塔河地区奥陶系深埋岩溶洞穴特征及保存机制初探

雷川，陈红汉，苏奥，韩淑敏

塔河地区奥陶系深埋岩溶洞穴特征及保存机制初探

雷川1，2，陈红汉1，3，苏奥3，韩淑敏4

（1.中国科学院兰州油气资源研究重点实验室，兰州730000；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国地质大学（武汉）资源学院，武汉430074；4.中国石油集团东方地球物理有限责任公司，河北涿州072750）

塔河地区奥陶系碳酸盐岩深埋岩溶洞穴的埋藏深度较大，在世界范围内罕见，是研究深埋洞穴的典型实例，目前对于其保存机制尚不清楚。根据钻井、测井和地震资料，在深入调研研究区深埋古岩溶洞穴的识别、分布和充填特征的基础上发现：①岩溶高地充填程度相对于岩溶斜坡明显偏高；②伴随垮塌的钟乳石类次生化学沉淀多集中于岩溶高地；③洞穴内可见海岸碎屑岩；④T74不整合面以下200 m深度段内存在多个洞穴系统，均暗示洞穴的保存与潜水面有关，因此可推测出该区埋藏岩溶洞穴的保存与潜流带水力支撑作用有关。

深埋岩溶洞穴；识别与分布；充填特征；保存机制；塔河地区

0 引言

碳酸盐岩风化壳岩溶储层是重要的油气储集层之一，尤其是溶洞和洞穴型储层，其储集空间规模大，具备形成大型油气田的潜力，已成为油气勘探的重要领域，并受到国内外学者持续、广泛的关注［1-3］。在Loucks［2］统计的35个古洞穴系统中，埋藏深度最大的是Delaware和Val Verde盆地的垮塌角砾岩充填洞穴，为5 335 m，但未见完好的洞穴保存；保存较好的洞穴中，埋藏深度最大的是Oklahoma盆地的洞穴［4-5］，为1 950 m（高2 m）。塔河地区深度为5 000 m以下的奥陶系地层发生放空漏液的钻井达数百口，漏失段深度甚至达6 772 m，并全部分布于不整合面以下300 m深度段之内，平均距不整合面90 m［6］。研究区洞穴埋藏深度之大，在世界范围内较为罕见。目前对于该洞穴为何能保存在如此深的地层中及保存机制方面的研究尚属薄弱环节，而且对于洞穴承载能力的研究也仅局限于浅部洞穴［7-8］。鉴于研究区深埋岩溶洞穴与世界其他盆地碳酸盐岩储层岩溶洞穴的特征及保存深度均有较大差异，因此有必要弄清该区深埋岩溶洞穴的保存模式。笔者以塔河地区奥陶系为调研对象，总结该区洞穴的识别、分布和充填特征，并探讨其保存机制，以期为该区油气勘探和深埋洞穴理论研究提供参考。

1 深埋岩溶洞穴识别与分布

塔河油田奥陶系碳酸盐岩经历了至少6期构造运动，形成了多期地表和近地表条件下岩溶的叠加改造，发育了大规模的岩溶型储层，其储集空间包括溶孔、溶缝、溶洞和洞穴。其中，洞穴的类型可分为充填型、未充填型以及半充填型（过渡类型）。深埋岩溶洞穴不像浅埋洞穴能够利用GPR（探地雷达）等手段进行识别，甚至关于其存在也受到部分学者的质疑，然而利用钻井、测井和地震等手段却可在一定程度上反映并揭示塔河地区深埋岩溶洞穴的存在及特征。

