塔河油田岩溶峡谷区伏流坍塌型古暗河缝洞系统

张长建，吕艳萍，马海陇，耿甜，张晓

(中国石化 西北油田分公司 勘探开发研究院，乌鲁木齐 830011)

岩溶峡谷区具特殊的水动力条件及岩溶地貌，导致其岩溶洞穴发育具有特殊性。侵蚀基准面快速下降过程中产生的河流垂向侵蚀作用，形成典型的深切河谷；地表水向地下水的快速转化过程中，会发育暗河型、伏流型、穿洞型、顺河潜流型、渗流型等各种地下河洞穴[1-2]。现代岩溶峡谷区岩溶理论和模式，如美国亚利桑那州大峡谷东西部相连的岩溶模式[3]，科罗拉多河横穿Kaibab隆起形成的西部大峡谷模式[4]，西班牙Puron峡谷暗河管道、坍塌和明流再现的岩溶演化模式[5]，贵州毕节九洞天的的裂点伏流坍塌型峡谷模式[6]以及深切曲流峡谷模式[7]，为塔河油田古岩溶峡谷成因及洞穴的发育特征研究提供了很好的参考。

塔里木盆地塔河油田中—下奥陶统岩溶缝洞型油藏油气资源丰富[8]。随着油藏勘探开发的不断推进，塔河油田西部斜坡区中—下奥陶统东部岩溶峡谷区缝洞型油藏成为重要目标[9-11]。前人针对塔河油田海西运动早期岩溶峡谷区的地貌、水系特征及缝洞系统发育模式展开了初步研究[12]，但研究重点聚焦于南段峡谷区，未完成整条伏流-峡谷水系的研究，诸如主干水系的分段结构，北段地表和地下分支水系发育特征等亟待研究；而且前人的研究以定性描述为主，未曾定量分析峡谷的河曲弯曲特征及深切曲流峡谷的成因演化；没有识别天窗、天生桥及河曲截弯取直等微地貌，也未对典型单元指示地貌演化意义进行研究。

本文以塔河油田西部斜坡区中—下奥陶统岩溶古水系为研究对象，综合钻井和地震属性资料，利用残余厚度趋势法恢复古地貌，表征地表和地下古水系，开展典型微地貌识别，表征古岩溶地下水系统，构建储集层缝洞系统的演化模式，为研究区油气勘探开发提供依据。

1 地质概况

塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克库勒低凸起，发育典型的碳酸盐岩岩溶缝洞型油藏[13]。研究区位于阿克库勒低凸起与哈拉哈塘凹陷间的斜坡区(图1)，为塔河油田中—下奥陶统的重要油气产能建设区[14-15]。研究区经历了加里东运动中期—海西运动早期多幕次构造运动，导致中—下奥陶统之上多套地层缺失，地层发育条件复杂[16-17]。研究区缺失上奥陶统恰尔巴克组、良里塔格组和桑塔木组，中—下奥陶统南厚北薄，向北部上倾尖灭，其上覆盖石炭系，缺失志留系及泥盆系[18]。研究区中—下奥陶统主要为一套开阔台地相泥晶灰岩—颗粒灰岩[19]，顶面现今构造东南高西北低，总体为向北西倾的单斜。加里东运动晚期—海西运动早期剧烈的构造抬升作用[20]，导致岩溶斜坡区地貌分异明显及含水介质结构复杂，是研究塔河油田奥陶系碳酸盐岩表生岩溶条件、岩溶储集层发育规律及分区差异性的有利区域。

图1 塔河油田西部斜坡区构造位置Fig.1.Structural location of the western slope area in Tahe oilfield

