南堡凹陷下古生界表生岩溶特征及识别

师 政， 邱隆伟， 田 琨， 杨勇强， 王晔磊， 畅 通

( 1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580； 2. 中国石化石油勘探开发研究院 海外油气规划所，北京 100083 )



南堡凹陷下古生界表生岩溶特征及识别

师 政1， 邱隆伟1， 田 琨2， 杨勇强1， 王晔磊1， 畅 通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. 中国石化石油勘探开发研究院 海外油气规划所，北京 100083 )

综合野外、岩心、地震、钻、测井和分析化验资料，总结南堡凹陷下古生界碳酸盐岩表生岩溶特征，分析不同类型的岩溶识别标志，确立识别方案并进行实例应用.结果表明：南堡凹陷下古生界表生岩溶可划分为晚印支—早燕山期和喜马拉雅期；表生溶洞多呈倒置漏斗形，内部多形成岩溶塌陷体或被各种黏土充填；表生岩溶带在地震剖面上主要表现为同相轴不连续—弱振幅的杂乱反射特征；泥浆漏失段发育在距不整合面30 m范围内；测井曲线上为高伽马—高声波—高井径—低密度—低电阻率—暗色成像斑块的组合特征；表生溶孔在阴极射线下显示明亮的橙色发光条带，碳、氧同位素值呈明显负向偏移的特点.以钻井响应和测井组合特征为主要识别标志，岩石学特征和地震反射标志为次要识别标志，地球化学特征为辅助识别标志，在NP280井中识别3个表生岩溶带.该方法可以有效地针对表生岩溶储层进行精细识别，为相似地区的碳酸盐岩勘探提供理论依据.

南堡凹陷； 表生岩溶； 岩溶储层； 岩溶特征； 岩溶识别

0 引言

随着勘探进程的推进，南堡凹陷下古生界奥陶系和寒武系碳酸盐岩潜山油气资源充足、成藏条件好，逐渐成为油气储量新的增长点[1];但碳酸盐岩储层非均质性强，有效识别与评价优质储层是影响勘探成效的重点.岩溶作用是影响碳酸盐岩储层物性的关键因素，按成岩阶段的不同可划分为准同生岩溶、表生岩溶和埋藏岩溶等类型[2-5].其中表生岩溶是最重要的岩溶类型，指在表生成岩环境中碳酸盐岩地层遭受长期风化剥蚀和大气水淋滤形成的岩溶作用.南堡凹陷内碳酸盐岩潜山经历多期构造抬升，发育大面积的表生岩溶储层，多数探井在该套储层中发现油气显示，预示该储层具有较大的勘探潜力.

人们对南堡凹陷及周边地区的潜山储层进行研究发现：南堡凹陷奥陶系潜山有利储层为受多旋回构造运动与多期岩溶作用控制的断裂裂缝—岩溶复合储集体[1]，而凹陷及周边寒武系碳酸盐岩储层受多期岩溶及成岩作用的共同控制[6]；南堡凹陷周边凸起地区岩溶作用表现为岩溶角砾、溶蚀孔洞和钻具放空等现象[7]；南堡凹陷内石灰岩、白云岩在不同岩溶环境中溶蚀机理存在差异性[8-9]等.这些研究多数没有基于岩溶分类的前提，而是侧重岩溶储层的整体特征描述.研究区缺乏表生岩溶各类特征的系统总结，给识别和预测优质表生岩溶储层造成困难，制约油气勘探进程.

笔者综合应用南堡凹陷内满覆盖的三维地震数据体，13口井的钻、测、录井，8口井的钻井取心，500余张各类薄片，以及金属元素分析和碳、氧同位素分析测试等资料，研究南堡凹陷下古生界表生岩溶期次、古地貌、岩石学、地球物理和地球化学等特征，以深化表生岩溶的地质认识；对各种岩溶识别标志进行总结分类，确立表生岩溶识别方案，实现对表生岩溶储层的综合预测.

