鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組五段中組合中下段成藏特征

黃正良 ，劉燕 ，武春英 ，王前平 ，任軍峰

（1低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；2中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開發(fā)研究院）（3中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探公司研究院長(zhǎng)慶分院）

1 概況

馬家溝組“中組合”的概念是由鄂爾多斯盆地勘探者們于2009年提出的，指的是奧陶系馬家溝組五段5亞段至10亞段的含氣層組合，中組合中下段即指其中的6亞段至10亞段（簡(jiǎn)稱為“馬五6—10”）（圖1）［1］。這是一個(gè)籠統(tǒng)的概念，主要是由于中組合勘探自取得突破以來，主力層系一直為馬五5亞段，而馬五6—10層段的勘探近期才取得突破，因此盆地勘探者對(duì)應(yīng)地將馬五6—10層段統(tǒng)稱為中組合中下段。

鄂爾多斯盆地馬家溝組中組合中下段發(fā)育晶間孔型和膏溶孔型兩類白云巖儲(chǔ)層。中下段天然氣的勘探區(qū)域主要集中在中央古隆起東側(cè)地區(qū)，目前已有多口探井獲得高產(chǎn)氣流，產(chǎn)氣層段主要為馬五6、馬五7和馬五9地層，氣藏具有“多層系疊合，混源成藏”的特點(diǎn)，勘探前景較好。同時(shí)，馬家溝組中組合中下段存在制約天然氣勘探進(jìn)程的難題，主要表現(xiàn)在：一方面中組合中下段儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，造成探井成功率不高；另一方面作為新層系，專門針對(duì)中組合中下段的研究成果較少，且由于勘探程度較低，諸多研究成果還不夠成熟。

本文以鉆井巖心、鑄體薄片為基礎(chǔ)資料，通過對(duì)各類樣品的包裹體、天然氣碳氧同位素、儲(chǔ)層孔滲性、白云巖碳氧同位素等共計(jì)527塊(次)分析化驗(yàn)資料的綜合研究，試圖闡明盆地奧陶系馬家溝組中組合中下段烴的來源并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析兩類白云巖儲(chǔ)層的成因、物性特點(diǎn)和展布規(guī)律，以及源-儲(chǔ)配置及圈閉成藏特征，為盆地古隆起東側(cè)奧陶系中組合中下段今后的勘探部署提供理論依據(jù)。

2 沉積背景

早奧陶世馬家溝期五時(shí)（“馬五時(shí)”），由于南部秦嶺洋殼和北部興蒙洋殼的俯沖，造成了盆地內(nèi)南北向地層的相向擠壓，盆地整體上表現(xiàn)為“震蕩性、間歇性”的海退過程［2－5］，此時(shí)中央古隆起暴露地表，將鄂爾多斯地區(qū)分隔成東西兩個(gè)沉積體系，即西部祁連海沉積體系和東部華北海沉積體系。中央古隆起東側(cè)發(fā)育局限臺(tái)地沉積，馬五時(shí)，氣候干熱，為該地區(qū)最重要的一次膏鹽發(fā)育期，受古地貌控制，沉積相帶的發(fā)育具有圍繞盆地東部洼陷區(qū)呈環(huán)帶狀展布的特點(diǎn)［6－7］，自東向西海水含鹽度逐步降低，依次發(fā)育膏鹽洼地、含膏白云巖坪和環(huán)陸白云巖坪沉積（圖2）。

