高橋區巖溶古地貌及巖溶儲層發育特征研究

劉海鋒，張建國，夏 勇

（1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西西安 710018；3.川慶鉆探工程有限公司長慶監督公司，陜西西安 710018）

鄂爾多斯盆地靖邊氣田高橋區位于靖邊氣田向南延伸部位，處于靖邊古潛臺的巖溶斜坡部位，儲層分布穩定，目前已發現馬五1+2儲層天然氣探明地質儲量千億立方米以上，為長慶油田公司上產5000萬噸的重要建產基地。近年來開發評價表明，該區儲層條件較為復雜，下古生界馬五1+2儲層致密，非均質性強，巖心分析滲透率0.01～10 mD，平均0.91 mD，孔隙度2%～10%，平均4.7%，單井產能偏低，完試骨架井83口，平均無阻流量僅3.41萬立方米/天。

根據下古生界天然氣富集規律，馬五1+2 有效儲層除與下奧陶統馬五段有利潮坪沉積相帶有關外，主要受加里東期古風化殼次生孔洞縫系統的發育和充填程度控制，并與古侵蝕面的地貌特征密切相關[1]。因此研究分析高橋區巖溶古地貌及其巖溶儲層發育特征，對提高該區開發效果具有重要意義。

1 地層劃分與沉積特征

根據標志層和沉積旋回鄂爾多斯盆地馬家溝組自下而上劃分為十段，其中馬五段巖性由泥-粉晶白云巖、泥質白云巖、灰巖、巖溶角礫巖及蒸發巖組成，總體屬于蒸發潮坪相沉積。主要含氣層段馬五1+2 自上而下可進一步劃分為六個小層（見表1），分別是馬五11、馬五12、馬五13、馬五14、馬五21、馬五22，其中馬五12上部巖性質純，為灰、淺灰色細粉晶云巖夾灰色砂屑云巖，溶蝕孔洞發育，下部為夾兩層深灰色云質泥巖，馬五13巖性主要為一套較純的白云巖，以灰、淺灰色細粉晶云巖夾角礫狀云巖為主，斑狀溶蝕孔洞發育。

馬五沉積期根據潮汐能量進一步劃分為潮上帶、潮間帶和潮下帶三種亞相。巖心觀察及分析化驗資料表明，高橋區馬五1+2的潮坪沉積以潮上－潮間帶沉積為主，局部發育潮下帶，呈現出東西分帶、南北展布的特征，馬五22-馬五11各沉積期西部區域剝蝕，中部均以潮上帶沉積為主，西部以潮間帶沉積為主，馬五22期、馬五14期東部局部發育潮下帶沉積。馬五12、馬五13沉積期，區內絕大多數地區為潮上膏云坪、潮間-潮上帶云坪沉積，膏溶孔和晶間微孔發育，橫向穩定，為古巖溶的產生及溶蝕孔洞的形成奠定了有利的物質基礎。

2 馬五1+2儲層巖溶發育特征

鄂爾多斯地塊在晚奧陶世至早石炭世全面抬升，沉積中斷達1.3億年之久，缺失志留系、泥盆系及下石炭統沉積[2]。奧陶系碳酸鹽巖長期接受風化侵蝕，在馬五頂面形成30～100 m 厚度不等的風化殼古巖溶。古巖溶地質體的形成主要經歷了同生-早成巖期巖溶、表生期風化殼巖溶、深埋藏巖溶等三個階段，其中表生期巖溶作用與埋藏期巖溶作用是最主要的成巖作用。表生期巖溶作用使得準同生期生成的石膏晶體和結核淋濾溶解，形成大量膏模孔及次生裂縫，并造成巖石的局部角礫化。埋藏期巖溶作用使表生期形成的孔隙及充填物的改造和自生礦物的進一步充填。多期成巖作用形成的古巖溶宏觀地質識別標志有：奧陶系碳酸鹽巖與石炭系不整合面上發育鋁土礦殘積層，巖溶角礫巖，溶蝕孔洞、各種產狀的溶縫及網狀溶縫等。受沉積、巖溶作用控制，巖溶巖垂向上具有明顯的分帶性（見表1）。

2.1 風化殘積物鋁土礦

奧陶系頂部風化殘積物鋁土礦電性特征表現為自然伽馬特高峰狀突起，聲波時差曲線高的鋸齒狀，密度曲線底部為特高值，深側向電阻率值極低（約20 Ω·m）。鋁土礦厚度在0.88～13.48 m，主要分布在該區中部潛臺和東部溝槽之間，分布不均衡，形態不一，面積不等，沉積較厚、面積較大地區往往是地勢平緩的臺地、緩坡，沉積厚度薄、面積小的區域往往是溝槽、溝槽間、洼地等地貌位置。