1 地质概况

南堡凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷的东北部，北部以西南庄—柏各庄断层为界,南部与沙垒田凸起呈断超式接触，整体面积为1 900 km2，滩海面积约为1 000 km2[1].南堡凹陷在早期构造运动期间受南北向挤压，形成东西向强烈褶皱，发育多条北东向走滑断层；在断陷发育期，伴随断裂运动及断块的掀斜运动，产生南堡1、2、3、4、5号5个潜山构造，其中除4号潜山为太古界潜山以外，其余4个是寒武系或奥陶系潜山，潜山顶面与上覆中生界、古近系呈不整合接触.寒武系、奥陶系沉积环境主要包括环陆潮坪、滨岸浅滩、远岸浅滩、局限海和开阔海等5种沉积相类型[6-7]，岩石类型包括白云质灰岩、竹叶状灰岩、生物碎屑灰岩、鲕状灰岩、泥晶灰岩、泥灰岩、泥质条带灰岩、泥晶白云岩、灰质白云岩及粉砂质页岩等[8-9].这种大面积发育的灰岩—白云岩岩性组合为表生岩溶作用提供物质基础(见图1).

图1 南堡凹陷构造位置Fig.1 Tectonic position of Nanpu sag

2 表生岩溶期次及古地貌

表生岩溶作用的发生与沉积间断或者不整合面紧密相关，根据区域不整合分析划分表生岩溶期次是一种切实可行的方法[10].文中应用3Dmove软件对南堡凹陷构造演化过程进行模拟，认为下古生界主要经历晚印支—早燕山和喜马拉雅两期构造抬升过程，形成两期表生岩溶.第一期即晚印支—早燕山运动时期，古生界受挤压作用呈“东高西低”的地貌特征，地层抬升遭受剥蚀形成第一期表生岩溶，然后持续沉降、接受沉积.第二期即喜马拉雅运动时期，古生界与上覆中生界一起抬升并遭受差异剥蚀，研究区西南部和东南部中生界剥蚀殆尽，下古生界再一次出露地表，在第一期表生岩溶带的基础上形成第二期表生岩溶带，由于北部地区存在中生界的“保护”效应，碳酸盐岩潜山仍以第一期表生岩溶作用为主(见图2).

岩溶作用与古侵蚀面的地貌特征密切相关[11-13].采用层位拉平技术进行古地貌恢复，应用古构造线进行边界刻画，分别在两期表生岩溶地貌中划分岩溶高地和岩溶斜坡2种地貌单元；再按照潜山出露的地层继续细分为寒武系和奥陶系2类.勘探实践表明，优质表生岩溶储层集中发育于第二期岩溶斜坡和第二期岩溶高地(寒武系和奥陶系).由于发育时期早、埋藏深度大等，第一期表生岩溶不利于岩溶储层的保存.

图2 南堡凹陷表生岩溶期次及古地貌单元Fig.2 Supergene karst period and palaeogeomorphology units of Nanpu sag

3 表生岩溶综合特征

3.1 岩石学

野外露头常见的表生溶洞规模差异较大，可见洞径从几十厘米至几米的溶洞.表生溶洞受到下部致密岩层的遮挡作用，垂向上多呈“上细下粗”的倒置漏斗形(见图3(a)).因长期受到大气水淋滤作用，溶蚀孔洞边缘多呈垂向及垂侧向港湾状溶蚀，溶洞内多形成岩溶塌陷体(见图3(b))或被各种物质充填.检测溶洞中充填物(见图3(c-d))的金属元素及氧化物质量分数(见表1)表明，表生期溶洞充填物中各种金属元素和氧化物(除Co外)质量分数高于埋藏期充填物的，其中Cu和Fe质量分数差别最大，可达几十到上百倍.这是典型地表环境下Cu、Fe等金属元素富集造成的结果[11-12].钻井岩心中常见岩溶角砾岩 (见图3(e))，角砾间发育溶积砂和溶积泥等碎屑沉积物(见图3(f))，未见到钙化或者其他洞穴化学沉积.溶洞多与节理、裂缝伴生发育(见图3(g))，最大溶洞直径达5 cm(见图3(h)).研究区碳酸盐岩沉积物在地表环境下受到大气淡水淋滤作用，发生溶解而产生粒内溶孔、铸模孔、粒间溶孔和构造—溶蚀缝等储集空间类型.铸体薄片观察和扫描电镜分析发现，方解石颗粒比白云石颗粒中发育更多的溶蚀孔隙，如在NP1-90井5 225.0 m薄片中可见方解石颗粒中发育呈条带状的粒内溶孔(见图3(i)).粒间溶孔在颗粒、矿物边缘有溶蚀扩大现象(见图3(j-k)).较大的溶蚀缝、粒间溶孔(见图3(l-m))常被半充填，充填物包括晶型较好的方解石颗粒(见图3(n))及少量黏土矿物.

