塔河油田奥陶系古径流岩溶带垮塌充填特征

金 强，田 飞，鲁新便，康 逊

[1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580； 2.中国科学院 地质地球物理研究所，北京 100029；3.中国石化 西北分公司 勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830011]

塔河油田奥陶系古径流岩溶带垮塌充填特征

金 强1，田 飞2，鲁新便3，康 逊1

[1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580； 2.中国科学院 地质地球物理研究所，北京 100029；3.中国石化 西北分公司 勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830011]

岩溶缝洞是塔河油田主要储集空间，但是它们70%以上的空间被地下河沉积砂泥和洞穴垮塌角砾等物质所充填，其中垮塌角砾约占30%。研究这些垮塌角砾的形成和分布对于岩溶储层地质学具有重要意义。通过野外考察、岩心观察以及测井和地震资料分析，发现径流岩溶带垮塌角砾大小、形态不一，而且与地下河砂泥沉积呈互层出现，颗粒较小的垮塌角砾有被搬运迹象；洞穴规模越大(如厅堂洞和干流洞)、越靠近活动性断层的溶洞和表层岩溶带的溶洞，垮塌角砾岩堆积厚度越大；颗粒较小的(<2 cm)垮塌角砾岩孔渗性差，颗粒较大者可具有较好的储集性能和含油性，后者构成了塔河油田岩溶缝洞储层的一部分。

缝洞；垮塌角砾岩；径流岩溶带；奥陶系；塔河油田

塔河油田位于塔里木盆地沙雅隆起中段的高部位，是我国发现的石油储量最大、产量最高的碳酸盐岩油田，其原油主要产自奥陶系岩溶储层[1-3]。该储层是塔北隆起发育期(晚加里东期—早海西期)奥陶系灰岩经历了长期的岩溶作用，形成的大面积岩溶缝洞等储集空间[4-5]，其中塔河油田主体区奥陶系灰岩内发育了完善的表层岩溶带、渗流岩溶带、径流岩溶带和潜流岩溶带[6-8]。经过20多年的开发，发现径流岩溶带缝洞储集空间大，是塔河油田原油储量和产量的主体[9-10]。

径流带缝洞发育数目多、空间结构十分复杂，国内外学者进行了地质、地球物理和地球化学等多方面的研究[11-13]，提出了各种成因演化模式和成因结构[14-16]，还对缝洞充填特征提出了不同机制和充填模式[17-19]，尤其是巴楚-柯坪隆起奥陶系古岩溶露头的考察[20-21]，对认识塔河油田缝洞形成和储层特征具有很好的指导意义。作者跟踪国内外研究趋势，通过野外考察、样品分析和综合研究，针对塔河油田奥陶系岩溶缝洞形成过程，提出了不同岩溶带的缝洞结构模式[8]、缝洞充填物类型识别及其分布规律，并且论述了沉积充填物[22]和化学充填物[23]特征及形成过程。通过对塔河油田主体区径流岩溶带的研究，发现其中垮塌角砾在缝洞碎屑充填物中占30%以上，但是变化范围非常大(20%～100%)，含油性也差别很大，所以研究它们的分布规律、形成控制因素以及它们的储集物性具有丰富岩溶储层地质理论的意义。

1 径流岩溶带缝洞垮塌充填物特征

位于塔北隆起带西部的巴楚隆起发育良好的奥陶系古岩溶露头。硫磺沟地区出露的一个古溶洞应该是径流岩溶带溶洞(图1a)[21]，因为该洞下部为地下河径流沉积充填砂泥(图1b)，左上角为垮塌角砾充填物(图1c)，该垮塌角砾为洞顶原地垮塌、具有原岩的成层性，但是碎裂作用明显。

塔河油田主体区(4区、6区和7区)钻井揭示了奥陶系比较完善的表层岩溶带、渗流岩溶带和径流岩溶带[7-8]。径流岩溶带的溶洞主要是地下河溶蚀作用形成的，由厅堂洞、干流洞、支流洞和末梢洞组成[8-22]。

厅堂洞规模大(钻井揭示的洞高一般大于15 m，最宽可达2 km以上)，充填物类型多。例如T403井在埋深5 487.4～5 554.4 m钻遇洞高67 m的厅堂洞，由岩心和测井解释证实，该厅堂洞完全被垮塌角砾-沉积砂泥所充填，呈现出10个韵律(图2a，图1d—h)。

