華北北部地區(qū)薊縣系高于莊組-霧迷山組白云巖 儲(chǔ)層特征與形成主控因素

李朋威，何治亮，羅 平，金廷福，張 英，馮建赟，宋金民，徐士林

(1.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)石油化工股份有限公司，北京100728； 3.中國(guó)石油 勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 4.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059)

1975年，任丘潛山油氣藏的發(fā)現(xiàn)為冀中坳陷中、新元古界碳酸鹽巖油氣勘探拉開(kāi)了序幕。到目前為止，冀中坳陷潛山已經(jīng)經(jīng)歷了40多年的勘探歷程，并發(fā)現(xiàn)了一系列的潛山油氣藏[1-4]。根據(jù)冀中坳陷油氣探明儲(chǔ)量報(bào)告，潛山油氣藏中石油與天然氣探明儲(chǔ)量分別為5×108t和180×108m3，分別占該區(qū)石油與天然氣探明總儲(chǔ)量的一半以上[5]。統(tǒng)計(jì)表明，這些油氣資源大多賦存于冀中坳陷薊縣系高于莊組(Jxg)與霧迷山組(Jxw)白云巖儲(chǔ)層中[5-7]。同時(shí)，地?zé)豳Y源勘查結(jié)果表明，冀中坳陷潛山中亦蘊(yùn)藏有豐富的巖溶地?zé)豳Y源[8-9]，其中雄縣(牛駝鎮(zhèn)凸起)地?zé)崽锛礊榈湫偷拇?，其熱?chǔ)主要為薊縣系霧迷山組白云巖熱儲(chǔ)[10-11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，冀中坳陷潛山地?zé)崽锏臒醿?chǔ)溫度最高可達(dá)110 ℃以上，熱儲(chǔ)單井產(chǎn)量可達(dá)120 m3/h以上[12]。因此，冀中坳陷薊縣系高于莊組-霧迷山組白云巖儲(chǔ)層不僅蘊(yùn)藏有大量的油氣資源，同時(shí)也蘊(yùn)藏有豐富的地?zé)豳Y源，表明華北北部地區(qū)高于莊-霧迷山組發(fā)育有規(guī)模的優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層。

根據(jù)前人研究，華北北部地區(qū)高于莊組-霧迷山組發(fā)育有風(fēng)化殼型和內(nèi)幕型兩種白云巖儲(chǔ)層類型，以巖石類型與儲(chǔ)集空間類型多樣、孔隙結(jié)構(gòu)與受控因素復(fù)雜以及非均質(zhì)性強(qiáng)為特征[3,5-7,12-14]。為了進(jìn)一步查明該區(qū)高于莊組-霧迷山組碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征，本項(xiàng)目在前人研究的基礎(chǔ)上，以薊縣周邊露頭區(qū)主要研究對(duì)象，結(jié)合任丘潛山部分取心段，開(kāi)展了野外露頭地質(zhì)考察、巖心觀察、鏡下鑒定與孔滲分析等研究工作，明確了高于莊組-霧迷山組優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層類型及其形成主控因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

華北板塊的形成與演化可劃分為結(jié)晶基底形成階段、蓋層發(fā)展階段和地殼強(qiáng)烈活動(dòng)階段[15]。根據(jù)區(qū)域地層對(duì)比可知，華北板塊中新元古界地層發(fā)育相對(duì)完整，區(qū)域上具有相似的沉積構(gòu)造背景，主要形成于蓋層發(fā)展的早期階段，為一套巨厚的碎屑巖和碳酸鹽巖沉積建造(圖1a，b)。根據(jù)華北板塊晚長(zhǎng)城世-薊縣紀(jì)古地理格局，這一時(shí)期的碳酸鹽巖主要形成于燕遼拗拉槽地帶，呈北東向的帶狀展布(圖1c)，其沉積環(huán)境主要為潮坪相至較深水環(huán)境[16]。薊縣地區(qū)為其沉積中心，根據(jù)地層厚度統(tǒng)計(jì)，薊縣系高于莊組最厚可達(dá)1 500 m以上，霧迷山組最厚可達(dá)3 000 m以上。

薊縣地區(qū)中、新元古界地層出露連續(xù)、界線清楚，多年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家研究前寒武紀(jì)地層重要的層型剖面。根據(jù)最新的地層精確定年和區(qū)域地層對(duì)比，研究區(qū)中新元古界頂部多套地層有缺失。其中，鐵嶺組與下馬嶺組、下馬嶺組與長(zhǎng)龍山組之間及井兒峪組頂部均有不同程度的沉積缺失[17]。按照最新的地層劃分方案，中新元古界可劃分為4個(gè)系、12個(gè)組，其中1個(gè)系待定[17](圖1b)。中元古界薊縣系霧迷山組和高于莊組為一套巨厚的碳酸鹽巖地層[18]，其中霧迷山組已基本被白云石化，高于莊組部分白云石化。

