塔河西部奥陶系古岩溶小流域的划分及其地质意义

吕艳萍 ，姜应兵 ，高济元 ，蔡忠贤

（1.中国石化西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐 830011；2中国地质大学（武汉）构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉 430074；3.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北 武汉 430074）

0 引言

岩溶小流域［1］是自然沟壑和两侧山坡形成的集水区。鉴于水文学相关行业发展需要，2013年，我国水利部发布了SL 653—2013《小流域划分及编码规范》，将小流域划分为完整型小流域、区间型小流域、坡面型小流域［2］。该划分方案在随后的研究中逐步得到了补充和完善［3-4］。小流域的研究是20世纪地理信息系统（GIS）技术不断发展后出现的，利用数字高程模型（DEM）划分小流域，对数字流域的建设、水土流失的治理具有重要意义［5-9］。

塔河油田西部斜坡区发育了较为复杂的碳酸盐岩溶缝洞储集体［10-13］，且自西向东呈现明显差异性［14-15］。碳酸盐岩的溶蚀作用是喀斯特地貌发育的基本特征，岩溶水在不同地质结构及不同阶段，其运动和分布样式对岩溶储层的发育起到了推动作用［16-18］。因此，为了认识岩溶储层的差异性分布规律，对岩溶水文网络结构及其分区评价的研究极其重要。前人在塔河地区古水文恢复的基础上，认识到塔河主体区存在地表-地下双重水系结构［19-24］，明确了塔河地区东西部岩溶地表水系结构存在显著差异［25］。然而，塔河地区岩溶水文条件分区评价方面的认识尚浅。

古岩溶小流域的划分是实现岩溶古水文结构分区评价的重要途径。由于DEM数据和高分辨率遥感影像用于当今地表岩溶小流域的划分，无法运用在古岩溶小流域的区域划分中，同时古岩溶小流域的研究也尚未见到相关报道。因此，本文提出借用小流域划分思想，利用三维地震资料，通过恢复古地貌、古水系，开展不同小流域内水文条件的分区评价，这对认识研究区岩溶缝洞型储层的发育及其分布规律具有一定的指导意义。

1 区域地质概况

塔河油田奥陶系碳酸盐岩油藏位于塔里木盆地北部阿克库勒鼻状凸起的南部，东、南、西方分别接壤草湖凹陷、满加尔凹陷和哈拉哈塘凹陷，发育类型丰富的岩溶地貌和岩溶古水系［21，24-25］。

研究区主要经历了加里东中期—海西早期的多次构造运动。其中，志留系覆盖区以东经历加里东晚期—海西早期持续的岩溶改造，岩溶作用影响强度大，在长期大气淡水淋漓风化作用下，发育有典型的河流型岩溶地貌。在构造抬升的作用下，自南向北上奥陶统地层呈上倾尖灭［26-29］。

2 小流域划分

2.1 划分原则

2013年，国家水利部发布了SL 653—2013《小流域划分及编码规范》，本次划分方案主要依据此规范，同时考虑研究区的古地貌和古水系发育特征，明确以下划分原则：1）小流域应该以自然地貌地形为划分基础，尽可能保证小流域形态结构完整；2）小流域的面积不宜过大或者过小，应该控制在30～50 km2，特殊情况下也不宜小于3 km2或者大于100 km2；3）小流域由1个或多个微流域归并而成，微流域最小面积以0.1～1.0 km2为宜；4）小流域边界应该与各流域边界无缝连接，不应该横跨上级流域；5）小流域划分应充分考虑地表汇水关系，保证上下游汇水关系的正确性；6）在划分小流域时，应建立流域拓扑关系和地表水系拓扑关系；7）小流域划分结果应覆盖整个划分区域，小流域面积之和应等于该区域总面积。

2.2 数据准备

精准的三维地震数据是研究得到准确结论的基础。数据集尺寸为25 m×25 m，地震频带为5～55 Hz，主频率为55 Hz，深度为5 650～6 700 m。

在刻画地表古水系的过程中，主要运用了精细相干分析、古地貌恢复技术、趋势面识别分析技术和RGB（红、绿、蓝色）混频技术［30-32］。 精细相干技术是利用Landmark软件对三维数据体进行计算产生本征值相干体，呈现出连续的弱相干属性，可识别水系延伸方向和形态。由于不整合面上相邻的断裂和河道之间会存在差异性，可以通过精细相干技术刻画差异点的形态和结构。趋势面识别技术同样是利用Landmark软件中网格平滑处理功能，将原层位平滑成趋势面层位，再通过2个层位相减，负值代表洼地，正值代表残丘。古地貌恢复技术通过精细解释不整合面，突出其起伏情况，地表连续的负地形代表水系结构。混频分色技术是融合互不重叠的高、中、低频段，利用混合后的色彩数据体进行地表古水系的识别和刻画。

