哈拉哈塘凹陷奥陶系岩溶古地貌及岩溶缝洞体发育模式

张庆玉，梁　彬，秦凤蕊，陈利新，淡　永，李景瑞

（1.中国地质大学环境学院，武汉430074；2.中国地质科学院a.岩溶地质研究所；b.国土资源部岩溶动力学重点实验室，广西桂林541004；3.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆库尔勒841000）

哈拉哈塘凹陷奥陶系岩溶古地貌及岩溶缝洞体发育模式

张庆玉1,2，梁彬2，秦凤蕊2，陈利新3，淡永2，李景瑞2

（1.中国地质大学环境学院，武汉430074；2.中国地质科学院a.岩溶地质研究所；b.国土资源部岩溶动力学重点实验室，广西桂林541004；3.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆库尔勒841000）

针对塔北哈拉哈塘地区北部潜山风化壳岩溶区和南部埋藏岩溶区不同的地质特征，分别运用印模法和地层古构造与印模残差组合法恢复奥陶系古地貌和古水系。在此基础上，对4种不同古地貌环境条件下岩溶缝洞体发育特征及形成机理进行研究，建立了潜山风化壳岩溶区、上岩溶缓坡地、下岩溶缓坡地和岩溶盆地4种岩溶缝洞体发育模式。潜山风化壳岩溶区以发育表层岩溶缝洞系统为主；上岩溶缓坡地发育一间房组—鹰山组大型缝洞体及暗河管道系统；下岩溶缓坡地发育良一段—良二段和一间房组—鹰山组2套大型缝洞储集体；岩溶盆地沿断裂发育岩溶缝洞体。关键词：塔里木盆地；哈拉哈塘凹陷；奥陶系；古地貌；古岩溶湖；潜山岩溶；埋藏岩溶；岩溶缝洞体

哈拉哈塘凹陷是塔北隆起的油气勘探热点区[1-4]，其周缘已发现多个油气田，包括东侧的塔河油田、东南侧的哈得逊油田、北侧的牙哈油田、西北侧的东河塘油田以及西侧的英买力油气田[5-7]。哈拉哈塘凹陷奥陶系具有丰富的油气资源，是塔北油气勘探的突破区，同时也是目前塔里木油田公司进行开发前期评价的重点区域[8]。

哈拉哈塘凹陷奥陶系碳酸盐岩储集层以后期溶蚀裂缝、溶蚀孔洞及岩溶洞穴为主要储集空间[9]。研究区地质条件复杂[10-11]，岩溶发育阶段与塔河地区类似，奥陶系内幕岩溶主要经历了一间房组沉积末期—吐木休克组沉积前，良里塔格组沉积末期—桑塔木组沉积前，桑塔木组沉积末期—志留系沉积前的3期岩溶作用[12]，形成了不同岩溶期的古地貌组合形态，发育大型缝洞体，储集层非均质性极强。其中良里塔格组沉积末期沉积间断时间最长，是研究区良里塔格组、一间房组和鹰山组的主要岩溶期[13]。因此，对良里塔格组顶界面岩溶期古地貌恢复尤为重要。但其上、下均存在沉积间断，且吐木休克组厚度较薄，无法获取其顶界面区域构造数据，应用常规方法恢复良里塔格组沉积末期的古地貌，存在利用一个不整合面恢复另一个不整合面的情况，其可信度较低。因此，提出利用古构造与印模残差组合法恢复良里塔格组沉积末期岩溶古地貌，即通过恢复良里塔格组古构造趋势，确定地表岩溶古地貌形态，避免了上、下不整合面的影响，为勘探开发井位部署及储集层预测提供依据。

1　地质概况

哈拉哈塘凹陷位于塔里木盆地塔北隆起中部，北邻轮台低凸起，南邻北部坳陷，西接英买力低凸起，东为轮南低凸起，面积约为4 000 km2，是油气由低向高运移的指向区，构造位置十分有利（图1）。包含哈6区块、新垦区块、热瓦普区块和齐满区块，是塔里木油田公司在塔北地区奥陶系碳酸盐岩的重点勘探区块[13]，具有良好的油气勘探前景。

图1　哈拉哈塘凹陷奥陶系地质构造及地层分布

哈拉哈塘凹陷中奥陶统一间房组、上奥陶统吐木休克组、良里塔格组和桑塔木组从北向南依次尖灭（图1），其中桑塔木组尖灭线以北为古潜山风化壳岩溶区，以南为碎屑岩覆盖埋藏岩溶区。

