何 云,雷 濤,胥 旺,鄧虎成,唐明遠(yuǎn),崔 璐
(1.中國(guó)石化華北油氣分公司,河南鄭州 450006;2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院,四川成都 610059;3.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),四川成都 610059)
奧陶紀(jì)末期加里東運(yùn)動(dòng)造成華北地臺(tái)整體抬升,使得鄂爾多斯盆地馬家溝組頂部遭受長(zhǎng)達(dá)1.5億年的風(fēng)化、剝蝕和淋濾作用[1-2],從而形成了大規(guī)模發(fā)育的風(fēng)化殼巖溶儲(chǔ)層。由于巖溶作用在儲(chǔ)層形成過(guò)程中起著重要的改造作用,前人圍繞風(fēng)化殼頂部的古巖溶作用做了系統(tǒng)的研究工作,主要包括:①對(duì)巖溶作用造成的巖溶相進(jìn)行識(shí)別與劃分[3-6];②利用殘余厚度法、填平補(bǔ)齊法、標(biāo)志層法等對(duì)巖溶古地貌進(jìn)行恢復(fù),并分析古地貌對(duì)儲(chǔ)層的控制作用[7-12];③對(duì)馬家溝組頂部的巖溶作用類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別和劃分[13-15];④基于巖溶發(fā)育特征建立巖溶旋回及巖溶模式[16-18]等。但前人研究側(cè)重于巖溶作用對(duì)儲(chǔ)層的影響,且以風(fēng)化殼頂部古巖溶研究為主,對(duì)巖溶作用規(guī)律的研究以大范圍巖溶地貌為背景,缺乏對(duì)局部以及不同巖性組合巖溶發(fā)育機(jī)制的針對(duì)性分析。此外,由于前期巖溶儲(chǔ)層研究主要針對(duì)馬家溝組上組合,目前隨著垂向勘探層系不斷拓深,除風(fēng)化殼氣藏之外,在大牛地氣田馬家溝組中下組合(馬五6-10亞段、馬四段-馬一段)也發(fā)現(xiàn)了多套巖溶儲(chǔ)層,單層厚度薄,局部產(chǎn)能好。這些新的勘探認(rèn)識(shí)打破了前期將馬五5亞段作為區(qū)域隔水層的認(rèn)識(shí)。目前,對(duì)馬五5亞段以下層位巖溶作用研究較少,尤其是對(duì)巖溶發(fā)育程度、分布范圍、發(fā)育模式等的認(rèn)識(shí)較為有限,僅見(jiàn)對(duì)馬五6亞段和馬五7亞段巖溶作用的討論[17-18],嚴(yán)重制約了對(duì)深部層位巖溶儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)。
本文采用巖心觀察、薄片鑒定等巖石學(xué)方法,并充分結(jié)合常規(guī)測(cè)井和地球化學(xué)技術(shù)手段識(shí)別巖溶作用特征和巖溶作用類(lèi)型,同時(shí)綜合研究區(qū)沉積、構(gòu)造地質(zhì)背景,對(duì)大牛地氣田馬家溝組中下組合多成因巖溶發(fā)育機(jī)制進(jìn)行研究,明確巖溶作用類(lèi)型和發(fā)育規(guī)律,為中下組合巖溶儲(chǔ)層評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。
鄂爾多斯盆地是在太古代、古元古代結(jié)晶基底的基礎(chǔ)上發(fā)育起來(lái)的多旋回疊合盆地[19],先后經(jīng)歷了多期構(gòu)造演化。其中,奧陶紀(jì)末期加里東運(yùn)動(dòng)造成華北地臺(tái)整體抬升,從而使得奧陶系馬家溝組經(jīng)歷了長(zhǎng)期的風(fēng)化、剝蝕和巖溶作用,一直持續(xù)到中石炭世晚期,華北地臺(tái)才再次下降接受沉積。