2 水文地貌特征

2.1 断裂发育特征

广泛应用于塔河油田碳酸盐岩断裂和断溶体储集层预测的地震属性参数主要为结构张量[21]。塔河油田上奥陶统剥蚀区表生岩溶作用强烈，为避开风化壳附近由于表生岩溶产生的干扰信息，通过提取研究区蓬莱坝组—鹰山组下段的张量梯度，对研究区不同级别、不同方向和不同深度的走滑断裂进行了刻画。张量梯度体现了沿着断裂发生溶蚀的程度，岩溶水顺断裂发生横向线性溶蚀，也可以在断裂垂向形成纵深溶蚀。断溶程度强的区域，张量梯度呈“团簇状”异常反射特征。研究区发育北北西—南南东、北东—南西和东西3个不同走向的走滑断裂，北北西—南南东和北东—南西走向属于共轭走滑断裂体系[22](图2)。研究区内发育T737 和S94CH 共2 条北东—南西向主干走滑断裂及东西向的4 条平行次级走滑断裂，与北北东—南南西和东西向次级断裂组合形成网格状断裂体系。T737 主干走滑断裂南段溶蚀程度强于北段，南段具笔直的北东—南西向强溶蚀条带，向北转换为多条弱溶蚀的次级断裂。

图2 塔河油田伏流坍塌型峡谷区中—下奥陶统断裂分布Fig.2.Distribution of Middle-Lower Ordovician faults in the collapsed canyon area with subterranean flow in Tahe oilfield

2.2 古地貌和古水系恢复

塔河油田12 区奥陶系之上从西至东依次为上志留统柯坪塔格组、上泥盆统东河塘组和石炭系巴楚组[17]，研究区现今构造总体东北高西南低。岩溶期的古地貌恢复方法主要有残余厚度趋势法、印模法、趋势面及其综合法[23-25]。前人主要采用印模法恢复古地貌，拉平石炭系巴楚组双峰灰岩段顶面后，得到灰岩段顶面到中奥陶统顶界面的厚度残差，其厚度残差可指示海西运动中期岩溶地貌趋势，以之近似代表海西运动早期地貌，适合于塔河油田岩溶台地、斜坡、盆地等二级地貌单元的划分。采用印模法恢复的古地貌虽与现今地貌趋势相近，但与整体由北向南汇流的水系趋势偏差较大。

本文采用残余厚度趋势法来进行海西运动早期地貌恢复，首先通过计算中奥陶统顶界面与鹰山组白云质石灰岩段顶面之间的地层残余厚度，然后对地层残余厚度进行趋势平滑，从而得到海西运动早期的地貌格局；再在地貌格局之上叠加地貌趋势面，就可以有效凸显岩溶峡谷、溶丘、溶峰、干谷等微地貌。该方法能较好兼顾到古岩溶期构造趋势和微地貌特征，既代表了加里东运动中期—海西运动早期的多期岩溶累加剥蚀程度，也能反映最终岩溶期(海西运动早期)的古地貌趋势。

地下与地表古水系的刻画方法不同。研究区地表古水系的刻画，主要基于中奥陶统顶界面的地震属性，包括沿风化壳层面提取的RGB 分频混色、精细相干分析、古地貌恢复、趋势面识别等方法[9，26]。地下古水系的刻画，主要利用风化壳顶面之下产油层的强振幅异常、波阻抗属性、RGB混相分频等[17，27]。主要提取研究区中奥陶统顶界面之下7～67 ms 混频属性、平均绝对振幅属性和最小纵波阻抗属性，结合洞穴实钻井标定，刻画研究区地下水系。

2.3 古地貌、古水系发育特征

2.3.1 岩溶古地貌特征

海西运动早期，塔河地区处于岩溶斜坡区[16]，地貌整体上开阔平坦，东北和东西较高，中心地区较低。地貌单元主要发育峡谷、洼地、溶峰和溶丘，峰丛洼地和丘丛洼地高度差不超过50 m，岩溶峡谷下切深度达到130 m。

