塔中地區鷹山組溶洞型儲層特征及油氣地質意義

耿曉潔， 林暢松， 吳 斌， 李 浩， 薛學亞

( 1. 北京易華錄信息技術股份有限公司，北京 100043； 2. 中國石油大學(北京)博士后流動站，北京 102249； 3. 中國地質大學(北京) 海洋學院，北京 100083； 4. 中海油研究總院，北京 100028； 5. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083 )

塔中地區鷹山組溶洞型儲層特征及油氣地質意義

耿曉潔1,2， 林暢松3， 吳 斌2,4， 李 浩3， 薛學亞5

( 1. 北京易華錄信息技術股份有限公司，北京 100043； 2. 中國石油大學(北京)博士后流動站，北京 102249； 3. 中國地質大學(北京) 海洋學院，北京 100083； 4. 中海油研究總院，北京 100028； 5. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083 )

溶洞型儲層是塔中地區鷹山組巖溶體系中最易識別和發現的儲層類型之一，為探討表生溶洞特征及油氣地質意義，根據塔中地區鷹山組表生溶洞的野外露頭、鉆井、地震、巖性、測井響應等特征，對成像測井資料進行精細刻畫，分析鷹山組溶洞類型和溶洞充填樣式。結果表明：塔中地區鷹山組溶洞受巖性、巖溶古地貌、裂縫及埋藏改造等因素控制，形成復雜的巖溶體系，溶洞型儲層可分為潛流帶溶洞、滲流帶溶洞和落水洞等3種,包括單旋回充填型、以角礫為主的兩段式充填型、泥少礫多的充填樣式及多段式復合充填型等。溶洞作為巖溶體系最重要的識別標志和組成部分，研究其類型劃分及充填樣式對于進一步分析鷹山組巖溶體系的成因具有指導意義。

溶洞型儲層； 充填樣式； 鷹山組； 塔中地區

0 引言

從世界范圍內看，蘊藏在碳酸鹽巖油氣藏中的油氣資源占總資源的60%以上，與巖溶相關油氣儲層構成碳酸鹽巖儲層的重要組成部分[1-2]。碳酸鹽巖油氣儲層中超過40%的可采儲量與不整合相關的巖溶作用有關[3-6]。在巖溶體系研究中，最受關注的是表生洞穴。20世紀80年代建立表生溶洞體系的演化模式[7-8]，如William J M等在研究Knox不整合時，將表生溶蝕地貌劃分巖溶高地和3種表生溶蝕洞穴，對不整合相關的溶蝕洞穴及充填物進行定量研究[9]。巖溶作用過程中形成的溶洞，及與之相關的溶蝕孔隙和溶洞崩塌形成的巖溶角礫間孔隙、裂縫等共同組成孔隙網絡。Loucks R G采用現代巖溶類比方法建立表生巖溶環境下的洞穴發育,以及洞穴在埋藏環境中的演變模式[10]。巖溶洞穴的穩定性及其大小與頂部巖層的厚度、破裂程度等密切相關，寬度或高度超過8 m的洞穴少見[11-13]。隨著溶洞的崩塌，洞頂和洞壁受上覆巖層的重力釋放出來，洞頂和洞壁崩塌的直接產物是巖溶角礫。溶洞內充填物作為溶洞形成演化過程中的記錄，記載大量的古環境信息，特別是大量生物化石對溶洞形成的時間、演化具有重要意義。溶洞的演化對于恢復溶洞的形成歷史和預測、評價古巖溶有利區具有指導意義[14]。塔中地區鷹山組巖溶儲層中鉆遇的溶洞是該區油氣勘探的重要指示標志。根據塔中地區鷹山組溶洞的識別特征及溶洞內部充填序列，筆者分析溶洞型儲層的發育規律及油氣地質意義。

