鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬家溝組儲層類型成因及其主控因素

蘭浩翔，伏美燕，鄧虎成，雷濤，吳冬，胥旺，李依林

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），成都 610059

2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都 610059

3.中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，鄭州 450000

0 引言

碳酸鹽巖儲層成因研究是儲層分類評價的基礎(chǔ)，包含沉積、成巖作用和破裂等地質(zhì)因素及其綜合作用等[1-2]。21 世紀(jì)以來，前人也做了一系列有關(guān)白云巖儲層成因的研究，研究多集中在白云巖化[3-4]、沉積環(huán)境及沉積相[5-6]、巖溶作用[7-8]等方面，同時也通過同位素研究[9-10]及成巖相分析[11]對白云巖儲層成因進(jìn)行分析。本次研究的鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)奧陶系馬家溝組發(fā)育碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖互層的地層[12-14]，發(fā)育晶粒白云巖、顆粒白云巖以及含膏云巖等多種儲集巖。研究區(qū)位于盆地東北部，馬五段是該地區(qū)主要的天然氣產(chǎn)層，該區(qū)普遍缺失馬五1-3亞段，主要的開發(fā)層系為馬五5亞段白云巖，獲得了高產(chǎn)氣量（近2.4×104m3/d）。近年來，馬五6-10亞段也顯示出良好的開發(fā)前景。筆者結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景，利用巖心分析、薄片鑒定、陰極發(fā)光薄片觀察、X射線衍射分析、碳氧同位素測定等方法分析馬五5至馬一段的儲集空間類型及其儲層發(fā)育的控制因素，探討儲層的形成原因，建立相應(yīng)的成因模式。

1 地質(zhì)背景

大牛地氣田坐落于陜西榆林和內(nèi)蒙古鄂爾多斯市的交界區(qū)域，處在鄂爾多斯盆地東北部，其面積近2 000 km2。在鄂爾多斯盆地構(gòu)造分區(qū)中，大牛地氣田屬陜北斜坡北部（圖1）。鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組是在一套廣闊的碳酸鹽巖內(nèi)陸棚的蒸發(fā)巖沉積，發(fā)育碳酸鹽巖為主，夾蒸發(fā)巖的地層?？v向上馬家溝組可劃分為六段，分別為馬一段至馬六段，其中馬五段可以劃分為十個亞段（圖2）。馬家溝組沉積期發(fā)生過多次海進(jìn)和海退，馬一段、馬三段和馬五段時期為海退沉積，馬二段、馬四段和馬六段時期為海進(jìn)沉積，其中馬四段沉積時海侵范圍最大。馬家溝組沉積相可劃分為6個微相系列，包括開闊海、灘相、生物礁（丘）、隱藻席、局限—強(qiáng)烈蒸發(fā)相、次生晶粒結(jié)構(gòu)微相[15]。整個研究區(qū)馬家溝組的巖相以泥晶白云巖、泥—粉晶白云巖、粉晶白云巖和含膏云巖為主，局部分布少量顆粒白云巖和鮞?；?guī)r。

圖1 構(gòu)造單元劃分及研究區(qū)井位圖Fig.1 Tectonic unit and well location

圖2 馬家溝組地層發(fā)育柱狀圖Fig.2 Stratigraphic development of Majiagou Formation

2 儲層巖相類型

巖心及薄片資料分析發(fā)現(xiàn)，大牛地氣田馬家溝組以白云巖為主，灰?guī)r次之，泥巖、膏巖、鹽巖在不同層段局部發(fā)育（圖3）。這5種主要巖性相互組合，形成5大類主要巖相類型，包含15類巖相，包括泥晶白云巖、泥—粉晶白云巖、粉晶白云巖、顆粒白云巖、顆?；?guī)r、泥晶灰?guī)r、膏巖、鹽巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、含膏/膏質(zhì)白云巖、含鹽白云巖、泥質(zhì)白云巖、含膏灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r，部分巖性孔隙并不發(fā)育，可作為儲層的巖相主要為泥—粉晶白云巖、粉晶白云巖、顆粒白云巖/灰?guī)r和含膏/膏質(zhì)白云巖。

圖3 大牛地馬家溝組主要巖相（a）D1-530井，馬五5亞段，3 112.78 m，泥—粉晶白云巖；（b）D48井，馬五5亞段，3 026.26 m，泥晶灰?guī)r；（c）D37井，馬四段，3 048.58 m，砂屑灰?guī)r；（d）D37井，馬二段，3 375.64 m，泥質(zhì)夾層；（e）E8井，馬二段，3 297.39 m，含鹽白云巖；（f）D122井，馬三段，3 420.18 m，膏巖Fig.3 Main lithofacies in Majiagou Formation,Daniudi area

