魯新便,蔡忠賢

（1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司石油勘探開發(fā)研究院,新疆烏魯木齊 830011;2.中國地質(zhì)大學(xué),湖北 武漢 430074）

縫洞型碳酸鹽巖油藏古溶洞系統(tǒng)與油氣開發(fā)
——以塔河碳酸鹽巖溶洞型油藏為例

魯新便1,蔡忠賢2

（1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司石油勘探開發(fā)研究院,新疆烏魯木齊 830011;2.中國地質(zhì)大學(xué),湖北 武漢 430074）

以塔河奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油藏為原型,厘定了古溶洞系統(tǒng)的概念與特征,探討了其形成、演化、改造以及對油藏的分隔作用,提出了古溶洞系統(tǒng)的垮塌充填-斷裂體系是造成油藏分隔化作用的主要因素。針對該類油藏由于喀斯特作用與構(gòu)造作用所造成的縫洞儲(chǔ)集體非均質(zhì)性特征,認(rèn)為其油藏描述應(yīng)按照系統(tǒng)性、層次性思路,分巖溶體系 （古溶洞系統(tǒng)）與油藏體系 （縫洞單元）兩個(gè)級次來進(jìn)行。與此同時(shí),按照對喀斯特油藏描述調(diào)整后的思路與技術(shù)方法對研究區(qū)古溶洞系統(tǒng)與開發(fā)井位部署之間關(guān)系進(jìn)行了描述,取得了良好效果。

縫洞型碳酸鹽巖;溶洞型油藏;古溶洞系統(tǒng);油氣開發(fā);塔河油田

塔河油田奧陶系縫洞型碳酸鹽巖油藏與孔隙型、裂縫-孔隙型油氣藏有著本質(zhì)區(qū)別,油藏儲(chǔ)集體具有洞、縫、孔共存,儲(chǔ)集空間尺度變化大,儲(chǔ)集空間分布不連續(xù)的特征,油氣水分布受縫洞體控制[1～5]。由于油藏埋藏超深 （5 300～6 700 m）,地震反射信噪比低,縫洞體準(zhǔn)確預(yù)測難度大;巖心點(diǎn)資料、鉆測錄井資料難以類推油氣藏空間特征;縫洞體規(guī)模、形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能量特征千差萬別,開發(fā)布井和科學(xué)的能量補(bǔ)充難度大,對此類油藏的開發(fā)缺乏成功的經(jīng)驗(yàn)和理論技術(shù)。

文章將以塔河油田為例,分巖溶體系 （古溶洞系統(tǒng)）和油藏體系 （縫洞單元）兩個(gè)級次來揭示油藏整體呈現(xiàn)的分隔性、差異性,進(jìn)一步研究和厘定喀斯特油藏描述的理論概念、術(shù)語的內(nèi)涵及開發(fā)意義,從三維空間上描述和刻畫古溶洞系統(tǒng)現(xiàn)今的構(gòu)型樣式,并建立相關(guān)的描述方法技術(shù),為此類油藏的開發(fā)和開發(fā)方案的制定和提高采收率等方面提供依據(jù)。

1 古溶洞系統(tǒng)的概念與特征

大量資料表明,溶洞的發(fā)育一般不以孤立的形式存在,與巖溶發(fā)育有關(guān)的古暗河系統(tǒng)或溶洞系統(tǒng)在長期暴露的巖溶區(qū)具有繼承性發(fā)育的特點(diǎn),即古暗河系統(tǒng)的發(fā)育具有一定的普遍性和繼承性,可能發(fā)育一代以上的古溶洞系統(tǒng),且新溶洞系統(tǒng)對老洞穴系統(tǒng)的疊加普遍存在,多期古溶洞系統(tǒng)的相互疊加,從而形成復(fù)合洞穴系統(tǒng)[6]。與巖溶有關(guān)的洞穴狀孔隙網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)溶洞系統(tǒng)或多個(gè)洞穴系統(tǒng)眾多坍塌洞穴聯(lián)系而成的洞隙網(wǎng)絡(luò),該洞隙網(wǎng)絡(luò)是由管道、洞穴、裂隙、裂縫和溶洞孔隙等 5種巖溶空隙介質(zhì)體 （通常以管道和洞穴等為主）組成的復(fù)合體系,其結(jié)構(gòu)類型呈多樣性,在二維平面上,有單管型、樹枝型、網(wǎng)絡(luò)型和復(fù)合型;在剖面上,有單層型、階梯型和多層型等。

