尽管碳酸盐岩体积只占沉积岩体积的20%左右，但是世界碳酸盐岩储层的油气产量约占世界油气总产量的60%^[1-2]。与岩溶作用相关的岩溶储层，是一种有着良好油气储集性能的碳酸盐岩储层，一直以来都是石油地质学家们关注的重点^[3]。它是近地表的溶蚀作用和后期的埋藏压实作用与成岩作用的产物，它既包括溶洞、溶孔，也包括由溶洞垮塌形成的角砾岩储层和相关的裂缝储层，非均质性极强^[4-5]。近年来，国内岩溶储层勘探取得了很大的发展，目前已经在塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地发现了许多以岩溶缝洞为储集空间的大型油气田，积累了大量的经验及理论成果^{[3, 6-9]}，为在其他地区寻找有利的碳酸盐岩岩溶储层提供了理论依据。

南哈Marsel探区中北部的Asa区块天然气成藏条件良好。据目前已发现的气测显示井段分析，Asa区块下石炭统与岩溶有关的储集空间占有一定优势，但岩溶储层复杂的成因机理导致其发育及分布具有极强的非均质性，常规测井技术在岩溶储层预测方面已经很难发挥作用，而微电阻率扫描成像测井（FMI）主要是以不同的颜色代表不同电阻率值，进而显示井壁地层的微细变化，具有直观、清晰、分辨率高的特点，图像的外观与岩心剖面相像，可以用于确定储层类型和发育井段^[10-132]，近年来有多位学者利用成像测井资料对岩溶储层进行了精细地刻画和描述^[14-173]。笔者将利用成像测井图像，结合常规测井资料，对哈萨克斯坦南部Marsel探区Asa区块的岩溶储层单元进行识别和划分，并在此基础上对重点岩溶发育段进行成像测井精细刻画，以初步确定南哈Marsel探区下石炭统岩溶储层的发育特征及分布规律，以期指导该区的油气勘探与开发。

南哈Marsel探区面积约1.85万km²，位于哈萨克斯坦中部楚-萨雷苏（Chu-Sarysu）盆地内，主要包括科克潘索尔坳陷的南部、塔斯金隆起的局部、布谷吉尔隆起的北部（图 1）^[18]。楚-萨雷苏盆地为北西—南东向延伸的含气盆地，总面积约为24万km²，在全球板块构造上，该盆地属哈萨克斯坦微板块^[19]。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 楚-萨雷苏盆地主要构造单元与研究区位置（a）及石炭系地层综合柱状图（b）（据文献[18]修改） Fig. 1 Structure units and location of study area(a)and stratigraphic column of Carboniferous(b) of Chu-Sarysu Basin

楚-萨雷苏盆地在泥盆纪—早石炭世为被动大陆边缘型盆地，之后分别在晚二叠世—中三叠世和侏罗纪末—早白垩世遭受2次隆升与剥蚀^[20]。盆地基底为加里东运动形成的褶皱变质岩，主要的沉积盖层为上古生界^[21]，重要产气层为上泥盆统、下二叠统碎屑岩和下石炭统碳酸盐岩^[19]，其中下石炭统碳酸盐岩为本次研究的目的层段。下石炭统为海相沉积，底部为稳定分布的碳酸盐岩，上部主要为碎屑岩夹碳酸盐岩，自下而上划分为杜内阶（C₁t）、维宪阶（C₁v）、谢尔普霍夫阶（C₁sr）^[20]。李虹^[22]通过沉积相分析发现在Asa区块谢尔普霍夫阶顶部的膏盐层底界面应存在短暂的暴露面，甚至短暂的剥蚀作用，并在地震剖面上观察到局部的剥蚀现象。在维宪阶二段、三段的顶界面Th/U与U值变化明显，表现为Th/U值增大、U值减小，指示着浅水氧化环境，可能为暴露环境下的不整合界面^[22]。

