鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段儲層特征及主控因素

牟春國,許 杰,古永紅,賈建鵬,王文雄,譚秀成

1.中國石油 長慶油田分公司 油氣工藝研究院,西安 710018;2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室,西安 710018;3.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(西南石油大學),成都 610500;4.中國石油集團 碳酸鹽巖儲層重點實驗室 西南石油大學研究分室,成都 610500;5.中國石油 長慶油田分公司 勘探事業(yè)部,西安 710018

鄂爾多斯盆地作為中國第二大沉積盆地,其下古生界海相碳酸鹽巖地層擁有著豐富的油氣資源[1]。隨著近幾年勘探的深入,鄂爾多斯盆地下組合地層(奧陶系馬家溝組一段至四段)逐漸接替上組合產層成為天然氣勘探的重點研究領域。最近,在下組合馬家溝組四段(以下簡稱馬四段)獲得高產工業(yè)氣流(Mt1井),這也暗示了下組合馬四段具有較大的勘探潛力。前人對馬四段的研究工作主要集中在巖相古地理[2]和天然氣成藏方面[3-4],研究目標多為盆地北部洞穴型儲層[5]以及中南部[6]和東部米脂地區(qū)[7]的厚層孔隙型儲層,對于盆地中東部下組合馬四段的儲層特征及成因研究鮮有系統(tǒng)報道,使得研究區(qū)仍然存在馬四段儲層成因及分布規(guī)律不清晰等問題,制約了該區(qū)對有利勘探區(qū)帶的進一步評價。

鑒于此,本文針對盆地中東部地區(qū),基于馬四段大量取心井巖心精細觀察描述、巖石鑄體薄片及物性分析等資料,闡述盆地中東部馬四段儲層的基本特征,并結合區(qū)內沉積環(huán)境、沉積相和成巖作用等綜合分析馬四段儲層演化過程,解析其主要控制因素。這對深化盆地中東部的油氣勘探領域具有重要意義,也可為該區(qū)下一步天然氣勘探部署提供參考與借鑒。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部,是一個隆凹相間、構造簡單的大型克拉通盆地。奧陶紀時期,由于在盆地西部環(huán)縣—鄂托克旗一線發(fā)育的近南北向古隆起的分隔作用,在盆地中東部地區(qū)形成了相對封閉的陸表海淺水臺地環(huán)境,沉積了一套以馬家溝組為代表的碳酸鹽巖—膏鹽巖共生體系[8-10]。盆地中東部通常是指天環(huán)坳陷起以東的廣大區(qū)域。地理范圍跨越陜西、內蒙古兩省區(qū),西側以吳起縣為界、東側以吳堡縣為界、南側以志丹縣為界、北側以鄂爾多斯市南部為界。其整體位于陜北斜坡之上,東部與晉西撓褶帶相連,北部與伊盟古陸相接(圖1a)。受海平面升降變化、古氣候和古地貌聯合控制,盆地中東部馬四段的巖石類型主要有泥晶灰?guī)r、(含生屑)泥晶灰?guī)r、豹斑狀云質灰?guī)r、豹斑狀灰質云巖和白云巖等碳酸鹽巖,頂部發(fā)育幾套薄層硬石膏膏巖。根據巖性組合及層序旋回特征,可將盆地中東部馬四段自下而上分為3個亞段:馬四3亞段厚度一般為45～68 m,巖性以(含)生屑泥晶灰?guī)r和豹斑狀云質灰?guī)r為主,局部地區(qū)夾少量薄層豹斑狀灰質云巖和斑塊狀晶粒云巖;馬四2亞段厚度為45～60 m,巖性以豹斑狀云質灰?guī)r、豹斑狀灰質云巖、晶粒云巖間互沉積為特征;馬四1亞段厚度一般為36～50 m,中下部以硬石膏膏巖、泥晶灰?guī)r和豹斑狀灰質云巖沉積為主要特征,其中硬石膏巖多呈雞籠鐵絲狀,上部以豹斑狀灰質云巖、白云巖沉積為主(圖1b)。

圖1 鄂爾多斯盆地中東部構造單元(a)及奧陶系馬家溝組四段地層綜合柱狀圖(b)

