塔里木盆地塔中地区鹰山组古地貌特征与识别

塔里木盆地塔中地区鹰山组古地貌特征与识别

风化壳是碳酸盐岩储量的主要成因之一。近年来，在中国中部和西部的石油气藏（塔里木、鄂尔多斯和四川）的深度上，风化壳中的油气藏继续被发现，吸引了许多石油史学家的注意。勘探实践表明,储层超越构造是此类油气藏的首要控藏因素。一般认为,风化壳储层的发育规律、展布形态很大程度上受控于古地貌,但经历深埋藏改造后其分布规律趋于复杂。目前,岩溶古地貌恢复的常用方法有残余厚度法、印模法、地球物理法和层序地层法,但是各有不足之处。前人研究表明,岩溶高地垂直淋滤带发育,斜坡区水平潜流带发育,而洼地则不发育岩溶。因此,可以利用单井资料进行岩溶带划分,平面上采用多点控制,最后根据岩溶带的平面展布特征就可以勾勒出古地貌形态。然而,有限的取心和低分辨率的常规测井无法对非均质性强的风化壳进行精细表征,因而这一方法的实施难度较大。成像测井作为一种先进的测井技术,近些年在各油田逐渐普及应用,是表征均质性较强的风化壳储层的理想手段,但将其系统地应用于岩溶古地貌重建的工作尚不多见。笔者针对塔中地区鹰山组风化壳,以成像测井为手段,结合岩心、常规测井资料,对区内45口井进行了精细岩溶要素表征,并在此基础上划分了岩溶结构单元,通过岩溶带的平面展布特征恢复了古地貌形态。研究结果表明,岩溶表征和古地貌反演方法具有较高精度和比较好的实用效果。1下奥陶统鹰山组沉积期岩石学特性塔中地区位于塔里木盆地塔克拉玛干沙漠腹地,构造上为一低凸起,是塔里木盆地中央隆起带的一个次级构造单元(图1)。塔中低凸起西与巴楚断隆相接,东与塔东低隆相连,呈NW向条带状展布,为早古生代继承性隆起,其在晚泥盆世前就已基本定型,之后虽有短期隆升过程,但总体上趋于持续深埋藏改造。在下奥陶统鹰山组沉积时期,塔里木盆地继承了寒武纪以来东盆西台的格局,塔中地区发育碳酸盐岩建造,为局限到开阔台地沉积环境。据地震勘探和钻井揭露,鹰山组厚700～1000m,上部为厚层状深灰、黄灰色白云岩与泥晶灰岩、砂屑灰岩不等厚互层,局部夹灰质白云岩、含灰质白云岩、白云质砂屑灰岩、白云质泥晶灰岩;下部为灰白、浅灰色白云岩夹白云质砂屑灰岩、砂屑灰岩。白云石含量总体表现出在垂向上从上到下逐渐增加的趋势。区域地层对比和生物地层学分析表明,该区大部分缺失中奥陶统,鹰山组与上覆良里塔格组之间呈角度不整合关系,鹰山组顶部遭受了长达10～14Ma强烈剥蚀、淋滤和风化,形成了广布塔中地区的碳酸盐岩风化壳岩溶储集体。2层间缝、洞穴和充填物特征成像测井的基本原理是测量井筒中环井壁的微电阻率值,然后在数据处理中将电阻变化配以一定的颜色。一般情况下用浅色代表高电阻率,深色代表低电阻率,这样电阻率曲线就被转换成合成的彩色图像,其具有高覆盖率、高分辨率、高直观性的特点。结合岩心和常规测井,可以识别多种表生岩溶要素:线状构造(扩溶构造缝、未扩溶构造缝、风化裂隙、层间缝等)、体状构造(如洞穴、角砾等)、斑状构造(如溶蚀孔洞)等。塔中地区鹰山组风化壳储层特征的一些典型成像测井响应如图2所示。基岩:未受到成岩改造的基岩原始沉积结构完整。由于纵向沉积成分的差异而导致电阻率不同,在成像图像上表现为规则明暗相间条带状[图2(a)];沉积成分一致而整体为高阻特征,成像图像上表现为亮色块状[图2(b)]。古土壤层:不整合表面的古土壤层泥质含量较高。成像图像上表现为不规则暗色条带状,相比于上、下基岩具有较高的GR值,且上、下地层差异较大,截切关系在成像测井上清晰可见[图2(c)、图2(d)]。裂缝:①扩溶构造缝。表生岩溶期开启的裂缝在充当流体疏导通道的同时,自身也被扩溶,一般沿缝形成串珠状孔洞,在成像测井上表现为不规则的暗色正弦线[图2(e)]。②未扩溶构造缝。形成于岩溶地质体在埋藏之后的构造改造作用,表现为规则的组合暗色正弦线[图2(f)]。③纵向风化缝。表现为不规则的组合纵向暗线,多发育于垂直淋滤带[图2(g)]。