塔河油田奥陶系古岩溶洞穴充填物时代鉴别特征及其储集意义.pdf

洞穴充填物的充填时代分析能够帮助认识洞穴的形成过程、充填结构序列和储集空间发育规律。塔河油田奥陶系岩溶洞穴受到物理充填作用的显著影响,其充填物的时代鉴别特征及其对储集空间发育的影响缺乏系统的分析。基于塔河油田奥陶系地质背景、岩心、测井、测年及产能资料的分析,认为:(1)灰绿色层理构造钙质砂岩和泥质粉砂岩为搬运充填成因,与裂缝共生的灰绿色泥质粉砂岩为渗流充填成因,它们的充填时代为海西早期,杂色砾岩的砾石成分复杂,磨圆分选较好,颗粒支撑,也为搬运充填成因,但充填时代为加里东晚期;(2)角砾岩的角砾成分一致,磨圆分选差且被灰绿色渗流泥充填,为海西早期洞穴掩埋时垮塌充填的结果,无渗流泥充填的角砾岩,裂纹化且多含方解石或沥青,多发育在洞穴顶部,为深埋藏阶段垮塌作用的结果;(3)岩溶洞穴缝洞储集体控制因素十分复杂,洞穴掩埋期的搬运、渗流与垮塌作用多产生泥质充填,储集性差;深埋藏期垮塌作用,产生次级裂缝且无泥质充填,储集性好,洞穴顶部及上部为有利储层发育位置。本研究为岩溶洞穴形成过程和油气藏高效开发提供有价值的参考。关键词:古岩溶洞穴;缝洞储集体;充填时代;垮塌充填;奥陶系;塔河油田中图分类号:P 6 4 2.2 5;P 6 1 8.1 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-2 3 2 1(2 0 2 3)0 4-0 0 6 5-0 0 1 10 引言古岩溶洞穴一般会在物理和化学作用下形成大量的化学堆积、流水堆积、崩塌堆积和生物堆积等1。塔河油田奥陶系碳酸盐岩油藏储集空间主要为古岩溶洞穴相关的缝洞储集体2-8。塔河油田主体区历经数十年的勘探开发,在洞穴充填物的识别特征9、充填结构1 0-1 1、岩溶洞穴形成模式1 2-1 3和预测方面1 4-1 5已经得到较为明确的认识。洞穴充填物的充填时代分析能够帮助认识洞穴形成过程、洞穴结构、充填规律和储集空间发育规律1 6。在塔河油田充填时代分析方法和充填时代认识上,前人主要分析充填物尤其是化学充填物的地球化学特征,并结合洞穴构造背景及发育过程,提出充填时代、岩溶作用期次的认识1 7-2 3。如在轮东1井中基于古生物及元素地球化学资料,提出该井洞穴形成于前石炭纪,并提出洞穴经历了3期演化1 7;基于砂泥质充填物微量元素分析,提出石炭纪早期海侵充填的认识1 8;基于洞穴巨晶方解石中同位素分析,认为形成于海西晚期并叠加喜山期的影响1 9;利用锶同位素区分加里东中期及海西早期两期岩溶作用2 0;从构造演化的角度厘定了鹰山组沉积期混合水岩溶和抬升暴露2 1;基于生长指数、垂向海拔及宽体评价,提出塔河岩溶塌陷主要在巴楚组时期形成2 2。前人也针对洞穴充填物开展了自生伊利石K-A r测年工作,并形成充填时代定量的认识2 3,但是分析结果受到样品质量、数量的影响。由此可见,基于洞穴内充填物的充填时代分析及其不同时代对应的岩石学鉴别特征方面的工作仍未系统开展。塔河油田岩溶缝洞储集体的形成影响因素十分复杂,不同的洞穴类型有不同的缝洞结构及连通性,储层发育程度有明显差异,岩溶期古地貌、潜水面升降和埋藏期断裂活动控制了缝洞单元的形成2,1 3。在岩溶塌陷及其储集响应方面,前人也开展了大量研究工作:明确3种角砾岩,并依据3种定量指数评价提出表生塌陷、早石炭世负载塌陷及海西晚期断控塌陷,指出负载及断控塌陷是有利油气潜力区2 4;后期表生岩溶塌陷体最具油气开发潜力2 2;洞穴的充填作用整体上会对储集空间的形成产生消极的影响2 3-2 4,但差异的洞穴构型和垮塌作用会产生不同的储集响应2 4-2 8。由此可见,充填作用尤其是不同阶段的垮塌充填作用对塔河洞穴储集空间形成影响的认识需要进一步深化。塔河油田主体区面积超过4 0 0 k m2,有大量钻井及取心井资料。本次研究以主要取心井(T 6 1 5、T 2 0 7、T 7 0 2、T 4 0 3、S 4 7、T h 1 2 1 2 4和T h 1 2 1 1 2)资料为基础(图1 A),开展洞穴充填物特征描述和成因分析总结。结合洞穴形成地质背景及微观测年分析,明确洞穴充填物的充填时代,并形成不同充填时代对应的岩石学鉴别特征的总结。