杭錦旗地區(qū)奧陶系古地貌特征及巖溶模式

李春堂

（中國(guó)石化華北油氣分公司，河南 鄭州 450006）

0 引言

鄂爾多斯盆地是一個(gè)整體沉降、構(gòu)造簡(jiǎn)單的大型多旋回克拉通盆地［1］。早奧陶世，受中央古隆起分割，該盆地中東部屬于華北海域，主要表現(xiàn)為淺水碳酸鹽巖臺(tái)地沉積；晚奧陶世，加里東運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致鄂爾多斯盆地整體抬升，奧陶系碳酸鹽巖遭受了長(zhǎng)達(dá)1.2～1.5億年的表生巖溶作用，形成了以溶蝕孔洞為主的儲(chǔ)集空間［2-3］，為油氣運(yùn)聚成藏提供了有利條件。杭錦旗地區(qū)位于盆地北部，處于伊盟隆起、伊陜斜坡和天環(huán)坳陷3個(gè)構(gòu)造單元的過(guò)渡帶。根據(jù)鉆井揭示，研究區(qū)奧陶系主要發(fā)育在杭錦旗南部的十里加汗區(qū)帶，構(gòu)造上處于伊陜斜坡北部，以泊爾江海子斷裂為界，北部緊鄰伊盟隆起。目前，該區(qū)已有多口井鉆遇氣層，T-1井在奧陶系馬家溝組四段試獲氣流5 049 m3／d；K58-3 井鉆遇馬四段縫洞型氣層，試獲工業(yè)氣流2.9×104m3／d，表明該盆地北部奧陶系不整合巖溶氣藏具有良好的天然氣勘探潛力。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上刻畫研究區(qū)古地貌特征，進(jìn)一步總結(jié)巖溶模式，以期為該類型氣藏勘探評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域沉積背景

杭錦旗地區(qū)所處的伊盟隆起總體構(gòu)造走向近東西，自古生代開始隆升，是一個(gè)持續(xù)活動(dòng)的隆起帶［4-5］。巖性為花崗片麻巖的太古界變質(zhì)巖基底與上覆上古生界碎屑巖地層不整合接觸，中間各時(shí)代地層向伊盟隆起方向超覆尖滅。通過(guò)對(duì)杭錦旗地區(qū)及其周邊奧陶系巖性、測(cè)井特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，將研究區(qū)奧陶系馬家溝組自下而上分為馬三段、馬四段和馬五段（圖1）。其中，馬四段表現(xiàn)為一套曲線平緩的低自然伽馬、高電阻、低聲波時(shí)差灰?guī)r，可以作為區(qū)域?qū)Ρ葮?biāo)志層。

研究區(qū)鉆遇下古生界最老的地層為奧陶系下統(tǒng)馬家溝組三段，因此推斷研究區(qū)從馬三段開始接受沉積。從地層對(duì)比剖面上可以看出（圖1），杭錦旗地區(qū)馬三段—馬四段地層厚度與盆地中部大牛地氣田存在明顯的差異，地層厚度由東南向西北減薄，說(shuō)明杭錦旗地區(qū)處于沉積邊界位置。

圖1 大牛地—杭錦旗地區(qū)地層對(duì)比剖面圖

馬三段沉積期，海侵范圍已達(dá)到杭錦旗地區(qū)南部的十里加汗區(qū)帶，主要為一套潮上帶蒸發(fā)相的沉積，主要發(fā)育石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、云灰?guī)r等。馬四段沉積期是鄂爾多斯海侵期范圍最大的時(shí)期［6］，盆地整體沉積范圍擴(kuò)大。因此推斷研究區(qū)馬四段沉積范圍較馬三段有明顯的擴(kuò)大，沉積邊界更靠近伊盟隆起，主要為一套潮下帶沉積，主要發(fā)育泥灰?guī)r、石灰?guī)r等。馬五段沉積期，隨著鄂爾多斯盆地隆升，海平面下降，馬五段沉積期較馬四段沉積期明顯退縮，沉積邊界向東南方向后退，該期主要發(fā)育白云巖，含有少量的泥云巖和含灰云巖。

從馬家溝組殘余地層分布圖上可以看出（圖2），馬五段僅在研究區(qū)東南部有出露，馬四段在研究區(qū)內(nèi)沉積范圍較大，是該區(qū)的主要目的層，馬三段在馬四段灰?guī)r尖滅線以北也存在殘余厚度，與區(qū)域沉積背景相反，這是因?yàn)轳R四段在靠近伊盟隆起邊緣遭受強(qiáng)烈剝蝕造成的。馬家溝組頂部地層被剝蝕的程度是判定巖溶期古地貌特征的重要依據(jù)。出露地層較老，剝蝕程度大，反映當(dāng)時(shí)古地貌相對(duì)較高；出露地層較新，剝蝕程度小，反映當(dāng)時(shí)古地貌相對(duì)較低，與當(dāng)時(shí)的構(gòu)造特征相吻合。

