大牛地氣田奧陶系馬五7亞段儲(chǔ)集空間類型及成因

李依林

（成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059）

鄂爾多斯盆地古生界天然氣資源豐富，下古生界資源量達(dá)2.36×1012m3，但探明儲(chǔ)量?jī)H6.50×1011m3，探明率較低[1-3]。下古生界奧陶系馬家溝組馬五段鹽下層具有良好的勘探前景，上覆煤系烴源巖具有較大生烴強(qiáng)度，在燕山期構(gòu)造反轉(zhuǎn)中大牛地地區(qū)為油氣運(yùn)移指向區(qū)[4-5]。近期馬五段鹽下層獲得突破，大牛地氣田D1-519井于馬五6-10亞段獲日產(chǎn)無(wú)阻流量2.30×104m3。但目前由于鉆井較少，對(duì)于馬五段鹽下層儲(chǔ)層發(fā)育程度和儲(chǔ)集空間的成因尚不明確，影響了下一步勘探部署。

鄂爾多斯盆地馬家溝組目前已發(fā)現(xiàn)的氣藏儲(chǔ)層主要以巖溶風(fēng)化殼為主，其次為靖西地區(qū)馬五5亞段白云巖巖性氣藏[6]。這類白云巖巖性氣藏主要儲(chǔ)集空間為晶間孔、晶間溶孔、粒間孔、殘余粒間孔、裂縫、膏?？?、微裂縫、溶縫及溶洞等[6-8]。鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了加里東期及海西期兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，盆地基底經(jīng)歷了抬升-剝蝕-穩(wěn)定沉降，形成了復(fù)雜的裂縫系統(tǒng)，部分地區(qū)白云巖儲(chǔ)層中裂縫發(fā)育[9-11]。由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及多期巖溶作用的影響，馬家溝組地區(qū)形成了孔、洞、縫共存的儲(chǔ)集空間；但受到多次充填及壓實(shí)作用的影響，部分儲(chǔ)集空間被破壞。總體上，馬家溝組儲(chǔ)層發(fā)育的影響因素較多，形成原因較為復(fù)雜[11-13]。

本文擬利用大牛地氣田巖心分析、錄井資料和測(cè)井資料對(duì)馬五段鹽下主要潛力層馬五7亞段的儲(chǔ)層巖石類型和儲(chǔ)集空間發(fā)育特征進(jìn)行研究。通過(guò)成巖作用序列的建立來(lái)明確有效孔隙與裂縫的成因，并建立孔隙演化模式，為深化勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)為軸部位于天池-環(huán)縣南北的狹窄地帶，西翼窄而陡，東翼寬且緩的不對(duì)稱向斜，西傾大單斜為其主體[14]。大牛地氣田處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段（圖1），總體為北東高、南西低的平緩單斜，區(qū)內(nèi)構(gòu)造和斷裂不發(fā)育，局部發(fā)育鼻狀隆起，未形成較大的構(gòu)造圈閉[15]。盆地的構(gòu)造演化主要可分為中新元古代坳拉谷盆地發(fā)育階段、古生代穩(wěn)定克拉通盆地發(fā)育階段、中生代內(nèi)陸坳陷盆地疊加發(fā)育階段及新生代周邊斷陷盆地發(fā)育階段四個(gè)階段[16-18]。在整個(gè)古生代，鄂爾多斯盆地以整體升降為主，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，處于大型克拉通盆地穩(wěn)定發(fā)育期，到了中奧陶世后期構(gòu)造活動(dòng)才開(kāi)始趨于頻繁。奧陶紀(jì)時(shí)，盆地主要發(fā)生的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為中奧陶世末期和晚奧陶世末期受加里東運(yùn)動(dòng)影響的兩次構(gòu)造抬升[19-22]。中泥盆世末發(fā)生的海西運(yùn)動(dòng)繼承了加里東運(yùn)動(dòng)的抬升與風(fēng)化剝蝕，導(dǎo)致志留系、泥盆系及部分奧陶系地層缺失，直至晚石炭世才沉積了一套海陸過(guò)渡相地層。在加里東期至海西期之間的構(gòu)造抬升致使盆地內(nèi)馬家溝組經(jīng)歷了較強(qiáng)的巖溶作用[23-25]。