3 儲集空間類型

通過顯微觀察和定量統(tǒng)計，馬五5亞段至馬一段的儲集空間包括晶間孔，晶間溶孔，膏?？住⒘ｉg孔，粒內(nèi)溶孔和微裂縫。晶間孔主要發(fā)育在泥—粉晶白云巖中（圖4a），主要分布在馬家溝組馬五5亞段（面孔率3%～4%，最高可達(dá)5%），馬二段儲層僅發(fā)育少量晶間孔。在角礫狀白云巖中晶間溶孔較為發(fā)育（圖4b），主要分布在馬五6亞段和馬五7亞段。顆粒灰?guī)r中，可見粒間孔及粒內(nèi)溶孔（圖4c），分布在馬三段。膏溶孔（圖4d）發(fā)育在含膏白云巖中，部分被方解石充填，有效的孔隙空間有限，主要分布在馬五6亞段。馬一段幾乎不發(fā)育有效的儲集空間。

裂縫的分布較廣泛，但方解石和泥質(zhì)充填程度高（圖4e），裂縫多為無效縫。相對而言，研究區(qū)馬家溝組儲層的有效裂縫為微裂縫（圖4f）。馬家溝組各層的微裂縫普遍發(fā)育，面孔率介于0.5%～2%。馬二段、馬三段、馬四段的儲集空間主要為微裂縫。

圖4 大牛地氣田馬家溝組儲層巖石類型及其主要儲集空間（a）D30井，馬五5亞段，3 021.57 m，粉晶白云巖，晶間孔；（b）D124井，馬五7亞段，3 153.52 m，角礫狀粉晶白云巖，溶孔；（c）D123井，馬三段，3 592.29 m，顆粒灰?guī)r，粒內(nèi)溶孔；（d）D37井，馬五6亞段，2 952.96 m，含膏白云巖，膏溶孔；（e）D65井，馬五5亞段，3（25/33），近垂向下滲溶蝕形成的較粗風(fēng)化縫，縫面不平整，方解石全充填；（f）D124井，馬五6亞段，3 114.87 m，泥晶白云巖，微裂縫Fig.4 Reservoir rock types and main pore spaces of Majiagou Formation in the Daniudi area

4 儲層成因類型

4.1 膏溶型儲層

含膏/膏質(zhì)白云巖形成膏溶型儲層，儲集空間為溶孔—裂縫，沉積在膏云坪，受表生巖溶作用控制（圖5）。膏溶型儲層主要分布在馬五6和馬五7亞段。根據(jù)原始石膏含量，該類型儲層可分為兩個亞類，即膏溶孔保留型和角礫化粒間孔型。

圖5 膏溶型儲層成因模式Fig.5 Genetic model of gypsum-dissolved reservoir

膏溶孔保留型儲層由含膏泥—粉晶白云巖經(jīng)表生巖溶作用后，石膏溶蝕形成膏溶孔。經(jīng)表生期膠結(jié)后部分膏溶孔被充填，晚期膠結(jié)使膏溶孔進(jìn)一步減少，最終形成膏溶孔保留型儲層，膏溶孔為主要儲集空間。該亞類主要受表生期溶蝕控制，膏溶孔局部發(fā)育，部分被充填。角礫化粒間孔型則是膏質(zhì)白云巖在表生期發(fā)生順裂縫溶蝕，石膏強(qiáng)烈溶蝕后發(fā)生垮塌形成裂紋鑲嵌巖溶角礫巖，經(jīng)歷多期方解石膠結(jié)，發(fā)育礫間溶縫。這類儲層的自然伽馬值分布在12～60 API，補(bǔ)償密度分布在2.6～2.9 g/cm3，聲波時差為160～190 μs/m。

