鄂爾多斯盆地北部奧陶系馬家溝組中組合承壓水巖溶特征

丁曉琪 高景云 祁壯壯 張 威 劉四洪 李春堂

1.成都理工大學能源學院 2.中國石化華北油氣分公司

0 引言

1989年鄂爾多斯盆地陜參1井鉆遇工業氣流后，發現了當時中國最大的海相碳酸鹽巖大氣田—靖邊氣田。奧陶系馬家溝組馬五1-4亞段累計探明天然氣地質儲量超過6 500×108m3[1]，展示了該領域具有巨大的天然氣勘探潛力。馬五1-4亞段儲層的原始巖性為一套含石膏結核的白云巖，經歷加里東期1.5億年的表生期溶蝕，形成以鑄?？诪橹?，晶間孔和微裂縫為輔的孔隙系統，盡管單層厚度普遍為2～3 m，但分布面積超過上萬平方千米。

早期認為靖邊氣田馬五5亞段的致密云/灰巖為巖溶的底界或底板[2-3]，該層之下不發育加里東期巖溶作用。然而隨著盆地北部一系列深井的鉆探，發現在馬五5亞段之下仍發育巖溶角礫巖，部分區域的巖溶深入已達馬五10亞段，甚至在距奧陶系不整合面近180 m的馬四段上部還可以觀察到溶蝕孔洞。對于這些溶蝕孔洞，部分學者將其歸因于同生期溶蝕，認為隨著海平面的下降，潮坪相碳酸鹽巖暴露，接收大氣淡水的淋濾形成溶蝕孔洞[4-5]。但鉆井取心和露頭揭示的這套角礫巖，明顯不同于同生期的溶蝕，而更像表生期巖溶。對于同生期溶蝕和表生期溶蝕，James （2015） 從控制因素、巖溶結構、地球化學等方面給出了一系列區別標志[6]。如果是表生期的巖溶，大氣淡水是垂向補給還是側向補給，溶蝕產物是如何帶出巖溶系統的，決定著巖溶儲層的發育規律。

對于白云巖和石灰巖，由于巖石組構的差別，經巖溶改造后最終產物具有較大差別[7-8]。致密灰巖基質孔隙不發育，淡水主要沿裂隙下滲，在古潛水面和斷裂附近發生溶蝕形成大的洞穴，由于淡水沿裂隙下滲，因此淡水在離不整合面很遠處仍具有溶蝕能力[9-12]；而白云巖晶間孔相對發育，淡水往往沿孔隙下滲，邊溶蝕邊垮塌。隨著溶解作用的發生，淡水很快就達到飽和失去溶解能力。很難在白云巖地層中見到大的溶蝕洞穴，取而代之是小型溶洞、溶孔[13-15]。

本文通過盆地北部的鉆井資料、露頭資料、地震資料和分析化驗資料，解剖不同區帶的巖溶特征，研究巖溶儲層的形成機理，建立承壓水巖溶模式，為奧陶系的儲層預測提供一種新模式。

1 地質背景

奧陶紀鄂爾多斯地區位于華北地臺西部，接受了一套淺水陸表海沉積，研究區北部為伊盟隆起，東西方向上有中央古隆起、烏審旗古隆起和呂梁隆起，隆起之間的洼陷為靖西洼陷和米脂洼陷[1,16]，洼陷內地層厚度較隆起區明顯增厚。受晚奧陶世加里東運動的影響，華北地臺整體抬升，接收了近1.5億年的沉積間斷。伊盟隆起和中央古隆起剝蝕層位較多，因此自南向北、自東向西，出露層位依次變老（圖 1a）。北西—南東方向發育一系列的侵蝕溝槽，溝槽寬度平均200 m，深度從10～30 m不等，溝槽中的出露層位普遍為馬五2—馬五3亞段。

馬家溝期經歷了3次大規模的海侵、海退，根據巖性不同由下而上分為馬一段至馬六段6個巖性段。馬一段、馬三段、馬五段代表海退階段，為局限臺地—蒸發臺地，巖性為白云巖夾蒸發巖層段，黏土含量偏高；而馬二段、馬四段和馬六段代表海侵階段，為開闊臺地，巖性為石灰巖夾白云巖，黏土含量低（圖 1b）。馬五段又根據巖性的不同劃分為10個亞段。馬五10、馬五8、馬五6、馬五4-1亞段為白云巖，普遍含層狀蒸發巖；而馬五9，馬五7，馬五5亞段為白云巖、石灰巖。為了勘探的需要將盆地中—東部馬家溝組劃分為3個成藏組合：馬五4—馬五1亞段為上組合，馬五5—馬五10亞段為中組合，馬四及其以下為下組合[1]。

