鄂爾多斯盆地馬家溝組白云巖儲層特征及成因機(jī)理

任軍峰, 楊文敬, 丁雪峰, 趙偉波, 黃正良, 魏柳斌

(1.中國石油長慶油田公司，西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018)

鄂爾多斯盆地馬家溝組白云巖儲層特征及成因機(jī)理

任軍峰1,2, 楊文敬1,2, 丁雪峰1,2, 趙偉波1,2, 黃正良1,2, 魏柳斌1,2

(1.中國石油長慶油田公司，西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018)

[摘要]以鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組白云巖為研究對象，對不同類型白云巖的巖石礦物學(xué)屬性、地球化學(xué)特征、孔隙結(jié)構(gòu)特征、發(fā)育層位及分布規(guī)律進(jìn)行對比研究，并結(jié)合成因，將白云巖分為3類：(1)泥粉晶白云巖，以巖鹽礦物溶蝕型孔隙為主，在含膏云坪相帶呈帶狀分布，橫向分布穩(wěn)定，形成于準(zhǔn)同生白云巖化作用；(2)粉-細(xì)晶白云巖，以白云石晶間孔為主，主要發(fā)育于蒸發(fā)巖層系的短期海侵沉積期，受控于淺埋藏期滲透回流白云巖化作用；(3)中-粗晶白云巖，以殘余原始粒間孔及格架孔為主，主要發(fā)育于臺地邊緣礁灘及古隆起周邊高能顆粒灘相帶，并經(jīng)歷了埋藏白云巖化作用。奧陶系白云巖分布具有“層控性”和“相控性”，形成了現(xiàn)今白云巖儲層多層疊合發(fā)育的特點(diǎn)，為奧陶系多套含氣組合的發(fā)育創(chuàng)造了有利條件。

[關(guān)鍵詞]鄂爾多斯盆地；奧陶系；白云巖；儲層；孔隙類型

鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖層系眾多、類型多樣、分布范圍廣，是整個(gè)下古生界最為重要的天然氣儲集層，目前在下奧陶統(tǒng)馬家溝組白云巖中發(fā)現(xiàn)的天然氣探明儲量已達(dá)數(shù)千億立方米，展示了良好的勘探潛力。多年來，奧陶系白云巖的成因及其發(fā)育規(guī)律一直備受關(guān)注，已經(jīng)在白云巖分類、孔隙類型特征和控制因素等方面取得了大量認(rèn)識，并提出了不同的白云巖化模式[1-12]；但對不同成因類型白云巖分布規(guī)律、孔隙結(jié)構(gòu)差異性及其與巖相和白云巖化的內(nèi)在成因關(guān)系的研究較少。本文以鄂爾多斯盆地馬家溝組白云巖為研究重點(diǎn)，對比分析了不同類型白云巖在巖石礦物學(xué)、地球化學(xué)屬性、孔隙結(jié)構(gòu)特征及分布規(guī)律等方面的差異性，并以巖相和沉積旋回發(fā)育為依據(jù)，探討不同類型白云巖發(fā)育的控制因素及白云巖化機(jī)理。

1區(qū)域地層發(fā)育特征

奧陶紀(jì)，由于近南北向中央古隆起的分隔作用，鄂爾多斯盆地西部與盆地中東部分屬祁連、華北兩大海域，地層發(fā)育特征存在顯著差別。盆地中東部主要發(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地相的白云巖沉積；而且由于后期剝蝕，大部分地區(qū)頂部均出露馬家溝組第五段白云巖，僅局部殘留第六段灰?guī)r。盆地西部奧陶系地層發(fā)育較全，下、中奧陶統(tǒng)均有分布，主要為碳酸鹽巖臺地和深水碳酸鹽巖臺地斜坡相的灰?guī)r沉積。加里東期盆地整體抬升，遭受長達(dá)上億年的風(fēng)化剝蝕，造成奧陶系與上石炭統(tǒng)不整合接觸。

