靖边气田南部古岩溶特征及有利储层发育

夏 勇，刘海锋，袁继明，王 华，王彩丽

（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018； 2.中国石油长庆油田公司 勘探开发研究院，陕西西安 710018）

0 引言

靖边气田是西气东输的重要供气源之一，天然气主要赋存于下古生界奥陶系顶部岩溶风化壳储层中[1-5］.人们研究靖边气田沉积、成藏机理、储层特征、主控因素等[2-11］，认为在靖边古潜台周边发育的次级潜台、残丘及岩溶斜坡是形成风化壳溶蚀孔洞储层的有利地区[2］.近年来，勘探开发逐渐向靖边气田周边地区扩展[3-5］，研究区位于靖边气田南部，钻井结果显示具有较好的勘探开发潜力，但同时也表现出更为复杂的储层发育特征和天然气富集规律.笔者利用地质、钻井和化验资料，分析靖边气田南部古岩溶形迹识别标志，细分表生风化期古岩溶垂向分带，从残余地层、古地貌、溶蚀充填作用、指示性矿物分布等方面分析岩溶平面展布特征，研究岩溶作用与储层发育的关系，为评价和预测有利区分布提供更多的信息[12］.

1 地质概况

鄂尔多斯盆地靖边古潜台在奥陶系马家沟组马五沉积期，整体为干旱炎热的气候条件下形成的蒸发潮坪环境[9］，海平面的升降呈高频率、规律性变化，导致岩性在纵向上云质、泥质、膏质、灰质等呈韵律性变化.根据岩性组合特征，自下而上依次划分马五10—马五1共10个亚段.主力产层马五1—马五2（即马五1＋2）岩性以泥—粉晶白云岩为主，夹泥质白云岩、灰岩及蒸发岩，含少量凝灰岩.在后期，研究区（见图1）主要形成富含石膏结核的细粉晶白云岩[4］，石膏结核被溶蚀改造形成浑圆状孔洞，为储层的主要储集空间.之后，马六期为一次大的海侵，主要沉积为深灰色泥晶灰岩和泥质灰岩.

中奥陶世末，加里东运动使鄂尔多斯盆地整体抬升，并经历长达1.3亿年的风化剥蚀，缺失晚奥陶世至早石炭世沉积[2-9］.以稳定克拉通中央古隆起为界，东侧的靖边古潜台地形为西高东低和向东南倾伏的岩溶大斜坡，地形相对高差小于70m，地表水由西向东呈径流特征.该时期表生淋滤岩溶作用十分强烈，形成如树枝状分布的侵蚀沟槽.同时，持续补充的大气淡水和含酸性溶蚀水使碳酸盐岩中的微裂缝、溶孔、粒间溶孔等不断溶蚀扩大，形成大面积成层分布、具有示顶底构造的斑状、蜂窝状溶孔和溶洞，并伴生密集的风化裂缝和机械破碎裂缝，最终形成前石炭纪独特的“丘洼相间、沟槽密布”的岩溶地貌特征和溶孔—裂缝型岩溶储层.

中石炭世再度发生海侵，沉积海陆过渡相的中—上石炭统地层，至石炭系本溪组末期，靖边古潜台内大部分地区地形趋于平缓，沉积一套厚层的沼泽相煤层，厚度为4～10m，区域范围内分布稳定，具有一定等时性，也是划分石炭系和二叠系地层的重要标志层.

2 古岩溶特征

2.1 古岩溶识别标志

岩溶风化壳储层具有不同于其他储层的岩性组合特征，是判断岩溶作用存在及强度的依据，识别古岩溶作用的形迹标志主要有地层学标志、岩石学标志、矿物学标志等[7-8］（见图2）.

2.1.1 地层学标志

一是奥陶系地层抬升剥蚀后残余的出露层位.奥陶系碳酸盐岩地层因加里东运动抬升而缺失志留系、泥盆系地层，马家沟组地层残留层位不一，在马六—马五3以下地层均有发现，说明在沉积后有个长期的沉积间断[13］，奥陶系与石炭系之间为假整合接触关系.马家沟组出露层位反映风化裸露期地层所经历的溶蚀强度.

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

二是本溪组地层沉积特征及其厚度.本溪组为超覆沉积，地层厚度变化大，顶部9＃煤层在鄂尔多斯盆地内部大部分区域分布稳定、具有一定等时性、横向对比性强，石炭系沉积地层与下伏的奥陶系风化壳地层之间属于“填平补齐”的关系，是利用沉积补偿原理进行古地貌恢复的重要依据.

