0 引言
塔里木盆地古城地区奥陶系油气勘探始于20世纪80年代末期。1989—2011年，先后在该区部署了多轮二、三维地震及多口钻井，如古城4等井揭示了奥陶系一间房组碳酸盐岩浅水高能鲕滩粒、砂屑滩沉积，鹰山组为低能沉积，该时期建立的鹰山组沉积模式包括台地前缘缓坡[9]、镶边台地[10]。2011—2021年，对该区鹰山组沉积模式开展了持续研究，建立的主要类型包括远端变陡的缓坡沉积模式[11-12]、远端变陡缓坡—弱镶边开阔台地模式[13-14]、镶边台地模式[15-16]，勘探部署主要以远端变陡的缓坡模式为指导。基于此模式，勘探方向及井位部署转向内缓坡，以鹰山组三段—四段（简称鹰三段—鹰四段）滩相白云岩为钻探目标，共钻探了近20口井，虽在古城6和古城8井鹰三段白云岩[17]中获得油气流，但钻井成功率不高，未获得重要突破。
远端变陡的缓坡沉积模式建立的主要依据为研究区鹰山组“东薄西厚”的地层变化特征，但地层厚度变化影响因素较多，并非沉积能量的直接响应。本文以碳酸盐岩沉积学为理论指导[18]，在大量岩心、岩屑薄片分析的基础上，对比研究区不同区块的颗粒及填隙物类型、颗粒滩厚度与地层厚度比值（简称“颗地比”），精细解析地震反射特征，并结合测井、碳同位素组成等资料，重新论证古城地区鹰山组碳酸盐岩沉积相模式，分析地层“东薄西厚”的变化原因，刻画沉积相有利区，明确优质储层的控制因素，提出新的油气勘探方向建议，以期推动古城地区超深层碳酸盐岩油气高效勘探。
1 区域地质概况
研究区位于中央隆起带的东南部（见图1a），西临塔中凸起、北部接近满加尔凹陷、东部及南部接塔东凸起（见图1b），为北西倾的下古生界大型宽缓鼻状构造。受车尔臣断裂影响，研究区南部形成一系列复杂冲断构造；北部构造相对平缓，局部为断背斜构造[19]。古城地区为长期继承性发育的低凸起，经历了加里东期—燕山期的多期构造活动：加里东期，受盆地周缘前陆盆地挤压的影响，古城低凸起雏形显现，呈南高北低的古地貌；海西中期，受构造活动影响，南部隆升，奥陶系—泥盆系局部遭受剥蚀；印支早期，再次抬升遭受剥蚀，三叠系与下伏的二叠系、石炭系呈不整合接触；燕山期，受塔东与塔东南隆升影响，三叠系遭受部分削蚀，白垩系超覆其上[20]。受此影响，研究区深部断层发育，以走滑断裂为主，呈北—西向、北—北东向与北—东向展布[21-22]。
2 奥陶系鹰山组镶边台地模式的构建
对研究区2 007 km2三维资料采用了宽频保幅保真高精度地震成像处理技术，确保地震反射特征、地震相刻画的精确成像。对13口井（古城6、古城601、古城8井等）328.19 m岩心、1 800余张岩心薄片及4口井近2 000张岩屑薄片进行了观察、鉴定（城探1、城探2和城探3井采样间距2 m，古探1井采样间距1 m）。应用MAT 253 Plus对4口井591个样品的碳同位素组成进行了测试（古城9井76个；古城8井136个；城探1井118个，古探1井261个），样品处理及测试流程据文献[27]，测试精度可控制在0.1‰以内。完成古探1井6 359 m的碎屑锆石（60个样品点）、5 992 m的碳酸盐U-Pb定年（50个样品点），仪器为LA—ICP—MS，测试过程据文献[28-29]；标样为91500锆石[30]、盲样为Tanz锆石（566.0±3.7）Ma[31]，碳酸盐U-Pb定年以NIST 614为主标、以PTKD—2（（153.7±1.7）Ma）[32]为副标。地震资料处理、解释由中国石油大庆油田公司勘探开发研究院和东方地球物理公司研究院大庆物探研究院共同完成，薄片鉴定及碳同位素组成测试在油气藏地质及开发工程全国重点实验室及中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学研究分室完成，U-Pb定年测试在四川创源微谱科技有限公司完成。