研究区上奥陶统桑塔木组（O3s）以泥岩为主；良里塔格组（O3l）以泥灰岩、瘤状灰岩夹砂屑灰岩为主，从上到下可分为良一段、良二段和良三段；吐木休克组（O3t）岩性以褐灰色泥晶灰岩和泥灰岩为主；中奥陶统一间房组（O2yj）以灰褐色亮晶砂屑灰岩、生屑灰岩和亮晶鲕粒灰岩为主。中-下奥陶统鹰山组（O1-2y）从上到下分为4段，中奥陶统鹰一段—鹰二段为巨厚层灰色泥晶灰岩夹亮晶砂屑灰岩薄层；下奥陶统鹰三段—鹰四段以灰岩为主，夹少量白云质灰岩。下奥陶统蓬莱坝组（O1p）以白云岩为主，钻至蓬莱坝组钻井较少。其中一间房组和鹰山组发育质纯厚层灰岩，为强岩溶层位，是研究区主要的油气储集层。

2　潜山风化壳岩溶区古地貌及岩溶发育特征

2.1古地貌特征

由于潜山风化壳岩溶区桑塔木组被剥蚀殆尽，良里塔格组、吐木休克组、一间房组地层遭受不同程度的剥蚀，其中良里塔格组和吐木休克组呈北东—南西向狭长条带状展布，宽2～4 km，总厚度0～20 m.

利用志留系标志层塔塔埃尔塔格组底至奥陶系古潜山顶面填平补齐古厚度，依据印模法[14]，即古厚度相对越大，所处古地势为相对低洼处；古厚度相对较小，所处古地势为相对高部位，进行潜山区岩溶古地貌恢复（图2）。

图2　哈拉哈塘凹陷潜山风化壳岩溶区志留纪前岩溶古地貌特征

从古地貌图可知（图2），总体地形、地势向南南西方向缓慢降低，坡降一般为1.5%～2.0%.结合中国南方现代喀斯特岩溶地貌划分标准，将潜山风化壳岩溶区岩溶地貌分为：岩溶缓坡、岩溶台地、岩溶丘丛谷地3种二级地貌单元（表1）。

根据地貌组合形态，可进一步划分为丘丛垄脊沟谷、微丘丛洼地、微丘峰洼地、微丘丛槽谷、岩溶谷地和岩溶湖6种古岩溶地貌。研究区整体处于岩溶地貌形成演化初期，地形起伏相对较小，切割深度小，丘洼相对高差一般为5～30 m，局部40～50 m.

2.2古水文特征

潜山风化壳岩溶区为区域补给区，碳酸盐岩直接接受大气降水淋滤，通过径流，对南部桑塔木组碎屑岩覆盖区进行补给。由古地貌形态及地势展布特征刻画地表古水系（图2）。研究区地表水系发育，其中中部TH8井左侧河流深切至鹰山组。受南部桑塔木组碎屑岩和吐木休克组泥质含量较高碳酸盐弱岩溶层组隔水作用影响，沿桑塔木组尖灭线附近形成一系列岩溶湖。深切河谷和岩溶湖构成了潜山风化壳岩溶区地表水和浅层地下水的排泄基准面。结合“断头河”发育及断裂展布特征，认为受到南部埋藏区岩溶盆地区域排泄基准面的控制，在桑塔木组尖灭线附近形成一系列近南北向伏流入口，即地下暗河管道系统，在地震剖面上表现为连续片状强反射特征。

表1　哈拉哈塘凹陷潜山风化壳岩溶区岩溶地貌类型划分

2.3岩溶缝洞体发育特征

研究区已经钻的20口井中，有13口井在一间房组或鹰山组出现钻具放空或钻井液漏失现象。测井特征表现为随泥质充填程度增大，自然伽马增高，深、浅侧向电阻率降低，井径扩大，补偿中子、密度、声波时差降低。

由岩溶储集层对比剖面可见（图3），哈拉哈塘凹陷奥陶系碳酸盐岩潜山风化壳岩溶区古岩溶缝洞系统与塔河油田、轮古油田典型潜山岩溶缝洞系统具有相似性[15-16]，岩溶缝洞系统发育具有层状分布特点：上部古岩溶缝洞系统主要分布于一间房组内，距一间房组顶面以下10～15 m范围；以裂缝-孔洞型和孔洞型储集层为主，主要为Ⅱ类储集层，局部发育Ⅰ类洞穴型岩溶储集层。

图3　哈拉哈塘凹陷潜山区南北向古岩溶发育模式（剖面位置见图1）

下部缝洞系统发育Ⅰ类洞穴型岩溶储集层，发育于鹰一段，古岩溶缝洞系统距一间房组顶面约60～90 m范围。在溶洞发育段，钻井过程中常伴有钻井液漏失或钻具放空，QG1井于井深6 705 m处鹰一段钻具放空3.50 m，HA15-2井于井深6 598 m处一间房组钻具放空2.53 m，漏失钻井液572.98 m3.

