哈601井区在塔北隆起多期构造运动的叠合作用下形成了以北东— 南西向、北西— 南东向和近南北向为主的3组走滑断裂, 平面上呈现出“ X” 型的特征(图 1), 并被序级低、尺度小的断裂复杂化。储集层预测表明, 在走滑断裂附近岩溶储集层集中发育, 体现出不同级次断裂对于缝洞储集层均有极强的控制作用。

根据断裂的延伸长度、断失层位、断距以及塔北地区构造运动期次4个要素将哈601井区走滑断裂划分为2个期次和3个级次。加里东早— 中期构造运动在塔里木盆地表现显著, 构造应力强, 形成了研究区Ⅰ 、Ⅱ 级断裂(图 3, 红色、绿色断裂), 并构成了研究区的主干断裂, 垂向上断面陡立, 断距在20~80, m之间, 断开层位可从寒武系至二叠系; 随后在晚加里东— 早海西期构造运动期间, 前期断裂继承性发育的同时形成了大量的北东— 南西向、北西— 南东向、近南北向、近东西向小断裂(图 3, 蓝色断裂), 为研究区Ⅲ 级断裂, 在剖面上断距10~30, m, 同样具有高陡、向下收敛的构造特征, 可向上延伸至志留系, 平面上延伸距离小于3, km。“ 花状构造” 是走滑断裂的重要鉴别标志之一(Harding, 1990), 2期断裂在剖面上构成了以早— 中加里东期为主的“ 花状构造” , “ 花状构造” 所处的断裂交汇处缝洞储集层最为发育, 后期的岩溶作用往往对前期岩溶储集层存在较强的改造作用。

图3

Fig.3

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	图3 塔北地区哈拉哈塘油田走滑断裂地震剖面Fig.3 Seismic profile across strike-slip faults in Halahatang Oilfield, northern Tarim Basin

3.2.1 构造缝类型及特征

前人已经提出了多种裂缝成因类型划分方案(王彩丽等, 1999; 倪新锋等, 2010; 高计县等, 2011), 本次选取非暴露区奥陶系一间房组取心较完整的典型井进行岩心观察分析, 采用高计县(2011)的划分方案, 将研究区一间房组裂缝划分为构造缝、成岩缝和叠合成因缝。岩心及成像测井证实由多期构造缝组成的裂缝网络对于溶蚀孔洞的形成具有明显的控制作用, 构造缝附近普遍伴生溶蚀孔洞, 因此文中将构造缝作为重点研究对象。

研究区主要发育3种类型构造缝:近直立缝、高角度斜交共轭缝和构造微裂缝, 缝面平直, 具有一定的组系。不同形态的裂缝与断裂发育期次及构造运动期次具有匹配关系, 根据区域构造演化可知(汤良杰等, 2012), 研究区早— 中加里东期挤压应力强烈, 形成主干断裂的同时, 伴生的构造裂缝在缝宽及延伸跨度上均大于其他期次构造缝。整体上构造裂缝受早— 中加里东期Ⅰ 、Ⅱ 级和晚加里东— 早海西期Ⅲ 级走滑断裂控制明显(图 4)。

而潜山区裂缝由于处在地表, 长期风化暴露使得构造缝在地表水或地下水扩大溶蚀的影响下规模扩大几倍甚至几十倍(李阳和范智慧, 2011), 难以保持原始构造裂缝形态, 而是以缝壁不规则的溶蚀缝形态存在, 大型溶蚀缝甚至可在地表被溶蚀成为沟谷。

3.2.2 构造缝期次及有效性

由于缝洞型油藏的特殊性, 直接钻遇有效缝洞储集层时会导致钻井异常。根据研究区钻井、录井数据统计, 有60%的钻井存在放空漏失现象, 其中80%以上只发生钻井液漏失, 并不存在钻具放空现象, 相应成像测井图像能够清晰说明漏失原因是裂缝性漏失。多期构造运动导致的裂缝期次差异是裂缝有效性存在差别的根本原因, 因此构造缝期次的研究是裂缝有效性研究的基础。高计县等(2011)根据裂缝切割关系、充填关系和构造应力期次提出了裂缝期次的划分依据, 本次研究在其基础上, 通过漏失层位的裂缝产状与构造应力匹配关系及裂缝充填物内包裹体均一温度, 分析构造缝期次及裂缝有效性。