圖1 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組含氣組合劃分

值得注意的是，馬五時(shí)盆地內(nèi)雖然整體上為海退的過程，但在整體海退的背景下存在多期的次一級(jí)震蕩性海進(jìn)—海退。正是由于這種多期次的震蕩性，造成中組合地層內(nèi)部發(fā)育了膏鹽巖—碳酸鹽巖的互層狀沉積，其旋回性極為明顯。據(jù)此，可將馬五段中組合中下段劃分為短期海侵和短期海退兩套沉積半旋回：短期海退半旋回發(fā)育以馬五6、馬五8和馬五10亞段為代表的蒸發(fā)巖沉積，短期海侵半旋回發(fā)育以馬五7和馬五9亞段為代表的夾在蒸發(fā)巖層序中的碳酸鹽巖沉積。這兩套沉積半旋回內(nèi)部各小層沉積微相的發(fā)育特征、展布規(guī)律相似，只是由于海水震蕩幅度的不同，造成了各小層沉積微相在分布的區(qū)域上存在差異（圖3）。

圖2 鄂爾多斯盆地馬家溝期五時(shí)巖相古地理圖

馬五6、馬五8和馬五10亞時(shí)為快速海退期，氣候干旱炎熱，巖相古地理格局與馬五時(shí)一致，呈環(huán)帶狀展布，自西向東依次發(fā)育潮上白云巖坪、潮間含膏白云巖坪、盆緣含膏白云巖洼地和膏鹽洼地微相［8］，其中潮間含膏白云巖坪和盆緣含膏白云巖洼地微相為最有利沉積微相，有利于形成膏溶孔型白云巖儲(chǔ)層；馬五7和馬五9亞時(shí)為馬五時(shí)海退大背景下的次一級(jí)海侵期，古地理格局與馬五6、馬五8和馬五10亞時(shí)類似，自西向東依次發(fā)育白云巖坪、藻屑灘、含藻灰?guī)r坪、潮下泥粒巖丘和深水灰泥巖丘，其中藻屑灘為最有利沉積微相，有利于形成晶間孔型白云巖儲(chǔ)層。

3 成藏地質(zhì)條件

3.1 烴源條件

國(guó)內(nèi)學(xué)者大多認(rèn)為中組合中下段氣藏的烴源與馬五5亞段的類似，為來自上古生界的煤系烴源［2，9－10］，筆者通過油氣包裹體、甲烷氣碳同位素等相關(guān)分析，證實(shí)了盆地奧陶系中組合中下段氣藏的氣源為上古生界煤型氣和下古生界海相烴源的混源氣，并論證了下古生界海相烴源巖的生烴能力。

圖3 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組中組合沉積模式圖

3.1.1 烴源分析

（1）包裹體分析

在開展包裹體分析之前，首先要進(jìn)行嚴(yán)格的樣品選取。所有樣品全部選取孔洞充填物，因?yàn)橹挥谐练e物埋藏以后形成的包裹體才與油氣有關(guān)［11］；其次，在層位上選擇中組合中下段（馬五6—馬五10）和上組合（馬五1—馬五4），因?yàn)樯辖M合馬五1-4為上古生界煤系烴源已為多數(shù)學(xué)者認(rèn)可［2，9］，這樣可以進(jìn)行較好的對(duì)比分析。

激光拉曼分析結(jié)果（表1）表明：上組合包裹體氣相組分主要以甲烷為主，不含或者含有少量的非烴類氣體，多數(shù)樣品的甲烷含量為100%。而中組合中下段包裹體組分除了以甲烷為主要成分以外，非烴類氣體（主要為CO2、H2S、N2和H2）也占有一定的比例，反映了中組合中下段烴源不同于上古生界煤型氣。

同時(shí)，對(duì)多個(gè)中組合中下段包裹體氣相組分和對(duì)應(yīng)的天然氣組分的對(duì)比分析表明：多個(gè)樣品的甲烷含量及非烴類氣體的含量都存在差異。如果中組合中下段氣源為單一氣源，其包裹體氣相組分和天然氣組分勢(shì)必一致，因此再次證實(shí)了中組合中下段氣源為混源氣。

