王招明, 张丽娟, 孙崇浩. (2015)塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩岩溶分类、期次及勘探思路[J]. 古地理学报, 17(5): 635-644
Wang Zhaoming, Zhang Lijuan, Sun Chonghao. (2015)Classification,period and exploration for carbonate karst in the Ordovician,Tarim Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 17(5): 635-644. DOI:10.7605/gdlxb.2015.05.052  
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塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩岩溶分类、期次及勘探思路
王招明, 张丽娟, 孙崇浩
中国石油塔里木油田分公司,新疆库尔勒 841000

第一作者简介 王招明,1955年生,1983年毕业于西南石油大学,获硕士学位。现为中国石油塔里木油田分公司首席地质学家。

收稿日期:2014-08-26
摘要

奥陶系海相碳酸盐岩已成为塔里木盆地最重要的勘探开发层系,岩溶作用则是形成优质碳酸盐岩储集层的关键因素之一。针对塔里木盆地碳酸盐岩岩溶分类方案不统一、岩溶术语界定不清楚、生产应用难度大的现状,作者分析了奥陶系不同地区、不同层位、不同时期岩溶储集层特征及岩溶发育程度的差异性,依据岩溶成因及主控因素提出了塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩岩溶分类,划分出风化岩溶、礁滩体岩溶和埋藏岩溶3大类,其中风化岩溶又分为潜山岩溶和层间岩溶2个亚类。研究指出礁滩体岩溶、层间岩溶、潜山岩溶是塔里木盆地的重要勘探岩溶类型,并以构造运动为主线将奥陶系岩溶划分为5期,开展了不同类型岩溶特征及分布规律研究,指出了3种重要类型岩溶的勘探思路。此次研究统一了塔里木盆地奥陶系岩溶分类及期次,对勘探开发生产和研究工作具有较强的指导性,具有重要的理论指导及实践应用意义。

关键词: 奥陶系; 碳酸盐岩; 岩溶分类及期次; 礁滩体岩溶; 层间岩溶; 塔里木盆地
中图分类号:P588.24+5 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2015)05-0635-10
Classification,period and exploration for carbonate karst in the Ordovician,Tarim Basin
Wang Zhaoming, Zhang Lijuan, Sun Chonghao
Tarim Oilfield Company,PetroChina,Korla 841000,Xinjiang

About the first author Wang Zhaoming,born in 1955,graduated and gained his master degree from Southwest Petroleum University in 1983. Now he is a chief geologist in PetroChina Tarim Oilfield Company.

Abstract

The marine carbonate rocks of the Ordovician has become one of the most important exploration and development targets in Tarim Basin, while karstification is one of the key factors to form the high-quality carbonate reservoirs. The carbonate karstic classification scheme is not unified in the Tarim Basin and the karstic terminology is not clearly defined, so the present usage on the production is of great difficulty. The karst reservoir characteristics and distribution varies in different areas,formations and periods,which are analyzed in this paper. Classification on carbonate karst of the Ordovician in Tarim Basin was worked out according to its origin and main controlling factors. The carbonate karst can be classified into 3 types,namely the weathering karst,reef body karst and buried karst. The weathering karst can be divided into 2 sub-types, i.e., the buried-hill karst and the interlayered karst. The reef body karst,interlayered karst and buried-hill karst are the most important exploration targets in Tarim Basin. Moreover,the karst forming-period in the Ordovician can be classified into 5 periods which is based mainly on the tectonic movement. Study on different types of karstic features and distribution is carried out and the exploration thought for the three important karsts is proposed. Summarily, this study unified the karstic classification and periods, which can guide the petroleum exploration and development, as well as further research work. It has crucial theoretical guidance and practical application.

Key words: Ordovician; carbonate rock; karstic classification and period; reef body karst; interlayered karst; Tarim Basin

