塔中地区鹰山组溶洞型储层特征及油气地质意义

2017-01-13耿晓洁林畅松薛学亚

东北石油大学学报 2016年6期

耿晓洁，林畅松，吴斌，李浩，薛学亚

( 1. 北京易华录信息技术股份有限公司，北京 100043； 2. 中国石油大学(北京)博士后流动站，北京 102249； 3. 中国地质大学(北京) 海洋学院，北京 100083； 4. 中海油研究总院，北京 100028； 5. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083 )

耿晓洁1,2，林畅松3，吴斌2,4，李浩3，薛学亚5

溶洞型储层是塔中地区鹰山组岩溶体系中最易识别和发现的储层类型之一，为探讨表生溶洞特征及油气地质意义，根据塔中地区鹰山组表生溶洞的野外露头、钻井、地震、岩性、测井响应等特征，对成像测井资料进行精细刻画，分析鹰山组溶洞类型和溶洞充填样式。结果表明：塔中地区鹰山组溶洞受岩性、岩溶古地貌、裂缝及埋藏改造等因素控制，形成复杂的岩溶体系，溶洞型储层可分为潜流带溶洞、渗流带溶洞和落水洞等3种,包括单旋回充填型、以角砾为主的两段式充填型、泥少砾多的充填样式及多段式复合充填型等。溶洞作为岩溶体系最重要的识别标志和组成部分，研究其类型划分及充填样式对于进一步分析鹰山组岩溶体系的成因具有指导意义。

溶洞型储层；充填样式；鹰山组；塔中地区

0 引言

从世界范围内看，蕴藏在碳酸盐岩油气藏中的油气资源占总资源的60%以上，与岩溶相关油气储层构成碳酸盐岩储层的重要组成部分[1-2]。碳酸盐岩油气储层中超过40%的可采储量与不整合相关的岩溶作用有关[3-6]。在岩溶体系研究中，最受关注的是表生洞穴。20世纪80年代建立表生溶洞体系的演化模式[7-8]，如William J M等在研究Knox不整合时，将表生溶蚀地貌划分岩溶高地和3种表生溶蚀洞穴，对不整合相关的溶蚀洞穴及充填物进行定量研究[9]。岩溶作用过程中形成的溶洞，及与之相关的溶蚀孔隙和溶洞崩塌形成的岩溶角砾间孔隙、裂缝等共同组成孔隙网络。Loucks R G采用现代岩溶类比方法建立表生岩溶环境下的洞穴发育,以及洞穴在埋藏环境中的演变模式[10]。岩溶洞穴的稳定性及其大小与顶部岩层的厚度、破裂程度等密切相关，宽度或高度超过8 m的洞穴少见[11-13]。随着溶洞的崩塌，洞顶和洞壁受上覆岩层的重力释放出来，洞顶和洞壁崩塌的直接产物是岩溶角砾。溶洞内充填物作为溶洞形成演化过程中的记录，记载大量的古环境信息，特别是大量生物化石对溶洞形成的时间、演化具有重要意义。溶洞的演化对于恢复溶洞的形成历史和预测、评价古岩溶有利区具有指导意义[14]。塔中地区鹰山组岩溶储层中钻遇的溶洞是该区油气勘探的重要指示标志。根据塔中地区鹰山组溶洞的识别特征及溶洞内部充填序列，笔者分析溶洞型储层的发育规律及油气地质意义。

