鄂尔多斯盆地延安地区奥陶系风化壳古地貌恢复

王高平 王震亮* 赵雪娇 李彦婧 王念喜 任来义 曹红霞

(1.大陆动力学国家重点实验室西北大学;2.西北大学地质学系，西安 710069;3陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，西安 710075)

近年来，随着鄂尔多斯盆地奥陶系古岩溶储层研究的深入，下古生界天然气勘探实现了较大的突破，盆地在早奥陶世沉积后受加里东构造运动作用整体抬升，经历长达 1.5 ×108a 的风化剥蚀后［1，2］，盆地中东部奥陶系风化壳古岩溶地貌可划分为岩溶高地、岩溶台地、岩溶盆地3种地貌单元［3］，并可进一步将岩溶高地划分为洼地、平台、斜坡，将岩溶台地划分为浅洼、缓丘、台坪、沟槽。气藏主要富集在奥陶系顶部的古风化壳内，靖边气田就位于古地貌的高部位。相对而言，岩溶斜坡这一古地貌较低部位的天然气藏形成研究较为薄弱。位于鄂尔多斯盆地东南部的延安地区，在奥陶纪沉积了巨厚的碳酸盐岩，加里东期的抬升作用，导致奥陶系顶部岩溶作用强烈，整体处于古岩溶斜坡背景(图1)。恢复其延安地区下古生界顶部的古地貌形态，对于认识该地区碳酸盐岩储层特征，探索其中的天然气藏形成具有重要科学意义。本文基于现今地层展布，主要利用“残余厚度法”、“印模法”划分出岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶沟槽等地貌单元，并结合测井曲线进行了古沟槽的识别，恢复出延安地区奥陶系风化壳的古地貌特征。

1 岩性和地层分布

延安地区研究面积约2.0×104km2。从组成下奥陶统马家沟组顶部碳酸盐岩储层的岩性看，马六段主要为石灰岩、含云灰岩和白云岩，马五段主要为白云岩、含灰云岩、石灰岩、含云灰岩和含泥云岩。马家沟组以蒸发潮坪沉积为主，发育含膏云坪与藻泥云坪微相，具有含硬石膏斑晶、硬石膏结核的岩石组合，经古岩溶作用后，形成了层状分布的溶蚀孔洞，成为储集空间的主体。在经历了中奥陶世至早石炭世沉积间断后，于中石炭世又再度接受沉积，受到岩性、地层、古构造、古水动力场及古地理坏境等多种因素的影响，形成了高低起伏的古岩溶地貌，进一步影响储层的发育特征［3］。

鄂尔多斯盆地中东部地区的马家沟组沉积期经历了三次海进—海退旋回，在纵向上构成了六个岩性段。其中马家沟组一、三、五段以白云岩、硬石膏岩和盐岩为主，偶夹少量石灰岩，马家沟组五段为风化壳发育的储层段，又分为若干个亚段和小层，马家沟组二、四、六段为石灰岩和白云岩，在补偿坳陷盆地还有硬石膏岩产出。

图1 鄂尔多斯盆地早奥陶世的古地理背景与延安地区所在位置Fig.1 The palaeogeographic settings of Ordos Basin in early Ordovician epoch and the location of Yan’an area

马五段、马六段是本区下古生界勘探的主要目的层，从现今马家沟组残余地层分布看，马六段在延安地区西部及东缘延川等地明显缺失(图2)，不整合面下直接出露马五段，而研究区中部、东南部相对较厚(15～20 m)，分布在子长、清涧、延长、宜川、甘泉等地，呈南北向展布，说明其沉积后处于较低地貌部位，剥蚀较少。马五段主要为灰色、深灰色粉晶、微晶白云岩，厚70～80 m，自上而下又细分为马五1、马五2、马五3、马五4等多个亚段，受加里东晚期抬升、剥蚀和溶蚀作用的影响，以顶部的马五1、马五2亚段物性最好，是天然气藏的主要储层。天然气勘探结果表明，延安地区内多口井在奥陶系碳酸盐岩存在气测录井显示，含气层所在层位主要为马家沟组马五1、马五2和马六段，在8口井试气，获得1万方以上的无阻流量，其中两口井在马五1达到了日产15～30万方的无阻流量，气层埋深2 600～3 800 m，气层有效厚度1.5～10.5 m，平均厚度3 m。

