摘要：鄂尔多斯盆地富县地区位于岩溶高地，岩溶作用具有时间长强度大的特点，主力气层横向不连续。为了明确奥陶系马五段储层分布规律，通过岩心资料、测井资料及各种分析测试资料对富县地区马五段喀斯特储层进行研究，结果表明：①马五段地层角砾化严重，可以划分为4种岩溶相、3种洞穴相，岩溶强度自西向东逐渐增强;②马五段储层物性整体较差，储集空间主要为未被完全充填的溶蚀孔洞、膏模孔、裂缝及晶间溶孔，优质储层主要分布于北部马五6亚段顶部的裂纹—镶嵌角砾岩相中;③马五段储层发育规律主要受岩性、岩溶相—洞穴相和古地貌3个因素控制，岩性与古地貌控制岩溶相—洞穴相的形成与分布，岩溶相—洞穴相控制储层的分布规律。
关键词：马五段;喀斯特储层;岩溶相;洞穴相;储层发育规律
0引言
随着我国油气勘探不断深入，浅层油气勘探难度日益加大，油气勘探方向逐渐转向古生界的海相碳酸盐岩[1]。喀斯特储层作为重要的一类碳酸盐岩储层，受到许多石油地质学家的关注[2-5]。世界上许多含油气盆地中都发现了古岩溶储层，如美国德克萨斯州中西部受岩溶控制的下奥陶统Ellenburger组碳酸盐岩油藏、意大利加尔加诺半岛西北部Ros-poMare油田、中国塔里木盆地塔河油田与鄂尔多斯盆地靖边气田和大牛地气田、四川盆地灯影组、黄龙组等[6-11]。因此，开展喀斯特储层特征研究对我国油气增储上产具有重要意义。
富县地区位于鄂尔多斯盆地东南部，构造位置处于鄂尔多斯盆地“L”型古隆起的东侧，属岩溶高地(图1)[12，13]。目前，鄂尔多斯盆地奥陶系的勘探开发主要集中在岩溶斜坡上，尚未对岩溶高地进行详细研究。已有研究成果表明，岩溶高地主要为剥蚀区，水平岩溶不发育，大气淡水以垂直渗流为主，主要形成一些连通性较差的孤立状溶缝，储集条件较差[14]。然而，富县地区多口探井在马家沟组钻遇工业气流，显示出该区良好的天然气勘探潜力。由于古地形起伏较大，在石灰岩、白云岩、石膏及过渡岩性存在的情况下，岩溶发育规律及储层发育控制因素不确定，储层发育规律不清楚。本文基于岩溶相与洞穴相的研究，主要从岩性、古地貌2个方面讨论储层的发育分布规律，以期为后续富县地区油气勘探开发提供地质依据。
1地质背景
鄂尔多斯盆地是一个多旋回叠合的克拉通盆地，属于华北地台西部的次级构造单元[15-17]。马家沟组沉积期，中央古隆起将台地分割为秦祁海和华北海两大海域，古隆起以西属于秦祁边缘海，以东属于华北陆表海[18，19]。早奥陶世马家沟期，经历了3次大规模的海侵—海退，海侵期以开阔台地沉积为主，海退期以局限台地和蒸发台地沉积为主[20]。根据岩性与电性特征，马家沟组自下而上可以划分为6个岩性段，马一段、马三段和马五段主要以白云岩、石膏、盐岩为主，夹少量灰岩;马二段、马四段、马六段以石灰岩和少量白云岩为主[21]。晚奥陶世受加里东运动影响，鄂尔多斯盆地被抬升，经历长达1.4亿年的沉积间断，缺失奥陶系顶部到石炭系底部的地层[22，23]。
