蘇東區(qū)馬五5儲層形成機理及富集規(guī)律研究

陳存良，張林，夏勇輝，孫振，焦廷奎

（1.中國石油長慶油田分公司氣田開發(fā)處，陜西西安710018；2.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安710018；3.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安710018）

蘇東區(qū)馬五5儲層形成機理及富集規(guī)律研究

陳存良1，張林2，夏勇輝1，孫振2，焦廷奎3

（1.中國石油長慶油田分公司氣田開發(fā)處，陜西西安710018；2.中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，陜西西安710018；3.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安710018）

奧陶系馬五5亞段作為蘇里格氣田東區(qū)開發(fā)的新層系，具有單井產(chǎn)量高、穩(wěn)產(chǎn)能力強的特點，但其儲層特征極其復(fù)雜，表現(xiàn)為橫向變化快、發(fā)育規(guī)模小，儲層預(yù)測難度大等特點。為此，本文通過開展地質(zhì)背景、沉積相、儲層主控因素、成藏機理及富集區(qū)預(yù)測等方面的研究，篩選馬五5儲層富集區(qū)，進(jìn)一步提高氣田開發(fā)效益。

蘇里格氣田；馬五5；儲層形成機理；富集規(guī)律

中奧陶統(tǒng)馬家溝組沉積時期，由于南北秦嶺和興蒙洋殼俯沖，產(chǎn)生相向擠壓作用力，蘇里格地區(qū)整體表現(xiàn)為震蕩性海退；盆地的北面、西面、南面共同隆起環(huán)繞，形成障壁強蒸發(fā)的陸棚邊緣，是具高咸度、淺水、暴露的低能沉積環(huán)境，處于高頻海平面變化相對低水位期。馬五期中央隆起出露水面，阻隔西邊海水補給；東邊華北地塊海平面整體降低，海水因海底消能，涌入量相對減少；南邊斷裂作用減弱，海水補給量有限，所以盆地內(nèi)海水循環(huán)性較差。到了加里東末期，由于南北秦嶺和興蒙洋殼俯沖加速造成構(gòu)造擠壓，鄂爾多斯盆地腹地海退成陸，研究區(qū)馬家溝組地層抬升地表遭受約1.5億年的風(fēng)化剝蝕；海西期，鄂爾多斯盆地整體下沉，研究區(qū)奧陶系地層結(jié)束了長期暴露溶蝕的歷史，開始接受沉積；到了燕山－喜山中、深埋藏成巖期，該時期研究區(qū)持續(xù)坳陷，奧陶系處于較高溫高壓的深埋藏環(huán)境［1-4］。

1 沉積相

早奧陶世馬家溝期受懷遠(yuǎn)運動影響，華北地臺整體抬升，導(dǎo)致鄂爾多斯盆地北部和中部形成伊盟和中央隆起，存在華北海與秦祁海兩大海域，華北海以陸表海（臺地）沉積特征為主，沉積環(huán)境是一個海水咸化、水體很淺、經(jīng)常暴露出來的低能沉積環(huán)境，即蒸發(fā)潮坪環(huán)境。

1.1 沉積相標(biāo)志

根據(jù)研究區(qū)馬五5期的沉積巖性特征、沉積構(gòu)造、巖石組合相分析，同時結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，將本區(qū)沉積亞相主要歸納劃分為潮上帶、潮間帶和潮下帶等3種沉積亞相類型［4］，對應(yīng)馬五51、馬五52、馬五53三個小層。

潮上帶一般位于平均高潮線至最大高潮線之間，其主要巖性為（含）云質(zhì)泥巖、泥晶膏云巖等。該帶中有大量的石膏、硬石膏晶體析出，形成大小不一的單晶或結(jié)核，同時鳥眼構(gòu)造常見。這些硫酸鹽礦物是準(zhǔn)同生期形成的，它們往往切割微細(xì)層理并可包含殘余的基質(zhì)顆粒，如少量的泥晶白云石或陸源碎屑物（見圖1a，b）。