潜山风化壳岩溶区岩溶缝洞系统呈层状分布，究其原因为，潜山风化壳岩溶区受到2个排泄基准面控制形成，上部缝洞发育带受潜山深切河谷和岩溶湖排泄基准面的控制（图3），下部岩溶缝洞发育带则受南部埋藏岩溶区良里塔格组岩溶期深切河谷或岩溶盆地区域排泄基准面控制。

3　埋藏岩溶区古地貌及岩溶发育特征

3.1古地貌特征

一间房组岩溶期，由于沉积间断时间较短，地形起伏较小，地表河流及地下暗河系统弱发育[14]；而志留系沉积之前岩溶期由于上覆桑塔木组碎屑岩，大气降水很难直接渗入到下部良里塔格组、一间房组和鹰山组，研究区主要发育层间岩溶。良里塔格组岩溶期裸露时间较长，地表河流深切，为一间房组、鹰山组岩溶缝洞系统发育提供良好的水动力条件。针对研究区地质条件，提出利用古构造与印模残差组合法恢复良里塔格组顶面古地貌，具体恢复方法如下。

（1）对良里塔格组沉积间断时期下伏地层古构造趋势恢复。①利用塔塔埃尔塔格组底至吐木休克组底构造数据，恢复志留纪前一间房组顶面构造趋势面；②利用塔塔埃尔塔格组底至奥陶系顶面构造数据，恢复志留纪前奥陶系顶面构造趋势面；③计算良里塔格组沉积间断后地层构造趋势变化量，即奥陶系顶面构造趋势面与一间房组构造趋势面的变化量；④利用一间房组构造趋势面减去构造趋势面变化量，即可恢复良里塔格组沉积间断期下伏地层古构造趋势面。

（2）利用桑塔木组底（良里塔格组顶）至吐木休克组底（一间房组顶）构造数据，计算良里塔格组至一间房组顶面的残留厚度。

（3）利用残留厚度与古地层构造趋势面结合，恢复良里塔格组顶面古岩溶地貌。

根据良里塔格组顶面古地形地势特征、古水动力分析，将研究区划分为上岩溶缓坡地、下岩溶缓坡地、岩溶盆地3种二级地貌类型及6种三级地貌单元，并依据现代岩溶理论识别出若干微地貌形态（表2）。

表2　哈拉哈塘凹陷良里塔格组顶面古岩溶地貌类型划分

良里塔格组岩溶期地形、地势整体向南缓慢降低，坡降一般为0.5%～1.5%，地形起伏相对较大，高差一般30～50 m，局部达50～100 m，南部TR1井—TR6井—TR2井—TR4井一带南侧为岩溶盆地，是区域岩溶地下水排泄区。

3.2古水文特征

根据古水系刻画，自西向东发育6个地表水系，地表水系均自北向南径流汇入岩溶盆地。古水系深切，把良里塔格组岩溶地貌分割成近南北向延伸的岩溶垄岗地貌区，每个地貌区具有自分水岭地带向两侧河谷排泄特征。其中河床深切至一间房组的地段，也为暗河管道系统局部排泄基准面，控制着一间房组和鹰山组缝洞系统的发育。

3.3岩溶缝洞体发育特征

上岩溶缓坡地紧靠北部潜山风化壳岩溶区，地下水水力坡降较大，水力循环快，溶蚀性强，发育多条地下暗河管道系统。在地震剖面上通常表现为片状连续强地震反射。

取剪跨比λ为4，轴压比ηk为0.1，配筋率ρl为0.96%在不同纵筋强度的三种矩形空心墩，纵筋强度分别为464 MPa、507 MPa、542 MPa，进行Pushover分析，其对应的能力曲线如图12所示，由图12可知，纵筋强度的提高对空心墩的承载能力有所提高，但空心墩位移延性随着纵筋强度的提高而减小。

