鄂爾多斯盆地延安地區奧陶系風化殼古地貌恢復

王高平 王震亮* 趙雪嬌 李彥婧 王念喜 任來義 曹紅霞

(1.大陸動力學國家重點實驗室西北大學;2.西北大學地質學系，西安 710069;3陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，西安 710075)

近年來，隨著鄂爾多斯盆地奧陶系古巖溶儲層研究的深入，下古生界天然氣勘探實現了較大的突破，盆地在早奧陶世沉積后受加里東構造運動作用整體抬升，經歷長達 1.5 ×108a 的風化剝蝕后［1，2］，盆地中東部奧陶系風化殼古巖溶地貌可劃分為巖溶高地、巖溶臺地、巖溶盆地3種地貌單元［3］，并可進一步將巖溶高地劃分為洼地、平臺、斜坡，將巖溶臺地劃分為淺洼、緩丘、臺坪、溝槽。氣藏主要富集在奧陶系頂部的古風化殼內，靖邊氣田就位于古地貌的高部位。相對而言，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，在奧陶紀沉積了巨厚的碳酸鹽巖，加里東期的抬升作用，導致奧陶系頂部巖溶作用強烈，整體處于古巖溶斜坡背景(圖1)。恢復其延安地區下古生界頂部的古地貌形態，對于認識該地區碳酸鹽巖儲層特征，探索其中的天然氣藏形成具有重要科學意義。本文基于現今地層展布，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，并結合測井曲線進行了古溝槽的識別，恢復出延安地區奧陶系風化殼的古地貌特征。

1 巖性和地層分布

延安地區研究面積約2.0×104km2。從組成下奧陶統馬家溝組頂部碳酸鹽巖儲層的巖性看，馬六段主要為石灰巖、含云灰巖和白云巖，馬五段主要為白云巖、含灰云巖、石灰巖、含云灰巖和含泥云巖。馬家溝組以蒸發潮坪沉積為主，發育含膏云坪與藻泥云坪微相，具有含硬石膏斑晶、硬石膏結核的巖石組合，經古巖溶作用后，形成了層狀分布的溶蝕孔洞，成為儲集空間的主體。在經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、古構造、古水動力場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，進一步影響儲層的發育特征［3］。

鄂爾多斯盆地中東部地區的馬家溝組沉積期經歷了三次海進—海退旋回，在縱向上構成了六個巖性段。其中馬家溝組一、三、五段以白云巖、硬石膏巖和鹽巖為主，偶夾少量石灰巖，馬家溝組五段為風化殼發育的儲層段，又分為若干個亞段和小層，馬家溝組二、四、六段為石灰巖和白云巖，在補償坳陷盆地還有硬石膏巖產出。

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

馬五段、馬六段是本區下古生界勘探的主要目的層，從現今馬家溝組殘余地層分布看，馬六段在延安地區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，而研究區中部、東南部相對較厚(15～20 m)，分布在子長、清澗、延長、宜川、甘泉等地，呈南北向展布，說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，自上而下又細分為馬五1、馬五2、馬五3、馬五4等多個亞段，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層。天然氣勘探結果表明，延安地區內多口井在奧陶系碳酸鹽巖存在氣測錄井顯示，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1萬方以上的無阻流量，其中兩口井在馬五1達到了日產15～30萬方的無阻流量，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，也可作為反映此時古地貌起伏變化的重要指標。因為古地貌相對較高處，地層遭受剝蝕的程度較大;古地貌相對較低處，地層遭受的剝蝕較小。由此分析，早石炭世，延安地區的西南部和東部局部地區古地貌相對較高，受剝蝕程度較大。

