塔河地区海西早期岩溶斜坡上分水岭的组成及其缝洞结构

张 三， 金 强， 田 雯， 程付启， 张旭栋， 魏荷花， 卜翠萍

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛 266580；2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院,山东东营 257022； 3.中国石油化工集团公司勘探开发研究院,北京 100083)

岩溶作用是水沿渗流通道对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏等)的溶蚀与淀积作用，可溶性水、可溶岩及水流通道是其三大条件[1-2]，其形成的特殊地貌称为岩溶地貌，按水系高程依次划分为岩溶高地、岩溶斜坡、岩溶盆地，岩溶斜坡溶蚀缝洞最为发育[3]。塔河油田奥陶系岩溶储层即分布于塔北岩溶斜坡之上，溶蚀缝洞是其主要的储集空间[4]。由于断裂构造、水流通道时空分布的随机性，导致岩溶缝洞储层非均质性极强[5]。通过多年科研攻关，形成了地质-地球物理岩溶储层描述技术[6]，并且在岩溶地貌恢复[7]、缝洞结构表征[8]、岩溶水系划分[9-10]、岩溶相研究[11]等方面取得长足性进展。岩溶缝洞最发育、原油产能最大者：一是分布在岩溶地貌较高部位，例如S74和S48井区2个岩溶地貌高带上，其油井无水期长、单井累积原油产量超过20×104t[12]；二是分布在大型溶洞发育部位。后者已做过不少研究和报道[11,13]，这里讨论前者的成因结构问题。笔者在前人有关塔北岩溶斜坡及其水系研究的基础上，通过岩溶储层描述，识别出S74和S48两个分水岭，结合地表岩溶现象与地下缝洞地质-地球物理响应特征，刻画出分水岭的差异组成和缝洞空间结构。

1 塔北岩溶地质背景

寒武—中奥陶世在稳定的台地环境下沉积了一套碳酸盐岩[4]，虽然奥陶系沉积期有短暂的抬升，发生过同生/准同生岩溶作用[14]，但是塔北地区大规模岩溶期是在泥盆世末至早石炭世。在此岩溶期，NW向左旋压扭构造应力场作用下形成了一系列NNE、NNW和近EW向走滑断层[15]，塔北地区奥陶系遭受强烈的剥蚀和岩溶作用，形成了北高南低的大型岩溶斜坡(图1)。如图1(b)所示，在岩溶斜坡上共发育6条近南北向岩溶水系及7个形态各异的分水岭。研究区(塔河油田的4、6和7区)受岩溶水系侵蚀/溶蚀特别严重，形成了S74和S48两个分水岭夹持一个河丘谷地的独特岩溶地貌[16]。

图1 塔河地区奥陶系岩溶斜坡水文地貌特征及地层柱状图

由分水岭形成的岩溶储层在塔河油田被称为风化壳型岩溶储层[14]，有关缝洞的形成和演化一直比较模糊。但是有些现象可以帮助探讨其成因过程：分水岭上部分残余奥陶系灰岩与石炭系巴楚组泥岩直接接触；有的地方奥陶系灰岩之上发育岩溶堆积物；有的被岩溶湖沉积物覆盖。

2 分水岭的组成结构

2.1 断层与地貌特征

结合蚂蚁体属性，采用剖面与平面相结合的方法进行断层精细解释。结果(图2)显示，研究区奥陶系主要发育NNE与NNW向两组断层(局部发育少量近EW向断层)，剖面上呈正花状和单断式构造样式，平面呈斜列或“X”型排列。依据断层延伸长度与切穿深度，将其划分为主干断层(主断层)与次级断层(次断层)，其中NNE向断层延伸长(可达12.65 km)，断穿深度大(可断至寒武系)。次级断层延伸长度小(2.14～5.28 km)，仅发育于奥陶系内。岩溶期后断层明显减少，呈单断式产出。

在塔河地区海西早期岩溶地貌与水系雕刻的基础上[9,17]，依据岩溶水系分布及地貌高程可圈定出分水岭范围。西面为一NE向的S74分水岭(S74井-S71井方向)，地貌等高线在80 m以上，北高南低，东陡西缓，南北延伸9.2 km，面积32.8 km2；共发育3组NNE向主干断层，7组NNW向主断层，26条NNE、NNW向次级断层，断层密度在S74-S66井区最大，可达4.9条/km。东面为一近NS向的S48分水岭(T402井-S48井方向)，南北延伸约8.4 km，面积25.6 km2，相对高差达100 m(高于S74分水岭)；共发育5组NNE向主断层，5组NNW向主断层，34条次级断层，在T402-S48井区断层最为发育，断层密度可达5.2条/km(图2(b))。分水岭间为喇叭口状的河丘谷地，其中地表河与溶蚀残丘发育，称其为河丘谷地。值得注意的是，分水岭断层发育程度明显大于其间的河丘谷地(断层密度0.56条/km)，而且密集发育的断层将分水岭切割呈众多零星断块(图2)。

