張慶玉，梁　彬，秦鳳蕊，陳利新，淡　永，李景瑞

（1.中國地質大學環(huán)境學院，武漢430074；2.中國地質科學院a.巖溶地質研究所；b.國土資源部巖溶動力學重點實驗室，廣西桂林541004；3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒841000）

哈拉哈塘凹陷奧陶系巖溶古地貌及巖溶縫洞體發(fā)育模式

張慶玉1,2，梁彬2，秦鳳蕊2，陳利新3，淡永2，李景瑞2

（1.中國地質大學環(huán)境學院，武漢430074；2.中國地質科學院a.巖溶地質研究所；b.國土資源部巖溶動力學重點實驗室，廣西桂林541004；3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒841000）

針對塔北哈拉哈塘地區(qū)北部潛山風化殼巖溶區(qū)和南部埋藏巖溶區(qū)不同的地質特征，分別運用印模法和地層古構造與印模殘差組合法恢復奧陶系古地貌和古水系。在此基礎上，對4種不同古地貌環(huán)境條件下巖溶縫洞體發(fā)育特征及形成機理進行研究，建立了潛山風化殼巖溶區(qū)、上巖溶緩坡地、下巖溶緩坡地和巖溶盆地4種巖溶縫洞體發(fā)育模式。潛山風化殼巖溶區(qū)以發(fā)育表層巖溶縫洞系統(tǒng)為主；上巖溶緩坡地發(fā)育一間房組—鷹山組大型縫洞體及暗河管道系統(tǒng)；下巖溶緩坡地發(fā)育良一段—良二段和一間房組—鷹山組2套大型縫洞儲集體；巖溶盆地沿斷裂發(fā)育巖溶縫洞體。關鍵詞：塔里木盆地；哈拉哈塘凹陷；奧陶系；古地貌；古巖溶湖；潛山巖溶；埋藏巖溶；巖溶縫洞體

哈拉哈塘凹陷是塔北隆起的油氣勘探熱點區(qū)[1-4]，其周緣已發(fā)現多個油氣田，包括東側的塔河油田、東南側的哈得遜油田、北側的牙哈油田、西北側的東河塘油田以及西側的英買力油氣田[5-7]。哈拉哈塘凹陷奧陶系具有豐富的油氣資源，是塔北油氣勘探的突破區(qū)，同時也是目前塔里木油田公司進行開發(fā)前期評價的重點區(qū)域[8]。

哈拉哈塘凹陷奧陶系碳酸鹽巖儲集層以后期溶蝕裂縫、溶蝕孔洞及巖溶洞穴為主要儲集空間[9]。研究區(qū)地質條件復雜[10-11]，巖溶發(fā)育階段與塔河地區(qū)類似，奧陶系內幕巖溶主要經歷了一間房組沉積末期—吐木休克組沉積前，良里塔格組沉積末期—桑塔木組沉積前，桑塔木組沉積末期—志留系沉積前的3期巖溶作用[12]，形成了不同巖溶期的古地貌組合形態(tài)，發(fā)育大型縫洞體，儲集層非均質性極強。其中良里塔格組沉積末期沉積間斷時間最長，是研究區(qū)良里塔格組、一間房組和鷹山組的主要巖溶期[13]。因此，對良里塔格組頂界面巖溶期古地貌恢復尤為重要。但其上、下均存在沉積間斷，且吐木休克組厚度較薄，無法獲取其頂界面區(qū)域構造數據，應用常規(guī)方法恢復良里塔格組沉積末期的古地貌，存在利用一個不整合面恢復另一個不整合面的情況，其可信度較低。因此，提出利用古構造與印模殘差組合法恢復良里塔格組沉積末期巖溶古地貌，即通過恢復良里塔格組古構造趨勢，確定地表巖溶古地貌形態(tài)，避免了上、下不整合面的影響，為勘探開發(fā)井位部署及儲集層預測提供依據。

