潮湿环境下典型碳酸盐岩缝洞系统充填模式探讨

曹建文，夏日元，张庆玉，梁　彬，邹胜章

(1.中国地质大学(武汉) 环境学院，武汉　430074； 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/广西壮族自治区 岩溶动力学重点实验室，广西 桂林　541004)



潮湿环境下典型碳酸盐岩缝洞系统充填模式探讨

曹建文1,2，夏日元2，张庆玉1,2，梁彬2，邹胜章2

(1.中国地质大学(武汉) 环境学院，武汉430074； 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/广西壮族自治区 岩溶动力学重点实验室，广西 桂林541004)

摘要：碳酸盐岩储层非均质性强，加上多期岩溶作用的充填改造，增大了开发的难度。塔北露头区奥陶系古岩溶和桂林的南方现代岩溶是古今潮湿气候环境下岩溶发育的代表，具有相似的岩溶发育条件和特征，可开展对比研究。本着“由表及里，将今论古”的原则研究古潜山岩溶，结合油田特点和以往研究成果，建立了几种潮湿环境下典型碳酸盐岩缝洞系统充填模式。按照水动力条件及充填物物源分类，可分为外源型地下河充填模式、内源型充填模式；按照充填结构分类，可分为上下结构充填模式、圈层结构充填模式、嵌入式混合充填模式等。不同的充填模式具有不同的充填程度和充填物类型，相应的岩溶储层也具有不同的物性特征，一般而言，外源型地下河充填模式储集性能优于内源型充填模式，上下结构充填模式储集性能优于圈层结构充填模式。

关键词：潮湿环境；缝洞系统；充填模式；岩溶储层；碳酸盐岩

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蚀空间，作为油气储层时则会表现出强烈的空间非均质性，是一种极为特殊和复杂的储层类型[1-3]。碳酸盐岩缝洞型储层在开发研究中存在2大难点，即缝洞空间分布规律不明和缝洞充填过程及形成机制认识不清[4-13]，其中后者是提高油田采收率的关键问题。

塔河油田是中国储量规模最大的碳酸盐岩古潜山型油藏，塔里木盆地北部柯坪—巴楚地区广泛出露奥陶系古溶洞，与塔河奥陶系具有相似的地质演化过程[14-17]。据前人研究，奥陶纪时塔里木古陆处于中低纬度，奥陶系地层为湿热/湿润古气候背景下的温室期——方解石海沉积，从露头上见大量古风化面上的铁质氧化面，是古潮湿环境下的氧化产物，表明当时属于热带、亚热带海洋性气候，有利于裸露岩溶发育[18-22]，因此，二者均是古潮湿环境下碳酸盐岩缝洞系统的代表。李阳等[8]认为塔里木盆地北缘一间房、硫磺沟、三道班和五道班等地区奥陶系古岩溶露头地质调查及塔河油田储集体发育特征揭示，塔河地区奥陶系碳酸盐岩存在地下河系统型、岩溶洞穴型和溶蚀孔缝型3大缝洞系统发育模式；黄成毅等[20]将溶洞与裂缝有机地结合起来,建立了碳酸盐岩风化壳储集体的非均质分布模型——缝洞型油气藏结构模式,并提出将裂缝和溶洞比较集中的彼此互相连通的区域作为油气单元来研究。但对缝洞系统充填机制研究都不够深入。本次研究通过对现代潮湿环境下南方岩溶和古潮湿环境下塔北露头区奥陶系古岩溶缝洞系统充填特征的描述，针对塔河油田井下岩溶缝洞系统发育与充填特征，在缝洞系统结构模式基础上，探讨几类典型的碳酸盐岩缝洞系统充填模式，指导塔河油田缝洞储层的充填过程和形成机制研究，为油气田勘探地质模型建立提供新的信息和依据。

