塔河油田奥陶系古岩溶地表河和地下河沉积和地球化学特征

金 强，康 迅，荣元帅，田 飞

（1.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛266580；2.中国石油化工有限公司西北石油地质局，新疆乌鲁木齐830011）

塔河油田奥陶系古岩溶地表河和地下河沉积和地球化学特征

金 强1，康 迅1，荣元帅2，田 飞1

（1.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛266580；2.中国石油化工有限公司西北石油地质局，新疆乌鲁木齐830011）

塔河油田奥陶系发育了典型的岩溶储层，大于70%的缝洞空间在岩溶发育期及岩溶埋藏期被沉积充填物、垮塌充填物和化学充填物所充填，造成岩溶储层极度非均质性。通过岩心观察、测井资料解释、岩矿和地球化学分析，建立缝洞充填物识别方法。结果表明：沉积砂泥岩占总缝洞充填物的60%以上，地表河和地下河沉积特征明显，其中沉积砂岩是重要的油气储层；两种河流均发育心滩和河漫滩，前者砂岩颗粒较粗，常为含砾的粗—中砂岩，地化分析表明为氧化环境产物；后者以细砂岩为主，石英含量比前者高40%，为弱氧化—弱还原水体沉积；地表河沉积砂泥岩常与坡积物互层，地下河沉积砂岩与垮塌角砾岩或潜流带细粒沉积物呈互层；前者受压实作用明显，储集物性差；后者压实作用很弱，物性好、含油性好；地下河沉积砂岩是径流岩溶带重要的储层，对于深入认识塔河油田岩溶储层地质特征具有重要意义。

岩溶型储层；地表河；地下河；沉积砂岩；储集物性；塔河油田

塔河油田位于塔里木盆地塔北隆起高部位，奥陶系碳酸盐岩在加里东晚期—海西早期经历了漫长的岩溶作用，鹰山组发育了完善的岩溶缝洞系统［1-4］，目前已经得到表征的有表层岩溶带、渗流岩溶带和径流岩溶带等［5］，还包括比较完整的地表河和地下河系统［4，6-7］，这些河流充填了大量的砂泥岩、角砾岩，如何对其储集性能进行评价，影响到岩溶缝洞油藏原油采收率的提高。岩溶储层研究难度非常大［8-11］，相关研究单位投入了大量人力和物力资源进行研究［12-18］，从地质、地球物理、地球化学相结合综合研究岩溶缝洞结构和充填特征入手，评价和预测岩溶储层及油气分布规律，塔河油田岩溶地质不断取得进展［19-22］。前人意识到充填研究的重要性，并提出了岩相和地球化学研究方法［23-24］，鲁新便等［7］利用钻井标定的地震反演资料，刻画出岩溶期地表河和地下河的形态和空间展布。在塔河油田主体区岩溶带划分的基础上（即明确了什么是地表河、什么是地下河）［5］，通过岩心描述及采样分析（岩矿和沉积地球化学）、测井和地震资料解释，阐述两种河流砂泥岩沉积相带和沉积条件的差异性，分析其中砂岩的物性及其成岩特征。

1 地表河和地下河充填物的测井信息识别

在岩溶环境中，无论是地表河还是地下河，其河道最后都会被沉积砂泥、垮塌角砾和方解石等化学充填物所充填［25］，因此首先要对其进行识别，才能进一步讨论两种河流的沉积特征。根据不同充填物在密度、放射性和电阻率上的差别，利用交会图法实现了两种河的充填物类型。

经过统计，在两种河道识别出3类充填物：沉积充填物，一般密度小于2.65 g/cm3，但是也有密度为2.65～2.68 g/cm3、泥质含量指数Vsh＞15%的沉积砂泥；化学充填物（以方解石为主），密度DEN＞2.71 g/cm3、Vsh＜6%；垮塌角砾，DEN＞2.71 g/cm3、Vsh＜8%，有些垮塌角砾的密度在2.68 g/cm3～2.71 g/ cm3、Vsh＞15%（图1）。径流岩溶带常有一些缝洞没有全部被充填，未充填部分也能够识别出来，其特征是Vsh＜15%、DEN＜2.6 g/cm3、深侧向RLLD＜50Ω· m。在此基础上，提出塔河油田两种河充填物性质的判别参数（表1和表2）。

