王高平 王震亮* 趙雪嬌 李彥婧 王念喜 任來(lái)義 曹紅霞

(1.大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西北大學(xué);2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，西安 710069;3陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安 710075)

近年來(lái)，隨著鄂爾多斯盆地奧陶系古巖溶儲(chǔ)層研究的深入，下古生界天然氣勘探實(shí)現(xiàn)了較大的突破，盆地在早奧陶世沉積后受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用整體抬升，經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá) 1.5 ×108a 的風(fēng)化剝蝕后［1，2］，盆地中東部奧陶系風(fēng)化殼古巖溶地貌可劃分為巖溶高地、巖溶臺(tái)地、巖溶盆地3種地貌單元［3］，并可進(jìn)一步將巖溶高地劃分為洼地、平臺(tái)、斜坡，將巖溶臺(tái)地劃分為淺洼、緩丘、臺(tái)坪、溝槽。氣藏主要富集在奧陶系頂部的古風(fēng)化殼內(nèi)，靖邊氣田就位于古地貌的高部位。相對(duì)而言，巖溶斜坡這一古地貌較低部位的天然氣藏形成研究較為薄弱。位于鄂爾多斯盆地東南部的延安地區(qū)，在奧陶紀(jì)沉積了巨厚的碳酸鹽巖，加里東期的抬升作用，導(dǎo)致奧陶系頂部巖溶作用強(qiáng)烈，整體處于古巖溶斜坡背景(圖1)?；謴?fù)其延安地區(qū)下古生界頂部的古地貌形態(tài)，對(duì)于認(rèn)識(shí)該地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征，探索其中的天然氣藏形成具有重要科學(xué)意義。本文基于現(xiàn)今地層展布，主要利用“殘余厚度法”、“印模法”劃分出巖溶高地、巖溶斜坡和巖溶溝槽等地貌單元，并結(jié)合測(cè)井曲線進(jìn)行了古溝槽的識(shí)別，恢復(fù)出延安地區(qū)奧陶系風(fēng)化殼的古地貌特征。

1 巖性和地層分布

延安地區(qū)研究面積約2.0×104km2。從組成下奧陶統(tǒng)馬家溝組頂部碳酸鹽巖儲(chǔ)層的巖性看，馬六段主要為石灰?guī)r、含云灰?guī)r和白云巖，馬五段主要為白云巖、含灰云巖、石灰?guī)r、含云灰?guī)r和含泥云巖。馬家溝組以蒸發(fā)潮坪沉積為主，發(fā)育含膏云坪與藻泥云坪微相，具有含硬石膏斑晶、硬石膏結(jié)核的巖石組合，經(jīng)古巖溶作用后，形成了層狀分布的溶蝕孔洞，成為儲(chǔ)集空間的主體。在經(jīng)歷了中奧陶世至早石炭世沉積間斷后，于中石炭世又再度接受沉積，受到巖性、地層、古構(gòu)造、古水動(dòng)力場(chǎng)及古地理壞境等多種因素的影響，形成了高低起伏的古巖溶地貌，進(jìn)一步影響儲(chǔ)層的發(fā)育特征［3］。

鄂爾多斯盆地中東部地區(qū)的馬家溝組沉積期經(jīng)歷了三次海進(jìn)—海退旋回，在縱向上構(gòu)成了六個(gè)巖性段。其中馬家溝組一、三、五段以白云巖、硬石膏巖和鹽巖為主，偶夾少量石灰?guī)r，馬家溝組五段為風(fēng)化殼發(fā)育的儲(chǔ)層段，又分為若干個(gè)亞段和小層，馬家溝組二、四、六段為石灰?guī)r和白云巖，在補(bǔ)償坳陷盆地還有硬石膏巖產(chǎn)出。

圖1 鄂爾多斯盆地早奧陶世的古地理背景與延安地區(qū)所在位置Fig.1 The palaeogeographic settings of Ordos Basin in early Ordovician epoch and the location of Yan’an area

