王賽，鄭宇航

(1.西北大學(xué)國(guó)家大陸動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系 陜西西安710069;2.遼河油田分公司沈陽(yáng)采油廠遼寧沈陽(yáng)110316)

目前世界上已發(fā)現(xiàn)油氣儲(chǔ)量的近半來自碳酸鹽巖儲(chǔ)集層，在我國(guó)碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的近30%［1］。根據(jù)最新研究觀點(diǎn)，碳酸鹽巖儲(chǔ)集層與古巖溶作用導(dǎo)致的儲(chǔ)層縫洞單元的發(fā)育關(guān)系十分密切［2］。塔里木盆地輪南古潛山油藏是與上覆地層不整合接觸，與下伏寒武系整合接觸。的碳酸鹽巖隱蔽油藏，由非均質(zhì)性極強(qiáng)的巖溶縫洞構(gòu)成了油氣的主要儲(chǔ)集空間［3-7］。為了搞清研究區(qū)洞穴發(fā)育規(guī)律，在大量文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景與地震地質(zhì)資料，研究該區(qū)古巖溶發(fā)育特征、控制因素和巖溶洞穴充填特征，以對(duì)奧陶系縫洞型古巖溶儲(chǔ)層的發(fā)育特征進(jìn)行刻畫。

1 奧陶系古巖溶形成的地質(zhì)背景

研究區(qū)行政隸屬新疆輪臺(tái)縣、庫(kù)車縣管轄，距輪臺(tái)縣城南西方向約40 km，地勢(shì)平坦，地表海拔933 m左右。

區(qū)域構(gòu)造演化史表明，輪南奧陶系潛山為一個(gè)古生界殘余低凸起，形成于晚加里東期—早海西期。晚加里東期，區(qū)域不均衡的構(gòu)造抬升，使輪南地區(qū)形成一大型南傾斜坡。早海西期由于區(qū)域性北西—南東向擠壓運(yùn)動(dòng)，在大斜坡背景上形成了一個(gè)北東—南西走向的大型背斜，在背斜的最高部位發(fā)育了北東—南西走向的輪南西斷裂。輪南奧陶系古潛山位于塔里木盆地塔北隆起輪南低凸起，整體表現(xiàn)為一大型背斜構(gòu)造，發(fā)育兩排近東西走向的斷壘帶(輪南斷壘帶和桑塔木斷壘帶)，及被其劃分而成的西部斜坡帶、北部斜坡帶、中部斜坡帶、東部斜坡帶和南部斜坡帶。

由于大規(guī)模抬升，輪南遭受了強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕，北部剝蝕程度大于南部，致使由南向北泥盆系和志留系被剝蝕殆盡，奧陶系也遭受不同程度的風(fēng)化剝蝕，形成奧陶系潛山，同時(shí)，奧陶系潛山頂面遭受大氣淋濾作用，形成具有喀斯特特征的古巖溶地貌。中晚海西期—印支期以區(qū)域上的強(qiáng)烈擠壓應(yīng)力和東西向大型斷裂活動(dòng)為特點(diǎn)，在區(qū)域擠壓應(yīng)力的作用下，潛山背斜繼續(xù)隆升，背斜幅度繼續(xù)增大，石炭系在大型背斜的背景上層層超覆，并且逐漸將潛山埋藏，形成了一個(gè)蓋層厚度超過500 m的大型披覆背斜。晚海西期，在區(qū)域性南北向擠壓應(yīng)力作用下，形成了東西走向的輪南斷裂帶和桑塔木斷裂帶，隨著擠壓應(yīng)力的增強(qiáng)，斷層活動(dòng)逐漸劇烈，斷層上盤隆升得越來越高，形成了輪南斷壘帶和桑塔木斷壘帶。三疊紀(jì)后期，輪南斷裂和桑塔木斷裂繼續(xù)活動(dòng)，形成了三疊系的一系列斷層相關(guān)構(gòu)造，并且由于斷裂的活動(dòng)，使得斷壘不斷隆升，三疊系在潛山高部位沉積不全。燕山期—喜馬拉雅早期是輪南地區(qū)應(yīng)力的轉(zhuǎn)化時(shí)期，受庫(kù)車坳陷沉降作用的影響，輪南地區(qū)發(fā)育一系列區(qū)域性北東向的拉張斷裂;喜馬拉雅中—晚期以后，輪南地區(qū)穩(wěn)定沉降至今［6］。

