陳 威 李仲東，2 楊 冬 吳娟娟

（1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059；3.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610500）

0 引言

近年來鄂爾多斯盆地西南緣奧陶系風(fēng)化殼發(fā)現(xiàn)了多層次油氣顯示，并在部分井測試出天然氣氣流，顯示出該區(qū)具有較好的勘探前景。盆地西南緣古生界地層發(fā)育較全，沉積厚度大，烴源巖及儲集層發(fā)育，石油地質(zhì)條件優(yōu)越，加之其處于盆地邊緣并包含西緣斷褶帶、天環(huán)向斜及渭北隆起，構(gòu)造裂縫特別發(fā)育，極大地改善了奧陶紀風(fēng)化殼儲層的性能。由于中央古隆起于早寒武世就已經(jīng)形成，直到早中生代才逐漸消亡，其整個形成演化控制著下古生界寒武、奧陶系沉積格局和古風(fēng)化殼巖溶儲層的發(fā)育規(guī)律，特別是對盆地西南緣的控制作用，導(dǎo)致盆地西南緣奧陶系風(fēng)化殼儲層巨大的差異性，使其非均質(zhì)性進一步加強，增大了勘探難度。因而有必要對該區(qū)奧陶系風(fēng)化殼儲層分布規(guī)律及其特征進行研究，為評價優(yōu)選有利勘探靶區(qū)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況及古地理背景

研究區(qū)呈“L”形分布于鄂爾多斯盆地西南緣地區(qū)，總面積約118 470 km2，其中西緣面積47 520 km2，南緣面積70 950 km2。其范圍包含盆地西緣斷褶帶、天環(huán)向斜、伊陜斜坡南部和渭北隆起全部（圖1）。

圖1 研究區(qū)范圍圖

鄂爾多斯盆地西南緣在早古生代時毗鄰秦祁地槽，主要處于鄂爾多斯臺緣坳陷帶。由于受到地槽活動的影響，該區(qū)自長城紀以來多次形成較深的狹長沉降帶，與秦、祁海槽相連，組成裂谷系。早古生代寒武—奧陶紀為裂谷活動的主要時期。早中奧陶世由于受到秦祁裂谷系的影響，該區(qū)發(fā)生快速沉降。中奧陶世平?jīng)銎诒憩F(xiàn)為坳陷沉降最盛時期，此時裂谷擴展最寬、幅度最大，發(fā)育一套深水斜坡環(huán)境的復(fù)理石建造。中奧陶世后由于受到加里東運動的影響，鄂爾多斯盆地整體抬升，海水由西南退出了鄂爾多斯地區(qū)，早期形成的裂谷系逐漸消失，該區(qū)也快速隆升為陸地，經(jīng)歷了1.5億年的風(fēng)化剝蝕，直至晚石炭世才開始沉降接受沉積，導(dǎo)致盆地西南緣地區(qū)中上奧陶統(tǒng)海相碳酸鹽巖或泥頁巖、泥灰?guī)r地層直接伏于石炭系地層之下，其間缺失上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系、中下石炭統(tǒng)地層，形成了一個大的區(qū)域不整合面［1］。不整合面之上為石炭系海陸過渡相碎屑巖地層，不整合面以下為馬家溝組四—六段、平?jīng)鼋M、背鍋山組（出露地層）。其中，在中央古隆起，石炭系地層直接覆蓋于震旦系或寒武系地層之上。