2.1 地震反射特征及其岩石学解释
碳酸盐岩地震反射为地质体的综合响应，包括颗粒滩、生物礁、礁滩复合体等高能沉积的中—弱/强振幅、席状—丘状中等连续反射、杂乱反射，滩间海等低能沉积的中—强振幅、平行—亚平行中—高连续反射，斜坡的中—强振幅、楔状中等连续反射等[33]。研究区鹰山组地震剖面显示，塔东地区地层厚度急剧减薄，地震反射特征为强振幅、平行反射，为斜坡—盆地相，与区域台盆沉积格局的盆地相特征一致[34]；在研究区东部的古城4井—城探1井—城探2井—城探3井—古探1井等区域为中—弱振幅，丘形杂乱、空白反射，分布面积广、可对比性强；研究区西部的古城13井—古城6井—古城16井—古城15井等区域为中—强振幅，亚平行夹断续杂乱反射及中—强振幅，平行—亚平行较连续反射；古城9井—古城12井—古城17井等区域地震反射特征为中—弱振幅、中—差连续反射（见图2）。
图3 古城地区鹰山组各岩石类型的岩心镜下微观特征（a）城探3井，鹰一段，5 918.00 m，亮晶含鲕粒砂屑灰岩，单偏光；（b）城探2井，鹰二段，5 790.00 m，亮晶砂屑灰岩，单偏光；（c）城探2井，鹰三段，5 930.00 m，亮晶鲕粒灰岩，单偏光；（d）城探3井，鹰三段，6 315.00 m，隐藻粘结岩，单偏光；（e）古城13井，鹰二段，6 115.00 m，泥晶砂屑灰岩，单偏光；（f）古城14井，鹰一段，5 873.20 m，泥晶灰岩，单偏光；（g）古城16井，鹰三段，6 557.19 m，细粒白云岩，单偏光；（h）古城601井，鹰三段，6 073.30 m，残余砂屑白云岩，单偏光 |
统计显示，古城地区不同地区鹰山组单井的颗地比存在明显差异性，东部地区一般为83.65%~90.17%、西部地区一般为63.88%~70.07%，为沉积相模式及其控制下的沉积微相类型差异的响应。
2.2 碳同位素组成证据
碳同位素组成的变化与海平面升降有着密切的关系：海平面上升期，有机碳埋藏速率增加、古陆氧化剥蚀带入海洋的有机碳减少，碳酸盐岩δ13C值相应增高[35]，反之碳酸盐岩δ13C值相应降低[36]。古城地区东西向剖面δ13C值表现为一定的共性及差异性：①不同地区鹰山组δ13C值在鹰四段偏正，向上均呈现出振荡下降的趋势，对应鹰四段以高位、中低能沉积为主，鹰三段—鹰一段为低位振荡、中高能沉积为主的沉积特征。这与前人对塔里木盆地早奥陶世早期海侵、早奥陶世晚期—中奥陶世海退的海平面变化趋势一致[37-38]。②鹰三段顶、鹰一段顶δ13C值明显偏负，可能与其短暂暴露、遭受大气淡水溶蚀有关。③在高频层序内，古城地区东部δ13C值振荡频率显著高于西部，这可能与东部地区水体浅、滩体等高地貌在海平面下降期频繁发生准生期大气淡水溶蚀有关（见图4）。
2.3 地层厚度变化及原因分析
古城地区鹰山组自西向东减薄，这是前人建立远端变陡的缓坡沉积模式的主要证据之一。地层厚度取决于沉积速率，而沉积速率受可容空间、海底地貌、沉积样式、同沉积构造等多种因素的综合控制[39]，并非“地层厚度大则沉积能量一定高”。