这是典型的周期性岩溶动力学事件：降雨量较大时，地表河携带大量泥砂通过落水洞等进入径流带地下河，形成地下河砂泥沉积[22,24-25]，同时溶洞周缘溶蚀作用强烈；在降雨量减小时，径流带地下河作用减弱或断流，潜水面下降造成溶洞顶板抗压强度降低，使得洞顶垮塌，形成垮塌角砾堆积。垮塌角砾具有磨圆现象(图1f,g)。这种磨圆有两种可能：一是垮塌角砾被地下河搬运而磨圆；另一种认为是垮塌之前被岩溶水淋滤的结果。

干流洞(洞高为5～15 m)也常见垮塌角砾与沉积砂泥间互充填的现象(图2b)，该干流洞顶部还有1.5 m未被充填。

一些小型溶洞(包括洞高为0.5～5 m的支流洞和洞高小于0.5 m的末梢洞)垮塌角砾充填比沉积砂泥充填多，而且会有方解石等化学充填物。例如S64井在埋深5 499.3～5 500.4 m钻遇到一个支流洞，大部分被垮塌角砾充填，顶部充填巨晶方解石(图2c)。

野外露头和成像测井可以看到很大的垮塌角砾(图1a)，岩心上观察到的垮塌角砾一般不超过5 cm(图1d—h)，而且本身具有很多的溶蚀裂缝，角砾间或裂缝内常见砂泥充填物，还有一些化学胶结物，可能具有较好的储集性能。

2 径流岩溶带垮塌充填物形成的控制因素

通过塔河主体区的160余口探井及相关测井和地震资料综合解释，发现靠近断层和落水洞的部位垮塌角砾比较发育[8]，此外，如果原岩为薄层灰岩，也容易形成垮塌角砾。

图1 巴楚隆起露头和塔河油田岩心观察到的奥陶系径流岩溶带垮塌充填物特征

图2 塔河油田钻遇的径流岩溶带溶洞沉积砂泥和垮塌角砾充填特征

许多学者发现奥陶系岩溶期前有些断层开始发育,而更多断层是岩溶期发育的，还有少量断层是岩溶期后发育的[26-27]。作者发现岩溶期的断层规模不是很大(断距<100 m)[8,16]，但是对岩溶作用具有明显控制作用：断层控制表层岩溶带的地表河和落水洞的发育、控制渗流带的渗流井和驻水洞发育，控制径流带地下河的走向和厅堂洞的发育，厅堂洞与落水洞往往发育在两条断层交叉处[8]。TK423井在埋深5 573.0～5 575.6 m处钻遇一个支流洞，被三期垮塌角砾完全充填(图3a)，地震资料解释表明，该支流洞紧靠一条断层(图3b)，该断层切割了岩溶上下地层，说明岩溶期有活动[17]，所以造成附近溶洞垮塌充填。

岩溶型碳酸盐岩油田的开发，常把连通的缝洞称为缝洞单元[28]。本文作出了T615井缝洞单元内部垮塌角砾充填物的等厚图(图4a)[29-30]，可以看出，T615井—TK730井一带为一个厅堂洞，垮塌角砾岩厚度在TK730井附近厚度最大(达9 m)；TK632井为支流洞，垮塌角砾厚度不足3 m；TK632井北东方向为干流洞，垮塌角砾厚度可达5 m，其他地方垮塌角砾厚度基本在4 m以下(图4a)。T615井钻在该厅堂洞靠近边缘位置，垮塌角砾厚度不足4 m，在成像测井上明显看出角砾形态(图4b)。

实际上，T615—TK730井一带厅堂洞附近的断层比较发育(图4c)，而且TK730井附近断层更多一些，所以该井附近的垮塌角砾厚度也大一些，尤其是TK730井东侧断层发育，垮塌作用还造成地震上的窜珠反射。虽然这些断层的断距不大，但是都是在岩溶期活动，所以对于垮塌角砾的形成起到直接控制作用。

图3 塔河油田T423井地层综合柱状图(a)及过该井地震剖面(b)

