0 引言
当含铝岩系中的铝足够富集达到工业开采品位时，可称为铝土矿。国际铝土矿研究起步于20世纪初期，全球尺度的成矿期集中于中—晚泥盆世、晚白垩纪—始新世、中新世、全新世，而中国铝土矿与全球成矿期次不同，主成矿期在晚石炭世—早二叠世和全新世，且研究起步相对较晚［1-2］。前人在铝土矿矿床地质特征、类型划分、物质组成等多个方面做了系统研究，目前主流的分类方式是将铝土矿划分为红土型和喀斯特型，即覆盖在铝硅酸盐岩之上的为红土型，覆盖在碳酸盐岩喀斯特地貌之上的为喀斯特型［3-4］，但由于其成因较为复杂，在物源和成矿方式等方面仍存在诸多争议，也成为近年来铝土矿成因研究的一个热点。随着碎屑锆石U-Pb同位素年龄在物源分析的应用，越来越多的证据表明，铝土矿的物源主要来自盆地周围已剥蚀的地层，进而明确喀斯特型与红土型铝土矿均存在异地搬运成因，或大多受沉积作用主导，对研究其形成环境和分布规律具有重要的指导意义。
我国华北地台的铝土矿为喀斯特型，含铝矿物主要为硬水铝石，其储量合计占全国总量的90.9%。其形成时代始于中奥陶世末期，华北板块隆升经历了约130 Ma 的风化剥蚀后，于下古生界碳酸盐岩喀斯特地貌之上发育了一套含铝岩系地层，鄂尔多斯盆地构造上属于华北板块西部，具有类似的含铝地层发育［5-7］。近年来，中国石油长庆油田分公司（以下简称“长庆油田”）积极转变传统勘探思路，解放思想、大胆创新，在向新层系探索的过程中发现铝土岩气藏新类型，在没有类似勘探经验借鉴的情况下，长庆油田通过理论技术攻关，实现了铝土岩气藏的重大突破及工业化开发，建立了铝土岩气藏富集模式、地震预测和储层评价方法，形成了关键的勘探技术，对支撑铝土岩天然气资源的高效动用积累了丰富的勘探经验。
1 地质概况
2 铝土岩气藏勘探发现
长庆油田坚持“四新”领域勘探，2018年以来围绕”三体三面三带“开展基础地质研究，以发现新的储层类型和潜在烃源岩为目标，结合丰富的测录资料，将气测异常显示明显的层系作为重点复查对象，开展老区新层系的地质重新认识。2021年在陇东地区太原组底部含铝岩系发现了铝土岩气藏，经过两年攻关试验，不断深化地质理论认识、优化关键工艺技术，在盆地西南部发现了首个铝土岩气藏勘探目标（图3）。
2.1 盆地南缘露头发现铝土岩发育溶蚀孔
2.2 盆地少量钻井钻遇特殊岩性气测异常
2015年，针对盆地东北部大牛地气田本溪组铝土质泥岩的储集性能开展测井评价，认为铝土质泥岩不同于一般的泥岩或页岩，其具有更好的孔隙网络，同时也有较好的气测显示［10］，可以作为潜在储层，首次指出盆地内部深埋条件下含铝岩系具备成储的可能性。2017年，长庆油田对鄂尔多斯盆地内部老井复查，发现局部地区含铝岩系厚度大（10~30 m），并在少量钻井中见到气测异常显示，气测峰值为11.1%~86.8%，峰基比为5.9~35.1，电性显示出超高自然伽马、高密度、高能谱、低声波时差、低电阻等特征，不同于砂岩、泥岩、煤等常规岩石组合，但经测试分析以铝土质泥岩为主，因此早期认为气测异常是上部煤岩或炭质泥岩气测后效响应［11-14］。
2.3 陇东地区铝土岩气藏获勘探重大发现
2020年，中国石油辽河油田分公司在鄂尔多斯盆地西南部正宁地区开展前期勘探，部署实施的宁古3井在太原组钻遇含铝岩系地层24 m，气测峰值为60.33%，基值为3.47%，首次在含铝岩系试气获13.44×104 m3/d无阻天然气流［15］。2021年，长庆油田在陇东地区开展综合地质研究，精细刻画庆阳古陆前石炭纪古地貌单元，恢复晚古生代沉积环境，明确了区内喀斯特洼地具有形成海湾—潟湖相沉积背景［16-17］。按照含铝岩系在潟湖区发育的地质规律，探索性地部署了首口铝土岩L47井，该井成功在太原组钻遇含铝岩系28 m，发现优质铝土岩储层，解释气层3段共15 m，试气获67.38×104 m3/d高产。长庆油田经过两年的科研攻关与勘探实践，在陇东地区先后有20口井在含铝岩系钻遇优质铝土岩储层［图4（e），图4（f）］，14口井试气获得超1×104 m3/d天然气流，3口直井获气100×104 m3/d以上高产，首口水平井试气获353.4×104 m3/d工业气流，创鄂尔多斯盆地上古生界单井产量之最。结合铝土岩综合地质特征与成藏模式，相继建立地震预测与测井评价方法，落实L47、CT3、L68、HT14、HT7等5个有利含气区（图5）。