据上岩溶缓坡地42口钻井资料统计，有33口井发生不同程度钻具放空和钻井液漏失现象，主要集中在一间房组—鹰山组。仅TH11-3井于良里塔格组6 674.38 m漏失钻井液187.84 m3，并于一间房组6 685.96 m漏失钻井液503.32 m3，说明此处良里塔格组与一间房组均发育溶洞系统，溶蚀构造缝连通，形成大型缝洞体，发育Ⅰ类洞穴型岩溶储集层。

下岩溶缓坡地统计31口钻井中，有25口井发生不同程度钻具放空和钻井液漏失现象。其中5口井发生在良里塔格组，占总数的20%，说明研究区除一间房组—鹰山组洞穴型缝洞体发育外，也发育从鹰山组连通至良里塔格组的大型缝洞系统。如TR702井，良里塔格6 853.3 m开始发生钻井液漏失，漏失量为193 m3，一间房组6 857.19—6 858.47 m和6 863.60—6 864.40 m发生两次钻具放空，放空段厚1.28 m和0.80 m，发育未充填大型溶洞系统。

岩溶盆地中10口放空漏失井全部为一间房组—鹰山组。此地貌类型属于区域排泄地带，潜山风化壳岩溶区地下水径流至此溶蚀和侵蚀性均变弱。而放空漏失井的位置与古断裂具有密切关系，如在TP3井，一间房组埋深7 028.9 m，漏失钻井液424.8 m3，同时放空10.6 m，说明发育洞高不小于10.6 m的溶洞，同时，体现了研究区断裂控制下的淡水、海水混合岩溶作用模式。

4　岩溶缝洞发育机理

4.1潜山风化壳岩溶区岩溶缝洞发育机理

在志留纪前，研究区属奥陶系碳酸盐岩裸露区，岩溶地貌以岩溶台地—丘丛洼地、岩溶谷地为主，区域上属多期岩溶作用古岩溶流域补给、径流区，深切河谷是潜山风化壳岩溶区局部排泄基准面。自分水岭地带至两侧深切河谷，浅部地表径流以垂向渗入为主，形成表层岩溶缝洞系统，岩溶以小溶蚀孔洞、溶蚀裂缝为主，岩溶发育程度较强；地表径流渗入至下部后，受两侧古河道排泄基准面控制，岩溶水以侧向径流为主，形成向古河道方向发育的岩溶管道系统或溶洞系统（图4）。

4.2上岩溶缓坡地岩溶缝洞发育机理

图4　哈拉哈塘凹陷潜山风化壳岩溶区古岩溶缝洞发育模式（剖面位置见图1）

图5　哈拉哈塘凹陷上岩溶缓坡地古岩溶缝洞发育模式（剖面位置见图1）

4.3下岩溶缓坡地岩溶缝洞发育机理

志留系沉积前岩溶期处于桑塔木组碎屑岩覆盖丘陵区，覆盖层较厚，对碳酸盐岩岩溶作用影响较小；良里塔格组岩溶期，地貌属丘丛垄脊沟谷岩溶地貌组合区，地表水系发育，但河流切深相对较浅，只切至良一段或良二段。因此，研究区岩溶发育模式与潜山风化壳岩溶区和上岩溶缓坡地不同，良里塔格组地表河流岩溶水系统主要控制良一段和良二段岩溶的发育；一间房组—鹰山组受北部潜山层间岩溶水控制。因此，发育良里塔格组和一间房组—鹰山组2套大型岩溶缝洞体。

4.4岩溶盆地岩溶缝洞发育机理

志留系沉积前岩溶期桑塔木组覆盖层厚，大气降水渗入补给下部地层量较小，主要发育层间岩溶；良里塔格组岩溶期属岩溶盆地地貌类型，为区域排泄区。但受断裂影响，在局部地区，良里塔格组、吐木休克组被全剥蚀而出露一间房组碳酸盐岩，为北部潜流地下水排泄提供出口，如TR3井区。因而沿断裂易形成具规模的岩溶缝洞系统，多属岩溶地下河系统出口地段，为排泄型暗河管道系统。

