鄂爾多斯盆地古隆起東側(cè)奧陶系馬家溝組中組合成藏地質(zhì)條件

時(shí)保宏，劉亞楠，武春英，黃正良，任軍峰

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710065; 2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安710018)

鄂爾多斯盆地是我國下古生界碳酸鹽巖主要分布區(qū)之一，碳酸鹽巖沉積厚度大，分布范圍廣。長期以來，鄂爾多斯盆地下古生界碳酸鹽巖勘探主要圍繞奧陶系頂部巖溶風(fēng)化殼儲(chǔ)層開展工作，發(fā)現(xiàn)了以奧陶系馬家溝組馬51、馬52及馬54碳酸鹽巖巖溶風(fēng)化殼為儲(chǔ)層的靖邊大氣田［1-3］，并認(rèn)為古隆起東側(cè)(靖邊氣田西側(cè))缺失馬51、馬52和馬54儲(chǔ)集層地層，不具風(fēng)化殼成藏條件，無勘探潛力。但自2009年開始，在古隆起東側(cè)(靖邊氣田西側(cè))相繼發(fā)現(xiàn)了一批儲(chǔ)層類型有別于靖邊氣田的探井，為盆地下古生界天然氣的勘探提供了新領(lǐng)域、新層系。為此，筆者從盆地古隆起東側(cè)奧陶系馬家溝組中組合烴源巖、沉積類型，儲(chǔ)層特征等成藏地質(zhì)條件開展研究，以期對盆地下古生界天然氣勘探提供一定的地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，具有太古宇及元古宇變質(zhì)結(jié)晶基底，上覆中、新元古界、古生界、中生界及新生界沉積［4-9］。早古生代中、晚期，由于古秦嶺洋板塊向華北板塊的俯沖，致使在古華北板塊靠近西南緣一側(cè)產(chǎn)生局部的地形隆起，繼而形成橫亙在盆地西南部呈“L”型分布的隆起帶，即所謂的中央古隆起［10-12］;至中奧陶世，中央古隆起逐漸進(jìn)入鼎盛時(shí)期。由于古隆起的分隔作用，其東、西兩側(cè)分屬不同海域，表現(xiàn)為兩個(gè)不同的沉積體。古隆起西側(cè)，屬祁連海域，發(fā)育較全的奧陶紀(jì)地層，主要為碳酸鹽巖臺(tái)地和深水碳酸鹽巖臺(tái)地斜坡相沉積。而古隆起東側(cè)，屬華北海域，普遍缺失中、上奧陶統(tǒng)沉積，發(fā)育下奧陶統(tǒng)冶里組、亮甲山組和馬家溝組，主要為淺水碳酸鹽巖臺(tái)地相沉積。受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，盆地古隆起東側(cè)大部分地區(qū)奧陶系馬家溝組地層缺失馬6 段灰?guī)r，頂部均發(fā)育盆地碳酸鹽巖天然氣主要聚集的層段——馬5 段白云巖。根據(jù)地層旋回、巖性、電性組合等特征，馬5段從上而下細(xì)分為10 個(gè)亞段(馬51—馬510)。按照儲(chǔ)層類型及成藏特征，前人將奧陶系馬家溝組儲(chǔ)集體劃分為3 個(gè)含氣組合［13］:馬51—馬54為上組合;馬55—馬510為中組合，馬4 段以下為下組合。上組合儲(chǔ)層巖性主要為紋層狀泥粉晶白云巖，孔隙類型以溶蝕孔洞為主，是靖邊氣田的主力產(chǎn)氣層段;下組合為厚層細(xì)-中晶白云巖，晶間孔及溶孔極為發(fā)育，儲(chǔ)集性能優(yōu)越，但由于該組合缺乏有效的圈閉，地層中普遍含水;中組合(馬55-馬510)儲(chǔ)層主要為古隆起東側(cè)的白云巖體，其中馬55為主要儲(chǔ)集層段。

2 成藏地質(zhì)條件

2.1 烴源巖條件

前人研究認(rèn)為［14-15］，鄂爾多斯盆地發(fā)育上古生界煤系和下古生界海相碳酸鹽巖兩套烴源巖，氣源供給充分。其中上古生界煤系烴源巖主要由石炭系-二疊系山西組、太原組和本溪組的煤層和暗色泥巖構(gòu)成。煤層殘余有機(jī)碳含量為70.8%～83.2%，氯仿瀝青“A”含量為0.61%～0.80%，總烴含量為1 757.1 ×10-6～2 539.8×10-6;暗色泥巖殘余有機(jī)碳含量為2.0%～3.0%，氯仿瀝青“A”含量為0.037%～0.120%，總烴含量為163.76 ×10-6～361.60 ×10-6。生烴中心，烴源巖生氣強(qiáng)度一般為20 ×108～40 ×108m3/km2。因此，其有機(jī)質(zhì)豐度較高，生烴強(qiáng)度大，是下古生界碳酸鹽巖氣藏的主要?dú)庠矗瑸橄鹿派鐨獠氐男纬珊透患峁┝顺渥愕臍庠础?/p>

