塔河油田奥陶系岩溶塌陷体结构识别及成因分析

李新华，康志宏，刘 洁，杨德彬，汪 彦,陈华鑫,贺 煜

(1.中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830011；3.中国地质地质学(北京)能源学院，北京 100083)

受岩溶作用影响，塔河油田奥陶系碳酸盐岩储集空间包括溶洞、溶孔以及裂缝3种类型，其中溶洞为主要储集空间[1-3]。在岩溶期和埋藏期，复杂的断裂体系、上覆地层压力、构造残丘的不断抬升以及压扭作用等因素，致使岩溶洞穴被挤压而变形，随着作用力的加大，洞穴内岩石随之崩溃，部分溶洞垮塌，并产生了很多角砾岩堆积于洞穴底部，储集空间变小，后期暗河流经塌陷体再次产生大量沉积物充填角砾岩间隙，储集空间进一步变小[4-5]。

岩溶洞穴垮塌是岩溶演化过程的重要组成部分，可以分为岩溶期的洞穴垮塌和深埋后的洞穴垮塌。岩溶期的垮塌较为常见，主要特点是地下洞穴演变为“一线天”、地堑、深切河谷和地表河流等岩溶地貌[6-7]。进入埋藏以后，洞顶和洞壁处于由上覆地层产生的应力作用下，在拱顶形成拉张洞壁产生剪切应力作用[8]。随着机械压实作用的加强，结合洞顶和洞壁岩石不断破裂，最终在其自身重力作用下产生垮塌，当洞穴溶洞垮塌后，在洞顶和洞壁形成新的破裂角砾。垮塌之后所形成的角砾岩化带和裂缝带要比原始通道更宽[9]，延展范围更大，储集体的面积和体积变大。

关于岩溶塌陷储集体的研究，Lucia 等[10-14]基于露头、岩心资料，利用探地雷达、地震属性分析等手段，对特定地质背景下发生的古岩溶塌陷进行了比较系统的研究。Loucks提出单个溶洞的演化历史模型和洞穴联合垮塌体假说，从近地表潜流带中发育，然后在渗流带中被改造，最后至埋藏期间经历机械压实和重力垮塌等多个阶段多种作用改造形成岩溶洞穴。王拥军[15]、康志宏[16]、李文科[17]和丁晓琪[18]通过南堡、塔河、川中和大牛地油田研究，认为古岩溶发育过程中，受构造运动、风化剥蚀、埋藏等作用，导致古洞穴塌陷，塌陷较为常见，且是一种重要的油气储集体。刘春成[19]提出：岩溶塌陷识别难度大，演化历史复杂，目前的技术手段只能有效识别出岩溶塌陷柱。钱一雄[20]对比了表生岩溶和埋藏溶蚀的充填矿物(岩石)学—地球化学特征，提出了不同类型岩溶的主控因素。张宝民[21]认为岩溶塌陷过程产生的大量非构造裂缝对地震解释和储层预测具有重要意义。郑兴平[22]从岩石力学角度研究垮塌机制，认为不存在一个统一的塌陷深度范围。杨瑞召[23]和王光付[24]认为岩溶洞穴具有明显的串珠状地震反射特征，岩溶塌陷表现为地震同相轴不连续，弱振幅和杂乱反射特征。Kernes[25]和 Loucks[26]提出了洞穴相的理想层序，认为洞顶角砾相和下部垮塌相是有利储层。

已证实多层洞穴垮塌构成良好油气储层的实例是：西德克萨斯的雷恩县31油田[27]以及得克萨斯Gaines县和Yoakum县埃米罗德油田[28]。依据“联合垮塌古洞穴系统”假说，在塔河油田、南堡油田和大牛地油田等奥陶系，亦被认为存在类似的岩溶塌陷。古岩溶洞穴系统是塔河油田重要的油气储层，塌陷体是有利的油气储集体之一。塔河油田的TK604、TK632、TK740和TK10346等井证实塌陷体有极高的油气累积产量，具有勘探和开发潜力。由于塌陷是古岩溶洞穴的再改造，使本已十分复杂的缝洞系统更加难以预测，如何从现有的技术资料中识别再现塌陷结构、控制要素、形成演化等，是认识储集体性能和预测开发规律的基础。本文基于现有信息识别和再现塌陷体响应特征，结合塌陷几何结构预测塌陷主形成期，探讨塌陷体成因类型和储油性，力求为同类型古洞穴碳酸盐岩油藏开发挖潜和有效储层预测提供帮助。

