塔河油田巖溶峽谷區伏流坍塌型古暗河縫洞系統

張長建，呂艷萍，馬海隴，耿甜，張曉

(中國石化 西北油田分公司 勘探開發研究院，烏魯木齊 830011)

巖溶峽谷區具特殊的水動力條件及巖溶地貌，導致其巖溶洞穴發育具有特殊性。侵蝕基準面快速下降過程中產生的河流垂向侵蝕作用，形成典型的深切河谷；地表水向地下水的快速轉化過程中，會發育暗河型、伏流型、穿洞型、順河潛流型、滲流型等各種地下河洞穴[1-2]?，F代巖溶峽谷區巖溶理論和模式，如美國亞利桑那州大峽谷東西部相連的巖溶模式[3]，科羅拉多河橫穿Kaibab隆起形成的西部大峽谷模式[4]，西班牙Puron峽谷暗河管道、坍塌和明流再現的巖溶演化模式[5]，貴州畢節九洞天的的裂點伏流坍塌型峽谷模式[6]以及深切曲流峽谷模式[7]，為塔河油田古巖溶峽谷成因及洞穴的發育特征研究提供了很好的參考。

塔里木盆地塔河油田中—下奧陶統巖溶縫洞型油藏油氣資源豐富[8]。隨著油藏勘探開發的不斷推進，塔河油田西部斜坡區中—下奧陶統東部巖溶峽谷區縫洞型油藏成為重要目標[9-11]。前人針對塔河油田海西運動早期巖溶峽谷區的地貌、水系特征及縫洞系統發育模式展開了初步研究[12]，但研究重點聚焦于南段峽谷區，未完成整條伏流-峽谷水系的研究，諸如主干水系的分段結構，北段地表和地下分支水系發育特征等亟待研究；而且前人的研究以定性描述為主，未曾定量分析峽谷的河曲彎曲特征及深切曲流峽谷的成因演化；沒有識別天窗、天生橋及河曲截彎取直等微地貌，也未對典型單元指示地貌演化意義進行研究。

本文以塔河油田西部斜坡區中—下奧陶統巖溶古水系為研究對象，綜合鉆井和地震屬性資料，利用殘余厚度趨勢法恢復古地貌，表征地表和地下古水系，開展典型微地貌識別，表征古巖溶地下水系統，構建儲集層縫洞系統的演化模式，為研究區油氣勘探開發提供依據。

1 地質概況

塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克庫勒低凸起，發育典型的碳酸鹽巖巖溶縫洞型油藏[13]。研究區位于阿克庫勒低凸起與哈拉哈塘凹陷間的斜坡區(圖1)，為塔河油田中—下奧陶統的重要油氣產能建設區[14-15]。研究區經歷了加里東運動中期—海西運動早期多幕次構造運動，導致中—下奧陶統之上多套地層缺失，地層發育條件復雜[16-17]。研究區缺失上奧陶統恰爾巴克組、良里塔格組和桑塔木組，中—下奧陶統南厚北薄，向北部上傾尖滅，其上覆蓋石炭系，缺失志留系及泥盆系[18]。研究區中—下奧陶統主要為一套開闊臺地相泥晶灰巖—顆?；規r[19]，頂面現今構造東南高西北低，總體為向北西傾的單斜。加里東運動晚期—海西運動早期劇烈的構造抬升作用[20]，導致巖溶斜坡區地貌分異明顯及含水介質結構復雜，是研究塔河油田奧陶系碳酸鹽巖表生巖溶條件、巖溶儲集層發育規律及分區差異性的有利區域。

圖1 塔河油田西部斜坡區構造位置Fig.1.Structural location of the western slope area in Tahe oilfield

