鄂尔多斯盆地北部奥陶系马家沟组中组合承压水岩溶特征

2023-01-09丁晓琪高景云祁壮壮刘四洪李春堂

天然气勘探与开发 2022年4期

丁晓琪高景云祁壮壮张威刘四洪李春堂

1.成都理工大学能源学院 2.中国石化华北油气分公司

0 引言

1989年鄂尔多斯盆地陕参1井钻遇工业气流后，发现了当时中国最大的海相碳酸盐岩大气田—靖边气田。奥陶系马家沟组马五1-4亚段累计探明天然气地质储量超过6 500×108m3[1]，展示了该领域具有巨大的天然气勘探潜力。马五1-4亚段储层的原始岩性为一套含石膏结核的白云岩，经历加里东期1.5亿年的表生期溶蚀，形成以铸模孔为主，晶间孔和微裂缝为辅的孔隙系统，尽管单层厚度普遍为2～3 m，但分布面积超过上万平方千米。

早期认为靖边气田马五5亚段的致密云/灰岩为岩溶的底界或底板[2-3]，该层之下不发育加里东期岩溶作用。然而随着盆地北部一系列深井的钻探，发现在马五5亚段之下仍发育岩溶角砾岩，部分区域的岩溶深入已达马五10亚段，甚至在距奥陶系不整合面近180 m的马四段上部还可以观察到溶蚀孔洞。对于这些溶蚀孔洞，部分学者将其归因于同生期溶蚀，认为随着海平面的下降，潮坪相碳酸盐岩暴露，接收大气淡水的淋滤形成溶蚀孔洞[4-5]。但钻井取心和露头揭示的这套角砾岩，明显不同于同生期的溶蚀，而更像表生期岩溶。对于同生期溶蚀和表生期溶蚀，James （2015）从控制因素、岩溶结构、地球化学等方面给出了一系列区别标志[6]。如果是表生期的岩溶，大气淡水是垂向补给还是侧向补给，溶蚀产物是如何带出岩溶系统的，决定着岩溶储层的发育规律。

对于白云岩和石灰岩，由于岩石组构的差别，经岩溶改造后最终产物具有较大差别[7-8]。致密灰岩基质孔隙不发育，淡水主要沿裂隙下渗，在古潜水面和断裂附近发生溶蚀形成大的洞穴，由于淡水沿裂隙下渗，因此淡水在离不整合面很远处仍具有溶蚀能力[9-12]；而白云岩晶间孔相对发育，淡水往往沿孔隙下渗，边溶蚀边垮塌。随着溶解作用的发生，淡水很快就达到饱和失去溶解能力。很难在白云岩地层中见到大的溶蚀洞穴，取而代之是小型溶洞、溶孔[13-15]。

本文通过盆地北部的钻井资料、露头资料、地震资料和分析化验资料，解剖不同区带的岩溶特征，研究岩溶储层的形成机理，建立承压水岩溶模式，为奥陶系的储层预测提供一种新模式。

1 地质背景

奥陶纪鄂尔多斯地区位于华北地台西部，接受了一套浅水陆表海沉积，研究区北部为伊盟隆起，东西方向上有中央古隆起、乌审旗古隆起和吕梁隆起，隆起之间的洼陷为靖西洼陷和米脂洼陷[1,16]，洼陷内地层厚度较隆起区明显增厚。受晚奥陶世加里东运动的影响，华北地台整体抬升，接收了近1.5亿年的沉积间断。伊盟隆起和中央古隆起剥蚀层位较多，因此自南向北、自东向西，出露层位依次变老（图 1a）。北西—南东方向发育一系列的侵蚀沟槽，沟槽宽度平均200 m，深度从10～30 m不等，沟槽中的出露层位普遍为马五2—马五3亚段。

马家沟期经历了3次大规模的海侵、海退，根据岩性不同由下而上分为马一段至马六段6个岩性段。马一段、马三段、马五段代表海退阶段，为局限台地—蒸发台地，岩性为白云岩夹蒸发岩层段，黏土含量偏高；而马二段、马四段和马六段代表海侵阶段，为开阔台地，岩性为石灰岩夹白云岩，黏土含量低（图 1b）。马五段又根据岩性的不同划分为10个亚段。马五10、马五8、马五6、马五4-1亚段为白云岩，普遍含层状蒸发岩；而马五9，马五7，马五5亚段为白云岩、石灰岩。为了勘探的需要将盆地中—东部马家沟组划分为3个成藏组合：马五4—马五1亚段为上组合，马五5—马五10亚段为中组合，马四及其以下为下组合[1]。

