冀中坳陷奧陶系多期巖溶發育特征

閆偉，金振奎，韓春元，趙文龍

1.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249

2.中國石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北任丘 062552

0 引言

冀中坳陷奧陶系古潛山油氣藏是重要的油氣藏類型。近年來隨著勘探的深入，奧陶系潛山內幕油氣藏的勘探顯得日益重要。在古潛山儲層中，巖溶作用所形成的溶蝕孔、洞、縫是儲集空間的主體[1]。但這些溶蝕孔洞縫的發育具有強烈的不均質性，不同的層位和不同的區域往往差別很大。前人一般通過巖溶形成機理、巖溶先后順序以及巖溶古地貌等來研究巖溶作用的差異。如根據巖溶成因環境，可以劃分出表生期巖溶和埋藏期巖溶[2-4]，有的學者還劃分出了同生期巖溶[5-8]。巖層在表生期受大氣淡水的影響，巖溶作用最為發育。在表生期，處于高地—斜坡—洼地的不同地帶，巖溶發育形態和發育規模不同。一般認為只有巖溶斜坡是巖溶作用最強的區域[9-10]。在巖溶垂向發育方面，普遍認為存在分帶性，一般可以分為滲流帶、潛流帶和緩流帶等[11-14]。但是目前還缺乏巖溶作用在垂向上和平面上相關性的研究。對于冀中坳陷來說，不僅缺少表生期巖溶古地貌以及埋藏期熱液巖溶的研究，更缺少在多期的構造運動和多期巖溶作用影響下潛山內幕巖溶儲層的研究。本文從奧陶系的巖性、裂縫、膠結物、儲集空間類型和儲層分布等方面入手，研究巖溶的發育特征和影響因素，從而總結出多期巖溶影響下的奧陶系巖溶儲層發育規律。

1 地質背景

冀中坳陷位于華北地臺中部，渤海灣盆地西北部，面積約3.2×104km2，地跨北京、天津、河北三個省市（圖1）。奧陶系是在華北地臺基底上發育起來的沉積蓋層，地層厚度一般在650～900 m。研究區在奧陶紀總體為一個廣泛的陸表海環境，發生了多個旋回的海進海退[15]。在晚奧陶世，加里東運動使得華北地臺基底巖塊抬升，地臺裸露，上奧陶統遭受侵蝕，同時造成志留系和泥盆系的整體缺失[16]。進入中生代侏羅紀，在燕山運動的影響下，華北地臺內部褶皺、斷裂發育；隨后在喜馬拉雅運動的影響下，冀中坳陷內拉張、走滑斷裂發育，并且在多個區域有強弱不一的熱液活動[17]。

圖1 冀中坳陷區域位置及奧陶系殘余地層分布圖Fig.1 Location of the Jizhong Depression and distribution of residual Ordovician strata

奧陶系巖性主要為石灰巖和白云巖，以及兩者之間的過渡巖性。其地層包括冶里組、亮甲山組、下馬家溝組、上馬家溝組和峰峰組。其中下馬家溝組、上馬家溝組和峰峰組的初期均有潮坪發育，水體較淺；中后期以局限海或開闊海為主，水體較深[15]。由于懷遠運動的影響，使得亮甲山末期全區隆升，并遭受風化淋濾，從而在亮甲山組和下馬家溝組之間形成了一個平行不整合面。奧陶紀末期受加里東運動的影響，華北地臺整體抬升，使得奧陶系在西部區域被侵蝕殆盡[18]。如固安—保定—高陽一帶，奧陶系已完全缺失；北京—天津一帶，峰峰組也缺失。