馬五段、馬六段是本區(qū)下古生界勘探的主要目的層，從現(xiàn)今馬家溝組殘余地層分布看，馬六段在延安地區(qū)西部及東緣延川等地明顯缺失(圖2)，不整合面下直接出露馬五段，而研究區(qū)中部、東南部相對(duì)較厚(15～20 m)，分布在子長(zhǎng)、清澗、延長(zhǎng)、宜川、甘泉等地，呈南北向展布，說(shuō)明其沉積后處于較低地貌部位，剝蝕較少。馬五段主要為灰色、深灰色粉晶、微晶白云巖，厚70～80 m，自上而下又細(xì)分為馬五1、馬五2、馬五3、馬五4等多個(gè)亞段，受加里東晚期抬升、剝蝕和溶蝕作用的影響，以頂部的馬五1、馬五2亞段物性最好，是天然氣藏的主要儲(chǔ)層。天然氣勘探結(jié)果表明，延安地區(qū)內(nèi)多口井在奧陶系碳酸鹽巖存在氣測(cè)錄井顯示，含氣層所在層位主要為馬家溝組馬五1、馬五2和馬六段，在8口井試氣，獲得1萬(wàn)方以上的無(wú)阻流量，其中兩口井在馬五1達(dá)到了日產(chǎn)15～30萬(wàn)方的無(wú)阻流量，氣層埋深2 600～3 800 m，氣層有效厚度1.5～10.5 m，平均厚度3 m。

從馬家溝組頂部地層被剝蝕的程度，也可作為反映此時(shí)古地貌起伏變化的重要指標(biāo)。因?yàn)楣诺孛蚕鄬?duì)較高處，地層遭受剝蝕的程度較大;古地貌相對(duì)較低處，地層遭受的剝蝕較小。由此分析，早石炭世，延安地區(qū)的西南部和東部局部地區(qū)古地貌相對(duì)較高，受剝蝕程度較大。

圖2 延安地區(qū)馬家溝組(O1m)頂部不整合面下地層出露和馬六段殘余厚度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 古地貌恢復(fù)的方法

古地貌恢復(fù)對(duì)于認(rèn)識(shí)一個(gè)地區(qū)儲(chǔ)層的發(fā)育規(guī)律，探索天然氣成藏因素具有一定的指導(dǎo)意義，也是盆地分析的內(nèi)容之一。目前常用的方法主要有:殘余厚度法、印模法、地球物理法、層序地層法、沉積學(xué)方法等，經(jīng)過(guò)優(yōu)選，在延安探區(qū)石炭系前古地貌恢復(fù)中采用了“殘余厚度法”與“印模法”的組合。

2.1 殘余厚度法和印模法

殘余厚度法將待恢復(fù)地貌結(jié)束剝蝕開始上覆地層沉積時(shí)視為一等時(shí)面，然后選擇沉積地層中某一特殊巖性段為基準(zhǔn)面，將其拉平，該面以上殘余厚度的大小則代表了古地貌的形態(tài)。印模法是利用上覆沉積層中的標(biāo)志層，然后將其拉平，統(tǒng)計(jì)不同鉆井上覆沉積層中的標(biāo)志層面到馬家溝組頂剝蝕面的厚度，利用鏡像關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為平面厚度圖。兩種方法相結(jié)合，可共同反映延安地區(qū)奧陶系馬家溝組頂?shù)墓诺孛哺窬帧?/p>

2.2 等時(shí)界面的選取

2.3 古地貌單元?jiǎng)澐值囊罁?jù)

加里東期風(fēng)化殼的剝蝕程度與風(fēng)化殼的古地貌狀態(tài)呈正相關(guān)［4～7］，而風(fēng)化殼古地貌的充填程度則與古地貌狀態(tài)關(guān)系正好相反。因此，可利用不整合面與上、下標(biāo)志層間的地層厚度對(duì)比，作為劃分古地貌劃分的重要依據(jù)(圖3)。二者間的這種互補(bǔ)關(guān)系主要表現(xiàn)為［5］:

①下薄+上薄:代表繼承性隆起或高地，反映了巖溶高地特征。

②上厚+下厚:代表繼承性坳陷或洼地，反映了巖溶盆地的特征。

③下厚+上薄(相對(duì)):反映了局部地勢(shì)相對(duì)較高的殘丘或臺(tái)地臺(tái)緣、殘臺(tái)等三級(jí)古地貌單元。

④下薄+上厚(相對(duì)):反映了局部下切侵蝕較明顯的溝谷，或地勢(shì)相對(duì)較低的階坪、洼地。

3 延安地區(qū)奧陶系古地貌的綜合恢復(fù)

在延安地區(qū)奧陶系風(fēng)化殼古地貌的恢復(fù)過(guò)程中，為保證在大量鉆井資料基礎(chǔ)上，恢復(fù)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，我們主要立足以下三個(gè)方面的工作，以便進(jìn)行多角度分析和對(duì)比:(1)奧陶系頂部與其上、下標(biāo)志層的厚度及其對(duì)比;(2)不整合面發(fā)育的鋁土巖厚度分布與古溝槽的關(guān)系;(3)利用測(cè)井資料的分布形態(tài)識(shí)別古溝槽，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1 風(fēng)化殼上、下地層的分布及其厚度組合關(guān)系

圖3 不同古地貌單元間風(fēng)化殼與上、下標(biāo)志層間殘留厚度的互補(bǔ)關(guān)系(據(jù)姚涇利等，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)

圖4 風(fēng)化殼與上、下部標(biāo)志層之間的殘余厚度疊合Fig.4 The superpose of remnant thickness between the weathering crust and upper/lower marker bed.

