鄂爾多斯盆地奧陶系馬五段孔隙充填物類型與成因

張軍濤，金曉輝，李淑筠，李 維，孫宜樸

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2. 中國石化 江蘇油田地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇 揚州 225009)

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鄂爾多斯盆地奧陶系馬五段孔隙充填物類型與成因

張軍濤1，金曉輝1，李淑筠1，李 維2，孫宜樸1

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2. 中國石化 江蘇油田地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇 揚州 225009)

鄂爾多斯盆地馬五段主要孔隙類型為硬石膏結(jié)核溶?？祝涮畹V物有方解石、粉晶白云石、粗晶白云石，以及少量的石英、硬石膏、高嶺石等。方解石多為粗晶，陰極發(fā)光下為黃色，具有較低的Fe含量、中等Mn含量，明顯偏負的碳、氧同位素，說明其形成于大氣降水環(huán)境中。粉晶白云石多為半充填，礦物學(xué)特征與基質(zhì)白云石類似，與基質(zhì)白云石具有同源性，但具有兩種陰極發(fā)光情況，一類為橘色，另一類與基質(zhì)白云石相近，為暗紅色,電子探針背散射下，可分為外邊和內(nèi)核兩部分，內(nèi)核的Fe和Mn的含量與基質(zhì)白云石相近，外邊具有較高的Fe和Mn含量。粉晶白云石較基質(zhì)白云石碳、氧同位素偏負，這些差異反映了成巖流體的變化。粗晶白云石染色后呈藍色，具有較高的Fe和Mn含量，較負的碳、氧同位素，其可能形成于后期的熱流體活動。因此，不同類型的充填物是不同流體活動的結(jié)果。方解石形成于表生期的大氣降水充填作用，與巖溶古地貌有一定的聯(lián)系，多分布于流體相對充足地勢相對低洼的區(qū)域；而粉晶白云石的含量則與沉積環(huán)境相關(guān)，后經(jīng)歷過熱流體改造；粗晶白云石的形成于與裂縫相關(guān)的熱流體活動。

孔隙充填物；白云石；方解石；碳酸鹽巖儲層；馬五段；鄂爾多斯盆地

流體活動在碳酸鹽巖儲層形成演化過程中起著極其重要的作用[1-6]。流體改造的主要形式有白云巖化作用、重結(jié)晶作用、溶蝕作用和充填作用等。溶蝕作用形成儲集空間，充填作用阻塞儲集空間。而孔隙充填物作為流體活動最直接的產(chǎn)物，保留了流體作用的痕跡，記錄了流體作用的性質(zhì)，是碳酸鹽巖儲層研究的熱點[1-8]。

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組五段(馬五段)為一套富含硬石膏的白云巖層系，沉積環(huán)境為蒸發(fā)臺地[9-13]。在漫長的成巖演化過程中，巖層經(jīng)歷了多元且復(fù)雜的流體作用改造。其中影響最大是大氣降水溶蝕作用，形成了最主要的儲集空間——硬石膏結(jié)核溶?？譡13-18]。另外，多期次流體作用還表現(xiàn)為孔隙中形成了方解石、白云石以及石英、石膏、高嶺石等多種類型的充填物[17]。其中方解石和白云石充填物具有一定分區(qū)性，已經(jīng)有所關(guān)注，但對于流體的性質(zhì)、流體作用差異性及其對儲層的影響，研究還相對較少。

本文選取鄂爾多斯盆地不同地區(qū)的馬五段樣品，分析孔隙充填物礦物組合、空間分布、礦物學(xué)和地球化學(xué)特征，試圖查明充填物的成因，揭示儲層成巖過程中流體活動的差異，并探討其對儲層儲集性能的影響。

1 實驗方法

樣品采集于鄂爾多斯盆地南部的富縣地區(qū)、中部的大牛地地區(qū)、西部的蘇里格等地區(qū)鉆井以及盆地東部晉西地區(qū)野外剖面馬五段中。首先對鉆井取心段和野外剖面進行詳細觀察描述，分析孔隙充填物的發(fā)育分布情況，然后在顯微鏡下鑒定分析充填物礦物組合類型，最后選擇合適的樣品，進行碳酸鹽巖的陰極發(fā)光、電子探針分析以及碳氧同位素分析。

電子探針分析在中石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所完成，測試儀器為JEOL JXA-8230。