2 古溶洞系統(tǒng)描述方法與展布特征

前人研究結(jié)果顯示巖溶體系形成演化的時(shí)空地質(zhì)模型 （樹枝狀、梳狀和單管狀洞穴）與古斷裂體系、褶皺體系和古地貌、古水系關(guān)系最為密切[7～13]。通過對塔河 150口鉆遇洞穴的鉆井,地下河系統(tǒng)分布區(qū)域以及延伸方向研究結(jié)果顯示,斷裂及其伴生裂縫、巖溶地貌是控制巖溶發(fā)育的重要因素,其中,巖溶地貌是控制海西早期巖溶發(fā)育的重要因素,而斷裂及其伴生裂縫是控制加里東中期及海西早期巖溶發(fā)育的重要因素。

2.1 古溶洞系統(tǒng)描述方法

塔河油田奧陶系縫洞型油藏是多期表生條件下形成的巖溶體系經(jīng)埋藏演化而形成的復(fù)雜古巖溶油藏,空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此描述和刻畫不同尺度的古巖溶體系的非均質(zhì)性特征是揭示縫洞型油藏內(nèi)部復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。利用地震正演分析,通過截取過井剖面的鉆、錄、測井?dāng)?shù)據(jù)對采集地震相數(shù)據(jù)的標(biāo)定,建立不同巖相縫洞體的識(shí)別模式。

在塔河油田主體區(qū),綜合利用鉆井、古地貌、古水系、地震反射特征以及地震反演的波組抗數(shù)據(jù),推斷 4區(qū)西部發(fā)育兩個(gè)正交方向的古暗河系統(tǒng),深部古溶洞系統(tǒng)分布以區(qū)域主要斷裂帶為導(dǎo)向,沿北東向呈折尺狀水平展布,古暗河系統(tǒng)總體呈南高北低的分布趨勢 （圖 1）;古暗河的流動(dòng)方向與地震測線上的構(gòu)造傾角 （紅色）一致,古溶洞系統(tǒng)深度分布在 5 550～5 800 m,主要深度分布在5 600 m。

在塔河南部鹽下地區(qū),基于古溶洞系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),初步形成了利用波形分析、振幅變化率等儲(chǔ)層預(yù)測技術(shù)尋找潛在的古溶洞分布。尤其是利用分頻技術(shù)和波形技術(shù),對已鉆遇的溶洞進(jìn)行標(biāo)定和追蹤,利用地震屬性的切片技術(shù)和不同深度溶洞的標(biāo)定,順著古暗河系統(tǒng)的高部位及規(guī)模較大的溶洞體進(jìn)行井位部署。需要指出的是受古地形、斷裂控制,平面上潛流水道相互交叉、相互疊置、相互切割的影響,古洞穴系統(tǒng)的儲(chǔ)層具有很強(qiáng)的空間復(fù)雜性和非均質(zhì)性,會(huì)形成溶洞-裂縫-垮塌角礫巖-洞穴沉積充填物交替的復(fù)雜儲(chǔ)集空間。

圖 1 塔河油田古溶洞系統(tǒng)平面分布Fig.1 Planar distribution of the paleo-cavern system in Tahe oilfield

2.2 古溶洞系統(tǒng)空間分布差異

主體區(qū)巖溶斜坡及溝谷區(qū),巖溶縫洞不發(fā)育,淺層多以不規(guī)則的孤立單體形式存在,平面呈橢圓形、不規(guī)則形態(tài),儲(chǔ)集體橫向連通較差,開發(fā)動(dòng)態(tài)多表現(xiàn)為定容特征,主要分布在 4區(qū)和 3區(qū)、以及 7區(qū)和 2區(qū)的交界地帶。這種類型儲(chǔ)層之間基本不連通或連通較差,多以孤立的落水洞發(fā)育為主,深、淺層的溶洞系統(tǒng)連通性較差,推斷為不同時(shí)期巖溶期的產(chǎn)物。