1 古岩溶塌陷的识别和特征

综合前人对古洞穴塌陷的研究成果和认识，古岩溶塌陷可定义为：岩溶形成的洞穴，由于多期的岩溶作用、上覆地层(包括碳酸盐岩母岩和其上部岩溶作用结束后的新沉积层)负荷和断裂作用等，造成溶洞垮塌和与之相应地层变形及破碎，所形成的上部地层下凹(sag)呈“U”或“V”字形结构和垮塌充填式沉积的组合样式。根据其定义，对于古岩溶塌陷体研究，可以通过钻井、岩心、地震、常规测井和FMI 成像测井等技术手段来识别和再现古岩溶塌陷的独特响应特征。

1.1 钻井

对于碳酸盐岩缝洞储层，钻井过程中重要的鉴别标志是钻井液漏失和钻杆放空现象。根据孔隙体积守恒规律，古洞穴塌陷后，孔隙体积仍然存在，储集体的面积和体积均有所增大[9]，垮塌作用导致原有洞穴被塌陷角砾岩充填，洞穴顶部和四周出现大量缝隙和裂纹角砾岩，塌陷体内部岩溶洞穴减小。因此，放空、漏失(部分充填)或仅有漏失而无放空是古岩溶塌陷体的表现特征。对已发现的塌陷带统计发现[4]：塔河油田的T740井塌陷带中，有3口井有明显漏失；AD8井塌陷带有4口井有明显放空和漏失。

1.2 岩心特征

洞穴垮塌的主要产物是破裂的杂乱角砾和洞顶及洞壁裂纹化角砾(也称缝隙角砾岩)，上覆地层应力释放洞顶、洞壁崩塌产生混杂角砾岩和镶嵌角砾岩。崩塌包括块状塌陷、板状塌陷和碎片塌陷。Loucks[26]根据洞穴内的角砾岩、充填物类型和结构特点，提出了裂纹角砾岩、杂乱角砾岩、洞穴沉积充填三个端元分类方案(图1)。该分类中的“洞穴沉积充填”为早期洞穴被地下暗河机械沉积充填，属于岩溶期后、洞穴垮塌之前的岩溶产物。与塌陷直接相关的岩溶产物应该主要是裂纹、镶嵌和混杂角砾岩。

图1 岩溶角砾和洞穴沉积物类型的三端分类图(Loucks R G，1999)Fig.1 Ternary classification diagram of karst breccia and cave deposits(Loucks R G，1999)

据不完全统计，在塔河油田奧陶系目的层的塌陷储集体中，岩心发育垮塌角砾岩的井有27口井左右，通过对此类岩心观察分析[4]，将垮塌角砾岩充填物的岩性分为：洞穴裂纹角砾岩、杂乱角砾岩、暗河沉积的砂砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩等。

原始的洞穴塌陷体，如果没有后期的充填和再次成岩作用，由于岩石破碎，一般难以取出完整的岩心。在表层岩溶作用下的垮塌相带(早期垮塌)形成的角砾岩，由于伴随强水动力携带丰富砂泥物源对角砾裂隙进行充填，后期再次胶结作用导致岩心较为完整。角砾之间的孔隙充填物分砂泥质和方解石两类，其中砂泥质主要是由暗河携带的河流砂泥填积而成，由灰绿色灰色砂岩或泥质砂岩、粉砂岩组成(图2)。YQ16井以洞内的砂泥质支撑的杂乱角砾岩为主，基质为砂岩和粉砂岩。AD8井第二回次取心，上部以裂纹角砾岩和杂乱角砾岩为主；下部为砂泥质支撑的杂乱角砾岩，角砾分选差，泥质成分较多。

