苏里格气田奥陶系马家沟组马五段碳酸盐岩(准)同生期岩溶作用特征

2022-06-24田清华刘俊李浮萍黄丹

西北地质 2022年2期

田清华,刘俊,李浮萍, 黄丹

(1.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018；3.中国石油长庆油田分公司气田开发事业部，陕西西安 710018)

海相碳酸盐岩是中国天然气勘探开发的重要领域(付斯一等，2009)。鄂尔多斯盆地自1989年在下古生界奥陶系碳酸盐岩发现工业气流井以来，针对该区域天然气储层成因，经过多年持续技术攻关和勘探开发实践，发现了万亿m3的大气区。鄂尔多斯盆地下古生界碳酸盐岩层系具有良好的天然气勘探潜力(姚泾利等，2015)，是成为长庆油田增储上产的重要接替区。区内主要勘探目标有古隆起东侧风化壳中组合及盆地东部岩溶残丘、奥陶系盐下(杨华等，2016)。其中，风化壳储层储集以膏溶孔为主，部分孔隙后期发生了填充，储层孔隙充填形成机理复杂，储层的空间展布及主控因素尚不明确。近年来研究发现，准同生期岩溶对储层孔渗有着重要的影响(Shen A J，2015；Su C P,2017；肖笛，2017；左智峰，2019)。这一时期，由于地层尚未进入埋藏阶段，岩石结构疏松，以丘滩为代表的高能沉积物具有较高的基质孔隙度和渗透率，导致该期岩溶明显受到岩性、岩相的控制，具有鲜明的“相控岩溶特征”。笔者以钻井岩心、薄片观测资料为基础，探讨岩溶作用与储层发育的关系，旨在为后期的油气预测及勘探开发提供支撑。

1 苏里格气田概况

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地中央古隆起东侧，盆地伊陕斜坡北部(图1)。受加里东晚期区域性构造抬升影响，地台整体全面抬升，并经历了130～150 Ma风化剥蚀，使地台上缺失上奥陶统、志留系、泥盆系和中—下石炭统。至中石炭世整体发生沉降，接受了中—上石炭统海陆交互相含煤系碎屑岩沉积，从而在上—下古生界之间形成了一个区域性大型古侵蚀面。这一时期经早表生岩溶作用期、裸露风化期和埋藏期等多期岩溶，顶部马家沟组构成了区域性风化壳岩溶，孔、洞、缝普遍发育，成为天然气储存的最佳空间和良好的油气运移通道；其上覆石炭系本溪组含煤建造提供了良好的烃源环境，下伏马家沟组膏岩层形成的盖层使其共同构成了良好的生储盖组合，从而为气藏形成提供了良好的保存条件；最终形成了奥陶系岩溶地貌和奥陶系顶部古风化壳岩溶储层(夏日元，1999；苏中堂，2011；白慧，2015)。其中，(准)同生期岩溶作用对鄂尔多斯盆地苏里格地区马家沟组五段(图2)，特别是其大气淡水淋溶作用对研究区储集层的发育具有明显的建设性作用，也是区内孔洞型储层最主要的成因机制(席胜利，2017；冯敏，2019)。

图1 鄂尔多斯盆地构造划分及苏里格气田位置图

图2 苏里格气田马五段地层综合柱状图

下古生界储层主要在气田东部地区，属于盆地奥陶系古潜台向北延伸的古斜坡之上，包括次一级地貌单元，有古台地、古沟槽、古残丘等；古地貌整体上呈西高东低、北高南低的特征。石炭系厚度较小地区分布在气田西部、西北部，主要是因为高部位沉积剥蚀地层保留厚度小，沟槽整体呈东西向展布，中间交错分布残丘与洼地(图3)，区域整体断层不发育。

图3 苏里格地区前石炭系岩溶古地貌图

2 (准)同生期岩溶特征

2.1 暴露侵蚀面

受次级沉积旋回和海平面频繁升降变化的控制，位于海退旋回顶部的丘滩、台坪沉积时常出露海面，遭受大气淡水淋滤改造或侵蚀，发育典型的同生期暴露面(刘雁婷，2014；赵学钦，2015)。每个沉积间断暴露面均为岩性或岩相的突变面，暴露面之下多为沉积旋回顶部遭受大气淡水溶蚀的改造岩，发育溶蚀通道或溶塌角砾岩，而之上常为未-弱改造岩。这也就意味着暴露过程的结束通常以下一期海泛事件来临为标志，即海泛事件带来大量新沉积物覆盖在暴露面之上，不发育暴露溶蚀现象，以均质泥晶云(灰)岩、富泥质泥晶云岩等局限瀉湖或滩间海沉积为主。

