蘇里格東南區(qū)古地貌恢復(fù)及其與氣水分布關(guān)系

張 晨，李進(jìn)步，陳存良，劉治恒，張園園，任戰(zhàn)利，楊 燕

(1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；2.中國石油長慶油田公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；3.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)20%～30%的大氣田發(fā)育于古風(fēng)化殼巖溶儲(chǔ)層之中[1]，20世紀(jì)70年代中后期至今，與古巖溶相關(guān)的古地貌研究逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者重視，并得以廣泛應(yīng)用。古地貌恢復(fù)是對(duì)歷史時(shí)期盆地面貌變化進(jìn)行分析的一種重要手段，是以構(gòu)造變形作用為主，風(fēng)化剝蝕、充填沉積、差異壓實(shí)等綜合作用的結(jié)果[2]。

目前常用的古地貌刻畫方法有：地球物理法、印模法、殘余厚度法、沉積學(xué)法、層序地層法及層拉平法、回剝法、構(gòu)造趨勢(shì)面轉(zhuǎn)化法、計(jì)算機(jī)模擬法等[2-11]。

蘇中堂、王建民等運(yùn)用地球物理法，通過提升測(cè)井、地震屬性，建立古地貌的識(shí)別標(biāo)志模型，最后運(yùn)用井震等地球物理資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證、約束，直至接近最理想的程度[2-4]。該方法直觀準(zhǔn)確，但刻畫精度較低。夏日元、魏新善等運(yùn)用印模法及殘厚法恢復(fù)古地貌[5-8]。印模法目前應(yīng)用最為廣泛，其原理是利用上覆地層與古地貌之間的“鏡像”關(guān)系，通過上覆地層的厚度來半定量恢復(fù)古地貌形態(tài)。該方法簡(jiǎn)單易行，但基準(zhǔn)面與剝蝕面之間地層的真實(shí)厚度恢復(fù)難度較大。殘余厚度法與印模法原理相似，區(qū)別在于需在剝蝕開始之前所沉積的地層中，選取標(biāo)志層作為基準(zhǔn)面，并將其拉平，該基準(zhǔn)面之上殘余地層厚度即可代表當(dāng)時(shí)的古地貌形態(tài)。該方法直觀且刻畫精細(xì)，但卻未考慮構(gòu)造及剝蝕差異對(duì)沉積厚度的影響。趙俊興等運(yùn)用沉積學(xué)法恢復(fù)古地貌，即借助沉積巖相古地理特征，從而定性地恢復(fù)當(dāng)時(shí)的古地貌特征[9]。沉積學(xué)法恢復(fù)古地貌簡(jiǎn)單、易于操作，但影響因素復(fù)雜、工作量大，且精度較低。宋國奇、趙俊興等運(yùn)用層序地層法，將層序地層學(xué)引入古地貌恢復(fù)之中，在建立上覆地層等時(shí)層序格架的基礎(chǔ)上，將其拉平，運(yùn)用其與風(fēng)化殼等勢(shì)面之間的地層來反應(yīng)古地貌形態(tài)[10-11]。該方法優(yōu)點(diǎn)是上覆基準(zhǔn)面相對(duì)等時(shí)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是2個(gè)等時(shí)界面的選擇較為困難。