潮間帶是平均低潮線和平均高潮線之間的地帶。該帶沉積物的主要特征是普遍發(fā)育間歇暴露標(biāo)志和極淺水沉積標(biāo)志。沉積物下部偏粗，向上變細(xì)（見圖1c，d）。潮間帶可以有很發(fā)育的藻紋層。在蒸發(fā)作用不夠強時，潮間帶下部的沉積物中可以有較強的生物擾動。該帶巖性以泥晶、泥晶泥質(zhì)灰?guī)r，泥晶藻灰?guī)r為主，具有泥晶細(xì)粉晶結(jié)構(gòu)發(fā)育網(wǎng)狀藻斑，發(fā)育鳥眼構(gòu)造及疊層石構(gòu)造，含有大量的生物化石。

與蒸發(fā)潮坪有關(guān)的潮下帶為淺海或瀉湖環(huán)境，其沉積特征變化較大，主要與水體鹽度和圖3環(huán)境的能量有關(guān)。在平均低潮面附近的潮間帶與潮下帶之間能量強，發(fā)育顆?；?guī)r，后被云化，具有殘余砂礫屑結(jié)構(gòu)，下部能量較低，發(fā)育晶灰?guī)r，含微量的藻微粒，可見體校殼薄的介形蟲化石（見圖1e，f）。

圖1 潮坪沉積背景下各沉積亞相微觀特征

1.2 沉積相模式及展布特征

馬五段儲層沉積期，蘇東區(qū)塊潮坪由西向東傾斜，經(jīng)對4口觀察描述取心井各小層巖心進(jìn)行的沉積同生期巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的分析和綜合，建立本區(qū)縱向上的沉積相模式（見圖2），并建立了剖面模式（見圖3）。模式把潮坪分為3個亞相7個微相。在本區(qū)潮上帶特征少見，有利微相為平均高潮線附近的潮緣灘微相。

通過分析沉積微相與微地貌之間關(guān)系，明確了微地貌對沉積微相的控制作用，在沉積微相約束下，恢復(fù)了沉積期微地貌［5-7］，進(jìn)一步精細(xì)刻畫了潮坪的各沉積微相展布特征。

通過工區(qū)內(nèi)各小層沉積微相平面展布看，工區(qū)內(nèi)的有利微相潮緣灘呈透鏡狀分布，縱向規(guī)模變化大，橫向上連續(xù)性差。從馬五53到馬五51，潮緣灘微相發(fā)育規(guī)模逐漸增大，潮下灰泥丘范圍逐漸變小，反映從馬五53到馬五51，水體能量逐漸增強的特點。

圖2 沉積相模式垂向模式

圖3 蘇東區(qū)塊馬五5亞段沉積相剖面模式圖

2 儲層成因機理

2.1 白云石化類型及特征

本次研究通過對研究區(qū)取芯井系統(tǒng)分析，包括各井的（1）巖石學(xué)特征；（2）礦物學(xué)特征（白云石的標(biāo)型特征和有序度）；（3）陰極發(fā)光性特征；（4）X衍射分析；（5）Fe、Mn、Sr微量元素地球化學(xué)特征；（6）碳、氧穩(wěn)定同位素地球化學(xué)特征（見圖4）；（7）包裹體均一溫度等分析測試。

綜合取芯及鄰井資料進(jìn)行分析，認(rèn)為本區(qū)馬五5段白云巖是三種白云石化作用的產(chǎn)物：（1）準(zhǔn)同生期白云石化；（2）回流滲透白云石化；（3）埋藏期白云石化。其中準(zhǔn)同生白云石化主要發(fā)育在s243井，回流滲透主要發(fā)育在sd39-62C1井，埋藏期白云巖化主要發(fā)育在sd37-58井。

