鄂爾多斯盆地北部十里加汗地區(qū)奧陶系馬四段洞穴型儲(chǔ)層分布規(guī)律

陳乙萊，丁曉琪，祁壯壯，賈會(huì)沖，張 威，何 昊，劉 鑫

( 1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610000； 2.中國(guó)石化華北油氣分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南 鄭州 450000； 3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 第二采油廠，甘肅 慶城 745100 )

0 引言

碳酸鹽巖儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)的油氣儲(chǔ)量接近世界油氣儲(chǔ)量的50%，其中60%的油氣產(chǎn)量來(lái)自于碳酸鹽巖層系[1]。中國(guó)在碳酸鹽巖喀斯特儲(chǔ)層的油氣勘探取得重大突破[2]。目前，塔里木盆地塔河油田[3-4]及順北區(qū)塊[5]、鄂爾多斯盆地靖邊氣田[6]、四川盆地震旦系燈影組的古生界中發(fā)現(xiàn)大量喀斯特儲(chǔ)層[7-8]。

鄂爾多斯盆地奧陶系普遍發(fā)育白云巖儲(chǔ)層[9-10]，下古生界奧陶系的研究主要集中于馬家溝組五段(馬五段)[11-12]。受“長(zhǎng)生古陸”的影響，十里加汗地區(qū)奧陶系保留厚度相對(duì)較薄，沒(méi)有發(fā)育類似靖邊、大牛地氣田等的馬五段膏溶孔洞型儲(chǔ)層[13]或白云巖孔隙儲(chǔ)層[14]，儲(chǔ)集性能較差，導(dǎo)致十里加汗地區(qū)下古生界整體勘探程度較低，僅對(duì)十里加汗地區(qū)的上古生界天然氣進(jìn)行勘探[15]。近年來(lái)，十里加汗地區(qū)多口井在馬家溝組四段(馬四段)石灰?guī)r地層中鉆遇孔洞型、洞穴型及孔洞—裂縫型儲(chǔ)層，并獲得工業(yè)氣流，表明馬四段具有良好的勘探潛力，如錦58P33T井鉆遇洞穴型氣層厚度1.25 m，試氣日產(chǎn)量為3.05萬(wàn)m3，無(wú)阻流量為19.80萬(wàn)m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣量接近500.00萬(wàn)m3。

鄂爾多斯盆地普遍發(fā)育白云巖孔隙型、膏溶孔洞型儲(chǔ)層，十里加汗地區(qū)馬四段灰?guī)r發(fā)育洞穴型儲(chǔ)層。在洞穴結(jié)構(gòu)解剖的基礎(chǔ)上，利用填平補(bǔ)齊古地貌方法研究洞穴的縱向分布規(guī)律，利用地震相干屬性研究洞穴的平面分布規(guī)律，探討馬四段灰?guī)r多層洞穴的分布特征及發(fā)育模式，明確馬四段儲(chǔ)層的分布規(guī)律，為研究區(qū)縫洞型氣藏勘探提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地屬于華北地臺(tái)西部的次級(jí)構(gòu)造單元，是中國(guó)第二大沉積盆地。盆地具有多構(gòu)造體系、多旋回演化[16]、多沉積類型等特征，可劃分為伊陜斜坡、天環(huán)向斜、伊盟北部隆起、渭北隆起、盆地西緣復(fù)雜構(gòu)造帶及晉伊撓褶帶6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元[17]。十里加汗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部，構(gòu)造上位于伊陜斜坡和伊盟北部隆起的交界位置(見(jiàn)圖 1(a))。

早古生代，鄂爾多斯地區(qū)屬于華北地臺(tái)西部。華北地臺(tái)是一個(gè)主要由碳酸鹽臺(tái)地組成的陸表海[18]，該時(shí)期發(fā)生的懷遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)及加里東運(yùn)動(dòng)對(duì)十里加汗地區(qū)具有重要影響。懷遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生于晚寒武世—早奧陶世末，造成十里加汗地區(qū)北部寒武系缺失或厚度減薄，缺少下奧陶統(tǒng)冶里組、亮甲山組及馬家溝組一段、二段，導(dǎo)致奧陶系馬家溝組三段(馬三段)與寒武系或中元古界長(zhǎng)城系呈角度不整合接觸。加里東運(yùn)動(dòng)發(fā)生于早奧陶世末—晚石炭世，影響范圍大、時(shí)間長(zhǎng)，地殼整體抬升，地勢(shì)呈西翹東傾的特征；馬四段以上地層遭受大范圍剝蝕，馬五段及以上地層是否沉積或沉積后被剝蝕不明確。海西運(yùn)動(dòng)早期，石炭系太原組超覆沉積，對(duì)十里加汗地區(qū)進(jìn)行填平補(bǔ)齊，石炭系與奧陶系呈角度不整合接觸。