不同的學(xué)者雖然采用不同的方法對(duì)不同地區(qū)的古地貌進(jìn)行恢復(fù)研究，但各種分析方法均各有利弊。此外，就鄂爾多斯盆地而言，盆地尺度、油氣田尺度的巖溶古地貌研究已趨于成熟[12-15]，但井區(qū)尺度的沉積期古地貌研究仍處于探索之中[12]。因此在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，文中首次采用綜合法對(duì)蘇里格東南部地區(qū)三級(jí)巖溶古地貌進(jìn)行精細(xì)劃分與解釋，即：井震結(jié)合初步確定地層下古生界地層格架；統(tǒng)計(jì)奧陶系頂部地層出露情況，了解古構(gòu)造格局及各地區(qū)剝蝕程度；合理選擇基準(zhǔn)面，采用印模法及殘厚法初步恢復(fù)古地貌；最終依照每種方法的優(yōu)弊進(jìn)行取舍，多角度綜合劃定研究區(qū)三級(jí)古地貌劃分標(biāo)準(zhǔn)，恢復(fù)巖溶古地貌形態(tài)，并分析不同地貌形態(tài)與氣水分布間的關(guān)系。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地受加里東運(yùn)動(dòng)影響，于奧陶紀(jì)盆地中央呈現(xiàn)“L”形隆起構(gòu)造雛形[16]。早奧陶世，盆地在經(jīng)歷短暫抬升之后，開始接受馬家溝組碳酸鹽巖沉積；隨著加里東運(yùn)動(dòng)逐漸加劇，華北地臺(tái)整體抬升，中奧陶及早石炭地層被廣泛剝蝕，發(fā)育風(fēng)化殼巖溶型儲(chǔ)集體，與上覆的晚石炭統(tǒng)海陸交互源巖沉積層呈區(qū)域不整合接觸[7]。后經(jīng)晚三疊世至白堊紀(jì)內(nèi)陸盆地發(fā)展，以及新生代周邊斷陷盆地發(fā)育形成了現(xiàn)今南北隆升、東抬西沖、盆內(nèi)斜坡西傾與天環(huán)向斜相連的構(gòu)造面貌[14-17]。

蘇里格東南部位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡北部(圖1)，地區(qū)面積790 km2，完鉆井468口，其中探井19口，在平緩西傾的單斜背景上發(fā)育一系列北東-北東東向復(fù)式鼻狀構(gòu)造[18-22]。奧陶紀(jì)末，研究區(qū)位于中央古隆起東側(cè)，差異性抬升剝蝕致使該區(qū)風(fēng)化殼儲(chǔ)層發(fā)育，表現(xiàn)出較大的勘探開發(fā)潛力。

2 常規(guī)法巖溶古地貌恢復(fù)

2.1 前石炭古地質(zhì)特征

在對(duì)研究區(qū)217口鉆至奧陶系單井進(jìn)行小層對(duì)比與劃分的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)每口鉆井所揭示的奧陶系頂面出露層位(表1)，繪制研究區(qū)前石炭系古地質(zhì)圖(圖2)，宏觀分析石炭系沉積前的古地貌特征。

圖1 蘇里格東南部區(qū)域地質(zhì)概況Fig.1 Gedogical overview of the southeastern region of Sulige

表1 蘇里格東南部前石炭紀(jì)地層出露情況統(tǒng)計(jì)

圖2 蘇里格地區(qū)東南部前石炭紀(jì)古地質(zhì)特征Fig.2 Ancient geological of the Pre-Carboniferous in the southeastern part of the Sulige Area

2.2 “印模”地層分布特征及古地貌指示

在選取標(biāo)志層參考面時(shí)，按照全區(qū)穩(wěn)定分布等時(shí)界面、與風(fēng)化殼面距離較近、巖性界面易于識(shí)別3大原則[9，13]，選取本溪組頂部8#煤層為基準(zhǔn)面(圖3)，采用填平補(bǔ)齊的沉積補(bǔ)償原理[23]，對(duì)地層抬升剝蝕后古地貌輪廓進(jìn)行刻畫。本溪組由頂部煤層與底部大套泥巖夾砂層組成，且全區(qū)廣泛分布。考慮壓實(shí)減孔對(duì)砂泥巖及煤系地層厚度影響較大[24]，因此先對(duì)本溪組厚度進(jìn)行壓實(shí)校正，具體如下

2.2.1 求取壓實(shí)系數(shù)[25]

φ=φ0exp(CZ)

(1)

2.2.2 求取去壓實(shí)后目標(biāo)層頂?shù)咨疃萚24]

(2)

將式(1)帶入有

φexp-C′Z)d(D)