2 巖溶特征

2.1 巖石學特征

冀中坳陷奧陶系的巖溶作用在不同的巖性中均有發育。下馬家溝組上部、上馬家溝組上部和峰峰組上部以灰泥石灰巖為主，間或含有生物碎屑，以及白云巖斑等。灰泥石灰巖中礦物成分以方解石為主，方解石含量一般在90%以上。其內裂縫多發生溶蝕作用形成溶蝕裂縫。下馬家溝組下部、上馬家溝組下部和峰峰組下部膏溶角礫巖發育，巖性以灰泥石灰巖和含石膏的泥—粉晶白云巖為主。通過鏡下對27 塊粉晶白云巖的觀察，發現樣品中多存在礫間孔、晶間孔、溶蝕孔和溶蝕縫等，其孔隙度大于2%的樣品占65%以上，平均孔隙度為4.7%。下馬家溝組和亮甲山組之間為懷遠運動引起的不整合面，在這個不整合面以下為“三山子白云巖”[15]。這套白云巖晶粒較大，一般為砂糖狀的粉晶或細晶白云巖。白云巖內具有紋層狀、竹葉狀礫屑等殘余結構。“三山子白云巖”中可見溶蝕孔和洞穴（直徑大于1 m）。“三山子白云巖”以下的石灰巖地層中，巖性主要為泥晶灰巖、云斑灰巖、竹葉狀礫屑灰巖和泥質條帶灰巖等。

在奧陶系之上，普遍存在有鋁土巖層，厚度在0.5～10 m 之間。鋁土巖形成于地勢低洼處，是風化作用的產物[19-20]。鋁土巖的分布和厚度可以作為古地貌的劃分依據，本文在古地貌恢復過程中以鋁土巖的分布和厚度來校驗古地貌圖的準確性。

2.2 裂縫及裂縫填隙物期次

冀中坳陷經歷了多期的構造活動，形成了多期的裂縫。在鏡下和野外觀察中，至少可以識別出3期裂縫。如河西務地區J24 井的巖芯薄片中（圖2A），早期的埋藏過程中沿裂縫發生壓溶作用形成縫合線，隨后又發生破裂充填了含鐵的白云石，最后一期的裂縫切割前兩期裂縫并充填了新的白云石。對野外裂縫的觀察表明，冀中坳陷至少發育了三期裂縫（圖2B）。這三期裂縫分別對應于三期巖石破裂事件：印支期在近S—N 向水平應力作用下，形成NE—SW 向和NW—SE 向兩組裂縫；燕山期在NW—SE 向水平應力作用下，形成近E—W向和NW—SE向兩組裂縫；喜馬拉雅期在NNE—SSW向水平擠壓和NWW—SEE向水平拉張應力作用下，形成NE—SW向裂縫和斷層伴生裂縫[1]。新構造期在近NE—SW 向現今地應力作用下，形成不同方向的裂縫。在這些多期的裂縫中，相應的存在有多期的溶蝕擴大和膠結作用。通過膠結物的形態和陰極發光特征，也至少可以識別出三期的膠結物（圖2C，D）。

圖2 冀中坳陷奧陶系裂縫及膠結物特征Fig.2 Characteristics of Ordovician fractures and cements in the Jizhong Depression

2.3 巖溶孔洞縫特征

冀中坳陷奧陶系的儲集空間類型主要有三種，裂縫、溶洞（孔徑≥2 mm）和溶孔（孔徑<2 mm）。裂縫主要為構造縫、層間縫、縫合線和溶蝕縫等。裂縫不僅是重要的儲集空間，還是連通各溶洞、溶孔的通道。溶洞的形態往往不規則，其長軸或呈垂直方向（圖3A）、或呈水平方向（圖3B），還有沿構造張裂縫擴大溶蝕形成的溶洞（圖3C）。在斷裂溶蝕作用強烈的地區，溶洞和裂縫形成大洞—大縫型儲集空間組合（圖3D）。

溶孔主要為晶間溶孔、粒間溶孔和鑄模孔等。晶間溶孔主要發育在方解石或白云石的晶間（圖4A）。粒間溶孔主要發育在碎屑顆粒間，是由顆粒間填隙物被溶蝕而形成的（圖4B），其形態不規則。鑄模孔是顆粒或晶粒被完全溶蝕而形成的，保留有原來顆粒或晶粒的外形。在泥—粉晶白云巖和細晶白云巖中常發育有微縫—孔隙型的儲集空間組合（圖4C）。