图2 古洞穴塌陷形成的角砾岩岩心照片Fig.2 Core photos of breccias from the paleocave collapse(a)和(b)为细-粗砾-泥质等杂乱角砾岩，泥质成分较多，基质和填隙物均为泥岩；(c)左侧为灰岩角砾，基质为泥岩，右侧为灰岩，之间为灰岩与垮塌角砾的界限；(d)、(e)和(f)为裂纹角砾岩，主体以灰岩为主，裂隙被泥质充填，角砾呈棱角状；(g)杂乱角砾岩，角砾分选差，大小混杂；(h)以裂纹角砾岩、灰岩为主，裂隙被泥质充填；(i)—(k)为基质支撑的杂乱角砾岩，角砾分选差，泥质成分较多

1.3 FMI成像测井

电成像测井(FMI)可以弥补钻井取心的不连续和不完整(取心率低)等问题，在岩溶塌陷体识别上极为重要。由于其电阻率图像具有岩石结构的高分辨率特点，能较好地反映不同岩石和不同岩石结构在电阻率上的差异，其图像特征相当于岩石结构的响应。FMI电阻率成像可以直观显示井壁地层的细微变化[29]。成像测井对岩溶中的基岩(灰岩)、洞穴和裂缝响应特征极为明显：溶洞表现为黑色条带或块状分布;开启缝表现为黑色的正弦曲线。利用FMI成像测井影像，再现有关的洞穴、垮塌角砾、裂缝及其组合关系是岩溶塌陷研究的重要技术手段之一。利用塔河油田已有FMI成像资料，戎易民[30]展示了TH301井岩溶垮塌成像和岩心特征，但该井在奥陶系顶面不存在“下凹”特征，不符合“古岩溶塌陷”的定义。结合地震解释成果，具有成像资料的TK458H和TK604井钻遇于奥陶系顶面 “下凹”塌陷区域，具备古岩溶塌陷特征，因此，这两口井的FMI成像储集体特征更能代表塌陷的成像标志(图3)。

图3 TK604井古洞穴塌陷FMI成像测井响应特征图版Fig.3 FMI imaging logging response characteristics of paleocave collapse in well TK604(a)5 551～5 556 m，杂乱角砾岩，强烈的旋转和位移为特征，角砾大小混杂，有基质为砂泥碎屑，基质支撑不规则的灰岩角砾；(b)5 566～5 571 m，裂纹角砾岩，不规则的裂缝极为发育，岩石中轻微张开的裂缝分开了灰岩角砾，单个角砾形态受控于裂缝分布；(c)5 596～5 601 m，岩溶洞穴内部的杂乱角砾岩和沉积充填物，或溶洞内杂乱角砾岩；(d)5 629～5 634 m，裂纹角砾岩与镶嵌角砾岩的组合关系，其灰岩角砾之间的裂缝位移和旋转增大；(e)5 647～5 652 m，裂纹角砾岩-镶嵌角砾岩-小型溶洞的组合关系

在成像测井上，岩溶塌陷体以广泛发育的由洞穴裂纹角砾岩、镶嵌角砾岩、杂乱角砾岩、碎屑岩支撑杂乱角砾岩、残余孔洞及基质支撑杂乱角砾岩等所构成的杂乱结构响应为主。由于FMI成像图像仅仅是对于溶洞或碎屑分布、砾岩结构、裂缝形态及其相互的垂向组合特征有较好的展示，而对岩石类型、密度、储集性、电性和储集体类型等，还需要通过常规测井信息进一步厘定。

1.4 常规测井

在常规测井上，岩溶洞穴和岩溶塌陷体差异较大，“岩溶洞穴”主要为洞穴空间及被相关外来物质充填的洞穴内衍生体，具有高伽马-低电阻(砂、泥充填的响应特征)以及高伽马-高电阻(方解石充填响应特征)。但“岩溶塌陷体”的测井响应特征要更为复杂，并且类型多样，从类型上塌陷包括多种岩石类型，如：裂纹角砾岩、镶嵌角砾岩、溶洞内杂乱角砾岩和溶洞及其沉积充填物。结合成像FMI的图像和常规测井的电性等特征，能更加明确以裂纹角砾岩、混杂角砾、洞穴充填为三端元的岩溶角砾和洞穴沉积物类型的特点及差异。