(3)

2.2.3 求取去壓實(shí)后目標(biāo)層骨架高度及壓實(shí)率

D=D2-D1

(4)

D′=D2′-D1′

(5)

(6)

式中Z為深度，m；φ為Z處對(duì)應(yīng)孔隙度，%；φ0為地表孔隙度(表2)，%；C為壓實(shí)系數(shù)；D1，D2為分別表示目標(biāo)地層當(dāng)前的頂深和底深，m；D1′，D2′分別表示壓實(shí)校正后目標(biāo)層定頂深度，m；D′為校正后目標(biāo)層厚度，m；D為當(dāng)前目標(biāo)層厚度，m；Φ為壓實(shí)率，%.

表2 不同巖性的地表孔隙度[25]

經(jīng)計(jì)算，該區(qū)本溪組砂巖平均壓實(shí)率為28.7%，泥巖及煤層壓實(shí)率為63%左右。在對(duì)本溪組地層進(jìn)行去壓實(shí)校正之后，得到本溪組原始沉積厚度等值線圖，進(jìn)而表征古地貌形態(tài)(圖4)。可知，其整體反映了奧陶末期蘇里格東南部西高東低、北高南低的地貌形態(tài)，與古地質(zhì)圖分析結(jié)果較為一致。西北部及東北部地層厚度相當(dāng)，多分布于10～17 m之間，向南地層厚度逐漸增大。南部地區(qū)表現(xiàn)出溝脊相間的特征，桃2-36-2井—蘇93井、桃2-30-14井—桃47井、陜50井—桃2-30-25井均呈現(xiàn)為北西-南東向展布特征，地層最厚處可達(dá)26.2 m.西部地區(qū)平均地層厚度高于東部地區(qū)，其中桃2-16-16井區(qū)、桃2-16-20井區(qū)、桃2-1-8井區(qū)厚度最大，均大于30 m，對(duì)應(yīng)在本溪組沉積時(shí)表現(xiàn)為低洼特征。

2.3 “殘厚”地層分布特征及古地貌指示

圖3 蘇里格東南部地區(qū)南北向地層對(duì)比(石炭系頂拉平)Fig.3 North-south stratigraphic contrast section of southeastern Sulige(Carboniferous top alignment)

可知，古地貌整體西北偏高，起伏強(qiáng)烈；東南、西南地區(qū)仍表現(xiàn)出近北西-南東向溝脊相間形態(tài)，與印模法分析結(jié)果較為一致。在加里東期強(qiáng)烈構(gòu)造作用的影響下，殘厚小于40 m的區(qū)域主要位于研究區(qū)西部、北部地區(qū)，厚度變化幅度大且連續(xù)性差，桃2-21-8井處殘余地層厚度最小，為24.6 m.由此說明，西部及北部地區(qū)遭受風(fēng)化及剝蝕作用強(qiáng)烈，屬低地貌單元。大于60 m的地層分布于研究區(qū)內(nèi)中部地區(qū)，面積小且起伏程度小，向西逐漸殲滅，其中桃2-12-13C1井、桃35井、桃2-16-19井、桃2-30-8井K3標(biāo)志層之上殘厚度均大于65 m，并且均有馬六地層殘余，屬高地貌單元。40～60 m地層分布最為廣泛，占全區(qū)面積3/4，其間厚度變化幅度較小，說明其地勢(shì)起伏較為平緩，遭受剝蝕程度較小。

