塔北地区奥陶系古地貌及走滑断裂差异性控储规律

2022-02-03李凤磊林承焰崔仕提任丽华张国印

中国石油大学学报（自然科学版） 2022年6期

李凤磊, 林承焰, 崔仕提, 马慧, 任丽华, 张国印

(1.山东省油藏地质重点实验室,山东青岛 266580； 2.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东青岛 266580;3.中国石油塔里木油田勘探开发研究院,新疆库尔勒 841000)

碳酸盐岩缝洞型储层是塔里木盆地重要的储集类型，主要集中在奥陶系中上统一间房—鹰山组，位于在不整合面之下的溶洞和裂缝，是主要的储集空间和渗滤通道[1-2]。研究和生产表明，古岩溶期形成的大型缝洞体和缝洞连通网络，虽然经历埋藏、垮塌、充填，但是仍具备良好的储集空间[3]。研究区碳酸盐岩岩溶储集体经历多期、多种类型的成岩作用，包括胶结及充填作用、溶蚀(或岩溶)作用、硅化作用、压溶作用、破裂作用和热液作用等，其中储层发育主控因素为溶蚀作用[4-6]。在塔北的油气勘探开发过程中，已经明确表生岩溶体系控制着喀斯特地貌及地下岩溶系统的发育[4-7]。随着塔里木油气勘探的不断深入，逐渐明确走滑断裂与古地貌在控制岩溶发育及分布方面起重要作用[7-8]，但研究多局限于部分断裂带的岩溶分析，近年来部分学者开始关注整个区域的岩溶体系，但尚未对某一条完整断裂带上的岩溶特征细分，选择FI7(哈15断裂)断裂带，涵盖多种岩溶特征，进一步研究区域性的走滑断裂、古地貌与岩溶储层之间的匹配关系，研究区带多类型岩溶缝洞体的发育规律，为整个区域断控岩溶差异性研究和油气勘探提供一定的借鉴意义。

1 溶蚀作用

通过野外观察和岩心观察，结合前人研究成果，明确研究区岩溶缝洞体的发育和改造受大气淡水和热液流体的作用[9-10]。

1.1 野外露头及岩心观察

塔北一间房地区野外露头考察，存在大量落水洞，显示为现代大气淡水溶蚀(图1(a))；钻井取芯显示，在一间房组、良里塔格组钻遇大型缝洞会发生放空漏失情况[10]，大多无法钻获缝洞主体岩心，但是钻获大量的表层裂隙溶蚀岩心，暴露岩溶表现为溶斑、溶缝的发育，溶缝被泥质、方解石充填(图1 (b))；通过微观薄片观察，可见大量的溶蚀形成的孔洞，部分后期被泥质及方解石充填(图1(c))，表明古岩溶期发育淡水溶蚀现象。

图1 野外露头、岩心、薄片显示结果Fig.1 Outcrop, core and thin section results

塔北地区一间房地区露头区存在多种岩溶缝洞(图1(d))，获取缝洞萤石、方解石、硅质岩层进行试验分析，方解石主要为加里东中晚期海相环境成因与海西早期淡水成因，未见热液影响；萤石矿脉和硅质岩层是晚海西期热液影响形成的产物[11]。岩心观察中发现早期裂缝和溶蚀孔隙中可见与热液相关溶蚀孔洞的发育，热液产物主要充填于缝、洞中央，主要为辉绿岩充填，洞壁方解石有被烘烤的现象(图1(e))，反映热液作用晚于储层形成，主要表现为后期充填。部分微观薄片显示，早期裂缝和溶蚀孔洞的填充物中，存在热液流体作用(图1 (f))。