碳酸盐岩中洞穴的测井特征主要为高伽马-低电阻，由于该层位富含高矿化度地层水，电阻率幅差较大，声波时差等有一定的响应。TK604井的5 534～5 566 m和5 581～5 614 m发育较为明显的古洞穴(图4)，厚度分别为32 m和33 m。结合FMI成像影像和高自然伽马特征，洞穴内存在砂泥质的洞穴沉积物，如：5 534～5 540 m、5 544～5 550 m、5 557～5 562 m、5 580～5 596 m、5 601～5 604 m等。

洞穴内发育垮塌后的杂乱角砾岩，与含砂泥质的洞穴沉积物相比，其自然伽马较低、电阻率微有变大和孔隙度变小的趋势。

裂纹角砾岩和镶嵌角砾岩在常规测井曲线上特征不明显，尤其是裂纹角砾岩(图4中5 568～5 570 m)。镶嵌角砾岩自然伽马与灰岩背景相比，微有升高，呈齿状；孔隙度测井的声波曲线微有升高；电阻率介于基质灰岩与洞穴之间，深浅电阻率有幅差且呈齿状，具有此测井特征的储集体常常被认为是裂缝孔洞型[31]，其岩石角砾极为不规则，自然伽马和电阻率低值，且声波曲线呈不规则齿状，不属于岩溶洞穴，而是后期构造作用或岩溶洞穴塌陷波及而形成的裂纹角砾岩或镶嵌角砾岩。

图4 TK604井岩溶塌陷体常规测井响应综合柱状图Fig.4 Conventional well logs of the karst collapse interval in well TK604

1.5 地震响应特征

随着三维地震小面元采集，分辨率提高，相关岩溶储集体逐渐显现于地震反射之中，可从宏观上反映岩溶洞穴塌陷储层形态、结构及其与围岩接触关系。在三维地震精细解释中，发现一系列地震剖面同相轴“下拉”、时间切片呈“环形和似环形”现象，也广泛出现于国外含油气盆地的碳酸盐岩层系中，如西加拿大盆地泥盆系、密歇根盆地和阿帕拉契亚盆地的奥陶系(局部为志留系和泥盆系)等碳酸盐岩层系[10]。康志宏[16]和杨瑞兆[23]等基于地质模型进行地震正演模拟结果表明：在地震反射特征上，岩溶塌陷体及其上覆地震同相轴具有明显“下凹”(Sag)现象，塌陷主体伴随 “串珠”状的短轴强反射和杂乱反射特征，部分塌陷体边界表现 “串珠”和(或)同相轴错位等反射特征。

根据地震剖面的反射特征识别岩溶塌陷体，首先，奥陶系顶面及其上部地层明显“下凹”；其次，奥陶系内部存在短轴强反射即“串珠”反射特征(图5)。结合地震反射结构和成因，塌陷成因类型可分为：表生岩溶塌陷、上覆地层负载塌陷和断裂诱导塌陷。从地震剖面上看，洞穴塌陷主体部位巴楚组有明显加厚特征，特别是表生岩溶塌陷(图5中的(a)、(c)和(f))；塌陷作用常常以断裂相伴生，从断裂断开层位分析，负载型断开层位主要为巴楚组及其以下层位，断裂型断开层位较新，一般终止于卡拉沙依组以上地层。断裂的继承性活动较为明显(图5中的(b)、(e)和(f)继承性断裂)，该作用亦增加了裂纹和镶嵌角砾岩发育，同时增加了储集体的体积和连通性。