大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地東北部,構(gòu)造分區(qū)上屬于伊陜斜坡北部東段。伊陜斜坡位于盆地中部,為北東高-南西低的平緩大單斜,整體傾斜角度不大于1°,大型斷層不發(fā)育,但局部構(gòu)造普遍發(fā)育,以近東西走向的低幅度鼻狀隆起構(gòu)造為主,鼻隆頂端常出現(xiàn)背斜,具有定向延伸、區(qū)域性展布和繼承性演化等特征[20-23]。燕山運(yùn)動(dòng)使盆地形成了溝壑縱橫的古地貌景觀,經(jīng)歷了湖進(jìn)-湖退多次旋回。晚白堊世盆地整體抬升,遭受剝蝕,東部抬升幅度大,形成現(xiàn)今西傾斜坡的構(gòu)造格局[24-26]。
鄂爾多斯盆地馬家溝組沉積期除西南邊緣為過(guò)渡性沉積外,其余廣大地區(qū)均為穩(wěn)定的克拉通陸表海沉積,主要發(fā)育一套碳酸鹽巖夾碎屑巖沉積建造,受奧陶紀(jì)末加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升作用影響,鄂爾多斯整體抬升為陸地,盆地整體缺失志留紀(jì)至早石炭世沉積。
奧陶系馬家溝組沉積期經(jīng)歷了3次較大規(guī)模的海侵、海退旋回,自下而上劃分為六個(gè)巖性段,其中馬一段、馬三段、馬五段為海退期沉積,以局限臺(tái)地相和蒸發(fā)臺(tái)地相為主;馬二段、馬四段、馬六段為海侵期沉積,以開(kāi)闊臺(tái)地相為主,其中馬六段風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重,保存極少[5]。馬五段自上而下可劃分為10個(gè)亞段,馬五1-4亞段為馬家溝組上組合,馬五5-10亞段為馬家溝組中組合,馬四段-馬一段為馬家溝組下組合。上組合馬五1-4亞段發(fā)育局限臺(tái)地相膏云坪沉積,巖溶角礫巖發(fā)育。中下組合自下而上發(fā)育蒸發(fā)臺(tái)地、開(kāi)闊臺(tái)地和局限臺(tái)地沉積,其中,馬五5-10亞段以云坪沉積為主,除馬五5亞段海侵期發(fā)育灰?guī)r外,其他層段巖性主要為白云巖;馬四段發(fā)育灰坪和云灰坪沉積,巖性以灰?guī)r為主,夾薄層白云巖、灰質(zhì)云巖;馬三段-馬一段為膏鹽湖、膏云坪沉積,巖性以含膏云巖和膏鹽巖為主[27]。本文主要針對(duì)研究區(qū)馬家溝組中下組合的巖溶發(fā)育特征進(jìn)行研究。
巖石學(xué)標(biāo)志、測(cè)井標(biāo)志、地層標(biāo)志、微量元素和同位素地球化學(xué)標(biāo)志等是古巖溶作用識(shí)別最直接的標(biāo)志。不同類(lèi)型的巖溶作用表現(xiàn)為不同的巖溶特征,據(jù)此可以對(duì)其進(jìn)行有效甄別。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)馬家溝組中下組合巖溶特征分析,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐,將區(qū)內(nèi)巖溶識(shí)別標(biāo)志分為同生巖溶作用標(biāo)志和表生巖溶作用標(biāo)志兩類(lèi)。
2.1.1 表生巖溶作用標(biāo)志