通过对南哈Marsel探区Asa区块取心井岩心的观察和分析，发现Asa区块下石炭统碳酸盐岩地层中岩溶储层较为发育，可以在岩心上观察到岩溶洞穴、溶蚀孔洞及裂缝。由于未充填洞穴发育段取心难度较大，因此所观察到的岩溶洞穴以充填型为主，充填物成分主要为方解石[图 2(a)]、石膏[图 2(b)~(c)]和泥质[图 2(d)]；裂缝在岩心上也比较常见，可观察到低角度裂缝、高角度裂缝、垂直裂缝[图 2(e)]及锯齿状缝合线[图 2(f)]，有些裂缝中可见扩溶现象[图 2(g)]，扩溶后的裂缝又被石膏等物质充填；岩心观察还发现岩溶作用形成的溶蚀孔洞，例如Tgtr8井2 495.7 m处，可见大量长短不一的长条状水平排列的溶蚀孔洞，为灰白色方解石充填[图 2(h)]。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 南哈Marsel探区Asa区块岩溶作用在岩心上的识别标志 （a）深灰色白云质灰岩，溶洞发育，Asa2井，2 497.8 m，C1v2；（b）灰色泥质灰岩，溶洞发育，Tgtr8井，2 478.6 m，C1v2；（c）灰色泥晶灰岩，溶洞发育，Asa2井，2 600.3 m，C1v2；（d）灰色泥晶灰岩，溶洞发育，Asa2井，2 601.2 m，C1v2；（e）灰色泥晶灰岩，裂缝发育，Tgtr8井，2 488.1 m，C1v2；（f）灰色泥晶灰岩，缝合线发育，Tgtr8井，2 486.1 m，C1v2；（g）灰色生屑灰岩，裂缝发育，Asa2井，2 607.8 m，C1v2；（h）深灰色泥质灰岩，溶孔发育，Tgtr8井，2 495.7 m，C1v2 Fig. 2 Identification mark of karst in cores in Asa block in Marsel area, southern Kazakhstan

在明确岩心识别标志的基础上，利用取心段的成像测井资料与岩心对照，确定了不同岩溶储层的成像测井响应特征，然后对研究区内所有的高分辨率成像测井资料进行观察和分析，在下石炭统碳酸盐岩储层中识别出4种岩溶结构单元，分别为洞穴型、裂缝型、溶蚀孔洞型及裂缝-溶孔型。不同岩溶结构单元的常规测井响应也有着明显差异^[23-25]，在岩溶发育层段，利用成像测井对常规测井曲线进行标定，初步总结了不同岩溶结构单元的常规测井响应特征，并且绘制了测井交会图对洞穴型储层的充填程度和充填物性质进行判别。

洞穴型储集空间在碳酸盐岩地层中最为优质，储集空间巨大，往往能够形成大型的油气藏^[26-28]。根据洞穴充填程度和充填物性质可将其划分为未充填洞穴、半充填洞穴、泥质全充填洞穴和角砾全充填洞穴。

（1）未充填洞穴

未充填洞穴中充满了低电阻率的钻井液，FMI静态图像上呈大段暗色。由于电成像极板未贴靠井壁，具有明显的滑脱现象，在FMI动态图像上表现为模糊图像。从井径曲线中可看到明显的扩径现象，自然伽马和无铀伽马均相对较低（18~40 API），深、浅侧向电阻率值均明显减小（18~274 Ω·m），且具有正差异。密度测井表现为低值，接近泥浆的密度[图 3(a)~(b)]。在无铀伽马-密度及无铀伽马-电阻率交会图中，未充填洞穴位于交会图的中部偏下位置（图 4）。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 南哈Marsel探区Asa区块洞穴型储层测井响应特征 Fig. 3 Logging response characteristics of cavernous reservoirs in Asa block in Marsel area, southern Kazakhstan

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 Asa2井下石炭统洞穴型储层常规测井交会图 Fig. 4 Conventional logging cross-plot of Lower Carboniferous cavernous reservoirs in well Asa 2

（2）半充填洞穴

半充填洞穴在FMI静态图像上显示为暗色块状，在动态图像上显示为大段暗色团块夹杂少量黄色亮斑。井径曲线略有扩径，但不明显。因洞穴中充填了泥质和角砾，故无铀伽马值高于未充填洞穴（39~65 API）。深、浅侧向电阻率均表现为低值（13~84 Ω·m），密度值也比较低[图 3(c)]。半充填洞穴在无铀伽马-密度交会图中处于未充填洞穴的正上方[图 4(a)]，在无铀伽马-电阻率交会图中位于未充填洞穴的左上方[图 4(b)]。