1.2 地化分析

选取一间房顶面、良里塔格组顶面岩心样品，对裂缝方解石、溶蚀孔洞方解石、胶结物方解石、洞穴方解石做Sr同位素分析、阴极发光及Fe、Mn含量试验。Sr同位素分析结果与当时海水一致，表明方解石填充为海水环境下的自生作用[12]，分析为岩溶后期地表沉降致海侵后存在咸水环境下方解石充填作用(图2 (a))。裂缝和洞穴充填物大部分位于Fe和Mn含量都较低区域，样品显示为昏暗—不发光(图2 (c)，为大气水弱氧化环境的响应[12]。少量岩心样品位于Fe和Mn含量较高区，样品发明亮光，选取塔北某井典型岩心分析，该岩心发育高角度溶缝和溶蚀孔洞，阴极发光显示方解石充填物发光程度从缝壁到中央存在明显的过渡现象，分析认为地表低温氧化环境方解石充填不发光，埋藏后氧化环境停滞，热液影响的充填作用导致发亮光(图2 (d))。

图 2 Sr同位素和阴极发光试验结果Fig.2 Sr isotope and cathodoluminescence experiments results

针对裂缝充填物、洞穴充填物的包裹体温度分析发现，裂隙充填物和洞穴充填物中有一半样品均一化温度为60 ～ 80 ℃，少量样品均一化温度较高，较低温环境的成因占比较大，分析认为淡水岩溶为溶蚀主要因素(图3 (a))。碳氧同位素图版显示裂缝、洞穴充填物的碳氧同位素特征与标准热液产物的差别明显，碳同位素偏负的特征反映有机碳加入，分析为大气水途经碎屑岩地层携带有机质填充(图3 (b))。碳酸盐岩的δ13C和δ18O可以作为区分海相和淡水相灰岩的标志，根据Keith和Weber[13]提出的经验公式:

Z=2.048(δ13C +50)+0.498(δ18O+50).

(1)

Z小于120为陆相淡水环境，Z大于120为海相咸水环境，结果显示淡水成因裂缝充填方解石占比大，表明裂缝和溶孔充填阶段以淡水环境为主(图3(c))。稀土元素可反映成岩环境的特征[14]，对不同组构的方解石进行整理，可见洞穴、裂缝和溶缝充填的方解石与热液方解石配分模式差异明显，另外Ce和Eu大多表现为负异常，反映的是一种大气水低温成岩环境(图3(d)) (本文中试验数据来源于山东省油藏地质重点实验室、塔里木油田、中国石油杭州院)。

图3 多种地化参数分析结果Fig.3 Analysis results of various geochemical parameters

2 岩溶发育区和岩溶期次

FI7(哈15断裂)走滑断裂，贯穿哈拉哈塘—金跃—跃满3个开发区块，具有北高—南低特点，古地貌分析结果显示地势落差大于1 000 m，整个断裂带表生岩溶发育类型多样[15]，极具研究价值(图4)。由于构造升降运动，研究区一间房组、良里塔格组、桑塔木组沉积末期均发生大范围暴露。一间房组暴露期，FI7(哈15断裂)走滑断裂形成，发育大量的明河古水系(图4 (a))，水量充沛，具备大范围溶蚀的条件，为规模层间岩溶奠定基础。良里塔格组暴露期，形成大范围的深切河道及岩溶湖(图4 (b))，为良里塔格组地层溶蚀及一间房组断、缝沟通的岩溶改造提供充沛的淡水条件。桑塔木组暴露期，也形成较大规模的明河古水系(图4(c))，桑塔木组地层在哈15井区南侧尖灭，尖灭线以北碳酸盐岩地层持续溶蚀，形成深切河道和残丘，尖灭线以南桑塔木组地层厚度逐渐增加，由于泥质含量高，桑塔木组地层无法形成有效储层，且FI7(哈15断裂)走滑断裂活动减弱，地表淡水无法大规模垂向渗流至碳酸盐岩地层，总体溶蚀条件差。

图4 依据断裂分布和古地貌选择研究区域Fig.4 Study area selection according to fault distribution and ancient landform