2.3.2 岩溶古水系特征

基于地表和地下水系的地震预测成果，结合断裂和古地貌发育特征，构建了研究区的古岩溶地下水系统(图3)。主干水系在北段为伏流区，中段为峡谷区，南段为深切曲流峡谷区。北段伏流区总体沿北东—南西向延伸，长9.30 km，被3 个天窗分为4 段。中段峡谷区长度为7.50 km，依然残留伏流和天生桥，其中，残留伏流长1.46 km，天生桥长465 m。南段深切曲流长度为12.57 km，连续发育6个典型蜿蜒型河曲，分支水系主要由树枝状暗河和地表干谷组成，树枝状暗河受控于东西向走滑断裂和向斜式古地貌，沿两侧高地向伏流/峡谷区中心汇流；地表干谷多为岩溶负地貌，是局部小流域大气降水坡面流汇水区，在干谷发育落水洞的地方地表水转入地下，被地下暗河管道袭夺后失去排泄能力退化演变形成。总之，古水系主要为峡谷明流、伏流、暗河和干谷的组合，分支水系与主干水系具有统一的水动力场。

图3 塔河油田伏流坍塌型峡谷区岩溶地下水系统Fig.3.Karst groundwater system in the collapsed canyon area with subterranean flow in Tahe oilfield

从北向南，主干水系天窗发育逐渐增多，峡谷段增长，伏流段逐渐变短，最终只保留长度更短的天生桥(图4a)。随伏流向峡谷的转换程度逐渐加强，古暗河管道系统规模增大，结构复杂化，伏流的失稳塌顶现象越来越明显，洞穴变得更易垮塌；横断剖面显示，峡谷多为对称型深而窄的V 型(图4a)，河谷壁面陡峭，下切深度为100～130 m，伏流横断剖面多具为强而亮的“串珠”地震反射特征(图4b)。综合主干水系的纵断剖面及横断剖面特征，中段及北段的峡谷下切深度和伏流发育深度明显要大于南段，这与北高南低的古地貌一致，表明中段和北段垂向侵蚀作用强于南段。

图4 塔河油田伏流坍塌型峡谷区中—下奥陶统主干水系纵断及横断剖面（剖面位置见图3)Fig.4.Longitudinal and transverse sections of the Middle-Lower Ordovician main water system in the collapsed canyon area with subterranean flow in Tahe oilfield (section location is shown in Fig.3)

结合地下分支水系的平面展布(图3)及典型水系纵向剖面(图5)，地下水系具有如下特征：①平面上，地下分支水系由东西岩溶平台向中心主干水系(伏流或曲流)汇流，地下分支水系以树枝状网络结构为主，西岸受网格断裂体系影响，局部发育迷宫状网络结构；②地下分支水系网络发育程度高，横向展布连续稳定，地下洞道延伸长度可达到8 km；③界面拉平后两岸岩溶平台地下分支水系的下切深度不及中心伏流段，中心伏流-峡谷区总体处于排泄基准面最低处，表明在地下分支水系形成之后，伏流段存在继续下切进一步加深加大峡谷廊道的发育过程。

图5 塔河油田峡谷区中—下奥陶统暗河型分支水系纵断剖面（剖面位置见图3)Fig.5.Longitudinal section of the Middle-Lower Ordovician underground tributary water system in the collapsed canyon area with subterranean flow in Tahe oilfield

2.3.3 断裂对古水系的控制作用

研究区走滑断裂对水系发育的控制作用明显，体现在岩溶水沿走滑断裂发生选择性溶蚀，顺古地势斜坡的走滑断裂具备最优导水条件并进一步形成水系。岩溶古暗河管道在断裂发育区、负地貌单元和强岩溶层组分布，三者可耦合。T737主干走滑断裂与主干水系走向一致，走滑断裂南部强溶蚀段与深切曲流峡谷段对应性好；走滑断裂北弱溶蚀段与主干伏流段对应性好；东岸岩溶平台地下分支水系与东西向走滑断裂在走向上一致性好；西岸岩溶平台地下分支水系与东西向和北北西—南南东向走滑断裂在走向上吻合程度高。