2 水文地貌特征

2.1 斷裂發育特征

廣泛應用于塔河油田碳酸鹽巖斷裂和斷溶體儲集層預測的地震屬性參數主要為結構張量[21]。塔河油田上奧陶統剝蝕區表生巖溶作用強烈，為避開風化殼附近由于表生巖溶產生的干擾信息，通過提取研究區蓬萊壩組—鷹山組下段的張量梯度，對研究區不同級別、不同方向和不同深度的走滑斷裂進行了刻畫。張量梯度體現了沿著斷裂發生溶蝕的程度，巖溶水順斷裂發生橫向線性溶蝕，也可以在斷裂垂向形成縱深溶蝕。斷溶程度強的區域，張量梯度呈“團簇狀”異常反射特征。研究區發育北北西—南南東、北東—南西和東西3個不同走向的走滑斷裂，北北西—南南東和北東—南西走向屬于共軛走滑斷裂體系[22](圖2)。研究區內發育T737 和S94CH 共2 條北東—南西向主干走滑斷裂及東西向的4 條平行次級走滑斷裂，與北北東—南南西和東西向次級斷裂組合形成網格狀斷裂體系。T737 主干走滑斷裂南段溶蝕程度強于北段，南段具筆直的北東—南西向強溶蝕條帶，向北轉換為多條弱溶蝕的次級斷裂。

圖2 塔河油田伏流坍塌型峽谷區中—下奧陶統斷裂分布Fig.2.Distribution of Middle-Lower Ordovician faults in the collapsed canyon area with subterranean flow in Tahe oilfield

2.2 古地貌和古水系恢復

塔河油田12 區奧陶系之上從西至東依次為上志留統柯坪塔格組、上泥盆統東河塘組和石炭系巴楚組[17]，研究區現今構造總體東北高西南低。巖溶期的古地貌恢復方法主要有殘余厚度趨勢法、印模法、趨勢面及其綜合法[23-25]。前人主要采用印模法恢復古地貌，拉平石炭系巴楚組雙峰灰巖段頂面后，得到灰巖段頂面到中奧陶統頂界面的厚度殘差，其厚度殘差可指示海西運動中期巖溶地貌趨勢，以之近似代表海西運動早期地貌，適合于塔河油田巖溶臺地、斜坡、盆地等二級地貌單元的劃分。采用印模法恢復的古地貌雖與現今地貌趨勢相近，但與整體由北向南匯流的水系趨勢偏差較大。

本文采用殘余厚度趨勢法來進行海西運動早期地貌恢復，首先通過計算中奧陶統頂界面與鷹山組白云質石灰巖段頂面之間的地層殘余厚度，然后對地層殘余厚度進行趨勢平滑，從而得到海西運動早期的地貌格局；再在地貌格局之上疊加地貌趨勢面，就可以有效凸顯巖溶峽谷、溶丘、溶峰、干谷等微地貌。該方法能較好兼顧到古巖溶期構造趨勢和微地貌特征，既代表了加里東運動中期—海西運動早期的多期巖溶累加剝蝕程度，也能反映最終巖溶期(海西運動早期)的古地貌趨勢。

地下與地表古水系的刻畫方法不同。研究區地表古水系的刻畫，主要基于中奧陶統頂界面的地震屬性，包括沿風化殼層面提取的RGB 分頻混色、精細相干分析、古地貌恢復、趨勢面識別等方法[9，26]。地下古水系的刻畫，主要利用風化殼頂面之下產油層的強振幅異常、波阻抗屬性、RGB混相分頻等[17，27]。主要提取研究區中奧陶統頂界面之下7～67 ms 混頻屬性、平均絕對振幅屬性和最小縱波阻抗屬性，結合洞穴實鉆井標定，刻畫研究區地下水系。

2.3 古地貌、古水系發育特征

2.3.1 巖溶古地貌特征

海西運動早期，塔河地區處于巖溶斜坡區[16]，地貌整體上開闊平坦，東北和東西較高，中心地區較低。地貌單元主要發育峽谷、洼地、溶峰和溶丘，峰叢洼地和丘叢洼地高度差不超過50 m，巖溶峽谷下切深度達到130 m。

