塔中地区鹰山组古岩溶潜水面及控储模式

屈海洲 ，刘茂瑶，张云峰 ，王振宇 ，张正红，李世银，邓兴梁

（1. 西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500；2. 中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学分室，成都 610500；3. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；4. 中国石油塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000）

0 引言

岩溶作用是碳酸盐岩暴露于湿润的大气淡水成岩环境中，受到物理因素（地表水流速、温度、压力、岩性、构造运动、基准面、水力梯度及气候等）、化学因素（岩溶水成分、酸碱度、CO2含量、氧化作用）和生物因素（根部生态系统、微生物及穴居生物）等综合影响，地表水经由渗透性通道与围岩发生侵蚀、溶蚀、沉积、胶结等作用的综合[1-5]。岩溶作用在不整合面之下依次形成表层岩溶带、垂向渗滤带、水平潜流带及深部缓流带等 4个作用带；其中，潜水面是垂向渗滤带与水平潜流带的界面，后者内部增强的地层水压力促进侵蚀和溶蚀作用的发生，形成的岩溶缝洞体系连通性及有效性相对较好，可以形成岩溶型储集层[2,6-10]。一旦基准面（通常是海平面）阶段性的上升，潜水面及之下的水平潜流带可成多期发育，形成纵向多套岩溶储集层的叠置发育，厚度及储集能力更大[2,9-11]。因此，准确识别潜水面位置，厘定其下水平潜流带发育特征，将有助于预测岩溶储集层分布，并对井位优化、水平井靶层选取及轨迹设计等有重要意义。但是，实际钻井不会对目的层连续全部取心，这就难以像露头剖面那样，利用岩石学、矿物学等特征确定古潜水面位置。受成像测井在沉积储集层研究中广泛应用的启示[12-15]，本文以塔里木盆地塔中低凸起北斜坡奥陶系鹰山组为例，利用成像测井、常规测井、岩心等资料，分析不同岩溶地貌单元不同岩溶期次的岩溶作用尤其是水平潜流带的特征及差异，建立了判识潜水面的方法，厘定潜水面期次、位置及分布，进而分析岩溶作用对储集层的控制，并建立相应的岩溶控储模式。

1 地质背景

图1 研究区岩溶古地貌及岩溶带特征图

塔中地区位于塔里木盆地中央隆起带的中部，为塔中低凸起的主体部位（见图1a），鹰山组原始沉积厚度可达900～1 000 m，自下而上分为4段，其中上部的鹰二段、鹰一段以泥晶灰岩、颗粒灰岩及少量凝块石灰岩为主，鹰二段底部—鹰四段则以灰岩、云岩互层为特征[16-18]。中—晚奥陶世，由于区域挤压构造作用逐步形成塔中低凸起，并使得研究区鹰山组上部受到不同程度剥蚀，剥蚀间断时间近15 Ma[7,16]，形成了自南西向北东逐渐降低的岩溶古地貌特征[14,19-22]（见图1b）。单井剖面上部的表层岩溶带发育由泥、砂及角砾等不同程度充填的溶缝、溶洞，垂向渗滤带中岩溶水向下渗滤，形成高角度的溶缝及少量溶洞，水平潜流带内多发育囊状溶蚀孔洞、近水平状溶缝及溶洞，被泥、粉砂、砂、角砾等不同程度地充填，深部缓流带内水体变得停滞，孔洞缝发育较少[22-25]（见图1c）。但是，在地貌较高的单井剖面中，水平潜流带与垂向渗滤岩溶带的岩溶组构叠置发育较常见（见图1d）。这主要受到后期海平面阶段性上升影响，岩溶古地貌越高的部位，暴露时间越长、岩溶作用强度越大，多期水平潜流带的发育使得岩溶储集层更发育[19,26-27]，如岩溶斜坡的中古8井区、岩溶高地的中古43井区均发育优质岩溶储集层，获得千亿立方米级的探明储量。

