塔河油田巖溶型碳酸鹽巖縫洞結構研究

金 強,田 飛

(中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580）

塔河油田巖溶型碳酸鹽巖縫洞結構研究

金 強,田 飛

(中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580）

塔北隆起奧陶系碳酸鹽巖經過上億年的巖溶作用形成了縱橫交錯的溶洞和裂縫,成為復雜的儲集體,位于該隆起中心部位的塔河油田就是在這樣的儲集體內發現了上十億噸的石油儲量。針對縫洞成因及其空間展布問題,通過對現代巖溶和古巖溶的地質考察,精細分析研究區地質、測井和地震等資料,提出表層巖溶帶、滲流巖溶帶和徑流巖溶帶劃分方案,并且定義出每個巖溶帶縫洞成因類型及其發育特征,建立縫洞結構模式;同時分析不同巖溶帶縫洞充填物性質,為巖溶型碳酸鹽巖儲集空間描述和預測提供了理論依據。

碳酸鹽巖;巖溶作用分帶;縫洞結構;成因模式;塔河油田

塔河油田自1984年發現以來,一直是中國縫洞型碳酸鹽巖儲層研究的前沿[1-2]。人們把現代巖溶作為了解古巖溶的鑰匙,開展了大規模研究[3-6],對不同地表單元的河流、落水洞、地下河,以及地下河沉積和頂板的垮塌等進行了多種描述和成因解釋[7-11]。美國肯塔基州Mammoth巖溶地質考察表明[12],地表水沿碳酸鹽巖裂縫或斷層向下滲流和溶蝕,且形成落水洞,到達潛水面附近水流沿巖層或裂縫流動,順層洞穴或裂縫不斷加寬,形成不同規模的地下河道;由于潛水面升降和不滲透泥質隔層的影響,形成了復雜的溶洞系統[13]。儲層的出露區常成為地質考察的熱點區,有助于正確認識地下儲層。例如美國同行對中陸盆地下奧陶統碳酸鹽巖露頭考察,揭示了溶洞、裂隙的成因和空間組合關系,建立了縫洞連通關系及其充填的地質模型,有效地指導了地下儲層儲集空間的評價和預測[14-16]。塔里木盆地西北緣出露的奧陶系古巖溶與塔河油田儲層經歷了相似的巖溶作用,古巖溶考察發現了垂直洞穴、水平洞穴和漏斗狀洞穴[17],認為塔河油田地下存在單層式和多層式洞穴[18],提出塔河油田存在地下河系統和溶蝕孔縫等儲集空間[2]。塔里木盆地奧陶紀接受了廣泛的淺海相碳酸鹽巖沉積,到了早石炭世末期由于抬升及剝蝕作用[19],位于塔北隆起中部的塔河油田中下奧陶統碳酸鹽巖經歷了完整的巖溶發育階段,形成了含油面積達637 km2的巖溶儲層[20-21]。近20年來,隨著物探和鉆井技術的不斷提高,針對地震剖面上的“串珠狀”反射區域進行鉆井,常在洞高或洞徑大于10 m的溶洞處獲得高產石油,但是對溶洞的空間展布、連通性和充填特征始終認識不清,嚴重制約了勘探開發工作。因此,筆者對塔河油田主力區塊(4、6和7區）的巖溶儲層進行全面解剖,查明巖溶發育的分帶性,提出表層巖溶帶、滲流巖溶帶和徑流巖溶帶內縫洞分布及其結構模式,并且對其充填特征進行分析,為認識縫洞儲層的儲集空間及地質建模打下良好基礎。

1 塔河油田巖溶儲層縫洞結構模式

塔河油田中下奧陶統形成于開闊局限海臺地環境,主要為泥晶和微晶灰巖,由于受到多期構造運動、巖溶作用和成巖作用,碳酸鹽巖中形成了非均質性極強的裂縫和溶洞系統。縫洞及其充填物的研究表明,巖溶作用主要發育在海西期,其中海西早期的巖溶作用更為廣泛而強烈,大部分鉆井均鉆遇此階段形成的溶洞[21]。巖溶縫洞多發育在風化面以下200 m范圍內,常常分布在巖溶高地邊緣或部分巖溶斜坡區,多期構造線的交匯處及褶皺的軸部等。