3.2 鋁土巖厚度分布

鋁土巖作為風(fēng)化作用的產(chǎn)物，較厚處說(shuō)明其形成前所在的地勢(shì)比較低，有利于鋁土巖的保存，在鋁土巖厚、薄相間的地帶，較厚處預(yù)示著古溝槽發(fā)育，故也可作為劃分古地貌單元的參考標(biāo)志。研究中主要通過(guò)測(cè)井曲線并結(jié)合錄井、取心資料來(lái)識(shí)別鋁土巖(圖5)，在鋁土巖的測(cè)井響應(yīng)表現(xiàn)為:自然伽馬高峰狀突起，聲波時(shí)差高的鋸齒狀，深側(cè)向電阻率極低值(1～5 Ω·m)，密度曲線底部為特高值段，與奧陶系風(fēng)化殼巖溶段測(cè)井響應(yīng)的低伽馬、低聲波時(shí)差值、中高電阻率值、高密度值等特征有明顯差別，易于識(shí)別。

圖5 延安地區(qū)Y118井內(nèi)鋁土巖的測(cè)井響應(yīng)特征Fig.5 The logging response characteristics of bauxite in Y118 well，Ya’an area

據(jù)此識(shí)別結(jié)果，延安地區(qū)249口井內(nèi)馬家溝組頂部的鋁土巖風(fēng)化殼0～13.7 m，并編制了該地區(qū)鋁土巖厚度的平面分布圖(圖6)。由圖可見，延安地區(qū)本溪組底部鋁土巖的厚度整體上呈現(xiàn)西部薄東部厚的趨勢(shì)，說(shuō)明風(fēng)化殼形成的背景是西高東低。若以鋁土巖厚度＞6 m，作為劃分古溝槽存在與否的證據(jù)考慮，則延安地區(qū)北部呈東西向分布的 Y449—Y398—Y131井區(qū)塊、Y353—Y210井區(qū)塊、Y422—Y416井區(qū)塊(圖中方格陰影區(qū))，可作為存在東西向古溝槽的證據(jù)。類似的地區(qū)還有:延安地區(qū)中部的 Y459—Y366—Y365—Y102—Y318—Y215—Y148—Y107—Y418井，延安地區(qū)南部的 Y116—Y347—Y424—Y171—Y339—Y311—Y196—Y150—Y305—Y174—Y308—Y470—Y182—Y183井一帶，均呈現(xiàn)出蜿蜒分布的條帶，能夠較好地反映古溝槽的存在。此外，在Y269—Y271井區(qū)、Y255—Y184井區(qū)、Y428井區(qū)，呈零星狀分布，也可作為古溝槽局部發(fā)育的證據(jù)。研究區(qū)西南部局部鋁土巖也較厚，如 Y413—Y433—H33—Y261井區(qū)，因鉆井相對(duì)稀少，推測(cè)認(rèn)為，可能反映了整體高地勢(shì)背景下的下切。鋁土巖的這一厚度展布將為古巖溶地貌的恢復(fù)提供一定的參照［11～18］。

圖6 延安地區(qū)本溪組底部的鋁土巖厚度分布Fig.6 The thickness distribution of bauxite at the bottom of the Benxi Fm(C2b)in Yan＇an area

3.3 古溝槽的測(cè)井識(shí)別

古溝槽是影響油氣勘探和開發(fā)效果的重要因素，因巖溶作用的不均勻性，往往在溝槽的溶丘塊體上傾方向，儲(chǔ)集性能優(yōu)越，容易獲得高產(chǎn)(何自新，2001)。因而古溝槽的識(shí)別成為古地貌恢復(fù)中不可或缺的重要工作。

研究中主要利用測(cè)井方法識(shí)別古溝槽［9］(表1)，此方法的原理是根據(jù)本溪組(C2b)地層的充填結(jié)構(gòu)，根據(jù)古臺(tái)地、古溝槽內(nèi)鋁土巖與馬家溝組灰?guī)r或白云巖的組合關(guān)系，間接反映奧陶系古地貌的特征。古臺(tái)地內(nèi)自然伽馬曲線的測(cè)井響應(yīng)為單峰狀。古溝槽或淺洼有3種充填結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)三種顯示:鋁土層+泥巖覆蓋在白云巖/灰?guī)r上，自然伽馬曲線為緩坡形;鋁土層+泥巖+砂巖覆蓋在白云巖上，自然伽馬曲線呈雙峰狀;鋁土巖+砂泥巖覆蓋在白云巖/灰?guī)r上，自然伽馬曲線為臺(tái)階狀［12］。

