0 引言
鄂尔多斯盆地含铝岩系勘探面积8 000 km2，天然气资源量超5 000×108 m3。20世纪至21世纪初期，鄂尔多斯盆地早期钻探实践认为石炭系本溪组、二叠系太原组含铝岩系是下伏奥陶系风化壳气藏的非渗透性盖层[6⇓-8]。2004年至2015年，随着盆地西南部陇东地区勘探程度的加大，完钻的95口探井中有35口在太原组含铝岩系见气测异常显示，一些学者转换研究思路，认为含铝岩系可作为天然气优质储层[9]，为了验证这一想法，实施部分探井在含铝岩系的试气工作并获低产气流。结合测井评价，初步明确盆地西南部太原组含铝岩系的厚度、气测异常均优于盆地中东部本溪组。2020年以来，通过转变非常规油气勘探思路，深化含铝岩系天然气成藏富集规律研究，在陇东地区太原组含铝岩系完试21口井，14口井试气产量大于1×104 m3/d，4口井试气产量大于50×104 m3/d，实现了古生界含铝岩系气藏勘探重大突破[10-11]。
目前有关煤下含铝岩系气藏成藏主控因素的研究不够深入且多局限于鄂尔多斯盆地西南部陇东地区，针对整个鄂尔多斯盆地乃至中国北方煤下含铝岩系气藏的研究鲜见。本文基于岩心、野外露头、录井、测井、试气和分析化验资料，通过梳理鄂尔多斯盆地石炭系本溪组—二叠系太原组含铝岩系的岩性类型，明确含铝岩系有效储层特征及其发育控制因素，阐明煤系烃源岩与含铝岩系的源储配置关系，构建天然气成藏模式，对中国北方石炭系—二叠系含铝岩系天然气勘探潜力进行评价，预测有利勘探区带，以期为其他地区煤下含铝岩系天然气勘探提供技术支撑。
1 区域地质背景
含铝岩系在鄂尔多斯盆地内广泛分布，主要在盆地中东部本溪组和盆地西南部太原组中发育。石炭纪晚期海侵范围扩大，盆地中东部大部分区域淹没于水下接受本溪组沉积，此时盆地西南部中央古隆起的范围虽然缩小，但主体部分仍处于海平面之上以表生风化作用为主，未接受本溪组沉积；二叠纪早期开始，海侵范围进一步扩大，中央古隆起逐渐淹没于水下，接受太原组沉积。因此，盆地中东部下古生界碳酸盐岩上覆石炭系本溪组（见图1a ），盆地西南部中央古隆起区，下古生界上覆二叠系太原组，石炭系本溪组缺失（见图1a ）。古生界自下而上为下古生界寒武系毛庄组、徐庄组、张夏组、三山子组，奥陶系马家沟组；上古生界石炭系本溪组、二叠系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组（见图1b ）。
2 含铝岩系储层特征
2.1 岩石类型及特征
由X衍射全岩分析可知鄂尔多斯盆地含铝岩系含量占比相对较多的矿物组分可分为3类，分别是铝的氢氧化物、含铁矿物和黏土矿物，其中铝的氢氧化物主要是一水软铝石、一水硬铝石和三水铝石，含铁矿物主要为菱铁矿、黄铁矿等，黏土矿物主要为伊利石、高岭石、绿泥石等。依据3类矿物组分的含量，采用三端元划分法，可将含铝岩系的岩性细分为7种类型[18⇓-20]，分别是铝土质泥岩、泥质铝土岩、泥质铁质岩、铝土岩、铁质铝土岩、铝土质铁岩和铁岩（见图2 ）。鄂尔多斯盆地含铝岩系主要的岩石类型为铝土质泥岩、铝土岩和泥质铝土岩。铝土质泥岩的矿物组分以黏土矿物和铁质矿物为主，两者含量之和占比超过50%，水铝石含量小于50%，颗粒细小，以隐晶质或隐晶质团块出现，呈层状断续分布。铝土岩的矿物组分以水铝石为主，含量大于75%，黏土矿物和铁质矿物的含量之和少于25%，岩石常见碎屑、豆、鲕状颗粒结构，分选较好，正韵律堆积、定向排列。泥质铝土岩的矿物组分也以水铝石为主，含量为50%~75%，黏土矿物和铁质矿物的含量之和为25%~50%，具有块状结构。
