杭锦旗地区奥陶系古地貌特征及岩溶模式

2022-05-06李春堂

天然气技术与经济 2022年2期

李春堂

（中国石化华北油气分公司，河南郑州 450006）

0 引言

鄂尔多斯盆地是一个整体沉降、构造简单的大型多旋回克拉通盆地［1］。早奥陶世，受中央古隆起分割，该盆地中东部属于华北海域，主要表现为浅水碳酸盐岩台地沉积；晚奥陶世，加里东运动导致鄂尔多斯盆地整体抬升，奥陶系碳酸盐岩遭受了长达1.2～1.5亿年的表生岩溶作用，形成了以溶蚀孔洞为主的储集空间［2-3］，为油气运聚成藏提供了有利条件。杭锦旗地区位于盆地北部，处于伊盟隆起、伊陕斜坡和天环坳陷3个构造单元的过渡带。根据钻井揭示，研究区奥陶系主要发育在杭锦旗南部的十里加汗区带，构造上处于伊陕斜坡北部，以泊尔江海子断裂为界，北部紧邻伊盟隆起。目前，该区已有多口井钻遇气层，T-1井在奥陶系马家沟组四段试获气流5 049 m3／d；K58-3 井钻遇马四段缝洞型气层，试获工业气流2.9×104m3／d，表明该盆地北部奥陶系不整合岩溶气藏具有良好的天然气勘探潜力。笔者在前人研究的基础上刻画研究区古地貌特征，进一步总结岩溶模式，以期为该类型气藏勘探评价提供技术支撑。

1 区域沉积背景

杭锦旗地区所处的伊盟隆起总体构造走向近东西，自古生代开始隆升，是一个持续活动的隆起带［4-5］。岩性为花岗片麻岩的太古界变质岩基底与上覆上古生界碎屑岩地层不整合接触，中间各时代地层向伊盟隆起方向超覆尖灭。通过对杭锦旗地区及其周边奥陶系岩性、测井特点进行对比分析，将研究区奥陶系马家沟组自下而上分为马三段、马四段和马五段（图1）。其中，马四段表现为一套曲线平缓的低自然伽马、高电阻、低声波时差灰岩，可以作为区域对比标志层。

研究区钻遇下古生界最老的地层为奥陶系下统马家沟组三段，因此推断研究区从马三段开始接受沉积。从地层对比剖面上可以看出（图1），杭锦旗地区马三段—马四段地层厚度与盆地中部大牛地气田存在明显的差异，地层厚度由东南向西北减薄，说明杭锦旗地区处于沉积边界位置。

图1 大牛地—杭锦旗地区地层对比剖面图

马三段沉积期，海侵范围已达到杭锦旗地区南部的十里加汗区带，主要为一套潮上带蒸发相的沉积，主要发育石灰岩、白云岩、泥灰岩、云灰岩等。马四段沉积期是鄂尔多斯海侵期范围最大的时期［6］，盆地整体沉积范围扩大。因此推断研究区马四段沉积范围较马三段有明显的扩大，沉积边界更靠近伊盟隆起，主要为一套潮下带沉积，主要发育泥灰岩、石灰岩等。马五段沉积期，随着鄂尔多斯盆地隆升，海平面下降，马五段沉积期较马四段沉积期明显退缩，沉积边界向东南方向后退，该期主要发育白云岩，含有少量的泥云岩和含灰云岩。

从马家沟组残余地层分布图上可以看出（图2），马五段仅在研究区东南部有出露，马四段在研究区内沉积范围较大，是该区的主要目的层，马三段在马四段灰岩尖灭线以北也存在残余厚度，与区域沉积背景相反，这是因为马四段在靠近伊盟隆起边缘遭受强烈剥蚀造成的。马家沟组顶部地层被剥蚀的程度是判定岩溶期古地貌特征的重要依据。出露地层较老，剥蚀程度大，反映当时古地貌相对较高；出露地层较新，剥蚀程度小，反映当时古地貌相对较低，与当时的构造特征相吻合。

图2 杭锦旗地区十里加汗区带马家沟组残余地层分布图

2 古地貌特征

根据前人研究表明，鄂尔多斯盆地前石炭系岩溶古地貌是奥陶系碳酸盐岩不整合面岩溶气藏的重要控制因素，古地貌形态控制着岩溶作用的发育程度［7-9］。准确地恢复古地貌是揭示储层分布的关键之一。前人对鄂尔多斯盆地奥陶系顶面岩溶古地貌的恢复主要是采用印模法和残余厚度法相结合的方法，这两种方法均需要有一个稳定的标志层作为参考界面。由于研究区沉积时受伊盟隆起影响，奥陶系沉积时地层厚度变化较大，后期又经历了风化剥蚀，没有有效的参考界面，因此只采用印模法开展古地貌恢复工作。根据上古生界石炭系—二叠系地层展布特征，研究区选用的标志层为山1段和太原组煤层，该界面横向对比稳定，在地震上表现为稳定分布的强波峰，可以有效利用地震追踪成果进行全区地质编图。

根据前人在鄂尔多斯盆地的古地貌单元划分标准［10-11］，研究区古地貌高差约130 m，依据现代岩溶理论，结合相对高差值，可以将研究区岩溶古地貌划分为岩溶高地、岩溶斜坡两大一级地貌单元，其中，岩溶斜坡可以进一步划分为岩溶洼地、岩溶残丘和岩溶沟槽等二级地貌单元，缺少岩溶盆地地貌单元（表1）。