2.3.2 巖溶古水系特征

基于地表和地下水系的地震預測成果，結合斷裂和古地貌發育特征，構建了研究區的古巖溶地下水系統(圖3)。主干水系在北段為伏流區，中段為峽谷區，南段為深切曲流峽谷區。北段伏流區總體沿北東—南西向延伸，長9.30 km，被3 個天窗分為4 段。中段峽谷區長度為7.50 km，依然殘留伏流和天生橋，其中，殘留伏流長1.46 km，天生橋長465 m。南段深切曲流長度為12.57 km，連續發育6個典型蜿蜒型河曲，分支水系主要由樹枝狀暗河和地表干谷組成，樹枝狀暗河受控于東西向走滑斷裂和向斜式古地貌，沿兩側高地向伏流/峽谷區中心匯流；地表干谷多為巖溶負地貌，是局部小流域大氣降水坡面流匯水區，在干谷發育落水洞的地方地表水轉入地下，被地下暗河管道襲奪后失去排泄能力退化演變形成?？傊?，古水系主要為峽谷明流、伏流、暗河和干谷的組合，分支水系與主干水系具有統一的水動力場。

圖3 塔河油田伏流坍塌型峽谷區巖溶地下水系統Fig.3.Karst groundwater system in the collapsed canyon area with subterranean flow in Tahe oilfield

從北向南，主干水系天窗發育逐漸增多，峽谷段增長，伏流段逐漸變短，最終只保留長度更短的天生橋(圖4a)。隨伏流向峽谷的轉換程度逐漸加強，古暗河管道系統規模增大，結構復雜化，伏流的失穩塌頂現象越來越明顯，洞穴變得更易垮塌；橫斷剖面顯示，峽谷多為對稱型深而窄的V 型(圖4a)，河谷壁面陡峭，下切深度為100～130 m，伏流橫斷剖面多具為強而亮的“串珠”地震反射特征(圖4b)。綜合主干水系的縱斷剖面及橫斷剖面特征，中段及北段的峽谷下切深度和伏流發育深度明顯要大于南段，這與北高南低的古地貌一致，表明中段和北段垂向侵蝕作用強于南段。

圖4 塔河油田伏流坍塌型峽谷區中—下奧陶統主干水系縱斷及橫斷剖面（剖面位置見圖3)Fig.4.Longitudinal and transverse sections of the Middle-Lower Ordovician main water system in the collapsed canyon area with subterranean flow in Tahe oilfield (section location is shown in Fig.3)

結合地下分支水系的平面展布(圖3)及典型水系縱向剖面(圖5)，地下水系具有如下特征：①平面上，地下分支水系由東西巖溶平臺向中心主干水系(伏流或曲流)匯流，地下分支水系以樹枝狀網絡結構為主，西岸受網格斷裂體系影響，局部發育迷宮狀網絡結構；②地下分支水系網絡發育程度高，橫向展布連續穩定，地下洞道延伸長度可達到8 km；③界面拉平后兩岸巖溶平臺地下分支水系的下切深度不及中心伏流段，中心伏流-峽谷區總體處于排泄基準面最低處，表明在地下分支水系形成之后，伏流段存在繼續下切進一步加深加大峽谷廊道的發育過程。

圖5 塔河油田峽谷區中—下奧陶統暗河型分支水系縱斷剖面（剖面位置見圖3)Fig.5.Longitudinal section of the Middle-Lower Ordovician underground tributary water system in the collapsed canyon area with subterranean flow in Tahe oilfield

2.3.3 斷裂對古水系的控制作用

研究區走滑斷裂對水系發育的控制作用明顯，體現在巖溶水沿走滑斷裂發生選擇性溶蝕，順古地勢斜坡的走滑斷裂具備最優導水條件并進一步形成水系。巖溶古暗河管道在斷裂發育區、負地貌單元和強巖溶層組分布，三者可耦合。T737主干走滑斷裂與主干水系走向一致，走滑斷裂南部強溶蝕段與深切曲流峽谷段對應性好；走滑斷裂北弱溶蝕段與主干伏流段對應性好；東岸巖溶平臺地下分支水系與東西向走滑斷裂在走向上一致性好；西岸巖溶平臺地下分支水系與東西向和北北西—南南東向走滑斷裂在走向上吻合程度高。