1古今潮湿环境地区概况

塔里木盆地古岩溶极其发育,但大部分为埋藏型岩溶，在其北缘出露了大面积的古风化壳岩溶，主要分布于314国道北侧，南侧少量分布。塔里木盆地北缘出露的碳酸盐岩地层主要是中、下奥陶统与上石炭统,下奥陶统和上石炭统为较纯的浅海相碳酸盐岩,中奥陶统为浅海—滨海相碳酸盐岩夹碎屑岩。加里东运动中晚期，受南天山洋向北俯冲影响，塔北地区中、下奥陶统一间房组和鹰山组碳酸盐岩出露地表，发生岩溶，后被上奥陶统和志留系的碎屑岩覆盖[22-23]。在加里东岩溶发育期,古气候以温暖—潮湿的热带气候为主,岩溶强烈发育,形成大量岩溶缝洞。

桂林地区为亚热带季风气候，炎热多雨，年平均气温18~19 ℃，年降雨量从北西向南东递减，蒸发量则反向变化，属于典型的温暖潮湿气候[24]。区内从中泥盆世开始到早石炭世，沉积了1套浅海—滨海相的碳酸盐岩，总厚度达2 500~4 000 m，成为岩溶发育的物质基础，裸露碳酸盐岩面积2 664.6 km2[25]。经历了多次构造运动，断层、裂隙、节理十分发育。该地区长期处于炎热、潮湿的热带、亚热带季风气候条件之下，流水作用、化学风化和坡面重力作用特别活跃，岩溶发育强烈，形成了世界上最为典型的潮湿环境岩溶地貌。

2典型碳酸盐岩缝洞系统充填模式

塔里木盆地的奥陶系风化壳古岩溶和桂林地区现代岩溶都属于潮湿环境下形成的典型岩溶形态，可将现代岩溶研究成果应用于古潜山储层研究，开展古今对比。利用地质学上“将今论古”的观点，在岩溶动力学的基础上，探讨碳酸盐岩缝洞系统充填机制，建立潮湿环境下典型碳酸盐岩缝洞系统充填模式。按照水动力条件及充填物物源分类，可分为外源型地下河充填模式、内源型充填模式；按照充填结构分类，可分为上下结构充填模式、圈层结构充填模式、嵌入式混合充填模式等3种典型碳酸盐岩缝洞系统充填模式。

2.1　按水动力及充填物物源分类

2.1.1外源型地下河充填模式

外源型地下河充填以外源水和碎屑岩物质为特征，水动力作用强烈、物源种类丰富、大型河流堆积韵律明显。在塔河油田，外源型充填广泛发育，尤其是在石炭纪海侵时，外源水携带大量非岩溶区碎屑物质进入地下河系统，对地下河进行机械充填。如S79井亮绿色钙质砂泥和角砾充填(图1a)。

大量碎屑岩区外源水(地表水)常年通过地下河入口进入地下，该类水为碳酸盐非饱和水，具较强的侵蚀性，且集中性汇流的水动力作用强烈；在暴雨期间，洪水携带大量碎屑物质进入地下河中，在地下河系统内形成冲洪积沉积层(图2)。堆积物具有与大型地表河流冲洪积一致的堆积韵律(图1b)：底部粗、上部细，碎屑物具有高磨圆度和较好的分选性；砾径一般在10 cm之内；砾石间充填砂质或黏土。

2.1.2内源型充填模式

内源型充填以内源水和碳酸盐岩角砾或风化残积物为特征，具有水动力作用相对较弱、物源种类单一、小型河流或静水堆积韵律等特点(图2)。内源型充填在塔河油田区也较普遍，如T403井内的灰岩溶塌角砾、S70井溶洞内充填的灰绿色钙质砂泥岩，都属于内源型充填物(图1c,d)。

受流域面积控制，内源水水量一般较小，水动力条件较弱，且具有明显的季节性。该类水为碳酸盐饱和水，侵蚀性较弱；水流携带的物质主要为碳酸盐岩碎屑和碳酸盐岩风化产物，在地下河系统内形成冲洪积层，堆积物具有与小型河流冲洪积一致的堆积韵律,充填物颗粒相对较细，磨圆度和分选性较差，局部具静水沉积微层理，与大量的洞顶崩塌堆积物混杂。内源型河流相充填物内多充填层状黏性土(图3)，除顶层钙板外，有钙华、团块状钙质黏土及铁锰层各一层，表明黏土层沉积过程中曾有3次间断和沉积环境的明显变化，根据洞穴沉积剖面中沉积韵律，可判断充填期次和沉积充填环境。

