夏 勇，劉海鋒，袁繼明，王 華，王彩麗

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018； 2.中國石油長慶油田公司 勘探開發(fā)研究院，陜西西安 710018）

0 引言

靖邊氣田是西氣東輸?shù)闹匾庠粗?，天然氣主要賦存于下古生界奧陶系頂部巖溶風(fēng)化殼儲層中[1-5］.人們研究靖邊氣田沉積、成藏機(jī)理、儲層特征、主控因素等[2-11］，認(rèn)為在靖邊古潛臺周邊發(fā)育的次級潛臺、殘丘及巖溶斜坡是形成風(fēng)化殼溶蝕孔洞儲層的有利地區(qū)[2］.近年來，勘探開發(fā)逐漸向靖邊氣田周邊地區(qū)擴(kuò)展[3-5］，研究區(qū)位于靖邊氣田南部，鉆井結(jié)果顯示具有較好的勘探開發(fā)潛力，但同時(shí)也表現(xiàn)出更為復(fù)雜的儲層發(fā)育特征和天然氣富集規(guī)律.筆者利用地質(zhì)、鉆井和化驗(yàn)資料，分析靖邊氣田南部古巖溶形跡識別標(biāo)志，細(xì)分表生風(fēng)化期古巖溶垂向分帶，從殘余地層、古地貌、溶蝕充填作用、指示性礦物分布等方面分析巖溶平面展布特征，研究巖溶作用與儲層發(fā)育的關(guān)系，為評價(jià)和預(yù)測有利區(qū)分布提供更多的信息[12］.

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地靖邊古潛臺在奧陶系馬家溝組馬五沉積期，整體為干旱炎熱的氣候條件下形成的蒸發(fā)潮坪環(huán)境[9］，海平面的升降呈高頻率、規(guī)律性變化，導(dǎo)致巖性在縱向上云質(zhì)、泥質(zhì)、膏質(zhì)、灰質(zhì)等呈韻律性變化.根據(jù)巖性組合特征，自下而上依次劃分馬五10—馬五1共10個(gè)亞段.主力產(chǎn)層馬五1—馬五2（即馬五1＋2）巖性以泥—粉晶白云巖為主，夾泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r及蒸發(fā)巖，含少量凝灰?guī)r.在后期，研究區(qū)（見圖1）主要形成富含石膏結(jié)核的細(xì)粉晶白云巖[4］，石膏結(jié)核被溶蝕改造形成渾圓狀孔洞，為儲層的主要儲集空間.之后，馬六期為一次大的海侵，主要沉積為深灰色泥晶灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r.

中奧陶世末，加里東運(yùn)動使鄂爾多斯盆地整體抬升，并經(jīng)歷長達(dá)1.3億年的風(fēng)化剝蝕，缺失晚奧陶世至早石炭世沉積[2-9］.以穩(wěn)定克拉通中央古隆起為界，東側(cè)的靖邊古潛臺地形為西高東低和向東南傾伏的巖溶大斜坡，地形相對高差小于70m，地表水由西向東呈徑流特征.該時(shí)期表生淋濾巖溶作用十分強(qiáng)烈，形成如樹枝狀分布的侵蝕溝槽.同時(shí)，持續(xù)補(bǔ)充的大氣淡水和含酸性溶蝕水使碳酸鹽巖中的微裂縫、溶孔、粒間溶孔等不斷溶蝕擴(kuò)大，形成大面積成層分布、具有示頂?shù)讟?gòu)造的斑狀、蜂窩狀溶孔和溶洞，并伴生密集的風(fēng)化裂縫和機(jī)械破碎裂縫，最終形成前石炭紀(jì)獨(dú)特的“丘洼相間、溝槽密布”的巖溶地貌特征和溶孔—裂縫型巖溶儲層.

