高桥区岩溶古地貌及岩溶储层发育特征研究

2013-07-04刘海锋张建国

石油化工应用 2013年9期

刘海锋，张建国，夏勇

（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018；2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安 710018；3.川庆钻探工程有限公司长庆监督公司，陕西西安 710018）

鄂尔多斯盆地靖边气田高桥区位于靖边气田向南延伸部位，处于靖边古潜台的岩溶斜坡部位，储层分布稳定，目前已发现马五1+2储层天然气探明地质储量千亿立方米以上，为长庆油田公司上产5000万吨的重要建产基地。近年来开发评价表明，该区储层条件较为复杂，下古生界马五1+2储层致密，非均质性强，岩心分析渗透率0.01～10 mD，平均0.91 mD，孔隙度2%～10%，平均4.7%，单井产能偏低，完试骨架井83口，平均无阻流量仅3.41万立方米/天。

根据下古生界天然气富集规律，马五1+2 有效储层除与下奥陶统马五段有利潮坪沉积相带有关外，主要受加里东期古风化壳次生孔洞缝系统的发育和充填程度控制，并与古侵蚀面的地貌特征密切相关[1]。因此研究分析高桥区岩溶古地貌及其岩溶储层发育特征，对提高该区开发效果具有重要意义。

1 地层划分与沉积特征

根据标志层和沉积旋回鄂尔多斯盆地马家沟组自下而上划分为十段，其中马五段岩性由泥-粉晶白云岩、泥质白云岩、灰岩、岩溶角砾岩及蒸发岩组成，总体属于蒸发潮坪相沉积。主要含气层段马五1+2 自上而下可进一步划分为六个小层（见表1），分别是马五11、马五12、马五13、马五14、马五21、马五22，其中马五12上部岩性质纯，为灰、浅灰色细粉晶云岩夹灰色砂屑云岩，溶蚀孔洞发育，下部为夹两层深灰色云质泥岩，马五13岩性主要为一套较纯的白云岩，以灰、浅灰色细粉晶云岩夹角砾状云岩为主，斑状溶蚀孔洞发育。

马五沉积期根据潮汐能量进一步划分为潮上带、潮间带和潮下带三种亚相。岩心观察及分析化验资料表明，高桥区马五1+2的潮坪沉积以潮上－潮间带沉积为主，局部发育潮下带，呈现出东西分带、南北展布的特征，马五22-马五11各沉积期西部区域剥蚀，中部均以潮上带沉积为主，西部以潮间带沉积为主，马五22期、马五14期东部局部发育潮下带沉积。马五12、马五13沉积期，区内绝大多数地区为潮上膏云坪、潮间-潮上带云坪沉积，膏溶孔和晶间微孔发育，横向稳定，为古岩溶的产生及溶蚀孔洞的形成奠定了有利的物质基础。

2 马五1+2储层岩溶发育特征

鄂尔多斯地块在晚奥陶世至早石炭世全面抬升，沉积中断达1.3亿年之久，缺失志留系、泥盆系及下石炭统沉积[2]。奥陶系碳酸盐岩长期接受风化侵蚀，在马五顶面形成30～100 m 厚度不等的风化壳古岩溶。古岩溶地质体的形成主要经历了同生-早成岩期岩溶、表生期风化壳岩溶、深埋藏岩溶等三个阶段，其中表生期岩溶作用与埋藏期岩溶作用是最主要的成岩作用。表生期岩溶作用使得准同生期生成的石膏晶体和结核淋滤溶解，形成大量膏模孔及次生裂缝，并造成岩石的局部角砾化。埋藏期岩溶作用使表生期形成的孔隙及充填物的改造和自生矿物的进一步充填。多期成岩作用形成的古岩溶宏观地质识别标志有：奥陶系碳酸盐岩与石炭系不整合面上发育铝土矿残积层，岩溶角砾岩，溶蚀孔洞、各种产状的溶缝及网状溶缝等。受沉积、岩溶作用控制，岩溶岩垂向上具有明显的分带性（见表1）。

2.1 风化残积物铝土矿

奥陶系顶部风化残积物铝土矿电性特征表现为自然伽马特高峰状突起，声波时差曲线高的锯齿状，密度曲线底部为特高值，深侧向电阻率值极低（约20 Ω·m）。铝土矿厚度在0.88～13.48 m，主要分布在该区中部潜台和东部沟槽之间，分布不均衡，形态不一，面积不等，沉积较厚、面积较大地区往往是地势平缓的台地、缓坡，沉积厚度薄、面积小的区域往往是沟槽、沟槽间、洼地等地貌位置。