2 風(fēng)化殼巖溶特征

2.1 風(fēng)化殼巖溶分布

從鄂爾多斯盆地西南緣前石炭紀古地質(zhì)圖（圖2）中可清晰地看到盆地西南緣分布著6個層位的風(fēng)化殼：① 中央古隆起前奧陶系風(fēng)化殼，巖性主要為冰磧巖和白云巖，大部分地層巖性致密，硅化嚴重，僅發(fā)育風(fēng)化裂隙、微裂隙，風(fēng)化殼巖溶不發(fā)育［2］。② 環(huán)中央古隆起和李1井—慶深2井一線以東地區(qū)及宜君東部狹窄地帶的馬家溝組四段風(fēng)化殼，其中在慶深2井南面和黃陵以西的環(huán)中央古隆起的狹窄地帶為潮坪相含膏白云巖與泥晶白云巖，而在慶深2井以北及李1井—慶深2井一線以東地區(qū)和宜君東部狹窄地帶為碳酸鹽巖臺地相灰?guī)r。③ 馬五風(fēng)化殼，其在盆地西南緣有兩個分布區(qū)，整體分布范圍較小，一個是富縣、黃龍、西塏口一帶的局限海臺地相膏質(zhì)和泥質(zhì)白云巖地層，另一個為沿長武—宜君東西走向的狹窄地帶為開闊海臺地相灰?guī)r地層，厚度一般在50～150 m左右［3］。④ 馬六風(fēng)化殼分布范圍較小，整體呈狹窄的“L”型分布于盆地西緣李1井—慶深2井一線和伊25井—環(huán)14井—平?jīng)鲆痪€之間及盆地南緣旬探1井—鄂銅1井—蒲城一線和長武—宜君—堯山一線之間。巖性上主要以薄層灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r為主，厚度大多在50～100 m左右，為開闊海臺地相沉積。⑤ 平?jīng)鼋M風(fēng)化殼，其范圍較大，分布于西緣伊25井—環(huán)14井—平?jīng)鲆痪€以西地區(qū)及彬縣—旬邑—銅川一帶。平?jīng)銎诙鯛柖嗨古璧匚髂暇壱灿幸粋€狹窄的“L”型海域，其中依次發(fā)育碳酸鹽巖臺地相、高能量灘和深水斜坡相，向外逐漸過渡為深水海槽，厚度也由100 m左右增加到青龍山、峁頭山一帶的1 000 m以上。而盆地南緣由于后期被背鍋山組地層覆蓋，只有部分平?jīng)鼋M地層出露接受剝蝕，風(fēng)化殼范圍較小，呈東西走向，帶狀分布，巖性以碳酸鹽巖為主，陸源碎屑巖次之，為開闊海臺地相沉積。⑥ 張家川—隴縣—麟游—耀縣一帶背鍋山組風(fēng)化殼，其厚度基本都在100 m以上，向南、西南方向逐漸增厚，在張家川、岐山、乾縣一帶可以達到600 m以上。主要為一套淺水碳酸鹽巖臺地相沉積，向南逐漸過渡為深水斜坡相沉積。

圖2 鄂爾多斯西南緣前石炭紀古地質(zhì)圖

2.2 古巖溶地貌特征

采用印模法對鄂爾多斯盆地奧陶系古地貌形態(tài)特征進行恢復(fù)。將奧陶系巖溶古地貌劃分為6個二級地貌單元，即巖溶臺地、巖溶階地、巖溶鞍地、巖溶盆地、巖溶斜坡、巖溶低地［4］。其中本區(qū)主要發(fā)育巖溶臺地、巖溶低地和巖溶斜坡。

1）巖溶臺地

主要指長軸狀的大型脊地、短軸狀的大型長垣和小型殘丘，按形態(tài)和地形高度可分為巖溶臺地和巖溶高地。該區(qū)主要發(fā)育有3個巖溶臺地（高地），分別為中央古隆起處的鎮(zhèn)原—靈臺高地、南緣北部的正寧—富縣巖溶臺地、西緣定邊—吳旗巖溶臺地。

2）巖溶低地

按面積大小和分布特點分為大型巖溶谷地和小型巖溶洼地。巖溶谷地主要分布于西緣巖溶斜坡帶的西側(cè)。在南緣地區(qū)，于南部巖溶高地和正寧—富縣巖溶臺地之間星散地分布巖溶洼地：寧縣巖溶洼地，黃龍洼地和洛川洼地。