圖1 大牛地氣田構(gòu)造位置與研究區(qū)內(nèi)主要井位展布

根據(jù)前人研究，鄂爾多斯盆地奧陶系沉積環(huán)境為陸緣海，以碳酸鹽巖沉積為主，主要為淺水碳酸鹽巖臺(tái)地相[26-27]。馬家溝組沉積時(shí)期是鄂爾多斯盆地奧陶紀(jì)海相沉積層形成的主體時(shí)期，海侵-海退旋回明顯發(fā)育，形成碳酸鹽巖與蒸發(fā)膏鹽巖交替發(fā)育的局限海臺(tái)地相沉積序列[28]。馬家溝組自下而上根據(jù)巖性可劃分為六個(gè)段，馬一段、馬三段和馬五段沉積時(shí)期為海退期，馬二段、馬四段和馬六段沉積時(shí)期為海進(jìn)期[26-30]。大牛地地區(qū)馬五段沉積相以局限臺(tái)地白云巖為主，受海平面周期性下降以及古干旱氣候的影響導(dǎo)致部分地區(qū)發(fā)育海水濃縮成因的膏鹽沉積[2，28]。根據(jù)測(cè)井響應(yīng)及巖性特征將馬五段劃分為馬五1-馬五10十個(gè)亞段（圖2），其中馬五7亞段處于短暫海侵期，主要發(fā)育膏質(zhì)白云巖和及少量灰?guī)r[2，6，12，21，26]。

圖2 大牛地氣田馬家溝組地層剖面

2 巖石學(xué)特征

研究區(qū)奧陶系馬五7亞段主要以白云巖為主，局部發(fā)育膏巖，含少量灰質(zhì)云巖及灰?guī)r，屬于典型的蒸發(fā)環(huán)境。巖心表面可見(jiàn)泥云-膏云互層現(xiàn)象，并可見(jiàn)部分早期的膏?？妆话自剖胺浇馐涮罨虬氤涮?。白云巖中未見(jiàn)生物擾動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)X射線衍射分析（表1），研究區(qū)內(nèi)馬五7亞段白云石含量較高，白云石平均含量為94.5%，方解石及石膏含量較少；同時(shí)，還存在極少量來(lái)自于陸源的石英和長(zhǎng)石。

表1 大牛地氣田馬五7亞段巖石礦物組成 %

白云巖以晶粒結(jié)構(gòu)為主，自形程度較好，晶粒粒度普遍小于0.10 mm。主要發(fā)育泥晶白云巖、粉晶白云巖，混有少量的粉-細(xì)晶及細(xì)晶白云巖。根據(jù)鏡下觀察，樣品中粒徑達(dá)到粉晶以上的白云巖僅占15%。除晶粒白云巖外，馬五7亞段偶見(jiàn)含鮞粒白云巖。膠結(jié)物主要為鈣質(zhì)膠結(jié)，另含少量泥質(zhì)。

3 儲(chǔ)集空間類型及特征

基于D81井和D124井兩口取心井分析測(cè)試結(jié)果，大牛地氣田馬五7亞段發(fā)育低孔低滲-特低滲儲(chǔ)層，孔隙度為0.64%～7.38%，平均值為3.53%，滲透率為0.182×l0-3～6.106×l0-3μm2，平均值為1.730×l0-3μm2（表2）。總體來(lái)講孔滲較低，但在橫向上孔滲差異較大，位于研究區(qū)西南部的D124井馬五7亞段儲(chǔ)層孔滲明顯高于東部的D81井。