2 白云巖儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)特征

縱觀薊縣地區(qū)中、新元古界巖性分布特征，白云巖主要發(fā)育于薊縣系霧迷山組，而高于莊組局部層段白云石化(下部為主)，其他層系以灰?guī)r為主或碳酸鹽巖不甚發(fā)育。

通過(guò)大量的巖石露頭與鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)高于莊組-霧迷山組白云巖具有類型多樣和結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜的特征。其中，霧迷山組以大量發(fā)育的微生物白云巖為特征，可見(jiàn)疊層石、層紋石、均一石、凝塊石和核形石等微生物巖類型(圖2a—g)，其中疊層石按形態(tài)又可劃分為柱狀、錐狀、丘狀、層狀和波狀等類型，并以丘狀、層狀和波狀為主。巖石結(jié)構(gòu)以亮暗相間的紋層、凝塊、核形石和似球粒等為特征(圖3a—f)。其中，疊層石紋層呈連續(xù)或斷續(xù)分布，紋層寬度為0.01～0.5 mm不等；凝塊多為斑狀或不規(guī)則狀，凝塊間常為亮晶膠結(jié)；核形石呈球狀、橢球狀或不規(guī)則狀，具有同心圈層構(gòu)造；球粒大小較均勻，呈圓或橢圓狀，色暗富含有機(jī)質(zhì)。除此之外，還可見(jiàn)硅質(zhì)條帶狀白云巖、砂礫屑白云巖與晶粒白云巖等(圖2h，圖3h—i)。相比霧迷山組，高于莊組白云巖類型相對(duì)單一，可見(jiàn)大量發(fā)育微生物白云巖，但主要以層狀和微波狀疊層石為主，另外，可見(jiàn)硅質(zhì)條帶或結(jié)核狀白云巖等(圖2i)。

2.2 儲(chǔ)集空間與組合特征

2.2.1 儲(chǔ)集空間類型

研究表明，薊縣系高于莊組-霧迷山組尤其是霧迷山組白云巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型多樣，在巖石露頭、巖心與薄片上均可看到不同規(guī)模和不同尺度的孔洞縫，它們單獨(dú)或呈一定組合構(gòu)成孔-洞以及孔-縫或孔-洞-縫等儲(chǔ)集系統(tǒng)。這些孔洞縫在成因上以次生為主，同時(shí)受構(gòu)造、巖溶和微生物結(jié)構(gòu)等多方面的影響。

宏觀尺度方面，薊縣系高于莊組-霧迷山組可見(jiàn)大型的巖溶洞穴和裂縫系統(tǒng)。其中，巖溶洞穴在縱向上呈串珠狀，為多期溶蝕的產(chǎn)物，其分布與斷裂有關(guān)，往往沿?cái)嗔逊植?圖4a，b)；裂縫系統(tǒng)由多組解理縫構(gòu)成，可見(jiàn)立縫與平縫的組合，并有溶蝕擴(kuò)大現(xiàn)象(圖4c)，多發(fā)育于褶皺的軸部，即褶皺曲率較大的構(gòu)造部位。裂縫的發(fā)育不僅增強(qiáng)了儲(chǔ)層的滲透性，同時(shí)又促進(jìn)了巖溶作用的發(fā)生。

中觀尺度方面，可見(jiàn)沿疊層石紋層發(fā)育的針狀溶孔或小型孔洞(圖4d，f)，以及與凝塊石相關(guān)的溶蝕孔洞(圖4f—h)，其形態(tài)近圓形、扁平狀或不規(guī)則狀，大小一般為0.1～10 mm。這些孔洞的發(fā)育往往與微生物格架相關(guān)，其中，疊層石白云巖溶蝕孔洞的發(fā)育往往與亮色紋層的溶蝕有關(guān)，而凝塊石白云巖溶蝕孔洞的發(fā)育與凝塊石亮晶膠結(jié)物的溶蝕有關(guān)。