碳酸盐岩作为一种重要类型的储集岩类, 目前已成为中国乃至世界油气勘探开发的重要领域。塔里木盆地下古生界碳酸盐岩广泛发育, 尤其是近年来的勘探实践证明, 奥陶系海相碳酸盐岩已成为塔里木盆地最重要的勘探开发层系, 已经在塔中、轮南、塔西南等地区奥陶系发现多个油气田(周新源等, 2006; 梁狄刚, 2008; 王招明等, 2011)。众所周知, 岩溶作用又是形成优质碳酸盐岩储集层的关键因素之一, 但由于碳酸盐沉积、成岩和演化的复杂性, 造成碳酸盐岩油气藏形成、分布和富集的复杂性, 储集层评价与预测难度大。近年来塔里木盆地碳酸盐岩岩溶及岩溶型储集层研究也取得了较多成果(王振宇等, 2008; 张宝民等, 2009; 高宏亮等, 2010; 倪新锋等, 2010; 沈安江等, 2010; 黄文辉等, 2012; 客伟利等, 2014; 石书缘等, 2014)。但前期基本上都是针对某一个区块研究, 没有全盆地整体性的认识, 并且岩溶分类标准不统一, 岩溶概念在生产应用中比较混乱, 这些问题严重制约了勘探开发的生产进程。作者本着“ 结合实践、突出重点、适用生产” 的基本原则, 在岩溶分类、岩溶期次划分等方面形成了较为可行的方案, 明确了不同岩溶类型的勘探思路, 也指导了近年来的碳酸盐岩勘探发现, 为塔里木盆地及其他地区海相碳酸盐岩的勘探开发提供了理论依据。

1 区域地质背景

塔里木盆地是受塔里木板块构造活动控制的、长期发育的大型叠合复合沉积盆地, 面积达56× 104 km2, 地层发育齐全, 震旦系、古生界、中新生界均有分布。其中下古生界寒武— 奥陶系主要为海相碳酸盐岩地层, 总体上经历了早、中寒武世缓坡型碳酸盐岩台地、晚寒武世— 中奥陶世淹没型碳酸盐岩台地和晚奥陶世较烈挤压背景下海进型碳酸盐岩台地3个演化阶段, 形成了台地沉积体系、陆棚沉积体系和盆地沉积体系(贾承造, 1999)。从古板块向叠加复合型盆地演化的漫长历程中经历了多期次的构造抬升, 复杂的构造演化导致了奥陶系碳酸盐岩经历了复杂的成岩改造, 岩溶作用发育, 多期次、多类型岩溶作用的叠加改造, 使得塔里木盆地奥陶系岩溶型储集层的成因机理及分布规律更为复杂。塔里木盆地古生界地层保存不全, 但奥陶系保存相对较全(表1), 因此意义极其重大。

表1 塔里木盆地古生界地层简表 Table1 Stratigraphy of the Paleozoic in Tarim Basin
2 岩溶分类

关于“ 岩溶” 一词的含义, 在油气勘探开发领域, 从储集层研究出发, 则更强调“ 碳酸盐岩” 和“ 成岩作用” , 包括了各成岩阶段所发生的溶解作用过程及其结果。关于岩溶类型的划分, 不同的划分标准划出的类型也多种多样。Kerans(1988)按古岩溶的发育时期将古岩溶划分为:早期岩溶、中期岩溶(成熟期岩溶)和晚期岩溶(老年期岩溶)。James 和 Choquette(1988)对古岩溶进行了地层学分类, 分为沉积古岩溶、局部古岩溶和区域古岩溶3种主要类型。同生期、准同生期岩溶也有人称之为早表生期岩溶(夏日元等, 2006); 表生期岩溶有人将其称为表生岩溶、风化壳岩溶(王一刚等, 1996); 埋藏期岩溶也有人称之为埋藏溶蚀、深埋(藏)岩溶或深(部)岩溶。

作者系统开展了塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩的岩溶研究, 解剖了TZ45、LG391等28口重点井的岩溶特征, 在建立单井岩溶标准剖面、连井岩溶对比、地震剖面岩溶解释的基础上, 分析岩溶主控因素, 考虑沉积成岩环境、流体成因、构造演化等因素, 遵循科学性与实用性的原则, 结合塔里木盆地的具体地质情况, 按照岩溶成因将塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩古岩溶划分为3大类型, 即风化岩溶、礁滩体岩溶和埋藏岩溶(表 2), 其中风化岩溶又分为潜山岩溶和层间岩溶2个亚类, 埋藏岩溶又分为热液岩溶、地下水及有机酸岩溶2个亚类。该分类方案的突出特点是概念清晰、不交叉, 易于生产应用及储集层预测地质模型的建立。

表2 塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩岩溶分类 Table2 Classification of the Ordovician carbonate karst in Tarim Basin
2.1 风化岩溶

