鄂尔多斯盆地马家沟组白云岩储层特征及成因机理

任军峰, 杨文敬, 丁雪峰, 赵伟波, 黄正良, 魏柳斌

(1.中国石油长庆油田公司，西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018)

鄂尔多斯盆地马家沟组白云岩储层特征及成因机理

任军峰1,2, 杨文敬1,2, 丁雪峰1,2, 赵伟波1,2, 黄正良1,2, 魏柳斌1,2

(1.中国石油长庆油田公司，西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018)

[摘要]以鄂尔多斯盆地下奥陶统马家沟组白云岩为研究对象，对不同类型白云岩的岩石矿物学属性、地球化学特征、孔隙结构特征、发育层位及分布规律进行对比研究，并结合成因，将白云岩分为3类：(1)泥粉晶白云岩，以岩盐矿物溶蚀型孔隙为主，在含膏云坪相带呈带状分布，横向分布稳定，形成于准同生白云岩化作用；(2)粉-细晶白云岩，以白云石晶间孔为主，主要发育于蒸发岩层系的短期海侵沉积期，受控于浅埋藏期渗透回流白云岩化作用；(3)中-粗晶白云岩，以残余原始粒间孔及格架孔为主，主要发育于台地边缘礁滩及古隆起周边高能颗粒滩相带，并经历了埋藏白云岩化作用。奥陶系白云岩分布具有“层控性”和“相控性”，形成了现今白云岩储层多层叠合发育的特点，为奥陶系多套含气组合的发育创造了有利条件。

[关键词]鄂尔多斯盆地；奥陶系；白云岩；储层；孔隙类型

鄂尔多斯盆地奥陶系白云岩层系众多、类型多样、分布范围广，是整个下古生界最为重要的天然气储集层，目前在下奥陶统马家沟组白云岩中发现的天然气探明储量已达数千亿立方米，展示了良好的勘探潜力。多年来，奥陶系白云岩的成因及其发育规律一直备受关注，已经在白云岩分类、孔隙类型特征和控制因素等方面取得了大量认识，并提出了不同的白云岩化模式[1-12]；但对不同成因类型白云岩分布规律、孔隙结构差异性及其与岩相和白云岩化的内在成因关系的研究较少。本文以鄂尔多斯盆地马家沟组白云岩为研究重点，对比分析了不同类型白云岩在岩石矿物学、地球化学属性、孔隙结构特征及分布规律等方面的差异性，并以岩相和沉积旋回发育为依据，探讨不同类型白云岩发育的控制因素及白云岩化机理。

1区域地层发育特征

奥陶纪，由于近南北向中央古隆起的分隔作用，鄂尔多斯盆地西部与盆地中东部分属祁连、华北两大海域，地层发育特征存在显著差别。盆地中东部主要发育下奥陶统冶里组、亮甲山组和马家沟组，主要为浅水碳酸盐岩台地相的白云岩沉积；而且由于后期剥蚀，大部分地区顶部均出露马家沟组第五段白云岩，仅局部残留第六段灰岩。盆地西部奥陶系地层发育较全，下、中奥陶统均有分布，主要为碳酸盐岩台地和深水碳酸盐岩台地斜坡相的灰岩沉积。加里东期盆地整体抬升，遭受长达上亿年的风化剥蚀，造成奥陶系与上石炭统不整合接触。

鄂尔多斯盆地中东部地区马家沟组是主要的海相碳酸盐岩含气层位，由6个岩性段组成，其中第一、第三、第五段为含膏白云岩与膏盐岩发育段；第二、第四、第六段以石灰岩、白云岩为主。马五段自上而下可以进一步划分为10个亚段，其中上部的马五1+2、马五4亚段是靖边风化壳大气田的主力产层，以泥-粉晶含膏白云岩为主；中下段马五5-马五10亚段晶间孔型粉晶白云岩储层较为发育，并发现了以马五5为代表的局部高产富集的岩性圈闭气藏，已经成为继靖边风化壳气藏之后新的碳酸盐岩接替层系[13,14](图1)。