④层间缝。层间缝被现代岩溶学认为是表生岩溶系统中十分重要的地下水疏导通道,沿其扩溶初期形成层状孔洞,晚期形成洞穴[图2(h)]。溶孔:①层状溶孔。在区内风化壳中十分常见。这些孔洞明显与地层具有一致的产状,在成像测井上表现为较规则的组合暗斑状[图2(h)]。现代岩溶学研究认为这种层状溶孔很可能是层间缝在大气水的不均匀扩溶作用下形成的,是层间缝发育为洞穴的初始阶段。②分散溶孔。与层状溶孔相对应,在成像测井上表现为杂乱分布的暗斑状[图2(i)]。洞穴:未充填洞穴在钻井过程中会发生放空现象,容易识别。充填洞穴则可以利用成像测井结合GR曲线很好地识别。①泥质充填物由于电阻低而表现为暗色块状[图2(j)],且具有极高的GR值,是区内洞穴的主要充填物类型;②化学充填物(如钟乳石、石笋等)通常晶形完好,因此导电性极差,电阻率很高,在成像测井上表现为电阻最高的色彩(白色),而且化学充填物一般从洞穴的上部开始生长,因此位于洞穴顶部,相反泥质充填物是流水成因,一般位于洞穴底部[图2(k)];③洞穴内坍塌角砾在成像测井上一般表现为不规则亮斑状,呈现与基岩相同的色彩[图2(1)]。3有关溶解结构的描述3.1单元分析在单井岩溶要素表征的基础上,建立了各井的岩溶结构,将风化壳分为古土壤层、垂直淋滤带、水平潜流带。3.1.1上、下地层岩性岩相特征古土壤层是岩石风化作用的残积物,一般为黏土状皮壳层,厚度为数十厘米,表面凹凸不平,以其为界,上、下地层岩性岩相差异较大,在常规测井和成像测井上均有响应[图2(c)、图2(d)],属于风化壳岩溶结构的顶部单元。3.1.2沉积结构及特征垂直淋滤带,又叫包气带,是地表以下、潜水面以上的地质介质,是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换的地带。在垂直淋滤带,地表水沿着岩石破裂缝、孔隙向下淋滤,水体由于富含CO2而呈现酸性,对碳酸盐岩具有溶蚀性,在流动的过程中不断对通道进行溶蚀扩大,形成储集空间。通过成像测井对岩溶要素的精细解析可识别垂直淋滤带,现以ZG44井为例进行介绍。ZG44井位于十号带的西部(图1),钻遇鹰山组地层151m(未穿)。首先对其进行了单井岩溶要素的精细刻画[图3(a)],在此基础上总结了鹰山组全段的岩溶结构[图3(b)]。根据岩溶发育特征,ZG44井鹰山组自上而下可分为4段:(1)5695.1～5695.2m,古土壤层。以古土壤层为界,上、下地层差异明显,在成像测井和GR曲线上均有响应:上部地层为规则明暗相间条带状,表明沉积结构完整,无岩溶改造,同时GR曲线也呈现较高值,说明泥质含量高;下部地层岩溶现象明显,如5695.2～5696.2m有2条构造缝交叉,沿缝扩溶形成孔洞,裂缝整体表现为锯齿状暗色正弦线,同时GR曲线呈现低值,说明泥质含量低。(2)5695.2～5705.0m,岩溶发育段。可识别的岩溶要素有扩溶构造缝、层状溶孔、分散溶孔、纵向风化缝等,频繁交替出现。(3)5705～5741m,岩溶零星发育段。成像测井图像与之上10m截然不同,整体为明暗相间条带状(5706.0～5706.5m),说明沉积结构完整,岩溶不发育,仅局部零星可见岩溶现象,如扩溶构造缝(5707m)、分散溶孔(5720.5m)等。(4)5741m到井底,岩溶不发育段。成像测井图像整体表现为干净的棕黄色块状,部分可见层理(5742～5743m),不见岩溶改造现象,5754m至井底,成像测井延续了上述特征。由此可见,ZG44井鹰山组整段的岩溶特征是:从古土壤层开始,岩溶作用强度自上而下逐渐变弱,说明岩溶水来源于地表供给,导致离地表越远,岩溶作用越弱,与现代岩溶学中垂直淋滤带定义吻合。因此可以认为ZG44井垂直淋滤带发育。3.1.3不同层序古岩岩溶特征水平潜流带,又叫饱水带,是潜水面以下的地质介质,岩石空隙全部为液态水所充满。