哈拉哈塘地区热液岩溶形成演化与油气分布

宁超众，李勇，邓晓娟，陈家恒，王孝明，孙昭，韩永泉

（1.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油 塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000；3.中国石油技术开发有限公司，北京 100028；4.中国石油 长庆油田分公司，西安 710000）

哈拉哈塘油田自2009 年实施勘探开发一体化方案以来，勘探开发范围不断扩大，现已成为塔里木盆地原油增储上产的主力油田。其奥陶系碳酸盐岩油藏的分布受断裂控制，以大型缝洞体为主要储集空间[1-3]。前人主要对油藏中的断裂表征和缝洞体刻画进行研究，而对断裂类型、储集层成因机理和成藏要素耦合关系研究甚少。此外，相较于塔北隆起以南的顺北油田，哈拉哈塘油田油气分布具有较大差异性和不确定性，低产井和失利井大量出现，勘探规律难寻，严重影响了整体勘探开发效益。因此，应深化储集层发育和成藏差异机理研究，明确油气分布规律。本文从地球物理资料入手，应用地震属性、分频-颜色融合等方法，结合岩心、薄片观察及地球化学分析等手段，厘定哈拉哈塘地区热液岩溶特征，表征海西运动期活动断裂和加里东运动期走滑断裂差异，明确两类断裂对油气成藏及分布的控制。

1 区域地质概况

哈拉哈塘油田古生界在构造上属于塔里木盆地塔北隆起轮南大型鼻状基底背斜的西翼，是轮南低凸起的组成部分[4]，勘探面积约4 300 km2（图1）。

图1 研究区构造位置Fig.1.Structural location of the study area

哈拉哈塘油田主力产层为中奥陶统一间房组，其次为中—下奥陶统鹰山组和上奥陶统良里塔格组。钻井时频繁出现钻井液漏失和钻具放空现象，而生产初期高产表明，油气主要储集于大型缝洞空间中，这些缝洞体被认为是岩溶的产物，在地震剖面上呈“串珠”状强振幅低连续反射（以下简称“串珠”）。

哈拉哈塘地区古生界受塔里木盆地多旋回构造和沉积演化控制明显：寒武纪—奥陶纪早期，哈拉哈塘地区与轮南和英买力地区同处于克拉通被动大陆边缘[5]，沉积了中—下奥陶统鹰山组及其下伏的碳酸盐岩地层；加里东运动中期，塔里木盆地北部转为大型碳酸盐岩斜坡，依次沉积了一间房组、吐木休克组、良里塔格组以及以碎屑岩为主的桑塔木组，其中一间房组、良里塔格组和桑塔木组沉积末期均发育不整合；志留纪—泥盆纪，塔北隆起继承性发育，泥盆纪末期，随着北昆仑洋关闭造山及南天山洋俯冲（早海西运动），轮南—哈拉哈塘地区形成大型的北东—南西向背斜隆起，哈拉哈塘地区位于该背斜隆起西翼[6]；石炭—二叠纪，哈拉哈塘地区在南天山洋持续俯冲作用下继续沉降，而轮南和英买力这2 个北东—南西向的低隆起持续发育[7-8]；在二叠纪，塔里木盆地发生区域大规模岩浆活动[9-10]，该时期的岩浆活动及伴随的火山喷发和热液活动是塔里木盆地一次极其重要的地热事件。

2 二叠纪热事件与热液岩溶

2.1 二叠纪热事件

塔里木盆地二叠纪岩浆活动频繁且分布广泛，该岩浆活动是二叠纪中天山弧向塔里木盆地发生“A”俯冲的产物，源于板内裂谷[11]。在哈拉哈塘地区，二叠系火山岩几乎覆盖全区。二叠纪岩浆活动伴随大规模热液活动，其热液岩溶作用在野外露头区[9，12-13]以及塔中[14-15]、塔东[16]、英买力[12，17]、塔河[18]、哈拉哈塘[19]等地区均已被证实。

2.2 热液岩溶

前人对哈拉哈塘地区岩溶做过较多研究，断裂对岩溶发育的控制作用也已被普遍认可[3]。大部分学者认为，哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩岩溶为大气淡水岩溶和热液岩溶综合作用的结果[20-21]，但未能提供充足证据。然而，越来越多的证据表明，哈拉哈塘地区热液岩溶对储集层影响重大，热液岩溶在地震资料、露头、岩心、薄片及流体包裹体中均有显示。