2 巖溶儲層特征

2.1 角礫巖特征

馬家溝組中組合由未經巖溶改造的原狀地層和巖溶改造的角礫巖兩類巖石組成。角礫巖主要有3種類型，裂紋—鑲嵌角礫巖、角礫支撐紊亂角礫巖和雜基支撐紊亂角礫巖。

裂紋—鑲嵌角礫巖的原始巖性為含石膏結核的白云巖、灰質白云巖或白云巖。形成角礫巖后角礫成分簡單，通常為單一類型，角礫無分選無磨圓，角礫可發生旋轉，但無明顯位移（圖2a-b）。角礫之間主要充填白云石砂，其次是方解石，黏土少見。原巖中的石膏、方解石在淡水中溶解度較高，而白云石的溶解度相對較低。硬石膏遇水向軟石膏轉化時體積膨脹40%[17-18]，在一定程度上促進了裂縫的形成，加速了淡水在角礫巖中的滲流。石膏、方解石被溶蝕形成溶蝕孔洞，由于巖石骨架受溶蝕作用程度較弱，受到上覆地層壓力后形成裂縫，但垮塌不明顯，從而形成裂紋—鑲嵌角礫巖。

圖1 鄂爾多斯盆地北部前石炭紀古地質圖及地層柱狀圖

角礫支撐紊亂白云巖的原始巖性以黏土質白云巖、膏質白云巖為主。角礫巖中角礫成分相對簡單，可以混雜少量其他成分角礫。角礫無分選、無磨圓，角礫有一定程度的旋轉及位移（圖2c-d）。角礫間充填黏土及白云石砂。在石膏及白云巖溶解之后，形成一定的裂縫，加速了溶蝕作用的發育進而形成了一定量的可容納空間。在上覆地層壓力下地層垮塌，可容納空間被大小不一的角礫及溶解殘留物充填，角礫伴隨一定程度的旋轉及位移。

雜基支撐紊亂角礫巖的原始巖性為黏土質白云巖、膏質白云巖、膏/云互層。角礫巖中角礫成分相對復雜，可見多成分的角礫混在一起，角礫無分選，但可有一定程度的磨圓，角礫是明顯發生過位移的（圖2e-f）。角礫間主要充填黏土。膏質白云巖中石膏易溶解，再加上石膏弱的機械屬性，易發生溶蝕垮塌；而黏土質白云巖中黏土分子與白云石分子之間存在弱結合力，淡水易沿這個薄弱面進行溶蝕。由于黏土質白云巖或膏質白云巖往往呈薄層狀，溶解后易發生原地垮塌，之后淡水沿角礫間的空間進行管道流，地下水可攜帶細碎屑物質進行小范圍的流動，形成雜基支撐角礫巖。

2.2 儲集空間特征

巖溶儲層常見的儲集空間類型包括：晶間孔、膏?？?、溶洞及裂縫。

晶間孔主要發育于角礫巖的角礫中，有時也可見于角礫之間充填的白云砂中。晶間孔通常小于0.05 mm，分選較好（圖3a），是馬家溝組中組合重要的儲集空間類型。

膏?？字饕l育于含石膏結核的白云巖中，由于石膏相對白云巖易溶，在地下水的選擇性溶蝕下形成板條狀或結核狀的膏?？?，膏?？着家姖B濾白云石砂。膏?？状笮〔顒e較大，普遍在0.5 mm以下，也可見0.5～5.0 mm的膏?？祝▓D3b）。膏?？资邱R家溝組中組合的次要儲集空間類型。

溶洞主要發育于石灰巖、灰質云巖等過渡巖性中。過渡巖性的溶蝕程度通常較單一巖性高。溶洞大小2～25 cm不等，但由于后期方解石充填相對嚴重，大多被全充填到不完全充填（圖3c），溶洞是馬家溝組中組合的常見儲集空間類型。

圖2 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組中組合典型角礫巖照片

圖3 鄂爾多斯盆地馬家溝組中組合儲集空間和成巖作用照片

加里東期形成的風化縫主要為網狀縫及水平縫（圖2a-b）。裂縫在一定程度上促進了地層水的長距離流動，進而促進了溶蝕作用的發育，裂縫溶蝕后可形成溶縫，裂縫及溶縫是中組合常見的儲集空間。

2.3 典型成巖作用

2.3.1 溶蝕作用

中組合的溶蝕作用具有選擇性，受控于巖性和裂隙。

黏土質白云巖中由于黏土分子與白云石分子之間的弱結合力，地下水易沿這個弱的結合面進行溶蝕，地層角礫化后原地垮塌，在局部范圍內發生位移，形成一套角礫支撐的紊亂白云巖。含膏白云巖或灰質白云巖由于石膏、方解石和白云巖在淡水中的溶解度差異，石膏、方解石被溶蝕形成溶蝕孔洞。該類型巖石具有較強的抗壓強度，基本是溶而不垮，形成裂紋—鑲嵌角礫巖。純白云巖由于白云石在淡水中的溶解度小，最不易發生溶蝕。

