鲁西隆起西部马家沟组表生岩溶作用识别、主控因素分析及对岩溶热储的改造

贾维明; 鲍志东; 黄继新; 徐芳; 季汉成

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507245

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (24) :10272-10285 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507245

天文学、地球科学

鲁西隆起西部马家沟组表生岩溶作用识别、主控因素分析及对岩溶热储的改造

贾维明 ¹ ,
鲍志东 ²^,³^,^* ,
黄继新 ¹ ,
徐芳 ¹ ,
季汉成 ²^,³

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Identification, Analysing Main Controlling Factors, and Modification of Karst Geothermal Reservoirs of Supergene Karst of Majiagou Formation in the Western Luxi Uplift

JIA Wei-ming ¹ ,
BAO Zhi-dong ²^,³^,^* ,
HUANG Ji-xin ¹ ,
XU Fang ¹ ,
JI Han-cheng ²^,³

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摘要

表生岩溶作用是鲁西隆起西部马家沟组岩溶热储的重要成因机制之一,前人对于表生岩溶的控制因素及如何改造岩溶热储尚未进行深入解剖。为深入分析研究区表生岩溶主控因素及表生岩溶如何改造岩溶热储,基于野外露头和岩心观察,测井和地球化学资料分析,结合构造-沉积演化,识别鲁西隆起西部马家沟组表生岩溶特征,分析其主控因素,明确表生岩溶对于岩溶储层的改造。结果表明:研究区表生岩溶作用深度为距马家沟组顶部不整合面200 m以内,主要发育灰岩型风化壳岩溶,高角度溶缝、风化残积层、钻液漏失、δ¹³C_PDB值和δ¹⁸O_PDB值出现明显的负偏移是最显著的识别标志;表生岩溶受内部因素岩性和矿物组成、岩层结构组合,外部因素古气候、暴露时间和构造的共同影响;加里东期和喜山期的构造抬升是表生岩溶发育的关键;加里东期,气候湿热多雨,构造抬升使得研究区马家沟组碳酸盐岩暴露溶蚀,发生强烈的表生岩溶;表生岩溶对灰岩型风化壳储层具有垂向改造特征。通过分析研究区表生岩溶特征及主控因素,可见表生岩溶对储层物性具有双面性,一方面形成大规模的溶蚀孔-洞-缝体系显著提升储层物性,另一方面岩溶缓流带的胶结作用,过度暴露而引起的岩溶垮塌和风化残积层会显著降低储层物性。

Abstract

Supergene karst is regarded as one of the crucial genetic mechanisms responsible for the karst geothermal reservoir of the Majiagou Formation in the western Luxi Uplift. However, the controlling factors and how to modify the karst geothermal reservoir of supergene karst have not yet been thoroughly investigated by previous researchers. In order to investigate the main controlling factors and modification of geothermal karst reservoirs of supergene karst in the study area, an integrated methodology combining field outcrop and core observations, well logging and geochemical data analysis, as well as tectonic-sedimentary evolution interpretation was used. This approach was applied to characterize the supergene karst features in the Majiagou Formation in the western Luxi Uplift, analyzed its controlling factors, and assessed its impact on reservoir quality. The results show that the depth of supergene karst in the study area is constrained to within 200 m below the unconformity at the top of the Majiagou Formation, where limestone-type weathering crust karst is predominantly developed. The most prominent identification markers about supergene karst are characterized by high-angle dissolution fractures, weathering residual layers, drilling fluid loss, and significant negative shifts in δ¹³C_PDB and δ¹⁸O_PDB values. Supergene karst is jointly controlled by internal factors (lithology and mineral composition, as well as rock layer structure and assemblage) and external factors (paleoclimate, exposure duration, and tectonism). The tectonic uplifts during the Caledonian and Himalayan periods are considered to be the critical factors for the development of supergene karst. During the Caledonian period, the humid and rainy climate, combined with tectonic uplift, resulted in the exposure and dissolution of the carbonate rocks of the Majiagou Formation in the study area, leading to intensive supergene karst. The modification of limestone-type weathering crust reservoirs by supergene karst is characterized by vertical alteration features. After analysing features and main controlling factors of supergene karst, it is concluded that supergene karst are recognized for their dualistic influence on reservoir physical properties. On one hand, the development of extensive dissolution pore-cavity-fracture networks can be observed to substantially enhance reservoir quality; on the other hand, the cementation effects occurring within the karst slow-flow zone, together with the karst collapse and weathered residual layers caused by excessive exposure, are found to significantly degrade reservoir physical properties.

