩溶期形成，萤石与热液作用相关。由此可以看出，一间房、西克尔地区溶洞充填特征与硫磺矿、硫磺沟地区明显不同，表现在萤石与石膏、硫磺的差别，表明两地区溶洞在埋藏过程中可能经历了不同的热液充填过程。其中，岩溶期暗河沉积砂泥质，当潜水面下降则发育巨晶方解石，而石膏、硫磺或萤石则是埋藏过程中热液作用的产物，垮塌角砾岩发育不明显(图2)。

图2 洞穴沉积物－化学充填物充填模式

4 露头古溶洞充填特征研究意义

塔河油田与柯坪—巴楚地区奥陶系具有相似的地质演化过程，广泛发育不同充填特征的古溶洞，并形成1种极为特殊复杂但十分优质的油气储层。1997年10月艾协克2号构造高点的S48井在钻入奥陶系0.76 m之后发生强烈放空和漏失，获高产油气流，截至2010年该井累计产油71.70 ×104t，其中连续自喷生产7 a零9个月，单井产量高且稳定生产。塔河油田建产以来，每年约以60 ×104t的产量递增，2010年塔河油田产量达720× 104t，其中奥陶系产量约占总产量的75%。但是储层埋深普遍大于5 300 m，地层压力为60 MPa左右，地温大于125°，且经历多期构造运动、多期岩溶叠加改造以及地表和埋藏过程中沉积、垮塌及化学充填影响，空间变化大，内部结构复杂，属于超深、超高压复杂储层。目前在油藏开发中存在储量动用率低、采油速度低和采收率低的“三低”现象，高效开发对缝洞储层精细研究提出迫切需求。

塔河油田岩心上发现的最大全充填溶洞为25 m (T615井5 533.45～5 558.45 m);测井解释最大未充填溶洞达37 m(AD4井6 505～6 542 m)，最大全充填洞达73 m(TK409井5 586～5 659 m)，T403井全充填溶洞也达68.5 m(5 486.5～5 555.0 m)［10］。溶洞充填物也分为3种类型，与露头区一致，如S75井溶洞充填方解石(5 681～5 687 m)，与一间房地区巨晶方解石充填溶洞相似;T615井溶洞充填砂岩(图3)与硫磺3号沟砂泥质充填溶洞一致;T403井溶洞充填垮塌角砾岩和砂泥岩混合(图4)，与硫磺4号沟垮塌角砾岩充填溶洞类同。并且各溶洞的充填过程都可以用单独充填模式和复合充填模式(洞穴沉积物－垮塌角砾岩充填模式、洞穴沉积物－化学充填物充填模式)进行解释。

图3 塔河油田T615井溶洞充填砂泥岩

图4 塔河油田T403井溶洞充填角砾岩

不同充填过程和充填物类型对缝洞储层演化及性质会产生很大的影响，未充填或半充填溶洞具有极好的产能，其中S48井最为典型;充填溶洞因充填物不同也表现出不同的特征，如溶洞垮塌可以在洞缘和溶洞之间产生大量裂缝，将多个溶洞相互连通，大大扩展了储层范围，且垮塌角砾岩的弱胶结也表现出很好的储层性质;若溶洞充填纯净石英砂岩，则可以形成优质砂岩储层，在T615井岩心上可观察到十分明显的溶洞充填砂岩油浸现象;而缝洞充填方解石则可将缝洞储层完全封闭，导致原本连通的洞穴相互隔绝，大大缩小储层范围，降低储层质量［11－12］。因此，查明溶洞充填特征对研究有效缝洞储层分布范围十分重要。

塔河油田奥陶系缝洞型储层埋深很大，横纵向尺度差别大且内部结构复杂，单井资料只能揭示溶洞局部充填特征。虽然三维地震可以描述溶洞空间展布特征，但缝洞响应类型多样，分辨率较低，且缝洞异常体的范围远大于真实的溶洞体积，对于绝大多数小于10～15 m的溶洞充填特征解释更是困难很大［13］。因此，开展相似露头区溶洞充填特征研究，总结充填模式十分重要，将露头研究成果应用到塔河油田中，综合钻井、测井及地震等资料分析，识别并刻画出地下溶洞空间展布以及不同位置溶洞充填特征，查明缝洞储层充填过程和演化机制，将大大有利于油田生产开发。在井位部署方面，可利用斜井或水平井钻通多个溶洞，提高钻井成功率;还可以根据不同充填物性质采取不同的生产措施，如对强胶结角砾岩段或化学充填段进行酸化、压裂等措施，以提高油气采收率，最终实现缝洞油藏高效开发。

5 结论

(1)塔北柯坪—巴楚地区奥陶系露头广泛发育古岩溶，溶洞充填物包括洞穴沉积物、垮塌角砾岩和化学充填物3种类型。溶洞被各类型充填物不同程度充填，分为全充填型、半充填型和未充填型。

(2)同一溶洞中可出现多种类型充填物组合，存在2种复合充填模式:洞穴沉积物－垮塌角砾岩充填模式，在硫磺沟地区发育;洞穴沉积物－化学充填物充填模式，在硫磺矿、硫磺沟、一间房和西克尔地区发育。

(3)露头区与塔河油田奥陶系具有相似的地质演化过程，溶洞充填特征也有可比性，相似露头溶洞充填特征考察对查明塔河油田缝洞储层充填特征和充填过程有指导作用，有助于实现油藏高效开发。

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Paleo－cavern filling characteristics and hydrocarbon reservoir implication in the Ordovician outcrops in northern Tarim Basin

ZHANG Wen－bo，JIN Qiang，XU Shou－yu，TIAN Fei，CUI Jian－jian
(China University of Petroleum，Qingdao，Shandong266555，China)

The Tahe oilfield has the largest reserve in carbonate paleokarst fracture－cavern reservoirs in China.This type of reservoirs is very special and complex.The Keping－Bachu area in northern Tarim Basin has similar geological evolution process with the Tahe oilfield.Paleokarst was developed widely in the Ordovician outcrops，the caverns were filled to various degrees with fillings including cavern deposits，collapsed breccia and chemical fillings.There may be two or three types of fillings in a same cave，forming composite fillings.This paper analyzes the characteristics of arenaceous－pelitic deposits，collapsed breccia filling and chemical filling，and discusses the genetic model of caverns，thus guiding the identification of fillings and the study of filling process for fracture－cavern reservoirs in Tahe oilfield and is helpful to work out the formation mechanism of such reservoirs.

filling characteristics;reservoir implication;paleo－cavern;Ordovician outcrop;northern Tarim Basin;Tahe oilfield

TE122

A

1006－6535(2012)03－0050－05

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.012

20110920;改回日期:20111108

国家“973”项目“碳酸盐岩缝洞型油藏缝洞单元形成机制及模式研究”(2011CB201001)

张文博(1987－)，男，2009年毕业于中国石油大学(华东)资源勘查工程专业，现为中国石油大学(华东)矿产普查与勘探专业在读硕士研究生，主要从事油气地质与勘探方面的研究工作。

编辑黄华彪