地下暗河溶洞系统特征描述及地质建模
——以塔里木盆地哈拉哈塘地区为例

高翔，马青，曹康，宋倩，董旭江

（西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500）

地下暗河溶洞系统特征描述及地质建模
——以塔里木盆地哈拉哈塘地区为例

高翔，马青，曹康，宋倩，董旭江

（西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500）

塔里木盆地哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩的主要油气产层为岩溶缝洞型储层，通过岩心观察、薄片鉴定，并根据录井、测井、地震和生产资料等，针对该储层建立了地下暗河溶洞系统的地质概念模型，总结出地下暗河溶洞识别的3种地震反射特征：片状反射、杂乱反射和弱反射。根据该地质概念模型进一步提出了哈拉哈塘地区潜山围斜区的岩溶水循环模型和圈闭聚油模型，可以从理论上较好地解释该地区的实际生产情况。地下暗河溶洞系统地质概念模型的建立，将为哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩岩溶缝洞型储层的油气勘探开发的快速推进、储量产量的快速增长提供地质基础保证。

碳酸盐岩；岩溶缝洞型储层；地下暗河溶洞系统；奥陶系；哈拉哈塘地区

0 引言

塔里木盆地哈拉哈塘地区奥陶系海相碳酸盐岩不仅厚度大、分布广、类型多，而且经历了多旋回和多期次重大的构造作用与成岩作用的改造，导致其储层的形成与演化过程发生多次变化［1］。前人研究表明［2-5］，奥陶纪塔里木盆地处于克拉通边缘坳拉槽发展阶段［6］，中、西部广大地区发育浅海镶边碳酸盐岩台地，堆积了1 000多米厚的海相碳酸盐岩［7］。其中塔北哈拉哈塘地区古潜山的形成主要发生在奥陶纪末—志留纪前的加里东中期Ⅲ幕构造运动期，并且是塔北隆起奥陶系古潜山第1次形成期［8］。这一期的古潜山隆起幅度比较大，剥蚀作用非常强烈，北部中下奥陶统鹰山组的地层都遭到强烈剥蚀，岩溶储层在这一时期已经形成［9-11］。而后两期（石炭纪沉积前和三叠纪沉积前）古潜山岩溶期又对已形成的缝洞系统进行了叠加改造和扩溶，才形成现今极发育的古潜山岩溶缝洞型储层［12-14］。

根据岩心观察、薄片鉴定，以及录井、测井、地震和生产资料的综合分析，发现塔北哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩基质孔隙度极低，渗透性极差，不能成为有效的储层，所以哈拉哈塘地区碳酸盐岩储层的形成主要受控于岩溶作用［15］。塔里木盆地塔北西部奥陶系碳酸盐岩区块为勘探开发一体化研究区块，目前该区块奥陶系碳酸盐岩油气藏的勘探开发仍处于勘探早—中期和开发早期阶段，对碳酸盐岩储层的认识、非均质缝洞体和油气藏仍处于探索性研究阶段［16］，因此建立地下暗河溶洞系统地质概念模型将为该储层的油气勘探开发提供地质基础。

1 地下暗河溶洞系统地质概念模型

地下暗河溶洞系统是由地下水汇集或地表水的渗入，经过岩石溶蚀、坍塌以及水的搬运形成的地下管状系统［17］，管道有粗有细。粗的部分在强溶蚀作用和洞顶坍塌作用下会进一步扩大，形成未塌陷的厅堂式溶洞段，或者塌陷形成塌陷型溶洞-洞顶缝系统；细的部分主要为过水岩溶管道即暗河段。

1.1 地下暗河地质概念模型

地下暗河溶洞系统按高度可以分成两段式，即高度小于10m的过水暗河段和高度大于10m的厅堂式溶洞段。厅堂式溶洞段可能是强水流的反复冲刷溶蚀加洞顶崩塌掉块，也可能是2条以上的暗河交汇处叠加溶塌造成的［18］，或者是地下暗河在其拐弯处发生多期侧向溶蚀、扩容、塌陷、充填和截弯取直现象产生（见图1）。厅堂式溶洞段在上覆重压和构造应力挤压下，极容易坍塌形成塌陷型溶洞和洞顶缝系统［19］。