沿FI7走滑断裂方向连井地震剖面精细解释，对志留系地层做层位拉平，可以发现南北向呈明显的北高南低的构造趋势，且北部地层存在明显的剥蚀现象(图5(a))。实钻结果也显示，研究区北部岩溶发育受古地貌、断裂、裂缝多种因素的影响较大，向南发育逐渐发育以断控为主。根据现今钻井揭示地层，结合地震资料解释，刻画出奥陶系桑塔木组、良里塔格组、土木休克组和一间房组地层尖灭线，其中桑塔木组尖灭线是划分潜山岩溶的重要依据。

图5 FI7断裂带岩溶分段特点Fig.5 Characteristics of karst subsection in FI7 fault zone

依据实际资料绘制南北向的地质构造模式图(图5(b))和6种岩溶模式图(图5(c))，由北向南依次发育：潜山岩溶区(图5(c①))、顺层岩溶区(图5(c②))、台缘叠加区(图5(c③))、台缘陡坡排泄区(图5(c④))、近岸斜坡断控区(图5(c⑤))、远岸斜坡断控岩溶(图5(c⑥))。

3 基于地貌和走滑断裂的岩溶分段

3.1 潜山岩溶区

潜山岩溶区暴露时间长，溶蚀作用强，岩溶缝洞系统主要位于一间房组上部及鹰山组上部、中部(图6 (a))，形成不等幅度的残丘(图6(b))，有效的岩溶储层多聚集于残丘及其边缘，形成残丘型、暗河型为主的岩溶体系。研究认为，该区前志留纪奥陶系碳酸盐岩地层持续暴露，区域上属多期岩溶作用的古岩溶流域补给、径流区，深切河谷是潜山风化壳区局部排泄基准[16]。浅部一间房组岩溶水以垂向渗滤为主，溶蚀孔洞、溶蚀裂缝发育；断裂是地下水主要通道，鹰山组岩溶发育多受断裂影响，以侧向径流为主，局部形成岩溶管道，岩溶发育程度较强，局部发育暗河系统(图6(c))。岩溶垂向分带清楚，表层岩溶带和径流溶蚀带岩溶缝洞系统比较发育。地表径流入渗后，受南侧吐木休克组弱岩溶层组的的影响，岩溶地下水沿断裂潜流向南侧排泄,从而形成沿断裂分布的岩溶缝洞系统(图6(d))。此类岩溶系统与油源断裂良好匹配情况下，位于构造高部位易形成优质油气藏。

图6 潜山岩溶区岩溶模式及典型井Fig.6 Karst model and typical wells in buried hill karst area

3.2 顺层岩溶区

顺层岩溶区岩溶发育的主控因素为潜水面、古水系和走滑断裂活动形成的裂缝系统(图7(a))，钻井揭示储层类型以裂缝—孔洞型和洞穴型为主(图7(b)～(e))。岩溶缝洞系统与古河道深切构成局部排泄具有明显关系，缝洞发育层位主要集中于一间房组，局部发育于鹰山组[17]。良里塔格组顶面岩溶时期，此区属丘峰洼地与岩溶谷地组合地貌区，地表水系发育，也是潜山区地表水系向南流经区域，河谷深切导致岩溶缝洞系统发育的水动力条件强。同时连续型碳酸盐岩层组与不纯碳酸盐岩层组接触，岩溶差异作用明显，受吐木休克组、良里塔格组二段泥质含量高，潜山区部分岩溶水被胁迫沿下部岩溶有利的一间房组地层岩溶层组径流，也是该区岩溶缝洞形成的主要水动力条件。前志留纪时期，受桑塔木组地层阻挡，潜山区大部分地表水系未能直接向南径流，在接触带附近形成一系列岩溶湖或地表径流下泄口(图7(a))，受弱岩溶层组、碎屑岩影响，胁迫地下水通过层间或断裂径流，以顺层裂缝溶蚀孔洞为主(图7(b)、(d))，后在下游河流深切部位排泄，形成规模暗河岩溶系统(图7(c)、(e))。该区2种主要的缝洞型储层与油源断裂匹配好的情况下都可形成油气藏，但是暗河系统油藏明显优于裂缝—孔洞型储层。