2 不同古地貌的各期岩溶作用特征

2.1 岩溶带划分标志

塔中地区鹰山组划分为 4个岩溶带：①表层岩溶带发育较小规模的溶缝、溶洞等，易充填泥、砂及角砾等机械成因物质，该带顶界面为不整合面，内部的伽马曲线出现明显高值，对应的电成像测井见深褐-黑色、黄白色的斑块等溶洞响应特征，而溶缝则呈“近垂直”、“低幅度正弦曲线”、较大夹角的“V”字形等形态的暗色条带（见图2a、2b）。②垂向渗滤带中以高角度溶缝为主，并有少量溶洞，电成像测井表现为“近垂直”、“高幅度的正弦曲线”、小夹角的“V”字形等形态的暗色或亮色条带，自然伽马与电阻率曲线呈箱型。③水平潜流带以囊状溶蚀孔洞、近水平溶缝、洞穴为主，被泥、粉砂、砂、砾等不同程度地充填（见图2d、2e、2g、2i），成像测井表现为囊状暗斑、暗色或亮色斑块混杂、近水平不规则暗色条带（见图 2c、2f、2h），高伽马、低电阻特征明显。④深部缓流带内水体变得停滞，难以形成缝洞等岩溶组构，电成像及常规测井响应不明显。

2.2 各类岩溶古地貌的岩溶作用期次

基于单井岩溶剖面解释及井间对比分析发现，受阶段性上升的海平面影响，不同岩溶地貌单元中岩溶潜水面的期次及岩溶带叠置发育特征不同。岩溶洼地、岩溶斜坡及岩溶高地分别发育第1期、第1、2期及第1、2、3期岩溶潜水面，总期次数量分别为1期、2期、3期（见图3）。自岩溶洼地至岩溶高地，鹰山组受剥蚀的程度增强，而且上覆奥陶系良里塔格组下部的良五段—良四段随之缺失明显[19,28]，结合地球化学分析[26]，表明岩溶期后的海平面是阶段性上升的。岩溶洼地最先被海水覆盖接受良里塔格组沉积，各段沉积齐全，鹰山组岩溶作用时间最短，一般只发育第1期岩溶潜水面，典型特征是4个岩溶作用带具有前述的岩溶组构特征，相互叠置组合发育不明显。当岩溶洼地被海水覆盖后，岩溶高地及斜坡等部位的鹰山组岩层仍暴露于大气环境中，发育第2期潜水面和岩溶带；其深度上移并叠加改造第1期岩溶带，典型特征是发育洞穴（见图3），如G46井的5 338～5 341 m深度段，G451井的5 925.2～5 928.5 m 深度段，G7井的 5 820.4～5 821.6 m、5 828.4～5 829.5 m深度段，G9井的6 217.7～6 218.1 m、6 218.5～6 218.8 m和6 219.0～6 219.4 m等深度段，不同岩溶组构的叠置组合发育特征较明显，岩溶强度及组构规模均较第 1期岩溶作用的更大。随着海平面继续上升，岩溶斜坡被淹没并开始沉积良里塔格组，而岩溶高地继续暴露于大气环境，发育第3期潜水面。该期岩溶带进一步叠加改造之前的第1、2期岩溶带中的缝洞，导致潜水面之下普遍发育多个米级洞穴，如G46井第3期潜水面之下发育4个洞穴，高度分别为1.4，0.8，1.4，0.4 m（见图3）。该期岩溶组构尺度最大，相互叠置组合发育最明显。此外，就同一期潜水面而言，较高古地貌的潜水面深度更大、岩溶组构类型更丰富、尺度及厚度也更大（见图3、表1）。