图1　鄂尔多斯盆地中部奥陶系沉积层序综合柱状图Fig.1　The Ordovician stratigraphic column in Ordos Basin

2白云岩结构类型及分布

基于对盆地中东部地区探井马家沟组岩心观察及显微薄片鉴定，根据白云岩微观晶粒结构特征，可以初步将白云岩分为泥晶-细粉晶白云岩、粉-细晶白云岩、细-中晶白云岩3大类。

2.1岩石学特征

2.1.1泥晶-细粉晶白云岩

具泥粉晶结构及镶嵌接触，泥质的质量分数一般为5%～30%；可见板条状石膏假晶及硬石膏结核(图2-A,B)；常见的沉积构造有水平藻纹层、微波状纹层等，局部可见溶蚀可溶性矿物形成的溶蚀孔隙。主要发育于马五1-马五4亚段，在马五6、马五8、马五10、马一、马三段等膏盐岩发育段也较常见(表1)。常呈薄层产出，但横向分布较稳定。

2.1.2粉-细晶白云岩

晶粒结构，以中-厚层为主；常发育于颗粒滩相及生物扰动沉积相带，一般呈粗粉晶结构，晶体结构不均一，半自型-自型，多呈镶嵌接触，可见雾心亮边 (图2-C,D)；泥质含量较低，微细纹层不太发育，局部可见颗粒残余或幻影，主要发育在盆地中东部地区马五5、马五7、马五9亚段(表1)，纵向上常与泥粉晶纹层状白云岩交替发育，平面上一般呈带状、透镜状分布。

2.1.3细-中晶白云岩

晶粒结构，厚层块状，层理不显；白云石晶粒较粗，多为细-中晶，少量粗粉晶及巨晶(图2-E,F)，外观呈粗砂糖状，晶体形态与细粉晶白云岩相似，经常可见非平直面鞍型白云石晶体，一般以孔隙充填物产出，常具雾心亮边；常见颗粒残余、幻影以及缝合线构造。主要发育在盆地中西部的马四段及盆地南部的马六段。马四段局部最大白云岩厚度近百米，储层厚度可达数十米，具有厚层大面积连片分布的特点。盆地南部马六段白云岩厚度大(100～400 m)，而且发育多段有效储层，具有与马四段类似的储集空间及分布特征。

图2　马家沟组白云岩显微特征Fig.2　Microscopic characteristics of dolomite from Majiagou Formation(A)泥晶白云岩中的石膏假晶,陕315井,马五1,深度3 688.30 m; (B)泥粉晶白云岩,陕276井,马五1，深度2 915.63 m; (C)粉晶白云岩,召18井，马五5，深度3 297.82 m; (D) 粉晶白云岩，府14井，马五5， 深度2 327.96 m; (E)细晶白云岩，旬探1井，马六， 深度3 299.98 m; (F)细晶白云岩，定探1井，马四，深度4 450.21 m

段亚段厚度/m岩性描述主要白云岩类型马六马五马四马三马二0～200块状微晶石灰岩、白云岩中—细晶白云岩马五1—马五467～143含膏白云岩、粉晶白云岩夹石膏岩及蒸发岩泥粉晶白云岩马五510～25细、粉晶白云岩、泥晶灰岩粉—细晶白云岩马五610～100含膏白云岩、粉晶白云岩夹石膏岩及蒸发岩泥粉晶白云岩马五710～20细、粉晶白云岩、泥晶灰岩粉—细晶白云岩马五810～20含膏白云岩、粉晶白云岩夹石膏岩及蒸发岩泥粉晶白云岩马五910～20细、粉晶白云岩、泥晶灰岩粉—细晶白云岩马五1010～20含膏白云岩、粉晶白云岩夹石膏岩及蒸发岩泥粉晶白云岩164～184厚层块状微-粉晶白云质石灰岩、细-粗晶白云岩中—细晶白云岩58～87微晶白云岩、硬石膏质白云岩夹含泥质白云岩,夹石膏岩及蒸发岩泥粉晶白云岩45～100块状微晶石灰岩、泥质白云岩泥粉晶白云岩