结合测井、地震和试油资料,开展充填作用对缝洞体储集能力的影响分析,为碳酸盐岩洞穴型储层的研究和油藏精细开陈 轩,刘王涵,鲍 典,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)6 7 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)发提供有价值的参考。1 地质背景塔河油田位于塔里木盆地北部(图1 A),奥陶纪塔河油田整体为碳酸盐岩台地背景,从下至上依次发育蓬莱坝组白云岩、鹰山组白云岩及灰岩、一间房组灰岩、恰尔巴克组 良里塔格组灰岩和桑塔木组碎屑岩(图1 B)。在多期构造运动作用下,奥陶系A塔河油田主要钻井分布图;B塔河油田地层单元及构造期次综合柱状图;C地层接触关系地震响应剖面,地震剖面位置见A中P 1。图1 塔河油田地质背景图F i g.1 G e o l o g i c a l s e t t i n g o f t h e T a h e O i l f i e l d碳酸盐岩经历了多次岩溶暴露,主要包括:加里东I幕及I I幕时期,一间房组(T74)、良里塔格组(T72)顶面遭受短期岩溶暴露(图1 B);加里东I I I幕时期,塔河油田区发生强烈隆升剥蚀,造成志留系柯坪塔格组与奥陶系之间的不整合(T70),奥陶系被强烈剥蚀;海西早期,再一次整体抬升并遭受剥蚀,剥蚀程度自南西向北东逐渐增大,中下奥陶统一间房组及鹰山组灰岩直接暴露地表(图1 B),造成T60界面与下伏T74界面及T76界面重合;早石炭世发生大规模的海侵,巴楚组海相沉积物超覆在奥陶系岩溶风化壳之上,早海西期风化壳岩溶结束(图1 C)。石炭纪之后相继沉积了二叠纪和三叠纪地层。塔河油田经历多旋回复杂构造运动,期间产生了中奥陶世末、晚奥陶世末、志留纪末等多个阶段的不整合面,其中对塔河油田岩溶作用影响较大的构造运动阶段为加里东中末期及海西早期2。2 充填物类型受多期构造运动影响,塔河油田奥陶系碳酸盐岩地层内发育多条从北至南的岩溶暗河体系,造成岩溶洞穴储集体广泛发育2 9。从广义上讲,地下暗河内充填物主要为流水携带沉积物及洞穴垮塌相关6 8 陈 轩,刘王涵,鲍 典,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)的产物。基于岩心资料,分析岩心的颜色、岩性、结构、沉积构造及韵律等沉积学特征,将塔河油田奥陶系暗河洞穴内充填物进一步识别为搬运充填物、渗流充填物和垮塌充填物3类。A灰绿色钙质细砂岩,小型平行层理(P b)及正粒序(H b),T 7 0 2,5 6 9 7.3 7 m;B褐灰色粉砂岩,沙纹层理(W b),含油,T 6 1 5,5 5 3 6 m;C浅灰色钙质砂岩,块状构造(M),T 6 1 5,5 5 5 6.7 6 m;D钙质砂岩,石英颗粒(Q t z),少量暗色岩屑(T g),颗粒间为方解石胶结(C a l),T 6 1 5,5 5 5 6.7 6 m;E杂色细 中砾岩,砾石成分复杂(灰色、白色与暗色,表明不同的砾石成分)(P),次圆状,颗粒支撑(S s),S 4 7,5 4 4 1.4 m;F灰绿色含砾泥质粉砂岩,砾石成分一致(灰岩角砾),砾石大小不一,磨圆及分选差(P),泥质杂基支撑(M s),T 6 1 5,5 5 3 8 m。图2 塔河油田奥陶系洞穴搬运充填物岩石学特征F i g.2 P e t r o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f O r d o v i c i a n c a v e f i l l d e p o s i t e d v i a t r a n s p o r t i n t h e T a h e o i l f i e l d2.1 搬运充填物搬运充填物主要为地下暗河内流水作用相关的沉积产物,主要岩性为富含各种层理构造的碎屑岩。其主要沉积学特征为:(1)灰绿色钙质粉砂岩、粉砂岩和泥质细粉砂岩,见平行层理、沙纹层理及块状层理等(图2 A、B、C),砂岩颗粒组分主要为石英及灰质颗粒(图2 D),该沉积组合与河流相沉积特征相似,具有牵引流的沉积特点。相对于灰岩地层,常规测井响应上,一般具高声波时差值(A C)、高自然伽马值(G R)及高中子值(C N L)的特点,成像测井(F M I)呈暗色水平状(图3);(2)杂色细 中砾岩,砾石呈次圆状,砾石成分复杂,主要为泥晶灰岩、砂屑灰岩及岩屑等,颗粒支撑,解释为暗河洞穴内牵引沉积;(3)灰绿色含砾石泥质粉砂岩,砾石磨圆分选差,砾石成分为灰岩,砂泥质杂基支撑(图2 F),解释为流水作用下快速堆积的沉积成因。