未塌陷的厅堂式溶洞段和塌陷型缝洞体的高度一般都在10m以上，在地震上可以形成“串珠状”反射，从而被识别出来［20］。然而地下暗河段的高度大部分都在10m以下或更低，通过研究发现，哈拉哈塘地区的地下暗河地震反射类型大体可以划分为3类：弱反射、杂乱反射和片状反射。

图1 多期侧向扩溶多期塌陷充填型溶洞地质模型

当地下暗河的高度很低时，其地震响应为弱反射。如哈得23井在奥陶系内钻了3个井眼，分别为哈得23、哈得23C和哈得23C2。其中哈得23井原井眼在奥陶系内井眼轨迹已偏离了地震强反射串珠状发育区，钻至地震弱反射地区，分析测井曲线并根据地震孔隙度反演，发现井底存在地下暗河，并于井深6 272.00m开始回填侧钻，侧钻至6 419.35m时，放空0.3m至井深6 419.65m，累计漏失钻井液1 040.51m3，随后试油获得油气显示。

本区哈得23、哈得23C的双井眼实钻特征可以组合出厅堂式溶洞的轮廓，哈得23井底部钻遇了10m左右的暗河，哈得23C钻遇了厅堂式溶洞的顶部，并发生钻具放空现象，2个井底的水平距离45m左右，溶洞高度在63m左右，正好符合串珠平面图的溶洞大小（见图2）。

图2 哈得23、哈得23C、哈得23C2井油藏剖面

在大型缝洞集合体（规模大、反射强的串珠群、串珠链）附近，地下暗河的地震响应为杂乱反射。如哈13-4C井（见图3），钻至地震杂乱反射区，通过测井曲线发现，在哈13-4C井7 165.00m附近，自然伽马曲线明显增高，电阻率曲线显著降低，总烃质量分数增加，分析存在4.1m左右的地下暗河，测试获得油气显示。

图3 哈13-4C井地下暗河地震杂乱反射解释

当地下暗河的高度刚好达到地震最低分辨率时，形成了片状反射。如哈7-H12井（见图4），钻至地震片状反射地区，其水平段钻揭一间房组63m/垂深8.42m，井底放空13m/垂深1.73m并发生井漏，试油获高产油流，随后投入生产，无水采油累计产油2.761 7×104t。根据三维地震相剖面图和波阻抗反演图，可见长条状地下暗河轮廓，证实该片状反射为地下暗河溶洞的地震反射。

图4 哈7-H12井地下暗河地震片状反射解释

1.2 地下暗河溶洞系统

地下暗河溶洞系统的岩溶溶洞一般分为主洞和侧支洞。主洞通常沿泄水断层展布，规模一般较大，地震剖面上反映为强串珠状。侧支洞规模较小，地震剖面上反映为弱串珠、片状反射和杂乱反射，其末端可能与泄水断层相连，其层位可向上延伸至良三段。主洞、侧支洞、泄水断层和洞顶缝共同构成了地下暗河系统。

本区所钻遇典型主洞支洞系统为热普1井和热普1C井（见图5）。热普1井钻至井深6 960.98m发生井漏，强钻10m完钻，累计排液110.69m3，钻遇高度为12m左右的溶洞，无硫化氢，未见油。热普1C井钻至井深6 978.59m发生井漏，强钻进至井深6 988.64m完钻，累计漏失钻井液272.2m3，测试为油层，并投入生产，日产油36.6m3。

图5 热普1、热普1C井钻遇地下暗河溶洞系统情况

2 潜山围斜区溶洞系统岩溶水循环

2.1 岩溶水循环原理

哈拉哈塘油田主要为奥陶系碳酸盐岩古潜山围斜区的岩溶缝洞型储层［21-26］，工区内奥陶系碳酸盐岩地层发育由于受到多期构造运动的影响，发育有多套断裂系统［27-29］。在晚加里东—早海西期地层抬升暴露期间，平行于流体重力场方向的断裂系统是流体运移的优势通道，对顺层岩溶起到了重要的促进作用［30-33］。工区大部分地区上覆有巨厚的桑塔木组泥岩盖层，因此其地下暗河溶洞系统的形成相比喀斯特地貌区有其独特性。

