鄂尔多斯西南缘奥陶系风化壳岩溶储层特征

陈 威 李仲东，2 杨 冬 吴娟娟

（1.成都理工大学，四川 成都 610059；2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059；3.西南石油大学资源与环境学院，四川 成都 610500）

0 引言

近年来鄂尔多斯盆地西南缘奥陶系风化壳发现了多层次油气显示，并在部分井测试出天然气气流，显示出该区具有较好的勘探前景。盆地西南缘古生界地层发育较全，沉积厚度大，烃源岩及储集层发育，石油地质条件优越，加之其处于盆地边缘并包含西缘断褶带、天环向斜及渭北隆起，构造裂缝特别发育，极大地改善了奥陶纪风化壳储层的性能。由于中央古隆起于早寒武世就已经形成，直到早中生代才逐渐消亡，其整个形成演化控制着下古生界寒武、奥陶系沉积格局和古风化壳岩溶储层的发育规律，特别是对盆地西南缘的控制作用，导致盆地西南缘奥陶系风化壳储层巨大的差异性，使其非均质性进一步加强，增大了勘探难度。因而有必要对该区奥陶系风化壳储层分布规律及其特征进行研究，为评价优选有利勘探靶区提供地质依据。

1 区域地质概况及古地理背景

研究区呈“L”形分布于鄂尔多斯盆地西南缘地区，总面积约118 470 km2，其中西缘面积47 520 km2，南缘面积70 950 km2。其范围包含盆地西缘断褶带、天环向斜、伊陕斜坡南部和渭北隆起全部（图1）。

图1 研究区范围图

鄂尔多斯盆地西南缘在早古生代时毗邻秦祁地槽，主要处于鄂尔多斯台缘坳陷带。由于受到地槽活动的影响，该区自长城纪以来多次形成较深的狭长沉降带，与秦、祁海槽相连，组成裂谷系。早古生代寒武—奥陶纪为裂谷活动的主要时期。早中奥陶世由于受到秦祁裂谷系的影响，该区发生快速沉降。中奥陶世平凉期表现为坳陷沉降最盛时期，此时裂谷扩展最宽、幅度最大，发育一套深水斜坡环境的复理石建造。中奥陶世后由于受到加里东运动的影响，鄂尔多斯盆地整体抬升，海水由西南退出了鄂尔多斯地区，早期形成的裂谷系逐渐消失，该区也快速隆升为陆地，经历了1.5亿年的风化剥蚀，直至晚石炭世才开始沉降接受沉积，导致盆地西南缘地区中上奥陶统海相碳酸盐岩或泥页岩、泥灰岩地层直接伏于石炭系地层之下，其间缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、中下石炭统地层，形成了一个大的区域不整合面［1］。不整合面之上为石炭系海陆过渡相碎屑岩地层，不整合面以下为马家沟组四—六段、平凉组、背锅山组（出露地层）。其中，在中央古隆起，石炭系地层直接覆盖于震旦系或寒武系地层之上。