2.2.1 岩溶机理

热液岩溶是埋藏岩溶的一种，主要是岩浆活动期后腐蚀性热液流体沿裂隙或断裂循环并改造地层形成的[2，12，22]。模拟实验证实，在一定温度范围内，碳酸盐岩酸液溶蚀速率随温度升高而增大，并有效改善储集层物性[23-24]。热液既可直接源于岩浆，也可以是经岩浆加热改造的地层流体[25]。热液岩溶分布不受不整合控制，主要受控于热流体流动及流动通道。依据巴楚—柯坪露头区奥陶系内萤石中稀土元素、微量元素、氢氧同位素等资料，形成萤石的热流体应为岩浆加热的先期封存的大气淡水，即大气淡水循环热液[13]。热液可以溶蚀地层，也可通过沉淀作用或交代作用形成热液矿物。发生大规模热液岩溶需要相对开放的环境，形成可持续的热液循环条件：地表水可以通过侵出的岩墙、断裂、输导层等通道渗入地下，在深部经岩浆加热及酸性气体混入，形成酸性热液，溶蚀碳酸盐岩地层并沿着岩墙、断裂形成的热液排泄通道喷出地表（图2）。当这个循环不断进行时，深部由于物质不断被带出，可形成大型洞穴[26-27]。美国黄石公园中热泉即为很好的热液岩溶实例，热液不断溶蚀深部地层并沿通道排出地表，携带的溶蚀物质（主要是CaCO3和SiO2）在地表沉淀，形成大规模的“热泉华”及阶梯、石柱等地质景观。

图2 热液岩溶流体循环系统模式（引自文献［26］和文献［28］）Fig.2.Models of fluid circulation systems of hydrothermal karst(from Reference[26]and Reference[28])

2.2.2 露头、岩心和显微镜下薄片特征

在塔里木盆地西北缘一间房地区奥陶系出露区，热液岩溶洞穴发育在断裂上或断裂交会处（图3a）；在洞穴内部，洞穴横切面高远大于宽，为竖立洞穴（图3b）；洞穴内壁见大量硬石膏、萤石等热液矿物以及热液方解石（图3b，图3c）；溶蚀裂缝呈现未充填—半充填—全充填状态，充填物质以热液方解石为主（图3d）。

图3 塔里木盆地西北缘一间房地区野外露头及哈拉哈塘地区岩心和显微镜下热液特征Fig.3.Field outcrops in Yijianfang area of the northwestern margin of the Tarim basin,and microscopic hydrothermal characteristics of the cores in Halahatang area

在哈拉哈塘地区的岩心上可见典型的热液溶蚀现象，溶蚀孔洞沿大型裂缝发育，缝壁附着热液方解石（图3e），说明热液溶蚀可以增加孔隙度；在偏光显微镜下，见充填有高温方解石的晶洞，晶洞中充填沥青（图3f），说明热液对碳酸盐岩具有溶蚀和充填作用，且溶蚀的空间可以储集油气；热液作用还可沿裂缝造成白云岩化，形成的白云石晶间孔隙内充填沥青（图3g）。在电子显微镜下溶蚀孔洞内部见地开石（图3h），地开石是一种形成于高温（大于90 ℃）的高岭石的同质异像体，被认为是有机酸性流体影响原岩、富集Al 和SiO2的证据。

2.2.3 地震响应特征

（1）地震剖面上表现为“串珠”状强振幅，平面（方差体）上表现为孤立环状或环状组合（图4a）。

（2）沿断裂发育，其组合样式体现走滑断裂平面样式，表现为“断溶体”（图4b）。

（3）发育深度不一。热液岩溶形成的缝洞体没有统一的发育界面，主要分布在一间房组及鹰山组上部，在良里塔格组三段也有分布，其距离奥陶系顶面的距离可超过500 m，甚至达800 m（图4c）。

图4 红绿蓝颜色融合体鹰山组2段底平面图及海西运动期活动断裂和加里东运动期走滑断裂平面分布Fig.4.RGB fusion of the bottom of the second member of Yingshan formation,and plane distribution of Hercynian active faults and Caledonian strike-slip faults

2.2.4 流体包裹体

流体包裹体均一温度为矿物生长的温度下限，对古地温和成岩演化具有指示作用。本次研究流体包裹体测温使用设备为美国Fluid 公司气流冷热台，配置Olympus BX5 偏光显微镜，共测试哈拉哈塘奥陶系样品32个，样品测试结果准确可靠（表1）。