（3）泥质全充填洞穴

在泥质全充填洞穴发育层段，井径曲线平直，电成像极板与井壁能够很好地贴合，成像图像清晰、均匀，在FMI静态图像上显示为大段暗黑色，在动态图像上成层性明显。部分泥质全充填洞穴中，由于泥质充填物未被完全压实，在泥浆的作用下容易发生溶蚀垮塌，造成局部扩径，形成模糊的动态图像[图 3(d)]；无铀伽马值明显增大（61~79 API），但仍低于正常沉积泥岩；深、浅侧向电阻率无明显差异，均表现为低值（12~81 Ω·m），接近泥岩电阻率[图 3(d)~(e)]；密度值较低，但随着埋藏深度的增加，密度值会因为泥质充填物压实程度的增加而升高[图 4(a)]。在无铀伽马-密度及无铀伽马-电阻率交会图中，泥质全充填洞穴位于半充填洞穴的上方[图 3(b)，图 4(a)]。

（4）角砾全充填洞穴

角砾全充填洞穴在成像测井图像上显示为不规则黄白色亮斑，颜色与围岩（灰岩）相近。井径曲线基本无变化；无铀伽马为低值（34~45 API），略高于围岩；电阻率中等偏高（200~387 Ω·m）；密度值偏高，与围岩相比无明显变化[图 3(f)]。在无铀伽马-密度及无铀伽马-电阻率交会图中，角砾全充填洞穴位于中部偏右的位置[图 4(a)~(b)]。

由于受到多方面因素的限制，常规测井很难准确、有效地识别出裂缝型储层^{[12, 29]}，因此主要利用研究区已有成像测井资料对裂缝型储层进行识别，并根据裂缝的不同成因，将裂缝型储层作进一步划分，可分为：无扩溶构造缝、溶蚀扩大缝、后期充填缝和缝合线。此外，还有一种非天然裂缝（钻井诱导缝），虽然它不是有效的储层，但会对裂缝储层的识别产生干扰，在此一并加以讨论。

（1）无扩溶构造缝

无扩溶构造缝包括低角度构造缝和高角度构造缝，在裂缝中充填有低阻泥浆，其中低角度构造缝在成像测井图像中显示为规则的暗色低阻正弦曲线[图 5(a)]，高角度构造缝显示为近似平行于井轴的暗色低阻线条[图 5(b)]。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 南哈Marsel探区Asa区块裂缝型储层成像测井响应特征 Fig. 5 Imaging logging responses characteristics of fractured reservoirs in Asa block in Marsel area, southern Kazakhstan

（2）溶蚀扩大缝

构造运动所形成的构造缝以及其他成因的非构造缝，经过后期的流水溶蚀作用，便会形成溶蚀扩大缝[图 5(c)~(d)]。溶蚀扩大缝在成像测井图像上常常表现为不规则的暗色低阻蛇曲状条带，宽度大小不均，但整体来看宽度较大[图 5(c)]。高角度的溶蚀扩大缝一般出现在垂向渗流岩溶带，而低角度的溶蚀扩大缝则在水平径流岩溶带比较发育。

（3）后期充填缝

根据裂缝中充填物的性质，将观察到的充填缝分为泥质充填缝和高阻充填缝。其中泥质充填缝的成像测井特征与无扩溶构造缝几乎相同，均表现为暗色低阻正弦曲线[图 5(e)]，但泥质充填缝的自然伽马值相对较高，因此可以利用自然伽马曲线加以区分。高阻充填缝在成像测井图像上表现为沿裂缝延伸黄色或黄白色正弦曲线，反映受到方解石或石膏等高阻矿物的充填[图 5(f)]。

