塔北哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩浅覆盖区岩溶储层特征与形成机理

淡 永,梁 彬,张庆玉,曹建文,李景瑞,郝彦珍

(1.成都理工大学沉积地质研究院,四川成都610059；2.中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林541004；3.国土资源部广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004)

塔北哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩浅覆盖区岩溶储层特征与形成机理

淡 永1,2,梁 彬2,3,张庆玉2,3,曹建文2,3,李景瑞2,3,郝彦珍2,3

(1.成都理工大学沉积地质研究院,四川成都610059；2.中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林541004；3.国土资源部广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004)

哈拉哈塘奥陶系浅覆盖区发育缝洞型储层,勘探效果较好。基于地震层位数据、钻井资料对该区进行古地貌恢复及古水系刻画,表明良里塔格岩溶期古地貌以丘丛洼地为主,南部发育了多条切穿至一间房组河流(河流深度大于50m)；前志留纪岩溶期以微岩溶地貌为主,水系由北往南汇入岩溶湖。利用钻井、岩心、测井、地震剖面等资料,总结浅覆盖区储层有3种类型:洞穴型、孔洞型和裂缝-孔洞型；垂向上分布两套储层:上部一间房组裂缝-孔洞储层,下部鹰山组洞穴储层；横向上上部储层分布于浅覆盖区,下部储层分布可延至桑塔木组覆盖区。综上探讨浅覆盖区岩溶储层形成机理,认为下部储层带形成于良里塔格岩溶期径流带岩溶,南部深切河流为径流排泄点控制了储层发育；而上部储层带形成于前志留纪岩溶期径流带岩溶,南部岩溶湖为径流排泄区,控制了上部储层带发育。结合现代美国猛犸洞穴系统的特征,提出哈拉哈塘浅覆盖下碳酸盐岩两类岩溶模式,为下一步储层预测和勘探实践提供理论借鉴。

岩溶作用；岩溶湖；鹰山组；地震剖面；径流溶蚀带；猛犸洞

塔里木盆地北部地区(以下简称塔北)奥陶系碳酸盐岩岩溶储层发育,是塔里木油田的勘探目标之一[1-3]。已有的研究表明[4-6],这些岩溶型储层大多发育于中上奥陶统之间的不整合面之下,大型岩溶缝洞体为主要的储集空间。塔北塔河油田[7-11]、轮南油田奥陶系储层均属于此类[12-15]。近年来,塔北哈拉哈塘地区奥陶系岩溶储层又展现出良好勘探前景,是近期塔北油气突破的重点区域[2-4]。与轮南、塔河油田岩溶作用机理不同的是,在哈拉哈塘油田,位于奥陶系碎屑岩下的碳酸盐岩发现缝洞型油气储层,与典型的潜山岩溶储层不同,展现了一个新的勘探领域[2]。

现代岩溶研究表明可溶岩、流水、裂缝是岩溶持续的三大要素[16-18]。哈拉哈塘浅覆盖区是指中下奥陶统灰岩被上覆吐木休克组、良里塔格组碎屑岩浅覆盖地区,覆盖厚度一般为几米至30m。该地区由于被上覆碎屑岩或泥灰岩(为隔水层)阻挡,碳酸盐岩无法如潜山地区受雨水直接淋滤岩溶,垂向岩溶作用被阻断,岩溶垂向分带不明显。但哈拉哈塘浅覆盖区勘探表明,浅覆盖下碳酸盐岩发育缝洞型甚至洞穴型储层。目前,对于这类缝洞形成机理的研究不多,岩溶地质理论研究落后于勘探实践。因此,本文在前期勘探和前人研究的基础上,根据地震层位数据及现代岩溶地质理论,对哈拉哈塘浅覆盖地区进行古地貌恢复及古水系刻画；利用钻井、岩心、测井、地震剖面等资料,总结浅覆盖区下储层特征,分析发育分布规律。综合地貌、水系等因素,探讨浅覆盖岩溶储层形成机理,结合现代岩溶实例,归纳岩溶模式,为下一步储层预测和勘探实践提供理论借鉴。