十里加汗地區(qū)奧陶系僅殘余馬三段及馬四段地層(見(jiàn)圖1(b))。其中，馬三段廣泛分布于十里加汗地區(qū)，沉積期為海退階段的潮上蒸發(fā)環(huán)境，巖性以黏土質(zhì)白云巖、泥巖、砂巖為主，局部見(jiàn)風(fēng)成砂巖；馬四段主要分布于十里加汗地區(qū)中南部，殘余厚度呈北薄南厚、東西向厚薄相間的特征，東西向厚度高差可達(dá)50 m。馬四段形成于海侵階段，為鹽度正常的開(kāi)闊海，巖性為一套較厚的泥晶灰?guī)r，含大量正常鹽度的生物碎屑；頂部靠近不整合面處廣泛發(fā)育溶蝕孔洞，內(nèi)部發(fā)育連通性較好的喀斯特洞穴，形成研究區(qū)主要的儲(chǔ)集空間。

圖1 鄂爾多斯盆地十里加汗地區(qū)位置及井位分布Fig.1 Location and well-site distribution of Shilijiahan Area in Ordos Basin

2 洞穴結(jié)構(gòu)

十里加汗地區(qū)馬四段洞穴為主要的儲(chǔ)氣空間。經(jīng)淡水淋濾溶蝕后，碳酸鹽巖形成規(guī)模不等的孔、洞、縫，改變?cè)瓗r的結(jié)構(gòu)和組構(gòu)，導(dǎo)致洞穴在測(cè)井曲線上具有差異性。利用巖心、薄片及測(cè)井資料，結(jié)合洞穴相研究成果[19-20]，將馬四段洞穴分為洞穴頂板相、洞穴未充填相、暗河充填相和洞底垮塌相(見(jiàn)圖2)。馬四段灰?guī)r中洞高多為2～7 m，部分洞高超過(guò)10 m。

圖2 十里加汗地區(qū)錦77井洞穴相類型Fig.2 Cave facies classification of well Jin 77 in Shilijiahan Area

(1)洞穴頂板相。洞穴頂板相位于洞穴頂部，巖性主要為裂紋—鑲嵌角礫巖(見(jiàn)圖3(a))。洞頂原巖破裂，角礫未發(fā)生明顯位移，裂縫發(fā)育，通常被方解石充填，或被白云石全充填或半充填(見(jiàn)圖3(b))；電性特征為自然伽馬、電阻率較低，聲波出現(xiàn)周波跳躍。洞穴頂板相的裂縫和溶縫為馬四段洞穴氣藏主要的運(yùn)移通道和儲(chǔ)集空間。

(2)洞穴未充填相。在取心過(guò)程中，洞穴未充填井段無(wú)取心。由于馬四段灰?guī)r巖性均一，電性特征明顯，不同充填程度的洞穴測(cè)井曲線不同，識(shí)別各井段的洞穴未充填相主要依靠測(cè)井資料。未充填相測(cè)井曲線表現(xiàn)為自然伽馬低，補(bǔ)償中子、聲波時(shí)差增大，電阻率、補(bǔ)償密度變小，井徑擴(kuò)大。

(3)暗河充填相。馬四段洞穴大部分被暗河沉積物充填，主要為流水?dāng)y帶的外源泥砂碎屑物質(zhì)及被流水改造的碳酸鹽巖碎屑，分選差，磨圓較好，泥質(zhì)含量高。充填物巖性主要為砂巖(見(jiàn)圖3(c))，測(cè)井曲線顯示自然伽馬變化大(與泥質(zhì)充填程度有關(guān))，電阻率呈高阻背景下的低阻特征，補(bǔ)償中子呈高值。

