南堡凹陷下古生界表生巖溶特征及識別

師 政， 邱隆偉， 田 琨， 楊勇強， 王曄磊， 暢 通

( 1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580； 2. 中國石化石油勘探開發研究院 海外油氣規劃所，北京 100083 )

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南堡凹陷下古生界表生巖溶特征及識別

師 政1， 邱隆偉1， 田 琨2， 楊勇強1， 王曄磊1， 暢 通1

( 1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580； 2. 中國石化石油勘探開發研究院 海外油氣規劃所，北京 100083 )

綜合野外、巖心、地震、鉆、測井和分析化驗資料，總結南堡凹陷下古生界碳酸鹽巖表生巖溶特征，分析不同類型的巖溶識別標志，確立識別方案并進行實例應用.結果表明：南堡凹陷下古生界表生巖溶可劃分為晚印支—早燕山期和喜馬拉雅期；表生溶洞多呈倒置漏斗形，內部多形成巖溶塌陷體或被各種黏土充填；表生巖溶帶在地震剖面上主要表現為同相軸不連續—弱振幅的雜亂反射特征；泥漿漏失段發育在距不整合面30 m范圍內；測井曲線上為高伽馬—高聲波—高井徑—低密度—低電阻率—暗色成像斑塊的組合特征；表生溶孔在陰極射線下顯示明亮的橙色發光條帶，碳、氧同位素值呈明顯負向偏移的特點.以鉆井響應和測井組合特征為主要識別標志，巖石學特征和地震反射標志為次要識別標志，地球化學特征為輔助識別標志，在NP280井中識別3個表生巖溶帶.該方法可以有效地針對表生巖溶儲層進行精細識別，為相似地區的碳酸鹽巖勘探提供理論依據.

南堡凹陷； 表生巖溶； 巖溶儲層； 巖溶特征； 巖溶識別

0 引言

隨著勘探進程的推進，南堡凹陷下古生界奧陶系和寒武系碳酸鹽巖潛山油氣資源充足、成藏條件好，逐漸成為油氣儲量新的增長點[1];但碳酸鹽巖儲層非均質性強，有效識別與評價優質儲層是影響勘探成效的重點.巖溶作用是影響碳酸鹽巖儲層物性的關鍵因素，按成巖階段的不同可劃分為準同生巖溶、表生巖溶和埋藏巖溶等類型[2-5].其中表生巖溶是最重要的巖溶類型，指在表生成巖環境中碳酸鹽巖地層遭受長期風化剝蝕和大氣水淋濾形成的巖溶作用.南堡凹陷內碳酸鹽巖潛山經歷多期構造抬升，發育大面積的表生巖溶儲層，多數探井在該套儲層中發現油氣顯示，預示該儲層具有較大的勘探潛力.

人們對南堡凹陷及周邊地區的潛山儲層進行研究發現：南堡凹陷奧陶系潛山有利儲層為受多旋回構造運動與多期巖溶作用控制的斷裂裂縫—巖溶復合儲集體[1]，而凹陷及周邊寒武系碳酸鹽巖儲層受多期巖溶及成巖作用的共同控制[6]；南堡凹陷周邊凸起地區巖溶作用表現為巖溶角礫、溶蝕孔洞和鉆具放空等現象[7]；南堡凹陷內石灰巖、白云巖在不同巖溶環境中溶蝕機理存在差異性[8-9]等.這些研究多數沒有基于巖溶分類的前提，而是側重巖溶儲層的整體特征描述.研究區缺乏表生巖溶各類特征的系統總結，給識別和預測優質表生巖溶儲層造成困難，制約油氣勘探進程.

筆者綜合應用南堡凹陷內滿覆蓋的三維地震數據體，13口井的鉆、測、錄井，8口井的鉆井取心，500余張各類薄片，以及金屬元素分析和碳、氧同位素分析測試等資料，研究南堡凹陷下古生界表生巖溶期次、古地貌、巖石學、地球物理和地球化學等特征，以深化表生巖溶的地質認識；對各種巖溶識別標志進行總結分類，確立表生巖溶識別方案，實現對表生巖溶儲層的綜合預測.