輪南地區(qū)位于輪南古潛山的南部，剝蝕作用較為強(qiáng)烈，石炭系自西向東超覆于潛山頂面，潛山出露地層為中—下奧陶統(tǒng)鷹山組，是一套開闊海臺(tái)地沉積的石灰?guī)r地層。由于地表長(zhǎng)期暴露，古巖溶十分發(fā)育，其下伏地層為中—下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組。輪南中-下奧陶統(tǒng)鷹山組，以臺(tái)地相泥晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r及粒屑灰?guī)r為主，巖性脆，厚度大，提供了良好的可溶巖。潛山經(jīng)過多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，奧陶系斷裂相當(dāng)發(fā)育，且與褶皺構(gòu)造相伴生，成帶分布，為巖溶發(fā)育提供了有利的構(gòu)造條件。適宜的氣候條件、良好的可溶巖石、強(qiáng)大的古水動(dòng)力及長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕，使得本區(qū)碳酸鹽巖巖溶極為發(fā)育，洞穴系統(tǒng)規(guī)模大(圖1)。鷹山組形成了復(fù)雜而形態(tài)多樣的古巖溶地貌，空間上巖溶作用的差異控制著巖溶儲(chǔ)層的發(fā)育。

圖1 輪古潛山古地貌圖

2 地層發(fā)育特征

輪南低凸起是在前震旦變質(zhì)巖基底上形成的長(zhǎng)期發(fā)育的巨型古隆起，發(fā)育震旦系至奧陶系海相沉積地層、石炭系至二疊系海陸交互相沉積地層和三疊系至第四系陸相沉積地層。

輪南地區(qū)主要地層為:第四系、新近系、古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、石炭系、奧陶系、寒武系。鉆遇的最老地層是古生界上寒統(tǒng)下丘里塔格組，普遍缺失志留系、泥盆系、二疊系。

奧陶系是輪南地區(qū)的主要生產(chǎn)層系之一，與上覆地層不整合接觸，與下伏寒武系整合接觸。由于海西早期大幅度的抬升暴露與風(fēng)化剝蝕，奧陶系被剝蝕厚度較大，研究區(qū)塊僅保留部分中-下統(tǒng)的一間房組、鷹山組和下統(tǒng)蓬萊壩組。輪南地區(qū)目的層下奧陶統(tǒng)鷹山組，屬于古潛山巖溶油藏類型，由于平面上的不均勻剝蝕，致使該區(qū)鉆及的潛山面已非等時(shí)界面，鉆井顯示巖性以砂屑灰?guī)r為主［8-9］。奧陶系鷹山組長(zhǎng)期暴露地表，遭受風(fēng)化淋濾，是最主要的巖溶發(fā)育層段，也是本文巖溶儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律研究的目的層段。

3 輪南地區(qū)巖溶儲(chǔ)層發(fā)育特征

輪古地區(qū)巖溶儲(chǔ)層主要發(fā)育于奧陶系鷹山組，其分布特征受到基巖巖性、構(gòu)造裂縫、巖溶期次等多種因素的影響。本文通過對(duì)各種因素的分析研究，探索輪古地區(qū)巖溶儲(chǔ)層的發(fā)育模式，以期指導(dǎo)研究區(qū)有利儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)和尋找高效井點(diǎn)。

3.1 古巖溶儲(chǔ)層概念模式

巖溶儲(chǔ)層的概念模式是對(duì)古巖溶儲(chǔ)層發(fā)育特征的高度概括，包括儲(chǔ)層巖石學(xué)特征、巖溶發(fā)育特征、儲(chǔ)集空間分布規(guī)律等。通過模式的建立，可以揭示巖溶儲(chǔ)層發(fā)育的基本規(guī)律，為利用地震資料精確預(yù)測(cè)儲(chǔ)層提供地質(zhì)框架［10］。輪南奧陶系碳酸鹽巖受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，經(jīng)歷了不同地質(zhì)時(shí)期的表生階段。根據(jù)輪古地區(qū)的勘探井、開發(fā)井和潛山油氣藏綜合分析，輪南地區(qū)表生期巖溶作用以加里東期和海西期的奧陶系巖溶最為重要，輪南地區(qū)奧陶系的潛山巖溶十分發(fā)育。

據(jù)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次分析，輪南地區(qū)至少存在兩期巖溶作用旋回［6-7］。單井巖溶帶劃分結(jié)果表明，本區(qū)兩期巖溶旋回是地殼兩次抬升、海平面相對(duì)下降造成的，下部旋回(第二期巖溶)形成時(shí)間晚，對(duì)上部旋回(第一期巖溶)有一定的改造作用(圖2)。在每期構(gòu)造抬升后的相對(duì)穩(wěn)定期，巖溶作用形成了層狀分布的水平潛流帶，穩(wěn)定的潛水面使巖溶發(fā)育具有足夠的時(shí)間，從而達(dá)到一定規(guī)模。第一期巖溶旋回穩(wěn)定的海平面持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，因此，研究區(qū)上部旋回巖溶化程度低，洞穴規(guī)模較小，而第二期巖溶穩(wěn)定海平面持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，下部旋回巖溶化程度高，發(fā)育大型地下暗河。