巖石學(xué)標(biāo)志是識(shí)別巖溶作用最直接的證據(jù)。基于巖心觀察和野外實(shí)地考察,馬五6亞段泥質(zhì)白云巖、含膏云巖垮塌嚴(yán)重,形成不同類(lèi)型的巖溶角礫巖,同時(shí)可見(jiàn)方解石半充填溶孔和縫網(wǎng)。馬五7-10亞段局部見(jiàn)溶孔、小溶洞,方解石半充填。根據(jù)巖溶角礫組構(gòu)特征,可將巖溶角礫巖劃分為三種類(lèi)型:①角礫零散分布,大小不一,具有一定磨圓度和定向性,部分具有流水搬運(yùn)特征(圖1a);②角礫未明顯錯(cuò)位,角礫間充填有方解石和泥質(zhì)等,角礫紊亂,且大小不一,見(jiàn)粗晶方解石充填(圖1b、c);③角礫棱角分明,具邊溶邊垮特征(圖1d),薄片中可見(jiàn)石膏溶孔和微裂縫發(fā)育(圖1e、f)。
a.Daog井,馬五4,搬運(yùn)角礫;b.Ddh井,馬五5,破裂角礫;c.Daog井,馬五10,破裂角礫;d.大深a井,馬五6,垮塌角礫;e.Dabd井,馬五6,微裂縫,破裂角礫;f.Dge井,馬五6,石膏溶孔,垮塌角礫
前人研究表明,碳、氧、鍶同位素組成可以有效指示大氣淡水的改造作用[28-29]。馬五6亞段白云巖及方解石充填物的碳、氧同位素含量與未遭受巖溶作用的灰?guī)r相比,氧同位素值明顯偏輕,碳同位素變化較小(圖2),指示可能遭受大氣淡水的改造使得氧同位素組成偏輕。馬五6亞段、馬五10亞段樣品的87Sr/86Sr比值為0.708 5~0.709 9(表1),且多數(shù)樣品的87Sr/86Sr比值明顯高于同期海水的87Sr/86Sr值(0.709 0),鍶同位素值整體上明顯偏重,指示受大氣淡水改造作用明顯。方解石的流體包裹體均一溫度主要分布在60~90 ℃,整體偏低,指示為大氣淡水成因方解石。
圖2 馬家溝組不同層段碳氧同位素組成特征與未遭受巖溶作用灰?guī)r對(duì)比
表1 馬家溝組不同層段樣品87Sr/86Sr比值
大氣淡水和海水中Fe、Mn含量具有較大差異,經(jīng)大氣淡水改造的碳酸鹽巖具有較高的Fe、Mn含量,因而碳酸鹽巖中Fe、Mn含量可以作為識(shí)別古巖溶作用的方法之一[29]。通過(guò)對(duì)DKac-FPh井馬五6亞段、馬五7亞段全取心樣品的Fe、Mn元素含量變化特征(圖3)分析,馬五6亞段Fe、Mn元素含量明顯高于馬五7亞段。雖然目前沒(méi)有統(tǒng)一的識(shí)別大氣淡水改造作用的Fe、Mn含量標(biāo)準(zhǔn),但通過(guò)Fe、Mn元素含量的相對(duì)變化,可以反映出馬五6亞段所遭受的大氣淡水改造作用比馬五7亞段更明顯。
圖3 DKac-FPh井不同深度Fe、Mn元素含量變化特征
2.1.2 同生巖溶作用標(biāo)志
通過(guò)對(duì)比分析未遭受巖溶作用的灰?guī)r和馬五7亞段白云巖的碳、氧穩(wěn)定同位素特征,馬五7亞段白云巖氧同位素值中等偏輕(圖2),且分布范圍小,指示該時(shí)期可能受到大氣淡水的淋濾作用。然而,馬五7亞段87Sr/86Sr比值為0.708 7~0.708 9,均低于同期海水鍶同位素比值(0.709 0),表明該時(shí)期地層暴露地表時(shí)間較短,未遭受明顯的大氣淡水改造作用,更有可能是同生期的短暫暴露所致。