Graphical abstract

关键词

表生岩溶作用 / 主控因素 / 马家沟组 / 鲁西隆起西部

Key words

supergene karst / controlling factors / Majiagou Formation / the western Luxi Uplift

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贾维明, 鲍志东, 黄继新, 徐芳, 季汉成. 鲁西隆起西部马家沟组表生岩溶作用识别、主控因素分析及对岩溶热储的改造[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(24): 10272-10285 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507245

JIA Wei-ming, BAO Zhi-dong, HUANG Ji-xin, XU Fang, JI Han-cheng. Identification, Analysing Main Controlling Factors, and Modification of Karst Geothermal Reservoirs of Supergene Karst of Majiagou Formation in the Western Luxi Uplift[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(24): 10272-10285 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507245

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中国地热资源丰富,约占全球总量的1/6。目前,地热能直接利用规模连续多年位居世界首位^[1-3]。鲁西隆起区作为山东省四大地热资源富集区,具有优质的地质地热条件和丰富的地热资源,研究表明,鲁西隆起区奥陶系碳酸盐岩岩溶热储地热资源约为4.84×10¹⁸ kJ,合计标准煤165亿t,主要用于供暖、洗浴、养疗^[4-5]。勘探开发实践表明,鲁西隆起同一区块内日产水量和年地热开采量差异极大,且目前研究表明,马家沟组是奥陶系岩溶热储的主要富集层位,储层内部发育明显的溶蚀孔-洞-缝系统^[4,6-8]。表生岩溶作用是岩溶作用的重要类型之一,在表生岩溶作用特征识别的基础上,探究表生岩溶作用的控制因素,明确表生岩溶对于岩溶储层的改造,对于指导岩溶热储勘探开发具有重要的科学意义。

由于鲁西隆起区马家沟组地质年代古老,且在多期构造活动的影响下沉积作用、成岩作用的过程较为复杂,因此导致马家沟组岩溶热储在横向上具有明显的非均质性。季汉成等^[9]认为,鲁西隆起西部马家沟组岩溶储层经历了沉积-准同生期成孔阶段(中奥陶世) 、风化淋滤阶段(晚奥陶世-早石炭世), 矿物充填阶段(晚石炭世-白垩纪末期) 、溶蚀改造阶段(古近纪) 共4个演化阶段,并认为沉积相、成岩作用和构造应力是形成优质岩溶热储的关键因素。肖菁等^[10]研究表明,准同生-早成岩期的准同生白云石化作用和准同生溶蚀作用,表生成岩期的风化壳溶蚀作用,以及中-晚成岩期的构造破裂作用和热液溶蚀作用是鲁西隆起西部马家沟组岩溶热储建设性成岩作用,并认为风化壳溶蚀作用对储层孔隙增加起决定性作用。房超等^[11]和贾艳雨等^[12]研究发现,鲁西隆起西部马家沟组沉积期主要发育灰坪沉积微相、云-灰坪沉积微相、颗粒滩沉积微相和泥灰坪沉积微相,并认为颗粒滩沉积微相和云-灰坪沉积微相是岩溶热储发育的最有利区带。隋少强等^[5,8]研究表明,马家沟组岩溶热储平面展布主要受聊城-兰考断裂和鲁中隆起形成的隆起区影响,并认为加里东期整体抬升剥蚀和燕山期局部抬升剥蚀是岩溶热储形成的关键因素。