(4)洞底垮塌相。洞底垮塌相位于洞穴底板之上，巖性為碎屑支撐紊亂角礫巖(見(jiàn)圖3(d))，碎屑主要成分為洞頂溶蝕垮塌過(guò)程掉落在洞底的碎屑角礫，受后期流水改造的影響，顆粒間泥質(zhì)含量較高，裂縫發(fā)育，通常被方解石充填?？逅堑[大小不一，自然伽馬和電阻率曲線呈鋸齒狀。洞底垮塌相的碎屑角礫致密，角礫之間被細(xì)粒物質(zhì)充填，物性差，很難形成儲(chǔ)層。

圖3 十里加汗地區(qū)馬四段典型洞穴相Fig.3 Typical cave facies in the Ma 4 Member of Shilijiahan Area

一個(gè)完整的洞穴自下而上為洞底垮塌相、暗河充填相、洞穴未充填相和洞穴頂板相。洞穴可以由多個(gè)次級(jí)洞穴系統(tǒng)構(gòu)成，形成多個(gè)洞穴頂板(見(jiàn)圖4)；也可以全被洞底垮塌相充填，或全被暗河沉積物充填。

圖4 十里加汗地區(qū)馬四段錦151井洞穴結(jié)構(gòu)Fig.4 Cave structure analysis of well Jin 151 in the Ma 4 Member of Shilijiahan Area

3 洞穴分布規(guī)律

溶洞的發(fā)育受古水系、古地貌和古構(gòu)造的控制，垂向上，表現(xiàn)為明顯的分帶性；平面上，不同地貌單元表現(xiàn)為明顯的分區(qū)性[21]。分析喀斯特洞穴時(shí)，采用“垂向分帶、平面分區(qū)”方法[22]，即縱向上，采用填平補(bǔ)齊古地貌分析方法，選取標(biāo)志層作為參考基準(zhǔn)面，根據(jù)洞穴在測(cè)井曲線上的區(qū)別，統(tǒng)計(jì)所有井與參考基準(zhǔn)面距離的分布范圍，確定研究區(qū)洞穴層數(shù)[23]；平面上，利用地震相干屬性約束與測(cè)井資料控制結(jié)合方法，對(duì)十里加汗地區(qū)馬四段洞穴分布進(jìn)行空間分析。

3.1 縱向分布

3.1.1 參考基準(zhǔn)面

洞穴主要形成于潛水面附近，近水平分布。不整合面被上覆太原組填平補(bǔ)齊，為水平沉積特征，可以選擇不整合面上覆的某個(gè)標(biāo)志層拉平，進(jìn)行洞穴的縱向分布研究。該基準(zhǔn)面具有在盆地內(nèi)分布廣泛、穩(wěn)定、易于識(shí)別(如太原組頂部廣泛發(fā)育穩(wěn)定煤層)，在洞穴形成后至基準(zhǔn)面形成前沒(méi)有發(fā)生明顯構(gòu)造作用，在工區(qū)內(nèi)沉積等特點(diǎn)。石炭系太原組超覆于馬四段之上，太原組頂部煤層沉積時(shí)，古地貌被填平補(bǔ)齊，符合基準(zhǔn)面的選取要求，選擇太原組頂部煤層作為參考基準(zhǔn)面。

3.1.2 分布規(guī)律

根據(jù)測(cè)井曲線進(jìn)行洞穴識(shí)別，對(duì)不整合面至參考基準(zhǔn)面之間的地層進(jìn)行壓實(shí)校正。其中，砂巖的校正因數(shù)為1.45，粉砂巖的校正因數(shù)為1.59，泥巖的校正因數(shù)為2.05，煤的校正因數(shù)為2.86。根據(jù)洞穴結(jié)構(gòu)識(shí)別方法判斷單井洞穴，統(tǒng)計(jì)各井測(cè)井曲線的洞穴中心相對(duì)于參考基準(zhǔn)面的垂直距離，十里加汗地區(qū)馬四段洞穴可分為三層(見(jiàn)圖5)，第一層洞穴分布在距離參考基準(zhǔn)面60～80 m處，第二層洞穴分布在距離參考基準(zhǔn)面80～100 m處，第三層洞穴分布在距離參考基準(zhǔn)面約120 m處。研究區(qū)馬四段共有26口井，鉆遇洞穴9口井，鉆遇率為34.6%。其中，第一層洞穴鉆遇率為7.7%；第二層洞穴鉆遇率最高，為23.1%；第三層洞穴鉆遇率最低，僅為3.8%。部分井同時(shí)鉆遇第一、第二層洞穴，如錦92、錦72P19井。