表1 不同溶洞充填物金属元素及氧化物质量分数

注：样品1为溶洞埋藏期充填物；样品2为溶洞表生期充填物

图3 南堡凹陷表生岩溶岩石学特征Fig.3 Petrological features of supergene karst in Nanpu sag

3.2 地球物理

3.2.1 地震反射

地震反射特征可以从宏观上反映表生岩溶的保存形态、分布特征和发育规模[14].在南堡凹陷地震剖面中，碳酸盐岩潜山顶不整合面同向轴连续性差，多被断层、岩溶垮塌体错断.不整合面之下表生岩溶带偶见“串珠状”反射，主要表现为同向轴不连续、弱振幅的杂乱反射(见图4).

图4 南堡凹陷表生岩溶地震反射特征Fig.4 Seismic section features of supergene karst in Nanpu sag

3.2.2 钻井响应

不同地层的粒度、硬度、孔隙度等性质不同，在钻进过程中有不同的钻井响应特征[15].当钻遇岩溶作用形成的溶孔、溶洞时，规模较大的未充填溶洞造成钻具放空并伴有大量泥浆漏失，而被充填的溶洞通常只出现泥浆漏失、钻速加快的现象.南堡凹陷钻井资料显示：泥浆漏失段发育在距不整合面30 m内(见表2)，且未发现钻具放空现象.南堡凹陷表生岩溶作用受控于不整合面，岩溶发育范围广泛，但未被充填的较大溶洞难以保存，多被洞顶、洞壁及上覆地层充填而形成岩溶滑塌体.

表2 南堡凹陷钻井泥浆漏失量统计

3.2.3 测井曲线

测井曲线特征(特别是FMI成像测井)直接反映碳酸盐岩溶洞发育特点，在无取心井区岩溶储层的识别方面具有重要意义[16-19].常规测井曲线上，表生溶洞多充填泥质，自然伽马曲线幅值高于致密灰岩段的；声波传播速度在溶洞发育处降低，声波时差曲线表现为高值段；井径有不规则的增大现象；密度测井幅值降低；电阻率明显降低，深、浅侧向电阻率呈正幅度差，且幅度差越大溶蚀程度越强烈；在 FMI 成像测井图(见图5)上，表生岩溶带呈暗色斑块，可见杂乱的洞穴角砾岩被溶缝错断.

图5 NP1井表生岩溶段测井响应Fig.5 Logging feature of surpergene karst of well NP1

3.3 地球化学

图6 表生岩溶阴极发光特征(NP1-90井,5 225.6 m)Fig.6 Cathode luminescence feature of supergene karst(well NP1-90,5 225.6 m)

3.3.1 阴极发光

碳酸盐矿物的阴极发光性主要受晶格中Mn 、Fe质量分数的控制[20-22].Mn是最常见的发光激活剂，当矿物晶格中Mn的质量分数大于发光下限(15～80)×10-6时，矿物阴极发光；Fe是最重要的猝灭剂，当矿物晶格中Fe的质量分数在(10～15)×10-3时，开始猝灭阴极发光直至完全猝灭.该研究中未发生溶蚀的原始海相碳酸盐沉积物Mn的质量分数小于50×10-6，在阴极射线下不发光或者显示均一的暗红色光.表生溶孔或溶缝边缘受到大气淡水的长期淋滤作用，造成Mn和Fe的富集，且Fe的猝灭作用不十分明显，故显示明亮的橙色发光条带(见图6).

