南華北盆地亳州凸起寒武系碳酸鹽巖儲層特征及主控因素

魏思宇 周 志 李世臻 石砥石 徐秋晨

中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心

0 引言

南華北盆地（華北克拉通南緣）是我國油氣勘探歷史較長，但目前仍未取得工業(yè)性突破的地區(qū)之一[1-3]。近年來，隨著勘探程度的提高，南華北盆地主要勘探層系逐步由淺部中、新生界向深部古生界擴展[4-6]。其中，下古生界寒武系海相碳酸鹽巖是值得進(jìn)行深入探索的新層系和新領(lǐng)域[7]。目前，該套層系在我國中西部盆地已取得重要發(fā)現(xiàn)和突破：鄂爾多斯盆地西南部數(shù)十口鉆井在寒武系三山子組和張夏組鉆獲高產(chǎn)天然氣流[8-9]、四川盆地安岳氣田寒武系龍王廟組探明地質(zhì)儲量達(dá)4 415×108m3[10]，展示了寒武系海相碳酸鹽巖良好的勘探前景。在南華北盆地，圍繞寒武系碳酸鹽巖可形成多套成藏組合：一方面，南華北盆地南緣下寒武統(tǒng)部分層段發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖，與碳酸鹽巖儲層組合可構(gòu)成自生自儲型油氣藏[7]；另一方面，區(qū)內(nèi)廣泛分布的石炭系—二疊系烴源巖生成的油氣可能通過活動斷裂運移至高部位寒武系碳酸鹽巖中，形成新生古儲型油氣藏[5,11]。而是否發(fā)育有優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲層是以上兩種類型油氣藏能否形成的關(guān)鍵[12]。

我國規(guī)模有效的海相碳酸鹽巖儲集層主要有3類，包括沉積型礁/灘及白云巖儲集層、后生溶蝕—溶濾型儲集層以及深層埋藏-熱液改造型儲集層[13]。典型實例如：四川盆地普光氣田長興組和飛仙關(guān)組礁灘儲集層[14-15]、四川盆地安岳氣田龍王廟組白云巖儲層[16]、鄂爾多斯盆地靖邊氣田馬家溝組風(fēng)化殼巖溶儲集層[17]等。南華北盆地鄰近鄂爾多斯盆地，其寒武系地層層序、巖性以及構(gòu)造演化過程具有一定相似性。后者勘探及研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造改造和后生巖溶作用下形成的風(fēng)化殼巖溶型儲層是其寒武系和奧陶系海相碳酸鹽巖重要的儲層類型[9,18]。而南華北地區(qū)寒武系碳酸鹽巖層系勘探尚處于起步階段，其儲層類型與分布規(guī)律還不清楚，是否同樣發(fā)育該種類型儲層及其控制因素還有待進(jìn)一步研究。

因此，本文以南華北盆地亳州凸起首口鉆穿寒武系的皖亳地1井為基礎(chǔ)，結(jié)合地表露頭和實驗分析測試，對研究區(qū)寒武系海相碳酸鹽巖儲層的巖性、物性、儲集空間和儲層類型等儲層特征進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，探討了本區(qū)與鄰區(qū)鄂爾多斯盆地寒武系巖溶儲層發(fā)育特征的差異，以及南華北地區(qū)寒武系未來油氣勘探方向。

1 地質(zhì)背景

南華北盆地位于華北克拉通南緣，南以欒川—確山—固始—肥中斷裂為界與秦嶺—大別造山帶相鄰，東以郯廬斷裂為界與下?lián)P子接鄰，北以焦作—商丘斷裂為界與渤海灣盆地相鄰[19]（圖1a）。南華北盆地特殊的大地構(gòu)造位置決定了該地區(qū)具有獨特而復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史，自晚太古代以來，大體經(jīng)歷了地槽—地臺—大陸邊緣活動帶三大發(fā)展階段[19]。而現(xiàn)今構(gòu)造格局主要形成于中生代以后，經(jīng)歷了印支期近南北向擠壓、燕山期走滑活動和喜馬拉雅期的多期拉張[20-21]。研究區(qū)位于南華北盆地周口坳陷東部亳州凸起之上。亳州凸起為一平緩隆起，區(qū)內(nèi)地表第四系覆蓋，下伏寒武系不整合覆蓋在前寒武系花崗片麻巖基底上（圖1b、1c）。皖亳地1井鉆探揭示，亳州地區(qū)寒武系自下向上沉積了猴家山組、饅頭組、毛莊組、徐莊組、張夏組，缺失上統(tǒng)崮山組、長山組和鳳山組（圖2）。包括研究區(qū)在內(nèi)的華北地臺南緣在寒武紀(jì)早期（鳳臺組—毛莊組時期）為被動大陸邊緣沉積，廣泛發(fā)育地臺潮坪相，巖性以陸源碎屑巖和碳酸鹽巖為主，向上碎屑含量逐漸減小。晚期（徐莊組—張夏組）轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃哟箨戇吘壋练e，以較大范圍開闊臺地、局限臺地沉積為特征，鮞?；?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r發(fā)育，其中張夏組是寒武紀(jì)海侵的頂峰時期[22]。

