丁曉琪 高景云 祁壯壯 張 威 劉四洪 李春堂

1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院 2.中國石化華北油氣分公司

0 引言

1989年鄂爾多斯盆地陜參1井鉆遇工業(yè)氣流后，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)中國最大的海相碳酸鹽巖大氣田—靖邊氣田。奧陶系馬家溝組馬五1-4亞段累計(jì)探明天然氣地質(zhì)儲量超過6 500×108m3[1]，展示了該領(lǐng)域具有巨大的天然氣勘探潛力。馬五1-4亞段儲層的原始巖性為一套含石膏結(jié)核的白云巖，經(jīng)歷加里東期1.5億年的表生期溶蝕，形成以鑄?？诪橹鳎чg孔和微裂縫為輔的孔隙系統(tǒng)，盡管單層厚度普遍為2～3 m，但分布面積超過上萬平方千米。

早期認(rèn)為靖邊氣田馬五5亞段的致密云/灰?guī)r為巖溶的底界或底板[2-3]，該層之下不發(fā)育加里東期巖溶作用。然而隨著盆地北部一系列深井的鉆探，發(fā)現(xiàn)在馬五5亞段之下仍發(fā)育巖溶角礫巖，部分區(qū)域的巖溶深入已達(dá)馬五10亞段，甚至在距奧陶系不整合面近180 m的馬四段上部還可以觀察到溶蝕孔洞。對于這些溶蝕孔洞，部分學(xué)者將其歸因于同生期溶蝕，認(rèn)為隨著海平面的下降，潮坪相碳酸鹽巖暴露，接收大氣淡水的淋濾形成溶蝕孔洞[4-5]。但鉆井取心和露頭揭示的這套角礫巖，明顯不同于同生期的溶蝕，而更像表生期巖溶。對于同生期溶蝕和表生期溶蝕，James （2015） 從控制因素、巖溶結(jié)構(gòu)、地球化學(xué)等方面給出了一系列區(qū)別標(biāo)志[6]。如果是表生期的巖溶，大氣淡水是垂向補(bǔ)給還是側(cè)向補(bǔ)給，溶蝕產(chǎn)物是如何帶出巖溶系統(tǒng)的，決定著巖溶儲層的發(fā)育規(guī)律。

對于白云巖和石灰?guī)r，由于巖石組構(gòu)的差別，經(jīng)巖溶改造后最終產(chǎn)物具有較大差別[7-8]。致密灰?guī)r基質(zhì)孔隙不發(fā)育，淡水主要沿裂隙下滲，在古潛水面和斷裂附近發(fā)生溶蝕形成大的洞穴，由于淡水沿裂隙下滲，因此淡水在離不整合面很遠(yuǎn)處仍具有溶蝕能力[9-12]；而白云巖晶間孔相對發(fā)育，淡水往往沿孔隙下滲，邊溶蝕邊垮塌。隨著溶解作用的發(fā)生，淡水很快就達(dá)到飽和失去溶解能力。很難在白云巖地層中見到大的溶蝕洞穴，取而代之是小型溶洞、溶孔[13-15]。

本文通過盆地北部的鉆井資料、露頭資料、地震資料和分析化驗(yàn)資料，解剖不同區(qū)帶的巖溶特征，研究巖溶儲層的形成機(jī)理，建立承壓水巖溶模式，為奧陶系的儲層預(yù)測提供一種新模式。

1 地質(zhì)背景

奧陶紀(jì)鄂爾多斯地區(qū)位于華北地臺西部，接受了一套淺水陸表海沉積，研究區(qū)北部為伊盟隆起，東西方向上有中央古隆起、烏審旗古隆起和呂梁隆起，隆起之間的洼陷為靖西洼陷和米脂洼陷[1,16]，洼陷內(nèi)地層厚度較隆起區(qū)明顯增厚。受晚奧陶世加里東運(yùn)動的影響，華北地臺整體抬升，接收了近1.5億年的沉積間斷。伊盟隆起和中央古隆起剝蝕層位較多，因此自南向北、自東向西，出露層位依次變老（圖 1a）。北西—南東方向發(fā)育一系列的侵蝕溝槽，溝槽寬度平均200 m，深度從10～30 m不等，溝槽中的出露層位普遍為馬五2—馬五3亞段。