微觀尺度方面，可見(jiàn)大量晶間孔與晶間溶蝕孔洞，其大小一般為0.1～3.5 mm，且大多發(fā)育于殘余凝塊石白云巖中，認(rèn)為與凝塊間亮晶膠結(jié)物的重結(jié)晶和溶蝕作用有關(guān)(圖4j—l)。除此之外，部分孔隙的發(fā)育與疊層石亮色紋層的溶蝕有關(guān)(圖4i)，但相比凝塊石白云巖，溶蝕孔洞相對(duì)不發(fā)育。微觀孔洞的發(fā)育特征更進(jìn)一步說(shuō)明了其形成與微生物結(jié)構(gòu)相關(guān)。另外，可見(jiàn)構(gòu)造縫，并有溶蝕擴(kuò)大現(xiàn)象(圖4i，k)。

圖1 天津薊縣地區(qū)地質(zhì)圖與中、上元古界地層綜合柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[19-20]，修改)Fig.1 The geology and composite stratigraphic column of Jixian County,Tianjin(modified after references[19-20])a.天津薊縣地質(zhì)簡(jiǎn)圖;b.天津薊縣中、新元古界地層綜合柱狀圖;c.研究區(qū)地理位置

圖2 天津薊縣地區(qū)薊縣系高于莊組-霧迷山組白云巖宏觀特征Fig.2 Macroscopic features of the Gaoyuzhuang-Wumishan dolomites in the Jixian System of Jixian County,Tianjina.(微)波狀疊層石白云巖，紋層呈波狀，連續(xù)或斷續(xù)分布，Jxw；b.丘狀疊層石白云巖，紋層呈丘狀凸起，連續(xù)分布，Jxw；c.小型柱狀疊層石,紋層呈丘狀凸起，斷續(xù)分布，Jxw;d.錐狀疊層石白云巖，紋層呈錐狀凸起，斷續(xù)或連續(xù)分布，Jxw；e.凝塊石白云巖，凝塊呈深灰色的不規(guī)則狀，Jxw；f.核形石白云巖，核形石呈球狀、橢球狀或不規(guī)則狀，Jxw；g.層紋石白云巖，紋層呈水平狀連續(xù)分布，Jxg；h.硅質(zhì)條帶狀白云巖,Jxw；i.結(jié)核狀白云巖， 硅質(zhì)結(jié)核呈橢球體或不規(guī)則狀，Jxg

2.2.2 儲(chǔ)集空間組合與分布特征

按照儲(chǔ)集空間組合特征，可將高于莊組-霧迷山組白云巖儲(chǔ)層劃分為孔洞縫復(fù)合型、裂縫-孔隙型和孔隙型3種類型。根據(jù)丁連湖[21](2002)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，薊縣系霧迷山組白云巖儲(chǔ)層以孔洞縫復(fù)合型為主，其中任丘、雁翎和留北等潛山油氣儲(chǔ)層均為這種類型，其次為孔隙型和裂縫-孔隙型；而高于莊組主要發(fā)育裂縫-孔隙型和孔隙型兩種類型(表1)。

在垂向上，儲(chǔ)層分布具有一定的規(guī)律性。其中，孔洞縫復(fù)合型儲(chǔ)層主要發(fā)育于2 000～3 500 m深處，屬于中等埋藏深度，而裂縫孔隙型和孔隙型儲(chǔ)層則一般發(fā)育于3 500 m以深的深層。對(duì)于同一個(gè)白云巖儲(chǔ)集體來(lái)說(shuō)，在縱向上具有明顯的分帶性。以任丘潛山油氣儲(chǔ)層為例，在縱向上可劃分為3個(gè)帶：蝕孔洞縫發(fā)育帶、小型溶蝕孔洞發(fā)育帶和溶蝕孔發(fā)育帶[13]。其中，大型溶蝕孔洞縫發(fā)育帶發(fā)育于儲(chǔ)集體的上部，并沿?cái)鄬臃植?，鉆井過(guò)程中發(fā)生了大量的放空、漏失和擴(kuò)徑現(xiàn)象；小型溶蝕孔洞發(fā)育帶發(fā)育于儲(chǔ)集體的中部，順層分布；溶蝕孔發(fā)育帶則發(fā)育于儲(chǔ)集體的下部，順層分布(圖5)。

2.3 孔、滲特征

根據(jù)物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，薊縣系霧迷山組白云巖儲(chǔ)層物性最好，其孔隙度平均值為2.3%，最大值為9.4%，滲透率平均值為0.25×10-3μm2，最大可達(dá)45.90×10-3μm2；薊縣系楊莊組、高于莊組和長(zhǎng)城系團(tuán)山子組孔滲相差不大，儲(chǔ)層品質(zhì)整體要比霧迷山組差(表2)，同時(shí)，楊莊組和團(tuán)山子組碳酸鹽巖地層較薄，儲(chǔ)層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)較差。因此，薊縣系霧迷山組白云巖儲(chǔ)層為研究區(qū)最好的儲(chǔ)層。