碳氧同位素分析在核工業(yè)地質(zhì)分析測試研究中心完成，分析儀器為MAT 253。

2 充填礦物類型

鄂爾多斯盆地內(nèi)部奧陶系馬五段的主要儲集空間是硬石膏結(jié)核溶?？?，這類孔隙形成于硬石膏結(jié)核的溶解，呈層狀、透鏡狀產(chǎn)出。在巖心上顯現(xiàn)為麻點狀、針孔狀或蜂窩狀，其形狀主要為圓形或次圓形(圖1)。而大量的顯微鏡觀察顯示，大部分的膏溶孔隙都存在孔隙充填物。

通過對不同地區(qū)樣品的薄片分析，并結(jié)合對已有研究成果的統(tǒng)計[17]，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)孔隙內(nèi)充填礦物最主要有3種：方解石、白云石和石英。白云石又細分為粉晶白云石和粗晶白云石兩類(圖2)，另外也能見到少量的硬石膏、高嶺石、地開石、燧石、黃鐵礦等。充填礦物組合類型上呈現(xiàn)出多樣性，既可能是粉晶白云石、方解石、石英、粗晶白云石等單一礦物，也存在粉晶白云石與方解石，粉晶白云石與石英，粉晶白云石與粗晶白云石，粗晶白云石與石英，粉晶白云石與粗晶白云石、石英等不同礦物的組合。而根據(jù)充填程度又分為：未充填、半充填和完全充填三種類型。其中，粉晶白云石、石英、粗晶白云石等多以半充填形式出現(xiàn)，而方解石則多完全充填(圖2)。在空間分布上也有一定的差異，方解石主要分布在盆地東部地區(qū)，而白云石主要分布于盆地中西部地區(qū)[17]。

2.1 方解石

方解石充填物，往往完全充填于整個圓形的硬石膏結(jié)核溶?？字?。主要為粗晶、他形(圖3a)。在陰極發(fā)光亮橙色，與發(fā)暗紅色光的粉晶白云巖基質(zhì)相比具有更強的發(fā)光性(圖3b)。一般的，F(xiàn)e是陰極發(fā)光的淬滅劑，Mn是陰極發(fā)光的激發(fā)劑，即較高的Mn含量能夠?qū)?yīng)充填物具有較高的發(fā)光性[19]。這與電子探針分析結(jié)果中也相吻合，方解石與基質(zhì)白云石相比具有較高的Mn含量(圖4)，顯示方解石充填物主要來源于表生期的大氣降水，因為，大氣水相對于海水具有更高的Mn含量[19]。方解石充填物的碳、氧同位素值分布較廣。其中，δ13C(V-PDB)值為-2.2‰～-5.4‰，δ18O(V-PDB)值為-6.6‰～-15.1‰。氧同位素較基質(zhì)白云石(-6.5‰～-8.0‰)以及奧陶紀海水(-6.6‰～-4.5‰)明顯的偏負(圖5)，也都印證了方解石充填物可能主要形成于大氣降水環(huán)境之中。而裂縫內(nèi)充填的方解石δ13C(V-PDB)-3.2‰～-8.2‰，δ18O(V-PDB)-5.5‰～-16.4‰，與硬石膏結(jié)核溶?？變?nèi)的方解石有一定的差異(圖5)，反映了裂縫充填期次的多樣性。

圖1 鄂爾多斯盆地馬五段含膏白云巖巖心特征Fig.1 Core features of dolomite containing anhydrite from the 5th member of the Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basina.角礫白云巖，硬石膏結(jié)核溶?？装l(fā)育，大98井，埋深2 883 m；b.角礫巖，硬石膏結(jié)核溶?？装l(fā)育，呈麻點狀，富古7井，埋深2 960 m

圖2 鄂爾多斯盆地馬五段硬石膏結(jié)核溶模孔微觀特征Fig.2 Micrograph of mold pores of anhydrite nodules from the 5th member of the Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basina.硬石膏結(jié)核溶?？祝浇馐涮?，富古4井，單偏光，染色，埋深3 170 m；b.硬石膏結(jié)核溶?？?，粉晶白云石和粗晶白云石充填，蓮5井，單偏光，埋深4 099 m；c.硬石膏結(jié)核溶?？祝劬О自剖头浇馐涮?，富古1井，單偏光，埋深3 128 m；d.硬石膏結(jié)核溶?？?，粗晶白云石充填，大98井，單偏光，染色，埋深2 883 m；e.硬石膏結(jié)核溶?？?，石英充填和粉晶白云石，陜338井，單偏光，埋深3 799 m；f.粉晶白 云巖中的硬石膏結(jié)核，并包裹有粉晶白云石，新富1井，單偏光，埋深3 179 m；cal.方解石充填物；mat-dol.基質(zhì)白云石；anh.硬石膏；coa-dol.粗晶方解石充填物；sil-dol.粉晶白云石充填物；qz.石英