风化岩溶是指碳酸盐岩因构造抬升暴露于地表, 大气水渗入并循环其中, 伴随风化壳形成而发育的岩溶, 又称不整合面岩溶, 可进一步分为潜山岩溶和层间岩溶2个亚类。

潜山岩溶:主要特征是构造抬升造成地层长期缺失形成的一种风化岩溶, 石炭系、志留系或更新的地层覆盖在奥陶系灰岩之上, 因此与上覆不同时代的地层呈现非常清楚的高角度不整合接触关系, 风化面凹凸不平, 溶蚀极不均匀, 岩溶垂向分带清楚, 储集层具有大洞、大缝特征, 但洞穴充填较严重, 并且储集层沿潜山面之下大面积分布(韩剑发等, 2006)。潜山岩溶在轮南、塔中、英买力等潜山区都比较发育。对这类岩溶储集层的勘探思路是沿潜山面之下进行勘探。

层间岩溶:主要特征是构造抬升造成地层短期缺失形成的一种风化岩溶, 地层缺失少, 表现为奥陶系内部各层组之间的抬升间断与暴露淋溶, 上、下地层之间呈平行不整合或低角度不整合接触关系, 溶蚀规模相对小、溶蚀不均匀, 岩溶垂向分带不明显, 储集空间以大洞、缝洞为主, 储集层沿不整合面之下大面积分布(倪新峰等, 2009; 孙崇浩等, 2012)。层间岩溶在塔北南部、塔中北部斜坡等地区的蓬莱坝组、鹰山组、一间房组顶部大面积分布。对这类储集层的勘探思路是锁定奥陶系内幕不整合, 钻探规模缝洞体。

2.2 礁滩体岩溶

指发生于同生(准同生)期或成岩早期, 台缘粒屑滩、骨架礁等浅水沉积体因海平面暂时性相对下降, 时而出露海平面接受大气淡水渗入淋滤所形成的溶蚀现象。主要特点是短暂暴露, 溶蚀对象具有组构选择性, 优先针对欠稳定的文石、高镁方解石进行选择性溶蚀, 溶蚀形成较均匀的孔洞或小缝洞, 横向上多呈透镜状特征, 这类储集层呈现明显的沉积相控特征(王振宇和陈景山, 2002; 王招明等, 2010), 礁滩体岩溶在塔中Ⅰ 号坡折带沿台缘成群成带规模分布。针对这类储集层的勘探思路是沿台地边缘钻探优质礁滩体。

2.3 埋藏岩溶

指碳酸盐岩深埋地下后, 上覆地层压实排出的酸性压释水及地下其他流体如热液、地下水、有机酸等对碳酸盐岩地层所产生的溶蚀作用(陈景山等, 2007; 杨海军等, 2012)。常见的溶蚀类型有热液溶蚀、有机酸溶蚀等, 文中把分布在古隆起围斜部位、空间上与潜山岩溶相伴生的顺层溶蚀作用也归属于埋藏岩溶范畴。

热液溶蚀以溶蚀叠加及缝洞中充填萤石及重晶石等热液矿物为特征。在塔中、塔北西部等火成岩发育区, 局部的鹰山组、蓬莱坝组热液溶蚀也较发育, 溶蚀孔隙中常见石膏及硫化物等充填物。

埋藏岩溶作用常沿断裂、大裂缝等溶蚀通道发育, 溶蚀作用时间长, 分布规律性不强, 是对潜山岩溶、层间岩溶、礁滩体岩溶产物的一种叠加改造作用。

3 岩溶期次划分

碳酸盐岩从沉积时就可能开始存在溶蚀作用, 在埋藏过程中或抬升遭受剥蚀, 或再埋藏过程中溶蚀从未间断。在准同生期溶蚀的基础上, 可能被抬升风化溶蚀强烈改造, 后期又可能受到地下水、地下热液的溶蚀, 多期次的构造运动使各类溶蚀反复作用、叠加改造, 导致岩溶期次的识别十分困难。在诸多岩溶主控因素中, 构造运动控制着海平面、潜水面的变化和碳酸盐岩的储集层演化, 是影响岩溶的关键因素, 而不整合面是构造运动的标志, 记录了碳酸盐岩遭受风化剥蚀、进行规模岩溶的重要阶段。因此, 岩溶研究若抓住了构造运动及地层不整合, 就抓住了“ 纲” 。作者以构造运动为主线来划分古岩溶的期次, 不仅能体现岩溶的关键时期, 也能更好地指导碳酸盐岩的层系勘探。研究表明, 奥陶系内部存在5套不整合面, 分别对应了5期古岩溶作用(图 1)。

图1 塔中奥陶系岩溶储集层分布剖面Fig.1 Profile for reservoir distribution of the Ordovician karst in central Tarim Basin

3.1 第Ⅰ 期岩溶

鹰山组/蓬莱坝组之间的不整合, 对应的是蓬莱坝组顶部的岩溶系统。主要特点是:界面为不整合面, 自然伽马曲线界线清楚, 地震剖面上是一个连续的强反射、上超特征清楚。