1 地质背景

哈拉哈塘地区构造上位于塔北隆起哈拉哈塘凹陷,为轮南古隆起向西延伸部分[1](图1)。该地区地层具有向北西尖灭的特征,依次尖灭地层为上奥陶统桑塔木组(O3s)碎屑岩,良里塔格组(O3l)泥灰岩、瘤状灰岩夹砂屑灰岩,中奥陶统吐木休克组(O3t)泥灰岩、瘤状灰岩,中下奥陶统一间房组(O2yj)微晶灰岩、鲕粒灰岩,下奥陶统鹰山组(O1-2y)颗粒灰岩(图1,图2)。一间房组与鹰山组灰岩岩性纯,为主要岩溶层位,也是主要的油气储层。浅覆盖区位于桑塔木组尖灭线以北,吐木休克组尖灭线以南的地区,呈北东—南西向宽2～6km的带状分布。哈拉哈塘奥陶系碳酸盐岩主要经历了3期岩溶作用[2,5],包括在加里东构造中期Ⅰ幕一间房组沉积后暴露岩溶(以下简称一间房期岩溶)、加里东构造中期Ⅱ幕良里塔格组沉积后暴露岩溶(以下简称良里塔格期岩溶)、加里东构造中期Ⅲ幕桑塔木组沉积后—志留系沉积前暴露岩溶(以下简称前志留纪岩溶)(图2)。多期的岩溶作用形成了本区复杂的缝洞系统。

图1 研究区前志留系地质构造背景

图2 哈拉哈塘地区南北向地层发育剖面示意(据朱光友等[2]有修改)

2 浅覆盖区古地貌及古水系特征

哈拉哈塘地区存在3期岩溶,理论上应恢复3期古地貌。但在恢复一间房期暴露岩溶时,发现该期无明显的地形地貌起伏,在这种情况下受地震层位数据解释影响较大,古地貌恢复效果不佳。良里塔格期的古地貌恢复主要依据相对残厚与古地层构造趋势面方法恢复,由于此方法需要利用良里塔格组顶的层位数据,因此浅覆盖区良里塔格组尖灭线以北地区古地貌无法恢复。前志留纪古岩溶地貌恢复主要利用奥陶系风化壳上覆地层志留系标志层(塔塔埃尔塔格组底)至奥陶系顶面的厚度进行印模法恢复。古地貌、古水系刻画依据现代岩溶地貌划分方法[16-19]、岩溶动力学理论[20]进行刻画。以浅覆盖区西部作为重点对地貌、水系进行描述。

2.1 良里塔格暴露岩溶期

受加里东中期Ⅱ幕构造运动影响,哈拉哈塘地区发生区域不均衡的构造抬升,其中北部明显抬升褶皱,南部相对较缓。由于现阶段恢复技术的限制,良里塔格岩溶期在良里塔格组尖灭线以北无法恢复。以南地区,古地貌以丘丛洼地为主(图3),良里塔格组顶部发育了多条深切河流(河流深度大于50m),常切穿良里塔格组至一间房组,河流总体流向由北向南。浅覆盖地区由于位于良里塔格组尖灭线附近,厚度较薄,受风化等因素作用,局部一间房组或鹰山组也常暴露。

2.2 前志留纪暴露岩溶期

研究区整体上地形、地势北部稍高,向南、向西南缓慢降低,具有明显地势坡降,坡降一般为1.5%～2.0%,山体峰顶大多不在同一高程,其丘洼相对高差一般为5～30m,局部达40～50m,整体属微地貌形态。其组合形态主要为微丘丛洼地、微丘峰洼地、微丘丛谷地、岩溶湖等4种古岩溶地貌类型(图4)。就岩溶地貌特点,哈拉哈塘潜山-浅覆盖区整体属岩溶地貌形成演化初期特征(山体峰顶与洼地相对高差较小,地形起伏相对较小、切割深度小)。受地貌地势控制,研究区地表水系自北东向西南方向径流,支流较多,河床相对较窄,河床切割较浅(河流深度小于15m),水系在南部汇入岩溶湖(图4)。