暴露侵蚀面在测井曲线上也有明显的响应特征。自然伽马曲线在海侵产物段出现一个明显的高峰，声波时差曲线也会相应的出现高峰，而密度会比较低，一般小于2.6 g/cm3，局部甚至介于2.0～2.5 g/cm3，而暴露侵蚀面是在这些曲线高峰的下部半幅点处(图4)。

图4 研究区暴露侵蚀面测井响应特征图

2.2 海侵产物

2.2.1 海侵产物灌入下部岩溶系统

沉积旋回顶部常常发育岩溶角砾及侵蚀面，可见富泥质云岩覆盖在上方，岩溶角砾间常见富泥质云岩充填其间。岩溶系统充填程度较差，在旋回的中上部甚至仍然可见和顶部特征相似的泥质(图5)。例如，在T13井的一溶塌角砾岩段中，可以看出溶洞下部仅见零星泥质，暗色泥质充填在角砾之间，越往顶部，泥质含量越高，并逐渐沟通起来，再往上便是顶部的整块泥岩。在测井曲线上，也可以见到自然伽马值越往上部值越大，说明泥质含量逐渐增大；声波时差曲线越往上部值越大，说明上部声波传播速度很低的泥质越多，且成分越复杂、结构越不稳定(图6)。

(a)泥云岩向下充填，T13井，3 600.20 m，马五4亚段，岩心照片；(b)泥云岩向下充填，T13井，3 597.58 m，马五4亚段，岩心照片

图6 T13井3 610～3 605 m井段(马五4亚段)泥质充填垂向特征图

2.2.2 海侵产物为岩溶发育的分界线

通过对研究区内岩心上岩溶特征的观察，发现海侵产物总是上、下2个相邻沉积旋回内岩溶发育的分界线，即不论上、下岩溶发育程度如何，岩溶现象都很难在富泥质云岩段发育，并且以此为界，上、下岩溶发育程度有着很大差异。海侵产物这种特征很好地响应了准同生期岩溶的定义，体现在以下几点：①海侵产物是相对海平面上升的结果，代表着沉积序列与岩溶作用同时结束，也就是受旋回控制的；宏观上表现分层发育的岩溶。②海侵产物上部为沉积序列的底部，其岩溶影响程度很低，相比于下部，岩溶作用通常是非常强烈的，这说明岩溶作用是存在的；但是由于暴露时间过于短暂，未能影响到沉积序列底部。③海侵产物相比于正常沉积序列的沉积物，泥质含量要高得多，这也使得其可溶性低得多，即使被溶，还会残存大量不容残余物。因此，准同生期岩溶较时间的改造通常是无法溶穿海侵产物段，这也是形成分层发育岩溶作用的又一主要原因。

2.3 岩溶角砾

在颗粒滩向上变浅序列中，由于滩体的侧向迁移及水体盐度升高的原因，变浅旋回多以顶部发育泥云坪沉积而结束。而处于高部位的浅水台坪沉积，在海退背景下很容易暴露或接近海平面附近遭受大气淡水淋滤改造，形成大量溶塌角砾岩(图7)。从纵向序列上看，其主要发育于高频暴露侵蚀面之下，沉积旋回顶部为(准)同生期暴露阶段受大气淡水淋滤溶蚀或上覆岩层发生崩塌形成，厚度从十几厘米到数米不等。垂向上多个沉积旋回频繁叠置，通过对岩溶现象的观察与统计，发现岩溶角砾在垂向上呈层状分布特征，即每个旋回中都有1～2个岩溶角砾段。

