随着地球物理技术的发展, 近年来, 梯度结构张量属性和精细相干属性广泛应用于与断裂相关的线性体的雕刻中(卢志强等, 2018; 王震等, 2019)。通过提取TH12402井区中下奥陶统以下40ms张量属性( 图 2-A)和鹰山组上段底界面( T76)精细相干属性( 图 2-B), 对该井区不同方向的断裂结构进行了刻画。

图 2

Fig.2

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	图 2 塔里木盆地塔河油田TH12402井区中下奥陶统断裂分布和岩溶古地貌(平面位置见 图 1-B) A— 中下奥陶统以下40ms张量属性; B— 鹰山组上段底界面精细相干属性; C— 中下奥陶统断裂体系平面分布; D— 中下奥陶统岩溶古地貌Fig.2 Fault distribution and karst paleogeomorphology in the Middle-Lower Ordovician of TH12402 well area in Tahe oilfield, Tarim Basin(plane location in Fig.1-B)

如 图 2-C所示, TH12402井区发育NNW和NNE两组不同方向的大型共轭走滑断裂, NNW向断裂位于AD20— TH12429井一线和TH12420— TH12437X井一线, NNE向断裂位于TH12540— TH12422井一线和TH12402— AD21井一线。其次, 在AD21— TS3-3— TH12318井一线发育1组NNW向不连续的次级断裂; 同时, 在TH12446— TH12404CH井一线东西两侧和TH12344— TH12203井一线发育多组NNE向次级断裂。值得注意的是, 除了普遍发育的NNW和NNE向断裂之外, TH12402井区发育多条相互平行的NWW向(或近东西向)延伸的次级断裂, 除了上奥陶统剥蚀区, 在上奥陶统覆盖区亦见分布; 这些断裂往往被限制在NNW和NNE向的断裂之间, 且断裂发育密度较大, 使得该井区TH12404CH和TH12412等钻井控制的范围内在梯度结构张量和精细相干属性上在呈现出“ 团簇状” 异常反射特征。这些地区可能代表了应力的释放区域, 亦可能是因为沿着断裂发生了一定程度的溶蚀而造成的。

此外, 张小兵等(2011)对塔河地区古构造演化的研究认为: (1)塔河西部地区加里东中期古构造格局呈现北高南低的格局, 应力场和构造轴部延伸方向为NNW向; (2)加里东晚期— 海西早期, 塔河西部的古构造格局发生扭转, 呈现东北高、西南低的格局, 应力场和构造轴部延伸方向为NEE向。

TH12402井区志留系覆盖区北部志留系超覆在中下奥陶统之上, 南部则显示出顶部削截的特征, 即志留系顶部 T60界面可能是剥蚀界面, 不能作为标志层。因此, 层拉平技术在该区并不适用(邓兴梁等, 2015), 应采用残余厚度法来恢复加里东中期Ⅲ 幕中下奥陶统的岩溶古地貌。从恢复的结果来看, 该区岩溶古地貌整体上呈现北高南低的特征, TH12440X— TH12448— TH12420— AD21井一线为岩溶地貌由高部位向低部位变化的转折带( 图 2-D)。此外, 通过志留系覆盖区中下奥陶统正负地形的分布来看, 该区三级岩溶地貌单元以岩溶残丘和洼地为主( 图 3-A)。

图 3

Fig.3

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	图 3 塔里木盆地塔河油田TH12402井区中下奥陶统岩溶地表古水系平面分布(平面位置见 图 1-B) A— 地表地形:橙色代表岩溶残丘, 蓝色代表岩溶洼地; B— 中下奥陶统顶部最大负曲率属性; C— 中下奥陶统顶面RGB(红绿蓝三色混频)属性; D— 地表古水系平面分布, 1-12为剖面编号Fig.3 Plane distribution of karst surface paleodrainage system in the Middle-Lower Ordovician of TH12402 well area in Tahe oilfield, Tarim Basin(plane location in Fig.1-B)

岩溶残丘主要为长条状, 呈NNW、NNE向分布, 部分呈近WE向分布; 残丘的幅度可达几毫秒至十几毫秒(几米至几十米), 与志留系分布区东侧加里东晚期— 海西早期岩溶古地貌的幅度相比, 明显减小(李源等, 2016)。这种类型的低幅度地貌单元与新疆柯坪地区西克尔剖面所揭示的岩溶地貌具有可比性, 岩溶地貌的分异程度相对较低, 以溶丘、溶痕和洼地等地貌单元为主(冯海霞等, 2010; 蔡忠贤等, 2020)。

