蘇里格東南區古地貌恢復及其與氣水分布關系

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　　摘 要：綜合運用沉積古地質分析法、印模法、殘厚法等，對鄂爾多斯盆地蘇里格東南區前石炭紀巖溶微地貌特征進行研究，并結合實際生產數據對其氣水分布特征進行總結，發現研究區奧陶紀末巖溶古地貌形態表現為“西高東低、北高南低”的分布格局，發育2類二級古地貌單元和9類三級古地貌單元，其中巖溶斜坡為主體地貌單元，主要發育上斜坡、下斜坡、一級殘丘和二級殘丘，局部發育古洼地和古溝槽;研究區馬家溝組上組合氣水分布主要表現為西北部、東部及東南部地區富氣，中西部地區富水的特征。結果表明：綜合以本溪組頂部8#煤層為上基準面的石炭系印膜厚度、以K3標志層為下基準面的殘余厚度及其各自與平均厚度間的相對差值，可對研究區巖溶微地貌進行有效刻畫;古殘丘及上斜坡地區是有利天然氣富集高產區;水層、氣水同產層因受燕山期地層翹傾影響，多分布于研究區中西部古巖溶上斜坡地區;古洼地、古溝槽溶蝕淋濾作用較弱，雖不利于天然氣富集，但仍有少量低產氣井分布。
　　關鍵詞：蘇里格東南部;古地貌恢復;印模法;殘厚法;氣水分布特征
　　中圖分類號：TE 122.2 文獻標志碼：A
　　DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0316 文章編號：1672-9315（2019）03-0498-09
　　Abstract：By the comprehensive use of sedimentary paleogeological analysis，impression method，and residual thickness method，the karst micro-geomorphology of the Pre-Carboniferous area in southeast Sulige，Ordos Basin was studied.Combining with actual production data，the characteristics of gas-water distribution was summarized.The study found that the karst paleogeomorphology at the end of Ordovician in the study area was represented by the distribution pattern of “high in the west and south，low in the east and north”，and developed two types of second-order paleogeomorphic units and nine types of third-order paleogeomorphic units.The karst slope is the main physiognomy unit，which is mainly develop on the upper slope，lower slope，primary monadnock and secondary monadnock.Moreover the ancient depression and groove are developed in the local area.The distribution of gas and water in the Majiagou-formation of study area is mainly characterized by the rich gas in the northwest，east and southeast，and the rich water in the central and western regions.Results show that：The karst microtopography in the study area  can effectively depicted，by combing  the carboniferous film thickness of the 8# coal seam at the top  of Benxi Formation and the residual thickness of the lower datum of K3 marker.The monadnock and upper slope area are favorable natural gas enrichment areas.Water is affected by the tilting of the Yanshan Strata，and