2.2 粉晶白云石

粉晶白云石充填物，半充填于硬石膏結(jié)核溶模孔隙，表現(xiàn)為示頂?shù)捉Y(jié)構(gòu)(圖2)，據(jù)此此前多認為該類白云石為淡水成因或滲流砂[15]。在顯微鏡下充填物以自形、粉晶為主，掃描電鏡下晶間孔發(fā)育。粉晶白云石礦物學(xué)特征與基質(zhì)白云石差別不大(圖6a)，可能預(yù)示粉晶白云石成因與基質(zhì)類似。

圖3 鄂爾多斯盆地馬五段硬石膏結(jié)核溶?？變?nèi)方解石充填物陰極發(fā)光特征Fig.3 Cathodoluminescence features of calcite fillings in mold pores of anhydrite nodules from the 5th member of the Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basina,b.硬石膏結(jié)核溶?？?，方解石充填物，新富5井，埋深2 891 m，a為單偏光，b為陰極發(fā)光cal.方解石充填物；mat-dol.基質(zhì)白云石

圖4 鄂爾多斯盆地馬五段不同碳酸鹽礦物組分Fe(a)和Mn(b)含量Fig.4 Fe(a) and Mn(b) contents of carbonate minerals from the 5th member of the Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地馬五段不同碳酸鹽礦物組分碳、氧同位素交會圖Fig.5 Cross-plot of carbon and oxygen isotopes of carbonate minerals from the 5th member of the Ordovician Majiagou Formation, Ordos Basin

在陰極發(fā)光下，粉晶白云石充填物有兩種發(fā)光情況，一種是與基質(zhì)白云石相似，陰極發(fā)光較弱，發(fā)暗紅色光，而另一類則具有較強的發(fā)光性，呈亮紅色光(圖6b)。

電子探針背散射顯示，前者與基質(zhì)白云石具有相似的成分組成(圖7a,b)，而后者粉晶白云石可分為外緣和內(nèi)核兩部分(圖7c,d)，外緣具有較亮的白色，內(nèi)核呈暗色。其中內(nèi)核的Fe和Mn含量以及Ca/Mg比值也與基質(zhì)白云石都非常接近(圖4)，微量元素較低，Ca/Mg比值在1左右，這也反映粉晶白云石充填與基質(zhì)白云石同源性。粉晶外緣具有較高的Fe含量，異常高的Mn含量(圖4)，可能是陰極發(fā)光下呈亮黃色光的原因，說明其受到過富Fe和Mn流體的改造。第二類粉晶白云石充填物的δ13C(V-PDB)值在-0.7‰～-2.7‰，δ18O(V-PDB)值在-9.8‰～-11.4‰(圖5)，粉晶白云石充填物的碳同位素值與基質(zhì)白云石大致相近，氧同位素較基質(zhì)白云石明顯的偏負，可能反映粉晶白云石受到過熱水的改造。

圖6 鄂爾多斯盆地馬五段硬石膏結(jié)核溶?？變?nèi)白云石充填物陰極發(fā)光特征Fig.6 Cathodoluminescence features of dolomite fillings in mold pores of anhydrite nodules from the 5th member of the Ordovician Majiagou Formation, Ordos Basina,b.硬石膏結(jié)核溶?？祝自剖涮钗?，蓮5井，埋深4 099 m，a為單偏光，b為陰極發(fā)光mat-dol.基質(zhì)白云石； coa-dol.粗晶方解石充填物；sil-dol.粉晶白云石充填物

另外，在原始未經(jīng)改造的硬石膏結(jié)核中，也發(fā)育包裹有大量的粉晶白云石(圖2f)，同樣支持粉晶白云石形成于早期，與基質(zhì)白云石同時的薩布哈白云巖化作用，而非淡水成因，富鐵富錳的外邊則是受到過后期熱流體的影響。