4.2 弱改造破裂型云巖儲層

泥—粉晶白云巖發(fā)育弱改造破裂型云巖儲層，儲集空間為晶間孔—裂縫，沉積在泥云坪微相，受準(zhǔn)同生白云石化及破裂作用控制（圖6）。這類白云巖儲層的成巖變化較弱，分布層位較多。根據(jù)成巖改造的程度，泥—粉晶白云巖儲層可分為原生型、破裂型、充填型三個亞類。原生型儲層由泥—粉晶白云巖經(jīng)淺埋藏后，未受到破裂作用直至中—深埋藏形成，有效孔隙空間為晶間孔；破裂型儲層是泥—粉晶白云巖經(jīng)歷淺埋藏后，晚期發(fā)育構(gòu)造裂縫，有效孔隙空間為晶間孔和裂縫；充填型儲層是泥—粉晶白云巖在表生期受到巖溶及破裂作用，產(chǎn)生風(fēng)化裂縫，在表生期和埋藏期晶間孔和裂縫被部分充填，面孔率最低。這類儲層的自然伽馬值分布在22～43 API，補(bǔ)償密度值分布在2.5～3.0 g/cm3，聲波時差為141～190 μs/m。

4.3 同生溶蝕顆粒型儲層

顆?；?guī)r和顆粒白云巖可形成同生溶蝕顆粒型儲層，儲集空間為晶間孔、粒間孔和粒內(nèi)溶孔，沉積在顆粒灘（圖7）。這類儲層分布非常局限，僅在研究區(qū)西南部的馬三和馬五7亞段中，厚度極薄。原始顆粒灘沉積物在淺埋藏期經(jīng)歷白云石化作用形成顆粒白云巖，發(fā)育粒間孔和晶間孔。未經(jīng)歷白云石化的顆粒灘沉積物在成巖早期受到海底膠結(jié)作用和同生溶蝕作用，從而發(fā)育粒間孔和粒內(nèi)溶孔。這類儲層的自然伽馬分布在15～30 API，補(bǔ)償密度為2.7～2.85 g/cm3，聲波時差為160～170 μs/m。

圖7 同生溶蝕顆粒型儲層成因模式Fig.7 Genetic model of syngenetic dissolution granular reservoir

4.4 粉晶白云巖型儲層

粉晶白云巖儲層是研究區(qū)馬五5亞段的儲層類型，孔隙空間為晶間孔和少量微裂縫，沉積相為藻云坪，受到白云石化作用控制（圖6）。根據(jù)成巖演化的差異，可分為原生型、破裂型和充填型三個亞類。原生型儲層是由粉晶白云巖經(jīng)淺埋藏后直接進(jìn)入中—深埋藏階段進(jìn)而形成，儲集空間為晶間孔；破裂型儲層是粉晶白云巖經(jīng)歷淺埋藏階段后在燕山—喜山期受到破裂作用而發(fā)育較多構(gòu)造裂縫而形成，儲集空間為晶間孔和裂縫；充填型儲層由粉晶白云巖在經(jīng)歷表生巖溶作用后形成，發(fā)育溶蝕孔洞，但被方解石全充填，殘留部分晶間孔。這類儲層的自然伽馬為22～43 API，補(bǔ)償密度分布在2.5～3.0 g/cm3，聲波時差為141～190 μs/m。

圖6 粉晶白云巖儲層和弱改造破裂型云巖儲層成因模式Fig.6 Genetic model of powder-crystal dolomite reservoir and weakly reformed fractured dolomite reservoir

5 儲層發(fā)育主控因素

5.1 沉積相

沉積相控制沉積地層巖性，對后期儲層的發(fā)育和分布存在明顯地影響。在大牛地地區(qū)，馬家溝組沉積在碳酸鹽巖臺地，亞相為蒸發(fā)臺地、開闊臺地和局限臺地，微相包括藻云坪、灰坪、膏湖、鹽湖、泥灰坪、泥云坪、膏云坪和臺內(nèi)灘[16]。馬一段至馬三段沉積期，研究區(qū)處于蒸發(fā)臺地；馬四段沉積期海侵達(dá)到最大，研究區(qū)沉積相演化為開闊臺地。馬五段沉積期海平面再次下降，形成局限環(huán)境，發(fā)育局限臺地至蒸發(fā)臺地。蒸發(fā)臺地主要發(fā)育膏溶型儲層，局限臺地泥云坪發(fā)育弱改造破裂型白云巖儲層，藻云坪發(fā)育粉晶白云巖儲層，在研究區(qū)西南部馬三段和馬五7亞段還存在零星的灘相，發(fā)育同生溶蝕顆粒型儲層。