（4）缝合线

由圧溶作用形成的缝合线在碳酸盐岩地层中十分常见，在成像测井图像上显示为具有锯齿状缝面的低阻黑色正弦曲线[图 5(g)]。

（5）钻井诱导缝

钻井诱导缝是钻井过程中由于钻具振动或地层压力释放而形成的，在成像测井图像上表现为近180°对称出现的羽状黑色短线，排列整齐，在纵向上与井轴几乎平行[图 5(h)]。

溶蚀孔洞在成像测井图像上显示为连片状黑色斑块或黑色斑点，形态多样、大小不一[图 6(a)]。井径曲线平直，无扩径现象；由于孔洞中被泥质充填，无铀伽马值较高；密度值和电阻率值与围岩相比基本无变化。研究区下石炭统碳酸盐岩地层中溶蚀孔洞不甚发育，且观察到的溶蚀孔洞多被泥质充填，储层意义不大。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 南哈Marsel探区Asa区块溶蚀孔洞型及裂缝-溶洞型储层成像测井响应特征 Fig. 6 Imaging logging response characteristics of dissolved vug reservoir and fractured-karst cave reservoirs in Asa block in Marsel area, southern Kazakhstan

裂缝-溶洞型储层是裂缝型储层和溶洞型储层之间的过渡类型，其中溶蚀孔洞为主要储集空间，裂缝主要起沟通作用。在成像测井图像上，溶蚀孔洞表现为顺层分布的暗色斑块，裂缝表现为平行于井轴的不规则暗色条带[图 6(b)]。

现选取Asa2井为典型井进行岩溶结构单元的划分（图 7）。Asa2井位于楚-萨雷苏盆地中部Asa构造上，岩性主要为灰岩、泥质灰岩、石膏、灰质石膏、灰质泥岩及花岗岩等。该井钻遇下石炭统谢尔普霍夫阶厚度175 m、维宪阶厚度325 m、杜内阶厚度15 m。FMI处理井段为2 144~2 757 m，共计613 m。

图 7

Fig. 7

下载eps/tif图 图 7 Asa2井单井岩溶结构分析 Fig. 7 Karst structure analysis for well Asa2

将Asa2井谢尔普霍夫阶自上而下分为5段，其中2 165.3~2 172.5 m和2 219.0~2 240.7 m井段均为岩溶发育段，其他3段均为岩溶不发育段。

2 143.2~2 165.3 m井段的岩性主要为灰白色石膏岩与灰色泥灰岩互层，岩溶不发育。膏岩层厚度约20 m，膏岩的存在表明谢尔普霍夫阶的顶界面在Asa区块是一个干旱时期的暴露面，为岩溶的发育提供了有利的条件。

2 165.3~2 172.5 m井段为岩溶发育段，岩性主要为深灰色白云质灰岩。该岩溶段的顶部发育了一个高度约为3 m的未充填洞穴，计算平均含气饱和度为68%，录井气测显示峰值大于2%，斯伦贝谢公司2014年根据其评价标准（表 1）综合评价为Ⅰ类气层。2 169.5~2 171.2 m井段发育高角度溶蚀扩大缝，2 171.2~2 172.5 m井段为裂缝-溶洞型储层。

表 1(Table 1)

表 1 南哈Marsel探区Asa区块测井综合评价 类型 孔隙度/ % 含气饱和度/ % Ⅰ类气层 > 5 > 60 Ⅱ类气层 3~5 40~6 干层 < 3 裂缝不发育

下载CSV 表 1 南哈Marsel探区Asa区块测井综合评价

2 172.5~2 219.2 m井段岩溶不发育，岩性主要为白云质灰岩和石膏岩，局部井段缝合线发育。其中，2 190.0~2 219.2 m井段发育一套厚层石膏岩，FMI静态图像显示为亮白色或浅黄色，动态图像具有块状特征和“砾状”特征。

2 219.2~2 240.8 m井段岩溶较发育，共识别出3种岩溶结构单元，分别为缝合线、高角度无扩溶构造缝和高角度溶蚀扩大缝。其中，2 229.0~2 240.8 m井段发育高角度溶蚀扩大缝，经测井综合评价为Ⅱ类气层。