1 區域地質概況

早奧陶世晚期—中奧陶世，塔中地區主要為碳酸鹽巖臺地沉積，鷹山組沉積巨厚的顆粒灰巖類、泥晶灰巖類及白云質灰巖類。受早奧陶世末—晚奧陶世初加里東中期構造運動的控制，塔里木盆地區域構造應力場由張扭轉變為壓扭，塔中乃至巴楚地區整體強烈隆升，導致該地區中、下奧陶統鷹山組到上奧陶統良里塔格組之間產生近30個百萬年的缺失，形成廣布塔中地區的不整合，并在鷹山組頂部形成風化殼巖溶；受長期暴露剝蝕影響，地表水不斷向鷹山組內部地層運移，形成復雜的巖溶系統[15-17]。其中，洞穴型儲層主要分布在鷹山組頂部風化殼附近，平面上主要分布于斷裂活動發育區，是油氣產出的主要儲層類型，其儲滲空間主要以直徑大于1 m的大型洞穴為主[18]。在鉆井上通常出現鉆具放空、鉆井液漏失等現象。統計研究區30余口井的巖心、測井及鉆井數據，識別溶洞72個，其中規模小于0.5 m的占15.28%，規模為0.5～1.0 m的占18.06%，規模為1.0～2.0 m的占23.61%，規模為2.0～5.0 m的占25.00%，規模大于5.0 m的占18.06%。這些洞穴既包括被充填的洞穴也包括未充填的洞穴，其中鉆遇未充填的洞穴，鉆井液漏失量最大可達1 621.1 m3。鷹山組表生溶洞不僅是重要的油氣儲集空間，也是發現其他類型儲層的重要指示，因此分析溶洞型儲層的特征及成因具有重要意義[19-20](見圖1)。

圖1 研究區構造位置Fig.1 Structural location of the study area

2 溶洞型儲層特征

2.1 野外

溶洞是表生巖溶體系的重要組成部分，根據溶洞發育的位置及結構，可將溶洞劃分為潛流帶溶洞、滲流帶溶洞和落水洞等3種。塔里木盆地西緣西克爾露頭區鷹山組大面積出露的古巖溶，是研究鷹山組巖溶特征和揭示巖溶儲層成因規律的天然場所。西克爾地區出露的剖面上發育多種不同規模的溶洞，直徑從幾十厘米到十幾米不等，研究野外溶洞特征為深入刻畫地下溶洞提供依據[21]。

潛流帶溶洞位于潛水面之下，水體在溶洞中流動的速度相對緩慢，可能被溶洞頂部或溶洞壁上滑落的角礫充填，圍巖的碳酸鈣使得溶洞內流體快速達到飽和狀態，溶蝕過程停止。當有外部不飽和流體再次注入時，又開始新的溶蝕過程，圍巖角礫被再次溶蝕，形成圓滑的邊界。地下暗河的水體能量相對較強，對表層搬運來的泥質沉積物形成長期的搬運、沖刷作用，形成明顯的層理構造，泥質充填物中碳酸鹽巖角礫直徑約為15 cm(見圖2(a))。

滲流帶溶洞形成于潛水面之上，在流體速度較快的條件下，洞壁上崩塌的角礫未被溶蝕就已經被搬運，流體長時間處于不飽和狀態，不斷進行溶蝕，形成窄而深的溶蝕峽谷。在野外可見較小型的水平溶洞充填物，為含灰巖角礫紅色泥質支撐的沉積物，以灰巖為溶洞頂底，與充填物之間的接觸界面非常明顯，且充填的灰巖角礫具有定向性，表明這種溶洞距離地表相對較近，內部以地表徑流攜帶的表層風化土壤沉積為主，在間歇性暴雨期，由于降水補充，地表徑流的水體能量增強，將碳酸鹽巖的角礫搬運，并使它定向排列沉積(見圖2(b))。

圖2 西克爾野外剖面鷹山組溶洞及充填Fig.2 Paleo-caves and their filling in the Yingshan formation of Xikeer outcrops

落水洞屬于表層巖溶帶，主要位于潛水面之上，作為地表水侵入地層的入口。其周圍伴生大量垂向裂縫，落水洞形態呈上大下小的垂向分布，內部充填大量灰巖角礫和表層泥砂沉積，當有外部水體補充時，落水洞沿著水平裂縫方向，向側向發育一定距離(見圖2(c))。在較大型溶洞中，充填物的規模相對較大，有大型崩塌的碳酸鹽角礫，甚至直徑超過20 cm的砂巖角礫等(見圖2(d))。其形成是由于水體沿著垂直裂縫溶蝕巖層，溶蝕孔洞逐漸擴大，再加上水體中夾帶大量的地表泥沙，對溶洞進行長時間的磨蝕，使溶洞規模擴大，甚至發生崩塌。