中石炭世再度發(fā)生海侵，沉積海陸過渡相的中—上石炭統(tǒng)地層，至石炭系本溪組末期，靖邊古潛臺內(nèi)大部分地區(qū)地形趨于平緩，沉積一套厚層的沼澤相煤層，厚度為4～10m，區(qū)域范圍內(nèi)分布穩(wěn)定，具有一定等時(shí)性，也是劃分石炭系和二疊系地層的重要標(biāo)志層.

2 古巖溶特征

2.1 古巖溶識別標(biāo)志

巖溶風(fēng)化殼儲層具有不同于其他儲層的巖性組合特征，是判斷巖溶作用存在及強(qiáng)度的依據(jù)，識別古巖溶作用的形跡標(biāo)志主要有地層學(xué)標(biāo)志、巖石學(xué)標(biāo)志、礦物學(xué)標(biāo)志等[7-8］（見圖2）.

2.1.1 地層學(xué)標(biāo)志

一是奧陶系地層抬升剝蝕后殘余的出露層位.奧陶系碳酸鹽巖地層因加里東運(yùn)動抬升而缺失志留系、泥盆系地層，馬家溝組地層殘留層位不一，在馬六—馬五3以下地層均有發(fā)現(xiàn)，說明在沉積后有個(gè)長期的沉積間斷[13］，奧陶系與石炭系之間為假整合接觸關(guān)系.馬家溝組出露層位反映風(fēng)化裸露期地層所經(jīng)歷的溶蝕強(qiáng)度.

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

二是本溪組地層沉積特征及其厚度.本溪組為超覆沉積，地層厚度變化大，頂部9＃煤層在鄂爾多斯盆地內(nèi)部大部分區(qū)域分布穩(wěn)定、具有一定等時(shí)性、橫向?qū)Ρ刃詮?qiáng)，石炭系沉積地層與下伏的奧陶系風(fēng)化殼地層之間屬于“填平補(bǔ)齊”的關(guān)系，是利用沉積補(bǔ)償原理進(jìn)行古地貌恢復(fù)的重要依據(jù).

2.1.2 巖石學(xué)標(biāo)志

巖石學(xué)標(biāo)志是判斷古巖溶作用最直接的依據(jù)，主要有巖溶角礫巖、溶蝕孔洞、裂縫、風(fēng)化殘積物、含膏巖層等.

（1）巖溶角礫巖：是古巖溶作用最明顯的識別標(biāo)志[12］，按照成因可分為表層風(fēng)化角礫巖、巖溶坍塌角礫巖、暗河角礫巖（見圖2（a-c））.其成因與巖溶水動力有關(guān)，表層風(fēng)化角礫巖主要為垂直滲流作用形成，位于風(fēng)化殼頂面，垂直縫、高角度縫發(fā)育，大量充填泥質(zhì)及黃鐵礦；巖溶坍塌角礫巖以垂直滲流作用為主，角礫大小不一，棱角清晰，多為原地堆積；洞穴暗河角礫巖為垂直和水平滲流的綜合作用結(jié)果，棱角有一定的磨圓，近距離搬運(yùn)，角礫排列具有一定方向性.

（2）溶蝕孔洞：表生期大氣淡水淋濾溶蝕作用形成大量的溶蝕孔洞，受沉積相帶控制孔洞多呈層狀分布，常與斷裂及裂縫系統(tǒng)伴生.

（3）裂縫：成因主要有成巖縫、構(gòu)造縫和風(fēng)化縫[11］.風(fēng)化縫主要發(fā)育在巖溶作用強(qiáng)烈的層位，通常為交錯(cuò)分布的網(wǎng)狀微縫或高角度縫、垂直縫（見圖2（d）、（e））；成巖縫和構(gòu)造縫通常在整個(gè)巖層中能見到.