鄂爾多斯盆地中東部地區(qū)馬家溝組是主要的海相碳酸鹽巖含氣層位，由6個(gè)巖性段組成，其中第一、第三、第五段為含膏白云巖與膏鹽巖發(fā)育段；第二、第四、第六段以石灰?guī)r、白云巖為主。馬五段自上而下可以進(jìn)一步劃分為10個(gè)亞段，其中上部的馬五1+2、馬五4亞段是靖邊風(fēng)化殼大氣田的主力產(chǎn)層，以泥-粉晶含膏白云巖為主；中下段馬五5-馬五10亞段晶間孔型粉晶白云巖儲層較為發(fā)育，并發(fā)現(xiàn)了以馬五5為代表的局部高產(chǎn)富集的巖性圈閉氣藏，已經(jīng)成為繼靖邊風(fēng)化殼氣藏之后新的碳酸鹽巖接替層系[13,14](圖1)。

圖1　鄂爾多斯盆地中部奧陶系沉積層序綜合柱狀圖Fig.1　The Ordovician stratigraphic column in Ordos Basin

2白云巖結(jié)構(gòu)類型及分布

基于對盆地中東部地區(qū)探井馬家溝組巖心觀察及顯微薄片鑒定，根據(jù)白云巖微觀晶粒結(jié)構(gòu)特征，可以初步將白云巖分為泥晶-細(xì)粉晶白云巖、粉-細(xì)晶白云巖、細(xì)-中晶白云巖3大類。

2.1巖石學(xué)特征

2.1.1泥晶-細(xì)粉晶白云巖

具泥粉晶結(jié)構(gòu)及鑲嵌接觸，泥質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為5%～30%；可見板條狀石膏假晶及硬石膏結(jié)核(圖2-A,B)；常見的沉積構(gòu)造有水平藻紋層、微波狀紋層等，局部可見溶蝕可溶性礦物形成的溶蝕孔隙。主要發(fā)育于馬五1-馬五4亞段，在馬五6、馬五8、馬五10、馬一、馬三段等膏鹽巖發(fā)育段也較常見(表1)。常呈薄層產(chǎn)出，但橫向分布較穩(wěn)定。

2.1.2粉-細(xì)晶白云巖

晶粒結(jié)構(gòu)，以中-厚層為主；常發(fā)育于顆粒灘相及生物擾動沉積相帶，一般呈粗粉晶結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)不均一，半自型-自型，多呈鑲嵌接觸，可見霧心亮邊 (圖2-C,D)；泥質(zhì)含量較低，微細(xì)紋層不太發(fā)育，局部可見顆粒殘余或幻影，主要發(fā)育在盆地中東部地區(qū)馬五5、馬五7、馬五9亞段(表1)，縱向上常與泥粉晶紋層狀白云巖交替發(fā)育，平面上一般呈帶狀、透鏡狀分布。

2.1.3細(xì)-中晶白云巖

晶粒結(jié)構(gòu)，厚層塊狀，層理不顯；白云石晶粒較粗，多為細(xì)-中晶，少量粗粉晶及巨晶(圖2-E,F)，外觀呈粗砂糖狀，晶體形態(tài)與細(xì)粉晶白云巖相似，經(jīng)?？梢姺瞧街泵姘靶桶自剖w，一般以孔隙充填物產(chǎn)出，常具霧心亮邊；常見顆粒殘余、幻影以及縫合線構(gòu)造。主要發(fā)育在盆地中西部的馬四段及盆地南部的馬六段。馬四段局部最大白云巖厚度近百米，儲層厚度可達(dá)數(shù)十米，具有厚層大面積連片分布的特點(diǎn)。盆地南部馬六段白云巖厚度大(100～400 m)，而且發(fā)育多段有效儲層，具有與馬四段類似的儲集空間及分布特征。

圖2　馬家溝組白云巖顯微特征Fig.2　Microscopic characteristics of dolomite from Majiagou Formation(A)泥晶白云巖中的石膏假晶,陜315井,馬五1,深度3 688.30 m; (B)泥粉晶白云巖,陜276井,馬五1，深度2 915.63 m; (C)粉晶白云巖,召18井，馬五5，深度3 297.82 m; (D) 粉晶白云巖，府14井，馬五5， 深度2 327.96 m; (E)細(xì)晶白云巖，旬探1井，馬六， 深度3 299.98 m; (F)細(xì)晶白云巖，定探1井，馬四，深度4 450.21 m