3 綜合法古地貌單元?jiǎng)澐旨捌涮卣?/h2>

運(yùn)用沉積學(xué)古地質(zhì)分析，雖能較好確定古地貌形態(tài)，但其精度不夠[2，4]。印模法容易操作，并能較為精細(xì)的恢復(fù)古地貌。殘厚法對(duì)古地貌的刻畫直觀，也較為精細(xì)，但基準(zhǔn)面的選擇、壓實(shí)校正的準(zhǔn)確度等都會(huì)影響最終結(jié)果[4，9]。上述分析結(jié)果也體現(xiàn)出相同結(jié)論，各種方法之間雖結(jié)果相似，能相互印證，但局部結(jié)果仍有差異。因此，文中在古地貌恢復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，以鄂爾多斯盆地沉積背景為根本，通過去壓實(shí)校正，將印模法作為重點(diǎn)，綜合古地質(zhì)分析以及殘厚分析結(jié)果，將研究區(qū)奧陶系巖溶古地貌進(jìn)一步精細(xì)劃分為2個(gè)二級(jí)單元和9類三級(jí)單元(圖7)，具體劃分指標(biāo)見表3.

圖4 蘇里格東南部地區(qū)印模法恢復(fù)古地貌Fig.4 Impression method to restore the ancient landscape in southeastern part of Sulige Area

圖5 蘇里格東南部地區(qū)東西向地層對(duì)比剖面(馬底拉平)Fig.5 East-west stratigraphic contrast section of southeastern bottom alignment)

3.1 巖溶高地

3.2 巖溶斜坡

巖溶斜坡是該地區(qū)主體古地貌單元，去壓實(shí)后石炭系厚度為15～50 m，K3標(biāo)志層之上殘余厚度為30～55 m.以石炭系及殘余地層相對(duì)厚度為標(biāo)準(zhǔn)，巖溶斜坡又可進(jìn)一步劃分為6個(gè)三級(jí)單元。

殘丘處石炭系厚度多小于30 m，是古巖溶斜坡上呈孤立丘狀分布的古高地，分布范圍較小，主要位于桃2-5-8井區(qū)，桃2-16-18井區(qū)，桃2-8-24-陜166井區(qū)，在加里東期所經(jīng)歷的風(fēng)化剝蝕時(shí)間較長。

表3 奧陶系巖溶古地貌單元?jiǎng)澐直?/p>

注：H1,H2分別為石炭紀(jì)厚度及殘余厚度；ΔH1、ΔH2分別為為石炭系厚度、殘厚與各自平均值差值。

圖6 蘇里格東南部地區(qū)殘厚法恢復(fù)古地貌Fig.6 Residual thick method to restore ancient landforms in southeastern part of Sulige Area

洼地是巖溶斜坡內(nèi)的負(fù)相地形區(qū)，殘余地層厚度多小于10 m，面積較小，多位于溝槽水系發(fā)育末端。由于該區(qū)域地勢(shì)低、水體深，因此水體流動(dòng)緩慢，化學(xué)沉淀作用強(qiáng)，不利于儲(chǔ)集體的形成與保存。

4 巖溶古地貌與氣水分布關(guān)系

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組頂部的巖溶古地貌控制著古巖溶作用類型及強(qiáng)度，進(jìn)而改變了風(fēng)化殼古巖溶儲(chǔ)層的巖性及物性條件[5]。但受地層疊覆順序及風(fēng)化作用強(qiáng)度對(duì)儲(chǔ)層影響的強(qiáng)度所限，前石炭紀(jì)古地貌對(duì)奧陶系上組合地層影響較大[8，28]，因此，文中重點(diǎn)討論研究區(qū)前石炭紀(jì)末古地貌與奧陶系馬家溝組上組合氣水分布間的關(guān)系。

圖7 蘇里格東南部地區(qū)前石炭紀(jì)古地貌圖與馬家溝組上組合氣水分布疊合圖Fig.7 Pre-Carboniferous paleogeomorphology and distribution of gas-water on the Majiagou Formation