从马家沟组顶部地层被剥蚀的程度，也可作为反映此时古地貌起伏变化的重要指标。因为古地貌相对较高处，地层遭受剥蚀的程度较大;古地貌相对较低处，地层遭受的剥蚀较小。由此分析，早石炭世，延安地区的西南部和东部局部地区古地貌相对较高，受剥蚀程度较大。

图2 延安地区马家沟组(O1m)顶部不整合面下地层出露和马六段残余厚度Fig.2 The exposed formations below unconformable surface on the top of Majiagou Formation(O1m)and the residual thickness of O1m6bed，Yan’an area

2 古地貌恢复的方法

古地貌恢复对于认识一个地区储层的发育规律，探索天然气成藏因素具有一定的指导意义，也是盆地分析的内容之一。目前常用的方法主要有:残余厚度法、印模法、地球物理法、层序地层法、沉积学方法等，经过优选，在延安探区石炭系前古地貌恢复中采用了“残余厚度法”与“印模法”的组合。

2.1 残余厚度法和印模法

残余厚度法将待恢复地貌结束剥蚀开始上覆地层沉积时视为一等时面，然后选择沉积地层中某一特殊岩性段为基准面，将其拉平，该面以上残余厚度的大小则代表了古地貌的形态。印模法是利用上覆沉积层中的标志层，然后将其拉平，统计不同钻井上覆沉积层中的标志层面到马家沟组顶剥蚀面的厚度，利用镜像关系将其转化为平面厚度图。两种方法相结合，可共同反映延安地区奥陶系马家沟组顶的古地貌格局。

2.2 等时界面的选取

2.3 古地貌单元划分的依据

加里东期风化壳的剥蚀程度与风化壳的古地貌状态呈正相关［4～7］，而风化壳古地貌的充填程度则与古地貌状态关系正好相反。因此，可利用不整合面与上、下标志层间的地层厚度对比，作为划分古地貌划分的重要依据(图3)。二者间的这种互补关系主要表现为［5］:

①下薄+上薄:代表继承性隆起或高地，反映了岩溶高地特征。

②上厚+下厚:代表继承性坳陷或洼地，反映了岩溶盆地的特征。

③下厚+上薄(相对):反映了局部地势相对较高的残丘或台地台缘、残台等三级古地貌单元。

④下薄+上厚(相对):反映了局部下切侵蚀较明显的沟谷，或地势相对较低的阶坪、洼地。

3 延安地区奥陶系古地貌的综合恢复

在延安地区奥陶系风化壳古地貌的恢复过程中，为保证在大量钻井资料基础上，恢复结果的可靠性和准确性，我们主要立足以下三个方面的工作，以便进行多角度分析和对比:(1)奥陶系顶部与其上、下标志层的厚度及其对比;(2)不整合面发育的铝土岩厚度分布与古沟槽的关系;(3)利用测井资料的分布形态识别古沟槽，以保证结果的准确性。

3.1 风化壳上、下地层的分布及其厚度组合关系

图3 不同古地貌单元间风化壳与上、下标志层间残留厚度的互补关系(据姚泾利等，2011)Fig.3 The complementary relationship of remnant thickness between weathering crust and upper/lower markers in different palaeogeomorphic units(after Yao Jingli，et al.，2011)

图4 风化壳与上、下部标志层之间的残余厚度叠合Fig.4 The superpose of remnant thickness between the weathering crust and upper/lower marker bed.