测试结果表明，热液方解石形成时温度较高，一般大于100 ℃，X10 井热液方解石温度最高可达165 ℃，明显高于当时正常地温梯度下的埋藏温度，甚至高于现今地温155.1 ℃（6 582 m，产层中部深度，静温梯度裸眼测试）。方解石温度与热液矿物温度相当，说明两者同时形成于热事件时期。研究还发现了明显的方解石“降温”现象（图3i，图3j，图3k，表1），即方解石温度由大型空间边缘往中心逐步降低，说明胶结物胶结的过程中地温不断降低，可能反映热事件之后岩浆活动逐渐减弱。

表1 哈拉哈塘地区一间房组和鹰山组流体包裹体测温数据Table 1.Measured temperatures of fluid inclusions in Yijianfang formation and Yingshan formation in Halahatang area

2.2.5 热液岩溶时期

热液矿物（方解石、萤石、天青石、石膏、石英等）的成矿时间可以反映热液作用的时期，通过对巴楚—柯坪露头区萤石进行测年可厘定形成萤石的热液活动时期为287—212 Ma[13]。这与晚海西运动期岩浆岩主要活动时期（291—259 Ma）[29-31]较为吻合，并反映该热事件引起的热液作用时期主要为二叠纪，其影响可持续到三叠纪，该时期也是哈拉哈塘地区热液岩溶作用发生时期。

前人也对哈拉哈塘地区的主要生排烃和成藏时间进行过研究，自生伊利石K-Ar年龄测定数据表明，塔北哈得4石炭系油藏、塔中4C油藏油气充注时间为224—275 Ma，与二叠纪岩浆活动时间大部分重叠并略有滞后[32]。显微镜下显示，早期的热液方解石未见沥青，而晚期的热液方解石胶结物中见气液两相包裹体与固体沥青共存现象（图3k），说明油气可能是在热液活动的中期或晚期充注的。

综上所述，岩浆活动、热液岩溶作用以及成藏均主要发生在二叠纪，时间相近并近似具有成因上的继承性。中—晚海西运动期岩浆活动是塔北热液岩溶和寒武—奥陶系生烃和成藏的原因。

3 海西运动期活动断裂

哈拉哈塘地区二叠纪强烈岩浆活动不仅形成了大量褶皱，也形成了大量断裂，该类型断裂形成于岩浆上拱对围岩和上覆地层的挤压，属于张性断裂，在该时期活动性开启，主要分布于东河塘褶皱区东部邻近褶皱区的位置。不同于哈拉哈塘大型走滑断裂，该张性断裂没有明显断距，加之深层地震分辨率有限，故在地震剖面上难以识别，也鲜有人研究。通过对时间域地震体进行分频-相干-颜色融合，可以在平面上借助其伴生的岩溶与热液排泄通道识别该类型断裂并区分于哈拉哈塘地区走滑断裂。

3.1 海西运动期活动断裂分布特征

哈拉哈塘地区岩溶与断裂关系密切，表现为岩溶沿断裂发育，对断裂进行扩溶，塔河油田将此类断控岩溶缝洞体称之为断溶体[3]，哈拉哈塘地区断裂和相关岩溶的展布和相关关系可较好地反映断溶体特性。基于小波变换的分频方法，在地震有效带宽（5～50 Hz）内将哈6 区时间域地震数据分解为频率不等的一系列单频地震体。由于调谐效应，低频体对大型地质体具有较好的反映，而高频体对小型地质体具有较好的反映。提取15 Hz、25 Hz 和40 Hz 频率体分别计算相干属性，并进行红绿蓝颜色融合〔（15 Hz（红）、25 Hz（绿）和40 Hz（蓝）〕。在颜色融合体鹰山组二段底平面上，岩溶体表现为近圆形的环状或拉长的环状，环状排列能够反映断裂的展布。环状的颜色、形态及排列方向显示出哈拉哈塘地区具有2 种截然不同的断裂（图4，表2）。

表2 哈拉哈塘地区2种断裂特征对比Table 2.Comparison of two types of faults in Halahatang area

（1）加里东运动期走滑断裂 该类型断裂上的岩溶表现为以绿色圆环为主，说明岩溶规模中等，断裂呈北北东—南南西向和北北西—南南东向并相交为“X”型，在整个哈6区普遍分布。

（2）海西运动期活动断裂 断裂上岩溶表现为以红色圆环为主，说明岩溶规模更大，环状为拉长状且拉长方向与环状排列方向一致，较好地指示了该类型断裂的展布。断裂主要为北西—南东向（与齐古区热液排泄通道排列方向一致），断裂间距更小更加密集，主要分布于哈6区西北部。