2 风化壳岩溶特征

2.1 风化壳岩溶分布

从鄂尔多斯盆地西南缘前石炭纪古地质图（图2）中可清晰地看到盆地西南缘分布着6个层位的风化壳：① 中央古隆起前奥陶系风化壳，岩性主要为冰碛岩和白云岩，大部分地层岩性致密，硅化严重，仅发育风化裂隙、微裂隙，风化壳岩溶不发育［2］。② 环中央古隆起和李1井—庆深2井一线以东地区及宜君东部狭窄地带的马家沟组四段风化壳，其中在庆深2井南面和黄陵以西的环中央古隆起的狭窄地带为潮坪相含膏白云岩与泥晶白云岩，而在庆深2井以北及李1井—庆深2井一线以东地区和宜君东部狭窄地带为碳酸盐岩台地相灰岩。③ 马五风化壳，其在盆地西南缘有两个分布区，整体分布范围较小，一个是富县、黄龙、西垲口一带的局限海台地相膏质和泥质白云岩地层，另一个为沿长武—宜君东西走向的狭窄地带为开阔海台地相灰岩地层，厚度一般在50～150 m左右［3］。④ 马六风化壳分布范围较小，整体呈狭窄的“L”型分布于盆地西缘李1井—庆深2井一线和伊25井—环14井—平凉一线之间及盆地南缘旬探1井—鄂铜1井—蒲城一线和长武—宜君—尧山一线之间。岩性上主要以薄层灰岩、瘤状灰岩为主，厚度大多在50～100 m左右，为开阔海台地相沉积。⑤ 平凉组风化壳，其范围较大，分布于西缘伊25井—环14井—平凉一线以西地区及彬县—旬邑—铜川一带。平凉期鄂尔多斯盆地西南缘也有一个狭窄的“L”型海域，其中依次发育碳酸盐岩台地相、高能量滩和深水斜坡相，向外逐渐过渡为深水海槽，厚度也由100 m左右增加到青龙山、峁头山一带的1 000 m以上。而盆地南缘由于后期被背锅山组地层覆盖，只有部分平凉组地层出露接受剥蚀，风化壳范围较小，呈东西走向，带状分布，岩性以碳酸盐岩为主，陆源碎屑岩次之，为开阔海台地相沉积。⑥ 张家川—陇县—麟游—耀县一带背锅山组风化壳，其厚度基本都在100 m以上，向南、西南方向逐渐增厚，在张家川、岐山、乾县一带可以达到600 m以上。主要为一套浅水碳酸盐岩台地相沉积，向南逐渐过渡为深水斜坡相沉积。

图2 鄂尔多斯西南缘前石炭纪古地质图

2.2 古岩溶地貌特征

采用印模法对鄂尔多斯盆地奥陶系古地貌形态特征进行恢复。将奥陶系岩溶古地貌划分为6个二级地貌单元，即岩溶台地、岩溶阶地、岩溶鞍地、岩溶盆地、岩溶斜坡、岩溶低地［4］。其中本区主要发育岩溶台地、岩溶低地和岩溶斜坡。

1）岩溶台地

主要指长轴状的大型脊地、短轴状的大型长垣和小型残丘，按形态和地形高度可分为岩溶台地和岩溶高地。该区主要发育有3个岩溶台地（高地），分别为中央古隆起处的镇原—灵台高地、南缘北部的正宁—富县岩溶台地、西缘定边—吴旗岩溶台地。

2）岩溶低地

按面积大小和分布特点分为大型岩溶谷地和小型岩溶洼地。岩溶谷地主要分布于西缘岩溶斜坡带的西侧。在南缘地区，于南部岩溶高地和正宁—富县岩溶台地之间星散地分布岩溶洼地：宁县岩溶洼地，黄龙洼地和洛川洼地。

3）岩溶斜坡

在地形高度和空间分布上处于岩溶台地和岩溶低地的过渡位置上［1］175。本区主要分布在西缘地区，位于定边—吴旗岩溶台地外侧，称为下马关岩溶斜坡，亦呈南北向狭长条带状分布。

一般来说，岩溶台地（高地）、岩溶斜坡由于地表水充裕，水流循环强度大，溶蚀作用强，因而所形成的孔洞密度高，洞径大，风化壳储（气）层亦发育；岩溶谷地、岩溶洼地由于水流缓滞，岩溶作用弱，形成孔洞密度亦低，其岩溶储层则相对较差。西南缘天然气显示最好的定北地区及周缘（天1井）和富县地区（产工业气流）均位于岩溶高地（或斜坡）地带。

2.3 岩溶垂向分带

根据地貌在纵向上受岩溶作用不同分为3个溶蚀作用带，即垂直渗滤溶蚀带、水平潜流溶蚀带和深部缓流溶蚀带（图3）。

1）垂直渗滤溶蚀带

位于铁铝盖层以下，多发生在奥陶系的顶部，该岩溶带在岩性组合上最大特征是发育着溶积角砾岩［4］51。典型的井例为南缘的富探1井，该井奥陶系顶部出露马五1，于2 839～2 840 m（离奥陶系顶0 m）的溶积角砾岩发育溶沟。2 840.5～2 845 m井段离侵蚀面1.5 m，灰质白云岩，垂直裂缝发育。缝宽大于10 mm，为云岩角砾和上覆石炭系铝土质泥岩所充填。并见大量黄铁矿粗大晶体，纵向小溶缝和小溶孔发育，小溶孔长轴略呈垂直方向延伸。这些特征充分反映其为垂直岩溶带产物。于该带2 847～2 850.8 m、2 868～2 871.4 m井段酸化测试产天然气22 m3／d。