2.4 古地貌單元特征

2.4.1 天窗

由于侵蝕基準面的持續下降，廊道加深、加寬導致伏流頂板坍塌，形成地下巖溶空間形態[6]。研究區比較典型的天窗由TH121108CX井揭示(圖6a)，該井從西向東斜穿整個天窗。在明流西岸鉆遇中—下奧陶統鷹山組138.5 m(5 859.5—5 998.0 m)，然后在天窗塌陷區鉆遇巴楚組泥巖段259.0 m(5 998.0—6 257.0 m)，繼續鉆進重新揭示鷹山組79.6 m(6 257.0 m—6 336.6 m)(圖6b)。地震橫斷剖面顯示天窗呈V 型漏斗狀，寬300 m，深100 m；平面上呈橢圓狀，總體呈北東—南西向，與伏流走向平行，長軸868 m，短軸300 m。從水系平面分布看，TH121108CX 井天窗處于東西向地下河與北東—南西向伏流的交匯處，其余2 個天窗也具有相似的特征。分支地下河與主干伏流的交匯處更易形成伏流坍塌型天窗，主要是因為主干水系與分支水系交匯處同時也位于主干斷裂與次級斷裂交會處，裂縫極其發育，地下空間規模大，在增容過程中會沿著裂縫、節理發育區發生頂板坍塌。

圖6 塔河油田中—下奧陶統天窗及洞穴測井響應特征Fig.6.Logging response characteristics of the Middle-Lower Ordovician skylights and caves in Tahe oilfield

2.4.2 天生橋

伏流洞頂未垮塌的河段，延伸距離較短，兩端透光的地貌，稱為天然橋或天生橋[6-7，28]。TH12148井鉆遇這類典型古巖溶天生橋，伏流兩端與深切峽谷相接，平面延伸長度為465 m。測井解釋該井在中—下奧陶統一間房組頂面之下鉆遇2個泥質充填溶洞，分別為16.5 m(5 803.5—5 820.0 m)和9.5 m(5 823.5—5 833.0 m)，頂板厚度僅有27.5 m(5 776.0—5 803.5 m)。TH12148井雖然鉆遇厚層泥質充填溶洞，經過酸壓改造，取得很好的開發效果，目前累計產油11.9×104t。

2.4.3 深切曲流

深切曲流又稱為刻蝕曲流[7]?，F代河流理論中，定量表征河曲彎曲程度及其幾何形態特征的參數有2類：單個河曲參數和河曲帶參數。前者表征單個河曲彎曲程度，后者表征多個河曲或河曲段彎曲程度。參考河曲參數的定義和計算公式[29-30]，利用地震屬性提取深切河曲的幾何形態，基于單個河曲和河曲帶的參數統計，對研究區南段巖溶古河道進行定量描述。

（1)單個河曲參數 研究區單個河曲主要發育U型和Ω 型2 種類型。單個河曲的參數如表1 所示，其中最能反映河曲彎曲度的參數主要為彎曲率和封閉率。根據河曲彎曲率，可分為一般彎曲(1.2～1.5)和蛇曲(1.5～5.0)。地震屬性統計的6 個典型河曲的彎曲率都不低于2.11，高于典型蜿蜒型河曲的彎曲率1.50。古巖溶河谷形態回旋曲折，其中，發育3個較大的Ω 型河曲，Ⅱ號河曲彎曲率為3.31，Ⅲ號河曲彎曲率為3.96，Ⅳ號河曲彎曲率為3.97，其余為U 型河曲。封閉率與彎曲率呈正相關關系，彎曲率大的，其封閉率也必然大。研究區古河曲的封閉率都不低于0.68，封閉率越接近全封閉狀態的1，河曲封閉程度越高。

表1 研究區峽谷區古河道單個河曲參數統計Table 1.Parameters of a single meander of paleochannels in the canyon area

