鄂尔多斯盆地西缘克里摩里组古喀斯特洞穴特征及发育控制因素

苏中堂, 呼尚才, 刘宝宪, 任军峰, 白海峰

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;

2.中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，西安 710018;

3.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018)



鄂尔多斯盆地西缘克里摩里组古喀斯特洞穴特征及发育控制因素

苏中堂1, 呼尚才1, 刘宝宪2,3, 任军峰2,3, 白海峰2,3

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;

2.中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，西安 710018;

3.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018)

[摘要]鄂尔多斯盆地西缘下奥陶统克里摩里组发育的古喀斯特洞穴具有良好的勘探前景，但洞穴预测难度大，勘探风险高，需要准确认识古喀斯特洞穴基本特征与储层发育规律，降低勘探风险。通过岩心观察、薄片鉴定以及录井、测井、地震等手段分析表明，该套喀斯特洞穴主要发育在颗粒灰岩内，横、纵向分布稳定，依据岩石学、录测井及地震响应特征可分为垮塌半充填型和暗河充填型，后者进一步分成角砾充填和泥质充填2种类型。喀斯特洞穴具有加里东期大气淡水顺层溶蚀特征，其发育受到岩性、古地貌及古地质条件的共同控制，台缘礁滩微相颗粒灰岩是优先可溶性基岩，古喀斯特斜披提供了有利的水动力条件，加里东期同生微断裂提供了渗流通道，上奥陶统是否覆盖决定了洞穴类型及充填程度。

[关键词]喀斯特储层；顺层溶蚀；颗粒灰岩；古地貌；溶蚀机理

第三轮全国油气资源评价显示，中国海相碳酸盐岩蕴藏丰富的油气资源，近年来西部三大盆地不断取得突破，表明海相层系具有良好前景，是未来油气储量增长的重要领域之一[1,2]。鄂尔多斯盆地西南缘台缘相带是当前勘探的重点领域之一[3]，盆地西缘2010年完钻的YT1井钻遇喀斯特洞穴，产气34.6×103m3/d，2011年施工的YT2井洞穴内产气11.565×103m3/d，1987年完钻的T1井在相同层位产气164×103m3/d，该地区其他钻井也见不同程度气显，证实这一区域具有良好的勘探前景。前人已经注意到这套潜在储层，提出一些认识[4]，但对于发育在盆地西缘台缘相带内的这套喀斯特洞穴型储层的基本认识目前尚显薄弱，直接影响到对这一潜在储层的勘探开发，本文试图分析该地区喀斯特洞穴基本特征及其控制因素，为认识、勘探、开发这套储层提供基本地质依据。

1地质背景

鄂尔多斯盆地天环地区处于华北地台西缘，横跨盆地西缘逆冲带、天环拗陷和伊陕斜坡3个次级构造区划，地层分区属于桌子山地层小区，早奥陶世缺失冶里期和亮甲山期沉积，在区域上不同程度发育相当于马家沟期的碳酸盐岩沉积，自下而上依次为三道坎组、桌子山组和克里摩里组(图1)。其中克里摩里组相当于盆地内残存的马六段沉积，厚0～180 m，总体以台缘相灰岩为主，夹一些白云质灰岩或含云灰岩。奥陶纪末受加里东运动影响，盆地主体抬升遭受剥蚀，形成了以中央古隆起为中心向东西两侧降低的风化壳古地貌[5]，天环地区不同程度受到影响，但向西依次接受了中奥陶统乌拉力克组、拉什仲组的沉积，地层发育逐渐完整。加里东晚期的这次南北向的挤压作用在西缘奥陶系内形成了大量北东、北西向节理，褶皱常伴随上冲断层和层间滑动[6]，提供了喀斯特作用发育的疏导体系。而地磁资料表明华北地台在加里东期至海西期的地理位置一直处于北半球赤道附近[7]，现今风化壳中常见铝土矿，洞穴充填物中普遍发现上覆煤系地层石炭、二叠纪孢粉[8]，表明石炭系本溪组沉积之前，鄂尔多斯处于湿热气候环境，这种地理位置的气候条件有利于喀斯特作用的进行。

图1　研究区构造区划及地层对比图Fig.1　Tectonic division and stratigraphic correlation of studied area

