塔河油田是塔北隆起重要的含油气构造单元(图 1), 南部为满加尔生烃凹陷, 西接哈拉哈塘凹陷, 东邻草湖凹陷, 资源潜力丰富。研究区位于塔河油田主体区西侧上奥陶统尖灭线北部, 地貌单元上处于岩溶斜坡带, 是塔河地区的主力产油区带。地层岩性为中下奥陶统一间房组、鹰山组较纯灰岩。自加里东中期— 海西早期经历多期次构造运动, 形成了复杂的断裂系统, 主要由NNE向和NNW向2组“ X” 型走滑断裂和近EW压扭性断裂组成, 3组断裂形成于加里东中期, 并持续活动至海西早期, 为海西早期的岩溶发育创造了条件(焦方正和翟晓先, 2008)。

图1

Fig.1

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	图1 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷区位置图Fig.1 Location of karst canyon area in Tahe Oilfield, Tarim Basin

根据目前的研究和认识, 塔河油田北部上奥陶统剥蚀区海西早期古地貌的恢复主要利用石炭系巴楚组双峰灰岩段至中下奥陶统顶的厚度进行印模法恢复(康志宏, 2006)。巴楚组下泥岩段直接覆盖在古风化壳上, 起到填平补齐的作用, 下泥岩段上部双峰灰岩段全区分布均匀, 其顶面可代表最大海泛面, 亦是一个等时界面, 因此可将它作为恢复海西早期古地貌的标准层。地表古水系恢复主要利用趋势面洼地识别技术和SVI混频分色技术(鲁新便等, 2014)。在高精度三维地震层位数据精细解释的基础上, 运用印模法和趋势面洼地识别技术、SVI混频分色技术(图 2), 对峡谷区海西早期古地貌、古地表水系进行识别刻画(图 3)。

图2

Fig.2

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	图2 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷区地表水系刻画方法Fig.2 Characterization methods of surface drainage systems in karst canyon area in Tahe Oilfield, Tarim Basin

受海西早期构造运动影响, 塔河地区整体构造抬升, 形成了东高西低的构造格局。峡谷整体位于大型岩溶斜坡带, 具有明显的地势坡降。古地貌以峰丛洼地为主, 峰洼高差较大。在古地貌宏观展布控制作用下, 地表分支水系顺地形梯度由东向西汇入峡谷(图 3), 分支水系明显分布于峡谷东侧, 呈不对称状。峡谷顺构造走向呈北东向展布, 具有汇水量大、侵蚀能力强的特征, 水流切穿部分上奥陶统, 尖灭线形态上表现为一个“ 凹口” 。

图3

Fig.3

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	图3 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷区岩溶古地貌及古地表水系分布Fig.3 Distribution of karst palaeo-geomorphology and palaeo-drainage system of karst canyon area in Tahe Oilfield, Tarim Basin

在古地貌恢复的基础上, 对峡谷横剖面、纵剖面几何形态进行对比研究。根据峡谷上游段到下游段横剖面形态结构特征的变化上, 将峡谷分为2段: ①从剖面a到剖面k(图 4-A), 峡谷长约11, 026, m, 横剖面以对称型深“ V” 字型为主, 下切深度在100~120, m, 峡谷壁较很陡。②从剖面l到剖面v(图 4-B), 峡谷长约8593, m, 横剖面以对称型浅“ V” 字型为主, 该段峡谷下切深度在40~60, m。值得注意的是, 在峡谷纵剖面的研究中识别出了干谷地貌, 即岩溶流域内干涸的或间歇性有水的河谷。如图4-C峡谷纵剖面上, 上游地势比下游地势低, 上、下游地形颠倒。峡谷纵剖面指示的水流方向由南向北, 而水系的平面组合形态和汇流结构特征指示的水流方向由北向南, 两者矛盾。因此, 峡谷区前期水系流向由北向南, 与平面流域结构一致, 后期沟谷系统失去了排水功能演变为干谷。在峡谷东侧亦可见“ 悬挂” 着的干谷系统( 图 4-D), 水流沿沟谷中的落水洞、裂缝等潜入地下, 从而使地表支流呈现出无水干涸状态。

图4

Fig.4

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	图4 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷剖面形态特征Fig.4 Morphological characteristics of sections of karst canyon in Tahe Oilfield, Tarim Basin

总体上看, 古地貌控制了峡谷区古水系的发育程度和平面展布特征; 峡谷上游段深切V型谷是地表水系强烈向下侵蚀作用的产物, 表现出峡谷区地表水下蚀作用强、汇流量较大的特征。峡谷下游段下切深度变小反映出下游段水的下蚀能力变差、水动力条件减弱的特征; 峡谷和峡谷两侧干谷的发育说明峡谷区排泄基面经历了多期次下降, 早期地表水排泄通道, 后期因构造抬升和差异构造运动, 大量转入地下, 使原地表河道废弃。此外, 干谷的发育同时表明该区经历了一定的岩溶作用时间, 这种强烈的下蚀作用使地表水更多进入地下系统, 经历了充分的水岩相互作用时间, 是该区储集层形成的重要因素之一。

