随着油气勘探工作的日益精细、勘探开发程度不断提高，中浅层油气发现难度日益加大，油气勘探向深层和超深层领域延伸已成为必然趋势(朱光有和张水昌，2009)，全球超深层油气新增储量呈明显增长趋势。至2012年底，全球在21个盆地中发现了75个埋深超过6000 m的工业油气藏，可采储量占13.4%，美国墨西哥湾Kaskida油气田是全球已发现的最深海上砂岩油气田，目的层埋深7356 m，可采储量(油当量)近1×10⁸ t，已成为全球油气勘探重要的接替领域(朱光有和张水昌，2009；王宇等，2012；白国平和曹斌风，2014；贾承造和庞雄奇，2015)。中国陆上油气勘探也不断向深层-超深层拓展，并取得了一系列重大突破，在塔里木、四川、鄂尔多斯、渤海湾与松辽盆地的碳酸盐岩、火山岩和碎屑岩领域获得重大发现，已成为中国陆上油气勘探重大接替领域(孙龙德等，2013)。由于中国古生界海相碳酸盐岩埋深大、储集层成岩演化复杂、受构造破坏和改造严重、储集层非均质性强，导致储集层预测难度大(李忠等，2006；陈景山等，2007；沈安江等，2010; Zhu et al., 2012；邹才能和陶士振，2007)。塔里木盆地哈拉哈塘地区大面积发育超深缝洞型碳酸盐岩储集层，其发育深度已超过7000 m(朱光有等，2013)，油气性质复杂，相态多样，从北向南油气相态由未饱和油藏逐渐过渡到弱挥发性油藏(Zhu et al., 2013a)。该类储集层的分布具有纵向沿不整合面集中分布，平面上沿断裂大面积分布的特征，不同的学者从不同的角度对该类储集层的成因做了较为深入的研究，走滑断裂体系控制了岩溶储集层的集中分布(孙东等，2015)，层序地层控制了储集层的纵向成层性和平面分带性(斯春松等，2012)，一间房组沉积末期的准同生期岩溶和志留系沉积之前的表生期岩溶控制了储集层的发育规模(张学丰等，2012)，不同时期岩溶古地貌控制了缝洞系统发育的差异性(张庆玉等，2014)，多期岩溶作用是形成岩溶储集层的关键(胡明毅等，2014)。这些研究成果从不同方面解释了储集层的成因，但都未能很好的解释该类储集层的纵横向分布规律，系统开展这种岩溶缝洞型碳酸盐岩储集层的特征描述，明确储集层发育最主要的控制因素，将会对海相碳酸盐岩油气勘探提供重要参考。

哈拉哈塘地区位于塔里木盆地塔北隆起轮南低凸起西斜坡(图 1)，历经多期构造运动，现今呈一向西倾的大型鼻状构造，整体构造平缓，平面展布复杂(贾承造，1997)。区内断裂发育，主要为北东、北西向走滑断裂，走滑断裂发育类型多样，具有多期活动及继承发育特征。塔北古隆起的发育演化继承了前寒武系基底的背景，经加里东早期，经历晚海西期、印支期、燕山期与喜马拉雅晚期等多期的构造改造作用，断裂活动强烈，具有多期挤压变形、形成早、定型早的特点。前人研究证实，哈拉哈塘地区奥陶系自上而下分为桑塔木组、良里塔格组、吐木休克组、一间房组、鹰山组和蓬莱坝组。主力产层是一间房组和鹰山组，一间房组岩性以亮晶颗粒灰岩为主夹生物灰岩和泥晶灰岩薄层，沉积相为开阔台地的浅滩和点礁，鹰山组为开阔台地砂屑灰岩为主(顾家裕，1996；王招明等，2011；张丽娟等，2013)。平面上发育大规模优质缝洞型碳酸盐岩储集层，平均埋深超过7000 m，目前已探明油气储量近3×10⁸ t，油气勘探开发潜力巨大。

图 1

图 1 哈拉哈塘地区区域构造位置图 Figure 1 Regional structural position map of the Halahatang area