馬家溝期經(jīng)歷了3次大規(guī)模的海侵、海退，根據(jù)巖性不同由下而上分為馬一段至馬六段6個(gè)巖性段。馬一段、馬三段、馬五段代表海退階段，為局限臺地—蒸發(fā)臺地，巖性為白云巖夾蒸發(fā)巖層段，黏土含量偏高；而馬二段、馬四段和馬六段代表海侵階段，為開闊臺地，巖性為石灰?guī)r夾白云巖，黏土含量低（圖 1b）。馬五段又根據(jù)巖性的不同劃分為10個(gè)亞段。馬五10、馬五8、馬五6、馬五4-1亞段為白云巖，普遍含層狀蒸發(fā)巖；而馬五9，馬五7，馬五5亞段為白云巖、石灰?guī)r。為了勘探的需要將盆地中—東部馬家溝組劃分為3個(gè)成藏組合：馬五4—馬五1亞段為上組合，馬五5—馬五10亞段為中組合，馬四及其以下為下組合[1]。

2 巖溶儲層特征

2.1 角礫巖特征

馬家溝組中組合由未經(jīng)巖溶改造的原狀地層和巖溶改造的角礫巖兩類巖石組成。角礫巖主要有3種類型，裂紋—鑲嵌角礫巖、角礫支撐紊亂角礫巖和雜基支撐紊亂角礫巖。

裂紋—鑲嵌角礫巖的原始巖性為含石膏結(jié)核的白云巖、灰質(zhì)白云巖或白云巖。形成角礫巖后角礫成分簡單，通常為單一類型，角礫無分選無磨圓，角礫可發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但無明顯位移（圖2a-b）。角礫之間主要充填白云石砂，其次是方解石，黏土少見。原巖中的石膏、方解石在淡水中溶解度較高，而白云石的溶解度相對較低。硬石膏遇水向軟石膏轉(zhuǎn)化時(shí)體積膨脹40%[17-18]，在一定程度上促進(jìn)了裂縫的形成，加速了淡水在角礫巖中的滲流。石膏、方解石被溶蝕形成溶蝕孔洞，由于巖石骨架受溶蝕作用程度較弱，受到上覆地層壓力后形成裂縫，但垮塌不明顯，從而形成裂紋—鑲嵌角礫巖。

圖1 鄂爾多斯盆地北部前石炭紀(jì)古地質(zhì)圖及地層柱狀圖

角礫支撐紊亂白云巖的原始巖性以黏土質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖為主。角礫巖中角礫成分相對簡單，可以混雜少量其他成分角礫。角礫無分選、無磨圓，角礫有一定程度的旋轉(zhuǎn)及位移（圖2c-d）。角礫間充填黏土及白云石砂。在石膏及白云巖溶解之后，形成一定的裂縫，加速了溶蝕作用的發(fā)育進(jìn)而形成了一定量的可容納空間。在上覆地層壓力下地層垮塌，可容納空間被大小不一的角礫及溶解殘留物充填，角礫伴隨一定程度的旋轉(zhuǎn)及位移。

雜基支撐紊亂角礫巖的原始巖性為黏土質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖、膏/云互層。角礫巖中角礫成分相對復(fù)雜，可見多成分的角礫混在一起，角礫無分選，但可有一定程度的磨圓，角礫是明顯發(fā)生過位移的（圖2e-f）。角礫間主要充填黏土。膏質(zhì)白云巖中石膏易溶解，再加上石膏弱的機(jī)械屬性，易發(fā)生溶蝕垮塌；而黏土質(zhì)白云巖中黏土分子與白云石分子之間存在弱結(jié)合力，淡水易沿這個(gè)薄弱面進(jìn)行溶蝕。由于黏土質(zhì)白云巖或膏質(zhì)白云巖往往呈薄層狀，溶解后易發(fā)生原地垮塌，之后淡水沿角礫間的空間進(jìn)行管道流，地下水可攜帶細(xì)碎屑物質(zhì)進(jìn)行小范圍的流動，形成雜基支撐角礫巖。

2.2 儲集空間特征

巖溶儲層常見的儲集空間類型包括：晶間孔、膏?？?、溶洞及裂縫。

晶間孔主要發(fā)育于角礫巖的角礫中，有時(shí)也可見于角礫之間充填的白云砂中。晶間孔通常小于0.05 mm，分選較好（圖3a），是馬家溝組中組合重要的儲集空間類型。