圖5 十里加汗地區(qū)馬四段洞穴縱向分布Fig.5 Longitudinal distribution of caves in the Ma 4 Member of Shilijiahan Area

3.2 平面展布

地下喀斯特洞穴形成后經(jīng)歷流水的長(zhǎng)期改造作用并相互連通，可形成地下暗河、落水洞。利用地震相干屬性反射運(yùn)算提取相干屬性平面圖(見(jiàn)圖6(a))，對(duì)洞穴結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；結(jié)合參考基準(zhǔn)面判斷研究區(qū)單井有無(wú)洞穴、發(fā)育于第幾層等，明確十里加汗地區(qū)馬四段洞穴的平面分布規(guī)律(見(jiàn)圖6(b))。由洞穴連通而形成的暗河平面分布范圍廣，主要分布于十里加汗地區(qū)西南及中南部，呈南北向延伸、東西向間隔分布，平均寬度為50 m；在暗河局部交匯區(qū)，寬度可達(dá)200 m，可見(jiàn)少量孤立落水洞；鉆遇洞穴概率低，很多洞穴未被鉆探。

圖6 十里加汗地區(qū)奧陶系馬四段地震相干屬性和洞穴平面分布Fig.6 Seismic coherence attributes and cave plane distribution of Ordovician Ma 4 Member in Shilijahan Area

3.3 發(fā)育模式

當(dāng)碳酸鹽巖暴露于大氣淡水成巖環(huán)境時(shí)，受物理、化學(xué)和生物因素等影響，具有溶蝕作用的地表水經(jīng)由滲透通道與圍巖發(fā)生侵蝕、溶蝕、沉積、膠結(jié)等作用(喀斯特作用)；垂向上，由上至下形成表層巖溶帶、垂向滲流帶、水平潛流帶和深部緩流帶[24]。潛水面位于垂向滲流帶和水平潛流帶交界部位，潛水面之下地下水流動(dòng)較快，碳酸鈣不飽和，受強(qiáng)烈溶蝕作用而形成規(guī)模不等的孔洞及洞穴。參考基準(zhǔn)面的改變決定巖溶發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)，以及相應(yīng)潛水面的位置；穩(wěn)定潛水面的位置和期次決定洞穴發(fā)育的位置和期次。當(dāng)參考基準(zhǔn)面發(fā)生階段性上升或下降時(shí)，潛水面也相應(yīng)上升或下降，促使多層洞穴在垂向上相互疊置，形成良好的儲(chǔ)集空間。十里加汗地區(qū)馬四段洞穴平面分布呈辮狀或網(wǎng)狀，不具有明顯的方向性，說(shuō)明洞穴的發(fā)育受斷裂影響不大，剖面上的多層洞穴受控于加里東運(yùn)動(dòng)時(shí)期的三期構(gòu)造隆升。馬三段主要發(fā)育泥云巖、云巖、黏土巖及砂巖，巖性致密低滲，地表水很難下滲而形成地表徑流或片流。當(dāng)?shù)乇硭鹘?jīng)馬四段時(shí)，由于發(fā)育垂直裂隙，一方面地表水沿裂隙擴(kuò)大溶蝕，另一方面地表水沿裂隙下滲至潛水面附近而開(kāi)始水平流動(dòng)，沿潛水面形成層狀分布的洞穴。

當(dāng)構(gòu)造處于平靜時(shí)，潛水面相對(duì)穩(wěn)定，大氣淡水長(zhǎng)期在潛水面附近溶蝕而形成第一層洞穴。之后，由于地殼隆升，潛水面下降，地表水沿裂隙下滲至第二潛水面，繼續(xù)溶蝕而形成第二層洞穴。第一層洞穴處于垂直滲流帶，如果剝蝕作用強(qiáng)烈，則可能將第一層洞穴剝蝕殆盡，鄂爾多斯盆地杭錦旗西南部阿鎮(zhèn)地區(qū)屬于這種情況。地殼多次隆升而形成多層洞穴，洞穴在縱向上既可以相互連通，也可以相互孤立(見(jiàn)圖7)，次序?yàn)樯侠舷滦拢憩F(xiàn)為縱向多層洞穴的疊置發(fā)育，厚度及儲(chǔ)集能力更大。