海退旋回地層中膏鹽巖發(fā)育，膏鹽洼地為缺氧的強(qiáng)還原環(huán)境，利于形成有機(jī)質(zhì)豐度較高的烴源巖層。因此下古生界海相烴源巖主要發(fā)育在處于海退環(huán)境的馬56、馬58及馬510地層。其巖性主要為泥質(zhì)碳酸鹽巖。殘余有機(jī)碳含量一般為0.30%～0.98%，最高可達(dá)1.83%。

前人研究［3，13］認(rèn)為古隆起東側(cè)中組合下段(馬56—馬510)氣藏的氣源與中組合馬55相似，均為來自于上古生界的煤系源巖。此次筆者通過對盆地東部海相氣典型井、古隆起東側(cè)中組合及上組合風(fēng)化殼儲(chǔ)層樣品做油氣包裹體激光拉曼光譜、天然氣甲烷碳同位素等分析，采取對比分析的方法，證實(shí)了古隆起東側(cè)奧陶系中組合下段的氣源為混源氣。

利用盆地東部海相氣典型井、上組合及中組合天然氣單井的同位素資料在天然氣判識(shí)圖版［16］進(jìn)行投點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)中組合馬55與上組合的井都投在煤型氣的范圍內(nèi)，而中組合下段(馬56—馬510)的井則分布在混源氣的范圍內(nèi)(圖1);另對盆地上古生界天然氣井的150 個(gè)氣樣及盆地東部典型海相氣的5 個(gè)氣樣的甲烷碳同位素測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明上古生界煤型氣甲烷碳同位素均值為-32.90‰，下古生界海相氣甲烷碳同位素均值為-39.09‰。而古隆起東側(cè)中組合下段的天然氣甲烷碳同位素值在-37.03‰～34.35‰，平均-35.52‰，基本處于上古生界煤型氣與下古生界海相氣二者之間，佐證了中組合下段氣源為混源氣。

圖1 鄂爾多斯盆地天然氣類型判別Fig.1 Gas type identification in the Ordos Basin

表1 鄂爾多斯盆地古隆起奧陶系上組合和中組合包裹體激光拉曼氣相組分?jǐn)?shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of gas phase component data by using the Laser Raman method upon inclusions from the upper and middle reservoir-source rock combinations of the Ordovician in the Paleo-uplift of Ordos Basin

另據(jù)包裹體激光拉曼分析結(jié)果，上組合包裹體氣相組分以甲烷為主，極少含非烴類氣體;而中組合下段包裹體氣相組分中除甲烷外，非烴類氣體也占有一定比例(表1)，反映中組合下段烴類來源有別于上組合的煤型氣。結(jié)合上述碳同位素資料綜合判識(shí)，認(rèn)為古隆起東側(cè)馬家溝組中組合馬55氣源為上古生界的煤型氣，中組合下段(馬56—馬510)的氣源中不但有上古生界的煤型氣，還混有下古生界海相氣，為混源氣。

另據(jù)公式，-39.09‰X-32.90‰(1-X)=-35.52‰(X 為下古生界海相烴源巖所占比例，%)［15］，粗略計(jì)算得下古生界海相烴源巖對中組合下段天然氣的貢獻(xiàn)約為42.3%，表明古隆起東側(cè)中組合下段烴源巖仍以上古生界煤系烴源巖為主，下古生界海相烴源巖對其有一定的貢獻(xiàn)。

2.2 沉積條件

早奧陶世，古隆起東側(cè)馬家溝組經(jīng)歷了3 次海侵和海退旋回，具有明顯的旋回性沉積特征。其中馬1段、馬3 段和馬5 段發(fā)育以石鹽巖為主夾硬石膏巖、白云巖的蒸發(fā)鹽湖相沉積為特征，而馬2 段、馬4 段和馬6段巖性主要為泥晶灰?guī)r。其中馬6 段由于后期的剝蝕作用而在盆地中東部地區(qū)大面積缺失。馬5 期處于海退期，是盆地一次重要的膏鹽巖發(fā)育期。沉積演化表明［10］，中組合馬56、馬58和馬510亞期處于次一級海退期，沉積物以蒸發(fā)巖沉積為主(馬56最為典型)，與此相反，馬55、馬57和馬59亞期則處于次一級海侵期，發(fā)育夾在蒸發(fā)巖層序中海侵沉積-碳酸鹽巖沉積(馬55最為典型)(圖2)。