野外大型溶洞的充填物縱向上具有一定的序列性，在西克爾剖面出露一處巨型溶洞，溶洞高為15 m ，除了上下層狀沉積的碳酸鹽巖之外，主要由垮塌巨礫巖充填。洞內充填物可以分為3類:(1)靠近洞頂，是一層厚度約為1 m的砂巖，內部發育水平層理;(2)砂巖之下,是較小的碳酸鹽巖角礫與泥沙的混合沉積，受外界氧化作用的影響，泥沙質呈紅色;(3)第三層充填物,是靠近洞底的大型崩塌的碳酸鹽巖角礫，最大角礫長度約為5 m，是洞頂在壓力卸載之后整體崩塌滑落的結果(見圖3)。

2.2 地震反射

通常洞高為0.5～5.0 m的洞穴在地震和鉆井上沒有明顯異常，超過5.0 m的洞穴在三維地震資料上有顯示[13]。由于地震分辨率限制，縱向鉆遇的溶洞在地震剖面上并不能顯示完整的外部形態，而是典型的串珠狀異常反射，也是鷹山組大型表生溶洞的主要地震識別特征。如塔中地區中古9井、中古7井等井區地震剖面上可見典型的洞穴反射異常(見圖4)。

圖3 西克爾野外剖面鷹山組溶洞充填序Fig.3 Filling cycle of cave in the Yingshan formation of Xikeer outcrop

圖4 鷹山組巖溶體系的串珠狀地震反射Fig.4 Beaded reflections of paleokarst systems on seismic profiles

2.3 巖心

鉆遇大型溶洞的井通常發生鉆井液漏失、鉆空等情況，取心困難。塔中地區鷹山組取心有限，巖心上揭示的溶洞多為充填溶洞，充填角礫成分不一，有破碎的方解石充填(見圖5(a))，有原狀地層的灰巖角礫和泥質混合充填(見圖5(c-e))。這一類角礫充填的溶洞往往是水平潛流帶的產物，代表上覆地層垮塌的產物被地下水短距離搬運改造，角礫間充填的泥砂等細粒成分是在地下水搬運過程中下滲、潛流的結果。小型未充填的溶蝕孔洞也是鷹山組主要的儲集空間之一(見圖5(b、d))。

2.4 成像測井

溶洞的測井響應特征表現為隨泥質充填程度增大，伽馬值逐漸升高，深淺雙側向、微側向電阻率值低，且有差異；井徑擴徑嚴重；補償中子、補償密度、聲波時差曲線變化極大。作為地震和測井的重要補充資料，成像測井高精度的井筒圖像基本可以達到巖心的識別標準，在取心及其有限的鷹山組巖溶儲層研究中成為重要的工具，在一定程度上可以稱之為“電子巖心”。溶洞型儲層也是成像測井圖像上最易識別的一類儲層，根據溶洞規模不同、充填物質不同，相應成像測井圖像的響應也不同，主要有暗色低阻塊狀、垂直條帶狀、斑狀圖像(包括亮色雜亂斑塊、暗色雜亂斑塊和亮色有序斑塊)等(見圖6)。

泥質充填的溶洞，在成像測井圖像上顯示為暗色低阻塊狀，動態、靜態圖像呈深褐色—黑色塊狀，顏色分布均勻，無明顯層理特征，厚度一般為1～10 m，在動態圖像上可以看到細微變化，偶爾可見小的亮色斑塊，是泥質充填物中的碳酸鹽巖巖溶角礫(見圖6(a-b))。與之對應的伽馬曲線出現大幅度突變增高，最大超過200 API。