图1 DEN-Vsh和RLLD-Vsh缝洞充填物交会图Fig.1 Plots showing DEN vs Vshand RLLDvs Vshof different fillings in fracture-caves

表1 DEN-Vsh图版识别地表河和地下河充填物参数Table 1 Parameters of DEN and Vshidentifying different fillings in surface rivers and subsurface rivers

表2 RLLD-Vsh图版划分地表河和地下河充填物参数Table 2 Parameters of RLLDand Vshidentifying fillings in surface rivers and subsurface rivers

图2 地表河与地下河平面厚度和剖面相带组成Fig.2 Isopach maps of sidenments filling in surface rivers and subsurface rivers

2 地表河与地下河沉积特征

塔河油田范围内，表层岩溶带发育大量地表河［7，22］，可以分为地表支流河和地表干流河［5］；径流岩溶带地下河形成不同规模的溶洞，分别称为末梢洞、支流洞和干流洞［5］。这里选择塔河油田沙48单元东侧表层岩溶带的一条地表河和沙615单元径流岩溶带的一条地下河进行沉积充填对比分析。

通过井-震结合的综合解释，刻画出奥陶系顶面古地貌形态和径流带地下河通道（包括地表河下切地貌［22］），利用上述缝洞充填物识别方法，查明了充填物性质，作出地表河和地下河沉积充填物厚度分布图（图2（a）、（c））。通过岩心和测井分析，作出了地表支流河-干流河岩性-岩相剖面图和地下河干流洞-厅堂洞充填物剖面（图2（b）、（d）），可以看出，地表河充填物主要为河流沉积物、以河道峡谷的坡积物为辅，颗粒比较粗，旋回性非常明显。一般来说，地表主干河规模和充填物厚度要大于地表支流河，但S64井只打到地表干流河的边缘，所以河道充填物包括沉积砂泥岩厚度小于TK426井钻遇的地表支流河的厚度。地下河充填物也以河流沉积物为主，与洞穴垮塌角砾呈互层分布，沉积物颗粒比较细，也具有明显的正旋回。由于地表河和地下河均受岩溶峡谷和溶蚀缝洞空间的控制（坡度变化大、空间形态有限），沉积物相带不能像一般河流相一样划分，本文中在地表河鉴别出心滩和河漫滩两种相带，在地下河分出心滩、河漫滩和潜流带细粒沉积（图2（b）、（d））。岩心观察发现，地下河心滩以细砂岩和粉砂岩为主，成分成熟度相当高（石英颗粒含量为80%～93%），并且接近于石炭系东河塘组石英（东河1井，见图3），远远高于地表河心滩的中砂岩—细砂岩（石英颗粒含量大于40%，见图3），说明地下河沉积物搬运距离长、波洗次数多。地下河沉积砂岩的颗粒分选也比较好，孔隙度大于15%，物性好，因此径流带溶洞（厅堂洞-干流洞-支流洞-末梢洞）的地下河沉积物可能是重要的油气储层。

3 地表河与地下河沉积地球化学特征

表层带、渗流带和径流带自上而下因与大气的连通程度和岩溶水性质不同，造成地表河和地下河沉积水体的氧化还原性和盐度具有差异性。

微量元素在沉积物或沉积岩中的富集与否与沉积时的氧化还原状态关系密切，如氧化条件下U、V等元素呈高价态（U6+、V5+），在水体中稳定存在，易迁移；还原条件下则呈低价态（U4+、V3+），易沉淀［26-27］，因此可以通过沉积充填物氧化还原敏感元素含量重建沉积时的沉积环境。稀土元素也可以解释沉积环境的氧化还原条件，在氧化环境中Ce和Eu均为负异常［28］。熊国庆等［29］归纳了一些沉积环境氧化—还原性指标（表3）。

沉积物中Sr/Ba比值反映沉积水体盐度。刘宝珺［30］认为，海相Sr/Ba为1～0.8，海陆交互相为0.16～0.8，陆相Sr/Ba＜0.16，可选取0.5区分淡水与半咸水。