2 岩溶储层特征

2.1 角砾岩特征

马家沟组中组合由未经岩溶改造的原状地层和岩溶改造的角砾岩两类岩石组成。角砾岩主要有3种类型，裂纹—镶嵌角砾岩、角砾支撑紊乱角砾岩和杂基支撑紊乱角砾岩。

裂纹—镶嵌角砾岩的原始岩性为含石膏结核的白云岩、灰质白云岩或白云岩。形成角砾岩后角砾成分简单，通常为单一类型，角砾无分选无磨圆，角砾可发生旋转，但无明显位移（图2a-b）。角砾之间主要充填白云石砂，其次是方解石，黏土少见。原岩中的石膏、方解石在淡水中溶解度较高，而白云石的溶解度相对较低。硬石膏遇水向软石膏转化时体积膨胀40%[17-18]，在一定程度上促进了裂缝的形成，加速了淡水在角砾岩中的渗流。石膏、方解石被溶蚀形成溶蚀孔洞，由于岩石骨架受溶蚀作用程度较弱，受到上覆地层压力后形成裂缝，但垮塌不明显，从而形成裂纹—镶嵌角砾岩。

图1 鄂尔多斯盆地北部前石炭纪古地质图及地层柱状图

角砾支撑紊乱白云岩的原始岩性以黏土质白云岩、膏质白云岩为主。角砾岩中角砾成分相对简单，可以混杂少量其他成分角砾。角砾无分选、无磨圆，角砾有一定程度的旋转及位移（图2c-d）。角砾间充填黏土及白云石砂。在石膏及白云岩溶解之后，形成一定的裂缝，加速了溶蚀作用的发育进而形成了一定量的可容纳空间。在上覆地层压力下地层垮塌，可容纳空间被大小不一的角砾及溶解残留物充填，角砾伴随一定程度的旋转及位移。

杂基支撑紊乱角砾岩的原始岩性为黏土质白云岩、膏质白云岩、膏/云互层。角砾岩中角砾成分相对复杂，可见多成分的角砾混在一起，角砾无分选，但可有一定程度的磨圆，角砾是明显发生过位移的（图2e-f）。角砾间主要充填黏土。膏质白云岩中石膏易溶解，再加上石膏弱的机械属性，易发生溶蚀垮塌；而黏土质白云岩中黏土分子与白云石分子之间存在弱结合力，淡水易沿这个薄弱面进行溶蚀。由于黏土质白云岩或膏质白云岩往往呈薄层状，溶解后易发生原地垮塌，之后淡水沿角砾间的空间进行管道流，地下水可携带细碎屑物质进行小范围的流动，形成杂基支撑角砾岩。

2.2 储集空间特征

岩溶储层常见的储集空间类型包括：晶间孔、膏模孔、溶洞及裂缝。

晶间孔主要发育于角砾岩的角砾中，有时也可见于角砾之间充填的白云砂中。晶间孔通常小于0.05 mm，分选较好（图3a），是马家沟组中组合重要的储集空间类型。

膏模孔主要发育于含石膏结核的白云岩中，由于石膏相对白云岩易溶，在地下水的选择性溶蚀下形成板条状或结核状的膏模孔，膏模孔偶见渗滤白云石砂。膏模孔大小差别较大，普遍在0.5 mm以下，也可见0.5～5.0 mm的膏模孔（图3b）。膏模孔是马家沟组中组合的次要储集空间类型。

溶洞主要发育于石灰岩、灰质云岩等过渡岩性中。过渡岩性的溶蚀程度通常较单一岩性高。溶洞大小2～25 cm不等，但由于后期方解石充填相对严重，大多被全充填到不完全充填（图3c），溶洞是马家沟组中组合的常见储集空间类型。

图2 鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组中组合典型角砾岩照片

图3 鄂尔多斯盆地马家沟组中组合储集空间和成岩作用照片

加里东期形成的风化缝主要为网状缝及水平缝（图2a-b）。裂缝在一定程度上促进了地层水的长距离流动，进而促进了溶蚀作用的发育，裂缝溶蚀后可形成溶缝，裂缝及溶缝是中组合常见的储集空间。