5.2 白云石化

白云石化作用對儲層晶間孔的發(fā)育具有顯著影響，不同白云石化控制下的白云巖孔隙發(fā)育程度存在差異，研究區(qū)存在高鹽度環(huán)境的蒸發(fā)泵白云石化、中等鹽度的滲透回流白云石化和埋藏白云石化作用。高鹽度環(huán)境下蒸發(fā)泵機(jī)理形成的泥晶白云巖（圖8a，b），有序度相對較低（約0.65）（表1），晶間孔幾乎不發(fā)育，儲集性差。滲透回流白云石化控制的粉晶白云巖晶間孔發(fā)育，儲集性能較好，白云石有序度相對更高（0.73～0.91）（表1），在陰極發(fā)光下粉晶白云巖呈暗紅色（圖8c，d）。通過對兩種晶粒白云巖的C、O同位素特征對比（圖9），發(fā)現(xiàn)白云石δ13C值總體接近同時期的灰?guī)r數(shù)值，而δ18O 值相比之下偏正，且泥晶白云巖整體偏正程度略高，表明其受蒸發(fā)環(huán)境影響流體鹽度高[17-18]；粉晶白云巖白云石化流體則為受一定蒸發(fā)環(huán)境影響，鹽度稍增加的中鹽度海水，認(rèn)為屬滲透回流白云石化。馬四段的豹斑狀灰質(zhì)云巖中白云石陰極發(fā)光更亮，呈亮紅色（圖8e，f），具有霧心亮邊結(jié)構(gòu)，與馬五5亞段白云石相比其δ13C、δ18O 值（圖10）表現(xiàn)出埋藏環(huán)境白云石化特征，在埋藏白云石化控制下的白云巖無有效儲集空間，不構(gòu)成有效儲層。

圖9 馬五段白云巖及灰?guī)rC、O 同位素投點圖Fig.9 C and O isotope distribution points of dolomite and limestone in the Ma5 member

圖10 馬五5 亞段與馬四段白云巖C、O 同位素對比Fig.10 Comparison of C and O isotopes between the Ma submember and the Ma4 dolomite

表1 不同白云巖中的白云石有序度Table 1 Ordered degree of dolomite

圖8 大牛地地區(qū)馬家溝組白云巖類型與陰極發(fā)光特征（a）D37井，馬五5亞段，2 926.91 m，泥晶白云巖；（b）PG27井，馬五5亞段，2 981.96 m，泥—粉晶白云巖；（c）D48井，馬五5亞段，3 023.54 m，粉晶白云巖；（d）圖c的陰極發(fā)光照片；（e）D50井，3 212.22 m，馬四段，豹斑狀灰質(zhì)云巖；（f）圖e的陰極發(fā)光照片F(xiàn)ig.8 Dolomite type and cathodoluminescence properties of Majiagou Formation in Daniudi area

5.3 表生巖溶作用

研究區(qū)馬家溝組儲層發(fā)育受到表生巖溶、膠結(jié)和充填作用、破裂作用的影響。表生巖溶作用是鄂爾多斯盆地馬家溝組儲層發(fā)育的關(guān)鍵控制因素[19-21]。大牛地地區(qū)馬家溝組馬五段普遍遭受表生巖溶改造，但巖溶影響方式不同。根據(jù)全巖的鍶同位素組成，馬四段和馬三段的鍶同位素接近同期海水值（0.708 7～0.708 9）[22]，馬五2、馬五3、馬五5和馬五6亞段的鍶同位素值均偏高（表2），與表生期陸源放射性鍶的加入有關(guān)，指示這套地層受到淡水影響。馬五2亞段、馬五3亞段和馬五6亞段儲層含石膏，在淡水溶蝕下形成膏溶孔，儲層質(zhì)量得到改善。而馬五5亞段儲層主要為泥晶灰?guī)r、泥晶白云巖、粉晶白云巖，不含石膏或含極少的石膏，不發(fā)育膏溶孔。同時，淡水溶蝕形成的晶間溶孔和溶洞被淡水方解石全部充填（圖11），現(xiàn)今的有效孔隙為晶間孔和微裂縫，因此表生巖溶作用對大牛地地區(qū)馬五5亞段儲層質(zhì)量并無明顯改善。

圖11 大牛地地區(qū)馬家溝組馬五5 亞段儲層巖溶縫洞的充填特征（a）D30井，3 019.95 m，方解石充填溶洞；（b）PG27井，2 977.71 m，巖溶縫被方解石充填；（c）D88井，3(45/83)，巖溶縫被方解石完全充填；（d）D48井，4(5/99)，巖溶縫被方解石完全充填Fig.11 Fillings of karst pores and fractures in Ma55 submember of Majiagou Formation,Daniudi area