圖5 溶洞的鉆井巖心特征Fig.5 Features of paleo-caves in cores

圖6 洞穴型儲層的成像測井特征Fig.6 FMI images features of paleo-cave reservoirs

在鉆井過程中發生崩塌滑脫的溶洞，在成像測井上顯示為明暗相間的垂直條帶狀(見圖6(c))。這類溶洞一般伴隨鉆井液漏失，鉆時增大，整體呈低阻高伽馬的測井響應特征。

圍巖角礫充填的溶洞，在成像測井上表現為亮色雜亂斑塊狀圖像，整體為高阻背景下雜亂分布的亮斑塊，斑塊大小不一，邊界模糊，排列不具有序列性，無特殊鉆井響應，自然伽馬極低。通過與鉆遇的巖心標定，這一亞相可能為局部破碎的巖溶角礫，角礫間被低阻泥質充填，在后期壓實過程中角礫被壓實接觸緊密而形成響應(見圖6(d))。

還有一種充填的溶洞表現為暗色雜亂斑塊狀圖像，整體電阻率偏低，特別是在動態圖像中可以看到大小不一的高阻斑塊無序分布，具有極高的自然伽馬響應且在鉆進過程中出現低幅度增加。該亞相是圍巖角礫充填的溶洞，角礫可能在地下流體運動過程中部分被搬運，角礫間泥質含量較高(見圖6(e))。

原地碎裂的角礫充填的洞穴在成像測井上表現為低阻背景下亮色有序斑塊圖像，斑塊邊界清晰，大小較均勻，角礫未發生搬運，原地碎裂沉積，角礫間為線接觸關系，角礫間暗色充填為低阻泥質充填的裂縫響應。可能位于溶洞的頂部，裂縫發育但未發生崩塌，因此無特殊鉆井響應，自然伽馬也沒有增加(見圖6(f))。

3 溶洞充填序列特征

溶洞的充填物是溶洞形成和演化的記錄，研究充填物的充填特征對于分析溶洞的演化具有重要意義。通過對成像測井溶洞及其內部充填物的精細刻畫，鷹山組發育的溶洞規模較大，直徑從2 m到10多米常見，溶洞的充填物在成像測井圖像上也顯示一定的序列特征，且縱向充填序列具有多種組合樣式。

3.1 樣式Ⅰ

圖7 中古111井溶洞充填樣式Fig.7 Filling pattern of paleo-cave ZG111

單旋回充填溶洞，以中古111井為例(見圖7)。中古111井鉆遇鷹山組頂部表層落水洞，溶洞縱向深度約為12 m，溶洞段的自然伽馬曲線整體呈現由低到高的一個旋回，最大高于150 API，溶洞主體為泥質充填。根據成像測井的分段刻畫，溶洞內上部發育水平層理的泥質充填，下部充填物成分較復雜，除暗色泥質充填之外，在成像測井動態圖像上，還可分辨呈漂浮狀態分布在泥質充填物中的高阻圍巖角礫，角礫大小不一，經過一定距離的搬運作用。洞穴底部，充填物與原狀地層呈突變接觸，成像測井圖像由深褐色變為亮黃色。

3.2 樣式Ⅱ

以角礫為主的兩段式充填溶洞，以中古51井為例(見圖8)。中古51井鉆遇的洞穴靠近鷹山組頂面不整合發育，縱向深度可達25 m，規模較大，根據成像測井的分段刻畫，至少是2個洞穴縱向疊置發育的結果。5 100 m為鷹山組頂界面，具有伽馬曲線突變增大的標志，為洞頂不整合面附近的低阻古土壤的響應特征；向下12 m左右，成像測井圖像為暗色塊狀，相應的伽馬曲線呈由高到低再升高的旋回特征。5 101～5 116 m為上部洞穴，頂部5 101～5 107 m對應高伽馬低阻暗色塊狀相，是高含量泥質充填的洞穴段，盡管從動態圖像上可以看到破碎的角礫，但是角礫邊界模糊，大小不一，可見經過多期的沖刷溶蝕甚至是泥砂充填物對它磨蝕，使得角礫成分復雜，同時滯留泥質含量急劇增高，導致電阻極低、自然伽馬極高的響應特征。5 107～5 112 m相對上部自然伽馬有所降低，在靜態圖像上也可分辨破碎的圍巖角礫，在泥質充填物中呈漂浮狀的分布形式，與上部相比泥質含量有所降低，但充填物中以泥質為主。5 113～5 115 m是厚度為3 m的角礫堆積充填，以低阻背景下的高阻有序斑塊狀圖像為主，無論是靜態圖像還是動態圖像都可清晰分辨角礫的邊界，角礫呈面接觸的接觸關系，角礫間為泥質充填的裂縫。根據平直的低值自然伽馬曲線，可以判斷裂縫間的泥質充填物含量極低，可見洞穴底部的破碎角礫未發生明顯的位移。5 116～5 122 m是另一期的洞穴，洞頂是低阻單向網狀圖像，一組近垂直的裂縫將這一洞穴與上一洞穴溝通，作為地下流體的通道，洞穴主要為泥質充填，充填物中有少量呈漂浮狀的高阻亮色角礫，從5 122 m開始恢復到原狀圍巖地層。