为了消除不同粒度样品对分析结果的影响，选用了5口井的地表河和地下河典型样品进行了微量和稀土元素分析，样品主要为灰质泥岩、砾间碎屑等细粒沉积物。

（1）地表河水介质

S64井干流河沉积物两块样品采自同一旋回，分别为心滩相含砾石中砂岩和河漫滩的水平层理灰质泥岩，并在T416井坡积物的填隙物中采取一个灰质泥样品，为地表河细粒碎屑充填物。

三个地表河样品与附近地下河样品的微量元素对比（表4）发现，地表河样品V/Cr和V/（V+Ni）比值均较低（分别为2.93～2.31和0.75～0.70），处于氧化环境界限附近；坡积物填隙物V/Cr为1.39，V/（V+Ni）为0.58，为氧化环境产物［26］。地表河和坡积物样品Sr含量较高，为（113～179）×10-6，Ba含量也较高，为（304～649）×10-6，所以Sr/Ba比值较低，为0.23～0.38。说明地表河水体盐度低，应该为淡水环境。

图3 地表河与地下河心滩砂岩颗粒成分组成三角图Fig.3 Triangular plot showing grain composition in sandstones of diaras filling in surface rivers and subsurface rivers

表3 沉积环境氧化还原性指标Table 3 Oxidation-reduction parameters of trace elements for different sedimentary environments

（2）地下河水介质

在T615井径流带干流洞取了三块沉积物、在支流洞垮塌角砾岩的沉积填间物取了一块样品，在T403井厅堂洞取了两块沉积物样品。其中，T615井5540.34 m石英粉砂岩和T403井5487.36 m灰质泥岩为短期潜水面之下的细粒沉积物，其他为心滩样品。

对比地下河样品微量元素特征发现（表5），潜水面之下样品V/Cr和V/（V+Ni）比值均较高，V/Cr为4.39和2.88，V/（V+Ni）为0.82和0.74，处于弱还原—还原环境；潜水面之上样品V/Cr和V/（V+ Ni）比值均较低，V/Cr为1.07～2.39，V/（V+Ni）为0.52～0.71，整体处于氧化环境［26］。前者沉积物粒度细，反映出静水、弱还原—还原沉积水体。

地下河样品Sr含量相对地表河整体不高，但变化显著，为（69～130）×10-6，Ba含量也有此趋势，为（97～260）×10-6，Sr/Ba比值为0.41～0.96，明显高于地表河样品，其中有4个样品高于0.5。Sr/Ba比值指示地下河水体盐度较高，为半咸水环境。

表4 表层带和渗流带缝洞沉积物微量元素组成特征Table 4 Trace element compositions in sedimentary fillings in surface karst zone and vadose zone

表5 地下河沉积物特征微量元素组成Table 5 Trace element compositions of sedimentary fillings in subsurface rivers

对地表河、地下河沉积砂泥岩、地表坡积角砾填隙物、地下垮塌角砾岩填隙物进行了稀土元素分析，并对奥陶系灰岩（这里称为原岩）进行了稀土元素分析（表6）。可以看出，河流砂泥岩∑REE为（58.129～193.795）×10-6，显著高于原岩的∑REE值。

地表河砂泥岩和坡积物稀土含量为（58.129～117.633）×10-6，整体低于地下河砂泥岩∑REE值，稀土元素轻重比（L/H）为9.966～10.116，δCe值为0.876～0.901，δEu值为0.542～0.557。

表6 塔河岩溶地表河与地下河沉积物样品稀土元素组成特征Table 6 Rare earth element compositions of sedimentary fillings sampled from surface rivers and subsurface rivers in Tahe karsted reservoirs

地下河沉积砂泥岩∑REE值为（95.558～193.795）×10-6，明显高于地表河砂泥岩沉积物；砂岩L/H比值为9.786～12.772，潜水面之下的细粒沉积物L/H为10.041～12.772，高于潜水面之上的砂岩；δCe值为0.738～0.927，δEu值为0.498～ 0.580，与地表河相似，这两个参数变化范围比较大，反映地下河沉积水介质氧化还原性有变化。

总体看，不论地表河还是地下河沉积物样品的δCe值均小于1（0.738～0.927），表明这些沉积物均不是在还原环境中形成，而是在弱氧化—弱还原环境中沉积的；所有样品的δEu为中等负异常（0.498～0.580），也说明为弱氧化环境，与微量元素分析结果基本一致。