圖1 研究區(qū)綜合地質(zhì)圖

圖2 皖亳地1井綜合柱狀圖

2 碳酸鹽巖儲層特征

2.1 巖石學(xué)特征

對皖亳地1井巖心樣品宏觀和微觀資料分析表明，研究區(qū)中下統(tǒng)寒武系巖石類型多樣。下寒武統(tǒng)主要發(fā)育泥晶灰?guī)r，中寒武統(tǒng)徐莊組發(fā)育粒屑灰?guī)r和鮞?；?guī)r，中寒武統(tǒng)張夏組巖性以白云質(zhì)灰?guī)r為主，局部發(fā)育白云巖。

2.2 物性特征

對皖亳地1井9個寒武系碳酸鹽巖巖心樣品進(jìn)行了氦孔隙度和脈沖滲透率測試，結(jié)果表明，碳酸鹽巖基質(zhì)孔隙度在1.21%～2.79%之間，平均2.06%，滲透率在（0.72～12.40）×10-3mD，平均3.48×10-3mD，屬于低孔低滲儲層，與鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖基質(zhì)孔滲測試結(jié)果相當(dāng)（表1）。

表1 南華北盆地亳州凸起寒武系碳酸鹽巖孔滲測試結(jié)果及與典型盆地對比表

2.3 儲集空間類型

對亳州地區(qū)寒武系7個野外地質(zhì)露頭統(tǒng)計，結(jié)合皖亳地1井827 m巖心觀察描述和42份薄片鑒定分析（鉆井和露頭位置見圖1b），研究區(qū)寒武系碳酸鹽巖儲集體的儲集空間類型主要包括孔、洞、縫3類。其中，孔包括粒間孔和晶間溶孔，洞主要為巖溶作用形成的溶洞，縫包括溶蝕縫、構(gòu)造縫、縫合線和紋層等。

2.3.1 孔洞發(fā)育特征

粒間孔主要出現(xiàn)在張夏組粗晶云巖中，鏡下呈多邊形，孔隙邊緣平直，孔徑最大達(dá)1.6 mm，面孔率約為3.0%（圖3a）。晶間溶孔發(fā)育于張夏組粉晶云巖和徐莊組粒屑灰?guī)r中，其形態(tài)不規(guī)則，孔徑變化較大，最大為0.4 mm，面孔率一般為1.0%～2.0%（圖3b），其分布形態(tài)呈分散狀。溶洞在巖心以及地表露頭上可觀察到，主要分布于張夏組厚層白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r中。巖心上溶洞直徑一般在1 cm左右，呈蜂窩狀密集分布（圖3c），野外露頭上溶洞直徑最大可達(dá)30 cm（圖3d）。

圖3 亳州凸起寒武系孔洞發(fā)育類型圖

2.3.2 裂縫發(fā)育特征

裂縫是研究區(qū)最為發(fā)育的孔隙類型，包括構(gòu)造裂縫及縫合線、紋層和溶蝕縫等非構(gòu)造裂縫。野外地質(zhì)露頭裂縫實測表明，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有北北西向和近東西向兩組剪切裂縫，其中北北西向裂縫最為發(fā)育（圖4）。構(gòu)造裂縫開度一般小于0.3 cm，以充填方解石為主，傾角一般大于80°。野外露頭上可觀察到近東西向裂縫被北北西向裂縫錯斷（圖5a），而陰極發(fā)光薄片揭示兩組裂縫發(fā)光顏色存在明顯差異（圖5b、5c）。證明兩組裂縫形成于不同時期，區(qū)域近東西向裂縫為第一期裂縫，優(yōu)勢北北西向裂縫為第二期裂縫。