表1 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組中組合與上組合包裹體氣相組分對(duì)比

（2）天然氣碳同位素分析

對(duì)盆地上古生界天然氣探井153個(gè)天然氣樣品進(jìn)行了甲烷碳同位素測(cè)定，統(tǒng)計(jì)結(jié)果 （表2）表明，其甲烷碳同位素均值為-32.9‰。與此同時(shí)，對(duì)盆地內(nèi)以余探1井、余探2井和龍?zhí)?井為代表的3個(gè)下古生界氣樣品也進(jìn)行了甲烷碳同位素測(cè)定，統(tǒng)計(jì)表明，其均值為-39.09‰，明顯較上古生界煤型氣的甲烷碳同位素值偏負(fù)。而下古生界奧陶系馬家溝組中組合中下段天然氣甲烷碳同位素值一般介于-37.03‰～-34.35‰之間，平均-35.52‰，從而表明其為上古生界煤型氣和下古生界海相氣的混源氣。

表2 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組甲烷中碳同位素（δ13C）分析結(jié)果

同時(shí)，對(duì)馬家溝組中組合中下段的天然氣來源，通過如下公式［12］進(jìn)行了粗略計(jì)算：

式中：A——下古生界海相烴源氣甲烷碳同位素值，‰；

x——下古生界海相烴源氣所占比例,%；

B——上古生界煤型氣甲烷碳同位素值，‰；

C——中組合中下段天然氣甲烷碳同位素值，‰。

將表2中測(cè)定的天然氣甲烷碳同位素平均值代入(1)，得：

通過上述計(jì)算，表明馬家溝中組合中下段的烴源仍然以上古生界煤系烴源為主，但是下古生界海相烴源的貢獻(xiàn)也較大，為42.3%。

3.1.2 烴源評(píng)價(jià)

上古生界煤系的生烴潛力及其對(duì)下古生界烴類聚集的貢獻(xiàn)已經(jīng)被大多數(shù)學(xué)者所肯定［2，10］，其主要巖性為煤巖及暗色泥巖，分布于石炭系本溪組—二疊系太原組和山西組，在盆地內(nèi)的分布極為穩(wěn)定，且具備一定的厚度。煤巖厚3～6m，TOC一般為70.8%～83.2%，平均為67.3%；暗色泥巖厚60～120m，TOC一般為2.25%～3.33%，生烴能力較強(qiáng)。因此，上古生界的烴源巖無論是煤巖還是泥巖，都為優(yōu)質(zhì)烴源巖，且具有“廣覆式生烴、大面積供氣”的特征［2，10］。

下古生界海相烴源巖主要發(fā)育在海退半旋回（即馬五6、馬五8和馬五10）的生烴洼陷中，巖性主要為含泥質(zhì)的碳酸鹽巖，有效烴源巖厚度30～40 m，TOC一般為0.3%～0.98%，最高可達(dá)1.83%。以城川1井為例，其馬五6亞段烴源巖的TOC最高可達(dá)1.68%，其中，TOC＞0.5%的烴源巖厚達(dá)20 m，TOC＞1%的烴源巖厚 4m［1］。

3.2 儲(chǔ)集條件

馬家溝組中組合中下段受沉積期及后期白云石化作用的控制，發(fā)育了海侵和海退兩套不同儲(chǔ)層，儲(chǔ)層特征具有較大差異。馬五7和馬五9亞段處于海侵半旋回，主要發(fā)育晶間孔型白云巖儲(chǔ)層，少量發(fā)育膏溶孔型白云巖儲(chǔ)層［13］，晶間孔型白云巖儲(chǔ)層為粗粉晶—細(xì)晶結(jié)構(gòu)的晶粒狀（圖4a），晶粒大小一般為35～150μm，晶粒結(jié)構(gòu)均一，自形程度高（圖4b，4c），多為塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)。馬五6、馬五8和馬五10亞段處于海退半旋回，主要發(fā)育膏溶孔型白云巖儲(chǔ)層，類似于上組合風(fēng)化殼型白云巖儲(chǔ)層，為泥晶—細(xì)粉晶結(jié)構(gòu)。