图7 顺层岩溶区储层发育影响因素及储层特征Fig.7 Influencing factors and reservoir characteristics of reservoirs in bedding karst area

3.3 台缘叠加区

台缘叠加区良里塔格组发育较厚的台缘礁滩相，野外勘探发现多个礁滩体露头(图8(a))，发育大量瓶筐石(图8(b))，反映该区强大高效的造架能力[18]。良里塔格组岩心可见瓶筐石化石(图8(c))，岩心薄片展示砂砾屑和棘屑、藻屑等生屑被亮晶方解石胶结。良里塔格组沉积结束后，研究区存在长时间暴露，形成纵横交错的明河系统，同时良里塔格组顶部不整合暴露为岩溶储层发育创造条件。

图8 多尺度野外露头、岩心观察可见的多种岩溶储集类型Fig.8 A variety of types of karst reservoirs found in multi-scale outcrops, cores

钻井结果显示，可见纵向上储层发育良里塔格组岩溶和一间房组岩溶(图9(a))。前志留纪岩溶期处于桑塔木组浅覆盖丘陵区，覆盖层较厚，对碳酸盐岩岩溶作用影响较小；良里塔格组岩溶期，古水系控制良里塔格组顶面古岩溶面浅部岩溶水排泄，是良里塔格组一段、二段岩溶缝洞系统发育的水动力条件，古地貌属丘丛垄脊沟谷、岩溶地貌组合区，河流切深相对较浅，大部河段深切至良里塔格组一段或二段，局部河段切深至三段，为良里塔格组岩溶管道发育提供水动力条件[19]。一间房组、鹰山组大型缝洞体发育受断裂控制，一间房组暴露期局部发生岩溶，在良里塔格组暴露期，断裂、层间面是深部岩溶水径流通道，断裂对岩溶缝洞系统形成具有控制作用。规模的缝洞系统主要沿断裂发育，多位于一间房组或鹰山组上部(图9(e))。良里塔格组台缘礁滩岩溶储层与河流、断裂伴生且匹配性好，控制规模储层的形成与改善。有利方向多位于油源断裂匹配好的位置，侧向分支断裂高部位油气富集(图9(c)、(d))，加上良里塔格组总体表现为良二段高GR，良一、三段低GR的三分特征(图9(b))，油气藏多集中于良三、良一段。

图9 台缘礁滩岩溶区岩溶模式及典型井Fig.9 Karst models and typical wells in marginal reef-shoal karst area

3.4 台缘陡坡排泄区

研究区古地貌表现为有台缘高地向斜坡区域过渡阶段，地势落差较大，水流作用强，从属性表现上分析，水流沿断裂两侧高部位裂缝向主断裂汇聚，总体溶蚀作用强，主干纵向岩溶发育程度高、分支溶蚀发育较浅，平面溶蚀呈线性发育。陡坡上下部位钻揭储层差异较大，陡坡高部位以孔洞型和裂缝—孔洞型优质储集体，测井解释以Ⅱ、Ⅲ类储层为主，部分井见I类储层，低部位可见泥质充填的大型缝洞体。结合钻遇情况分析，陡坡带整体成藏效果较差，低部位缝洞储集体更易被泥质充填而受到破坏，即使储层发育，由于地层坡度大，油气停驻难，特别是沿主断裂发育岩溶储层，大坡度造成的水平方向连通性概率高，低部位成藏更难。有利方向为上坡沟通油源断裂的相对孤立的岩溶缝洞体。