图3 浅覆盖区良里塔格岩溶期古地貌及水系分布

图4 浅覆盖区前志留纪岩溶期古地貌及水系分布

3 浅覆盖区岩溶储层特征

3.1 储层类型划分

综合浅覆盖区21口钻录井资料、岩心以及成像测井资料发现:奥陶系鹰山组—一间房组储集空间类型多样,大小级别差异明显,按形态及大小将区内储集空间类型划分为孔、洞、裂缝三大类。具体把储集空间类型划分为洞穴型、孔洞型、裂缝-孔洞型3种类型。

1) 洞穴型储层。洞穴型储层储集空间为大型洞穴,该类储层在钻进过程中常发生放空、泥浆漏失等现象。研究区所钻21口井,其中13口井有不同程度的放空漏失现象。如:TH802井,钻进到鹰山组6716.5～6718.7m时,漏失163.9m3钻井液(图5)；TH15-2井在一间房组放空2.53m。洞穴型储层一般测井时显示为井径(CAL)扩大、钻时加快,当有泥质充填时,自然伽马(GR)值高,深、浅双侧向电阻率值低；如TH802井6700～6701m发育泥质充填洞。地震剖面上洞穴型储层常呈“单串珠”或“多串珠片状”状反射(图7)。在浅覆盖区洞穴型储层是鹰山组主要储层类型,此外,一间房组也较发育,有5口井存在不同程度的放空漏失现象。

2) 孔洞型储层。孔洞型储层以孔隙及溶蚀小孔洞为主要储集空间,裂缝欠发育,渗透性较差。浅覆盖区一间房组、鹰山组均有发育,绝大多数井均钻遇这套储层(图5),横向上具有一定展布特征,全区21口井孔洞型储层平均累计厚度为6.5m。平均渗透率仅为0.08×10-3μm2,平均孔洞孔隙度为1.6%,裂缝孔隙度小于0.1%。

3) 裂缝-孔洞型储层。裂缝-孔洞型储层储集空间主要以次生溶蚀孔洞及裂缝为主,储渗性能较好。其中孔洞主要是沿缝溶蚀形成,以小—中等为主,裂缝是沟通孔洞的通道。该类储层在钻进过程中钻井液也易漏失。成像测井上可明显看出裂缝沟通孔洞,或孔洞沿裂缝发育的特征(图5)。21口井累计平均厚度为15m,平均渗透率达18.5×10-3μm2,孔洞孔隙度达1.3%,表明储层性能较好,该类储层是一间房组主要储层类型(图5)。

3.2 岩溶储层发育规律

通过上述储层类型划分结合测井物性解释,发现垂向上发育两套储层:上部一间房组裂缝-孔洞储层(简称上部储层带),下部鹰山组洞穴储层(简称下部储层带)(图5,图6)。统计发现浅覆盖区钻井中有17口井均发育上部储层带,以孔洞型储层、裂缝-孔洞型储层为主,局部发育洞穴型储层,21口井累计储层平均厚度为20.5m,平均渗透率达4.5×10-3μm2,平均孔洞孔隙度达1.3%。储层评级一般为Ⅱ类—Ⅲ类储层,少数达Ⅰ类。垂向分布于一间房组顶面以下20m的占72%,20～40m的占23%,大于40m的为5%。下部储层带以洞穴型、裂缝-孔洞型储层为主,钻井中有10口井均发育下部储层带,累计储层平均厚度为6.4m,其中8口井存在放空漏失现象,表明储层孔隙度、渗透率高,储层评级为Ⅰ类—Ⅱ类储层,储层垂向分布统计发现下部储层主要分布于一间房组顶面下50～100m,其中50～80m的占47%,80～100m的占39%,大于100m的占14%。