圖4 鄂爾多斯盆地奧陶系中組合中下段儲(chǔ)層顯微特征

膏溶孔型白云巖儲(chǔ)層（馬五6、馬五8、馬五10亞段） 主要受蒸發(fā)泵作用和巖相古地理控制，發(fā)育于盆緣膏質(zhì)白云巖洼地相帶，其中以馬五6亞段最為發(fā)育，厚度一般為3～8m，最厚可達(dá)12m。儲(chǔ)集空間一般為膏溶孔（圖4d）和晶間溶孔（圖4e），由泥晶含膏白云巖中的膏質(zhì)成分經(jīng)歷淡水淋濾作用所形成，形態(tài)大多不規(guī)則，以溶蝕孔洞、針狀晶間溶孔為主（圖 4f），部分為板狀，孔徑大小一般為 25～280 μm，大小懸殊。對(duì)這些膏溶孔型白云巖儲(chǔ)層169個(gè)物性樣品的分析表明，這類儲(chǔ)層的孔隙度一般為0.6%～5.7%，個(gè)別樣品可達(dá)13.3%，平均3.06%，大于4%的樣品占 29%；滲透率一般為（0.01～0.5）×10-3μm2，平均 0.43×10-3μm2， 大 于 0.1×10-3μm2的 樣 品 占34.9%；孔滲相關(guān)性系數(shù)為0.26，相對(duì)較差。

晶間孔型白云巖儲(chǔ)層（馬五7、馬五9亞段） 已知馬五7和馬五9亞段晶間孔型白云巖的有序度值為0.83～0.96，該值明顯比馬五6、馬五8、馬五10亞段含膏白云巖的有序度值（0.43～0.64）要高，說明馬五7和馬五9亞段白云巖儲(chǔ)層在白云石化過程中有大氣淡水參與，從而使得鹽水的含鹽度降低，結(jié)晶速度減緩，晶體也較粗；與此同時(shí)，大氣淡水的參與勢(shì)必造成先成白云石的重結(jié)晶，進(jìn)一步導(dǎo)致白云石晶體變粗。

對(duì)馬家溝組中組合中下段的馬五7和馬五9亞段白云巖、中組合上段馬五5亞段白云巖以及上組合的白云巖作了碳、氧同位素對(duì)比分析，分析結(jié)果（圖5）表明：上組合白云巖的δ13C值分布于-4.6‰～-0.7‰，平均-2.2‰；δ18O值分布于-12.4‰～-8.6‰，平均-8.9‰；而中組合中下段馬五7和馬五9亞段白云巖的δ18O值與中組合上段馬五5白云巖的δ18O值較為相近，且明顯重于上組合的δ18O值，這反映了馬五7和馬五9亞段白云巖整體形成于濃鹽水的成巖環(huán)境，且伴隨有大氣淡水的加入。值得注意的是，馬五7和馬五9亞段白云巖的δ18O值主要分布在兩個(gè)區(qū)間：一部分樣品分布于-7.21‰～-5.86‰，與馬五5白云巖的δ18O值分布區(qū)間相近（這部分樣品位于中央古隆起東側(cè)），其白云石化環(huán)境應(yīng)該與馬五5的相似，為混合水白云石化作用形成［1－2］；而另一部分樣品分布于-4.66‰～-4.11‰，反映了這部分樣品形成于更濃的鹽水，而沒有大氣淡水的作用（這部分樣品主要集中于古隆起東側(cè)靠近盆地中部地區(qū)）。

