南華北盆地亳州凸起寒武系碳酸鹽巖儲層特征及主控因素

魏思宇 周 志 李世臻 石砥石 徐秋晨

中國地質調查局油氣資源調查中心

0 引言

南華北盆地（華北克拉通南緣）是我國油氣勘探歷史較長，但目前仍未取得工業性突破的地區之一[1-3]。近年來，隨著勘探程度的提高，南華北盆地主要勘探層系逐步由淺部中、新生界向深部古生界擴展[4-6]。其中，下古生界寒武系海相碳酸鹽巖是值得進行深入探索的新層系和新領域[7]。目前，該套層系在我國中西部盆地已取得重要發現和突破：鄂爾多斯盆地西南部數十口鉆井在寒武系三山子組和張夏組鉆獲高產天然氣流[8-9]、四川盆地安岳氣田寒武系龍王廟組探明地質儲量達4 415×108m3[10]，展示了寒武系海相碳酸鹽巖良好的勘探前景。在南華北盆地，圍繞寒武系碳酸鹽巖可形成多套成藏組合：一方面，南華北盆地南緣下寒武統部分層段發育優質烴源巖，與碳酸鹽巖儲層組合可構成自生自儲型油氣藏[7]；另一方面，區內廣泛分布的石炭系—二疊系烴源巖生成的油氣可能通過活動斷裂運移至高部位寒武系碳酸鹽巖中，形成新生古儲型油氣藏[5,11]。而是否發育有優質碳酸鹽巖儲層是以上兩種類型油氣藏能否形成的關鍵[12]。

我國規模有效的海相碳酸鹽巖儲集層主要有3類，包括沉積型礁/灘及白云巖儲集層、后生溶蝕—溶濾型儲集層以及深層埋藏-熱液改造型儲集層[13]。典型實例如：四川盆地普光氣田長興組和飛仙關組礁灘儲集層[14-15]、四川盆地安岳氣田龍王廟組白云巖儲層[16]、鄂爾多斯盆地靖邊氣田馬家溝組風化殼巖溶儲集層[17]等。南華北盆地鄰近鄂爾多斯盆地，其寒武系地層層序、巖性以及構造演化過程具有一定相似性。后者勘探及研究發現，構造改造和后生巖溶作用下形成的風化殼巖溶型儲層是其寒武系和奧陶系海相碳酸鹽巖重要的儲層類型[9,18]。而南華北地區寒武系碳酸鹽巖層系勘探尚處于起步階段，其儲層類型與分布規律還不清楚，是否同樣發育該種類型儲層及其控制因素還有待進一步研究。

因此，本文以南華北盆地亳州凸起首口鉆穿寒武系的皖亳地1井為基礎，結合地表露頭和實驗分析測試，對研究區寒武系海相碳酸鹽巖儲層的巖性、物性、儲集空間和儲層類型等儲層特征進行了研究。在此基礎上，探討了本區與鄰區鄂爾多斯盆地寒武系巖溶儲層發育特征的差異，以及南華北地區寒武系未來油氣勘探方向。