研究發(fā)現(xiàn)，馬家溝期沉積相帶主要受控于盆地東部洼陷，具有環(huán)帶狀分布特點(diǎn)。沉積相東、西分異比較明顯，南、北差別不顯著。由于中組合海侵期各小層及海退期各小層微相發(fā)育特征、展布規(guī)律相似，因此以海侵最為代表的馬55期及馬56期為例，說明海侵期及海退期沉積相帶在平面上的分布特征。

海侵期:馬55亞段為夾在蒸發(fā)巖層序中的短期海侵沉積，平面上馬55亞段沉積相帶自西向東發(fā)育東部環(huán)陸云坪、靖西臺(tái)坪、靖邊緩坡、洼地4 種碳酸鹽巖臺(tái)地型環(huán)境(圖3)?？拷醒牍怕∑鸬沫h(huán)陸云坪，主要處于潮上帶，沉積物以含泥白云巖為主，在加里東期多被剝蝕;古隆起東側(cè)(靖邊氣田西側(cè))馬55亞段主要發(fā)育靖西臺(tái)坪沉積相帶。其總體處于潮上和潮間交替發(fā)育帶。

海退期:以馬56為代表的海退期沉積相帶表現(xiàn)為圍繞盆地東部鹽巖盆地呈環(huán)狀分布模式，從湖盆中心向周邊地區(qū)依次為鹽巖盆地、盆緣膏云斜坡、含膏云質(zhì)緩坡及靖西臺(tái)坪，巖性由以膏鹽巖為主過渡為以云巖為主。海退期受蒸發(fā)旋回的控制，云坪相帶沉積明顯不同于海侵期的臺(tái)坪相帶，縱向上多具韻律性的紋層狀泥粉晶白云巖與泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖頻繁互層。儲(chǔ)層主要發(fā)育在古隆起東側(cè)靖西臺(tái)坪及含膏相帶。靖西臺(tái)坪水動(dòng)力強(qiáng)，利于形成灘相晶間孔型白云巖儲(chǔ)層(圖3)。

2.3 儲(chǔ)集條件

馬55、馬57和馬59雖同為夾在蒸發(fā)巖層序中的短期海侵沉積，但由于古隆起東側(cè)地區(qū)沉積環(huán)境依然存在著微小差異。從古隆起東側(cè)馬家溝中組合地層及巖性對比剖面來看(圖4)，古隆起東側(cè)馬55地形較平，而馬57和馬59臺(tái)地內(nèi)還存在著局部洼陷區(qū)，這種差異勢必引起白云巖化機(jī)理的不同。

圖2 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組地層綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of the Ordovician Majiagou Formation in the Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組馬55 和馬56 段沉積相分布模式Fig.3 Sedimentary model of the Ma55 and Ma56 in the Ordovician Majiagou Formation of Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地古隆起T11—Y9 井馬家溝組馬5 中、下段巖性對比剖面Fig.4 Cross-well section showing lithological changes from Well T11 to Well Y9 in the middle and lower intervals of the 5th Member of Ordovician Majiagou Formation in the paleo-uplift of Ordos Basin

馬55亞期，古隆起東側(cè)地形較平，水動(dòng)力條件強(qiáng)，發(fā)育顆粒灘沉積。由于其后沉積的馬54期古隆起處于間歇性暴露，致使在大氣淡水與富鎂鹵水混合作用下［13，17-19］，馬55沉積的灰?guī)r發(fā)生白云巖化，形成藻屑灘沉積的晶間孔儲(chǔ)層。

馬57和馬59亞期，古隆起東側(cè)地區(qū)發(fā)育局部洼陷區(qū)，水體環(huán)境相對較弱，但其邊部水動(dòng)力條件強(qiáng)，依然發(fā)育灘相沉積;另一方面，馬57沉積后洼陷區(qū)由于長期處于強(qiáng)蒸發(fā)環(huán)境，有利于富鎂鹵水長時(shí)間匯聚?？拷怕∑鸬臑┫喟l(fā)生類似馬55的混合水白云巖化，以東地區(qū)整體為富鎂鹵水向下(或側(cè)向)滲透發(fā)生白云巖化［13，18-24］。盆地中部藻屑灘沉積由于為顆粒結(jié)構(gòu)，白云巖化更為徹底，易形成晶間孔型儲(chǔ)層。