5　区域岩溶发育模式

通过以上分析，在不同地貌类型岩溶作用机理探讨的基础上，建立了哈拉哈塘凹陷潜山风化壳岩溶区、上岩溶缓坡地、下岩溶缓坡地、岩溶盆地4种古岩溶发育模式（图6）。

图6　哈拉哈塘凹陷良里塔格组裸露岩溶期区域岩溶作用模式（剖面位置见图1）

北部潜山为地下水区域补给区，发育典型潜山岩溶；上岩溶缓坡地为径流区，发育地下暗河管道系统，地表河流深切控制着明暗河的转化，发育一间房组—鹰山组大型缝洞体，地下暗河高部位发育Ⅰ类洞穴型岩溶储集层；下岩溶缓坡地良里塔格组发育台缘礁滩相厚层灰岩，为径流区，发育良一段—良二段和一间房组—鹰山组2套大型缝洞集合体，是研究区勘探开发重点研究对象；岩溶盆地为区域排泄区，沿断裂发育混合水岩溶作用大型缝洞储集体。

6　结论

（1）哈拉哈塘凹陷奥陶系碳酸盐岩储集层主要受控于奥陶系3期内幕岩溶作用，中—上奥陶统自南往北逐渐尖灭。一间房组和鹰山组质纯厚层碳酸盐岩为研究区主要储集层位，发育大型缝洞集合体。

（2）利用印模法对潜山区前志留纪岩溶古地貌和古水系进行恢复刻画，划分为岩溶缓坡、岩溶台地和岩溶丘丛谷地3类二级地貌单元和6类三级地貌单元。岩溶储集层发育具有成层性，上部缝洞系统发育于一间房组；下部缝洞系统位于鹰一段，发育Ⅰ类洞穴型岩溶储集层，钻井常伴有钻具放空、钻井液漏失现象。

（3）应用地层古构造与印模残差组合法恢复桑塔木组碎屑岩覆盖区良里塔格组顶面古地貌及古水系，划分为上岩溶缓坡地、下岩溶缓坡地和岩溶盆地3种二级地貌类型及6种三级地貌类型。研究表明上岩溶缓坡地、岩溶盆地放空漏失井段主要发育在一间房组、鹰山组，发育大型缝洞体，下岩溶缓坡地发育良一段—良二段和一间房组—鹰山组2套大型缝洞体。

（4）对4种不同地貌单元岩溶作用机理进行分析，建立了哈拉哈塘凹陷岩溶作用地质模式，为深化推进哈拉哈塘凹陷勘探开发提供地质依据。

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（编辑顾新元）

Karst Paleogeomorphology and Development Model of Karst Fracture⁃Cave Bodies of Ordovician in Halahatang Sag

ZHANG Qingyu1,2,LIANG Bin2,QIN Fengrui2,CHEN Lixin3,DAN Yong2,LI Jingrui2
(1.School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei 430074,China;2.Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences/Karst Dynamics Laboratory,MLR&GZAR,Guilin,Guangxi 541004,China; 3.Research Institute of Exploration and Development,Tarim Oilfield Company,PetroChina,Korla,Xinjiang 841000,China)

In view of different geological features of buried⁃hill weathering crust areas in the north and buried karst area in the south of Halahatang area in the northern Tarim basin,the Ordovician paleolandform and ancient drainage systems are restored using impression method and a combination method of paleostructure and residual impression.The karst fracture⁃cave body development characteristics and its formation mechanism are studied under 4 different paleo⁃landform environments,and 4 karst fracture⁃cave body development patterns are established such as buried⁃hill weathering crust zone,upper karst slope,lower karst slope and karst basin.The buried⁃hill weathering crust zone is dominated by surface⁃karst fracture⁃cave system;large fracture⁃cave bodies of Yijianfang formation-Yingshan formation and underground river channel systems mainly occur in the upper⁃karst slope;2 sets of large fracture⁃cave bodies namely Liang⁃1-Liang⁃2 member and Yijianfang formation-Yingshan formation are developed on the lower karst slope;and karst fracture⁃cave bodies are distribut⁃ed along faults in the karst basin.

Tarim basin;Halahatang sag;Ordovician;paleo⁃landform;paleokarst lake;buried⁃hill karst;buried karst;karst fracture⁃cave body

TE122.14

A

1001-3873（2016）06-0660-07

10.7657/XJPG20160606

2016-05-17

2016-07-28

国家自然科学基金（41302122）；国家973项目（2011CB201001）；国土资源部公益性行业科研专项（201211082）

张庆玉（1983-），男，山东菏泽人，高级工程师，博士，油气储层及古岩溶，（Tel）0773-5810671（E-mail）zhangqingyu@karst.ac.cn