圖2 杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶馬家溝組殘余地層分布圖

2 古地貌特征

根據(jù)前人研究表明，鄂爾多斯盆地前石炭系巖溶古地貌是奧陶系碳酸鹽巖不整合面巖溶氣藏的重要控制因素，古地貌形態(tài)控制著巖溶作用的發(fā)育程度［7-9］。準(zhǔn)確地恢復(fù)古地貌是揭示儲(chǔ)層分布的關(guān)鍵之一。前人對(duì)鄂爾多斯盆地奧陶系頂面巖溶古地貌的恢復(fù)主要是采用印模法和殘余厚度法相結(jié)合的方法，這兩種方法均需要有一個(gè)穩(wěn)定的標(biāo)志層作為參考界面。由于研究區(qū)沉積時(shí)受伊盟隆起影響，奧陶系沉積時(shí)地層厚度變化較大，后期又經(jīng)歷了風(fēng)化剝蝕，沒(méi)有有效的參考界面，因此只采用印模法開展古地貌恢復(fù)工作。根據(jù)上古生界石炭系—二疊系地層展布特征，研究區(qū)選用的標(biāo)志層為山1段和太原組煤層，該界面橫向?qū)Ρ确€(wěn)定，在地震上表現(xiàn)為穩(wěn)定分布的強(qiáng)波峰，可以有效利用地震追蹤成果進(jìn)行全區(qū)地質(zhì)編圖。

根據(jù)前人在鄂爾多斯盆地的古地貌單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)［10-11］，研究區(qū)古地貌高差約130 m，依據(jù)現(xiàn)代巖溶理論，結(jié)合相對(duì)高差值，可以將研究區(qū)巖溶古地貌劃分為巖溶高地、巖溶斜坡兩大一級(jí)地貌單元，其中，巖溶斜坡可以進(jìn)一步劃分為巖溶洼地、巖溶殘丘和巖溶溝槽等二級(jí)地貌單元，缺少巖溶盆地地貌單元（表1）。

表1 杭錦旗地區(qū)巖溶古地貌單元?jiǎng)澐直?/p>

通過(guò)十里加汗區(qū)帶古地貌圖可以看出（圖3），在研究區(qū)西北部為古高地，出露古基底；東南部整體表現(xiàn)為巖溶斜坡地貌，奧陶系馬家溝組經(jīng)過(guò)風(fēng)化淋濾剝蝕，發(fā)育多個(gè)巖溶殘丘和洼地。巖溶斜坡上T-8井—T-3井—T-4井一帶靠近泊爾江海子斷裂，風(fēng)化淋濾作用強(qiáng)烈，形成巖溶洼地，馬四段剝蝕殆盡，出露馬三段地層。巖溶斜坡上的殘丘較巖溶洼地地勢(shì)相對(duì)較高，主要分布于T-9 井、T-22 井以及T-7井所在區(qū)域。

圖3 杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶古地貌圖

3 儲(chǔ)層類型及分布

根據(jù)鉆井揭示，研究區(qū)鉆遇的氣測(cè)顯示層段均在馬四段，其巖性以泥晶灰?guī)r為主，含少量云質(zhì)灰?guī)r。筆者運(yùn)用錄井巖性資料和測(cè)井響應(yīng)特征，將研究區(qū)儲(chǔ)層類型分為孔隙型儲(chǔ)層和裂縫—孔洞型儲(chǔ)層兩類。

3.1 孔隙型儲(chǔ)層

孔隙型儲(chǔ)層巖石類型主要為云質(zhì)灰?guī)r，孔隙類型以各類孔隙為主，裂縫不發(fā)育，主要為晶間孔和晶間溶孔。馬四段地層沉積之后，整個(gè)杭錦旗區(qū)塊在加里東末期持續(xù)隆升，馬四段地層表面裸露接受強(qiáng)風(fēng)化剝蝕。隨后太原組地層沉積后，先期溶蝕形成的孔洞被泥質(zhì)不同程度地充填。典型井段為T-1井，井深3 203.2～3 207.8 m，測(cè)井曲線特征表現(xiàn)為較低的自然伽馬、相對(duì)低的深側(cè)向電阻率和高聲波時(shí)差（圖4a）。主要分布在巖溶殘丘頂部10 m 以內(nèi)，分布范圍有限。

3.2 裂縫— 孔洞型儲(chǔ)層

裂縫— 孔洞型儲(chǔ)層主要為溶蝕孔、溶洞和構(gòu)造溶蝕縫，通常由巖性較純的石灰?guī)r遭受淋濾溶蝕而形成［12］。石灰?guī)r由于巖性脆，在構(gòu)造作用下易形成裂縫，這些裂縫既是地表水下滲溶蝕形成次生孔隙的通道，也是后期天然氣運(yùn)移的主要路徑。石灰?guī)r在溶蝕過(guò)程中形成較大的溶洞，受周圍地層負(fù)荷作用，洞頂周邊發(fā)生破裂，加劇了地表水對(duì)石灰?guī)r的溶蝕，有利于溶洞的形成（圖5）。典型井段為T-7井，井深2 821.2～2 836.6 m，測(cè)井曲線特征表現(xiàn)為自然伽馬、聲波時(shí)差明顯增大，深側(cè)向電阻率、補(bǔ)償密度明顯降低，具有典型的縫、洞響應(yīng)特征（圖4b）。主要分布在巖溶殘丘—洼地過(guò)渡區(qū)，距頂部10～40 m，縱向上可發(fā)育多個(gè)。