图5 岩溶塌陷地震反射特征剖面图Fig.5 Seismic reflection characteristics of karst collapse黄色层位为奥陶系碳酸盐岩顶部地质界面T74反射界面；其反射界面上部为石炭系下统巴楚组，厚度为50～60 m，该组下部为泥岩，是长期岩溶作用后的盆地范围内广泛沉积层，具有填平补齐的特点；巴楚组上部为“双峰灰岩”，即两套灰岩夹一层泥岩。塌陷体T74反射界面及巴楚组明显下凹，(a)、(c)、(f)巴楚组较两侧地层有加厚趋势，说明塌陷形成早，为多期岩溶的后表生岩溶塌陷，塌陷体两侧存在串珠反射；(d)下凹地层波及至巴楚组以上的卡拉沙依组，说明塌陷变形时间较晚，为卡拉沙依组沉积后，地层负载作用，早期洞穴形成塌陷作用，塌陷体中部和两侧为串珠反射；(b)、(e)由于后期断裂作用，断层形成时间较晚，断开层位较新

2 古岩溶塌陷体形成时间及演化

虽然岩心、成像和测井等能较为直观地反映古洞穴的塌陷段特征，并为岩溶作用期次和岩溶产物的垂向结构构建提供了直接证据，但岩溶期次与塌陷期次是不同两个概念，对于古洞穴塌陷期次或时间分析仍然存在一定的困难。Angela McDonnell[32]提出利用岩溶塌陷结构的几何特征确定塌陷形成时间，为地震反射特征确定塌陷演化提供了重要依据。该方法通过生长指数(EI)、垂向海拔变化(ΔZ)以及宽度(W)等参数定量评价古岩溶塌陷体的形成时间。EI为下降盘厚度b(古岩溶塌陷体内部)与上升盘厚度a(边界地层)的比值，EI最初应用于生长断层[31]，表征同沉积构造断裂两侧厚度的变化，在此用于计算分析古岩溶塌陷构造的变形程度。ΔZ是古岩溶塌陷构造某一时期塌陷中心与边缘地层的海拔差。W是古岩溶塌陷构造某一层沿特定方向的宽度，二者可以反映某一时期古岩溶塌陷构造的变形大小。其它测量参数包括肩宽(Wsh)和内凹陷宽度(Ws)，对了解凹陷特征很重要[33]，分别被称为张力带(T.Z.)和压缩带(C.Z.)，Ws是上覆岩层中塌陷形状发生下凹变化主体区域；Wsh为从凹向凸转折的拐点向外测量到地平线变平的点(图6)。

图6 塌陷体结构测量参数简图(Angela，2007)Fig.6 Schematic diagram for the measured parameters of collapse structure (Angela,2007)ΔZ.垂向海拔变化；EI.生长(扩张)指数=b/a；Wsh.外部宽度，凹陷上部地层拐点向外延伸至近乎水平时的宽度；Ws.凹陷内部宽度，凹陷上部地层拐点间的水平宽度

研究区的区域倾角非常平缓，小于3°，因此测量没有受到区域倾角的不利影响。选取7个岩溶塌陷结构地震剖面作为样本进行分析(表1)。根据测量数据分布，编制生长指数与深度的交会图等(图7)，结合垂向深度变化与深度变化图分析凹陷变形的时间，分析岩溶塌陷的演化史。

表1 塌陷结构定量分析数据统计表Table 1 Quantitative analysis data of collapse structure

对测量结果进行统计发现，内侧凹陷宽度(Ws)呈现总体向上变小的趋势(图7(a))，整体宽度从奥陶系顶面的540～650 m向上缩小至卡拉沙依组砂泥岩段的200～350 m，缩小度为37%～54%。在卡拉沙依组沉积时期，塌陷作用不再活跃，塌陷构造最终定型于石炭纪晚期(图7(c))。相反，肩宽(Wsh)向上呈增加的趋势，从奥陶系顶面(T74)较狭窄的280～400 m，向上逐渐扩大至卡拉沙依组的650～880 m(图7(b))。受塌陷变形影响的地层下凹范围为800～1 100 m。

图7 塔河典型塌陷体结构测量参数与深度交会图Fig.7 Cross plot of measured parameters with depth of typical karst collapse in Tahe oilfield