（4）風(fēng)化殘積物：表層風(fēng)化殘留的土壤沉積形成覆蓋風(fēng)化殼之上的鐵鋁質(zhì)泥巖，呈土狀或鱗片狀雜亂堆積，含較多的黃鐵礦晶體，常見高嶺土團(tuán)塊.鐵鋁質(zhì)泥巖的分布受古地貌控制[7］，在地勢低緩的地形上更容易沉積，厚度大、面積廣；在坡度較大的部位厚度薄、面積小、局部孤立，在溝槽內(nèi)往往被侵蝕殆盡，從側(cè)面也反映古地貌坡度的差異.

（5）含膏巖層：沉積期蒸發(fā)潮坪環(huán)境下形成大量石膏類巖石，主要有結(jié)核狀膏巖和層狀膏巖，常與細(xì)粉晶白云巖、泥粉晶白云巖等伴生，含膏巖層的出現(xiàn)表明溶蝕作用十分微弱，可作為評價(jià)風(fēng)化殼巖溶深度和確定潛水面的依據(jù).

圖2 靖邊氣田南部主要巖溶識別標(biāo)志類型Fig.2 The main identification palaeokarst trail signs of the southern Jingbian gasfield

2.1.3 礦物學(xué)標(biāo)志

溶蝕孔洞及裂縫內(nèi)的充填物主要有方解石、白云石、石英、高嶺石、鐵方解石、異形白云石、伊利石及有機(jī)質(zhì)等[9］（見圖2（f）、（g）），其中以方解石、白云石、石英三類為主.方解石對儲層起破壞作用，若溶孔中充填方解石所占空間過大，將大幅降低儲層的孔隙度；反之，則對儲層孔隙度的影響較小[12］.研究區(qū)儲層孔隙充填物在垂向上具有一定分帶性，靠近風(fēng)化殼頂部巖塊破碎，普遍充填泥質(zhì)、黃鐵礦或褐鐵礦等風(fēng)化殘積物；巖溶作用強(qiáng)的儲層段主要為白云石、方解石、石英等混合充填，充填程度以半充填—強(qiáng)充填為主；巖溶作用相對較弱的儲層以方解石充填為主，全充填現(xiàn)象普遍.

2.2 巖溶垂向分帶

研究區(qū)馬五段風(fēng)化殼巖溶剖面在垂向上具有明顯的分帶性，根據(jù)巖溶標(biāo)志的組合特征差異，自上而下可劃分為5個(gè)帶（見圖3）.

2.2.1 殘積帶

厚度為0.9～13.5m，以鋁土質(zhì)、泥質(zhì)沉積為主，由于受到物理—化學(xué)風(fēng)化、大氣淡水淋濾等作用，暴露于古地表的奧陶系白云巖被大量化學(xué)分解，其巖性與下覆碳酸鹽巖具有較大差異，對氣藏的形成具有良好的封蓋作用，但同時(shí)對埋藏期烴類運(yùn)移起到阻隔作用.

2.2.2 垂直滲流帶

位于殘積帶之下，殘積帶大氣淡水溶解能力強(qiáng)，研究區(qū)一般發(fā)育在風(fēng)化殼頂部的馬六—地層中，以發(fā)育高角度溶縫為主要特征.垂直滲流帶中大氣淡水首先沿地表裂縫系統(tǒng)向下滲透，進(jìn)入孔隙系統(tǒng)，形成溶蝕的孔洞縫，常被地表殘余物和洞壁塌積物充填，如角礫、硅質(zhì)、砂泥質(zhì)等，亦有少量未被完全充填.馬六地層以含泥灰?guī)r為主，基巖孔隙發(fā)育程度低，且洞縫多被全充填，難以形成有效儲層.