对研究区东部的城探1井、城探2井、城探3井、古探1井、古城4等井薄片观察发现，鹰山组多个深度段发育石英砂岩、少量粉砂岩及泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等碎屑岩及风化铁质（见图5）；而这些井均中完于吐木休克组碳酸盐岩地层中，故碎屑岩为层间岩溶充填物。横向上，碎屑充填物主要分布于台地边缘相，具有一定的层位性和连续性：主要分布于鹰三段顶、鹰一段顶以下80 m范围内；开阔台地内未见此特征。以上现象表明，鹰三段、鹰一段沉积末期受构造抬升影响，台地边缘带形成沉积间断，遭受剥蚀，并处于层间岩溶环境，受大气淡水溶蚀，形成缝洞体及碎屑充填物（见图6），造成台地边缘地层厚度减薄；而开阔台/局限台地地处于正常沉积，最终形成了开阔台地/局限台地地层厚度大于台地边缘的现象。
图5 古城地区鹰山组台地边缘层间岩溶缝洞充填物特征（古探1C井为古探1井的侧钻井）（a）古探1C井，鹰三段，6 358.00 m，细粒石英砂岩，粒间灰泥充填，单偏光；（b）古城4井，鹰一段，5 672.00 m，含泥不等粒岩屑砂岩，分选差，单偏光；（c）城探2井，鹰一段，5 696.00 m，不等粒岩屑砂岩，单偏光；（d）城探2井，鹰一段，5 754.00 m，泥岩夹细粒石英砂岩条带，单偏光；（e）古探1C井，鹰三段，6 361.00 m，泥岩，含少量粉砂，单偏光；（f）古探1C井，鹰三段，6 352.00 m，粉砂岩，富含风化铁质，单偏光 |
2.4 沉积模式类型及相带边界确定
在镶边台地沉积模式指导下，钻井与地震结合对古城地区鹰山组沉积相类型及相边界进行了刻画：鹰四段—鹰三段自西向东为局限台地—台地边缘—斜坡—盆地的沉积体系，局限台地岩石类型包括晶粒白云岩、残余颗粒白云岩等；台地边缘以砂屑灰岩为主，夹泥晶灰岩，少量隐藻粘结岩；局限台地与台地边缘沉积微相垂向上均表现为多个厚度不等的向上变浅沉积旋回，并在旋回顶部常受大气淡水溶蚀改造，形成组构选择性溶蚀的粒内溶孔、铸模孔等孔隙型储层。受区域近南北向古构造隆起带约束，局限台地与台地边缘界线呈近南北向展布，边界分布于古城11井—古城17井一线，地震剖面上表现为局限台地的中—强振幅亚平行夹断续杂乱反射与台地边缘的中—弱振幅杂乱反射的界线。台地边缘与斜坡界线位于古城4井一线附近，亦呈近南北向展布；地震剖面表现为台地边缘的弱振幅丘状杂乱反射、空白反射与斜坡的强振幅平行反射的界线（见图7a、图7b）。
古城地区鹰山组台地边缘东部边界分布稳定，西部边界具有向研究区西部迁移的趋势，这与鹰二段—鹰一段沉积期海退背景下滩体侧向迁移有关。
2.5 沉积相演化模式
研究区鹰山组沉积相带分布、沉积微相类型及迁移受构造挤压背景下不同级别的海平面变化的控制[44]。鹰四段—鹰三段沉积期，受北昆仑洋向南俯冲导致的构造背景转换，伴随着相对海平面的大幅下降，沉积体系整体表现为进积特征：台地边缘以鹰四段的中—低能砂屑滩与滩间海不等厚互层向鹰三段的中—高能砂屑滩夹滩间海演化，鹰四段自然伽马以中低值为主、鹰三段为低值夹中值；局限台地以潟湖沉积为主，夹薄层白云岩颗粒滩沉积（见图8a），自然伽马以中值为主，夹低值。鹰二段—鹰一段沉积期，整体继承了鹰四段—鹰三段的沉积格局；此阶段相对低位期的海平面高频振荡升降成为控制沉积演化的重要因素，整体呈颗粒滩垂向加积—侧向迁移的复合型演化模式：高频海平面上升期，可容空间增大，颗粒滩、灰泥丘发育并以垂向加积为主，自然伽马以低值为主、鹰一段上部受泥质充填影响见尖峰状中高值；高频海平面下降期，以颗粒滩沉积为主，并向侧向迁移，使得该期台地边缘向西迁移、较鹰四段—鹰三段宽，同时局部高地貌发生短期暴露和淋滤作用（见图8b）。
