汪彦,高济元,杨德彬,张恒,蔡忠贤,何新明,金燕林,刘遥,王明
(1.中国石油化工集团公司碳酸盐岩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.湖北省油气勘探开发理论与技术重点实验室,湖北 武汉 430074;4.中国地质大学(武汉)资源学院,湖北 武汉 430074)
古岩溶缝洞型油藏是碳酸盐岩层系重要的油气藏类型之一[1-6],塔里木盆地塔河油田是我国奥陶系发现的最为典型的缝洞型油气藏[7],古岩溶暗河是其主要储集空间之一。古岩溶暗河埋藏深,发育规模大,分布范围广,平面形态多样,垂向分层发育,洞道样式丰富[8],具有极其复杂的内部结构[9-13]。
20 世纪80 年代以来, 现代岩溶洞穴研究取得了长足发展,为研究古岩溶缝洞储层提供了重要理论。 首先,建立了洞穴形态学划分方案。 Palmer[14]将洞穴形态划分为树枝状、网络状、不规则状和海绵状等。其次,揭示了大气淡水岩溶洞穴的成因类型。包括渗流带洞穴、地下水位洞穴、潜流带洞穴和深潜流带洞穴[15]。 此外,围绕洞穴的形成机制, 不同学者建立了洞穴形成与演化的地质模型,其中以Ford[16]提出的岩溶洞穴发育的四状态模式最为经典,这些模式强调了先存的裂隙、断层和层面对早期岩溶洞穴发育的控制效应。
近年来,塔河油田奥陶系古岩溶暗河的研究取得了4 个方面的主要进展。 第一,提出了古岩溶暗河几何形态的地球物理识别技术,包括均方根振幅、平均绝对振幅和高频衰减梯度等属性提取技术以及混相分频技术[17]。 第二,揭示了塔河地区古岩溶暗河的平面形态及垂向分层结构, 认为该区主要发育树枝状、单支状以及迷宫状等洞穴结构,且垂向上发育多套洞穴层[17-18]。 第三,明确了古岩溶暗河发育的主控因素,指出多期大气淡水岩溶作用的叠加改造是岩溶暗河发育的根本原因[19],且断裂体系的延伸方向控制了古岩溶暗河的延伸方向, 岩溶地貌的差异性控制了古岩溶暗河的规模[8]。 第四,建立了几种典型岩溶地貌条件下的暗河发育模式。 其一是石炭系覆盖区岩溶峡谷型暗河发育模式。 峡谷区具备较充足的水源补给条件,多期次排泄基面下降的垂向侵蚀溶蚀作用控制了暗河洞穴发育,形成多层状发育的暗河结构[20]。 其二是志留系覆盖区走向断裂汇流型岩溶洞穴模式。 近EW向断层、鼻状构造南翼和上奥陶统地层尖灭线控制了TH12402 井区古岩溶洞穴的发育,形成了一套稳定延伸的单层状暗河结构[21]。
尽管如此, 如何理解和认识塔河油田奥陶系大型树枝状暗河系统的发育特征与成因模式, 尚缺乏详细的报道。 本文围绕塔河油田B94 井区奥陶系古岩溶暗河开展了详细的研究。利用地球物理技术开展古构造、古水文、古地貌以及古岩溶暗河精细刻画,并基于钻井资料分析洞穴充填特征, 探讨古岩溶暗河发育的主控因素,建立古岩溶暗河发育的地质模式,为该井区的井位部署提供地质依据。
塔河油田位于塔里木盆地阿克库勒凸起和哈拉哈塘坳陷接触带,北部为轮台低凸起,东北部与阿克库勒凸起轮古油田相接,南部为满加尔凹陷(见图1a),面积约750 km2。研究区为位于塔河油田西北部的B94 井区(见图1b)。 研究区加里东中期—海西早期持续发生构造抬升。受构造运动和风化剥蚀的影响,该区上奥陶统、中奥陶统一间房组缺失,中下奥陶统鹰山组上部也遭受一定程度的剥蚀。因此,塔河油田总体上呈现北高南低的构造背景,上奥陶统尖灭线呈EW 向延伸(见图1a);同时,在上奥陶统剥蚀区呈现东高西低的构造格局,泥盆系尖灭线呈SN 向延伸(见图1c)。 海西早期,塔河油田东部发育大型鼻凸状构造, 该构造延伸至B94 井区东南部。 研究区被围限在B93—A121—B92井一线控制的鼻凸构造和B94—A124—A192 井一线控制的构造高部位之间(见图1c)。