横向上,对比前志留纪北—南向岩溶储层(图6) 发现,上述两套储层较发育,其分布与岩溶分区有关。北部潜山岩溶区,主要发育下部洞穴储层,上部裂缝-孔洞储层欠发育。往南TH15-13井附近进入浅覆盖区后,上、下两套储层均发育,上部储层带储集性能一般,以Ⅱ-Ⅲ类储层为主,局部发育Ⅰ类储层,如TH15-3井。下部储层带以岩溶洞穴、裂缝-孔洞型储层发育为主,在TH1501井、TH15井和TH16-2井均有不同程度的放空与漏失现象,储层储集性好,以Ⅰ-Ⅱ类储层为主。到桑塔木组覆盖的层间岩溶区后,上储层带南倾逐渐减薄,并逐渐并入下储层带,而下储层带发育可延至层间岩溶区。总之,浅覆盖区上、下两套储层的储层类型不同,储层分布范围也有差异,反映了其储层形成机理可能不同。

图5 浅覆盖区岩溶储层垂向发育综合柱状图(TH802井)

图6 浅覆盖区南北向岩溶实际剖面

4 浅覆盖区岩溶储层形成机理

研究浅覆盖区储集空间类型、储层类型划分与储层分布规律发现，浅覆盖区上覆虽有浅层碎屑岩覆盖,但岩溶缝洞储层类型多样,且优质储层发育,甚至好于潜山区储层发育。究其原因可能与覆盖层有关,现代岩溶研究表明，可溶岩、流水、裂缝是岩溶持续发展的三大要素。浅覆盖区由于上覆吐木休克组隔水层的存在,垂向上水体不能直接作用到岩性较纯的一间房组或鹰山组,垂向岩溶不发育(图6)。因此浅覆盖区侧向岩溶可能是储层形成的原因,而侧向岩溶也需满足三大岩溶要素,才能形成岩溶缝洞体。此外,浅覆盖区上、下两套缝洞储层发育的差异性,说明了本区侧向岩溶机理较复杂。

通过对前志留纪古地貌恢复显示,岩溶湖是潜山区及浅覆盖区水体汇流处,为岩溶水排泄基准点(图4)。岩溶湖底部为岩性较纯的一间房组,而一间房组受早期岩溶影响本身具有一定孔渗特征(一间房暴露岩溶期,淡水淋滤形成)。因此,潜山区不断补给的水体可以通过一间房组前期裂缝-孔洞从北向南持续径流至岩溶湖排泄,形成或扩大缝洞,形成储层(图6,图7),这可能是上岩溶带储层形成原因,但受前志留期为初期岩溶地貌影响，岩溶补给区至排泄区岩溶地势起伏不大,岩溶水能量不强,岩溶作用较弱,因此上部洞穴储层欠发育。

由于下岩溶洞穴储层分布范围超过浅覆盖区进入层间岩溶区,且发育深度远大于岩溶湖底深度(图6)。因此该套储层与上部储层带形成不同,排泄基准面不受岩溶湖控制。对良里塔格组岩溶期古地貌恢复显示(图3),北部潜山区为岩溶水体补给区。对于排泄点可能为更南部深切河流,这在南部河流地震剖面上得到了证明(图3,图8),剖面显示南部河流切穿良里塔格组及吐木休克组至一间房组纯灰岩层,有的深切至鹰山组。因此,来自北部补给水体通过断裂等垂向流入潜山区径流带,然后侧向向南径流,穿过岩溶湖底及覆盖区在南部河流切穿点排泄(图3,图6)。岩溶水补给、径流、排泄形成,岩溶通道不断扩大,形成暗河管道,随着河流不断下切,还可能形成多层溶洞,因此沿下岩溶带洞穴储层发育。地震剖面及反演剖面反映了下岩溶储层为具有一定连续性缝洞体,证明了良里塔格期水体侧向径流岩溶作用强(图7)。

图7 浅覆盖区南北向储层地震响应及地震反演特征(C—D)