哈拉哈塘古潜山围斜区大型岩溶缝洞系统的形成，首先要解决的就是岩溶地下水的循环问题。由于该区被巨厚的桑塔木组泥岩覆盖，而且古潜山地区下倾方向没有切入奥陶系碳酸盐岩地层很深的河流下切谷存在，可应用地下暗河溶洞系统理论解释围斜区奥陶系碳酸盐岩溶缝洞系统的供水和泄水模式：北部地区的奥陶系碳酸盐岩喀斯特地貌暴露区为主要的供水区，岩溶水从地上河流沿落水洞进入地下暗河，并在地下暗河内顺断层流动，溶蚀进入南部潜山围斜区，然后顺断层以涌泉的方式返回地表泄水，从而构成潜山围斜区岩溶水的循环系统。

2.2 岩溶水顺断层泄水

哈拉哈塘围斜区地下暗河溶洞系统依靠断层泄水的原理必然导致出现一系列的地质现象。最主要的就是围斜区的溶洞发育程度不及潜山区，越往南溶洞的发育程度越低，且出现溶洞沿断裂带集中分布。这一现象在哈拉哈塘南部的热瓦普和金跃区块十分明显［34］（见图6a）；其次就是清水溶蚀现象，哈拉哈塘围斜区几乎找不到泥质或粉砂质充填的溶洞，仅发现热普7004井钻遇奥陶系泥质充填溶洞（见图6b），溶洞高度达58m。但热普7004井溶洞中充填的泥岩颜色为灰绿色，且在地震剖面中见明显断层，判断灰绿色泥岩为志留系河流相泥岩泥岩，顺断层灌入奥陶系溶洞，断层是开启的，可以作为岩溶水的泄水通道。

a 地震反演有效孔隙度平面示意

图6 潜山围斜区地下暗河系统顺断层发育及泄水情况

3 地下暗河溶洞圈闭聚油原理

3.1 地下暗河溶洞圈闭油气成藏原理及模型

哈拉哈塘奥陶系碳酸盐岩古潜山围斜区存在非常发育的地下暗河溶洞储层。工区内奥陶系碳酸盐岩基质孔隙发育极差，渗透率极低，岩层致密，基本上可充当盖层；地下暗河溶洞顶部自然弯曲和溶蚀塌陷产生的缝洞体可以成为圈闭［35］，油气运移进入圈闭成藏，这就是哈拉哈塘乃至塔北隆起南部斜坡区油气成藏的原理（见图7a）。因此，哈拉哈塘奥陶系碳酸盐岩油田不是单一的油藏，而是由无数的大大小小的地下暗河溶洞圈闭油藏组成的油藏群，大型的缝洞体中出现中高产井，中—小型缝洞体中出现中低产井。

当发生重质油、沥青或者方解石充填暗河，或者断层错断暗河，且裂缝被沥青或者胶结物充填，或者泥质和粉砂质局部充填暗河溶洞，或者溶洞中的灰质沉积物被方解石致密胶结等情况时，会在地下暗河溶洞系统内形成堵点。在堵点下倾方向的地下暗河溶洞内可以形成一个超级圈闭，造成超级圈闭下倾方向的若干个缝洞体油气藏不受溢出点控制，从而形成高产或超高产缝洞体油气藏（见图7b），哈拉哈塘古潜山围斜区内大量存在的定容型油气藏就是此原因产生的。

应用堵点超级圈闭理论可以较好地解释塔北南部斜坡区奥陶系油气局部富集现象。例如，塔河油田最早的建产区和轮南油田，2个区域都属于石炭纪沉积前的古潜山喀斯特地貌区，唯一不同的就是塔河油田处于轮南油田的下倾方向，但在实际生产中发现前者要比后者油气更加富集［36］。推测可能是奥陶系地下暗河溶洞系统内充填了大量的泥质充填物，形成了大量的堵点圈闭，堵住了油气向上倾方向运移的通道，造成了塔河油田相对富油和轮南油田相对贫油的现状［37］。