2 儲層特征

2.1 儲層巖石學特征

基于對區(qū)內巖心和鑄體薄片等資料觀察分析發(fā)現,鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段的儲集巖石類型主要有晶粒云巖、豹斑狀云質灰?guī)r、豹斑狀灰質云巖和凝塊云巖。通過選取研究區(qū)6口較為典型的取心井(包括Jt1井、Sh473井、Mt1井、Mt3井、Ht2井和Lt1井)進行儲集巖厚度統(tǒng)計(圖2a),發(fā)現研究區(qū)內的儲集巖以晶粒云巖和豹斑狀灰質云巖為主,其次為豹斑狀云質灰?guī)r,此外,還發(fā)育少量的微生物凝塊云巖。下面將分別闡述這四種巖類的宏、微觀特征。

圖2 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段各類儲集巖發(fā)育厚度比例(a)與孔滲交會圖(b)

2.1.1 晶粒云巖

宏觀上呈灰褐色—黃褐色塊狀特征,局部可見生物潛穴發(fā)育,自然斷面粗糙(圖3a)。鏡下,黃褐色白云巖主要由粉晶白云石和細晶白云石組成,粉晶云巖的分布范圍、發(fā)育頻率比細晶白云石更高,白云石晶粒主要為半自形—自形晶,晶粒間多為線接觸和鑲嵌接觸(圖3b,c),該類巖石晶間(溶)孔普遍發(fā)育。

圖3 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段儲集巖類宏觀及微觀特征

2.1.2 豹斑狀灰質云巖

宏觀上由黃褐色白云巖和深褐色殘余灰質斑塊構成,可見生物潛穴發(fā)育(圖3d),潛穴內部云化。顯微鏡下,以半自形—自形粉晶白云石為主,白云石晶粒常呈點接觸或線接觸,晶間(溶)孔發(fā)育,局部可見殘余灰質膠結充填(圖3e)。

2.1.3 豹斑狀云質灰?guī)r

巖心上可見,由深灰色白云質斑塊和淺灰色基質灰?guī)r交織共生,云化斑塊與基質灰?guī)r之間界限明顯(圖3f)。鏡下,深灰質云化斑塊多由泥粉晶白云石構成;云化斑塊內部可見棘皮等生物碎屑發(fā)育,基巖為泥晶灰?guī)r或含生屑泥晶灰?guī)r(圖3g),該類巖石晶間孔和微裂縫較為發(fā)育,連通性較好。

2.1.4 微生物凝塊云巖

巖心上可見,微生物格架常呈深褐色—灰黑色網狀或斷續(xù)層狀分布(圖3h)。鏡下可見,暗色凝塊呈不規(guī)則團簇狀發(fā)育,邊界模糊,微生物格架(溶)孔發(fā)育,部分格架孔常被后期方解石充填(圖3i),該類巖石在區(qū)內發(fā)育頻率較低。

2.2 儲集空間類型

與多種類型的儲集巖發(fā)育相對應,盆地中東部馬四段儲集體空間類型多樣,主要包括晶間(溶)孔、微生物格架孔和微裂縫等。

2.2.1 晶間(溶)孔

主要發(fā)育在豹斑狀云質灰?guī)r、豹斑狀灰質云巖及晶粒云巖中(圖4a-c),鏡下可見形狀較為規(guī)則,邊緣平直,孔徑介于0.1～0.3 mm之間。馬四段以發(fā)育生物潛穴為典型特征,潛穴內部充填物較圍巖疏松,有利于成巖流體擴散,且更易發(fā)生白云石化作用,常在潛穴內形成晶間孔(圖4d)。晶間孔經過后期漫流溶蝕作用,其邊緣具港灣狀溶蝕痕跡,形狀不規(guī)則,會擴大形成晶間溶孔(圖4e,f)。該類孔隙間的連通性較好,發(fā)育頻率最高,是區(qū)內最優(yōu)質的儲集空間類型。

圖4 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段儲集空間類型

2.2.2 格架(窗格)孔

多見于微生物凝塊云巖中(圖4g),其發(fā)育的格架孔為微生物生長的空腔或溶蝕殘余孔隙,通常為0.1～0.5 mm,最大可達2 mm,后期被膠結物(方解石或白云石)充填/半充填。該類孔隙儲集性能良好,但在區(qū)內發(fā)育頻率較低。