图4

Fig.4

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	图4 塔北地区哈拉哈塘油田哈601井区奥陶系顶面断裂分布(哈601井区位置见图1)Fig.4 Distribution of faults on top of the Ordovician in HA601 wellblock of Halahatang Oilfield, northern Tarim Basin(location of HA601 wellblock in Fig.1)

依据岩心及镜下观察的充填关系及切割关系可将构造缝划分为3期, 先后顺序为方解石充填缝— 沥青充填缝— 未充填缝(图 5-a至5-g), 构造缝充填物包裹体均一温度整体可分为3个区间(图 5-k), 与地层埋藏史及构造运动期次能够较好匹配(图 5-l), 与其他方法划分的裂缝期次也能对应, 分析认为研究区第1期构造缝为中加里东期方解石充填构造缝, 第2期为晚加里东— 早海西期沥青充填构造缝, 第3期为燕山— 喜马拉雅期微裂缝。

图5

Fig.5

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	图5 塔北地区哈拉哈塘油田中奥陶统一间房组岩心及薄片裂缝期次分析Fig.5 Analysis of fracture stage in cores and thin sections from the Middle Ordovician Yijianfang Formation in Halahatang Oilfield, northern Tarim Basin

有效裂缝的存在是钻遇有效储集层及压裂成功的基础, 不同期次构造运动直接控制了裂缝的规模及产状, 同时也影响了裂缝的有效性。通过精细井震标定, 将成像测井得到的裂缝密度曲线与基于双侧向电导率测井数值进行计算得到的高角度裂缝孔隙度(PORF)交会, 可将裂缝整体分为3级:Ⅰ 级裂缝孔隙度大于0.1%、相对密度大于1.03; Ⅱ 级裂缝孔隙度介于0.04%~0.1%、相对密度介于1.019~1.03; Ⅲ 级裂缝孔隙度小于0.04%、相对密度小于1.019(图 6)。当裂缝走向主频方位与现今水平主应力平行时, 部分裂缝力学上难以保持开启或有效, 此时表现为钻井过程中无放空漏失现象, 而两者存在一定交角时, 裂缝往往有效, 通常会伴随着钻井过程中的裂缝性漏失或裂缝开度及孔隙度的增大。结合构造运动应力方向及断裂走向的分析, 认为燕山— 喜马拉雅期微裂缝虽未充填, 但裂缝延伸规模小, 难以相互沟通形成有效裂缝网络, 而早— 中加里东期裂缝被方解石充填再溶蚀形成有效连通空间(图 5-a), 晚加里东— 早海西期裂缝则多被沥青半充填, 这2期裂缝构成了研究区的有效裂缝网络。

图6

Fig.6

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	图6 塔北地区哈拉哈塘油田H601井区裂缝孔隙度与裂缝相对密度交会图Fig.6 Crossplot between frature porosity and fracture relative density in HA601 wellblock of Halahatang Oilfield, northern Tarim Basin

通过有代表性的碳氧稳定同位素、锶同位素等地球化学测试分析可明确非暴露区缝洞储集层在岩溶发育过程中的成岩流体性质和成岩环境, 探讨非暴露区岩溶储集层成因机理。以砂屑灰岩基质、构造缝方解石、不规则缝洞方解石、洞穴方解石为采样主体进行采样, 样品送西南油气田分公司勘探开发研究院地质实验室测试分析, 设备名称为MAT252气体同位素质谱仪, 检测依据为SY/T 6039-94, 工作标准TTB-2, 实验条件为温度22, ℃, 湿度44%RH。样品测试结果准确可靠, 精度可满足研究要求。