与砂岩相比较,砾岩和含砾泥质粉砂岩声波时差值、自然伽马值和中子值相对较低,但要高于围岩,而成像图像上见较亮的条带状、斑状,且夹杂在暗色水平层内(图3)。2.2 渗流充填物渗流充填物为流水携带沉积物渗流到裂缝及小型空间内形成的沉积物。岩性主要为灰绿色砂泥质物质,沉积结构复杂,沉积构造不明显,多在裂缝及角砾间发育(图4)。渗流充填物主要产出在裂缝及小型空间内,因此测井响应不明显。2.3 垮塌充填物洞穴内垮塌充填物是洞穴上覆压力作用造成洞穴失稳,从而洞穴周缘岩石垮塌掉落的产物。其主要鉴别特征为角砾岩,角砾大小不一、成分单一(与围岩一致)(图4 B)。垮塌角砾岩多发育在洞穴底部或中部,洞穴上部也常见(图3)。角砾无明显流水作用的痕迹,角砾间多被渗流泥(图4 B)或方解石充填。垮塌充填物在常规测井响应上与搬运角砾岩相似,成像图像显示厚层的亮斑状(图3)3 充填时代3.1 搬运及渗流充填物的充填时代洞穴充填物充填时代可以从定性及定量角度来分析。定性方面:从地质背景入手,从宏观沉积学描陈 轩,刘王涵,鲍 典,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)6 9 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)图3 塔河油田奥陶系洞穴充填特征柱状图F i g.3 S t r a t i g r a p h i c c o l u m n d i a g r a m o f t y p i c a l O r d o v i c i a n k a r s t c a v e i n t h e T a h e o i l f i e l d述及微量元素的角度,对比分析洞穴内充填物与洞穴上覆沉积物差异,定性总结充填物的形成时代。定量方面:洞穴充填物的自生伊利石定年可以相对准确地反映充填物形成时间;洞穴充填物的锆石测年可以反映充填物母岩的来源及形成时代,结合古岩溶背景,推测充填物形成时代。构造地质背景研究表明,加里东运动晚期和海西运动早期两个构造阶段对塔河油田风化壳岩溶的形成影响最为关键2。从洞穴物理作用充填物的宏观沉积学特征、稀土元素分配模式及自生伊利石K-A r测年可以看出:(1)统计与总结工区内T 6 1 5井、T 2 0 7井及T 4 0 3井典型洞穴充填物的沉积学特征,发现搬运充填物及渗流充填物的颜色主要为灰绿色,其主要成分为粉砂和泥质粉砂(图2 A、B、C、F,图3,图5 A、C),而洞穴上覆石炭系巴楚组底部的沉积物也是灰绿色,其主要成分同样为粉砂及泥质粉砂(图5 F);(2)从3个搬运充填物样品(图6:T 6 1 5-5 5 3 8 m、T 6 1 5-5 5 3 6 m、T 2 0 7-5 5 5 0.6 m)、1个巴楚组泥质粉砂岩样品(图6,T 6 1 5-5 5 1 6.1 m)的稀土元素分配模式也可以进一步看出,两者的元素占比及分配模式均有着很强的相似性(图6);(3)两个灰绿色充填物样品(图5 A、2 F)的自生伊利石K-A r测年的结果为晚泥盆世(表1),该时间与早海西期构造运动时间接近。由此可以认为,洞穴内灰绿色搬运和渗流充填物应该与巴楚组沉积时期的海侵作用相关,进一步理解为这类充填物的形成时代与巴7 0 陈 轩,刘王涵,鲍 典,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)A浅灰色砂屑灰岩,不规则裂缝被灰绿色砂泥物质充填(S m),T 4 0 3,5 4 9 7.9 m;B角砾岩,角砾成分均为浅灰色砂屑灰岩(P),角砾大小不一、棱角状,被灰色砂泥物质充填(S m),T 6 1 5,5 5 5 7.4 5 m。