3.5 近岸斜坡断控区

近岸斜坡断控区位于台地斜坡低部位，总体沉积环境变化不大，地层厚度较稳定，良里塔格组和吐木休克组总体泥质含量增加，暴露期水流沿裂隙下渗，汇聚于一间房组，沿早期岩溶面及断裂走向溶蚀逐渐增强，形成断控岩溶储层，但是该段岩溶储层发育强度与断裂级别关系不大，且岩溶发育范围较广，岩溶深度不大，宽度较大。结合钻遇情况分析，研究区以孔洞型和裂缝—孔洞型优质储集体为主，发育孔洞主体沿断裂展布。研究区储层无论成藏与否都会发育较好储层，多见放空漏失现象。由于距离台缘高地较近，古地貌对水流汇聚影响还存在，溶蚀作用在一定程度上受到古地貌的影响，古水流汇聚处是岩溶储层最有利的发育位置。从生产数据分析，油气藏多位于分支断裂岩溶发育区，断裂北向发育的分支断裂易成藏，进一步表明该区断控岩溶浅层强溶蚀发育，沿断裂走向连通性强，分支断裂末梢+侧向高部位致密灰岩遮挡为该区高效成藏模式。

3.6 远岸斜坡断控区

远岸斜坡断控区为典型的断控岩溶储层发育区；断裂和裂缝作为流体高效的输导通道，是该区碳酸盐缝洞储层主要的溶蚀通道[19]。图木舒克市西北方向的一间房露头区(图8(d))，发育典型的断裂—裂缝型缝洞体，实际测量获取该缝洞体可探测区域的长度、高度、宽度、方位(表1)，将该缝洞体的平面延伸信息投影在卫片影像中(图8 (e))。结合拍摄的冲沟两侧山体图像分析(图8 (f))，断裂及裂缝是缝洞体发育的基础条件，可见缝洞体发育与断裂发育方向一致，是较为典型的断控岩溶缝洞体。

远岸斜坡断控区位于台地斜坡，典型井Y5分析结果显示，吐木休克组、良里塔格组、桑塔木组地层泥质含量高，储层不发育，岩溶缝洞储层主要发育在一间房组，裂缝发育段整体气测异常(图10(a))，岩心观察及成像测井可见高角度裂缝面有黑色沥青残留(图10(b) 、(c))，气测较弱取芯段多为碳酸盐岩基质，不具备储层特征，岩心铸体薄片分析表明，缝合线呈网状分布，部分已呈残余状，大部分已被泥质、沥青全充填，构造缝有两期:第一期构造缝宽为0.01～0.03 mm，已被方解石全充填;晚期构造缝未充填，对改造储层有一定作用，但是改造能力有限(图10(d))。

图10 典型井奥陶系大型缝洞体型储层表征Fig.10 Characterization of large Ordovician fracture-cave reservoirs in typical wells

表1 塔里木盆地一间房组断控岩溶洞穴测量参数Table 1 Measurement parameters of fault-controlled karst caves in Yijianfang Formation, Tarim Basin

生产动态分析，典型井Y5累产已达到十几万t，基质孔隙和岩心发育的少量裂缝不能提供足够的储集空间，认为该井沟通储层为大型缝洞体。综合动静态结果分析，研究区岩溶发育主要受断裂控制，古地貌起到控制总体地势的作用，控制着水流方向，决定沿构造趋势延伸的断裂，溶蚀作用强。研究区地层分布稳定，认为良里塔格组沉积后期研究区高部位暴露时间较长，低部位暴露时间较短，存在2种岩溶模式交替的情况，一种是完全暴露模式(图10(e))，大气淡水渗入断裂主体，逐渐溶蚀形成断控岩溶。另一种是局部暴露模式(图10(f))，大气淡水在暴露区局部沿地表裂缝渗入断裂主体，水流沿断裂顺势而下，延伸到海水面下，在水面局部以海底喷泉形式排泄。在典型的现代岩溶中有多种类似的现象，比较著名的是美国佛罗里达州近岸碳酸盐岩溶洞[20]。在这2种岩溶模式的作用下，研究区发育大型岩溶缝洞体，主体沿断裂呈线性发育。断裂的级次及通源性控制着该区油气成藏，有利方向为控源断裂附近，主干及主干较近的分支断裂控制的岩溶储层。