1　地質概況

哈拉哈塘凹陷位于塔里木盆地塔北隆起中部，北鄰輪臺低凸起，南鄰北部坳陷，西接英買力低凸起，東為輪南低凸起，面積約為4 000 km2，是油氣由低向高運移的指向區(qū)，構造位置十分有利（圖1）。包含哈6區(qū)塊、新墾區(qū)塊、熱瓦普區(qū)塊和齊滿區(qū)塊，是塔里木油田公司在塔北地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖的重點勘探區(qū)塊[13]，具有良好的油氣勘探前景。

圖1　哈拉哈塘凹陷奧陶系地質構造及地層分布

哈拉哈塘凹陷中奧陶統(tǒng)一間房組、上奧陶統(tǒng)吐木休克組、良里塔格組和桑塔木組從北向南依次尖滅（圖1），其中桑塔木組尖滅線以北為古潛山風化殼巖溶區(qū)，以南為碎屑巖覆蓋埋藏巖溶區(qū)。

研究區(qū)上奧陶統(tǒng)桑塔木組（O3s）以泥巖為主；良里塔格組（O3l）以泥灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r夾砂屑灰?guī)r為主，從上到下可分為良一段、良二段和良三段；吐木休克組（O3t）巖性以褐灰色泥晶灰?guī)r和泥灰?guī)r為主；中奧陶統(tǒng)一間房組（O2yj）以灰褐色亮晶砂屑灰?guī)r、生屑灰?guī)r和亮晶鮞?；?guī)r為主。中-下奧陶統(tǒng)鷹山組（O1-2y）從上到下分為4段，中奧陶統(tǒng)鷹一段—鷹二段為巨厚層灰色泥晶灰?guī)r夾亮晶砂屑灰?guī)r薄層；下奧陶統(tǒng)鷹三段—鷹四段以灰?guī)r為主，夾少量白云質灰?guī)r。下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組（O1p）以白云巖為主，鉆至蓬萊壩組鉆井較少。其中一間房組和鷹山組發(fā)育質純厚層灰?guī)r，為強巖溶層位，是研究區(qū)主要的油氣儲集層。

2　潛山風化殼巖溶區(qū)古地貌及巖溶發(fā)育特征

2.1古地貌特征

由于潛山風化殼巖溶區(qū)桑塔木組被剝蝕殆盡，良里塔格組、吐木休克組、一間房組地層遭受不同程度的剝蝕，其中良里塔格組和吐木休克組呈北東—南西向狹長條帶狀展布，寬2～4 km，總厚度0～20 m.

利用志留系標志層塔塔埃爾塔格組底至奧陶系古潛山頂面填平補齊古厚度，依據印模法[14]，即古厚度相對越大，所處古地勢為相對低洼處；古厚度相對較小，所處古地勢為相對高部位，進行潛山區(qū)巖溶古地貌恢復（圖2）。

圖2　哈拉哈塘凹陷潛山風化殼巖溶區(qū)志留紀前巖溶古地貌特征

從古地貌圖可知（圖2），總體地形、地勢向南南西方向緩慢降低，坡降一般為1.5%～2.0%.結合中國南方現代喀斯特巖溶地貌劃分標準，將潛山風化殼巖溶區(qū)巖溶地貌分為：巖溶緩坡、巖溶臺地、巖溶丘叢谷地3種二級地貌單元（表1）。

根據地貌組合形態(tài)，可進一步劃分為丘叢壟脊溝谷、微丘叢洼地、微丘峰洼地、微丘叢槽谷、巖溶谷地和巖溶湖6種古巖溶地貌。研究區(qū)整體處于巖溶地貌形成演化初期，地形起伏相對較小，切割深度小，丘洼相對高差一般為5～30 m，局部40～50 m.