图1　典型碳酸盐岩缝洞系统充填模式实例

a.S79井岩心。A为基岩，为灰色泥微晶灰岩；B为亮绿色钙质砂泥岩，为典型外源充填物；C为砂岩角砾，与基岩成分不同。 b.桂林冠岩地下河堆积物。下部物质组成以砾石为主，砾石间充填砂质或黏土；上部以颗粒较细的砂质为主。 c.T403井岩心。充填物为灰岩溶塌角砾，属于原地沉积充填物，说明水动力条件较弱。 d.S70井岩心。充填物为灰绿色钙质砂泥岩，沉积韵律明显，为典型静水堆积物。 e.硫磺矿西3号沟沟口的古地下河管道。A层为溶塌角砾岩；B层为钙泥质充填夹薄层方解石沉积；C层为洞顶溶塌角砾岩。 f.硫磺矿西2号沟内发育的溶洞。充填物具有明显的同心圆状圈层结构，A为靠近洞壁形成的方解石；B为洞体内部圈层形成的石膏；C为后期岩溶作用形成的溶蚀孔洞。 g.乌什巴沙克玛附近的溶蚀充填缝。A为基岩，为深灰色泥灰岩；B为早期构造溶蚀缝中充填的砾石、砂泥质胶结物等；C为后期充填的方解石脉。 h.T403井岩心。A为洞壁基岩，为浅灰白色泥微晶灰岩；B为早期充填的钙质砂泥；C为后期沿裂缝嵌入的方解石脉

Fig.1Examples of typical filling models of a fractured-vuggy system in carbonate rocks

图2　外源型地下河充填模式和内源型充填模式

图3　桂林芙蓉岩洞穴沉积剖面

2.2　按充填结构分类

2.2.1上下结构充填模式

无论是内源型充填还是外源型充填，地下河河流相充填物均具有上下结构关系，即岩溶缝洞系统在充填序列和充填特征上具有上下关系。上下结构关系一般可分为3个阶段：(1)沉积物首先从底部开始充填，一般为具有明显河流相冲洪积特征的机械充填物，其中的角砾具有一定的磨圆度和分选性(图4a)；(2)在海进时期，水流携带的机械沉积物不断从下向上堆积，最后基本上将缝洞系统全充填。沉积物具有明显的微层理和冲积韵律，可直观反映出水动力变化(图4b)；(3)在埋藏期，缝洞沉积物经历脱水固结和胶结作用，原被全充填的洞穴局部出现空间并被结晶方解石充填，而洞顶破碎带在上覆地层压力下多出现局部垮塌，垮塌岩体可能会嵌入机械沉积物内(图4c)。

塔北露头区位于硫磺矿西3号沟沟口的古地下河网络系统，由一条主管道和一条支管道组成，发育地层为一间房组，距一间房组顶面约80 m。该溶洞系统具有明显的地下河特征，后经多次运动改造，现洞体呈倾斜状，洞底为溶塌角砾岩充填，厚约1 m；向上为钙泥质充填夹薄层方解石沉积，厚2~3 m，具明显层理；洞顶为溶塌角砾岩，钙泥质胶结(图1e)。该地下河管道充填物自上而下明显分为3层，是一种典型的上下结构充填模式，反映了缝洞系统的充填演化特点。

2.2.2圈层结构充填模式

缝洞系统化学充填多表现为圈层结构关系，即岩溶缝洞系统在充填序列上是由洞壁开始向洞中心充填。该类充填多表现为化学充填，且充填程度高，一般较难形成优质储层，多见于小型溶洞。在塔北露头区，硫磺矿西2号沟内多见具有圈层结构关系的缝洞系统充填(图1f)。

充填序列可分为3个阶段：(1)裸露风化岩溶期。沉积物(方解石、钙华)首先从洞壁开始生长，厚度几毫米到十几厘米(图5a)；(2)浅埋藏期。石膏等化学淀积物在洞壁方解石的基础上继续沉积，直到将洞穴完全填充(图5b)；(3)深埋藏期。在热液作用下，局部发生溶蚀，形成新的孔洞(图5c)。另外，在封闭的还原环境下，硫酸盐沉积物会分异出单质硫，从而在石膏体内形成硫磺矿体。