1 地質概況

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷的東北部，北部以西南莊—柏各莊斷層為界,南部與沙壘田凸起呈斷超式接觸，整體面積為1 900 km2，灘海面積約為1 000 km2[1].南堡凹陷在早期構造運動期間受南北向擠壓，形成東西向強烈褶皺，發育多條北東向走滑斷層；在斷陷發育期，伴隨斷裂運動及斷塊的掀斜運動，產生南堡1、2、3、4、5號5個潛山構造，其中除4號潛山為太古界潛山以外，其余4個是寒武系或奧陶系潛山，潛山頂面與上覆中生界、古近系呈不整合接觸.寒武系、奧陶系沉積環境主要包括環陸潮坪、濱岸淺灘、遠岸淺灘、局限海和開闊海等5種沉積相類型[6-7]，巖石類型包括白云質灰巖、竹葉狀灰巖、生物碎屑灰巖、鮞狀灰巖、泥晶灰巖、泥灰巖、泥質條帶灰巖、泥晶白云巖、灰質白云巖及粉砂質頁巖等[8-9].這種大面積發育的灰巖—白云巖巖性組合為表生巖溶作用提供物質基礎(見圖1).

圖1 南堡凹陷構造位置Fig.1 Tectonic position of Nanpu sag

2 表生巖溶期次及古地貌

表生巖溶作用的發生與沉積間斷或者不整合面緊密相關，根據區域不整合分析劃分表生巖溶期次是一種切實可行的方法[10].文中應用3Dmove軟件對南堡凹陷構造演化過程進行模擬，認為下古生界主要經歷晚印支—早燕山和喜馬拉雅兩期構造抬升過程，形成兩期表生巖溶.第一期即晚印支—早燕山運動時期，古生界受擠壓作用呈“東高西低”的地貌特征，地層抬升遭受剝蝕形成第一期表生巖溶，然后持續沉降、接受沉積.第二期即喜馬拉雅運動時期，古生界與上覆中生界一起抬升并遭受差異剝蝕，研究區西南部和東南部中生界剝蝕殆盡，下古生界再一次出露地表，在第一期表生巖溶帶的基礎上形成第二期表生巖溶帶，由于北部地區存在中生界的“保護”效應，碳酸鹽巖潛山仍以第一期表生巖溶作用為主(見圖2).

巖溶作用與古侵蝕面的地貌特征密切相關[11-13].采用層位拉平技術進行古地貌恢復，應用古構造線進行邊界刻畫，分別在兩期表生巖溶地貌中劃分巖溶高地和巖溶斜坡2種地貌單元；再按照潛山出露的地層繼續細分為寒武系和奧陶系2類.勘探實踐表明，優質表生巖溶儲層集中發育于第二期巖溶斜坡和第二期巖溶高地(寒武系和奧陶系).由于發育時期早、埋藏深度大等，第一期表生巖溶不利于巖溶儲層的保存.

圖2 南堡凹陷表生巖溶期次及古地貌單元Fig.2 Supergene karst period and palaeogeomorphology units of Nanpu sag

3 表生巖溶綜合特征

3.1 巖石學

野外露頭常見的表生溶洞規模差異較大，可見洞徑從幾十厘米至幾米的溶洞.表生溶洞受到下部致密巖層的遮擋作用，垂向上多呈“上細下粗”的倒置漏斗形(見圖3(a)).因長期受到大氣水淋濾作用，溶蝕孔洞邊緣多呈垂向及垂側向港灣狀溶蝕，溶洞內多形成巖溶塌陷體(見圖3(b))或被各種物質充填.檢測溶洞中充填物(見圖3(c-d))的金屬元素及氧化物質量分數(見表1)表明，表生期溶洞充填物中各種金屬元素和氧化物(除Co外)質量分數高于埋藏期充填物的，其中Cu和Fe質量分數差別最大，可達幾十到上百倍.這是典型地表環境下Cu、Fe等金屬元素富集造成的結果[11-12].鉆井巖心中常見巖溶角礫巖 (見圖3(e))，角礫間發育溶積砂和溶積泥等碎屑沉積物(見圖3(f))，未見到鈣化或者其他洞穴化學沉積.溶洞多與節理、裂縫伴生發育(見圖3(g))，最大溶洞直徑達5 cm(見圖3(h)).研究區碳酸鹽巖沉積物在地表環境下受到大氣淡水淋濾作用，發生溶解而產生粒內溶孔、鑄模孔、粒間溶孔和構造—溶蝕縫等儲集空間類型.鑄體薄片觀察和掃描電鏡分析發現，方解石顆粒比白云石顆粒中發育更多的溶蝕孔隙，如在NP1-90井5 225.0 m薄片中可見方解石顆粒中發育呈條帶狀的粒內溶孔(見圖3(i)).粒間溶孔在顆粒、礦物邊緣有溶蝕擴大現象(見圖3(j-k)).較大的溶蝕縫、粒間溶孔(見圖3(l-m))常被半充填，充填物包括晶型較好的方解石顆粒(見圖3(n))及少量黏土礦物.