3）巖溶斜坡

在地形高度和空間分布上處于巖溶臺地和巖溶低地的過渡位置上［1］175。本區(qū)主要分布在西緣地區(qū)，位于定邊—吳旗巖溶臺地外側(cè)，稱為下馬關(guān)巖溶斜坡，亦呈南北向狹長條帶狀分布。

一般來說，巖溶臺地（高地）、巖溶斜坡由于地表水充裕，水流循環(huán)強度大，溶蝕作用強，因而所形成的孔洞密度高，洞徑大，風(fēng)化殼儲（氣）層亦發(fā)育；巖溶谷地、巖溶洼地由于水流緩滯，巖溶作用弱，形成孔洞密度亦低，其巖溶儲層則相對較差。西南緣天然氣顯示最好的定北地區(qū)及周緣（天1井）和富縣地區(qū)（產(chǎn)工業(yè)氣流）均位于巖溶高地（或斜坡）地帶。

2.3 巖溶垂向分帶

根據(jù)地貌在縱向上受巖溶作用不同分為3個溶蝕作用帶，即垂直滲濾溶蝕帶、水平潛流溶蝕帶和深部緩流溶蝕帶（圖3）。

1）垂直滲濾溶蝕帶

位于鐵鋁蓋層以下，多發(fā)生在奧陶系的頂部，該巖溶帶在巖性組合上最大特征是發(fā)育著溶積角礫巖［4］51。典型的井例為南緣的富探1井，該井奧陶系頂部出露馬五1，于2 839～2 840 m（離奧陶系頂0 m）的溶積角礫巖發(fā)育溶溝。2 840.5～2 845 m井段離侵蝕面1.5 m，灰質(zhì)白云巖，垂直裂縫發(fā)育。縫寬大于10 mm，為云巖角礫和上覆石炭系鋁土質(zhì)泥巖所充填。并見大量黃鐵礦粗大晶體，縱向小溶縫和小溶孔發(fā)育，小溶孔長軸略呈垂直方向延伸。這些特征充分反映其為垂直巖溶帶產(chǎn)物。于該帶2 847～2 850.8 m、2 868～2 871.4 m井段酸化測試產(chǎn)天然氣22 m3／d。

2）水平潛流溶蝕帶

主要發(fā)生在垂直滲濾溶蝕帶以下的地下潛流層部位。該帶地下水十分活躍，溶蝕形成的孔洞和裂縫以水平或近水平展布為主，并且大型溶洞發(fā)育，孔縫相連，角礫化現(xiàn)象明顯，甚至部分層位為角礫巖互層，呈現(xiàn)多期垮塌、滑塌現(xiàn)象［5］。富探1井2 854.5～2 864 m為膏溶角礫白云巖巖段。有兩次較強的水平溶蝕過程，頂部發(fā)育卸荷裂縫和膏溶變形白云巖，在泥質(zhì)白云巖之上發(fā)育規(guī)模較小的溶蝕管道，形成滲流充填的云質(zhì)泥，見滲流紋構(gòu)造，下部為塊狀白云巖夾膏溶角礫，底部夾膏溶角礫和溶余泥質(zhì)層及含云泥巖。此層段垂向裂縫不發(fā)育，而發(fā)育較多水平卸荷裂縫，水流沿卸荷裂縫溶蝕形成溶蝕管道，為水平巖溶帶。

3）深部緩流溶蝕帶

水平潛流帶之下，地下水運動和交替緩慢甚至滯流，水流管道多被沉積物充填，溶蝕作用微弱，充填程度高。該帶在本研究區(qū)不是很發(fā)育。

圖3 西緣奧陶系古巖溶洞穴裂縫發(fā)育剖面示意圖

3 風(fēng)化殼巖溶儲層特征

3.1 儲集空間類型

通過對儲層課題組提供的物性分析資料的統(tǒng)計（表1），盆地西南緣風(fēng)化殼儲層孔隙度主要分布范圍為0.23%～8.52%，最高達19.5%；滲透率主要分布范圍是0.006～1.759 mD，最高達73.1 mD，巖溶的差異性導(dǎo)致了儲層的非均質(zhì)性非常強。鄂爾多斯盆地西南緣風(fēng)化殼儲層空間類型種類繁多，但對儲層最有現(xiàn)實意義的有洞穴、裂縫、溶蝕孔洞和晶間孔。