综上可知,前人对于研究区马家沟组岩溶热储非均质性的成因在沉积作用、成岩作用和构造作用方面进行了详细的解剖,并普遍认为表生岩溶作用是形成马家沟组优质岩溶热储的重要成因机制之一,但是对于表生岩溶作用的识别特征、控制因素及如何改造岩溶热储尚未进行深入解剖。为了深入分析研究区表生岩溶作用主控因素,探讨表生岩溶如何改造岩溶热储,现基于野外露头、岩心、测井等地质资料,结合区域地质背景,识别表生岩溶特征,在此基础上,分析主控因素,明确表生岩溶对于岩溶热储的改造,以期为鲁西隆起西部地区地热资源勘探开发提供可靠的地质依据。

1 区域地质概况

研究区位于华北地台中东部,主体位于鲁西隆起西部,北依齐河-广饶断裂,南接丰城-沛县断层,西至聊城-兰考断裂带,东临新普山凸起、蒙山凸起和隆尼山凸起[图1(a),据文献[12]修改]。马家沟组沉积期,研究区为典型的陆表海沉积模式,自西向东依次发育开阔台地亚相灰坪微相,局限台地亚相云-灰坪微相,开阔台地亚相灰坪微相[图1(b),据文献[13]修改]。开阔台地亚相灰坪微相岩性主要为泥晶石灰岩、微晶石灰岩、含泥石灰岩和豹斑状石灰岩,局限台地亚相云-灰坪微相岩性主要为石灰质白云岩和白云质石灰岩。

马家沟组自下而上划分为6段[图1(c)]。马一段主要发育局限台地亚相,岩性主要为泥质白云岩。马二段主要发育局限台地亚相和开阔台地亚相,岩性主要为石灰岩和白云质石灰岩。马三段主要发育局限台地亚相,岩性主要为白云岩和石灰质白云岩。马四段厚度最大,主要发育开阔台地亚相,岩性主要为泥晶石灰岩和豹斑状灰岩。马五段和马六段剥蚀严重。马五段主要发育局限台地亚相,岩性主要为白云岩。马六段主要发育开阔台地亚相,岩性主要为石灰岩。

2 表生岩溶特征和识别标志

表生岩溶作用是指由于构造抬升使碳酸盐岩长期暴露地表遭受溶蚀,又称不整合岩溶或风化壳岩溶^[14-15]。研究区马家沟组表生岩溶具有如下特征(表1)。

2.1 岩石学标志

(1)高角度溶缝、垂向溶沟、蜂窝状溶孔、刀砍纹和大型溶洞是研究区表生岩溶最直接的标志。研究区发育灰岩型风化壳岩溶、白云岩型风化壳岩溶和灰岩型顺层岩溶。灰岩型风化壳岩溶是岩溶渗流带垂向溶蚀的结果,为非组构选择性溶蚀,表现为高角度溶缝相互交织,见垂向溶沟,局部伴生小型溶洞,构成溶缝-孔洞系统[图2(a)、图2(b)]。白云岩型风化壳岩溶表现为蜂窝状溶孔,见差异性风化形成的刀砍纹[图2(c)、图2(d)]。灰岩型顺层岩溶是由岩溶潜流带水平溶蚀形成,为组构选择性溶蚀,表现为大型溶洞,见少量溶缝,构成溶洞-溶缝岩溶系统[图2(e)]。

(2)不整合面、风化残积层、风化壳岩溶角砾是识别研究区表生岩溶间接标志。不整合面的形态控制表生岩溶发育范围,不整合面的强度控制表生岩溶发育深度。研究区马家沟组顶部发育由加里东运动构造抬升形成的不整合面^[16],见风化残积层[图2(f)]。L3井取心段1 047.48~1 050.48 m,岩性为岩溶角砾岩,见岩溶垮塌[图2(g)、图2(h)]。其成因机制为是马家沟组顶部地层沉积后经历长期暴露溶蚀,形成岩溶洞穴,后发生岩溶垮塌^[17]。

