塔河地区奥陶系岩溶斜坡峰丘高地的形成及油气地质意义

张三，金强，孙建芳，魏荷花，程付启，张旭栋

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580；2.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

0 引言

塔河油田勘探开发实践揭示，奥陶系岩溶斜坡上局部凸起（峰丘高地）区油井无水期长、产量高，近60%的油井累计原油产量超过20×104t，而凸起间的洼地区（残丘谷地）大部分油井累计产原油不到10×104t即停产。钻井揭示峰丘高地中发育大量溶蚀孔、缝及中小型缝洞群（厚度可达百余米），少见大型地下河溶洞；同样，地震上也表现为杂乱状弱反射特征，而未见“串珠状”的溶洞型强反射。目前对于该类型中小型缝洞体的研究仍处于探索阶段，主要集中于通过技术方法对该缝洞群的识别与三维雕刻[18-19]，而对缝洞成因类型、空间结构及油气运聚模式仍需深入研究。本文依据塔河地区丰富的地质、地球物理资料，从断裂分布与残余地层厚度分析入手，明确岩溶斜坡上峰丘高地的成因机制与演化历程，并依据“将今论古”的思想，依据野外岩溶露头与岩心资料，结合地震及钻、测井数据综合对比分析，查明了峰丘高地缝洞成因与空间结构，建立了峰丘高地油气运聚模式。

1 岩溶地质背景

寒武纪—早奥陶世，塔里木盆地沉积了稳定分布的台地相碳酸盐岩[4]。中晚奥陶世（加里东运动中期），原特提斯洋开始俯冲消减[20]，塔里木盆地逐渐由伸展体制转为挤压体制，在南北向挤压作用下，塔中、塔北隆起相继形成，同时形成多组北东与北西西向走滑断裂[20]（见图1a）。其中塔河地区东部（S99井以东）形成北东向左行走滑断裂体系，西部（S99井以西）形成“X”型共轭走滑断裂体系（见图1b）。在此期间奥陶系碳酸盐岩多次暴露地表，经历短期岩溶作用（加里东期岩溶），依次形成了奥陶系一间房组（T74）、良里塔格组（T72）和桑塔木组（T70）顶面不整合[11]。志留纪末，南天山洋向南俯冲消减，在北西向应力作用下，早期走滑断裂再次继承性活动[20-21]。同时塔河地区再次发生强烈隆升，并遭受剥蚀，剥蚀量自南西向北东逐渐增大，其中塔河三、四、五、六、七区剥蚀程度最强，T74不整合界面直接与 T70界面重叠（见图1c），中下奥陶统（一间房组、鹰山组）灰岩直接暴露地表，遭受强烈岩溶作用（海西早期岩溶），形成了北东向展布、向南西倾伏的鼻状岩溶地貌，自北东向南西依次为岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶盆地[4]。

晚泥盆世末—早石炭世初，海水从西南方向逐渐侵入，形成三角洲与潮坪交互相沉积[22]，巴楚组泥岩直接超覆于奥陶系岩溶地貌之上，隔绝了地表水与奥陶系灰岩的接触，结束了塔河地区海西早期岩溶。早二叠世末（海西晚期），塔河地区早期断裂继续发生左行走滑活动，引发上覆石炭系张扭变形，形成右阶展布的雁列式正断层[23]。中生代晚期—古近纪，在区域拉张作用下，早期北东向深大断裂再次活动[20,23]，在中新生界中发育一系列雁列式右阶北东东向正断层（见图1b）。