2.3 典型成岩作用

2.3.1 溶蚀作用

中组合的溶蚀作用具有选择性，受控于岩性和裂隙。

黏土质白云岩中由于黏土分子与白云石分子之间的弱结合力，地下水易沿这个弱的结合面进行溶蚀，地层角砾化后原地垮塌，在局部范围内发生位移，形成一套角砾支撑的紊乱白云岩。含膏白云岩或灰质白云岩由于石膏、方解石和白云岩在淡水中的溶解度差异，石膏、方解石被溶蚀形成溶蚀孔洞。该类型岩石具有较强的抗压强度，基本是溶而不垮，形成裂纹—镶嵌角砾岩。纯白云岩由于白云石在淡水中的溶解度小，最不易发生溶蚀。

当岩石中网状风化缝发育时，该区域成为地下的主要流动通道，亦可观察到沿裂隙进行溶蚀，此时溶蚀受岩性的控制似乎变得不明显。

2.3.2 充填作用

充填作用是岩溶储层储集空间被破坏的最主要成岩作用之一。充填作用又可以分为机械充填和化学充填。

机械充填物包括大气淡水携带的细碎屑和白云石砂。中组合中细碎屑充填物主要是黏土、粉砂—细砾，可以认为地下水携带垮塌的沉积物进行搬运再堆积，有时可见水平流动形成的纹层；而白云石砂则为地下水溶解白云岩后形成的白云石晶粒（砂），这些白云石晶粒（砂）被流水携带再堆积，由于白云石砂和白云岩角砾成分相同，有时难于区别，但前者常混有黏土而颜色偏深。细碎屑主要出现在角砾间的大空隙中，而白云石砂则更多地出现在小空隙中。

化学充填物主要为方解石，至少可见两个期次的方解石胶结物（图3e-f）。早期方解石呈烟灰色，贫铁，阴极发光呈暗红色；晚期方解石呈乳白色，富铁，阴极发光呈亮红色。大洞大缝是流体流动的主要通道，方解石充填严重；而小孔小缝流体流动缓慢，方解石充填弱或无。主要原因是一个体积的空隙被方解石充填往往需要10 000～100 000倍体积的富钙流体流过[19]。

2.3.3 去白云石化作用

方解石交代白云石即为去白云石化作用。去白云石化过程主要发育在富含石膏的地层中，石膏和方解石的溶解使地层中富含Ca2+，Ca2+取代白云岩中的Mg2+发生去白云石化[20]。白云岩去白云石化后，往往晶粒变大，岩石变得致密（图3d），有时可见白云石的假晶。虽然去白云石化作用导致了孔隙度的降低，对储层发育是破坏性作用，但是它指示了强烈的淡水改造。

3 岩溶储层形成机理与岩溶模式

3.1 岩溶储层的形成机理

第一个区域型隔水层至潜水面之间为水平潜流带，而将地表至潜水面的区域称之为垂直渗流带。不管是水平潜流带还是垂直渗流带，其流体压力和静水压力相等，故认为是非承压水。对于隔水层之下的地下水，由于水压头的存在，透水层内的水具有一定的压力，称之为承压水。

马五5亚段在盆地北部平均厚30 m，分布稳定。底部为灰色—灰黄色叠层石灰岩和亮晶胶结的砂屑/鲕粒灰岩，岩性致密，厚1～2 m；中部—上部为黑色致密灰岩夹厚度不等的灰黄色微晶—粉晶白云岩，俗称“黑腰带”，在加里东期的岩溶系统中为区域性隔水层[2-3]。就马家沟组中组合的岩溶研究而言，将马五5亚段已剥蚀区域称之为裸露区，而称马五5亚段残留的区域称之为覆盖区。从古地质图可以看出，中组合地层大面积分布于覆盖区（图 1a）。

对于隔水层马五5亚段之上的地层，由于沟槽发育，将其切割为若干个残丘，地下水补给来源就是垂向的大气降水。至于垂直渗流和水平潜流带的区分，由于1.5亿年的沉积间断，已几乎不可能。同一层位在溶洞和裂隙中既可见陆源碎屑的垂直搬运又可见水平搬运（图4a-b），说明古潜水面在加里东期大幅波动。钻井揭示了一系列落水洞，底界位于马五3亚段或马五4亚段中，均表明古潜水面曾长期在马五3—马五4亚段之间波动。