表1 杭锦旗地区岩溶古地貌单元划分表

通过十里加汗区带古地貌图可以看出（图3），在研究区西北部为古高地，出露古基底；东南部整体表现为岩溶斜坡地貌，奥陶系马家沟组经过风化淋滤剥蚀，发育多个岩溶残丘和洼地。岩溶斜坡上T-8井—T-3井—T-4井一带靠近泊尔江海子断裂，风化淋滤作用强烈，形成岩溶洼地，马四段剥蚀殆尽，出露马三段地层。岩溶斜坡上的残丘较岩溶洼地地势相对较高，主要分布于T-9 井、T-22 井以及T-7井所在区域。

图3 杭锦旗地区十里加汗区带古地貌图

3 储层类型及分布

根据钻井揭示，研究区钻遇的气测显示层段均在马四段，其岩性以泥晶灰岩为主，含少量云质灰岩。笔者运用录井岩性资料和测井响应特征，将研究区储层类型分为孔隙型储层和裂缝—孔洞型储层两类。

3.1 孔隙型储层

孔隙型储层岩石类型主要为云质灰岩，孔隙类型以各类孔隙为主，裂缝不发育，主要为晶间孔和晶间溶孔。马四段地层沉积之后，整个杭锦旗区块在加里东末期持续隆升，马四段地层表面裸露接受强风化剥蚀。随后太原组地层沉积后，先期溶蚀形成的孔洞被泥质不同程度地充填。典型井段为T-1井，井深3 203.2～3 207.8 m，测井曲线特征表现为较低的自然伽马、相对低的深侧向电阻率和高声波时差（图4a）。主要分布在岩溶残丘顶部10 m 以内，分布范围有限。

3.2 裂缝— 孔洞型储层

裂缝— 孔洞型储层主要为溶蚀孔、溶洞和构造溶蚀缝，通常由岩性较纯的石灰岩遭受淋滤溶蚀而形成［12］。石灰岩由于岩性脆，在构造作用下易形成裂缝，这些裂缝既是地表水下渗溶蚀形成次生孔隙的通道，也是后期天然气运移的主要路径。石灰岩在溶蚀过程中形成较大的溶洞，受周围地层负荷作用，洞顶周边发生破裂，加剧了地表水对石灰岩的溶蚀，有利于溶洞的形成（图5）。典型井段为T-7井，井深2 821.2～2 836.6 m，测井曲线特征表现为自然伽马、声波时差明显增大，深侧向电阻率、补偿密度明显降低，具有典型的缝、洞响应特征（图4b）。主要分布在岩溶残丘—洼地过渡区，距顶部10～40 m，纵向上可发育多个。

图4 杭锦旗地区十里加汗区带奥陶系不同储层类型测井响应特征图

图5 杭锦旗地区十里加汗区带奥陶系溶洞形成示意图

4 古岩溶发育模式

通过杭锦旗地区南部十里加汗区带马家沟组古地貌特征以及储层类型识别，结合前人对岩溶储层主控因素的研究［13-16］，建立杭锦旗地区岩溶斜坡带储层发育模式（图6）。岩性是岩溶储层发育的物质基础，其分布受沉积相控制。受伊盟隆起的影响，马三段沉积期杭锦旗位于华北海的边缘，沉积物泥质含量高，岩石可溶性降低，不利于岩溶作用的发生，而马四段沉积期发育一套富生屑的泥晶灰岩，该岩性较马三段含泥碳酸盐岩更容易发生风化、溶蚀作用。断裂及其伴生裂缝决定了碳酸盐岩的渗透性、连通性及其方向性。由于马四段石灰岩孔隙不发育、渗透率低，流体多沿裂缝带溶蚀，并向岩层内部有选择性地溶蚀扩展，形成良好的储集体。十里加汗区带北部的泊尔江海子断裂在加里东期开始形成，受其影响马四段石灰岩裂缝发育，其北部马四段地层剥蚀殆尽，其南部10～15 km范围内马四段地层遭受强烈剥蚀，出露马三段地层。岩溶地貌控制了奥陶系残余地层保存程度，同时控制了溶蚀作用的强弱。岩溶高地坡度大，遭受地表径流强烈剥蚀，奥陶系地层剥蚀殆尽。岩溶斜坡坡度相对变缓，地下水由地表径流为主转为垂相渗滤为主，受断层和裂缝发育区影响，形成不同溶蚀强度的地貌单元。岩溶洼地为负地形，是地表汇水及向地下渗流补给的主要部位。当侵蚀作用过强时，岩溶洼地经受切割导致马四段地层减薄或缺失，不利于储层发育。岩溶洼地的汇水作用也会导致充填作用强烈，对储层的发育不利，例如T-6井钻遇岩溶角砾岩层，被大量泥质充填。岩溶斜坡上的残丘为斜坡上古地势相对较高、残存马四段厚度较大的丘状地形。研究区残丘地貌单元马四段残存厚度为20～60 m，与储层分布在距不整合面10～40 m 的范围内，具有较好的对应性。岩溶残丘—洼地过渡带发育垂直渗流带，表面遭受溶蚀作用强烈，裂缝和溶蚀孔洞发育，残丘内部水平径流活跃，有利于形成溶蚀孔洞型储层。同时因岩溶洼地的存在，间接增加了侧向溶蚀作用，储层发育程度变好。