同生期巖溶具有組構選擇性，會對文石、高鎂方解石等不穩定礦物溶蝕，形成粒內溶孔、鑄模孔等（圖4D）。同時這些孔隙造成第一期方解石膠結物殘缺不全，并在不規則的溶溝中形成具有示底構造的滲流粉砂充填（圖4D）。同生期巖溶作用多形成層間縫—鑄模孔組合，但在后期成巖作用中一般被方解石或白云石充填。在野外露頭中，表現為海平面的短暫下降造成的不整合和溶蝕垮塌。

埋藏期巖溶多形成溶蝕縫—溶蝕孔的組合。一般具有以下特征：1）埋藏溶蝕作用會沿著已存的裂縫、溶孔、溶洞進行擴大溶蝕；2）在裂縫和溶洞中常形成中—粗晶白云巖；3）溶洞中充填的方解石或白云石中的包裹體均一化溫度較高（圖5），一般在60 ℃～120 ℃之間，部分達到240 ℃；4）埋藏期的膠結物常被溶蝕，形成晶內溶孔或晶間溶孔（圖4A）；5）沿著早期縫合線發生擴大溶蝕，其內常被較晚時期的瀝青等有機質充填（圖4B）。

表生期巖溶作用多形成溶蝕孔、洞、縫組合，這些溶蝕孔、洞、縫一般沿裂縫帶、古風化殼或順層面分布。在近地表處，溶洞長軸方向多呈垂向，并可以形成大的溶洞（圖3A）。在離地表侵蝕面較遠處，形成順層分布的溶蝕孔洞（圖3B）。

圖3 冀中坳陷奧陶系露頭剖面巖溶發育特征Fig.3 Karst characteristics in Ordovician outcrops in the Jizhong Depression

圖4 冀中坳陷奧陶系偏光顯微鏡下巖溶發育特征Fig.4 Polarizing photomicrographs of Ordovician karstification in the Jizhong Depression

3 巖溶分布規律

3.1 在近地表環境下經歷的構造活動越強烈，溶洞發育率越高

冀中坳陷自奧陶系碳酸鹽巖沉積以來，先后經歷了加里東運動、海西運動、印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動等多期構造運動[1]，發生了多期的巖溶作用。加里東運動、海西運動和印支運動的構造活動在冀中坳陷表現較為平緩，但印支期的構造活動較前期有所加強；燕山運動開始，冀中坳陷褶皺、斷裂發育；喜馬拉雅運動在冀中坳陷主要表現為較強的巖漿活動和持續的斷塊發育。

在石炭—二疊系沉積之前的暴露期，冀中坳陷構造活動平緩，奧陶系裂縫發育較少，因此巖溶作用較弱。在石炭—二疊系沉積之后，冀中坳陷在印支運動的影響下裂縫發育。這個時期近地表環境中的奧陶系受裂縫的影響巖溶作用較強；而同時期被石炭—二疊系泥巖層和煤層等覆蓋的地層，構造裂縫對于巖溶作用的影響有限，且缺少了近地表環境中淡水淋濾和風化作用，因此巖溶作用較弱。例如，余家仁[21]認為，本地區奧陶系潛山根據是否發育石炭—二疊系，可以分為兩類：一類上覆石炭—二疊系，潛山溶洞率一般低于0.15（圖6），多形成微縫—孔隙型的儲集空間，如深西潛山、永清潛山、蘇橋潛山和鳳河營潛山等。另一類上覆古近系，潛山溶洞率在0.3～0.8之間，多形成大洞—大縫型儲集空間，如晉縣潛山、任北潛山和霸縣潛山等。

燕山期和喜馬拉雅期的褶皺、斷裂活動，不僅可以加劇近地表的巖溶活動，還能溝通地下水，促進埋藏巖溶作用的進行。喜馬拉雅期的熱液活動還促進了深大斷裂附近的熱液巖溶作用。