哈拉哈塘地区奥陶系岩心基本上都较为致密，孔洞不发育，通过对569个岩心样品实测孔、渗数据分析表明，孔隙度为0.07%~6.37%，均值为1.22%，主峰位于0.5%~1.8%之间；渗透率为0.036×10^-3~36.6×10^-3 μm²，均值为0.77×10^-3μm²，主峰位于0.1×10^-3~1.0×10^-3 μm²(图 2)，基质孔隙度普遍较低，储集层以大缝大洞为主，这也是超深缝洞型碳酸盐岩储集层的普遍特征。

图 2

图 2 哈拉哈塘地区奥陶系岩心实测孔隙度、渗透率分布直方图 Figure 2 Frequency histogram of porosity and permeability of Ordovician cores from the Halahatang area

哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩储集空间主要有孔、洞、缝3大类。包括岩心统计的孔、洞、缝；钻井放空、井漏大型溶洞，也包括测井资料解释的大型溶洞，是油气聚集成藏的有利场所(闫相宾等，2002；徐国盛等，2004；张丽娟等，2012)。依据储集空间组合类型可以把储集层划分为洞穴型、裂缝孔洞型、孔洞型和裂缝型4种类型，其中最主要的是洞穴型和裂缝-孔洞型。

洞穴型储集层以洞穴为储集空间，是哈拉哈塘地区最主要的油气储集空间类型。该类储集层在地震剖面上表现为串珠状反射特征，取心可见溶洞内填充物，FMI成像图中显示具有一定厚度的黑色条纹，常规测井的深浅侧向电阻率曲线显示较低的电阻率值，井径异常扩径，声波时差增大，密度异常降低(图 3a)。该类储集层在钻井过程中常会发生钻具放空、钻井液漏失等现象，试井解释地层系数通常大于2000 md·m；试采特征一般投产油压高(>20 MPa)，高产稳产，油压呈线性关系或指数缓慢递减。

图 3

(a)洞穴型储集层，热普1井，6960.5~6961.5 m，一间房组；(b)裂缝孔洞型储集层，热普1井，6872~6884 m，一间房组。 图 3 哈拉哈塘地区不同储集空间类型的成像测井响应特征 Figure 3 Image log characteristics of different reservoir space types in the Halahatang area

裂缝-孔洞型储集层以次生溶蚀孔洞为主要储集空间，一般沿裂缝溶蚀扩大形成溶洞，裂缝既可提供部分储集空间，但更为重要的是作为连通渗流渠道。小的溶孔、溶洞常规测井自然伽马值低~中等，深浅双侧向差异不明显，电阻率有所降低，中子、密度、声波曲线变化较大；在FMI成像图上观察到溶蚀孔洞，一般呈不规则暗色斑点状分布(图 3b)，相比单一孔洞型或单一裂缝型储集层，孔洞和裂缝共存大大提高了地层的储集、渗流能力。钻遇裂缝-孔洞型储集层无放空现象发生，若酸压沟通储集层，酸压曲线常表现为停泵压力较高，停泵压降曲线呈缓慢下降，残酸返排率10%~50%；试井解释地层系数通常小于2000 md·m；试采特征一般投产油压低( < 20 MPa)，油压递减快，产量低。

哈拉哈塘地区缝洞型储集层纵向分布具有明显的层位性，通过多种地震储集层预测技术的综合分析研究，储集层总体表现为纵向叠置，横向沿一间房组顶面准层状不连续分布的特征，主要分布在不整合面之下100 m的范围内(图 4)。储集层发育最直接的证据便是钻井过程中发生放空漏失，统计钻遇放空漏失的井达到了170口，占完钻井数的63.7%，放空漏失的位置集中发育在不整合面之下40 m范围内，占放空漏失井的60%以上。

图 4

图 4 哈拉哈塘地区奥陶系储集层反演孔隙度剖面图 Figure 4 Inversed porosity cross-section of Ordovician reservoir in the Halahatang area

在平面上，储集层的分布也具有明显的非均质性，呈斑点状、斑团状分布，主要集中在沿断裂带附近，钻井放空漏失率高，所钻遇的170口放空漏失井中有78.8%的井都分布在距主干断裂1 km范围以内(图 5)。

图 5

图 5 哈拉哈塘地区奥陶系放空漏失井平面分布图 Figure 5 Planar distribution of void leakage wells in Ordovician strata in the Halahatang area