在近地表成岩环境中气候因素对沉积环境影响较大, 在潮湿气候中会有间歇性的大气淡水影响, 在干燥气候则会存在较强的蒸发作用, 2种作用均会导致沉积物及胶结物的碳、氧稳定同位素成分发生变化。因此, 近地表成岩环境中海水胶结物碳、氧稳定同位素与沉积物近似, 在一定程度上反映的是海水特征。大气淡水作用下的渗流带或潜流带胶结物的碳、氧稳定同位素偏负, 反映的则是大气淡水影响的特征。以砂屑灰岩基质、构造缝方解石、不规则缝洞方解石、洞穴方解石为采样主体, 分析结果表明, 正常海相泥晶灰岩和少量砂屑灰岩的δ ¹³C为-0.64‰ ~1.30‰ , 平均值0.679‰ , δ ¹⁸O为-10.80‰ ~-4.4‰ , 平均值-6.279‰ (表 1), 在Veizer等(1999)建立的奥陶纪海相碳酸盐岩变化范围之内, 利用Keith 和 Weber(1964)盐度指数(Z)计算公式[Z=2.048(δ ¹³C+50)+0.498(δ ¹⁸O+50)]计算的Z平均值为123.58(以Z=120为海水和淡水分界线, Z值越高反映的流体盐度越高), 反映成岩流体具有正常海水性质, 以此Z=120作为原始正常海相碳酸盐沉积物的δ ¹³C和 δ ¹⁸O 的背景值。溶蚀孔洞方解石的δ ¹³C为-3.51‰ ~8.16‰ , 平均值1.628‰ , δ ¹⁸O为-13.22‰ ~1.99‰ , 平均值-6.537‰ , 盐度指数Z值区间为114.81~125, 其中大部分小于120; 构造裂缝方解石的δ ¹³C为-4.01‰ ~5.25‰ , 平均值0.844‰ , δ ¹⁸O为-15.90‰ ~-2.56‰ , 平均值-9.172‰ , 盐度指数Z值区间为106.813~133.74, 绝大多数小于120, 反映构造裂缝方解石成岩流体主体为淡水; 不规则缝洞方解石的δ ¹³C为-13.57‰ ~6.26‰ , 平均值-0.022‰ , δ ¹⁸O为-21.92‰ ~-1.9‰ , 平均值-10.931‰ , 盐度指数Z值区间为88.59~137.55, 大于120的数据亦基本在120~126之间, 说明不规则缝洞方解石成岩流体主体为淡水; 洞穴方解石的δ ¹³C为-2.59‰ ~2.69‰ , 平均值-0.220‰ , δ ¹⁸O为-15.07‰ ~-8.33‰ , 平均值-11.733‰ , 盐度指数Z值区间为104.32~136.63, 其中小于120的数据占77%, 大于120的数据亦基本在120~123之间, 反映洞穴方解石成岩流体为大气淡水可能性大。

碳氧稳定同位素测试数据清晰地表明研究区缝洞储集层受大气水溶蚀的特征, 岩溶发育过程并未受到深层热液的影响。同时裂缝包裹体均一温度显示, 在构造裂缝发育期一间房组已处于埋藏阶段, 而δ ¹³C 偏负值较大的主要为构造裂缝及洞穴, 说明构造裂缝、洞穴及断裂在岩溶发育期是相互沟通的, 这也从侧面证实了裂缝经历岩溶时间相对较短, 断裂及伴生裂缝主要作用是作为大气淡水向下运移溶蚀的优势通道。

经钻井证实, 一间房组普遍发育大型洞穴储集层, 洞穴最大高度可达20, m以上, 垂向上在100, m地层范围内均有溶洞分布, 同时成像测井及岩心也清晰显示出除大型洞穴外还有裂缝及溶蚀孔洞的存在。不同成因类型所形成的缝洞体分布具有一定的规律性, 根据传统岩溶地质学理论及岩溶垂向分带, 自不整合面向下岩溶作用强度逐渐减弱(任美锷等, 1983), 但无法很好地解释非暴露区缝洞体的发育规律。