2喀斯特洞穴发育标志

2.1岩石学标志

天环地区克里摩里组发育溶蚀孔洞，岩石学方面主要表现为：①溶蚀孔洞，岩心中可观察到大小不一的溶蚀孔洞，直径为0.1～3 cm，孔洞边缘极不规则(图2-A)，充填率55%左右，充填物既有黏土亦有白色方解石。②喀斯特角砾，这种角砾大小、形状极不规则，磨圆度差-中等，砾屑间多被黏土充填(图2-B)，黏土与角砾体积比值约为1∶15~1∶5，少数被白色方解石胶结。③洞穴泥质充填物，多口钻井中可见碳酸盐地层中充填有泥质，泥质与灰岩之间接触界线凹凸不平，泥质中常含有漂浮状的灰岩角砾(图2-C)。

2.2录井标志

天环地区目前钻遇克里摩里组的27口钻井中，7口井录井过程中出现不同程度钻时加快、放空及泥浆漏失等现象。如L1井钻时加快并漏失泥浆5 m3；T1井放空1.1 m，漏失泥浆合计99.5 m3；TS1井漏失泥浆323 m3，放空0.75 m；N 1井漏失泥浆542 m3：表明这一地区存在喀斯特洞穴。

2.3测井标志

喀斯特洞穴在测井曲线上往往表现出“三高两低”特征：即高伽马、高时差、高声波时差、低电阻、低密度[9,10]，天环地区的喀斯特洞穴测井响应基本都具有这些特征。但洞穴特征及其充填物不同，井径曲线和深浅双侧向电阻率曲线略有差异，井径曲线表现为严重扩径或扩径；双电阻率曲线降低，多数出现正幅差，在碳酸盐岩背景曲线中极易识别。

2.4地震标志

碳酸盐岩由于成因特殊性而内幕发射差，加上非均质性强，使得古喀斯特预测难度极大，往往在地质概念指导下采用正演方式获得敏感性参数，再开展多属性综合分析来对其预测[11]。鄂尔多斯盆地的地震勘探同样面临着这些难题，使得下古生界天然气勘探一直处于久攻未克的状态。2010年开始通过综合静校正、多域去噪和叠前偏移等处理技术，在天环地区台缘相带取得新发现：地震剖面显示短轴状强反射，叠前“甜点”属性剖面为黄色高值[12]，即地震剖面表现为低频、强振幅特征，风险井钻探证实为喀斯特洞穴。

3喀斯特洞穴发育特征

3.1喀斯特洞穴特征

3.1.1基岩

图2　鄂尔多斯盆地天环地区克里摩里组喀斯特洞穴岩石学特征Fig.2　Petrological characteristics from karst caves in Tianhuan area, Ordos Basin(A)喀斯特洞穴，YT1井,深度4 332.5 m; (B)洞穴角砾充填，N1井，深度3 917.85 m; (C)洞穴泥质充填，E19井,深度3 944.38 m;(D)藻屑灰岩，YT1井,深度3 936 m;(E)颗粒灰岩, L1井, 深度3 908.97 m; (F)颗粒灰岩, S367井,深度3 796.5 m

该地区喀斯特洞穴主要发育在克里摩里组各种灰岩内，成洞基岩主要包括内碎屑灰岩、生物碎屑灰岩和藻屑灰岩。①内碎屑灰岩：这类岩石在成洞基岩中最为常见，主要为砂屑灰岩及含砂屑灰岩，少量为砾屑灰岩，内碎屑的分选性、磨圆度中等，内碎屑间填隙物主要为灰泥，少数为亮晶方解石胶结(图2-D)，多见于克里摩里组上部。②生物碎屑灰岩：成洞基岩中这类灰岩较为常见，仅次于内碎屑灰岩，生物碎屑门类较多，常见藻类、腕足和双壳类，偶含棘皮类、头足类、三叶虫、介形虫、海绵骨针和钙球，分选性较差，磨圆度中等，填隙物主要为灰泥，该类岩石发育部位与内碎屑灰岩相同，且多为生物碎屑和内碎屑共存(图2-E)。③藻屑灰岩：这类岩石相对少见，仅见于T1井中，藻屑被选择性溶蚀形成了溶蚀孔，成为有效储集空间(图2-F)。