富县地区马五段属于潮坪沉积环境，根据岩性组合特征，马五段自下而上可以划分为10个亚段[24]。研究区古地形起伏较大，西南部受中央古隆起的控制作用，地势较高，风化剥蚀严重，开壳层位低，东北部地势相对较低，地层保存较完整，缺失马五6亚段以上地层，仅在部分井中钻遇马五5石灰岩。马五6—马五10亚段为微—粉晶白云岩夹含膏云岩，受大气淡水影响，溶蚀—跨塌—充填形成一套岩溶角砾岩(图2)。富县马五段主力产层为马五6亚段，为便于研究，根据沉积旋回特征，进一步将马五6亚段划分为3个小层，即马五16、马五26与马五36。
2岩溶相与洞穴相特征及分类
2.1岩溶相
通过岩心观察，根据角砾的接触关系和角砾间充填物的类型与含量，并参考Loucks[25]关于岩溶角砾岩的划分方案，将富县地区马五段岩溶角砾岩划分为裂纹—镶嵌角砾岩相、紊乱角砾岩相和洞穴砂砾岩相。
2.1.1裂纹—镶嵌角砾岩相
裂纹—镶嵌角砾岩相包括裂纹角砾岩相和镶嵌角砾岩相。裂纹角砾岩中角砾间没有明显位移，代表岩石的初始破裂。角砾间常被方解石和渗滤白云石粉砂充填。镶嵌角砾岩与裂纹角砾岩比较类似，不同之处在于镶嵌角砾岩角砾发生了旋转，但角砾类型一样。由于裂纹角砾岩与镶嵌角砾岩二者伽马值较低(20～50API)，电性特征相似，测井曲线上很难将二者区分开，本文研究将其称之为裂纹—镶嵌角砾岩[图3(a)]。
裂纹—镶嵌角砾岩分布范围较广，在马五5-10所有亚段均有发育，主要分布于马五5亚段、马五6亚段、马五9亚段和马五10亚段。孔隙度为0.3%～6.7%，渗透率为(0.001～9.827)×10-3μm2，是研究区马五段物性最好的岩溶相类型。
2.1.2紊乱角砾岩相
该岩相角砾成分复杂，分选较差，部分角砾由于溶蚀作用与地下水的搬运作用，有一定的磨圆。根据角砾含量及角砾间的接触关系可分为角砾支撑紊乱角砾岩(角砾含量大于55%，小于85%)和杂基支撑紊乱角砾岩(角砾含量小于55%)。
(1)角砾支撑紊乱角砾岩相。角砾间相互接触，角砾间被渗滤白云石和黏土充填[图3(b)]。该岩相具有中等自然伽马和电阻率值，自然伽马值介于50～75API之间。该类岩溶相主要分布于马五6亚段和马五10亚段，物性较差，孔隙度为0.4%～3.3%，渗透率为(0.003～1.760)×10-3μm2。
(2)杂基支撑紊乱角砾岩相。该岩相杂基含量较高(超过45%)，主要为黏土、陆源粉砂和渗滤白云石[图3(c)]。角砾“漂浮”于杂基之中，分选较差。测井曲线上表现为中—高伽马(75～120API)和低电阻率，曲线齿化明显。常夹于角砾支撑紊乱角砾岩中，在马五6亚段底部、马五9亚段和马五10亚段中上部最为发育。物性很差，最大孔隙度仅为3.5%，渗透率一般小于0.04×10-3μm2。
2.1.3洞穴砂砾岩相该岩相
与碎屑岩中的砂砾岩类似，角砾主要为白云岩和地表水带来的陆源碎屑颗粒，偶见石英颗粒[图3(d)]，可发育流水成因的各种沉积构造。该岩相在测井曲线上特别容易识别，表现为高自然伽马(>120API)和低电阻率。在研究区发育较薄，仅在个别层段发育。洞穴砂砾岩物性极差，最大孔隙度不足2%。
2.2洞穴相
根据洞穴系统内不同位置的岩石类型及组成，将富县地区洞穴相自下而上划分为：①洞穴垮塌相，通常位于洞穴底部，角砾成分单一，无分选磨圆，角砾间多被泥质充填;②洞穴充填相，常发育在洞穴垮塌角砾岩之上，位于洞穴中部，角砾成分复杂，分选较差，部分角砾有一定磨圆，泥质含量较高，局部可见流水改造的痕迹，洞底垮塌相和中部洞穴充填相可交替出现;③洞穴顶板相，位于洞穴的顶部，其形成主要是由于下部地层溶蚀垮塌后，受上覆地层压力作用，地层发生破裂，裂缝常被方解石与白云石砂充填，少量被泥质充填(图4)。