1 地質背景

南華北盆地位于華北克拉通南緣，南以欒川—確山—固始—肥中斷裂為界與秦嶺—大別造山帶相鄰，東以郯廬斷裂為界與下揚子接鄰，北以焦作—商丘斷裂為界與渤海灣盆地相鄰[19]（圖1a）。南華北盆地特殊的大地構造位置決定了該地區具有獨特而復雜的構造演化歷史，自晚太古代以來，大體經歷了地槽—地臺—大陸邊緣活動帶三大發展階段[19]。而現今構造格局主要形成于中生代以后，經歷了印支期近南北向擠壓、燕山期走滑活動和喜馬拉雅期的多期拉張[20-21]。研究區位于南華北盆地周口坳陷東部亳州凸起之上。亳州凸起為一平緩隆起，區內地表第四系覆蓋，下伏寒武系不整合覆蓋在前寒武系花崗片麻巖基底上（圖1b、1c）。皖亳地1井鉆探揭示，亳州地區寒武系自下向上沉積了猴家山組、饅頭組、毛莊組、徐莊組、張夏組，缺失上統崮山組、長山組和鳳山組（圖2）。包括研究區在內的華北地臺南緣在寒武紀早期（鳳臺組—毛莊組時期）為被動大陸邊緣沉積，廣泛發育地臺潮坪相，巖性以陸源碎屑巖和碳酸鹽巖為主，向上碎屑含量逐漸減小。晚期（徐莊組—張夏組）轉變為主動大陸邊緣沉積，以較大范圍開闊臺地、局限臺地沉積為特征，鮞?；規r、白云質灰巖發育，其中張夏組是寒武紀海侵的頂峰時期[22]。

圖1 研究區綜合地質圖

圖2 皖亳地1井綜合柱狀圖

2 碳酸鹽巖儲層特征

2.1 巖石學特征

對皖亳地1井巖心樣品宏觀和微觀資料分析表明，研究區中下統寒武系巖石類型多樣。下寒武統主要發育泥晶灰巖，中寒武統徐莊組發育粒屑灰巖和鮞?；規r，中寒武統張夏組巖性以白云質灰巖為主，局部發育白云巖。

2.2 物性特征

對皖亳地1井9個寒武系碳酸鹽巖巖心樣品進行了氦孔隙度和脈沖滲透率測試，結果表明，碳酸鹽巖基質孔隙度在1.21%～2.79%之間，平均2.06%，滲透率在（0.72～12.40）×10-3mD，平均3.48×10-3mD，屬于低孔低滲儲層，與鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖基質孔滲測試結果相當（表1）。

表1 南華北盆地亳州凸起寒武系碳酸鹽巖孔滲測試結果及與典型盆地對比表

2.3 儲集空間類型

對亳州地區寒武系7個野外地質露頭統計，結合皖亳地1井827 m巖心觀察描述和42份薄片鑒定分析（鉆井和露頭位置見圖1b），研究區寒武系碳酸鹽巖儲集體的儲集空間類型主要包括孔、洞、縫3類。其中，孔包括粒間孔和晶間溶孔，洞主要為巖溶作用形成的溶洞，縫包括溶蝕縫、構造縫、縫合線和紋層等。

2.3.1 孔洞發育特征

粒間孔主要出現在張夏組粗晶云巖中，鏡下呈多邊形，孔隙邊緣平直，孔徑最大達1.6 mm，面孔率約為3.0%（圖3a）。晶間溶孔發育于張夏組粉晶云巖和徐莊組粒屑灰巖中，其形態不規則，孔徑變化較大，最大為0.4 mm，面孔率一般為1.0%～2.0%（圖3b），其分布形態呈分散狀。溶洞在巖心以及地表露頭上可觀察到，主要分布于張夏組厚層白云質灰巖、石灰巖中。巖心上溶洞直徑一般在1 cm左右，呈蜂窩狀密集分布（圖3c），野外露頭上溶洞直徑最大可達30 cm（圖3d）。

圖3 亳州凸起寒武系孔洞發育類型圖

2.3.2 裂縫發育特征

裂縫是研究區最為發育的孔隙類型，包括構造裂縫及縫合線、紋層和溶蝕縫等非構造裂縫。野外地質露頭裂縫實測表明，區內主要發育有北北西向和近東西向兩組剪切裂縫，其中北北西向裂縫最為發育（圖4）。構造裂縫開度一般小于0.3 cm，以充填方解石為主，傾角一般大于80°。野外露頭上可觀察到近東西向裂縫被北北西向裂縫錯斷（圖5a），而陰極發光薄片揭示兩組裂縫發光顏色存在明顯差異（圖5b、5c）。證明兩組裂縫形成于不同時期，區域近東西向裂縫為第一期裂縫，優勢北北西向裂縫為第二期裂縫。