趋势面分析和地震属性提取是重建深层碳酸盐岩层系古水系结构的主要途径(鲁新便等, 2014; 郭川等, 2016; 李源等, 2016)。通过提取塔河TH12402井区中下奥陶统岩溶地表正负地形分布图( 图 3-A)、中下奥陶统顶部最大负曲率属性图( 图 3-B)和RGB(红绿蓝三色)混频属性图( 图 3-C), 对该井区加里东中期Ⅲ 幕岩溶古水系进行了重建。尽管不同属性对识别不同地质背景下的地表古水系有所差异, 但是对于主干水系的识别均较为敏感, 可较为清晰地展现水系的延伸方向和宏观分布。

地表地形图(图3-A)、最大负曲率属性图(图3-B)和RGB混频属性图(图3-C)上分别显示为天蓝色、深蓝色和暗棕色或暗绿色的连续线性体。对于分支水系结构的识别, RGB混频属性相比而言最为敏感, 它能较为清楚地展示水系的细微特征, 如TH12445井附近水系呈现出明显曲流河特征( 图 3-C)。

塔河TH12402井区中下奥陶统岩溶地表水系( 图 3-D)具有以下几个方面的特征: (1)可识别出2条主干水系(Rs1和Rs2)和4条分支水系(Rs11、Rs12、Rs13和Rs21), 其中Rs11、Rs12、Rs13为Rs1的分支水系, Rs21为Rs2的分支水系; (2)主干水系自北向南汇流, 分支水系相对欠发育; (3)主干水系的蛇曲特征异常显著, 下切深度极为有限, 水系的宽度远远大于水系的下切深度( 图 4); (4)从岩溶古水系横剖面所显示的特征来看, 沿着水系的延伸方向, 河床高程整体较为稳定, 未出现“ 梯级型” 变化结构( 图 4)(李源等, 2016)。

图 4

Fig.4

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	图 4 塔里木盆地塔河油田TH12402井区中下奥陶统地表水系横剖面(剖面编号和位置见图3-D)Fig.4 Transversal profiles of surface water system in the Middle-Lower Ordovician of TH12402 well area in Tahe oilfield, Tarim Basin(profile number and location in Fig.3-D)

地震强振幅异常和高频衰减梯度属性、RGB混相分频等是识别岩溶洞穴形态和边界的有效手段(鲁新便等, 2014; 胡华锋等, 2018)。利用塔河TH12402井区中下奥陶统顶面以下7~67ms平均绝对振幅( 图 5-A)和中下奥陶统界面以下40ms混频属性( 图 5-B), 并结合洞穴实钻井约束来联合刻画该井区岩溶洞穴的平面结构。

图 5

Fig.5

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	图 5 塔里木盆地塔河油田TH12402井区中下奥陶统古岩溶洞穴平面分布(平面位置见 图 1-B) A— 中下奥陶统顶面以下7~67ms平均绝对振幅; B— 中下奥陶统顶面以下40ms RGB(红绿蓝三色混频)属性; C— 岩溶洞穴平面分布Fig.5 Plane distribution of paleokarst caves in the Middle-Lower Ordovician of TH12402 well area in Tahe oilfield, Tarim Basin(plane location in Fig.1-B)

如 图 5-C所示, TH12402井区岩溶洞穴以孤立状分布为主; 同时, 在TH12404CH、TH12447X和TH12402等钻井控制的范围中发育多分支洞道样式, 以迷宫状洞穴为主, 总体上呈NWW向(或近东西向)展布, 且其西北端为洞道的上游, 东南端为洞道的下游。按照Frumkin和Fischhendler(2005)对洞穴类型的划分, 该区并未形成综合型洞道系统(integrated cave system), 而是以孤立洞穴(isolated cave)为主。

由于与灰岩物质组成的差异性, 岩溶洞穴发育段往往在测井曲线上具有强烈的响应特征(康志宏等, 2014; 王晓畅等, 2017), 主要表现为自然伽马值增大、深浅侧向电阻率降低、中子孔隙度和声波孔隙度增大以及密度孔隙度减小; 同时, 洞穴段的测井曲线多呈箱形或者弓形( 图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 塔里木盆地塔河油田TH12402井区中下奥陶统不同类型洞穴测井响应特征Fig.6 Logging response characteristics of different types of caves in the Middle-Lower Ordovician of TH12402 well area in Tahe oilfield, Tarim Basin