1 区域地质概况

早奥陶世晚期—中奥陶世，塔中地区主要为碳酸盐岩台地沉积，鹰山组沉积巨厚的颗粒灰岩类、泥晶灰岩类及白云质灰岩类。受早奥陶世末—晚奥陶世初加里东中期构造运动的控制，塔里木盆地区域构造应力场由张扭转变为压扭，塔中乃至巴楚地区整体强烈隆升，导致该地区中、下奥陶统鹰山组到上奥陶统良里塔格组之间产生近30个百万年的缺失，形成广布塔中地区的不整合，并在鹰山组顶部形成风化壳岩溶；受长期暴露剥蚀影响，地表水不断向鹰山组内部地层运移，形成复杂的岩溶系统[15-17]。其中，洞穴型储层主要分布在鹰山组顶部风化壳附近，平面上主要分布于断裂活动发育区，是油气产出的主要储层类型，其储渗空间主要以直径大于1 m的大型洞穴为主[18]。在钻井上通常出现钻具放空、钻井液漏失等现象。统计研究区30余口井的岩心、测井及钻井数据，识别溶洞72个，其中规模小于0.5 m的占15.28%，规模为0.5～1.0 m的占18.06%，规模为1.0～2.0 m的占23.61%，规模为2.0～5.0 m的占25.00%，规模大于5.0 m的占18.06%。这些洞穴既包括被充填的洞穴也包括未充填的洞穴，其中钻遇未充填的洞穴，钻井液漏失量最大可达1 621.1 m3。鹰山组表生溶洞不仅是重要的油气储集空间，也是发现其他类型储层的重要指示，因此分析溶洞型储层的特征及成因具有重要意义[19-20](见图1)。

图1 研究区构造位置Fig.1 Structural location of the study area

2 溶洞型储层特征

2.1 野外

溶洞是表生岩溶体系的重要组成部分，根据溶洞发育的位置及结构，可将溶洞划分为潜流带溶洞、渗流带溶洞和落水洞等3种。塔里木盆地西缘西克尔露头区鹰山组大面积出露的古岩溶，是研究鹰山组岩溶特征和揭示岩溶储层成因规律的天然场所。西克尔地区出露的剖面上发育多种不同规模的溶洞，直径从几十厘米到十几米不等，研究野外溶洞特征为深入刻画地下溶洞提供依据[21]。

潜流带溶洞位于潜水面之下，水体在溶洞中流动的速度相对缓慢，可能被溶洞顶部或溶洞壁上滑落的角砾充填，围岩的碳酸钙使得溶洞内流体快速达到饱和状态，溶蚀过程停止。当有外部不饱和流体再次注入时，又开始新的溶蚀过程，围岩角砾被再次溶蚀，形成圆滑的边界。地下暗河的水体能量相对较强，对表层搬运来的泥质沉积物形成长期的搬运、冲刷作用，形成明显的层理构造，泥质充填物中碳酸盐岩角砾直径约为15 cm(见图2(a))。

渗流带溶洞形成于潜水面之上，在流体速度较快的条件下，洞壁上崩塌的角砾未被溶蚀就已经被搬运，流体长时间处于不饱和状态，不断进行溶蚀，形成窄而深的溶蚀峡谷。在野外可见较小型的水平溶洞充填物，为含灰岩角砾红色泥质支撑的沉积物，以灰岩为溶洞顶底，与充填物之间的接触界面非常明显，且充填的灰岩角砾具有定向性，表明这种溶洞距离地表相对较近，内部以地表径流携带的表层风化土壤沉积为主，在间歇性暴雨期，由于降水补充，地表径流的水体能量增强，将碳酸盐岩的角砾搬运，并使它定向排列沉积(见图2(b))。

图2 西克尔野外剖面鹰山组溶洞及充填Fig.2 Paleo-caves and their filling in the Yingshan formation of Xikeer outcrops

落水洞属于表层岩溶带，主要位于潜水面之上，作为地表水侵入地层的入口。其周围伴生大量垂向裂缝，落水洞形态呈上大下小的垂向分布，内部充填大量灰岩角砾和表层泥砂沉积，当有外部水体补充时，落水洞沿着水平裂缝方向，向侧向发育一定距离(见图2(c))。在较大型溶洞中，充填物的规模相对较大，有大型崩塌的碳酸盐角砾，甚至直径超过20 cm的砂岩角砾等(见图2(d))。其形成是由于水体沿着垂直裂缝溶蚀岩层，溶蚀孔洞逐渐扩大，再加上水体中夹带大量的地表泥沙，对溶洞进行长时间的磨蚀，使溶洞规模扩大，甚至发生崩塌。