表1 高橋區奧陶系馬家溝組馬五段儲層劃分表

2.2 巖溶角礫巖

巖心觀察表明高橋區75%以上取心井均發育巖溶角礫巖，馬五22-馬六各層均見發育（見表2），角礫的直徑變化大（0.2～8.0 cm），少數角礫為棱角狀，多數為次圓狀，多為原地溶蝕垮塌形成，少量經過短距離搬運。按照成因與巖溶水動力可分為表層風化角礫巖、溶塌角礫巖（洞穴坍塌角礫巖，陡壁坍塌角礫巖）、暗河角礫巖[3]。表層風化角礫巖位于風化殼頂面，受垂直滲流作用明顯；巖溶溶塌角礫巖一般原地堆積，反映以垂直滲流作用為主；地下暗河角礫巖具有一定磨圓度，為近距離搬運結果，是垂直+水平滲流的綜合結果。

2.3 孔洞、裂縫發育特征

高橋區巖溶孔洞、裂縫發育程度均低，孔縫配置關系較差，部分井表現為有孔無縫或者有縫無孔。溶蝕孔、洞主要形成于表生期巖溶作用，孔、洞多呈層狀分布，埋藏期溶蝕孔、洞會進一步擴大和再充填，常見示頂底構造。主要裂縫類型有垂直縫、斜交縫、水平縫及網狀縫，按照成因看裂縫可分為構造縫和風化縫，且風化殼巖溶坍塌縫和陡壁拉張縫發育程度較低。

溶蝕孔洞縫內的主要充填物有滲流白云石、碎屑砂、淡水白云石、方解石、自生石英、粘土礦物（高嶺石、伊利石）、黃鐵礦（晶體黃鐵礦和草莓狀黃鐵礦）等，并以方解石+白云石的混合充填為主，與靖邊氣田比較，方解石所占比重增大，充填程度增高，面孔率降低。同位素分析表明充填作用在風化殼表生期、埋藏期均存在，而方解石充填主要發生在埋藏期。平面上主力儲層馬五12、馬五13孔洞縫主要為白云石半-強充填至方解石全充填，充填程度高，導致儲滲條件變差。

2.4 巖溶水動力分帶特征

受沉積、巖溶作用控制，巖溶巖垂向上具有明顯的分帶性。馬五1+2 風化殼巖溶水動力剖面可劃分為三個帶。（1）殘積帶：以鋁土質泥質沉積為主，突破壓力大于1000 MPa，具有良好的封蓋作用，對巖溶作用來說，應為一套良好的隔水層。（2）垂直滲流帶：位于水動力剖面的最上部，此帶在不同地貌單元影響深度不同，垂直滲流帶中大氣淡水首先沿地表裂縫系統向下滲透，進入孔隙系統，形成溶蝕的孔洞縫。該帶對CaCO3不飽和，大氣淡水溶解能力強，一般位于區域上馬五14凝灰巖主隔水層之上。（3）水平潛流巖溶帶：向下垂向運移的大氣淡水到達該巖溶帶時，由于受到潛水面的頂托作用和壓力梯度的控制，使其近水平方向緩慢的向巖溶盆地部位移動；此過程中，大氣淡水未飽和，緩慢的移動易于形成大量的順層溶孔、溶溝和溶洞。巖溶斜坡上水平潛流巖溶帶最發育，其次是巖溶盆地，巖溶臺地或巖溶高地上水平潛流巖溶帶欠發育。

表2 高橋區部分鉆井巖心巖溶角礫巖統計

3 巖溶古地貌恢復

3.1 巖溶古地貌恢復方法

根據本區地震、地質資料，對比各方法優劣[4-9]，確定以殘余厚度法、印模法為主，兼顧古地質學法、地球物理法等四種進行巖溶古地貌形態劃分。殘余厚度法以馬五22底部（k2）餅狀灰褐色白云巖做為參考標志層，以馬五1+2 殘余厚度反映古地貌特征，此方法簡單易行，但未考慮區域構造因素。印模法根據太原組底8號煤標志層以下本溪組厚度進行劃分，以標志層至風化殼頂部的厚度鏡像反映古地貌形態，此方法所反映的古地貌是殘留厚度與區域構造的綜合反映，因此結論更為客觀、準確。

3.2 巖溶古地貌恢復步驟

具體巖溶古地貌劃分采用以下步驟：（1）確定奧陶系頂部出露層位，刻畫古地質圖；（2）地震地質結合，應用地球物理法確定馬家溝組地層邊界與侵蝕溝槽分布；（3）應用印模法刻畫太原組底部至奧陶系頂部地層厚度圖，并且去壓實校正，應用殘余厚度法刻畫馬五1+2殘余厚度圖；（4）綜合各種方法進行古地貌單元識別與古地貌圖編制。