在儲(chǔ)集巖石類型上，物性與含油性也表現(xiàn)出一定的差異性。根據(jù)余家仁等[13](1998)對(duì)任丘油田薊縣系霧迷山組巖性與物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，凝塊石和錐狀疊層石白云巖平均孔隙度最大，分別為3.56%和3.33%，為研究區(qū)最好的儲(chǔ)集巖石類型，而層紋石白云巖、泥粉晶白云巖、砂礫屑白云巖和泥質(zhì)白云巖的平均孔隙度均不超過(guò)2%，同時(shí)，孔隙度越大，其含油率也越大(圖6)。綜上表明，凝塊石和錐狀疊層石白云巖為研究區(qū)最有利油氣儲(chǔ)層巖石類型，并在一定程度上控制著油氣的分布。

3 主控因素分析

綜合沉積、成巖與構(gòu)造作用對(duì)高于莊組-霧迷山組白云巖儲(chǔ)層形成的影響，認(rèn)為制約儲(chǔ)層形成的因素主要有沉積相，白云石化、溶蝕、重結(jié)晶、壓實(shí)壓溶和充填膠結(jié)等成巖作用及構(gòu)造破裂作用等，其中，規(guī)模優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層的形成主要受控于微生物礁灘、印支期以來(lái)的構(gòu)造隆升與破裂作用及溶蝕作用，為多種有利因素耦合作用的結(jié)果。

3.1 相控與微生物結(jié)構(gòu)

根據(jù)前文所述，在儲(chǔ)集巖石類型中，凝塊石和錐狀疊層石白云巖具有較高的孔隙度和含油性，層紋石白云巖、泥粉晶白云巖、砂礫屑白云巖和泥質(zhì)白云巖孔隙度較低，含油性也相對(duì)較差。關(guān)于微生物巖的形成環(huán)境，前人研究認(rèn)為層狀、波狀、錐狀或錐柱狀疊層石反映了水體能量由弱變強(qiáng)的變化[22-25]，層狀疊層石形成于低能環(huán)境，發(fā)育于浪基面以下或潮間帶；錐狀或錐柱狀疊層石形成于高能環(huán)境，位于朝下帶的上部或部分潮間帶環(huán)境；而波狀疊層石形成環(huán)境介于層狀和錐柱狀疊層石之間[23,26]。核形石認(rèn)為是安靜環(huán)境下的產(chǎn)物，可能沉積于潟湖或水下洼地等低能環(huán)境[23]。而關(guān)于凝塊石的沉積環(huán)境，則存在一定的爭(zhēng)議。趙澄林等(2003)認(rèn)為凝塊石沒(méi)有水動(dòng)力改造特征應(yīng)與核形石具有相似的沉積環(huán)境；余家仁等[13](1998)、金廷福[12](2014)等則認(rèn)為凝塊石與錐狀疊層石、核形石形成于近岸潮下帶及鄰近低潮面附近的礁灘相，屬于高能環(huán)境。在露頭上，凝塊石往往呈厚層塊狀產(chǎn)出，內(nèi)部成層性差，具有一定的丘狀建隆構(gòu)造，并可見(jiàn)錐狀或錐柱狀疊層石與其共生，同時(shí)鏡下觀察發(fā)現(xiàn)凝塊石往往為亮晶膠結(jié)，因此，認(rèn)為凝塊石應(yīng)形成于高能環(huán)境。

圖3 天津薊縣地區(qū)薊縣系高于莊組-霧迷山組白云巖微觀特征Fig.3 Microscopic features of the Gaoyuzhuang-Wumishan dolomites in the Jixian System of Jixian County,Tianjina.亮暗相間紋層，暗色紋層較厚，為0.2～0.5 mm，亮色紋層一般小于0.3 mm,疊層石白云巖，Jxw；b.由連續(xù)疊置生長(zhǎng)的暗層和亮層組成，紋層寬0.01～0.1 mm不等，層紋石，Jxg；c.似球粒泥晶結(jié)構(gòu)，大小較均勻，呈圓或橢圓狀，色暗富含有機(jī)質(zhì)，Jxw；d.凝塊結(jié)構(gòu)，凝塊多為斑狀或不規(guī)則狀，亮晶膠結(jié),凝塊石白云巖，Jxw；e.殘余凝塊結(jié)構(gòu)，凝塊邊緣較為模糊，亮晶膠結(jié),殘余凝塊石白云巖，Jxw；f.核形石結(jié)構(gòu)，具同心圈層，其直徑一般大于2 mm,核形石白云巖，Jxw；g.紋層狀泥晶白云巖，紋層不甚發(fā)育，近水平狀，Jxw；h.砂礫屑白云巖，亮晶膠結(jié)，Jxw；i.殘余凝塊細(xì)-中晶白云 巖，白云石以它型為主，可見(jiàn)鋸齒狀壓溶縫，Jxw