2.4 古地貌单元特征

2.4.1 天窗

由于侵蚀基准面的持续下降，廊道加深、加宽导致伏流顶板坍塌，形成地下岩溶空间形态[6]。研究区比较典型的天窗由TH121108CX井揭示(图6a)，该井从西向东斜穿整个天窗。在明流西岸钻遇中—下奥陶统鹰山组138.5 m(5 859.5—5 998.0 m)，然后在天窗塌陷区钻遇巴楚组泥岩段259.0 m(5 998.0—6 257.0 m)，继续钻进重新揭示鹰山组79.6 m(6 257.0 m—6 336.6 m)(图6b)。地震横断剖面显示天窗呈V 型漏斗状，宽300 m，深100 m；平面上呈椭圆状，总体呈北东—南西向，与伏流走向平行，长轴868 m，短轴300 m。从水系平面分布看，TH121108CX 井天窗处于东西向地下河与北东—南西向伏流的交汇处，其余2 个天窗也具有相似的特征。分支地下河与主干伏流的交汇处更易形成伏流坍塌型天窗，主要是因为主干水系与分支水系交汇处同时也位于主干断裂与次级断裂交会处，裂缝极其发育，地下空间规模大，在增容过程中会沿着裂缝、节理发育区发生顶板坍塌。

图6 塔河油田中—下奥陶统天窗及洞穴测井响应特征Fig.6.Logging response characteristics of the Middle-Lower Ordovician skylights and caves in Tahe oilfield

2.4.2 天生桥

伏流洞顶未垮塌的河段，延伸距离较短，两端透光的地貌，称为天然桥或天生桥[6-7，28]。TH12148井钻遇这类典型古岩溶天生桥，伏流两端与深切峡谷相接，平面延伸长度为465 m。测井解释该井在中—下奥陶统一间房组顶面之下钻遇2个泥质充填溶洞，分别为16.5 m(5 803.5—5 820.0 m)和9.5 m(5 823.5—5 833.0 m)，顶板厚度仅有27.5 m(5 776.0—5 803.5 m)。TH12148井虽然钻遇厚层泥质充填溶洞，经过酸压改造，取得很好的开发效果，目前累计产油11.9×104t。

2.4.3 深切曲流

深切曲流又称为刻蚀曲流[7]。现代河流理论中，定量表征河曲弯曲程度及其几何形态特征的参数有2类：单个河曲参数和河曲带参数。前者表征单个河曲弯曲程度，后者表征多个河曲或河曲段弯曲程度。参考河曲参数的定义和计算公式[29-30]，利用地震属性提取深切河曲的几何形态，基于单个河曲和河曲带的参数统计，对研究区南段岩溶古河道进行定量描述。

（1)单个河曲参数 研究区单个河曲主要发育U型和Ω 型2 种类型。单个河曲的参数如表1 所示，其中最能反映河曲弯曲度的参数主要为弯曲率和封闭率。根据河曲弯曲率，可分为一般弯曲(1.2～1.5)和蛇曲(1.5～5.0)。地震属性统计的6 个典型河曲的弯曲率都不低于2.11，高于典型蜿蜒型河曲的弯曲率1.50。古岩溶河谷形态回旋曲折，其中，发育3个较大的Ω 型河曲，Ⅱ号河曲弯曲率为3.31，Ⅲ号河曲弯曲率为3.96，Ⅳ号河曲弯曲率为3.97，其余为U 型河曲。封闭率与弯曲率呈正相关关系，弯曲率大的，其封闭率也必然大。研究区古河曲的封闭率都不低于0.68，封闭率越接近全封闭状态的1，河曲封闭程度越高。

表1 研究区峡谷区古河道单个河曲参数统计Table 1.Parameters of a single meander of paleochannels in the canyon area