图1 塔河地区奥陶系古构造特征与地层格架

2 峰丘高地分布特征与形成演化

2.1 峰丘高地分布与断裂特征

采用印模法和趋势面技术[12-13]，恢复了研究区前石炭纪地貌（岩溶古地貌）与水系分布（见图2），结果显示，研究区奥陶系岩溶古地貌峰丘林立、沟壑纵横，南北高差达 300余米，主要包括东西两个峰丘高地与其间的残丘谷地，以及南部的局限海，其中峰丘高地主要由高耸丘峰和狭窄丘谷组成。西侧为北北东向展布的 S74峰丘高地，北高南低，东陡西缓，向南逐渐倾伏，面积为 32.8 km2，与邻近残丘谷地相对高差达122 m。丘峰面积（丘峰基座面积）、高度（与邻近谷地高程差）自北向南逐渐减小。如 S74、TK604丘峰面积分别为2.13，1.68 km2，高度分别为101.8，82.7 m，到南部 S71丘峰面积为 1.02 km2，高度仅48.5 m。东侧丘谷呈北东向展布，西侧丘谷呈北西西向分布。

图2 塔河地区前石炭纪岩溶古地貌与水系分布

T402峰丘高地呈近南北向带状展布，同样是北高南低，东陡西缓，与 S74峰丘高地相比，其面积小、高度大，面积为25.6 km2，与邻近洼地相对高差达146 m。北部的 TK439、T402丘峰面积分别为 2.88，2.06 km2，高度分别为128.5，106.6 m。南部的S48、T403丘峰面积分别为 1.56，1.21 km2，高度分别为76.4，56.2 m。西侧广泛发育因水流侵蚀形成的南东向蛇曲形丘谷，东侧仅发育一条蛇曲形地表河，河谷深度达百米，河床深度与研究区中部残丘谷地区的S75—TK673方向地表河相当，表明该深度代表了海西早期岩溶侵蚀基准面位置[3,17]，决定着地表水侵蚀与溶蚀能力的分界线，影响着岩溶缝洞的空间结构。值得注意的是，该岩溶期地表河侵蚀河谷均终止于奥陶系恰尔巴克组（O3q）尖灭线附近（尖灭线以南未见侵蚀河谷），表明该界线以南存在水体，故将其定义为局限海。

结合区域构造背景，对横穿峰丘高地的东西向地震剖面进行断裂解释，结果显示，研究区高角度走滑断裂极其发育，主要分布在下古生界（尤其是奥陶系），石炭系—三叠系断裂明显减少。其中 S74、T402峰丘高地区发育正花状构造，断裂向上终止于T74（奥陶系顶不整合面），向下可断入寒武系—震旦系，而峰丘高地之间的残丘谷地断裂相对变少，主要以单支状产出（见图3a）。蚂蚁体顺层切片清晰反映研究区奥陶系主要发育北北东与北北西向断裂（见图3b）。根据断裂切穿深度及平、剖面组合样式，将其划分为主干断裂与次级断裂。其中北北东向主干断裂切穿深度大，可断入寒武系，如T606—S74方向断裂带和TK439—T402方向断裂带。北北西向主干断裂纵向切穿深度不等，部分可断穿奥陶系。北北东和北北西向次级断裂主要分布于奥陶系内部（见图3c）。值得注意的是，北北东向主干断裂带在S66、TK411井以北逐渐向东弯曲，同时周围发育众多北北西、北北东向次级断裂，构成了断裂发育程度北高南低、两边高中间低的分布差异，断裂密集发育区恰与峰丘高地分布范围一致。

2.2 峰丘高地的形成

依据区域断裂活动特征，研究区自下而上可分为三大构造层[4,11]。T74以下（下古生界）为加里东期—海西早期构造层，在左行走滑背景下（见图1a），北北东向主干断裂北部的右阶弯曲部位形成左行压扭应力场[24]，派生出众多次级断裂，组合形成正花状构造（见图 4），使岩溶斜坡上出现局部条带状地貌高（峰丘高地雏形）。T74与T50之间（上古生界）属于海西晚期构造层，由于区域应力状态从压扭向张扭转换[20]，早期断裂继续左行走滑（尤其是北北东向主干断裂），引发石炭系内部发育北北西向雁列式正断层；该过程中下古生界仍保持正花状形态。T50以上（中新生界）属于燕山—喜马拉雅期构造层，在区域伸展构造背景下，早期北北东向主干断裂再次活动，反转为右旋走滑[20,23]，形成了断穿整个中生界的北东东向右旋右阶正断层（见图4b），向上断至古近系，向下断入石炭系；此期间下古生界依然保持正花状形态。由此可见，正花状构造形成于海西早期（岩溶期），且后期一直处于正花状形态（见图4e）。需要强调的是，从图3a与图4a地震剖面可以看到，自T80至T50界面，地层均表现出正花状形态，但其成因截然不同。自下而上，T80、T76、T74界面构造幅度依次增大，属于典型的构造应力成因[20,25]，即上述花状构造成因；而自T74至T50界面，构造幅度逐渐减小，直至T50界面近乎夷平，属于差异压实形成的披覆构造[25]。