圖5 冀中坳陷奧陶系方解石脈中兩相流體包裹體的均一化溫度—頻數分布圖Fig.5 Histograms of two-phase fluid inclusion homogenization temperature in Ordovician calcite veins,Jizhong Depression

圖6 冀中坳陷奧陶系潛山蓋層與潛山溶洞率關系Fig.6 Relationship between Ordovician cap rocks and the number of caverns in an Ordovician buried hill in the Jizhong Depression

3.2 巖溶洼地也是有利的儲集帶

冀中坳陷奧陶系沉積以后，在加里東運動的影響下，形成了高低起伏的地形。這種地貌形態的起伏不僅影響了冀中坳陷在加里東期的巖溶作用，也奠定了冀中坳陷在后期構造運動中的地貌格局。本文利用“殘余地層厚度法”和“印模法”組合[20,22]對研究區的加里東期巖溶古地貌進行了恢復，并根據巖溶古地貌的相對高低，劃分出了巖溶高地、巖溶斜坡和巖溶洼地。在此基礎上，結合鉆具放空和泥漿漏失數據（圖7），分析表生期巖溶古地貌對于巖溶作用的影響。

對比冀中坳陷內各巖溶古地貌類型和放空漏失的數據，表明巖溶斜坡的溶蝕作用最強，次為巖溶洼地。過去的研究認為，巖溶高地的水流少，巖溶作用弱；巖溶斜坡是地下水匯集的強徑流帶，巖溶作用最強；巖溶洼地是地下水長期積水處，地下水對CaCO3的溶解呈飽和狀態，膠結作用強，巖溶作用最弱。本地區的研究表明巖溶高地的巖溶作用弱，巖溶斜坡的巖溶作用最強，但是巖溶洼地的巖溶作用強弱卻與前人的認識不同。在冀中坳陷，巖溶洼地也具有較多的放空漏失，表現出較強的巖溶作用。

對于巖溶區的洼地來說，當其長期積水時，形成湖泊，此時地下水流動緩慢，對CaCO3的溶解呈飽和狀態，溶蝕作用弱而膠結作用強；當巖溶區的洼地可以匯水，但不積水時，一方面洼地水量較大，另一方面洼地的流體經常發生更替，新的淡水流體匯入使得洼地流體處于對CaCO3溶解的不飽和狀態，從而產生較強的巖溶作用。冀中坳陷的巖溶洼地不僅有大量的地層剝蝕，在不整合面上還可見紅色殘積物，表明它為匯水但不積水的巖溶洼地。這種巖溶洼地雖然在區域內地勢低洼，但在華北地臺的范圍上看，仍然位于基準面之上。洼地內的淡水經常發生更替，發生強烈的巖溶作用，從而形成廣泛分布的儲層。

圖7 冀中坳陷加里東期巖溶古地貌與放空漏失特征Fig.7 Characteristics of Caledonian karst paleogeomorphology and drilling breaks and mud losses in the Jizhong Depression

3.3 垂向上形成多個水平巖溶分帶

在本地區的研究中還發現，鉆具放空多發生在距離不整合面10～300 m 的范圍內，泥漿漏失多發生在距離不整合面的400 m 以內。巖溶高地、巖溶斜坡、巖溶洼地的放空漏失還呈現出具有水平分帶的特征（圖8）。巖溶高地具有兩個水平巖溶帶，其中上部巖溶帶厚度在120 m 以內，下部巖溶帶厚度在210～420 m之間。巖溶斜坡也具有兩個水平巖溶帶，特征和巖溶高地類似，只是上部巖溶帶厚度較薄，在50 m 以內；下部巖溶帶厚度較大，在110～400 m 之間。在這兩個水平巖溶帶之下仍然有放空漏失，但數量很少。巖溶洼地的上部巖溶帶厚度在80 m 以內，下部巖溶帶厚度約在150～250 m之間。對比前人的研究，這些水平巖溶帶很可能對應于優勢巖溶期的垂直滲流帶和水平潛流帶。如塔里木地區的古巖溶研究表明，潛流帶多限于風化殼以下130 m的范圍內[23-25]。黃驊坳陷奧陶系巖溶研究表明，潛流帶分布在風化殼以下200 m的范圍內[26]。據這些深度判斷，在巖溶高地、巖溶斜坡和巖溶洼地的第一水平巖溶帶對應于近地表巖溶環境的滲流帶；第二水平巖溶帶對應于優勢的潛流帶。