段亞段厚度/m巖性描述主要白云巖類型馬六馬五馬四馬三馬二0～200塊狀微晶石灰?guī)r、白云巖中—細(xì)晶白云巖馬五1—馬五467～143含膏白云巖、粉晶白云巖夾石膏巖及蒸發(fā)巖泥粉晶白云巖馬五510～25細(xì)、粉晶白云巖、泥晶灰?guī)r粉—細(xì)晶白云巖馬五610～100含膏白云巖、粉晶白云巖夾石膏巖及蒸發(fā)巖泥粉晶白云巖馬五710～20細(xì)、粉晶白云巖、泥晶灰?guī)r粉—細(xì)晶白云巖馬五810～20含膏白云巖、粉晶白云巖夾石膏巖及蒸發(fā)巖泥粉晶白云巖馬五910～20細(xì)、粉晶白云巖、泥晶灰?guī)r粉—細(xì)晶白云巖馬五1010～20含膏白云巖、粉晶白云巖夾石膏巖及蒸發(fā)巖泥粉晶白云巖164～184厚層塊狀微-粉晶白云質(zhì)石灰?guī)r、細(xì)-粗晶白云巖中—細(xì)晶白云巖58～87微晶白云巖、硬石膏質(zhì)白云巖夾含泥質(zhì)白云巖,夾石膏巖及蒸發(fā)巖泥粉晶白云巖45～100塊狀微晶石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖泥粉晶白云巖

2.2白云巖分布規(guī)律

2.2.1層控性：層序控制云化層段的旋回性分布

盆地中東部馬家溝期沉積了一套具有明顯海進(jìn)-海退旋回的膏鹽巖-碳酸鹽巖層系，這種沉積特點(diǎn)對不同類型的白云巖具有明顯的控制作用。特別是馬五期作為最大的海退旋回，其內(nèi)部包含多個(gè)次級的海進(jìn)-海退沉積旋回。這種不同級別的海進(jìn)-海退變化造成不同類型的白云巖呈層狀分布，且具有旋回性特點(diǎn)(表1)。

奧陶系中組合是近年在鄂爾多斯盆地馬家溝組發(fā)現(xiàn)的新含氣層段，主要包括馬五5-馬五10共6個(gè)小層段，其巖性及儲集空間組合明顯受控于海進(jìn)-海退旋回性變化。馬五6、馬五8、馬五10為海退沉積，巖性以蒸發(fā)巖、含膏泥-粉晶白云巖為主； 馬五5、馬五7、馬五9為夾在蒸發(fā)巖層序中的短期海侵沉積，以粉-細(xì)晶白云巖為主(表1)。

2.2.2相控性：沉積相控制白云巖的空間分布

鄂爾多斯盆地奧陶紀(jì)馬五期是盆地最大的一次海退期，在盆地東部發(fā)育膏鹽湖，圍繞其發(fā)育膏云坪及含膏云坪相帶，其中馬五晚期的馬五1+2、馬五4等多個(gè)層段發(fā)育含膏云坪沉積相帶，以含膏泥晶白云巖為主，且分布范圍廣。以馬五1+2為例，其含膏云坪相帶主要發(fā)育于靖邊氣田及其周邊區(qū)域，分布面積約25×103km2，為膏溶孔型風(fēng)化殼儲層的形成創(chuàng)造了有利條件。