2.2 儲層成巖作用類型及特征

認(rèn)為本研究區(qū)馬五5段的主要成巖作用有：白云石化作用、去膏化作用和去白云石化作用、壓實和壓溶作用、硅化作用、溶蝕作用、充填作用、重結(jié)晶作用和黃鐵礦化作用等［7］。

圖4 蘇東區(qū)塊馬五5白云巖碳氧同位素交匯圖

2.2.1 去膏化作用和去白云石化作用去膏化作用和去白云石化作用在研究區(qū)中常相伴發(fā)生，表現(xiàn)為在含石膏假晶的層段，去白云石化作用明顯。去白云石化所形成次生灰?guī)r巖性致密，孔隙度、滲透率都低，因此這種作用是一種破壞性成巖作用，不利于孔隙的形成和演化。

從研究區(qū)的構(gòu)造演化史看，在馬六段結(jié)束后，受加里東運動的影響，奧陶系地層抬升至地表，馬五段地層處于表生環(huán)境中，去膏化作用和去白云石化作用就發(fā)生在這一時期。從陰極發(fā)光特征看，交代石膏的方解石發(fā)中等強度的棕色-橙紅色光，也反映出為表生期大氣淡水作用的產(chǎn)物。

2.2.2 壓實和壓溶作用壓實作用在宏觀上可以形成各種變形構(gòu)造（見圖5），在掃描電鏡下，表現(xiàn)為微晶白云石或方解多呈面－鑲嵌接觸，巖石致密，僅留少量晶間微孔隙。

圖5 沿縫合構(gòu)造，sd37-58，3 134.58 m

壓溶作用與壓實作用之間有著較強的成因聯(lián)系，前者是后者的繼續(xù)和發(fā)展，一般發(fā)生于較深埋藏環(huán)境中。這種作用不僅使地層致密化，而且伴隨著層內(nèi)物質(zhì)的再分配以及誘發(fā)其他成巖作用的發(fā)生，如在縫合線內(nèi)又發(fā)育溶縫或張開縫。研究區(qū)的壓溶作用表現(xiàn)為縫合線，并且在不同巖性界面壓溶作用更容易發(fā)生。壓溶作用所產(chǎn)生的破環(huán)性效應(yīng)遠(yuǎn)大于建設(shè)性成巖效應(yīng)。

2.2.3 硅化作用硅化作用為富硅溶液交代巖石中原始成分的作用，可能發(fā)生在早期成巖或晚期成巖階段。在研究區(qū)中，硅化作用主要表現(xiàn)為微晶硅質(zhì)條帶和團(tuán)塊（見圖6），以及粗大的石英粒狀集合體。根據(jù)其產(chǎn)狀，以及與被交代物質(zhì)的先后關(guān)系，可以推斷出這種硅化作用晚于白云石化作用和方解石的充填作用，因此至少為成因期及其之后形成的。可以判斷硅化作用的形成屬于晚成巖早-中期中-深埋藏環(huán)境的產(chǎn)物，并可能與熱液作用有關(guān)。

圖6 縫合線溶蝕擴大后充填自生石英，sd39-62C1，3 111.26 m

2.2.4 溶蝕和充填作用對于碳酸鹽巖而言，其溶蝕和充填作用可發(fā)生在同生、成巖、后生及表生作用的各個階段，研究認(rèn)為，研究區(qū)馬五5段中可識別出3種類型的溶蝕充填作用：（1）同生期溶蝕充填作用；（2）表生期溶蝕充填作用；（3）埋藏期溶蝕充填作用。

（1）同生期溶蝕充填作用：由于研究區(qū)馬五5段的總體沉積環(huán)境為潮坪沉積環(huán)境，沉積物在沉積過程中或受到周期性海平面波動的影響而間歇性暴露于海水之上，從而受到大氣淡水的溶蝕作用。這種溶蝕作用發(fā)生時間短，表現(xiàn)為在微晶云巖或灰?guī)r中形成小的孤立的溶孔，并被粉晶方解石或白云石大部分或完全充填。