冀中坳陷巖溶高地的地勢高，潛水面低，往往具有厚的垂直滲流帶。水平潛流帶隨著地質歷史時期潛水面的變化而變化，范圍較大，最深可達400 m。巖溶斜坡的地表水滲透量少，因此具有薄的垂直滲流帶。但是巖溶斜坡是強的地下水徑流帶，因此潛流帶發育。受多期構造運動的影響，潛水面波動范圍較大，造成潛流帶的深度范圍也較大，最深可達400 m。巖溶洼地是周圍地表水和地下水的匯集處，流體豐沛但流動較為緩慢。其滲流帶受地下水位的影響，深度在80 m以內；潛流帶厚度薄且深度淺。

鉆具放空在距離不整合面10 m 以內不發育，表明在這個范圍內溶蝕孔洞較少。但是在這個深度可以見到大量的泥漿漏失，說明有裂縫的發育。在近地表的環境中，溶蝕孔洞往往會被表層土壤帶中的泥質充填而難以保持和繼續擴大。但是近地表的巖石具有更多的風化裂縫，不僅可以將地表水輸送到下部地層，本身也能被溶蝕擴大，在鉆井中造成泥漿漏失。

3.4 斷裂附近埋藏期熱液巖溶發育

圖8 冀中坳陷奧陶系鉆具放空和泥漿漏失位置在垂向上的分帶特征Fig.8 Zones of drilling breaks and mud losses in the Ordovician, Jizhong Depression

冀中坳陷的鉆具放空和泥漿漏失統計數據還表明，在斷裂帶附近分布的井，泥漿漏失比較多，且在垂向上呈串珠狀分布，不具有水平分帶性（圖8）。斷裂帶附近裂縫發育，是地下水的良好通道。沿著斷裂發育的巖溶作用在垂向上貫穿厚度大。如Yg1井（河西務地區）、Xi7 井（南馬莊地區）等，這些井在垂向上的放空漏失跨度很大（圖8）：Yg1 井在3 347～4 762 m 的范圍內有30 處泥漿漏失，2 處鉆具放空；Xi7井在1 461～1 980 m的范圍內有23處泥漿漏失。

斷裂巖溶的發育，與張開裂縫和流體性質有關。它不僅會發生在表生期（圖3A），也會發生在埋藏期。埋藏期的斷裂巖溶還可以表現為埋藏熱液巖溶。前人在油氣成藏期次的研究中也發現冀中坳陷存在熱液活動[3,27-28]。本次對奧陶系方解石脈中流體包裹體的測量，發現包裹體均一化溫度最高達到240 ℃（圖5）。如蘇橋地區S4 井，奧陶系方解石脈中流體包裹體均一化溫度達到235 ℃。對比S4 井地層埋藏史（圖9），奧陶系目前埋深約4 000 m，為沉積以來的最大埋藏深度，地熱增溫在150 ℃左右，與235 ℃相差甚遠，更證明了埋藏熱液的存在。這些熱液活動一般分布在喜馬拉雅運動以來的拉張斷裂和走滑斷裂附近。且這些斷裂附近還分布有大量的古近紀巖漿巖[1]。這表明，埋藏熱液巖溶主要發生在古近紀以來的晚埋藏期。拉張斷裂和走滑斷裂附近的裂縫為熱液提供了上升通道，并在運移過程中向相鄰的巖石滲透，發生巖溶作用[29]。