所有地表河和地下河沉积物样品的稀土元素配分模式非常相似，表现为右倾型，曲线中间Eu含量值略低（图4），与现代河流沉积物配分模式图在数值和趋势上一致［31］，但是地下河沉积物稀土元素含量整体比地表河高一些（图4），说明地下河沉积物稀土元素相对富集。奥陶系灰岩样品的稀土元素含量仅约为地表河和地下河的1/10，说明岩溶发育期沉积的碎屑物质与奥陶系原岩无关。

图4 塔河岩溶期地表河和地下河沉积物样品稀土元素配分模式Fig.4 REE distribution plots of sedimentary fillings sampled from surface rivers and subsurface rivers in Tahe karsted reservoirs

4 地表河与地下河沉积砂岩储集物性特征

地表河沉积之后覆盖了大量坡积物（图2），又覆盖了厚度超过5 000 m的石炭系—第四系沉积物，经历了强烈的压实作用，孔隙性和渗透性大大降低；而地下河沉积物所受压实作用很小，但是胶结作用可能较强，因此考察物性及其变化对于岩溶缝洞储层油气开发具有重要意义。

4.1 地表河沉积物

S64井的地表河系干流河，其内有12.6 m地表河沉积物和1.2 m坡积物，前者粒度较细、分选相对较好，后者颗粒粗、分选极差，几乎没有储集物性，但是地表河沉积物中明显具有粗碎屑（含砾粗砂岩和砾岩）和细碎屑（中—细砂岩）之分，分别对其进行物性评价比较合理。地表河细碎屑沉积物孔隙度在2%～6%，渗透率小于10×10-3μm2；粗碎屑孔隙度为2%～10%，渗透率小于10×10-3μm2，整体物性均较差（图5）。

图5 S64井地表河沉积砂岩物性分布Fig.5 Porosity and permeability of sandstones in surface river fillings sampled from well S64

4.2 地下河沉积物储集特征

地下河主要发育在径流岩溶带，其河水由末梢洞流向支流洞、干流洞或厅堂洞［5］，厅堂洞和干流洞体积大、地下河充填广泛，形成了岩溶储层的重要储集空间，因此本文中对厅堂洞和干流洞的物性特征进行介绍。

首先看塔河油田TK734井5572.0～5 593.0 m的厅堂洞，该洞高21 m，基本上被各类充填物所充填：洞底发育0.7 m化学淀积物，5 578.2～5 592.3 m为地下河细砂岩沉积，中间夹厚度为2.3 m的垮塌角砾岩，洞顶至5578.2 m为6.2 m的地下河中—粗砂岩沉积。可能是因为没有受到明显的压实作用，其地下河沉积充填物物性较好：孔隙度为12%～22%、渗透率主要在（10～1000）×10-3μm2；垮塌角砾岩物性也很好：孔隙度16～22%、渗透率（1～500）×10-3μm2；但是化学充填物孔隙度小于2%，渗透率小于10×10-3μm2，储集性能差（图6）。TK632井5570.75～5 587.75m井段发育一个干流洞，也是被充填物100%充填。洞底充填了1.25 m化学淀积物，5587.2～5584.1 m为地下河细砂岩沉积，中间夹1.5 m厚垮塌角砾岩，洞顶至5 578.2 m为6.2 m的中—细砂岩沉积。与厅堂洞相似，地下河砂岩储集物性好：孔隙度主要在8%～22%、渗透率在（1～2 000）×10-3μm2；垮塌角砾岩物性也较好：孔隙度集中于16%～22%，渗透率范围为（10～100）×10-3μm2；化学充填物孔隙度和渗透率均很低，可能不是储层（图7）。

图6 TK734井厅堂洞各类充填物物性分布图直方图Fig.6 Porosity and permeability of sandstones in hall-cave fillings sampled from well TK734

图7 TK632井干流洞物性分布Fig.7 Porosity and permeability of sandstones in main-channel cave fillings sampled from well TK632