2.2 地球物理标志

钻井过程中遇到表生岩溶形成的溶洞时往往发生钻液漏失。研究区表生岩溶作用深度为距马家沟组顶部150~200 m,如图3、图4所示。

岩溶渗流带位于距马家沟组顶部30~40 m范围,具有如下测井特征:GR较低,不扩径或略微扩径,DT较低,R较高,钻液漏失量随之深度增加而增加。地下水主要为垂向渗流。岩溶个体形态主要为高角度溶缝[图2(a)],缝-洞系统连通性差。岩溶渗流带表生岩溶作用较强。

岩溶潜流带位于距马家沟组顶面30~120 m范围,具有如下测井特征:未充填的缝-洞系统GR较高,已充填的缝-洞系统GR值相对较低,DT高,扩径严重,R值较低,钻液漏失严重。地下水以水平径流为主,溶蚀作用和冲蚀作用并存,具有地下河沉积特征,见岩溶垮塌。岩溶个体形态主要为顺层溶蚀,见大型溶洞[图2(e)],缝-洞系统连通性强。岩溶潜流带表生岩溶作用最强。

岩溶缓流带距马家沟组顶面100~200 m范围,具有如下测井特征:GR较低,不扩径或略微扩径,DT值较低,R值较高,钻液漏失量随着深度增加而减少。地下水以潜流和停滞水为主,主要为胶结作用。岩溶个体形态为小型溶孔和溶缝,溶洞不发育,后期多被充填,缝-洞系统连通性最弱。岩溶缓流带表生岩溶作用最弱。

2.3 地球化学标志

碳、氧同位素地球化学特征可以反映岩溶作用过程中不同的流体环境,盐度与δ¹³C_PDB值和δ¹⁸O_PDB值呈正相关,温度与δ¹⁸O_PDB值呈负相关,大气淡水淋滤作用会导致δ¹³C_PDB值和δ¹⁸O_PDB值降低。研究区马家沟组碳酸盐岩基岩背景值δ¹³C_PDB为2.62‰,δ¹⁸O_PDB值为-5.47‰^[18]。加里东期和喜山期δ¹³C_PDB值和δ¹⁸O_PDB值出现明显的负偏移,表明该时期受到大气淡水淋滤作用,发育表生岩溶(图5,据文献[19]修改)。

3 主控因素分析

表生岩溶发育受多种因素的影响,本次研究将表生岩溶的主控因素按照内部因素和外部因素分别进行系统性的分析。

3.1 内部因素

3.1.1 岩性和矿物组成

通过野外调查及岩心薄片分析,研究区表生岩溶作用集中发育在马六段、马五段和马四段,其中马六段和马五段风化剥蚀严重,以马四段为主。马四段岩性主要发育开阔台地亚相,岩性主要为泥晶石灰岩、豹斑状石灰岩和白云质石灰岩,矿物主要为方解石、白云石和黏土矿物。对于含有白云石的石灰岩来说,白云化程度越高,越容易发生溶蚀,而黏土矿物含量越高,则越难以发生溶蚀^[16]。在野外,岩性以灰岩为主的剖面上往往形成高角度溶缝[图2(a)],而岩性为白云质灰岩的剖面可形成垂向溶沟[图2(b)]。在曲阜剖面马四段,豹斑状石灰岩表生岩溶作用显著强于泥晶石灰岩和泥质石灰岩[图6(a)、图6(b)]。在薄片上,豹斑状石灰岩含白云质斑晶,尽管L9井马四段3 252~3 273 m位于岩溶潜流带,溶蚀现象不明显,但是豹斑状石灰岩溶蚀现象最强,泥晶石灰岩次之,泥质石灰岩最弱[图6(c)~图6(e)]。颗粒灰岩和含生物碎屑灰岩形成于高能相带,水体能量大,具有良好的孔渗结构,易发生溶蚀。在野外,颗粒石灰岩层段往往沿着早期形成的岩溶通道发生非组构选择性溶蚀而形成溶蚀孔洞[图6(f)]薄片上,含生物碎屑石灰岩中生物碎屑部分往往优先被溶蚀,而后被充填[图6(g)]。

