季汉成, 房超, 华南, 肖菁, 李海泉, 黎雪, 李晨, 马鹏鹏, 毛翔. (2016)鲁西豫东地区奥陶系顶部岩溶储集层特征及有利控制因素* [J]. 古地理学报, 18(4): 545-559
Ji Hancheng, Fang Chao, Hua Nan, Xiao Jing, Li Haiquan, Li Xue, Li Chen, Ma Pengpeng, Mao Xiang. (2016)Characteristics and favorable controlling factors of karst reservoirs within the uppermost part of Ordovician in western Shandong-eastern Henan area[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(4): 545-559. DOI:10.7605/gdlxb.2016.04.040  
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鲁西豫东地区奥陶系顶部岩溶储集层特征及有利控制因素*
季汉成1,2, 房超1,2, 华南1,2, 肖菁1,2, 李海泉1,2, 黎雪1,2, 李晨1,2, 马鹏鹏3, 毛翔3
1 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
3 中国石化集团新星石油有限责任公司新能源研究院,北京 100083

第一作者简介 季汉成,男,1966年生,中国石油大学(北京)教授,博士生导师,现主要从事沉积岩、沉积相、成岩作用、储集层评价等方面的研究工作。E-mail: jihancheng@vip.sina.com。

收稿日期:2016-01-20
基金:中国石化集团新星石油责任有限公司科技攻关项目(编号:10500000-14-FW0399-0003); [Financially supported by the Science and Technology Program of Sinopec Star Petroleum Co ,Ltd(No.10500000-14-FW0399-0003)]
摘要

基于野外露头、岩心、薄片和测录井等地质及地球物理资料分析,并结合区域地质背景,深入研究了鲁西豫东(东濮)地区奥陶系顶部峰峰组和上马家沟组岩溶储集层发育特征、演化过程,并进一步分析优质储集层形成的主控因素,预测了有利储集层分布区。结果表明,奥陶系顶部储集层主要岩性为颗粒石灰岩、云质石灰岩、泥晶石灰岩、粉细晶白云岩、含膏白云岩和藻粘结白云岩等,裂缝和溶洞是主要储集空间类型。白云岩类储集层平均孔隙度为 2.5%,平均渗透率为 7.43×10-3μm2;石灰岩类储集层平均孔隙度为 2.2%,平均渗透率为 2.72×10-3μm2。储集层经历了沉积—准同生期成孔(寒武纪—中奥陶世)→风化淋滤(晚奥陶世—早石炭世)→矿物充填(晚石炭世—白垩纪末期)→溶蚀改造(古近纪) 4个演化阶段。沉积相、成岩作用及构造应力控制了研究区优质储集层的形成。颗粒滩及潮坪相带、断裂发育带、白云石化作用和准同生岩溶、表生岩溶、埋藏岩溶作用 6项叠合区储集层质量最优;颗粒滩及潮坪相带、白云石化作用和准同生岩溶作用、表生岩溶作用 4项叠合区,以及断裂发育带、表生岩溶作用、埋藏岩溶作用 3项叠合区储集层质量次之;颗粒滩及潮坪相带、断裂发育带、白云石化作用和准同生岩溶作用、埋藏岩溶作用 5项叠合区储集层质量一般。

关键词: 东濮地区; 奥陶系; 岩溶储集层; 控制因素; 储集层有利区
中图分类号:P588.24+5 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)04-0545-15
Characteristics and favorable controlling factors of karst reservoirs within the uppermost part of Ordovician in western Shandong-eastern Henan area
Ji Hancheng1,2, Fang Chao1,2, Hua Nan1,2, Xiao Jing1,2, Li Haiquan1,2, Li Xue1,2, Li Chen1,2, Ma Pengpeng3, Mao Xiang3
1 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
3 New Energy Researching Institute of Star Petroleum Co.,Ltd.,SINOPEC,Beijing 100083;

About the first author Ji Hancheng, born in 1966, is a professor and doctoral tutor of China University of Petroleum(Beijing). He is mainly engaged in sedimentary rock, sedimentary facies, digenesis and reservoir evaluation. E-mail: jihancheng@vip.sina.com.