圖7 十里加汗地區(qū)奧陶系馬四段喀斯特洞穴發(fā)育模式Fig.7 Development model of karst caves in the Ordovician Ma 4 Member of Shilijiahan Area

二疊紀(jì)，地殼下沉，海侵發(fā)生，部分洞穴中充填的石英砂巖為海侵沉積的產(chǎn)物，對(duì)于洞穴中海侵砂巖的分布有待研究。

4 洞穴與成藏的關(guān)系

洞穴形成后，基巖應(yīng)力釋放，洞頂及四周發(fā)生破裂甚至垮塌，裂隙發(fā)育，洞穴與裂隙帶共同構(gòu)成洞穴發(fā)育帶。洞穴發(fā)育帶是十里加汗地區(qū)馬四段天然氣藏形成和運(yùn)移的儲(chǔ)集基礎(chǔ)。

十里加汗地區(qū)氣源巖主要為石炭系太原組和二疊系山西組煤系地層的暗色泥巖和煤層。石炭系—二疊系熱演化程度較高，烴源巖干酪根主要是Ⅲ型，在早白堊世晚期開(kāi)始生烴。石炭系—二疊系總生氣量和排氣量巨大，是上古生界大型氣田的物質(zhì)保障，也是下古生界奧陶系天然氣的重要?dú)庠磶r[25]。

地層壓力與油氣的生成、運(yùn)移和聚集有密切的關(guān)系[26]。受長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化剝蝕及構(gòu)造隆升作用影響，十里加汗地區(qū)奧陶系馬四段裂縫發(fā)育，引起地層壓力的變化，推動(dòng)上覆太原組煤系產(chǎn)生的天然氣沿裂隙運(yùn)移至洞穴發(fā)育帶。如果后期沒(méi)有較好的封堵，裂隙就使天然氣的充注通道轉(zhuǎn)變?yōu)橐萆⑼ǖ馈Ｓ墒锛雍沟貐^(qū)錦78—錦89井氣藏剖面(見(jiàn)圖8)可知，凡是有烴類顯示的氣藏，在不整面上均有泥巖作為封堵，而不整合面上直接覆蓋砂巖時(shí)，洞穴和孔洞中無(wú)烴類顯示。部分井存在雖有泥巖封堵也可能無(wú)天然氣顯示的現(xiàn)象(如錦132、錦124井)，可能與構(gòu)造位置偏低有關(guān)[27]。

圖8 十里加汗地區(qū)錦78—錦132—錦124—錦58P33—錦89井氣藏剖面Fig.8 Gas reservoir profile of wells J78-J132-J124-J58P33-J89 in Shilijiahan Area

綜上所述，上覆石炭系—二疊系氣源巖為十里加汗地區(qū)馬四段氣藏提供物質(zhì)基礎(chǔ)，不整合面上的太原組泥巖封堵是馬四段洞穴天然氣成藏的必要不充分條件，有利于天然氣的富集。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地北部十里加汗地區(qū)馬四段的洞穴剖面結(jié)構(gòu)可劃分為洞穴頂板相、洞穴未充填相、暗河充填相和洞底垮塌相。其中，洞穴頂板相和洞穴未充填相是十里加汗地區(qū)馬四段的主要儲(chǔ)集空間。

(2)研究區(qū)馬四段縱向上發(fā)育三層洞穴，平面上洞穴展布范圍較廣，洞穴型儲(chǔ)層天然氣顯示良好，但鉆遇率較低。

(3)洞穴及其伴生的裂縫是天然氣運(yùn)移聚集的主要通道與儲(chǔ)集空間，石炭系—二疊系的泥巖和煤層作為氣源巖，為研究區(qū)馬四段氣藏提供物質(zhì)基礎(chǔ)，上覆太原組泥巖的封堵是馬四段洞穴儲(chǔ)氣的必要不充分條件。