图8 良里塔格组顶深切河流发育的地震剖面显示(A—B)

综上所述,岩性、岩溶作用期次及岩溶地貌水系、构造断裂等共同作用,形成了浅覆盖区两套较好储层。一间房组、鹰山组岩性以纯灰岩为主,是强岩溶层组,是奥陶纪加里东期古岩溶作用的物质基础,也是浅覆盖区储层形成的主要层系。多期岩溶作用及相互叠加是浅覆盖区岩溶缝洞发育复杂的原因,加里东中期Ⅰ幕后一间房组暴露岩溶使一间房组形成了孔洞,有利于后期岩溶[3]；加里东中期Ⅱ幕后良里塔格组暴露岩溶是浅覆盖区下部大型洞穴形成的主要原因,此期径流带暗河发育,南部深切河谷为暗河排泄基准点,控制了缝洞发育规模及走向。加里东中期Ⅲ幕后中上奥陶统暴露岩溶,主要局限于潜山区与浅覆盖区,对桑塔木组覆盖区岩溶作用不明显。桑塔木组沉积后,良里塔格期的南部深切河谷排泄点已消失,因此前志留纪岩溶期水体不能沿良里塔格期大型暗河管道流动。而前志留纪古地貌显示岩溶湖为排泄基准点,因此潜山区及浅覆盖区水体仅在一间房组表层径流,形成上储层带裂缝-孔洞型储层。

5 浅覆盖区岩溶储层形成模式

通过对两套储层的成因机理剖析,结合古地貌、古水系特征,以地貌学、岩溶动力学、岩溶水文地质学为理论基础[16-20],总结绘制浅覆盖区良里塔格岩溶期岩溶模式及前志留纪岩溶期模式图。

良里塔格期岩溶以北部潜山区为补给区,南部深切河流为排泄点,岩性较纯的一间房组及鹰山组为径流区,断裂、缝洞为径流通道。良里塔格期形成了下部洞穴储层带(图9)。

前志留纪岩溶期以北部潜山区、浅覆盖区为补给区,浅覆盖区南部岩溶湖为排泄点,由于排泄点深度较浅,因此本期岩溶主要作用于一间房组,一间房组早期岩溶形成的孔洞为岩溶水径流通道,形成了上部裂缝孔洞储层(图10)。

哈拉哈塘浅覆盖区两期岩溶模式均为碎屑岩覆盖下岩溶,尽管从理论上具有可行性,地震剖面上也可进行一定程度的验证,但还需找到实例,即在现代岩溶中找到与其相似的岩溶模式。但这类岩溶与中国南方典型灰岩直接暴露的岩溶不同,不能进行类比。查阅国内外文献[21-23]发现,美国肯塔基州猛犸洞的形成与哈拉哈塘浅覆盖区岩溶模式较类似。

图9 浅覆盖区良里塔格岩溶期缝洞形成模式

图10 浅覆盖区前志留纪岩溶期缝洞形成模式

位于美国肯塔基州猛犸洞穴系统是全世界最长的洞穴系统,已探测距离长达670km(图11)。东南部Pennyroyal平原作为岩溶水补给区,经地下河侧向径流入猛犸洞穴系统,经过几套较纯灰岩径流后,在北部或北西部Green河以泉或地下河出口排泄。猛犸洞穴系统形成了多层洞穴系统,与排泄基准Green河不断下切有关[21-23]。与哈拉哈塘良里塔格期、前志留纪岩溶模式类似的是猛犸洞穴系统顶部也有一套薄层碎屑岩盖层,厚度0～40m。由于碎屑岩覆盖,阻止了其上覆水体下渗,但促进了岩溶水侧向沿灰岩层流动,岩溶极其发育,如此长的猛犸洞穴系统成因与此有关。

图11 现代岩溶美国猛犸洞穴系统形成模式[21]