海西早期下古生界正花状构造形成过程中，塔河地区奥陶系正经历着强烈的岩溶作用，正花状构造形成了岩溶斜坡上峰丘高地雏形，控制了岩溶水系差异分布。峰丘高地为相对贫水区，而其间的残丘谷地为富水区，在构造背景相当，岩性条件一致（鹰山组砂屑灰岩）的岩溶条件下，岩溶水系的分布控制着岩溶作用强度。残丘谷地发育常年河流，水量充沛，水-岩作用时间长、面积广，长期水流侵蚀与溶蚀使鹰山组厚度不断减小，地貌不断降低。峰丘高地仅发育季节性（间歇性）溪流，水量有限，水-岩作用时间短、范围小，偶逢雨季，间歇性溪流方能与峰丘高地中灰岩发生短暂流动侵蚀与溶蚀作用，形成溶沟与峡谷。因此，相对于残丘谷地区，峰丘高地区岩溶作用较弱，鹰山组剥蚀量小、残余厚度大。随着岩溶作用不断进行，这种差异不断加剧，残丘谷地不断侵蚀加深，峰丘高地相对抬高；同时，溶沟或峡谷不断将峰丘高地切割、破坏成众多丘峰、丘谷。

综上所述，古构造挤压隆升与古水系的侵蚀、溶蚀作用共同控制着峰丘高地的形成与演化。海西早期岩溶期间，正花状构造形成了岩溶斜坡上的峰丘高地雏形，进而控制了岩溶水系的流向与分布，导致岩溶作用的差异；岩溶作用强的残丘谷地，溶蚀量大，地貌不断降低，而岩溶作用弱的峰丘高地，剥蚀量小，地貌相对抬升；加之溪流的侵蚀、切割，最终形成丘峰林立的峰-谷型峰丘高地（见图5）。当巴楚组泥岩沉积以后，峰丘高地被埋于地下，差异岩溶作用对其改造结束，同时，后期构造运动对其影响较小，其一直保持正花状的峰-谷形态，具继承性演化特点。

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图5 塔河地区鹰山组上段残余厚度分布图（剖面位置见图3c）

3 峰丘高地缝洞类型及成因模式

3.1 沿断层-裂缝扩散式溶蚀形成中小型缝洞群

断裂作为水流通道，控制着岩溶作用的进行与缝洞分布[20,23]。岩溶期断裂的多期活动，使峰丘高地中断层、裂缝相互交织，构成了一个错综复杂的网络通道。每逢雨季，大气淡水散落于断层-裂缝密布的峰丘高地之上，一部分水沿复杂的网络通道向峰丘高地内部渗滤，与奥陶系灰岩发生扩散式岩溶作用[13]，形成大量密集分布的溶蚀孔洞、缝洞复合体及驻水洞[9]，本次将其统称为中小型缝洞群。另一部分水沿裂缝或断裂带顺坡而下，对奥陶系灰岩进行强烈侵蚀与溶蚀，形成一条条溶沟和石芽地貌，继而逐渐演化为峡谷、石林地貌。该现象在塔北与湖南岩溶露头均可见到，如柯坪大湾沟奥陶系岩溶剖面，发育走滑挤压下的正花状构造，自背斜翼部向轴部，走滑断裂发育密度逐渐增大，背斜轴部一间房组灰岩密集发育着中小型缝洞群（见图6a）。再如湖南乌龙山奥陶系地质剖面，因溶蚀与侵蚀而形成的裸露型石芽地貌（见图6b）。同样，沿裂缝溶蚀扩大的现象在塔河地区埋深5 400 m的奥陶系碳酸盐岩中也可见到，如位于 S74峰丘高地之上的TK604井，分布在北北东向断层与北北西向断层交叉处；成像测井显示，该井周围发育数条近乎直立的裂缝带（暗色条带），且明显因溶蚀扩大而处于开启状态（见图6c）。