經過對塔河油田縫洞儲集體的成因研究,結合露頭區古巖溶地質考察和前人成果[22],發現塔河油田4、6和7區巖溶作用發育非常完整,可以分辨出表層巖溶帶、滲流巖溶帶和徑流巖溶帶(圖1）。

圖1 塔河油田巖溶分帶及其縫洞發育結構模式Fig.1 Karst zone and fracture-cavity construction model in Tahe Oilfield

1.1 表層巖溶帶的結構特征

表層巖溶帶主要由地表河、落水洞、斷層及裂縫、風化殘積物和奧陶系裸露巖石所組成。表層巖溶帶之下為滲流巖溶帶,大氣降水是這兩個帶形成的主要原因。表層帶的水流為順坡流動,滲流帶水流基本上是垂向流動,水流運動的轉折處就是兩個帶的分界。表層巖溶帶的深度不大,但有一定的起伏,地表河下切最深處、落水洞喇叭口最小處、裸露原巖受風化淋濾作用最大深度等可以定義為表層巖溶帶的底界。該帶的頂界往往是地表河、落水洞充填物的頂,風化殘積物的頂,還有裸露原巖的表面,它們與石炭系巴楚組沉積物呈不整合接觸。定義表層帶的頂底界面為在塔河油田識別表層巖溶帶打下基礎。

表層巖溶帶沿不整合面分布,儲集空間發育,是巖溶型儲層重要的含油帶。根據對現代巖溶和古巖溶的考察,以及塔河油田的井下資料解釋表明,地表河和落水洞被河流沉積物和垮塌角礫巖充填,其顆粒間孔隙以及斷層、裂縫是主要的儲集空間,裸露原巖內到處發育的縫洞復合體也是重要的儲集空間。

地表河有的規模很大,寬度為0.5～1.5 km、長度可達數十公里,河道下切深度為10～20 m(類似于圖1中的①處）。塔河油田4區的TK422井5.5395～5.5539 km為一典型的地表河及其充填物柱狀剖面,推測該井鉆遇了一條地表主干河,河道下切深度約為15 m;通過測井解釋,發現此河道被5個期次的河流沉積物所充填,充填物以中-粗砂巖為主[23],其中還夾搬運角礫巖,砂礫巖孔隙度在15%～22%,為較好的儲層(圖2(a））。

TK475井5.4965～5.5168 km深度段為落水洞典型柱狀剖面(圖2(b））。該井位于一條地表河終點(約為圖1中的②處）,由4期旋回的充填物將落水洞充填,充填物厚度約20 m,估算該落水洞平面直徑大于40 m。落水洞充填物的物性很好,孔隙度在10%～18%,滲透率為(200～1000）×10-3μm2。

1.2 滲流巖溶帶的結構特征

滲流巖溶帶的縫洞主要由滲流井和駐水洞以及縫洞復合體組成。其中滲流井是連通表層巖溶帶與徑流巖溶帶的水流通道,一般沿斷層或裂縫發育,也是駐水洞的水流通道;駐水洞如果靠近表層帶則為高位駐水洞,如果靠近徑流帶則為低位駐水洞,駐水洞的形態、大小不一(圖1）。滲流井廢棄后常常被表層碎屑物或垮塌角礫充填,而駐水洞如果不受垮塌影響,充填程度一般比較低,是非常好的油氣成藏和產出空間,但是由于規模大小不一,石油儲量和產能有很大變化。

TK714井的5.5665～5.5780 km是一典型的駐水洞(對應于圖1的③處）,洞穴頂部有0.9 m的未充填段,有34%的空間被垮塌角礫充填(圖3(a））,角礫間孔隙發育,可能是埋藏期間沒有受到壓實等成巖作用的影響。滲流井多數為豎直產狀鉆井,不易鉆遇,但是TK454井的5.5688～5.573 3 km深度段應當是滲流井(圖3(b））,可見充填程度比較高,含油性比較差。