2.2.3 垂直水平滲流過渡帶

碳酸鹽巖的原始可滲透性是影響巖溶作用方式和儲集層發(fā)育特征的主要原因[12］，膏巖層易溶蝕，泥質(zhì)白云巖、凝灰質(zhì)泥巖等致密巖性對巖溶水具有一定的阻隔作用，馬五1-2內(nèi)主要位于中下部、等，大氣淡水經(jīng)歷風(fēng)化殼頂部的強(qiáng)烈垂直滲流巖溶之后在此受到阻擋，在隔水層之上的上部、的含石膏結(jié)核細(xì)粉晶白云巖中形成水平滲流巖溶作用.由于隔水層的機(jī)械破碎和底部巖層溶蝕形成垮塌作用，隔水巖層中不乏垂直裂縫和巖溶角礫巖，使巖溶水仍然保持垂直滲流的特征.此過程中，大氣淡水未飽和，巖溶水的緩慢移動易將大量的石膏結(jié)核溶蝕而形成鳥眼狀溶孔，溶孔大小與沉積時(shí)形成的石膏結(jié)核有關(guān)，一般在1～5mm之間，共生有大量的裂縫和部分小型溶洞，使垂直水平滲流過渡帶成為有效儲層形成的主要部位.

2.2.4 水平徑流帶

繼續(xù)向下垂向運(yùn)移的大氣淡水穿過多層局部隔水層后到達(dá)馬五22小層時(shí)，由于受到壓力梯度的控制和潛水面的頂托作用，使其近水平方向緩慢的向巖溶洼地部位移動，明顯的標(biāo)志是暗河角礫巖、洞穴崩塌堆積物發(fā)育，化學(xué)充填作用強(qiáng)烈，多為方解石的全充填，使儲層的物性大大降低.

2.2.5 未溶蝕或弱溶蝕帶

巖溶作用到達(dá)一定深度的潛水面后，強(qiáng)度迅速減弱，直至幾乎不發(fā)生溶蝕作用，主要以見到大量含石膏類巖的頂面為標(biāo)志，但局部存在沿大型構(gòu)造縫等滲流溶蝕至更深的層位.

圖3 典型井馬五1＋2段巖溶結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 Mawu1＋2karst structure sections of the typical well

2.3 巖溶展布特征

2.3.1 溶蝕殘余地層分布

研究區(qū)西側(cè)奧陶系地層自東向西依次被剝蝕，自S101-S15井一線起，馬五2以上殘余厚度由大于25m向西逐漸降到0m至完全剝蝕，出露層位自L8井以西為馬五3以下地層，為區(qū)域剝蝕區(qū).中部及東側(cè)奧陶系地層保存程度較高，出露層位主要為，局部出露馬六，大部分井完整保存地層，研究區(qū)90%完鉆井馬五2以上殘余厚度大于30m，個(gè)別井達(dá)到40m以上.東部發(fā)育4條侵蝕溝槽，相對切割深度為5～20m，出露層位為（見圖4）.

圖4 靖邊氣田南部溶蝕殘余地層分布Fig.4 The residual Formation distribution map in the southern Jingbian gasfield

2.3.2 巖溶古地貌形態(tài)

根據(jù)沉積補(bǔ)償原理，本溪組出露地層越薄，古地貌地形越高；反之，地形越低.研究區(qū)西部本溪組地層厚度較薄，普遍小于30m，為剝蝕高地；中部本溪組地層厚度較大，但井間差異較小，一般為30～50m，為寬緩平臺；東側(cè)本溪組地層更厚，普遍大于50m，發(fā)育4條沉積厚帶，厚度為60～70m，反映巖溶洼地、存在侵蝕溝谷.靖邊古潛臺在志丹—S131—S137一線以南本溪組地層整體變厚，說明該線為坡形轉(zhuǎn)折帶，以北本溪組平均地層厚度約為30m，井間厚度差為20～30m，為殘丘與溝槽的組合地貌形態(tài)；以南本溪組地層厚度明顯增大，平均約為46m，井間差異幅度較小，平均高程差在20m內(nèi).整體上，研究區(qū)中東部位于古潛臺低部位，殘丘與殘洼相間，剝蝕深度差異較小，具有“西高東低、中東部地勢低緩、深溝相對不發(fā)育”的地貌特點(diǎn).