2）水平潜流溶蚀带

主要发生在垂直渗滤溶蚀带以下的地下潜流层部位。该带地下水十分活跃，溶蚀形成的孔洞和裂缝以水平或近水平展布为主，并且大型溶洞发育，孔缝相连，角砾化现象明显，甚至部分层位为角砾岩互层，呈现多期垮塌、滑塌现象［5］。富探1井2 854.5～2 864 m为膏溶角砾白云岩岩段。有两次较强的水平溶蚀过程，顶部发育卸荷裂缝和膏溶变形白云岩，在泥质白云岩之上发育规模较小的溶蚀管道，形成渗流充填的云质泥，见渗流纹构造，下部为块状白云岩夹膏溶角砾，底部夹膏溶角砾和溶余泥质层及含云泥岩。此层段垂向裂缝不发育，而发育较多水平卸荷裂缝，水流沿卸荷裂缝溶蚀形成溶蚀管道，为水平岩溶带。

3）深部缓流溶蚀带

水平潜流带之下，地下水运动和交替缓慢甚至滞流，水流管道多被沉积物充填，溶蚀作用微弱，充填程度高。该带在本研究区不是很发育。

图3 西缘奥陶系古岩溶洞穴裂缝发育剖面示意图

3 风化壳岩溶储层特征

3.1 储集空间类型

通过对储层课题组提供的物性分析资料的统计（表1），盆地西南缘风化壳储层孔隙度主要分布范围为0.23%～8.52%，最高达19.5%；渗透率主要分布范围是0.006～1.759 mD，最高达73.1 mD，岩溶的差异性导致了储层的非均质性非常强。鄂尔多斯盆地西南缘风化壳储层空间类型种类繁多，但对储层最有现实意义的有洞穴、裂缝、溶蚀孔洞和晶间孔。

表1 鄂尔多斯西南缘奥陶系风化壳储层孔隙度渗透率数据表

1）洞穴。主要是风化壳洞穴。形成于石炭纪沉积前，一般洞径大于20 cm，为非组构选择性溶蚀孔洞，在钻井过程中常发生井涌、漏失和钻具放空现象。如西缘天1井及天深1井洞穴层较为发育，天1井3 931.7～3 935.8 m放空井段厚度为1.1 m，天深1井4 069～4 175 m、4 198～4 397.36 m钻井液漏失量达880多立方米。

2）裂缝。裂缝在鄂尔多斯盆地西南缘奥陶系风化壳储层广泛发育，主要有3种类型：收缩缝、构造缝、风化裂隙［6］。收缩缝形成于准同生期—早成岩期，由岩石受压实固结成岩收缩形成，但这类裂缝大部分已被后期方解石、白云石充填。构造缝在本区比较发育，主要形成于印支—燕山期的挤压构造环境。风化裂隙是风化壳储层中裂缝发育最主要的一种，其形成主要与岩石抬升暴露条件下的垂直节理有关，部分被风化残积的铁泥质充填，大部分被再度沉积埋藏后的后生方解石充填。

3）溶蚀孔洞。主要由粒屑、晶粒等易溶碳酸盐矿物，经地下水交替溶滤作用而形成。该类孔隙边界不受岩石组构的限制，大小悬殊。溶孔和溶洞是研究区桌子山组和克里摩里组主要的储集孔隙类型，常与裂缝搭配，形成裂缝—溶孔型及裂缝—溶洞型储层［4］47。

4）晶间孔。指矿物晶体之间的孔隙。这种孔隙常呈棱角状，边缘平直。晶间孔隙大小与晶体大小和均匀性有关，还受排列方式影响。而本研究区只有少部分层段的白云岩晶间孔较发育，大部分为晶间孔不发育的致密层。