Abstract

Based on observation of outcrops,cores and thin sections and analysis of logging data,combined with regional geological background,features,evolution,main controlling factors of the reservoir within the Fengfeng Formation and Majiagou Formation,the uppermost part of Ordovician in the western Shandong-eastern Henan(Dongpu) area were studied deeply. Subsequently,the distribution of favorable reservoirs was predicted. The study results revealed that grain limestone,dolomitic limestone,micrite limestone,silty-fine crystalline dolostone,gypsum-bearing dolostone and algae dolostone were the dominant rock types,and the main reservoir spaces were cracks and pores. The average porosity of dolomite reservoirs was 2.5%,and the average permeability was 7.43×10-3μm2. The average porosity of limestone reservoir was 2.2%,and the average permeability was 2.72×10-3μm2. The reservoirs had experienced four evolution stages,which are the period of penecontemporaneous pore formation(Cambrian-Middle Ordovician), weathering leaching period(Late Ordovician-Early Carboniferous), minerals filling period(Late Carboniferous-Late Cretaceous) and the period of pore dissolution reconstruction(Paleogene). Sedimentary facies,diagenesis and tectonic stress play a significant role in controlling the formation of favorable reservoirs. The study indicates that areas superimposed by the grain bank, tidal flat facies zone,fault belt,dolomitization area,penecontemporaneous karstification area,epigenic karstification area and buried karstification area are predicted as the most favorable reservoir zone. Areas superimposed by the grain bank, tidal flat facies zone,dolomitization area,penecontemporaneous karstification area,epigenic karstification area and areas superimposed by the fault belt,epigenic karstification area,buried karstification area are predicted as the secondary favorable reservoir zones. Areas superimposed by the grain bank, tidal flat facies zone,fault belt,dolomitization area,penecontemporaneous karstification area and buried karstification area are predicted as the general reservoir zone.

Key words: western Shandong-eastern Henan(Dongpu) area; Ordovician; karst reservoir; controlling factor; reservoir favorable zone

鲁西豫东地区位于山东省与河南省交界的濮阳市及周边地区, 在文中简称东濮地区。东濮地区碳酸盐岩研究始于20世纪50年代, 主要以寻找潜山油气藏为目的。自1976年东1井钻穿古生界以来, 目前东濮地区钻至古生界井达91口, 34口井见良好油气显示, 其中马古5井、马古1井和毛4井等在试油过程中获低产油气流, 说明本区下古生界碳酸盐岩具有一定的油气勘探潜力。

然而并非全区都具备形成优质储集层的地质条件, 纪友亮和冷胜荣(1994)对东濮地区奥陶系风化壳储集层进行研究, 认为裂缝是最主要的储集空间, 储集层受构造和岩性控制, 该地区的南部为有利储集层发育区。姚合法等(2000)对东濮地区及邻区下古生界碳酸盐岩潜山和风化壳储集层进行研究, 认为储集层发育孔隙、裂缝和溶洞3种储集空间, 成岩演化、沉积相带及应力作用是储集层发育的主要控制作用, 并预测东濮地区北部奥陶系峰峰组下段潜山内幕储集性能较好, 南部峰峰组下段风化壳储集层发育, 为有利储集层发育区。袁先春等(2001)对东濮地区古潜山储集层进行研究, 认为主要储集空间有裂缝、溶洞和孔隙, 3种储集空间在同一区带具有复合发育特征。何子江和袁先春(2003)对东濮地区下古生界储集层进行研究, 认为储集空间可分为孔隙、裂缝和溶洞, 储集层发育的主要控制因素有沉积岩性、构造演化、应力作用、缝洞充填及水动力, 对研究区储集层进行评价分类并划分有利区, 认为兰聊断层上升盘为Ⅰ 类储集层发育区, 高平集断层以南为Ⅱ 类储集层发育区, 高平集断层以北为Ⅲ 类储集层发育区。可见前人对奥陶系储集层发育特征及其控制因素、有利储集层分布情况还存在较大争议, 制约着东濮地区下古生界的油气勘探步伐。

本次研究基于野外露头、岩心、薄片和测录井等地质及地球物理资料分析, 并结合区域地质背景, 深入研究了东濮地区奥陶系顶部峰峰组和上马家沟组岩溶储集层发育特征、演化过程, 并进一步分析优质储集层形成的主控因素, 预测了有利储集层分布区, 以期对东濮地区奥陶系的油气勘探提供支持。

1 区域地质概况

东濮地区地处中原地区, 位于豫东、鲁西南黄河两岸, 包括整个东濮凹陷及其西侧内黄隆起东缘部分地区。区域构造上, 东濮凹陷位于渤海湾盆地南缘, 是一个在新生代地壳水平拉张应力作用下逐渐裂解断陷而成的双断式凹陷(陈书平等, 2007)。其东侧以兰聊断裂与鲁西隆起为界, 西侧超覆于内黄隆起之上, 南部为兰考凸起, 北部与莘县凹陷相连。凹陷北窄南宽, 呈NNE向展布, 面积约5300, km2。自东向西主要发育兰聊断裂带、黄河— 文西— 观城断裂带和长垣— 石家集— 宋庙断裂带3大基底断裂系统( 图 1)。