塔河油田外圍區(qū)的南部、西北部受巖溶斷裂和古地貌發(fā)育影響,先存線狀構(gòu)造體系與巖溶洞穴類型、巖溶體系之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系,儲(chǔ)層主要受控于斷裂、構(gòu)造,多呈條帶狀,呈近南北向和北西向分布。規(guī)模較大的縫洞帶有 S1102—S113,S117—S106-3,S1181—S7201井區(qū)等 ,沿這些帶鉆井放空、漏失較多,單井產(chǎn)能高,溶洞段主要分布于一間房組,鷹山組水洞逐漸發(fā)育 （圖 2）。

3 古溶洞系統(tǒng)的油藏分隔化作用

目前油藏分隔化作用研究集中于斷裂、地層的連通性和封閉性,油藏焦油席的封閉性和水動(dòng)力封閉性;除此之外,油田的產(chǎn)能資料也可用來分析油藏流體的分隔性和連通性;巖溶體系由于后期的充填作用、垮塌作用期和構(gòu)造作用,從而使早期的古溶洞系統(tǒng)內(nèi)部連通性和分隔化作用進(jìn)一步復(fù)雜化,形成大量的分隔間 （殘余洞穴和溶道）。

圖 2 塔河油田南部外圍區(qū)串珠狀反射平面分布（0～20 ms）Fig.2 Planar distribution of string-bead-shaped seis mic reflections in the periphery area to the south of Tahe oilfield

塔河地區(qū)的巖溶縫洞埋藏深度普遍在 5 500 m以上,根據(jù)對 59口井巖心的詳細(xì)觀察和測錄井資料,結(jié)合三維地震資料分析,將其洞穴充填相劃分為化學(xué)沉 （淀）積巖相、搬運(yùn)型巖相、垮塌型巖相、滲流充填相、圍巖相、洞穴外流水沉積相 6類。充填垮塌作用形成的分隔帶由巴楚組的砂泥質(zhì)充填柱或帶、致密灰?guī)r、地下溶洞坍塌的角礫巖、斷層分隔性構(gòu)成。

本區(qū)的巖溶垮塌作用非常普遍,可以分成早期近地表階段的垮塌和晚期埋藏階段的垮塌兩種類型。近地表階段的垮塌,在巖溶地貌上,可形成巖溶洼地、漏斗、落水洞、暗河天窗、豎井、巖溶障谷等,垮塌形成的堆積物主要為角礫巖。在地震剖面上,早期垮塌作用所造成的反射同相軸的變形僅出現(xiàn)于巖溶地層中,而不影響到上覆非可溶性地層。

可以利用地震資料,通過在平面上刻畫沉陷的幅度和分布范圍來反映洞穴群或單個(gè)洞道的垮塌分布。埋藏階段洞穴的垮塌作用主要是聚群狀分布的洞穴群的聯(lián)合垮塌。國外這種古洞穴體系的埋藏垮塌作用已在西德克薩斯的許多油田、北 -中德克薩斯的 Forth Worth盆地、印度洋的Maldives等地區(qū)發(fā)現(xiàn)[6]。塔河油田巖溶洞穴大規(guī)模的埋藏后垮塌作用主要發(fā)生于海西晚期運(yùn)動(dòng)之前,平面上表現(xiàn)為頂面大量非定向性斷續(xù)延伸的弧形斷裂體系,剖面上以垮塌性斷裂為邊界的垮塌巖柱體為特征,柱形斷裂 （實(shí)際是正斷層）帶多沿著古水系以及上覆地層的凹陷變形帶分布。在塔河地區(qū)這些巖柱體、斷裂裂縫自下奧陶統(tǒng)鷹山組—一間房組向上絕大多數(shù)消失于上覆石炭系地層中。塔河油田柱狀塌陷結(jié)構(gòu)的識(shí)別標(biāo)志是從—均表現(xiàn)為繼承性的柱狀塌陷,垮塌的古洞穴體系的區(qū)域性樣式通常呈線狀。

塔河地區(qū)發(fā)育有若干規(guī)模較大的垮塌洞穴體系,典型的垮塌體系是 T740—TK1012—TK1052井區(qū) （圖 3）,呈北西 -南北向延伸,長度約5.3 km,東西向?qū)挾瓤蛇_(dá) 1.0～2.3 km,塌陷帶的面積約 8.2 km2。洞穴體系垮塌作用形成的斷裂向上斷至,向下延伸較深,其上部發(fā)育大的沉陷帶和斷裂,沉陷構(gòu)造在地震剖面和振幅變化率圖中反映明顯 （圖 3,圖 4）,相對弱的振幅變化率特征可能與垮塌形成的混雜角礫化巖石構(gòu)成的相對均值的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖 3 T740—TK1012—TK1052井區(qū)可能的垮塌洞穴體系分布示意圖Fig.3 Distribution of possible collapsed cavern systems in T740-TK1012-TK1052 well block