3.3 巖溶古地貌劃分方案與恢復

主要依據“印模法、殘余厚度法”建立巖溶古地貌單元劃分方案（見表3），并將高橋區劃分為西部巖溶斜坡區、中部巖溶潛臺區、東部溝槽發育區三個二級地貌單元，緩坡、殘丘、洼地、溝槽等四個三級地貌單元。具體劃分依據本溪組和馬五1+2 地層厚度相關關系，上薄下薄型（指本溪組、馬五1+2 殘余厚度均?。﹦澐譃閹r溶斜坡，上薄下厚型劃分為巖溶臺地、殘丘，上厚下厚型劃分為巖溶洼地，上厚下薄型劃分為侵蝕溝槽、潛坑。巖溶古地貌單元的劃分結果同時參考了古地質圖、侵蝕溝槽預測圖等。

整體而言，高橋地區主體處在低洼平緩的巖溶斜坡帶，為一大的巖溶臺地，不發育大型侵蝕溝槽，僅發育毛細支潛溝和潛坑。西部巖溶斜坡區為區域剝蝕區，從東向西依次剝蝕馬五11至馬五22，中部巖溶潛臺區發育緩坡、殘丘、洼地，東部溝槽發育區發育侵蝕溝槽，但溝槽較淺、可見溝間殘丘。

表3 高橋區奧陶系風化殼巖溶地貌單元劃分方案

3.4 區域巖溶發育模式

根據馬五1+2 古巖溶發育特征及其古地貌恢復，建立研究區古巖溶發育模式：（1）隔水層對巖溶水動力作用影響明顯，如馬五14底部凝灰質泥質白云巖區為垂直滲流帶和水平潛流帶的重要分界，鋁土礦連片發育區阻礙垂直滲流作用等；（2）不同地貌單元巖溶作用強度不同，西部巖溶斜坡區水侵蝕作用較強，巖溶作用相對較強，中部潛臺區巖溶強度變低，東部溝槽區因侵蝕深度加大，巖溶作用向下影響到馬五2 段。

4 巖溶古地貌與天然氣富集關系

4.1 巖溶古地貌與巖溶作用關系

高橋區巖溶主體為一平緩的巖溶臺地，溶蝕作用弱，侵蝕溝槽不發育，以垂直滲流巖溶作用為主，水平巖溶作用相對較弱；僅在西側巖溶斜坡及東部溝槽附近巖溶作用有所增強。由于地勢低緩，風化淋濾帶厚度逐漸變薄，由靖邊氣田向高橋區石膏出露層位變淺，且由西向東含膏云巖距風化殼厚度減薄,出露層位逐漸變淺，西側以馬五42為主，向東逐漸過渡到馬五32。巖溶坍塌縫和陡壁拉張縫發育程度較低，充填作用增強，溶孔、裂縫主要為半-強充填至方解石全充填，孔縫配置關系差，溝通溶孔和提高儲層滲流能力的作用比靖邊氣田差。由于溝槽少且淺，加上不整合面上“鋁土層”和馬六地層的發育，對壓釋水和烴源向下運移起阻礙作用，也缺乏溝槽附近的側向運移[10]，造成壓釋水循環動力降低，天然氣運聚能量受限，充注強度降低，地層水驅替能量減弱滯留形成了較多的“相對富水區”。

4.2 巖溶古地貌與儲層物性關系

西部斜坡區受強垂直滲流作用影響，多層含氣特征明顯，馬五22、馬五12、馬五13氣層較為發育。其中，中部潛臺區地勢相對平緩，溶蝕作用減弱，垂向溶蝕深度變淺，導致主力氣層上移，馬五12儲層發育，馬五13儲層發育較差，局部發育但含水偏多；東部溝槽區發育三條支溝槽，受沉積相帶、垂向滲流和溝槽附近水平滲流作用影響，馬五13儲層普遍好于馬五12?？傊?，高橋區以馬五12、馬五13為主力氣層，但其分布具有明顯的分區性，中部潛臺區馬五12較發育，東部溝槽區馬五13發育程度高。

4.3 巖溶古地貌與氣井產能的關系

從試氣結果看，高橋區整體產量偏低，局部存在“甜點”。依據古地貌成果，天然氣主要富集于西部斜坡、中部潛臺的殘丘和緩坡、東部的溝槽附近。

5 結論

（1）運用印模法和殘厚法及古地質圖法、地球物理法對巖溶古地貌進行初步恢復，高橋區主體處在低洼平緩的巖溶斜坡帶，侵蝕溝槽不發育；由西向東依次為西部斜坡區、中部潛臺區、東部溝槽區。

（2）多期巖溶作用形成了高橋區復雜的巖溶巖體系和溶孔-裂縫型儲層，孔縫內方解石充填程度高，導致該區儲滲條件變差。

（3）建立了高橋區馬五1+2 巖溶發育模式，巖溶作用縱向上具有明顯分帶性，垂直-水平滲流作用主要發生于馬五12、馬五13；平面上受不同強度溶蝕和充填作用的控制，主力儲層為馬五12、馬五13小層，并具有明顯的分區性，中部潛臺區馬五12較發育，東部溝槽區馬五13發育程度高。

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