南华北盆地亳州凸起寒武系碳酸盐岩储层特征及主控因素

2023-01-09魏思宇李世臻石砥石徐秋晨

天然气勘探与开发 2022年4期

魏思宇周志李世臻石砥石徐秋晨

中国地质调查局油气资源调查中心

0 引言

南华北盆地（华北克拉通南缘）是我国油气勘探历史较长，但目前仍未取得工业性突破的地区之一[1-3]。近年来，随着勘探程度的提高，南华北盆地主要勘探层系逐步由浅部中、新生界向深部古生界扩展[4-6]。其中，下古生界寒武系海相碳酸盐岩是值得进行深入探索的新层系和新领域[7]。目前，该套层系在我国中西部盆地已取得重要发现和突破：鄂尔多斯盆地西南部数十口钻井在寒武系三山子组和张夏组钻获高产天然气流[8-9]、四川盆地安岳气田寒武系龙王庙组探明地质储量达4 415×108m3[10]，展示了寒武系海相碳酸盐岩良好的勘探前景。在南华北盆地，围绕寒武系碳酸盐岩可形成多套成藏组合：一方面，南华北盆地南缘下寒武统部分层段发育优质烃源岩，与碳酸盐岩储层组合可构成自生自储型油气藏[7]；另一方面，区内广泛分布的石炭系—二叠系烃源岩生成的油气可能通过活动断裂运移至高部位寒武系碳酸盐岩中，形成新生古储型油气藏[5,11]。而是否发育有优质碳酸盐岩储层是以上两种类型油气藏能否形成的关键[12]。

我国规模有效的海相碳酸盐岩储集层主要有3类，包括沉积型礁/滩及白云岩储集层、后生溶蚀—溶滤型储集层以及深层埋藏-热液改造型储集层[13]。典型实例如：四川盆地普光气田长兴组和飞仙关组礁滩储集层[14-15]、四川盆地安岳气田龙王庙组白云岩储层[16]、鄂尔多斯盆地靖边气田马家沟组风化壳岩溶储集层[17]等。南华北盆地邻近鄂尔多斯盆地，其寒武系地层层序、岩性以及构造演化过程具有一定相似性。后者勘探及研究发现，构造改造和后生岩溶作用下形成的风化壳岩溶型储层是其寒武系和奥陶系海相碳酸盐岩重要的储层类型[9,18]。而南华北地区寒武系碳酸盐岩层系勘探尚处于起步阶段，其储层类型与分布规律还不清楚，是否同样发育该种类型储层及其控制因素还有待进一步研究。

因此，本文以南华北盆地亳州凸起首口钻穿寒武系的皖亳地1井为基础，结合地表露头和实验分析测试，对研究区寒武系海相碳酸盐岩储层的岩性、物性、储集空间和储层类型等储层特征进行了研究。在此基础上，探讨了本区与邻区鄂尔多斯盆地寒武系岩溶储层发育特征的差异，以及南华北地区寒武系未来油气勘探方向。

1 地质背景

南华北盆地位于华北克拉通南缘，南以栾川—确山—固始—肥中断裂为界与秦岭—大别造山带相邻，东以郯庐断裂为界与下扬子接邻，北以焦作—商丘断裂为界与渤海湾盆地相邻[19]（图1a）。南华北盆地特殊的大地构造位置决定了该地区具有独特而复杂的构造演化历史，自晚太古代以来，大体经历了地槽—地台—大陆边缘活动带三大发展阶段[19]。而现今构造格局主要形成于中生代以后，经历了印支期近南北向挤压、燕山期走滑活动和喜马拉雅期的多期拉张[20-21]。研究区位于南华北盆地周口坳陷东部亳州凸起之上。亳州凸起为一平缓隆起，区内地表第四系覆盖，下伏寒武系不整合覆盖在前寒武系花岗片麻岩基底上（图1b、1c）。皖亳地1井钻探揭示，亳州地区寒武系自下向上沉积了猴家山组、馒头组、毛庄组、徐庄组、张夏组，缺失上统崮山组、长山组和凤山组（图2）。包括研究区在内的华北地台南缘在寒武纪早期（凤台组—毛庄组时期）为被动大陆边缘沉积，广泛发育地台潮坪相，岩性以陆源碎屑岩和碳酸盐岩为主，向上碎屑含量逐渐减小。晚期（徐庄组—张夏组）转变为主动大陆边缘沉积，以较大范围开阔台地、局限台地沉积为特征，鲕粒灰岩、白云质灰岩发育，其中张夏组是寒武纪海侵的顶峰时期[22]。