圖2 表層巖溶帶地表河(a）和落水洞(b）柱狀剖面Fig.2 Columnar sections of surface river(a）and sinkhole(b）in epikarst zone

圖3 滲流巖溶帶駐水洞柱狀剖面(柱狀剖面圖例見圖2）Fig.3 Columnar sections of caves in vadose karst zone(legend see Fig.2）

1.3 徑流巖溶帶結構特征

徑流帶內水流以橫向流動為主,與滲流帶截然不同,潛水面是徑流帶的底界。地下河溶洞是徑流帶縫洞的主要類型,在塔河油田根據地下河溶洞相互連通關系和規模,可以劃分出干流洞、支流洞和末梢洞(見圖1的徑流巖溶帶）,干流洞高度一般為5～10 m,支流洞高度小于5 m,末梢洞高度小于1 m。在斷層附近和地表落水洞下方可以形成規模巨大的廳堂洞(見圖1的⑤處）,除此之外,斷層和裂隙也十分發育。徑流帶溶洞形成了塔河油田重要石油儲集空間,它們發育在不整合面之下幾十米到200 m范圍內,大都具有比較強烈充填作用：地下河沉積碎屑充填,垮塌角礫充填和碳酸鈣化學充填。充填率較低的廳堂洞、干流洞、支流洞等富含石油,也是產量高的油藏。如S48井區的TK411井充填率為89%,原油產量高達210 t/d;而T615井區充填程度很高(＞97%）,原油產量較低(2 t/d,T615井）。因此,溶洞充填類型和充填程度需要加強研究。

塔河油田4區的T403井5.487 5～5.554 5 km深度段是一高度達到67 m的廳堂洞,該廳堂洞充填程度比較高,幾乎被10個旋回河流碎屑沉積物和角礫巖全部充填滿(圖4）。

圖4 T403井廳堂洞特征Fig.4 Characterization of chamber cave in well T403

廳堂洞和干流洞在地震剖面上有良好顯示,容易識別,末梢洞(特別是高度小于0.5 m的末梢洞）識別比較困難。TK411井5.4662～5.4745 km為一干流洞,其中發育3期沉積碎屑充填、2次垮塌角礫充填,頂部有0.9 m未充填部分(圖5(a））。垮塌角礫具有良好物性,所以該干流洞原油產量高。TK421井在5.562～5.570 km發育3個末梢洞,其中有方解石化學充填物和垮塌角礫充填物,末梢洞外裂縫密集發育(圖5(b））。

除上述介紹的3個巖溶帶縫洞成因類型和結構以外,研究區不同深度的碳酸鹽巖均發育大量縫洞復合體(圖6）,即沿構造裂縫溶蝕形成長條形溶洞,它們分布疏密不均,可能是塔河油田巖溶型碳酸鹽巖儲層重要的滲流通道,值得深入研究。

圖5 徑流巖溶帶干流洞和末梢洞柱狀剖面圖(柱狀剖面圖例見圖2）Fig.5 Columnar sections of main channel and tip channel in runoff karst zone(legend see Fig.2）

圖6 塔里木盆地西北緣奧陶系露頭縫洞復合體Fig.6 Fracture-cave complex in Ordovician outcrop, northwestern margin of Tarim Basin

2 潛水面的變化對徑流帶洞穴充填的控制作用

徑流帶是重要的石油儲集空間,其發育演化及充填作用受多方面因素控制,限于篇幅,本文只介紹潛水面升降對其充填作用的控制。

潛水面以下一般為潛流巖溶帶,其中水流速度緩慢,水動力很弱,只有細粒的且常是暗色碎屑充填物沉積,已沉積的碎屑物質受到膠結作用。潛水面在塔北隆起巖溶作用期往往是向盆地方向傾斜的,當暴發洪水時潛水面會上升,導致徑流帶部分或全部成為潛流帶,這樣在徑流帶形成的地下河沉積物中出現潛水面以下的沉積充填物,同時導致在廳堂洞-干流洞中出現粗碎屑—細碎屑的沉積旋回,這種旋回式的沉積充填反映了潛水面變化控制地下溶洞沉積充填作用,也是認識和預測地下河系統充填物分布規律的基本思路。圖7反映的是T615井區徑流帶識別出的潛水面及其對沉積充填物的控制作用：該剖面的3口井(TK632、TK730、TK734）鑒別出潛水面位于5.578 km,北部的TK602鑒別出潛水面位于5.604 km,這兩個潛水面控制徑流帶碎屑充填以兩個大的由粗到細沉積旋回組成,局部夾有垮塌角礫巖。