图1 塔河油田B94 井区位置及奥陶系顶面构造Fig.1 Location and structure at the top of Ordovician in B94 well block,Tahe Oilfield
塔河油田海西早期的构造运动过程中, 岩溶作用影响时间长、强度大。 该阶段B94 井区经历了大规模的大气淡水风化、淋滤作用,中下奥陶统顶部发育明显的岩溶地貌分异特征,并形成了典型的地表-地下二元流场结构,岩溶缝洞异常发育[22-24]。 因此,B94 井区是研究加里东中期—海西早期大气淡水岩溶作用和大型岩溶暗河的天然实验室。
研究区的古构造条件包括地层的破裂与变形2 个方面。在碳酸盐岩的破裂特征表征中,不同尺度的断裂和裂缝的刻画技术较为成熟,其中,张量属性、精细相干和蚂蚁体等属性具有良好的应用效果[25]。 基于B94井区奥陶系T76界面精细相干属性(见图2a)、蚂蚁体属性(见图2b),精细识别了研究区奥陶系的走滑断裂体系。
图2 塔河油田B94 井区奥陶系断裂体系与古构造平面分布Fig.2 Fault system and paleostructure plain distribution of Ordovician in B94 well block,Tahe Oilfield
B94 井区发育NNW—NNE 和NWW—NEE 向2 组大型X 形走滑断裂(见图2c)。 其中,该区发育3 条主干断裂, 分别位于A108—B94-1 井一线、A1115—A124井一线和B85—A188 井一线,主要沿着NNW 和NNE 向延伸。 主干断裂垂向延伸深度较大,可切穿奥陶系底界面,或称“贯穿型”断裂。次级断裂发育较为密集, 主要沿着NNW—NNE 和NWW—NEE 向延伸,并组合成为棋盘状结构。 次级断裂垂向延伸范围相对有限,或称“层控型”断裂。 研究区泥盆系尖灭线以东,棋盘状的次级断裂结构发育程度相对更高。
此外,通过T76—T56残余厚度图法初步恢复了海西早期古构造格局(见图2d)。 B94 井区呈现2 个明显的次级鼻凸构造, 分别位于B93—A121—B92 井一线以东和B94—A124 井一线以西地区。 其中,B94 井区西北部鼻凸构造的轴部主体位于A122—A1122 井一线,呈NE—SW 向展布。 因此,在2 个次级鼻状构造之间形成了一个天然的大型向斜构造, 其轴部位于A1126—A138—A192 井一线,呈NE—SW 向展布。
随着地球物理手段的进步, 古地貌恢复方法不断推陈出新。 常用的古地貌恢复方法主要包括残余厚度法和印模法、回剥和填平补齐法、沉积学分析法以及层序地层学恢复方法[26]。以石炭系双峰灰岩为标志层,采用印模法(T74—T56)恢复了B94 井区海西早期的岩溶古地貌(见图3a。图中颜色表示不同地形地貌)。同时,在层位解释的基础上,对T74层位进行大网格的平滑处理, 获取其平滑趋势, 可大致反映奥陶系的地形变化(见图3b)。 此外,利用T74层位趋势面与该层位作差,获取正负地形的变化特征及其分布(见图3c)。
塔河油田泥盆系尖灭线自西向东超覆在奥陶系顶界面, 该尖灭线对岩溶作用的主要影响体现在终止了泥盆系尖灭线以西海西早期岩溶的发生。因此,拉平石炭系双峰灰岩可大致恢复B94 井区加里东晚期—海西早期的岩溶古地貌。该区古岩溶地貌呈现东南高、西北低的特征, 发育岩溶台原和岩溶斜坡2 个二级古岩溶地貌单元。其中,岩溶台原主要分布在B93—A121—B92 井一线以东,B94 井区主要分布在岩溶斜坡区。 根据地表地势坡度的变化特点, 将岩溶斜坡区进一步划分为岩溶上斜坡和岩溶下斜坡, 两者之间的分界线位于A108—T738 井一线(见图3a)。