2.2古水文特征

潛山風化殼巖溶區(qū)為區(qū)域補給區(qū)，碳酸鹽巖直接接受大氣降水淋濾，通過徑流，對南部桑塔木組碎屑巖覆蓋區(qū)進行補給。由古地貌形態(tài)及地勢展布特征刻畫地表古水系（圖2）。研究區(qū)地表水系發(fā)育，其中中部TH8井左側河流深切至鷹山組。受南部桑塔木組碎屑巖和吐木休克組泥質含量較高碳酸鹽弱巖溶層組隔水作用影響，沿桑塔木組尖滅線附近形成一系列巖溶湖。深切河谷和巖溶湖構成了潛山風化殼巖溶區(qū)地表水和淺層地下水的排泄基準面。結合“斷頭河”發(fā)育及斷裂展布特征，認為受到南部埋藏區(qū)巖溶盆地區(qū)域排泄基準面的控制，在桑塔木組尖滅線附近形成一系列近南北向伏流入口，即地下暗河管道系統(tǒng)，在地震剖面上表現為連續(xù)片狀強反射特征。

表1　哈拉哈塘凹陷潛山風化殼巖溶區(qū)巖溶地貌類型劃分

2.3巖溶縫洞體發(fā)育特征

研究區(qū)已經鉆的20口井中，有13口井在一間房組或鷹山組出現鉆具放空或鉆井液漏失現象。測井特征表現為隨泥質充填程度增大，自然伽馬增高，深、淺側向電阻率降低，井徑擴大，補償中子、密度、聲波時差降低。

由巖溶儲集層對比剖面可見（圖3），哈拉哈塘凹陷奧陶系碳酸鹽巖潛山風化殼巖溶區(qū)古巖溶縫洞系統(tǒng)與塔河油田、輪古油田典型潛山巖溶縫洞系統(tǒng)具有相似性[15-16]，巖溶縫洞系統(tǒng)發(fā)育具有層狀分布特點：上部古巖溶縫洞系統(tǒng)主要分布于一間房組內，距一間房組頂面以下10～15 m范圍；以裂縫-孔洞型和孔洞型儲集層為主，主要為Ⅱ類儲集層，局部發(fā)育Ⅰ類洞穴型巖溶儲集層。

圖3　哈拉哈塘凹陷潛山區(qū)南北向古巖溶發(fā)育模式（剖面位置見圖1）

下部縫洞系統(tǒng)發(fā)育Ⅰ類洞穴型巖溶儲集層，發(fā)育于鷹一段，古巖溶縫洞系統(tǒng)距一間房組頂面約60～90 m范圍。在溶洞發(fā)育段，鉆井過程中常伴有鉆井液漏失或鉆具放空，QG1井于井深6 705 m處鷹一段鉆具放空3.50 m，HA15-2井于井深6 598 m處一間房組鉆具放空2.53 m，漏失鉆井液572.98 m3.

潛山風化殼巖溶區(qū)巖溶縫洞系統(tǒng)呈層狀分布，究其原因為，潛山風化殼巖溶區(qū)受到2個排泄基準面控制形成，上部縫洞發(fā)育帶受潛山深切河谷和巖溶湖排泄基準面的控制（圖3），下部巖溶縫洞發(fā)育帶則受南部埋藏巖溶區(qū)良里塔格組巖溶期深切河谷或巖溶盆地區(qū)域排泄基準面控制。

3　埋藏巖溶區(qū)古地貌及巖溶發(fā)育特征

3.1古地貌特征

一間房組巖溶期，由于沉積間斷時間較短，地形起伏較小，地表河流及地下暗河系統(tǒng)弱發(fā)育[14]；而志留系沉積之前巖溶期由于上覆桑塔木組碎屑巖，大氣降水很難直接滲入到下部良里塔格組、一間房組和鷹山組，研究區(qū)主要發(fā)育層間巖溶。良里塔格組巖溶期裸露時間較長，地表河流深切，為一間房組、鷹山組巖溶縫洞系統(tǒng)發(fā)育提供良好的水動力條件。針對研究區(qū)地質條件，提出利用古構造與印模殘差組合法恢復良里塔格組頂面古地貌，具體恢復方法如下。

（1）對良里塔格組沉積間斷時期下伏地層古構造趨勢恢復。①利用塔塔埃爾塔格組底至吐木休克組底構造數據，恢復志留紀前一間房組頂面構造趨勢面；②利用塔塔埃爾塔格組底至奧陶系頂面構造數據，恢復志留紀前奧陶系頂面構造趨勢面；③計算良里塔格組沉積間斷后地層構造趨勢變化量，即奧陶系頂面構造趨勢面與一間房組構造趨勢面的變化量；④利用一間房組構造趨勢面減去構造趨勢面變化量，即可恢復良里塔格組沉積間斷期下伏地層古構造趨勢面。

