鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組白云巖儲層特征及成因機制

吳東旭，李 昌*，周進高，胡 琮，黃正良，于 洲，李維嶺，郭 瑋

1. 中國石油 杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023；

2. 中國石油 天然氣集團有限公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室，杭州 310023；

3. 中國石油 長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安 710018

白云巖儲層是碳酸鹽巖油氣藏的重要勘探領(lǐng)域。對全球226個大中型以上碳酸鹽巖油氣田（占全球碳酸鹽巖油氣儲量的90%）的統(tǒng)計表明，有102個油氣田和50%的儲量分布于白云巖儲集層中（白國平，2006）。在古生界海相碳酸鹽巖大油氣田中，白云巖儲層占所有儲層油氣總可采儲量的76.5%（王大鵬等，2016）。并且隨著勘探的重心向天然氣和深層轉(zhuǎn)移，埋深3500 m和4500 m以下的深層—超深層日益成為勘探的重點。根據(jù)2009年國土資源部頒布的探明儲量公報, 中國已發(fā)現(xiàn)探明儲量超過1000萬噸油氣當量的深層碳酸鹽巖油氣田17個, 主要分布于中國的鄂爾多斯、塔里木、四川等3個盆地的不同層系的白云巖儲層中。而其中儲量規(guī)模最大的氣田為鄂爾多斯盆地靖邊氣田（張寧寧等，2014）。

白云巖是儲層發(fā)育的基礎(chǔ)，白云巖儲層孔隙的形成和保存與白云巖化的過程密切相關(guān)，二者是一個連續(xù)的過程。對于鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖的形成，前人進行了大量的研究，提出了包括準同生云化、混合水云化、回流滲透云化、埋藏云化、熱液云化、微生物云化等在內(nèi)的多種白云石化模式（楊華等，2011，2012；黃正良等，2012；趙俊興等，2005；蘇中堂等，2011；王保全等，2009；姚涇利等，2009；趙衛(wèi)衛(wèi)等，2011）。但他們的研究主要針對某一個層位，或者某一種成因分別研究，而沒有將其聯(lián)系起來。筆者認為，基于盆地內(nèi)奧陶系廣泛發(fā)育的膏鹽巖和白云巖互層沉積，有必要把白云巖的產(chǎn)狀、層位等考慮在內(nèi)。并且對其礦物類型加以研究，再聯(lián)系地球化學分析數(shù)據(jù)，對不同類型白云巖形成過程之間的聯(lián)系和區(qū)別進行詳盡闡述。在此基礎(chǔ)上，才能對儲層形成的物質(zhì)基礎(chǔ)和過程有一個清晰的了解。

因此，本文以鄂爾多斯盆地靖邊氣田的主力碳酸鹽巖儲層——奧陶系白云巖儲層為例，對其儲層發(fā)育特征和形成機理進行了詳細表征和實驗分析，以期加深對深層白云巖儲層形成機制的理論認識，從而指導深層碳酸鹽巖油氣勘探。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于中國中北部，總面積32×104km2，是中國第二大沉積盆地。奧陶紀時期，盆地是華北地臺的一部分,位于華北地臺西部（Yang et al., 2005）。由于具有堅實的太古代—早元古代花崗巖—變質(zhì)巖基底，整個華北地臺奧陶紀發(fā)育相對穩(wěn)定的陸表海沉積。但因為受到構(gòu)造運動和氣候等因素的影響，盆地的相對海平面發(fā)生了頻繁的振蕩，形成了包括石灰?guī)r、白云巖、含泥碳酸鹽巖以及膏巖、鹽巖等蒸發(fā)巖在內(nèi)的豐富的巖性和沉積相組合（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組馬五段沉積相分布及靖邊氣田位置Fig. 1 Map showing the sedimentary facies distribution of Ma5 in the Ordos Basin and the location of the Jingbian gas field

盆地奧陶系地層由下而上依次為冶里組、亮甲山組和馬家溝組。冶里組和亮甲山組主要巖性為含燧石結(jié)核或條帶白云巖、泥質(zhì)白云巖和竹葉狀白云巖，層厚一般不超過100 m。與之相比，馬家溝組厚度在100～900 m之間，主要為碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖沉積，是鄂爾多斯盆地白云巖儲層發(fā)育的主要層位。馬家溝組地層從下到上可以分為馬一—馬六總共6個段。其中馬一、馬三和馬五為相對海退期，以碳酸鹽巖局限臺地和蒸發(fā)臺地相為主。巖性主要為白云巖，且發(fā)育了三大套的膏鹽巖沉積。馬二、馬四和馬六段為相對海侵期，主要為碳酸鹽巖開闊臺地和局限臺地相，以白云巖和灰?guī)r沉積為主。馬五段根據(jù)相對海平面升降，從上到下又可以分為馬五1—馬五10十個亞段，其中馬五6亞段為馬五段主要的蒸發(fā)巖發(fā)育期（圖2）。