图2 塔河地区奥陶系岩溶期地貌与构造特征

2.2 分水岭的组成及分布

湖南现代岩溶地质考察表明，同一岩溶流域，分水岭中广泛发育的断层、裂缝形成了复杂的网络通道，大气淡水沿该通道渗流溶蚀，形成不同规模沟槽或峡谷，将分水岭切割呈众多石柱岩块和峡谷断槽。如湖南张家界著名的石林地貌，海拔1 518 m，位于澧水流域南侧分水岭地带，单个石柱高度可达百米，古丈县红石林地质公园出露的峰丘地貌，向下游方向峰丘高地依次降低，石林、峰丘间发育峡谷或断沟，在峡谷岩壁上可见明显的檫痕和溶痕，属于构造与溶蚀共同作用的结果(图3)。

图3 湖南岩溶区分水岭组成结构类型

鉴于此，统计研究区奥陶系分水岭中峰丘高度与槽谷深度，结果发现，峰丘高度变化较大，在10～112 m，槽谷深度在10～94 m。自分水岭轴部向翼部，峰丘高度逐渐降低，其中分水岭轴部峰丘高度在48～112 m，分水岭翼部峰丘高度在18～56 m。分水岭轴部槽谷深度明显大于翼部，且断层规模越大，槽谷宽度和深度越大。依据峰丘高度(h)及结构形态，将研究区奥陶系分水岭划分为断块石林(h>50 m)、断坡溶丘(h<50 m)和其间的断槽溶谷3种组成类型。其中断块石林主要分布在分水岭轴部，断层密度达5.2条/km；研究区共发育89个断块石林，自北向南，石林高度、规模逐渐减小，油井产量高，单井累积产油量可超过20×104t。断坡溶丘主要分布在花状构造翼部，远离主干断层，断层密度3.5条/km;研究区共发育53个溶丘，向邻近河丘谷地溶丘高度依次减小，单井累积产油量集中在10×104t。断槽溶谷广泛分布于分水岭中，主要沿NNE向、NNW向断层展布，其中NNE向主干断层溶谷延伸长(4.26～9.63 km)，宽度大(100～400 m)，深度可达30～100 m，单井累积产油量可达30×104t(图4)。

图4 塔河地区S48和S74分水岭组成分布与油井累积产油量

3 分水岭的缝洞结构

分水岭3个组成部分由于断裂发育程度和水流大小不同，导致其缝洞组成和结构具有显著差异，有必要对其进行深入分析。

3.1 断块石林缝洞成因类型

断块石林受逆冲断层持续抬举，矗立在分水岭最高部位，其顶部奥陶系碳酸盐岩直接与石炭系巴楚组泥岩相接；奥陶系内部断层、裂缝发育，尤其是高角度裂缝密集发育、相互交错连通，形成复杂的渗流通道，每逢雨季，大气淡水沿该通道渗滤、扩散溶蚀，形成众多缝洞复合体[18]，缝洞厚度可达百米。该类型缝洞在野外岩溶露头与塔河油田岩溶储层开发实践中均已得到证实，如图3(a)显示的湖南张家界石林岩块中发育的高角度开启裂缝，以及塔河油田S48分水岭中的T402石林断块中发育缝洞复合体(图5)。