當巖石中網狀風化縫發育時，該區域成為地下的主要流動通道，亦可觀察到沿裂隙進行溶蝕，此時溶蝕受巖性的控制似乎變得不明顯。

2.3.2 充填作用

充填作用是巖溶儲層儲集空間被破壞的最主要成巖作用之一。充填作用又可以分為機械充填和化學充填。

機械充填物包括大氣淡水攜帶的細碎屑和白云石砂。中組合中細碎屑充填物主要是黏土、粉砂—細礫，可以認為地下水攜帶垮塌的沉積物進行搬運再堆積，有時可見水平流動形成的紋層；而白云石砂則為地下水溶解白云巖后形成的白云石晶粒（砂），這些白云石晶粒（砂）被流水攜帶再堆積，由于白云石砂和白云巖角礫成分相同，有時難于區別，但前者?；煊叙ね炼伾?。細碎屑主要出現在角礫間的大空隙中，而白云石砂則更多地出現在小空隙中。

化學充填物主要為方解石，至少可見兩個期次的方解石膠結物（圖3e-f）。早期方解石呈煙灰色，貧鐵，陰極發光呈暗紅色；晚期方解石呈乳白色，富鐵，陰極發光呈亮紅色。大洞大縫是流體流動的主要通道，方解石充填嚴重；而小孔小縫流體流動緩慢，方解石充填弱或無。主要原因是一個體積的空隙被方解石充填往往需要10 000～100 000倍體積的富鈣流體流過[19]。

2.3.3 去白云石化作用

方解石交代白云石即為去白云石化作用。去白云石化過程主要發育在富含石膏的地層中，石膏和方解石的溶解使地層中富含Ca2+，Ca2+取代白云巖中的Mg2+發生去白云石化[20]。白云巖去白云石化后，往往晶粒變大，巖石變得致密（圖3d），有時可見白云石的假晶。雖然去白云石化作用導致了孔隙度的降低，對儲層發育是破壞性作用，但是它指示了強烈的淡水改造。

3 巖溶儲層形成機理與巖溶模式

3.1 巖溶儲層的形成機理

第一個區域型隔水層至潛水面之間為水平潛流帶，而將地表至潛水面的區域稱之為垂直滲流帶。不管是水平潛流帶還是垂直滲流帶，其流體壓力和靜水壓力相等，故認為是非承壓水。對于隔水層之下的地下水，由于水壓頭的存在，透水層內的水具有一定的壓力，稱之為承壓水。

馬五5亞段在盆地北部平均厚30 m，分布穩定。底部為灰色—灰黃色疊層石灰巖和亮晶膠結的砂屑/鮞?；規r，巖性致密，厚1～2 m；中部—上部為黑色致密灰巖夾厚度不等的灰黃色微晶—粉晶白云巖，俗稱“黑腰帶”，在加里東期的巖溶系統中為區域性隔水層[2-3]。就馬家溝組中組合的巖溶研究而言，將馬五5亞段已剝蝕區域稱之為裸露區，而稱馬五5亞段殘留的區域稱之為覆蓋區。從古地質圖可以看出，中組合地層大面積分布于覆蓋區（圖 1a）。

對于隔水層馬五5亞段之上的地層，由于溝槽發育，將其切割為若干個殘丘，地下水補給來源就是垂向的大氣降水。至于垂直滲流和水平潛流帶的區分，由于1.5億年的沉積間斷，已幾乎不可能。同一層位在溶洞和裂隙中既可見陸源碎屑的垂直搬運又可見水平搬運（圖4a-b），說明古潛水面在加里東期大幅波動。鉆井揭示了一系列落水洞，底界位于馬五3亞段或馬五4亞段中，均表明古潛水面曾長期在馬五3—馬五4亞段之間波動。

覆蓋區隔水層之下的地下水則以側向補給為主，垂向補給為輔。盡管在馬五5亞段隔水層中見一些垂直斷裂，但垂直斷裂主要分布在烏審旗古隆起的周緣，很難形成承壓水的主要補給。伊盟隆起和中央古隆起在加里東期抬升幅度較其他區域大，出露地層較老，馬四段及馬五5亞段以下地層大面積出露（圖 1），白云巖發育，特別中央古隆起附近馬四段中的粉—細晶白云巖，晶間孔發育[21-22]。加里東期出露地表接收表生期大氣淡水淋濾后，溶蝕孔洞發育，成為淡水側向滲流的通道；另一方面，裸露區馬家溝組上部地層剝蝕量大，垂向應力減小，地層中水平張裂縫發育（圖4c），特別是在薄層白云巖，白云巖和泥質云巖互層的地層中。水平裂縫增加了地下水的水平流動速度。