2.3 古岩溶地表水系识别

以塔河西部斜坡区T74界面精细相干属性图、T74界面趋势面分析图、T74顶面古地貌恢复图、T74界面RGB混频属性图为底图进行古地表水系恢复。因为不同属性对识别不同地质背景情况下的地表古水系相应地有所差异，因此，通过多种地球物理属性联合识别地表古水系的方法较为可靠。对于主干水系的识别，4种方法得出的底图皆较为敏感，可较为清晰地展现主干水系的延伸方向和宏观分布。对于细小的分支水系结构，RGB混频属性图是最为敏感的，能较为清楚地展示水系的细微特征，如AD23井和S94井附近。同时，细小分支水系的识别还综合了古地貌恢复图和趋势面分析图，主要依据正负地形的分布及其对地表水系的约束方面来进行判识。

将属性响应结果在平面进行勾勒绘制，得出塔河西部斜坡区水系平面分布图。将识别的水系图叠至趋势面分析图上可以看出，主干水系吻合度较好，整体上，水系识别效果较好。根据识别结果可以看出，塔河西部斜坡区地表水系十分发育，可识别出10条主干水系（R1—R10）（见图 1a）。该区地表水系总体上自北向南汇流；同时，地表水系整体呈不对称性，与西侧相比，主干水系东侧的分支水系明显更多；此外，塔河西部斜坡区岩溶地表水系的蛇曲化严重，特别是R4，R8，R9。

图1 塔河西部斜坡区水系分布及水系剖面

2.4 古岩溶地表水系验证

为验证属性提取及水系解释的可靠性，通过截取横跨古地表水系的地震剖面，得到塔河西部斜坡区水系解释地震剖面（见图1b），并在平面图上标注横切线与水系交点（见图1中P1—P12）。地震剖面显示，各个点位均有不同程度的深浅切割特征，有明显“下拉”现象，证明此处确有河谷存在。其中P1，P3，P7点位为识别出的主干水系，在地震剖面上也可明显看出其切割程度相对于其他点位较大，呈深V形，进一步证明了水系识别的可靠性相对较高。

3 小流域划分结果

Strahler［33］在1957年创建的河流分级方法是将流域内最小的支流作为一级河道，2个一级河道汇流形成二级河道，2个二级河道汇合后成为三级河道。据此，将塔河西部斜坡区古水系结构进行河道分级（见图2）。结果发现，中—下奥陶统尖灭线以北的岩溶斜坡区古地表水网十分发达，发育一级至五级水系。

近年来，随着母联开关技术的不断发展，其性能逐渐满足短路等电力系统故障的保护要求，DNV船级社于2015年4月颁布的DNV GL-OTG-10中DP-Classed Vessels with Closed Bus-Tie(s)相关指导手册提出新的电力系统母线结构—母联闭合型母线结构，这种结构使得电力系统能够更加合理地分配电能，能有效节约电能。[10]同时,手册还指出对传统DP-3等级下的船舶可以通过结构升级，安装相应的母联开关，使电力系统形成闭环母线结构。

图2 塔河西部斜坡区地表岩溶小流域划分结果

地表分水岭控制了流域产汇流特征，主要沿高残丘发育。基于中—下奥陶统顶界趋势面分析图，识别相对正地形的发育部位，并以连续的正地形顶部连线为依据识别不同级次的岩溶地表分水岭。主干分水岭所围限的区域为主干水系控制的岩溶亚流域、次级分水岭所围限的区域为次级水系控制的岩溶小流域。研究区内大型分水岭控制流域的边界，将水系分割为不同的流域系统，其中主干水系可以穿越小流域分水岭，无法穿越流域分水岭。塔河西部斜坡区古地表河网整体呈现从北至南汇流的水系格局。

根据划分结果，塔河西部斜坡区一共划分出10个亚流域，亚流域中细分为43个小流域，其中包括23个完整型小流域和20个区间型小流域、无坡面型小流域。研究工区主要以三级水系和四级水系控制的小流域为主，占小流域类型的81.4%。其中，按照水系分级思路，进一步将小流域分成二级水系控制的完整型小流域6个，三级水系控制的完整型小流域17个，三级水系控制的区间型小流域7个，四级水系控制的区间型小流域11个，五级水系控制的区间型小流域2个。