2.2白云岩分布规律

2.2.1层控性：层序控制云化层段的旋回性分布

盆地中东部马家沟期沉积了一套具有明显海进-海退旋回的膏盐岩-碳酸盐岩层系，这种沉积特点对不同类型的白云岩具有明显的控制作用。特别是马五期作为最大的海退旋回，其内部包含多个次级的海进-海退沉积旋回。这种不同级别的海进-海退变化造成不同类型的白云岩呈层状分布，且具有旋回性特点(表1)。

奥陶系中组合是近年在鄂尔多斯盆地马家沟组发现的新含气层段，主要包括马五5-马五10共6个小层段，其岩性及储集空间组合明显受控于海进-海退旋回性变化。马五6、马五8、马五10为海退沉积，岩性以蒸发岩、含膏泥-粉晶白云岩为主； 马五5、马五7、马五9为夹在蒸发岩层序中的短期海侵沉积，以粉-细晶白云岩为主(表1)。

2.2.2相控性：沉积相控制白云岩的空间分布

鄂尔多斯盆地奥陶纪马五期是盆地最大的一次海退期，在盆地东部发育膏盐湖，围绕其发育膏云坪及含膏云坪相带，其中马五晚期的马五1+2、马五4等多个层段发育含膏云坪沉积相带，以含膏泥晶白云岩为主，且分布范围广。以马五1+2为例，其含膏云坪相带主要发育于靖边气田及其周边区域，分布面积约25×103km2，为膏溶孔型风化壳储层的形成创造了有利条件。

在海相碳酸盐岩沉积体系中，礁滩相沉积是非常重要的利于储集体发育的沉积类型，根据其发育的构造部位，有台缘滩及台内礁滩两大类，分别发育于台地边缘及古隆起周边与沉积期古地形的高部位。鄂尔多斯盆地奥陶纪发育西部祁连海(边缘海)和中东部华北海(陆表海)两大海域，台缘滩及台内滩均有发育，并表现出对不同类型白云岩分布的控制作用。台缘滩相沉积主要发育在马四段沉积期，该期是奥陶纪最大的一次海侵期，古隆起区(靖边以西的苏里格-镇原地区)处于东西两大海域过渡部位，发育台缘高能颗粒滩相带，经历白云石化形成了巨厚的白云岩储集体，以细晶白云岩为主；向东西两侧水体加深，能量减弱，逐渐相变为石灰岩陆棚环境，白云岩厚度逐渐减薄，以灰岩为主。与马四期不同，马五5、马五7、马五9亚期是盆地内马五期海退旋回中的次级海侵旋回，这一时期的古隆起已经出露于海平面，完全分隔了东西两大海域，水体自西部古隆起区向盆地方向逐渐加深，造成岩性及沉积特征具有东西分异的特点，邻近古隆起的靖西台坪相带水动力强，发育藻屑滩有利沉积微相，颗粒滩相沉积后期优先云化形成粉-细晶白云岩储层(图3)。形成的白云岩主要沿着古隆起呈带状分布，向东厚度明显减小，形态也逐渐转变为薄层或者透镜状。在云地比(白云岩厚度与地层厚度之比)变化趋势上也具有明显的规律性，古隆起东侧云地比均在90%以上，向东逐渐变小，东部主要以纯灰岩为主，显示出古隆起对沉积及白云岩分布的控制作用(图4)。

图3　马五5亚期沉积相图Fig.3　Sedimentary facies of M5 of Majiagou Formation

图4　马五5亚期云/地厚度比分布图Fig.4　Ratio of dolomite thickness and formation thickness of M5 of Majiagou Formation

主要岩性含膏泥-粉晶白云岩粉-细晶白云岩细-中晶白云岩孔隙特征膏盐矿物溶蚀孔隙晶间孔溶孔、晶间孔孔径/mm0.1～50.01～0.180.05～0.6孔隙成因风化壳期易溶膏盐矿物溶解形成白云岩化早表生期溶蚀+白云岩化孔隙度/%3～82～95～10渗透率/10-3μm20.2～10.00.1～6.00.5～100