圖4 杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶奧陶系不同儲(chǔ)層類型測(cè)井響應(yīng)特征圖

圖5 杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶奧陶系溶洞形成示意圖

4 古巖溶發(fā)育模式

通過(guò)杭錦旗地區(qū)南部十里加汗區(qū)帶馬家溝組古地貌特征以及儲(chǔ)層類型識(shí)別，結(jié)合前人對(duì)巖溶儲(chǔ)層主控因素的研究［13-16］，建立杭錦旗地區(qū)巖溶斜坡帶儲(chǔ)層發(fā)育模式（圖6）。巖性是巖溶儲(chǔ)層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，其分布受沉積相控制。受伊盟隆起的影響，馬三段沉積期杭錦旗位于華北海的邊緣，沉積物泥質(zhì)含量高，巖石可溶性降低，不利于巖溶作用的發(fā)生，而馬四段沉積期發(fā)育一套富生屑的泥晶灰?guī)r，該巖性較馬三段含泥碳酸鹽巖更容易發(fā)生風(fēng)化、溶蝕作用。斷裂及其伴生裂縫決定了碳酸鹽巖的滲透性、連通性及其方向性。由于馬四段石灰?guī)r孔隙不發(fā)育、滲透率低，流體多沿裂縫帶溶蝕，并向巖層內(nèi)部有選擇性地溶蝕擴(kuò)展，形成良好的儲(chǔ)集體。十里加汗區(qū)帶北部的泊爾江海子斷裂在加里東期開始形成，受其影響馬四段石灰?guī)r裂縫發(fā)育，其北部馬四段地層剝蝕殆盡，其南部10～15 km范圍內(nèi)馬四段地層遭受強(qiáng)烈剝蝕，出露馬三段地層。巖溶地貌控制了奧陶系殘余地層保存程度，同時(shí)控制了溶蝕作用的強(qiáng)弱。巖溶高地坡度大，遭受地表徑流強(qiáng)烈剝蝕，奧陶系地層剝蝕殆盡。巖溶斜坡坡度相對(duì)變緩，地下水由地表徑流為主轉(zhuǎn)為垂相滲濾為主，受斷層和裂縫發(fā)育區(qū)影響，形成不同溶蝕強(qiáng)度的地貌單元。巖溶洼地為負(fù)地形，是地表匯水及向地下滲流補(bǔ)給的主要部位。當(dāng)侵蝕作用過(guò)強(qiáng)時(shí)，巖溶洼地經(jīng)受切割導(dǎo)致馬四段地層減薄或缺失，不利于儲(chǔ)層發(fā)育。巖溶洼地的匯水作用也會(huì)導(dǎo)致充填作用強(qiáng)烈，對(duì)儲(chǔ)層的發(fā)育不利，例如T-6井鉆遇巖溶角礫巖層，被大量泥質(zhì)充填。巖溶斜坡上的殘丘為斜坡上古地勢(shì)相對(duì)較高、殘存馬四段厚度較大的丘狀地形。研究區(qū)殘丘地貌單元馬四段殘存厚度為20～60 m，與儲(chǔ)層分布在距不整合面10～40 m 的范圍內(nèi)，具有較好的對(duì)應(yīng)性。巖溶殘丘—洼地過(guò)渡帶發(fā)育垂直滲流帶，表面遭受溶蝕作用強(qiáng)烈，裂縫和溶蝕孔洞發(fā)育，殘丘內(nèi)部水平徑流活躍，有利于形成溶蝕孔洞型儲(chǔ)層。同時(shí)因巖溶洼地的存在，間接增加了側(cè)向溶蝕作用，儲(chǔ)層發(fā)育程度變好。

圖6 杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶巖溶斜坡帶儲(chǔ)層發(fā)育模式圖

5 結(jié)論

1）以山1 段頂面為參考界面，利用印模法恢復(fù)古地貌，將杭錦旗地區(qū)劃分為巖溶高地、巖溶斜坡兩種巖溶古地貌單元，其中，在巖溶斜坡內(nèi)發(fā)育巖溶洼地、巖溶殘丘、巖溶溝槽等次一級(jí)地貌單元。

2）研究區(qū)馬四段發(fā)育孔隙型和裂縫— 孔洞型兩種儲(chǔ)層，均分布在巖溶殘丘古地貌單元上，其中溶蝕孔洞型儲(chǔ)層最為有利。

3）巖溶殘丘是縫洞儲(chǔ)層發(fā)育的有利巖溶地貌。殘丘—洼地過(guò)渡帶發(fā)育垂直滲流帶，表面遭受溶蝕作用強(qiáng)烈，裂縫和溶蝕孔洞發(fā)育，殘丘內(nèi)部徑流活躍，有利于形成溶蝕孔洞型儲(chǔ)層。