圖 4 過 TK1012—TK1066井橫切垮塌洞穴體系的地震剖面Fig.4 Seismic profile crosscutting collapsed cavern systems in TK1012-TK1066 wells

垮塌裂縫 -斷裂體系所造成的油藏內(nèi)部連通性和分隔化作用是非常重要的?？p洞型復(fù)雜油藏分隔性是由巖溶形成和演化兩個(gè)不同階段造成的,它們分別對應(yīng)于兩個(gè)不同級次、不同尺度的地質(zhì)體——古溶洞系統(tǒng)和縫洞單元。塔河油藏開發(fā)實(shí)踐證實(shí),奧陶系油藏呈現(xiàn)出多壓力系統(tǒng)、多個(gè)滲流單元的開發(fā)地質(zhì)特征,油藏的嚴(yán)重分隔性造成了油藏性質(zhì)的復(fù)雜性。奧陶系油藏并非是一個(gè)整體連片油藏,而是由不同規(guī)?？p洞單元組成的空間疊合連片的復(fù)雜油氣藏。依據(jù)油藏描述結(jié)果,2005—2006年將奧陶系油藏已投入開發(fā)的 2,3,4,6,7,8區(qū)塊,劃分成 42個(gè)多井單元,110個(gè)孤立或相對定容的單元。2006—2007年利用波形、分頻分析、三維地震反射能量體技術(shù)進(jìn)行了縫洞單元邊界的刻畫和空間雕刻;同時(shí)利用注水和示蹤劑分析技術(shù),深化了井間儲(chǔ)集體的連通性認(rèn)識(shí),進(jìn)一步精細(xì)了縫洞單元的劃分,把前期 152個(gè)的縫洞單元重新劃分為 137個(gè)縫洞單元。

4 古溶洞系統(tǒng)與開發(fā)布井

圖 5 S99—TK1005井的具有典型串珠結(jié)構(gòu)的地震反射剖面Fig.5 Seismic profile with the typical string-bead-shaped reflection in well S99-TK1005

溶洞作為塔河油田主要的儲(chǔ)集空間,在地震剖面上表現(xiàn)為“串珠狀地震反射結(jié)構(gòu)”（圖 5）,在沿層振幅變化率圖上表現(xiàn)為“橢圓形、串珠狀、條帶狀振幅變化率異?！?。塔河油田 62%以上鉆井都直接鉆遇溶洞,并且 20%高產(chǎn)油井累產(chǎn)都大于10×104t以上,表明溶洞不是孤立發(fā)育,且有一定的方向性和展布規(guī)模。通過對主體和外圍區(qū)縫洞的巖溶縫洞的成生關(guān)系研究,表明主體區(qū)與外圍（北部和南部）的縫洞體、流體之間的成因與油藏規(guī)模存在關(guān)聯(lián)性?；谟筒匕岛酉到y(tǒng)的縫洞發(fā)育規(guī)律認(rèn)識(shí),初步形成了利用波形分析技術(shù)、振幅變化率、波形技術(shù),用已知鉆井揭示的規(guī)模較大的溶洞進(jìn)行標(biāo)定和追蹤,通過地震屬性的切片技術(shù)和不同深度發(fā)育溶洞的標(biāo)定關(guān)系研究,提出順著古暗河系統(tǒng)發(fā)育展布的方向,進(jìn)行井位追蹤部署和加深井部署思路。

2）在上奧陶覆蓋區(qū),將深部斷裂與振幅變化率疊合分析。古溶洞系統(tǒng)的發(fā)育受古地貌和巖溶斷裂帶控制明顯,暗河或古溶洞系統(tǒng)發(fā)育,與近南北、北東向和北西向斷裂帶的分布具有較好的一致性,為典型的“條帶狀油藏”特征。沿有利縫洞帶展布方向布井,先后開發(fā)評價(jià)了整體開發(fā)塔河南部 S117—S106-2縫洞帶,S99—T728縫洞帶以及南部 S1181縫洞帶,建立了最佳的儲(chǔ)集體預(yù)測技術(shù)組合為精細(xì)相干分析技術(shù) +地震反射結(jié)構(gòu) +振幅變化率預(yù)測技術(shù) +曲率分析技術(shù),有利的地震反射識(shí)別模式為背沖斷塊 +構(gòu)造高 +串珠狀反射,逆沖斷塊 +構(gòu)造高 +弱反射,構(gòu)造高 +弱反射 （S72-1）等。