从T74层位趋势面分布特征来看,岩溶上斜坡和岩溶下斜坡地势变化差异显著。其中,岩溶上斜坡区除了呈现岩溶台原—岩溶上斜坡的SE—NW 方向的坡降特征之外,亦显示了东高西低、北高南低的地貌特征。值得指出的是,B94 井区东北部B94—A124 一线出现了一个显著的条带状地貌高部位,类似于NE—SW 向延伸的垄岗。 因此, 在A110—B94—A124—A192—A1106—A169 井一线和泥盆系尖灭线以东的区域内围限出一个相对平缓的负地形。 而岩溶下斜坡区则主要呈现东高西低的地貌格局(见图3b)。
B94 井区奥陶系正负地形的平面分布图显示:该 区正地形以长条状垄岗为主, 负地形以椭圆状洼地为主,发育中高幅度的地貌幅差,地震剖面上可达十几到几十毫秒,即几十米到100 多米(见图3c)。
重建古水系的主要方法包括精细相干技术、 古地貌恢复技术、趋势面识别技术、混频技术和曲率技术[17]。本文通过提取B94 井区奥陶系顶部精细相干属性(见图4a)、RGB 混频属性(见图4b,棕色、暗绿色为水系)和倾角曲率属性(见图4c),并参考奥陶系顶部古岩溶地貌图(见图3a)和古岩溶地表正负地形分布图(见图3c),综合识别了加里东晚期—海西早期古水系结构。
几乎所有的地震属性对主干水系的识别均较为敏感,B85—B92 井一线延伸的SN 向主干水系十分清晰。对于分支水系的识别,本文主要依据倾角曲率属性(见图4c)、RGB 混频属性(见图4b)和古岩溶地表正负地形分布图(见图3c),水系在这些图件上分别显示为深蓝色、棕色或暗绿色、浅蓝色。相比而言,这些图件更能清楚地反映水系的汇流结构, 如A115—A111 井和A108—T738 井控制的地区。
B94 井区奥陶系古岩溶地表水系具有以下几个基本特征。
1)该区识别出4 条主干水系,分别编号为R6,R7,R8,R10。 2)R6 和R8 主干水系自北向南汇流,分支水系异常发育, 且多从主干水系东侧汇入, 呈不对称分布, 东侧的分支明显多于西侧;R7 主干水系自北东向南西汇流,分支水系主要分布在西北侧;R10 主干水系自南向北汇流, 分支水系主要分布在主干水系东侧。3)主干水系的蛇曲特征普遍十分显著,局部见牛轭湖或截弯取直现象,如B92 井北侧(见图4d)。4)R8 主干水系呈现显著的分段特征,A1104 井以北可分为NNW和NNE 向延伸的2 个分支水系,A1104 井以南为主干水系。 其中:分支水系的横剖面呈现浅缓的V 字形、局部下切深度大(见图5。图中:1—9 为水系编号,蓝色箭头所指为河床位置。 剖面位置见图4d),河床整体较为稳定;主干水系为一条深切的峡谷,分支水系的地表水最终全部汇入该峡谷之中(见图4d),并在河床上呈现明显的梯级变化特征(见图3c)。
利用B94 井区奥陶系顶面以下6 ms 到鹰山组上段底界面平均绝对振幅(见图6a)和奥陶系顶面以下40 ms RGB 三色混频属性(10,24,45 Hz)(见图6b。 图中棕色、暗绿色为水系)刻画该井区岩溶暗河的平面结构。岩溶暗河在平均绝对振幅属性、混频分色切片上表现为连续的条带状特征(见图6);在顺暗河方向的地震剖面上表现为连续的强反射特征,横剖面表现为“串珠状”反射特征(见图7);钻井中表现为放空和钻井液漏失等现象,测井曲线显示为井径扩大,钻时加快。
图6 塔河油田B94 井区奥陶系岩溶暗河平面分布Fig.6 Plane distribution of karst conduit of Ordovician in B94 well block,Tahe Oilfield