is mostly distributed in the central and western regions of the upper karst slopes.The anticorrosive and leaching effects of ancient depressions and ancient trenches are weak，but there are still a few stripper well distributed.Key words：southeastern part of Sulige Area;impression method;residual thickness method;characteristics of gas and water distribution0 引 言據統計20%～30%的大氣田發育于古風化殼巖溶儲層之中[1]，20世紀70年代中后期至今，與古巖溶相關的古地貌研究逐漸受到國內外學者重視，并得以廣泛應用。古地貌恢復是對歷史時期盆地面貌變化進行分析的一種重要手段，是以構造變形作用為主，風化剝蝕、充填沉積、差異壓實等綜合作用的結果[2]。 　　目前常用的古地貌刻畫方法有：地球物理法、印模法、殘余厚度法、沉積學法、層序地層法及層拉平法、回剝法、構造趨勢面轉化法、計算機模擬法等[2-11]。蘇中堂、王建民等運用地球物理法，通過提升測井、地震屬性，建立古地貌的識別標志模型，最后運用井震等地球物理資料對模型進行驗證、約束，直至接近最理想的程度[2-4]。該方法直觀準確，但刻畫精度較低。夏日元、魏新善等運用印模法及殘厚法恢復古地貌[5-8]。印模法目前應用最為廣泛，其原理是利用上覆地層與古地貌之間的“鏡像”關系，通過上覆地層的厚度來半定量恢復古地貌形態。該方法簡單易行，但基準面與剝蝕面之間地層的真實厚度恢復難度較大。殘余厚度法與印模法原理相似，區別在于需在剝蝕開始之前所沉積的地層中，選取標志層作為基準面，并將其拉平，該基準面之上殘余地層厚度即可代表當時的古地貌形態。該方法直觀且刻畫精細，但卻未考慮構造及剝蝕差異對沉積厚度的影響。趙俊興等運用沉積學法恢復古地貌，即借助沉積巖相古地理特征，從而定性地恢復當時的古地貌特征[9]。沉積學法恢復古地貌簡單、易于操作，但影響因素復雜、工作量大，且精度較低。宋國奇、趙俊興等運用層序地層法，將層序地層學引入古地貌恢復之中，在建立上覆地層等時層序格架的基礎上，將其拉平，運用其與風化殼等勢面之間的地層來反應古地貌形態[10-11]。該方法優點是上覆基準面相對等時性強，缺點是2個等時界面的選擇較為困難。不同的學者雖然采用不同的方法對不同地區的古地貌進行恢復研究，但各種分析方法均各有利弊。此外，就鄂爾多斯盆地而言，盆地尺度、油氣田尺度的巖溶古地貌研究已趨于成熟[12-15]，但井區尺度的沉積期古地貌研究仍處于探索之中[12]。因此在前人研究的基礎上，結合研究區實際，文中首次采用綜合法對蘇里格東南部地區三級巖溶古地貌進行精細劃分與解釋，即：井震結合初步確定地層下古生界地層格架;統計奧陶系頂部地層出露情況，了解古構造格局及各地區剝蝕程度;合理選擇基準面，采用印模法及殘厚法初步恢復古地貌;最終依照每種方法的優弊進行取舍，多角度綜合劃定研究區三級古地貌劃分標準，恢復巖溶古地貌形態，并分析不同地貌形態與氣水分布間的關系。
　　1 地質背景鄂爾多斯盆地受加里東運動影響，于奧陶紀盆地中央呈現“L”形隆起構造雛形[16]。早奧陶世，盆地在經歷短暫抬升之后，開始接受馬家溝組碳酸鹽巖沉積;隨著加里東運動逐漸加劇，華北地臺整體抬升，中奧陶及早石炭地層被廣泛剝蝕，發育風化殼巖溶型儲集體，與上覆的晚石炭統海陸交互源巖沉積層呈區域不整合接觸[7]。后經晚三疊世至白堊紀內陸盆地發展，以及新生代周邊斷陷盆地發育形成了現今南北隆升、東抬西沖、盆內斜坡西傾與天環向斜相連的構造面貌[14-17]。蘇里格東南部位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡北部（圖1），地區面積790 km2，完鉆井468口，其中探井19口，在平緩西傾的單斜背景上發育一系列北東-北東東向復式鼻狀構造[18-22]。奧陶紀末，研究區位于中央古隆起東側，差異性抬升剝蝕致使該區風化殼儲層發育，表現出較大的勘探開發潛力。
　　2 常規法巖溶古地貌恢復2.1 前石炭古地質特征在對研究區217口鉆至奧陶系單井進行小層對比與劃分的基礎上，統計每口鉆井所揭示的奧陶系頂面出露層位（表1），繪制研究區前石炭系古地質圖（圖2），宏觀分析石炭系沉積前的古地貌特征。
　　2.2 “印?！钡貙臃植继卣骷肮诺孛仓甘驹谶x取標志層參考面時，按照全區穩定分布等時界面、與風化殼面距離較近、巖性界面易于識別3大原則[9，13]，選取本溪組頂部8#煤層為基準面（圖3），采用填平補齊的沉積補償原理[23]，對地層抬升剝蝕后古地貌輪廓進行刻畫。本溪組由頂部煤層與底部大套泥巖夾砂層組成，且全區廣泛分布?？紤]壓實減孔對砂泥巖及煤系地層厚度影響較大[24]，因此先對本溪組厚度進行壓實校正，具體如下