（2)河曲带参数 研究区主干河道的河曲带河道长度为12.57 km，河曲带轴长为6.02 km，弯曲率为2.09，波幅为0.64 km，波长为1.72 km。现代嘉陵江深切河曲带的武胜河曲带弯曲率接近3.00，苍溪河曲带弯曲率为2.40，都属于典型的弯曲型河段[31]。参考现代深切河曲带参数，研究区古河曲带的参数完全符合弯曲型河段标准。

（3)河曲截弯取直现象 研究区深切曲流有一处河曲因截弯取直作用，形成了典型的曲流丘(或离堆山)和废弃干谷地貌。不同于自由曲流截弯取直形成的牛轭湖，深切曲流截弯取直后峡谷下切深度远超过原河曲，被袭夺后的废弃河曲被悬挂在高处，成为环形干谷[7](图7)。从地震剖面看，取直后的峡谷底部比干谷底部深75.0 m，曲流丘处于相对最高部位，TH10137 井部署于该曲流丘上，在风化面之下67.0 m处钻遇1.5 m的洞穴(图6c)，该井取得较好的油气开发效果。

图7 塔河油田峡谷区中—下奥陶统顶面离堆山地貌Fig.7.Geomorphology of meander core of the Middle-Lower Ordovician top in the canyon area，Tahe oilfield

3 峡谷区岩溶洞穴特征

参考现代岩溶峡谷区的地下河洞穴分类，结合峡谷区水动力条件及地下水系的地震预测成果，将地下河洞穴分为暗河型、伏流型、顺河潜流型和穿洞型4种类型[2]。

（1)暗河型洞穴 指峡谷发育过程中受排泄基准面控制下形成的地下水位洞或浅潜流洞，其延伸或走向常指向区域地表河[2]。研究区暗河型洞穴构成大部分地下分支水系，平面上多以树枝状网络结构为主，暗河型洞穴呈两侧向伏流-峡谷区中心汇流。

（2)伏流型洞穴 为伏流段上有明显地下水入口和出口的管道型溶洞[2]。研究区伏流型洞穴主要发育于主干水系北段，顶板坍塌形成的天窗后期充填，把古暗河管道分割成多段伏流结构。

（3)顺河潜流型洞穴 延伸方向与峡谷平行，洞穴进出口在河谷同侧，上游的水流基于最小阻力原理穿过河床侧岸的强透水带，并在下游河谷区排泄，最终发育形成与原河谷平行的地下通道[2]。研究区顺河潜流型洞穴较少，仅在南段深切曲流峡谷区TH10147X井区发育一小段，长度为1.36 km。

（4)穿洞型洞穴 为两端开口并透光的残留地下伏流或暗河洞，洞道较短，仅有百余米[2]。研究区穿洞型洞穴主要为天生桥，可将其分为2 类，一类为伏流塌顶残留的天生桥，如前面所述的TH12148井钻遇的洞穴；另一类属于河曲截弯取直的天生桥，如TH10205 井所钻遇的溶洞，截断了Ⅳ号河曲，其延伸长度为598 m。

4 岩溶峡谷演化模式

基于研究区古地貌恢复和地下水系统的刻画，构建了塔河油田的岩溶峡谷区伏流坍塌型古暗河缝洞系统模式，包括3 个主要的平面分异演化模式：自由曲流型、伏流-深切曲流型、坍塌天窗伏流型(图8)。

图8 塔河油田鹰山组伏流坍塌型峡谷演化示意Fig.8.Schematic evolution of collapsed canyon with subterranean flow in Yingshan formation，Tahe oilfield

4.1 自由曲流型

现代河流理论表明，不同于山地内河流的幼年期河流，深切曲流河具有成熟的河流演化阶段，可分为2个阶段：自由曲流阶段和深切曲流阶段[7]。

中志留世，南天山洋开始向南脉冲式或间歇式俯冲[19]，塔北地区开始抬升，造成区域性侵蚀基准面的变化，岩溶水由东向西进入志留系覆盖区。晚志留世，随着北高南低的古构造格局形成，构造抬升，海水退却，志留系开始暴露地表，在志留系海相松散沉积物中，发育曲流河沉积体系中独立而成熟的泛滥平原沉积。该阶段，河流侧蚀作用为主导，凹岸侵蚀，凸岸堆积，曲流河道快速迁移，自北向南形成自由曲流。