膏?？字饕l(fā)育于含石膏結(jié)核的白云巖中，由于石膏相對白云巖易溶，在地下水的選擇性溶蝕下形成板條狀或結(jié)核狀的膏?？祝嗄？着家姖B濾白云石砂。膏模孔大小差別較大，普遍在0.5 mm以下，也可見0.5～5.0 mm的膏?？祝▓D3b）。膏?？资邱R家溝組中組合的次要儲集空間類型。

溶洞主要發(fā)育于石灰?guī)r、灰質(zhì)云巖等過渡巖性中。過渡巖性的溶蝕程度通常較單一巖性高。溶洞大小2～25 cm不等，但由于后期方解石充填相對嚴(yán)重，大多被全充填到不完全充填（圖3c），溶洞是馬家溝組中組合的常見儲集空間類型。

圖2 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組中組合典型角礫巖照片

圖3 鄂爾多斯盆地馬家溝組中組合儲集空間和成巖作用照片

加里東期形成的風(fēng)化縫主要為網(wǎng)狀縫及水平縫（圖2a-b）。裂縫在一定程度上促進(jìn)了地層水的長距離流動，進(jìn)而促進(jìn)了溶蝕作用的發(fā)育，裂縫溶蝕后可形成溶縫，裂縫及溶縫是中組合常見的儲集空間。

2.3 典型成巖作用

2.3.1 溶蝕作用

中組合的溶蝕作用具有選擇性，受控于巖性和裂隙。

黏土質(zhì)白云巖中由于黏土分子與白云石分子之間的弱結(jié)合力，地下水易沿這個(gè)弱的結(jié)合面進(jìn)行溶蝕，地層角礫化后原地垮塌，在局部范圍內(nèi)發(fā)生位移，形成一套角礫支撐的紊亂白云巖。含膏白云巖或灰質(zhì)白云巖由于石膏、方解石和白云巖在淡水中的溶解度差異，石膏、方解石被溶蝕形成溶蝕孔洞。該類型巖石具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，基本是溶而不垮，形成裂紋—鑲嵌角礫巖。純白云巖由于白云石在淡水中的溶解度小，最不易發(fā)生溶蝕。

當(dāng)巖石中網(wǎng)狀風(fēng)化縫發(fā)育時(shí)，該區(qū)域成為地下的主要流動通道，亦可觀察到沿裂隙進(jìn)行溶蝕，此時(shí)溶蝕受巖性的控制似乎變得不明顯。

2.3.2 充填作用

充填作用是巖溶儲層儲集空間被破壞的最主要成巖作用之一。充填作用又可以分為機(jī)械充填和化學(xué)充填。

機(jī)械充填物包括大氣淡水?dāng)y帶的細(xì)碎屑和白云石砂。中組合中細(xì)碎屑充填物主要是黏土、粉砂—細(xì)礫，可以認(rèn)為地下水?dāng)y帶垮塌的沉積物進(jìn)行搬運(yùn)再堆積，有時(shí)可見水平流動形成的紋層；而白云石砂則為地下水溶解白云巖后形成的白云石晶粒（砂），這些白云石晶粒（砂）被流水?dāng)y帶再堆積，由于白云石砂和白云巖角礫成分相同，有時(shí)難于區(qū)別，但前者?；煊叙ね炼伾?。細(xì)碎屑主要出現(xiàn)在角礫間的大空隙中，而白云石砂則更多地出現(xiàn)在小空隙中。

化學(xué)充填物主要為方解石，至少可見兩個(gè)期次的方解石膠結(jié)物（圖3e-f）。早期方解石呈煙灰色，貧鐵，陰極發(fā)光呈暗紅色；晚期方解石呈乳白色，富鐵，陰極發(fā)光呈亮紅色。大洞大縫是流體流動的主要通道，方解石充填嚴(yán)重；而小孔小縫流體流動緩慢，方解石充填弱或無。主要原因是一個(gè)體積的空隙被方解石充填往往需要10 000～100 000倍體積的富鈣流體流過[19]。

2.3.3 去白云石化作用

方解石交代白云石即為去白云石化作用。去白云石化過程主要發(fā)育在富含石膏的地層中，石膏和方解石的溶解使地層中富含Ca2+，Ca2+取代白云巖中的Mg2+發(fā)生去白云石化[20]。白云巖去白云石化后，往往晶粒變大，巖石變得致密（圖3d），有時(shí)可見白云石的假晶。雖然去白云石化作用導(dǎo)致了孔隙度的降低，對儲層發(fā)育是破壞性作用，但是它指示了強(qiáng)烈的淡水改造。