2.1.2 岩石学标志

岩石学标志是判断古岩溶作用最直接的依据，主要有岩溶角砾岩、溶蚀孔洞、裂缝、风化残积物、含膏岩层等.

（1）岩溶角砾岩：是古岩溶作用最明显的识别标志[12］，按照成因可分为表层风化角砾岩、岩溶坍塌角砾岩、暗河角砾岩（见图2（a-c））.其成因与岩溶水动力有关，表层风化角砾岩主要为垂直渗流作用形成，位于风化壳顶面，垂直缝、高角度缝发育，大量充填泥质及黄铁矿；岩溶坍塌角砾岩以垂直渗流作用为主，角砾大小不一，棱角清晰，多为原地堆积；洞穴暗河角砾岩为垂直和水平渗流的综合作用结果，棱角有一定的磨圆，近距离搬运，角砾排列具有一定方向性.

（2）溶蚀孔洞：表生期大气淡水淋滤溶蚀作用形成大量的溶蚀孔洞，受沉积相带控制孔洞多呈层状分布，常与断裂及裂缝系统伴生.

（3）裂缝：成因主要有成岩缝、构造缝和风化缝[11］.风化缝主要发育在岩溶作用强烈的层位，通常为交错分布的网状微缝或高角度缝、垂直缝（见图2（d）、（e））；成岩缝和构造缝通常在整个岩层中能见到.

（4）风化残积物：表层风化残留的土壤沉积形成覆盖风化壳之上的铁铝质泥岩，呈土状或鳞片状杂乱堆积，含较多的黄铁矿晶体，常见高岭土团块.铁铝质泥岩的分布受古地貌控制[7］，在地势低缓的地形上更容易沉积，厚度大、面积广；在坡度较大的部位厚度薄、面积小、局部孤立，在沟槽内往往被侵蚀殆尽，从侧面也反映古地貌坡度的差异.

（5）含膏岩层：沉积期蒸发潮坪环境下形成大量石膏类岩石，主要有结核状膏岩和层状膏岩，常与细粉晶白云岩、泥粉晶白云岩等伴生，含膏岩层的出现表明溶蚀作用十分微弱，可作为评价风化壳岩溶深度和确定潜水面的依据.

图2 靖边气田南部主要岩溶识别标志类型Fig.2 The main identification palaeokarst trail signs of the southern Jingbian gasfield

2.1.3 矿物学标志

溶蚀孔洞及裂缝内的充填物主要有方解石、白云石、石英、高岭石、铁方解石、异形白云石、伊利石及有机质等[9］（见图2（f）、（g）），其中以方解石、白云石、石英三类为主.方解石对储层起破坏作用，若溶孔中充填方解石所占空间过大，将大幅降低储层的孔隙度；反之，则对储层孔隙度的影响较小[12］.研究区储层孔隙充填物在垂向上具有一定分带性，靠近风化壳顶部岩块破碎，普遍充填泥质、黄铁矿或褐铁矿等风化残积物；岩溶作用强的储层段主要为白云石、方解石、石英等混合充填，充填程度以半充填—强充填为主；岩溶作用相对较弱的储层以方解石充填为主，全充填现象普遍.

2.2 岩溶垂向分带

研究区马五段风化壳岩溶剖面在垂向上具有明显的分带性，根据岩溶标志的组合特征差异，自上而下可划分为5个带（见图3）.

2.2.1 残积带

厚度为0.9～13.5m，以铝土质、泥质沉积为主，由于受到物理—化学风化、大气淡水淋滤等作用，暴露于古地表的奥陶系白云岩被大量化学分解，其岩性与下覆碳酸盐岩具有较大差异，对气藏的形成具有良好的封盖作用，但同时对埋藏期烃类运移起到阻隔作用.

2.2.2 垂直渗流带

位于残积带之下，残积带大气淡水溶解能力强，研究区一般发育在风化壳顶部的马六—地层中，以发育高角度溶缝为主要特征.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，常被地表残余物和洞壁塌积物充填，如角砾、硅质、砂泥质等，亦有少量未被完全充填.马六地层以含泥灰岩为主，基岩孔隙发育程度低，且洞缝多被全充填，难以形成有效储层.