图7 塔河油田B94 井区奥陶系岩溶暗河地震反射特征Fig.7 Seismic reflection characteristics of karst conduit of Ordovician in B94 well block,Tahe Oilfield
本文主要聚焦解析海西早期岩溶暗河, 重点解释了B94 井区泥盆系尖灭线以东的岩溶暗河(见图6c)。B94 井区奥陶系发育大型岩溶暗河系统,以R8 主干水系北端点(即A1104 井附近)为界,岩溶暗河的发育呈现南北分异特征。其中:界点以北发育一套大型树枝状暗河,该暗河网络东西两翼分别沿着NNE 和NNW 向延伸,分别命名为P1 和P2。界点以南发育4 套岩溶暗河,分别命名为P3—P6。P3 和P4 主要位于R8 亚流域岩溶峡谷东侧,主要沿着SEE 和SWW 向延伸,呈树枝状展布;P5 和P6 主要位于R8 亚流域岩溶峡谷西侧,沿着NNW 向延伸,呈单支状展布。
界点以北大型SN 向汇流的树枝状岩溶暗河是B94 井区最具特色的岩溶缝洞空间, 也是最为典型的综合性洞道系统, 它与该井区发育的地表汇流结构呈现极为典型的映射关系。
为了清晰地展示B94 井区奥陶系岩溶暗河的垂向分布特征,围绕B94 井区A1104 井以北的树枝状暗河构建了3 条剖面。如图6c 所示,剖面ab为岩溶暗河P2 及其西翼P21, 剖面cd为岩溶暗河P1 及其东翼P12,剖面ef为岩溶暗河P2 的东翼P22。
B94 井区奥陶系岩溶暗河垂向上稳定发育在距T56层位以下120 ms 左右,延伸范围大,不同岩溶暗河的洞道样式及其与地表水系的关联度存在差别(见图7)。
剖面ab显示,岩溶暗河延伸达15 km,垂向上洞道结构稳定。在暗河的中段可见地表河流显著下切,贴近岩溶暗河,局部见落水洞;在暗河的下段可见暗河流出至地表河中。 剖面cd显示,岩溶暗河延伸达17 km,垂向上洞道结构多变,与剖面ab相比,除了稳定延伸的特征之外,呈现洞穴高度的宽窄变化,局部发育潜流回路,呈宽缓的V 字形。 在岩溶暗河的北端可见地表河流作为暗河入口, 在岩溶暗河的南端可见地表河流作为暗河的出口。剖面ef显示,岩溶暗河延伸达8 km,垂向上洞道结构稳定,暗河中下段洞穴高度相对更大。该段最显著的特征是地表河流深切, 且地表河床已抵达暗河发育深度, 因此导致该区地表水和地下水相互缠绕,进而频繁发生地表水与地下水相互转化。
在大气淡水岩溶作用之下, 岩溶暗河内部往往伴生陆源碎屑矿物充填、化学沉淀和机械垮塌物质[19]。由于奥陶系碳酸盐岩围岩与暗河内部充填物岩石物理组分的差异性, 钻遇岩溶暗河的单井洞穴发育段往往在测井曲线上具有强烈的响应特征, 可以区分出不同类型的充填程度和充填物[13]。 按照岩溶洞穴充填程度的差异性, 可将B94 井区奥陶系岩溶洞穴划分为未充填、部分充填和全充填3 种类型(见图8)。
图8 B94 井区奥陶系古岩溶洞穴充填类型Fig.8 Filling types of paleokarst caves of Ordovician in B94 well block,Tahe Oilfield
B94 井区奥陶系钻井揭示的洞穴规模变化较大,根据洞穴段高度的大小可以划分为小于5 m、5~10 m、10~30m 和大于30 m 的洞穴(见图8。叠合底图为图6a)。B94 井区23 口实钻井中共发现31 个洞穴, 以中小尺度的岩溶洞穴为主。 其中:小于5 m 和5~10 m 的洞穴数占比为83.87%, 分别为15,11 个;10~30 m 和30 m以上的洞穴数占比为16.13%,分别为4,1 个。 31 个洞穴中以未充填为主,未充填、半充填和全充填的洞穴分别为18,5,8 个,分别占比58.06%,16.13%,25.81%。其中,钻遇岩溶暗河的洞穴为12 个,未充填、半充填和全充填的洞穴分别为7,3,2 个, 分别占比58.33%,25.00%,16.67%。 实钻揭示的洞穴充填程度宏观分布特征主要有2 个:岩溶暗河的中下段与上段相比,中下段洞穴的全充填和半充填的概率更高; 岩溶暗河的东西两翼相比,东翼岩溶暗河洞穴的充填概率更高。
