苏里格东南区古地貌恢复及其与气水分布关系

张 晨，李进步，陈存良，刘治恒，张园园，任战利，杨 燕

(1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；2.中国石油长庆油田公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710018；3.西北大学 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

0 引 言

据统计20%～30%的大气田发育于古风化壳岩溶储层之中[1]，20世纪70年代中后期至今，与古岩溶相关的古地貌研究逐渐受到国内外学者重视，并得以广泛应用。古地貌恢复是对历史时期盆地面貌变化进行分析的一种重要手段，是以构造变形作用为主，风化剥蚀、充填沉积、差异压实等综合作用的结果[2]。

目前常用的古地貌刻画方法有：地球物理法、印模法、残余厚度法、沉积学法、层序地层法及层拉平法、回剥法、构造趋势面转化法、计算机模拟法等[2-11]。

苏中堂、王建民等运用地球物理法，通过提升测井、地震属性，建立古地貌的识别标志模型，最后运用井震等地球物理资料对模型进行验证、约束，直至接近最理想的程度[2-4]。该方法直观准确，但刻画精度较低。夏日元、魏新善等运用印模法及残厚法恢复古地貌[5-8]。印模法目前应用最为广泛，其原理是利用上覆地层与古地貌之间的“镜像”关系，通过上覆地层的厚度来半定量恢复古地貌形态。该方法简单易行，但基准面与剥蚀面之间地层的真实厚度恢复难度较大。残余厚度法与印模法原理相似，区别在于需在剥蚀开始之前所沉积的地层中，选取标志层作为基准面，并将其拉平，该基准面之上残余地层厚度即可代表当时的古地貌形态。该方法直观且刻画精细，但却未考虑构造及剥蚀差异对沉积厚度的影响。赵俊兴等运用沉积学法恢复古地貌，即借助沉积岩相古地理特征，从而定性地恢复当时的古地貌特征[9]。沉积学法恢复古地貌简单、易于操作，但影响因素复杂、工作量大，且精度较低。宋国奇、赵俊兴等运用层序地层法，将层序地层学引入古地貌恢复之中，在建立上覆地层等时层序格架的基础上，将其拉平，运用其与风化壳等势面之间的地层来反应古地貌形态[10-11]。该方法优点是上覆基准面相对等时性强，缺点是2个等时界面的选择较为困难。

不同的学者虽然采用不同的方法对不同地区的古地貌进行恢复研究，但各种分析方法均各有利弊。此外，就鄂尔多斯盆地而言，盆地尺度、油气田尺度的岩溶古地貌研究已趋于成熟[12-15]，但井区尺度的沉积期古地貌研究仍处于探索之中[12]。因此在前人研究的基础上，结合研究区实际，文中首次采用综合法对苏里格东南部地区三级岩溶古地貌进行精细划分与解释，即：井震结合初步确定地层下古生界地层格架；统计奥陶系顶部地层出露情况，了解古构造格局及各地区剥蚀程度；合理选择基准面，采用印模法及残厚法初步恢复古地貌；最终依照每种方法的优弊进行取舍，多角度综合划定研究区三级古地貌划分标准，恢复岩溶古地貌形态，并分析不同地貌形态与气水分布间的关系。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地受加里东运动影响，于奥陶纪盆地中央呈现“L”形隆起构造雏形[16]。早奥陶世，盆地在经历短暂抬升之后，开始接受马家沟组碳酸盐岩沉积；随着加里东运动逐渐加剧，华北地台整体抬升，中奥陶及早石炭地层被广泛剥蚀，发育风化壳岩溶型储集体，与上覆的晚石炭统海陆交互源岩沉积层呈区域不整合接触[7]。后经晚三叠世至白垩纪内陆盆地发展，以及新生代周边断陷盆地发育形成了现今南北隆升、东抬西冲、盆内斜坡西倾与天环向斜相连的构造面貌[14-17]。

苏里格东南部位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡北部(图1)，地区面积790 km2，完钻井468口，其中探井19口，在平缓西倾的单斜背景上发育一系列北东-北东东向复式鼻状构造[18-22]。奥陶纪末，研究区位于中央古隆起东侧，差异性抬升剥蚀致使该区风化壳储层发育，表现出较大的勘探开发潜力。

2 常规法岩溶古地貌恢复

2.1 前石炭古地质特征

在对研究区217口钻至奥陶系单井进行小层对比与划分的基础上，统计每口钻井所揭示的奥陶系顶面出露层位(表1)，绘制研究区前石炭系古地质图(图2)，宏观分析石炭系沉积前的古地貌特征。

图1 苏里格东南部区域地质概况Fig.1 Gedogical overview of the southeastern region of Sulige

表1 苏里格东南部前石炭纪地层出露情况统计

图2 苏里格地区东南部前石炭纪古地质特征Fig.2 Ancient geological of the Pre-Carboniferous in the southeastern part of the Sulige Area