3 巖溶儲層形成機(jī)理與巖溶模式

3.1 巖溶儲層的形成機(jī)理

第一個(gè)區(qū)域型隔水層至潛水面之間為水平潛流帶，而將地表至潛水面的區(qū)域稱之為垂直滲流帶。不管是水平潛流帶還是垂直滲流帶，其流體壓力和靜水壓力相等，故認(rèn)為是非承壓水。對于隔水層之下的地下水，由于水壓頭的存在，透水層內(nèi)的水具有一定的壓力，稱之為承壓水。

馬五5亞段在盆地北部平均厚30 m，分布穩(wěn)定。底部為灰色—灰黃色疊層石灰?guī)r和亮晶膠結(jié)的砂屑/鮞粒灰?guī)r，巖性致密，厚1～2 m；中部—上部為黑色致密灰?guī)r夾厚度不等的灰黃色微晶—粉晶白云巖，俗稱“黑腰帶”，在加里東期的巖溶系統(tǒng)中為區(qū)域性隔水層[2-3]。就馬家溝組中組合的巖溶研究而言，將馬五5亞段已剝蝕區(qū)域稱之為裸露區(qū)，而稱馬五5亞段殘留的區(qū)域稱之為覆蓋區(qū)。從古地質(zhì)圖可以看出，中組合地層大面積分布于覆蓋區(qū)（圖 1a）。

對于隔水層馬五5亞段之上的地層，由于溝槽發(fā)育，將其切割為若干個(gè)殘丘，地下水補(bǔ)給來源就是垂向的大氣降水。至于垂直滲流和水平潛流帶的區(qū)分，由于1.5億年的沉積間斷，已幾乎不可能。同一層位在溶洞和裂隙中既可見陸源碎屑的垂直搬運(yùn)又可見水平搬運(yùn)（圖4a-b），說明古潛水面在加里東期大幅波動。鉆井揭示了一系列落水洞，底界位于馬五3亞段或馬五4亞段中，均表明古潛水面曾長期在馬五3—馬五4亞段之間波動。

覆蓋區(qū)隔水層之下的地下水則以側(cè)向補(bǔ)給為主，垂向補(bǔ)給為輔。盡管在馬五5亞段隔水層中見一些垂直斷裂，但垂直斷裂主要分布在烏審旗古隆起的周緣，很難形成承壓水的主要補(bǔ)給。伊盟隆起和中央古隆起在加里東期抬升幅度較其他區(qū)域大，出露地層較老，馬四段及馬五5亞段以下地層大面積出露（圖 1），白云巖發(fā)育，特別中央古隆起附近馬四段中的粉—細(xì)晶白云巖，晶間孔發(fā)育[21-22]。加里東期出露地表接收表生期大氣淡水淋濾后，溶蝕孔洞發(fā)育，成為淡水側(cè)向滲流的通道；另一方面，裸露區(qū)馬家溝組上部地層剝蝕量大，垂向應(yīng)力減小，地層中水平張裂縫發(fā)育（圖4c），特別是在薄層白云巖，白云巖和泥質(zhì)云巖互層的地層中。水平裂縫增加了地下水的水平流動速度。

大氣淡水從裸露區(qū)進(jìn)入馬五5亞段以下地層后，由于古地貌具有北高、西高，向南東方向變低，水壓頭使地下水向南、向東流動。流動通道主要受基質(zhì)孔隙和水平縫的控制，因此地下水主要還是順層流動。當(dāng)?shù)貙影l(fā)生角礫化后，角礫之間的空隙及裂縫是地下水水平流動的主要通道[23]，流動通道大于1 mm后形成管道流（圖4d），管道流中的紊流加速了溶解作用的發(fā)生；而白云巖的晶間孔由于孔小喉細(xì)，地下水在其中以達(dá)西流的形式流動。因此，承壓水的流動具有明顯的選擇性，在易發(fā)生角礫化的黏土質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖以管道流順層流動為主。