上述参数说明塌陷体结构的变化存在一定的规律性，其中内侧凹陷宽度的逐渐减小表明溶洞垮塌活动在石炭纪晚期逐渐停止，并随着后期沉积充填作用的持续影响，塌陷体对其上部地层的影响逐渐变小，因此肩宽和总体宽度呈增加的趋势。而垂直补偿深度和生长指数两个结构性参数的变化规律表明：塌陷的形成具有多期次性，而在下巴楚泥岩段达到了塌陷作用的峰值。

3 古岩溶塌陷体结构和主控因素讨论

针对上述碳酸盐岩塌陷储集体塌陷主控因素，众多学者开展了大量研究，基于露头类比[9]、分析化验[34]及地震属性分析[35-39]等多种研究成果，提出了 3 种成因模式：古岩溶塌陷、热液溶蚀塌陷以及断层走滑-伸展作用引起的地层下陷，且后两种模式往往同时发生，即现今的构造-热液白云石化模式[40]。塔河油田的塌陷成因类型主要为：上覆地层负载塌陷[4,9,41]、构造运动[21,41]、(断裂)诱导塌陷[4]、后期表生岩溶塌陷[4,36]和落水洞型[19]4种主要类型。

结合地震反射特征和钻井揭示岩溶塌陷产物特征，构建了塔河TK734-T615-TK730-TK632-TK602井塌陷体结构连井地质剖面实例(图8)。TK734、T615、TK730、TK632和TK602井均发育溶蚀洞穴，总体可分为3～4个岩溶期次，保留的洞穴主要为泥质充填型、砂岩充填型、砂泥充填型和垮塌角砾充填型，单层洞穴厚度为15～60 m。这些洞穴类型在地震和测井上容易识别，井震结合证实多期洞穴存在，过井地震(反演)剖面发育岩溶暗河带，这些信息为塌陷形成研究奠定了基础。

从TK734至TK602井之间存在3个具有T74层面及其上覆地层下凹的区域，依次分别为TK734-TK615井之间的1号塌陷体、TK615-TK730井之间的2号塌陷体和TK632井的3号塌陷体(图8)。三个塌陷体的结构、主控因素和储集性能有所差异。

3.1 塌陷体1——早期(表生岩溶期)溶蚀塌陷

明显特点是T74界面明显下凹，该面的垂直补偿深度(△Z)大，巴楚组下泥岩段厚度大，EI指数最大值位于巴楚组下泥岩段；奥陶系碳酸盐岩各岩溶期的洞穴层呈下凹形态，单层洞穴厚度薄，三期岩溶带断续可见。

从EI指数和巴楚组下泥岩段厚度分析认为：该塌陷体主要形成于岩溶作用晚期至石炭纪早期(巴楚组下泥岩段)。其形成过程分为三个阶段：首先，随着岩溶基准面下降，从奥陶系碳酸盐岩顶部开始，逐步形成第1、2、3和4期岩溶，这4期岩溶作用在T615井有极好的显现[3、5]，构成了不同特征的3～4个岩溶层；其次，在第3～4期岩溶作用形成之后，洞穴体积增大，第3～4期洞穴层上覆碳酸盐岩负载导致洞穴垮塌，洞穴空间被塌陷角砾充填，上覆地层出现整体下凹；最后，海水再次侵入本区，沉积巴楚组下泥岩段，在本塌陷体顶部的下凹区域形成充填式沉积，厚度明显大于周边未塌陷区。

该类型从下至上多层洞穴垮塌严重，导致塌陷带内角砾岩发育，构成了灰岩基质-裂缝-混杂角砾-泥质支撑的混杂角砾复杂岩性组合。储集体上下整体连通，具有一定的储集性能，但容易沟通下部底水，后期常见水，并缓慢上升，如：TK734CH井，初期2007年产油68.2 t/d，含水10.57%，到2011年含水34%，2013年高含水99%。