4 小流域分布特征

由于喀斯特流域水文地貌系统具有二元流场、三维空间水文地貌的特点，降雨在产生径流的过程中受到2种类型的调储［34］，一种是地表和地下三维空间中的线性水网结构调蓄，另一种是裂缝构成的流域系统双重含水介质体的调蓄。后者的发育程度与岩性、构造及地貌类型有关，本文暂不讨论；前者可以通过径流强度系数和水网密度等水文学参数来反映其调蓄作用强弱。因此，笔者认为水道平均密度和河网平均密度等描述水网结构的参数可以代表工区汇水能力和喀斯特作用强弱。汇水能力同时也会影响地表水向地下水转化的过程，当汇水能力强时，地表水资源量大，相应地，喀斯特作用也就越强。其中，水道平均密度是指单位面积内水道条数，地表河网平均密度是指单位面积内河道长度之和。为了进一步评价岩溶小流域的水文发育条件，对上述2项参数进行定量化计算（见图3）。

统计不同小流域水道平均密度数值，其范围为0.38～4.25条/km2，在亚流域Ⅳ和Ⅵ的完整型小流域范围内数值相对较高，集中位于D8分水岭两侧区域以亮色表示，最高值位于工区东部的小流域Ⅵ-C3；在亚流域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ所有类型的小流域以及Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅷ，Ⅸ等的区间型小流域范围内数值相对较小，集中分布在工区中西部的区域以暗色表示，其中，最小值位于工区西部的小流域Ⅲ-C1内（见图3a），最高值和最低值空间位置的展布规律也反映了工区东西侧水系发育的强弱程度。

地表河网平均密度为824.34～2 631.73 m/km2，在亚流域Ⅳ和Ⅵ的完整型小流域范围内数值相对较大，最高值位于工区东部区间型小流域Ⅷ-I4；在亚流域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅴ，Ⅶ，Ⅸ等亚流域以及Ⅳ，Ⅵ，Ⅷ等区间型小流域范围内数据相对较小，最小值为工区北部区间型小流域Ⅳ-I2（见图3b）。从整体来看，最大值、最小值的空间分布特征与水道平均密度相似，均呈现东部数值高、西部数值低的特征。

由此可知：1）塔河西部斜坡区内东部亚流域的汇水强度明显高于西部；2）亚流域范围内完整型小流域的汇水强度高于区间型小流域；3）亚流域Ⅳ和Ⅵ的完整型小流域具有相对较强的汇水能力，为储层岩溶的发育提供了较好的条件。

5 小流域地质意义

喀斯特流域系统在物质组成上是可溶岩，特别是广泛存在的碳酸盐岩的非均质含水介质体，在含侵蚀的CO2及运动的水的溶蚀和侵蚀作用下，会形成大量的次生溶孔、溶隙和岩溶管道系统，在相同水质情况下，汇水能力越强的地区喀斯特作用越明显［17，35］。 因此，对岩溶小流域进行划分，以能代表汇水强度的参数来判断喀斯特作用的强弱是可行的。对岩溶亚流域进行小流域的划分后，将有独立集水区的小流域作为评价单元，预测表层岩溶储层发育区。

一级表层岩溶发育带代表着地表河网密度和水道平均密度数值均较高的区域（见图4），主要分布在亚流域Ⅵ的完整型小流域区域，小部分分布在亚流域Ⅳ和Ⅷ的完整型小流域区域，代表着古地表汇水能力较强、喀斯特作用较强的区域，同时也为表层岩溶储层最有可能发育的区域。二级表层岩溶发育带代表着地表河网密度和水道平均密度两者有一个为高值或两者均为中值的小流域，代表着古地表汇水能力和喀斯特作用一般的区域，集中分布在工区中部和东部地区，环绕包围着一级表层岩溶发育带。三级表层发育岩溶带代表着汇水能力和喀斯特作用均较弱的地区，表层岩溶带发育的可能性也相对较低，主要分布在斜坡区西部亚流域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，以及亚流域Ⅳ，Ⅵ所控制的区间型小流域的范围内。

图4 塔河西部斜坡区预测表层岩溶储层发育带

6 结论

1）塔河西部斜坡区发育10条地表主干水系，整体上自北向南汇流，并呈现出不对称和蛇曲化的水系平面网络形态。

2）塔河西部斜坡区可划分出10个亚流域和43个小流域。其中，岩溶小流域包括23个完整型小流域和20个区间型小流域，未识别出坡面型小流域。

3）塔河西部斜坡区东西部地表水文特征差异显著，东部水系网络更为发达、汇水能力更强，反映了该区岩溶作用更加强烈。

4）塔河西部斜坡区亚流域Ⅳ和Ⅵ中的完整型小流域具有最有利的汇水条件，可能是表层岩溶储层发育的有利区。