表2 大牛地地區(qū)馬家溝組儲層鍶同位素組成Table 2 Strontium isotope of Majiagou Formation in Daniudi area

5.4 膠結(jié)作用

研究區(qū)馬家溝組儲層可識別出表生期和埋藏期膠結(jié)，對儲層的發(fā)育起破壞作用。膠結(jié)類型主要為表生期粗晶至巨晶方解石膠結(jié)，陰極發(fā)光可見方解石環(huán)帶（圖12a，b），膠結(jié)充填程度高，并且分布廣泛。埋藏期膠結(jié)物包括方解石和螢石等低溫?zé)嵋旱V物。埋藏期的方解石膠結(jié)陰極發(fā)光微弱（圖12c，d），螢石充填在早期未被全部充填的溶孔和裂縫中（圖12e，f）。

圖12 大牛地地區(qū)馬家溝組儲層膠結(jié)類型（a）PG27井，馬五5亞段，2 979.52 m，粗晶方解石充填溶洞；（b）圖a的陰極發(fā)光照片，方解石可見環(huán)帶特征；（c）PG27井，馬五5亞段，2 994.46 m，含鐵方解石充填溶孔；（d）圖c的陰極發(fā)光照片，方解石發(fā)光極暗；（e）D48井，馬五5亞段，3 018.10 m，充填裂縫的方解石具有環(huán)帶特征，螢石發(fā)藍(lán)光，充填在裂縫的殘余空間；（f）D30井，馬五5亞段，3 021.35 m，螢石發(fā)藍(lán)光，充填在構(gòu)造裂縫中Fig.12 Cementation types of Majiagou Formation,Daniudi area

5.5 破裂作用

破裂作用對馬家溝組儲層發(fā)育也存在影響。奧陶系馬家溝組沉積后在加里東期發(fā)生暴露[23-24]，表生成巖階段形成了大量風(fēng)化淋濾裂縫，主要以垂直或近垂直的樹枝狀裂縫為主，充填程度高（圖13a，b），有效縫約占8.99%。相比而言，構(gòu)造裂縫的有效性較高，可達(dá)34.75%。構(gòu)造縫（圖13c）以垂直裂縫和高角度斜交裂縫為主。根據(jù)成像測井的裂縫走向玫瑰花分布圖（圖13d）可知，裂縫走向與燕山期北西－南東向的擠壓應(yīng)力場相匹配。因此，認(rèn)為燕山—喜山期是裂縫形成的最主要時期，形成的裂縫有效程度也較高。

圖13 馬五段裂縫形態(tài)、走向及分布圖（a）D92井，5(19/46)，巖溶風(fēng)化縫，方解石充填；（b）D48井，3 014.88 m，馬五5亞段，粒狀方解石，埋藏期充填特征；（c）D56井，6(16/88)，構(gòu)造裂縫；（d）馬五段裂縫走向玫瑰花圖Fig.13 Fracture morphology,strike and distribution of the Ma5 member

6 結(jié)論

（1）大牛地地區(qū)馬家溝組儲層成因存在四種類型，包括以膏溶孔為主的膏溶型儲層、以裂縫為主的弱改造破裂型云巖儲層、以粒間孔和粒內(nèi)溶孔為主的同生溶蝕顆粒型儲層和以晶間孔及晶間溶孔為主的粉晶白云巖儲層，四類儲層類型對應(yīng)的巖相為含膏白云巖、泥—粉晶白云巖、顆粒白云巖/灰?guī)r和粉晶白云巖。

（2）儲層的發(fā)育受沉積相的控制，蒸發(fā)臺地主要發(fā)育膏溶型儲層，局限臺地泥云坪發(fā)育弱改造破裂型云巖儲層，藻云坪發(fā)育粉晶白云巖儲層。研究區(qū)西南部馬三段和馬五7亞段存在零星的灘相，發(fā)育同生溶蝕顆粒型儲層。

（3）控制儲層發(fā)育的成巖作用包括白云石化作用、溶蝕作用、膠結(jié)作用和破裂作用。滲透回流白云石化形成的粉晶白云巖儲集性能較好；溶蝕作用主要發(fā)生在表生巖溶階段，對馬家溝組大部分層段的儲層發(fā)育具有明顯的改善；膠結(jié)作用呈現(xiàn)出多期次的特征，自表生期—埋藏期均存在膠結(jié)；燕山—喜山期構(gòu)造裂縫對儲集性貢獻(xiàn)最大，加里東期風(fēng)化淋濾裂縫有效性低。