圖4 亳州地區區域性節理極射赤平投影圖

非構造裂縫以溶蝕縫、紋層和縫合線為主，在巖心和巖石薄片上均有不同程度的發育。溶蝕縫是本區寒武系碳酸鹽巖最為常見的裂縫，發育于張夏組白云質灰巖中，一般延伸長度在10～30 cm，縫寬大小不一，開度最大可達6 cm，裂縫內發育方解石晶體（圖5d）。紋層出現在饅頭組和猴家山組泥質富集的泥灰巖中，形狀不規則，可見有機質充填（圖5e）?？p合線發育于徐莊組粒屑灰巖、含生屑灰巖中，一般呈鋸齒狀沿生屑顆粒與基質接觸帶展布，可見有機質充填（圖5f）。

圖5 亳州凸起寒武系碳酸鹽巖裂縫發育類型圖

2.3.3 孔縫縱向分布規律

對寒武系鉆井873 m巖心的溶蝕孔洞（直徑大于1 cm）和溶蝕裂縫進行了統計，結果如圖6所示。從層位看，張夏組孔洞和裂縫均最為發育，巖心上裂縫長度總計72 cm，孔洞總計29個；饅頭組次之，裂縫14 cm，孔洞11個，其余層系除徐莊組外，孔洞和裂縫均不發育（圖6a）。從巖性看，白云質灰巖中溶蝕孔縫最為發育，灰巖次之，其余巖性巖石中未見溶蝕孔縫發育（圖6b）。

圖6 寒武系碳酸鹽巖不同地層、不同巖性溶蝕孔縫分布特征統計圖

同時，對不同巖性巖石的構造裂縫發育條數進行了統計。873 m的寒武系巖心中共統計到463條構造裂縫，按照地層和巖性不同對裂縫分布情況進行了分類，結果如圖7所示。從地層看，裂縫在中—下寒武統中均有發育，其中張夏組裂縫發育密度最大，為0.91條/m，饅頭組裂縫密度最小，為0.36條/m（圖7a）。從巖性看，白云質灰巖中裂縫密度最大，為0.96條/m，泥巖中裂縫密度最小，為0.29條/m，灰巖裂縫發育密度介于以上兩者間。同時，灰巖鮞粒發育時，會明顯提高裂縫發育密度。本質上，巖性差異導致了巖石脆性的不同，從白云質灰巖到泥巖，巖石脆性整體呈現減小的趨勢。

圖7 寒武系碳酸鹽巖不同地層、不同巖性構造縫分布特征統計圖

2.4 儲集層類型

依據皖亳地1井及周邊露頭寒武系海相碳酸鹽巖孔、洞、縫發育特征，及其縱向分布規律，按成因類型將碳酸鹽巖儲層類型劃分為風化殼巖溶型儲層和裂縫型儲層（圖2）。風化殼巖溶型儲層位于中寒武統張夏組，儲層巖性以白云質灰巖、白云巖為主，儲集空間包括不同規模的溶蝕孔洞和溶蝕縫，構成巖溶縫—洞體系。裂縫型儲層位于下寒武統猴家山組、饅頭組等，儲層巖性以粒屑灰巖和含泥灰巖為主，儲集空間以縫合線、紋層和構造裂縫為主，構成裂縫體系。需要指出的是，盡管縫合線本身由于不溶殘余物的存在成為流體運移的遮擋物而不能構成儲滲空間，但其經歷后期溶蝕作用或者構造作用改造后，可以形成沿縫合線分布的溶蝕孔隙，進而成為油氣運移的通道[26-29]。