綜合考慮凝塊石的宏觀形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，凝塊石應(yīng)屬于微生物礁的產(chǎn)物(圖7)。凝塊石作為微生物礁體產(chǎn)出并不罕見(jiàn)，美國(guó)阿拉巴馬州上侏羅統(tǒng)油田Smackover組非常重要的儲(chǔ)集體即為凝塊石礁[27]。綜合以上分析，高于莊組-霧迷山組白云巖儲(chǔ)層的形成具有明顯的相控作用，其中凝塊石和錐狀疊層石等有利儲(chǔ)集巖石主要形成于微生物礁或相對(duì)高能環(huán)境中。

圖4 華北北部地區(qū)薊縣系高于莊組-霧迷山組白云巖儲(chǔ)層宏觀與微觀特征Fig. 4 Macro- and micro-scopic features of the Gaoyuzhuang-Wumishan dolomite reservoirs in the Jixian System in the north of North Chinaa.巖溶洞穴，沿?cái)嗔寻l(fā)育，京東大溶洞，Jxg；b.巖溶洞穴，沿?cái)嗔寻l(fā)育，薊州溶洞，Jxw； c.裂縫系統(tǒng)，至少可識(shí)別出2～3組裂縫，其中2組近垂直，薊縣雙洞背斜，Jxw；d.針狀溶孔，沿紋層發(fā)育，層狀疊層石，Jxw；e.微生物格架相關(guān)孔隙，主要沿亮色紋層發(fā)育，丘狀疊層石，Jxw；f.小型溶蝕孔洞，可見(jiàn)裂縫，Y33井，Jxw；g.溶蝕孔洞發(fā)育，M41井，Jxw；h.溶蝕孔洞，GH1井，Jxw；i.溶蝕孔與裂縫，疊層石白云巖，Jxw；j.晶間溶蝕孔洞，殘余凝塊 白云巖，薊縣，Jxw；k.晶間溶孔與構(gòu)造縫，殘余凝塊白云巖，薊縣，Jxw；l.晶間溶孔洞，殘余凝塊晶粒白云巖，R28井，Jxw

表1 冀中坳陷薊縣系高于莊組-霧迷山組潛山碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型統(tǒng)計(jì)(據(jù)文獻(xiàn)[21]，修改)
Table 1 Types of the buried-hill carbonate reservoirs in the Gaoyuzhuang-Wumishan Formations in the Jixian System,Jizhong Depression(modified after reference[21])

儲(chǔ)層類型縫洞孔復(fù)合型微縫孔隙型孔隙型分布地區(qū)霧迷山組任丘、莫東、雁翎、薛莊、留北大王莊東八里莊、八里莊西高于莊組—梁村河間氣藏?cái)?shù)量/個(gè)5133埋藏深度/m2 000～3 500>3 500—

圖5 任丘油田潛山巖溶垂向分布(據(jù)文獻(xiàn)[13]，修改)Fig.5 The vertical distribution of karstification in the buried hill of Renqiu oilfield(modified after reference[13])

表2 中、新元古界主要碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔、滲特征
Table 2 Porosity and permeability characteristics of the major Middle-to-Upper Proterozoic carbonate reservoirs

儲(chǔ)層巖性孔隙度/%滲透率/(10-3 μm2)最小最大平均最小最大平均樣品數(shù)/個(gè)青白口系景兒峪組灰?guī)r0.535.634.33<0.010.020.083薊縣系鐵嶺組灰?guī)r0.902.141.520.010.090.052霧迷山組白云巖0.489.402.30<0.0145.900.2550楊莊組白云巖1.504.302.20<0.016.700.059高于莊組白云巖0.275.312.18<0.010.570.0520長(zhǎng)城系團(tuán)山子組白云巖1.108.501.50<0.010.580.065

圖6 任丘油田霧迷山組儲(chǔ)集巖物性與含油性統(tǒng)計(jì)直方圖(數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[13])Fig.6 The statistical histogram of the porosity and oil saturation of the Wumishan reservoir rocks in Renqiu oilfield (source after reference[13])