2.2.3 微裂縫

常見于豹斑狀云質灰?guī)r和豹斑狀灰質云巖中,切穿云斑和灰質基巖(圖4h,i)。其既是各種流體的重要輸導網絡,同時也是后期油氣運移的重要通道?？p寬為幾毫米級別,較平直,但大多會被后期填隙物或膠結物(方解石)充填,整體儲集性不好,僅提高巖石局部的滲透性。

2.3 儲層物性特征

對研究區(qū)6口單井的249個巖石樣品的物性統(tǒng)計分析顯示(圖5),馬四段的儲層孔隙度分布范圍為0.43%～11.27%,主體部位<2%,約占總樣品的56.2%,平均值為2.49%。滲透率分布范圍為(0.002～1.235)×10-3μm2,主峰位于(0.01～0.1)×10-3μm2,約占總樣品的76.7%,平均值為0.082×10-3μm2。其中豹斑狀云質灰?guī)r孔隙度最低,平均孔隙度為0.86%,滲透率最高,平均滲透率為0.53×10-3μm2;豹斑狀灰質云巖和晶粒云巖孔隙度最好,平均孔隙度均大于2%,但整體滲透率較低;微生物凝塊云巖的平均孔隙度和滲透率則介于二者之間(圖6,表1)。據孔滲交會圖(圖2b)顯示,區(qū)內馬四段儲層孔隙度和滲透率之間具有一定的正相關性,儲層類型整體以孔隙型儲層為主,裂縫型儲層發(fā)育較少。

表1 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段儲層物性統(tǒng)計

圖5 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段儲層物性分布

圖6 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段不同巖性儲層物性

綜上,盆地中東部馬四段的各類儲集巖巖石學特征、儲集空間類型、物性特征、發(fā)育頻率以及分布范圍均具有一定的差異性,其中晶粒云巖和豹斑狀灰質云巖儲集性能最好且分布范圍廣;豹斑狀云質灰?guī)r儲集性能較差,規(guī)模較大;而凝塊云巖雖儲集性能較好,但發(fā)育頻率較低?？傮w上馬四段儲層非均質性較強,呈現低孔—中低滲特征。

2.4 典型向上變淺序列特征

基于研究區(qū)取心井巖石學特征與物性統(tǒng)計發(fā)現,馬四段儲層主要發(fā)育以下兩種典型的垂向組合序列。

典型序列2:該序列以Sh473井3 988.00～3 979.70 m井段巖心為代表,序列內部分為5個小單元(圖7b)。(1)單元1:下部以巖性突變面為界,巖性突變面之下為黃褐色粉晶云巖,之上為厚層灰色泥晶灰?guī)r,泥晶灰?guī)r內部可見少量水平紋層狀暗色斑塊,孔滲數值較低,厚度2.65 m;(2)單元2:深灰色豹斑狀云質灰?guī)r,與下伏含云泥晶灰?guī)r之間表現為繼承性沉積,暗色云化斑塊多呈條帶狀、斷續(xù)點狀,孔隙度較低,滲透率較高,厚度1.87 m;(3)單元3:深灰色灰質云巖,下部為厚約0.23 m的不規(guī)則花斑狀豹斑,斑塊邊界棱角分明,上部為生物潛穴發(fā)育的灰質云巖,潛穴邊界圓滑,內部多為泥粉晶云巖,整體向上孔隙度逐漸增加,滲透率相對降低,厚度1.63 m;(4)單元4:黃褐色粉晶云巖,向上云質含量增多,巖心顏色變黃,上部局部可見少量厘米級膏團發(fā)育,孔隙度達到最大值,厚度1.65 m;(5)單元5:底部為與黃褐色粉晶云巖構成的巖性突變面,巖性突變面之上為下一旋回的深灰色云質灰?guī)r,基巖為泥晶灰?guī)r,發(fā)育水平狀云質條帶,厚度0.50 m。