野外大型溶洞的充填物纵向上具有一定的序列性，在西克尔剖面出露一处巨型溶洞，溶洞高为15 m ，除了上下层状沉积的碳酸盐岩之外，主要由垮塌巨砾岩充填。洞内充填物可以分为3类:(1)靠近洞顶，是一层厚度约为1 m的砂岩，内部发育水平层理;(2)砂岩之下,是较小的碳酸盐岩角砾与泥沙的混合沉积，受外界氧化作用的影响，泥沙质呈红色;(3)第三层充填物,是靠近洞底的大型崩塌的碳酸盐岩角砾，最大角砾长度约为5 m，是洞顶在压力卸载之后整体崩塌滑落的结果(见图3)。

2.2 地震反射

通常洞高为0.5～5.0 m的洞穴在地震和钻井上没有明显异常，超过5.0 m的洞穴在三维地震资料上有显示[13]。由于地震分辨率限制，纵向钻遇的溶洞在地震剖面上并不能显示完整的外部形态，而是典型的串珠状异常反射，也是鹰山组大型表生溶洞的主要地震识别特征。如塔中地区中古9井、中古7井等井区地震剖面上可见典型的洞穴反射异常(见图4)。

图3 西克尔野外剖面鹰山组溶洞充填序Fig.3 Filling cycle of cave in the Yingshan formation of Xikeer outcrop

图4 鹰山组岩溶体系的串珠状地震反射Fig.4 Beaded reflections of paleokarst systems on seismic profiles

2.3 岩心

钻遇大型溶洞的井通常发生钻井液漏失、钻空等情况，取心困难。塔中地区鹰山组取心有限，岩心上揭示的溶洞多为充填溶洞，充填角砾成分不一，有破碎的方解石充填(见图5(a))，有原状地层的灰岩角砾和泥质混合充填(见图5(c-e))。这一类角砾充填的溶洞往往是水平潜流带的产物，代表上覆地层垮塌的产物被地下水短距离搬运改造，角砾间充填的泥砂等细粒成分是在地下水搬运过程中下渗、潜流的结果。小型未充填的溶蚀孔洞也是鹰山组主要的储集空间之一(见图5(b、d))。

2.4 成像测井

溶洞的测井响应特征表现为随泥质充填程度增大，伽马值逐渐升高，深浅双侧向、微侧向电阻率值低，且有差异；井径扩径严重；补偿中子、补偿密度、声波时差曲线变化极大。作为地震和测井的重要补充资料，成像测井高精度的井筒图像基本可以达到岩心的识别标准，在取心及其有限的鹰山组岩溶储层研究中成为重要的工具，在一定程度上可以称之为“电子岩心”。溶洞型储层也是成像测井图像上最易识别的一类储层，根据溶洞规模不同、充填物质不同，相应成像测井图像的响应也不同，主要有暗色低阻块状、垂直条带状、斑状图像(包括亮色杂乱斑块、暗色杂乱斑块和亮色有序斑块)等(见图6)。

泥质充填的溶洞，在成像测井图像上显示为暗色低阻块状，动态、静态图像呈深褐色—黑色块状，颜色分布均匀，无明显层理特征，厚度一般为1～10 m，在动态图像上可以看到细微变化，偶尔可见小的亮色斑块，是泥质充填物中的碳酸盐岩岩溶角砾(见图6(a-b))。与之对应的伽马曲线出现大幅度突变增高，最大超过200 API。