图1 东濮地区区域位置与构造地质图Fig.1 Location and geological structure of Dongpu area

受加里东运动影响, 研究区下古生界长期暴露遭受风化剥蚀和大气淡水淋滤, 上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统缺失, 中奥陶统顶部岩层溶孔、溶洞发育, 与上覆上石炭统沉积的海陆交互含煤碎屑岩呈平行不整合接触。中奥陶统受到岩溶作用影响的层位有上马家沟组和峰峰组, 可分别识别出上下段, 各段之间整合接触, 岩性以石灰岩为主, 夹白云岩和石膏岩。

2 岩溶储集层特征
2.1 岩石学特征

储集层主要发育岩性为颗粒石灰岩、云质石灰岩、泥晶石灰岩、粉细晶白云岩、含膏白云岩和藻粘结白云岩等。

颗粒石灰岩:颗粒含量大于60%, 亮晶胶结( 图 2-a, 2-b)。颗粒以砂屑为主, 少量生物碎屑, 包括棘皮类、腕足类和介形虫等( 图 2-a)。主要见于峰峰组和上马家沟组上段。

云质石灰岩:泥晶方解石含量大于60%, 白云石含量为10%~30%, 原始沉积泥晶石灰岩经历白云石化作用常呈斑块状( 图 2-c, 2-d)。当白云石含量大于60%时, 则发育灰质白云岩。峰峰组和上马家沟组广泛发育。

泥晶石灰岩:方解石含量大于90%, 见少量石英, 晶体直径小于0.005, mm( 图 2-e, 2-f)。普遍发育于峰峰组和上马家沟组。

粉细晶白云岩:白云石含量大于90%, 少量方解石和石英, 白云石呈半自形— 他形镶嵌状( 图 2-g)。峰峰组下段和上马家沟组下段发育。

含膏白云岩:泥晶白云石含量大于75%, 硬石膏含量为10%~25%。裂缝发育, 充填硬石膏和方解石( 图 2-h)。主要见于峰峰组下段和上马家沟组上段。

图2 东濮地区奥陶系顶部岩溶储集层特征Fig.2 Characteristics of karst reservoirs within the uppermost part of Ordovician in Dongpu area

藻粘结白云岩:藻类含量大于60%, 由明暗相间的波状层组成, 暗层为藻丝体, 亮层为泥晶白云石组成( 图 2-i)。主要发育于上马家沟组下段。

2.2 储集空间类型

储集空间分为孔隙、裂缝和溶洞, 其中裂缝和溶洞是主要储集空间类型。

孔隙:由分布于颗粒石灰岩中的粒间孔、粒间溶孔( 图 2-b)和粉细晶白云岩中的晶间孔、晶间溶孔( 图 2-g)组成, 分布较局限, 孔隙直径0.01~0.05, mm。

裂缝:岩心可识别出网状裂缝和高角度裂缝, 镜下可见微裂缝。网状裂缝由2组或多组裂缝交叉构成, 缝宽0.5~3, mm, 大于1, mm的裂缝多被方解石或石英充填, 小于1, mm的裂缝未充填或部分充填( 图 2-i); 高角度裂缝垂直或近于垂直层面, 缝宽多大于2, mm, 部分被方解石充填, 开启程度30%~50%( 图 2-j); 微裂缝宽10~100, μ m, 绝大部分被充填, 呈树枝分叉状或X型( 图 2-f)。主要发育于颗粒石灰岩、泥晶石灰岩、粉细晶白云岩。

溶洞:岩心可见溶蚀孔洞发育, 直径0.1~10, cm, 多被石膏或方解石充填或半充填( 图 2-c, 2-k)。主要发育于云质石灰岩、粉细晶白云岩。

2.3 储集层物性特征

通过对研究区45块岩心样品进行物性分析, 白云岩类储集层平均孔隙度为2.5%, 平均渗透率为7.43× 10-3 μ m2; 石灰岩类储集层平均孔隙度为2.2%, 平均渗透率为2.72× 10-3 μ m2。白云岩类储集层孔渗好于石灰岩类, 云质石灰岩作为过渡岩性, 储集层孔渗发育最优( 表 1)。云质石灰岩、粉细晶白云岩、含膏白云岩孔隙发育较好, 泥晶石灰岩( 图 2-f)、云质石灰岩( 图 2-c)、粉细晶白云岩、含膏白云岩( 图 2-h)裂缝发育, 渗透率相对较大( 表 1)。

表1 东濮地区奥陶系顶部古岩溶储集层主要岩性物性特征 Table1 Main lithological physical property of paleokarst reservoirs within the uppermost part of Ordovician in Dongpu area