2.2 “印模”地层分布特征及古地貌指示

在选取标志层参考面时，按照全区稳定分布等时界面、与风化壳面距离较近、岩性界面易于识别3大原则[9，13]，选取本溪组顶部8#煤层为基准面(图3)，采用填平补齐的沉积补偿原理[23]，对地层抬升剥蚀后古地貌轮廓进行刻画。本溪组由顶部煤层与底部大套泥岩夹砂层组成，且全区广泛分布。考虑压实减孔对砂泥岩及煤系地层厚度影响较大[24]，因此先对本溪组厚度进行压实校正，具体如下

2.2.1 求取压实系数[25]

φ=φ0exp(CZ)

(1)

2.2.2 求取去压实后目标层顶底深度[24]

(2)

将式(1)带入有

φexp-C′Z)d(D)

(3)

2.2.3 求取去压实后目标层骨架高度及压实率

D=D2-D1

(4)

D′=D2′-D1′

(5)

(6)

式中Z为深度，m；φ为Z处对应孔隙度，%；φ0为地表孔隙度(表2)，%；C为压实系数；D1，D2为分别表示目标地层当前的顶深和底深，m；D1′，D2′分别表示压实校正后目标层定顶深度，m；D′为校正后目标层厚度，m；D为当前目标层厚度，m；Φ为压实率，%.

表2 不同岩性的地表孔隙度[25]

经计算，该区本溪组砂岩平均压实率为28.7%，泥岩及煤层压实率为63%左右。在对本溪组地层进行去压实校正之后，得到本溪组原始沉积厚度等值线图，进而表征古地貌形态(图4)。可知，其整体反映了奥陶末期苏里格东南部西高东低、北高南低的地貌形态，与古地质图分析结果较为一致。西北部及东北部地层厚度相当，多分布于10～17 m之间，向南地层厚度逐渐增大。南部地区表现出沟脊相间的特征，桃2-36-2井—苏93井、桃2-30-14井—桃47井、陕50井—桃2-30-25井均呈现为北西-南东向展布特征，地层最厚处可达26.2 m.西部地区平均地层厚度高于东部地区，其中桃2-16-16井区、桃2-16-20井区、桃2-1-8井区厚度最大，均大于30 m，对应在本溪组沉积时表现为低洼特征。

2.3 “残厚”地层分布特征及古地貌指示

图3 苏里格东南部地区南北向地层对比(石炭系顶拉平)Fig.3 North-south stratigraphic contrast section of southeastern Sulige(Carboniferous top alignment)

可知，古地貌整体西北偏高，起伏强烈；东南、西南地区仍表现出近北西-南东向沟脊相间形态，与印模法分析结果较为一致。在加里东期强烈构造作用的影响下，残厚小于40 m的区域主要位于研究区西部、北部地区，厚度变化幅度大且连续性差，桃2-21-8井处残余地层厚度最小，为24.6 m.由此说明，西部及北部地区遭受风化及剥蚀作用强烈，属低地貌单元。大于60 m的地层分布于研究区内中部地区，面积小且起伏程度小，向西逐渐歼灭，其中桃2-12-13C1井、桃35井、桃2-16-19井、桃2-30-8井K3标志层之上残厚度均大于65 m，并且均有马六地层残余，属高地貌单元。40～60 m地层分布最为广泛，占全区面积3/4，其间厚度变化幅度较小，说明其地势起伏较为平缓，遭受剥蚀程度较小。

3 综合法古地貌单元划分及其特征

运用沉积学古地质分析，虽能较好确定古地貌形态，但其精度不够[2，4]。印模法容易操作，并能较为精细的恢复古地貌。残厚法对古地貌的刻画直观，也较为精细，但基准面的选择、压实校正的准确度等都会影响最终结果[4，9]。上述分析结果也体现出相同结论，各种方法之间虽结果相似，能相互印证，但局部结果仍有差异。因此，文中在古地貌恢复技术的优缺点分析的基础上，以鄂尔多斯盆地沉积背景为根本，通过去压实校正，将印模法作为重点，综合古地质分析以及残厚分析结果，将研究区奥陶系岩溶古地貌进一步精细划分为2个二级单元和9类三级单元(图7)，具体划分指标见表3.