2.2.3 垂直水平渗流过渡带

碳酸盐岩的原始可渗透性是影响岩溶作用方式和储集层发育特征的主要原因[12］，膏岩层易溶蚀，泥质白云岩、凝灰质泥岩等致密岩性对岩溶水具有一定的阻隔作用，马五1-2内主要位于中下部、等，大气淡水经历风化壳顶部的强烈垂直渗流岩溶之后在此受到阻挡，在隔水层之上的上部、的含石膏结核细粉晶白云岩中形成水平渗流岩溶作用.由于隔水层的机械破碎和底部岩层溶蚀形成垮塌作用，隔水岩层中不乏垂直裂缝和岩溶角砾岩，使岩溶水仍然保持垂直渗流的特征.此过程中，大气淡水未饱和，岩溶水的缓慢移动易将大量的石膏结核溶蚀而形成鸟眼状溶孔，溶孔大小与沉积时形成的石膏结核有关，一般在1～5mm之间，共生有大量的裂缝和部分小型溶洞，使垂直水平渗流过渡带成为有效储层形成的主要部位.

2.2.4 水平径流带

继续向下垂向运移的大气淡水穿过多层局部隔水层后到达马五22小层时，由于受到压力梯度的控制和潜水面的顶托作用，使其近水平方向缓慢的向岩溶洼地部位移动，明显的标志是暗河角砾岩、洞穴崩塌堆积物发育，化学充填作用强烈，多为方解石的全充填，使储层的物性大大降低.

2.2.5 未溶蚀或弱溶蚀带

岩溶作用到达一定深度的潜水面后，强度迅速减弱，直至几乎不发生溶蚀作用，主要以见到大量含石膏类岩的顶面为标志，但局部存在沿大型构造缝等渗流溶蚀至更深的层位.

图3 典型井马五1＋2段岩溶结构剖面Fig.3 Mawu1＋2karst structure sections of the typical well

2.3 岩溶展布特征

2.3.1 溶蚀残余地层分布

研究区西侧奥陶系地层自东向西依次被剥蚀，自S101-S15井一线起，马五2以上残余厚度由大于25m向西逐渐降到0m至完全剥蚀，出露层位自L8井以西为马五3以下地层，为区域剥蚀区.中部及东侧奥陶系地层保存程度较高，出露层位主要为，局部出露马六，大部分井完整保存地层，研究区90%完钻井马五2以上残余厚度大于30m，个别井达到40m以上.东部发育4条侵蚀沟槽，相对切割深度为5～20m，出露层位为（见图4）.

图4 靖边气田南部溶蚀残余地层分布Fig.4 The residual Formation distribution map in the southern Jingbian gasfield

2.3.2 岩溶古地貌形态

根据沉积补偿原理，本溪组出露地层越薄，古地貌地形越高；反之，地形越低.研究区西部本溪组地层厚度较薄，普遍小于30m，为剥蚀高地；中部本溪组地层厚度较大，但井间差异较小，一般为30～50m，为宽缓平台；东侧本溪组地层更厚，普遍大于50m，发育4条沉积厚带，厚度为60～70m，反映岩溶洼地、存在侵蚀沟谷.靖边古潜台在志丹—S131—S137一线以南本溪组地层整体变厚，说明该线为坡形转折带，以北本溪组平均地层厚度约为30m，井间厚度差为20～30m，为残丘与沟槽的组合地貌形态；以南本溪组地层厚度明显增大，平均约为46m，井间差异幅度较小，平均高程差在20m内.整体上，研究区中东部位于古潜台低部位，残丘与残洼相间，剥蚀深度差异较小，具有“西高东低、中东部地势低缓、深沟相对不发育”的地貌特点.

2.3.3 岩溶水径向流特征

通过古地貌形态分析，结合风化壳残留物的分布，分析古地表径向流的强弱和古地貌坡度的变化.西侧铁铝质泥岩厚度多小于4m，部分井未保存，反映该地区地表径向流发育，古地形坡度较大.中部地区铁铝质泥岩沉积厚度多在4m以上，局部地区超过8m，呈连续厚层分布，反映中部地区地势低缓，古地貌坡度较小，地表径向流弱.往东铁铝质泥岩在侵蚀沟槽内基本没有沉积，沟槽间残丘上沉积厚度一般为2～4m，表明沟槽内部具有较强的水流，而残丘地表径流相对较弱.

2.3.4 溶蚀强度及风化壳厚度分布

加里东抬升剥蚀期，研究区古地形西高东低，西部的风化剥蚀比东部的强烈，各岩溶带的纵向发育深度及强度受到古地貌的控制，风化壳厚度自西向东逐渐变薄.西部岩溶台地或岩溶高地上膏岩层位主要在地层，淋滤深度普遍大于60m，反映以强垂直岩溶作用为主，溶蚀深度大.中部低缓斜坡区受坡度限制，膏岩出露层位由西向东逐渐由过渡到地层，淋滤深度由60m向东逐渐减至40 m以内，垂向淋滤深度相对变浅，反映岩溶水的纵向流动滞缓，岩溶作用强度相对减弱.东部岩溶洼地以缓慢的水平渗流作用为主，垂直渗流作用较弱，在沟槽附近岩溶作用相对较强，膏岩层位在地层，淋滤深度大于40m，残丘内部溶蚀淋滤深度普遍小于40m；膏岩顶面主要在地层，溶蚀作用相对较弱，储层充填程度高，岩性致密.