3.1.2 岩层结构组合

通过野外调研,研究区发育两种类型岩层结构组合,分别为可溶岩层和非可溶岩层组合、两种渗透率不同的可溶岩层组合。研究区可溶性岩层和非可溶性岩层组合主要为豹斑状石灰岩-薄层泥岩组合和泥晶灰岩-薄层泥岩组合。当大气淡水沿着豹斑状石灰岩的垂向裂隙向下渗流遇到泥岩层时,在豹斑石灰岩层段发生侧向运移,形成顺层岩溶[图7(a)]。当大气淡水沿着垂向断裂沿着泥晶石灰岩层段向下运移遇到泥岩层时,沿着泥晶石灰岩和泥岩的接触面发生侧向侵蚀,形成层间岩溶[图7(b)]。

研究区两种渗透率不同的可溶性岩层组合受岩性控制,主要为不同厚度的石灰岩组合和白云质石灰岩-石灰岩组合。当大气淡水沿着垂向裂隙向下渗流时,由于两种岩层渗透能力的差异,使多余垂向入渗水流量转变为侧向侵蚀,在层面方向岩溶不断发育,形成岩溶管道。不同厚度的石灰岩的岩层组合往往只能形成层间溶洞-垂向裂缝岩溶体系[图7(c)],白云质石灰岩-石灰岩组合可形成层间溶洞-垂向溶沟岩溶体系且岩溶规模远大于不同厚度的石灰岩的岩层组合[图7(d)]。

3.2 外部因素

3.2.1 古气候

马家沟组沉积后至早石炭世,研究区处于表生岩溶阶段,且一直位于低纬度-亚热带地区,气候湿热多雨,温度约为20 ℃^[20]。马家沟组顶部发育厚度为0.5~1 m的浅灰色铝铁质风化残积层[图2(f)]。浅灰色铝铁质风化残积层是降雨量高达254~4 000 mm,地形陡峭,气候湿热,强烈化学风化而形成的产物^[16]。地球化学上,加里东期δ¹³C_PDB值和δ¹⁸O_PDB值出现明显的负偏移,表明该时期降水强度大,发生强烈的大气淡水淋滤作用(图5,据文献[19]修改)。喜山期由于构造抬升的影响,部分岩层抬升至地表发育表生岩溶[图6(e)]。地球化学上,喜山期相较于燕山期δ¹³C_PDB值呈现明显的负偏移, δ¹⁸O_PDB值呈现正偏移。原因有2个:其一是马家沟组地层暴露溶蚀,δ¹³C_PDB值减小;其二是埋藏条件下温暖高盐的盆地卤水或热卤水富含氧同位素,使δ¹⁸O_PDB值增大^[19]。

3.2.2 暴露时间

目前资料无法确定研究区马家沟组暴露的绝对时间,但是可以通过岩溶个体形态的发育程度反推暴露时间。现将研究区马家沟组暴露时间划分为短期暴露、中期暴露和长期暴露。

(1)短期暴露[图8(a)]。该时期以组构选择性溶蚀为主,优先溶解生物碎屑等易溶物质[图6(g)]。由于组构选择性溶蚀和构造抬升而形成的蜂窝状溶孔是短期暴露的重要识别标志[图2(c)]。岩溶个体形态呈孤立状分布溶孔,彼此连通性差。短期暴露主要发生在马一段和马二段。

(2)中期暴露[图8(b)]。该时期以非组构选择性溶蚀为主。随着暴露时间增加,大气淡水随着早期的岩溶通道运移,进一步发生溶蚀。高角度溶缝,扩溶形成的垂向溶沟,局部伴生的串珠状溶洞是中期暴露的重要识别标志[图2(a)、图2(b)和图6(f)]。岩溶个体形态上呈现网状结构的溶洞-溶缝体系,彼此连通性好。中期暴露主要发生在马四段和马三段,对于表生岩溶最有利。

(3)长期暴露[图8(c)]。随着暴露时间的增加,优势岩溶通道继续扩溶,使岩溶通道切穿基岩发生破碎坍塌。风化残积层、顺层溶蚀形成的大型溶洞、岩溶角砾岩和岩溶垮塌是长期暴露的重要识别标志[图2(e)~图2(g)]。岩溶个体形态呈角砾化和塌陷化,彼此连通性差。长期暴露主要发生在马六段、马五段和马四段。研究区主要发育中期暴露和长期暴露。