（2）利用桑塔木組底（良里塔格組頂）至吐木休克組底（一間房組頂）構造數據，計算良里塔格組至一間房組頂面的殘留厚度。

（3）利用殘留厚度與古地層構造趨勢面結合，恢復良里塔格組頂面古巖溶地貌。

根據良里塔格組頂面古地形地勢特征、古水動力分析，將研究區(qū)劃分為上巖溶緩坡地、下巖溶緩坡地、巖溶盆地3種二級地貌類型及6種三級地貌單元，并依據現代巖溶理論識別出若干微地貌形態(tài)（表2）。

表2　哈拉哈塘凹陷良里塔格組頂面古巖溶地貌類型劃分

良里塔格組巖溶期地形、地勢整體向南緩慢降低，坡降一般為0.5%～1.5%，地形起伏相對較大，高差一般30～50 m，局部達50～100 m，南部TR1井—TR6井—TR2井—TR4井一帶南側為巖溶盆地，是區(qū)域巖溶地下水排泄區(qū)。

3.2古水文特征

根據古水系刻畫，自西向東發(fā)育6個地表水系，地表水系均自北向南徑流匯入巖溶盆地。古水系深切，把良里塔格組巖溶地貌分割成近南北向延伸的巖溶壟崗地貌區(qū)，每個地貌區(qū)具有自分水嶺地帶向兩側河谷排泄特征。其中河床深切至一間房組的地段，也為暗河管道系統(tǒng)局部排泄基準面，控制著一間房組和鷹山組縫洞系統(tǒng)的發(fā)育。

3.3巖溶縫洞體發(fā)育特征

上巖溶緩坡地緊靠北部潛山風化殼巖溶區(qū)，地下水水力坡降較大，水力循環(huán)快，溶蝕性強，發(fā)育多條地下暗河管道系統(tǒng)。在地震剖面上通常表現為片狀連續(xù)強地震反射。

取剪跨比λ為4，軸壓比ηk為0.1，配筋率ρl為0.96%在不同縱筋強度的三種矩形空心墩，縱筋強度分別為464 MPa、507 MPa、542 MPa，進行Pushover分析，其對應的能力曲線如圖12所示，由圖12可知，縱筋強度的提高對空心墩的承載能力有所提高，但空心墩位移延性隨著縱筋強度的提高而減小。

據上巖溶緩坡地42口鉆井資料統(tǒng)計，有33口井發(fā)生不同程度鉆具放空和鉆井液漏失現象，主要集中在一間房組—鷹山組。僅TH11-3井于良里塔格組6 674.38 m漏失鉆井液187.84 m3，并于一間房組6 685.96 m漏失鉆井液503.32 m3，說明此處良里塔格組與一間房組均發(fā)育溶洞系統(tǒng)，溶蝕構造縫連通，形成大型縫洞體，發(fā)育Ⅰ類洞穴型巖溶儲集層。

下巖溶緩坡地統(tǒng)計31口鉆井中，有25口井發(fā)生不同程度鉆具放空和鉆井液漏失現象。其中5口井發(fā)生在良里塔格組，占總數的20%，說明研究區(qū)除一間房組—鷹山組洞穴型縫洞體發(fā)育外，也發(fā)育從鷹山組連通至良里塔格組的大型縫洞系統(tǒng)。如TR702井，良里塔格6 853.3 m開始發(fā)生鉆井液漏失，漏失量為193 m3，一間房組6 857.19—6 858.47 m和6 863.60—6 864.40 m發(fā)生兩次鉆具放空，放空段厚1.28 m和0.80 m，發(fā)育未充填大型溶洞系統(tǒng)。

巖溶盆地中10口放空漏失井全部為一間房組—鷹山組。此地貌類型屬于區(qū)域排泄地帶，潛山風化殼巖溶區(qū)地下水徑流至此溶蝕和侵蝕性均變弱。而放空漏失井的位置與古斷裂具有密切關系，如在TP3井，一間房組埋深7 028.9 m，漏失鉆井液424.8 m3，同時放空10.6 m，說明發(fā)育洞高不小于10.6 m的溶洞，同時，體現了研究區(qū)斷裂控制下的淡水、海水混合巖溶作用模式。