图7 Z97井3 450～3 441 m井段(马五4—马五3亚段)岩溶角砾层状分布特征图

2.4 花斑状溶蚀孔洞

通过对研究区岩心岩溶特征的观察，发现在区内马五段与丘滩相关的孔洞型储集层岩心上发育明显的花斑状岩溶系统或豹斑状溶洞系统(图8a、图8b、图8c)，具典型成岩早期孔渗层岩溶特征(谭秀成，2015；肖笛，2015)，这与经典的风化壳岩溶、表生岩溶有显著差异。花斑状溶蚀最明显的特征便是岩心尺度上发育极不规则的溶蚀通道，表现为花斑形态、花斑大小随机；另外，可见到颜色、成分、结构、物性等特征在溶蚀界线两侧存在较大差异。这种岩溶特征主要是因为准同生期碳酸盐沉积物发生的压实、胶结作用较微弱，大量原生孔隙极其发育，优势孔渗通道便是一种优质的岩溶通道。对碳酸盐强烈不饱和的岩溶水沿砂屑云岩残余粒间孔溶蚀扩溶，在流量较大、流速较快的地方逐渐形成管道，管道与基岩在空间上呈交织状发育，形成花斑状溶蚀孔洞；而孔洞往往被暗色离解碳酸盐岩砂、云泥质等疏松充填(图8d、图8e、图8f)，形成充填残余孔洞储集体，表现为基岩与不规则状岩溶改造充填部分的颜色不一致。

a.T51井，3 444.75 m，马五3亚段，岩心; b.T33井，3 122.55 m，马五5亚段，岩心;c.5井，3 449.25 m，马五5亚段;d.泥晶云岩，T43井，3 605.00 m，马五4亚段，铸体薄片，单偏光;e.粉晶砂屑云岩，T60井，3 486.98 m，马五6亚段，铸体薄片，单偏光;f.溶塌角砾岩，T60井，3 482.60 m，马五6亚段，单偏光

通过观察统计发现，花斑状溶蚀尺度一般不会超过8～10 cm，且基岩部分连续，很少有被溶蚀花斑所切断，这是受短期相对海平面下降影响；具大量原生孔隙的台内滩顶部时常出露海面，并受到大气淡水非选择性溶蚀作用，从而形成不规则溶蚀溶洞；主要发育于上部渗流带，但总体规模较小，其原因在于同生-准同生期岩溶作用本身溶蚀规模有限。同时，沉积物在未固结之前，仍具有一定可流动性，即使局部被溶空，孔洞难以支撑上覆负载，沉积物也会顺势下沉填充，不易形成较大型的溶洞规模(Grimes K, 2006)。

2.5 充填物特征

溶蚀孔洞内准同生期充填物是指溶蚀孔洞形成之后随即进行充填的物质。通过对岩溶现象的观察，发现其以(富泥质)渗流粉砂和角砾2种充填物为主。渗流粉砂是一种充填于碳酸盐岩原生孔和次生孔洞内离散分布的粉砂级碎屑物，主要为细粒的碳酸盐碎屑和泥质碎屑，属同生-准同生期大气成岩环境中渗流带的产物(强子同，1998)，且渗流粉砂发育程度随距离顶部暴露面深度的增加而逐渐减弱。渗流粉砂往往发育在粒间(溶)孔、粒内溶孔及溶沟、溶洞内，并可形成特殊的示顶底构造特征，以及具有流动特征的泥质纹层。而角砾主要呈现塑性角砾的特征，当溶蚀程度强烈时可使顶部早期弱固结的丘滩地层部分垮塌，角砾成分则以粉-细晶云岩、藻纹层云岩、藻凝块云岩为主。

溶蚀孔洞内准同生期充填物因为溶蚀改造时间短，物质来源有限，溶蚀改造物质重新分配程度很低，使溶蚀孔洞内充填物物质成分、岩性都与基岩具有很高的可对比性，即准同生期充填物来源于附件基岩，是溶蚀掉落的产物。