（2）表生期溶蝕充填作用：受加里東運動影響，研究區(qū)奧陶系遭受約1.3～1.5億年風(fēng)化剝蝕作用，馬五5段進(jìn)入表生成巖環(huán)境，遭受巖溶作用。巖溶作用的結(jié)果表現(xiàn)為去膏化、去白云石化的發(fā)生、溶孔和溶縫的出現(xiàn)。

在溶蝕形成的孔、縫中可形成淡水成因的干凈粉-細(xì)晶方解石和少量石英充填。陰極發(fā)光分析發(fā)現(xiàn)，淡水成因的干凈粉-細(xì)晶方解石常具有環(huán)帶，亮帶發(fā)棕黃色光，與淡水中Fe、Mn離子濃度較低相吻合。

加里東運動結(jié)束后，該區(qū)地層之上再次接受沉積，被上覆上古生界及中生界地層沉積覆蓋而后進(jìn)入埋藏期，并由表生期開放體系進(jìn)入封閉環(huán)境。在上覆含煤系地層壓實過程中不斷排出富含有機質(zhì)酸性流體的作用下，奧陶系地層中產(chǎn)生埋藏溶蝕作用。這種溶蝕作用在封閉環(huán)境中主要表現(xiàn)為對表生期巖溶作用形成孔隙進(jìn)行有限的改造，并形成細(xì)-中粗粒方解石、白云石、石英的充填。

通過陰極發(fā)光分析和包裹體研究發(fā)現(xiàn)，充填在孔縫中的細(xì)-中粗粒方解石發(fā)光弱，整體發(fā)光均勻，環(huán)帶不明顯，反映形成過程中流體成分相對穩(wěn)定。

研究中利用流體包裹體均一溫度確定成巖溫度特征，在4口井的巖芯中共選取了9件次生方解石的樣品進(jìn)行了流體包裹體均一溫度的測定，根據(jù)充填方解石樣品流體包裹體均一溫度測定結(jié)果，有如下特點：

流體包裹體均一溫度表現(xiàn)為均一溫度分布范圍寬，成巖溫度總體較高等特征。表明sd39-61井區(qū)馬五5段碳酸鹽巖儲層普遍具有多期次的成巖歷史，成巖階段可達(dá)到中成巖階段晚期。

成巖流體性質(zhì)表現(xiàn)為鹽度分布范圍較寬，鹽度值普遍較高等特征，表明了蘇東馬五5段碳酸鹽巖經(jīng)歷了多期成巖流體改造。

2.2.5 重結(jié)晶作用碳酸鹽沉積物中的小顆粒發(fā)生溶解，且被溶解的物質(zhì)向相鄰較大顆粒外側(cè)發(fā)生沉淀再結(jié)晶，使晶體增大的作用稱之為重結(jié)晶作用（見圖7）。重結(jié)晶作用的強弱受到多重因素的控制，一般情況下，隨埋藏深度的增加和溫度的升高，重結(jié)晶作用增強，晶粒粗大。在研究區(qū)中，主要表現(xiàn)為微晶灰?guī)r或白云巖局部或整體發(fā)生重結(jié)晶。

圖7 泥晶石灰?guī)r砂屑重結(jié)晶后的“霧心亮邊”結(jié)構(gòu)，s198，3 036.45 m

2.2.6 黃鐵礦化作用該作用主要發(fā)生在沉積物埋藏后，與地層水在隔絕條件下，受厭氧細(xì)菌作用而形成的。研究層位中所見的黃鐵礦多為莓球狀，少量可見立方體晶形的黃鐵礦，與白云石密切共生，或沿溶縫、縫合線分布，反映其形成主要在埋藏環(huán)境下。