图4 塔河油田奥陶系洞穴渗流充填物及垮塌充填物岩石学特征F i g.4 P e t r o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f O r d o v i c i a n c a v e f i l l d e p o s i t e d v i a s e e p a g e a n d c o l l a p s e s e t t l e m e n t i n t h e T a h e o i l f i e l dA灰绿色钙质粉砂砂岩夹浅灰色砾岩,砾石成分为灰岩,磨圆较好(P),T 2 0 7,5 5 5 0.6 m;B杂色中砾岩,砾石成分复杂,砾石磨圆分选较好,颗粒支撑,T 4 0 3,5 5 4 0 m;C灰绿色含细砾粉砂岩,S 4 7,5 9 3 6 m;D杂色砾岩,砾石成分多样,磨圆分选较好,T H 1 2 1 2 4,5 9 1 6.1 m;E含砾砂岩,砾石成分复杂,含油,T H 1 2 1 1 2,5 8 0 6.8 m;F灰绿色粉砂质泥岩,T 6 1 5,5 5 1 6.1 m。样品A-E为奥陶系洞穴充填物;F为石炭系巴楚组沉积物。图5 奥陶系洞穴充填物(A E)及石炭系巴楚组(F)样品沉积学特征照片F i g.5 P h o t o s o f t y p i c a l O r d o v i c i a n c a v e-f i l l s p e c i m e n(A-E)a n d s e d i m e n t f r o m t h e C a r b o n i f e r o u s B a c h u F o r m a t i o n u s e d f o r b u r i a l a g e d e t e r m i n a t i o n(F)陈 轩,刘王涵,鲍 典,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)7 1 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)注:微量元素由长江大学测试完成,电感耦合等离子质谱仪(I C P M S-2 0 3 0);T 6 1 5-5 5 3 8 m对应井号和样品深度。图6 灰绿色洞穴搬运充填物与巴楚组灰绿色沉积物稀土元素分配模式F i g.6 R a r e e a r t h e l e m e n t d i s t r i b u t i o n p a t t e r n s o f g r a y-g r e e n c a v e f i l l d e p o s i t e d v i a t r a n s p o r t a n d g r a y-g r e e n c l a s t i c r o c k s o f t h e B a c h u F o r m a t i o n楚组早期沉积时期一致,即石炭系巴楚组早期充填,从构造运动上理解为海西运动早期(巴楚组沉积期)。在搬运充填物中有一类特殊的岩性 杂色砾岩,其砾石成分复杂,磨圆分选较好。其中,一个样品(图5 B)的自生伊利石测年的结果为晚奥陶世(表1),表明这个样品的沉积时期为晚奥陶世;两个样品的(图5 D、E)的锆石测年的绝对年龄范围为5 5 6 4 9 0 M a(表1)(图7),表明砾石的母岩形成时间为早寒武世早奥陶世。尽管自生伊利石测年样品有限,锆石测年并不能直接反映沉积物形成时间,但是综合构造背景(塔河地区古生代经历了3幕加里东运动的影响)、岩石学和测年的结果,可以认为这类砾石的形成时代主要为加里东运动晚期,具体理解为:(1)加里东晚期构造活动最为强烈;(2)杂色砾石说明母岩来自多个沉积地层,且锆石测年结果反映母岩来源的多样性;(3)自生伊利石测年结果表明角砾岩形成于晚奥陶世,与加里东I I I幕时间上吻合。加里东I I I幕构造活动造成塔河地区强烈隆升,并遭受溶蚀形成古岩溶洞穴,流水携带多套老地层相关的砾石在洞穴中堆积。因此,这类杂色砾岩主要为加里东末期岩溶洞穴内搬运作用的产物。3.2 垮塌充填物的充填时代及充填序列洞穴达到一定规模后,随着溶蚀作用继续发育及上覆地层的压实,洞穴会在不同阶段发生不同形式的垮塌3 0。洞穴垮塌最直接的产物为垮塌角砾岩,它具有角砾大小差异大、角砾成分基本一致(来自围岩)的特点。