表2 大牛地氣田馬五7亞段巖石孔隙度和滲透率

馬五7亞段儲(chǔ)集空間主要包括裂縫（溶縫）、晶間孔、晶間溶孔、膏膜孔及殘余粒間孔五種類型。其中主要為晶間孔、晶間溶孔及裂縫，膏?？准皻堄嗔ｉg孔發(fā)育較少（圖2）。局部地區(qū)出現(xiàn)溶洞，但數(shù)量較少，鏡下未見(jiàn)明顯溶洞發(fā)育，僅在巖心上可見(jiàn)。橫向上研究區(qū)西部D124井及D48井溶蝕較強(qiáng)，東部D81井及D126井未見(jiàn)明顯溶蝕。

圖2 大牛地氣田馬五7亞段儲(chǔ)集空間類型

裂縫主要發(fā)育在泥晶白云巖及粉晶白云巖中。薄片下可見(jiàn)較多構(gòu)造裂縫發(fā)育，縫寬通常小于0.02 mm，少量裂縫受溶蝕作用改造。裂縫型儲(chǔ)集空間約占總孔隙度的25%，局部被瀝青及方解石充填或半充填，方解石膠結(jié)物主要發(fā)育于研究區(qū)東部。部分地區(qū)裂縫受到一定的溶蝕改造。

晶間孔是研究區(qū)內(nèi)主要孔隙，大多發(fā)育于自形程度較高、晶粒較大的粉晶白云巖或粉-細(xì)晶白云巖中。其平均孔隙度為2.10%，約占總孔隙度的一半，孔徑為0.02～0.10 mm，通常差異較大，受溶蝕作用改造形成晶間溶孔并與原生孔隙組成良好的儲(chǔ)集空間。但由于局部地區(qū)溶蝕作用較弱，對(duì)儲(chǔ)層改造不明顯，導(dǎo)致晶間溶孔與晶間孔的區(qū)分實(shí)際上沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，所以本文僅將出現(xiàn)大面積溶蝕現(xiàn)象的孔隙劃分為晶間溶孔。在D124井中晶間溶孔發(fā)育，對(duì)儲(chǔ)集空間有較大貢獻(xiàn)，但在D81井的5塊樣品中及D48井樣品中均未見(jiàn)到任何大面積溶蝕現(xiàn)象，推測(cè)是部分地區(qū)未受溶蝕作用或溶蝕強(qiáng)度較小。由于統(tǒng)計(jì)了未受巖溶作用的樣品，晶間溶孔平均面孔率較低，僅為0.80%。

溶蝕作用不僅形成溶縫及晶間溶孔，還會(huì)形成膏膜孔。膏?？淄ǔＪ怯捎诖髿馑牧転V作用導(dǎo)致石膏被溶解而形成，一般孔徑較大但連通性較差，很難單獨(dú)形成良好儲(chǔ)層。根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)膏?？撞糠直怀涮钇茐模吔缧螤畲蠖嗖灰?guī)則。在馬五7亞段薄片中發(fā)現(xiàn)的膏?？纵^少，平均面孔率小于0.10%，但在取樣巖心上可發(fā)現(xiàn)大量膏?？?。

此外，研究區(qū)內(nèi)還發(fā)現(xiàn)少量殘余粒間孔，殘余的顆粒結(jié)構(gòu)不是十分明顯。殘余粒間孔通常是由粒間孔經(jīng)壓實(shí)及膠結(jié)作用改造形成，在馬五7亞段不發(fā)育，孔徑通常小于0.10 mm，但孔隙間連通性較好，可與晶間孔或晶間溶孔組成有效儲(chǔ)集空間。