这几类岩石构成了洞穴层基岩主体，个别钻井中喀斯特洞穴则发育在白云质灰岩及白云岩内，这表明该地区喀斯特洞穴成洞基岩以颗粒灰岩为主。

3.1.2洞穴类型

根据天环地区大量钻井岩心观察、录井特征分析，地震、测井响应对比，依据洞穴空间充填情况可将喀斯特洞穴分成垮塌半充填型和暗河充填型两大类。在后者中根据充填物不同又进一步分为角砾充填型和泥质充填型(图3)。垮塌半充填型洞穴岩相以洞穴塌积岩、洞穴冲积岩及洞穴淀积岩[4]为主，钻井过程中钻时加快，泥浆有漏失，测井上表现为低-中等自然伽马，密度、电阻率较低，声波时差增高，同时扩井严重；地震响应表现为中强振幅，对应波峰；初始产能往往很高，但不能稳产，代表井为T1井。暗河角砾充填型岩相以垮塌角砾岩为主，角砾分选性、磨圆度中等，角砾间含泥质，钻井过程表现为钻时跳跃，测井表现为高自然伽马、高声波时差，双侧向电阻率低值正幅差，扩径不明显；地震上表现为短轴状强反射，对应波谷；初始产能相对较低，但能稳产。暗河泥质充填型岩相以泥岩为主，钻时加快，测井响应表现为高自然伽马、高声波时差，双侧向电阻率表现为低值正幅差，扩井较明显，地震响应不明显，对应波谷，无产能。

3.2喀斯特洞穴对比

图3　天环地区洞穴类型及特征Fig.3　Characteristics and types of karst caves in Tianhuan area

分析天环地区钻遇克里摩里组的20多口钻井发现，这些钻井均有喀斯特洞穴发育，洞穴附近基岩主要为内碎屑灰岩、生物碎屑灰岩和藻屑灰岩。如T 1井洞穴发育在3 934～3 940 m深度，在3 936 m为藻屑灰岩；L1井洞穴发育在3 908.4～3 911.6 m深度，在深度3 908.97 m处发育颗粒灰岩；S367井在颗粒灰岩发育的3 796.5 m深度下方即发育洞穴：这些喀斯特洞穴在横、纵向上发育稳定，但克里摩里组被覆盖地区和裸露区洞穴充填程度不同。从图4可以看出，自西向东克里摩里组内的喀斯特洞穴在近顶部地层处稳定发育，以加里东运动形成的不整合面为等时面拉平地层后，克里摩里组明显向西倾斜，表明这些喀斯特洞穴应为裸露区接受大气淡水溶蚀，不断在具有相同渗透性能的地层中向下渗透溶蚀，形成了该地区相互贯通的洞穴系统。这些洞穴中，S367、S106井为暗河充填型，而T1、L1井则为垮塌半充填型，说明在加里东运动将奥陶系抬升地表长时间的溶蚀改造过程中，洞穴发育的克里摩里组有无上覆地层覆盖，会影响到喀斯特洞穴的保存情况，即可形成不同的洞穴类型。

图4　天环地区喀斯特洞穴对比图Fig.4　Contact of karst caves in Tianhuan area

3.3洞穴形成机理

喀斯特作用是一种水-岩相互作用的体系，实质上是侵蚀性的水与矿物晶体之间的相互作用，其本质是在水的极性分子电荷和热力学、动力学条件影响下，矿物晶格中的离子脱离原来位置向水中转移，并导致其晶格破坏的过程[13]。因此，矿物与水分子之间形成的电位差越大，越容易遭到破坏，其形成的矿物越容易被溶解[14]。

而不同结构的灰岩其微观溶蚀特征也不一样。含有泥质成分的碳酸盐岩，喀斯特不发育。这是由于泥质岩层塑性较大，易产生揉皱而不易形成连通性较好的裂隙，只能发生孔隙溶蚀，结果泥质成分不断聚集并逐渐堵塞水流通道，使溶蚀作用大幅度减弱。泥晶结构的碳酸盐岩由于晶粒细小，不具有孔隙扩溶作用，差异溶蚀弱，主要沿泥晶方解石晶间均匀溶蚀，属面溶蚀，溶蚀作用相对较弱。各种颗粒灰岩均属可塑性较大的岩石，其裂隙的张开性、穿切性较弱；但岩石具有粒屑结构，碎屑之间联结力弱，且原生孔隙发育，从而使喀斯特作用常沿碎屑间的孔隙进行溶蚀，喀斯特形态表现为蜂窝状溶孔。因此，原始孔隙性好的颗粒灰岩其溶蚀能力强于泥晶灰岩，相对更容易发生溶蚀作用。