图1 研究区综合地质图

图2 皖亳地1井综合柱状图

2 碳酸盐岩储层特征

2.1 岩石学特征

对皖亳地1井岩心样品宏观和微观资料分析表明，研究区中下统寒武系岩石类型多样。下寒武统主要发育泥晶灰岩，中寒武统徐庄组发育粒屑灰岩和鲕粒灰岩，中寒武统张夏组岩性以白云质灰岩为主，局部发育白云岩。

2.2 物性特征

对皖亳地1井9个寒武系碳酸盐岩岩心样品进行了氦孔隙度和脉冲渗透率测试，结果表明，碳酸盐岩基质孔隙度在1.21%～2.79%之间，平均2.06%，渗透率在（0.72～12.40）×10-3mD，平均3.48×10-3mD，属于低孔低渗储层，与鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩基质孔渗测试结果相当（表1）。

表1 南华北盆地亳州凸起寒武系碳酸盐岩孔渗测试结果及与典型盆地对比表

2.3 储集空间类型

对亳州地区寒武系7个野外地质露头统计，结合皖亳地1井827 m岩心观察描述和42份薄片鉴定分析（钻井和露头位置见图1b），研究区寒武系碳酸盐岩储集体的储集空间类型主要包括孔、洞、缝3类。其中，孔包括粒间孔和晶间溶孔，洞主要为岩溶作用形成的溶洞，缝包括溶蚀缝、构造缝、缝合线和纹层等。

2.3.1 孔洞发育特征

粒间孔主要出现在张夏组粗晶云岩中，镜下呈多边形，孔隙边缘平直，孔径最大达1.6 mm，面孔率约为3.0%（图3a）。晶间溶孔发育于张夏组粉晶云岩和徐庄组粒屑灰岩中，其形态不规则，孔径变化较大，最大为0.4 mm，面孔率一般为1.0%～2.0%（图3b），其分布形态呈分散状。溶洞在岩心以及地表露头上可观察到，主要分布于张夏组厚层白云质灰岩、石灰岩中。岩心上溶洞直径一般在1 cm左右，呈蜂窝状密集分布（图3c），野外露头上溶洞直径最大可达30 cm（图3d）。

图3 亳州凸起寒武系孔洞发育类型图

2.3.2 裂缝发育特征

裂缝是研究区最为发育的孔隙类型，包括构造裂缝及缝合线、纹层和溶蚀缝等非构造裂缝。野外地质露头裂缝实测表明，区内主要发育有北北西向和近东西向两组剪切裂缝，其中北北西向裂缝最为发育（图4）。构造裂缝开度一般小于0.3 cm，以充填方解石为主，倾角一般大于80°。野外露头上可观察到近东西向裂缝被北北西向裂缝错断（图5a），而阴极发光薄片揭示两组裂缝发光颜色存在明显差异（图5b、5c）。证明两组裂缝形成于不同时期，区域近东西向裂缝为第一期裂缝，优势北北西向裂缝为第二期裂缝。

图4 亳州地区区域性节理极射赤平投影图

非构造裂缝以溶蚀缝、纹层和缝合线为主，在岩心和岩石薄片上均有不同程度的发育。溶蚀缝是本区寒武系碳酸盐岩最为常见的裂缝，发育于张夏组白云质灰岩中，一般延伸长度在10～30 cm，缝宽大小不一，开度最大可达6 cm，裂缝内发育方解石晶体（图5d）。纹层出现在馒头组和猴家山组泥质富集的泥灰岩中，形状不规则，可见有机质充填（图5e）。缝合线发育于徐庄组粒屑灰岩、含生屑灰岩中，一般呈锯齿状沿生屑颗粒与基质接触带展布，可见有机质充填（图5f）。

图5 亳州凸起寒武系碳酸盐岩裂缝发育类型图

2.3.3 孔缝纵向分布规律

对寒武系钻井873 m岩心的溶蚀孔洞（直径大于1 cm）和溶蚀裂缝进行了统计，结果如图6所示。从层位看，张夏组孔洞和裂缝均最为发育，岩心上裂缝长度总计72 cm，孔洞总计29个；馒头组次之，裂缝14 cm，孔洞11个，其余层系除徐庄组外，孔洞和裂缝均不发育（图6a）。从岩性看，白云质灰岩中溶蚀孔缝最为发育，灰岩次之，其余岩性岩石中未见溶蚀孔缝发育（图6b）。