4 儲(chǔ)集空間成因

4.1 白云石化作用

研究區(qū)大部分白云巖呈晶粒結(jié)構(gòu)，粒度較小，多為泥晶或粉晶白云巖，屬于滲透回流成因，其晶間孔發(fā)育程度相對(duì)較差。也存在部分晶粒較大的粉-細(xì)晶白云巖及細(xì)晶白云巖，這類白云巖中白云石有序度較高，大多在0.90以上，平均值為0.93，主要為淺埋藏成因。根據(jù)鏡下觀察結(jié)果（圖3），可以看到白云巖晶間孔發(fā)育明顯優(yōu)于其他巖性，而晶間孔面孔率較高的樣品普遍來(lái)自埋藏成因的粉-細(xì)晶白云巖，因此判斷淺埋藏白云石化對(duì)于晶間孔的大量發(fā)育更加有利。

圖3 大牛地氣田馬五7亞段樣品巖性及晶間孔面孔率

4.2 溶蝕作用

晶間溶孔、膏模孔及溶縫的形成都與巖溶作用有關(guān)。通常根據(jù)成巖期將巖溶作用劃分為準(zhǔn)同生巖溶，埋藏巖溶及表生巖溶（風(fēng)化殼巖溶）三種，其中未見(jiàn)異形礦物等明顯埋藏巖溶標(biāo)志。根據(jù)碳氧同位素特征，奧陶紀(jì)海水的穩(wěn)定同位素值δ13C為-2.0%～+0.5%，δ18O為-6.6%～-4.0%[31]。本次共選取馬五7亞段8塊樣品進(jìn)行同位素測(cè)試，δ13C為-1.21%～0.19%，平均值為-0.38%；δ18O為-7.4%～-6.51%，平均值為-6.94%（表3）；其中碳同位素處于正常值，氧同位素偏負(fù)。分析認(rèn)為馬五7亞段存在淡水溶蝕作用，由于巖溶作用不夠強(qiáng)烈或地層沒(méi)有處于暴露地表的頂部，但蒸發(fā)環(huán)境導(dǎo)致大量CO2氣體蒸發(fā)使得碳同位素偏高，氧同位素偏負(fù)程度較低。Sr同位素比值一般會(huì)隨表生巖溶作用中放射性鍶的加入而升高。研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)沉積時(shí)海水的87Sr/86Sr比值為0.708 7～0.708 9[38]。測(cè)試結(jié)果顯示，Sr同位素比值為0.708 8～0.710 5，平均值為0.709 5，高于中下奧陶統(tǒng)沉積時(shí)海水的Sr同位素比值，表明受到陸源放射性鍶的影響。表生巖溶作用與同生巖溶作用都會(huì)受淡水作用影響，但表生巖溶由于構(gòu)造抬升和海平面下降通常會(huì)經(jīng)歷長(zhǎng)期的大面積暴露溶蝕，更有可能會(huì)出現(xiàn)陸源物質(zhì)，且這種巖溶作用不具有組構(gòu)選擇性。研究發(fā)現(xiàn)部分白云巖中有泥質(zhì)充填，且多集中于風(fēng)化縫中。區(qū)內(nèi)受表生溶蝕作用影響形成大量晶間溶孔、膏溶孔，局部可見(jiàn)裂縫的擴(kuò)溶現(xiàn)象。因此，綜合分析認(rèn)為發(fā)生的主要溶蝕作用為表生期的淡水溶蝕作用[32-33]。

表3 大牛地氣田D124井馬五7亞段白云巖碳氧鍶同位素

由于馬五7亞段上覆地層厚，且在馬五5亞段灰?guī)r隔水層之下，認(rèn)為巖溶水是通過(guò)西部高地出露后的先期巖溶面或裂縫系統(tǒng)順層向海拔較低處流動(dòng)并改造已有儲(chǔ)集空間。研究區(qū)西部的D124井儲(chǔ)集空間未受大規(guī)模膠結(jié)作用及壓實(shí)作用的破壞，母巖與巖溶水能夠充分接觸，使儲(chǔ)層受到大規(guī)模溶蝕改造；但東部的D81井距離較遠(yuǎn)，充填物較多，儲(chǔ)集空間發(fā)育較差，進(jìn)而導(dǎo)致溶蝕作用不明顯，從而使得D124井物性優(yōu)于D81井。