塔河油田巖溶型碳酸鹽巖的表層巖溶帶、滲流巖溶帶和徑流巖溶帶是重要的石油聚集場所,本文提出的縫洞成因類型及其結構逐步被塔河油田開發部門所應用,取得了良好的增儲上產效果。潛流巖溶帶細粒沉積物充填作用強,碳酸鹽膠結也比較強烈,所以儲集性能比較差,目前筆者及其團隊正在對其進行研究,進而完善4個巖溶帶的縫洞結構模式。

圖7 T615井區縫洞結構和充填模式Fig.7 Construction model and fracture-cave filling characters in well T615 area

3 結 論

(1）塔里木盆地塔北隆起奧陶系經歷了長期的巖溶地質作用,形成了復雜的巖溶系統,按照巖溶體系中水流運動方式,可以將其劃分為表層巖溶帶(水流橫向沿地表流動）、滲流巖溶帶(水流基本上垂向流動）、徑流巖溶帶(水流橫向往潛流帶流動）和潛流巖溶帶(水流沿潛水面傾斜方向流動）。

(2）塔河油田表層巖溶帶包含地表河、落水洞、斷層及裂縫等縫洞結構,雖然地表河和落水洞往往被水流沉積物充填,但是這些充填物、風化殘積物和裸露原巖受風化淋濾產生大量縫洞復合體,發育大量粒間孔隙,是重要的石油儲集和產出層段。

(3）滲流巖溶帶發育滲流井和駐水洞縫洞結構,駐水洞往往充填程度低,是良好儲集溶洞;徑流帶地下河溶洞很發育,包括廳堂洞、干流洞、支流洞和末梢洞,盡管有大量地下河沉積物和垮塌角礫巖充填,仍然是塔河油田重要的儲集空間,石油產量很高;潛流巖溶帶石油產量較低,其縫洞結構和充填作用需要進一步研究。

致謝感謝李陽和袁向春兩位項目負責人及課題跟蹤專家的批評指導,感謝鐘建華、鄒勝章和徐守余教授等課題研究人員的共同努力,感謝中國石化西北石油局在資料提供等方面的大力支持。

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(編輯 徐會永）

Investigation of fracture-cave constructions of karsted cabonate reservoirs of Ordovician in Tahe Oilfield,Tarim Basin

JIN Qiang,TIAN Fei
(School of Geosciences in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China）

The fracture-cave reservoir in Ordovician carbonates was formed by karstification in middle Paleozoic in Tahe Oilfield.It is one of the most complicated reservoirs in the world.Investigation of modern and ancient karstsand comprehensive interpretation on geological,well-logging and seismic data reveal that there are three zones(i.e.epikarst zone,vadose karst zone,and runoff karst zone）in the fracture-cave systems.Fracture-cave structure models were established for each zone to characterize the features and mechanism of fracture and cave in Ordovician carbonates in Tahe Oilfield.The filling materials in the different zones of fracture-cave system were discussed.In conclusion,the study may help to describle and predict fracture-cave reservoir in karsted carbonates.

carbonate;karst zone;fracture-cave construction;genetic model;Tahe Oilfield

TE 122.2

A

1673-5005(2013）05-0015-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.05.003

2013-06-10

國家重點基礎研究發展計劃(2011CB201001）;中國石化科技項目(P11090）

金強(1956-）,男,教授,博士,博士生導師,主要從事油氣地質與地球化學研究。E-mail：jinqiang@upc.edu.cn。