表1 鄂爾多斯西南緣奧陶系風(fēng)化殼儲層孔隙度滲透率數(shù)據(jù)表

1）洞穴。主要是風(fēng)化殼洞穴。形成于石炭紀沉積前，一般洞徑大于20 cm，為非組構(gòu)選擇性溶蝕孔洞，在鉆井過程中常發(fā)生井涌、漏失和鉆具放空現(xiàn)象。如西緣天1井及天深1井洞穴層較為發(fā)育，天1井3 931.7～3 935.8 m放空井段厚度為1.1 m，天深1井4 069～4 175 m、4 198～4 397.36 m鉆井液漏失量達880多立方米。

2）裂縫。裂縫在鄂爾多斯盆地西南緣奧陶系風(fēng)化殼儲層廣泛發(fā)育，主要有3種類型：收縮縫、構(gòu)造縫、風(fēng)化裂隙［6］。收縮縫形成于準同生期—早成巖期，由巖石受壓實固結(jié)成巖收縮形成，但這類裂縫大部分已被后期方解石、白云石充填。構(gòu)造縫在本區(qū)比較發(fā)育，主要形成于印支—燕山期的擠壓構(gòu)造環(huán)境。風(fēng)化裂隙是風(fēng)化殼儲層中裂縫發(fā)育最主要的一種，其形成主要與巖石抬升暴露條件下的垂直節(jié)理有關(guān)，部分被風(fēng)化殘積的鐵泥質(zhì)充填，大部分被再度沉積埋藏后的后生方解石充填。

3）溶蝕孔洞。主要由粒屑、晶粒等易溶碳酸鹽礦物，經(jīng)地下水交替溶濾作用而形成。該類孔隙邊界不受巖石組構(gòu)的限制，大小懸殊。溶孔和溶洞是研究區(qū)桌子山組和克里摩里組主要的儲集孔隙類型，常與裂縫搭配，形成裂縫—溶孔型及裂縫—溶洞型儲層［4］47。

4）晶間孔。指礦物晶體之間的孔隙。這種孔隙常呈棱角狀，邊緣平直。晶間孔隙大小與晶體大小和均勻性有關(guān)，還受排列方式影響。而本研究區(qū)只有少部分層段的白云巖晶間孔較發(fā)育，大部分為晶間孔不發(fā)育的致密層。

3.2 儲層控制因素

綜合沉積、成巖方面的研究成果，認為控制研究區(qū)風(fēng)化殼儲層發(fā)育的主要因素有巖石類型、沉積相、成巖環(huán)境、成巖作用、構(gòu)造運動和古地貌因素。

1）巖石類型對儲層發(fā)育的影響

碳酸鹽巖的滲透能力和巖石溶解能力比泥巖強，其中蒸發(fā)礦物的溶解更有利于碳酸鹽巖的溶蝕，因此碳酸鹽巖比泥巖等其他巖性更有利于巖溶作用的進行［5］28。在碳酸鹽巖中，由于白云巖不僅發(fā)育晶間孔，而且其巖溶過程中去云化作用使得其巖溶化程度不比石灰?guī)r差。盆地西南緣環(huán)中央古隆起奧陶系馬四段潮坪相含膏白云巖與泥晶白云巖為風(fēng)化殼巖溶提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2）沉積相對儲層的控制作用

盆地西南緣奧陶系沉積相有開闊海臺地、局限海臺地，臺地邊緣淺灘、礁相、臺地邊緣斜坡相、盆地相沉積。其中局限臺地（含蒸發(fā)臺地）的白云巖相和臺地邊緣淺灘、礁相顆?；?guī)r和礁灰?guī)r為本區(qū)最有利儲集層發(fā)育相帶。本區(qū)馬家溝組局限臺地白云巖相儲層明顯地好于平?jīng)鼋M斜坡相灰?guī)r儲層。