在海相碳酸鹽巖沉積體系中，礁灘相沉積是非常重要的利于儲集體發(fā)育的沉積類型，根據(jù)其發(fā)育的構(gòu)造部位，有臺緣灘及臺內(nèi)礁灘兩大類，分別發(fā)育于臺地邊緣及古隆起周邊與沉積期古地形的高部位。鄂爾多斯盆地奧陶紀(jì)發(fā)育西部祁連海(邊緣海)和中東部華北海(陸表海)兩大海域，臺緣灘及臺內(nèi)灘均有發(fā)育，并表現(xiàn)出對不同類型白云巖分布的控制作用。臺緣灘相沉積主要發(fā)育在馬四段沉積期，該期是奧陶紀(jì)最大的一次海侵期，古隆起區(qū)(靖邊以西的蘇里格-鎮(zhèn)原地區(qū))處于東西兩大海域過渡部位，發(fā)育臺緣高能顆粒灘相帶，經(jīng)歷白云石化形成了巨厚的白云巖儲集體，以細(xì)晶白云巖為主；向東西兩側(cè)水體加深，能量減弱，逐漸相變?yōu)槭規(guī)r陸棚環(huán)境，白云巖厚度逐漸減薄，以灰?guī)r為主。與馬四期不同，馬五5、馬五7、馬五9亞期是盆地內(nèi)馬五期海退旋回中的次級海侵旋回，這一時(shí)期的古隆起已經(jīng)出露于海平面，完全分隔了東西兩大海域，水體自西部古隆起區(qū)向盆地方向逐漸加深，造成巖性及沉積特征具有東西分異的特點(diǎn)，鄰近古隆起的靖西臺坪相帶水動力強(qiáng)，發(fā)育藻屑灘有利沉積微相，顆粒灘相沉積后期優(yōu)先云化形成粉-細(xì)晶白云巖儲層(圖3)。形成的白云巖主要沿著古隆起呈帶狀分布，向東厚度明顯減小，形態(tài)也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸踊蛘咄哥R狀。在云地比(白云巖厚度與地層厚度之比)變化趨勢上也具有明顯的規(guī)律性，古隆起東側(cè)云地比均在90%以上，向東逐漸變小，東部主要以純灰?guī)r為主，顯示出古隆起對沉積及白云巖分布的控制作用(圖4)。

圖3　馬五5亞期沉積相圖Fig.3　Sedimentary facies of M5 of Majiagou Formation

圖4　馬五5亞期云/地厚度比分布圖Fig.4　Ratio of dolomite thickness and formation thickness of M5 of Majiagou Formation

主要巖性含膏泥-粉晶白云巖粉-細(xì)晶白云巖細(xì)-中晶白云巖孔隙特征膏鹽礦物溶蝕孔隙晶間孔溶孔、晶間孔孔徑/mm0.1～50.01～0.180.05～0.6孔隙成因風(fēng)化殼期易溶膏鹽礦物溶解形成白云巖化早表生期溶蝕+白云巖化孔隙度/%3～82～95～10滲透率/10-3μm20.2～10.00.1～6.00.5～100

3白云巖儲層孔隙發(fā)育特征

鄂爾多斯盆地奧陶系碳酸鹽巖儲集空間主要以碳酸鹽巖中的孔、洞、縫為主，其中膏鹽礦物溶孔、白云石晶間孔及殘余原始粒間孔及格架孔是白云巖儲層最重要的儲集空間類型，這些儲集空間的發(fā)育與白云巖的類型有非常大的關(guān)系。

3.1膏鹽礦物溶孔

主要巖性：含膏泥-粉晶白云巖?？紫冻梢颍杭永飽|風(fēng)化殼期，大氣水淋濾作用使馬五段含膏白云巖中易溶膏鹽礦物溶解形成鑄模型孔隙(圖2-B)，現(xiàn)今孔隙不同程度充填白云石滲流粉砂、方解石及自生石英等礦物，普遍可見示底構(gòu)造。儲層段一般以未充填-半充填的孔洞為主，溶蝕-構(gòu)造縫提高了孔隙連通性和滲透率。儲層段平均孔隙度為3%～8%，滲透率為(0.2～10)×10-3μm2。

3.2白云石晶間孔

主要巖性：粉-細(xì)晶白云巖?？紫冻梢颍涸诮乇頊\埋藏期，顆粒質(zhì)灰?guī)r優(yōu)先白云巖化形成晶間孔型孔隙(圖2-C)；局部可見疊加風(fēng)化殼期的溶蝕作用形成較大的溶蝕孔洞，白云巖自形程度越高，孔隙越發(fā)育。儲層段平均孔隙度為2%～9%，滲透率為(0.1～6)×10-3μm2。