結(jié)合馬家溝組五段巖相古地理研究［14］，可構(gòu)建出馬五7亞段和馬五9亞段的白云石化模式。

圖5 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組白云巖碳氧同位素組成分布圖

以馬五9亞段為例（圖6）。馬五9時(shí)，古隆起東側(cè)及盆地中部局部隆起區(qū)由于水動(dòng)力條件較強(qiáng)，發(fā)育藻屑灘相沉積，這是晶間孔型白云巖儲(chǔ)層最有利部位。而馬五8時(shí)為快速海退期，一方面海水的蒸發(fā)大于正常海水的補(bǔ)給，造成華北海為高鹽度鹵水環(huán)境。由于高鹽度鹵水相對(duì)正常海水密度大，勢(shì)必整體向下滲濾，對(duì)中央古隆起以東的廣大地區(qū)的下伏灰?guī)r發(fā)生滲透回流白云石化作用；另一方面，馬五8時(shí)海平面的下降導(dǎo)致古隆起地區(qū)間歇性暴露，大氣淡水在重力的作用下向下滲濾，形成了大氣淡水與高鹽度鹵水對(duì)藻屑灘的“混合水”白云石化作用（區(qū)別于傳統(tǒng)的大氣淡水與正常海水的“混合水白云石化”作用），這與馬五5時(shí)白云石化模式相同［1－2］。因此，馬五9時(shí)白云石化是非單一的成巖作用，在靠近中央古隆起區(qū)為“混合水白云石化”作用區(qū)，而遠(yuǎn)離中央古隆起區(qū)為“滲透回流白云石化”作用區(qū)。馬五7亞段的白云石化模式與馬五9亞段的一致。

正是由于這兩種白云石化作用的差異，造成了靠近中央古隆起一側(cè)的灘相白云巖儲(chǔ)層和盆地中部的灘相白云巖儲(chǔ)層在儲(chǔ)集性能上存在差別，即靠近古隆起一側(cè)的灘相白云巖儲(chǔ)層為混合水白云石化作用而形成，由于受到了大氣淡水的淋濾作用，晶間孔更為發(fā)育，且孔間的連通性也更好（圖4a、4b），儲(chǔ)集性能明顯強(qiáng)于盆地中部滲透回流白云石化成因的灘相白云巖儲(chǔ)層（圖4c）。

馬五7和馬五9亞段與馬五5亞段同為夾在蒸發(fā)巖層序中的層狀碳酸鹽巖，受沉積環(huán)境控制，其白云巖分布規(guī)律具有一定的相似性，只是馬五7和馬五9亞段的白云石化作用更為強(qiáng)烈，白云巖的分布范圍也更為廣泛：其白云巖的分布不再呈馬五5亞段的那種條帶狀［1］，而是覆蓋式的展布，白云巖體主要發(fā)育于古隆起東側(cè)地區(qū)，整體上白云巖的厚度自西向東逐漸減薄，盆地中東部子洲—米脂—橫山地區(qū)發(fā)育局部厚層白云巖（圖7），白云巖厚度一般為13～25 m，最厚可達(dá)29m。

圖6 鄂爾多斯盆地奧陶系中組合馬五9亞段白云石化模式圖

圖7 鄂爾多斯盆地奧陶系中組合馬五7亞段白云巖厚度圖

通過對(duì)馬五7和馬五9亞段白云巖儲(chǔ)層的綜合評(píng)價(jià)表明，并非所有的白云巖都能形成良好的儲(chǔ)層;只有藻屑灘微相由于水動(dòng)力條件強(qiáng)，形成的粗粉晶白云巖結(jié)構(gòu)均一，晶間孔發(fā)育，所以才成為較好儲(chǔ)層。而對(duì)于非灘相沉積，由于巖性致密，晶間孔不發(fā)育，不能形成儲(chǔ)層。因此認(rèn)為，針對(duì)馬五7和馬五9亞段白云巖儲(chǔ)層的勘探，主要應(yīng)以尋找灘相白云巖為目標(biāo)；同時(shí)由于靠近中央古隆起的灘相白云巖體受高鹽度鹵水淋濾與大氣淡水淋濾的雙重作用，晶間孔更為發(fā)育，白云巖厚度大，且連片性好，故應(yīng)作為馬五7和馬五9亞段天然氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域。