将B94 井区奥陶系古岩溶地貌、古岩溶水文、断裂体系和古构造分别与岩溶暗河叠合(见图9),发现奥陶系显著的地势坡降、NNE—NNW 向走滑断裂和次级背斜间的向斜构造共同控制了岩溶暗河的发育。
1)岩溶暗河主要发育在岩溶上斜坡区内部相对平坦的负地形区, 特别是A110—B94—A124—A192—A1106—A169 井一线和泥盆系尖灭线以东的区域内围限的相对平缓的负地形地区。 其北部为B94—A124井一线出现的一个显著的条带状地貌高部位, 南部为B93—A121—B92 井一线东南侧的岩溶台原, 因此具备显著的地势坡降条件(见图9a)。同时,该区是R8 地表亚流域的分支水系密集发育地区, 分别为NNW 和NNE 向延伸的2 个分支水系,NNW 向分支水系的蛇曲特征更加显著, 汇聚了来自东侧高地貌区的大量地表降水,具有充沛的地表水供给条件。
2)B85—A188 井一线控制的NNE 向主干断裂、B85—A122 井一线控制的NNW 向次级断裂、A1126—A115 井一线控制的NNE 向次级断裂以及A113—A192 井一线和A138—A174 井一线控制的NWW 和NEE 向次级断裂,控制了树枝状岩溶暗河的平面分布和延伸方向。 其中:B85—A188 井一线控制的NNE 向主干断裂、A1126—A115 井一线控制的NNE 向次级断裂以及A113—A192 井一线和A138—A174 井一线控制的NWW 和NEE 向次级断裂具有显著的导水作用,来自东侧高地貌的地表水可沿着这些断裂向西侧延展; 而B85—A122 井一线控制的NNW 向次级断裂具有相对的阻水作用,大型暗河并没有突破该断裂进一步向西拓展。这些断裂体系中,以NNE 和NNW 向走滑断裂尤为重要,它奠定了岩溶暗河的宏观雏形(见图9b)。
3)B94 井区奥陶系树枝状岩溶暗河主要分布在2个次级鼻状构造之间形成的大型天然向斜构造之中。该构造单元是一个有利的蓄水构造, 控制了岩溶暗河的分布范围。 受到有利的地表水力梯度和地下蓄水构造的双重影响,B94 井区A115 井和A1126 井南部可见明显的暗河被地表水系截断的现象(见图7c),说明地表水与地下水频繁交替、转化便利(见图9c)。
岩溶暗河的发育具有其独特的水文地质条件,包括岩溶水的补水、汇水和导水条件,并受到岩性边界、水文学边界等多种因素的影响[27-29]。 大型树枝状岩溶暗河往往被认为是大气淡水岩溶作用的产物[30]。
4.2.1 岩溶暗河发育的补水条件
B94 井区奥陶系位于岩溶上斜坡区。 从古岩溶地貌恢复图可以看出,正地形以长条状垄岗为主,负地形以椭圆状洼地为主,地貌幅差可达几十米到100 多米,形成了中—高幅度地貌分异,因此,该区具备相对显著的地形分异能力。尽管没有形成大型深切岩溶峡谷,但A110—B94—A124—A192—A1106—A169 井 一 线 和泥盆系尖灭线以东的区域内围限的相对平缓的负地形地区与周缘的高地貌区依然可形成有利的地势梯度。在这种地貌条件之下,B94 井区R8 亚流域上游形成了NNW 和NNE 向延伸的2 个分支水系, 并使得来自北部、东部和东南部高地貌部位的地表降水汇聚到这2 个分支水系之中,整体向南部汇流,最终汇入R8 亚流域的岩溶峡谷之中(见图9a。 图中颜色表示不同地形地貌)。因此,B94 井区奥陶系古岩溶流域面积大,汇水量充沛,为岩溶暗河的发育提供了极为有利的补水条件。