4　巖溶縫洞發(fā)育機理

4.1潛山風化殼巖溶區(qū)巖溶縫洞發(fā)育機理

在志留紀前，研究區(qū)屬奧陶系碳酸鹽巖裸露區(qū)，巖溶地貌以巖溶臺地—丘叢洼地、巖溶谷地為主，區(qū)域上屬多期巖溶作用古巖溶流域補給、徑流區(qū)，深切河谷是潛山風化殼巖溶區(qū)局部排泄基準面。自分水嶺地帶至兩側深切河谷，淺部地表徑流以垂向滲入為主，形成表層巖溶縫洞系統(tǒng)，巖溶以小溶蝕孔洞、溶蝕裂縫為主，巖溶發(fā)育程度較強；地表徑流滲入至下部后，受兩側古河道排泄基準面控制，巖溶水以側向徑流為主，形成向古河道方向發(fā)育的巖溶管道系統(tǒng)或溶洞系統(tǒng)（圖4）。

4.2上巖溶緩坡地巖溶縫洞發(fā)育機理

圖4　哈拉哈塘凹陷潛山風化殼巖溶區(qū)古巖溶縫洞發(fā)育模式（剖面位置見圖1）

圖5　哈拉哈塘凹陷上巖溶緩坡地古巖溶縫洞發(fā)育模式（剖面位置見圖1）

4.3下巖溶緩坡地巖溶縫洞發(fā)育機理

志留系沉積前巖溶期處于桑塔木組碎屑巖覆蓋丘陵區(qū)，覆蓋層較厚，對碳酸鹽巖巖溶作用影響較??；良里塔格組巖溶期，地貌屬丘叢壟脊溝谷巖溶地貌組合區(qū)，地表水系發(fā)育，但河流切深相對較淺，只切至良一段或良二段。因此，研究區(qū)巖溶發(fā)育模式與潛山風化殼巖溶區(qū)和上巖溶緩坡地不同，良里塔格組地表河流巖溶水系統(tǒng)主要控制良一段和良二段巖溶的發(fā)育；一間房組—鷹山組受北部潛山層間巖溶水控制。因此，發(fā)育良里塔格組和一間房組—鷹山組2套大型巖溶縫洞體。

4.4巖溶盆地巖溶縫洞發(fā)育機理

志留系沉積前巖溶期桑塔木組覆蓋層厚，大氣降水滲入補給下部地層量較小，主要發(fā)育層間巖溶；良里塔格組巖溶期屬巖溶盆地地貌類型，為區(qū)域排泄區(qū)。但受斷裂影響，在局部地區(qū)，良里塔格組、吐木休克組被全剝蝕而出露一間房組碳酸鹽巖，為北部潛流地下水排泄提供出口，如TR3井區(qū)。因而沿斷裂易形成具規(guī)模的巖溶縫洞系統(tǒng)，多屬巖溶地下河系統(tǒng)出口地段，為排泄型暗河管道系統(tǒng)。

5　區(qū)域巖溶發(fā)育模式

通過以上分析，在不同地貌類型巖溶作用機理探討的基礎上，建立了哈拉哈塘凹陷潛山風化殼巖溶區(qū)、上巖溶緩坡地、下巖溶緩坡地、巖溶盆地4種古巖溶發(fā)育模式（圖6）。

圖6　哈拉哈塘凹陷良里塔格組裸露巖溶期區(qū)域巖溶作用模式（剖面位置見圖1）

北部潛山為地下水區(qū)域補給區(qū)，發(fā)育典型潛山巖溶；上巖溶緩坡地為徑流區(qū)，發(fā)育地下暗河管道系統(tǒng)，地表河流深切控制著明暗河的轉化，發(fā)育一間房組—鷹山組大型縫洞體，地下暗河高部位發(fā)育Ⅰ類洞穴型巖溶儲集層；下巖溶緩坡地良里塔格組發(fā)育臺緣礁灘相厚層灰?guī)r，為徑流區(qū)，發(fā)育良一段—良二段和一間房組—鷹山組2套大型縫洞集合體，是研究區(qū)勘探開發(fā)重點研究對象；巖溶盆地為區(qū)域排泄區(qū)，沿斷裂發(fā)育混合水巖溶作用大型縫洞儲集體。