2.3.3 巖溶水徑向流特征

通過古地貌形態(tài)分析，結(jié)合風(fēng)化殼殘留物的分布，分析古地表徑向流的強(qiáng)弱和古地貌坡度的變化.西側(cè)鐵鋁質(zhì)泥巖厚度多小于4m，部分井未保存，反映該地區(qū)地表徑向流發(fā)育，古地形坡度較大.中部地區(qū)鐵鋁質(zhì)泥巖沉積厚度多在4m以上，局部地區(qū)超過8m，呈連續(xù)厚層分布，反映中部地區(qū)地勢低緩，古地貌坡度較小，地表徑向流弱.往東鐵鋁質(zhì)泥巖在侵蝕溝槽內(nèi)基本沒有沉積，溝槽間殘丘上沉積厚度一般為2～4m，表明溝槽內(nèi)部具有較強(qiáng)的水流，而殘丘地表徑流相對較弱.

2.3.4 溶蝕強(qiáng)度及風(fēng)化殼厚度分布

加里東抬升剝蝕期，研究區(qū)古地形西高東低，西部的風(fēng)化剝蝕比東部的強(qiáng)烈，各巖溶帶的縱向發(fā)育深度及強(qiáng)度受到古地貌的控制，風(fēng)化殼厚度自西向東逐漸變薄.西部巖溶臺地或巖溶高地上膏巖層位主要在地層，淋濾深度普遍大于60m，反映以強(qiáng)垂直巖溶作用為主，溶蝕深度大.中部低緩斜坡區(qū)受坡度限制，膏巖出露層位由西向東逐漸由過渡到地層，淋濾深度由60m向東逐漸減至40 m以內(nèi)，垂向淋濾深度相對變淺，反映巖溶水的縱向流動滯緩，巖溶作用強(qiáng)度相對減弱.東部巖溶洼地以緩慢的水平滲流作用為主，垂直滲流作用較弱，在溝槽附近巖溶作用相對較強(qiáng)，膏巖層位在地層，淋濾深度大于40m，殘丘內(nèi)部溶蝕淋濾深度普遍小于40m；膏巖頂面主要在地層，溶蝕作用相對較弱，儲層充填程度高，巖性致密.

3 有利儲層發(fā)育

不同地貌單元的巖溶作用類型和強(qiáng)度不同，巖溶巖垂向分帶存在明顯差異，導(dǎo)致儲層縱向分布具有明顯的分區(qū)性，古地貌形態(tài)及儲蓋組合形式控制儲層展布特征[14-16］.

3.1 西部高地

研究區(qū)西側(cè)位于巖溶古地貌高部位，受強(qiáng)烈垂向溶蝕作用，巖溶水可以穿透多層泥巖隔水層直至馬五4以下地層，在等縱向多個(gè)含石膏層溶蝕程度較高，儲層均較發(fā)育，可見垂向的溶蝕擴(kuò)大縫或溶洞，裂縫發(fā)育程度高，溶蝕孔洞多被白云石半充填—強(qiáng)充填.由于整體剝蝕程度高，馬五1-2地層殘缺不全，有利儲層僅發(fā)育在局部地層保存較齊全的古殘丘部位.