根据常规测井曲线对目的层位进行定性和定量评价, 测井解释峰峰组下段孔隙度发育最好( 表 2)。该段孔隙度范围为1.6%~36.2%, 平均孔隙度为6.3%。上马家沟组上段缝洞发育程度最高, 裂缝对上马家沟组上段改造作用强, 渗透率显著提高①, 说明了裂缝对储集层物性的影响。

表2 东濮地区奥陶系顶部峰峰组和上马家沟组测井解释孔隙度发育情况 Table2 Porosity of log interpretation of the Fengfeng Formation and Majiagou Formation, uppermost part of Ordovician in Dongpu area
3 岩溶储集层发育的演化阶段

东濮地区奥陶系顶部碳酸盐岩主要经历了准同生白云石化、压实、压溶作用、胶结物充填、去白云石化、去膏化作用、溶解作用和重结晶作用等, 成岩作用控制着储集层孔隙演化。对成岩作用研究显示, 储集层经历的成岩演化过程可归结为沉积— 准同生期成孔(寒武纪— 中奥陶世)→ 风化淋滤(晚奥陶世— 早石炭世)→ 矿物充填(晚石炭世— 白垩纪末期)→ 溶蚀改造(古近纪)4个阶段, 储集层孔隙从沉积初期约40%的原始孔隙度经历了多次建设性、破坏性成岩作用, 最终孔隙度降到4%~8%( 图 3)。

图3 东濮地区奥陶系顶部岩溶储集层演化Fig.3 Reservoir evolution within the uppermost part of Ordovician in Dongpu area

3.1 沉积— 准同生期成孔阶段

该阶段主要经历了早期减孔和晚期增孔的过程。早期, 颗粒滩发育区沉积形成粒间孔, 原始孔隙度可达40%左右(Enos and Sawatsky, 1981), 随后的压实、海水渗流带的纤状胶结物和海水潜流带的刃状胶结物沉淀, 使得原生孔隙降至10%~12%。晚期, 在准同生大气淡水淋滤溶蚀作用下, 形成部分溶孔溶洞, 增孔约3%, 孔隙度可恢复至15%。该阶段发生准同生白云石化作用, 使岩石转变为白云岩, 增加了岩石强度和抗压溶能力, 有利于该阶段形成的粒间孔和溶孔溶洞的保存。

3.2 风化淋滤阶段

受加里东运动影响, 华北地区整体上隆, 遭受风化剥蚀和大气淡水淋滤(刘波等, 1997), 发生溶蚀、去白云石化、去膏化等成岩作用。该时期研究区奥陶系顶部岩溶作用相对较强, 溶孔、溶缝发育, 去膏化和去白云石化相伴生, 去膏化作用形成膏模溶孔和溶洞, 去白云石化形成晶模孔。据已有岩心和薄片统计资料, 该时期岩溶新增孔隙大于5%, 储集层孔隙度增至20%。

3.3 矿物充填阶段

该阶段经历了晚石炭世— 晚三叠世的持续埋深和晚三叠世— 白垩纪末期的缓慢抬升。晚石炭世— 早三叠世东濮地区奥陶系埋藏速度不断加快, 之前形成的裂缝和孔洞被胶结物充填, 储集层孔隙度降至12%~15%。晚三叠世— 白垩纪末期, 奥陶系虽缓慢抬升, 但仍深埋地下, 溶蚀作用较弱。侏罗纪末白垩纪初在火山作用影响下, 热液矿物充填孔洞。从现有资料看, 该期充填作用大致损失10%的孔隙, 总孔隙度降至5%左右。

3.4 溶蚀改造阶段

受喜山运动影响, 东濮地区发生断陷, 奥陶纪以沉降为主, 局部地区沿断层发生溶蚀。溶蚀流体分为油气运移伴生液和酸性水(何子江和袁先春, 2003), 沿断裂带溶蚀作用较强, 其他区域都比较微弱, 增孔3%~5%。但在该阶段, 随着烃类的裂解产生大量沥青, 沥青不仅充填孔隙还堵塞喉道, 减孔2%~4%。因此, 该阶段储集层总体演化趋势是孔隙度增大, 增至4%~8%。