圖4 亳州地區(qū)區(qū)域性節(jié)理極射赤平投影圖

非構(gòu)造裂縫以溶蝕縫、紋層和縫合線為主，在巖心和巖石薄片上均有不同程度的發(fā)育。溶蝕縫是本區(qū)寒武系碳酸鹽巖最為常見的裂縫，發(fā)育于張夏組白云質(zhì)灰?guī)r中，一般延伸長度在10～30 cm，縫寬大小不一，開度最大可達(dá)6 cm，裂縫內(nèi)發(fā)育方解石晶體（圖5d）。紋層出現(xiàn)在饅頭組和猴家山組泥質(zhì)富集的泥灰?guī)r中，形狀不規(guī)則，可見有機質(zhì)充填（圖5e）?？p合線發(fā)育于徐莊組粒屑灰?guī)r、含生屑灰?guī)r中，一般呈鋸齒狀沿生屑顆粒與基質(zhì)接觸帶展布，可見有機質(zhì)充填（圖5f）。

圖5 亳州凸起寒武系碳酸鹽巖裂縫發(fā)育類型圖

2.3.3 孔縫縱向分布規(guī)律

對寒武系鉆井873 m巖心的溶蝕孔洞（直徑大于1 cm）和溶蝕裂縫進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果如圖6所示。從層位看，張夏組孔洞和裂縫均最為發(fā)育，巖心上裂縫長度總計72 cm，孔洞總計29個；饅頭組次之，裂縫14 cm，孔洞11個，其余層系除徐莊組外，孔洞和裂縫均不發(fā)育（圖6a）。從巖性看，白云質(zhì)灰?guī)r中溶蝕孔縫最為發(fā)育，灰?guī)r次之，其余巖性巖石中未見溶蝕孔縫發(fā)育（圖6b）。

圖6 寒武系碳酸鹽巖不同地層、不同巖性溶蝕孔縫分布特征統(tǒng)計圖

同時，對不同巖性巖石的構(gòu)造裂縫發(fā)育條數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計。873 m的寒武系巖心中共統(tǒng)計到463條構(gòu)造裂縫，按照地層和巖性不同對裂縫分布情況進(jìn)行了分類，結(jié)果如圖7所示。從地層看，裂縫在中—下寒武統(tǒng)中均有發(fā)育，其中張夏組裂縫發(fā)育密度最大，為0.91條/m，饅頭組裂縫密度最小，為0.36條/m（圖7a）。從巖性看，白云質(zhì)灰?guī)r中裂縫密度最大，為0.96條/m，泥巖中裂縫密度最小，為0.29條/m，灰?guī)r裂縫發(fā)育密度介于以上兩者間。同時，灰?guī)r鮞粒發(fā)育時，會明顯提高裂縫發(fā)育密度。本質(zhì)上，巖性差異導(dǎo)致了巖石脆性的不同，從白云質(zhì)灰?guī)r到泥巖，巖石脆性整體呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖7 寒武系碳酸鹽巖不同地層、不同巖性構(gòu)造縫分布特征統(tǒng)計圖

2.4 儲集層類型

依據(jù)皖亳地1井及周邊露頭寒武系海相碳酸鹽巖孔、洞、縫發(fā)育特征，及其縱向分布規(guī)律，按成因類型將碳酸鹽巖儲層類型劃分為風(fēng)化殼巖溶型儲層和裂縫型儲層（圖2）。風(fēng)化殼巖溶型儲層位于中寒武統(tǒng)張夏組，儲層巖性以白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖為主，儲集空間包括不同規(guī)模的溶蝕孔洞和溶蝕縫，構(gòu)成巖溶縫—洞體系。裂縫型儲層位于下寒武統(tǒng)猴家山組、饅頭組等，儲層巖性以粒屑灰?guī)r和含泥灰?guī)r為主，儲集空間以縫合線、紋層和構(gòu)造裂縫為主，構(gòu)成裂縫體系。需要指出的是，盡管縫合線本身由于不溶殘余物的存在成為流體運移的遮擋物而不能構(gòu)成儲滲空間，但其經(jīng)歷后期溶蝕作用或者構(gòu)造作用改造后，可以形成沿縫合線分布的溶蝕孔隙，進(jìn)而成為油氣運移的通道[26-29]。

3 儲層發(fā)育主控因素

對本區(qū)儲集空間類型和儲集層發(fā)育特征進(jìn)行分析，認(rèn)為亳州地區(qū)寒武系儲層發(fā)育主要受控于3個因素，即表生巖溶作用、構(gòu)造裂縫作用和巖石類型。