图6 岩溶斜坡峰丘高地中小型缝洞成因类型[14]

塔河油田勘探实践揭示，S74、T402峰丘高地中的中小型缝洞群极其发育，如T402井于井深5 358.5 m钻入奥陶系，钻时突然加快，油气显示异常，而后发生多次溢流及井漏；对下奥陶统裸眼井段 5 358.09～5 412.84 m进行中途测试，用9.53 mm油嘴求产，折算日产油350.8 m3，天然气9 860 m3。测试完后继续钻进至井深5 602 m过程中，持续井漏，累计漏失钻井液1 908.49 m3。该井于5 360.95～5 377.75 m完成第7、8、9次取心，岩心破碎严重，取心收获率分别为 19%，55%和63%。岩心中高角度开启裂缝及溶蚀缝洞发育，且均被原油浸染成灰褐色（见图7a）。分别对小块破碎岩心与全直径岩心进行薄片及物性分析，结果发现，灰岩内部发育大量溶蚀孔洞与缝洞复合体（见图7b、图 7c），全直径测试孔隙度可达 7.0%（地下地质体孔隙度可能更大）。由此可见，该段岩溶现象与图6a极其相似，均为中小型缝洞密集发育带。测井结果显示，5 361.5～5 464.1 m三孔隙度测井呈峰丛式高值，与指状低电阻率特征相呼应，同时双侧向电阻率表现出明显的正幅差（见图7d），也说明该段溶蚀缝洞极其发育。其中自然伽马曲线始终保持低平状态，井深5 523 m处虽自然伽马曲线呈尖峰状高值，而无铀伽马测井曲线仍然保持低平状态，表明该类缝洞并未充填泥质等细粒沉积物或充填率低，与岩心描述结果一致。

图7 岩溶斜坡峰丘高地中小型缝洞群岩电特征

3.2 崩塌角砾无序堆积搭建形成近地表“洞穴”

在湖南龙山县洛塔溪沟石林进行现代岩溶考察时发现，一些由崩塌角砾无序堆积搭建形成的近地表“洞穴”，并非溶蚀成因（见图8a、图8b）。通过实地踏勘统计，在近1 km2范围共找到了12个这样的“洞穴”（可能更多），其形状多变、规模不等，洞穴高度为0.85～12.29 m，平均值为6.68 m，主要被灰岩砾石充填，充填率为10%～68%，平均值为48.7%。各洞穴的共同特点是都分布在丘峰之间的丘谷之中。该模式很好地解释了塔河地区分布于丘谷中近地表“洞穴”的成因。如研究区S74峰丘高地丘谷中的S66井，于井深5 495.2 m钻入奥陶系，在第11回次取心（井深5 495.97～5 501.18 m）钻进过程中，16:45出现气测异常，槽面见棕褐色原油，钻井液密度由1.12 g/cm3降为1.08 g/cm3，17:51井口出现断流约1 min，漏失钻井液约2 m3，17:53又出现间歇井涌3～4次，井涌量0.16 m3。断流 1 min后再次井涌，表明洞穴规模局限且与其他缝洞体连通。取心结果与成像测井也清晰展现出5 495.8～5 498.1 m井段发育2.3 m高的洞穴，其中上部 1.3 m几乎未充填，下部 1.0 m被灰岩角砾充填。三孔隙度与双侧向测井曲线均表现出洞穴特征，而自然伽马测井曲线几乎无变化，同样说明该洞穴几乎没有泥质等细粒物质充填（见图 8c）。因此，正是由于该崩塌角砾搭建洞穴的存在，才导致了在钻井过程中出现短暂断流后再次井涌，导致第11次取心收获率仅14.4%（进尺5.21 m，心长0.75 m，岩心破碎严重）。