對(duì)馬五7和馬五9亞段186個(gè)晶間孔型白云巖儲(chǔ)層物性樣品的分析表明：它們的孔隙度一般為2%～10%，平均5.02%，大于4%的樣品占51.9%；滲透率一般為（0.01～1.0）×10-3μm2，平均 0.83×10-3μm2，大于0.1×10-3μm2的樣品占42.5%；孔滲的相關(guān)性系數(shù)為0.43，相對(duì)較好。

總體上，中組合中下段儲(chǔ)層平均孔隙度為4.53%，平均滲透率為0.74×10-3μm2， 馬五7和馬五9亞段的孔滲條件及相關(guān)性整體上較馬五6、馬五8和馬五10亞段的要好，為中組合勘探最有利層系。但馬五6、馬五8和馬五10亞段滲透率大于1.0×10-3μm2的樣品分布頻率為7.1%，說明局部仍然發(fā)育高滲儲(chǔ)層（目前在馬五6和馬五8亞段已成功鉆探了8口高產(chǎn)氣流井）。

3.3 源-儲(chǔ)配置及圈閉成藏

鄂爾多斯盆地受加里東末期整體抬升的影響，下古生界被不同程度地剝蝕，特別是中央古隆起區(qū)位于古地貌相對(duì)較高的位置，剝蝕程度更為強(qiáng)烈。該區(qū)域內(nèi)奧陶系馬家溝組中組合中下段，因遭受剝蝕而依次暴露地表，從而自古隆起向東，與上古生界接觸的地層逐漸變新。晚石炭世，盆地開始整體沉降，開始接受上古生界的沉積，使得下古生界馬家溝組中組合中下段的白云巖儲(chǔ)層直接與上古生界石炭系—二疊系煤系烴源巖充分接觸，形成一個(gè)有效供烴窗口——對(duì)中組合中下段側(cè)向供烴（圖8）。該供烴窗口呈南北向帶狀展布，南北長(zhǎng)約400 km，東西寬約20 km，因此該供烴窗口具有“供烴面積大、分布范圍廣，供烴充足”的特點(diǎn)。此外，馬家溝組中組合中下段海退半旋回，局部洼陷中的烴源巖也可以對(duì)其自身的兩類白云巖儲(chǔ)層提供一定的烴源。

綜合上述分析，本文建立了鄂爾多斯盆地奧陶系中組合中下段的成藏模式：中組合中下段的成藏主要在古隆起東側(cè)及盆地中部地區(qū)，儲(chǔ)層巖性整體為白云巖夾硬石膏巖。無論是灘相沉積經(jīng)混合水白云石化或滲透回流白云石化而形成的晶間孔型白云巖儲(chǔ)層，還是膏溶孔型白云巖儲(chǔ)層，其物性都明顯好于周圍的白云巖體，這樣便在空間上形成了巖性圈閉。燕山期，鄂爾多斯盆地發(fā)生構(gòu)造翻轉(zhuǎn)，盆地內(nèi)整體表現(xiàn)為“東高西低”的構(gòu)造特征，致密的白云巖圍巖在上傾方向?qū)︸R家溝組中組合中下段形成的巖性遮擋，最終形成上古生界煤系烴源及下古生界海相烴源同時(shí)供烴的巖性圈閉混合氣藏（圖8）。

圖8 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組中組合中下段成藏模式圖

4 結(jié) 論

（1）奧陶系馬家溝組中組合中下段氣藏的氣為來自上、下古生界的混源氣，其中，以上古生界煤系烴源為主要烴源。

（2）中組合中下段海侵沉積旋回儲(chǔ)層物性更好，主要因?yàn)┫喑练e發(fā)生混合水和滲透回流兩類白云石化作用而形成，混合水白云石化儲(chǔ)層中的晶間孔更為發(fā)育。下一步勘探的重點(diǎn)，應(yīng)該以尋找古隆起東側(cè)的灘相沉積為目標(biāo)。

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