大氣淡水從裸露區進入馬五5亞段以下地層后，由于古地貌具有北高、西高，向南東方向變低，水壓頭使地下水向南、向東流動。流動通道主要受基質孔隙和水平縫的控制，因此地下水主要還是順層流動。當地層發生角礫化后，角礫之間的空隙及裂縫是地下水水平流動的主要通道[23]，流動通道大于1 mm后形成管道流（圖4d），管道流中的紊流加速了溶解作用的發生；而白云巖的晶間孔由于孔小喉細，地下水在其中以達西流的形式流動。因此，承壓水的流動具有明顯的選擇性，在易發生角礫化的黏土質白云巖、膏質白云巖以管道流順層流動為主。

圖4 鄂爾多斯盆地馬家溝組中組合地下水運移通道照片

具有溶蝕能力的地下水滲流一定距離后，隨著方解石和白云巖的溶解，水體中Ca2+和Mg2+濃度增加，地下水的溶解能力逐漸變弱。根據碳酸鹽礦物在地下水中的溶解度差異[24]，首先對白云石達到過飽和，但對方解石和石膏可能不飽和。因此，覆蓋區的溶蝕主要發生在灰質白云巖和膏質白云巖中。最終，孔隙水將對方解石和石膏達到飽和，發生沉淀。此時，富鈣的孔隙水要么沉淀方解石，要么發生去白云石化（圖3d）?？傮w來看，覆蓋區馬五6-10亞段中白云巖的去白云石化非常普遍，純白云巖的溶蝕并不明顯。

如果沒有泄水區，地下水的流動將非常緩慢甚至停滯。烏審旗古隆起為一繼承性古隆起，從古元古代到二疊紀一直處于間歇性活動狀態，在古隆起的周緣形成了一系列的斷裂（圖5），這些斷裂成為承壓水的排泄通道。

3.2 巖溶發育模式

盆地西部和北部的裸露區為承壓水的補給區，角礫間空隙和裂縫構成地下水的主要運移通道。北部、西部高，向南東方向變低的風化殼古地貌控制著地下水的流動方向，承壓水向南東方向發生順層流動。由于巖石結構和溶解度的差異，黏土質白云巖、膏質白云巖溶解形成角礫支撐或雜基支撐紊亂白云巖；而灰質白云巖、含石膏結核白云巖則形成裂縫—鑲嵌白云巖，巖溶儲層具有順層分布的特征。隨著大量石膏及碳酸鹽巖的溶解，地下水的溶蝕能力逐漸變弱，最終趨于飽和，發生方解石的膠結、充填以及去白云石化。

盆內加里東期的斷裂構成地下水向上排泄的通道。斷裂及其附近裂縫發育，承壓水向上流動過程中，不同溶質的順層巖溶水在斷裂發育區混合，由于溫度的下降，出現對方解石或石膏的不飽和，沿斷裂發生巖溶。由于溶蝕產物被源源不斷地帶出，溶蝕作用可持續發生?？v向上出現多層巖溶儲層的垂向疊加，形成縱向立體巖溶。因此，對于覆蓋區的承壓水巖溶，在斷裂不發育區主要表現出順層巖溶，而在斷裂發育區則表現出縱向立體巖溶。巖溶發育模式如圖6所示。

圖5 過烏審旗古隆起的東西向地震剖面圖（剖面位置見圖1a）

圖6 鄂爾多斯盆地北部奧陶系馬家溝組巖溶發育模式圖

4 結論

1）以加里東期不整合面下馬五5亞段的出露為界，將中—下組合巖溶劃分為裸露區巖溶和覆蓋區巖溶。裸露區為承壓水的補給區，加里東期斷裂為泄水通道。形成裸露區淡水補給、覆蓋區溶蝕—沉淀，斷裂發育區排泄的巖溶系統。

2）覆蓋區的承壓水巖溶在斷裂欠發育區具有順層溶蝕的特征；而在斷裂發育帶呈現出縱向立體溶蝕。前者形成溶控型儲層，后者形成斷控型儲層。

3）原始巖性是巖溶儲層發育的基礎?；屹|白云巖、含石膏結核白云巖由于不同礦物溶解度的差異，易形成溶蝕孔洞型儲層；而黏土質白云巖、膏/云巖互層溶蝕后，順層垮塌，形成紊亂的巖溶角礫巖， 角礫之間充填黏土，為非儲層。