在哈6 区区分出加里东运动期走滑断裂和海西运动期活动断裂后，结合哈拉哈塘地区断裂平面分布（图5），可近一步明确海西运动期活动断裂不同于加里东运动期走滑断裂的其他特征：海西运动期活动断裂较短，加里东运动期走滑断裂较长且直；海西运动期活动断裂在平面上更加密集；海西运动期活动断裂具有“向源”特性，即均指向哈拉哈塘地区西北部岩浆和褶皱强烈发育区（东河塘断隆区）且围绕其分布。海西运动期活动断裂在哈6区西北部和齐古区主要为近北西—南东向，在新垦区主要为近南北向（图5，图6）。

图5 哈拉哈塘地区热液排泄通道、强振幅“串珠”及断裂平面分布Fig.5.Plane distribution of hydrothermal channels,strong-amplitude“beads”and faults in Halahatang area

图6 哈拉哈塘鹰山组二段底相干平面、产量分布和岩溶分区叠合图Fig.6.Overlap of the coherence plane,production distribution and karst zone at the bottom of the second member of Yingshan formation in Halahatang area

3.2 海西运动期活动断裂与热液排泄通道

海西运动期活动断裂上也发育热液排泄通道，主要集中于新垦区和齐古区内，数目达70 多个（图5a，图5b）。海西运动期活动断裂具有以下特征：①热液排泄通道贯穿奥陶—二叠系，地震剖面上出现同相轴“下拉”现象，并且在奥陶系的顶部，这些通道内部或附近位置总会发育强振幅“串珠”（图5c），“串珠”是低密度缝洞体的地震响应，这是热液作用形成大型岩溶体的证据之一；②哈拉哈塘地区石炭系方差体在平面上呈圆环或椭圆环，其组合方向指向东河塘断背斜方向，椭圆环拉长方向与组合方向一致，显然通道组合方向指示了断裂走向（图5d）。综上说明，海西运动期断裂在热事件时期是活动开启的，热液排泄通道形成于海西运动期活动断裂，海西运动期热液在沿加里东运动期或海西运动期的断裂循环过程中，溶蚀奥陶系碳酸盐岩地层形成洞穴，热液携带溶蚀物质沿排泄通道排出地表，该过程不断进行形成大规模岩溶。

4 断裂类型对油气分布的控制

4.1 海西运动期活动断裂与油气分布

哈拉哈塘地区油气产能分布的平面非均质性极强，近距离内两口井生产状况可有很大的差异（如哈6 区西北部X11 井为高产井，而邻近井X13 井、X14 井和X36 井均为失利井），成藏因素和工程因素都是可能的控制因素。但从大范围来看，油气产能的区域性差异十分明显：新垦区产能远低于哈6 区产能，即便在哈6 区内，西部产能也远低于东部产能。区域产能差异反映了油气的分布差异，由油藏性质决定而非工程因素。进一步研究发现，海西运动期活动断裂发育区为失利井和低产井主要分布区，特别是位于海西运动期活动断裂上的井几乎全部失利或低产，典型井如X7 井、X6 井、X8 井、X22 井、X23 井等；而高产井往往分布在大型加里东运动期走滑断裂及其分支断裂上或其附近，如哈6 区东部高产井密集分布区，可见油气分布与断裂类型具有直接关系。

哈拉哈塘地区海西运动期活动断裂主要分布于西部和北部，邻近东河塘断隆区，根据海西运动期活动断裂的分布范围及其对岩溶发育的控制程度将哈6、新垦、齐古和热普北部在内的区域划分为面积相当的2 个区：西部为海西运动期活动断裂主控岩溶区（Ⅰ区），东部为加里东运动期走滑断裂主控岩溶区（Ⅱ区）。对比Ⅰ区和Ⅱ区的断裂发育程度、岩溶密度和生产特征（表3）可知，Ⅰ区尽管“串珠”密度更大，岩溶更加发育，但总井数和高效井数远少于Ⅱ区，失利井数却与Ⅱ区相当，钻井成功率（40.3%）仅为Ⅱ区的一半。由此可见，海西运动期活动断裂对岩溶和油气分布的控制作用十分明显，其上发育的岩溶体油气成藏能力差。

表3 哈拉哈塘地区主控岩溶区参数对比Table 3.Parameters of the primary karst zones in Halahatang area