2.3 儲層孔隙類型

根據(jù)巖芯觀察以及采集樣品的薄片鑒定、掃描電鏡分析，研究區(qū)內(nèi)的馬五5段的孔隙類型按照成因分類主要有原生孔隙和次生孔隙兩大類［8］。巖芯和鑄體薄片資料顯示，區(qū)內(nèi)馬五5段中由不同成巖期形成的儲集空間形式多樣，既有原生（準(zhǔn)同生）期和表生期的孔隙，又有埋藏期的孔隙，還有后生階段形成構(gòu)造裂隙。事實上，在一塊巖芯，甚至同一個鑄體薄片中，往往可以看到兩種甚至更多的不同的孔、洞、縫類型，或者不同成巖期形成的不同類型儲層孔、洞、縫的疊加。

其中原生孔隙主要有鳥眼孔隙；次生孔隙儲集空間在顯微分析中出現(xiàn)了以下八種孔隙類型：晶間孔、晶間溶孔、張開縫、收縮縫、溶蝕縫等。在次生孔隙中以晶間孔與溶蝕縫、孔出現(xiàn)的比率較高，為馬五5段中的主要儲集空間。

2.4 主要儲集空間類型及其與成巖作用的關(guān)系

研究區(qū)主要的儲集空間有：晶間孔、晶間溶孔、溶縫和裂縫。晶間孔為白云石化作用而形成的分布于白云石晶間的次生孔隙，研究層位中主要出現(xiàn)在細(xì)-中晶白云巖中。溶孔和溶縫主要為表生巖溶作用和埋藏溶蝕作用形成的產(chǎn)物。裂縫主要與后期構(gòu)造作用有關(guān)。

通過巖石中主要的孔縫類型分析，結(jié)合成巖作用類型，對研究層位的成巖作用特征與巖石孔縫形成的關(guān)系可歸納為：準(zhǔn)同生白云化作用未形成有利孔隙，埋藏白云化作用形成的晶間孔構(gòu)成了研究層位中的重要儲集空間。表生溶蝕作用對研究層位中孔縫的增加非常重要，而埋藏期溶蝕作用由于發(fā)生在封閉體系下溶蝕空間發(fā)育有限。充填作用、去白云石化作用、壓實和壓溶作用和重結(jié)晶作用是最主要的減少晶間孔和溶蝕孔縫的作用，特別是充填作用，可造成溶蝕作用形成的溶蝕孔縫大量減少，并可以影響部分晶間孔。去膏化作用、硅化作用和黃鐵礦化作用對孔縫的影響不明顯。

3 成藏模式分析

3.1 氣源對比分析

綜合天然氣的地球化學(xué)特征，選用碳同位素［9］（見圖8）、輕烴、生物標(biāo)志物等多項地球化學(xué)參數(shù)，采取氣-烴源巖直接對比的研究思路對鄂爾多斯盆地蘇東馬五5氣藏氣源進(jìn)行了綜合對比研究，表明蘇東馬五5氣源主要來自于上古的煤成氣［10］。

圖8 甲烷、乙烷碳同位素組成天然氣成因判識圖版

3.2 圈閉條件分析

圈閉由儲層、蓋層及遮擋體三部分組成。馬五5地層保存較完整，儲層主要為白云巖晶間孔，其蓋層主要為上覆碳酸鹽巖、砂泥巖和煤層等。其遮擋體主要為側(cè)向物性很差的碳酸鹽巖。此三種因素疊加鼻狀構(gòu)造，則其圈閉能力將大大提升。

3.3 成藏模式

鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖在晚三疊世和早白至世進(jìn)入大量生氣期，煤層內(nèi)存在剩余壓力，在此壓力的驅(qū)動下，煤層中的天然氣通過溶蝕縫和構(gòu)造裂縫以側(cè)向和垂向兩種方式進(jìn)入馬五5儲層中聚集成藏［11-13］。在局部構(gòu)造較高位置，氣水分異充分，從而形成高產(chǎn)氣藏。