疊合古地貌與上組合氣水分布(圖7)，并結(jié)合前人關(guān)于巖溶儲(chǔ)層特征研究成果可知，研究區(qū)前石炭紀(jì)古地貌形態(tài)對(duì)奧陶系上組合氣水差異性分布影響較大。古巖溶高地在研究區(qū)內(nèi)面積較小，垂向滲流為主，多發(fā)育縱向溶洞且非均一性明顯[28]，不利于形成有益于天然氣聚集成藏的層狀巖溶帶，僅局部地勢(shì)相對(duì)較高的殘丘地區(qū)尚有天然氣分布。古巖溶斜坡是古地貌主體單元，其中殘丘風(fēng)化殼巖石類型以白云巖為主，主要表現(xiàn)為淡水淋濾溶蝕作用[23-31]，具有良好的儲(chǔ)集性能；一級(jí)殘丘、二級(jí)殘丘各自所包含的氣井占比40.0%，26.7%；36.9%的差氣層井位于二級(jí)殘丘之上，其次為一級(jí)殘丘含差氣層井26.0%.氣水同產(chǎn)井多位于二級(jí)殘丘及上斜坡單元，分別為31.8%，27.3%.產(chǎn)水井則集中分布于上斜坡、二級(jí)殘丘及下斜坡古地貌單元之內(nèi)，占比20.8%，45.8%，12.5%.此外，溝槽兩側(cè)分布有3.1%的差氣層井。古洼地為巖溶水的匯集區(qū)[28]，巖溶作用相對(duì)較弱，所含氣層、水層均較少。

綜上，奧陶紀(jì)末期蘇里格東南部地區(qū)主要呈現(xiàn)西高東低、北高南低的地貌形態(tài)，古巖溶高地分布局限，古巖溶斜坡廣泛展布，其間三級(jí)地貌單元高低相間分布。至晚三疊世、中-晚侏羅世，上古煤系烴源巖進(jìn)入生排烴高峰，天然氣下穿奧陶系頂部鋁土巖缺失部位發(fā)生垂向運(yùn)移[22]，在奧陶系風(fēng)化殼巖溶儲(chǔ)層裂縫及孔隙中向下充注并發(fā)生側(cè)向運(yùn)移，在當(dāng)時(shí)地勢(shì)相對(duì)較高的一級(jí)殘丘、二級(jí)殘丘、上斜坡等部位聚集成藏。至燕山運(yùn)動(dòng)中期，整個(gè)盆地由東傾單斜轉(zhuǎn)為西傾單斜。最初在西部古殘丘及上斜坡圈閉中聚集的天然氣，受側(cè)向遮擋而被保留；其余低部位聚集的天然氣在自身浮力及水動(dòng)力作用下，向東部構(gòu)造高部位發(fā)生大面積后期運(yùn)移與調(diào)整，驅(qū)替高部位地層水向西部底勢(shì)區(qū)調(diào)整。最終出現(xiàn)現(xiàn)今中東部及前石炭古地貌呈巖溶高地貌單元的西北、南部中富氣，中西部地區(qū)富水的氣水分布格局。

5 結(jié) 論

2)綜合法恢復(fù)古地貌形態(tài)，將印模法與殘厚法二者有機(jī)結(jié)合，并參考印模地層厚度、殘余地層厚度與平均厚度值間的相對(duì)變化情況，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際將前石炭古地貌精細(xì)刻畫為2類二級(jí)單元和9類三級(jí)地貌單元。蘇里格東南部地區(qū)奧陶系巖溶古地貌形態(tài)為“西高東低、北高南低”的分布格局，以巖溶斜坡地貌單元為主，主要發(fā)育上斜坡、下斜坡、一級(jí)殘丘和二級(jí)殘丘，局部發(fā)育古洼地和古溝槽。

3)蘇里格東南部地區(qū)奧陶系上組合氣水主要表現(xiàn)為西北、東部及東南部富氣，中西部富水的特征。水層、氣水同層因受燕山期地層翹轉(zhuǎn)影響，多分布于研究區(qū)中西部古巖溶上斜坡地區(qū)。古洼地、古溝槽溶蝕淋濾作用較弱，不利于天然氣富集，但仍有少量低產(chǎn)氣井分布其中。巖溶斜坡古殘丘及上斜坡地區(qū)則是天然氣高產(chǎn)井的目標(biāo)區(qū)。