4 岩溶储集层发育的有利控制因素

通过对储集层演化进行分析, 认为优质储集层的形成主要受沉积相、成岩作用和构造应力控制。

4.1 沉积相对储集层发育的影响

早古生代华北板块处于稳定的构造环境, 形成统一的、稳定的大型地台(刘波等, 1999)。奥陶系峰峰组和上马家沟组主要发育滩间海、潮坪(云灰坪、灰云坪、云坪、含膏云坪)和颗粒滩等相带。颗粒滩岩性以颗粒石灰岩为主, 原始粒间孔发育。潮坪岩性以云质石灰岩、含膏白云岩, 藻白云岩沉积为主, 含有较多易溶物质。颗粒滩和潮坪相带为优质储集层发育提供了良好的物质基础, 在海平面波动下, 易暴露接受淋滤(Arve Lɸ nф y, 2006)。滩间海岩性以泥晶石灰岩为主, 长期处于水下, 溶蚀作用不明显。研究区内云坪相带发育储集层好于灰坪, 白云岩类孔隙度、渗透率整体高于石灰岩类( 表 1), 通过放空、漏失及测试情况, 进一步证明了储集层主要发育在白云岩段( 表 3)。

表3 东濮地区奥陶系顶部单井测试段储集层岩性统计 Table3 Reservoir lithology statistics of single well testing section of the uppermost part of Ordovician in Dongpu area

上马家沟组和峰峰组沉积相研究表明:上马家沟组下段沉积时期的灰云坪与颗粒滩发育区, 到上马家沟组上段发育开阔海沉积; 上马家沟组上段沉积时期的颗粒滩与灰云坪发育区, 到峰峰组发育开阔海沉积, 纵向上表现出少量薄层颗粒岩夹于大套厚层泥晶石灰岩间( 图 4)。可见有利于优质储集层形成的沉积相带发育规模相对有限。

图4 东濮地区东1井奥陶系上马家沟组和峰峰组综合柱状图Fig.4 Comprehensive column of the upper Majiagou Formation and Fengfeng Formation, Ordovician, in Well Dong 1, Dongpu area

4.2 成岩作用对储集层发育的影响

4.2.1 白云石化作用 白云石化作用对储集层孔隙度和渗透率的提高具有重要作用( 表 1, 表3), 尤其是准同生期白云石化作用使方解石转变为白云石, 晶体体积缩小, 起到增孔作用(Weyl, 1960), 加之白云岩更抗压实, 有利于孔隙的保存(黄擎宇等, 2015)。白云岩较石灰岩性脆, 在应力作用下易形成裂缝, 裂缝的增加不仅增加了储集空间, 而且有利于岩溶流体的流动, 对储集层溶蚀作用产生积极影响。

4.2.2 去膏化作用 暴露期大气淡水的去膏化作用, 形成石膏晶体铸模孔, 有利于提高储集层孔隙度(魏丽, 2015), 但研究区膏模孔多被方解石、白云石充填, 因此对储集层物性影响相对较小。

4.2.3 去白云石化作用 去膏化作用使流体介质富含S, 当流体作用于白云石发生轻度的去白云石化作用, 形成少量晶模孔(吕杰, 2013), 但研究区晶模孔连通性较差, 对储集层贡献有限。

4.2.4 溶蚀作用 在20口井的岩心、薄片观察基础上, 结合钻井和测录井数据, 综合研究区奥陶系沉积构造背景, 将溶蚀作用按储集层成岩演化阶段可以划分出3期:准同生岩溶期和表生岩溶期及埋藏岩溶期( 表 4)。针对岩溶发育特征及其控制因素, 探讨不同类型岩溶作用对储集层的改造作用。

表4 东濮地区奥陶系顶部古岩溶分类及特征 Table4 Types and characteristics of paleokarst within the uppermost part of Ordovician in Dongpu area

1)准同生岩溶期

海平面的周期性动荡导致碳酸盐岩浅水区沉积物出露水面或处于淡水透镜体内, 接受富含CO2的大气淡水淋滤, 并以海水选择性溶蚀早期的文石和高镁方解石等不稳定矿物为特征(James and Choquette, 1988; 王振宇等, 2008; Moore, 2009; 肖笛等, 2015)。

研究区储集层发育的准同生岩溶作用特征, 镜下可见原生粒间早期纤状环边方解石胶结物溶蚀( 图 5-a), 生物壳体的选择性溶蚀形成的粒内溶孔和铸模孔( 图 5-b), 以及粒间发育的新月型胶结物( 图 5-c, 5-d)等早期岩溶发育的典型现象。井上表现出少量薄层颗粒岩夹于大套厚层泥晶石灰岩间( 图 4), 可见短期溶蚀或未经历早期溶蚀即经历海平面上升, 有利储集层发育沉积相带过早地进入淡水潜流— 海水成岩环境, 受到淋滤改造形成的孔洞内胶结物发育, 形成颗粒铸型( 图 5-b), 导致早期岩溶影响作用有限。

图5 东濮地区奥陶系顶部准同生岩溶特征Fig.5 Characteristics of penecontemporaneous karst within the uppermost part of Ordovician in Dongpu area