3.3 樣式Ⅲ

泥少礫多的充填樣式，以中古106井為例(見圖9)。中古106井鉆遇的溶洞位于距離鷹山組頂不整合面約40 m處，洞穴縱向深度約為10 m，在單井綜合解釋圖上顯示為一個漏斗型的自然伽馬逐漸降低的半旋回。分析溶洞內部充填特征，6 126～6 127 m是溶洞頂部的泥質充填，成像測井相為暗色低阻塊狀圖像，只有少量呈漂浮狀的高阻角礫。6 227～6 228 m是水平裂縫及溶孔發育段，自然伽馬明顯降低，電阻率增高，這種低角度的擴溶裂縫成為溝通溶洞上下的流體通道。6 128～6 132 m為溶洞的主體部分，為溶蝕角礫段，角礫溶蝕程度較高，角礫間裂縫為泥質充填，自然伽馬偏高，為70 API左右;6 131～6 132 m是一段低阻塊狀圖像，泥質含量增高，形成自然伽馬曲線的一個小峰值。中古106井鉆遇的洞穴整體規模較小，充填物序列性不強，由于洞頂向下，泥質含量逐漸降低，形成的自然伽馬整體呈由高到低的特征。這種裂紋角礫充填，角礫的成分比較單一，無分選，角礫間被泥質、方解石充填，泥質通過角礫間的裂縫向下灌入，沉積至洞穴的最底部。

圖8 中古51井溶洞充填樣式Fig.8 Filling pattern of paleo-cave ZG51 well

3.4 樣式Ⅳ

多段式復合充填，以中古43井為例(見圖10)。中古43井鉆遇的溶洞位于鷹山組頂不整合面之下37 m處，溶洞縱向深度約為12 m。溶洞的主體部分是5 263～5 273 m。洞頂原狀底層發育一組高角度裂縫，可能是洞穴崩塌、重力卸載的結果。洞穴充填物可自上而下分為4段：(1)頂層的泥砂質充填，發育水平層理，在成像測井圖像上可見明暗相間的紋理；(2)漂浮狀角礫充填段，角礫分選性較差，可從自然伽馬突然增大判斷，角礫間充填大量泥質；(3)溶洞角礫充填段(5 268～5 271 m)，角礫的堆疊方式自下而上逐漸變疏松，泥質含量增高，角礫由下部的面接觸形式向上變為漂浮狀；(4)洞底泥質充填段，沉積厚度約為2 m的泥質，是上部的泥質隨地下流體搬運過程中，透過角礫間的裂縫向下滲透沉積的產物。中古43井鉆遇溶洞頂部溶洞經過壓實、崩塌，在釋放應力過程中導致上覆地層產生裂縫(見圖10)。