凝塊石白云巖和錐狀疊層石白云巖之所以具有相對(duì)較高的物性，分析認(rèn)為與高能環(huán)境下所形成的微生物結(jié)構(gòu)構(gòu)造有關(guān)。凝塊石白云巖多為亮晶膠結(jié)，且經(jīng)白云石化后晶粒一般較粗，有利于晶間孔和晶間溶孔的形成(圖4j—i)，而錐狀疊層石白云巖由于紋層呈錐狀凸起，在成巖早期便形成堅(jiān)硬的格架，為后期溶蝕孔隙的形成與保存提供了有利的條件(圖4e)。

3.2 溶蝕作用

研究區(qū)高于莊組-霧迷山組碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要經(jīng)歷了白云石化、壓實(shí)與壓溶、重結(jié)晶以及表生與埋藏溶蝕等復(fù)雜的成巖作用。其中，白云石化和重結(jié)晶作用具有明顯的雙重作用，壓實(shí)-壓溶與充填膠結(jié)作用以減孔作用為主，而溶蝕作用，包括表生巖溶、深部酸溶蝕和巖溶熱水的溶蝕做則是高于莊組-霧迷山組優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層形成的又一關(guān)鍵因素。

3.2.1 表生巖溶作用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，華北地區(qū)中、新元古界地層先后經(jīng)歷了楊莊期、凌源期、芹峪期、薊縣期、懷遠(yuǎn)期、加里東期-海西期、印支期和燕山期-喜馬拉雅期8個(gè)巖溶期(表3)，但是不同巖溶期由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、氣候條件和持續(xù)時(shí)間的差異，所發(fā)生的巖溶作用強(qiáng)度不同，對(duì)儲(chǔ)層的改造作用也就不同。

圖7 華北北部地區(qū)薊縣系高于莊組-霧迷山組微生物巖沉積模式Fig.7 The sedimentary model of the Gaoyuzhuang-Wumishan microbiolites in the Jixian System,the north of North China

表3 華北地區(qū)中、新元古界-下古生界風(fēng)化殼巖溶旋回(據(jù)文獻(xiàn)①，修改)
Table 3 Karstification cycles of the Middle-to-Upper Proterozoic and Lower Paleozoic weathered crusts in North China(modified after reference①)

巖溶期運(yùn)動(dòng)性質(zhì)巖溶的地層古氣候延續(xù)時(shí)間/Ma儲(chǔ)層發(fā)育情況燕山期-喜馬拉雅期褶皺、斷裂Ar—O2干熱溫濕相間100儲(chǔ)集條件好印支期褶皺、斷開(kāi)O2干熱為主50儲(chǔ)集條件差加里東期-海西期懷遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)期薊縣期芹峪期凌源期楊莊期升降運(yùn)動(dòng)O2溫暖潮濕150亮甲山組——景兒峪組泥灰?guī)r?260鐵嶺組灰?guī)r溫暖潮濕短霧迷山組白云巖干熱短高于莊組白云巖干熱短均填滿了上覆層的沉積物,儲(chǔ)集條件不佳

① 史卜慶.渤海灣盆地油氣藏與前景[R].中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，2002.

加里東期-海西期及其以前的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以整體升降為主，斷裂和裂縫不甚發(fā)育，巖溶作用主要發(fā)生在地層的表層，所形成的風(fēng)化殼厚度也較薄。其中，這一時(shí)期高于莊組-霧迷山組白云巖儲(chǔ)層表生巖溶作用主要與楊莊和凌源運(yùn)動(dòng)有關(guān)，但這兩個(gè)時(shí)期均為干熱環(huán)境，且持續(xù)時(shí)間短，同時(shí)這一時(shí)期形成溶蝕孔洞往往被后期沉積物所充填，因此很難形成規(guī)模的優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層。

印支期-燕山期以來(lái)，華北地臺(tái)發(fā)生了強(qiáng)烈的褶皺和塊斷運(yùn)動(dòng)，并形成了大量的裂縫，為高于莊組-霧迷山組白云巖儲(chǔ)層的主要造縫階段。強(qiáng)烈褶皺和斷塊運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致高于莊組-霧迷山組碳酸鹽巖地層遭受不同程度的暴露、剝蝕及溶蝕作用，燕山期-喜馬拉雅期干熱溫濕相間環(huán)境更有利于巖溶作用的發(fā)生，同時(shí)裂縫的發(fā)育加劇了溶蝕作用的深度和強(qiáng)度，并由此產(chǎn)生了大量的溶蝕孔洞。另外，這一時(shí)期巖溶作用時(shí)間較長(zhǎng)，又為晚期形成，不易被充填或充填完全，因此，認(rèn)為這一時(shí)期是高于莊組-霧迷山組古風(fēng)化殼巖溶儲(chǔ)層形成的主要階段。