2.6 新钻井验证
以镶边台地沉积模式为指导，在原深缓坡[11-12]、现台地边缘外带部署了一口风险探井（古探1井）。钻井揭示奥陶系鹰山组岩性以亮晶颗粒灰岩为主，颗粒类型为砂屑、鲕粒（见图9a—图9h），厚376.85 m，占比高达91.7%；少量隐藻粘结岩，受隐藻生物有机质含量丰富及捕获灰泥的影响，颜色通常较暗，常发育粒状方解石全充填的鸟眼孔（见图9i），为灰泥丘沉积，厚30.75 m，占比8.3%；未见泥晶灰岩等低能沉积。垂向上以砂屑滩—鲕粒滩的多旋回叠加为主，碳同位素组成表现为频繁的负漂振荡（见图9k），为颗粒滩顶部受高频短期海平面下降暴露遭受大气淡水溶蚀的响应。地震反射特征以中—弱振幅，丘形杂乱、空白反射为主，镶边台地斜坡坡度10.9°（见图9j）。该井不仅佐证了古城地区鹰山组为典型的镶边台地沉积模式，且发育规模性孔隙型、缝洞型储层，钻井过程中多次成功点火，火焰高5 m左右，预示台地边缘具有广阔的勘探前景。
图9 古探1井鹰山组台地边缘相沉积特征（a—i）、地震-地质结构剖面（j）及地层综合柱状图（k）（GR—自然伽马；d—井径；Rlld—深侧向电阻率；Rlls—浅侧向电阻率）（a）鹰一段，5 865 m，亮晶砂屑灰岩，见沥青充填的粒内溶孔，单偏光；（b）鹰一段，5 890 m，亮晶砂屑鲕粒灰岩，单偏光；（c）鹰一段，5 946 m，亮晶含鲕粒砂屑灰岩，见未充填构造缝，单偏光；（d）鹰二段，5 967 m，亮晶砂屑灰岩，发育未充填构造缝，单偏光；（e）鹰二段，6 050 m，亮晶砂屑灰岩，见藻砂屑、沥青充填的粒内溶孔，单偏光；（f）鹰二段，6 090 m，亮晶砂屑灰岩，见藻粘结、方解石充填的构造缝，单偏光；（g）鹰二段，6 132 m，亮晶砂屑灰岩，见藻屑，单偏光；（h）鹰三段，6 188 m，亮晶鲕粒灰岩，见未充填构造缝，单偏光；（i）鹰三段，6 206 m，隐藻粘结岩，鸟眼构造发育，单偏光；（j）过古探1井西—东向地震地层结构剖面特征（剖面位置见图1b）；（k）古探1井鹰山组综合柱状图 |
3 沉积相对储层发育的约束
3.1 有利滩体分布
在镶边台地模式指导下，钻井与地震相结合识别有利滩体：钻井上，基于大量的薄片及测井岩相模板建立的“低自然伽马、高深侧向电阻率、高声波时差”响应特征对有利滩体进行综合识别，其具有不同类型的储集空间，物性达到塔里木盆地海相碳酸盐岩储层下限（孔隙度为1.5%、渗透率为0.1×10-3 μm2）以上；基于单井分析结果，进行井震标定并明确了弱振幅杂乱反射及丘形建隆为有利滩体地震特征，最后在均方根振幅地震相刻画基础上开展相控反演，落实有利滩体平面分布。
结果表明，鹰山组有利滩体发育区主要沿台地边缘分布；其中，台地边缘外带有利滩体呈连续条带展布，分布面积占比约54%；台地边缘内带有利区多为断续斑团状，规模较台地边缘外带减小，分布面积占比约17%；开阔台地/局限台地有利滩体主要为古城9井—古城15井一带，多以点状、斑团状为主，连续性较差，分布面积占比约13%（见图10）。有利滩体分布规模由台地边缘外带—台地边缘内带—开阔台地/局限台地逐渐减小的变化趋势，且滩体类型由砂屑滩、鲕粒滩过渡为砂屑滩，为水体深度、能量、可容空间等的综合响应。
3.2 台地边缘储层成因类型