3 铝土岩气藏勘探理论认识进展
3.1 古陆周边沉积相和微古地貌控制了铝土岩储层的分布
铝土岩位于下古生界剥蚀面之上并广泛分布于华北地区，其典型代表的G层铝土矿从沉积层序上与铁质岩、炭质泥岩、煤岩共生，明显受到本溪期海侵作用控制，沉积产状沿古隆起的边缘和凹陷的斜坡地带分布。由于侵蚀面上形成了许多参差不齐的潜坑、阶地等岩溶微古地貌，当中石炭世遭受海侵时，海水携带着风化壳上残留的原地红土物质首先在这些微古地貌单元中沉积，并且向隆起方向减薄，因此铝土岩的局部富集又受岩溶微地貌控制。
3.1.1 古陆长期风化剥蚀形成的富铝红土奠定了丰富的含铝物质基础
3.1.2 微古地貌负地形单元是含铝岩系沉积和充填发育的优势部位
铝土岩的厚层沉积与岩溶微古地貌有关，前述提及，庆阳古陆在前石炭系风化壳期长期岩溶形成复杂的喀斯特地貌单元，自西向东由岩溶高地—岩溶斜坡—岩溶盆地过渡，岩溶高地和岩溶斜坡部位以垂向渗流溶蚀作用为主，自然溶蚀残丘呈北西—南东向展布［图6（a）］。钻探与研究表明，与残丘相邻的潜坑、阶地、沟槽等微古地貌单元有利于铝土岩的发育，从三维地震恢复的微古地貌可以明显看出地形高低起伏较大，造成铝土岩沉积厚度差异大，规律性不强，呈现点群式分布的特征［图6（b）］，这为含铝物质富集提供了有利的容纳空间。地层对比图显示，铝土岩系地层呈北西—南东方向分布，相对连续，发育多个富集区，厚度自南东向北西方向减薄，普遍厚度为5~15 m，最厚可达20 m（图7）。
图6 庆城北三维区前石炭系风化壳期古地貌（a）与微古地貌（b）特征Fig.6 Paleogeomorphological map（a） and micro paleogeomorphological map （b） of the pre-Carboniferous weathering crust period in the three-dimensional area of northern Qingcheng |
3.1.3 位于潜水面以上的潜坑和阶地有利于含铝岩系地层淋滤成储
潜坑、阶地、沟槽3种微古地貌纵向上形成了太原期3种岩性组合序列（表1，图8）。由于含铝岩系厚度、淋滤程度也有所不同所致，其中潜坑、阶地常年位于潜水面之上，因此淋滤程度较高，含铝岩系发育优质铝土岩储层，反映在岩性组合上为序列1（含铝岩系+炭质泥岩）和序列2（含铝岩系+煤岩+碎屑岩）。两种组合的含铝岩系由于淋滤时间长、结构稳定，元素迁移形成了铝的富集，因此发育优质铝土岩储层，且序列1反映的潜坑型铝土岩以垂向厚度大（10~30 m）、平面变化快，序列2反映的阶地型铝土岩具有横向上连续性较好的特征。沟槽多位于潜水面之下，淋滤时间短，同时海侵造成结构失稳，常以薄层铝土质泥岩+灰岩为主要岩性组合，基本不发育储层。
表1 陇东地区铝土岩系地层岩性组合序列Table 1 The stratigraphic lithology combination sequence of bauxite rock formation in Longdong area |
| 分类 | 微古地貌 | 岩石组合 | 上覆地层 | 下伏地层 | 铝土岩 厚度/m | 代表 井区 | 孔隙类型 | 孔隙度 /% | 渗透率 /（10-3 μm2） | 含气性 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 序列1 | 潜坑 | 含铝岩系+炭质泥岩 | 沉积间断 | 渗流通道发育，岩溶缝洞 | 5~30 | CT3 | 铸模孔 基质溶孔 | 5.0~30.5 | 0.10~38.50 | 好 |