3.4洞穴发育模式

根据前面对喀斯特洞穴发育特征及形成机理的分析认为，天环地区喀斯特洞穴主要发育在克里摩里组内的颗粒灰岩内，表生期的大气淡水先溶蚀裸露灰岩形成溶蚀孔洞系统，而后沿同期微断裂顺同一地层内相近部位灰岩不断溶蚀形成喀斯特洞穴，溶蚀作用具有顺层溶蚀特征，洞穴发育空间较为稳定，溶蚀后期上覆沉积及溶洞上覆地层垮塌充填溶洞，在覆盖区和裸露区形成了不同的充填特征。因此建立了如图5所示的溶洞发育模式，用以指导和理解天环地区古喀斯特发育特征。

图5　天环地区古喀斯特发育模式图Fig.5　Model showing paleokarst in Tianhuan area

4喀斯特洞穴发育控制因素

除喀斯特作用发生的物质基础、气候及喀斯特疏导体系条件外，喀斯特作用发育程度还受到岩石类型及微观结构、喀斯特水动力条件的影响[13-15]，喀斯特洞穴的充填情况则与古地质条件相关。根据天环地区克里摩里组喀斯特洞穴发育特征分析，其发育受到岩性、古地貌及古地质的共同控制。

4.1岩性

喀斯特洞穴形成和发育情况受可溶性岩石组构控制。天环地区喀斯特洞穴首先发育在高能颗粒灰岩发育层段，而后是云灰岩、灰云岩和白云岩发育层段，这种岩石组构差异明显受到沉积(微)相控制：高能颗粒灰岩主要发育在盆地边缘相带，云灰岩、灰云岩和白云岩序列主要形成于局限台地或局限与开阔台地过渡带上。

天环地区克里摩里组沉积期为碳酸盐岩台地到台地边缘沉积，发育一套以灰岩为主夹白云岩的沉积组合，按岩性组合特征可分为3段：上部主要发育在台地边缘较高能环境，形成砂屑灰岩、生屑灰岩及含生屑灰岩等颗粒灰岩，成为喀斯特作用最有利的岩石组合；中部主要发育于碳酸盐开阔台地，形成泥微晶灰岩；下部局部处于局限台地环境，发育灰云岩、云灰岩及白云岩的岩石组合。因此，笔者认为天环地区洞穴类型首先受控于沉积(微)相，台地边缘相带内的颗粒灰岩是喀斯特洞穴发育的有利区带，其次是局限台地环境内形成的云灰岩、灰云岩及白云岩。

4.2古地貌

在不同地貌条件下，喀斯特发育过程是不同的。因为喀斯特发育在很大程度上受地表水和渗透条件的影响，而这两者又常受地貌条件的影响，如地面坡度、切割密度和深度、水系分布等。地面坡度的大小直接影响渗透量的大小，在比较平缓的地方，地面径流流动缓慢，渗透量就较大，喀斯特较发育；反之，地面坡度愈大，径流速度愈快，渗透量就愈小，喀斯特发育就较差。因此，地貌对喀斯特洞穴的形成具有一定的控制作用，喀斯特高地向喀斯特谷地过渡地带往往成为利于喀斯特洞穴发育的区带。

采用“印模法”恢复天环地区古喀斯特地貌(图6)显示[16]，天环地区大部分位于喀斯特高地与喀斯特谷地之间的喀斯特斜坡带，这种古地貌过渡带正好处于地下水渗流带和潜流带转换带，水动力作用强，有利于古喀斯特作用的发生。天环地区的古地貌格局使克里摩里组地层向西倾斜，部分岩石被上覆乌拉里克组和拉什仲组沉积覆盖；向东克里摩里组逐渐出露，直接接受大气淡水的溶蚀作用，并使大气淡水沿克里摩里组内部下渗发生顺层溶蚀。