图8 岩溶斜坡峰丘高地角砾遮挡“洞穴”成因类型及岩电特征

另外值得注意的是，由第10次取心段岩心可见，在丘谷中还分布着灰砾岩，砾石磨圆中等、分选差，粒径为5～60 mm，成分为奥陶系灰岩。其测井曲线特征明显不同于上下地层，且与巴楚组泥岩呈过渡式渐变接触（见图8c），明显区别于丘峰之上奥陶系灰岩与巴楚组泥岩突变接触的特点（见图7d），本次将其与下部洞穴段统称为岩溶期沉积。

3.3 峰丘高地缝洞结构模式

井震标定结果显示，峰丘高地发育的中小型缝洞群在常规地震剖面中表现出“大片杂乱弱”反射特征[19]，难以识别缝洞结构。本次采用拓频处理技术[26]，将研究区目的层段地震频率从10～50 Hz拓宽到10～90 Hz，高频弱信号大大增加，可清晰展现“大片杂乱弱”的内部缝洞结构与断层-裂缝特征（见图 9a）。再利用迭代处理后的均方根地震属性（RMS），可清晰表征峰丘高地的中小型缝洞群和近地表“洞穴”（见图9b）。其中洞穴段RMS值集中在3 200～4 000，中小型缝洞群为1 600～2 400，裂缝段为800～1 200。如位于丘谷之中的 TK408、TK411井均钻遇直径为 5.8，10.9 m的地表“洞穴”，RMS剖面上亦可清楚识别（见图9b）。依据该方法，在研究区共识别出28个近地表“洞穴”，有6个位于残丘谷地废弃河谷中，且均被灰岩角砾与砂泥岩完全充填。剩余 21个均分布于丘谷之中，洞高为1.2～13.5 m，平均值为6.12 m，洞穴均被灰岩角砾充填，充填程度为 15%～72%，平均值为51.6%。与湖南溪沟石林统计结果（48.7%）相当，可见该类洞穴充填程度较低，可作为良好的油气储集空间，应当引起重视。

图9 塔河地区奥陶系岩溶斜坡峰丘高地缝洞结构成因模式（剖面位置见图3c）

从RMS剖面可以看出，峰丘高地的缝洞主体主要是中小型缝洞群，且越靠近奥陶系不整合面，中小型溶蚀缝洞越发育，呈相互交织的网络状分布，构成一个近似均质的峰丘型缝洞体（见图9）。如塔河油田主产井 S48井，地震资料显示并未钻遇“串珠强反射”型溶洞，但1997年10月17日于5 363.5 m进入奥陶系即发生井漏，井口无岩屑回返，钻至5 370 m漏失量达2 318.8 m3，无法继续钻进，直接下油管完井，长期自喷高产，累产原油达74×104t。再如T402丘峰面积2.06 km2，其中的T402井钻遇102.6 m厚的中小型缝洞体群，与其丘峰高度（106.6 m）相当，表明中小型缝洞群发育受局部侵蚀基准面控制。然而在断裂发育的丘谷中，间歇性溪流极易沿断裂带下渗，发生渗滤溶蚀，形成纵向连续缝洞带（断溶体雏形），缝洞发育下限远超其侵蚀基准面界线。如TK408井、TK411井近地表洞穴下部分别发育118.6，132.5 m缝洞带。因此，在峰丘高地中，断裂与地貌共同控制着其缝洞结构与分布。在此需要强调的是，由于峰丘高地属于贫水区，岩溶作用相对较弱，以围绕峰丘体连片发育的中小型缝洞体为主，并未形成大型溶洞，其与顺北地区沿断裂带发育大型溶洞、裂缝组合的断溶体不同[27]。