從圖2可知，在海平面上升時期，波浪能量較高，發(fā)育了大量的顆粒灘沉積。而在海平面下降時期，潮間帶和潮上帶范圍擴大，發(fā)育大量的蒸發(fā)巖沉積。這兩種截然不同的沉積微相和巖性類型為后期儲層的發(fā)育提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)（Strohmenger et al., 2010）。

圖2 鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖儲層分布柱狀圖Fig. 2 The stratigraphic column showing of the Ordovician dolomite reservoir distribution in the Ordos Basin

2 白云巖儲層特征

通過對62口鉆井的423塊薄片和接近500 m巖芯的觀察，對馬家溝組白云巖主要的儲集空間類型進行了總結(jié)，其主要發(fā)育兩大類共4種孔隙類型（圖3）。并進一步運用三維CT掃描和孔滲結(jié)構(gòu)分析，對其儲集特征進行了詳細表征。

2.1 孔隙類型及特征

2.1.1 第一大類為硬石膏鑄?？?/p>

此類孔隙的最大特點是，分布相對孤立，孔隙之間的喉道相對較窄。但后期經(jīng)風化殼巖溶作用改造以后，孔隙和喉道均會大幅增大。此類孔隙主要分布于潮上帶的泥晶或泥粉晶白云巖中，可以細分為兩種：硬石膏結(jié)核溶?？缀陀彩嘀鶢罹苣？祝▓D3）。

圖3 鄂爾多斯盆地奧陶系典型白云巖孔隙薄片和巖芯特征Fig. 3 Core and thin-section photographs of typical Ordovician dolomite pores in the Ordos Basin

（1）硬石膏結(jié)核溶?？?/p>

根據(jù)壓實作用的影響程度，孔隙呈圓形或橢圓形，一般直徑在0.5~4 mm之間。由于后期多期成巖作用疊加，導致孔隙充填物類型多樣，充填程度可以為未充填、半充填或全充填。充填物主要有白云石、方解石、石英、滲流粉砂、硬石膏、鐵方解石、黃鐵礦、有機質(zhì)等，其組合類型至少可以達到6種（王琪等，2016; 劉新社等，2017）。

（2）硬石膏柱狀晶溶模孔

孔隙呈長條狀、板柱狀矩形分布，長度一般在0.5~5 mm，最長可達1 cm，寬度一般為0.2~0.5 mm。分布相對孤立，局部呈集合體形狀出現(xiàn)。此類孔隙與硬石膏結(jié)核溶?？装l(fā)育于同一種環(huán)境，經(jīng)常會伴生發(fā)育。充填物主要有白云石、方解石、石英、滲流粉砂、硬石膏等。

2.1.2 第二大類為白云石粒（晶）間孔

此類孔隙的特點為，孔隙基本相互連通，孔隙之間的喉道與孔隙大小差別不大。孔隙主要分布于潮下帶的顆粒灘或藻屑灘白云巖中，可以分為兩種：白云巖粒間孔和白云巖晶間孔。

（1）白云巖粒間孔

顆?；?guī)r白云石化以后，原巖的顆粒形態(tài)清晰可辨，顆粒間發(fā)育粒間孔。孔隙呈立體連通網(wǎng)狀，孔隙大小取決于顆粒大小，直徑一般在200~500 μm，喉道直徑一般在幾十微米。充填物一般為方解石、白云石、硬石膏以及少量石英。

（2）白云石晶間孔

顆粒灰?guī)r白云石化程度較高，原巖的顆粒形態(tài)不可辨識，只能識別出孔隙存在于白云石晶體之間?？紫兑话愠什灰?guī)則狀多邊形，邊緣平直，直徑一般在50~500 μm。孔隙依靠晶體間縫隙連通，連通性取決于白云石晶體的分布。由于晶體分布的不均勻性，孔隙體經(jīng)常呈不規(guī)則片狀分布。

需要指出的是，白云石粒間孔和白云石晶間孔并不是截然分開的，晶間孔只是粒間孔進一步白云化的產(chǎn)物。所以樣品中經(jīng)?？梢砸姷綒堄囝w粒結(jié)構(gòu)的晶間孔和帶有晶體結(jié)構(gòu)的粒間孔。