4.2 伏流-深切曲流型

南天山洋持续向南俯冲，至中泥盆世结束[19]，脉冲式俯冲作用造成区域构造大幅度迅速抬升，研究区中—下泥盆统处于隆起剥蚀区。随着海西运动早期构造的迅速抬升，侵蚀基准面快速下降，河流的纵坡降增大，加强了流水垂向侵蚀力度。应对这种快速基准面下降，南段保持原来的自由曲流流路，进一步演变为对称谷坡的深切曲流；北段干谷随着侵蚀基准面的变化，为适应地下水位的快速下降，沿着北东—南西向主干走滑断裂的岩层破碎带，地下岩溶管道持续扩大，地下水溯源侵蚀作用导致地下岩溶管道与北部地表水流连通，形成了主干伏流。其时，北段排泄水流被地下伏流袭夺，地表自由曲流退化形成干谷。原树枝状分支水系由地表转到地下，演变为以主干伏流-峡谷为排泄中心的树枝状暗河体系。

4.3 坍塌天窗伏流型

随着构造持续抬升，侵蚀基准面进一步下降，北段主干伏流深切形成地下峡谷廊道，因伏流本身强大的汇水能力，伏流廊道加深、加宽，伏流顶板失稳塌顶形成坍塌型天窗，坍塌型天窗进一步演化为V 型深切峡谷明流。TH12148井钻遇的天生桥，属于大段失稳塌顶之后的残留伏流段，TH121108CX 井钻遇的伏流坍塌型天窗，都是伏流向地表明流转化的喀斯特过程。

研究区岩溶峡谷区发育上游伏流、中段峡谷和下游深切曲流的空间分段结构，天窗、天生桥、伏流段、暗河管道等不同地下岩溶形态，为岩溶水动力场综合作用下的最终产物，表现为同时不同态特征，这些特征指示早期的大规模伏流洞穴后期更易被强改造。现代岩溶地质现象发育类似的伏流坍塌型暗河缝洞系统。九洞天峡谷的发育演化过程经历了地表水系发育和解体期、地表和地下水系结构并存的消长转变期、明流峡谷再现期，属于典型的裂点伏流坍塌型峡谷[6]。

塔河油田西部岩溶峡谷区伏流坍塌型古暗河缝洞系统的研究，为该区新井部署提供了重要的预测结果和地质支撑，有效指导了开发部署方案的制定。研究区2021 年共投产10 口井，其中9 口井获得中—高产，平均日产油24.7 t。现代峡谷区岩溶理论、岩溶地质考察及丰硕油气成果，充分验证了塔河油田伏流坍塌型峡谷古岩溶发育机理的合理性。

5 结论

(1)塔河油田西部伏流坍塌型峡谷区中—下奥陶统发育海西运动早期岩溶地表-地下水系统，以低幅度溶丘、溶峰、洼地等微地貌为主，地表主干水系为北东—南西流向的峡谷明流和伏流的组合，分支水系主要为两侧向中心汇流的树枝状暗河。

(2)塔河油田伏流坍塌型峡谷区发育天窗、天生桥、深切曲流等典型地下、地表溶蚀形态，定量河曲研究表明，南段深切峡谷具备典型蜿蜒性深切曲流特征。

(3)塔河油田伏流坍塌型峡谷区平面呈现三类演化特征：自由曲流型、伏流-深切曲流型和坍塌天窗伏流型。海西运动早期构造抬升造成侵蚀基准面的迅速下降，主干水系由伏流演化为峡谷，分支水系大规模演化成树枝状暗河体系，整体呈现了岩溶洞穴系统的改造、破坏及建造的同时异态演化过程。