3.1 表生巖溶作用

表生巖溶改造是研究區(qū)寒武系碳酸鹽巖儲層形成的重要條件之一。依據(jù)南華北盆地構(gòu)造演化特征及亳州地區(qū)地層層序，推斷亳州地區(qū)至少存在兩期地層抬升剝蝕事件。第一期發(fā)生在寒武系沉積后，最晚從晚寒武世開始，在古秦嶺海槽的洋殼向北側(cè)大陸俯沖擠壓作用下，包括南華北盆地在內(nèi)的整個華北地臺發(fā)生區(qū)域性抬升，寒武系地層大面積出露地表，遭受了廣泛而強烈的剝蝕，形成上寒武統(tǒng)和下奧陶統(tǒng)之間的區(qū)域性沉積間斷[30-31]。第二期發(fā)生于亳州凸起隆升后，可能從晚二疊世開始，受印支運動作用，南華北盆地發(fā)生斷褶隆升，亳州地區(qū)隆升剝蝕并形成了中寒武世至新近紀(jì)間的沉積間斷。在此期間，受大氣降水淋濾和溶蝕作用，碳酸鹽巖中產(chǎn)生了大量溶蝕孔縫。而從碳酸鹽巖地層暴露時間推斷，第二期巖溶事件對本區(qū)碳酸鹽巖儲集性能影響可能更大。

3.2 構(gòu)造破裂作用

多期構(gòu)造作用下形成的構(gòu)造裂縫是寒武系碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層形成的關(guān)鍵。一方面裂縫本身具有一定的儲集能力；另一方面裂縫改善了碳酸鹽巖的滲流能力，在中寒武統(tǒng)張夏組溝通溶蝕流體與儲層，促進(jìn)巖溶儲層的形成。結(jié)合研究區(qū)寒武系野外露頭裂縫實測數(shù)據(jù)以及南華北盆地構(gòu)造演化歷史，建立了亳州地區(qū)不同期次構(gòu)造運動與裂縫模式關(guān)系圖（圖8）。結(jié)果表明，亳州地區(qū)主要發(fā)育兩期構(gòu)造裂縫：第一期形成于印支運動時期，受秦嶺—大別造山帶的強烈擠壓影響，亳州地區(qū)以斷褶隆升為主，發(fā)育一系列近東西走向逆沖斷層，在斷裂附近派生與其平行的近東西向擠壓裂縫；第二期裂縫形成于燕山運動時期，太平洋板塊沿北北西向東亞大陸俯沖，郯廬斷裂發(fā)生左旋走滑逆沖，亳州地區(qū)發(fā)育了一系列平行于郯廬斷裂走向的北北東走滑斷裂（如阜陽斷裂），并在區(qū)域上形成北北西向擠壓裂縫。

3.3 巖石類型

不同巖性巖石中發(fā)育的孔、洞、縫類型存在明顯差異。如溶蝕孔縫主要出現(xiàn)在白云質(zhì)灰?guī)r中，而紋層、縫合線等更容易出現(xiàn)在成分不太均勻的泥晶灰?guī)r和粒屑灰?guī)r中。此外，構(gòu)造裂縫的發(fā)育與巖性也具有相關(guān)性。圖7b對不同巖性構(gòu)造縫發(fā)育情況統(tǒng)計表明，當(dāng)巖石中白云石、方解石和石英等脆性礦物含量高時，巖石脆性強，有利于裂縫的發(fā)育；而當(dāng)泥質(zhì)含量增加，巖石塑性增強，裂縫數(shù)量減少。

4 討論

4.1 巖溶儲層特征對比

通過對亳州地區(qū)寒武系儲層特征分析，證明南華北盆地內(nèi)發(fā)育有表生巖溶作用控制的巖溶縫洞型儲層。但與鄂爾多斯盆地西南部張夏組相比，其儲層發(fā)育特征存在一定差異（表2）。鄂爾多斯盆地寒武系碳酸鹽巖以白云巖為主，且鮞粒白云巖發(fā)育，除巖溶儲層發(fā)育外，鮞粒灘型儲層亦是該地區(qū)寒武系重要儲層類型[8-9,18]。而亳州地區(qū)張夏組、徐莊組盡管發(fā)育有鮞?；?guī)r，但其鏡下并未見明顯孔隙發(fā)育。此外，兩地區(qū)巖溶作用深度存在明顯差異—皖亳地1井揭示亳州地區(qū)溶蝕孔縫發(fā)育于不整合面以下280 m深度范圍內(nèi)，而鄂爾多斯盆地西南部張夏組一般在10～50 m。推測造成該現(xiàn)象原因有兩個：一是亳州地區(qū)巖溶作用持續(xù)時間更長，鄂爾多斯盆地寒武系經(jīng)歷1期構(gòu)造抬升事件（懷遠(yuǎn)運動），碳酸鹽巖裸露期持續(xù)約15.4 Ma，而亳州地區(qū)沉積間斷更大，自亳州凸起抬升后（可能從二疊世末開始），寒武系碳酸鹽巖長期暴露地表，該過程持續(xù)時間可能達(dá)220 Ma（二疊世末至古近紀(jì)末）；二是亳州地區(qū)構(gòu)造作用更活躍，受東側(cè)郯廬斷裂以及南側(cè)秦嶺大別造山帶活動影響，亳州地區(qū)寒武系構(gòu)造裂縫極為發(fā)育，而高角度裂縫為溶蝕流體下滲提供了有利通道，進(jìn)一步促進(jìn)了巖溶作用。