圖2 延安地區馬家溝組(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 古地貌恢復的方法

古地貌恢復對于認識一個地區儲層的發育規律，探索天然氣成藏因素具有一定的指導意義，也是盆地分析的內容之一。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、沉積學方法等，經過優選，在延安探區石炭系前古地貌恢復中采用了“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地貌結束剝蝕開始上覆地層沉積時視為一等時面，然后選擇沉積地層中某一特殊巖性段為基準面，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。印模法是利用上覆沉積層中的標志層，然后將其拉平，統計不同鉆井上覆沉積層中的標志層面到馬家溝組頂剝蝕面的厚度，利用鏡像關系將其轉化為平面厚度圖。兩種方法相結合，可共同反映延安地區奧陶系馬家溝組頂的古地貌格局。

2.2 等時界面的選取

2.3 古地貌單元劃分的依據

加里東期風化殼的剝蝕程度與風化殼的古地貌狀態呈正相關［4～7］，而風化殼古地貌的充填程度則與古地貌狀態關系正好相反。因此，可利用不整合面與上、下標志層間的地層厚度對比，作為劃分古地貌劃分的重要依據(圖3)。二者間的這種互補關系主要表現為［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):反映了局部地勢相對較高的殘丘或臺地臺緣、殘臺等三級古地貌單元。

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

3 延安地區奧陶系古地貌的綜合恢復

在延安地區奧陶系風化殼古地貌的恢復過程中，為保證在大量鉆井資料基礎上，恢復結果的可靠性和準確性，我們主要立足以下三個方面的工作，以便進行多角度分析和對比:(1)奧陶系頂部與其上、下標志層的厚度及其對比;(2)不整合面發育的鋁土巖厚度分布與古溝槽的關系;(3)利用測井資料的分布形態識別古溝槽，以保證結果的準確性。

3.1 風化殼上、下地層的分布及其厚度組合關系

圖3 不同古地貌單元間風化殼與上、下標志層間殘留厚度的互補關系(據姚涇利等，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 風化殼與上、下部標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

鋁土巖作為風化作用的產物，較厚處說明其形成前所在的地勢比較低，有利于鋁土巖的保存，在鋁土巖厚、薄相間的地帶，較厚處預示著古溝槽發育，故也可作為劃分古地貌單元的參考標志。研究中主要通過測井曲線并結合錄井、取心資料來識別鋁土巖(圖5)，在鋁土巖的測井響應表現為:自然伽馬高峰狀突起，聲波時差高的鋸齒狀，深側向電阻率極低值(1～5 Ω·m)，密度曲線底部為特高值段，與奧陶系風化殼巖溶段測井響應的低伽馬、低聲波時差值、中高電阻率值、高密度值等特征有明顯差別，易于識別。

圖5 延安地區Y118井內鋁土巖的測井響應特征Fig.5 The logging response characteristics of bauxite in Y118 well，Ya’an area

據此識別結果，延安地區249口井內馬家溝組頂部的鋁土巖風化殼0～13.7 m，并編制了該地區鋁土巖厚度的平面分布圖(圖6)。由圖可見，延安地區本溪組底部鋁土巖的厚度整體上呈現西部薄東部厚的趨勢，說明風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考慮，則延安地區北部呈東西向分布的 Y449—Y398—Y131井區塊、Y353—Y210井區塊、Y422—Y416井區塊(圖中方格陰影區)，可作為存在東西向古溝槽的證據。類似的地區還有:延安地區中部的 Y459—Y366—Y365—Y102—Y318—Y215—Y148—Y107—Y418井，延安地區南部的 Y116—Y347—Y424—Y171—Y339—Y311—Y196—Y150—Y305—Y174—Y308—Y470—Y182—Y183井一帶，均呈現出蜿蜒分布的條帶，能夠較好地反映古溝槽的存在。此外，在Y269—Y271井區、Y255—Y184井區、Y428井區，呈零星狀分布，也可作為古溝槽局部發育的證據。研究區西南部局部鋁土巖也較厚，如 Y413—Y433—H33—Y261井區，因鉆井相對稀少，推測認為，可能反映了整體高地勢背景下的下切。鋁土巖的這一厚度展布將為古巖溶地貌的恢復提供一定的參照［11～18］。