圖7 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段白云巖與儲集物性單序列分布

3 儲層成因及主控因素

3.1 有利沉積微相奠定儲層發(fā)育的物質基礎

研究區(qū)整體發(fā)育開闊—半局限臺地相,但臺地內各類微相的儲集性能具有一定分異性。由巖性和物性關系(圖6)可知,區(qū)內晶粒云巖儲集性能整體較好,豹斑狀灰質云巖次之,豹斑狀云質灰?guī)r最差,而這幾類巖石的發(fā)育與分布明顯受到沉積微相的控制,具有明顯的微相控儲的特征。如前所述,區(qū)內儲層段主要發(fā)育兩種類型向上變淺序列(圖7),第一種以灘間海、生屑灘、潟湖組合向上變淺序列為特征。底部沉積塊狀泥晶灰?guī)r,孔滲性較差。序列中上部生屑、云質含量明顯增多,逆粒序,由此認為進入生屑灘沉積階段,序列頂部發(fā)育大量生物潛穴構造,且內部云化程度增大,以豹斑狀灰質云巖為主,是灰云質潟湖的產物,孔滲性較好,且發(fā)育程度高,是區(qū)內優(yōu)質的儲集層。第二種為潟湖、臺坪組合的向上變淺序列,亦代表潟湖咸化的過程,以碳酸鹽巖沉積為主。序列底部首先以大段泥晶灰?guī)r沉積為主,是灰質潟湖的產物,序列中部云質含量增多,以暗色斑塊的形式出現,向上云質含量持續(xù)增加,表明由快速海侵轉變?yōu)榫徛Ｍ说倪^程,水體鹽度逐漸增大,故進入云灰質潟湖和灰云質潟湖沉積階段。而序列頂部,伴隨強烈的蒸發(fā)作用,白云石化作用進一步加強,灰?guī)r完全轉變?yōu)榘自茙r,該時期灰云質潟湖轉為云坪沉積階段,受后期巖溶作用改造后,形成大量以晶間(溶)孔為主的晶粒云巖,是區(qū)內最優(yōu)質的儲集層。

對于鄂爾多斯盆地馬四段儲層的有利沉積微相類型,前人多認為以發(fā)育高能的顆粒灘和微生物丘為主[11-12]。統(tǒng)計不同沉積微相儲層物性(圖8)發(fā)現,區(qū)內儲層物性顯示最好的為云坪,其平均孔隙度為4.68%,平均滲透率為0.07×10-3μm2,局限灰云質潟湖次之,是研究區(qū)馬四段儲層發(fā)育的有利相帶,而相對開闊的灰質潟湖/灘間海和低能生屑灘整體云化程度較低,孔滲性相對較差,一般不利于儲層發(fā)育。

圖8 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段不同沉積微相儲層物性

3.2 生物擾動有利于白云石化作用

圖9 鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段儲層發(fā)育演化模式

3.3 白云石化作用是儲層形成的關鍵

白云石化作用是碳酸鹽巖優(yōu)質儲層形成的關鍵因素,具有重要的儲層優(yōu)化調整作用[18]。同為潟湖相帶產物的含生屑泥晶灰?guī)r,云化作用較強的豹斑狀灰質云巖物性特征較好,可成為良好的儲層;而豹斑狀云質灰?guī)r經歷較弱的白云石化作用,對儲層改造不夠徹底,尚無法形成有效儲層。前人研究顯示,區(qū)內馬四段白云巖的形成主要為準同生白云石化和埋藏白云石化疊加的結果[19-20]。即準同生期,在炎熱干旱的氣候下,毛細管蒸發(fā)作用形成的大量富Mg2+鹽水會優(yōu)先滲入孔滲性較好的三維潛穴系統(tǒng)中,發(fā)生準同生白云石化作用,形成部分晶間微孔。隨后埋藏過程中形成相對封閉的高溫—還原環(huán)境對白云石內部晶格結構進行進一步調整,最終形成大量以點接觸或線接觸的晶粒白云石(圖3c,圖7)。且相比基質泥晶灰?guī)r,白云石晶粒具有更強的抗壓能力,對晶間孔等儲集空間能夠更有效地保存。

3.4 早成巖期巖溶作用改善儲層質量

早成巖期暴露巖溶作用形成時間一般較早,主要發(fā)生在海退和向上變淺的沉積序列中,受高頻海平面變化驅動控制[21-23]。就研究區(qū)馬四段儲層而言,在高位體系域晚期,海平面相對下降,致使序列頂部的沉積物(豹斑狀灰質云巖/晶粒云巖等)暴露于地表并接受大氣淡水溶蝕改造。伴隨早成巖期巖溶作用的持續(xù)改造,零星分布的漫流溶蝕逐漸連片,從而形成大量晶間溶孔和不規(guī)則的溶蝕花斑(圖4c,e),儲集層的質量明顯得到進一步改善(圖9d),由此也暗示了早成巖期巖溶作用的改造是盆地中東部馬四段儲層質量改善的關鍵。