对哈拉哈塘地区奥陶系超深缝洞型储集层的成因国内学者已有一些成果，识别出了(准)同生岩溶、风化岩溶以及埋藏热液岩溶等多种岩溶作用特征，提出了古地貌古水系、地层岩性、不同期次的断裂裂缝控制了储集层的发育，各种岩溶作用多期叠加、改造形成复合型优质岩溶储集层(倪新锋等, 2009, 2011；胡明毅等，2014；廖涛等，2015；孙东等，2015)。而实际上对于超深古老缝洞型碳酸盐岩而言，由于经历了漫长的构造演化和成岩改造作用，往往呈现出多种作用叠加的特征。哈拉哈塘地区超深缝洞型碳酸盐岩储集层具有明显的层位性，总体表现为纵向叠置、横向沿不整合面呈准层状集中分布的特征(Zhu et al., 2015)。储集层发育以岩性为基础，最主要是受控于层间岩溶和中晚加里东期断裂，层间岩溶控制了储集层纵向发育的层位性，断裂裂缝作为岩溶通道控制了储集层横向展布规模及非均质性，总体表现出受多种岩溶作用叠加改造的特征。

哈拉哈塘地区奥陶系多个层位均发育岩溶缝洞型储集层，但储集层集中发育在一间房组和鹰山组，前人对不同类型碳酸盐岩溶蚀试验研究表明，泥质含量及MgO含量对岩石可溶性具有影响，溶蚀强度为：纯颗粒石灰岩 > 白云质灰岩 > 白云岩 > 泥灰岩(淡永等，2015)。一间房组-鹰山组沉积时期哈拉哈塘地区属于塔里木盆地碳酸盐岩大台地的一部分，以开阔台地台内滩亚相发育为特征，岩性以亮晶砂屑灰岩、亮晶砂砾屑灰岩沉积为主，属于高能环境，原始粒间孔、粒内溶孔和晶间孔较发育，岩性较纯，脆性较大，泥质夹层少，这些特点决定了岩层易受构造破裂作用和岩溶作用的影响，出现较好的储集层发育段。而在奥陶系吐木休克组和良里塔格组的岩石类型主要为泥灰岩、泥质灰岩和瘤状灰岩，所处沉积环境为沉没台地和斜坡相，岩石泥质含量较高，原始孔隙不发育，构造破裂作用和岩溶作用不能有效进行，导致储集层极不发育(图 6)。

哈拉哈塘地区奥陶系分层段岩性统计直方图 Figure Frequency histogram of lithology statistics of Ordovician in the Halahatang area

哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩主要经历了3期的构造运动，造成了3期相对短期的暴露，遭受了3期的层间岩溶作用，包括在一间房组沉积末期、吐木休克组沉积早期(加里东中期Ⅰ幕)、良里塔格组沉积末期(加里东中期Ⅱ幕)、桑塔木组沉积末期(加里东中期Ⅲ幕)(图 7)。其中以加里东中期Ⅰ幕层间岩溶最为关键，在一间房组内部形成了大量的溶蚀孔洞，为后期岩溶叠加改造作用提供了基础。

图 7

(a)一间房组顶面顺裂缝充填灰绿色泥质充填物，金跃4井，6977.3 m，一间房组，岩心；(b)一间房组砂屑灰岩内发育大量溶蚀孔洞，热普4井，6753.5 m，一间房组，岩心；(c)亮晶颗粒灰岩，粒内溶孔，新垦7井，6915.2 m，一间房组，铸体薄片；(d)一间房组渗流粉砂和晶洞，哈得17井，6466.2 m，一间房组，岩心；(e)一间房组生物觅食迹和生物钻孔，哈902井，6641.8 m，一间房组，岩心 图 7 哈拉哈塘地区不同岩溶期次模式图 Figure 7 Model of karstification pattern in the Halahatang area