2)表生岩溶期

中奥陶世末加里东运动, 华北地区整体抬升, 海水全部从地台内部退出, 东濮地区奥陶系顶部接受了130, Ma的风化剥蚀和大气淡水淋滤(刘波等, 1997)。奥陶纪华北板块处于低纬热-亚热带地区, 降水量充沛, 富含CO2酸性岩溶水动力充足, 有利于岩溶作用发生(汪啸风等, 1999), 形成区域性的不整合面(陈景山等, 2007; 王振宇等, 2008; D’Angeli et al., 2015), 形成一套发育良好的风化壳储集层。通过野外露头可见岩溶角砾岩、古土壤等风化壳残积物特征( 图 6-a, 6-b)。马古5井、马古6井等钻时骤减、钻速明显加快、放空及钻井液漏失严重。岩心观察见岩溶风化壳( 图 6-c)、溶蚀孔洞内充填岩溶角砾( 图 6-d), 高角度扩溶缝泥质充填( 图 6-e)等特征。镜下识别角砾岩溶洞溶缝充填现象( 图 6-f)。测井曲线表现出声波时差、中子孔隙度、自然伽马曲线增高, 双侧向电阻率和密度降低的”三高两低"特征。

图6 东濮地区奥陶系顶部表生岩溶特征Fig.6 Characteristics of epigenic karst within the uppermost part of Ordovician in Dongpu area

古地貌决定古递降水流平衡面、地下水的深度与活动范围及水动力强弱等水流因素, 水流因素是岩溶发育的重要条件(Wright, 1991; 肖笛等, 2014)。因此, 古地貌是控制风化壳岩溶发育深度、范围及强度的重要因素(刘宏等, 2015)。以残余厚度法为主结合印模法, 恢复本区的岩溶古地貌图( 图 7)。从图7可以看出, 加里东岩溶期地形南西高、北东低, 水流方向总体是自南西向北东的。可识别出高地貌区, 岩溶带沿高地貌周边展布。如马古5井、文古1井、明古1井和龙古2井等表现出放空、钻井液漏失量较大等特征。在古地貌图上, 可将研究区分为岩溶高地、岩溶台地、岩溶斜坡和岩溶洼地( 图 7)。根据取心、测井资料, 结合地下水动力学特征的差异, 将地表岩溶体系自上而下分为垂直渗流岩溶带, 水平潜流岩溶带, 深部缓流岩溶带。地貌差异和岩溶发育带具有很好的对应关系。

图7 东濮地区奥陶系顶部岩溶古地貌图Fig.7 Paleokarst geomorphology within the uppermost part of Ordovician in Dongpu area

岩溶高地主要分布于研究区南部和东部, 地貌整体高。风化剥蚀严重, 残积物堆积, 大气水以垂直渗流向下淋滤, 纵向溶沟多被泥砾充填, 储集层质量较差。

岩溶台地主要分布于研究区北部偏西, 地貌较高地略低, 地形平缓, 坡度小, 以发育垂直渗流岩溶为主, 水平潜流为辅。位于潜水面以上, 不利于流水汇集, 间歇性大气降水以垂直渗流的方式向下运移, 溶蚀作用较弱, 发育垂向或高角度溶蚀缝, 沿裂缝常分布串珠状的小型溶孔( 图 6-g)。

岩溶斜坡是岩溶高地(台地)与岩溶洼地之间的过渡带, 环带状分布于岩溶高地(台地)周缘, 以发育水平潜流岩溶为主, 大气淡水渗流影响减弱。斜坡带位于潜水面之下, 地下水水量足、流速快, 受压力梯度控制水流大致沿水平方向流动, 溶蚀作用较强, 多形成大型近水平溶缝、溶洞或岩溶管道系统。根据坡度变化可将岩溶斜坡分为陡坡带和缓坡带。陡坡带其坡度大于0.5° , 地下水同时具有较强的垂向渗流和水平径流作用, 水动力强, 溶蚀物质被迅速带走, 岩溶作用稳定, 储集层持续性发育, 放空漏失井多( 表 5)。岩溶缓坡地貌较为平缓, 坡度不超过0.5° , 因降水滞留时间长, 岩溶作用周期长, 溶蚀物质不易被带走, 岩溶空间易被后期充填, 因而岩溶发育条件一般。

表5 东濮地区奥陶系顶部单井储集空间发育情况与岩溶古地貌单元的关系 Table5 Relationship between single-well reservoir space development within the uppermost part of Ordovician and paleokarst geomorphic units in Dongpu area