廖涛等(2015)依据洞穴成因及发育特征将缝洞储集体类型划分为暗河管道厅堂洞、断裂明河双控洞穴、断控洞穴和裂缝— 孔洞储集体。按照这一分类, 并考虑到峡谷区特殊的地貌、水动力条件对洞穴发育的控制作用, 笔者将峡谷区洞穴划分为暗河洞穴和断裂峡谷双控洞穴。目前在塔河地区利用地震资料刻画洞穴网络比较有效的方法有大时窗平均绝对振幅属性、混频分色属性、地震反射结构特征(鲁新便等, 2014)。洞穴在平均绝对振幅属性、混频分色切片上表现为连续的条带状特征; 地震剖面上顺洞道方向表现为连续“ 羊排状” 的强反射特征, 横剖面表现为“ 串珠状” 反射特征; 钻井中表现为放空和钻井液漏失等现象; 测井曲线显示为井径扩大, 钻时加快。因此, 通过选取合适的平均绝对振幅属性时窗(图 5-a)、混频分色切片时窗(图 5-b), 综合峡谷地区钻测井资料, 对研究区洞穴进行刻画(图 6)。

图5

Fig.5

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	图5 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷区古洞穴刻画方法(a— 平均绝对振幅属性; b— 混频分色属性)Fig.5 Characterization methods of palaeocaves in karst canyon area in Tahe Oilfield, Tarim Basin

3.2 峡谷— 断裂双控洞穴

峡谷两侧残丘上分布较多洞穴, 在振幅、混频属性上呈点状分布(图 5-a, 5-b), 地震剖面上呈孤立串珠。洞穴通过裂缝以及小尺度洞穴网络与主干暗河洞穴有水力联系, 在反演剖面清晰可见峡谷两侧发育3层缝洞体(图 7-c, 7-d), 洞穴分层性特征较为显著, 是多期次岩溶作用的产物; 在钻井资料统计上也证实了在垂向上3套洞穴层的发育。相对于暗河型洞穴, 峡谷— 断裂双控洞充填不严重。钻井资料揭示共钻遇21个洞穴, 其中除6个有一定程度的充填外, 其余15个均为未充填洞穴。如TH10231井在距不整合面25, m、34, m、93, m钻遇3个未充填洞穴。TH10114X在距不整合面6, m、32, m和37, m钻遇3个未充填洞穴。

图6

Fig.6

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	图6 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷区洞穴系统与古地貌叠合图Fig.6 Cave systems overlaid with palaeo-morphology in karst canyon area in Tahe Oilfield, Tarim Basin

杨明德(1988)对现代地表岩溶峡谷地貌的研究表明, 峡谷的形成是流水下切侵蚀作用、溶蚀作用和崩塌作用联合协同塑造的结果。并且在峡谷地貌的演化过程中, 每一阶段都有独自的地貌结构和水动力特征。峡谷区上游段和下游段、东侧和西侧洞穴发育程度的差异性, 与特殊的水文地貌条件和构造特征密切相关。

图7

Fig.7

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	图7 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷区地震剖面及地震反演剖面中的洞穴响应特征(剖面位置见图6)Fig.7 Response characteristics of cave systems in seismic profile and seismic inversion profile in karst canyon area in Tahe Oilfield, Tarim Basin (Location in Fig.6)

4.1 水文地貌因素

峡谷区水文地貌特征对洞穴发育控制主要表现如下: (1)在岩溶水循环补给条件上, 峡谷区位于东高西低的大型岩溶斜坡带, 有较大的地貌梯度, 为地表水的运动提供了较大的水动力条件; 峡谷控制岩溶水的流向和富水单元, 使大型树枝状地表水系主要发育于峡谷东侧, 较大汇水量为洞穴的发育提供较充足的水源。(2)多期次构造运动伴随排泄基面多次下降, 流域地表水为了适应变化的排泄基面而做出相应调整, 有效地将谷坡侧向侵蚀变缓过程转化为流水的地下集中侵蚀溶蚀过程, 在河谷形态上的深“ V” 字型以及峰从洼地这种高幅差地貌特征, 都是岩溶发育过程中水文的地貌效应映射, 即地表水作用功能的衰退、下渗或漏陷化而潜入地下, 以侵蚀溶蚀作用在地下开拓新道, 从而在峡谷底部形成大型连续暗河洞穴系统; 峡谷下游区水动力作用减弱, 水的侧向侵蚀作用使谷坡坡度变缓变浅, 在河谷形态上表现为浅“ V” 字型, 地表水未大规模转入地下, 没有形成大型暗河洞穴系统; 同时, 排泄基面多期次下降, 控制着峡谷两侧多套洞穴层的发育。上层为干洞, 中层排洪洞, 下层为常年排水洞, 从上层洞到下层洞表现为由老到新的发育阶段。

图8

Fig.8

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	图8 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷区中下奥陶统内幕精细相干图Fig.8 Coherence attributes of the Middle-Lower Ordovician in karst canyon area in Tahe Oilfield, Tarim Basin