延安地區(qū)西部、東部局部鋁土巖的充填形式，是直接覆蓋在馬家溝白云巖/灰?guī)r之上，在測(cè)井曲線上識(shí)別出單峰狀，應(yīng)為古臺(tái)地;在中—東部區(qū)域，本溪組主要充填結(jié)構(gòu)為鋁土巖+泥巖、鋁土巖+砂泥巖以及鋁土巖+泥巖+砂巖覆蓋在馬家溝白云巖/灰?guī)r之上，從測(cè)井曲線上識(shí)別為古溝槽。本次研究中利用202口井的測(cè)井曲線進(jìn)行了古溝槽和古臺(tái)地的識(shí)別工作，其中71口井具古溝槽特征，131口井顯示古臺(tái)地特征，部分井的識(shí)別結(jié)果見表1。

表1 延安地區(qū)部分井的測(cè)井識(shí)別古溝槽結(jié)果Table 1 The identifying results of the ancient erosion grooves by way of logging curves from some wells in Yan’an area

圖7是根據(jù)202口井的測(cè)井曲線特征識(shí)別出的延安地區(qū)古溝槽、古臺(tái)地平面分布。由圖可見，古溝槽主要分布在延安地區(qū)的東部地區(qū)，自北向南，第一條古溝槽分布受Y449—Y395—Y131—Y353—Y210—Y422—Y416等井控制，第二條古溝槽帶由Y316—Y133—Y366—Y459—Y318—Y293—Y390—Y466—Y389—Y297—Y148等井控制，兩個(gè)分支在Y148井東北方向匯合呈一條較大的溝槽，第三條古溝槽位于Y424—Y171—Y331—Y338—Y121—Y471—Y178—Y334—Y182井一線，第四條古溝槽位于研究區(qū)東南部，規(guī)模較小，主要由Y224井控制;其余地區(qū)則顯示為古臺(tái)地分布范圍。

圖7 根據(jù)測(cè)井曲線識(shí)別的延安地區(qū)古溝槽、古臺(tái)地Fig.7 The distribution of ancient erosion grooves and ancient platform identified by way of logging curves in Yan’an area.

前人對(duì)盆地南部的古溝槽識(shí)別和研究受控制井位較少、地震資料不全且品質(zhì)不高的影響，本次研究中結(jié)合古溝槽的地質(zhì)發(fā)育背景，利用大量鉆井的測(cè)井曲線對(duì)古溝槽的分布進(jìn)行了較為細(xì)致的識(shí)別，因此保證了最終古溝槽分布結(jié)果的可靠性。

4 古地貌分布格局及對(duì)儲(chǔ)層的影響

綜合以上風(fēng)化殼與上、下標(biāo)志層間的地層殘余厚度及其組合關(guān)系、鋁土巖的厚度分布和古溝槽的測(cè)井識(shí)別等3個(gè)方面的研究結(jié)果，最終恢復(fù)出石炭紀(jì)奧陶系風(fēng)化殼的巖溶古地貌分布格局(圖8)。由圖可見，延安地區(qū)整體位于古巖溶高地與古巖溶盆地之間的古巖溶斜坡，呈NNW展布。其中，古巖溶高地位于西南部，主要位于Y157—Y313—Y413—H22井—洛川一帶，北部的延442井等地為地勢(shì)略地的殘丘，幾口高產(chǎn)井位于其中;巖溶斜坡分布范圍比較廣，分布在研究區(qū)的中部安塞—延安—甘泉—黃龍一帶;研究區(qū)東部屬巖溶斜坡與巖溶盆地之間的過(guò)渡帶，分布在綏德—延長(zhǎng)—宜川一帶，其中的古溝槽呈條帶狀分布。

圖8 延安地區(qū)奧陶系風(fēng)化殼在石炭紀(jì)的古地貌單元Fig.8 The palaeogeomorphic unit of the Ordovician weathering crust in Carboniferous Era，Yan’an area