2.3岩溶相与洞穴相的关系
岩溶相与洞穴相分别是从2个不同的角度去认识马五段的喀斯特作用。岩溶相主要是根据角砾的含量及接触关系总结认识喀斯特作用的强弱，不同岩溶相所受喀斯特作用由强到弱依次为：洞穴砂砾岩相、杂基支撑紊乱角砾岩相、角砾支撑紊乱角砾岩相及裂纹—镶嵌角砾岩相。洞穴相则根据洞穴系统内部的岩石类型及组成来研究古岩溶特征。洞穴系统内不同洞穴相对应不同岩溶相，洞穴垮塌相由角砾支撑紊乱角砾岩组成，洞穴充填相由杂基支撑紊乱角砾岩和洞穴砂砾组成，洞穴顶板相由裂纹—镶嵌角砾岩组成。
2.4古岩溶发育规律
通过取心段岩溶相电性特征的提取，发现自然伽马对岩溶相最为敏感，可以较好地区别不同岩溶相与洞穴相。因此可以通过自然伽马研究不同岩溶相—洞穴相在纵向上和平面上的分布规律。
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纵向上马五段发育2层大的洞穴系统，第一层洞穴系统为马五5—马五8亚段;第二层洞穴系统为马五9亚段到马五10亚段中部(图5)。马五36小层上部、马五8亚段和马五10亚段中部杂基支撑紊乱角砾岩和洞穴砂砾岩较发育，主要为洞穴充填相。马五36小层下部、马五10亚段中下部和马五7亚段跨塌相对较弱，岩溶角砾岩主要为角砾支撑紊乱角砾岩，局部发育杂基支撑紊乱角砾岩，为洞穴垮塌相。马五5亚段与马五9亚段地层保存最完整，以裂纹—镶嵌角砾岩为主，基本没有垮塌，为洞穴顶板相。
富县石炭系沉积前古地形呈现西高东低的趋势，自西南向东北风化剥蚀程度逐渐增强，西南部马五段被剥蚀殆尽，开壳层位低。通过统计各井不同岩溶相的百分含量发现自南向北，杂基支撑紊乱角砾岩相逐渐减少，裂纹—镶嵌角砾岩逐渐增加，在富古4井区、新富2井—新富4井—富古7井区和富古2井—富古5井区裂纹—镶嵌角砾岩相百分量最高，平均百分含量超过45%。表明这些区域岩溶作用较弱，地层垮塌不严重。
3储层特征及发育分布规律
3.1储层特征
3.1.1孔隙类型
铸体薄片观察表明，不同岩溶相具有不同的孔隙类型。裂纹—镶嵌角砾岩发育膏模孔、晶间孔、晶间溶孔、裂缝和少量未被完全充填的溶蚀孔洞，较大的孔缝常被白云石、方解石充填或半充填[图6(a)—图6(c)];角砾支撑紊乱角砾岩储集空间主要为晶间孔及晶间溶孔和少量未被充填的裂缝[图6(d)];杂基支撑紊乱角砾岩孔隙基本不发育，局部可见少量未被充填的裂缝[图6(e)];洞穴砂砾岩可见孔较少，孔隙基本不发育[图6(f)]。
3.1.2物性特征
不同岩溶相物性特征分析表明(图7)，马五段孔隙度大于3%的样品，主要为裂纹—镶嵌角砾岩和少量角砾支撑紊乱角砾岩，裂纹—镶嵌角砾岩孔隙度分布范围最大，物性最好。其次为角砾支撑紊乱角砾岩，有个别样品孔隙度超过3%。杂基支撑紊乱角砾岩与洞穴砂砾岩物性最差，孔隙度分布范围最窄，最大孔隙度不超过3%，主要分布在0～1.6%范围内，说明杂基支撑紊乱角砾岩与洞穴砂砾岩不能作为储集层。
3.2储层发育分布规律