图5 S48分水岭中断块石林缝洞复合体识别特征

T402断块石林，石柱高86 m，面积2.06 km2，地震显示为杂乱弱反射特征，其上的T402井于5 358.5 m钻入奥陶系，钻速突然加快，油气显示异常，且发生多次溢流及井漏(漏失682 m3)，随即立刻停钻，对下奥陶统裸眼井段5 358.09～5 412.84 m进行中途测试，油嘴直径9.53 mm，折算日产油350.8 t，天然气9 860 m3。该井第7～9次取芯结果显示，5 360.95～5 377.75 m岩心破碎严重，取芯收获率低(分别为19%、55%、63%)，岩心高角度开启裂缝及溶蚀缝洞极其发育，且均被原油浸染成灰褐色。测井结果显示，5 361.5～5 464.1 m溶蚀缝洞发育，三孔隙度测井呈峰丛式高值，其中声波时差(AC)平均为156 μs /m，补偿中子(CNL)平均为2.6%。同时深、浅侧向电阻率(Rd、Rs)呈指状低值(小于10 Ω·m)，且呈明显的正幅差。值得注意的是，全井段自然伽玛(GR)曲线始终保持低平状态，尽管在5 523 m处，GR呈尖峰状高值，但无铀伽玛(KTH)曲线仍然保持低平状态，表明断块石林缝洞并未充填泥质等细粒沉积物，即缝洞充填率低(与岩心描述结果一致)。

3.2 断槽溶谷缝洞成因类型

断槽溶谷是断层活动与水流侵蚀与溶蚀共同作用的结果，在地貌上为负向沟槽，发育季节性溪流，长期的侵蚀与溶蚀作用使沟槽不断加深，诱发邻近石林岩块垮塌，规模不等的垮塌角砾无序堆积于槽谷之中形成岩溶堆积物，厚度在10～60 m不等，其中一些巨型角砾相互叠置、遮挡形成的洞穴，本次称其为遮挡洞穴。在岩溶堆积物上部发育厚度不等的含灰岩角砾的岩溶湖相细粒沉积物，在往上即与巴楚组泥岩渐变接触。在岩溶堆积物下部的奥陶系灰岩中可发育4种不同规模的驻水洞，水流沿单支断层下渗溶蚀可形成单管型驻水洞，于断层交汇处或裂缝密集发育部位进一步溶蚀扩大可形成片状驻水洞，随着岩溶作用不断进行，相邻片状驻水洞间不断溶蚀扩大、串通可形成多片连通驻水洞，在上覆地层压力作用下发生垮塌，溶洞规模进一步扩大，如此垮塌-溶蚀，可形成洞高达百米的大型驻水洞。因此除了裂缝与缝洞复合体外，驻水洞与遮挡洞穴是断槽溶谷中的重要缝洞类型，如湖南洛塔乡溪沟石林一线天剖面的断槽侧壁出露高5.58 m的片状驻水洞，以及溪沟石林槽谷中因垮塌角砾遮挡形成1.62 m高的遮挡洞穴(图6)。

图6 湖南岩溶区分水岭中断槽溶谷缝洞成因类型

对于断槽溶谷中驻水洞与遮挡洞穴的发现，很好地解释了塔河地区分水岭中孤立分布的串珠型强反射的现象。如S74分水岭断槽溶谷中的S66井(图7)，拓频后地震剖面清楚显示在T74不整合界面之下即发育串珠状强反射，同时在经过平滑处理剖面中，在其下部也出现连续强反射特征。该井于5 491 m钻遇奥陶系灰岩角砾，于5 491.97～5 494.97 m完成第10次取芯，岩心显示为深灰色灰砾岩，角砾为奥陶系灰岩，混杂堆积，属于岩溶期堆积物。在第11次(5 494.97～5 499.89 m)取芯钻进过程中，井口出现了约1 min的断流，漏失量2.0 m3(表明钻遇溶洞且溶洞规模相对局限)，而后在5 501.5～5 533.2 m钻进过程中又连续出现多次井涌(反映钻遇了其他缝洞体)。第11次取芯收获率仅14.4%(进尺5.21 m，岩心长0.75 m)，成像测井直接显示在5 495.8～5 498.1 m井段发育2.3 m遮挡洞穴，其中顶部约1.3 m几乎未充填，下部1.0 m被不同规模垮塌角砾杂乱充填，证实了钻井过程中的判断。测井结果也显示出该段的洞穴特征，AC、CNL曲线呈峰丛式高值，Rd、Rs曲线幅差明显，同时GR、THK曲线几乎无变化(说明该洞穴几乎没有泥质等细粒物质充填)。另外测井成果显示，在5 498.1～5 530.7 m三孔隙度曲线呈峰丛式中高值、低电阻特征，结合地震剖面中的强串珠反射以及钻井过程中出现的多次溢流现象，推测该段发育32.6 m单管型驻水洞。该井于2000年对5 495～5 550 m(遮挡洞穴和驻水洞)酸压后随即自喷生产，6 mm油嘴，日产原油51.6 t，至今，累积产原油13.6×104t，累积产水6.9×104t，更加证实了该类型缝洞的重大潜力。