3.3.2 碳、氧同位素

碳、氧同位素地球化学特征是研究碳酸盐岩溶蚀环境的重要证据，不同类型的岩溶作用在形成过程中经历不同的流体环境，因此利用碳、氧同位素分析方法可以较好地识别溶蚀作用的类型[23-24].溶蚀缝洞方解石和未溶蚀基岩方解石的碳、氧同位素平均值和分布范围存在较大差别.根据检测数据，未溶蚀基岩方解石δ13C平均为-0.8‰，δ18O平均为-14.1‰；岩溶缝洞方解石δ13C平均为-2.8‰，δ18O平均为-18.8‰.岩溶缝洞方解石的碳、氧同位素值呈明显负向偏移的特点，能够和未溶蚀基岩方解石很好地区分开(见图7).由于样品取自不整合面附近，岩溶缝洞方解石的δ18O和δ13C值偏负表明岩溶作用发生于表生环境，受到大气淡水的影响.

图7 南堡凹陷表生岩溶碳、氧同位素特征Fig.7 Carbon-oxygen isotopes feature of Nanpu sag

4 表生岩溶识别与应用

4.1 岩溶储层识别

分析南堡凹陷表生岩溶特征，不同岩溶特征作为岩溶识别标志使用时可操作性和准确性存在差异.为了取得更好的识别效果，需要对各种识别标志进行分类，可划分为主要识别标志、次要识别标志和辅助识别标志3类.其中测井组合标志垂向分辨率高、钻井响应标志最直观，作为主要识别标志；岩石学标志和地震识别标志受取样频率和地震数据体品质的限制，作为次要识别标志；阴极发光、同位素特征等地球化学标志起辅助识别作用.在表生岩溶储层的识别过程中，应分清主次、综合分析各类识别标志，才能够得到更加准确的识别结果.

4.2 实例应用

NP280井位于第二期表生岩溶斜坡地貌，潜山顶部地层为奥陶系.首先根据钻井数据分析和测井曲线，泥浆漏失段位于4 499.0 m以下，漏失量为24.4 m3；在4 500.0、4 512.0、4 520.0 m识别出高伽马—高声波—高井径—低密度—低电阻率的典型岩溶测井组合特征，因此将这3个层段划为表生岩溶带，完成初步识别.然后,考虑次要识别标志.虽然NP280井处“串珠状”地震发射特征不明显，但是岩溶角砾(4 499.2、4 511.3 m)、溶积泥砂(4 520.2 m)和溶蚀裂缝(4 496.5 m)等岩溶岩石学标志比较常见.最后,应用阴极发光(4 496.4、4 511.3 m)和碳、氧同位素(4 496.4 m)等地球化学等标志进行辅助识别.

在NP280井奥陶系潜山顶部地层中预测4 499.0～4 504.0、4 511.0～4 513.0、4 518.0～4 522.0 m等3个表生岩溶发育带，试油结果表明3个层段有较好的油气显示(见图8).因此该方法具有较高的准确性和适用性.

图8 NP280井表生岩溶带预测Fig.8 Prediction of supergene karst in well NP280

5 结论

(1)南堡凹陷下古生界发育大面积的表生岩溶，可划分为晚印支—早燕山期和喜马拉雅期2期.优质表生岩溶储层集中发育于第二期岩溶斜坡和高地.表生溶洞多呈倒置漏斗形，内部多形成岩溶塌陷体或被各种黏土充填,并且溶洞多与节理、裂缝伴生发育.

(2)潜山顶不整合面之下的表生岩溶带偶见“串珠状”地震反射，主要表现为同向轴不连续、弱振幅的杂乱反射特征.泥浆漏失段发育在距不整合面30 m内.测井曲线上为高伽马—高声波—高井径—低密度—低电阻率—暗色斑块的组合特征.表生溶孔或溶缝边缘在阴极射线下显示明亮的橙色发光条带.溶蚀缝洞方解石碳、氧同位素值呈明显负向偏移的特点.

(3)表生岩溶主要识别标志包括岩石学标志和测井组合标志，次要识别标志包括钻井响应和地震反射标志，辅助识别标志为地球化学标志.应用该方法在NP280井中识别3个表生岩溶带，识别结果与试油数据一致.

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2015-01-28；编辑：陆雅玲

国家油气重大专项(2011ZX05009-002)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(14CX06068A)

师 政(1986-)，男，博士研究生，主要从事沉积学及石油地质学方面的研究.

TE112.221

A

2095-4107(2015)03-0032-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.005