4 有利儲層分布預測

一方面,結合垂向的高頻向上變淺序列可以看到(圖7):序列自下而上呈現由豹斑狀云質灰?guī)r到豹斑狀灰質云巖再到晶粒云巖,向上云化程度逐漸增大,儲集巖的物性特征也具有逐漸變好的趨勢,有利的儲集巖類主要為灰質云巖和晶粒云巖層段,說明優(yōu)質儲層主要位于向上變淺序列中上部云化最強烈的區(qū)域。另一方面,基于區(qū)內馬四段儲層巖石學、物性統(tǒng)計數據以及單井儲層等研究的認識,可以發(fā)現整個馬四段主要孔隙型儲層分布在白云巖儲集巖之中,進而利用測井孔隙度解釋,將研究區(qū)內馬四段以2%為有效儲層孔隙度下限,統(tǒng)計有效儲層厚度并進行平面展布圖編制(圖10)?？v觀整個馬四段儲層平面展布,馬四段有利儲集區(qū)可以劃分為西側儲集區(qū)和東側儲集區(qū)兩個部分。西側儲集區(qū)主要集中在To93井區(qū)—烏審旗—靖邊—志丹一線,至北端有向東側Sh175井區(qū)延伸的趨勢,整體有效儲層厚度介于0～30 m,有利面積約9 200 km2。東側儲集區(qū)可劃分為兩個相對獨立的區(qū)域:首先北側以M104井區(qū)為中心,最大厚度為25 m的儲集區(qū),有利面積約3 500 km2,同時整個儲集區(qū)具有向東側逐漸減薄的遞變趨勢;南側以Q44井區(qū)為中心,最大厚度為21 m的儲集區(qū),同時也具有向東側和南側減薄的遞變趨勢,有利面積約2 400 km2。

圖10 鄂爾多斯盆地中東部 奧陶系馬家溝組四段有效儲層厚度

5 結論

(1)鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組四段具有多樣性的儲集巖石類型特征,儲集巖類包括晶粒云巖、豹斑狀灰質云巖、豹斑狀云質灰?guī)r和凝塊云巖。相應的儲集空間類型為晶間(溶)孔、格架孔和微裂縫,以晶間(溶)孔為主。

(2)研究區(qū)馬四段儲層整體表現為低孔—中低滲孔隙型儲層,其中晶粒云巖和豹斑狀灰質云巖的儲集性能最佳且分布范圍廣,是區(qū)內最優(yōu)質的儲集巖類。豹斑狀云質灰?guī)r發(fā)育規(guī)模較大,儲集性能整體較差,而凝塊云巖雖儲集性能較好,但發(fā)育頻率較低。

(3)盆地中東部馬四段儲層發(fā)育受沉積微相、生物擾動、白云石化作用、早成巖期巖溶作用綜合控制。有利沉積微相奠定儲層發(fā)育物質基礎,生物擾動作用形成的三維高孔滲潛穴系統(tǒng)有利于白云石化作用,白云石化作用利于儲集空間的有效保存,早成巖期巖溶進一步改善儲層的儲集性能。

(4)區(qū)內馬四段有利儲層縱向上主要位于高頻向上變淺序列的中上部;平面上,盆地中東部西側烏審旗—靖邊—志丹一線以及東側的神木、米脂地區(qū)是儲層最有利發(fā)育區(qū)域。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’ Contributions

牟春國、許杰參與儲層特征研究;古永紅、賈建鵬參與儲層成因及主控因素分析;王文雄、譚秀成參與有利儲層分布預測;牟春國、許杰、古永紅參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study of reservoir characteristics was carried out by MOU Chunguo and XU Jie. The reservoir genesis and main controlling factors were analyzed by GU Yonghong and JIA Jianpeng. The distribution of favorable reservoirs was predicted by WANG Wenxiong and TAN Xiucheng. The manuscript was drafted and revised by MOU Chunguo, XU Jie, and GU Yonghong. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.