（2)河曲帶參數 研究區主干河道的河曲帶河道長度為12.57 km，河曲帶軸長為6.02 km，彎曲率為2.09，波幅為0.64 km，波長為1.72 km?，F代嘉陵江深切河曲帶的武勝河曲帶彎曲率接近3.00，蒼溪河曲帶彎曲率為2.40，都屬于典型的彎曲型河段[31]。參考現代深切河曲帶參數，研究區古河曲帶的參數完全符合彎曲型河段標準。

（3)河曲截彎取直現象 研究區深切曲流有一處河曲因截彎取直作用，形成了典型的曲流丘(或離堆山)和廢棄干谷地貌。不同于自由曲流截彎取直形成的牛軛湖，深切曲流截彎取直后峽谷下切深度遠超過原河曲，被襲奪后的廢棄河曲被懸掛在高處，成為環形干谷[7](圖7)。從地震剖面看，取直后的峽谷底部比干谷底部深75.0 m，曲流丘處于相對最高部位，TH10137 井部署于該曲流丘上，在風化面之下67.0 m處鉆遇1.5 m的洞穴(圖6c)，該井取得較好的油氣開發效果。

圖7 塔河油田峽谷區中—下奧陶統頂面離堆山地貌Fig.7.Geomorphology of meander core of the Middle-Lower Ordovician top in the canyon area，Tahe oilfield

3 峽谷區巖溶洞穴特征

參考現代巖溶峽谷區的地下河洞穴分類，結合峽谷區水動力條件及地下水系的地震預測成果，將地下河洞穴分為暗河型、伏流型、順河潛流型和穿洞型4種類型[2]。

（1)暗河型洞穴 指峽谷發育過程中受排泄基準面控制下形成的地下水位洞或淺潛流洞，其延伸或走向常指向區域地表河[2]。研究區暗河型洞穴構成大部分地下分支水系，平面上多以樹枝狀網絡結構為主，暗河型洞穴呈兩側向伏流-峽谷區中心匯流。

（2)伏流型洞穴 為伏流段上有明顯地下水入口和出口的管道型溶洞[2]。研究區伏流型洞穴主要發育于主干水系北段，頂板坍塌形成的天窗后期充填，把古暗河管道分割成多段伏流結構。

（3)順河潛流型洞穴 延伸方向與峽谷平行，洞穴進出口在河谷同側，上游的水流基于最小阻力原理穿過河床側岸的強透水帶，并在下游河谷區排泄，最終發育形成與原河谷平行的地下通道[2]。研究區順河潛流型洞穴較少，僅在南段深切曲流峽谷區TH10147X井區發育一小段，長度為1.36 km。

（4)穿洞型洞穴 為兩端開口并透光的殘留地下伏流或暗河洞，洞道較短，僅有百余米[2]。研究區穿洞型洞穴主要為天生橋，可將其分為2 類，一類為伏流塌頂殘留的天生橋，如前面所述的TH12148井鉆遇的洞穴；另一類屬于河曲截彎取直的天生橋，如TH10205 井所鉆遇的溶洞，截斷了Ⅳ號河曲，其延伸長度為598 m。

4 巖溶峽谷演化模式

基于研究區古地貌恢復和地下水系統的刻畫，構建了塔河油田的巖溶峽谷區伏流坍塌型古暗河縫洞系統模式，包括3 個主要的平面分異演化模式：自由曲流型、伏流-深切曲流型、坍塌天窗伏流型(圖8)。

圖8 塔河油田鷹山組伏流坍塌型峽谷演化示意Fig.8.Schematic evolution of collapsed canyon with subterranean flow in Yingshan formation，Tahe oilfield

4.1 自由曲流型

現代河流理論表明，不同于山地內河流的幼年期河流，深切曲流河具有成熟的河流演化階段，可分為2個階段：自由曲流階段和深切曲流階段[7]。

中志留世，南天山洋開始向南脈沖式或間歇式俯沖[19]，塔北地區開始抬升，造成區域性侵蝕基準面的變化，巖溶水由東向西進入志留系覆蓋區。晚志留世，隨著北高南低的古構造格局形成，構造抬升，海水退卻，志留系開始暴露地表，在志留系海相松散沉積物中，發育曲流河沉積體系中獨立而成熟的泛濫平原沉積。該階段，河流側蝕作用為主導，凹岸侵蝕，凸岸堆積，曲流河道快速遷移，自北向南形成自由曲流。