塔里木盆地具有多旋回构造演化的特点, 断裂期次与岩溶期次的穿插使得塔北地区奥陶系在不同构造演化阶段受到了多期古岩溶作用的叠加改造。笔者认为, 哈拉哈塘油田非暴露区整体上共经历了一间房组末期层间岩溶, 中加里东期主干断裂发育, 良里塔格组末期断控岩溶发生、晚加里东— 早海西期次级断裂发育、奥陶纪末期断控岩溶发生5个主要阶段。其与潜山区的区别在于潜山区颗粒灰岩地层直接暴露地表遭受风化剥蚀及大气淡水淋滤, 可明显分为垂直渗滤带、季节变动带、水平潜流带和深部缓流带(任美锷等, 1983), 随着季节变动, 地下潜水面不断升降交替, 使得潜山区洞穴具有明显的分布规律及形态特征。而非暴露区由于颗粒灰岩地层处于埋藏环境下, 不能够与大气淡水直接接触, 因此大气水岩溶作用的发生就要以断裂沟通地表为必要条件, 大气水沿断裂向下溶蚀, 因此地下并不存在潜水面变化对溶蚀作用的影响。

位于塔里木盆地北缘中央隆起西端巴楚断隆上的巴楚露头区的奥陶系古岩溶露头保留较好, 与哈拉哈塘油田奥陶系在地层、岩性、构造等方面均经历了相似的演化过程, 因此两者的岩溶作用可对比度高。可以通过露头与研究区缝洞储集层进行对比来加强对碳酸盐岩储集层类型的认知, 从适应非暴露区缝洞体研究需要的角度出发, 依据断控成因及发育特征等因素, 将非暴露区缝洞储集层划分为洞穴型和裂缝孔洞型2大类, 并根据断裂及裂缝发育期次将其细化为早期断裂水系双控洞穴和晚期断控洞穴、早期裂缝— 孔洞储集层和晚期微裂缝— 孔洞储集层。

4.2.1 早期断裂和明河双控洞穴

早期断裂即指早— 中加里东期在研究区形成的主干断裂。在良里塔格组沉积末期, 研究区南北地势高差大, 地表明河发育, 水量充沛(淡永等, 2015), 早— 中加里东期断裂沟通了地表河流, 为岩溶作用的发生提供了充足的水源, 同时断裂附近伴生的高角度构造裂缝与洞穴顶部垮塌形成的洞顶缝相互沟通, 在研究区主干断裂附近形成横向及垂向规模都很大的大型缝洞集合体, 横向上十至数十米, 纵向上规模可达数十米, 在洞底发育有垮塌角砾等堆积物及化学充填物, 与塔河风化壳岩溶储集层不同的是, 由于吐木休克组泥灰岩的隔挡作用, 古地下水的季节变动带对于洞穴形成的影响很小。

以主干断裂为通道, 地表水系为岩溶水来源, 依托断裂及伴生高角度裂缝逐渐溶蚀扩大形成垂向规模大于横向规模的洞穴, 与巴楚地区岩溶露头的垂向洞穴(图 7-a, 7-b)以及塔河油田纵向发育型洞穴类似(马晓强等, 2013)。

图7

Fig.7

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	图7 塔北巴楚地区古岩溶露头特征及岩心缝洞储集层类型Fig.7 Outcrop characteristics of palaeokarst and fracture￣rug reservoir types of cores in Bachu area, northern Tarim Basin

4.2.2 晚期断控洞穴

晚期断裂是在加里东晚期— 海西早期构造运动期间形成的新断裂, 再次为岩溶水的向下溶蚀提供了通道, 在断裂附近部位形成岩溶洞穴, 该类储集层主要受到晚加里东— 早海西期断裂控制, 岩溶水动力小于良里塔格组末期, 空间上具有明显的分布规律, 平面上主要沿晚加里东— 早海西期断裂带分布, 在断裂交汇处更为发育, 通过对巴楚地区露头的调查, 该类洞穴垂向上随机分布在断裂两侧, 垂向发育规模大于横向发育规模(图 7-c, 7-d)。以相对孤立的洞穴为主体, 不受地表水系控制, 垂向上沿断裂两侧随机分布, 该类洞穴的发育不受潜水面变化及岩溶垂向分带性的影响, 在各个深度均有发育。