　　2.2.1 求取壓實系數[25]
　　2.2.2 求取去壓實后目標層頂底深度[24]
　　2.2.3 求取去壓實后目標層骨架高度及壓實率
　　式中 Z為深度，m;為Z處對應孔隙度，%;0為地表孔隙度（表2），%;C為壓實系數;D1，D2為分別表示目標地層當前的頂深和底深，m;D1′，D2′分別表示壓實校正后目標層定頂深度，m;D′為校正后目標層厚度，m;D為當前目標層厚度，m;Φ為壓實率，%.經計算，該區本溪組砂巖平均壓實率為28.7%，泥巖及煤層壓實率為63%左右。在對本溪組地層進行去壓實校正之后，得到本溪組原始沉積厚度等值線圖，進而表征古地貌形態（圖4）?？芍?，其整體反映了奧陶末期蘇里格東南部西高東低、北高南低的地貌形態，與古地質圖分析結果較為一致。西北部及東北部地層厚度相當，多分布于10～17 m之間，向南地層厚度逐漸增大。南部地區表現出溝脊相間的特征，桃2-36-2井—蘇93井、桃2-30-14井—桃47井、陜50井—桃2-30-25井均呈現為北西-南東向展布特征，地層最厚處可達26.2 m.西部地區平均地層厚度高于東部地區，其中桃2-16-16井區、桃2-16-20井區、桃2-1-8井區厚度最大，均大于30 m，對應在本溪組沉積時表現為低洼特征。
　　2.3 “殘厚”地層分布特征及古地貌指示與印模法類似，殘厚法恢復古地貌亦需根據已述3個條件合理選擇基準面。參考前石炭古地質
　　在不同程度剝蝕現象，因此選取K3標志層（馬五14底部凝灰巖層）作為基準面，將其底拉平，該標志層之上的殘余地層厚度代表了古地貌展布形態特征[21-22]（圖5，圖6）。
　　可知，古地貌整體西北偏高，起伏強烈;東南、西南地區仍表現出近北西-南東向溝脊相間形態，與印模法分析結果較為一致。在加里東期強烈構造作用的影響下，殘厚小于40 m的區域主要位于研究區西部、北部地區，厚度變化幅度大且連續性差，桃2-21-8井處殘余地層厚度最小，為24.6 m.由此說明，西部及北部地區遭受風化及剝蝕作用強烈，屬低地貌單元。大于60 m的地層分布于研究區內中部地區，面積小且起伏程度小，向西逐漸殲滅，其中桃2-12-13C1井、桃35井、桃2-16-19井、桃2-30-8井K3標志層之上殘厚度均大于65 m，并且均有馬六地層殘余，屬高地貌單元。40～60 m地層分布最為廣泛，占全區面積3/4，其間厚度變化幅度較小，說明其地勢起伏較為平緩，遭受剝蝕程度較小。3 綜合法古地貌單元劃分及其特征運用沉積學古地質分析，雖能較好確定古地貌形態，但其精度不夠[2，4]。印模法容易操作，并能較為精細的恢復古地貌。殘厚法對古地貌的刻畫直觀，也較為精細，但基準面的選擇、壓實校正的準確度等都會影響最終結果[4，9]。上述分析結果也體現出相同結論，各種方法之間雖結果相似，能相互印證，但局部結果仍有差異。因此，文中在古地貌恢復技術的優缺點分析的基礎上，以鄂爾多斯盆地沉積背景為根本，通過去壓實校正，將印模法作為重點，綜合古地質分析以及殘厚分析結果，將研究區奧陶系巖溶古地貌進一步精細劃分為2個二級單元和9類三級單元（圖7），具體劃分指標見表3. 　　3.1 巖溶高地蘇里格東南部地區古巖溶臺地面積較小，主要分布于北部桃2-3-11井-桃2-7-14井區、桃2-3-25井-桃2-4-27井區，奧陶系地層剝蝕強烈，頂部主要出露馬五14及馬五12地層，去壓實校區后石炭系厚度一般小于15 m.
　　3.2 巖溶斜坡巖溶斜坡是該地區主體古地貌單元，去壓實后石炭系厚度為15～50 m，K3標志層之上殘余厚度為30～55 m.以石炭系及殘余地層相對厚度為標準，巖溶斜坡又可進一步劃分為6個三級單元。
　　殘丘處石炭系厚度多小于30 m，是古巖溶斜坡上呈孤立丘狀分布的古高地，分布范圍較小，主要位于桃2-5-8井區，桃2-16-18井區，桃2-8-24-陜166井區，在加里東期所經歷的風化剝蝕時間較長。上斜坡、下斜坡為是殘丘及洼地間的過渡地帶，沿殘丘及洼地周緣呈環帶狀分布，奧陶系頂部出露層系以馬五21為主。上斜坡處坡降較大，垂向滲流與橫向巖溶均發育，物質交換迅速。
　　下斜坡處坡降較小，降水滯留，隨所經歷的成巖作用較為充分，但介質流動性差，不利于溶蝕物質被迅速帶走。
　　洼地是巖溶斜坡內的負相地形區，殘余地層厚度多小于10 m，面積較小，多位于溝槽水系發育末端。由于該區域地勢低、水體深，因此水體流動緩慢，化學沉淀作用強，不利于儲集體的形成與保存。古溝槽位于上斜坡邊緣，為條帶狀展布。研究區內共3條古溝槽經過，東南部2條溝槽為北西-南東向展布，西部地區溝槽為北東-南西走向長達15 km，對下伏地層下侵作用強烈，致使該處馬五1+2地層幾乎被剝蝕殆盡，奧陶系頂部出露馬五41至馬五23.