3白云岩储层孔隙发育特征

鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐岩储集空间主要以碳酸盐岩中的孔、洞、缝为主，其中膏盐矿物溶孔、白云石晶间孔及残余原始粒间孔及格架孔是白云岩储层最重要的储集空间类型，这些储集空间的发育与白云岩的类型有非常大的关系。

3.1膏盐矿物溶孔

主要岩性：含膏泥-粉晶白云岩。孔隙成因：加里东风化壳期，大气水淋滤作用使马五段含膏白云岩中易溶膏盐矿物溶解形成铸模型孔隙(图2-B)，现今孔隙不同程度充填白云石渗流粉砂、方解石及自生石英等矿物，普遍可见示底构造。储层段一般以未充填-半充填的孔洞为主，溶蚀-构造缝提高了孔隙连通性和渗透率。储层段平均孔隙度为3%～8%，渗透率为(0.2～10)×10-3μm2。

3.2白云石晶间孔

主要岩性：粉-细晶白云岩。孔隙成因：在近地表浅埋藏期，颗粒质灰岩优先白云岩化形成晶间孔型孔隙(图2-C)；局部可见叠加风化壳期的溶蚀作用形成较大的溶蚀孔洞，白云岩自形程度越高，孔隙越发育。储层段平均孔隙度为2%～9%，渗透率为(0.1～6)×10-3μm2。

3.3残余原始粒间孔及格架孔隙

主要岩性：细-中晶白云岩。孔隙成因：礁滩相沉积的碳酸盐骨架组构在早表生期被选择性溶蚀后白云岩化形成残余原始粒间孔、格架孔隙及晶间孔型孔隙(图2-E)。储层段平均孔隙度为5%～10%，渗透率为(0.5～100)×10-3μm2。

表3　鄂尔多斯盆地奥陶系主要白云岩化作用对比

4白云岩成因机理

目前，白云岩的成因仍然是碳酸盐沉积学研究中的一个重要问题。综合已有的研究认识，通常有以下6 种类型：①与蒸发岩有关的蒸发泵及塞卜哈模式；②渗透回流机制；③混合水白云岩化模式；④埋藏白云岩化；⑤热液成因模式；⑥微生物白云岩化。对于鄂尔多斯盆地奥陶系的白云岩成因，上述几种白云岩化模式都被提及过，近年来也有生物成因的白云岩化的相关论述。根据马五1+2、马五4泥晶-细粉晶白云岩、马五5粉-细晶白云岩、马四、马六段细-中晶白云岩三大类白云岩的岩石矿物学属性、地球化学特征、地层分布规律等特征，重点关注白云岩化与储层形成、发育的关系，综合分析认为其分别形成于准同生白云岩化、渗透回流白云岩化及埋藏白云岩化。

4.1准同生白云岩化

马家沟组马五1沉积期，盆地中东部地区海水在蒸发作用下浓缩，随着高盐度卤水中石膏和其他盐类矿物沉淀，形成大量富Mg2+流体并下沉，在潮间带和潮上带交代灰泥等沉积物，形成泥晶白云岩，且含较多的硬石膏结核及石膏假晶。形成于准同生白云岩化的泥晶白云岩，其有序度为0.6～0.82，δ13C=0.8‰～-4.6‰，δ18O= -7.6‰～-11.2‰(图5)。从其与其他2种类型的白云岩的对比来看，差别较为明显，另外两者的近似性则可能暗示它们在沉积环境及云化条件上的相关性。白云石晶体阴极发光呈暗褐色至暗红色，均匀发光，无核心和环带。

图5　奥陶系白云岩碳氧同位素特征Fig.5　Carbon and oxygen isotopic characteristics of Ordovician dolomite

4.2渗透回流白云岩化

马家沟组马五5海侵期，自东向西依次发育东部洼地、靖边缓坡、靖西台坪及环陆云坪，并在古隆起东侧靖西台坪局部发育台内浅水颗粒滩相沉积。

马五5沉积期后，即进入马五4蒸发岩沉积期，在盆地中东部地区产生大量富镁卤水，下渗至下部的马五5沉积层，使早期的滩相沉积白云岩化形成晶间孔型白云岩储层。形成于渗透回流白云岩化的粉晶白云岩有序度为0.7～0.99，δ13C=0.1‰～-1.6‰，δ18O=6.9‰～8.7‰，白云石晶体一般以他形—半自形为主，阴极发光下白云石呈暗褐色至暗红色均匀发光。