图7 S74分水岭中断槽溶谷遮挡洞穴、缝洞复合体和单片驻水洞识别特征

3.3 断坡溶丘缝洞成因类型

断坡溶丘分布于分水岭翼部，发育一些低缓溶蚀残丘，常被岩溶期湖相含灰岩角砾细粒沉积物覆盖，其上再与石炭系泥岩接触；因其远离主干断层，断层、裂缝发育程度低于断块石林，裂缝等水流渗滤通道减少，岩溶作用相对减弱，溶缝与缝洞复合体厚度一般小于60 m。如位于S48分水岭南部断坡溶丘上的TK407井(图8)，其溶丘高度48 m，面积0.78 km2，地震表现为内幕弱的反射特征，钻井过程中也未发生井漏或溢流事件。该井于5 391.3 m钻遇奥陶系灰岩角砾，随即进行第一次取芯(5 391.37～5 397.83 m)，取芯收获率为90.1 %。其中5 391.37～5 393.18 m为深灰色含砾泥岩，砾石成分为奥陶系泥晶灰岩，呈楞角状水平悬浮于泥岩之中，应属于岩溶末期湖相沉积。5 393.18～5 397.83 m为奥陶系含油泥晶灰岩，高角度裂缝与缝洞复合体发育，岩心出筒时即沿开启裂缝破碎成楞角状，且见原油沿溶蚀缝洞外渗。铸体薄片也显示其发育大量沿微裂缝溶蚀扩大形成的缝洞复合体，物性测试孔隙度达5.6%(地下地质体孔隙度可能更大)。测井解释结果显示，5 393.6～5 409.3 m段发育15.7 m缝洞复合体，AC呈块状中高值(平均为151 μs/m，高于围岩背景值130 μs /m)，Rd、Rs曲线也出现明显幅差。

图8(f)显示，该井于1999年6月对5 393～5 480 m实施酸压，随即自喷生产，日产原油372 t，不含水。同年10月第一次进行生产测试，结果显示，5 393～5 410 m产纯油309 t，占所有液量的83%，5 420～5 480 m产纯油62 t，占17%。2000年7月第二次进行生产测试，结果显示，奥陶系顶部5 393～5 408 m产液223 m3，占比64%，依然是主力产层，而下部5 426～5 440 m出现了产液量占比9%的水层。2004年6月生产测试结果显示，主力产油层仍然在奥陶系顶部，其中5 393～5 397m产纯油27 t，占总液量40%；5 397～5 408 m产液9 m3，占比13%，为油水层；5 408～5 440 m产水72 m3，占比47%。多次生产测试均证明，其顶部5 393～5 408 m为主力产层。截至目前，累积产油量18.1×104t。因此断坡溶丘中缝洞主要发育于上部，尽管其规模相对较小，但仍然具有重要潜力，应当引起重视。

3.4 分水岭缝洞分布与结构模式

拓频处理(地震频率从10～50 Hz拓宽到10～90 Hz)增加了高频弱信号的能力强度[19]，可展现出分水岭中“大片杂乱弱反射”的内部结构，再进一步通过迭代处理得到均方根属性(RMS)，可有效识别分水岭中不同组成的缝洞结构(图9(b))。断槽溶谷中的遮挡洞穴RMS值最大(大于3 800)，而驻水洞次之，RMS数值介于2 400～3 600，如断槽溶谷之中的TK408、TK411井均钻遇遮挡洞穴和驻水洞，在RMS剖面上均可清楚识别。断块石林中密集发育的缝洞复合体群RMS值集中分布在1 500～2 400(如T402井钻遇的102.6 m缝洞复合体群)，而断坡溶丘中的溶蚀孔洞与缝洞复合体RMS值主要介于1 000～1 500。另外溶蚀缝洞欠发育的围岩(奥陶系灰岩)RMS数值较低，主要分布在800以下。图9(c)是采用顺层属性提取技术，做出的T74以下60 ms范围内(约180 m)缝洞异常体顺层切片，可以看出分水岭内部主要以中小型缝洞为主，呈不连续片状分布，同时也发育一些孤立式的驻水洞与遮挡洞穴，而分水岭外围的河丘谷地(T433、S65井区)主要发育连续带状分布的地下河溶洞，明显区别于分水岭。