巖心、薄片中可見(jiàn)組構(gòu)選擇性溶孔,主要有粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶間溶孔、鑄???、膏巖??住⒉灰?guī)則小溶洞、小溶溝和溶縫等(圖4)。粒間溶孔由同生期巖溶作用在臺(tái)內(nèi)淺灘砂、礫屑中形成,屬于原生粒間孔中的第一期纖狀或馬牙狀白云石環(huán)邊膠結(jié)物部分溶蝕后的產(chǎn)物,溶孔被滲流粉砂充填,是大氣淡水滲流帶的典型標(biāo)志之一。膏模孔主要分布在潮坪相含膏鹽質(zhì)泥-粉晶白云巖中,膏質(zhì)組分在大氣淡水的作用下溶解形成膏鹽???,不溶殘余物充填于膏鹽??住⒍吹牡撞?,形成示底構(gòu)造。野外剖面可見(jiàn)成層分布的針孔狀膏溶孔,破裂角礫被方解石半充填。
a.DKac-FPh井,馬五7,3 064.74 m,膏???;b.DKac-FPh井,馬五7,3 064.85 m,膏溶孔半充填;c.DKac-FPh井,馬五7,3 064.85 m,膏溶孔部分充填;d.Dabf井,馬二,3 319.18 m,生屑白云巖;e.Dabf井,馬二,3 324.02 m,粒間溶孔;f.Dabf井,馬二,3 324.02 m,粒間溶孔
前人根據(jù)巖溶角礫的組構(gòu)特征對(duì)巖溶巖進(jìn)行了巖溶相劃分,區(qū)分出裂紋角礫巖、混雜角礫巖和洞穴沉積砂礫巖等。這種劃分將巖溶作為一種成巖相,是可溶性沉積物與流體發(fā)生水巖相互作用的結(jié)果。但此類(lèi)劃分缺少對(duì)巖溶形成環(huán)境的討論,而形成環(huán)境是分析巖溶發(fā)育機(jī)制的關(guān)鍵。因此,本文在前人組構(gòu)類(lèi)型劃分的基礎(chǔ)上,充分考慮角礫的分選、磨圓度、定向性、接觸關(guān)系、形成環(huán)境等因素,并結(jié)合不同組構(gòu)的化學(xué)組成差異,提出了具有成因意義的巖溶相劃分方案,即將巖溶相劃分為破裂相、垮塌相、搬運(yùn)相和膏溶針孔相四類(lèi),具體劃分依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2和圖5。
a.DKac-FPh井,馬五6,泥質(zhì)云巖,破裂相;b.石o井,馬五6,云質(zhì)灰?guī)r,破裂相;c.大深a井,馬五6,泥晶云巖,垮塌相;d.Dge井,馬五6,含膏云巖,垮塌相;e.Daog井,馬五3,白云巖,搬運(yùn)相;f.石o井,馬五6,白云巖,搬運(yùn)相;g.DKac-FPh井,馬五10,灰?guī)r,膏溶針孔相;h.DKac-FPh井,馬五7,灰?guī)r,膏溶針孔相
表2 巖溶相劃分依據(jù)及劃分標(biāo)準(zhǔn)
通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)馬家溝組中下組合巖溶發(fā)育特征分析,認(rèn)為區(qū)內(nèi)表生巖溶作用控制因素主要有巖性、層序、巖溶分帶疊加和斷裂等。
3.1.1 巖性對(duì)巖溶相的控制作用
石膏易溶,溶解后SO42-濃度增加,可以促進(jìn)白云石溶解,巖溶通道隨之增加,從而加速整體的溶蝕垮塌。通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同巖溶相的巖性組成特征,區(qū)內(nèi)含灰泥晶云巖和灰?guī)r易形成破裂相;含膏云巖和含灰泥晶云巖易形成垮塌相;含灰泥晶云巖和云質(zhì)灰?guī)r多發(fā)育搬運(yùn)相;含膏白云巖易發(fā)育膏溶針孔相。通過(guò)對(duì)比不同巖性的垮塌程度,從云質(zhì)灰?guī)r→泥晶云巖→含膏泥晶云巖,垮塌程度依次增強(qiáng),即含膏越多,溶蝕作用越強(qiáng)(圖6)。
a.Dge井,2 955.67 m,5(x),云質(zhì)灰?guī)r;b.Dge井,2 956.12 m,5(x),泥晶云巖;c.Dge井,2 956.20 m,5(x),含膏泥晶云巖,半充填膏???/p>