图5 溶洞的钻井岩心特征Fig.5 Features of paleo-caves in cores

图6 洞穴型储层的成像测井特征Fig.6 FMI images features of paleo-cave reservoirs

在钻井过程中发生崩塌滑脱的溶洞，在成像测井上显示为明暗相间的垂直条带状(见图6(c))。这类溶洞一般伴随钻井液漏失，钻时增大，整体呈低阻高伽马的测井响应特征。

围岩角砾充填的溶洞，在成像测井上表现为亮色杂乱斑块状图像，整体为高阻背景下杂乱分布的亮斑块，斑块大小不一，边界模糊，排列不具有序列性，无特殊钻井响应，自然伽马极低。通过与钻遇的岩心标定，这一亚相可能为局部破碎的岩溶角砾，角砾间被低阻泥质充填，在后期压实过程中角砾被压实接触紧密而形成响应(见图6(d))。

还有一种充填的溶洞表现为暗色杂乱斑块状图像，整体电阻率偏低，特别是在动态图像中可以看到大小不一的高阻斑块无序分布，具有极高的自然伽马响应且在钻进过程中出现低幅度增加。该亚相是围岩角砾充填的溶洞，角砾可能在地下流体运动过程中部分被搬运，角砾间泥质含量较高(见图6(e))。

原地碎裂的角砾充填的洞穴在成像测井上表现为低阻背景下亮色有序斑块图像，斑块边界清晰，大小较均匀，角砾未发生搬运，原地碎裂沉积，角砾间为线接触关系，角砾间暗色充填为低阻泥质充填的裂缝响应。可能位于溶洞的顶部，裂缝发育但未发生崩塌，因此无特殊钻井响应，自然伽马也没有增加(见图6(f))。

3 溶洞充填序列特征

溶洞的充填物是溶洞形成和演化的记录，研究充填物的充填特征对于分析溶洞的演化具有重要意义。通过对成像测井溶洞及其内部充填物的精细刻画，鹰山组发育的溶洞规模较大，直径从2 m到10多米常见，溶洞的充填物在成像测井图像上也显示一定的序列特征，且纵向充填序列具有多种组合样式。

3.1 样式Ⅰ

图7 中古111井溶洞充填样式Fig.7 Filling pattern of paleo-cave ZG111

单旋回充填溶洞，以中古111井为例(见图7)。中古111井钻遇鹰山组顶部表层落水洞，溶洞纵向深度约为12 m，溶洞段的自然伽马曲线整体呈现由低到高的一个旋回，最大高于150 API，溶洞主体为泥质充填。根据成像测井的分段刻画，溶洞内上部发育水平层理的泥质充填，下部充填物成分较复杂，除暗色泥质充填之外，在成像测井动态图像上，还可分辨呈漂浮状态分布在泥质充填物中的高阻围岩角砾，角砾大小不一，经过一定距离的搬运作用。洞穴底部，充填物与原状地层呈突变接触，成像测井图像由深褐色变为亮黄色。

3.2 样式Ⅱ

以角砾为主的两段式充填溶洞，以中古51井为例(见图8)。中古51井钻遇的洞穴靠近鹰山组顶面不整合发育，纵向深度可达25 m，规模较大，根据成像测井的分段刻画，至少是2个洞穴纵向叠置发育的结果。5 100 m为鹰山组顶界面，具有伽马曲线突变增大的标志，为洞顶不整合面附近的低阻古土壤的响应特征；向下12 m左右，成像测井图像为暗色块状，相应的伽马曲线呈由高到低再升高的旋回特征。5 101～5 116 m为上部洞穴，顶部5 101～5 107 m对应高伽马低阻暗色块状相，是高含量泥质充填的洞穴段，尽管从动态图像上可以看到破碎的角砾，但是角砾边界模糊，大小不一，可见经过多期的冲刷溶蚀甚至是泥砂充填物对它磨蚀，使得角砾成分复杂，同时滞留泥质含量急剧增高，导致电阻极低、自然伽马极高的响应特征。5 107～5 112 m相对上部自然伽马有所降低，在静态图像上也可分辨破碎的围岩角砾，在泥质充填物中呈漂浮状的分布形式，与上部相比泥质含量有所降低，但充填物中以泥质为主。5 113～5 115 m是厚度为3 m的角砾堆积充填，以低阻背景下的高阻有序斑块状图像为主，无论是静态图像还是动态图像都可清晰分辨角砾的边界，角砾呈面接触的接触关系，角砾间为泥质充填的裂缝。根据平直的低值自然伽马曲线，可以判断裂缝间的泥质充填物含量极低，可见洞穴底部的破碎角砾未发生明显的位移。5 116～5 122 m是另一期的洞穴，洞顶是低阻单向网状图像，一组近垂直的裂缝将这一洞穴与上一洞穴沟通，作为地下流体的通道，洞穴主要为泥质充填，充填物中有少量呈漂浮状的高阻亮色角砾，从5 122 m开始恢复到原状围岩地层。