據(jù)上組合馬51和馬52、古隆起東側(cè)中組合馬55、馬57和馬59白云巖碳氧同位素對比分析結(jié)果(圖5)，中組合馬55、馬57和馬59的δ18O(氧同位素)值明顯較上組合馬51和馬52富集，反映了其形成于較濃鹽水的成巖環(huán)境中;馬57和馬59的δ18O 值也具有明顯的兩分特征，低值與馬55相當(dāng)，為淡水參與的結(jié)果，進(jìn)一步佐證了上述白云巖化機(jī)理。

巖心觀察、鑄體薄片、掃描電鏡和圖像分析研究表明，馬55，馬57和馬59儲(chǔ)層主要儲(chǔ)集空間為白云石晶間孔，少量晶間溶孔，儲(chǔ)層連通性較好，具有“晶粒均一、小孔細(xì)喉”的孔隙結(jié)構(gòu)特征(圖6a—c)。

與馬55亞段相比，馬57和馬59亞段灘相沉積顆粒更粗大，白云巖更為發(fā)育。這是因?yàn)轳R55為最大的海侵期，水體較馬57和馬59更深;古隆起東側(cè)多為泥晶結(jié)構(gòu)，不利于富鎂鹵水的下滲，無法發(fā)生白云巖化;以及馬54海退持續(xù)時(shí)間較馬56和馬58短，海水鹽度較低，相對不利于白云巖化進(jìn)行。

物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，馬55、馬57和馬59白云巖儲(chǔ)層段孔隙度大于4%的樣品分布頻率為51.9%，平均孔隙度為4.96%;滲透率大于0.1 ×10-3μm2的樣品分布頻率為42.5%，平均浸透率為0.83 ×10-3μm2。馬56、馬58和馬510儲(chǔ)層由于處于間歇暴露蒸發(fā)環(huán)境，儲(chǔ)集空間主要為泥晶含膏白云巖中的含膏物質(zhì)經(jīng)歷風(fēng)化淋濾作用形成的膏溶孔(圖6d—f)，形態(tài)以溶蝕孔洞、針狀為主，部分為斑狀，其次為晶間孔。馬56、馬58和馬510白云巖儲(chǔ)層段孔隙度大于4%的樣品分布頻率為29%，平均孔隙度為3.06%;滲透率大于0.1 ×10-3μm2的樣品分布頻率為34.9%，平均滲透率為0.43 ×10-3μm2。

圖5 鄂爾多斯盆地古隆起馬家溝組馬51+2、馬55 與馬五7+9白云巖碳、氧同位素對比Fig.5 Distribution of δ18O and δ13C values of dolomite in Ma51+2，Ma55 and Ma57+9of the Ordovician Majiagou Formation in the paleo-uplift of Ordos Basin

圖6 鄂爾多斯盆地古隆起東側(cè)中組合儲(chǔ)層顯微特征Fig.6 Microphotographs of thin sections from the middle reservoir-source rock combination of the Ordovician on the east side of the paleo-uplift in Ordos Basin

據(jù)物性分析，古隆起東側(cè)馬55、馬57和馬59孔滲性整體上較馬56，馬58和馬510好，為中組合勘探最有利層系;馬56、馬58和馬510的物性雖沒馬55、馬57和馬59物性好，但其物性資料中大于1.0 ×10-4μm2的樣品分布頻率為7.1%，說明馬56、馬58和馬510局部仍然發(fā)育高滲儲(chǔ)層，仍可作為勘探的有利目標(biāo)。

2.4 成藏模式

加里東末期開始的整體構(gòu)造抬升，使鄂爾多斯地區(qū)下古生界遭受了長達(dá)1 億多年的風(fēng)化剝蝕。靖邊氣田以西至古隆起地區(qū)抬升剝蝕尤為強(qiáng)烈，由東向西到古隆起區(qū)奧陶系頂部剝露地層依次由新變老，逐漸由奧陶系中組合(馬55—馬510)變?yōu)橄陆M合(馬4 段)地層。晚石炭世鄂爾多斯盆地整體沉降，沉積了石炭系-二疊系煤系源巖。因此古隆起東側(cè)中組合白云巖儲(chǔ)層與上古生界煤系烴源巖直接接觸，形成了良好的源儲(chǔ)配置關(guān)系［10］。燕山期發(fā)生盆地構(gòu)造反轉(zhuǎn)，東部抬升，同時(shí)中組合白云巖向東側(cè)上傾方向形成巖性圈閉，并形成氣藏。