3.2 第Ⅱ 期岩溶

一间房组/鹰山组或良里塔格组/鹰山组之间的不整合, 对应的是鹰山组上部岩溶系统。主要特点是:不整合面特征清楚, 野外露头见风化黏土层, 电性界面特征明显, 地震剖面上超特征清楚。

3.3 第Ⅲ 期岩溶

吐木休克组/一间房组或良里塔格组/一间房组之间的不整合, 对应的是一间房组上部岩溶系统。主要特点是:发育平行不整合界面及野外露头见风化黏土层, 取心见溶洞灰绿色泥岩充填、钻井常有放空, 地震剖面上一间房组顶面呈凹凸不平的特征。在塔中地区第Ⅱ 期、Ⅲ 期岩溶叠加形成鹰山组顶部区域性的岩溶型储集层(图 1)。

3.4 第Ⅳ 期岩溶

桑塔木组/良里塔格组之间的不整合, 对应的是良里塔格组上部岩溶系统。主要特点是:岩心见溶洞, 大部分被泥质、砾、粗晶和柱状状方解石充填, 电性界面特征明显同, 地震剖面上的上超、下超特征清楚。

3.5 第Ⅴ 期岩溶

奥陶系顶面不整合, 对应奥陶系顶部的岩溶系统。主要特点是:志留系、石炭系或三叠系不整合在奥陶系不同层位的灰岩上, 灰岩长期风化溶蚀、多期岩溶叠加, 岩溶以大型溶洞发育为特征, 部分溶洞被充填, 岩溶带厚度大。

奥陶系第Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、 Ⅳ 期基本上归属于层间岩溶类型, 而第Ⅴ 期即奥陶系顶部的岩溶体系较为复杂, 属于潜山岩溶或多期叠加的一种岩溶类型。

4 重点区块岩溶特征及储集层评价

通过对奥陶系不同地区、不同层位、不同时期岩溶特征及岩溶储集层发育程度的分析, 明确了塔里木盆地的重要岩溶勘探类型, 其中潜山岩溶前人研究成果较多(韩剑发等, 2006; 高宏亮等, 2010), 因此以下着重论述塔中及塔北地区的礁滩体岩溶和层间岩溶这2种储集层类型, 以期对勘探开发生产起到一定的指导作用。

4.1 塔中地区

通过对于TZ62、TZ12等单井岩溶特征的系统研究和岩溶标准剖面的编制, 认识到塔中奥陶系主要发育2期规模较大的岩溶作用, 即鹰山组顶部岩溶和良里塔格组顶部岩溶, 分别对应奥陶系层间岩溶的第Ⅱ 期和第Ⅳ 期, 2期岩溶作用的主要特征归纳如下:

4.1.1 均存在不整合面

在地震剖面上, 鹰山组顶部的削截现象和良里塔格组与桑塔木组之间的超覆面特征比较清楚(图 2), 反映了构造抬升形成地层间断这一事实, 上下地层接触关系为平行— 低角度不整合接触关系, 奠定了层间岩溶及礁滩体岩溶作用的基础。

图2 塔中X井区地震剖面(Tg5':O3l顶; Tg5″:O1-2y顶; Tg6:O1p顶)Fig.2 Seismic section for Well Tazhong X area(Tg5':top O3l; Tg5″:top O1-2y; Tg6:top O1p)

4.1.2 良里塔格组和鹰山组岩溶特征

在钻录井过程中, 这两类岩溶均有不同程度的储集层发育反映, 如放空、井漏、溢流、钻时加快等特征。岩心及镜下薄片观察常见洞穴、中小孔洞、缝洞灰泥充填等岩溶现象, 成像测井资料亦反映出溶洞及沿裂缝扩溶的特征(图 3)。其中良里塔格组礁滩体岩溶均质性较好, 溶蚀孔洞较均匀呈蜂窝状, 沉积相是控制储集层发育的主控因素; 鹰山组层间岩溶非均质性强, 不整合面是控制储集层发育的主控因素。

图3 塔中地区礁滩体岩溶及层间岩溶现象典型图版Fig.3 Typical chart for reef body karst and interlayered karst in central Tarim Basin