2 240.8~2 321.0 m井段岩溶不发育，岩性主要为灰色灰岩及深灰色泥质灰岩等。灰色灰岩主要为块状构造及条带状构造，深灰色泥质灰岩具水平层理及条带状构造。由于地层致密，部分井段可见钻井诱导缝。

根据岩溶发育情况，维宪阶自上而下可分为11段，其中有5个岩溶发育段。C₁v²段发育一套岩溶，C₁v²段和C₁v²段各发育2套岩溶。

C₁v²段顶部为风化壳古土壤层，在常规测井上表现为无铀伽马值突然升高，密度值和电阻率值均降低，在成像测井图像上显示为不规则低阻深色条带[图 8(a)~(b)]；2 331.1~2 403.2 m井段为岩溶发育段，岩性主要为灰色灰岩、泥质灰岩，浅灰色膏质灰岩、深灰色灰质泥岩等。上部以高角度溶蚀扩大缝为主，中部发育低角度溶蚀扩大缝，底部可见未充填洞穴；2 380.5~2 398.7 m井段主要发育低角度溶蚀扩大缝，电阻率平均值为40 Ω·m，孔隙度平均值为3.1%，计算含气饱和度平均值为42%，气测显示峰值大于2%，经综合评价为Ⅱ类气层；2 403.2~2 434.2 m井段为岩溶零星发育段，仅见一些零星的溶孔和溶蚀扩大缝。

图 8

Fig. 8

下载eps/tif图 图 8 南哈Marsel探区Asa区块风化壳古土壤层测井响应特征 Fig. 8 Logging response characteristics of weathering crust paleosol in Asa block in Marsel area, southern Kazakhstan

C₁v²段顶部岩性主要为浅灰色白云质灰岩与灰色硅质灰岩互层，岩溶不发育，2 443.8~2 455.3 m井段可见钻井诱导缝，2 456.6~2 465.6 m井段由圧溶作用形成的缝合线较为发育；2 468.2~2 482.2 m井段为岩溶发育段，测井综合评价为Ⅱ类气层，上部主要发育低角度溶蚀扩大缝，下部发育一个高度约为1 m的半充填洞穴；2 482.2~2 508.5 m井段为岩溶零星发育段，可识别的岩溶结构单元主要为泥质充填缝，此外还发育少量的低角度溶蚀扩大缝（2 496.7~2 503.0 m）；2 508.5~2 538.5 m井段为C₁v²段发育的第2套岩溶，也主要发育低角度溶蚀扩大缝，岩性主要为泥质灰岩，电阻率平均值为10~200 Ω·m，孔隙度平均值为3.3%，计算含气饱和度平均值为46%，气测显示峰值为0.6%，综合评价为Ⅱ类气层；2 538.5~2 567.6 m井段为裂缝发育段，上部以锯齿形缝合线为主，下部发育高阻充填缝。

C₁v²段2 568.5~2 573.0 m井段为岩溶发育段，上部溶蚀作用较强，发育有4个高度均为半米左右的未充填洞穴。下部溶蚀作用较弱，仅见到几条低角度溶蚀扩大缝；2 573.0~2 615.0 m井段为岩溶零星发育段，共识别出3种岩溶结构单元，从上到下分别为泥质充填缝、高阻充填缝和低角度溶蚀扩大缝；2 615.0~2 632.0 m井段为岩溶发育段，可识别的岩溶结构单元从上到下分别有高角度溶蚀扩大缝、未充填洞穴、角砾全充填洞穴和低角度溶蚀扩大缝等。