覆盖区隔水层之下的地下水则以侧向补给为主，垂向补给为辅。尽管在马五5亚段隔水层中见一些垂直断裂，但垂直断裂主要分布在乌审旗古隆起的周缘，很难形成承压水的主要补给。伊盟隆起和中央古隆起在加里东期抬升幅度较其他区域大，出露地层较老，马四段及马五5亚段以下地层大面积出露（图 1），白云岩发育，特别中央古隆起附近马四段中的粉—细晶白云岩，晶间孔发育[21-22]。加里东期出露地表接收表生期大气淡水淋滤后，溶蚀孔洞发育，成为淡水侧向渗流的通道；另一方面，裸露区马家沟组上部地层剥蚀量大，垂向应力减小，地层中水平张裂缝发育（图4c），特别是在薄层白云岩，白云岩和泥质云岩互层的地层中。水平裂缝增加了地下水的水平流动速度。

大气淡水从裸露区进入马五5亚段以下地层后，由于古地貌具有北高、西高，向南东方向变低，水压头使地下水向南、向东流动。流动通道主要受基质孔隙和水平缝的控制，因此地下水主要还是顺层流动。当地层发生角砾化后，角砾之间的空隙及裂缝是地下水水平流动的主要通道[23]，流动通道大于1 mm后形成管道流（图4d），管道流中的紊流加速了溶解作用的发生；而白云岩的晶间孔由于孔小喉细，地下水在其中以达西流的形式流动。因此，承压水的流动具有明显的选择性，在易发生角砾化的黏土质白云岩、膏质白云岩以管道流顺层流动为主。

图4 鄂尔多斯盆地马家沟组中组合地下水运移通道照片

具有溶蚀能力的地下水渗流一定距离后，随着方解石和白云岩的溶解，水体中Ca2+和Mg2+浓度增加，地下水的溶解能力逐渐变弱。根据碳酸盐矿物在地下水中的溶解度差异[24]，首先对白云石达到过饱和，但对方解石和石膏可能不饱和。因此，覆盖区的溶蚀主要发生在灰质白云岩和膏质白云岩中。最终，孔隙水将对方解石和石膏达到饱和，发生沉淀。此时，富钙的孔隙水要么沉淀方解石，要么发生去白云石化（图3d）。总体来看，覆盖区马五6-10亚段中白云岩的去白云石化非常普遍，纯白云岩的溶蚀并不明显。

如果没有泄水区，地下水的流动将非常缓慢甚至停滞。乌审旗古隆起为一继承性古隆起，从古元古代到二叠纪一直处于间歇性活动状态，在古隆起的周缘形成了一系列的断裂（图5），这些断裂成为承压水的排泄通道。

3.2 岩溶发育模式

盆地西部和北部的裸露区为承压水的补给区，角砾间空隙和裂缝构成地下水的主要运移通道。北部、西部高，向南东方向变低的风化壳古地貌控制着地下水的流动方向，承压水向南东方向发生顺层流动。由于岩石结构和溶解度的差异，黏土质白云岩、膏质白云岩溶解形成角砾支撑或杂基支撑紊乱白云岩；而灰质白云岩、含石膏结核白云岩则形成裂缝—镶嵌白云岩，岩溶储层具有顺层分布的特征。随着大量石膏及碳酸盐岩的溶解，地下水的溶蚀能力逐渐变弱，最终趋于饱和，发生方解石的胶结、充填以及去白云石化。

盆内加里东期的断裂构成地下水向上排泄的通道。断裂及其附近裂缝发育，承压水向上流动过程中，不同溶质的顺层岩溶水在断裂发育区混合，由于温度的下降，出现对方解石或石膏的不饱和，沿断裂发生岩溶。由于溶蚀产物被源源不断地带出，溶蚀作用可持续发生。纵向上出现多层岩溶储层的垂向叠加，形成纵向立体岩溶。因此，对于覆盖区的承压水岩溶，在断裂不发育区主要表现出顺层岩溶，而在断裂发育区则表现出纵向立体岩溶。岩溶发育模式如图6所示。