3.2 铝土岩厚度分布

铝土岩作为风化作用的产物，较厚处说明其形成前所在的地势比较低，有利于铝土岩的保存，在铝土岩厚、薄相间的地带，较厚处预示着古沟槽发育，故也可作为划分古地貌单元的参考标志。研究中主要通过测井曲线并结合录井、取心资料来识别铝土岩(图5)，在铝土岩的测井响应表现为:自然伽马高峰状突起，声波时差高的锯齿状，深侧向电阻率极低值(1～5 Ω·m)，密度曲线底部为特高值段，与奥陶系风化壳岩溶段测井响应的低伽马、低声波时差值、中高电阻率值、高密度值等特征有明显差别，易于识别。

图5 延安地区Y118井内铝土岩的测井响应特征Fig.5 The logging response characteristics of bauxite in Y118 well，Ya’an area

据此识别结果，延安地区249口井内马家沟组顶部的铝土岩风化壳0～13.7 m，并编制了该地区铝土岩厚度的平面分布图(图6)。由图可见，延安地区本溪组底部铝土岩的厚度整体上呈现西部薄东部厚的趋势，说明风化壳形成的背景是西高东低。若以铝土岩厚度＞6 m，作为划分古沟槽存在与否的证据考虑，则延安地区北部呈东西向分布的 Y449—Y398—Y131井区块、Y353—Y210井区块、Y422—Y416井区块(图中方格阴影区)，可作为存在东西向古沟槽的证据。类似的地区还有:延安地区中部的 Y459—Y366—Y365—Y102—Y318—Y215—Y148—Y107—Y418井，延安地区南部的 Y116—Y347—Y424—Y171—Y339—Y311—Y196—Y150—Y305—Y174—Y308—Y470—Y182—Y183井一带，均呈现出蜿蜒分布的条带，能够较好地反映古沟槽的存在。此外，在Y269—Y271井区、Y255—Y184井区、Y428井区，呈零星状分布，也可作为古沟槽局部发育的证据。研究区西南部局部铝土岩也较厚，如 Y413—Y433—H33—Y261井区，因钻井相对稀少，推测认为，可能反映了整体高地势背景下的下切。铝土岩的这一厚度展布将为古岩溶地貌的恢复提供一定的参照［11～18］。

图6 延安地区本溪组底部的铝土岩厚度分布Fig.6 The thickness distribution of bauxite at the bottom of the Benxi Fm(C2b)in Yan＇an area

3.3 古沟槽的测井识别

古沟槽是影响油气勘探和开发效果的重要因素，因岩溶作用的不均匀性，往往在沟槽的溶丘块体上倾方向，储集性能优越，容易获得高产(何自新，2001)。因而古沟槽的识别成为古地貌恢复中不可或缺的重要工作。

研究中主要利用测井方法识别古沟槽［9］(表1)，此方法的原理是根据本溪组(C2b)地层的充填结构，根据古台地、古沟槽内铝土岩与马家沟组灰岩或白云岩的组合关系，间接反映奥陶系古地貌的特征。古台地内自然伽马曲线的测井响应为单峰状。古沟槽或浅洼有3种充填结构，对应三种显示:铝土层+泥岩覆盖在白云岩/灰岩上，自然伽马曲线为缓坡形;铝土层+泥岩+砂岩覆盖在白云岩上，自然伽马曲线呈双峰状;铝土岩+砂泥岩覆盖在白云岩/灰岩上，自然伽马曲线为台阶状［12］。

延安地区西部、东部局部铝土岩的充填形式，是直接覆盖在马家沟白云岩/灰岩之上，在测井曲线上识别出单峰状，应为古台地;在中—东部区域，本溪组主要充填结构为铝土岩+泥岩、铝土岩+砂泥岩以及铝土岩+泥岩+砂岩覆盖在马家沟白云岩/灰岩之上，从测井曲线上识别为古沟槽。本次研究中利用202口井的测井曲线进行了古沟槽和古台地的识别工作，其中71口井具古沟槽特征，131口井显示古台地特征，部分井的识别结果见表1。

表1 延安地区部分井的测井识别古沟槽结果Table 1 The identifying results of the ancient erosion grooves by way of logging curves from some wells in Yan’an area