圖9 中古106井溶洞充填樣式Fig.9 Filling pattern of paleo-cave ZG106 well

綜上所述，由于溶洞發育部位不同，其充填樣式也不同，基本符合正旋回充填的特征；充填物從洞頂的泥質過度為洞底的角礫，受巖溶體系水動力的影響，角礫的充填方式不同。

4 成因及油氣地質意義

溶洞是塔中地區鷹山組巖溶體系重要的組成部分和識別標志。未充填的宏觀溶洞及洞穴充填角礫巖中發育的礫間孔直接構成溶洞型儲層中有效的儲集空間。

4.1 成因

溶洞的形成與巖性、大氣淡水的溶蝕程度有關，受氣候、巖溶古地貌及古潛水面的位置等因素共同控制[22-23]。特別是在灰巖地層水平潛流帶中，由于潛流帶長期處于飽水狀態，水體以擴散流的方式穿過潛流帶。溶縫、節理、裂縫等可以作為水體流動的通道，由于體系開放，溶解產物可以被及時帶出，所以在灰巖地層中易看到大的溶洞。鷹山組大型溶洞發育于頂部不整合之下150 m以內，位于鷹一段或鷹二上段，與鷹山組上部巖層中灰巖厚度大、白云質含量低有關。巖溶角礫常充填于滲流巖溶帶和潛流帶上部的大型溶洞，其中礫石支撐的角礫巖常發育礫間孔，從而形成有利儲層。位于潛流帶深部的溶洞通常規模略小，但溶洞內部沉積物充填緩慢而使溶洞儲集空間容易得到保存。鷹山組暴露時期，受巖溶古地貌影響，自巖溶高地向巖溶緩坡區，淺部地表徑流以垂向滲入為主，形成表層巖溶縫洞體系，巖溶以溶洞系統和溶蝕孔洞為主，發育程度較強。地表徑流滲入至下部后，受區域構造、斷裂及區域徑流排泄控制，地下水體以側向徑流為主，形成側向發育的溶洞，并被水體帶來的礫石、泥質等充填。

圖10 中古43井溶洞充填樣式Fig.10 Filling pattern of paleo-cave ZG43 well

4.2 油氣地質意義

在埋藏條件下，多個溶洞聯合、崩塌、連通、疊合在一起，洞頂、洞壁形成的大量裂縫與先存的孔隙、構造裂縫等構成復合縫洞系統，最終形成復雜的洞穴儲集體，使儲層的連通性增大，為油氣提供有利場所。如中古10井，2套溶洞系統分別發育在距離鷹山組頂部50 m和60 m，自然伽馬曲線呈2個突變增高，在成像測井上可見2段泥質充填的溶洞發育，在鉆井過程中有放空，且儲層解釋中2個溶洞體系有油氣顯示(見圖11)。

塔中地區鷹山組鉆井放空部位一般在距離鷹山組頂面不整合50～100 m附近，部分鉆井放空部位可大于250 m，井的油氣顯示層段與鷹山組頂面不整合的距離也在類似的深度范圍內，且有79%的井的油氣顯示層段靠近鉆井放空層段，可見鉆遇溶洞對油氣儲層具有一定的指示作用，因此識別和分析溶洞是尋找巖溶儲層的重要線索。

5 結論

(1)根據野外露頭識別，在塔中地區鷹山組發現潛流帶溶洞、滲流帶溶洞和落水洞等3種表生溶洞，井下鉆遇的溶洞，在地震上顯示為串珠狀異常反射，在鉆井上響應為放空和鉆井液漏失等特征。

(2)鷹山組溶洞在成像測井上顯示為暗色低阻塊狀、垂直條帶狀、斑狀(包括亮色雜亂斑塊、暗色雜亂斑塊和亮色有序斑塊)等圖像特征。鷹山組表生溶洞包括4種充填樣式，即單旋回充填型、以角礫為主的兩段式充填型、泥少礫多的充填樣式及多段式復合充填型。

(3)塔中地區鷹山組的溶洞受巖性、巖溶古地貌、裂縫及埋藏改造等因素的控制，形成復雜的巖溶體系。溶洞不僅是重要的油氣儲集空間，也是尋找該地區巖溶型儲層的重要線索。

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2016-07-20；編輯：陸雅玲

國家自然科學基金項目(41130422)

耿曉潔(1985-)，女，博士后，主要從事碳酸鹽巖沉積儲層方面的研究。

TE122.1

A

2095-4107(2016)06-0035-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.06.005