3 儲層發育主控因素

對本區儲集空間類型和儲集層發育特征進行分析，認為亳州地區寒武系儲層發育主要受控于3個因素，即表生巖溶作用、構造裂縫作用和巖石類型。

3.1 表生巖溶作用

表生巖溶改造是研究區寒武系碳酸鹽巖儲層形成的重要條件之一。依據南華北盆地構造演化特征及亳州地區地層層序，推斷亳州地區至少存在兩期地層抬升剝蝕事件。第一期發生在寒武系沉積后，最晚從晚寒武世開始，在古秦嶺海槽的洋殼向北側大陸俯沖擠壓作用下，包括南華北盆地在內的整個華北地臺發生區域性抬升，寒武系地層大面積出露地表，遭受了廣泛而強烈的剝蝕，形成上寒武統和下奧陶統之間的區域性沉積間斷[30-31]。第二期發生于亳州凸起隆升后，可能從晚二疊世開始，受印支運動作用，南華北盆地發生斷褶隆升，亳州地區隆升剝蝕并形成了中寒武世至新近紀間的沉積間斷。在此期間，受大氣降水淋濾和溶蝕作用，碳酸鹽巖中產生了大量溶蝕孔縫。而從碳酸鹽巖地層暴露時間推斷，第二期巖溶事件對本區碳酸鹽巖儲集性能影響可能更大。

3.2 構造破裂作用

多期構造作用下形成的構造裂縫是寒武系碳酸鹽巖優質儲層形成的關鍵。一方面裂縫本身具有一定的儲集能力；另一方面裂縫改善了碳酸鹽巖的滲流能力，在中寒武統張夏組溝通溶蝕流體與儲層，促進巖溶儲層的形成。結合研究區寒武系野外露頭裂縫實測數據以及南華北盆地構造演化歷史，建立了亳州地區不同期次構造運動與裂縫模式關系圖（圖8）。結果表明，亳州地區主要發育兩期構造裂縫：第一期形成于印支運動時期，受秦嶺—大別造山帶的強烈擠壓影響，亳州地區以斷褶隆升為主，發育一系列近東西走向逆沖斷層，在斷裂附近派生與其平行的近東西向擠壓裂縫；第二期裂縫形成于燕山運動時期，太平洋板塊沿北北西向東亞大陸俯沖，郯廬斷裂發生左旋走滑逆沖，亳州地區發育了一系列平行于郯廬斷裂走向的北北東走滑斷裂（如阜陽斷裂），并在區域上形成北北西向擠壓裂縫。

3.3 巖石類型

不同巖性巖石中發育的孔、洞、縫類型存在明顯差異。如溶蝕孔縫主要出現在白云質灰巖中，而紋層、縫合線等更容易出現在成分不太均勻的泥晶灰巖和粒屑灰巖中。此外，構造裂縫的發育與巖性也具有相關性。圖7b對不同巖性構造縫發育情況統計表明，當巖石中白云石、方解石和石英等脆性礦物含量高時，巖石脆性強，有利于裂縫的發育；而當泥質含量增加，巖石塑性增強，裂縫數量減少。

4 討論

4.1 巖溶儲層特征對比

通過對亳州地區寒武系儲層特征分析，證明南華北盆地內發育有表生巖溶作用控制的巖溶縫洞型儲層。但與鄂爾多斯盆地西南部張夏組相比，其儲層發育特征存在一定差異（表2）。鄂爾多斯盆地寒武系碳酸鹽巖以白云巖為主，且鮞粒白云巖發育，除巖溶儲層發育外，鮞粒灘型儲層亦是該地區寒武系重要儲層類型[8-9,18]。而亳州地區張夏組、徐莊組盡管發育有鮞?；規r，但其鏡下并未見明顯孔隙發育。此外，兩地區巖溶作用深度存在明顯差異—皖亳地1井揭示亳州地區溶蝕孔縫發育于不整合面以下280 m深度范圍內，而鄂爾多斯盆地西南部張夏組一般在10～50 m。推測造成該現象原因有兩個：一是亳州地區巖溶作用持續時間更長，鄂爾多斯盆地寒武系經歷1期構造抬升事件（懷遠運動），碳酸鹽巖裸露期持續約15.4 Ma，而亳州地區沉積間斷更大，自亳州凸起抬升后（可能從二疊世末開始），寒武系碳酸鹽巖長期暴露地表，該過程持續時間可能達220 Ma（二疊世末至古近紀末）；二是亳州地區構造作用更活躍，受東側郯廬斷裂以及南側秦嶺大別造山帶活動影響，亳州地區寒武系構造裂縫極為發育，而高角度裂縫為溶蝕流體下滲提供了有利通道，進一步促進了巖溶作用。