古地貌格局和古溝槽的分布影響了儲(chǔ)層的形成、發(fā)育和天然氣的富集。據(jù)研究，巖溶高地區(qū)塊容易發(fā)育大規(guī)模的垂向型巖溶，風(fēng)化殼填充厚度比較厚，非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)層主要發(fā)育溶洞型、水巖溶型;巖溶斜坡地帶地下水徑流強(qiáng)烈，持續(xù)徑流，風(fēng)化殼填充厚度大，均質(zhì)性好，發(fā)育層狀溶蝕孔洞型儲(chǔ)層，是天然氣富集的有利區(qū)域。

延安地區(qū)在巖溶古高地以及巖溶高地與斜坡接觸帶含氣性能極好，靠近侵蝕古溝槽的斜坡位置含氣性能明顯變好。分析其原因可能與大氣水的風(fēng)化淋濾作用有關(guān)，儲(chǔ)層處于水動(dòng)力轉(zhuǎn)化帶，巖溶作用強(qiáng)烈，是儲(chǔ)層的有利發(fā)育帶，儲(chǔ)集物性比較好，圈閉面積大，側(cè)向和上傾泥質(zhì)充填封堵性能比較好。

5 結(jié)論

(1)采用殘余厚度和補(bǔ)償厚度印模法，并結(jié)合鋁土巖厚度分布和古溝槽識(shí)別結(jié)果，恢復(fù)出延安地區(qū)奧陶系風(fēng)化殼古地貌形態(tài)。延安地區(qū)西南部表現(xiàn)為巖溶高地，中部大部分地區(qū)表現(xiàn)為巖溶斜坡，東部屬巖溶斜坡與巖溶盆地之間的過(guò)渡帶。

(2)從古地貌圖可以看出，延安地區(qū)受鄂爾多斯盆地整體構(gòu)造背景的影響，石炭紀(jì)構(gòu)造面貌成像出西南高、東北低的整體趨勢(shì)，造成了奧陶系風(fēng)化殼古巖溶地貌格局。

(3)古地貌格局和古溝槽的分布影響了儲(chǔ)層的形成、發(fā)育和天然氣的富集。延安地區(qū)巖溶古高地、靠近侵蝕古溝槽的斜坡位置含氣性較好，可能與大氣水的風(fēng)化淋濾導(dǎo)致的儲(chǔ)層發(fā)育程度、物性好壞、蓋層的封堵性能等因素有關(guān)。

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12 拜文華，呂錫敏，李小軍，等.古巖溶盆地巖溶作用模式及古地貌精細(xì)刻畫——以鄂爾多斯盆地東部奧陶系風(fēng)化殼為例［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2002，6(3):292-298［Bai Wenhua，Lv Ximin，Li Xiaojun，et al.The mode of palaeokarstification and the fine reconstruction of the palaeogeomorphology in the karst basin:Taking Ordovician karst in eastern Ordos basin for example［J］.Modern Geology，2002，16(3):292-298］

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15 鄭聰斌，冀小琳.陜甘寧盆地中部奧陶系風(fēng)化殼儲(chǔ)層特征［J］.天然氣工業(yè)，1993，13(5):280-290［Zheng Congbin，Ji Xiaolin.Ordovician weathering crust reservoir characteristics in the middle of Shaanxi-Gansu-Ningxia Basin.［J］.Natural Gas Industry.1993.13(5):280-290］

16 朱靜，李文厚，韓永林，等.隴東地區(qū)前侏羅紀(jì)古地貌及油藏成藏規(guī)律研究［J］.沉積學(xué)報(bào)，2010，28(6):1229-1237［Zhu Jing，Li Wenhou，Han Yonglin，et al.Research on Palaeogeomorphic Features of Pre-Jurassic and Accumulation Regularity of Oil Reservoir in the Area of Eastern Gansu，Ordos Basin ［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2010，28(6):1229-1237］

17 顧岱鴻，代金友，蘭朝利，等.靖邊氣田溝槽高精度綜合識(shí)別技術(shù)［J］.石油勘探與開發(fā)，2007，34(1):60-64 ［Gu Daihong，Dai Jinyou，Lan Chaoli，et al.High-precision integrative recognition technology for flutings in Jingbian Gasfield，Ordos Basin［J］.Petroleum Exploration and Development，2007，34(1):60-64］

18 楊華，黃道軍，鄭聰斌，等.鄂爾多斯盆地中奧陶系巖溶古地貌氣藏特征及勘探進(jìn)展［J］.中國(guó)石油勘探，2006，11(3):1-5［Yang Hua，Huang Daojun，Zheng Congbin，et al.Characteristics of gas reservoir and exploration achievement for Ordovician paleokarst landform in Ordos Basin ［J］.China Petroleum Exploration，2006，11(3):1-5］