通過對(duì)井下實(shí)鉆地質(zhì)剖面巖溶縫洞系統(tǒng)的分析，依據(jù)排泄基準(zhǔn)面模式，將本區(qū)溶蝕作用分為兩期:第一期巖溶，海西早期受南北向區(qū)域性擠壓應(yīng)力的作用，輪古地區(qū)大面積抬升暴露，遭受風(fēng)化剝蝕，長(zhǎng)期的暴露風(fēng)化使本區(qū)奧陶系潛山巖溶十分發(fā)育;第二期巖溶，海西末期該地區(qū)再次抬升，海平面相對(duì)下降，奧陶系鷹山組地層再次經(jīng)歷暴露—風(fēng)化—?jiǎng)兾g，巖溶向縱深發(fā)育。第一期巖溶形成的表層巖溶帶出露位置相對(duì)升高，在第二期巖溶發(fā)育期遭受了一定風(fēng)化剝蝕，第一期巖溶形成的滲流巖溶帶部分充當(dāng)新的表層巖溶帶，而其垂直滲流帶和水平潛流帶接受第二期巖溶的再改造，形成新的滲流巖溶帶和潛流巖溶帶，潛山風(fēng)化殼儲(chǔ)層厚度進(jìn)一步加大，從而使巖溶發(fā)育表現(xiàn)出疊加特征。

3.2 巖溶發(fā)育的主要特征

輪南地區(qū)發(fā)育多層洞穴，主要受控于構(gòu)造抬升及海平面升降下發(fā)育的多期巖溶。本文在確定洞穴劃分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上(主要根據(jù)常規(guī)測(cè)井曲線特征、成像測(cè)井、單井解釋及取心資料綜合分析)，在已有巖溶模式的指導(dǎo)下，結(jié)合地震資料，通過多方向連井剖面分析，對(duì)輪南西56口單井進(jìn)行了精細(xì)的單井洞穴識(shí)別，進(jìn)而將輪南潛山巖溶縱向上劃分為四套巖溶儲(chǔ)層，其中:第Ⅱ?qū)尤芏醋畎l(fā)育，溶洞個(gè)數(shù)最多;第Ⅲ、Ⅳ層溶洞鉆遇井?dāng)?shù)少，但洞穴規(guī)模大。具體特征分述如下:

第Ⅰ巖溶洞穴層大致相當(dāng)于第一期巖溶作用的表層巖溶帶被剝蝕殘留部分，主要分布于研究區(qū)東北部巖溶臺(tái)地區(qū)，平面上位于明河上游，古水動(dòng)力較弱，由于第一期巖溶發(fā)育持續(xù)時(shí)間較短，表層巖溶洞穴很少發(fā)育，相對(duì)較為孤立，規(guī)模最小，該層以裂縫孔洞型儲(chǔ)層為主。

圖2 海平面升降周期性變化與洞穴層形成序次關(guān)系模式圖

第Ⅱ?qū)尤芏矗瑩?jù)連井剖面分析，溶洞最發(fā)育，個(gè)數(shù)最多，洞穴空間廣泛發(fā)育。該層出露區(qū)主要位于巖溶斜坡區(qū)，水動(dòng)力較強(qiáng)，廣泛發(fā)育的落水洞將明河與暗河連在一起，局部與第Ⅲ層巖溶洞穴疊置。雖然已鉆井顯示該層洞穴規(guī)模較小，但是由于其靠近潛山面，后期充填的機(jī)會(huì)少，因此該巖溶層空洞率最高，足夠多的洞穴空間且構(gòu)造位置處于殘丘趨勢(shì)面以上，使得第Ⅱ巖溶層儲(chǔ)層最發(fā)育，已鉆高效井多發(fā)育第二巖溶層的半充填—未充填洞穴。

第Ⅲ洞穴層厚度較大，它相當(dāng)于第一期巖溶的水平潛流帶經(jīng)第二期的垂直滲流作用再改造而成，發(fā)育于巖溶斜坡及巖溶洼地，水動(dòng)力較強(qiáng)，位于古暗河發(fā)育區(qū)，主干河谷上發(fā)育大量落水洞，廣泛發(fā)育的落水洞將明河和暗河連在一起。該層洞穴較為發(fā)育規(guī)模不一，洞高從小于1米到幾十米都有發(fā)育，部分井上可見30 m以上的大洞穴，該層洞穴以充填洞為主，少量半充填—未充填洞穴發(fā)育。

第Ⅳ洞穴層相當(dāng)于第二期巖溶的水平潛流帶，水動(dòng)力較強(qiáng)，由于第二期巖溶持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，地下暗河主干水系在輪古西地區(qū)發(fā)育，雖然已鉆井打到第Ⅳ巖溶層的較少，但現(xiàn)有井資料顯示，第Ⅳ層最易發(fā)育大型洞穴，單井洞穴最大厚度近50 m，據(jù)單井資料和洞穴發(fā)育模式，推測(cè)該層巖溶洞穴最發(fā)育，但其距潛山面較遠(yuǎn)，在后期石炭紀(jì)水浸過程中，最早處于海平面之下，長(zhǎng)期處于滯水區(qū)使得早期形成的洞穴多被后期沉積物充填，故該層以大型充填洞穴發(fā)育為特征。