4.2 勘探方向

綜合分析認(rèn)為，亳州地區(qū)中寒武統(tǒng)張夏組是儲層發(fā)育最有利的層段，具備良好的儲集性能?？紤]到影響張夏組巖溶儲集層發(fā)育的因素主要有表生巖溶作用和構(gòu)造裂縫作用。因此，存在有利于巖溶發(fā)育的大型古隆起、構(gòu)造裂縫發(fā)育的區(qū)域是未來南華北地區(qū)寒武系油氣勘探值得關(guān)注的地區(qū)。此外，是否具有有效的烴源巖和蓋層也是其能否形成油氣藏的關(guān)鍵。對皖亳地1井張夏組和徐莊組灰色灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r進(jìn)行有機地化測試，結(jié)果表明其TOC含量為0.16%～0.29%，平均0.22%，基本不具備生烴能力。但從前人研究以及勘探經(jīng)驗來看，區(qū)域上具有兩套潛在烴源巖：一是南華北盆地下寒武統(tǒng)馬店組暗色泥頁巖，主要分布于南華北盆地南緣。該套烴源巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主，有機質(zhì)豐度高，在四十里長山地區(qū)超過20%[3,32-33]。與中寒武統(tǒng)儲集層結(jié)合，可構(gòu)成下生上儲型的成藏組合。二是南華北地區(qū)廣泛分布的石炭系—二疊系烴源巖，該套烴源巖有機質(zhì)類型以Ⅱ2—Ⅲ型為主，泥質(zhì)烴源巖TOC平均含量一般大于1%，煤巖烴源巖TOC可達(dá)60%[34]。該套烴源巖在古構(gòu)造高部位可與寒武系組成新生古儲型油氣藏。以上兩套組合能否成藏還取決于是否存在有效的蓋層。亳州地區(qū)寒武系與新近系直接接觸，而后者為一套河流相松散沉積物，不具備封蓋條件。從區(qū)域上看，以下層系具備蓋層條件：①是中奧陶統(tǒng)膏巖，形成于中奧陶世海退期局限潟湖相，在南華北北部地區(qū)可能有分布[30]；②是石炭系底部鋁土巖，在平頂山—阜陽一線以北石炭系及奧陶系同時保存的地區(qū)（古風(fēng)化殼上）均有分布，一般發(fā)育數(shù)層，其厚度與古地形起伏有關(guān)，單層最厚可達(dá)20 m，累計厚度一般5～30 m[5,35]；③是古近系雙浮組棕色泥巖，其分布較為局限，阜陽地區(qū)僅大1井、南12井、南13井等有鉆遇[36-37]。

5 結(jié)論

1）安徽北部亳州凸起寒武系儲集體的儲集空間類型包括孔、洞、縫3類，孔以白云石晶間溶孔為主，洞為風(fēng)化殼巖溶作用形成的溶洞，縫為溶蝕縫、構(gòu)造裂縫、紋層和縫合線等，3類孔隙中以溶蝕縫和構(gòu)造裂縫為主，其次為溶孔及溶洞。

2）研究區(qū)寒武系碳酸鹽巖儲層類型可分為風(fēng)化殼巖溶型和裂縫型。前者儲集空間以溶蝕孔縫為主，分布于中寒武統(tǒng)張夏組。后者儲集空間以紋層、縫合線、構(gòu)造縫為主，分布于下寒武統(tǒng)饅頭組和猴家山組。

3）研究區(qū)寒武系儲層發(fā)育主要受控于表生巖溶作用、多期次構(gòu)造破裂作用和巖石類型。表生巖溶改造是張夏組風(fēng)化殼巖溶儲層形成的關(guān)鍵，本區(qū)至少經(jīng)歷了兩期巖溶事件。構(gòu)造裂縫發(fā)育有近東西向和北北西向兩期，分別形成于印支期和燕山期，裂縫改善了儲層滲流能力，促進(jìn)了溶蝕孔縫的發(fā)育。