岩溶洼地地势较低, 水流以深部缓流和停滞水为主, 其底界为古岩溶影响最大深度。长期积水, 水体流动极其缓慢, 处于对CaCO3过饱和状态, 溶蚀作用弱而胶结作用强烈, 仅产出零星溶缝和小型溶蚀孔洞。

古地貌影响着地表岩溶的水动力分带, 进而对风化壳岩溶具有控制作用。研究区放空和漏失主要发生在残余厚度100~500, m范围内。从放空和漏失井分布看, 岩溶高地、岩溶洼地钻井漏失和放空量少, 岩溶台地放空和漏失井分布于近斜坡区。岩溶斜坡放空和漏失井数量最多, 放空和漏失量大, 且陡坡带多于缓坡带, 是受风化壳岩溶作用影响最强区域( 表 5)。

3)埋藏岩溶

埋藏岩溶作用多发生于中— 深埋藏阶段, 以裂缝扩溶为主(陈景山等, 2007)。研究区埋藏岩溶特征, 岩心可见沿缝合线或未完全充填的裂缝扩溶( 图 8-a), 切割岩溶角砾岩层的裂缝扩溶( 图 8-b), 热液或酸性流体对中— 深埋沉积物进行了非选择性溶蚀和溶解, 对前期岩溶具有改造作用。

图8 东濮地区奥陶系顶部埋藏岩溶特征Fig.8 Characteristics of burried karst within the uppermost part of Ordovician in Dongpu area

沉积物在埋藏地下后, 前期未完全充填的断层、裂缝是埋藏岩溶的主要流体运移通道(漆立新和云露, 2010; 赵国祥, 2016)。大规模的对碳酸盐矿物欠饱和的、有腐蚀性的流体沿断层、裂缝输入储集层, 并优先对各种孔洞缝及其充填物进行溶蚀( 图 8-a, 8-c), 之后被溶解进入溶液的Ca2+及Mg2+等离子沿断层、裂缝被流体不断地传送出去。发生埋藏溶蚀作用的储集层应具有一定开放性(单秀琴等, 2016), 断层或裂缝起到改善储集层溶蚀环境的作用。因此, 岩溶多顺断层或裂缝伸展发育。

研究区早期裂缝保存性欠佳, 大量裂缝完全充填( 图 8-d)。研究区地层水矿化度普遍较高, 平均86.8g/L, 水型以CaCl2为主, 表明地下水整体循环不畅, 多处于孤立的封闭条件环境, 不利于埋藏岩溶作用。喜山期构造运动形成大量断层和裂缝(陈书平等, 2007), 作为流体运移的有利通道, 扩大了岩溶的影响, 断层发育区岩溶作用强。如兰聊断裂带断层发育, 伴随大量裂缝, 地下水流通性得到改善, 龙古1井和龙古2井地层水为Na2SO4型, 岩溶作用较强, 漏失量达上百立方米, 部分井段漏失量上千立方米。凹陷内部远离主断层, 区域断裂发育的文古1井、濮深1井等漏失量多在几十立方米。远离断裂发育的范古3井和长1井等漏失量仅有几立方米。可见断裂带是裂缝伴随发育区, 岩溶沿断层或裂缝存在并密集发育, 影响着岩溶深度和发育程度。

4.3 构造应力对储集层发育的影响 研究区加里东期、燕山期和喜山期构造应力作用下裂缝发育, 前2个时期形成裂缝在后期埋深过程中多充填方解石和泥质等, 喜山期为有效裂缝形成的主要时期(陈书平等, 2007)。喜山期东濮地区发育兰聊、黄河— 文西— 观城和长垣— 石家集— 宋庙等一系列北北东向的断裂带, 大大改善了储集层的储集性能。位于文西断层上升盘的文古2井上马家沟组电测解释Ⅰ 级裂缝9层共计55.1, m, Ⅱ 级裂缝7层共计25.4, m ①, 反映了构造应力对储集层的贡献程度。

5 岩溶储集层发育有利区预测

根据储集层发育的有利控制因素分析, 有利沉积相带、成岩作用和断裂发育带叠合区为有利储集层发育区( 图 9)。

图9 东濮地区奥陶系顶部岩溶储集层有利区预测(g是研究区储集层最有利发育区; d和e是研究区储集层次有利 发育区; f是研究区储集层一般发育区)Fig.9 Prediction of favorable areas of karst reservoirs within the uppermost part of Ordovician in Dongpu area(g-the most favorable reservoir zone; d, e-the secondary favorable reservoir zones; f-the general reservoir zone)

