大牛地氣田馬家溝組中下組合多成因巖溶發(fā)育機(jī)制

何 云，雷 濤，胥 旺，鄧虎成，唐明遠(yuǎn)，崔 璐

(1.中國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)及開發(fā)工程國家重點(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)動造成華北地臺整體抬升，使得鄂爾多斯盆地馬家溝組頂部遭受長達(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)化殼巖溶儲層。由于巖溶作用在儲層形成過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對巖溶作用造成的巖溶相進(jìn)行識別與劃分[3-6]；②利用殘余厚度法、填平補(bǔ)齊法、標(biāo)志層法等對巖溶古地貌進(jìn)行恢復(fù)，并分析古地貌對儲層的控制作用[7-12]；③對馬家溝組頂部的巖溶作用類型進(jìn)行識別和劃分[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)重于巖溶作用對儲層的影響，且以風(fēng)化殼頂部古巖溶研究為主，對巖溶作用規(guī)律的研究以大范圍巖溶地貌為背景，缺乏對局部以及不同巖性組合巖溶發(fā)育機(jī)制的針對性分析。此外，由于前期巖溶儲層研究主要針對馬家溝組上組合，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)了多套巖溶儲層，單層厚度薄，局部產(chǎn)能好。這些新的勘探認(rèn)識打破了前期將馬五5亞段作為區(qū)域隔水層的認(rèn)識。目前，對馬五5亞段以下層位巖溶作用研究較少，尤其是對巖溶發(fā)育程度、分布范圍、發(fā)育模式等的認(rèn)識較為有限，僅見對馬五6亞段和馬五7亞段巖溶作用的討論[17-18]，嚴(yán)重制約了對深部層位巖溶儲層的評價(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)測井和地球化學(xué)技術(shù)手段識別巖溶作用特征和巖溶作用類型，同時(shí)綜合研究區(qū)沉積、構(gòu)造地質(zhì)背景，對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，明確巖溶作用類型和發(fā)育規(guī)律，為中下組合巖溶儲層評價(jià)奠定基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造演化特征

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)動造成華北地臺整體抬升，從而使得奧陶系馬家溝組經(jīng)歷了長期的風(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]。

1.2 沉積及地層發(fā)育特征

鄂爾多斯盆地馬家溝組沉積期除西南邊緣為過渡性沉積外，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，以局限臺地相和蒸發(fā)臺地相為主；馬二段、馬四段、馬六段為海侵期沉積，以開闊臺地相為主，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)臺地、開闊臺地和局限臺地沉積，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。

2 中下組合巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶識別標(biāo)志

巖石學(xué)標(biāo)志、測井標(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別最直接的標(biāo)志。不同類型的巖溶作用表現(xiàn)為不同的巖溶特征，據(jù)此可以對其進(jìn)行有效甄別。通過對區(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。

2.1.1 表生巖溶作用標(biāo)志

巖石學(xué)標(biāo)志是識別巖溶作用最直接的證據(jù)?；趲r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，形成不同類型的巖溶角礫巖，同時(shí)可見方解石半充填溶孔和縫網(wǎng)。馬五7-10亞段局部見溶孔、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含量可以作為識別古巖溶作用的方法之一[29]。通過對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。雖然目前沒有統(tǒng)一的識別大氣淡水改造作用的Fe、Mn含量標(biāo)準(zhǔn)，但通過Fe、Mn元素含量的相對變化，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

通過對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、鑄模孔、膏巖模孔、不規(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?？字饕植荚诔逼合嗪帑}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?？祝籦.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

2.2 巖溶相識別及劃分

前人根據(jù)巖溶角礫的組構(gòu)特征對巖溶巖進(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。但此類劃分缺少對巖溶形成環(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，具體劃分依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)見表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)

3 中下組合巖溶發(fā)育控制因素

3.1 表生巖溶作用控制因素

通過對區(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。通過對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，半充填膏模孔

3.1.2 層序?qū)r溶的控制作用

馬家溝組整體對應(yīng)三級層序，馬一段至馬五段邊界對應(yīng)四級層序，各段內(nèi)部對應(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?？?。對比馬五6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較弱。

3.1.3 水平和垂向巖溶疊加對巖溶的影響

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)勢逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐訬W、NEE向占優(yōu)勢，而到馬家溝組頂部(馬五1-5亞段)裂縫組系較雜亂，優(yōu)勢不明顯。馬家溝組裂縫的成因類型由深至淺發(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)?，最終巖溶水于巖溶洼地匯聚沉淀?？v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。

3.2 同生期巖溶控制因素

同生期巖溶的發(fā)育與沉積環(huán)境及海平面的相對變化密切相關(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。

4 多成因巖溶發(fā)育模式

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亞段總體為局限臺地沉積，往上水體略有加深，巖性由含膏白云巖、白云巖過渡為灰質(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

5 結(jié)論

(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，為中下組合巖溶儲層展布規(guī)律認(rèn)識和預(yù)測提供依據(jù)。