4.2.2 岩溶洞穴发育的导水条件
B94 井区奥陶系岩溶暗河的平面分布主要受到NNW—NNE 和NWW—NEE 向2 组大型走滑断裂的控制。 这种特征说明海西早期岩溶水主要受到这2 组方向走滑断裂的输导,走滑断裂控制了岩溶水的流向。需要指出的是,B85—A188 井一线控制的NNE 向主干断裂的导水性极强, 来自东部和北部高地貌部位的地表水相当一部分经过该组断层转入地下;A113—A192 井一线和A138—A174 井一线控制的NWW 和NEE 向次级断裂在一定程度上发挥着分流作用(见图9b)。 而B85—A122 井一线控制的NNW 向次级断裂除了具备导水能力之外,亦具有阻水作用,东侧分支暗河P22 的地下水皆汇聚到该断裂控制的暗河之中, 然而并没有进一步向西拓展,这说明这条NNW 向次级断裂成为了壅水带(见图9d)。
4.2.3 岩溶暗河发育的汇水条件
B94 井区海西早期古构造和奥陶系古岩溶暗河叠合图显示,B94 井区奥陶系岩溶暗河发育在2 个鼻状构造凸起所围限的向斜构造部位(见图10a,剖面位置见图9c)。很显然,该向斜构造控制了B94 井区奥陶系地下水的汇流及其平面分布范围(见图9c)。
图10 塔河油田B94 井区奥陶系古岩溶暗河发育模式Fig.10 Development pattern of the paleokarst conduit of Ordovician in B94 well block,Tahe Oilfield
综上所述,塔河油田B94 井区奥陶系呈现典型的喀斯特流域二元形态结构,即发育地表-地下双重水系网络结构。由于岩溶上斜坡区显著的地貌分异,该区水力梯度强,得益于完善的SN 向汇流的流域结构,该区地表汇水量大、流速快。 此外,NNW—NNE 和NWW—NEE 向2 组走滑断裂提供了有利的导水条件,次级鼻状凸起之间向斜位置提供了先天的汇水条件。这些因素共同控制了大型树枝状岩溶暗河的发育。因此,笔者构建了岩溶上斜坡区向斜构造部位走滑断裂控制的岩溶暗河发育模式(见图10)。该模式具有以下特点:1)古岩溶地貌分异明显,发育中高幅度的岩溶地貌单元,提供了岩溶水流动的有利水力梯度;2)古岩溶地表水系发育密集,整体呈树枝状展布、SN 向汇流、汇水量大、流速较快的特点, 具备岩溶水补给的先天优势;3)NNW—NNE 和NWW—NEE 向2 组走滑断裂控制岩溶暗河的延伸方向,断裂的导水、阻水效应共存;4)鼻状构造之间的向斜构造控制了地下岩溶水的汇聚;5)垂向上发育单层稳定延伸的树枝状洞道, 地表水与岩溶暗河频繁交替,岩溶暗河在下游流出至地表河流(见图10b)。
1) 塔河油田B94 井区奥陶系岩溶地貌东南高、西北低,北高南低,以中高幅度岩溶地貌为主。 该区发育典型的喀斯特流域二元流场结构。 古岩溶地表水系整体呈不对称的树枝状展布,自北向南汇流,最终汇入岩溶峡谷;古岩溶地下水系以大型树枝状暗河为主,与地表水系呈映射结构。
2)塔河油田B94 井区奥陶系发育大型树枝状岩溶暗河。 该区洞道延伸长度长且稳定,主要分布在T56界面以下120 ms 左右, 古岩溶暗河受到地表水系的深切,地表与地下频繁交替、相互转换,岩溶暗河内部可识别出明显的地表河入口、落水洞和地表河出口。
3)塔河油田B94 井区奥陶系岩溶暗河的实钻井揭示的洞穴以高度10 m 以内的岩溶洞穴为主,且未充填的概率占比超过50%。 岩溶暗河的中下段和岩溶暗河的东翼中洞穴充填概率相对更高。
4)塔河油田B94 井区奥陶系显著的地势坡降、次级背斜之间的向斜构造和NNE—NNW 向走滑断裂共同控制了岩溶暗河的发育,形成了岩溶上斜坡区“向斜部位走向断裂汇流型”岩溶暗河发育模式。