塔河油田奥陶系岩溶古暗河岩溶期机械充填特征

张慧涛，杨 敏，汪 彦，杨德彬，徐 珊，刘 洁

（中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克库勒凸起的南部斜坡区，先后经历了加里东中期、海西期、印支期-燕山期及喜马拉雅期等多期构造运动，在构造和岩溶的双重作用下，形成了由管道、洞穴、孔洞、大尺度断裂和小尺度裂缝组成的缝洞型油藏。上奥陶统地层剥蚀零线以北，海西期暴露地表，遭受长期的风化剥蚀和大气淡水的淋滤作用，形成喀斯特岩溶地貌，发育地表河流和地下岩溶古暗河双重水系。

地表河流水系发育在古风化壳表面（T74）附近，受岩溶古地貌、褶皱控制。岩溶古暗河主要发育于古风化壳的内幕，受岩溶基准面控制，是径流岩溶带演化的最终结果，也是古岩溶发育的最高阶段。岩溶古暗河的结构类型呈多样性，在二维平面上，有单管型、树枝型、网络型和海绵型；在剖面上，有单层型、阶梯型和多层型等，受古岩溶地貌、水动力条件、岩溶层组、裂缝、节理影响，岩溶古暗河系统的内部结构形态存在较大的差异。

塔河油田奥陶系古暗河油藏从投产开发至目前，共投产150口井，累计产油480×104t，平均单井累计产油3.2×104t，投产效果较好地带动了规模开发。由于古暗河形成过程中，受到岩溶期的机械充填、埋藏演化期的垮塌和化学充填等作用，很少能完整保存下来，呈现明显的段塞式特征。从实钻资料来看，岩溶期的机械充填是普遍存在的，但对古暗河的充填结构、充填机理认识不清，一直制约着古暗河油藏的开发，因此，对古暗河油藏岩溶期机械充填特征进行研究具有重要意义。

1 古暗河岩溶期机械充填物识别

对于溶洞充填物的研究，国外学者R.G.Loucks（1999，2004）在研究了大量现代近地表的溶洞露头，把洞穴充填物分为裂纹角砾、混杂角砾与洞穴沉积充填三大类。国内学者郑聪斌（1997）、张美良（2000）、肖玉茹（2003）、蔡忠贤等（2010）都对溶洞充填物进行过研究，特别是蔡忠贤等（2010）通过岩心观察将塔河油田洞穴充填物分为垮塌型角砾岩、渗流充填相、搬运型岩相和化学沉积岩相四大类9亚类，在塔河地区应用较广泛[1-4]。

基于岩心、常规测井、成像测井资料，本文将塔河地区奥陶系碳酸盐岩古岩溶缝洞的充填物分为机械搬运、垮塌充填、渗流充填和化学充填四种充填相。同时根据形成环境，可以分为岩溶期和埋藏演化期两种环境，其中机械搬运沉积物的物源主要是上覆石炭系和二叠系的碎屑岩，受岩溶期古水系的控制，主要发育在近地表开放系统中，以砂泥质、砾岩等碎屑物质为主，虽然受到后期埋藏改造作用的影响，但是机械搬运沉积物仍是岩溶期产物的标志。

岩溶期机械搬运沉积物主要通过落水洞、断裂进入古暗河，在地下水流驱动力和重力双重作用下沉积形成，具有流水冲积洪积和重力分异作用产生的层理以及分选性结构特征。根据形成机制，可以分为砾岩相和砂岩相，砾岩相在岩心上表现为小-中砾岩为主，不显层理，大小混杂，形状呈次圆状，磨圆度较低，分选性较差，砾石成分复杂，主要为泥晶灰岩、燧石，含少量黄铁矿，角砾间为泥质、砂质、石英砂岩胶结；常规测井曲线上可见自然伽马（GR）曲线中幅齿化，井径（CAL）曲线微右偏，三孔隙度曲线（DEN、AC、CNL）微齿化左偏等特征，成像测井资料上显示暗色背景下小斑点状特征（图1）。

图1 搬运砾岩相识别标志

搬运砂岩相在塔河地区普遍发育，岩心上主要为灰绿色钙质粉砂岩、石英粉砂岩、含泥质细-粉砂岩和灰绿色钙质泥岩，具有岩溶期水流作用指示标志的水平层理、平行层理、交错层理、波状交错层理，砂岩的碎屑物质主要由石英、岩屑和灰质颗粒组成，砂泥岩互层分布，在垂向上具有典型的正粒序或反粒序特征，为河流相砂泥岩沉积特点。常规测井曲线上，砂岩相发育段可见明显的GR曲线齿化右偏，CAL曲线右偏，孔隙度曲线齿化左偏等特征，局部可见GR由大变小再变大的韵律组合现象，成像测井资料上表现为线状及条带状，纵向上显示明暗相间层状（图2）。