图4 苏里格东南部地区印模法恢复古地貌Fig.4 Impression method to restore the ancient landscape in southeastern part of Sulige Area

图5 苏里格东南部地区东西向地层对比剖面(马底拉平)Fig.5 East-west stratigraphic contrast section of southeastern bottom alignment)

3.1 岩溶高地

3.2 岩溶斜坡

岩溶斜坡是该地区主体古地貌单元，去压实后石炭系厚度为15～50 m，K3标志层之上残余厚度为30～55 m.以石炭系及残余地层相对厚度为标准，岩溶斜坡又可进一步划分为6个三级单元。

残丘处石炭系厚度多小于30 m，是古岩溶斜坡上呈孤立丘状分布的古高地，分布范围较小，主要位于桃2-5-8井区，桃2-16-18井区，桃2-8-24-陕166井区，在加里东期所经历的风化剥蚀时间较长。

表3 奥陶系岩溶古地貌单元划分表

注：H1,H2分别为石炭纪厚度及残余厚度；ΔH1、ΔH2分别为为石炭系厚度、残厚与各自平均值差值。

图6 苏里格东南部地区残厚法恢复古地貌Fig.6 Residual thick method to restore ancient landforms in southeastern part of Sulige Area

洼地是岩溶斜坡内的负相地形区，残余地层厚度多小于10 m，面积较小，多位于沟槽水系发育末端。由于该区域地势低、水体深，因此水体流动缓慢，化学沉淀作用强，不利于储集体的形成与保存。

4 岩溶古地貌与气水分布关系

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组顶部的岩溶古地貌控制着古岩溶作用类型及强度，进而改变了风化壳古岩溶储层的岩性及物性条件[5]。但受地层叠覆顺序及风化作用强度对储层影响的强度所限，前石炭纪古地貌对奥陶系上组合地层影响较大[8，28]，因此，文中重点讨论研究区前石炭纪末古地貌与奥陶系马家沟组上组合气水分布间的关系。

图7 苏里格东南部地区前石炭纪古地貌图与马家沟组上组合气水分布叠合图Fig.7 Pre-Carboniferous paleogeomorphology and distribution of gas-water on the Majiagou Formation

叠合古地貌与上组合气水分布(图7)，并结合前人关于岩溶储层特征研究成果可知，研究区前石炭纪古地貌形态对奥陶系上组合气水差异性分布影响较大。古岩溶高地在研究区内面积较小，垂向渗流为主，多发育纵向溶洞且非均一性明显[28]，不利于形成有益于天然气聚集成藏的层状岩溶带，仅局部地势相对较高的残丘地区尚有天然气分布。古岩溶斜坡是古地貌主体单元，其中残丘风化壳岩石类型以白云岩为主，主要表现为淡水淋滤溶蚀作用[23-31]，具有良好的储集性能；一级残丘、二级残丘各自所包含的气井占比40.0%，26.7%；36.9%的差气层井位于二级残丘之上，其次为一级残丘含差气层井26.0%.气水同产井多位于二级残丘及上斜坡单元，分别为31.8%，27.3%.产水井则集中分布于上斜坡、二级残丘及下斜坡古地貌单元之内，占比20.8%，45.8%，12.5%.此外，沟槽两侧分布有3.1%的差气层井。古洼地为岩溶水的汇集区[28]，岩溶作用相对较弱，所含气层、水层均较少。

综上，奥陶纪末期苏里格东南部地区主要呈现西高东低、北高南低的地貌形态，古岩溶高地分布局限，古岩溶斜坡广泛展布，其间三级地貌单元高低相间分布。至晚三叠世、中-晚侏罗世，上古煤系烃源岩进入生排烃高峰，天然气下穿奥陶系顶部铝土岩缺失部位发生垂向运移[22]，在奥陶系风化壳岩溶储层裂缝及孔隙中向下充注并发生侧向运移，在当时地势相对较高的一级残丘、二级残丘、上斜坡等部位聚集成藏。至燕山运动中期，整个盆地由东倾单斜转为西倾单斜。最初在西部古残丘及上斜坡圈闭中聚集的天然气，受侧向遮挡而被保留；其余低部位聚集的天然气在自身浮力及水动力作用下，向东部构造高部位发生大面积后期运移与调整，驱替高部位地层水向西部底势区调整。最终出现现今中东部及前石炭古地貌呈岩溶高地貌单元的西北、南部中富气，中西部地区富水的气水分布格局。

5 结 论

2)综合法恢复古地貌形态，将印模法与残厚法二者有机结合，并参考印模地层厚度、残余地层厚度与平均厚度值间的相对变化情况，结合研究区实际将前石炭古地貌精细刻画为2类二级单元和9类三级地貌单元。苏里格东南部地区奥陶系岩溶古地貌形态为“西高东低、北高南低”的分布格局，以岩溶斜坡地貌单元为主，主要发育上斜坡、下斜坡、一级残丘和二级残丘，局部发育古洼地和古沟槽。

3)苏里格东南部地区奥陶系上组合气水主要表现为西北、东部及东南部富气，中西部富水的特征。水层、气水同层因受燕山期地层翘转影响，多分布于研究区中西部古岩溶上斜坡地区。古洼地、古沟槽溶蚀淋滤作用较弱，不利于天然气富集，但仍有少量低产气井分布其中。岩溶斜坡古残丘及上斜坡地区则是天然气高产井的目标区。