圖4 鄂爾多斯盆地馬家溝組中組合地下水運(yùn)移通道照片

具有溶蝕能力的地下水滲流一定距離后，隨著方解石和白云巖的溶解，水體中Ca2+和Mg2+濃度增加，地下水的溶解能力逐漸變?nèi)?。根?jù)碳酸鹽礦物在地下水中的溶解度差異[24]，首先對白云石達(dá)到過飽和，但對方解石和石膏可能不飽和。因此，覆蓋區(qū)的溶蝕主要發(fā)生在灰質(zhì)白云巖和膏質(zhì)白云巖中。最終，孔隙水將對方解石和石膏達(dá)到飽和，發(fā)生沉淀。此時(shí)，富鈣的孔隙水要么沉淀方解石，要么發(fā)生去白云石化（圖3d）。總體來看，覆蓋區(qū)馬五6-10亞段中白云巖的去白云石化非常普遍，純白云巖的溶蝕并不明顯。

如果沒有泄水區(qū)，地下水的流動將非常緩慢甚至停滯。烏審旗古隆起為一繼承性古隆起，從古元古代到二疊紀(jì)一直處于間歇性活動狀態(tài)，在古隆起的周緣形成了一系列的斷裂（圖5），這些斷裂成為承壓水的排泄通道。

3.2 巖溶發(fā)育模式

盆地西部和北部的裸露區(qū)為承壓水的補(bǔ)給區(qū)，角礫間空隙和裂縫構(gòu)成地下水的主要運(yùn)移通道。北部、西部高，向南東方向變低的風(fēng)化殼古地貌控制著地下水的流動方向，承壓水向南東方向發(fā)生順層流動。由于巖石結(jié)構(gòu)和溶解度的差異，黏土質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖溶解形成角礫支撐或雜基支撐紊亂白云巖；而灰質(zhì)白云巖、含石膏結(jié)核白云巖則形成裂縫—鑲嵌白云巖，巖溶儲層具有順層分布的特征。隨著大量石膏及碳酸鹽巖的溶解，地下水的溶蝕能力逐漸變?nèi)?，最終趨于飽和，發(fā)生方解石的膠結(jié)、充填以及去白云石化。

盆內(nèi)加里東期的斷裂構(gòu)成地下水向上排泄的通道。斷裂及其附近裂縫發(fā)育，承壓水向上流動過程中，不同溶質(zhì)的順層巖溶水在斷裂發(fā)育區(qū)混合，由于溫度的下降，出現(xiàn)對方解石或石膏的不飽和，沿?cái)嗔寻l(fā)生巖溶。由于溶蝕產(chǎn)物被源源不斷地帶出，溶蝕作用可持續(xù)發(fā)生。縱向上出現(xiàn)多層巖溶儲層的垂向疊加，形成縱向立體巖溶。因此，對于覆蓋區(qū)的承壓水巖溶，在斷裂不發(fā)育區(qū)主要表現(xiàn)出順層巖溶，而在斷裂發(fā)育區(qū)則表現(xiàn)出縱向立體巖溶。巖溶發(fā)育模式如圖6所示。

圖5 過烏審旗古隆起的東西向地震剖面圖（剖面位置見圖1a）

圖6 鄂爾多斯盆地北部奧陶系馬家溝組巖溶發(fā)育模式圖

4 結(jié)論

1）以加里東期不整合面下馬五5亞段的出露為界，將中—下組合巖溶劃分為裸露區(qū)巖溶和覆蓋區(qū)巖溶。裸露區(qū)為承壓水的補(bǔ)給區(qū)，加里東期斷裂為泄水通道。形成裸露區(qū)淡水補(bǔ)給、覆蓋區(qū)溶蝕—沉淀，斷裂發(fā)育區(qū)排泄的巖溶系統(tǒng)。

2）覆蓋區(qū)的承壓水巖溶在斷裂欠發(fā)育區(qū)具有順層溶蝕的特征；而在斷裂發(fā)育帶呈現(xiàn)出縱向立體溶蝕。前者形成溶控型儲層，后者形成斷控型儲層。

3）原始巖性是巖溶儲層發(fā)育的基礎(chǔ)?；屹|(zhì)白云巖、含石膏結(jié)核白云巖由于不同礦物溶解度的差異，易形成溶蝕孔洞型儲層；而黏土質(zhì)白云巖、膏/云巖互層溶蝕后，順層垮塌，形成紊亂的巖溶角礫巖， 角礫之間充填黏土，為非儲層。