因此,从岩溶理论、地震剖面特征及现代美国猛犸洞穴岩溶模式等方面验证了本文提出的哈拉哈塘浅覆盖区古岩溶缝洞形成机理及模式的合理性。

6 结论

1) 古地貌恢复显示哈拉哈塘浅覆盖区良里塔格岩溶期古地貌以丘丛洼地为主,古水系以南部发育了多条深切河流(河流深度大于50m)为特征。前志留纪岩溶期地势总体由北向南倾,以微岩溶地貌为主,未发育深切河谷洼地,由北往南流的水系,汇入浅覆盖区南部岩溶湖。

2) 浅覆盖区储层主要有洞穴型、孔洞型、裂缝-孔洞型3种类型,浅覆盖区垂向上发育两套储层:上部一间房组裂缝-孔洞储层,下部鹰山组洞穴储层。横向上上部储层带主要发育于浅覆盖区,下部储层带发育可延至桑塔木组覆盖的层间岩溶区。

3) 下部洞穴储层形成于良里塔格岩溶期径流带岩溶,南部深切河流为排泄点,控制了储层发育规模及走向；上部裂缝-孔洞储层形成于前志留纪岩溶期径流带岩溶,浅覆盖区南部岩溶湖为径流排泄区,控制了上岩溶储层带发育。

4) 提出了碎屑岩覆盖下良里塔格岩溶期及前志留纪岩溶期两类古岩溶模式,通过对现代岩溶美国猛犸洞穴系统形成特征的剖析,印证了上述两类古岩溶模式的合理性。古岩溶模式的提出为下一步储层预测和勘探实践提供理论借鉴。

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(编辑：顾石庆)

Characteristics and genesis of Ordovician carbonate karst reservoir in the shallow coverage zone of Halahatang area,northern Tarim Basin

Dan Yong1,2,Liang Bin2,3,Zhang Qingyu2,3,Cao Jianwen2,3,Li Jingrui2,3,Hao Yanzhen2,3

(1.InstituteofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin541004,China;3.KarstDynamicsLaboratory,MLR&GZAR,Guilin541004,China)

Several sets of fracture-cavity reservoir develop in the Ordovician shallow coverage zone of Halahatang area,with good exploration results.The palaeogeomorphology and drainage system of this area are restored and depicted based on the seismic horizon and drilling data.The results show that the geomorphology in Lianglitage paleokarst period is mainly mounds and depressions.There are several rivers (>50m) in the south,which often cut through to Yijianfang formation.The geomorphology of pre-Silurian paleokarst period is mainly characterized by karst and the water system which flowed from north to south and into karst lake.Three types of reservoirs can be summarized with the data of drilling,core,logging and seismic sections in this area,which are cave type,pore-hole type and fracture-cavity type.The major reservoir sections in vertical are the upper fracture-cavity karst reservoir in Yijianfang formation,which distributes beneath shallow coverage area and the lower cave karst reservoir in Yingshan formation.which extends to Sangtamu formation coverage area.With a comprehensive analysis of the karst reservoir genesis mechanism in this shallow coverage zone,we thought that the lower karst reservoir developed in runoff belt and the southern rivers control the size and direction of the reservoir’s development during Lianglitage paleokarst period while the upper karst reservoir developed in runoff belt during the pre-Silurian paleokarst period.Moreover,the karst lake is a karst runoff drainage area,which controls the development of karst reservoir in the southern shallow coverage area.Combined with the characteristics of modern American Mammoth Cave system,two kinds of carbonate karst model in Halahatang shallow coverage zone are proposed,which provides a theoretical reference for further reservoir prediction and exploration practice.

karstification,karst lake,Yingshan formation,seismic section,runoff dissolution belt,the Mammoth Cave

2013-11-25;改回日期：2014-07-21。

淡永(1986—),男,博士在读,助理研究员,主要从事沉积地质及古岩溶油气储层地质研究工作。

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB201001)、国家自然基金青年基金(41302122)、国土资源部公益性行业专项(201211082)和中国地质科学院岩溶地质研究所所控项目(201305)共同资助。

P

A

1000-1441(2015)01-0090-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.01.013