3.5 白云巖與石灰巖薄互層段是有利的巖溶發育層段

巖性是巖溶作用發生的基礎。不同巖石的成分和結構，以及巖層的組合關系，控制著巖溶的發育程度和范圍[10,26,30]。白云巖和石灰巖具有不同的溶蝕機制。首先，在近地表的環境下，石灰巖的溶解速率是白云巖的3～60倍[31]，但在高溫高壓條件下，白云石的溶解速度會超過方解石[32]。其次，近地表環境下石灰巖的巖溶分異作用強烈[33]。在質純厚層的石灰巖中，巖溶水在裂縫中以管流的形式流動[34-35]，并發生擴大溶蝕，形成大洞—大縫狀溶蝕系統。而白云巖由于晶間孔和較多破裂縫的存在，使得巖溶水在巖體內呈漫流式流動[34-35]，從而在三維空間上均勻地發生溶蝕，形成非受限的、孔隙—裂縫型的網狀溶蝕系統。因此，在近地表環境中，石灰巖的縫洞體要比白云巖發育[36]。

在冀中坳陷，對于那些有石炭—二疊系覆蓋的地層，巖溶作用均較弱，多形成微縫—孔隙型儲層。在這類儲層中，也具有較強的不均質性，表現為純的石灰巖或白云巖中巖溶作用較弱，而白云巖與石灰巖的薄互層段儲集空間較為發育。例如河西務地區Wg4 井的上馬家溝組和峰峰組中的薄互層段（圖10），裂縫發育多，孔隙度也高；而在純碳酸鹽巖層段，裂縫和孔隙度的發育均較低。分析認為，薄層的白云巖易于破碎，并具有大量的晶間孔，能為巖溶流體提供通道；而薄層的石灰巖能較為充分地與巖溶流體接觸，從而發生較強的巖溶作用。這使得白云巖與石灰巖薄互層段較質純厚層的碳酸鹽巖具有更好的孔隙發育程度。

巖石類型和巖層的組合是特定沉積環境的產物。白云巖與石灰巖薄互層形成于潮坪環境，在區域上分布較為穩定，因此巖溶作用會在較大的范圍內分布，易于形成區域性的儲層。相對而言，大洞—大縫型儲層分布在斷塊活動強烈、地層剝蝕較多的區域，斷裂—熱液儲層分布在深大斷裂附近，它們的分布范圍較為局限（圖10）。

圖9 蘇橋地區奧陶系S4 井地層埋藏史Fig.9 Burial history of Ordovician rock in S4 Well in the Suqiao area, Jizhong Depression

圖10 冀中坳陷奧陶系儲層垂向分布圖Fig.10 Map of reservoir distribution in the Ordovician, Jizhong Depression

4 結論

（1）冀中坳陷奧陶系發育有至少3 期的裂縫和膠結物。奧陶系在地質歷史過程中經歷了同生期巖溶、埋藏期巖溶和表生期巖溶。

（2）鉆具放空和泥漿漏失顯示巖溶作用在垂向上具有分帶性，在平面上受古地貌的影響。不同類型的古地貌環境，其垂向巖溶分帶的深度范圍存在差別。巖溶高地的滲流帶距離不整合面的深度范圍在120 m 以內，潛流帶的深度范圍在210～420 m 之間；巖溶斜坡滲流帶的深度范圍在50 m以內，潛流帶的深度范圍在10～400 m 之間；巖溶洼地滲流帶的深度范圍在80 m以內，潛流帶的深度范圍在150～250 m之間。

（3）裂縫是影響巖溶發育的重要因素。斷裂及裂縫使得巖溶作用在垂向上發育程度深，貫穿厚度大。古近紀以來隨著冀中坳陷的熱液活動，沿著深大斷裂發育了熱液巖溶。

（4）在多期的巖溶作用影響下，巖溶的發育具有經歷表生期的巖溶期次越多，溶洞發育率越高的特點。巖性和沉積環境對巖溶作用的影響明顯，潮坪環境形成的白云巖和石灰巖薄互層段，裂縫多，溶蝕作用容易進行，巖溶較為發育。