鄂爾多斯盆地奧陶系古隆起東側(cè)馬家溝組中組合儲層特征及成藏演化

吳東旭，吳興寧，曹榮榮，于 洲

（1 中國石油杭州地質(zhì)研究院）

（2 中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院；3 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室）

1 概 況

鄂爾多斯盆地下古生界天然氣勘探層位集中于下奧陶統(tǒng)馬家溝組，馬家溝組儲氣層一般劃分為上、中、下含氣組合［1-4］，其中，馬五1—馬五4亞段為上組合，以風(fēng)化殼巖溶型儲層、古地貌型地層圈閉為主；馬五5—馬五10亞段為中組合，以晶間孔和溶蝕孔洞型白云巖儲層、巖性圈閉為主；馬四段—馬一段為下組合，以晶間孔型白云巖儲層為主，圈閉條件與中組合近似。繼1998年在上組合中發(fā)現(xiàn)靖邊氣田之后，2009—2010年在蘇203區(qū)塊、蘇322區(qū)塊（圖1）的中組合中也獲得了突破，展示了較大的勘探前景。因此，有必要對馬家溝組中組合儲層特征及成藏演化模式進(jìn)行研究，以指導(dǎo)下一步的勘探。

從奧陶系頂面古地質(zhì)圖（圖1）可見，馬家溝組下組合出露于正寧—環(huán)縣—定邊—鄂托克旗一線，向南、北過渡到前寒武紀(jì)古陸，這一區(qū)帶稱為奧陶系“中央古隆起”（簡稱古隆起），古隆起東側(cè)中、上組合依次出露?，F(xiàn)今地層剖面東高西低，石炭系泥巖和煤系地層直接覆蓋了奧陶系馬家溝組中、上組合，相應(yīng)地，形成了不同類型和疊置方式的氣藏（圖2）。

隨著勘探的進(jìn)展和需求的變化，近年來不少研究者在盆地范圍內(nèi)馬家溝組巖相古地理［4］、白云巖類型、成因及儲層特征研究［5-8］的基礎(chǔ)上，針對中組合儲層特征和成藏條件進(jìn)行了探索［1-3］，提出了中組合可能發(fā)育巖性圈閉以及巖性側(cè)向封堵的設(shè)想。筆者在對中央古隆起東部中組合白云巖儲層分亞段研究的基礎(chǔ)上，以地質(zhì)演化為主線，分析了主要地質(zhì)時期的成藏要素及其配置，建立了研究區(qū)中組合氣藏的演化模式。

2 中組合的白云巖儲層特征

2.1 巖石學(xué)特征

與馬家溝組上組合的細(xì)粉晶白云巖相比，中組合受后期埋藏白云石化作用的影響，其白云巖顆粒結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化，主要為粉晶—細(xì)晶，按結(jié)構(gòu)組分可分為泥晶白云巖、泥粉晶白云巖、粉晶白云巖、粉—細(xì)晶白云巖、細(xì)粉晶白云巖、顆粒白云巖等六類。

圖1 鄂爾多斯盆地奧陶系頂面古地質(zhì)圖和中組合勘探有利區(qū)

2.2 儲集空間類型及特征

與上組合風(fēng)化殼巖溶儲層以硬石膏結(jié)核溶蝕形成的鑄?？诪橹饕獌臻g相比，中組合白云巖具有不同的儲集空間組合類型。通過對巖心、薄片的觀察及分析，中組合儲層主要有孔隙、孔洞、裂縫三大類（圖3），其中：孔隙主要包括晶間孔、晶間微孔與晶間溶孔等（圖3a，3b）；孔洞包括溶洞和溶孔（圖3c，3d）；裂縫以構(gòu)造裂縫為主，另見少量成巖裂縫（圖3e，3f）。從有效儲層發(fā)育規(guī)模來看，中組合儲集空間以白云石晶間孔、晶間微孔和晶間溶孔為主，其次為溶蝕孔洞，裂縫對儲層儲滲性能也有一定的改善作用。