3.3 样式Ⅲ

泥少砾多的充填样式，以中古106井为例(见图9)。中古106井钻遇的溶洞位于距离鹰山组顶不整合面约40 m处，洞穴纵向深度约为10 m，在单井综合解释图上显示为一个漏斗型的自然伽马逐渐降低的半旋回。分析溶洞内部充填特征，6 126～6 127 m是溶洞顶部的泥质充填，成像测井相为暗色低阻块状图像，只有少量呈漂浮状的高阻角砾。6 227～6 228 m是水平裂缝及溶孔发育段，自然伽马明显降低，电阻率增高，这种低角度的扩溶裂缝成为沟通溶洞上下的流体通道。6 128～6 132 m为溶洞的主体部分，为溶蚀角砾段，角砾溶蚀程度较高，角砾间裂缝为泥质充填，自然伽马偏高，为70 API左右;6 131～6 132 m是一段低阻块状图像，泥质含量增高，形成自然伽马曲线的一个小峰值。中古106井钻遇的洞穴整体规模较小，充填物序列性不强，由于洞顶向下，泥质含量逐渐降低，形成的自然伽马整体呈由高到低的特征。这种裂纹角砾充填，角砾的成分比较单一，无分选，角砾间被泥质、方解石充填，泥质通过角砾间的裂缝向下灌入，沉积至洞穴的最底部。

图8 中古51井溶洞充填样式Fig.8 Filling pattern of paleo-cave ZG51 well

3.4 样式Ⅳ

多段式复合充填，以中古43井为例(见图10)。中古43井钻遇的溶洞位于鹰山组顶不整合面之下37 m处，溶洞纵向深度约为12 m。溶洞的主体部分是5 263～5 273 m。洞顶原状底层发育一组高角度裂缝，可能是洞穴崩塌、重力卸载的结果。洞穴充填物可自上而下分为4段：(1)顶层的泥砂质充填，发育水平层理，在成像测井图像上可见明暗相间的纹理；(2)漂浮状角砾充填段，角砾分选性较差，可从自然伽马突然增大判断，角砾间充填大量泥质；(3)溶洞角砾充填段(5 268～5 271 m)，角砾的堆叠方式自下而上逐渐变疏松，泥质含量增高，角砾由下部的面接触形式向上变为漂浮状；(4)洞底泥质充填段，沉积厚度约为2 m的泥质，是上部的泥质随地下流体搬运过程中，透过角砾间的裂缝向下渗透沉积的产物。中古43井钻遇溶洞顶部溶洞经过压实、崩塌，在释放应力过程中导致上覆地层产生裂缝(见图10)。