4.3埋藏白云岩化

马五沉积期，海平面下降，古隆起周边局限台地及滩后潟湖的膏质物沉淀，导致沉积水体中Mg/Ca的大幅度变大，富镁离子的水体随海平面下降不断向早期沉积层(马四段)下渗，导致处于埋藏成岩环境的早期沉积层的大量云化。马四段颗粒滩相灰岩沉积后及浅埋藏阶段多经历间歇性暴露，对颗粒及格架的溶蚀易于富Mg2+流体的进入，并利于云化的持续进行，形成的白云岩层厚度大、云化彻底，晶粒较粗。形成于埋藏白云岩化的细晶白云岩，有序度为0.81～0.99，δ13C=2.1‰～-1.0‰，δ18O=-2.7‰～-7.9‰，白云石晶体一般以自形-半自形为主，阴极发光下发较为均匀的暗红色光，具有暗红光的中心和稍亮的边的阴极发光现象，少量巨晶白云石(部分为鞍状白云石)发亮红光。加里东造山作用后期，盆源压释流体和基底热液向古隆起迁移对上覆白云岩储层进行改造，部分在马四段见到的鞍状白云石可能主要为热液成因。

表4　不同晶级白云岩镁钙比分布统计

5结 论

a.鄂尔多斯盆地奥陶系白云岩主要发育3种孔隙类型，并与白云岩成因具有一定的内在联系。

b.白云岩分布具有“层控性”和“相控性”，形成了现今白云岩储层多层叠合发育的特点，为奥陶系多套含气组合的发育创造了有利条件。

c.奥陶系主要发育3种类型的白云岩化作用，其富Mg2+流体的来源与鄂尔多斯盆地中东部地区膏盐岩等蒸发类矿物的沉淀关系密切。

d.奥陶系马家沟组旋回性沉积特点是形成不同类型白云岩储层叠合发育的宏观控制因素。

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Discussion on characteristics and origin of Majiagou Formation dolomite reservoir in Ordos Basin, China

REN Jun-feng1,2, YANG Wen-jing1,2, DING Xue-feng1,2,ZHAO Wei-bo1,2, HUANG Zheng-liang1,2, WEI Liu-bin1,2

1.PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an710018,China;2.NationalEngineeringLaboratoryforExploration&DevelopmentofLowPermeabilityOil&GasFields,Xi’an710018,China

Abstract:Mineralogical properties, geochemical characteristics, pore structure characteristics, development and distribution of different types of dolomites from the Majiagou Formation of Lower Ordovician are studied. It reveals that the dolomite can be divided into three types in terms of their genesis. The first type is micritic to powder crystallized dolomite with evaporite mineral dissolved pores and develops in dolomitic tidal flat facies, with penecontemporaneous dolomitization. The second type is powder to fine crystallized dolomite with intercrystalline pores and develops in platform inner shoal facies, with penetration reflux dolomitization. The third type is fine to medium crystallized dolomite with residual primary intergranular pore and framework pores, and develops in high energy bank facies, with burial dolomitization. The strata-bound and facies-bound features of dolomite are the main controlling factor of superimposed development of different types of dolomite reservoir in Ordovician, which provided favorable conditions for the development of multiple sets of gas combination in Ordovician.

Key words:Ordos Basin; Ordovician; dolomite; reservoir; pore space

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.03.03

[文章编号]1671-9727(2016)03-0274-08

[收稿日期]2014-11-21。

[基金项目]中国地质调查局项目(1212011220759)。

[分类号]TE122.23

[文献标志码]A

[第一作者] 任军峰(1978-),男,高级工程师,从事海相碳酸盐岩综合地质研究, E-mail：rjf_cq@petrochina.com.cn。