根据垮塌阶段时序上的差异,可表1 塔河油田奥陶系洞穴充填物测年及充填时代分析表T a b l e 1 O r d o v i c i a n c a v e-f i l l d a t i n g d a t a f o r s p e c i m e n A E样品照片岩性井号深度/mK-A r测年锆石测年/M a充填时代分析图5 A灰绿色钙质砂岩T 2 0 75 5 5 0.6晚泥盆世海西早期图5 F灰绿色含砾钙质砂岩T 6 1 55 5 4 0.7晚泥盆世海西早期图5 B杂色砾岩T 4 0 35 5 4 0晚奥陶世加里东晚期图5 D杂色砾岩T H 1 2 1 2 45 9 1 6.14 9 0(早奥陶世)加里东期图5 E含砾砂岩T H 1 2 1 1 25 8 0 6.85 5 6(元古宙早寒武世)加里东期注:锆石测年由核工业北京地质研究院完成,仪器型号为:N u P l a s m a I I 型多接收电感耦合等离子体质谱仪、G e o l a s 1 9 3准分子固体激光器。检查方法和依据:H D B/T 3 0 0 22 0 1 6 激光剥蚀电感耦合等离子体质谱U-P b同位素定年方法;K-A r测年资料源自参考文献2 3。左样品图5 D,2 3个点,年龄(4 9 0 6 4)M a;右样品图5 E,1 9个点,年龄(5 5 6 1 0 0)M a。图7 锆石测年数据分布及结果图F i g.7 Z i r c o n a g e d i s t r i b u t i o n g r a p h s a n d d a t i n g r e s u l t s f o r s p e c i m e n D a n d E7 2 陈 轩,刘王涵,鲍 典,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)以进一步分为建造期洞穴垮塌、掩埋期洞穴垮塌及深埋藏期洞穴垮塌。三者的鉴别主要考虑:(1)垮塌角砾岩在洞穴体系中的发育部位,洞穴建造期垮塌角砾岩一般发育在洞穴下部,掩埋期垮塌一般发育在洞穴上部,深埋期垮塌主要发育在洞穴体系之上;(2)角砾之间的充填情况。A角砾岩,灰绿色渗流泥(G s)不规则充填角砾间;B裂纹化角砾岩,不规则裂缝间含油(B t);C灰绿色平行层理粉细砂岩;D角砾岩,灰绿色渗流泥渗流泥(G s)充填角砾间。图8 塔河油田奥陶系T 6 1 5井洞穴垮塌充填序列特征图F i g.8 C o m p o s i t e w e l l l o g f o r w e l l T 6 1 5 s h o w i n g t h e o r d e r o f c o l l a p s e f i l l i n g以T 6 1 5井洞穴充为例(图8),该井洞穴下部、中部及上部均发育灰绿色渗流泥角砾岩(图3 B,图8 A、D),结合基于前述灰绿色砂泥沉积物的形成时代的认识,具有灰绿色砂泥充填的角砾岩可以解释为巴楚组海侵时期(洞穴掩埋期)的垮塌,而洞穴体系上部无砂泥质充填物且裂纹化的角砾岩,可以解释为深埋期垮塌。由此可以进一步解释:T 6 1 5井洞穴形成的时期为巴楚组海侵之前,可能与海西早期构造运动相关;洞穴底部及中部存在多期掩埋期垮塌角砾岩,两层垮塌角砾岩之间还发育灰绿色搬运砂岩沉积(图8 C)。这种复杂的充填序列揭示了掩埋期垮塌存在多期性,预示着洞穴垮塌期次、成因的复杂性。此外,结合T 6 1 5井岩心特征及东西向过井地震剖面,可以明确该井的洞穴系统存在明显的垮塌,尤其发育埋藏期的垮塌。其主要证据为(图9):(1)T 6 1 5井与T k 7 3 0井之间存在多条小型的正断裂,其上覆石炭系和二叠系存在明显的下凹反射(“S a g”);(2)洞穴高4 2 m,洞穴底部、中部和上部见掩埋期垮塌角砾岩,洞穴体系之上发育明显的裂纹化角砾岩,角砾间被沥青充填(无灰绿色渗流泥充填),为埋藏期垮塌作用的产物;(3)该井在2 2 0 0天内累计产液超过4.5万吨。基于上述证据,可以说明T 6 1 5井经历多阶段的垮塌作用,尤其是深埋期垮塌作用在洞穴体系之上或侧缘地层中产生次级断裂裂缝,形成比洞穴本身更大的储集空间3 0-3 1。4 充填作用与储集性4.1 充填物本身储集性渗流充填主要发育在裂缝及角砾间,可以反映风化壳岩溶作用,也能证明裂缝或垮塌作用的存在,但作为储集体意义不大。岩心观察表明搬运充填物中,可提供储集空间的主要为砂岩及砾岩(图2 B、E,图5 D、E),其中有部分搬运充填砂岩有明显饱含油特征(图2 B),进一步说明具有储集性。统计1 6口井砂岩及砾岩充填物的平均孔隙度(图1 0),发现搬运充填物