1.1深埋岩溶洞穴识别

首先，在塔河油田发生钻井放空的频率较高，已统计的822口井中有351口井在奥陶系发生放空漏失，漏失率达42.7%①丁勇，邵小明.塔河油田奥陶系岩溶洞穴及断裂平面分布图.中国石化西北油田分公司，2007.，放空厚度为小于1 m到大于30 m不等，并伴有泥浆漏失，漏失量甚至达2 000 m3以上。其次，塔河油田中、下奥陶统均以浅海台地碳酸盐岩为主，纵向上岩性无剧烈变化，测井曲线波动较小；在中、上奥陶统分界线（T74不整合面）以下均发育多个古岩溶洞穴系统，测井曲线具有明显的规律性，充填和半充填洞穴一般均表现为扩径，电阻率、密度减小，声波时差、中子孔隙度和自然伽马增大。最后，地震波遇到洞穴系统会发生速度减小、振幅衰减、频率变化、散射、绕射及吸收等现象，从而在地震剖面上形成一系列特殊带，具体为：①洞穴系统在偏移剖面上表现为“串珠状”短反射［9-10］，经后期钻井验证，吻合率高达92%［11］；②裂缝和溶洞发育带均表现为振幅变化率加大，呈线性分布的振幅变化率异常指示了地下暗河通道的存在，零星分布的异常点指示了落水洞的存在［9，12］；③频率差异振幅相关异常（FDCA）反映了碳酸盐岩风化壳岩溶的垂直渗流溶蚀和水平径流溶蚀的特征［13］，唐文榜等［14］在S48井的3个等时切片中识别出不同深度和不同延伸方向的古暗河、落水洞和脚洞；④在平均相干值弱的区域，岩溶和裂缝的发育程度均相对较高，据统计，处于强相干性区域中的9口井的储层物性相对不好且极少见油气显示，而处于弱相干性区域中的35口井的储层物性好且有28口井获得油气［9］。

综上所述，钻井、测井和地震资料的综合运用可以在一定程度上证明塔河地区深埋藏洞穴的存在。

1.2深埋岩溶洞穴分布

在塔河地区部分钻井资料的基础上，笔者综合研究了该地区奥陶系深埋岩溶洞穴的分布特征，发现：①洞穴的发育深度几乎在T74不整合面以下200 m深度段内，而且至少可见4个相对密集发育段，分别为不整合面以下1～20 m，30～60 m，80～100 m和140～160 m深度段，甚至在大于180 m的深度段也有洞穴发育（图1），说明T74不整合面以下200 m深度段内可能存在4个洞穴层；②充填洞穴主要集中于古岩溶高地，未充填和半充填洞穴均主要分布于古岩溶斜坡（图2）。塔河地区深埋岩溶洞穴的保存机制可能与该分布特征有关。

图1 洞穴发育段距T74不整合面的深度与钻遇井数频率图Fig.1 The plot of the number of drilling wells and the distance between T74unconformity and caves

图2 不同类型钻井在塔河地区平面分布图（底图为T74不整合面在海西早期古地貌图）Fig.2 Distribution of different types of drilling wells in Tahe area

2 深埋岩溶洞穴充填特征

深埋岩溶洞穴的充填物揭示了洞穴的成因及后期垮塌、化学充填的过程。塔河地区奥陶系深埋岩溶洞穴的充填类型包括机械沉积岩充填型、化学充填型和垮塌角砾充填型。不同充填物在测井曲线上具有明显的规律性（图3）。图3（a）中5 681～5 688 m深度段为巨晶方解石所充填，距离T74不整合面190 m，深侧向电阻率值和浅侧向电阻率值异常高，均大于20 000 Ω·m，其他测井曲线接近纯灰岩段曲线特征。图3（b）中6 103～6 114 m深度段为暗河沉积物所充填，距离T74不整合面111.5 m，钻井显示为泥质充填，深侧向电阻率和浅侧向电阻率均明显减小，且二者差值明显增大，密度明显减小，自然伽马、声波时差、井径均明显增大，铀、钍、钾含量也均明显增大。图3（c）中5 856～5 884 m深度段为泥质加底部垮塌角砾岩所充填，距离T74不整合面89 m，其中5 856～5 875 m深度段为泥质充填特征；5 875～5 884 m深度段为垮塌角砾岩充填特征，深侧向电阻率、浅侧向电阻率、声波时差、自然伽马和补偿中子测井曲线均波动较大，呈锯齿状。