2.2 孔滲和孔喉特征

2.2.1 孔滲特征

第一類孔隙和第二類孔隙的孔滲特征見圖4，孔隙度一般為0%~15%，滲透率為0.01~100 mD。二者孔隙度和滲透率都具有良好的相關(guān)性，基本呈正相關(guān)關(guān)系。

但我們可以看到，在孔隙度小于2.5%的范圍內(nèi)，白云巖粒（晶）間孔的滲透率明顯大于膏?？椎臐B透率（圖4），說明在膏?？仔纬沙跗?，各個孔隙是相對孤立的，滲透率較低；而粒（晶）間孔則得益于其立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，滲透率相對較高。隨著孔隙度增大，同樣體積內(nèi)膏?？椎臄?shù)量增多，孤立膏?？紫嗷ブg產(chǎn)生聯(lián)絡(luò)，導致滲透率上升，與粒（晶）間孔隙相當。但局部仍然存在孔隙度較大而滲透率很小的膏?？?，表明其可能為孤立的較大孔洞，喉道很小，導致滲透率沒有明顯增大。

綜上可知，孔隙形成初期，孔隙結(jié)構(gòu)對孔滲性能有重要影響，但后期隨著孔隙度和滲透率的增高，其影響減弱，不同類型孔隙的孔滲性能趨于一致。

Fig. 4 The contrast of porosity-permeability relationship between anhydrite mold pores (N=1730) and intergranular and intercrystalline pores (N=784)

2.2.2 3D-CT掃描表征

3D-CT掃描選取的樣品大小為直徑2.5 cm，長度5 cm的柱塞樣，掃描分辨率為8 μm。第一類孔隙中選取了經(jīng)巖溶改造的硬石膏結(jié)核溶?？走M行了掃描，第二類孔隙中選取了殘余部分顆粒結(jié)構(gòu)的白云巖晶間孔進行了掃描（圖5）。

對比兩者可知，改造后的硬石膏結(jié)核溶?？椎目紫兑话爿^大，直徑在0~450 μm，喉道相對較小，直徑在0~230 μm。最大孔隙和最大喉道直徑相差一倍（圖5c）。而白云石晶間孔的孔隙一般較小，直徑在0~180 μm，喉道直徑與其類似，在0~150 μm。最大孔隙和最大喉道直徑相差不大（圖5f）。這也與薄片下的觀察結(jié)論一致。同時也表明，膏?？资芎笃诒砩芪g的影響較大，可以明顯提升其孔隙和喉道大小。

圖5 兩類孔隙的3D-CT掃描表征Fig. 5 3D-CT Scan characteristics of the two types of pores

3 白云巖儲層成因機制

3.1 白云巖化機理

奧陶系馬家溝組白云巖主要有兩大類，一類是含有硬石膏結(jié)核、柱狀晶等礦物的泥晶、泥粉晶白云巖。沉積相上，主要呈層狀分布于臺內(nèi)洼地的周緣潮間帶和潮上帶。另一類則是含有大量顆粒組分（鮞粒、砂屑、藻砂屑等）的細晶、顆粒云巖。沉積相上，一般位于潮下帶的顆粒灘相，主要呈塊狀分布。前者主要分布于相對海退期的馬一段、馬三段以及馬五10、馬五8、馬五6和馬五1-4亞段，而后者主要分布于相對海侵的馬二段、馬四段以及馬五9、馬五7、和馬五5亞段。此外，在儲層的孔隙中還分布一定量的細晶到粗晶白云石膠結(jié)物。

通過對包括泥粉晶白云巖、細晶白云巖、孔隙充填白云巖、方解石以及泥晶灰?guī)r在內(nèi)的56塊次樣品的穩(wěn)定碳氧同位素分析（圖6），我們發(fā)現(xiàn)：泥粉晶白云巖和細晶白云巖其碳氧同位素分布特征類似，沒有明顯差別，說明其白云化流體應(yīng)該是相同的（Wang et al., 2002）。對比同時期的泥晶灰?guī)r，白云巖的δ18O明顯偏正，說明當時的白云化流體應(yīng)該是海水蒸發(fā)濃縮形成的（Swart et al., 2015）。再結(jié)合白云巖有序度分析（表1）可知，從泥晶到粉晶再到細晶，其有序度不斷升高。說明泥、粉晶白云巖的白云化速度較快，而細晶白云巖的有序度相對較高，說明其白云化的速度相對較慢，晶體生長也相對較完整。

圖6 白云巖和灰?guī)r、方解石碳氧同位素對比（N=56）Fig. 6 Comparison of carbon and oxygen isotopes of the dolomite, limestone, and calcite (N=56)