由于奧陶系地層長(zhǎng)期暴露、遭受構(gòu)造抬升及非均勻剝蝕，故本文劃分的巖溶層并非完全等時(shí)沉積，界面也非沉積等時(shí)界面。在研究過程中，為更好尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，筆者主要根據(jù)巖溶的發(fā)育規(guī)律和模式，縱向上將其劃分為四套溶洞集中分布層，以便于尋找該區(qū)巖溶空間發(fā)育規(guī)律，更好地預(yù)測(cè)巖溶儲(chǔ)層的分布。

在劃分巖溶層的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)巖溶縱向發(fā)育規(guī)律的研究表明，第Ⅰ巖溶層多以裂縫為主，洞穴發(fā)育率低，充填程度高;第Ⅱ巖溶層縱向上均有發(fā)育，雖洞穴規(guī)模較小，但數(shù)量多且洞穴未充填率高，是主要的巖溶儲(chǔ)層段;第Ⅲ、Ⅳ層洞穴以巨厚洞為主，且大多是在巖溶層底部最發(fā)育，但其充填率較高，第Ⅲ巖溶層在洞頂存在少量坍塌半充填洞穴儲(chǔ)層。

3.3 巖溶儲(chǔ)層發(fā)育的控制因素

儲(chǔ)層發(fā)育受到古氣候、古地貌、基巖巖性、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖溶作用等多重因素的影響，其中古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖溶作用為儲(chǔ)集層發(fā)育的主控因素［10-12］。

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可使碳酸鹽巖沉積區(qū)隆起并出露水面，為巖溶的發(fā)育創(chuàng)造環(huán)境;構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可形成大量的構(gòu)造縫和斷層，為溶蝕介質(zhì)的流動(dòng)提供通道;構(gòu)造運(yùn)動(dòng)通過對(duì)沉積的控制作用可間接控制巖溶作用的發(fā)育。對(duì)本區(qū)影響較大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要有三期:(1)晚加里東期區(qū)域不均衡的構(gòu)造抬升，使輪南地區(qū)形成一個(gè)大型南傾斜坡;(2)早海西期受區(qū)域上北西—南東向的擠壓應(yīng)力作用，在大型斜坡的背景上形成了一個(gè)北東—南西走向的大型背斜，高部位發(fā)育了輪南西斷裂，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的剪性和張性裂縫。由于抬升，奧陶系碳酸鹽巖上覆的泥盆系、志留系、中上奧陶統(tǒng)均被剝蝕，形成奧陶系潛山。潛山長(zhǎng)期裸露地表，遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕和大氣淋濾，形成復(fù)雜的古巖溶地貌［13-14］;(3)中晚海西期—印支期受區(qū)域擠壓應(yīng)力影響，主要發(fā)育大型東西向斷裂，石炭系在大型背斜的背景上形成地層超覆并逐漸將潛山埋藏。經(jīng)歷多期劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，致使輪古地區(qū)奧陶系裂縫十分發(fā)育、縱橫交錯(cuò)，為后期巖溶層的發(fā)育提供了有利條件。

巖溶作用控制了巖溶型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的發(fā)育，研究區(qū)奧陶系主要為易溶蝕的亮晶砂屑灰?guī)r，經(jīng)歷長(zhǎng)期劇烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了大量的構(gòu)造裂縫，且奧陶系潛山長(zhǎng)期裸露地表，遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕和大氣淋濾，故溶蝕作用十分強(qiáng)烈，形成廣泛分布的巖溶型碳酸鹽巖儲(chǔ)層。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)輪南地區(qū)主要地層為:第四系、新近系、古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、石炭系、奧陶系、寒武系。普遍缺失志留系、泥盆系、二疊系。奧陶系鷹山組長(zhǎng)期暴露地表，遭受風(fēng)化淋濾，是最主要的巖溶發(fā)育層段，也是本文巖溶儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律研究的目的層段。

(2)輪南地區(qū)碳酸鹽巖油氣藏在縱向上呈多期巖溶疊合的形態(tài)，其中:第Ⅱ?qū)尤芏醋畎l(fā)育，溶洞個(gè)數(shù)最多;第Ⅲ、Ⅳ層溶洞鉆遇井?dāng)?shù)少，但洞穴規(guī)模大。

(3)古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及巖溶作用是導(dǎo)致成輪南地區(qū)巖溶縫洞系統(tǒng)的發(fā)育，并富集成藏的主控因素。

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