图9 中古106井溶洞充填样式Fig.9 Filling pattern of paleo-cave ZG106 well

综上所述，由于溶洞发育部位不同，其充填样式也不同，基本符合正旋回充填的特征；充填物从洞顶的泥质过度为洞底的角砾，受岩溶体系水动力的影响，角砾的充填方式不同。

4 成因及油气地质意义

溶洞是塔中地区鹰山组岩溶体系重要的组成部分和识别标志。未充填的宏观溶洞及洞穴充填角砾岩中发育的砾间孔直接构成溶洞型储层中有效的储集空间。

4.1 成因

溶洞的形成与岩性、大气淡水的溶蚀程度有关，受气候、岩溶古地貌及古潜水面的位置等因素共同控制[22-23]。特别是在灰岩地层水平潜流带中，由于潜流带长期处于饱水状态，水体以扩散流的方式穿过潜流带。溶缝、节理、裂缝等可以作为水体流动的通道，由于体系开放，溶解产物可以被及时带出，所以在灰岩地层中易看到大的溶洞。鹰山组大型溶洞发育于顶部不整合之下150 m以内，位于鹰一段或鹰二上段，与鹰山组上部岩层中灰岩厚度大、白云质含量低有关。岩溶角砾常充填于渗流岩溶带和潜流带上部的大型溶洞，其中砾石支撑的角砾岩常发育砾间孔，从而形成有利储层。位于潜流带深部的溶洞通常规模略小，但溶洞内部沉积物充填缓慢而使溶洞储集空间容易得到保存。鹰山组暴露时期，受岩溶古地貌影响，自岩溶高地向岩溶缓坡区，浅部地表径流以垂向渗入为主，形成表层岩溶缝洞体系，岩溶以溶洞系统和溶蚀孔洞为主，发育程度较强。地表径流渗入至下部后，受区域构造、断裂及区域径流排泄控制，地下水体以侧向径流为主，形成侧向发育的溶洞，并被水体带来的砾石、泥质等充填。

图10 中古43井溶洞充填样式Fig.10 Filling pattern of paleo-cave ZG43 well

4.2 油气地质意义

在埋藏条件下，多个溶洞联合、崩塌、连通、叠合在一起，洞顶、洞壁形成的大量裂缝与先存的孔隙、构造裂缝等构成复合缝洞系统，最终形成复杂的洞穴储集体，使储层的连通性增大，为油气提供有利场所。如中古10井，2套溶洞系统分别发育在距离鹰山组顶部50 m和60 m，自然伽马曲线呈2个突变增高，在成像测井上可见2段泥质充填的溶洞发育，在钻井过程中有放空，且储层解释中2个溶洞体系有油气显示(见图11)。

塔中地区鹰山组钻井放空部位一般在距离鹰山组顶面不整合50～100 m附近，部分钻井放空部位可大于250 m，井的油气显示层段与鹰山组顶面不整合的距离也在类似的深度范围内，且有79%的井的油气显示层段靠近钻井放空层段，可见钻遇溶洞对油气储层具有一定的指示作用，因此识别和分析溶洞是寻找岩溶储层的重要线索。

5 结论

(1)根据野外露头识别，在塔中地区鹰山组发现潜流带溶洞、渗流带溶洞和落水洞等3种表生溶洞，井下钻遇的溶洞，在地震上显示为串珠状异常反射，在钻井上响应为放空和钻井液漏失等特征。

(2)鹰山组溶洞在成像测井上显示为暗色低阻块状、垂直条带状、斑状(包括亮色杂乱斑块、暗色杂乱斑块和亮色有序斑块)等图像特征。鹰山组表生溶洞包括4种充填样式，即单旋回充填型、以角砾为主的两段式充填型、泥少砾多的充填样式及多段式复合充填型。

(3)塔中地区鹰山组的溶洞受岩性、岩溶古地貌、裂缝及埋藏改造等因素的控制，形成复杂的岩溶体系。溶洞不仅是重要的油气储集空间，也是寻找该地区岩溶型储层的重要线索。

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2016-07-20；编辑：陆雅玲

国家自然科学基金项目(41130422)

耿晓洁(1985-)，女，博士后，主要从事碳酸盐岩沉积储层方面的研究。

TE122.1

2095-4107(2016)06-0035-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.06.005