表1 白云巖有序度數(shù)據(jù)和薄片對比Table 1 Comparison of the dolomite degree of order and core slices

通過對白云巖的稀土元素分析，其均一化后的REE分布特征與近海平面海水的分布特征相類似，具有明顯的Eu的負異常和Ce的略微負異常（Elderfield and Greaves，1982），說明白云石化流體應(yīng)該是海平面附近的蒸發(fā)海水（圖7）。

圖7 白云巖稀土元素分布特征Fig. 7 Distribution characteristics of the rare earth elements in the dolomite

由此可以合理推斷，海退期的泥、粉晶白云石形成于薩布哈蒸發(fā)環(huán)境，在潮汐的作用下，海水不斷被補充到潮上帶，蒸發(fā)作用使潮上灰?guī)r地層孔隙內(nèi)水體的Mg2+濃度不斷增大（Müller et al., 1990），導致早期的泥晶灰?guī)r發(fā)生白云石化（圖8）。且形成速率較快，有序度較低。在薩布哈白云化完成以后，剩余的高度濃縮的海水向下回流滲透，使下伏的海侵期沉積的顆粒灘灰?guī)r發(fā)生白云石化（圖9）。由于向下滲透的速率較慢，所以其白云石化速率要慢于薩布哈白云石化作用。但回流滲透的速率一般較為穩(wěn)定，所以其白云石化的有序度要高于潮上帶泥晶白云巖。海退期，不同層位石膏結(jié)核和石膏晶體的發(fā)育程度和范圍有明顯區(qū)別，反映了蒸發(fā)作用受到氣候的影響強烈。而下伏的顆粒和晶粒白云巖，其回流滲透白云石化過程較為緩慢，對氣候的響應(yīng)則相對較弱，所以形成了塊狀結(jié)構(gòu)。

圖8 薩布哈白云石化模式圖Fig. 8 Diagram of the Sabkha dolomitization model

圖9 回流滲透白云石化模式圖Fig. 9 Diagram of the seepage reflux dolomitization model

3.2 儲層成因機制

上文提到的兩種典型的孔隙類型，其形成的物質(zhì)基礎(chǔ)不同，過程也有明顯差別。

首先是白云石粒間孔，它在顆粒灰?guī)r沉積的初期就已經(jīng)存在。同沉積期，顆粒灰?guī)r粒間孔隙充填的是原始海水。在流體密度差異導致的回流滲透作用下，被高鹽度濃縮海水所替代，進而發(fā)生回流滲透白云石化作用。顆粒灰?guī)r中的Ca2+被高鹽度海水中的Mg2+替代，發(fā)生滲透回流白云石化。同時，Ca2+進入白云石化以后的孔隙間流體。當流體的溫度或PH條件發(fā)生變化時，流體中的Ca2+與結(jié)合，沉淀石膏晶體（Jones et al., 2005）。通過脫水作用或水化作用，石膏可以與硬石膏相互轉(zhuǎn)換（Amadi et al., 2012）。同沉積期海平面十分動蕩，硬石膏膠結(jié)的顆粒灘白云巖有可能會受到短期的大氣淡水和正常海水的交替影響。此時，對石膏或硬石膏不飽和的溶液進入孔隙，導致石膏或硬石膏被溶解，白云石粒間孔隙被富含Ca2+與Cl-的地層水所占據(jù)。當然，后期由于其他流體成分的進入，孔隙中可能會沉淀其他礦物（圖10a）。

圖10 （a）滲透回流白云石化 和（b）薩布哈白云石化的孔隙發(fā)育過程Fig. 10 The developing process of the pores during (a) the seepage reflux dolomitization and (b) the sabkha dolomitization

如孔隙中充填的白云石膠結(jié)物，其δ18O明顯偏負，說明其受到了高溫流體的影響，可能是形成于埋藏環(huán)境的地下流體或熱液（Hartig et al.,2011）。而孔隙充填的方解石，大部分δ13C明顯偏負，且δ18C也明顯偏負，說明其形成于高溫環(huán)境，并且存在有機碳的混入（Cantrell et al., 2004）。原因可能是，地層埋藏進入生油窗后，烴源巖中的有機質(zhì)發(fā)生脫羧基作用并釋放CO2，CO2中的C與孔隙流體中的C發(fā)生交換，然后在后期堿性高溫環(huán)境下，方解石得以沉淀。同一時期，少量的地層硅酸鹽在堿性溶液的作用下會發(fā)生溶解形成SiO2，在后期酸性條件下沉淀石英晶體。通過包裹體分析，孔隙充填的白云石、方解石、石英等，均一溫度在118℃左右（表2）。