6　結論

（1）哈拉哈塘凹陷奧陶系碳酸鹽巖儲集層主要受控于奧陶系3期內幕巖溶作用，中—上奧陶統(tǒng)自南往北逐漸尖滅。一間房組和鷹山組質純厚層碳酸鹽巖為研究區(qū)主要儲集層位，發(fā)育大型縫洞集合體。

（2）利用印模法對潛山區(qū)前志留紀巖溶古地貌和古水系進行恢復刻畫，劃分為巖溶緩坡、巖溶臺地和巖溶丘叢谷地3類二級地貌單元和6類三級地貌單元。巖溶儲集層發(fā)育具有成層性，上部縫洞系統(tǒng)發(fā)育于一間房組；下部縫洞系統(tǒng)位于鷹一段，發(fā)育Ⅰ類洞穴型巖溶儲集層，鉆井常伴有鉆具放空、鉆井液漏失現象。

（3）應用地層古構造與印模殘差組合法恢復桑塔木組碎屑巖覆蓋區(qū)良里塔格組頂面古地貌及古水系，劃分為上巖溶緩坡地、下巖溶緩坡地和巖溶盆地3種二級地貌類型及6種三級地貌類型。研究表明上巖溶緩坡地、巖溶盆地放空漏失井段主要發(fā)育在一間房組、鷹山組，發(fā)育大型縫洞體，下巖溶緩坡地發(fā)育良一段—良二段和一間房組—鷹山組2套大型縫洞體。

（4）對4種不同地貌單元巖溶作用機理進行分析，建立了哈拉哈塘凹陷巖溶作用地質模式，為深化推進哈拉哈塘凹陷勘探開發(fā)提供地質依據。

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（編輯顧新元）

Karst Paleogeomorphology and Development Model of Karst Fracture?Cave Bodies of Ordovician in Halahatang Sag

ZHANG Qingyu1,2,LIANG Bin2,QIN Fengrui2,CHEN Lixin3,DAN Yong2,LI Jingrui2
(1.School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei 430074,China;2.Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences/Karst Dynamics Laboratory,MLR&GZAR,Guilin,Guangxi 541004,China; 3.Research Institute of Exploration and Development,Tarim Oilfield Company,PetroChina,Korla,Xinjiang 841000,China)

In view of different geological features of buried?hill weathering crust areas in the north and buried karst area in the south of Halahatang area in the northern Tarim basin,the Ordovician paleolandform and ancient drainage systems are restored using impression method and a combination method of paleostructure and residual impression.The karst fracture?cave body development characteristics and its formation mechanism are studied under 4 different paleo?landform environments,and 4 karst fracture?cave body development patterns are established such as buried?hill weathering crust zone,upper karst slope,lower karst slope and karst basin.The buried?hill weathering crust zone is dominated by surface?karst fracture?cave system;large fracture?cave bodies of Yijianfang formation-Yingshan formation and underground river channel systems mainly occur in the upper?karst slope;2 sets of large fracture?cave bodies namely Liang?1-Liang?2 member and Yijianfang formation-Yingshan formation are developed on the lower karst slope;and karst fracture?cave bodies are distribut?ed along faults in the karst basin.

Tarim basin;Halahatang sag;Ordovician;paleo?landform;paleokarst lake;buried?hill karst;buried karst;karst fracture?cave body

TE122.14

A

1001-3873（2016）06-0660-07

10.7657/XJPG20160606

2016-05-17

2016-07-28

國家自然科學基金（41302122）；國家973項目（2011CB201001）；國土資源部公益性行業(yè)科研專項（201211082）

張慶玉（1983-），男，山東菏澤人，高級工程師，博士，油氣儲層及古巖溶，（Tel）0773-5810671（E-mail）zhangqingyu@karst.ac.cn