加里东中期晚奥陶世早期，本区发生了一次较大规模的海退，一间房组地层由于构造隆升而发生大范围暴露。此时一间房组刚刚经历沉积-弱固结成岩过程，发生了部分海底胶结作用，由于岩石未经强烈埋藏压实、压溶和胶结作用，仍具较高的基质孔隙度和渗透率。此类岩石在暴露后，会发生风化和大气淡水溶蚀，由于本期暴露岩溶作用持续时间较短，缺失2~4个牙形刺带，间断时间约为1.5~2 Ma，无法发育大型岩溶作用，但该期暴露后形成大量的河流，可形成一定规模的短期岩溶，以溶蚀裂缝或溶蚀孔洞为主，具规模的岩溶洞穴、岩溶管道较少，河流总体自地势较高的北部向南流动，局部河流走向受控于沉积古地貌，起源于沉积高地(滩)，汇聚于沉积洼地(滩间)，形成了沿一间房组顶部一定范围内大量的溶蚀孔洞，对后期的叠加岩溶改造产生了重要影响。该期层间岩溶主要有以下识别标志：①风化面附近灰绿色泥质充填物；②选择性或非选择性溶蚀孔洞的发育；③渗流带渗流粉砂和平底晶洞充填物；④生物钻孔和生物觅食迹等(图 8)。

图 8

图 8 哈拉哈塘地区一间房组局部暴露不整合层间岩溶证据 Figure 8 Evidences of interlayer karstification in the Yijianfang Formation caused by locally exposed unconformity in the Halahatang area

加里东中期第Ⅱ幕运动在哈拉哈塘表现为良里塔格组(O₃l)与桑塔木组(O₃s)间的沉积间断，经历了又一期岩溶作用的改造，形成了明河及暗河岩溶洞穴体系和良里塔格组内的溶蚀孔洞层。加里东中晚期Ⅲ幕运动在哈拉哈塘表现为志留系与奥陶系间的沉积间断，在哈拉哈塘北部桑塔木组尖灭线以北地区奥陶系碳酸盐岩喀斯特古潜山形成，储集层受潜山风化壳岩溶作用的叠加改造，导致风化壳表层裂缝发育并与良里塔格组和一间房组储集层连通。在哈拉哈塘南部桑塔木尖灭线以南，良里塔格组、一间房组被顺层岩溶叠加改造，形成了受大断层裂缝系统控制的暗河溶洞系统。

洞穴和裂缝充填方解石的碳、氧同位素地球化学特征也说明缝洞主要形成于早成岩期-埋藏早期，哈拉哈塘地区奥陶系原岩δ¹³ C值为-1.58‰~0.12‰，δ¹⁸ O值为-6.01‰~-6.52‰，为正常海水沉积环境。孔洞充填方解石δ¹³ C值为0.50‰~1.67‰，δ¹⁸ O值为-5.17‰~-8.66‰，形成于盐度较高的海水中，为海洋沉积。洞穴充填方解石δ¹³ C值为-3.17‰~4.17‰，δ¹⁸ O值为-12.45‰~-15.17‰，δ¹³ C、δ¹⁸ O明显出现负漂移，方解石中碳主要来自大气淡水。缝洞充填方解石主要是在埋藏环境下形成的，δ¹³ C变化较大，主要以浅埋藏环境为主(图 9)。

图 9

图 9 哈拉哈塘地区充填物碳氧同位素交汇图 Figure 9 The plot of Carbon and Oxygen isotope of filling materials in the Halahatang area

国土资源部桂林岩溶研究所的包裹体测温结果也说明缝洞储集层主要形成于早期，测试气液两相盐水包裹体温度范围为59~140℃，不同钻井以及同一钻井不同深度段包裹体温度差异较大，表明哈拉哈塘地区奥陶系经历了不同温度下多期岩溶充填。有4个温度段是包裹体主要形成期：①66~80℃段，其包裹体形成主峰温度为71~75℃，占样品总数的26.7%；②81~95℃段，其包裹体形成主峰温度为86~90℃，也是岩溶充填的主要时期，占样品总数的40%，前2温度段是包裹体形成的2个主要时期；③96~120℃段，此温度段包裹体形成少于前2段，占样品总数的25.7%，这也反映了一期较弱的岩溶充填过程。④大于120℃段，测试结果显示哈拉哈塘地区高温包裹体较少，占样品总数的7.6%，最高温为140℃，前人研究塔河油田气液两相盐水包裹体均一温度最高温可达200℃，说明了本区存在异常高温流体的可能，但作用范围有局限。