表2 孔隙充填白云石、方解石和石英的包裹體均一溫度Table 2 The inclusion homogenization temperature of the pore filled with dolomite, calcite, and quartz

再來看硬石膏溶?？?，其原巖，即未固結(jié)的泥晶灰?guī)r含有大量粒間微孔隙，孔隙中充填的同樣為原始海水。由于處于潮上帶，其蒸發(fā)作用強烈，原始海水被蒸發(fā)濃縮導致Mg2+濃度增大，使泥晶灰?guī)r中的Ca2+被Mg2+替換發(fā)生薩布哈白云化。需要強調(diào)的是，泥晶白云巖中沉淀石膏的形態(tài)與顆粒白云巖完全不同。由于氣候和溫度的不穩(wěn)定性導致蒸發(fā)作用的不均勻性，再加上潮上帶的海水是通過潮汐作用間斷性得到補充，所以泥晶白云巖孔隙間的流體供應(yīng)也是不規(guī)律的（Adams et al., 1960）。所以石膏的沉淀是呈結(jié)核狀或柱狀，由核部向外慢速生長的。而顆粒巖中的流體不受氣候或溫度的影響，并且顆粒間的喉道較大，導致粒間的流體分布相對較為均勻，所以就形成了連片他形的石膏膠結(jié)物形態(tài)。硬石膏/石膏結(jié)核和柱狀晶同樣也會被非飽和流體所溶解。但與連片他形膠結(jié)物不同，膏?？椎娜芙飧鼮槠D難。因為，當含有石膏結(jié)核或柱狀晶的泥晶白云巖形成以后，由于其抗壓實能力與顆粒白云巖比明顯更差，所以粒間微孔隙大部分被壓實。只能依靠存在的少量裂縫或窄喉道作為流體運移的通道。所以，石膏溶模孔的發(fā)育，所需時間更長。這也解釋了為什么馬一、馬三、馬五10、馬五8、馬五6、馬五1-4都發(fā)育硬石膏結(jié)核或柱狀晶，但只有馬五1-4發(fā)育了大量的膏?？?。因為馬五1-4距離上部風化殼最近，其承受了長達1.3億年的風化剝蝕和大氣淡水的溶慮，有充足的時間將其喉道溶蝕、拓寬形成立體的膏模孔網(wǎng)絡(luò)（Vahrenkamp, 1995）。同樣，再埋藏以后，膏?？滓矔?jīng)歷不同礦物組分的充填作用（圖10b）。

白云巖膏?？字饕l(fā)育于長時不整合面之下，如馬家溝組晚期的風化殼巖溶儲層，主要受（含）硬石膏結(jié)核云坪微相和巖溶古地貌的影響（圖11a，b）。而顆粒灘白云巖儲層主要發(fā)育于高頻層序短時暴露面之下，以顆粒灘為溶蝕的基礎(chǔ)，具有多旋回多期次成儲的特征（吳東旭等，2017；圖11c，d）。

圖11 鄂爾多斯盆地兩種典型白云巖儲層的平面分布特征Fig. 11 Plane view of the distribution characteristics of two type dolomite reservoirs in the Ordos Basin

4 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地奧陶系白云巖的形成與其海平面變化密切相關(guān)。海退期含石膏/硬石膏結(jié)核和柱狀晶的白云巖主要為蒸發(fā)潮坪薩布哈成因，而海侵期顆粒灘白云巖則主要為回流滲透成因。導致二者白云石化的流體基本一致，但白云石化的時間和速度有明顯差別。所以兩種白云巖既有相似之處，卻又特征分明。說明同一種流體在不同的機制下，會形成不同類型的白云巖。

（2）不同類型的白云巖為不同類型孔隙的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。顆粒云巖由于具有良好的粒間立體網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)，所以孔隙流體的運移更加通暢。在海平面高頻旋回的影響下，粒間的石膏/硬石膏被溶解，會形成跟層序界面相關(guān)的粒間孔隙。而在泥晶白云巖中，其石膏結(jié)核或柱狀晶的溶蝕通道普遍較窄，在間歇暴露的短時間內(nèi)難以形成規(guī)模儲層，只有在長時間的沉積間斷后才能形成規(guī)模的以不整合面為基礎(chǔ)的膏?？變?。

（3） 隨著天然氣勘探日益向深層發(fā)展，白云巖膏?？最I(lǐng)域勘探應(yīng)主要集中在長時不整合面，以風化巖溶時期的高地和斜坡為勘探重點。而顆粒灘白云巖儲層的勘探應(yīng)集中于高頻層序相關(guān)的短時暴露面之下，其具有多旋回多期次成儲的特征。