4 有利區(qū)分布預(yù)測

4.1 氣藏控制因素

沉積相決定了沉積環(huán)境范圍內(nèi)的巖石類型，尤其是白云巖的成巖對晶間孔儲集空間的發(fā)育至關(guān)重要。從氣藏與沉積相對應(yīng)關(guān)系看，氣藏主要分布在潮緣灘為主的沉積微相區(qū)，并且潮緣灘厚度越大，無阻流量越高。因此，沉積相是控制氣藏的主要因素之一；白云巖是氣藏的儲集層，從相關(guān)性看，白云巖厚度與氣藏之間存在極高的相關(guān)性，白云巖厚度越大，無阻流量越高；石炭系煤層既作為奧陶系儲層的烴源巖又作為蓋層，對氣藏有不可缺少的作用，但從相關(guān)性上表現(xiàn)的并不明顯；孔隙度反映儲層的儲集能力，孔隙度越高，儲層的儲集能力越強，從其與無阻流量的關(guān)系也可看出，也是影響無阻流量的主要因素。

因此，綜合相關(guān)分析認(rèn)為沉積相、白云巖厚度、孔隙度是氣藏的主控因素［12-14］。

4.2 有利區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)測

應(yīng)用主控因素與無阻流量相關(guān)關(guān)系［15］，將工區(qū)劃分為三類有利區(qū)。無阻流量大于50×104m3/d為一類，白云巖厚度大于20 m，孔隙度大于7%；（10～50）× 104m3/d為二類，白云巖15 m～20 m，孔隙度5%～7%；（1～10）×104m3/d為三類，白云巖厚度4 m～10 m，孔隙度2%～5%。

應(yīng)用上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全區(qū)的有利區(qū)綜合分類和篩選，最后劃分一類有利區(qū)7個，二類有利區(qū)10個，三類有利區(qū)10個，面積402.6 km2。

5 結(jié)論及認(rèn)識

（1）精確刻畫了區(qū)域沉積微相展布：通過引入構(gòu)造趨勢面概念，結(jié)合區(qū)域沉積相分析，精細(xì)刻畫了馬五5亞段沉積微相平面展布特征。

（2）分析了成巖作用對儲集空間形成的影響分析了區(qū)域白云巖成因，量化了在白云巖成因基礎(chǔ)上，成巖作用對孔隙發(fā)育的影響。

（3）明確了馬五5各項成藏要素特征：通過對馬五5沉積期關(guān)鍵成藏要素分析，明確了馬五5氣源來自上古煤層氣，推演了成藏運移、圈閉及蓋層型及特征。

（4）劃出了馬五5小層有利富集區(qū)：通過對sd39-61等高產(chǎn)井成藏特點分析，明確了沉積微相、白云巖厚度及孔隙度對有利富集區(qū)的控制作用，劃分出三類27個有利富集區(qū)，總面積402.6 km2。

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The reservoir forming mechanism and enrichment regulationof the ordovician M55gas reservoir in the eastern block

CHEN Cunliang1，ZHANG Lin2，XIA Yonghui1，SUN Zhen2，JIAO Tingkui3
（1.Department of Gas Field Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710018，China；2.Gas Prodution Plant 5 of PetroChina Changqing OilfieldCompany，Xi'an Shanxi 710018，China；3.Petroleum Exploration and Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710018，China）

The ordovician M55gas reservoir as a new layer of eastern Sulige gas field，it has the characteristics of high yield and stable yield of single well，but its reservoir characteristics are extremely complex，specific performance for lateral change fast，small scale and difficult to predict and so on.In this paper，through the study of the geological background，sedimentary facies，reservoir controlling factors，reservoir forming mechanism and enrichment region prediction，selec of the M55reservoir enrichment region and to improve the benefit of gas field development.

Sulige gas field；M55；reservoir forming mechanism；enrichment regularity

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.08.022

TE122.21

A

1673-5285（2015）08-0082-06

2015－07-26

化學(xué)工程