图6 寒武系碳酸盐岩不同地层、不同岩性溶蚀孔缝分布特征统计图

同时，对不同岩性岩石的构造裂缝发育条数进行了统计。873 m的寒武系岩心中共统计到463条构造裂缝，按照地层和岩性不同对裂缝分布情况进行了分类，结果如图7所示。从地层看，裂缝在中—下寒武统中均有发育，其中张夏组裂缝发育密度最大，为0.91条/m，馒头组裂缝密度最小，为0.36条/m（图7a）。从岩性看，白云质灰岩中裂缝密度最大，为0.96条/m，泥岩中裂缝密度最小，为0.29条/m，灰岩裂缝发育密度介于以上两者间。同时，灰岩鲕粒发育时，会明显提高裂缝发育密度。本质上，岩性差异导致了岩石脆性的不同，从白云质灰岩到泥岩，岩石脆性整体呈现减小的趋势。

图7 寒武系碳酸盐岩不同地层、不同岩性构造缝分布特征统计图

2.4 储集层类型

依据皖亳地1井及周边露头寒武系海相碳酸盐岩孔、洞、缝发育特征，及其纵向分布规律，按成因类型将碳酸盐岩储层类型划分为风化壳岩溶型储层和裂缝型储层（图2）。风化壳岩溶型储层位于中寒武统张夏组，储层岩性以白云质灰岩、白云岩为主，储集空间包括不同规模的溶蚀孔洞和溶蚀缝，构成岩溶缝—洞体系。裂缝型储层位于下寒武统猴家山组、馒头组等，储层岩性以粒屑灰岩和含泥灰岩为主，储集空间以缝合线、纹层和构造裂缝为主，构成裂缝体系。需要指出的是，尽管缝合线本身由于不溶残余物的存在成为流体运移的遮挡物而不能构成储渗空间，但其经历后期溶蚀作用或者构造作用改造后，可以形成沿缝合线分布的溶蚀孔隙，进而成为油气运移的通道[26-29]。

3 储层发育主控因素

对本区储集空间类型和储集层发育特征进行分析，认为亳州地区寒武系储层发育主要受控于3个因素，即表生岩溶作用、构造裂缝作用和岩石类型。

3.1 表生岩溶作用

表生岩溶改造是研究区寒武系碳酸盐岩储层形成的重要条件之一。依据南华北盆地构造演化特征及亳州地区地层层序，推断亳州地区至少存在两期地层抬升剥蚀事件。第一期发生在寒武系沉积后，最晚从晚寒武世开始，在古秦岭海槽的洋壳向北侧大陆俯冲挤压作用下，包括南华北盆地在内的整个华北地台发生区域性抬升，寒武系地层大面积出露地表，遭受了广泛而强烈的剥蚀，形成上寒武统和下奥陶统之间的区域性沉积间断[30-31]。第二期发生于亳州凸起隆升后，可能从晚二叠世开始，受印支运动作用，南华北盆地发生断褶隆升，亳州地区隆升剥蚀并形成了中寒武世至新近纪间的沉积间断。在此期间，受大气降水淋滤和溶蚀作用，碳酸盐岩中产生了大量溶蚀孔缝。而从碳酸盐岩地层暴露时间推断，第二期岩溶事件对本区碳酸盐岩储集性能影响可能更大。

3.2 构造破裂作用

多期构造作用下形成的构造裂缝是寒武系碳酸盐岩优质储层形成的关键。一方面裂缝本身具有一定的储集能力；另一方面裂缝改善了碳酸盐岩的渗流能力，在中寒武统张夏组沟通溶蚀流体与储层，促进岩溶储层的形成。结合研究区寒武系野外露头裂缝实测数据以及南华北盆地构造演化历史，建立了亳州地区不同期次构造运动与裂缝模式关系图（图8）。结果表明，亳州地区主要发育两期构造裂缝：第一期形成于印支运动时期，受秦岭—大别造山带的强烈挤压影响，亳州地区以断褶隆升为主，发育一系列近东西走向逆冲断层，在断裂附近派生与其平行的近东西向挤压裂缝；第二期裂缝形成于燕山运动时期，太平洋板块沿北北西向东亚大陆俯冲，郯庐断裂发生左旋走滑逆冲，亳州地区发育了一系列平行于郯庐断裂走向的北北东走滑断裂（如阜阳断裂），并在区域上形成北北西向挤压裂缝。