表1 高桥区奥陶系马家沟组马五段储层划分表

2.2 岩溶角砾岩

岩心观察表明高桥区75%以上取心井均发育岩溶角砾岩，马五22-马六各层均见发育（见表2），角砾的直径变化大（0.2～8.0 cm），少数角砾为棱角状，多数为次圆状，多为原地溶蚀垮塌形成，少量经过短距离搬运。按照成因与岩溶水动力可分为表层风化角砾岩、溶塌角砾岩（洞穴坍塌角砾岩，陡壁坍塌角砾岩）、暗河角砾岩[3]。表层风化角砾岩位于风化壳顶面，受垂直渗流作用明显；岩溶溶塌角砾岩一般原地堆积，反映以垂直渗流作用为主；地下暗河角砾岩具有一定磨圆度，为近距离搬运结果，是垂直+水平渗流的综合结果。

2.3 孔洞、裂缝发育特征

高桥区岩溶孔洞、裂缝发育程度均低，孔缝配置关系较差，部分井表现为有孔无缝或者有缝无孔。溶蚀孔、洞主要形成于表生期岩溶作用，孔、洞多呈层状分布，埋藏期溶蚀孔、洞会进一步扩大和再充填，常见示顶底构造。主要裂缝类型有垂直缝、斜交缝、水平缝及网状缝，按照成因看裂缝可分为构造缝和风化缝，且风化壳岩溶坍塌缝和陡壁拉张缝发育程度较低。

溶蚀孔洞缝内的主要充填物有渗流白云石、碎屑砂、淡水白云石、方解石、自生石英、粘土矿物（高岭石、伊利石）、黄铁矿（晶体黄铁矿和草莓状黄铁矿）等，并以方解石+白云石的混合充填为主，与靖边气田比较，方解石所占比重增大，充填程度增高，面孔率降低。同位素分析表明充填作用在风化壳表生期、埋藏期均存在，而方解石充填主要发生在埋藏期。平面上主力储层马五12、马五13孔洞缝主要为白云石半-强充填至方解石全充填，充填程度高，导致储渗条件变差。

2.4 岩溶水动力分带特征

受沉积、岩溶作用控制，岩溶岩垂向上具有明显的分带性。马五1+2 风化壳岩溶水动力剖面可划分为三个带。（1）残积带：以铝土质泥质沉积为主，突破压力大于1000 MPa，具有良好的封盖作用，对岩溶作用来说，应为一套良好的隔水层。（2）垂直渗流带：位于水动力剖面的最上部，此带在不同地貌单元影响深度不同，垂直渗流带中大气淡水首先沿地表裂缝系统向下渗透，进入孔隙系统，形成溶蚀的孔洞缝。该带对CaCO3不饱和，大气淡水溶解能力强，一般位于区域上马五14凝灰岩主隔水层之上。（3）水平潜流岩溶带：向下垂向运移的大气淡水到达该岩溶带时，由于受到潜水面的顶托作用和压力梯度的控制，使其近水平方向缓慢的向岩溶盆地部位移动；此过程中，大气淡水未饱和，缓慢的移动易于形成大量的顺层溶孔、溶沟和溶洞。岩溶斜坡上水平潜流岩溶带最发育，其次是岩溶盆地，岩溶台地或岩溶高地上水平潜流岩溶带欠发育。

表2 高桥区部分钻井岩心岩溶角砾岩统计

3 岩溶古地貌恢复

3.1 岩溶古地貌恢复方法

根据本区地震、地质资料，对比各方法优劣[4-9]，确定以残余厚度法、印模法为主，兼顾古地质学法、地球物理法等四种进行岩溶古地貌形态划分。残余厚度法以马五22底部（k2）饼状灰褐色白云岩做为参考标志层，以马五1+2 残余厚度反映古地貌特征，此方法简单易行，但未考虑区域构造因素。印模法根据太原组底8号煤标志层以下本溪组厚度进行划分，以标志层至风化壳顶部的厚度镜像反映古地貌形态，此方法所反映的古地貌是残留厚度与区域构造的综合反映，因此结论更为客观、准确。