图2 搬运砂岩相识别标志

古暗河内充填段可以分为未充填段、砾岩相充填段和砂岩相充填段，未充填段在钻井上表现为放空漏失现象，钻时小于5 min/m，从测井上看，泥质含量偏低（小于5%），孔隙度值较大（22.0%～47.0%），也是塔河油田主产段（图3）；砾岩相充填段的泥质含量（5%～55%），孔隙度很低（1.0%～4.3%），形成这种现象的原因主要是砾岩相形成期早于砂岩相，砾岩相的分选差，磨圆度较低，易被后期的泥质充填，造成孔隙变小；砂岩相充填段的泥质含量较低（17%～30%），砂岩相一般呈砂泥岩互层发育，受多期海平面升降的影响，孔隙度直方图上也显示多个旋回。从孔隙度分布特征分析，砂岩相的孔隙度比砾岩相高（2.0%～12.0%），且分布稳定（图4）。

图3 未充填段孔隙度–泥质含量特征

图4 砾岩相充填段和砂岩相充填段孔隙度–泥质含量特征

2 裂缝和断裂空间展布特征

古暗河的发育受表层裂缝和深部断裂的控制，早期地表水沿表层裂缝、断裂、落水洞流至径流带形成古暗河，后期受到风化、剥蚀和淋滤作用的影响，表层裂缝被改造破坏，与古暗河的匹配性减弱，整体呈片状分布。但是塔河油田奥陶系古暗河的走向基本上与深部断裂的走向一致，如TK483-TK486井古暗河段呈南北向，TK4109井古暗河段呈东西向，TK495X井古暗河段呈北西向，每段古暗河均受深大断裂的控制。同时，有些深大断裂与古暗河斜交发育，他们的交汇部位就是地表河转入古暗河处，也是岩溶期机械充填易发育部位（图5）。

图5 古暗河发育区表层裂缝、深部断裂平面分布

3 入水口结构对古暗河充填的影响

古岩溶缝洞的形成，受岩性、古水动力条件、古地貌、裂缝、断裂、层理等条件综合控制。塔北隆起奥陶系经历了完整的岩溶地质过程，按照地下水的流动方式、岩溶作用方式，结合现代岩溶理论，纵向上将古岩溶分为表层岩溶带、垂向渗滤带、径流岩溶带和潜流溶蚀带，古暗河发育于径流岩溶带中，水体呈现管流和紊流两种形式，水流以水平运动为主，在枯水期，水流量较小，流速低，以静水沉积为主，沉积物较细，容易发生化学沉积，而在洪水期，水流量充沛，以高速流为主，沉积物相对较粗[5-9]。

古暗河通过表层岩溶带、垂向渗滤带的入水口与地表连通，这些入水口包括裂缝、断裂和落水洞等，他们也是地表水进入古暗河的通道，也对古暗河的充填起控制作用。裂缝的规模较小，地震属性上呈网状发育，当裂缝作为入水口时，水流包括垂向渗流和平面状水平流动两种方式，由于裂缝网状发育，地表发育密度大，随着深度的增大，发育密度越来越小，因此，裂缝仅作为地表储水空间，无垂向导水作用，无法携带地表砂泥质物质进入古暗河（图6）。

图6 古暗河上部不同入水口结构

断裂的规模比裂缝大，在地震属性上呈线状分布，当断裂作为入水口时，垂向上可沟通古暗河，水流以垂向渗流为主，具有储水、导水作用，断裂具有一定的横向空间和垂向深度，能够携带地表碎屑物质进入古暗河，特别是岩溶沟谷等部位的断裂，地表和地下均可见到砂泥质充填物。

落水洞常发育于岩溶低部位或岩溶斜坡，古地貌上可见明显的四周高、中间低的低洼结构，在塔河地区，可见表层落水洞和深部落水洞，表层落水洞与断裂一起组合成入水口结构，水流以管流+渗流的形式进入古暗河，起到明显的导水作用，水流也以垂向流为主，表层落水洞+断裂型入水口结构横向空间和纵向沟通能力均强于断裂型，携带地表碎屑物质的能力也较强，在落水洞、断裂与古暗河的连接部位，也是砂泥质充填较严重的部位。

深部落水洞的主要特点是直接连接地表和古暗河，水流以管流的形式进入古暗河，起明显的导水作用，水流也以垂向流为主，由于落水洞的横向空间大、纵向连通古暗河，携带地表碎屑物质的能力最强，在落水洞与古暗河的连接部位，也是砂泥质充填最严重的部位。

4 不同岩溶组合形态下古暗河的充填特征

由于古暗河不同部位的岩溶形态不同，因此需要结合表层岩溶带、垂向渗滤带和径流带的岩溶形态，综合考虑充填特征；在古岩溶的纵向分带中，表层岩溶带以地表河、落水洞为主，局部区域发育低角度溶蚀缝槽和孔洞；垂向渗滤带在断裂附近可以形成竖井溶洞，在可溶岩与断裂交汇处形成驻水洞，在竖井溶洞和驻水洞附近可以形成溶蚀裂缝和溶蚀孔洞；而径流带可以形成碳酸盐岩最大的储集空间，包括厅堂洞、主干管道、分支管道、孤立溶洞、溶蚀孔洞、裂缝等岩溶形态。古暗河的不同岩溶形态构成了岩溶组合形态，其地表水进入地下的通道、水流流动方向和侵蚀作用能力均不同。通过对塔河油田的研究，总结出三种岩溶组合形态[10-16]。