3.2.2 深部酸溶蝕作用

主要指石炭系、二疊系沉積后直至喜馬拉雅期，壓實(shí)水、干酪根轉(zhuǎn)化形成的酸性水造成的溶蝕作用。同時(shí)，可能還存在深部富含H2S和CO2等酸性流體對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的溶蝕作用。深部溶解作用通常優(yōu)先發(fā)生于裂縫、角礫間殘存孔縫或微孔隙較發(fā)育的巖石中，使各類儲(chǔ)集空間溶蝕擴(kuò)大，是潛山內(nèi)幕儲(chǔ)層的形成的重要因素。

3.2.3 地?zé)崴芪g作用

深層巖溶熱儲(chǔ)中地?zé)崴娜芪g作用主要存在兩種形式：不同來(lái)源熱水體混合而引起的溶蝕作用(混合溶蝕)和深層熱水沿?cái)嗔焉嫌窟^(guò)程中由于溫度降低而引起的溶蝕作用(逆返溶蝕)。研究表明，地下兩種飽和熱水混合后會(huì)形成不飽和熱水，從而增加了熱水的溶蝕能力[28]；而深層飽和熱水在沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移過(guò)程中由于溫度的降低也會(huì)形成不飽和熱水，進(jìn)而也能增加熱水的溶蝕能力[28-30]。Palmer(1991),Dublyansky(2000)和Goldscheider等(2010)多位學(xué)者強(qiáng)調(diào)了地?zé)崴芪g作用在深層碳酸鹽巖儲(chǔ)層形成中的重要性[28-30]。關(guān)于碳酸鹽巖的溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都做了研究，但大多實(shí)驗(yàn)都是在相對(duì)理想狀態(tài)下開(kāi)展的?？紤]到地下地質(zhì)條件的復(fù)雜性，范明等(2011)通過(guò)逼近真實(shí)的地質(zhì)作用過(guò)程開(kāi)展了巖溶模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明深層碳酸鹽巖存在一定的“溶蝕窗”，即在一定的溫度范圍(60～120 ℃)(或深度)內(nèi)碳酸鹽巖溶蝕率達(dá)到一個(gè)最高的水平，當(dāng)溫度小于60 ℃或高于120 ℃時(shí)溶蝕率迅速降低[31]。但是這種溶蝕窗和前面提到的地?zé)崴娜芪g作用在機(jī)理上是否存在相關(guān)性還有待深入研究。

通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層中次生礦物和地下熱水的分析，認(rèn)為地下熱水對(duì)高于莊組-霧迷山組碳酸鹽巖地層曾發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的熱水溶蝕改造，且目前巖溶熱水對(duì)儲(chǔ)層仍具有溶蝕改造的潛力。高于莊組和霧迷山組白云巖儲(chǔ)層裂縫和溶蝕孔洞中可見(jiàn)重晶石、天青石、螢石和黃鐵礦等熱液礦物[21]，成為地?zé)崃黧w對(duì)白云巖儲(chǔ)層的改造重要證據(jù)。之所說(shuō)巖溶熱水對(duì)儲(chǔ)層仍具有溶蝕改造的潛力，主要證據(jù)有：①周瑞良(1987)、陳墨香(1999)和閻敦實(shí)等(2000)認(rèn)為渤海灣盆地碳酸鹽巖地層中廣泛存在冷熱水的交替和深層熱水的上涌現(xiàn)象，并認(rèn)為這是渤海灣盆地局部(潛山)地?zé)岙惓Ｒ粋€(gè)重要因素[32-34]；②根據(jù)地?zé)峋慕y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，高于莊組-霧迷山組碳酸鹽巖巖溶熱儲(chǔ)的溫度普遍介于60～120 ℃[12]，仍處于的“溶蝕窗”內(nèi)；③氫、氧同位素組成特征與Na-K-Mg三角圖解表明，渤海灣盆地潛山巖溶熱水主要來(lái)源雨水，雖然在地下經(jīng)歷了復(fù)雜的水-巖作用但目前為未成熟水，因此巖溶熱水仍對(duì)巖溶儲(chǔ)層仍具有溶蝕改造的潛力(圖8)。綜合以上分析，認(rèn)為研究區(qū)深層地?zé)崴畬?duì)高于莊-霧迷山組碳酸鹽巖儲(chǔ)層曾經(jīng)進(jìn)行了強(qiáng)烈改造作用，且現(xiàn)今仍具有強(qiáng)烈的溶蝕改造的潛力。