| 序列2 | 阶地 | 含铝岩系+煤+碎屑岩 | 沉积丰富的陆缘碎屑 | 渗流通道以裂缝为主 | 2~20 | L47 | 粒间孔 基质溶孔 | 2.7~21.5 | 0.07~0.30 | 较好 |
| 序列3 | 沟槽 | 含铝岩系+灰岩 | 沉积海相碳酸盐岩 | 无渗流通道岩性致密 | 2~10 | QT15 | 致密 | <2.5 | <0.07 | 差 |
3.2 煤岩分布与天然气运移通道组合控制了铝土岩气藏的富集
3.2.1 多个聚煤中心是主要烃源岩发育区
太原期是鄂尔多斯盆地上古生界最大的海泛期，随着这一时期的准平原化结束，古陆在海陆交互相沉积的作用下填平补齐，并形成周期性的平原沼泽环境，同时该时期是地质历史时期陆上高等植物的繁盛期，平原沼泽成为重要的聚煤中心。陇东地区存在多个聚煤中心，煤岩主要发育在环县、华池、庆城一带，厚度为5~10 m（图9），煤岩有机碳含量在44.7%~83.2%之间，热演化程度为2.1%~2.6%，该套煤岩发育在铝土岩系地层之上，是铝土岩气藏的重要气源。
3.2.2 区域西倾单斜构造有利于气源向东运移成藏
陇东地区整体位于伊陕斜坡与天环坳陷的结合部，整体具有东高西低的构造特征，受燕山—喜马拉雅期晚期构造运动影响，正断层与近东西向平移断层发育，并产生大量褶皱和局部裂缝带，这使得该区天然气运移通道对气藏的形成具有明显的控制作用，结合区域西倾单斜与平移断层双重因素影响，气源自聚煤中心向东运移为主，因此煤岩厚值区以东的铝土岩发育区是重要的成藏指向区。
4 铝土岩气藏勘探关键技术序列
经历两年多的技术攻关探索，针对铝土岩气藏勘探开发已经摸索出一系列相对成熟的配套技术，为长庆油田铝土岩规模发现和效益开发提供了重要的技术保障。
4.1 创新“一高二带”地震预测模式，实现铝土岩储层的有效预测
针对铝土岩新类型气藏，强化岩石物理、模型正演等基础实验研究，重点攻关微古地貌刻画、铝土岩薄储层预测等技术。微古地貌恢复方面，将二三维地震联合解释刘家沟—太原组厚度刻画太原沉积期古底形，在传统印模法的基础上利用趋势面法进一步精细刻画其微古地貌，该技术采用波动方程模型正演达到去强干涉效应。储层预测方面首先基于模型正演分析及属性优选，优选最大波谷振幅属性，定性预测铝土岩平面展布范围；其次采用超声波、低频测量和三轴应力实验，开展地层条件下纵横波速度测量，利用偶极横波测井进行岩石物理建模，构建铝土岩岩石物理量版，明确铝土岩储层脆性大、散频明显、高纵波阻抗和低泊松比的地球物理特征；最后采用地质统计学反演技术预测铝土岩储层，厚度误差整体小于3 m，岩性预测效果明显，铝土岩整体呈条带状、大分散、小聚集分布特征。
最终以铝土岩厚度、孔隙度、泊松比为主要参数预测地质甜点，以脆性指数、裂缝密度为主要参数预测工程甜点，形成现今构造高、负向古地貌带、储层发育带“一高二带”多因素评价方法，在陇东三维区综合评价I+II类有利区450 km2（图10）。
4.2 形成费歇尔岩性自动识别技术，完善物性计算模型和气水判识
铝土岩的测井响应特征明显，为进一步做好储层评价，优选反映不同岩性的敏感曲线构建判别函数，开展了费歇尔岩性自动识别技术模块的编译与挂接，完成了22口完试井的岩性重新处理解释。后期评价应用效果显著，提高了岩性组分识别精度，并对盆地钻遇铝土岩探井进行判识计算，完成了全盆地铝土岩分布概图。完善分岩性孔、渗模型，有效提高了物性参数计算精度，通过丰富岩心分析物性数据，优选物性敏感曲线，重新构建出分岩性的物性计算模型，通过计算模型处理绝对误差从3.02%降低至1.61%，相对误差从0.77降低至0.16，有效提高了物性参数计算精度。在岩性识别基础上，围绕铝土岩储层品质开展试气产量主要影响因素分析，明确铝土岩纯度、厚度和试气产量有明显正相关关系，电阻率较低时（<15 Ω·m），储层产水概率大，创建了不同类型铝土岩储集层气水识别图版。
4.3 攻关多组分耦合活性酸加砂压裂，形成储层改造配套工艺技术