4.3 膠結(jié)作用及壓實(shí)作用

研究區(qū)內(nèi)膠結(jié)作用及壓溶壓實(shí)作用對(duì)于儲(chǔ)層主要起破壞作用。殘余粒間孔就是原生粒間孔經(jīng)歷壓溶壓實(shí)作用及膠結(jié)作用的破壞而殘留的儲(chǔ)集空間。除殘余粒間孔外其他儲(chǔ)集空間在埋藏期也會(huì)受壓實(shí)，壓溶壓實(shí)常形成縫合線并被瀝青和泥質(zhì)充填或半充填。研究區(qū)東部發(fā)育的裂縫常被膠結(jié)物充填破壞，膠結(jié)物主要以鈣質(zhì)和泥質(zhì)為主（圖4）。

圖4 大牛地氣田D81井馬五7亞段白云巖裂縫中方解石膠結(jié)物及裂縫充填物鏡下特征

4.4 破裂作用

研究區(qū)馬家溝組巖心可見(jiàn)大量風(fēng)化縫，呈網(wǎng)狀分布，鏡下則主要為構(gòu)造縫。通過(guò)對(duì)裂縫充填物測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，裂縫主要形成于海西期、印支期、燕山-喜山期，對(duì)應(yīng)三次較大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。其中燕山-喜山期是裂縫最主要的形成時(shí)期，受以剪應(yīng)力為主的應(yīng)力作用產(chǎn)生大量構(gòu)造縫，且形成的裂縫多為半充填-未充填狀態(tài)，有效性較高。破裂作用不僅能形成裂縫，并能夠改善儲(chǔ)集空間連通性，形成裂縫-溶孔型儲(chǔ)層。

5 孔隙演化

本文以儲(chǔ)集空間發(fā)育較好的D124井晶粒白云巖儲(chǔ)層為例，根據(jù)白云巖的成巖作用序列建立孔隙演化模式（圖5）。晶粒白云巖在準(zhǔn)同生期主要經(jīng)歷白云石化作用，準(zhǔn)同生白云石化形成泥-粉晶白云巖，發(fā)育晶間孔。淺埋藏期孔隙主要受壓實(shí)作用影響，孔隙度降低，同時(shí)也發(fā)生了淺埋藏白云石化作用，致使晶間孔進(jìn)一步發(fā)育。在加里東期和海西期抬升后，馬五7亞段被抬升至地表受淡水溶蝕，巖溶水從西部斜坡順層流動(dòng)，大氣淡水的淋溶導(dǎo)致大量晶間溶孔和膏模孔的形成；同時(shí)溶蝕還能增強(qiáng)晶間孔和膏?？椎倪B通性。表生期形成了研究區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的儲(chǔ)集空間，晶間孔、少量裂縫及溶縫與溶蝕孔-洞疊加形成良好的儲(chǔ)層。進(jìn)入埋藏期后，主要受壓溶壓實(shí)和膠結(jié)作用等破壞性作用影響。但膠結(jié)程度較低，對(duì)儲(chǔ)層破壞較小。除此之外，在深埋藏期由于晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生構(gòu)造裂縫，這些裂縫進(jìn)一步改善了儲(chǔ)層的連通性，形成了一部分裂縫-溶孔-溶洞型儲(chǔ)層。

圖5 大牛地氣田馬五7亞段成巖序列與孔隙演化

6 結(jié)論

（1）大牛地氣田馬五7亞段巖性以白云巖為主，局部有少量灰質(zhì)及膏質(zhì)，儲(chǔ)層類型為低孔低滲-特低滲，晶間孔、晶間溶孔和裂縫是該段主要的儲(chǔ)集空間。

（2）大牛地氣田孔隙的形成主要受白云石化、表生巖溶、破裂作用影響。研究區(qū)內(nèi)表生期巖溶主要為順層溶蝕，成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的改造在研究區(qū)西部以建設(shè)性為主，東部以破壞性為主。