　　4 巖溶古地貌與氣水分布關系
　　鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組頂部的巖溶古地貌控制著古巖溶作用類型及強度，進而改變了風化殼古巖溶儲層的巖性及物性條件[5]。但受地層疊覆順序及風化作用強度對儲層影響的強度所限，前石炭紀古地貌對奧陶系上組合地層影響較大[8，28]，因此，文中重點討論研究區前石炭紀末古地貌與奧陶系馬家溝組上組合氣水分布間的關系。蘇里格東南部地區氣水分布并不均勻，產氣井多分布于西北、中東及南部地區，產水井較少且零星分布，氣水同產井集中分布于中部地區（圖7）。馬五1+2亞段北部及東南部產氣量高，其中桃2-9-24井試氣無阻流量高于100×104 m3，日產氣量高達25×104 m3;馬五14小層西北及東部地區產氣量相對較高，其中桃2-6-1井試氣無阻流量為69.8×104 m3，日產氣量高達15×104 m3.其產水量高于馬五1+2亞段，例如桃38井、桃2-30-14井等日產水量均可達9 m3以上。
　　疊合古地貌與上組合氣水分布（圖7），并結合前人關于巖溶儲層特征研究成果可知，研究區前石炭紀古地貌形態對奧陶系上組合氣水差異性分布影響較大。古巖溶高地在研究區內面積較小，垂向滲流為主，多發育縱向溶洞且非均一性明顯[28]，不利于形成有益于天然氣聚集成藏的層狀巖溶帶，僅局部地勢相對較高的殘丘地區尚有天然氣分布。古巖溶斜坡是古地貌主體單元，其中殘丘風化殼巖石類型以白云巖為主，主要表現為淡水淋濾溶蝕作用[23-31]，具有良好的儲集性能;一級殘丘、二級殘丘各自所包含的氣井占比40.0%，26.7%;36.9%的差氣層井位于二級殘丘之上，其次為一級殘丘含差氣層井26.0%.氣水同產井多位于二級殘丘及上斜坡單元，分別為31.8%，27.3%.產水井則集中分布于上斜坡、二級殘丘及下斜坡古地貌單元之內，占比20.8%，45.8%，12.5%.此外，溝槽兩側分布有3.1%的差氣層井。古洼地為巖溶水的匯集區[28]，巖溶作用相對較弱，所含氣層、水層均較少。綜上，奧陶紀末期蘇里格東南部地區主要呈現西高東低、北高南低的地貌形態，古巖溶高地分布局限，古巖溶斜坡廣泛展布，其間三級地貌單元高低相間分布。至晚三疊世、中-晚侏羅世，上古煤系烴源巖進入生排烴高峰，天然氣下穿奧陶系頂部鋁土巖缺失部位發生垂向運移[22]，在奧陶系風化殼巖溶儲層裂縫及孔隙中向下充注并發生側向運移，在當時地勢相對較高的一級殘丘、二級殘丘、上斜坡等部位聚集成藏。至燕山運動中期，整個盆地由東傾單斜轉為西傾單斜。最初在西部古殘丘及上斜坡圈閉中聚集的天然氣，受側向遮擋而被保留;其余低部位聚集的天然氣在自身浮力及水動力作用下，向東部構造高部位發生大面積后期運移與調整，驅替高部位地層水向西部底勢區調整。最終出現現今中東部及前石炭古地貌呈巖溶高地貌單元的西北、南部中富氣，中西部地區富水的氣水分布格局。
　　5 結 論1）采用沉積古地質分析，選取本溪組頂部8#煤層為基準面的印模法，以K3標志層（馬五14底部凝灰巖層）作為基準面的殘余厚度法，均可對研究區前石炭紀古地貌進行有效恢復。各方法分析結果類似，可相互印證，但單一的沉積學分析、印模法或殘厚法仍存在局限性。沉積古地質分析隨操作簡單，但精度較差;印模法雖能較好的反應古地貌格局，但去壓實校正工作繁瑣，對微地貌刻畫反映較差;殘厚法對微地貌刻畫較為精細，但分析結果與整體格局稍有出入。
　　2）綜合法恢復古地貌形態，將印模法與殘厚法二者有機結合，并參考印模地層厚度、殘余地層厚度與平均厚度值間的相對變化情況，結合研究區實際將前石炭古地貌精細刻畫為2類二級單元和9類三級地貌單元。蘇里格東南部地區奧陶系巖溶古地貌形態為“西高東低、北高南低”的分布格局，以巖溶斜坡地貌單元為主，主要發育上斜坡、下斜坡、一級殘丘和二級殘丘，局部發育古洼地和古溝槽。3）蘇里格東南部地區奧陶系上組合氣水主要表現為西北、東部及東南部富氣，中西部富水的特征。水層、氣水同層因受燕山期地層翹轉影響，多分布于研究區中西部古巖溶上斜坡地區。古洼地、古溝槽溶蝕淋濾作用較弱，不利于天然氣富集，但仍有少量低產氣井分布其中。巖溶斜坡古殘丘及上斜坡地區則是天然氣高產井的目標區。
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