4.2 勘探方向

綜合分析認為，亳州地區中寒武統張夏組是儲層發育最有利的層段，具備良好的儲集性能?？紤]到影響張夏組巖溶儲集層發育的因素主要有表生巖溶作用和構造裂縫作用。因此，存在有利于巖溶發育的大型古隆起、構造裂縫發育的區域是未來南華北地區寒武系油氣勘探值得關注的地區。此外，是否具有有效的烴源巖和蓋層也是其能否形成油氣藏的關鍵。對皖亳地1井張夏組和徐莊組灰色灰巖和白云質灰巖進行有機地化測試，結果表明其TOC含量為0.16%～0.29%，平均0.22%，基本不具備生烴能力。但從前人研究以及勘探經驗來看，區域上具有兩套潛在烴源巖：一是南華北盆地下寒武統馬店組暗色泥頁巖，主要分布于南華北盆地南緣。該套烴源巖有機質類型以Ⅰ型為主，有機質豐度高，在四十里長山地區超過20%[3,32-33]。與中寒武統儲集層結合，可構成下生上儲型的成藏組合。二是南華北地區廣泛分布的石炭系—二疊系烴源巖，該套烴源巖有機質類型以Ⅱ2—Ⅲ型為主，泥質烴源巖TOC平均含量一般大于1%，煤巖烴源巖TOC可達60%[34]。該套烴源巖在古構造高部位可與寒武系組成新生古儲型油氣藏。以上兩套組合能否成藏還取決于是否存在有效的蓋層。亳州地區寒武系與新近系直接接觸，而后者為一套河流相松散沉積物，不具備封蓋條件。從區域上看，以下層系具備蓋層條件：①是中奧陶統膏巖，形成于中奧陶世海退期局限潟湖相，在南華北北部地區可能有分布[30]；②是石炭系底部鋁土巖，在平頂山—阜陽一線以北石炭系及奧陶系同時保存的地區（古風化殼上）均有分布，一般發育數層，其厚度與古地形起伏有關，單層最厚可達20 m，累計厚度一般5～30 m[5,35]；③是古近系雙浮組棕色泥巖，其分布較為局限，阜陽地區僅大1井、南12井、南13井等有鉆遇[36-37]。

5 結論

1）安徽北部亳州凸起寒武系儲集體的儲集空間類型包括孔、洞、縫3類，孔以白云石晶間溶孔為主，洞為風化殼巖溶作用形成的溶洞，縫為溶蝕縫、構造裂縫、紋層和縫合線等，3類孔隙中以溶蝕縫和構造裂縫為主，其次為溶孔及溶洞。

2）研究區寒武系碳酸鹽巖儲層類型可分為風化殼巖溶型和裂縫型。前者儲集空間以溶蝕孔縫為主，分布于中寒武統張夏組。后者儲集空間以紋層、縫合線、構造縫為主，分布于下寒武統饅頭組和猴家山組。

3）研究區寒武系儲層發育主要受控于表生巖溶作用、多期次構造破裂作用和巖石類型。表生巖溶改造是張夏組風化殼巖溶儲層形成的關鍵，本區至少經歷了兩期巖溶事件。構造裂縫發育有近東西向和北北西向兩期，分別形成于印支期和燕山期，裂縫改善了儲層滲流能力，促進了溶蝕孔縫的發育。