3.2 塌陷体2——中期(早石炭世)负载塌陷

T74界面和石炭系均存在下凹现象，巴楚组下泥岩段厚度相对较大，EI指数最大值位于巴楚组下泥岩段；奥陶系碳酸盐岩中各岩溶期次的洞穴层呈水平形态，第1期溶洞为单层洞穴，三期岩溶带明显，最下部溶洞为充填或充填程度低，顶部为砂岩充填，中部为泥质支撑的混杂角砾复杂岩。与塌陷体1的差别在于：奥陶系内部地层不具有变形下凹特征，石炭系整体有微弱下凹变形，内凹陷宽度(Ws)逐渐变得宽缓。

根据上述特征，该类塌陷体主要塌陷位置在上部1～2期洞穴，塌陷时间为石炭系沉积开始。由于洞穴存在部分未充填的洞穴空间，石炭系沉积物负载导致上部洞穴塌陷。导致储集体具有明显的分层特征，且各层差异较大。如T615井区，深部洞穴为未充填洞穴，测井曲线上呈低自然伽马；上部洞穴为混杂角砾-泥质支撑的混杂角砾和砂岩充填物组成。上部储集体由缝隙、杂乱角砾、富碎屑基质支撑的杂乱角砾岩和洞穴沉积的石英砂岩组成，具有一定储集性，相应层位的T615及T615CX于本层初期产油分别为34.4 t/d和28.1 t/d，累积产油分别为2.05×104t和1.69×104t；下部储层由缝隙、杂乱角砾和未充填的洞穴为主，T615CH井初期产油73.1 t/d，累积产油1.26×104t。

此类塌陷属于埋藏后塌陷，其埋藏塌陷深度(H垮塌)受控于洞穴围岩的抗弯强度(R)、洞穴尺度(L)及洞穴与风化暴露面的距离(h)有关，即围岩强度越大，洞穴尺度越小，洞穴距离风化剥蚀面越深，洞穴越难垮塌，反之易发生垮塌现象。牛玉静[4]根据岩石物理力学原理和岩石的抗弯强度推导出如下公式：H垮塌≈44.4R(h/L)2。并通过计算认为：塔河油田古洞穴系统发育在T74顶面下150 m以内的垮塌概率达到了76%，进一步从力学机制上证实塔河油田该类塌陷是较为普遍存在的。

3.3 塌陷体3——晚期(海西晚期)断控塌陷

该类型塌陷体奥陶系上覆地层同时发生变形，T74面与变形程度一致(图8、图5(b))；地震剖面上奥陶系呈现杂乱强反射；构造变形在地震响应中，主要表现为地层下凹，与之相邻的上下地层均产生下凹，并未有任何的上覆地层加厚；伴随明显的断裂发育，断开石炭系层位(图5(b)、(e)和(f))。

海西晚期，由于南天山洋闭合，塔北受南北向强大挤压作用，研究区的北部雅克拉-轮台断裂带抬升，遭受剥蚀，尽管本研究区构造强度相对较弱，但随着小面元的高分辨率三维采集，地震品质提升，证实低幅度的下凹变形和小断距走滑断裂较为发育。断裂在早期断裂、古洞穴(包括落水洞)的基础上再次活动和塌陷，构成了海西晚期埋藏后的古溶洞塌陷，形成新的“缝隙、镶嵌角砾岩、杂乱角砾和原始溶洞(或充填)”的塌陷结构。

该类塌陷更加符合Loucks提出的“岩溶塌陷”[10]，如果多个古洞穴垮塌构成一个“缝隙、镶嵌角砾岩和杂乱角砾”组合体，亦即称为“古联合垮塌体”。此类塌陷的典型钻井是TK604(图3和图4)和TK632井(图8的塌陷体3)，与上面塌陷体1和2相比，晚期塌陷中的缝隙、镶嵌角砾岩、杂乱角砾等没有沉积时期砂泥质等充填，储集性能更好，如TK632井上部和下部洞穴塌陷层累积产油6.6×104t。