3.3殘余原始粒間孔及格架孔隙

主要巖性：細(xì)-中晶白云巖?？紫冻梢颍航笧┫喑练e的碳酸鹽骨架組構(gòu)在早表生期被選擇性溶蝕后白云巖化形成殘余原始粒間孔、格架孔隙及晶間孔型孔隙(圖2-E)。儲層段平均孔隙度為5%～10%，滲透率為(0.5～100)×10-3μm2。

表3　鄂爾多斯盆地奧陶系主要白云巖化作用對比

4白云巖成因機(jī)理

目前，白云巖的成因仍然是碳酸鹽沉積學(xué)研究中的一個(gè)重要問題。綜合已有的研究認(rèn)識，通常有以下6 種類型：①與蒸發(fā)巖有關(guān)的蒸發(fā)泵及塞卜哈模式；②滲透回流機(jī)制；③混合水白云巖化模式；④埋藏白云巖化；⑤熱液成因模式；⑥微生物白云巖化。對于鄂爾多斯盆地奧陶系的白云巖成因，上述幾種白云巖化模式都被提及過，近年來也有生物成因的白云巖化的相關(guān)論述。根據(jù)馬五1+2、馬五4泥晶-細(xì)粉晶白云巖、馬五5粉-細(xì)晶白云巖、馬四、馬六段細(xì)-中晶白云巖三大類白云巖的巖石礦物學(xué)屬性、地球化學(xué)特征、地層分布規(guī)律等特征，重點(diǎn)關(guān)注白云巖化與儲層形成、發(fā)育的關(guān)系，綜合分析認(rèn)為其分別形成于準(zhǔn)同生白云巖化、滲透回流白云巖化及埋藏白云巖化。

4.1準(zhǔn)同生白云巖化

馬家溝組馬五1沉積期，盆地中東部地區(qū)海水在蒸發(fā)作用下濃縮，隨著高鹽度鹵水中石膏和其他鹽類礦物沉淀，形成大量富Mg2+流體并下沉，在潮間帶和潮上帶交代灰泥等沉積物，形成泥晶白云巖，且含較多的硬石膏結(jié)核及石膏假晶。形成于準(zhǔn)同生白云巖化的泥晶白云巖，其有序度為0.6～0.82，δ13C=0.8‰～-4.6‰，δ18O= -7.6‰～-11.2‰(圖5)。從其與其他2種類型的白云巖的對比來看，差別較為明顯，另外兩者的近似性則可能暗示它們在沉積環(huán)境及云化條件上的相關(guān)性。白云石晶體陰極發(fā)光呈暗褐色至暗紅色，均勻發(fā)光，無核心和環(huán)帶。

圖5　奧陶系白云巖碳氧同位素特征Fig.5　Carbon and oxygen isotopic characteristics of Ordovician dolomite

4.2滲透回流白云巖化

馬家溝組馬五5海侵期，自東向西依次發(fā)育東部洼地、靖邊緩坡、靖西臺坪及環(huán)陸云坪，并在古隆起東側(cè)靖西臺坪局部發(fā)育臺內(nèi)淺水顆粒灘相沉積。

馬五5沉積期后，即進(jìn)入馬五4蒸發(fā)巖沉積期，在盆地中東部地區(qū)產(chǎn)生大量富鎂鹵水，下滲至下部的馬五5沉積層，使早期的灘相沉積白云巖化形成晶間孔型白云巖儲層。形成于滲透回流白云巖化的粉晶白云巖有序度為0.7～0.99，δ13C=0.1‰～-1.6‰，δ18O=6.9‰～8.7‰，白云石晶體一般以他形—半自形為主，陰極發(fā)光下白云石呈暗褐色至暗紅色均勻發(fā)光。