3）成巖環(huán)境對儲層的控制

有利的成巖環(huán)境要具備白云化條件和有利于溶蝕作用，在潮濕高溫氣候條件下，溶有CO2的地表水往往呈酸性下滲，在滲流帶和潛流帶時，加劇了對巖石的溶解作用。在海退時點礁、環(huán)礁環(huán)境都可能出現(xiàn)海水—淡水混合的成巖環(huán)境。在混合水環(huán)境下，最易于發(fā)生溶解、白云化和新生變形作用，于儲層有利。

4）成巖作用對儲層發(fā)育的影響

溶解作用、白云化作用對儲層有利，壓實作用、膠結(jié)充填作用、壓溶作用對儲層不利［7］。

5）構(gòu)造運動對儲層發(fā)育的控制

加里東期和燕山期構(gòu)造運動對研究區(qū)的儲層發(fā)育具有重大意義。加里東期抬升使奧陶系地層全面長時間暴露地表，接受大氣水淋濾溶蝕，同時運動形成的斷裂、裂縫不但改善了各碳酸鹽巖儲集體的滲濾儲集空間，而且也成為風(fēng)化殼流體淋濾的主要通道。燕山期運動不僅形成構(gòu)造圈閉，其發(fā)生的斷裂活動形成縱橫交錯的裂縫，溝通了之前已經(jīng)存在的互相孤立的孔、洞，形成一個個的儲滲系統(tǒng)。

6）古地貌對儲層發(fā)育的影響

古巖溶地貌對巖層的溶蝕程度、充填程度及填充物的性質(zhì)起著控制作用，不同的古地貌單元其儲層展布和儲集性能不同［5］29。根據(jù)相關(guān)資料，在古巖溶高地、古巖溶斜坡、古巖溶盆地3個古地貌單元中，古巖溶斜坡工業(yè)氣井鉆遇率最高，古巖溶高地次之，古巖溶盆地最差。主要是由于古巖溶斜坡水流循環(huán)強大，溶蝕作用所形成孔洞縫密度高，連通好，同時儲層厚度相對較大，橫向展布較為穩(wěn)定，是天然氣最為有利的富集單元［8］。而古巖溶盆地由于地勢低，水流循環(huán)小，溶蝕作用較弱，充填作用較強，故而難以形成較好的儲集層。

4 結(jié)論

1）奧陶系馬家溝組馬四段、馬五段風(fēng)化殼儲層在環(huán)中央古隆起及其以東地區(qū)沉積相帶主要為云坪，巖性主要為白云巖、含泥白云巖和含膏白云巖，溶蝕孔、洞、縫及白云巖晶間孔較為發(fā)育，為有利的風(fēng)化殼巖溶儲集體分布區(qū)。馬六段、平?jīng)鼋M、背鍋山組風(fēng)化殼儲層主要分布于李1井—慶深2井以西及中央古隆起南側(cè)，主要為開闊海臺地到局限海臺地，巖性主要為灰?guī)r、礁灘云巖（灰?guī)r）和白云巖，地表巖溶作用不如馬四、馬五風(fēng)化殼發(fā)育。

2）巖溶谷地或巖溶洼地由于地勢較低，垂直滲濾溶蝕帶和水平潛流溶蝕帶不發(fā)育；巖溶高地或巖溶臺地由于地勢較高，容易遭受風(fēng)化剝蝕，垂直滲濾溶蝕帶和水平潛流溶蝕帶發(fā)育，但不利于儲層保存；而巖溶階地或巖溶斜坡處于過渡位置，既有利于儲層發(fā)育，又有利于儲層保存，是最有利的古巖溶地貌單元。因而圍繞寧縣洼地巖溶斜坡地帶、正寧—富縣巖溶臺地和定邊—吳旗巖溶臺地外側(cè)下馬關(guān)巖溶斜坡為鄂爾多斯盆地西南緣有利巖溶儲層發(fā)育區(qū)。

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