4.2 断裂构造因素

断裂及其伴生裂缝作为岩溶水的重要渗滤通道, 沟通了地表水与碳酸盐岩地层的接触面积, 有利于岩溶作用的进行。精细相干属性是刻画碳酸盐岩断裂的一种重要手段(Bahorich and Farmer, 1995), 通过对研究区相干切片属性提取的结果表明(图 8): 峡谷区断裂较为发育, 主要由NNE向和NNW向2组“ X” 型走滑断裂和近EW向断裂组成。前人对该组断裂的研究认为(焦方正和翟晓先, 2008), “ X” 型走滑断裂和近EW向断裂形成于加里东中期, 并持续活动至海西早期, 是研究区主要的二级断裂。多期构造运动形成复杂的断裂及伴生裂缝, 较大程度地增加了水岩的相互作用。断裂对洞穴发育控制主要表现为:

(1)由于断裂附近岩层破碎程度较高, 使区域岩层形成一个破裂带, 为水的快速下渗提供了较好的前提和基础, 形成了地下水活动的高渗透性带, 洞穴的发育方向与断层走向显示出较好的对应性关系(图 9), NNE向和近EW向的断裂具有主控作用。(2)断裂、峡谷共同控制洞穴发育。峡谷地貌控制周围水动力场, 使区域地表、地下水向峡谷排泄, 而断裂控制了地下水运动的具体路径, 从而控制洞穴的发育。

图9

Fig.9

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	图9 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷区中下奥陶统顶面断裂分布Fig.9 Distribution of faults on the top of Middle-Lower Ordovician in karst canyon area in Tahe Oilfield, Tarim Basin

通过对峡谷区洞穴成因机理的分析, 结合古地貌、古水系特征, 以岩溶水文学、岩溶动力学为理论基础, 总结了峡谷区海西早期洞穴发育模式。

图10

Fig.10

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	图10 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷区暗河洞穴系统发育模式(中晚期的差异性在图中并不清晰)Fig.10 Development models of underground cave systems in karst canyon area in Tahe Oilfield, Tarim Basin

暗河洞穴发育分早、中、晚3个阶段。早期阶段(图 10-a), 岩溶水主要在地表完成径流和排泄, 峡谷横剖面表现为浅切割特征, 水流并未大规模转入地下; 中期阶段(图 10-b), 伴随着构造抬升, 流域排泄基准面发生变化, 地表水系表现出强烈的下切侵蚀作用, 岩溶水顺断裂逐渐向地下渗入, 并最终全部转入地下, 地表沟谷系统失去排驱功能, 完全“ 漏陷化” 而呈现干涸无水状态, 在峡谷上游段发育与峡谷平行的暗河洞穴, 暗河在峡谷下游端出露地表呈明河向南排泄; 晚期阶段(图 10-c), 由于差异构造抬深, 使地层逐渐向北西方向倾斜, 从而在峡谷出现了上游地势比下游地势低的现象, 但南部依然为稳定的岩溶水排泄点, 最终形成了该套洞穴层。在峡谷两侧, 断裂为岩溶水下渗通道, 在多期次排泄基面下降控制作用下, 形成了峡谷— 断裂共同控制下的多套洞穴层(图 11)。

图11

Fig.11

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	图11 塔里木盆地塔河油田岩溶峡谷— 断裂双控洞穴系统发育模式Fig.11 Development model of cave systems under control of canyon-fault system in karst canyon area in Tahe Oilfield, Tarim Basin

在现代岩溶地质考察中, 不乏类似的典型实例(刘峰, 2010)。如湖北恩施板桥地区, 由于较大的水动力梯度和多期次排泄基面下降, 使地表水持续快速下切, 在上游段大型深切岩溶槽谷底部发育了大型暗河系统, 槽谷底部可见多处竖井、落水洞、并成串珠发育; 在槽谷两侧的峰从上发育大量成层洞穴。因此, 从岩溶理论、地震剖面特征及岩溶地质考察等方面, 验证了作者提出的峡谷地区洞穴发育机理及发育模式的合理性。

1)古地貌恢复显示了塔河地区发育一大型岩溶峡谷, 峡谷上游段横剖面以深“ V” 字型为主, 地表水下蚀作用强, 峡谷系统失去了排水功能演变为干谷; 下游段横剖面以浅“ V” 字型为主, 水动力条件减弱。

2)峡谷区洞穴类型划分为暗河洞穴、峡谷— 断裂双控型洞穴。暗河洞穴主要发育在峡谷上游段, 分支暗河系统主要发育于峡谷东侧。主干暗河洞穴与峡谷呈“ 映射” 关系; 峡谷— 断裂双控洞穴发育于峡谷两侧, 垂向上具有多层性特征。

3)较充足的水源补给条件以及水流强烈的垂向侵蚀溶蚀作用控制了暗河洞穴发育, 多期次排泄基面下降以及断裂系统共同控制峡谷— 断裂双控洞穴的发育。

4)提出了峡谷区暗河洞穴、峡谷— 断裂双控洞穴发育模式, 通过对恩施板桥地区现代岩溶洞穴系统形成特征的剖析印证了上述两类古岩溶洞穴模式的合理性, 为下一步洞穴储集层预测和勘探实践提供理论借鉴。