4 峰丘高地油气分布及成藏模式

4.1 峰丘高地溶蚀缝洞与油气分布耦合关系

依据拓频处理后的RMS资料，做出T74以下50 ms（约150 m）缝洞异常体分布（见图10a）。结果显示，S74、T402峰丘高地范围内主要发育中小型缝洞群，如前述的T402、S66、TK408、TK411井都分布在中小型缝洞区。峰丘高地外围主要发育大型地下河溶洞，如西北部Th12112、Th10115井区的地下河，以及峰丘高地间的残丘谷地区的 T601—S67—T615、S65—TK451—T444方向地下河。

将研究区奥陶系古构造（古地貌、断层）与油井累产油量（可近似反映油气富集程度）叠合分析，结果发现，研究区高产井主要分布在S74和T402峰丘高地区，且峰丘高地规模（面积、高度）越大，原油产量越高（见图10b）。T402峰丘高地区油井产油量整体要比 S74峰丘高，而其间残丘谷地油井累产油量普遍较低。峰丘高地中60%的油井累产油量可达20×104t，如前述的 S48、TK408井累产油量分别为 74.1×104和39.3×104t。残丘谷地中 80%的油井累产油量不足10×104t即停产，如T601、T415、T615井累产油量分别为 1.8×104，5.1×104，2.1×104t。值的注意的是，北东向主干断裂带上油井产量明显高于邻近不发育断裂区的油井，如 S74—S67、T402—T452方向断裂带上的井（见图 10b）。可见，深大断裂对油气富集具有重要影响。

图10 塔河地区奥陶系岩溶斜坡峰丘高地缝洞与油井分布

4.2 峰丘高地峰丘体型缝洞油气成藏模式

塔河地区东南部紧邻巨大烃源灶（满加尔凹陷），加里东中晚期至喜马拉雅期之间，满加尔凹陷寒武系—奥陶系烃源岩曾多次进入生排烃期[16,28]。大量油气沿奥陶系内部不整合、缝洞带和断裂（尤其是断入寒武系多期活动的深大断裂）等通道，自岩溶盆地向岩溶高地运聚，岩溶斜坡带是油气运聚必经之地，而斜坡上的局部凸起更是油气运聚优势区[28]。塔河地区奥陶系岩溶斜坡峰丘高地即为油气运聚有利场所，具备油气大面积富集的条件。首先，峰丘高地形成于海西早期左行压扭背景下的正花状构造，断裂发育，尤其是北北东向深大断裂在海西晚期、喜马拉雅期的多次活动期与满加尔烃源灶生排烃期一致，多期油气沿北北东向断裂向上部正花状构造幕式充注。其次，峰丘高地形成期与岩溶期一致，长期的岩溶作用形成了大量中小型缝洞群，提供了大量的有效油气储集空间。再者，峰丘高地具继承性演化的特点，其自形成之后一直处于正向构造，无论是侧向还是垂向，其始终为油气运移的指向区。加之上部巴楚组泥岩与缝洞体周围致密灰岩的有效遮挡，多期油源分别从横向与纵向不断向峰丘高地储集空间运移、聚集，形成一个纵向准连续分布、横向连片富集“峰丘体”型缝洞油藏（见图11）。

图11 塔河地区奥陶系岩溶斜坡峰丘高地缝洞油藏运聚模式

5 结论

海西早期，左行压扭背景下发育的正花状构造形成了塔河地区奥陶系岩溶斜坡上的峰丘高地雏形，控制了岩溶水系的差异分布，进而导致岩溶作用差异，形成由高耸丘峰与狭长丘谷组成峰丘高地。围绕丘峰密集分布的中小型缝洞群以及丘谷处崩塌角砾搭建“洞穴”为其主要油气储集空间。继承性发育的峰丘高地始终为油气运移指向区，加之北东向通源断裂的多期活动，以及侧向致密灰岩与上覆泥岩的有效封堵，大量油气持续不断向其中小型缝洞体充注聚集，形成纵向准连续分布、横向片状富集的丘峰体型缝洞油藏，其中60%的油井单井累产原油可达20×104t。岩溶斜坡上局部正向地貌多与走滑挤压背景下的深大断裂有关，两者间的有效空间配置，不仅提供了流体运移通道，还提供了大量的有效储集空间，更是油气运聚优势区。