杜内阶岩溶不发育，岩性主要为灰色泥岩，在FMI静态图像上呈黄黑色或黄褐色，在动态图像上水平层理发育，局部井段黄铁矿发育。

通过以上对南哈Marsel探区Asa区块典型单井岩溶结构单元的识别和划分，虽然不能完全弄清岩溶的分布规律和展布特征，但由于所选典型井钻遇地层全、揭示的岩溶结构种类丰富，因此可以初步确定出岩溶发育程度较强的重点层段，以及重点层段的岩溶发育特征，并对重点岩溶发育层段进行了成像测井精细刻画（图 9~10）。在对重点岩溶发育层段进行成像测井精细刻画之后，发现下石炭统各个层段均有岩溶发育，但主要发育在谢尔普霍夫阶和维宪阶三段。其中谢尔普霍夫阶发育2段岩溶（图 9），第1段岩溶发育在第1套石膏岩下方的白云质灰岩地层中，顶部为未充填洞穴，在未充填洞穴的下方发育有高角度溶蚀扩大缝。本岩溶段测井响应明显，密度测井曲线呈尖刺状降低，深、浅侧向电阻率曲线也均明显降低，井径曲线异常增大；第2段岩溶发育在谢尔普霍夫阶第2套石膏岩下方的灰色石灰岩地层中，以高角度溶蚀扩大缝为主。Tgtr8井谢尔普霍夫阶也发育2段岩溶，同样发育于膏岩层的下方，岩溶结构单元也主要为未充填洞穴和高角度溶蚀扩大缝。

图 9

Fig. 9

下载eps/tif图 图 9 Asa2井谢尔普霍夫阶岩溶段精细刻画 Fig. 9 Fine description of karst section of Serpukhov in well Asa2

图 10

Fig. 10

下载eps/tif图 图 10 Asa2井维宪阶岩溶段精细刻画 Fig. 10 Fine description of karst section of Viseanin in well Asa2

利用成像测井精细刻画结果（图 10），在Asa区块自东向西选取4口井，对岩溶体系进行了连井横向对比（图 11），发现维宪阶三段具有明显的表生岩溶特征，纵向分带性良好。自上而下依次可分为风化壳古土壤层、垂向渗流岩溶带和水平潜流岩溶带。风化壳古土壤层在测井曲线上表现为高无铀伽马、低密度和低电阻率，成像测井上可见暗色条带；垂向渗流岩溶带以垂向渗流作用为主，共发育3段近于垂直的高角度溶蚀扩大缝，分别分布于距顶界面5~15 m，15~25 m和40~50 m的深度，部分裂缝中可见石膏充填。无铀伽马值较低，呈不规则齿形。在溶蚀扩大缝发育的位置，井径曲线明显扩径，呈尖峰状，可以作为横向对比的标志；水平潜流岩溶带是由于地下水的水平流动而形成的，主要在距顶界面60~80 m的深度发育低角度溶蚀扩大缝，在底部可见未充填洞穴。

图 11

Fig. 11

下载eps/tif图 图 11 南哈Marsel探区Asa区块连井岩溶体系划分对比 Fig. 11 Well-tie contrast of karst system in Asa block in Marsel area, southern Kazakhstan

（1）南哈Marsel探区Asa区块下石炭统碳酸盐岩储层中可识别出4种岩溶结构单元，分别为洞穴型、裂缝型、溶孔型及裂缝-溶孔型。其中，洞穴型结构单元按照洞穴充填程度和充填物性质的不同又可细分为未充填洞穴、半充填洞穴、泥质全充填洞穴和角砾全充填洞穴；裂缝型结构单元按照溶蚀、充填情况可进一步细分为无扩溶构造缝、溶蚀扩大缝、缝合线和后期充填缝。通过对已发现的气测显示井段进行分析，发现未充填洞穴、高角度溶蚀扩大缝和低角度溶蚀扩大缝为主要的储集空间。

（2）南哈Marsel探区Asa区块下石炭统除杜内阶外，其余各个层段均可见岩溶发育。其中，谢尔普霍夫阶发育2套岩溶，维宪阶发育5套岩溶，维宪阶三段发育1套岩溶，维宪阶二段和维宪阶一段各发育2套岩溶。

（3）谢尔普霍夫阶和维宪阶三段均为重点岩溶发育段，岩溶发育程度较强。谢尔普霍夫阶的2段岩溶均发育在石膏岩的下方；维宪阶三段发育的岩溶具有明显的纵向分带性，顶部为风化壳古土壤层，中部为垂向渗流岩溶带，底部为水平潜流岩溶带。其中，垂向渗流岩溶带以高角度溶蚀扩大缝为主，水平潜流岩溶带主要发育低角度溶蚀扩大缝和未充填洞穴。