靖邊氣田南部古巖溶特征及有利儲層發(fā)育

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)國家工程實驗室，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化殼儲層中[1-5］.人們研究靖邊氣田沉積、成藏機理、儲層特征、主控因素等[2-11］，認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)擴展[3-5］，研究區(qū)位于靖邊氣田南部，鉆井結果顯示具有較好的勘探開發(fā)潛力，但同時也表現(xiàn)出更為復雜的儲層發(fā)育特征和天然氣富集規(guī)律.筆者利用地質(zhì)、鉆井和化驗資料，分析靖邊氣田南部古巖溶形跡識別標志，細分表生風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)育的關系，為評價和預測有利區(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核的細粉晶白云巖[4］，石膏結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，加里東運動使鄂爾多斯盆地整體抬升，并經(jīng)歷長達1.3億年的風化剝蝕，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.該時期表生淋濾巖溶作用十分強烈，形成如樹枝狀分布的侵蝕溝槽.同時，持續(xù)補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大，形成大面積成層分布、具有示頂?shù)讟嬙斓陌郀?、蜂窩狀溶孔和溶洞，并伴生密集的風化裂縫和機械破碎裂縫，最終形成前石炭紀獨特的“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，具有一定等時性，也是劃分石炭系和二疊系地層的重要標志層.

2 古巖溶特征

2.1 古巖溶識別標志

巖溶風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度的依據(jù)，識別古巖溶作用的形跡標志主要有地層學標志、巖石學標志、礦物學標志等[7-8］（見圖2）.

2.1.1 地層學標志

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)，說明在沉積后有個長期的沉積間斷[13］，奧陶系與石炭系之間為假整合接觸關系.馬家溝組出露層位反映風化裸露期地層所經(jīng)歷的溶蝕強度.

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、具有一定等時性、橫向?qū)Ρ刃詮姡肯党练e地層與下伏的奧陶系風化殼地層之間屬于“填平補齊”的關系，是利用沉積補償原理進行古地貌恢復的重要依據(jù).

2.1.2 巖石學標志

巖石學標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志[12］，按照成因可分為表層風化角礫巖、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，表層風化角礫巖主要為垂直滲流作用形成，位于風化殼頂面，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果，棱角有一定的磨圓，近距離搬運，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、構造縫和風化縫[11］.風化縫主要發(fā)育在巖溶作用強烈的層位，通常為交錯分布的網(wǎng)狀微縫或高角度縫、垂直縫（見圖2（d）、（e））；成巖縫和構造縫通常在整個巖層中能見到.

（4）風化殘積物：表層風化殘留的土壤沉積形成覆蓋風化殼之上的鐵鋁質(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，主要有結核狀膏巖和層狀膏巖，常與細粉晶白云巖、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，可作為評價風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志類型Fig.2 The main identification palaeokarst trail signs of the southern Jingbian gasfield

2.1.3 礦物學標志

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，靠近風化殼頂部巖塊破碎，普遍充填泥質(zhì)、黃鐵礦或褐鐵礦等風化殘積物；巖溶作用強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)馬五段風化殼巖溶剖面在垂向上具有明顯的分帶性，根據(jù)巖溶標志的組合特征差異，自上而下可劃分為5個帶（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—化學風化、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，但同時對埋藏期烴類運移起到阻隔作用.

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，研究區(qū)一般發(fā)育在風化殼頂部的馬六—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)歷風化殼頂部的強烈垂直滲流巖溶之后在此受到阻擋，在隔水層之上的上部、的含石膏結核細粉晶白云巖中形成水平滲流巖溶作用.由于隔水層的機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核溶蝕而形成鳥眼狀溶孔，溶孔大小與沉積時形成的石膏結核有關，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)向下垂向運移的大氣淡水穿過多層局部隔水層后到達馬五22小層時，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，明顯的標志是暗河角礫巖、洞穴崩塌堆積物發(fā)育，化學充填作用強烈，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

巖溶作用到達一定深度的潛水面后，強度迅速減弱，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志，但局部存在沿大型構造縫等滲流溶蝕至更深的層位.

圖3 典型井馬五1＋2段巖溶結構剖面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，個別井達到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.

2.3.3 巖溶水徑向流特征

通過古地貌形態(tài)分析，結合風化殼殘留物的分布，分析古地表徑向流的強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)部具有較強的水流，而殘丘地表徑流相對較弱.

2.3.4 溶蝕強度及風化殼厚度分布

加里東抬升剝蝕期，研究區(qū)古地形西高東低，西部的風化剝蝕比東部的強烈，各巖溶帶的縱向發(fā)育深度及強度受到古地貌的控制，風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，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度不同，巖溶巖垂向分帶存在明顯差異，導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)沉淀結晶，形成CaCO3過飽和，化學膠結充填作用強烈，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)計研究區(qū)溶孔充填程度達到85.8%，面孔率僅有3.6%，充填物中方解石的體積分數(shù)為59.3%，白云石的體積分數(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)風化破裂裂縫發(fā)育程度相對較低，裂縫多為成巖縫和構造縫，風化網(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)向溶蝕增強的影響，巖溶作用相對較發(fā)育，風化裂縫發(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)接近風化殼頂面，儲層多被泥質(zhì)等充填.

4 結論

（1）識別靖邊氣田南部古巖溶時期巖溶作用的形跡標志主要有地層學標志、巖石學標志、礦物學標志等，主要有巖溶角礫巖、溶蝕孔洞、裂縫、風化殘積物、含膏巖層等.根據(jù)巖溶標志的組合特征差異，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，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、中部弱”，自西向東溶蝕強度逐漸減弱、風化殼厚度逐漸變薄.

（3）巖性、古地貌、溶蝕—充填作用強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，溝槽附近溶蝕強度較潛臺區(qū)有所增強，儲層較發(fā)育，殘丘內(nèi)部巖性致密.

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