图9 S48分水岭缝洞识别与平面分布特征

综上所述，分水岭3个组成部分的缝洞发育规律是明显不同的(图10)：断块石林主要发育高角度裂缝和缝洞复合体，靠近断层或大型裂缝可以形成厚度达百米的岩溶缝洞；断槽溶谷除了垮塌角砾形成的遮挡洞穴之外，沿断层发育4类驻水洞(单管状驻水洞、片状驻水洞、多片连通驻水洞和大型驻水洞)，例如TK411井在断槽溶谷条件下形成的岩溶缝洞厚度达136 m；断坡溶丘内断层、裂缝规模较小，岩溶缝洞厚度一般为10～50 m。其中断槽溶谷与断块石林向下自成一体，其中的缝洞通过断-裂相互连通构成一个巨大的峰丘体型非均质缝洞空间，成为分水岭岩溶缝洞储层“甜点”。

图10 塔河地区奥陶系分水岭缝洞发育及结构模式

4 分水岭缝洞储层特征及有利区预测

岩心、薄片以及测井解释结果显示，分水岭密集发育的岩溶缝洞中很少见到泥质等细粒物质充填，大部分被黑色原油浸染，表明岩溶期形成的缝洞在后期埋藏过程中仍然保留着大量储集空间，成为分水岭中的重要缝洞储层。然而由于该类储层的复杂性与特殊性，岩心测试孔隙度不能准确表征其储集空间大小，依据研究区海量的奥陶系缝洞储层物性测试数据以及油田生产资料，将S48和S74分水岭不同组成中单井缝洞储层厚度与该井缝洞段岩心测试孔隙度最大值(更接近地下地质体孔隙度)和单井累积产油量(近似反映地质体储集空间大小)做相关性分析(图11)。结果显示，缝洞储层厚度与储层测试孔隙度具很好的线性正相关，而与单井累积产油量呈指数正相关，即分水岭中储层厚度越大，其中缝洞储层物性越好、产量越高。因此对于分水岭中非均质性极强的缝洞储层，储层厚度可以有效表征其储集空间大小。

图11 S48和S74分水岭缝洞储层厚度与其储集物性、原油产量的关系

断块石林中缝洞储层厚度在116～480 m，平均65.5 m，62%油井单井累积产油量大于20×104t；断槽溶谷中缝洞储层厚度变化较大，在8～92 m，88%的油井单井累积产油量超过10×104t，其中有的油井累积产油量超过30×104t；断坡溶丘缝洞储层厚度通常小于50 m，主要分布约在30～40 m，单井累积产油量相对较低，主要集中分布在10×104t。目前研究区断块石林钻探程度59.9%(钻井控制面积与石林分布面积的比值)，断槽溶谷区钻探程度还很低(27.3%)，断坡溶丘69.3%。根据本文成果，结合现场开发实践，在研究区预测了11个岩溶储层有利区(图5)，包括X2、X3、X4、X9、X10断槽溶谷有利区，X5、X6、X7、X8断槽溶谷与断块石林组合有利区，以及X1、X11断槽溶谷与断坡溶丘组合有利区，为塔河油田增储上产提供地质依据。

5 结 论

(1)塔河油田S74和S48分水岭由断块石林、断坡溶丘和断槽溶谷组成，断块石林是受逆冲断层持续抬举、矗立在分水岭最高部位，与石炭系巴楚组呈突变接触；断槽溶谷是断层切割低部位，槽谷内堆积有垮塌角砾堆积物；断坡溶丘位于分水岭翼部，由溶蚀残丘等组成，一般被岩溶末期湖相沉积物覆盖。

(2)分水岭3个组成部分缝洞储层具有明显差异：断块石林裂缝和缝洞复合体发育，缝洞储层厚度可达116 m，62%的单井累积产油量超过20×104t；断槽溶谷发育遮挡洞穴和驻水洞，成为其重要的储集空间，有的单井累积产油量达到30×104t；断坡溶丘缝洞发育程度较低，储层厚度一般小于50 m，单井累积产油量约10×104t 。目前S48和S74分水岭中断块石林钻探程度59.9%、断槽溶谷仅27.3%，仍然具有很大的增储上产空间。

(3)碳酸盐岩岩溶斜坡发育分水岭是常见的构造及岩溶现象，其缝洞储集空间发育、油气相对富集，除塔北岩溶斜坡外，塔中岩溶斜坡也应如此，所以岩溶斜坡分水岭研究方兴未艾。