2.2 储集空间及物性特征
通过观察和分析铸体薄片、扫描电镜、岩心等资料，认为鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系含铝岩系主要发育溶蚀孔、晶间孔和微裂缝3种储集空间类型。
溶蚀孔以残余格架溶蚀孔（见图3a 、图3b 、图3g ）、粒内溶孔（见图3c 、图3d ）为主，其次为基质溶孔（见图3e ）。残余格架溶蚀孔属于团块颗粒间残余的粒间孔隙，局部发生溶蚀扩大，孔隙中常析出高岭石及一水硬铝石晶体，多呈片状、针状，孔径为20~150 μm，面孔率为3.0%。粒内溶孔发育在豆鲕、碎屑结构的铝土岩矿储层中，孔径为100~200 μm，面孔率为8.0%，常见次生绿泥石呈针状或柱状，沿垂直于孔壁的方向杂乱生长。基质溶孔主要是隐晶质三水铝石发生重结晶作用，析出自形微晶一水硬铝石晶体，松散状堆积并发生溶蚀，形成晶间溶蚀孔隙[21]。
图3 鄂尔多斯盆地含铝岩系储集空间特征（a）L47井，太原组，4 119.00 m，豆、鲕状颗粒间残余格架溶蚀孔发育，铸体薄片；（b）L47-1C井，太原组，4 151.32 m，豆、鲕状颗粒间残余格架溶蚀孔发育，铸体薄片；（c）L47井，太原组，4 118.00 m，鲕状颗粒粒内溶蚀孔发育，铸体薄片；（d）L47井，太原组，4 107.00 m，鲕状颗粒粒内溶蚀孔发育，铸体薄片；（e）L47井，太原组，4 107.0 m，基质溶孔发育，铸体薄片；（f）L58井，太原组，4 048.50 m，晶间孔发育，铸体薄片；（g）L58井，太原组，4 044.99 m，粒间残余格架溶蚀孔发育，扫描电镜；（h）HT2井，太原组，4 611.23 m，可见微裂缝，铸体薄片；（i）M115井，太原组， |
晶间孔一般在结晶程度较高的一水铝石、高岭石、黄铁矿及锐钛矿晶间发育，孔径较溶蚀孔小，整体以纳米级为主（见图3f ），偶见半充填微裂缝中的白云石晶间孔。
从岩心可以看出，铝土岩疏松多孔，结构呈蜂窝状（见图4 ），由大量豆鲕、碎屑结构颗粒溶蚀形成，常见多孔状残余豆鲕、碎屑结构。溶蚀孔数量多、体积大，连通性好，共同构成孔隙型储集系统。据盆地西南部太原组蜂窝状含铝岩系储层中44个样品的物性参数统计，孔隙度为5.0%~29.7%，平均值为16.59%，大于10%的储集空间占46.16%，渗透率主体为（0.01~38.55）×10−3 μm2，物性条件好。而在块状泥质铝土岩层和纹层状铝土质泥岩层中，水铝石含量低，不具有显晶质结构，豆鲕、碎屑结构少见，溶蚀孔欠发育，孔隙主要为黏土矿物、三水铝石、锐钛矿及黄铁矿的晶间孔，孔隙小，岩性致密，物性差，纹层状铝土质泥岩的物性甚至与泥岩相当（见图5 ）。由此可以说明鄂尔多斯盆地含铝岩系有效储层主要为一水硬铝石含量超过75%、具有多孔状残余豆鲕、碎屑结构的蜂窝状铝土岩，一般发育在含铝岩系中段[21]。
3 有效储层发育控制因素
3.1 不整合面夷平化作用提供含铝岩系发育的物质基础