3.3 構(gòu)造作用

如前文所述，高于莊組-霧迷山組碳酸鹽巖儲(chǔ)層在地質(zhì)演化過(guò)程中，經(jīng)歷了多期褶皺、斷裂和斷塊運(yùn)動(dòng)，巖石內(nèi)部產(chǎn)生了多期斷層和節(jié)理系統(tǒng)，為風(fēng)化殼和內(nèi)幕型巖溶作用提供了有利構(gòu)造條件。斷層相當(dāng)于大型構(gòu)造縫，常伴生大量小型構(gòu)造縫。根據(jù)鉆井巖心和地面露頭統(tǒng)計(jì)，層內(nèi)縫和穿層縫密度一般為50～100條/m，具有多期、多組系組合的特點(diǎn)，大多為未充填縫或半充填縫，見(jiàn)溶蝕擴(kuò)大現(xiàn)象，開(kāi)啟寬度多在0.01 mm以上。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，次生裂縫發(fā)育與構(gòu)造應(yīng)力面(褶皺軸面和斷面)分布密切相關(guān)，如雙洞背斜軸部碳酸鹽巖網(wǎng)狀裂縫發(fā)育于背斜軸部與逆斷層交匯處(圖4c)。

根據(jù)裂縫充填物碳氧同位素分析，認(rèn)為印支期以來(lái)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為本區(qū)的主要造縫階段，但印支期構(gòu)造縫多被充填。燕山-喜馬拉雅期構(gòu)造縫則被半充填或未充填(圖9)，為研究區(qū)白云巖儲(chǔ)層的有效裂縫，對(duì)形成現(xiàn)今有效網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)具有決定性的意義。斷裂與裂縫作用在一定程度上提高儲(chǔ)層孔隙度，更能使有效滲透率成幾何數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)，形成斷裂高滲帶，成為酸性流體和熱水運(yùn)移的重要通道。因此，斷裂與裂縫的發(fā)育能夠有效促進(jìn)巖溶作用的發(fā)生和內(nèi)幕型巖溶儲(chǔ)層的形成。

圖8 華北平原基巖潛山地下水地球化學(xué)特征Fig.8 Geochemical characteristics of the underground water in the buried hill bedrock reservoir of North China Plaina.氫、氧同位素散點(diǎn)圖(數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[35-38]；b.潛山巖溶熱水K-Na-Mg平衡圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[39])

圖9 華北北部地區(qū)薊縣系高于莊組組-霧迷山組溶蝕孔洞與裂縫充填物碳、氧同位素組成Fig.9 Carbon and oxygen isotopic compositions of the fillings in the dissolved pores and cavities,as well as fractures in the Gaoyuzhuang-Wumishan Formations in the Jixian System,the north of North China

4 結(jié)論

1)華北地區(qū)高于莊組-霧迷山組為一套巨厚的碳酸鹽巖，目前已基本白云石化或部分白云石化?？傮w上，白云巖以微生物巖為主，巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，霧迷山組可見(jiàn)大量的疊層石、層紋石、均一石、凝塊石和核形石等微生物巖類型，而高于莊組巖石類型相對(duì)單一，以層狀和微波狀疊層石為主。其中，形成于高能環(huán)境的錐狀疊層石和凝塊石白云巖為最有利的儲(chǔ)集巖石類型。

2)白云巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型多樣，可見(jiàn)到不同規(guī)模和不同尺度的孔洞縫，它們單獨(dú)出現(xiàn)或呈一定的組合構(gòu)成孔-洞和孔-縫或孔-洞-縫等儲(chǔ)集系統(tǒng)。根據(jù)儲(chǔ)集空間組合特征，可將儲(chǔ)層劃分為孔洞縫復(fù)合型、裂縫-孔隙型和孔隙型3種類型。其中，薊縣系霧迷山組白云巖儲(chǔ)層物性最好，以孔洞縫復(fù)合型為主；高于莊組物性相對(duì)較差，以裂縫-孔隙型和孔隙型為主。

3)綜合分析認(rèn)為，制約研究區(qū)高于莊組-霧迷山組白云巖儲(chǔ)層形成的因素主要有沉積相，白云石化、溶蝕、重結(jié)晶、壓實(shí)壓溶和充填膠結(jié)等成巖作用以及構(gòu)造破裂作用，其中，規(guī)模優(yōu)質(zhì)白云巖儲(chǔ)層的形成主要受控于微生物礁灘、印支期以來(lái)的構(gòu)造隆升與破裂作用及溶蝕作用，為多種有利因素耦合作用的結(jié)果。其中，經(jīng)歷了晚期構(gòu)造破裂、風(fēng)化淋濾及溶蝕作用的微生物礁灘為華北地區(qū)高于莊組-霧迷山組最有利的儲(chǔ)集體。