4.2 伏流-深切曲流型

南天山洋持續向南俯沖，至中泥盆世結束[19]，脈沖式俯沖作用造成區域構造大幅度迅速抬升，研究區中—下泥盆統處于隆起剝蝕區。隨著海西運動早期構造的迅速抬升，侵蝕基準面快速下降，河流的縱坡降增大，加強了流水垂向侵蝕力度。應對這種快速基準面下降，南段保持原來的自由曲流流路，進一步演變為對稱谷坡的深切曲流；北段干谷隨著侵蝕基準面的變化，為適應地下水位的快速下降，沿著北東—南西向主干走滑斷裂的巖層破碎帶，地下巖溶管道持續擴大，地下水溯源侵蝕作用導致地下巖溶管道與北部地表水流連通，形成了主干伏流。其時，北段排泄水流被地下伏流襲奪，地表自由曲流退化形成干谷。原樹枝狀分支水系由地表轉到地下，演變為以主干伏流-峽谷為排泄中心的樹枝狀暗河體系。

4.3 坍塌天窗伏流型

隨著構造持續抬升，侵蝕基準面進一步下降，北段主干伏流深切形成地下峽谷廊道，因伏流本身強大的匯水能力，伏流廊道加深、加寬，伏流頂板失穩塌頂形成坍塌型天窗，坍塌型天窗進一步演化為V 型深切峽谷明流。TH12148井鉆遇的天生橋，屬于大段失穩塌頂之后的殘留伏流段，TH121108CX 井鉆遇的伏流坍塌型天窗，都是伏流向地表明流轉化的喀斯特過程。

研究區巖溶峽谷區發育上游伏流、中段峽谷和下游深切曲流的空間分段結構，天窗、天生橋、伏流段、暗河管道等不同地下巖溶形態，為巖溶水動力場綜合作用下的最終產物，表現為同時不同態特征，這些特征指示早期的大規模伏流洞穴后期更易被強改造?，F代巖溶地質現象發育類似的伏流坍塌型暗河縫洞系統。九洞天峽谷的發育演化過程經歷了地表水系發育和解體期、地表和地下水系結構并存的消長轉變期、明流峽谷再現期，屬于典型的裂點伏流坍塌型峽谷[6]。

塔河油田西部巖溶峽谷區伏流坍塌型古暗河縫洞系統的研究，為該區新井部署提供了重要的預測結果和地質支撐，有效指導了開發部署方案的制定。研究區2021 年共投產10 口井，其中9 口井獲得中—高產，平均日產油24.7 t?，F代峽谷區巖溶理論、巖溶地質考察及豐碩油氣成果，充分驗證了塔河油田伏流坍塌型峽谷古巖溶發育機理的合理性。

5 結論

(1)塔河油田西部伏流坍塌型峽谷區中—下奧陶統發育海西運動早期巖溶地表-地下水系統，以低幅度溶丘、溶峰、洼地等微地貌為主，地表主干水系為北東—南西流向的峽谷明流和伏流的組合，分支水系主要為兩側向中心匯流的樹枝狀暗河。

(2)塔河油田伏流坍塌型峽谷區發育天窗、天生橋、深切曲流等典型地下、地表溶蝕形態，定量河曲研究表明，南段深切峽谷具備典型蜿蜒性深切曲流特征。

(3)塔河油田伏流坍塌型峽谷區平面呈現三類演化特征：自由曲流型、伏流-深切曲流型和坍塌天窗伏流型。海西運動早期構造抬升造成侵蝕基準面的迅速下降，主干水系由伏流演化為峽谷，分支水系大規模演化成樹枝狀暗河體系，整體呈現了巖溶洞穴系統的改造、破壞及建造的同時異態演化過程。