2.3 粗晶白云石

粗晶白云石充填物，常見于粉晶白云石充填之后的殘余空間中，也能見到粗晶白云石單獨充填于整個硬石膏結(jié)核溶?？字?，且常常表現(xiàn)為彎曲的晶面，正交光下顯示為波狀消光，具有鞍狀白云石的特征，可能形成在溫度相對較高的流體中，溫度一般大于80 ℃[20-22]。經(jīng)染色后，呈淡藍色，為鐵白云石(圖2d,圖7b)。在陰極發(fā)光下，白云石不發(fā)光(圖6b)，電子探針測點顯示，粗晶白云石具有較高Fe和Mn含量(圖4)，但與粉晶白云石相比Mn含量則大幅降低，這是造成陰極發(fā)光不發(fā)光的原因。Fe2+只有在較高的溫度時，才能進入白云石晶格[16-17]，同樣也說明粗晶白云石充填物形成于后期溫度較高的流體中。粗晶白云石還廣泛存在于裂縫中，其形成可能與斷裂相關(guān)富Fe富Mn熱流體活動有關(guān)。

粗晶白云石充填物的δ13C(V-PDB)值范圍在-1.7‰～-2.9‰，δ18O(V-PDB)值范圍在-9.9‰～-11.3‰(圖5)，粗晶白云石的碳氧同位素值較基質(zhì)白云石都明顯偏負，顯示了與基質(zhì)白云石成因差異，形成過程受到過熱水的改造。

2.4 石英

石英充填物，或與粉晶白云石伴生，或以單獨產(chǎn)出于硬石膏結(jié)核溶模孔隙中。在顯微鏡下，多呈自形，陰極發(fā)光下石英不發(fā)光。也能見到石英與高嶺石(地開石)伴生，甚至在石英中也能見到包裹有大量的高嶺石(圖7a,d)。高嶺石一般是在地表或者地表條件下形成，石英與之伴生，反映了石英形成于地表或者近地表條件下[23]。在石英充填物中很難發(fā)現(xiàn)兩相包裹體，同樣也說明石英的形成溫度較低。在馬五段巖溶角礫的礫間填隙物中也發(fā)現(xiàn)有自形石英的存在。另外，世界范圍內(nèi)多個碳酸鹽巖巖溶型鋁土礦層及風(fēng)化殼中均發(fā)現(xiàn)有大量的石英存在[23]。因而孔隙內(nèi)充填的石英很可能形成于表生巖溶期大氣降水。

3 孔隙充填物形成環(huán)境

對不同地區(qū)充填物組合類型的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，盆地南部富縣地區(qū)以及盆地東部的馬五段硬石膏結(jié)核溶?？卓紫冻涮钗镆苑浇馐癁橹?，僅裂縫中可見有少量的鐵白云石充填。位于盆地中部的大牛地地區(qū)白云石含量明顯增多，但仍主要以方解石充填。盆地西部的蘇里格地區(qū)則主要以白云石充填為主。由此看見，充填物類型在不同地區(qū)差異，這可能與盆地的地質(zhì)背景有一定的聯(lián)系，通過前文的論述，不同類型的充填礦物形成的時間和來源并不相同[17]，沉積環(huán)境、巖溶古地貌以及后期的斷裂活動都影響著充填物的分帶性。粉晶白云石充填物形成于淺埋藏期，與沉積環(huán)境息息相關(guān)，在盆地東部由于有膏鹽湖的存在，海水鹽度較高，其中形成的硬石膏結(jié)核中含有較少的粉晶白云石。因此，粉晶白云石在盆地內(nèi)呈現(xiàn)出西多東少的特征。方解石充填物形成于表生巖溶期，與古地貌關(guān)系更明顯，方解石充填物的分布區(qū)與前石炭紀巖溶古地貌中的巖溶洼地非常吻合[18]，在巖溶洼地有較多的淡水匯聚，使得方解石與粉晶白云石的分布恰恰相反，在盆地內(nèi)表現(xiàn)為東多西少。石英來源于表生期碳酸鹽巖的溶蝕，其分布的規(guī)律性并不明顯。而粗晶白云石的形成與后期的熱流體活動有關(guān)，可能與斷裂活動有關(guān)。

圖7 鄂爾多斯盆地馬五段硬石膏結(jié)核溶模孔內(nèi)白云石充填物背散射特征Fig.7 Backscattering features of pore-fillings in mold pores of anhydrite nodules from the 5th member of the Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basina.硬石膏結(jié)核溶?？?，粉晶白云石、石英和高嶺石充填物，陜338井，埋深3 799 m；b.硬石膏結(jié)核溶?？祝劬Ш痛志О自剖涮钗?，蓮5井，埋深4 099 m；c.粉晶白云石充填物，可分為外邊和內(nèi)部兩部分，陜338井，埋深3 799 m；d.粉晶白云石充填物，高嶺石，陜338井，埋深3 799 mqz.石英；sil-dol.粉晶白云石；coa-dol.粗晶白云石；mat-dol.基質(zhì)白云石；kin.高嶺石