圖2 鄂爾多斯盆地古隆起東側(cè)馬家溝組中、上組合氣藏剖面

從孔隙成因上看，晶間孔與晶間微孔主要由白云石化作用形成，晶間孔主要發(fā)育在泥粉晶白云巖、粉晶白云巖、粉—細(xì)晶白云巖與細(xì)晶白云巖等四類巖石中，且大多數(shù)存在于自形程度較高的白云石晶體之間，少量發(fā)育在白云石自形晶與他形晶之間。自形晶之間的晶間孔邊界平直，孔隙外觀常呈現(xiàn)為一個不規(guī)則的多邊形（圖3a）；而晶間微孔僅少量出現(xiàn)，在泥粉晶白云巖的泥晶顆粒之間可見（圖3b）；在后期漫長的成巖作用過程中，晶間孔易受到表生巖溶、埋藏溶蝕等作用的影響，往往形成晶間溶孔，并且與晶間孔伴生。

溶蝕孔、洞的儲集性能主要受表生巖溶作用、方解石膠結(jié)作用、機(jī)械充填作用與埋藏溶蝕作用的共同控制，由于成巖作用的類型與程度有所差異，溶蝕孔與溶洞在宏觀與微觀上也表現(xiàn)出了不同的特征。部分溶蝕孔、洞被后期的淡水白云石、方解石、鐵白云石、石英與黃鐵礦等膠結(jié)物所充填而喪失儲集性能（圖3c），部分被半充填而縮小儲集空間，也有少部分主要受溶蝕作用所控制的溶孔、溶洞能夠比較完整地保存下來而成為有效的儲集空間（圖3d）。

裂縫既是表生期大氣淡水的有利通道，也是埋藏期有機(jī)酸性水的重要輸導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，它有利于增加儲層的孔滲性能，同時也是后期油氣運移的重要通道［9］。古隆起東側(cè)中組合白云巖儲層先后在加里東末期與燕山末期經(jīng)歷多次抬升和沉降，在地層抬升和沉降的運動過程中，地層應(yīng)力會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致局部區(qū)域的巖石破裂，產(chǎn)生構(gòu)造裂縫；同時在后期的成巖作用下，儲層中也會產(chǎn)生成巖裂縫，但數(shù)量相對較少。與孔隙儲集空間相比，裂縫一般比較平直且開啟程度高，孔滲特征較好，易于被流體中沉淀出的方解石與白云石所膠結(jié)或充填（圖3e），從而使大部分裂縫未能得到有效保存而未能成為儲集空間或油氣運氣通道，僅有少部分裂縫在疊加后期埋藏溶蝕作用下才構(gòu)成了有效的儲集空間（圖3f）。研究區(qū)內(nèi)，中組合白云巖儲層中的裂縫以構(gòu)造裂縫為主，其次為溶蝕縫，裂縫在各個亞段均有分布。

圖3 鄂爾多斯盆地古隆起東側(cè)馬家溝組中組合儲集空間類型及特征

2.3 儲層孔滲特征

巖心的孔滲測試結(jié)果表明，中組合白云巖儲層為低孔低滲型儲層［3］。由于沉積環(huán)境及后期成巖改造作用的差異，各個小層儲集物性有一定的差異：從測井解釋的孔滲性看，馬五5 和馬五7 亞段的物性最好，馬五9 亞段的次之；馬五6、馬五8 與馬五10 三個亞段的物性相對較差（圖4）。

3 中組合的成藏演化模式

本文以地質(zhì)演化為主線，在還原各地質(zhì)階段成藏要素的形成及配置關(guān)系基礎(chǔ)上，建立了中組合氣藏的演化模式，認(rèn)為古隆起東側(cè)中組合氣藏的形成包括了以下四個階段（圖5）。

3.1 儲集體發(fā)育階段

鄂爾多斯盆地馬五時是一個相對海退期［10］，它以干燥氣候條件下的潮坪沉積環(huán)境為特征，易于發(fā)生準(zhǔn)同生白云石化作用，并形成少量的晶間孔與晶間微孔。其中馬五5、馬五7、馬五9三個時段為次級相對海進(jìn)期，為淺水高能環(huán)境，發(fā)育顆粒灘相，易發(fā)生白云石化作用而形成晶間孔［4］。當(dāng)進(jìn)入次級相對海退期時，沉積的儲層經(jīng)過大氣淡水淋濾的改造，可形成少量晶間溶蝕孔從而改善儲集性能。整個中組合經(jīng)過了頻繁的海退和海進(jìn)，形成了縱向上疊置的白云巖、含膏白云巖、泥質(zhì)白云巖、灰質(zhì)白云巖等不同巖性的地層，這為后期巖性圈閉的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)（圖5a）。相對而言，古隆起部位發(fā)育的下組合白云巖，因為巖性單一，所以它們在后期無法形成有效的巖性圈閉。