为了将地表河与地下河不同部位沉积砂岩物性进行比较，本文中将T403井区的13口井地表河、地下河和渗流带驻水洞沉积砂岩厚度、孔隙度及原油累计产量进行统计（表7），可见地表河物性差、原油产量低，地下河沉积的砂岩厚度大、物性好，原油产量高，地下溶洞发育的垮塌角砾岩物性也较好，对原油产量也有较大贡献。

表7 T403井区不同缝洞结构充填物分布和物性特征Table 7 Characteristics of sedimentary filling distributions and porosities as well as oil production from different wells in T403 area

5 结 论

（1）塔河油田奥陶系岩溶缝洞系统完整，尤其是地表河和地下河十分发育，但是河道基本上被沉积砂泥岩、垮塌角砾岩和化学淀积物充填。沉积砂泥岩占充填物的60%以上，砂岩的厚度、分布及物性控制了岩溶缝洞的含油性。

（2）两种河流均发育正旋回的心滩和河漫滩砂岩沉积，前者以含砾的中—粗砂岩为主，与地表坡积物呈互层；后者主要为细砂岩和粉砂岩，分选好，石英颗粒相对含量比前者高40%，成分和结构成熟度高，而且为弱氧化—弱还原、半咸水沉积。

（3）地下河砂岩压实作用弱，孔隙度可达20%，是有利的储层，开发这些砂岩中的原油可以提高塔河油田缝洞油藏原油采收率。

致谢 本文受到首席科学家李阳、袁向春的指导，得到中国石化西北石油勘探开发研究院资料支持和鲁新便等专家的帮助，在此一并表示感谢。

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（编辑 徐会永）

Sedimentary and geochemical characteristics of sandstones and mudstones deposited in surface rivers and subsurface rivers in Ordovician karsted carbonates，Tahe Oilfield

JIN Qiang1，KANG Xun1，RONG Yuanshuai2，TIAN Fei1
（1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Xibei Bureau of Petroleum Geology，SINOPEC，Urumqi 830011，China）

Ordovician carbonates in Tahe Oilfield were typical karst reservoirs in the world.Fracture-caves were general storage spaces for oil and gas in the karst carbonates，but the spaces more than 70%had been filled with river deposits，collapsed breccias and chemical materials，which resulted in heavy heterogeneity in the karst reservoirs.By investigating drilling cores and well-logging and by using rock-mineral and geochemical measurements on some core samples，the authors found that sedimentary sands and muds were over 60%in the total fracture-cave fillings；the sediments were obviously in sequences of surface rivers and subsurface rivers which were developed in the carbonates during the karst on the Tabei uprise；and the sandstones deposited in the subsurface rivers were important reservoirs in caves of runoff karst zone.Channel bars and river banks are identified from the sediments deposited in either surface rivers or subsurface rivers.The sandstones deposited in surface rivers are usually in coarse-to-medium grain size，but in the subsurface rivers they are characterized as fine-sands or silt-sands.Composition and texture maturities of the subsurface-river sandstones are much higher than those of surface-river sandstones：the quarts contents in the subsurface-river sand-stones is 40%higher than those in surface-river sandstones.The surface-river sandstones were deposited in open oxidative water，and interbedded with slope wash breccias；in comparison the subsurface-river sandstones were deposited in weak-oxidative to weak reductive waters，and interbedded with collapsed breccias，which were in good physical condition for oil and gas.The subsurfaceriver sandstones are good reservoirs in runoff karst zones in Tahe Oilfield.Oil production from the sandstones is expected to increase the oil-recovery in the karst reservoirs.

karsted carbonate reservoir；surface-river；subsurface-river；sedimentary sandstone；physical property；Tahe Oilfield

TE 121.31

A

金强，康迅，荣元帅，等.塔河油田奥陶系古岩溶地表河和地下河沉积和地球化学特征［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2015，39（6）：1-10.

JIN Qiang，KANG Xun，RONG Yuanshuai，et al.Sedimentary and geochemical characteristics of sandstones and mudstones deposited in surface rivers and subsurface rivers in Ordovician karsted carbonates，Tahe Oilfield［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（6）：1-10.

1673-5005（2015）06-0001-10

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.06.001

2015-05-20

国家重点基础研究发展计划（2011CB201001）

金强（1956-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为油气地质。E-mail：jinqiang@upc.edu.cn。