3.2.3 构造

构造作用决定了古地貌的格局和岩溶发育的规模,是研究区马家沟组表生岩溶的主导因素。岩溶古地貌控制了地表和地下水的运动形式及水动力强弱,间接控制了表生岩溶的发育程度。将古地貌单元划分为岩溶(次)高地,岩溶斜坡上部,岩溶斜坡下部、岩溶盆地(表2)。古水流方向由岩溶(次)高地流经岩溶斜坡上部和岩溶斜坡下部,汇聚于岩溶盆地。

(1)加里东期。马家沟组沉积后,加里东运动造成了1.32亿年的沉积间断,碳酸盐岩暴露地表,发生溶蚀[图9(a)]。地球化学上,δ¹³C_PDB值和δ¹⁸O_PDB值呈明显的负偏移(图5,据文献[19]修改),表明由准同生岩溶环境转变为表生岩溶环境。东西方向上,华北地台西部相对隆起而东部相对沉降;南北方向上,济南地区为沉降中心,南北相对隆起且南部隆升幅度大^[21]。研究区主要为岩溶斜坡-岩溶盆地,菏泽地区为岩溶高地,成武地区为岩溶上斜坡,聊城和单县地区为岩溶下斜坡,济宁和济南为岩溶盆地[图10(a)]。研究区整体呈西南高、东北高的古地貌格局,古水流方向为由菏泽地区,流经巨野和梁山地区,汇聚于济南地区。该时期表生岩溶作用最强烈。

(2)印支-海西期。该时期研究区马家沟组上覆C-P地层,进入埋藏环境,前期表生岩溶产生溶蚀空间被充填[图9(b)]。地球化学上,δ¹³C_PDB值呈明显正偏移,是由于上覆C-P地层有机质分解,使δ¹³C富集(图5,据文献[19]修改)。华北地台东部和太行山地区为相对沉降区^[22]。研究区主要为岩溶(次)高地-岩溶斜坡,单县地区为岩溶高地,成武和范县地区为岩溶次高地,菏泽和范县地区为岩溶斜坡上部,济宁、聊城和济南地区为岩溶斜坡下部[图10(b)]。古水流方向由单县地区,流经成武、菏泽、聊城地区,汇集于济南地区。该时期表生岩溶作用最弱。

(3)燕山期。该时期是断裂主要发育期,研究区继续沉积中生界地层,处于埋藏环境[图9(c)]。地球化学上,δ¹⁸O_PDB值出现了明显的负偏移,这是由于埋深增加和岩浆活动的影响,使温度上升引起的(图5)^[19]。华北地台以郯庐断裂为界,西部整体隆升而东部整体沉降^[23]。研究区主要为岩溶(次)高地,仅聊城、东平和单县地区为岩溶斜坡下部[图10(c)]。南部古水流汇聚于单县地区,北部古水流汇聚于聊城-东平地区。该时期表生岩溶作用弱。

喜山期。早喜山期,部分马家沟组地层被抬升至地表,发生暴露溶蚀[图9(d)]。晚喜山期,研究区进入稳定扩张的热沉降阶段,部分马家沟组地层继续抬升至地表,发生暴露溶蚀[图9(e)]^[24]。

地球化学上,δ¹³C_PDB值呈明显的负偏移,δ¹⁸O_PDB值呈明显的正偏移(图5)。这是由于部分马家沟组地层被抬升至地表而暴露溶蚀使δ¹³C_PDB值减小,同时该时期温暖高盐的盆地卤水或热卤水富含氧同位素使δ¹⁸O_PDB值增大^[19]。研究区为岩溶高地-岩溶斜坡,济南、成武地区为岩溶高地,济宁、东平地区为岩溶次高地,巨野、嘉祥地区为岩溶斜坡上部,聊城地区为岩溶斜坡下部,菏泽地区为岩溶盆地[图10(d)]。研究区菏泽地区为地势低点,古水流汇集于菏泽地区。该时期表生岩溶作用较强。