表1 不同溶洞充填物金屬元素及氧化物質量分數

注：樣品1為溶洞埋藏期充填物；樣品2為溶洞表生期充填物

圖3 南堡凹陷表生巖溶巖石學特征Fig.3 Petrological features of supergene karst in Nanpu sag

3.2 地球物理

3.2.1 地震反射

地震反射特征可以從宏觀上反映表生巖溶的保存形態、分布特征和發育規模[14].在南堡凹陷地震剖面中，碳酸鹽巖潛山頂不整合面同向軸連續性差，多被斷層、巖溶垮塌體錯斷.不整合面之下表生巖溶帶偶見“串珠狀”反射，主要表現為同向軸不連續、弱振幅的雜亂反射(見圖4).

圖4 南堡凹陷表生巖溶地震反射特征Fig.4 Seismic section features of supergene karst in Nanpu sag

3.2.2 鉆井響應

不同地層的粒度、硬度、孔隙度等性質不同，在鉆進過程中有不同的鉆井響應特征[15].當鉆遇巖溶作用形成的溶孔、溶洞時，規模較大的未充填溶洞造成鉆具放空并伴有大量泥漿漏失，而被充填的溶洞通常只出現泥漿漏失、鉆速加快的現象.南堡凹陷鉆井資料顯示：泥漿漏失段發育在距不整合面30 m內(見表2)，且未發現鉆具放空現象.南堡凹陷表生巖溶作用受控于不整合面，巖溶發育范圍廣泛，但未被充填的較大溶洞難以保存，多被洞頂、洞壁及上覆地層充填而形成巖溶滑塌體.

表2 南堡凹陷鉆井泥漿漏失量統計

3.2.3 測井曲線

測井曲線特征(特別是FMI成像測井)直接反映碳酸鹽巖溶洞發育特點，在無取心井區巖溶儲層的識別方面具有重要意義[16-19].常規測井曲線上，表生溶洞多充填泥質，自然伽馬曲線幅值高于致密灰巖段的；聲波傳播速度在溶洞發育處降低，聲波時差曲線表現為高值段；井徑有不規則的增大現象；密度測井幅值降低；電阻率明顯降低，深、淺側向電阻率呈正幅度差，且幅度差越大溶蝕程度越強烈；在 FMI 成像測井圖(見圖5)上，表生巖溶帶呈暗色斑塊，可見雜亂的洞穴角礫巖被溶縫錯斷.

圖5 NP1井表生巖溶段測井響應Fig.5 Logging feature of surpergene karst of well NP1

3.3 地球化學

圖6 表生巖溶陰極發光特征(NP1-90井,5 225.6 m)Fig.6 Cathode luminescence feature of supergene karst(well NP1-90,5 225.6 m)

3.3.1 陰極發光

碳酸鹽礦物的陰極發光性主要受晶格中Mn 、Fe質量分數的控制[20-22].Mn是最常見的發光激活劑，當礦物晶格中Mn的質量分數大于發光下限(15～80)×10-6時，礦物陰極發光；Fe是最重要的猝滅劑，當礦物晶格中Fe的質量分數在(10～15)×10-3時，開始猝滅陰極發光直至完全猝滅.該研究中未發生溶蝕的原始海相碳酸鹽沉積物Mn的質量分數小于50×10-6，在陰極射線下不發光或者顯示均一的暗紅色光.表生溶孔或溶縫邊緣受到大氣淡水的長期淋濾作用，造成Mn和Fe的富集，且Fe的猝滅作用不十分明顯，故顯示明亮的橙色發光條帶(見圖6).