3.4 塌陷成因类型和结构模式

依据上述钻井、地震资料和地质剖面解释成果，按成因类型，将岩溶洞穴塌陷划分为三类：溶蚀塌陷、负载塌陷、断控塌陷(图9)。

图9 岩溶塌陷类型及结构模式图Fig.9 Karst collapse type and structure model diagram in Tahe oilfield(a)模式1溶蚀塌陷；(b)模式2负载塌陷；(c)模式3 断控塌陷；地层符号：O1下奥陶统碳酸盐岩，C1b1下石炭统巴楚组泥岩段，C1b2下石炭统巴楚组双峰灰岩段，C1k1下石炭统卡拉沙依砂泥岩段

模式1溶蚀塌陷型。塌陷形成于岩溶期，洞穴形成之后，由于地表岩溶的溶蚀作用进一步加强，溶蚀体积扩大，导致早期洞穴顶部抗压能力变低，洞顶岩石出现破碎和垮塌，崩落于洞穴底部。同时流动水流携带大量泥沙进一步充填洞穴，形成以砂泥质碎屑支撑的基质混杂角砾岩。洞顶呈现下凹特征，原始洞穴周缘发育受塌陷扰动的裂纹角砾(图9中苹果绿色部分)。上覆地层巴楚组下泥岩段为填平补齐充填式沉积，塌陷顶部的石炭系底部巴楚组泥岩明显厚度增大。称该类型的塌陷为“早期”(或岩溶期)塌陷，包括落水洞型塌陷均属于该类型。此类塌陷，砂泥质充填较为严重，有效孔隙低，不利于油气储集。有利的储集部位主要集中于洞穴周缘受塌陷扰动裂纹岩带。

模型2负载塌陷型。塌陷形成于岩溶期之后，岩溶洞穴接受上覆地层沉积压实之后，由于上部地层的负载作用大于洞穴顶部的岩石的抗压强度，当超过洞穴的支撑能力时，洞穴则出现塌陷，并在洞底产生堆积物。溶洞主体充填物以镶嵌-混杂角砾岩为主，洞穴周缘发育受塌陷扰动的裂纹角砾(图9中苹果绿色部分)。塌陷作用导致上覆石炭系变形下凹，石炭系卡拉沙依组厚度增大，通过地震剖面上的地层增厚层位，可以进一步分析其塌陷期，即后期沉积物会产生“填平补齐”特征。与模式1相比，砂泥质充填主要集中于原始洞穴底部(溶洞内沉积充填形成的泥沙)，但其上部洞穴塌陷体中的裂纹-镶嵌-混杂角砾岩系列，仍存在有效的储集空间。

模式3断控塌陷型。塌陷形成于海西晚期及其之后，断层作用是塌陷的主诱导因素。断裂构造使原裂缝数量和规模不断增加，岩石的抗压强度变低而导致原洞穴塌陷。沿断裂带发育大量裂纹和混杂角砾岩，该角砾堆积于洞穴底部，形成受断裂控制的洞穴垮塌体和溶洞带。目前钻探证实，此类塌陷有效孔隙发育，是油气开发有利的潜力目标区。

4 结 论

(1)基于研究区钻井和测井，解释了岩溶塌陷体裂纹角砾岩、镶嵌角砾岩、混杂角砾岩和溶洞及其沉积充填物等独特的响应特征；岩溶塌陷具有顶部地层地震同相轴“下凹”和伴随“串珠”—杂乱状反射的结构特征；塌陷形成具有多期次性，在下巴楚泥岩段达到峰值。

(2)从连井地质剖面实例分析认为：古岩溶塌陷体结构上可分为单层和多层洞穴的塌陷，多层洞穴的塌陷层位亦有差异；从塌陷的时间上可分为表生岩溶期、早石炭世和海西晚期；塌陷的主控因素包括岩溶作用、地层重力负载和构造作用，三者的相互组合导致了古洞穴塌陷的复杂储集体结构。

(3)洞穴塌陷进一步划分为溶蚀塌陷、负载塌陷和断控塌陷三种模式，后两者属于晚期塌陷，发育有效的储集空间，油气储集条件较好，可作为油气开发有利的潜力目标区。