4.2.3 早期裂缝— 溶蚀孔洞

早期裂缝主要包括早— 中加里东期和晚加里东— 早海西期构造运动与断裂伴生的高角度构造缝。早期裂缝— 孔洞型缝洞系统主体以早期裂缝为岩溶水渗流通道形成溶蚀孔洞为主, 可与大型洞穴不连通而作为单独一类储集层, 在巴楚地区露头以及研究区岩心均能得到体现(图 7-e至7-g), 裂缝主要形成于早— 中加里东期和晚加里东— 早海西期, 作为研究区最主要的有效裂缝, 发育程度受断裂控制明显, 与距断裂距离成反比, 钻井证实研究区普遍发育早期裂缝— 孔洞型储集层, 具有一定的储集能力, 但裂缝网络在横向上连通性差。

4.2.4 晚期微裂缝— 溶蚀孔洞

晚期微裂缝以未充填的微米级开度为特征, 形成于燕山— 喜山期。微裂缝— 孔洞储集层一般发育在远离早期断裂带的区域, 由于印支期、燕山— 喜马拉雅期构造运动对塔北地区影响很小(张光亚等, 2007; 汤良杰等, 2012), 导致构造缝的延伸长度、开度等相对较小, 规模不足以大范围沟通溶蚀孔洞, 通常仅镜下可见, 只有微米级, 溶蚀孔洞发育程度低且难以通过微裂缝实现有效的沟通。

研究区一间房组储集层整体属于短期暴露不整合岩溶叠加后期改造形成, 与紧邻的塔河地区长期隆升潜山风化壳岩溶存在较大区别, 后者岩溶发育不均匀, 具有明显的垂向分带性, 以塔河油田为例, 大型不整合面控制作用更强, 近2/3的缝洞发育段都集中在距奥陶系顶面0~60, m的表层岩溶带, 而在距奥陶系顶面150, m之下的深部潜流带, 缝洞发育段仅占1/10(李阳和范智慧, 2011)。

针对潜山区的研究表明岩溶发育强度在垂向上具有明显的差异(吴东胜等, 2006), 但非暴露区断裂对岩溶储集层的控制明显, 走滑断裂在垂向上增加了溶蚀作用的深度, 因此在地下深部断裂附近区域仍可发育大型缝洞体, 而并非是潜山风化壳储集层深部缓流带形成的小规模溶孔和溶蚀裂隙。依据单井钻遇的岩溶带及地震储集层预测, 可将哈601井区一间房组缝洞系统在垂向上划分为2个缝洞储集层发育带— — 一间房组表层裂缝孔洞发育带和深部洞穴发育带, 裂缝孔洞发育带距一间房组顶面0~30, m, 是全区最重要的岩溶发育段, 全区93.1%的井都钻遇该带; 深部洞穴发育带在距一间房组顶面30~100, m范围内, 钻井过程中存在放空的现象能够证明未充填洞穴的存在(图 8)。

图8

Fig.8

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	图8 塔北地区哈拉哈塘油田哈601井区垂向岩溶带发育划分剖面(哈601井区位置见图1)Fig.8 Vertical section of the Ordovician karst zone in HA601 wellblock of Halahatang Oilfield, northern Tarim Basin(location of HA601 wellblock in Fig.1)

目前对于断裂对碳酸盐岩储集层的控制作用研究已有了清晰的认识, 主要包括形成断裂破碎带、沟通地表大气水和传导深部热液3方面(Duggan et al., 2001; Green and Mountjoy, 2005; 吕修祥等, 2008), 针对层间岩溶非暴露区, 需要在洞穴成因类型划分的基础上明确洞缝配置关系来满足开发的需要。

5.2.1 早— 中加里东期断裂对断裂、明河双控洞穴的控制

在研究区一间房组共识别出45个断裂、明河双控洞穴, 全部集中在距离断裂300~500, m范围内, 以地震剖面垂向上2~3个串珠连续发育的大型缝洞体为典型特征, 主控因素为良里塔格组河流及早— 中加里东期断裂。