图4　缝洞系统上下结构充填模式

图5　缝洞系统圈层结构充填模式

图6　缝洞系统嵌入式混合充填模式

2.2.3嵌入式混合充填模式

缝洞系统在机械充填过程中也常伴随着化学充填，在充填序列上最常见，不同种类的充填物间常常会形成嵌入式结构关系。该类型充填序列总体上可分为2个阶段：(1)在浅埋藏期，完成早期机械沉积(图6a)；(2)深埋藏期，化学淀积物侵入机械沉积物裂缝等空间进行生长(图6b)。在塔北露头区，这种嵌入式混合充填较为常见(图1g)，也说明了塔北地区岩溶发育具有多期性的特征。

在塔河油田T403等井内，溶蚀裂缝首先被钙质砂泥全充填，后又沿钙质砂泥内的裂缝继续充填方解石，形成典型的嵌入式混合充填(图1h)。从嵌入式混合充填物的充填序列可判定主要的充填期次。

3缝洞系统充填模式的研究意义

塔河油田奥陶系碳酸盐岩缝洞型储层是该区最重要的油气生产层段,海西期和加里东期古岩溶作用产生的大量岩溶缝洞系统作为油气的主要存储空间[26-27]。但岩溶储层埋深普遍大于5 300 m，地层压力为 60 MPa 左右，经历了多期构造运动及岩溶作用的叠加改造，在地表、近地表和埋藏过程中受沉积、垮塌及化学充填等因素影响，原始储集空间发生了巨大变化，形成了类型多样的缝洞系统充填结构，是一种极为特殊且复杂的储层类型，造成了在油气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，对岩溶缝洞系统充填模式开展深入研究成为提高油气田开发效率的迫切需求。开展缝洞系统充填模式研究，在复杂的地质现象中寻找规律，对于揭示缝洞系统充填期次及演化过程，指导油气田开发井位部署等有着积极的意义。

3.1　研究岩溶非均质性的客观需求

现有资料证实，塔河油田下奥陶统碳酸盐岩，地层厚度大，未见明显隔层，储集空间为岩溶作用下形成的缝洞系统以及与构造相关的断裂体，彼此之间构成了复杂的网络空间，体现出了极强的非均质性。在基岩与缝洞系统之间的随机展布所形成的高度非均质体系的基础上，后期岩溶作用对原始储集空间又进行了多期次的改造，形成不同充填期次、不同充填程度、不同充填物类型的多样缝洞系统充填结构，使得岩溶储层的非均质性增强，极大地提高了油气开发利用难度。研究缝洞系统的充填模式，掌握缝洞系统充填的结构特征，对研究有效缝洞储层分布范围，对于实现油田增产有着迫切的现实意义。

不同充填程度对岩溶储层的形成、演化会产生很大的影响，如未充填、半充填的缝洞系统储集能力强，而全充填的缝洞系统则很有可能破坏原有的储集空间；不同的充填物类型在岩溶储层上表现出不同的特征，如上下结构充填模式下以机械充填物为主，砂质、钙泥质、角砾等物质构成可以形成较好的油气储层，而圈层结构充填模式下，充填以化学充填为主，方解石、石膏等充填物可将岩溶缝洞完全封闭，破坏原本相通的缝洞系统，影响储层质量。

3.2　古地貌与充填规律的关系

古地貌控制了古水系的格局，进而决定了岩溶地貌分区。阿克库勒凸起北高南低，塔河油田奥陶系古地貌恢复后自北向南可划分为岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶洼地等地貌单元，不同的地貌单元具有各自的岩溶发育和充填特征，将近年来古地貌研究成果和缝洞系统充填结构模式相结合，对于掌握塔河地区岩溶储层充填规律具有积极意义。