2.3 各期次水平潜流带的岩溶特征

岩溶古地貌各单元均发育了第 1期水平潜流带，以囊状溶蚀孔洞层、近水平溶缝为主要岩溶组构，被泥、砂或埋藏期胶结物部分充填。自岩溶高地、斜坡至洼地，该期水平潜流带的发育深度逐渐减小，距不整合面的平均距离分别为154，123，42 m，平均厚度分别为45，41，32 m，其中储集层发育厚度平均值分别为40，29，13 m，均具有向低地貌变薄趋势（见表1）。储集层级别整体以Ⅰ、Ⅱ类优质储集层为主。此外，岩溶高地和斜坡的水平潜流带以囊状溶蚀孔洞更发育（见图3），占岩溶组构总厚度比例分别约为57%、63%，而岩溶洼地以近水平溶缝相对更为发育，约占58%。

图2 塔中地区奥陶系鹰山组不同岩溶带识别特征

第 2期水平潜流带发育在岩溶高地及斜坡中，距不整合面的平均距离明显变小，分别为 82，64 m。该期水平潜流带平均厚度分别为38，24 m，其中发育了岩溶组构的厚度占比分别为 56%、46%。这些岩溶组构中不仅有囊状溶蚀孔洞、近水平溶缝，更发育洞穴及不同岩溶组构叠置组合等典型判识特征（见图3）。其中，洞穴平均直径分别为1.9，0.9 m，而诸如近水平溶缝切割先期高角度溶缝等不同岩溶组构叠置组合的厚度比例分别为 25%、11%。岩溶高地的第 2期岩溶作用强度较斜坡的更大，储集层平均厚度为21，15 m。但岩溶斜坡储集层质量略高，以Ⅰ-Ⅱ类储集层为主，岩溶高地以Ⅱ-Ⅲ类储集层为主（见表1）。

第 3期水平潜流带仅在岩溶高地中发育，典型特征是多个洞穴及更明显的岩溶组构叠置组合，后者厚度比例的平均值达到 36%，各岩溶组构的平均直径均是3期中最大的。距不整合面的平均距离仅17 m，平均厚度约为15 m，其中储集层平均厚度为13 m，以Ⅱ-Ⅲ类储集层为主。

3 各期潜水面的判识标志

因为潜水面之上的垂向渗滤带与之下的水平潜流带的岩溶组构差异明显，所以可以通过岩心标定电成像测井，分析后者图像显示的洞穴、囊状溶蚀孔洞、不同产状溶缝等岩溶组构的特征，再结合自然伽马、电阻率数据，划分岩溶带，厘定潜水面位置。

图3 不同岩溶古地貌潜水面发育期次对比及岩溶组构发育概要图（剖面位置见图1）

表1 不同岩溶古地貌各期潜水面之下的水平潜流带特征统计表

3.1 第1期潜水面

最先发育的第 1期潜水面之下水平潜流带的岩溶组构类型较单一，主要为顺层发育的囊状孔洞或近水平的溶缝（见图4a、图4b、图5），被泥、砂等不同程度地充填，几乎不发育洞穴，潜水面之上垂向渗滤带主要发育高角度溶缝。水平潜流带电成像测井表现为囊状暗色斑块集中成层分布、近水平暗色不规则条带（见图5），而垂向渗滤带多为高幅度的正弦状、小夹角的“V”字形等形态的暗色条带，再结合常规测井，厘定潜水面位于自然伽马值增高成尖峰状、电阻率降低的位置。如位于岩溶高地中的G451井井深5 957.6 m之下为囊状溶蚀孔洞层、近水平溶缝，之上发育的高角度溶缝为垂向渗滤带特征。再结合自然伽马及电阻率变化的尖峰位置，厘定了第 1期潜水面位于井深5 957.6 m处（见图4b）。