圖6 延安地區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 古溝槽的測井識別

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

研究中主要利用測井方法識別古溝槽［9］(表1)，此方法的原理是根據本溪組(C2b)地層的充填結構，根據古臺地、古溝槽內鋁土巖與馬家溝組灰巖或白云巖的組合關系，間接反映奧陶系古地貌的特征。古臺地內自然伽馬曲線的測井響應為單峰狀。古溝槽或淺洼有3種充填結構，對應三種顯示:鋁土層+泥巖覆蓋在白云巖/灰巖上，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/灰巖上，自然伽馬曲線為臺階狀［12］。

延安地區西部、東部局部鋁土巖的充填形式，是直接覆蓋在馬家溝白云巖/灰巖之上，在測井曲線上識別出單峰狀，應為古臺地;在中—東部區域，本溪組主要充填結構為鋁土巖+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/灰巖之上，從測井曲線上識別為古溝槽。本次研究中利用202口井的測井曲線進行了古溝槽和古臺地的識別工作，其中71口井具古溝槽特征，131口井顯示古臺地特征，部分井的識別結果見表1。

表1 延安地區部分井的測井識別古溝槽結果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202口井的測井曲線特征識別出的延安地區古溝槽、古臺地平面分布。由圖可見，古溝槽主要分布在延安地區的東部地區，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東南部，規模較小，主要由Y224井控制;其余地區則顯示為古臺地分布范圍。

圖7 根據測井曲線識別的延安地區古溝槽、古臺地Fig.7 The distribution of ancient erosion grooves and ancient platform identified by way of logging curves in Yan’an area.

前人對盆地南部的古溝槽識別和研究受控制井位較少、地震資料不全且品質不高的影響，本次研究中結合古溝槽的地質發育背景，利用大量鉆井的測井曲線對古溝槽的分布進行了較為細致的識別，因此保證了最終古溝槽分布結果的可靠性。

4 古地貌分布格局及對儲層的影響

綜合以上風化殼與上、下標志層間的地層殘余厚度及其組合關系、鋁土巖的厚度分布和古溝槽的測井識別等3個方面的研究結果，最終恢復出石炭紀奧陶系風化殼的巖溶古地貌分布格局(圖8)。由圖可見，延安地區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井等地為地勢略地的殘丘，幾口高產井位于其中;巖溶斜坡分布范圍比較廣，分布在研究區的中部安塞—延安—甘泉—黃龍一帶;研究區東部屬巖溶斜坡與巖溶盆地之間的過渡帶，分布在綏德—延長—宜川一帶，其中的古溝槽呈條帶狀分布。

圖8 延安地區奧陶系風化殼在石炭紀的古地貌單元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層的形成、發育和天然氣的富集。據研究，巖溶高地區塊容易發育大規模的垂向型巖溶，風化殼填充厚度比較厚，非均質性強，儲層主要發育溶洞型、水巖溶型;巖溶斜坡地帶地下水徑流強烈，持續徑流，風化殼填充厚度大，均質性好，發育層狀溶蝕孔洞型儲層，是天然氣富集的有利區域。

延安地區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化淋濾作用有關，儲層處于水動力轉化帶，巖溶作用強烈，是儲層的有利發育帶，儲集物性比較好，圈閉面積大，側向和上傾泥質充填封堵性能比較好。

5 結論

(1)采用殘余厚度和補償厚度印模法，并結合鋁土巖厚度分布和古溝槽識別結果，恢復出延安地區奧陶系風化殼古地貌形態。延安地區西南部表現為巖溶高地，中部大部分地區表現為巖溶斜坡，東部屬巖溶斜坡與巖溶盆地之間的過渡帶。

(2)從古地貌圖可以看出，延安地區受鄂爾多斯盆地整體構造背景的影響，石炭紀構造面貌成像出西南高、東北低的整體趨勢，造成了奧陶系風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層的形成、發育和天然氣的富集。延安地區巖溶古高地、靠近侵蝕古溝槽的斜坡位置含氣性較好，可能與大氣水的風化淋濾導致的儲層發育程度、物性好壞、蓋層的封堵性能等因素有關。

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