在充填物的形成序列上，粉晶白云石在準同生期-淺埋藏期就已經(jīng)形成，分布于硬石膏結(jié)核之中，經(jīng)暴露風(fēng)化溶蝕后，硬石膏被溶解，在結(jié)核中粉晶白云石則殘存于硬石膏結(jié)核溶?？紫吨小１砩趲r溶有發(fā)生少量石英以及大量的方解石沉淀，特別是在大氣降水匯集的區(qū)域，孔隙更易被方解石完全充填。再次進入埋藏期后，熱流體的活動造成了部分巖溶期未被完全充填的孔隙發(fā)生了粗晶白云石充填，并使得殘存粉晶白云石充填物邊緣富集Fe和Mn。

在與儲層的關(guān)系上，方解石的充填作用是最主要的儲層破壞作用，淡水充填的區(qū)域，淡水不斷匯集，孔隙往往被完全充填。粉晶白云石的充填對儲層的破壞相對有限，因為硬石膏結(jié)核中包裹的粉晶白云石含量相對較少，經(jīng)溶蝕殘余的粉晶白云石也不足以完全破壞儲層的儲集性能，另外粉晶白云石充填物內(nèi)部也有大量的晶間孔隙。粗晶白云石對殘余孔隙的也有一定的破壞作用，但是由于流體相對有限，所以往往也會有一點殘余孔隙存在。

4 結(jié)論

鄂爾多斯盆地馬五段硬石膏結(jié)核溶?？變?nèi)的主要充填礦物有粉晶白云石，粗晶白云石，方解石，石英，以及高嶺石，硬石膏，燧石、黃鐵礦等，按充填程度可分為，未充填、半充填和完全充填。方解石形成于表生巖溶階段，與古地貌位置密切相關(guān)，是儲層最主要破壞作用，粉晶白云石的含量與沉積環(huán)境相關(guān)，石英形成于表生巖溶期酸鹽，普遍存在一期熱流體事件，表現(xiàn)為粗晶鐵白云石的充填和粉晶白云石充填物的邊緣的Fe和Mn富集。

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(編輯 張亞雄)

Types and origin of pore-fillings from the 5thmember of the Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

Zhang Juntao1,Jin Xiaohui1,Li Shujun1,Li Wei2,Sun Yipu1

(1.Exploration&ProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China; 2.GeologicalResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou,Jiangsu225009,China)

Mold pore of anhydrite nodule is the major pore type in the 5thmember of Ordovician Majiagou Formation,Ordos Basin.The fillings of the pore consist mainly of calcite,very fine crystalline dolomite,and coarse crystalline dolomite,as well as a small amount of quartz,anhydrite,kaolinite,etc.The calcite,fully filling the pores,is mostly coarse crystalline and shows yellow color under cathodoluminescence.Its moderate Mn content,a relatively low Fe content and the obviously negative δ18O values indicate that the calcite deposited in atmospheric environment.The very fine crystalline dolomite,usually partly filling the pores,is similar to matix dolomite in mineralogy and origin.It shows two color types (one is light orange and the other is dark red similar to matix dolomite) under cathodoluminescence.The very finecrystalline dolomite can be divided into two parts under electron probe backscatter: the core and the cortex.The Fe and Mn content of the core are close to that of the matrix dolomite,while the cotex has the highest Fe and Mn content in carbonate minerals.Furthermore,its δ18O and δ13C values are more negative than that of the matrix dolomite.These features illustrate the change of diagenetic fluids.The coarse crystalline dolomite,blue after dyeing,has higher Mn and Fe content,relatively negative δ18O and δ13C values,suggesting a possble late hydrothermal fluid origin.Different pore-fillings in the reservoir are the results of different fluids.The calcite is possibly the result of meteoric water filling in hypergenic stage and has certain relatonship with karst paleogeomorphology.It commonly occurs in low-lying areas with surficient fluids.In constrast,the very fine crystalline dolomite is related to sedimentary environments and alterated by hydrothermal fluids.The fromation of coarse crystalline dolomite as a result of hydrothermal fluids associated with fractures.

pore-filling,dolomite,calcite,carbonate reservoir,Majiagou Formation,Ordovician,Ordos Basin

0253-9985(2016)05-0684-07

10.11743/ogg20160508

2015-12-01;

2016-08-20。

張軍濤(1981—)，男，高級工程師，碳酸鹽巖儲層。E-mail:zhangjt.syky@sinopec.com。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB214802)；國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項目(U1663209)；國家科技重大專項(2011ZX05005002)。

TE122.2

A