圖4 鄂爾多斯盆地古隆起東側(cè)馬家溝組中組合各亞段測井解釋孔滲分布直方圖

圖5 鄂爾多斯盆地古隆起東側(cè)馬家溝組中組合成藏演化模式圖

加里東末期，鄂爾多斯盆地開始整體構(gòu)造抬升［11-12］，研究區(qū)的中組合儲層從中奧陶世—早石炭世經(jīng)歷了長達(dá)1.3億年的風(fēng)化、剝蝕和淋濾作用，在大氣淡水及地下水的作用下，產(chǎn)生了巖溶、去白云石化、角礫化，形成了晶間溶蝕孔隙為主的巖溶孔洞，并同時伴隨有滲流砂、淡水白云石、方解石的沉淀等充填作用的產(chǎn)生，但總的來說，本階段內(nèi)中組合儲層孔隙得到了極大的改善。

3.2 圈閉形成階段

海西運動中期，石炭系、二疊系含煤泥巖，覆蓋在中組合白云巖儲集體之上，構(gòu)成了生儲蓋的最佳組合。

中組合氣藏的氣源方面，目前普遍認(rèn)為主要來源于兩套烴源巖，即上古生界的海陸過渡相煤系烴源巖和下古生界海相碳酸鹽巖烴源巖［13-15］，其中上古生界煤系烴源巖分布范圍廣，生烴強度大，是中組合氣藏的主要氣源。時保宏等［15］認(rèn)為，中組合上段（馬五5）以上古生界的煤型氣為主，而下段（馬五6—馬五10）以上古生界煤型氣和下古生界油型氣組成的混源氣為主，下古生界烴源巖對中組合下段天然氣的貢獻(xiàn)占到42.3%。

儲層演化方面，海西運動晚期，中組合碳酸鹽巖被上古生界覆蓋后，隨著埋藏深度加大，進(jìn)入埋藏成巖階段；有機(jī)質(zhì)熱演化過程中脫羧作用產(chǎn)生的有機(jī)酸性水，使它發(fā)生了溶蝕作用和交代作用，即深埋藏巖溶作用。這些作用疊加在風(fēng)化殼巖溶上，使得原先形成的巖溶孔洞群進(jìn)一步擴(kuò)大、溶縫進(jìn)一步擴(kuò)展，在埋藏巖溶作用的同時，也能見到成巖礦物如石英、黃鐵礦、鐵方解石、鐵白云石及少量異形白云石的充填。

本階段形成了兩種有利的儲蓋組合：“古風(fēng)化殼式”儲蓋組合和“微相交替式”儲蓋組合。前者是指石炭系下部的鐵鋁巖、鋁土質(zhì)泥巖與下伏古風(fēng)化殼淋濾帶溶蝕孔洞白云巖組成的儲蓋組合，這種組合在風(fēng)化殼儲層發(fā)育區(qū)內(nèi)廣泛存在。后者是指由沉積微相在縱向上交替和側(cè)向相變所形成的巖性變化，如縱向發(fā)育的泥灰質(zhì)白云巖—白云巖交替和側(cè)向的白云巖—石灰?guī)r相變封堵等形成的儲蓋組合（圖5b）。

與儲蓋組合相對應(yīng)，本區(qū)形成了兩種典型的圈閉類型：地層圈閉和巖性圈閉。地層圈閉的形成主要跟地層沉積間斷或不整合相關(guān)。風(fēng)化殼上部的石炭系泥巖、鐵鋁巖等低滲透巖層覆蓋上組合儲層，局部的石炭系可以形成有效的側(cè)向遮擋。此種圈閉是上組合氣藏的主要圈閉類型（圖2）。

巖性圈閉的形成主要跟海平面變化以及沉積相變有關(guān)。相對海侵期形成的石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖等低滲透地層作為蓋層，覆蓋在相對海退期形成的中組合白云巖之上；臺坪相的白云巖側(cè)向巖性尖滅，過渡為盆地內(nèi)部的石灰?guī)r、膏巖等低滲透巖類，形成有效遮擋。此種圈閉是中組合氣藏的主要圈閉類型（圖2，圖5b）。