图3 塔河地区不同充填类型洞穴测井响应特征Fig.3 Logging response characteristics of karst caves with different fillings in Tahe area

2.1机械沉积岩充填物

对于塔河地区洞穴的钻井取心，暗河沉积岩是该类充填物中最为常见的，其次是洞穴内沉积的海岸碎屑岩。暗河砾岩的砾石成分主要为碎屑灰岩和微晶灰岩等，偶见钟乳石碎片，略具磨圆度，分选性较差，略具定向或无定向排列；海岸碎屑岩的颗粒主要为陆源石英碎屑，缺乏灰岩碎屑，充填物为方解石胶结物，且颗粒的分选性和磨圆度均较好，成分成熟度和结构成熟度均较高①李国蓉.塔河油田奥陶系碳酸盐岩古岩溶作用研究.中国石化石油勘探开发研究院，2002.。这说明充填颗粒并非源自碳酸盐岩储层内部，而是由海侵过程中随海水搬运进入洞穴的碎屑沉积而成。

2.2化学充填物

塔河地区洞穴的化学充填物主要包括巨晶方解石和钟乳石，少量石膏和萤石。巨晶方解石厚度达0.7～7.0 m，其中可见缝合线构造。塔河地区深埋岩溶洞穴内钟乳石较为普遍，而在其他盆地几乎未发现。例如，在T403井、S66井、S71井和T416井部分井段均可见沉淀于洞穴内的钟乳石［15］；在S85井5 960.00～5 966.58 m和S99井6 171.72～6 178.05 m深度段均可见巨晶方解石，并保存有大量的有效空间，在S114井6 322.79～6 329.68 m深度段见一小型溶洞，高约10 cm，自下而上由化学沉淀的粒状方解石层和钟乳石状方解石纹层构成［16-17］。笔者在深入调研含钟乳石钻井的基础上，发现有钟乳石发育的井位几乎都位于海西早期古地貌岩溶高地（表1）。

表1 部分含钟乳石钻井的分布位置Table 1 Distribution of part of the drillings with stalactites

2.3垮塌角砾充填物

洞穴垮塌角砾岩是洞穴到达所承受的压力极限时，洞穴顶板或洞壁发生原地破裂、堆积并成岩的产物。一般角砾岩的粒径为0.5～1.0 cm，最大达数十厘米，分选性和磨圆度均差，且磨圆度为棱角—次棱角状，呈杂乱堆积。砾石成分以碎屑灰岩、微晶灰岩和方解石晶体为主，胶结物为方解石、泥质、泥晶碳酸盐岩颗粒和碳酸盐岩碎屑等。

3 深埋岩溶洞穴保存机制初探

尽管研究区内大量洞穴被充填，但仍有少量洞穴得以保存。相对于其他地区的洞穴，研究区洞穴最突出的特征是埋藏深度大，然而关于其保存机制尚不清楚。笔者根据塔河地区深埋岩溶洞穴的分布特征和充填物特征推测出该区深埋岩溶洞穴的保存机制是潜流带水力支撑作用。潜水面以下的洞穴饱含水，即水洞，对于支撑洞穴起到积极作用。一般而言，洞穴充填流体后产生的浮力可以承受40%的上覆地层压力［18］，具体依据如下：

（1）深埋岩溶洞穴分布规律显示充填洞穴主要集中于海西早期古岩溶高地，未充填和半充填洞穴主要分布于斜坡（参见图2）。这可能说明潜水面以下的斜坡带洞穴因饱含水而得以保存，潜水面以上的高地洞穴属于干洞，洞穴处于包气带，失去了水动力条件，而且高地风化剥蚀程度相对强烈，使得岩石变脆、易碎，崩塌现象显著（图4）。