华北克拉通风化壳型含铝岩系均产于奥陶系碳酸盐岩古侵蚀面之上的石炭系或二叠系底部地层中，含铝岩系的形成与下古生界碳酸盐岩基底密切相关。
随着风化程度的增大，稳定元素在风化物中逐渐富集，但风化物与母源的稳定元素的相对比例保持不变。研究区岩石的锆/铌值（Zr/Nb）在不同物源岩性间存在明显差别[27]。含铝岩系与下伏奥陶系—寒武系碳酸盐岩的Zr/Nb值基本一致，为7.52~11.28，平均值为8.80，但明显小于二叠系碎屑岩的Zr/Nb值（14.78~17.82，平均值为17.30）和奥陶系凝灰岩的Zr/Nb值（大于20）。
另外，从元素含量来看，铝是鄂尔多斯盆地下古生界碳酸盐岩的主量元素，Al2O3含量为0.06%~13.06%，平均值为2.18%。下古生界碳酸盐岩经历强烈风化剥蚀，释放各种离子，铝离子在溶液中残留，组成含铝溶液，含铝溶液被海水搬运到古地貌低部位，从而使铝离子得到富集。
3.2 岩溶古地貌控制含铝岩系发育
鄂尔多斯盆地含铝岩系为古风化壳沉积型，其发育受岩溶古地貌控制[20]。由于盆地西南部陇东地区太原组含铝岩系的厚度、气测异常均优于盆地中东部本溪组，这里以陇东地区为例来说明岩溶古地貌对含铝岩系发育的控制作用（见图6a ）。
岩溶台地区，基底碳酸盐岩受到的不整合面夷平化作用程度高，风化形成的含铝物质基础十分丰厚，但高平台区对铝的保存不利，容易被剥蚀搬运，只有岩溶台地边缘的潜坑是接受铝胶溶液有利的低部位，沉积环境主要为封闭的瀉湖，含铝物质得以富集，不易流失，矿物从铝胶溶液中结晶析出并沉积。潜坑发育的含铝岩系多呈漏斗型，厚度大，垂向岩性组合序列自下而上为含砾铝土质泥岩、含铁铝土质泥岩、豆鲕状铝土岩、块状铝土岩、泥质铝土岩，上覆炭质泥岩层。
位置稍低的岩溶斜坡地区，基底碳酸盐岩受到的风化程度下降，形成含铝岩系的物质基础较岩溶台地变差，沉积时水体加深，负地形岩溶微古地貌单元阶地内的沉积环境主要为半封闭的瀉湖及潮坪，水体浅而动荡，含铝物质大部分能够富集，但少部分流失。阶地发育的含铝岩系呈透镜状，厚度较潜坑减薄，垂向岩性组合序列自下而上为含砾铝土质泥岩、含铁铝土质泥岩、豆鲕状铝土岩、块状铝土岩、泥质铝土岩，上覆煤或劣质煤层。
古地形较陡的岩溶台地边缘与斜坡地区，坡顶已形成的离子结晶成因的含铝岩系沉积建造，经较强的机械破碎作用，短距离搬运后，在坡底堆积，形成含砾铝土质泥岩。因此，含砾铝土质泥岩通常位于潜坑或阶地含铝岩系的底部。
盆地区，基底碳酸盐岩受到的不整合面夷平化作用程度低，风化形成的含铝岩系物质基础薄弱，沉积环境主要为开阔的浅海陆棚，少部分含铝物质能够在盆地区靠近古陆一侧相对较低位置的沟槽聚集，但大部分流失，不能产出高水铝石含量的优质铝土岩。沟槽内发育的含铝岩系呈薄层状分布，垂向岩性组合序列自下而上为含铁铝土质泥岩、铝土质泥岩，铝土岩不发育，上覆煤层和灰岩层。
由上述分析可以得出，岩溶古地貌控制了含铝岩系的发育，形成了3种类型的垂向岩性组合序列，其中含有豆鲕、碎屑结构的铝土岩主要分布在岩溶台地边缘和斜坡区相对封闭的潜坑或阶地（见图6 ），并受岩溶泄水通道“溶筛”，形成沿古隆起周缘串珠状分布的含铝岩系储层。
3.3 陆表淋滤作用改善储集性能
早期沉积的具有豆、鲕颗粒结构的铝土岩经历了表生期、埋藏期、后成岩期3个重要的成岩阶段，受到了陆表淋滤、重结晶、有机酸溶解作用的改造，形成蜂窝状结构储层，储集性能得到极大的改善。