TH12402井区实钻井洞穴规模差异十分明显, 根据洞穴段厚度的大小可划分为小于5m、5~10m、10~30m和大于30m的洞穴( 图 7)。TH12402井区31口实钻井中下奥陶统洞穴井段的统计结果显示, 厚度小于5m和5~10m的洞穴占比为71.8%, 分别为17个和11个, 10~30m和大于30m的洞穴占比为28.2%, 分别为8个和3个。

图 7

Fig.7

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	图 7 塔里木盆地塔河油田TH12402井区中下奥陶统岩溶洞穴充填类型(平面位置见 图 1-B)Fig.7 Filling types of paleokarst caves in the Middle-Lower Ordovician of TH12402 well area in Tahe oilfield, Tarim Basin(plane location in Fig.1-B)

按照洞穴充填程度的差别, TH12402井区岩溶洞穴可划分为未充填、部分充填和全充填3种类型。其中, 未充填洞穴段井径扩径明显、深浅侧向电阻率值整体降低( 图 6-A); 部分充填洞穴段井径扩径忽高忽低、深浅侧向电阻率值波动变化( 图 6-B); 全充填洞穴段几乎不显示扩径特征、深浅侧向电阻率值整体降低且略有差别( 图 6-C)。TH12402井区31口实钻井中下奥陶统洞穴井段中以未充填为主, 占比为77.0%, 部分充填和全充填洞穴仅分别占17.9%和5.1%。康志宏等(2014)和王晓畅等(2017)对不同类型的洞穴充填程度的测井响应范围进行过详细报道, 在此不再赘述。

通过塔河TH12402井区岩溶洞穴的追踪, 发现孤立状分布的洞穴表现为“ 强串珠” 状反射(图8-A), 且大部分串珠始于不整合面, 而迷宫状洞道在地震上显示为“ 连续强反射” 特征( 图8-B)。 值得指出的是, 地震剖面上所显示的洞穴发育深度较为稳定, 一般位于不整合面以下16~32ms。为了进一步揭示洞穴的垂向分布特征, 构建了实钻井洞穴连井对比剖面( 图 9), 发现洞穴主要位于不整合面以下40~100m, 这与地震剖面上显示的洞穴发育部位是一致的。

图 8

Fig.8

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	图 8 塔里木盆地塔河油田TH12402井区中下奥陶统岩溶洞穴地震反射特征 A— 岩溶洞穴分布及地震剖面位置(平面位置见 图 1-B); B— 南北向孤立状岩溶洞穴地震剖面; C— 近东西向迷宫状洞道地震剖面Fig.8 Seismic characteristics of karst caves in the Middle-Lower Ordovician of TH12402 well area in Tahe oilfield, Tarim Basin

图 9

Fig.9

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	图 9 塔里木盆地塔河油田TH12402井区中下奥陶统岩溶洞穴连井对比Fig.9 Correlation of karst cave in the Middle-Lower Ordovician of TH12402 well area in Tahe oilfield, Tarim Basin

将塔河TH12402井区中下奥陶统地表地形、地表水系、断裂体系与岩溶洞穴相叠合(图10), 发现: (1)岩溶洞穴的发育与岩溶地貌并没有直接的关联性, 在不同类型的岩溶地貌单元中岩溶洞穴均有分布; (2)洞穴的发育“ 穿山越岭” , 并不受限于地表沟谷所控制的流域边界; (3)在TH12404CH和TH12412等井控制的在梯度结构张量和精细相干属性上呈“ 团簇状” 异常反射的地区, NNE和NWW两组方向的走滑断裂控制了岩溶洞穴的平面分布和延伸方向, 且与NWW向断裂西北端相比, 东南端洞穴发育的规模更大; (4)洞穴的平面分布范围受到上奥陶统尖灭线的制约, 几乎全部分布在上奥陶统尖灭线以北的志留系覆盖区。

加里东中期Ⅲ 幕构造运动时期, 塔河TH12402井区中下奥陶统顶部呈现北高南低的古地貌格局, 这与上奥陶统尖灭线呈东西向延伸的地层展布特征是一致的( 图 2-D)。然而, 岩溶地貌的瓦解和分异能力并不充分, 没有形成类似于塔河油田主体区的岩溶峰丛— 洼地等高幅度地貌单元, 而是以低幅度的溶丘— 洼地为主( 图 3-A)。因此, 在该岩溶地貌背景中, 地表降水所具备的水力梯度相对有限, 在一定程度上制约了地表水向地下的迅速转换过程, 洞穴以孤立洞穴(isolated cave)为主, 从而在志留系覆盖区形成了并不成熟的喀斯特二元(地表和地下)流场结构。