2.6 胶结物特征

同生-准同生期岩溶发育过程中，初期大气淡水对碳酸盐沉积物是不饱和的，但随着溶蚀作用的进行，大气淡水环境中溶液矿化度也会逐渐变大，随之胶结作用也会发生，且大气淡水渗流环境会形成特殊形态的胶结物特征。新月形与重力悬垂胶结物分别受控于颗粒间毛细管张力作用及重力作用，粒间水在毛细管作用下，水膜在颗粒与颗粒接触点更易形成，伴随着溶液矿化度不断提高，沉淀作用同时发生，导致在颗粒之间接触点形成星月形胶结物；而粒间孔隙同时充满水和空气的淡水渗流带，重力作用使得溶液在矿物、颗粒下侧聚集并不断发生沉淀，形成重力悬垂胶结物。大气淡水相比于海水，其Mg2+离子浓度要低得多，对于碳酸盐胶结物而言，胶结物的形态会体现其形成环境，这主要归功于成岩环境中Mg2+离子浓度，浓度越大，胶结物往往会沿主光轴延伸，相反，胶结物的形态会呈现等轴粒状。此次在研究区马家沟组也可见到此类等轴粒状胶结物，是典型的大气淡水胶结类型。

3 (准)同生期岩溶发育模式

研究区沉积期整体发育局限——蒸发台地沉积环境。台地内的颗粒滩往往发育于水下微地貌高地，且沉积界面处于平均浪基面之上高能环境，波浪淘洗作用充分；沉积物以粗粒结构为主，原生粒间孔隙发育；同时，在持续缓慢的海退和颗粒滩沉积速率较高的联合影响下，水下地貌高地上的颗粒滩逐渐向上生长，并向高地周缘不断扩展，当颗粒滩生长至海平面附近时，可容空间变小，颗粒滩将侧向发育；而滩顶则由于能量降低，且处于较强蒸发作用下而发育(膏)云坪沉积。在多旋回颗粒滩-(膏)云坪沉积序列顶部，常常暴露海面或处于大气淡水成岩透镜体内，大气淡水缓慢渗流，并优先对更易溶蚀的硬石膏层或部分泥晶云岩中的硬石膏结核进行溶解，产生大量膏模孔。当淡水流至下部颗粒滩层段，其发育的原生粒间孔隙将为流体提供高渗流通道，大气淡水沿趋势面经粒间孔漫流，并在局部流速较快、作用时间较长的区域逐渐形成管道，进一步形成不规则花斑状溶蚀形态特征；随着溶蚀时间的进一步积累及溶蚀程度不断增强，局部则出现溶孔，形成溶洞，并被各类型原岩角砾充填。此外，部分由亚稳定文石或高镁方解石等矿物组成的鲕粒也极易发生溶蚀，形成粒内溶孔或铸模孔(图9)。

图9 研究区(准)同生期大气淡水岩溶模式示意图

4 (准)同生期岩溶发育控制因素

4.1 外部因素

(1)海平面的频繁升降是(准)同生期岩溶发育的根本原因。研究区马五段(准)同生期岩溶多出现在较高级别海平面(四级或五级)升降旋回的下降过程中，台地由于间歇性地暴露于海平面之上，接受大气淡水和混合水的改造作用，成岩环境由沉积-同生成岩环境转变为(准)同生成岩环境。该过程的转变导致沉积物(岩)介质环境条件发生了明显变化：早期沉积-同生成岩环境为封闭-半封闭的弱还原-弱氧化、中性-弱碱性环境，沉积物间由饱和-过饱和高盐度海水所包围；同生-准同生期具有开放-半开放氧化-弱还原、酸性-弱酸性介质条件，沉积物(岩)的孔隙内为不饱和大气淡水和混合水所充填。该介质环境条件的转变导致沉积物(岩)与孔隙水之间的平衡遭到破坏，引起物质重新分配组合，从而建立新的平衡，此平衡过程即是该期岩溶发育的过程。在较高级别(四级或五级)海平面周期性升降的影响下，研究区马五段同生期岩溶作用多发生于间歇性暴露的台坪中。

(2)暴露时间对岩溶作用的影响。虽然准同生期岩溶持续时间很短，但相对于若干期准同生期岩溶仍然会存在一个暴露时间相对长短的区别，而这在岩溶相对容易发生(准)同生期的差别是巨大的。由于目前资料无法确定(准)同生期岩溶的绝对时间，因此用单个序列上(准)同生期岩溶的发育程度来近似反演暴露时间的相对长短，将暴露时间分为短期暴露、中短期暴露、中长期暴露和长期暴露4个时间阶段。