4 对储层的改造

4.1 对储集空间的垂向分带改造

表生岩溶在垂向上形成四带结构,但由于研究区奥陶系顶部遭受多期风化剥蚀,表层岩溶带不发育(图4、图11)。对于灰岩型风化壳储层而言(图11),岩溶渗流带大气淡水沿裂隙下渗,形成高角度溶缝-溶洞系统,连通性较强,储集空间主要为裂缝-溶洞。岩溶潜流带在潜水面附近发生侧向侵蚀,形成层状溶洞群,连通性最强,可见由过度暴露而形成的岩溶垮塌,储集空间主要为溶洞。岩溶缓流带溶蚀作用弱,胶结作用强,形成小型溶孔-溶缝体系,溶洞不发育,且后期多被充填,连通性最弱,储集空间主要为溶孔。

4.2 对储层物性的改造的双面性

研究区表生岩溶主要发育在马六段、马五段、马四段和马三段,马二段和马一段相对不发育。通过各层位测井解释(表3),马六段孔隙度均值3.02%,马五段孔隙度均值4.42%,马四段孔隙度均值3.27%,马三段孔隙度均值3.92%,大于马二段孔隙度均值3.22%和马一段孔隙度均值3.37%,表明表生岩溶会扩大孔隙度。马六段渗透率均值0.75×10^-3 μm²,马五段渗透率均值2.80 ×10^-3 μm²,马四段渗透率均值为1.43 ×10^-3 μm²,马三段渗透率均值为1.83 ×10^-3 μm²,大于马二段渗透率均值1.32 ×10^-3 μm²和马一段渗透率均值0.74×10^-3 μm²,表明表生岩溶会扩大渗透率。表生岩溶对储层物性起建设性作用。

由于马六段最靠近不整合面,表生岩溶最强,但其孔隙度和渗透率均值全区最小。岩溶缓流带溶蚀作用弱,以胶结作用为主,充填原生孔隙,使物性变差。长期暴露会引发岩溶垮塌,使物性变差。表生岩溶对储层物性起破坏性作用。5 结论

(1)研究区表生岩溶作用深度为距马家沟组顶部不整合面200 m以内,以灰岩型风化壳岩溶为主。表生岩溶的岩石学识别标志为高角度溶缝、垂向溶沟、蜂窝状溶孔、刀砍纹、大型溶洞、不整合面、风化残积层、风化壳岩溶角砾,地球物理识别标志为钻液漏失和不同岩溶相带的测井响应,地球化学标志为δ¹³C_PDB值和δ¹⁸O_PDB值出现明显的负偏移。

(2)研究区马家沟组受内部因素岩性和矿物组成、岩层结构组合,外部因素古气候、暴露时间和构造的共同影响。表生岩溶集中发育在马六段、马五段和马四段,以马四段为主。豹斑状石灰岩和白云质石灰岩是研究区表生岩溶最发育的岩性。研究区主要为中-长期暴露,马一段和马二段为短期暴露,马四段和马三段主要为中期暴露,马六段、马五段和马四段为长期暴露。构造作用是表生岩溶发育的主导因素。表生岩溶主要形成于加里东期和喜山期,其中加里东期最强烈。加里东期,气候湿热多雨,构造抬升使得马家沟组碳酸盐岩暴露地表发生长期暴露溶蚀。该时期研究区主要为岩溶斜坡-岩溶盆地,呈西南高、东北低的古地貌格局,古水流方向为由西南流向东北,汇聚于济南地区。

(3)表生岩溶对灰岩型风化壳储层具有垂向改造特征,岩溶渗流带储集空间主要为裂缝-溶洞,岩溶潜流带储集空间主要为溶洞,岩溶缓流带储集空间主要为溶孔。表生岩溶对储层物性具有双面性,一方面可以建设性地形成大规模的溶蚀孔-洞-缝体系,显著提升储层物性,另一方面岩溶缓流带的胶结作用,过度暴露而引起的岩溶垮塌和风化残积层会显著降低储层物性。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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