3.3.2 碳、氧同位素

碳、氧同位素地球化學特征是研究碳酸鹽巖溶蝕環境的重要證據，不同類型的巖溶作用在形成過程中經歷不同的流體環境，因此利用碳、氧同位素分析方法可以較好地識別溶蝕作用的類型[23-24].溶蝕縫洞方解石和未溶蝕基巖方解石的碳、氧同位素平均值和分布范圍存在較大差別.根據檢測數據，未溶蝕基巖方解石δ13C平均為-0.8‰，δ18O平均為-14.1‰；巖溶縫洞方解石δ13C平均為-2.8‰，δ18O平均為-18.8‰.巖溶縫洞方解石的碳、氧同位素值呈明顯負向偏移的特點，能夠和未溶蝕基巖方解石很好地區分開(見圖7).由于樣品取自不整合面附近，巖溶縫洞方解石的δ18O和δ13C值偏負表明巖溶作用發生于表生環境，受到大氣淡水的影響.

圖7 南堡凹陷表生巖溶碳、氧同位素特征Fig.7 Carbon-oxygen isotopes feature of Nanpu sag

4 表生巖溶識別與應用

4.1 巖溶儲層識別

分析南堡凹陷表生巖溶特征，不同巖溶特征作為巖溶識別標志使用時可操作性和準確性存在差異.為了取得更好的識別效果，需要對各種識別標志進行分類，可劃分為主要識別標志、次要識別標志和輔助識別標志3類.其中測井組合標志垂向分辨率高、鉆井響應標志最直觀，作為主要識別標志；巖石學標志和地震識別標志受取樣頻率和地震數據體品質的限制，作為次要識別標志；陰極發光、同位素特征等地球化學標志起輔助識別作用.在表生巖溶儲層的識別過程中，應分清主次、綜合分析各類識別標志，才能夠得到更加準確的識別結果.

4.2 實例應用

NP280井位于第二期表生巖溶斜坡地貌，潛山頂部地層為奧陶系.首先根據鉆井數據分析和測井曲線，泥漿漏失段位于4 499.0 m以下，漏失量為24.4 m3；在4 500.0、4 512.0、4 520.0 m識別出高伽馬—高聲波—高井徑—低密度—低電阻率的典型巖溶測井組合特征，因此將這3個層段劃為表生巖溶帶，完成初步識別.然后,考慮次要識別標志.雖然NP280井處“串珠狀”地震發射特征不明顯，但是巖溶角礫(4 499.2、4 511.3 m)、溶積泥砂(4 520.2 m)和溶蝕裂縫(4 496.5 m)等巖溶巖石學標志比較常見.最后,應用陰極發光(4 496.4、4 511.3 m)和碳、氧同位素(4 496.4 m)等地球化學等標志進行輔助識別.

在NP280井奧陶系潛山頂部地層中預測4 499.0～4 504.0、4 511.0～4 513.0、4 518.0～4 522.0 m等3個表生巖溶發育帶，試油結果表明3個層段有較好的油氣顯示(見圖8).因此該方法具有較高的準確性和適用性.

圖8 NP280井表生巖溶帶預測Fig.8 Prediction of supergene karst in well NP280

5 結論

(1)南堡凹陷下古生界發育大面積的表生巖溶，可劃分為晚印支—早燕山期和喜馬拉雅期2期.優質表生巖溶儲層集中發育于第二期巖溶斜坡和高地.表生溶洞多呈倒置漏斗形，內部多形成巖溶塌陷體或被各種黏土充填,并且溶洞多與節理、裂縫伴生發育.

(2)潛山頂不整合面之下的表生巖溶帶偶見“串珠狀”地震反射，主要表現為同向軸不連續、弱振幅的雜亂反射特征.泥漿漏失段發育在距不整合面30 m內.測井曲線上為高伽馬—高聲波—高井徑—低密度—低電阻率—暗色斑塊的組合特征.表生溶孔或溶縫邊緣在陰極射線下顯示明亮的橙色發光條帶.溶蝕縫洞方解石碳、氧同位素值呈明顯負向偏移的特點.

(3)表生巖溶主要識別標志包括巖石學標志和測井組合標志，次要識別標志包括鉆井響應和地震反射標志，輔助識別標志為地球化學標志.應用該方法在NP280井中識別3個表生巖溶帶，識別結果與試油數據一致.

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2015-01-28；編輯：陸雅玲

國家油氣重大專項(2011ZX05009-002)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(14CX06068A)

師 政(1986-)，男，博士研究生，主要從事沉積學及石油地質學方面的研究.

TE112.221

A

2095-4107(2015)03-0032-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.005