前期针对泥质铝土岩与铝土质泥岩，开展了岩石力学测试、裂缝扩展物模、支撑剂嵌入导流等实验，进一步明确泥质含量高的铝土岩储层具有杨氏模量、脆性指数、最小主应力高等特征，给压裂造缝带来较大难度。因此创新研发多组分耦合活性酸，大幅降低裂缝起裂及延伸压力，该技术转变了以往酸溶铝质矿物的思路，通过多体系优选复配，创新研发了以酸溶黏土矿物为对象、提升反应活性的盐酸+铝硅缓速酸+活性剂多组分耦合活性酸体系。实验证明在95 ℃下，溶蚀率达20%~42%，室内评价岩心溶蚀率可达32%，形成了陇东地区铝土岩储层改造配套技术体系。
5 铝土岩资源潜力与攻关方向
5.1 立足盆地西南部庆阳古陆，落实铝土岩气藏高产富集群落
铝土岩由于产状多样、单体成矿规模小，勘探难度相对较大，但优质铝土岩储层物性好、成藏后单井产量高，近期水平井实施效果显著，可作为具有一定风险勘探的高效气藏。因此，重点通过以下两方面落实高产气藏群落。一是细化“一区一策”分层次实施。从当前陇东勘探程度揭示L47、CT3、L68、HT14、HT7等5个有利含气区（图5），其中L47井区铝土岩具有连续“透镜状”分布特征。首口铝土岩水平井试气达353.4×104 m3/d，创盆地上古生界单井最高产量，CT3、L85井区勘探开发一体化实施，气藏具有单体厚、点群式的“鸡窝状”分布特征，直井试气最高至100×104 m3/d以上，HT14与HT7井区储层发育较好，但勘探程度较低，气水关系有待进一步深化。二是注重井震结合分析在实钻中的调整。研究表明，铝土岩在微古地貌发育的部位通常会伴有底部发育铁帽的组合，通常钻探如果钻遇该标志层，可考虑应用井下微地震采集井筒周边地震信息，反演潜在铝土岩储层的分布规律，为实施侧钻或大斜度井，甚至水平井提供依据，最大可能的通过单井控制井点3 km以内的铝土岩气藏群。
5.2 紧跟盆地中东部勘探苗头，寻找铝土岩气藏勘探新区带
盆地东部铝土岩层位与山西铝土矿可对比，表明该区具备形成一定的铝土岩规模。运用测井识别标准对东部881口单井进行复查并绘制含铝岩系厚度图，从中优选86口井进行测井解释，其中56口有含气显示。目前已优选铝土岩兼探井13口，完钻1口，该井在本溪组底部钻遇铝土岩含气层3.6 m，气测峰值22.81%，峰基比为27.48，表明测井技术在老井复查的成功率较高，可进一步优选有利勘探目标。初步选定盆地东部含铝岩系3个有利区：米脂地区有利面积为950 km2，铝土岩厚度为2.1~8.3 m；佳县西地区有利面积为250 km²，铝土岩厚度为2.4~12.3 m；神木地区有利面积为475 km²，铝土岩厚度为2.6~6.4 m，合计勘探面积为1 680 km²，有望在盆地东部寻找铝土岩勘探新区带（图11）。
6 结语
2021年首次在鄂尔多斯盆地发现铝土岩气藏。近年以来，中国石油长庆油田分公司以地质理论创新建立了“微古地貌控储、煤岩近源供烃、差异溶蚀控藏”的点群式成藏模式，进一步揭示了铝土岩具有近源规模成藏潜力，明确了铝土岩新类型富集成藏地质条件，形成的配套工艺技术为高效勘探提供了技术保障。在陇东地区落实5个铝土岩气藏有利勘探目标，面积为7 000 km²，潜在资源量为5 000×108 m3。截至目前，该区共计21口井在含铝岩段完成试气，14口井试气产量超过1×104 m3/d，3口井试气产量超过100×104 m3/d，成为鄂尔多斯盆地天然气勘探重要的接替领域。
下一步，中国石油长庆油田分公司将立足鄂尔多斯盆地西南部陇东地区铝土岩气藏群精细刻画，加强顶层设计，统筹规划，通过地质、地震、测井、工艺等多学科联手，开展在铝土岩气藏综合评价与钻井工程等关键理论和技术问题的联合攻关，提高铝土岩“小而肥”隐蔽性气藏的钻遇率，高效动用铝土岩天然气资源；创新古陆周边风化壳型铝土岩气藏勘探理论与配套技术，持续扩大勘探成果，并在盆地中东部古陆风化壳之上积极拓展新区带，开拓新的含气富集区；以科技创新为驱动，对标世界一流，引领油气行业内铝土岩气藏新类型的高质量勘探开发，积累丰富的理论和技术经验，推广至全国乃至全球指导同类气藏的勘探实践。
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