图6　天环地区奥陶系风化壳古喀斯特地貌图Fig.6　Palaeokarst geomorphology of the Ordovician weathering shell in Tianhuan area(据文献[16]修改)

4.3古地质条件

古地质条件是指石炭系沉积之前的地质面貌。古地质条件对于喀斯特洞穴的发育和保存表现在断裂发育程度和地层出露情况两个方面。天环地区在拉什仲组沉积后，加里东运动使盆地逐渐抬升，在构造演化过程中风化壳顶部形成了众多小型断裂，这些断裂为表生期大气淡水提供了渗滤通道，利于古喀斯特作用的发生。

古地质条件主要体现为可溶性岩石发育层位被覆盖还是出露，若可溶性岩石在喀斯特作用发生时出露，喀斯特流体直接作用于可溶性岩石，它必然遭受更长时间的风化剥蚀，且上覆沉积物逐渐沿暴露不整合面充填，直接暴露地表的溶蚀洞穴易于被充填，从而喀斯特洞穴不易保存。覆盖区喀斯特洞穴未直接暴露地表，上覆泥岩仅受流水搬运与垮塌沉积共同充填，上覆沉积供给不充分，洞穴主要被同地层垮塌角砾充填，喀斯特洞穴易于保存。

5结 论

a.天环地区克里摩里组洞穴层主要发育在台缘相颗粒灰岩内，岩心上见溶蚀孔洞及喀斯特角砾，录井过程中出现放空、泥浆漏失现象，测井上表现出井径扩大、高伽马、高时差、双侧向电阻率降低等响应特征，地震剖面表现为低频、强振幅特征。

b.喀斯特洞穴可分为垮塌半充填型和暗河充填型两类，后者进一步细分为角砾充填和泥质充填两种不同类型，洞穴层横、纵向分布稳定，不同类型的洞穴在岩石学、录测井及地震响应上均有不同的响应。

c.天环地区喀斯特洞穴是加里东期大气淡水顺层溶蚀而成，其发育受岩性、喀斯特地貌和古地质条件的共同控制，台缘礁滩微相颗粒灰岩是优选可溶性基岩，古喀斯特斜披提供了有利的水动力条件，加里东期同生微断裂提供了渗流通道，有无奥陶系上覆地层覆盖决定了洞穴类型及充填程度。

匿名评审专家提出了宝贵意见，中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院区域室提供了大量基础资料，并协助完成岩心观察，作者借此一并致谢。

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Characteristics and controlling factors of paleokarst caves in Kelimoli Formation, west Ordos Basin, China

SU Zhong-tang1, HU Shang-cai1, LIU Bao-xian2,3, REN Jun-feng2,3, BAI Hai-feng2,3

1.State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;2.Exploration & Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi’an 710018, China;3.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields, Xi’an 710018, China

Abstract:Paleokarst caves developed in Lower Ordovician Kelimoli Formation in west of Ordos Basin are proved as potential reservoir, but the caves are difficult to predict and the exploration of oil and gas is full of risk. Study of drilling core, thin section, logging and seismic data shows that the caves exist in grain limestone and distribute stably in vertical and horizontal directions. According to characteristics of petrology, logging and seismic data, the caves can be divided into two types, collapse filled and underground river filled caves, and the latter can be further divided into breccia filled and mud filled caves. These caves are dissolved by layer of atmosphere fresh water, and are controlled by lithology, paleogeomorphic and geological conditions. It shows that the grain limestone is the optimal rock, paleokarst slope provides favorable hydrodynamic condition, the fractures of Caledonian period offers seepage channel, and the coverage determines the cave type and cave filling degree.

Key words:karst reservoir; corrosion by layer; grain limestone; paleogeomorphic; dissolution mechanism

[文献标志码][分类号] P642.25 A

[基金项目]国家自然科学青年基金项目(41302087)。

[收稿日期]2015-01-06。

[文章编号]1671-9727(2016)02-0233-08

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.02.10

[第一作者] 苏中堂(1981-),男,博士,副教授,研究方向：储层沉积学, E-mail:xiongwei3279@sina.com。