4.2 油气差异分布机理

哈拉哈塘地区海西运动期活动断裂形成、热液岩溶作用、生排烃以及油气成藏均发生于二叠纪且时间相近，断裂本身特点及四者相关关系决定了哈拉哈塘地区油气的分布。海西运动期活动断裂发育于板内裂谷期，是岩浆上拱产生的张性断裂，伴生大量张开缝。相对于先存加里东运动期走滑断裂，海西运动期活动断裂延伸较短但较密集，其纵向上断距可能较小，但开启度可能较大，并周期性活动。在热液岩溶期，海西运动期活动断裂控制了岩溶发育以及热液的排泄。与热液岩溶期同时或略晚于热液岩溶期，寒武系—奥陶系烃源岩在高热流值背景下进入生油门限，大量油气从北部坳陷沿加里东运动期走滑断裂向北运移[33-34]。然而海西运动期活动断裂在生排烃期间歇性活动并开启，使得油气在此散失并沿断裂继续向上运移，使大量发育在海西运动期活动断裂上的岩溶储集层不能或不能完全成藏。海西运动期活动断裂上的大量失利井在钻井、试油或开井初期均见油气显示，说明油气的确曾在此处发生运移（如X22 井为失利井，但试油结果显示为油迹，且其上志留系见沥青胶结砂岩）。加里东运动期走滑断裂在成藏期虽有活动但活动程度较小，其力学性质依然保持压扭性，总体仍保持封闭性，使大量油气在此类断裂上发育的岩溶储集体中成藏。因此在进一步油气勘探时为了避免钻遇失利井，提高钻井成功率，应区分海西运动期活动断裂和加里东运动期走滑断裂，尽量避开海西运动期活动断裂上分布的岩溶储集层，寻找加里东运动期走滑断裂上的有利储集层。

5 实例井分析

X43 井为哈拉哈塘地区2019 年新钻井。该井远离哈拉哈塘北部海西运动期活动断裂发育区，处于2 条加里东运动期走滑断裂的交会处，该处岩溶在地震相干体上表现为暗色圆环（图7a），地震剖面上表现为强振幅“串珠”（图7b），是典型的热液岩溶储集层。X43井在一间房组上部7 279.00～7 292.00 m发生井漏、放空、井口失返现象（钻至井段7 276.69～7 292.00 m井漏，井段7 287.05～7 287.94 m放空0.89 m），说明钻遇大量裂缝并钻遇岩溶洞穴（图7c）。在裸眼井段7 222.00～7 292.00 m进行常规试油，4 mm油嘴放喷求产，油压31.14 MPa，折日产油57.52 m3，折日产气7 310 m3，不含水，综合评价为全井最好的油气层。X43井于2019年10月正式投产，自喷采油，投产后产量和压力稳定，截至2020年12月，累计产油1.9×104t，目前依然自喷生产。综上说明，加里东运动期走滑断裂上热液岩溶形成了优质储集层且油气在此处顺利成藏。

图7 哈拉哈塘地区X43井多信息综合实例图Fig.7.Multi-information composite maps of Well X43 in Halahatang area

6 结论

（1）哈拉哈塘地区奥陶系缝洞体为热液沿断裂岩溶改造形成，热液岩溶可在塔里木盆地野外露头以及哈拉哈塘地区地震剖面、岩心、显微镜下和流体包裹体中识别。

（2）哈拉哈塘地区奥陶系存在海西运动期活动断裂和加里东运动期走滑断裂2 种不同类型的断裂。海西运动期活动断裂形成于二叠纪岩浆活动时期，属于张性断裂，总体靠近东河塘断隆，可由其伴生岩溶识别，主要为北西—南东走向，相比于加里东运动期走滑断裂规模较小，但密度更大。

（3）岩浆活动、断裂形成、热液岩溶作用以及油气成藏均主要发生在二叠纪，时间相近并具有成因上的继承性，岩浆活动产生的能量是哈拉哈塘地区热液岩溶、生烃和油气成藏的真因。

（4）哈拉哈塘地区断裂对油气具有明显控制作用，走滑断裂上发育的岩溶体是有利的成藏部位；海西运动期活动断裂在岩浆活动时期间歇性开启，造成油气散失，使其岩溶储集层成藏能力差，造成哈拉哈塘地区东西部油气分布差异巨大，下一步油气勘探应尽量寻找加里东运动期走滑断裂上岩溶储集层，以提高钻井成功率。