4.3埋藏白云巖化

馬五沉積期，海平面下降，古隆起周邊局限臺地及灘后潟湖的膏質(zhì)物沉淀，導(dǎo)致沉積水體中Mg/Ca的大幅度變大，富鎂離子的水體隨海平面下降不斷向早期沉積層(馬四段)下滲，導(dǎo)致處于埋藏成巖環(huán)境的早期沉積層的大量云化。馬四段顆粒灘相灰?guī)r沉積后及淺埋藏階段多經(jīng)歷間歇性暴露，對顆粒及格架的溶蝕易于富Mg2+流體的進(jìn)入，并利于云化的持續(xù)進(jìn)行，形成的白云巖層厚度大、云化徹底，晶粒較粗。形成于埋藏白云巖化的細(xì)晶白云巖，有序度為0.81～0.99，δ13C=2.1‰～-1.0‰，δ18O=-2.7‰～-7.9‰，白云石晶體一般以自形-半自形為主，陰極發(fā)光下發(fā)較為均勻的暗紅色光，具有暗紅光的中心和稍亮的邊的陰極發(fā)光現(xiàn)象，少量巨晶白云石(部分為鞍狀白云石)發(fā)亮紅光。加里東造山作用后期，盆源壓釋流體和基底熱液向古隆起遷移對上覆白云巖儲層進(jìn)行改造，部分在馬四段見到的鞍狀白云石可能主要為熱液成因。

表4　不同晶級白云巖鎂鈣比分布統(tǒng)計(jì)

5結(jié) 論

a.鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖主要發(fā)育3種孔隙類型，并與白云巖成因具有一定的內(nèi)在聯(lián)系。

b.白云巖分布具有“層控性”和“相控性”，形成了現(xiàn)今白云巖儲層多層疊合發(fā)育的特點(diǎn)，為奧陶系多套含氣組合的發(fā)育創(chuàng)造了有利條件。

c.奧陶系主要發(fā)育3種類型的白云巖化作用，其富Mg2+流體的來源與鄂爾多斯盆地中東部地區(qū)膏鹽巖等蒸發(fā)類礦物的沉淀關(guān)系密切。

d.奧陶系馬家溝組旋回性沉積特點(diǎn)是形成不同類型白云巖儲層疊合發(fā)育的宏觀控制因素。

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Discussion on characteristics and origin of Majiagou Formation dolomite reservoir in Ordos Basin, China

REN Jun-feng1,2, YANG Wen-jing1,2, DING Xue-feng1,2,ZHAO Wei-bo1,2, HUANG Zheng-liang1,2, WEI Liu-bin1,2

1.PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an710018,China;2.NationalEngineeringLaboratoryforExploration&DevelopmentofLowPermeabilityOil&GasFields,Xi’an710018,China

Abstract:Mineralogical properties, geochemical characteristics, pore structure characteristics, development and distribution of different types of dolomites from the Majiagou Formation of Lower Ordovician are studied. It reveals that the dolomite can be divided into three types in terms of their genesis. The first type is micritic to powder crystallized dolomite with evaporite mineral dissolved pores and develops in dolomitic tidal flat facies, with penecontemporaneous dolomitization. The second type is powder to fine crystallized dolomite with intercrystalline pores and develops in platform inner shoal facies, with penetration reflux dolomitization. The third type is fine to medium crystallized dolomite with residual primary intergranular pore and framework pores, and develops in high energy bank facies, with burial dolomitization. The strata-bound and facies-bound features of dolomite are the main controlling factor of superimposed development of different types of dolomite reservoir in Ordovician, which provided favorable conditions for the development of multiple sets of gas combination in Ordovician.

Key words:Ordos Basin; Ordovician; dolomite; reservoir; pore space

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.03.03

[文章編號]1671-9727(2016)03-0274-08

[收稿日期]2014-11-21。

[基金項(xiàng)目]中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(1212011220759)。

[分類號]TE122.23

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[第一作者] 任軍峰(1978-),男,高級工程師,從事海相碳酸鹽巖綜合地質(zhì)研究, E-mail：rjf_cq@petrochina.com.cn。