3.3 天然氣生成與運移階段

燕山期，上古生界烴源巖進(jìn)入生、排烴峰值期，天然氣由生烴、排烴中心向各圈閉系統(tǒng)運聚，形成氣藏。石炭系、二疊系生烴中心位于烏審旗—延安—定邊一帶［16］，在三疊紀(jì)快速埋藏的正常古地溫作用下，開始進(jìn)入生烴門限，并有少量烴類排出；上古生界煤成氣以垂直頂滲方式進(jìn)入中組合儲層，但供氣量不大。晚侏羅世到早白堊世，基于熱事件的影響，上古生界有機(jī)質(zhì)進(jìn)入成熟—高成熟階段，盆地達(dá)到主要生烴、排烴期［17-18］。石炭系、二疊系的天然氣向下伏奧陶系儲層運聚，主要有兩種途徑：（1）在排烴峰值期，上古生界下部的天然氣濃度明顯大于奧陶系頂部的天然氣濃度，由于濃度差的存在，導(dǎo)致上古生界天然氣向奧陶系擴(kuò)散運移；（2）來自上古生界煤系地層有機(jī)質(zhì)脫羧基作用產(chǎn)生的酸性水向奧陶系入侵，為天然氣向下運移提供了載體。所以，中組合的氣藏主要為上生下儲型（圖5c）。

3.4 氣藏調(diào)整階段

早白堊世之后，盆地東部抬升，西部沉降，導(dǎo)致已形成的氣藏內(nèi)部流體調(diào)整，局部巖溶構(gòu)造的上傾方向由地層和巖性封堵，在構(gòu)造演化中成為氣藏的遮擋，顯現(xiàn)出現(xiàn)今的氣藏面貌（圖5d）：西傾單斜背景的儲集體上傾方向被充填封堵，或在殘丘、斷隆基礎(chǔ)上形成的穹窿狀背斜，與白云巖儲層、巖溶儲層相互配置，形成以古地貌與構(gòu)造為基礎(chǔ)、具備巖性遮擋條件的復(fù)合圈閉。

從理論上而言，如果研究區(qū)內(nèi)的中組合形成了有效的地層或巖性圈閉，它就有可能形成氣藏。如果中組合因為缺失縱向或側(cè)向的巖性遮擋，天然氣就將繼續(xù)向上部的上組合及盆地中部聚集，上組合中的地層圈閉廣泛存在，在局部地區(qū)側(cè)向遮擋的條件下，就會形成象靖邊氣田的膏?？罪L(fēng)化殼氣藏（圖2），如陜62井所揭示的那樣。

根據(jù)上述成藏演化模式，本文主要考慮到中組合的有利儲集層發(fā)育區(qū)和有效巖性圈閉范圍，在氣源供應(yīng)充足的情況下，預(yù)測中組合氣藏的有利區(qū)分布在華池—靖邊—烏審旗一線（圖1）。在下一步勘探過程中，要注意中組合沉積微相的側(cè)向變化，把巖性圈閉作為重點目標(biāo)。

4 結(jié) 論

（1）鄂爾多斯盆地奧陶系古隆起東側(cè)中組合白云巖儲層以顆粒灘沉積為基礎(chǔ)，經(jīng)過巖溶改造，形成了儲集空間以晶間孔、晶間溶孔、溶蝕孔洞為主的儲集體，且馬五5、馬五7、馬五9亞段的儲集性能好于馬五6、馬五8與馬五10亞段。

（2）上古生界煤系烴源巖和下古生界海相碳酸鹽巖烴源巖為中組合氣藏提供了充足的氣源，同時上古生界厚層的泥巖層系也擔(dān)當(dāng)了區(qū)域上的蓋層，它與中組合白云巖儲層一起形成了良好的生儲蓋組合。

（3）中組合沉積期形成的顆粒灘到白云質(zhì)灰?guī)r坪、泥質(zhì)白云巖坪等的相變，為后期氣藏調(diào)整階段的側(cè)向遮擋以及有效圈閉的形成提供了保障。

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