3.1.2 層序?qū)r溶的控制作用
馬家溝組整體對(duì)應(yīng)三級(jí)層序,馬一段至馬五段邊界對(duì)應(yīng)四級(jí)層序,各段內(nèi)部對(duì)應(yīng)高頻層序。在馬五5亞段及以上為潛水面之上的典型風(fēng)化殼巖溶,近地表(馬五1-2亞段)遭受表生期大氣淡水溶蝕;馬五6亞段巖溶作用受三級(jí)層序控制,屬承壓水風(fēng)化殼巖溶,巖溶水垂向和側(cè)向補(bǔ)給,側(cè)向補(bǔ)給特征致使巖溶發(fā)育具有順層性,以中上部含膏白云巖溶蝕為主;馬五7亞段的同生溶蝕作用受高頻層序控制,沉積期海平面相對(duì)變化,呈間歇性暴露,受大氣淡水溶濾改造,并發(fā)生組構(gòu)選擇性溶蝕,發(fā)育膏??住?duì)比馬五6亞段與馬五7亞段元素組成,馬五6亞段Sr、Mn元素富集,為淡水改造特征,而馬五7亞段淡水改造作用相對(duì)較弱。
3.1.3 水平和垂向巖溶疊加對(duì)巖溶的影響
受控于巖性及層序界面,巖溶作用在垂向上呈現(xiàn)分帶特征。厚層灰?guī)r和泥巖的致密性導(dǎo)致巖溶水垂向下滲受到阻隔,產(chǎn)生隔水層,明顯影響上層巖溶發(fā)育強(qiáng)度,滲流帶巖溶水下滲弱,但以水平運(yùn)移為主的潛流帶隔水層對(duì)巖溶影響不明顯,鄰近隔水層為未溶蝕白云巖。垂向巖溶疊加可以導(dǎo)致巖溶相差異,滲流帶與潛流帶疊加形成以搬運(yùn)相+垮塌相、垮塌相為主的巖溶特征;深部緩流帶以溶蝕破裂相為主;多期潛流帶疊加,垂向上多層溶蝕形成垮塌相;深部緩流帶與潛流帶疊加,形成以破裂相、搬運(yùn)相為主的溶蝕特征。
3.1.4 斷裂對(duì)巖溶的影響
馬家溝組主要發(fā)育構(gòu)造裂縫和風(fēng)化巖溶裂縫,其中構(gòu)造裂縫以高角度斜交縫為主,主要包括了NE、NEE向和NW、NWW向兩組,馬家溝組由深至淺裂縫組系從以NE、NWW向占優(yōu)勢(shì)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐訬W、NEE向占優(yōu)勢(shì),而到馬家溝組頂部(馬五1-5亞段)裂縫組系較雜亂,優(yōu)勢(shì)不明顯。馬家溝組裂縫的成因類(lèi)型由深至淺發(fā)生了改變,往上風(fēng)化裂縫逐漸占據(jù)主體地位(圖7)。
圖7 大牛地氣田馬家溝組由深至淺裂縫組系展布
平面上在靠近巖溶高地的北部及西部為淡水補(bǔ)給區(qū),地下水溶解能力強(qiáng),馬家溝組中下組合溶蝕作用強(qiáng);向巖溶洼地方向,地下水溶解能力變?nèi)酰罱K巖溶水于巖溶洼地匯聚沉淀。縱向上馬五6亞段巖溶作用最強(qiáng)。泥晶云巖遇水易膨脹,在上覆地層的壓力下,溶蝕、垮塌嚴(yán)重,形成垮塌相;微晶云巖、含膏云巖,裂縫及溶蝕孔洞發(fā)育,形成垮塌相、破裂相,物性好且分布穩(wěn)定。同時(shí),基底斷裂活化區(qū)巖溶作用最強(qiáng),且斷裂及裂縫可以拓展巖溶深度,加里東期斷裂為巖溶水運(yùn)移提供通道,有利于巖溶改造。