水平潜流带暗河发育,为地下河排泄的主要通道,是岩溶作用发生的中心,其上、下地层通过断裂或裂缝获得地下河水补给,可以发生岩溶作用。通过成像测井对岩溶要素的精细解析可识别水平潜流带,现以ZG43井为例进行解剖。ZG43井位于十号带的东部(图1),钻遇鹰山组地层111m(未穿)。在单井岩溶要素精细刻画[图4(a)]的基础上总结了鹰山组全段的岩溶结构[图4(b)]。根据岩溶发育特征,ZG43井鹰山组自上而下可分为7段:(1)5223.4～5223.7m,古土壤层。由于泥质含量较高,在成像测井上表现为不规则暗色条带,GR值较高。(2)5223.7～5252.4m,岩溶不发育段。与ZG44井不同的是,尽管此段紧邻古土壤层,但并未发生岩溶作用:成像测井表现为规则明暗相间条带状(5224～5225m)或是整体棕黄色块状(5230～5231m),表示地层沉积结构完整,后期岩溶改造弱。(3)5252.4～5263.0m,岩溶较发育段,可识别的岩溶要素有扩溶构造缝、层状溶孔、分散溶孔、层间缝等,各要素交替出现。(4)5263～5267m,岩溶不发育。相比于之上地层,图像整体显示为暗色,说明电阻率较低,同时GR值较高,均说明此段为泥质灰岩段。内部层理明显,表明岩石沉积结构完整,无后期岩溶改造。(5)5267～5279m,岩溶发育段。发育一套洞穴层,共4个洞穴,均被充填。充填物以泥质为主,其次为坍塌角砾,角砾表现为与围岩相同的色彩,泥质充填洞穴段GR值极高(最大值高于150API)。洞穴间隔层岩溶十分发育,如5270.0～5270.5m分散孔洞及扩溶构造缝、5275.0～5275.6m层状孔洞发育。(6)5279～5283m,岩溶较发育段。发育2条高角度扩溶构造缝,被其串联的层间缝也存在扩溶现象。(7)5283m到井底,岩溶不发育。由此可见,ZG43井鹰山组整段的岩溶特征是:古土壤层之下约30m地层中岩溶不发育;自30m深度(相对于土壤层)岩溶开始发育;40～45m(绝对深度为5263～5267m)间隔一段泥质灰岩,其下发育一套厚12m的洞穴层,再向下岩溶减弱;深度约60m(5283m)之后岩溶基本消失。岩溶作用以洞穴层为中心,向上、下地层扩散并逐渐减弱,说明岩溶水来源于洞穴(平面上可能为地下河)的补给。而紧邻洞穴层上方的泥质灰岩段没有发生岩溶,表明岩溶作用对岩性有选择性。以上特征与现代岩溶学中水平潜流带定义吻合,因此可以认为ZG43井水平潜流带发育。3.2风化壳储层鉴于垂直淋滤带和水平潜流带的识别对岩溶古地貌识别的重要性,笔者从岩溶发育位置、洞穴发育程度、岩溶水水源和裂缝类型4个方面归纳总结了二者的主要区别(表1)。中国其他地区风化壳储层(如塔河油田奥陶系、鄂尔多斯盆地马家沟组、冀中坳陷潜山等)的研究表明,风化壳是一类复杂的储集体,在钻井中一般出现垂直淋滤带与水平潜流带共同发育的情况,而且水平潜流带常发育多期洞穴,被认为是多期表生岩溶作用的叠加结果。相比之下,塔中地区鹰山组风化壳岩溶带的发育比较单一(以现有45口井为基础资料):①在一口钻井中通常只发育一个岩溶带,即少有垂直淋滤带和水平潜流带共存的现象;②在水平潜流带发育的钻井中,仅发育一套洞穴层。4恢复古代土地并与储存层和油气的关系4.1控制岩溶发育实际观察表明,沉积环境、裂缝/断裂、古地貌对岩溶结构起着重要的控制作用。①沉积环境控制着岩石的化学组成及结构,不同岩石类型对岩溶敏感性不同。ZG43井中(图4),5253～5283m岩溶强烈发育,但其间的5263～5267m泥质灰岩段岩溶不发育,说明岩溶对岩性具有选择性。②裂缝作为流体的疏导通道,对岩溶具有明显的控制作用。ZG46井与ZG44井都发育垂直淋滤带,但前者由于裂缝发育,淋滤带厚达60m,而后者仅发育十余米(图3)。由此可见,断裂作为更大级别的破裂,对流体的疏导能力更强,必定会显著地控制岩溶发育。③古地貌决定着岩溶区的水文体系,因此对岩溶发育也起着重要的控制作用。4.2研究区岩溶特征不同地貌单元具有不同的岩溶特征。