主干断裂对于断裂、明河双控洞穴的控制体现在:一间房组沉积末期短期暴露剥蚀形成了一定的地貌分异, 研究区微地貌单元以微丘洼地、微丘丛谷地及微峰丛洼地发育为特点, 在微地貌高地及河流附近形成了溶蚀孔洞或小型洞穴为主的第Ⅰ 幕层间岩溶缝洞型储集层, 在良里塔格组沉积末期哈拉哈塘油田北部抬升明显, 发生了明显的剥蚀作用(张一伟等, 2000), 地表河流发育, 水动力作用强, 在局部河流深切部位或河流与主干断裂交汇处对第Ⅰ 幕层间岩溶储集层叠加改造, 同时主干断裂继承性发育, 在形成新断裂的同时沿断裂带继续发育高角度裂缝, 甚至在垂向上能够将深部洞穴与良里塔格组缝洞储集层沟通。

研究区在一间房组及鹰山组顶部发育有2层断裂、明河双控洞穴, 垂向上通过主干断裂或高角度裂缝连通, 洞顶缝系统对缝洞体横向发育范围的扩大不明显, 导致不同洞穴之间在横向上连通性差、垂向上连通性好, 单井生产动态已经证明了这一点。

图9

Fig.9

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	图9 塔北地区哈拉哈塘油田断控洞穴系统演化模式Fig.9 Evolutionary model of caves system controlled by faults in Halahatang Oilfield, northern Tarim Basin

5.2.2 晚加里东— 早海西期断裂对断控洞穴的控制

在哈601井区共预测出43个断控洞穴, 其距断裂的最大距离全部小于800, m, 集中发育在距离断裂500, m范围内, 通过蚂蚁体自动提取断层来弥补人工解释断裂, 能够较好地解释个别距离断裂较远洞穴的发育。

晚加里东— 早海西期断裂对断控洞穴的控制作用体现在:Ⅲ 级断裂及伴生裂缝的形成对第Ⅰ 幕层间岩溶储集层优势发育区进行了一定程度的改造, 早海西期运动持续时间长、剥蚀地层厚度大, 使得地表水长期沿断裂向下溶蚀, 形成新洞穴的同时对前期缝洞体扩大溶蚀, 形成断控洞穴(图 9)。

数米至数十米规模的洞穴顶部都发育有垮塌形成的垮塌缝、构造缝及溶蚀缝等可以相互沟通扩大缝洞系统的规模(Loucks et al., 2004), 沿研究区一间房组顶面层状分布的裂缝孔洞型储集层与洞顶缝系统沟通扩大了缝洞体的连通范围, 依据钻测井及地震资料, 共识别出缝— 洞混合型、单洞上缝型、多洞裂缝连通型3种配置关系, 断裂及裂缝的集中发育在一定程度上增强了缝洞体之间的连通性。

5.2.3 早期裂缝对溶蚀孔洞的控制

裂缝孔洞型储集层作为作为一类独立存在的储集层, 裂缝促进了岩溶作用的发生并增强了连通性。第Ⅰ 幕层间岩溶作用形成溶蚀孔洞被早— 中加里东期裂缝切割, 随后作为第Ⅱ 幕岩溶储集层的岩溶流体渗流通道促进了对前期溶蚀孔洞的叠加改造, 形成了裂缝孔洞储集层的初步形态。在奥陶纪沉积末期, 晚加里东— 早海西期构造缝再次改造前期裂缝孔洞, 2期裂缝组成的裂缝网络再次促进了裂缝孔洞的发育, 形成了2期构造裂缝和3期溶蚀孔洞组成的大规模裂缝孔洞储集层。

而燕山— 喜山期微裂缝发育时间最晚, 之后并没有岩溶期次的存在, 因此微裂缝对岩溶作用没有影响, 与第Ⅰ 幕层间岩溶形成的溶蚀孔洞构成了规模很小的裂缝孔洞储集层。