颗粒滩及潮坪相带( 图 9-a)为有利储集层发育提供良好的物质基础, 海平面下降背景下发生准同生期大气淡水溶蚀及早期白云石化作用, 早期孔隙的形成和保存为后期溶蚀作用发生提供通道支持。储集层溶蚀作用按成岩演化阶段可以划分出准同生岩溶、表生岩溶和埋藏岩溶3种岩溶作用。准同生岩溶受有利储集层沉积相带控制, 大气淡水淋滤改造面积小( 图 9-a), 且有利沉积相带过早的进入淡水潜流— 海水成岩环境, 受到淋滤改造形成的孔洞内胶结物发育, 形成颗粒铸型, 导致准同生岩溶影响作用有限; 加里东期, 华北地台上隆, 东濮地区奥陶系顶部接受了长达130, Ma的风化剥蚀和大气淡水淋滤, 形成大型缝洞系统, 直接决定了储集层发育规模和程度, 表生岩溶对储集层发育起决定性作用。通过恢复岩溶古地貌形态, 岩溶陡坡带经历较强的垂向渗流和水平径流溶蚀作用, 形成大量横向高孔渗发育带, 是表生岩溶作用形成储集层最有利发育区( 图 9-b); 埋藏岩溶主要沿断裂带发育( 图 9-c), 对前期形成储集层起改造作用。加里东期、燕山期、喜山期构造应力作用下裂缝发育, 前2个时期形成裂缝在后期埋深中多充填方解石和泥质等, 喜山期为有效裂缝形成的主要时期, 具有提高储集层物性作用。

综合以上分析, 认为颗粒滩及潮坪相带、断裂发育带、白云石化作用和3种岩溶作用6项叠合区是研究区储集层最有利发育区( 图 9-g)。颗粒滩及潮坪相带、白云石化和准同生岩溶作用、表生岩溶作用4项叠合区( 图 9-d), 断裂发育带、表生岩溶作用、埋藏岩溶作用3叠合区( 图 9-e)是研究区储集层次有利发育区。颗粒滩及潮坪相带、断裂发育带、白云石化作用和准同生岩溶作用、埋藏岩溶作用5项叠合区( 图 9-f)是研究区储集层一般发育区。

6 结论

东濮地区奥陶系顶部岩溶储集层主要分布于峰峰组和马家沟组, 岩性主要为颗粒石灰岩、云质石灰岩、泥晶石灰岩、粉细晶白云岩、含膏白云岩和藻粘结白云岩等, 裂缝和溶洞是主要储集空间类型, 白云岩类储集层平均孔隙度为2.5%, 平均渗透率为7.43× 10-3 μ m2; 石灰岩类储集层平均孔隙度为2.2%, 平均渗透率为2.72× 10-3 μ m2。白云岩类储集层孔隙度和渗透率好于石灰岩类。

东濮地区奥陶系顶部碳酸盐岩主要经历了准同生白云石化、压实、压溶作用、胶结物充填、去白云石化、去膏化作用、溶解作用和重结晶等成岩作用。通过对储集层成岩作用研究, 认为储集层经历的成岩演化过程可归结为沉积— 准同生期成孔(寒武纪— 中奥陶世)→ 风化淋滤(晚奥陶世— 早石炭世)→ 矿物充填(晚石炭世— 白垩纪末期)→ 溶蚀改造(古近纪)4个演化阶段, 储集层孔隙从沉积初期约40%的原始孔隙度经历了几个增孔、减孔的变化, 最终降到4%~8%。

东濮地区奥陶系顶部优质储集层形成主要受沉积相、成岩作用和构造应力控制。颗粒滩及潮坪相带为优质储集层发育提供了良好的物质基础。白云化作用及溶蚀作用有利于储集层孔洞的形成和保存。构造应力形成有效裂缝, 具有提高储集层物性的作用。识别了准同生岩溶、表生岩溶和埋藏岩溶3种岩溶作用, 其中表生岩溶对储集层发育起决定性作用, 埋藏岩溶对已形成储集层具有改造作用, 准同生岩溶对储集层贡献相对较小。

综合研究认为颗粒滩及潮坪相带、断裂发育带、白云石化作用和3种岩溶作用6项叠合区是研究区奥陶系顶部储集层最有利发育区。颗粒滩及潮坪相带、白云石化作用和准同生岩溶作用、表生岩溶作用4项叠合区, 断裂发育带、表生岩溶作用、埋藏岩溶作用3项叠合区是研究区奥陶系顶部储集层次有利发育区。颗粒滩及潮坪相带、断裂发育带、白云石化作用和准同生岩溶作用、埋藏岩溶作用5项叠合区是研究区奥陶系顶部储集层一般发育区。

(责任编辑 郑秀娟)

作者声明没有竞争性利益冲突.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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