哈拉哈塘地区下古生界碳酸盐岩断裂十分发育，以北东、北西向走滑断裂为主，走滑断裂发育类型多样，具有区段性与分层性，断裂活动期次上具有多期性与继承性发育特征。根据断裂断开的层位、切割关系、区域构造应力场背景等分析，哈拉哈塘地区主要发育加里东中晚期、海西期和燕山期3期走滑断裂系统(图 10)。对储集层形成和油气成藏影响较大的主要是加里东中晚期、印支-海西期断裂。

图 10

图 10 哈拉哈塘地区走滑断裂典型剖面图 Figure 10 Typical cross-section of strike-slip fault in the Halahatang area

加里东中晚期，哈拉哈塘地区发育一系列北东与北西向“X”型剪切破裂带，形成菱形交错断裂。初始发育期以直立线性断裂为主，断裂高陡，规模较小，横向上断裂分段，随着构造作用的加强，断裂扩张延伸，断裂连接或叠覆形成大型的走滑断裂带。本期断裂控制了奥陶系碳酸盐岩的裂缝发育及其分布，也是是大气淡水渗流主要通道，对奥陶系岩溶型储集层的发育具有重要的建设性作用。

海西期，哈拉哈塘地区大型断裂带出现继承性活动，新生断裂多沿早期主走滑断裂持续活动，或是沿走滑断裂带轴部发育新生次级断裂向上延伸，向下在碳酸盐岩内部与早期断裂合并或相交。本期断裂活动在奥陶系碳酸盐岩中发育张剪性裂缝，造成裂缝的扩张作用明显，该期断裂与海西晚期大面积油气充注期相匹配(Zhu et al., 2013b)，对油气运聚成藏具有重要作用(朱光有等，2011)，之后盆地的快速沉降、持续深埋使得上覆地层不断加厚，基本保持了早期储集层发育的形态。

哈拉哈塘地区奥陶系碳酸盐岩储集层发育主要受岩性岩相、层间岩溶、构造断裂作用的叠合影响。岩性岩相是岩溶储集层发育的物质基础：一间房组沉积时期塔北地区整体以大套厚层滩体沉积为主，中高能滩体发育区是后期溶蚀的物质基础。层间岩溶控制储集层区域分布：吐木休克组沉积前，一间房组经历了层间岩溶作用，层间岩溶主要受碳酸盐岩大台地控制，顺粒间孔、顺层理面选择性溶蚀，层间岩溶储集体呈准层状展布，大面积规模分布，良里塔格组末期、桑塔木组末期岩溶作用进一步叠加改造储集层。中晚加里东期断裂、缝网体系控制储集层发育程度：哈拉哈塘地区加里东中期及以前形成的多组断裂和裂缝系统，为加里东中期岩溶作用提供了渗滤通道，溶蚀总是沿断裂及其缝网形成的薄弱带、溶蚀优势带进行。层间岩溶储集层在暴露地表或埋藏过程中沿裂缝面发育的溶蚀孔洞和沿断裂带发育的大型洞穴为本区提供了最为有效的储集空间(图 11)。

图 11

图 11 哈拉哈塘地区奥陶系岩溶储集层叠加改造发育模式图 Figure 11 Ordovician reservoir superimposed alteration pattern in the Halahatang area

(1) 哈拉哈塘地区超深缝洞型碳酸盐岩基质孔隙不发育，是以大缝大洞集中分布为特征，洞穴与裂缝在空间上形成大型缝洞集合体。储集层地震响应特征主要是规模大、强反射或串珠群等地震相组成的集合体，是寻找高产稳产井最直接的目标。

(2) 储集层发育纵向上具有明显的层位性，集中分布在一间房组之下100 m范围之内；平面上具有明显的非均质性，主要集中在沿断裂带附近；总体表现为纵向叠置，横向沿不整合面呈准层状集中分布的特征。

(3) 储集层总体表现出受多种岩溶作用叠加改造的特征，最主要是受控于层间岩溶和中晚加里东期断裂2大因素，层间岩溶控制了储集层纵向发育的层位性，断裂裂缝作为岩溶通道控制了储集层横向展布规模及非均质，晚加里东-海西期油气充注之后盆地的快速沉降、持续深埋使得上覆地层不断加厚，基本保持了早期储集层发育的形态。

(4) 对于这种超深碳酸盐岩缝洞型储集层的勘探，首先是寻找优质储集层的发育层位，然后是注重断裂的精细刻画，明确断裂控储控藏的匹配关系。