將古隆起東側(cè)(靖邊氣田西側(cè))中組合馬55、馬56、馬57、馬58、馬59和馬510地層水資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)作圖。結(jié)果表明，馬55、馬56、馬57、馬58、馬59和馬510主要離子濃度差別較大(圖7)，地層水相對獨(dú)立，為局部滯留水，反映其各自為相對獨(dú)立的流體單元，結(jié)合氣源、儲(chǔ)集條件分析，古隆起東側(cè)中組合馬55和中組合下段馬56、馬57、馬58、馬59和馬510為兩套不同的成藏系統(tǒng)。

2.4.1 馬55成藏系統(tǒng)

該系統(tǒng)儲(chǔ)集體為中組合馬55白云巖藻屑灘沉積的晶間孔儲(chǔ)層。古隆起東側(cè)馬55晶間孔白云巖儲(chǔ)層由于上覆地層較薄(一般＜60 m)，有利于上古生界煤系烴源巖生氣向下運(yùn)移，另外該儲(chǔ)層由于風(fēng)化剝露造成其西側(cè)直接與上古生界煤系烴源巖接觸，也有利于上古生界煤系氣源的側(cè)向運(yùn)移。同時(shí)，馬55晶間孔白云巖儲(chǔ)層在上傾方向相變?yōu)槟嗑Щ規(guī)r，在空間上形成巖性圈閉，經(jīng)上古生界氣源運(yùn)移并聚集成藏。整體上，該氣藏具備“分布不連續(xù)，局部高產(chǎn)富集”的特征(圖8)。

2.4.2 馬56—510成藏系統(tǒng)

馬56—510成藏系統(tǒng)主要指古隆起東側(cè)中組合下段的膏下成藏。其儲(chǔ)集體主要為中組合下段的馬57及馬59藻屑灘沉積的晶間孔型儲(chǔ)層。雖然其同中組合馬55一樣，具有良好的源(上古生界煤系烴源巖)儲(chǔ)配置關(guān)系，但由于中組合下段馬56為海退期沉積，發(fā)育膏鹽巖沉積。正是由于其存在，阻斷了上古生界煤系烴源巖生成的烴類垂直向下運(yùn)移，只能發(fā)生側(cè)向運(yùn)移。由氣源分析，該成藏系統(tǒng)的氣源來源于上古生界煤系地層和下古生界海相碳酸鹽巖。因此，一方面，上古生界煤系氣源沿供烴窗口向中組合白云巖儲(chǔ)層側(cè)向運(yùn)聚，另一方面下古海相烴源巖也對中組合儲(chǔ)層進(jìn)行烴類充注，聚集成藏(圖9)。

圖7 鄂爾多斯盆地古隆起東側(cè)中組合馬55 和馬56-10地層水斯蒂夫形狀對比Fig.7 Steve hydrochemical facies map of Ma55，and Ma56-10in the Ordovician Majiagou Formation on the east side of the paleo-uplift of Ordos Basin

圖8 鄂爾多斯盆地古隆起東側(cè)馬55 段巖性圈閉成藏模式Fig.8 Pooling pattern for the lithologic traps in Ma55 of the Ordovician Majiagou Formation on the east side of the paleo-uplift of Ordos Basin

3 結(jié)論

1)古隆起東側(cè)奧陶系馬家溝組中組合整體為海侵沉積，但在海侵背景下，又發(fā)育次一級的海侵和海退，沉積特征具有明顯的旋回性，馬56、馬58和馬510以蒸發(fā)巖沉積為主，而馬55、馬57和馬59發(fā)育碳酸鹽巖沉積。

圖9 鄂爾多斯盆地古隆起東側(cè)中組合馬56-10段巖性圈閉成藏模式Fig.9 Pooling pattern for the lithologic traps in Ma56-10 of the Ordovician Majiagou Formation on the east side of the paleo-uplift of Ordos Basin

2)古隆起東側(cè)奧陶系馬家溝組白云巖儲(chǔ)層主要發(fā)育在馬55、馬57和馬59三個(gè)亞層，儲(chǔ)層主要為粗粉晶-細(xì)晶結(jié)構(gòu)的晶粒狀白云巖，自形程度高，主要儲(chǔ)集空間為白云石晶間孔，孔隙度平均為4.96%，滲透率為0.83 ×10-3μm2，孔滲總體較好，為古隆起東側(cè)中組合白云巖勘探最有利層系。

3)古隆起東側(cè)中組合白云巖儲(chǔ)層與上覆上古生界石炭-二疊系煤系烴源巖形成了較好的源、儲(chǔ)配置關(guān)系，加之白云巖儲(chǔ)集體向上傾方向相變而形成巖性圈閉，最終形成分布不連續(xù)，局部高產(chǎn)富集的古隆起東側(cè)中組合氣藏，成為盆地天然氣勘探的新領(lǐng)域。

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