3.3 岩石类型

不同岩性岩石中发育的孔、洞、缝类型存在明显差异。如溶蚀孔缝主要出现在白云质灰岩中，而纹层、缝合线等更容易出现在成分不太均匀的泥晶灰岩和粒屑灰岩中。此外，构造裂缝的发育与岩性也具有相关性。图7b对不同岩性构造缝发育情况统计表明，当岩石中白云石、方解石和石英等脆性矿物含量高时，岩石脆性强，有利于裂缝的发育；而当泥质含量增加，岩石塑性增强，裂缝数量减少。

4 讨论

4.1 岩溶储层特征对比

通过对亳州地区寒武系储层特征分析，证明南华北盆地内发育有表生岩溶作用控制的岩溶缝洞型储层。但与鄂尔多斯盆地西南部张夏组相比，其储层发育特征存在一定差异（表2）。鄂尔多斯盆地寒武系碳酸盐岩以白云岩为主，且鲕粒白云岩发育，除岩溶储层发育外，鲕粒滩型储层亦是该地区寒武系重要储层类型[8-9,18]。而亳州地区张夏组、徐庄组尽管发育有鲕粒灰岩，但其镜下并未见明显孔隙发育。此外，两地区岩溶作用深度存在明显差异—皖亳地1井揭示亳州地区溶蚀孔缝发育于不整合面以下280 m深度范围内，而鄂尔多斯盆地西南部张夏组一般在10～50 m。推测造成该现象原因有两个：一是亳州地区岩溶作用持续时间更长，鄂尔多斯盆地寒武系经历1期构造抬升事件（怀远运动），碳酸盐岩裸露期持续约15.4 Ma，而亳州地区沉积间断更大，自亳州凸起抬升后（可能从二叠世末开始），寒武系碳酸盐岩长期暴露地表，该过程持续时间可能达220 Ma（二叠世末至古近纪末）；二是亳州地区构造作用更活跃，受东侧郯庐断裂以及南侧秦岭大别造山带活动影响，亳州地区寒武系构造裂缝极为发育，而高角度裂缝为溶蚀流体下渗提供了有利通道，进一步促进了岩溶作用。

4.2 勘探方向

综合分析认为，亳州地区中寒武统张夏组是储层发育最有利的层段，具备良好的储集性能。考虑到影响张夏组岩溶储集层发育的因素主要有表生岩溶作用和构造裂缝作用。因此，存在有利于岩溶发育的大型古隆起、构造裂缝发育的区域是未来南华北地区寒武系油气勘探值得关注的地区。此外，是否具有有效的烃源岩和盖层也是其能否形成油气藏的关键。对皖亳地1井张夏组和徐庄组灰色灰岩和白云质灰岩进行有机地化测试，结果表明其TOC含量为0.16%～0.29%，平均0.22%，基本不具备生烃能力。但从前人研究以及勘探经验来看，区域上具有两套潜在烃源岩：一是南华北盆地下寒武统马店组暗色泥页岩，主要分布于南华北盆地南缘。该套烃源岩有机质类型以Ⅰ型为主，有机质丰度高，在四十里长山地区超过20%[3,32-33]。与中寒武统储集层结合，可构成下生上储型的成藏组合。二是南华北地区广泛分布的石炭系—二叠系烃源岩，该套烃源岩有机质类型以Ⅱ2—Ⅲ型为主，泥质烃源岩TOC平均含量一般大于1%，煤岩烃源岩TOC可达60%[34]。该套烃源岩在古构造高部位可与寒武系组成新生古储型油气藏。以上两套组合能否成藏还取决于是否存在有效的盖层。亳州地区寒武系与新近系直接接触，而后者为一套河流相松散沉积物，不具备封盖条件。从区域上看，以下层系具备盖层条件：①是中奥陶统膏岩，形成于中奥陶世海退期局限潟湖相，在南华北北部地区可能有分布[30]；②是石炭系底部铝土岩，在平顶山—阜阳一线以北石炭系及奥陶系同时保存的地区（古风化壳上）均有分布，一般发育数层，其厚度与古地形起伏有关，单层最厚可达20 m，累计厚度一般5～30 m[5,35]；③是古近系双浮组棕色泥岩，其分布较为局限，阜阳地区仅大1井、南12井、南13井等有钻遇[36-37]。