4.1 落水洞–断裂–管道型

落水洞-断裂-管道型的岩溶组合形态由地表落水洞、垂向渗滤带断裂和径流带的管道构成，落水洞发育在溶蚀洼地、岩溶沟谷和坡立谷底部，也有部分分布在斜坡上，这些部位会产生滚石等坡积物，这些坡积物随断裂下渗，流到古暗河的管道部位，造成管道充填。从地震反演波阻抗属性可以看到坡立谷底部发育落水洞，落水洞底部通过断裂与下部的古暗河连通，断裂可以通过likelihood（蚂蚁体）进行表征，下部古暗河在波阻抗反演体属性上连续性较好，没有明显的异常变大，是古暗河内部管道的发育特征。常规测井上，可见顶部落水洞和底部的管道中砂泥质充填物发育，如TK483井，在距离风化壳18.5 m和159.5 m，分别发育了13.0 m和14.0 m的砂泥质充填洞。落水洞-断裂-管道型的岩溶组合形态，由于受落水洞和管道充填的影响，没有储集空间，产能差，能量低（图7a）。

4.2 断裂–厅堂洞型

断裂-厅堂型岩溶组合形态主要由表层岩溶带和垂向渗滤带的断裂、径流带的厅堂洞组成，多发育于在残丘斜坡或高部位，地表碎屑物质不易停留在斜坡或高部位，但是，地表水可以沿断裂下渗，对下部暗河的顶部进行溶蚀，形成厅堂洞，厅堂洞部位受水平流和垂向流的双向控制，碎屑物质不易停留，保留空间较大[17-20]。地震剖面上表现为沿暗河方向，地震反射变化明显，呈现上凸下凹的特征，波阻抗反演剖面上，显示异常体规模明显变大，蚂蚁体等属性上可见厅堂洞顶部断裂发育。厅堂洞规模大，水流量大，碎屑物质不易停留，保留空间较大，实钻过程中容易放空漏失，如TK427井，在距离风化壳顶面155.5 m钻遇放空漏失，漏失量仅192.2 t，说明钻遇厅堂洞顶部的裂缝，但是该井累计产油46.63×104t，说明下部的厅堂洞规模很大，产能和能量均较高，是塔河油田的主要开发对象（图7b）。

4.3 裂缝–管道型

裂缝-管道型的岩溶组合形态表现为表层断裂不明显，仅发育裂缝性储层，裂缝主要起储水作用，导水作用不明显，无法携带碎屑物质进入古暗河的管道部位，但是古暗河有多个入水口，在裂缝发育地区，下部的管道可能受其他入水口携带的碎屑物质的影响，从而造成充填。由于岩溶管道受潜水面控制，塔河地区受多期构造抬升作用的影响，发育多期岩溶管道，每期岩溶管道的形态和规模不同，且每期岩溶管道之间的部位由于岩溶发育程度较低，孔隙较岩溶管道小，容易被砂泥质充填。波阻抗反演属性上，可见大空间和小空间岩溶管道交互分布，大空间和小空间岩溶管道连接的部位容易被砂泥质充填。在管道发育部位，测井可以揭示到砂泥质充填物，如TK4109井，在距离风化壳顶面188.5 m钻遇砂泥质充填洞，洞高22.0 m。由于受充填的影响，有效储集空间较小，产能较差，产量较低（图7c）。

图7 不同类型岩溶组合形态模式

5 结论

（1）基于岩心、常规测井、成像测井资料，根据形成机制，将塔河地区机械搬运相分为砾岩相和砂岩相，从孔隙度分布特征来看，砂岩相的孔隙度比砾岩相高。

（2）裂缝作为地表储水空间，无垂向导水作用，该类型入水口无法携带地表砂泥质物质进入古暗河；断裂具有储水、导水作用，具有一定的横向空间和垂向深度，该类型入水口能够携带地表碎屑物质进入古暗河；表层落水洞+断裂型入水口结构横向空间大，纵向沟通能力强，携带地表碎屑物质的能力较强；深部落水洞型入水口的横向空间大，纵向连通古暗河，携带地表碎屑物质的能力最强。

（3）落水洞-断裂-管道型的岩溶组合形态，由于受落水洞和管道充填的影响，没有储集空间，生产上表现为产能差、能量低；断裂-厅堂洞岩溶组合形态受水平流和垂向流的双向控制，碎屑物质不易停留，保留空间较大，产能和能量均较高，是塔河油田的主要开发对象；裂缝-管道型岩溶组合形态受岩溶管道连接部位充填的影响，有效储集空间较小，产能较差、产量较低。