受到低幅度岩溶地貌的影响, 塔河TH12402井区仅发育2条南北向汇流水系, 且分支水系相对欠发育( 图 3-D); 同时, 岩溶水的排泄基准面相对较低, 且比较稳定( 图 4)。因此, 地表水的汇流量和汇流速度远不及以峡谷为代表的岩溶区。

张小兵等(2011)对塔河油田不同时期的古构造背景进行过相对系统的研究, 并指出加里东中期中下奥陶统顶面呈现出西高东低的格局。笔者据此成果勾绘了塔河TH12402井区古构造等值线, 并与岩溶洞穴和岩溶古水系的分布相叠合( 图 10), 发现: (1)在加里东中期, 塔河TH12402井区处于NW向延伸的次一级鼻状构造部位; (2)该井区岩溶古水系主要是沿着鼻状构造的轴部分布; (3)该井区岩溶洞穴主要分布在鼻状构造的两翼, 且以南翼为主。这与洞穴发育时地下水动力场的方向有关, 无论是地表水还是地下水, 总体的流向是自北向南的。因此, 该鼻状构造控制了地下水的汇流及其平面分布范围。

图 10

Fig.10

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	图 10 塔里木盆地塔河油田TH12402井区中下奥陶统岩溶洞穴与断裂叠合图(平面位置见 图 1-B)Fig.10 Superimposed map of karst caves and faults in the Middle-Lower Ordovician of TH12402 well area in Tahe oilfield, Tarim Basin(plane location in Fig.1-B)

值得重视的是, 上奥陶统桑塔木组碎屑岩作为非可溶性岩层, 其东西向分布的地层尖灭线对岩溶洞穴的分布极具影响( 图 10)。塔河TH12402井区的迷宫状岩溶管道未超越上奥陶统尖灭线进一步向南延伸, 主要是由于加里东中期Ⅲ 幕地表暴露时期, 上奥陶统非可溶性地层作为隔水层, 阻碍了岩溶水向南流动( 图 11-A)。

图 11

Fig.11

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	图 11 塔里木盆地塔河油田TH12402井区 A— 南北向孤立状洞穴发育模式; B— 近东西向迷宫状洞道发育模式中下奥陶统岩溶洞穴发育模式(剖面位置见图8-A)Fig.11 Karst cave development pattern in the Middle-Lower Ordovician of TH12402 well area in Tahe oilfield, Tarim Basin(profile location in Fig.8-A)

塔河油田TH12402井区岩溶洞穴平面分布最主要的控制因素是NNE和NWW 2组方向的走滑断裂, 而且迷宫状的洞道网络几乎都沿着NWW向(或近东西向)的断裂延伸。这种特征说明加里东中期岩溶水主要受到NWW向断裂的输导, 该断裂控制了水的流向。从塔河TH12402井区的古构造条件来看, NNE和NWW向走滑断裂分别代表了1组倾向断裂和走向断裂。因此, 鼻状构造南翼的走向断裂形成了一堵“ 隔水墙” , 阻挡了地下水进一步向南流动, 而只能沿着断裂延伸方向流动。从洞道的连续追踪剖面来看, 岩溶水最终排泄到临近的地表河中( 图 11-B)。

综上所述, 尽管塔河TH12402井区发育喀斯特流域二元结构, 但是岩溶地貌幅差小、水力梯度弱、汇水量小, 岩溶洞穴主要受NW向鼻状构造和上奥陶统尖灭线控制, 沿着NWW向走向断裂延伸。因此, 笔者构建了平缓岩溶地貌区走向断裂汇流型岩溶洞穴模式( 图 11)。该模式主要有以下特点: (1)主要为加里东中期Ⅲ 幕表生岩溶作用; (2)发育完整的喀斯特流域二元结构(地表和地下); (3)洞穴网络主体发育于东南倾向的鼻状构造南翼; (4)洞穴平面上受控于上奥陶统尖灭线和NWW向走向断裂; (5)垂向发育1层洞穴, 井间具有可对比性, 最终排泄到地表河中。