外源型地下河充填模式，一般位于岩溶高地和岩溶斜坡中上部的补给区、径流区一带，垂向上分布于表层岩溶带、垂向渗滤溶蚀带，充填以机械充填为主，充填物主要为泥质或粉砂质泥岩、溶洞角砾岩，方解石充填相对较少，储集性能较好，如：TK426井，井段5 501.2~5 515 m的古岩溶缝洞系统。内源型充填模式，一般位于岩溶洼地，垂向上分布于垂向渗滤溶蚀带与潜流溶蚀带，多属朔源溶蚀的缝洞空间，与地表连通性较差，后期不易被机械充填，以化学沉积充填为主，古岩溶缝洞系统充填程度高，储集性能差，如TK480井、TK471X井的垂向渗滤溶蚀带与径流溶蚀带间的古岩溶缝洞系统。

3.3　充填模式辅助传统工作方法

塔河油田奥陶系缝洞型储层埋深很大，单井资料展示的溶洞充填特征有限，三维地震虽然可以描述溶洞空间展布特征，但分辨率较低，且缝洞异常体的范围远大于真实的溶洞体积，对于绝大多数规模较小的缝洞系统的充填特征的解译精度不高，准确性也有待考证。因此，开展相似露头区和井下缝洞系统充填特征的对比研究，归纳总结典型岩溶充填模式，将研究成果应用到塔河油田开发中，结合钻井、测井及地震等资料分析，刻画出地下岩溶缝洞系统展布以及充填特征，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，提高油气采收率。

4结论

(1)塔北露头区奥陶系古岩溶和桂林的南方现代岩溶是古今潮湿气候环境下岩溶发育的代表，具有相似的岩溶发育条件和岩溶发育特征，都形成了典型的岩溶缝洞系统。按照水动力条件及充填物物源分类，岩溶缝洞系统可分为外源型地下河充填模式、内源型充填模式；按照充填结构分类，可分为上下结构充填模式、圈层结构充填模式、嵌入式混合充填模式。

(2)外源型地下河充填模式对比内源型充填模式一般具有较好的储集性能；并且从充填结构模式上可以反映出岩溶缝洞系统的充填期次和演化特征。

(3)在古地貌恢复、三维地震刻画等研究基础上，辅以充填模式的建立，可以为油气田地质建模提供信息，为井位部署提供参考，有助于提高油气采收率。

致谢：感谢李阳和袁向春2位项目负责人及各位跟踪专家的批评指导，感谢中国石化西北石油局在资料提供等方面的大力支持！

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(编辑黄娟)

Typical filling models of a fractured-vuggy system in

carbonate rocks under a moist environment

Cao Jianwen1,2, Xia Riyuan2, Zhang Qingyu1,2, Liang Bin2, Zou Shengzhang2

(1.SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei430074,China;2.Instituteof

KarstGeology,CAGS,Guilin,Guangxi541004,China; 3.KarstDynamicsLaboratory,MLR&GZAR,Guilin,Guangxi541004,China)

Abstract:Carbonate reservoirs have strong heterogeneity, and were filled during multiple periods of karstification, which makes hydrocarbon exploration difficult. The Ordovician palaeo karsts in the northern Tarim Basin and the modern karsts in Guilin are examples of karst development in a moist environment, which have similar conditions and characteristics of karst development.According to the principles of “from the surface to the center” and uniformitaranism, combined with oil characteristics and previous research results, we established several typical filling modes of the fractured-vuggy system in carbonate rocks under a moist environment. According to hydrodynamic conditions and filling materials, they can be divided into exogenous underground river filling and endogenous filling models.According to filling structure classification, they can be divided into upper and lower structure filling model, circle structure filling model, and embedded mixed filling model.These models have various filling degree and types of filling material, and the corresponding karst reservoirs also have different physical properties.Generally speaking,the reservoir performance of the exogenous underground river filling modelis better than that of the endogenous filling model, and the reservoir performance of the upper and lower structure filling model is better than that of the circle structure filling model.

Key words:moist environment; fractured-vuggy system; filling model; karst reservoir; carbonate rock

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB201001)，国家自然科学基金(41302122)和国土资源部公益性行业科研专项(201211082)资助。

作者简介：曹建文(1983—)，男，助理研究员，从事油气田古岩溶研究。E-mail：caojianwen@karst.ac.cn。

收稿日期：2014-11-13；

修订日期：2015-12-04。

中图分类号：TE122.2

文献标识码：A

文章编号：1001-6112(2016)01-0056-07doi：10.11781/sysydz201601056