3）基于 TK476—T403聯(lián)井剖面上巖溶洞穴垂向發(fā)育結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí),提出不同巖溶地貌單元深淺層的溶洞系統(tǒng)具有不同的儲(chǔ)集性能的觀點(diǎn),深、淺層的溶洞系統(tǒng)之間的致密灰?guī)r段分割了上部、下部儲(chǔ)集帶的連通性,產(chǎn)層均位于表層洞穴,下部洞穴充填嚴(yán)重,推斷該類溶洞系統(tǒng)為同一水動(dòng)力條件的產(chǎn)物;對 S48—T401縫洞單元和 TK427暗河系統(tǒng)為代表的側(cè)向疊加型溶洞系統(tǒng)研究顯示,深、淺溶洞系統(tǒng)之間互不連通,上下層洞穴的發(fā)育深度和洞穴形態(tài)相差較大,表層溶洞表現(xiàn)為片狀或網(wǎng)狀的發(fā)育特征,深層溶洞則為孤立的暗河系統(tǒng),推斷為不同水動(dòng)力條件的產(chǎn)物;基于不同時(shí)期古溶洞系統(tǒng)的相互疊加模式及縱向結(jié)構(gòu)、開發(fā)潛力研究,提出了以開發(fā)井的縱向加深,探索不同深度儲(chǔ)集帶的井位部署的思路 。

4）在巖溶地區(qū),沿主河道會(huì)出現(xiàn)較多的塌陷現(xiàn)象,以至部分地下河道出露地表,形成天窗天坑或豎井。但在巖溶谷地仍發(fā)育大量的伏流,部分地下水系和暗河通常都是沿著洼地底部發(fā)育的,每個(gè)洼地底部通常都有落水洞,河谷中鞍形谷區(qū)必定有伏流河穿過,依據(jù)河谷中鞍形谷和洼地等地貌形態(tài),推斷地下暗河發(fā)育。塔河勘探開發(fā)實(shí)踐表明,目前頂面的巖溶洼地或溝谷地區(qū)仍具有開發(fā)潛力,如塔河 3、4區(qū)之間,6區(qū)、7區(qū)結(jié)合部位以及 7區(qū)東南部地區(qū)的巖溶谷地,從前期的 S64井,TK422以及 TK429井區(qū)附近河谷的橫剖面上,可以看出此段河谷底部塌陷比較嚴(yán)重,上覆的石炭系地層明顯隨之塌陷,表明塌陷是在石炭系上覆地層沉積之后發(fā)生的,因此從成藏分析的角度,該領(lǐng)域仍具有進(jìn)一步開發(fā)的潛力。

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A study of the paleo-cavern system in fractured-vuggy carbonate reservoirs and oil/gas development—taking the reservoirs in Tahe oilfield as an example

Lu Xinbian1and Cai Zhongxian2

（1.Petroleum Exploration&Production Research Institute of SI NOPEC Northwest Company,Urumqi,Xinjiang830011,China;2.China University of Geosciences,Wuhan,Hubei430074,China）

A study of the Ordovician fractured-vuggy carbonate reservoirs in the Tahe oil field is carried out to deter mine the concept and features of paleo-cavern systems in these reservoirs.Also included in the study are the for mation,evolution,and defor mation of these systems aswell as their role in compartmentalization of reservoirs.The study points out that the compar tmentalization of these reservoirs is mainly caused by collapse,filling,and fracturing processes of the pale-cavern systems.It is therefore suggested that these heterogeneous reservoirs for med by karstification and tectonic movements shall be described systematically and hierarchically from a karst system level（paleo-cavern system）and reservoir level（fracture-vug unit）.The idea is applied to the study area and gains positive results.

fractured-vuggy carbonate,cavernous reservoir,paleo-cavern system,oil/gas field development,Tahe oilfield

TE121.1

A

0253-9985（2010）01-0022-06

2009-12-13。

魯新便 （1963—）,男,博士、教授級高級工程師,油氣田開發(fā)及管理。

（編輯 董 立）