古城地区鹰山组台地边缘颗粒滩厚度占比普遍超过80%，为各期溶蚀改造提供了良好的物质基础。宏观储集空间包括溶洞、溶孔、裂缝等，溶洞、溶孔呈不规则状、孤立椭圆状、圆状等（见图11a—图11b）；裂缝多为构造缝，部分具扩张现象（见图11c）。微观储集空间包括粒内溶孔、粒间溶孔、构造溶蚀缝（见图11d—图11h）。就储层成因而言，包括准同生期大气淡水溶蚀形成的粒内溶孔、粒间溶孔等，未充填、残余沥青侵染（见图11d—图11f）；层间岩溶形成的缝洞体及其碎屑充填物（见图5）、泥质充填物（见图11b），地震上常见“串珠状”反射（见图9j）；埋藏期溶蚀形成的构造缝具有多期性，较宽大缝被方解石充填、沥青侵染（见图11c），细小缝多未充填（见图11g—图11h），埋藏期溶蚀孔洞多被粗晶方解石半充填—全充填，局部具沥青侵染（见图11a）。
图11 古城地区鹰山组台地边缘有利相带储集空间特征（a）古探1井，鹰一段，5 827.77 m，溶洞，方解石半充填，亮晶砂屑灰岩，岩心；（b）古探1井，鹰二段，6 030.00 m，溶洞，泥质充填，亮晶砂屑灰岩，岩心；（c）古探1井，鹰一段，5 827.73 m，多期构造缝，方解石充填、沥青侵染，亮晶砂屑灰岩，岩心；（d）古城8井，鹰三段，6 048.00 m，未充填粒内溶孔，亮晶砂屑灰岩，单偏光；（e）古探1井，鹰一段，5 828.29 m，粒内溶孔、粒间溶孔发育，沥青侵染，亮晶鲕粒灰岩，单偏光；（f）古探1井，鹰一段，5 829.08 m，不规则溶洞，方解石、残余沥青半充填，亮晶砂屑灰岩，单偏光；（g）城探2井，鹰三段，5 975.00 m，未充填构造缝，亮晶砂屑灰岩，单偏光；（h）城探3井，鹰三段，6 105.00 m，缝合线，泥—亮晶砂屑灰岩，单偏光 |
4 油气勘探方向
勘探实践证实，前期对古城地区鹰山组局限台地白云岩勘探成功率较低，近20口探井中仅古城6井、古城8井、古城9井、古城17井获油气流，未形成工业化产能，宜作为勘探后备领域；台地边缘颗粒滩能量高、厚度大、生储盖配置佳、多期溶蚀作用发育，是油气勘探的优先选区。台地边缘带有利目标选取应注重颗粒滩与层间岩溶的叠合发育区：鹰山组颗粒滩受准同生期大气淡水溶蚀形成粒内溶孔、粒间溶孔等组构选择性孔隙，溶蚀作用区主要沿滩体高地貌呈透镜状分布，发育10~15个米级溶蚀作用区；层间岩溶发育于鹰一段、鹰三段沉积末期，形成溶蚀缝洞体，是该区鹰山组最重要的储层成因类型，作用范围集中在鹰一段顶、鹰三段顶向下80 m内（见图13），优质溶蚀缝洞型储层在地震剖面上表现为“串珠状”反射。鹰一段、鹰二段开阔台地部分高地貌的颗粒滩具备准同生期大气淡水溶蚀及形成孔隙型储层的条件，但规模较小，且多数被胶结，整体勘探潜力有限；鹰三段、鹰四段的局限台地白云岩局部发育针状溶孔，并见埋藏期溶蚀缝洞，二者叠合区可形成规模性储层，可作为后备勘探目标（见图13），对此类目标应加强沉积微地貌及断裂期次刻画，同时注重油气保存方面的研究。
5 结论
塔里木盆地古城地区奥陶系鹰山组为镶边台地沉积，自西向东发育局限台地/开阔台地—台地边缘—斜坡—盆地的沉积体系，并经钻井证实；在此沉积模式指导下，勘探重点由研究区西部的内缓坡转变为东部的台地边缘，极大拓宽了勘探领域。
古城地区鹰山组台地边缘颗粒滩水体浅、能量高、厚度占比大，准同生期大气淡水溶蚀、层间岩溶等成岩改造明显；其中，鹰一段、鹰三段上部的层间岩溶形成的缝洞型储层是台地边缘最重要的储层类型，也是造成研究区鹰山组西厚东薄的主要原因。
古城地区鹰山组台地边缘勘探应注重颗粒滩与层间岩溶的叠合发育区，储层类型以缝洞型为主，层位上以鹰一段顶、鹰三段顶向下80 m范围内“串珠状”地震反射对应的缝洞为主要部署目标；鹰三段、鹰四段局限台地颗粒滩相白云岩可作为后备勘探领域，以滩体微地貌高点及埋藏溶蚀叠合发育区为优先勘探目标。