3.2 第2期潜水面

图4 G451井鹰山组各期潜水面判识图

随着海平面上升，岩溶高地及斜坡中形成了第2期潜水面，其发育深度上移至第1期垂向渗滤带中，第2期的水平潜流带叠加改造早期垂向渗滤带。该期潜水面多位于洞穴、近水平溶缝切割先存的高角度溶缝及顺层发育且直径较大的囊状溶蚀孔洞等典型岩溶标志出现的位置，其下岩溶组构的尺度、厚度、规模等明显增大，相互切割、组合及叠置发育特征明显（见图4a、图4c）。相应的电成像测井图像表现为近水平不规则暗色条带切割高幅度正弦状条带或小夹角的“V”字形暗色条带，囊状暗色斑块、亮-暗色斑团混杂，以及这些特征的交替出现（见图6）。第2期潜水面之下的自然伽马呈明显的高值段，少数仍呈尖峰状，电阻率明显降低。如 G451井5 884.7～5 885.2 m发育洞穴，与高角度溶缝伴生，底部被近水平溶缝切割（见图4c）。之下以囊状孔洞、近水平溶缝为主，或切割第1期垂向渗滤带的高角度溶缝，并可见两个泥质充填洞穴。之上50 m内仍以高角度溶缝为主。再结合5 884.7 m之下自然伽马曲线呈尖峰状、电阻率明显较小的特征，厘定该深度为第2期潜水面位置。

图5 不同岩溶古地貌第1期潜水面之下的水平潜流带岩溶组构特征

图6 不同岩溶古地貌第2期潜水面之下的水平潜流带内岩溶组构特征

3.3 第3期潜水面

最晚期即第 3期潜水面及其岩溶作用带上移，进一步叠加改造岩溶高地中的前两期岩溶组构，形成的孔洞缝的尺度和规模是3期中最大的（见图4d、图7）。该期潜水面之下普遍发育数个被泥质、角砾等半充填的洞穴或洞穴与溶缝的集合体，高度达到米级，近水平溶缝切割高角度溶缝且二者缝宽都较大、囊状孔洞直径大（见图4a、4d）。相应的电成像图像特征为多个高度为米级的暗色斑团，较宽的正弦状、“Λ”或“V”形的暗色条带，较大的暗色斑块（见图7）。潜水面位于由多个尖峰组成的自然伽马高值段的顶部，之下电阻率降低。该期潜水面之上的垂向渗滤带以宽大的高角度及斜交溶缝为主，至鹰山组顶不整合面处，发育表层岩溶带的洞穴（见图4a）。如G451井5 819.5 m之下发育4个洞穴，直径分别为0.7，0.9，1.0，1.1 m，还发育近水平溶缝、高角度溶缝与直径较大的囊状孔洞的叠置组合（见图4d）。此外深度段5 819.5～5 826.0 m为自然伽马高值段，电阻率显著降低，故厘定5 819.5 m为第3期潜水面发育深度。

图7 第3期潜水面之下的水平潜流带内岩溶组构特征

4 各期潜水面分布

利用上述各期岩溶潜水面识别标志，划分单井岩溶剖面并进行连井对比分析，再结合研究区岩溶古地貌特征，可预测各期潜水面的分布。第一期潜水面在研究区鹰山组中均有发育，其中，G104井—G101井—G102井一带和G5井—G9井—G701井一带（见图8中绿线）以北至塔中1号断裂，为古地貌最低的岩溶洼地，仅发育第 1期潜水面，储集层发育范围小。而以南至研究区三维地震数据边界，主要是暴露时间较长的岩溶斜坡和岩溶高地，则发育第 2期潜水面。储集层发育范围大，以Ⅰ—Ⅱ类储集层为主，获得探明储量的G8井区就位于此区域。其中，在G111井—G8井—G47井—G7井—T161井一带（见图8中的蓝线）以南至研究区三维地震数据边界，除了G432井南部局部较低岩溶平台区（见图 8中蓝线闭合区域）之外，这些地区主要为岩溶高地和局部岩溶斜坡较高的残丘峰，岩溶古地貌最高、暴露时间最长，还发育了第 3期潜水面（见图 8）。3期水平潜流带使得该范围的岩溶储集层发育范围大，以Ⅰ—Ⅱ类储集层为主，获得探明储量的G43井区就位于该区域内。