同生期巖溶的發(fā)育與沉積環(huán)境及海平面的相對(duì)變化密切相關(guān),主要發(fā)生于沉積同生期或準(zhǔn)同生期的大氣淡水環(huán)境中。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖臺(tái)地沉積物因較高的沉積速率加積及海平面間歇性下降,局部區(qū)域會(huì)短暫出露地表,從而遭受大氣淡水的淋濾溶蝕作用。同生巖溶作用具有組構(gòu)性選擇的特性,不穩(wěn)定的文石、高鎂方解石、石膏等礦物會(huì)被最先溶解,從而形成粒內(nèi)溶孔、鑄??椎?。區(qū)內(nèi)同生期巖溶作用主要發(fā)育于馬五7亞段、馬三段和馬二段,這些層段沉積時(shí)均有海平面相對(duì)下降及大氣降水充足的特征,為同生溶蝕提供了必要的條件。以大深a井同生期巖溶作用為例,在馬二段(3 278.25 m)有生物格架孔發(fā)育的部位,白云巖的孔隙度明顯增加,并且?guī)r心上可以觀察到明顯的針狀小孔。同生期巖溶作用改變了巖層的物性特征,使得孔滲條件變好。另外,后期表生巖溶作用階段巖溶水也更容易在同生溶蝕的基礎(chǔ)上進(jìn)行搬運(yùn)和溶蝕。
根據(jù)巖溶作用時(shí)期、控制巖溶發(fā)育的巖性、巖溶水供給方式、斷裂等因素的差異,建立馬家溝組中下組合“淺層側(cè)向補(bǔ)給+斷裂溝通+易溶巖相+水平擴(kuò)展”的立體巖溶模式(圖8)。馬五6亞段、馬五8亞段、馬五10亞段為海退期,沉積時(shí)氣候干熱,形成富膏易溶白云巖,巖溶物質(zhì)基礎(chǔ)好。表生期膏質(zhì)強(qiáng)烈溶蝕形成溶而未垮或垮塌相巖溶角礫巖,疊加天然裂隙,形成膏溶孔、溶洞和裂縫,為儲(chǔ)層的發(fā)育奠定了良好的基礎(chǔ)。馬五6亞段上覆地層薄,頂部馬五5亞段灰?guī)r支撐,底部泥云巖可以作為隔水層,西側(cè)巖溶水進(jìn)入含膏地層可以一直向東運(yùn)移,在馬五6亞段小層內(nèi)形成順層巖溶帶。馬五8亞段、馬五10亞段由于上覆地層較厚,溶完以后易被壓垮堵塞,從而不具備巖溶水順層運(yùn)移條件,主要以斷裂和裂縫溝通易溶巖性為主。馬五7亞段、馬五9亞段總體為局限臺(tái)地沉積,往上水體略有加深,巖性由含膏白云巖、白云巖過(guò)渡為灰質(zhì)白云巖、白云巖。含膏云巖在同生期暴露發(fā)生溶蝕,形成針狀膏溶孔,且粉晶白云巖發(fā)育晶間孔、晶間溶孔,形成溶孔-晶間孔型儲(chǔ)層。馬三段、馬二段局部的顆粒灘發(fā)育同生期組構(gòu)選擇性溶孔。此外,中下組合斷裂控制的巖溶范圍可以相互疊加,從而使巖溶在縱向和橫向上疊置連片分布。
圖8 大牛地氣田馬家溝組中下組合巖溶發(fā)育模式
(1)基于巖溶巖的組構(gòu)及地球化學(xué)等因素特征,提出了具有成因意義的巖溶相劃分方案,即破裂相、垮塌相、搬運(yùn)相和膏溶針孔相,并明確了不同巖溶相指示巖溶作用的類(lèi)型、強(qiáng)度和形成條件。
(2)大牛地氣田馬家溝組中下組合主要發(fā)育表生期和同生期巖溶作用,表生期巖溶表現(xiàn)為側(cè)向和垂向巖溶水疊加改造,在馬五6-10亞段均有發(fā)育,以馬五6亞段最為強(qiáng)烈。表生期膏質(zhì)強(qiáng)烈溶蝕形成溶而未垮或垮塌相巖溶角礫巖,疊加天然裂隙,形成膏溶孔、溶洞和裂縫。同生期巖溶在馬五7亞段、馬五9亞段和馬三段、馬二段發(fā)育,以相對(duì)海退期大氣淡水弱改造為主,泥-粉晶、粉-細(xì)晶白云巖發(fā)育晶間孔,且在此基礎(chǔ)上疊加巖溶形成晶間溶孔。
(3)根據(jù)馬家溝組中下組合巖溶作用時(shí)期、控制巖溶發(fā)育的巖性、巖溶水供給方式、斷裂等因素的差異,建立了“淺層側(cè)向補(bǔ)給+斷裂溝通+易溶巖相+水平擴(kuò)展”的立體巖溶模式,為中下組合巖溶儲(chǔ)層展布規(guī)律認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)提供依據(jù)。