图7 哈拉哈塘地下暗河溶洞系统圈闭油气藏模型

3.2 地下暗河溶洞系统圈闭油气差异聚集

哈拉哈塘奥陶系碳酸盐岩古潜山围斜区油气藏的原油密度分异比较彻底［38］，其原油密度从北向南有规律地逐渐降低：原油密度大于0.92 g/cm3为重质油区，主要分布在北部的哈7—哈15—新垦1井一带；原油密度0.87～0.92 g/cm3为中质油区，主要分布于哈6—哈10—新垦7井一带；原油密度小于0.87 g/cm3为轻质油区，主要分布于哈13—热普3井一带。从而呈现出重质油在斜坡上方、轻质油和凝析气在斜坡下方的反向非正常分布状态，这种原油密度反向分布状态在塔河油田和轮南油田也是存在的。哈拉哈塘地区原油密度的反向分布特征和油气差异性聚集，恰恰证明了哈拉哈塘奥陶系古潜山斜坡区油田不是一个单一的油气藏，而是大大小小无数个油气藏通过地下暗河系统相互关联在一起组成的大型油气藏群。

4 结论

1）塔里木盆地哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩储层的形成主要受控于岩溶作用，其中溶洞型储层为哈拉哈塘地区的主力油气产层。

2）地下暗河溶洞系统由主洞、侧支洞、泄水断层和洞顶缝构成，并按照高度和规模大小可划分为过水地下暗河段（高度小于10m）和厅堂式溶洞段（高度大于10m），并进一步识别出地下暗河段的3种地震响应特征（弱反射、片状反射和杂乱反射）。

3）哈拉哈塘地区北部奥陶系碳酸盐岩喀斯特地貌暴露区为主要的供水区，以地上河流—落水洞—地下暗河溶洞系统—断层为岩溶水的渗流通道，最终于断层处泄水，构成潜山围斜区岩溶水循环系统。

4）哈拉哈塘油田为无数个大小不一的油气藏通过地下暗河溶洞系统相连通所组成的大型油气藏群，其中油气差异性聚集，原油密度由南向北逐渐增高，在局部地区由于存在堵点，形成超级圈闭。

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（编辑 孙薇）

Characteristics and geological modeling of underground river water-eroded cave system: taking Harahatang Area of Tarim Basin as an example

GAO Xiang,MA Qing,CAO Kang,SONG Qian,DONG Xujiang
(School of Geoscience and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

The Ordovician carbonate reservoirs of Harahatang Area in the Tarim Basin are water-eroded cave reservoirs.Through the core observation,thin section identification,logging,well logging,seismic logging and production data,the geological model of underground river water-eroded cave system is established for the karst fracture-cavity reservoirs of Ordovician carbonate ancient buried hill.Three types of seismic reflection characteristics to identify underground river are concluded:flake reflection,clutter reflection and weak reflection.According to this geological model,the karst water circulation model and the trap oil accumulating model at the periclinal area of Harahatang ancient buried hill are proposed.Those models could better explain the actual production in the region.The establishment of the geological concept models of underground river water-eroded cave system can provide a geological assurance for the exploration and development of the oilfield and the rapid growth of reserves at Harahatang Ordovician carbonate karst fracture-cavity reservoirs.

carbonate rocks;karstfracture-cavity reservoir;undergroundriverwater-erodedcave system;Ordovician;Harahatang Area

国家科技重大专项专题“塔里木盆地海相碳酸盐岩油气资源潜力、有利勘探区带评价与目标优选研究”（2011ZX05004-004）

TE321

A

10.6056/dkyqt201606020

2016-03-29；改回日期：2016-09-11。

高翔，男，1989年生，在读硕士研究生，研究方向为矿产普查与勘探。E-mail：1013128133@qq.com。

高翔，马青，曹康，等.地下暗河溶洞系统特征描述及地质建模：以塔里木盆地哈拉哈塘地区为例［J］.断块油气田，2016，23（6）：782-787，792.

GAO Xiang，MA Qing，CAO Kang，et al.Characteristics and geological modeling of underground river water-eroded cave system:taking Harahatang Area of Tarim Basin as an example［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：782-787，792.