（2）洞穴内的钟乳石类化学充填物较常见，而且主要发育在岩溶高地，相对较少发育在斜坡带。洞穴处于包气带时，在垮塌萎缩阶段发生次生化学沉积，形成钟乳石，而潜流带则不会产生。这说明了岩溶高地包气带洞穴坍塌普遍，而斜坡潜流带洞穴却保存相对较好。

图4 潜流带水力支撑作用与洞穴保存机制模式图Fig.4 The hydraulic support of undercurrent and preservation mechanism of burial caves

（3）洞穴内可见的海岸碎屑颗粒并非来源于碳酸盐岩储层内部，而是来源于外来海水。洞穴充填的水（流体）属于潜水，而潜水面又与海平面升降有关，所以支撑洞穴保存的潜水实际上受控于海平面的变化。T74不整合面以下200 m深度段内存在多个洞穴系统，也正好暗示了潜水面具有周期性变化。

随着地层埋深逐渐加大，洞穴负荷不断增大。若洞穴空间仍被水充填，则流体会承载部分负荷，洞穴相对不易垮塌（参见图4）。因此，潜水面以下的水洞比干洞更有可能保存在地层深部。

4 结论

（1）塔河地区奥陶系洞穴属于典型的深埋古岩溶洞穴系统。尽管垮塌和充填普遍，但是仍可探测到保存较为完好的半充填和未充填型洞穴，它们是研究区内重要的油气储集体。

（2）钻井、常规测井、成像测井以及地震等方法的联合使用可有效识别深埋岩溶洞穴。塔河地区奥陶系深埋岩溶洞穴的充填类型分为机械沉积岩充填型、化学充填型和垮塌角砾充填型。

（3）岩溶高地充填程度相对于岩溶斜坡明显偏高，伴随垮塌的钟乳石类次生化学沉淀多集中于岩溶高地，洞穴内可见海岸碎屑颗粒以及不整合面以下200 m深度段内存在多个洞穴系统等现象，均暗示了洞穴的保存与潜水面有关，因此推测出该区深埋岩溶洞穴的保存机制是潜流带水力支撑作用。

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（本文编辑：涂晓燕）

图版Ⅰ

（本文编辑：王会玲）

Characteristics and preservation mechanism of the Ordovician deep burial karst caves in Tahe area

LEI Chuan1，2，CHEN Honghan1，3，SU Ao3，HAN Shumin4
（1.Key Laboratory of Petroleum Resources Research，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Faculty of Earth Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；4.Bureau of Geophysics Prospecting Inc.，CNPC，Zhuozhou 072750，Hebei，China）

TheOrdoviciankarst caves in Tahe area are characterized deep buried depth,and they are the typical examples to study deep buried caves.The preservation mechanism is not clear.Based on drilling,logging and seismic data,this paper studied the recognition,distribution and fillings of deep burial paleokarst caves.The result shows that:①filling degree in highland is higher than that in slope relatively;②stalactite precipitation associated with collapseis is mainly inkarst highland;③clasticrockderivedfrombrinesediment isobservedincaves;④thereareseveral cavesystemsunder the unconformity within 200 m depth.All of these conclusions suggest that the preservation of caves is related to the ground water level.The preservation mechanism of deep buried karst caves may be the hydraulic support of undercurrent.

deepburiedkarstcaves；recognitionanddistribution；fillingfeatures；preservationmechanism；Tahearea

TE121.1+3

A

1673-8926（2014）02-0027-05

2013-09-03；

2013-10-10

国家重点基础研究发展计划（973）项目“塔里木盆地构造差异演化与下古生界油气成藏过程”（编号：2012CB214804）和国家重大科技专项“深层油气有效储集体形成、分布规律与预测技术”（编号：2011ZX05008-003-30）联合资助

雷川（1988-），男，中国科学院大学在读硕士研究生，研究方向为碳酸盐岩储层地质学。地址：（730000）甘肃省兰州市城关区东岗西路382号。电话：（0931）4960870。E-mail：leichuan1988@163.com。