图7是根据202口井的测井曲线特征识别出的延安地区古沟槽、古台地平面分布。由图可见，古沟槽主要分布在延安地区的东部地区，自北向南，第一条古沟槽分布受Y449—Y395—Y131—Y353—Y210—Y422—Y416等井控制，第二条古沟槽带由Y316—Y133—Y366—Y459—Y318—Y293—Y390—Y466—Y389—Y297—Y148等井控制，两个分支在Y148井东北方向汇合呈一条较大的沟槽，第三条古沟槽位于Y424—Y171—Y331—Y338—Y121—Y471—Y178—Y334—Y182井一线，第四条古沟槽位于研究区东南部，规模较小，主要由Y224井控制;其余地区则显示为古台地分布范围。

图7 根据测井曲线识别的延安地区古沟槽、古台地Fig.7 The distribution of ancient erosion grooves and ancient platform identified by way of logging curves in Yan’an area.

前人对盆地南部的古沟槽识别和研究受控制井位较少、地震资料不全且品质不高的影响，本次研究中结合古沟槽的地质发育背景，利用大量钻井的测井曲线对古沟槽的分布进行了较为细致的识别，因此保证了最终古沟槽分布结果的可靠性。

4 古地貌分布格局及对储层的影响

综合以上风化壳与上、下标志层间的地层残余厚度及其组合关系、铝土岩的厚度分布和古沟槽的测井识别等3个方面的研究结果，最终恢复出石炭纪奥陶系风化壳的岩溶古地貌分布格局(图8)。由图可见，延安地区整体位于古岩溶高地与古岩溶盆地之间的古岩溶斜坡，呈NNW展布。其中，古岩溶高地位于西南部，主要位于Y157—Y313—Y413—H22井—洛川一带，北部的延442井等地为地势略地的残丘，几口高产井位于其中;岩溶斜坡分布范围比较广，分布在研究区的中部安塞—延安—甘泉—黄龙一带;研究区东部属岩溶斜坡与岩溶盆地之间的过渡带，分布在绥德—延长—宜川一带，其中的古沟槽呈条带状分布。

图8 延安地区奥陶系风化壳在石炭纪的古地貌单元Fig.8 The palaeogeomorphic unit of the Ordovician weathering crust in Carboniferous Era，Yan’an area

古地貌格局和古沟槽的分布影响了储层的形成、发育和天然气的富集。据研究，岩溶高地区块容易发育大规模的垂向型岩溶，风化壳填充厚度比较厚，非均质性强，储层主要发育溶洞型、水岩溶型;岩溶斜坡地带地下水径流强烈，持续径流，风化壳填充厚度大，均质性好，发育层状溶蚀孔洞型储层，是天然气富集的有利区域。

延安地区在岩溶古高地以及岩溶高地与斜坡接触带含气性能极好，靠近侵蚀古沟槽的斜坡位置含气性能明显变好。分析其原因可能与大气水的风化淋滤作用有关，储层处于水动力转化带，岩溶作用强烈，是储层的有利发育带，储集物性比较好，圈闭面积大，侧向和上倾泥质充填封堵性能比较好。

5 结论

(1)采用残余厚度和补偿厚度印模法，并结合铝土岩厚度分布和古沟槽识别结果，恢复出延安地区奥陶系风化壳古地貌形态。延安地区西南部表现为岩溶高地，中部大部分地区表现为岩溶斜坡，东部属岩溶斜坡与岩溶盆地之间的过渡带。

(2)从古地貌图可以看出，延安地区受鄂尔多斯盆地整体构造背景的影响，石炭纪构造面貌成像出西南高、东北低的整体趋势，造成了奥陶系风化壳古岩溶地貌格局。

(3)古地貌格局和古沟槽的分布影响了储层的形成、发育和天然气的富集。延安地区岩溶古高地、靠近侵蚀古沟槽的斜坡位置含气性较好，可能与大气水的风化淋滤导致的储层发育程度、物性好坏、盖层的封堵性能等因素有关。

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