岩溶高地由于地势高,距潜水面较远,地表水的水动力梯度高,向下渗透的能力强,而且地势高也有利于地表风化裂隙的发育,成为水向下渗透的通道,因此在岩溶高地垂直淋滤带一般比较发育(图3)。在岩溶斜坡区,由于地势低,比较接近潜水面,水的下渗能力弱,而且由于该地靠近洼地汇水区,雨水更易以地表径流的形式注入岩溶洼地,导致斜坡区垂直淋滤带不发育,但是高地汇水区的水流经过此处,水平潜流带一般比较发育(图4)。而在岩溶洼地,已经处于潜水面之下,岩溶不发育。依此思路,笔者根据塔中地区鹰山组45口井的岩溶要素表征和岩溶带划分成果为编图依据,绘制了塔中地区鹰山组岩溶古地貌(图5):①垂直淋滤带发育的钻井集中分布于十号构造带的西部单元,因此判断此地为岩溶高地;②水平潜流带发育的钻井多分布于十号带与一号带之间,因此判断此地为岩溶斜坡;③分布于一号带上的钻井,表生岩溶整体不发育,因此判断此地为岩溶洼地。综上所述,研究区的岩溶古地貌整体表现为从十号带向一号带逐渐变低的形态。此外,在上述3种岩溶地貌单元中还可识别出数个异常岩溶亚带,即单井岩溶结构与周边地貌不符,如ZG431井处于岩溶斜坡,但是岩溶不发育,说明该井当时可能处于一种不同于周边的微地貌单元。根据图6所示的岩溶剖面特征,可以看出从高地到斜坡再到洼地不同地貌单元的岩溶特征演化。其剖面垂直于一号带,各点的岩溶发育特征如下:TZ201C井和ZG462井位于十号构造带上,其岩溶结构与ZG44井相似,即垂直淋滤带发育,水平潜流带不发育。具体岩溶发育特征如下:2口井岩溶段都直接位于土壤层之下,岩溶作用主要沿岩石的各种破裂(如构造缝、风化缝、层间缝等)进行,形成扩溶缝、洞体系[图7(a)、图7(b)],未见大型洞穴;岩溶从土壤层开始,向下强度减弱,TZ201C井淋滤带发育至土壤层之下15m,ZG462井发育至土壤层之下23m;再向下不存在岩溶改造现象。ZG47井和ZG104井位于十号带与一号带之间,其岩溶结构与ZG43井相似,即垂直淋滤带不发育,水平潜流带发育。具体岩溶发育特征如下:岩溶作用发生于风化壳内部,在顶部并不见岩溶现象;两井均发育溶洞,ZG47井洞穴层(6062～6072m)距土壤层43m[图7(c)],ZG104井洞穴层(6206～6209m)距土壤层48m,以洞穴层为中心上、下地层发生岩溶,产生大量溶孔[图7(d)];ZG47井岩溶发育井段厚28m(6048～6074m),ZG10井岩溶发育井段厚30m(6194～6224m)。ZG101井位于一号带上,整井岩溶作用不发育[图7(e)],处于岩溶洼地。以典型剖面为实例,在上述古地貌框架下,提出了塔中地区鹰山组风化壳储层地质模型[图6(b)],以及研究区不同区域的储集空间形成机制:(1)十号带西部单元为岩溶高地。该区域地表远离潜水面,因此地表水具有较大的水力梯度,向下渗流的能力较强。雨水降落至地表后沿岩石的各种破裂向下渗流,在此过程中通道被溶蚀扩大,构成了淋滤带的主要储集空间。(2)十号带与一号带之间为岩溶斜坡。该区域地表离潜水面较近,因此水力梯度小,大气降水落到地表后向下渗流的能力较弱;此外,由于该地区靠近洼地的河流或湖泊,大气降水倾向于以更为快捷的地表径流形式注入河流,两者共同导致垂直淋滤带不发育。由于该区域处于高地注水区与洼地泄水区之间,是高地地表渗流水的必经之路,地下水在水平潜流的过程中,在断裂和裂缝的沟通下,向上、下地层疏导,将其中的孔隙系统扩溶,构成了潜流带的主要储集空间。(3)一号带在模型中为岩溶洼地。该地区地表即为潜水面,已处于地下水排泄口之下,因此岩溶不发育。4.3沉积型储层及古地貌古地貌对储层有明显控制作用,但并非所有储层都受控于古地貌(图5、表2)。在45口研究井中,共有32口产液井,其中27口位于岩溶高地和岩溶斜坡,说明古地貌对优质储层的分布具有明显控制作用。但也有多口岩溶不发育的井高产油气(水),如ZG5井处于岩溶洼地,成像测井显示岩溶不