3 有利储层发育

不同地貌单元的岩溶作用类型和强度不同，岩溶岩垂向分带存在明显差异，导致储层纵向分布具有明显的分区性，古地貌形态及储盖组合形式控制储层展布特征[14-16］.

3.1 西部高地

研究区西侧位于岩溶古地貌高部位，受强烈垂向溶蚀作用，岩溶水可以穿透多层泥岩隔水层直至马五4以下地层，在等纵向多个含石膏层溶蚀程度较高，储层均较发育，可见垂向的溶蚀扩大缝或溶洞，裂缝发育程度高，溶蚀孔洞多被白云石半充填—强充填.由于整体剥蚀程度高，马五1-2地层残缺不全，有利储层仅发育在局部地层保存较齐全的古残丘部位.

3.2 中部缓坡

中部地区地势低洼平缓，地表径向流较弱，沉积厚层铝土质泥岩，残留马六段灰岩，共同组合构成良好的封盖层；但由于其分布范围过大，坡内地表水不利于快速下渗和侧向运移排泄，岩溶水的流动速度缓慢.对储层发育的控制主要有：一是大量由西侧及北部岩溶层流携带而来的富钙质的岩溶水在研究区沉淀结晶，形成CaCO3过饱和，化学胶结充填作用强烈，溶孔中保存较多方解石，致使储层溶孔充填程度明显增高.统计研究区溶孔充填程度达到85.8%，面孔率仅有3.6%，充填物中方解石的体积分数为59.3%，白云石的体积分数为33.4%.二是岩溶水受顶部铁铝质泥岩和马六灰岩遮挡与中下部泥岩阻隔，混合岩溶作用主要发育在储层，至储层多发育缓慢层间水平渗流，充填程度高，残余地层水较多，因此研究区主力储层较其他区块呈向上转移的趋势储层较为发育，溶孔溶蚀程度高，孔径较小但分布均匀密集，主要为白云石半充填储层发育程度相对较差，溶孔多见方解石全充填，充填程度高，储层致密.三是在中部缓坡岩溶残丘的侧翼，岩溶作用相对较发育，为有利的含气部位，但研究区风化破裂裂缝发育程度相对较低，裂缝多为成岩缝和构造缝，风化网状缝发育程度低，普遍被方解石全充填.

3.3 东部洼地

在东部地区沟槽的翼部，受垂向渗流和沟槽附近侧向溶蚀增强的影响，岩溶作用相对较发育，风化裂缝发育程度较高，为有利的含气部位，而残丘内部岩溶水进入困难，溶蚀程度低，岩性相对致密.储层溶孔较发育，由于处于洼地区，整体的充填程度偏高，以白云石和方解石强充填—方解石全充填为主，网状裂缝较发育地层较中部缓坡区接近风化壳顶面，储层多被泥质等充填.

4 结论

（1）识别靖边气田南部古岩溶时期岩溶作用的形迹标志主要有地层学标志、岩石学标志、矿物学标志等，主要有岩溶角砾岩、溶蚀孔洞、裂缝、风化残积物、含膏岩层等.根据岩溶标志的组合特征差异，自上而下可划分为残积带、垂直渗流岩溶带、垂直水平渗流过渡带、水平径流岩溶带、未溶蚀或弱溶蚀带等5个带.

（2）溶蚀残余奥陶系地层西侧为区域剥蚀、中东部保存普遍较完整，东部发育4条侵蚀沟槽；古地貌具有西高东低、中东部地势低缓、深沟相对不发育的特点，由西向东依次为西部剥蚀高地、中部低缓斜坡、东部岩溶洼地.岩溶水径向流表现为“东西强、中部弱”，自西向东溶蚀强度逐渐减弱、风化壳厚度逐渐变薄.

（3）岩性、古地貌、溶蚀—充填作用强弱等影响有效储层空间分布.西部剥蚀高地垂直岩溶作用发育，形成纵向等岩溶储层，但仅限于地层保存较齐全的残丘部位.中部低缓斜坡岩溶水流动速度滞缓，淋滤深度相对变浅，岩溶作用强度较弱，主力储层上移至小层，有利储层多发育在岩溶残丘侧翼.东部岩溶洼地整体地势低，为区域汇水区，发育浅沟槽，沟槽附近溶蚀强度较潜台区有所增强，储层较发育，残丘内部岩性致密.

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