3.2 岩溶古地貌恢复步骤

具体岩溶古地貌划分采用以下步骤：（1）确定奥陶系顶部出露层位，刻画古地质图；（2）地震地质结合，应用地球物理法确定马家沟组地层边界与侵蚀沟槽分布；（3）应用印模法刻画太原组底部至奥陶系顶部地层厚度图，并且去压实校正，应用残余厚度法刻画马五1+2残余厚度图；（4）综合各种方法进行古地貌单元识别与古地貌图编制。

3.3 岩溶古地貌划分方案与恢复

主要依据“印模法、残余厚度法”建立岩溶古地貌单元划分方案（见表3），并将高桥区划分为西部岩溶斜坡区、中部岩溶潜台区、东部沟槽发育区三个二级地貌单元，缓坡、残丘、洼地、沟槽等四个三级地貌单元。具体划分依据本溪组和马五1+2 地层厚度相关关系，上薄下薄型（指本溪组、马五1+2 残余厚度均薄）划分为岩溶斜坡，上薄下厚型划分为岩溶台地、残丘，上厚下厚型划分为岩溶洼地，上厚下薄型划分为侵蚀沟槽、潜坑。岩溶古地貌单元的划分结果同时参考了古地质图、侵蚀沟槽预测图等。

整体而言，高桥地区主体处在低洼平缓的岩溶斜坡带，为一大的岩溶台地，不发育大型侵蚀沟槽，仅发育毛细支潜沟和潜坑。西部岩溶斜坡区为区域剥蚀区，从东向西依次剥蚀马五11至马五22，中部岩溶潜台区发育缓坡、残丘、洼地，东部沟槽发育区发育侵蚀沟槽，但沟槽较浅、可见沟间残丘。

表3 高桥区奥陶系风化壳岩溶地貌单元划分方案

3.4 区域岩溶发育模式

根据马五1+2 古岩溶发育特征及其古地貌恢复，建立研究区古岩溶发育模式：（1）隔水层对岩溶水动力作用影响明显，如马五14底部凝灰质泥质白云岩区为垂直渗流带和水平潜流带的重要分界，铝土矿连片发育区阻碍垂直渗流作用等；（2）不同地貌单元岩溶作用强度不同，西部岩溶斜坡区水侵蚀作用较强，岩溶作用相对较强，中部潜台区岩溶强度变低，东部沟槽区因侵蚀深度加大，岩溶作用向下影响到马五2 段。

4 岩溶古地貌与天然气富集关系

4.1 岩溶古地貌与岩溶作用关系

高桥区岩溶主体为一平缓的岩溶台地，溶蚀作用弱，侵蚀沟槽不发育，以垂直渗流岩溶作用为主，水平岩溶作用相对较弱；仅在西侧岩溶斜坡及东部沟槽附近岩溶作用有所增强。由于地势低缓，风化淋滤带厚度逐渐变薄，由靖边气田向高桥区石膏出露层位变浅，且由西向东含膏云岩距风化壳厚度减薄,出露层位逐渐变浅，西侧以马五42为主，向东逐渐过渡到马五32。岩溶坍塌缝和陡壁拉张缝发育程度较低，充填作用增强，溶孔、裂缝主要为半-强充填至方解石全充填，孔缝配置关系差，沟通溶孔和提高储层渗流能力的作用比靖边气田差。由于沟槽少且浅，加上不整合面上“铝土层”和马六地层的发育，对压释水和烃源向下运移起阻碍作用，也缺乏沟槽附近的侧向运移[10]，造成压释水循环动力降低，天然气运聚能量受限，充注强度降低，地层水驱替能量减弱滞留形成了较多的“相对富水区”。

4.2 岩溶古地貌与储层物性关系

西部斜坡区受强垂直渗流作用影响，多层含气特征明显，马五22、马五12、马五13气层较为发育。其中，中部潜台区地势相对平缓，溶蚀作用减弱，垂向溶蚀深度变浅，导致主力气层上移，马五12储层发育，马五13储层发育较差，局部发育但含水偏多；东部沟槽区发育三条支沟槽，受沉积相带、垂向渗流和沟槽附近水平渗流作用影响，马五13储层普遍好于马五12。总之，高桥区以马五12、马五13为主力气层，但其分布具有明显的分区性，中部潜台区马五12较发育，东部沟槽区马五13发育程度高。