短期暴露：暴露在大气淡水环境下，相比于碳酸盐矿物，硫酸盐及卤化物矿物对大气淡水的不饱和程度要高得多。因此，在暴露初期，大气淡水会优先对此类矿物及矿物集合体经行选择性溶蚀。短时间暴露会优先发生组构选择性溶蚀作用，通常溶蚀范围来不及进一步展开，主要表现为孤立状分布的铸模孔，岩心上常可见孤立分布的膏模孔，彼此之间很少有较大规模的连通，仅可见膏模孔之间存在微裂缝、溶缝(图10a)；显微镜下常见碳酸盐颗粒选择性溶蚀，形成铸模孔，且彼此孤立分布。

中短期暴露：随着暴露时间增加，溶蚀作用会进一步顺着最早期的岩溶通道进一步溶蚀，表现为孤立溶孔之间的沟通溶蚀，形成岩溶流体的优势通道；优势通道会对流体产生疏导作用，将岩溶作用控制在通道附近，使基岩与岩溶通道有明显差异，岩溶通道也会呈花斑状，边缘形态不规则，大小随机，在基岩之间分布，但是不会切穿基岩，基岩还是连续分布(图10b)。

中长期暴露：优势溶蚀通道随着暴露时间增长会进一步发生扩溶，使岩溶通道切穿基岩，或岩溶通道将基岩的支撑结构破坏，致使基岩无法支撑自身负重，坍塌破碎，基岩离散、孤立分布，常呈角砾状。在垂向的岩溶剖面中，逐渐演化成为成熟岩溶系统；顶部因溶蚀作用最为强烈，岩溶通道切穿基岩，形成近地表角砾带，向下岩溶作用减弱，中上部普遍以垂向溶沟发育为主，中下部则以近水平状溶沟发育为主；溶沟内常充填基岩破碎掉落的角砾和离散渗流粉砂(图10c)。

图10 准同生期岩溶作用过程图

长期暴露：长时间的暴露环境使得岩溶作用充分发育，角砾段不仅局限发育于沉积序列的顶部，而且全段发育溶蚀作用，将基岩溶蚀切穿，使得沉积序列整段均成角砾；角砾间充填顶部灌入的泥质及渗流粉砂；由于暴露时间过长，旋回顶部角砾带成分常为灰质(图10d)。

4.2 内部因素

沉积相对(准)同生期岩溶的控制:一方面，由于(准)同生期岩溶发生时间较早，早期优质孔渗通道成为岩溶流体最初的渗流通道，在弱胶结的条件下，颗粒岩会有非常优质的孔渗通道，这是(准)同生期最优先最发育的岩性；此外，(准)同生期岩溶发生是优先针对易溶矿物进行溶解，因此含石膏团块的泥粉晶云岩也是发育的岩性。另一方面，由于颗粒滩水体能量较大，沉积物堆积速度会明显快于反映水深的相带，导致颗粒滩相比于其他亚相最容易暴露，最早发生岩溶作用。综合分析，(准)同生期岩溶是受到沉积相控制的。

5 (准)同生期溶蚀作用对储层的影响

(准)同生期岩溶作用对研究区储层的改造作用主要表现在3个方面：①由于此时碳酸盐沉积物还未完成矿物学稳定化过程，文石质、高镁方解石质结构组分及石膏在不同条件下发生优先溶解，使溶解作用表现出选择性，以形成粒内溶孔和铸模孔为主，常见于区内鲕粒云岩及含膏模孔泥粉晶云岩中；而发育粒内溶孔的颗粒岩往往压实作用不强，颗粒多呈漂浮状-点接触，也表明其形成时间较早。②碳酸盐沉积物在松散-半固结状态下暴露，沉积物的结构不稳定，在岩溶改造的情况下，这类沉积物便会以离散碳酸盐砂、塑性角砾的形式出现；研究区内可见最多的即是溶蚀通道内充填疏松多孔的渗流粉砂。③(准)同生期岩溶的发育为埋藏期岩溶或表生期岩溶的进行提供了溶液运移通道，奠定了空间基础。在整体的海退背景下，相对海平面高频波动导致台内丘、滩体或台坪高部位极易发生暴露，并遭受早期大气淡水强烈淋溶改造，发生非组构选择性溶蚀作用，产生大量溶孔及不规则小型溶洞，多被渗流粉砂及后期胶结物半充填，构成了研究区最主要的储集空间类型。