表生期：由于铝土岩中的豆、鲕颗粒是氢氧化铝、硅酸等胶体在不同性质的颗粒表面反复交替絮凝而形成的成岩阶段产物，因此，在其水铝石格架内存在大量物理化学性质不稳定的易溶硅质组分。当豆、鲕颗粒铝土质在碳酸盐岩风化壳之上直接堆积半固结后，经历了高含二氧化碳的地表水和大气水的表生风化淋滤作用，水铝石格架内的大量易溶硅质组分被淋滤并通过溶斗或溶洼底部的裂缝等泄水通道带出，形成了数量可观的残余格架溶蚀孔、粒内溶孔。
埋藏期：铝土岩基质中三水铝石隐晶质首先脱水形成软水铝石，随后软水铝石结构调整变成自形的一水硬铝石微晶，一水硬铝石重结晶后松散状堆积并发生溶蚀，形成了大量基质溶孔。
后成岩期：上覆炭质泥岩、煤层在成熟后会生成和排出大量有机酸，据煤成气模拟试验，煤溶解水中的有机酸浓度1 402.38~16 061.22 mg/L[31]。在地下深埋藏条件下，煤系产生的有机酸持续下渗至含铝岩系，脱硅化作用和溶蚀作用进一步加强，溶孔的体积继续扩大。
陆表淋滤作用是形成孔隙型储层的关键，由表生期暴露大气淡水淋滤并通过泄水通道溶筛铝土岩形成的孔隙占储集空间近77.8%[31]。在位于潜水面之上的岩溶台地潜坑或岩溶斜坡阶地内，不仅具有豆鲕、碎屑颗粒结构的铝土岩发育，而且在下伏碳酸盐岩地层中存在大量不同规模的洞穴、裂缝等渗流通道，水铝石格架内不稳定的硅质组分易被溶解带走，经溶蚀形成大量孔隙，是含铝岩系有效储层形成的有利区。在潜水面之下的盆地溶槽内具有豆鲕、碎屑颗粒结构的铝土岩不发育，下伏地层岩性致密无渗流通道，不利于含铝岩系有效储层的形成。
综上所述，含铝岩系有效储层形成模式为“不整合面夷平化作用供源、岩溶古地貌控岩、陆表淋滤控储”。
4 煤铝的空间配置及天然气成藏模式
4.1 空间配置及其控制因素分析
4.1.1 湿热气候环境
本溪组沉积晚期开始，鄂尔多斯盆地由缓慢沉降逐渐转为区域性构造稳定阶段[12]，环古陆边缘发育海陆交互相沉积环境，地表准平原化，气候温暖潮湿，植物生长茂盛，大面积覆盖。植物的空前繁盛不仅提供了丰富的有机质，而且限制了基岩剥蚀，使碎屑物源供给减弱，并阻止大气降水流失，形成泥炭沼泽聚煤环境。无机沉积作用向有机沉积作用转化，植物残骸替代了陆源碎屑，于是在含铝岩系之上沉积泥炭形成煤系。
4.1.2 海平面变化
以鄂尔多斯盆地西南部中央古隆起岩溶斜坡区L58井为例来说明海平面变化控制煤-铝-铁三段式地层结构形成的作用机理：含铝岩系开始沉积时，C21TT/C20TT和C23TT/C21TT的值均较大，此时水体盐度大、深度大，为海进期，沉积环境为还原环境，pH值大于8，溶液中SiO2发生溶解减少，Fe、Al基本不溶，含铁铝硅酸盐岩矿物首先沉淀下来，含铝岩系下部通常发育含铁铝土质泥岩、赤铁矿、菱铁矿。随后发生海退，C21TT/C20TT和C23TT/C21TT的值均开始减小，海水盐度和深度降低，海退早期，沉积环境中pH值为5~8，SiO2的溶解量是Fe的10~20倍，SiO2溶解量达最大，泥质元素快速流失，Fe溶解速率也增大，Al依然呈稳定状态在溶液中富集，于是逐渐形成了铝土岩、泥质铝土岩，位于含铝岩系的中上部[4]。海退晚期，有机质腐烂使环境偏酸性pH值小于5，Fe、Al的溶解量比SiO2大的多，铝土岩又向硅酸盐岩转化，含铝岩系顶部生成炭质泥岩和煤（见图7 、图8 ）。