受岩溶作用的碳酸盐岩单层厚度与产状也对垮塌角砾形成起控制作用。例如，湖南张家界附近的黄龙洞是经受岩溶作用的石炭系-二叠系灰岩组成，供游人参观的区域主要是径流岩溶带的厅堂洞和部分干流洞。厅堂洞规模很大(洞高可达140 m)，垮塌角砾在厅堂洞内堆积如山，其原因是石炭系—二叠系主要薄层灰岩与泥岩互层，在断层和岩溶作用下非常容易垮塌。而塔河油田奥陶系灰岩均为厚层块状灰岩，泥岩夹层也很少，所以垮塌规模及厅堂洞规模不如黄龙洞的大。

然而，径流岩溶带距奥陶系剥蚀面的深度可能对垮塌角砾形成具有一定的相关性。塔河油田4区在岩溶期处于较高部位，径流岩溶带距表层岩溶带最浅的地方只有十几米，厅堂洞内的垮塌角砾厚度可超过20 m；7区的T615井缝洞单元径流岩溶带距表层岩溶带超过150 m，厅堂洞垮塌角砾厚度最大9 m。因此，径流岩溶带深度越小垮塌角砾形成的概率越大。

3 径流岩溶带垮塌角砾的储集性能

径流岩溶带充填的砂质沉积物具有较好的孔隙度和渗透率，成为塔河油田良好的含油层和产层[22,25]。尽管这些砂质沉积物埋藏深度大于5 300 m，发生了胶结作用，但是受到的压实作用很弱，保持了较多的原生孔隙，所以储集性能较好。垮塌角砾与此类似，除了埋藏期的胶结作用以外，压实作用很弱，也应该具有较高孔渗性，但是孔渗性是有变化的(图4b)。

实际上，塔河油田径流带充填的垮塌角砾是和沉积砂泥质混合堆积而成，由于不同的排列方式和角砾岩本身磨圆的差异性，造成仅用测井声波时差来拟合垮塌角砾岩的孔隙度会出现问题。根据岩心观察和描述，发现垮塌角砾岩具角砾支撑结构，细粒碳酸盐岩碎屑或沉积砂泥质充填角砾间，对其储集性和渗流性影响很大。研究表明，密度测井和声波时差与角砾岩间充填物含量关系密切，故建立孔隙度及渗透率评价方程如下[29]：

(1)

K=0.003 5e0.239Φ-0.045Vsh+3.53

(2)

式中：ρb为密度测井值，g/cm3；Δt为声波时差值，μs/ft；Vsh为泥质含量，%。

对比验证T403和S67等8口取心井垮塌角砾岩，计算孔隙度与实测孔隙度，相关系数为0.91(图5a)；垮塌角砾岩渗透率与孔隙度正相关，但不是线性关系，例如T615井在取心段埋深5 548～5 550 m为典型的垮塌角砾岩，声波时差就存在明显的周波跳跃的特征，而实测孔隙度并不高，为此我们引入了泥质含量(Vsh)，再对垮塌角砾岩的渗透率进行拟合，取得了较好的效果(图5b)。

图4 塔河油田T615缝洞单元垮塌角砾厚度分布和测井、地震剖面特征

图5 塔河油田缝洞垮塌角砾岩计算孔隙度与实测孔隙度关系(a)及渗透率与孔隙度关系(b)

图6 塔河油田奥陶系径流岩溶带垮塌角砾充填物孔隙度和渗透率直方图

在径流岩溶带充填物识别的基础上[29]，利用公式(1)和(2)进行了塔河油田主体区的垮塌角砾储集物性评价，结果按照厅堂洞、干流洞和支流洞等成因类型分别统计(图6)。与一般砂岩储层相比，径流岩溶带垮塌角砾岩多数物性是比较差的，其孔隙度小于8%，渗透率小于100×10-3μm2(图6a—c)；但是值得重视的是，约半数垮塌角砾岩物性是好的，即孔隙度为12%～20%，渗透率为(100～1 000)×10-3μm2，本身具有溶蚀孔缝或者碎裂缝；孔隙度大于20%、渗透率大于1 000×10-3μm2的数量很少，可能是角砾本身溶蚀缝洞就很发育所致。总体看，厅堂洞物性较好的垮塌角砾岩数量多，其孔隙度中值为16%～18%、渗透率中值为(500～1 000)×10-3μm2；干流洞和支流洞物性较好的垮塌角砾岩孔隙度中值为14%～16%，支流洞垮塌角砾岩的物性相对干流洞也要差一些。通过岩心对比，发现孔渗性很差的垮塌角砾一般具有搬运磨圆现象(图1d)，角砾直径小于2 cm(图1h)，它们与沉积砂泥共生、呈杂基支撑结构[31]，所以物性差。而颗粒很大的垮塌角砾，在垮塌前遭受淋滤溶蚀，本身就发育大量溶蚀孔缝，径流岩溶带埋藏以后没有明显的压实作用，从成像测井看角砾间的胶结物也不多(图4b)，因此孔渗性比较好。