富县属于岩溶高地，角砾化严重，角砾间多被云质泥岩和泥质白云岩充填，储层物性相对较差，平均孔隙度低于2%，平均渗透率低于0.1×10-3μm2。储集空间主要为未被完全充填的膏模孔、裂缝及晶间溶孔。孔隙度大于3%和渗透率大于0.1×10-3μm2的储集层主要分布在马五6亚段上部溶而不垮的裂纹—镶嵌角砾岩中。平面上，由于富县古地形起伏较大，喀斯特强度差异明显，呈现西南强东北弱的格局，储集性能与产能差异明显，优质储层主要分布于东北部岩溶古地貌较高的残丘，即富古4井区、新富5井区—新富4井区—富古7井区和富古2井区—富古5井区。
4讨论
4.1岩性控制着岩溶相—洞穴相的发育规律
岩溶相—洞穴相的分布受岩石类型控制，不同岩性在大气淡水中的溶解度差别较大，淡水中石膏的溶解度是白云石的上千倍，泥云岩由于泥质含量较高，结构疏松，其溶解度也远高于白云岩[27，28]。
潮上带发育的硬石膏、纹层状泥云岩与白云岩互层，在大气淡水环境中易溶蚀跨塌，岩溶相以紊乱角砾岩相和洞穴砂砾岩相为主，存在形式为洞穴垮塌相和洞穴充填相。潮间带含膏白云岩、白云岩及潮下带灰质云岩、云岩，由于相对难溶，往往溶而不跨形成裂纹—镶嵌角砾岩相，以洞穴顶板的形式存在。
4.2岩溶相—洞穴相对储层的控制
洞穴顶板相中的裂纹—镶嵌角砾岩相喀斯特作用相对较弱，角砾间没有明显位移，地层保存较全。由于大气淡水对含膏云岩的选择性溶蚀，后期虽然被方解石与白云石等物质充填，但在膏模孔及渗滤粉砂中仍保留有一部分白云石晶间孔，极大地改善了储层物性，使洞穴顶板中的裂纹—镶嵌角砾岩相成为马五段的优质储层。
洞穴垮塌相中的角砾支撑紊乱角砾岩相与洞穴充填相中的杂基支撑紊乱角砾岩相和洞穴砂砾岩相是地层骨架遭受强烈喀斯特作用后的产物，角砾间基本被泥质和渗滤白云石充填，局部被上古生界的陆源碎屑物质充填。薄片下基本不见孔隙发育，孔隙度一般不超过3%，储层物性极差，不具备储集能力。
4.3岩溶古地貌对储层的控制
岩溶古地貌既能反映地层的风化剥蚀情况，又能控制表生期古水流的方向，对喀斯特储层的形成与演化有着重要的控制作用[29]。
通过对比富县、大牛地气田及中部气田喀斯特储层物性特征发现，富县喀斯特储层物性较差，孔隙度略低于大牛地气田和中部气田。孔隙度大于4%和渗透率大于0.1×10-3μm2的样品比例明显小于中部气田(表1)。古地貌差异是造成3个区块物性差异的重要原因之一。中部气田位于岩溶斜坡，有利于风化壳储层的保存，大牛地气田位于岩溶高地与岩溶斜坡的结合部位，岩溶强度弱于富县[3，11]。富县地区位于岩溶高地上，开壳层位为马五5—马五10亚段，溶蚀时间长，强度大，地层跨塌严重，风化壳厚度大，主力气层横向不连续。
富县马五段有利储层主要分布在东北部的残丘，出露层位为马五5亚段。表生期大气淡水沿着马五5亚段风化裂隙下渗，对马五16小层与马五26小层含膏云岩选择性溶蚀，形成各种溶蚀孔隙，大气水在溶蚀下渗的过程中，水体中Ca2+浓度增加，对白云岩的溶蚀能力降低，甚至在局部交代白云石中的Mg2+，发生去云化现象，所以在残丘位置马五6亚段底部储层物性较差。在地势相对较低的洼地与沟谷，由于长期接收流经残丘富Ca2+的地层水，地层溶蚀受限，而且由于CaCO3的沉淀，早期形成的溶孔多被方解石充填，储集性能较差。