煤-铝-铁三段式的地层结构形成于一个海进—海退周期，其中，铝土岩形成于海退背景。当第1海退期结束，海平面下降到最大后又开始上升，进入第2个海进期，此时第2期含铝岩系按照与第1期相同的形成机理开始发育。受石炭纪—二叠纪多期海平面变化的影响，垂向上煤-铝-铁三段式的地层结构呈多期叠置堆积[35]。
4.2 含铝岩系源下天然气成藏模式
圈闭封闭条件决定了含铝岩系气藏类型为岩性气藏。一方面，含铝岩系储层被周围普遍致密的泥岩所限形成侧向遮挡；另一方面，上覆煤系不仅是提供气源的烃源岩，还作为盖层防止天然气散失（见图9 ）。
5 中国北方石炭系—二叠系风化壳型含铝岩系天然气勘探启示
鄂尔多斯盆地含铝岩系天然气勘探突破，有望为中国北方石炭系—二叠系风化壳型含铝岩系天然气勘探提供参考借鉴。基于前述对鄂尔多斯盆地含铝岩系有效储层发育控制因素的研究，中国北方含铝岩系储层形成的地质条件具有以下共性：①含铝岩系沉积前，华北克拉通在中奥陶世缓慢上升为陆地，由于上升的不均衡性，表现为正向和负向构造，导致各地所受的风化剥蚀程度不同[26]。古陆或古岛及其周缘是剥蚀区，下古生界碳酸盐岩大范围经历了长期强烈的风化剥蚀，蚀变后分解发生元素分离与聚集，为中国北方含铝岩系的发育提供了丰富的物质基础；②剥蚀区与低洼区连接处的沉积坡折带，岩溶古地貌单元为台地边缘—斜坡，在其内部相对位置较低的潜坑或阶地，沉积环境主要为半封闭—封闭的瀉湖和潮坪，离蚀源区距离近，铝质来源丰富，是高品位铝土矿的分布区（见图10 ）；③古陆台地边缘—斜坡区一般也位于潜水面之上，潜坑或阶地内发育的豆、鲕状颗粒结构的铝土岩易受表生期大气淡水淋滤并通过泄水通道溶筛形成大量孔隙，转换为蜂窝状含铝岩系储层。因此中国北方含铝岩系储层大部分发育在古陆或古岛边缘的浅水区，以点群式分布，而不在远离古陆的深水区[30]。
6 结论
根据铝的氢氧化物、含铁矿物和黏土矿物3类矿物组分的含量，采用三端元划分法，可将含铝岩系的岩性细分为铝土质泥岩、泥质铝土岩、泥质铁质岩、铝土岩、铁质铝土岩、铝土质铁岩、铁岩7种类型，其中铝土质泥岩、铝土岩和泥质铝土岩是鄂尔多斯盆地含铝岩系主要的岩石类型。鄂尔多斯盆地含铝岩系有效储层主要为具有多孔状残余豆鲕、碎屑结构的蜂窝状铝土岩，一般发育在含铝岩系中段，储集空间以溶蚀孔为主，物性条件好。
含铝岩系有效储层形成模式为“夷平化作用提供含铝岩系发育的物质基础、岩溶古地貌控制含铝岩系发育、陆表淋滤作用改善储集性能”。含有豆鲕、碎屑结构的铝土岩主要发育在岩溶台地边缘和斜坡区相对封闭的潜坑或阶地，并受岩溶泄水通道“溶筛”，形成沿古隆起周缘串珠状分布的含铝岩系储层。
湿热气候环境和海平面变化控制发育煤-铝-铁三段式地层结构，煤系烃源岩与含铝岩系在空间上密切共生，构成上生下储的良好源储配置关系。煤系烃源岩面积大、分布广，热演化程度高，生烃能力强，天然气在煤下含铝岩系储层富集，源下成藏。
鄂尔多斯盆地含铝岩系气藏的勘探突破可以有效的指导中国北方石炭系—二叠系风化壳型含铝岩系天然气勘探。华北克拉通之上的秦岭古陆东侧、内蒙古陆南侧以及吕梁古岛和五台古岛西侧的沉积坡折带，既发育有呈串珠状分布的高品质含铝岩系储层，又是石炭系—二叠系的主要聚煤中心，成藏条件好，含铝岩系气藏点群式聚集，有望成为中国北方煤下含铝岩系天然气勘探的有利区。