识别出的末梢洞垮塌角砾岩数量少，没有进行统计。

4 结论

1) 垮塌角砾岩在径流岩溶带广泛分布，在厅堂洞和干流洞等比较大型的地下河通道内往往与沉积砂泥岩呈互层分布，在支流洞和末梢洞等规模小的溶洞内常常仅发育垮塌角砾岩。垮塌角砾有一定的磨圆现象，一是由地下河短距离搬运造成；二是垮塌前淋滤和溶蚀作用造成。

2) 从T403井等大型厅堂洞来看，降雨量大时径流带溶洞以沉积砂泥充填为主，降雨量减小时可能以垮塌角砾充填为主，从而造成垮塌角砾岩与沉积砂泥岩互层现象。溶洞规模越大、越靠近活动断层、径流带距表层岩溶带越近，垮塌角砾岩堆积越多。

3) 颗粒较小的角砾(<2 cm)多数有一定的搬运作用，它们与沉积泥砂共生，物性差(孔隙度<10%、渗透率<100×10-3μm2)；颗粒较大的角砾本身发育溶蚀孔缝，角砾间的胶结作用比较弱，而且径流带充填的碎屑物质所受压实作用弱，因此部分垮塌角砾岩具有较好储集物性，孔隙度可达16%～18%、渗透率可达(500～1 000)×10-3μm2，是值得关注的岩溶储集体的一种类型。

致谢：本文受到中国石油化工集团公司李阳院士和康玉柱院士的指导，受到中国石化勘探开发研究院和西北分公司勘探开发研究院开发地质所的支持和帮助，在此一并表示衷心感谢。

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(编辑 张玉银)

Characteristics of collapse breccias filling in caves of runoff zone in the Ordovician karst in Tahe oilfield,Tarim Basin

Jin Qiang1,Tian Fei2,Lu Xinbian3,Kang Xun1

(1.SchoolofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China;2.InstituteofGeologyandGeophysics,AcademiaSinica,Beijing100029，China;3.ExplorationandDevelopmentInstitute,NorthwestBranch,SINOPEC,Urumqi,Xinjiang830011,China)

Fractures and vugs are the major reservoir spaces in Tahe oilfield,but more than 70% of their spaces were filled by underground river sediments and cavern-roof collapse breccias,of which the latter accounts for over 30% in the cavern fillings.It is of great significant for reservoir geology of karst carbonates to study the formation and distribution of the collapse breccias.Combined with investigations on the Ordovician karst outcrops,observations of core samples and interpretations on well logging and seismic data,it was found that the collapse breccias are various in sizes and shapes in which small size of the breccias are transported by underground river and interbedded with sedimentary debris layers in caverns.The larger the caverns were(such as chamber caverns and main channel caverns)and the closer to active faults and epi-karst zone,the larger the thickness of the collapse breccias are.Porosities and permeabilities of the collapse breccias are low when the grain size of the breccias is smaller than 2cm.The breccias with bigger grain size would have better reservoir physical property and oil-bearing property,and thus should be one part of reservoir rocks in Tahe oilfield.

fracture-vug,collapse breccias,runoff zone,Ordovician,Tahe oilfield

2014-12-13;

2015-03-18。

金强(1956—)，男，博士、教授，油气地质。E-mail:jinqiang@upc.edu.cn。

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB201001)；中国石化科技项目(P11090)。

0253-9985(2015)05-0729-07

10.11743/ogg20150503

TE122.2

A