4.1.3 岩溶分带特征清楚

良里塔格组礁滩体岩溶和鹰山组层间岩溶通常都可以划分出2个岩溶带, 即垂直渗流岩溶带和水平潜流岩溶带(图 4), 表层岩溶带、深部缓流岩溶带一般不发育。水平潜流带+垂直渗流带的岩溶储集层厚度一般80~280 m, 良里塔格组岩溶在地震剖面上具有杂乱丘状反射特征, 鹰山组岩溶在地震剖面上具有强反射、局部串珠的特征, 储集层通常集中发育水平潜流岩溶带中。通过连井岩溶对比和地震剖面上对岩溶储集层作用的追踪, 发现鹰山组层间岩溶沿不整合面呈准层状、断续规模分布。

图4 过Z1-Z6井下奥陶统鹰山组岩溶带对比Fig.4 Correlation on karstic zone of the Yingshan Formation of Lower Ordovician from Well Z1 to Well Z6

4.1.4 塔中地区岩溶储集层特征及评价

塔中地区岩溶储集层有一定的规律性, 奥陶系鹰山组层间岩溶Ⅰ 类储集层主要沿塔中Ⅰ 号带和西南部的垒带规模发育, 整体上Ⅱ 类储集层分布范围最广, 但局部也发育优质储集层; 良里塔格组礁滩体岩溶储集层在台地边缘成群成带发育, Ⅰ 类岩溶储集层主要沿塔中Ⅰ 号带礁滩体呈北西— 南东向带状分布, Ⅱ 类储集层在台地内及断裂附近更加发育(图 5)。

图5 塔中地区奥陶系良里塔格组岩溶储集层评价Fig.5 Evaluation on karstic reservoir of the Lianglitage Formation of Ordovician in central Tarim Basin

4.2 塔北地区

通过对于L7等多口单井岩溶特征的系统解剖和岩溶标准剖面编制, 揭示出塔北地区奥陶系岩溶主要发育潜山岩溶和层间岩溶2大类, 具体特征如下。

4.2.1 潜山岩溶储集层特征

奥陶系潜山岩溶主要发育在塔北地区北部, 基本以近东西向的桑塔木组尖灭线为界线。

通过地震剖面追踪、钻井及录井统计、成像测井资料综合分析, 潜山岩溶发育区有3个明显特征:一是地层缺失多, 通常是石炭系或更新的地层直接覆盖在鹰山组之上, 属奥陶系第Ⅴ 期岩溶, 反映了地层遭受长期的抬升暴露和剥蚀, 上、下地层为明显的角度不整合; 二是沿潜山面常发育大型溶洞, 钻进过程中漏失量大, 放空段长; 三是岩溶储集层常沿风化面之下一定深度范围呈准层状分布, 岩溶带垂向分带清楚, 表层岩溶带发育(图 6)。

图6 L7井鹰山组潜山岩溶剖面图Fig.6 Profile for buried-hill karst of Well L7 area in the Yingshan Formation

4.2.2 层间岩溶储集层特征

塔北地区奥陶系一间房组层间岩溶最发育, 也是目前主要的勘探开发层系。层间岩溶的特征主要是:奥陶系内部地层缺失少, 上、下地层为低角度不整合或平行不整合接触, 常常发育大型溶洞、缝洞, 钻进过程中漏失、放空现象占50%以上, 储集层一般沿不整合面之下150 m范围内呈准层状断续分布, 岩溶分带特征较清楚, 但个别井不发育表层岩溶带, 储集层主要分布在垂直渗流带和水平潜流带中(图 7)。

图7 L1井区奥陶系层间岩溶剖面图Fig.7 Profile for interlayered karst of Well L7 area in the Ordovician

4.2.3 塔北地区岩溶储集层分布规律

根据塔北地区奥陶系的分布情况与岩溶发育类型的关系, 将桑塔木组尖灭线以北, 即以奥陶系中、下统为主直接与石炭系— 志留系以上碎屑岩地层接触的地区划分为潜山岩溶分布区, 桑塔木组尖灭线以南划分为层间岩溶分布区。平面上2类储集层呈南北分带、东西连片的展布特征(图8)。

图8 塔北南缘奥陶系岩溶分布图Fig.8 Distribution of the Ordovician karst in southern margin of northern Tarim Basin

5 结论

1)依据岩溶成因及主控因素提出了塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩岩溶分类, 指出礁滩体岩溶、层间岩溶、潜山岩溶是主要的勘探岩溶类型。

2)将塔里木盆地奥陶系岩溶期次划分为5期, 分别对应于蓬莱坝组、鹰山组、一间房组、良里塔格组、奥陶系顶部的5个不整合面。

3)重点评价了塔中、塔北地区岩溶储集层发育特征及分布规律, 明确了礁滩体岩溶、层间岩溶、潜山岩溶的勘探思路。

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