图8 鹰山组岩溶潜水面及岩溶储集层平面分布图

5 控储模式

研究区鹰一、二段中发育多套岩溶储集层，在垂直于地层走向的剖面上具有“区域穿层、局部顺层”的展布特征[9,26-27]，平面上储集层在岩溶高地、斜坡中大范围发育，且以较优质的Ⅰ—Ⅱ类储集层为主，而岩溶洼地储集层发育范围较小（见图8），这主要是受到海平面阶段上升的岩溶作用控制，即 3期水平潜流带内岩溶缝洞形成的多套储集体的控制。中晚奥陶世构造运动趋于活跃[16,27]，宽缓台地上沉积的鹰山组岩层仍处于初始的近水平状时，即被抬升暴露，受到岩溶作用，此时地层倾角极小。岩溶古地貌由南西向北东降低，大部分地区的相对高程差值小于300 m，横跨宽度可达27 500 m[21]，据此可计算岩溶古地貌高点到岩溶早期海平面的坡度角，即不整合面与水平面最大夹角小于等于 0.63°；而局部最大高程差达 600 m 的T161井区，坡度角小于2.8°，那么不整合面之下的各期潜水面与水平面夹角则较之更小。因此，垂直地层走向的南西—北东向剖面上，各期水平潜流带内多套储集体与各亚段呈极小角度相交，整体上“穿层”分布（见图9）。但在地层残留特征一致的局部区块或平行地层走向的北西—南东向剖面中，各期储集体则呈准层状分布在各亚段内，具有“顺层”发育特征。岩溶古地貌由低到高，鹰山组岩溶潜水面及水平潜流带的期次增多、同一期水平潜流带厚度增大（见图9）。因此，研究区相对较高地貌的岩溶高地、斜坡不仅发育2、3期潜水面，而且各期水平潜流带厚度也较岩溶洼地大，使得较优质的Ⅰ—Ⅱ类储集层大范围发育（见图 8），因而是相对有利的勘探区域。一旦能通过单井识别、井震结合、地质建模等方法技术，确定各期潜水面三维空间展布，则可以对储集层地质建模、井位优化甚至是水平井靶层选取及轨迹设计等提供重要指导作用。

图9 鹰山组岩溶作用的控储模式图（地层倾角及水平潜流带厚度被放大）

6 结论

以岩溶潜水面之下水平潜流带的岩溶特征为依据，建立了不同期次潜水面判识方法和标志。塔中地区鹰山组中第 1、2、3期潜水面对应的水平潜流带的典型判识标志分别为：囊状溶蚀孔洞层或近水平溶缝等单一岩溶组构，出现小型洞穴或不同岩溶组构的叠置组合发育，多层洞穴及更大直径岩溶组构的叠置组合发育。同一剖面中晚期潜水面之下的岩溶组构类型较早期的更丰富，岩溶组构的直径及叠置组合的厚度比例更大。

阶段性上升的海平面使得中下奥陶统鹰山组岩溶洼地、斜坡、高地分别发育第1期、第1、2期、第1、2、3期潜水面。同一期潜水面距不整合的深度、水平潜流带的厚度及其中储集层厚度，均具有随着岩溶地貌增高而变大的趋势。

受控于岩溶期鹰山组近水平的地层产状，阶段性上升的海平面形成的 3期潜水面及其下水平潜流带中岩溶缝洞与地层夹角极小，且每期水平潜流带厚度有从低地貌到高地貌逐渐增厚的趋势。这就控制了储集体“区域穿层、局部顺层”的展布特征，使得岩溶高地和斜坡具有更多期次的潜水面及较同期更大的水平潜流带厚度，储集层套数更多、厚度更大，Ⅰ、Ⅱ类较优质储集层更为发育，成为有利的勘探区域。