3.2 储层控制因素

综合沉积、成岩方面的研究成果，认为控制研究区风化壳储层发育的主要因素有岩石类型、沉积相、成岩环境、成岩作用、构造运动和古地貌因素。

1）岩石类型对储层发育的影响

碳酸盐岩的渗透能力和岩石溶解能力比泥岩强，其中蒸发矿物的溶解更有利于碳酸盐岩的溶蚀，因此碳酸盐岩比泥岩等其他岩性更有利于岩溶作用的进行［5］28。在碳酸盐岩中，由于白云岩不仅发育晶间孔，而且其岩溶过程中去云化作用使得其岩溶化程度不比石灰岩差。盆地西南缘环中央古隆起奥陶系马四段潮坪相含膏白云岩与泥晶白云岩为风化壳岩溶提供了物质基础。

2）沉积相对储层的控制作用

盆地西南缘奥陶系沉积相有开阔海台地、局限海台地，台地边缘浅滩、礁相、台地边缘斜坡相、盆地相沉积。其中局限台地（含蒸发台地）的白云岩相和台地边缘浅滩、礁相颗粒灰岩和礁灰岩为本区最有利储集层发育相带。本区马家沟组局限台地白云岩相储层明显地好于平凉组斜坡相灰岩储层。

3）成岩环境对储层的控制

有利的成岩环境要具备白云化条件和有利于溶蚀作用，在潮湿高温气候条件下，溶有CO2的地表水往往呈酸性下渗，在渗流带和潜流带时，加剧了对岩石的溶解作用。在海退时点礁、环礁环境都可能出现海水—淡水混合的成岩环境。在混合水环境下，最易于发生溶解、白云化和新生变形作用，于储层有利。

4）成岩作用对储层发育的影响

溶解作用、白云化作用对储层有利，压实作用、胶结充填作用、压溶作用对储层不利［7］。

5）构造运动对储层发育的控制

加里东期和燕山期构造运动对研究区的储层发育具有重大意义。加里东期抬升使奥陶系地层全面长时间暴露地表，接受大气水淋滤溶蚀，同时运动形成的断裂、裂缝不但改善了各碳酸盐岩储集体的渗滤储集空间，而且也成为风化壳流体淋滤的主要通道。燕山期运动不仅形成构造圈闭，其发生的断裂活动形成纵横交错的裂缝，沟通了之前已经存在的互相孤立的孔、洞，形成一个个的储渗系统。

6）古地貌对储层发育的影响

古岩溶地貌对岩层的溶蚀程度、充填程度及填充物的性质起着控制作用，不同的古地貌单元其储层展布和储集性能不同［5］29。根据相关资料，在古岩溶高地、古岩溶斜坡、古岩溶盆地3个古地貌单元中，古岩溶斜坡工业气井钻遇率最高，古岩溶高地次之，古岩溶盆地最差。主要是由于古岩溶斜坡水流循环强大，溶蚀作用所形成孔洞缝密度高，连通好，同时储层厚度相对较大，横向展布较为稳定，是天然气最为有利的富集单元［8］。而古岩溶盆地由于地势低，水流循环小，溶蚀作用较弱，充填作用较强，故而难以形成较好的储集层。

4 结论

1）奥陶系马家沟组马四段、马五段风化壳储层在环中央古隆起及其以东地区沉积相带主要为云坪，岩性主要为白云岩、含泥白云岩和含膏白云岩，溶蚀孔、洞、缝及白云岩晶间孔较为发育，为有利的风化壳岩溶储集体分布区。马六段、平凉组、背锅山组风化壳储层主要分布于李1井—庆深2井以西及中央古隆起南侧，主要为开阔海台地到局限海台地，岩性主要为灰岩、礁滩云岩（灰岩）和白云岩，地表岩溶作用不如马四、马五风化壳发育。

2）岩溶谷地或岩溶洼地由于地势较低，垂直渗滤溶蚀带和水平潜流溶蚀带不发育；岩溶高地或岩溶台地由于地势较高，容易遭受风化剥蚀，垂直渗滤溶蚀带和水平潜流溶蚀带发育，但不利于储层保存；而岩溶阶地或岩溶斜坡处于过渡位置，既有利于储层发育，又有利于储层保存，是最有利的古岩溶地貌单元。因而围绕宁县洼地岩溶斜坡地带、正宁—富县岩溶台地和定边—吴旗岩溶台地外侧下马关岩溶斜坡为鄂尔多斯盆地西南缘有利岩溶储层发育区。

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