3.2 中部緩坡

中部地區(qū)地勢低洼平緩，地表徑向流較弱，沉積厚層鋁土質(zhì)泥巖，殘留馬六段灰?guī)r，共同組合構(gòu)成良好的封蓋層；但由于其分布范圍過大，坡內(nèi)地表水不利于快速下滲和側(cè)向運(yùn)移排泄，巖溶水的流動速度緩慢.對儲層發(fā)育的控制主要有：一是大量由西側(cè)及北部巖溶層流攜帶而來的富鈣質(zhì)的巖溶水在研究區(qū)沉淀結(jié)晶，形成CaCO3過飽和，化學(xué)膠結(jié)充填作用強(qiáng)烈，溶孔中保存較多方解石，致使儲層溶孔充填程度明顯增高.統(tǒng)計(jì)研究區(qū)溶孔充填程度達(dá)到85.8%，面孔率僅有3.6%，充填物中方解石的體積分?jǐn)?shù)為59.3%，白云石的體積分?jǐn)?shù)為33.4%.二是巖溶水受頂部鐵鋁質(zhì)泥巖和馬六灰?guī)r遮擋與中下部泥巖阻隔，混合巖溶作用主要發(fā)育在儲層，至儲層多發(fā)育緩慢層間水平滲流，充填程度高，殘余地層水較多，因此研究區(qū)主力儲層較其他區(qū)塊呈向上轉(zhuǎn)移的趨勢儲層較為發(fā)育，溶孔溶蝕程度高，孔徑較小但分布均勻密集，主要為白云石半充填儲層發(fā)育程度相對較差，溶孔多見方解石全充填，充填程度高，儲層致密.三是在中部緩坡巖溶殘丘的側(cè)翼，巖溶作用相對較發(fā)育，為有利的含氣部位，但研究區(qū)風(fēng)化破裂裂縫發(fā)育程度相對較低，裂縫多為成巖縫和構(gòu)造縫，風(fēng)化網(wǎng)狀縫發(fā)育程度低，普遍被方解石全充填.

3.3 東部洼地

在東部地區(qū)溝槽的翼部，受垂向滲流和溝槽附近側(cè)向溶蝕增強(qiáng)的影響，巖溶作用相對較發(fā)育，風(fēng)化裂縫發(fā)育程度較高，為有利的含氣部位，而殘丘內(nèi)部巖溶水進(jìn)入困難，溶蝕程度低，巖性相對致密.儲層溶孔較發(fā)育，由于處于洼地區(qū)，整體的充填程度偏高，以白云石和方解石強(qiáng)充填—方解石全充填為主，網(wǎng)狀裂縫較發(fā)育地層較中部緩坡區(qū)接近風(fēng)化殼頂面，儲層多被泥質(zhì)等充填.

4 結(jié)論

（1）識別靖邊氣田南部古巖溶時(shí)期巖溶作用的形跡標(biāo)志主要有地層學(xué)標(biāo)志、巖石學(xué)標(biāo)志、礦物學(xué)標(biāo)志等，主要有巖溶角礫巖、溶蝕孔洞、裂縫、風(fēng)化殘積物、含膏巖層等.根據(jù)巖溶標(biāo)志的組合特征差異，自上而下可劃分為殘積帶、垂直滲流巖溶帶、垂直水平滲流過渡帶、水平徑流巖溶帶、未溶蝕或弱溶蝕帶等5個(gè)帶.

（2）溶蝕殘余奧陶系地層西側(cè)為區(qū)域剝蝕、中東部保存普遍較完整，東部發(fā)育4條侵蝕溝槽；古地貌具有西高東低、中東部地勢低緩、深溝相對不發(fā)育的特點(diǎn)，由西向東依次為西部剝蝕高地、中部低緩斜坡、東部巖溶洼地.巖溶水徑向流表現(xiàn)為“東西強(qiáng)、中部弱”，自西向東溶蝕強(qiáng)度逐漸減弱、風(fēng)化殼厚度逐漸變薄.

（3）巖性、古地貌、溶蝕—充填作用強(qiáng)弱等影響有效儲層空間分布.西部剝蝕高地垂直巖溶作用發(fā)育，形成縱向等巖溶儲層，但僅限于地層保存較齊全的殘丘部位.中部低緩斜坡巖溶水流動速度滯緩，淋濾深度相對變淺，巖溶作用強(qiáng)度較弱，主力儲層上移至小層，有利儲層多發(fā)育在巖溶殘丘側(cè)翼.東部巖溶洼地整體地勢低，為區(qū)域匯水區(qū)，發(fā)育淺溝槽，溝槽附近溶蝕強(qiáng)度較潛臺區(qū)有所增強(qiáng)，儲層較發(fā)育，殘丘內(nèi)部巖性致密.

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