鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组层序地层特征及控藏作用

王 龙， 梅朝佳， 李屹尧， 赵 静

( 1. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083； 2. 中国石油集团渤海钻探工程有限公司 测井分公司，天津 300457 )

0 引言

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组的天然气勘探始于20世纪80年代中期，在1989年完钻的陕参1井中获得无阻流量为2.83×105m3的高产工业气流，发现我国当时最大的海相碳酸盐岩气田——靖边气田[1]。近年来，鄂尔多斯盆地奥陶系的天然气勘探持续快速发展，在马家沟组中发现上、中、下3套含气组合，除上组合古风化壳气藏外，在中组合、下组合的岩性圈闭中也获得高产工业气流，揭示马家沟组全层段有潜在的储集层发育[1-2]。岩石学和地球化学分析表明，马家沟组自身发育有机质丰度较高的规模性有效烃源岩[3]，不只是上古生界石炭系—二叠系煤系烃源岩的贡献[4]。因此，需要进一步深化对马家沟组的层序地层，尤其是层序地层格架内储集层和烃源岩的分布、发育特征的认识。

根据层序地层学标准化理论[5-8]，采用Helland-Hansen W等建立的层序地层四分模式[9-11]，在野外露头和岩心标定的基础上，运用测井曲线的频谱趋势属性分析技术[12-14]，研究马家沟组的层序地层特征及其控藏作用，表明马家沟组的烃源岩和储集层在层序格架内的分布、发育特征具有较明显的规律性，对鄂尔多斯盆地天然气藏的勘探具有一定的指导意义。

1 地质背景及层序划分

1.1 地质背景

奥陶纪，由于受华北海、秦祁海和盆内中央古隆起的影响，鄂尔多斯盆地基本保持中部高，西、南、东低的古构造格局[15]。西缘水体相对较深，南缘次之，东缘相对较浅，形成西缘、南缘和中东部3个不同的沉积分区[15-16](见图1)。早奥陶世，鄂尔多斯盆地大部分为隆起剥蚀区，沉积的冶里组和亮甲山组仅分布于盆地南缘和东缘，为一套含泥质和硅质团块的白云岩组合，属于局限海潮坪沉积，代表奥陶纪初始海侵的产物[15,17]。早奥陶世晚期，华北海和秦祁海沟通，海侵进一步扩大，至中奥陶世伊盟—中央古陆大部分被海水侵没，分化为南、北相隔的两个古陆——庆阳古陆和伊盟古陆[17](见图1)，沉积范围基本覆盖整个鄂尔多斯盆地[17]。中奥陶世末期，中加里东构造运动Ⅱ幕使华北地台大面积抬升[15-16]，中部隆起区遭到剥蚀。奥陶纪末期，全区成为剥蚀区，奥陶系顶部缺失志留系—泥盆系，有长达约1.3亿年的沉积间断[16]。奥陶系马家沟组是夹在上、下两个区域不整合之间的一套相对整合的地层，底部与下伏亮甲山组、冶里组或寒武纪地层不整合接触，顶部与上覆石炭系本溪组等不整合接触。岩性以碳酸盐岩为主，夹有蒸发岩地层，自下而上又可进一步划分为马一段至马六段6个岩性段，是盆地下古生界最主要的产油层系(见图1)。

图1 鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组地层分布及古构造Fig.1 Stratigraphy and paleo-structural units of Ordovician Majiagou formation in Ordos basin

1.2 层序划分

根据波浪、潮汐、河流等沉积作用的多样性及其对基准面变化的不同响应，人们提出多种层序地层模式[5-11]，对层序复杂形成过程和响应机制进行解释和分析。层序是由不整合面及其可对比的整合面限定的沉积层序。对“可对比的整合面”的不同理解，导致层序地层学的划分方案和术语体系混乱，至今未能作为正式的地层学分支而纳入《国际地层指南》[5,7]。Hunt D等对Exxon经典层序地层理论进行修正，将Ⅰ型层序增加一个强制海退体系域(FRST)，它由LST、TST、HST、FRST构成，并将LST等同于Ⅱ型层序SMST，范围在海平面变化的最低点和海侵面之间；同时，将HST的变化范围定义在最大海泛面与海平面变化的最高点之间，将层序地层分为海侵、高位正常海退、强迫型海退和低位正常海退4个形成过程[8-10]。文献[6-11]表明，4个体系域是层序形成的4个过程，是客观存在的，不依赖于任何层序地层模式，即“朝向层序地层的标准化过程”。

频谱趋势属性分析技术是研究周期性现象极为有效的一种统计分析和信号处理方法[12]，可以较好地运用于Helland-Hansen W等建立的层序地层四分模式的标准化分析流程[9-11]。该技术以旋回地层学作为理论依据，将测井曲线转化为旋回特征更加明显的INPEFA(Integrated Prediction Error Filter Analysis)曲线，进而更好地进行沉积旋回和层序地层学分析[13]。首先，选取能够较好反映沉积旋回特征的测井曲线，进行最大熵频谱分析并获得MESA(Maximum Entropy Spectral Analysis)曲线，将它与米兰科维奇旋回匹配；然后，计算MESA预测值和对应曲线真实值之间的误差，得到一条垂向上变化不规则的锯齿状曲线PEFA(Prediction Error Filter Analysis)。该曲线负向尖峰代表可能的海泛面，正向尖峰代表可能的层序界面，不同的尖峰大小代表一系列可能的不同级别的层序界面[12-14](见图2)。根据层序界面对层序形成的4个过程进行分析，可以尽可能地减少人为因素的影响，使层序的划分方案更加客观，突出层序地层对烃源岩和储集层的预测准确性。

图2 利用INPEFA技术划分层序的流程及其模型Fig.2 The process and model to classify sequence stratigraph by INPEFA

受基准面周期性升降及气候变化的影响，鄂尔多斯盆地奥陶世马家沟期主要为浅海碳酸盐岩和蒸发岩交互沉积的环境，GR曲线变化幅度较大，旋回特征明显；加之GR曲线受井径的影响较小，且测井系列曲线基本包含GR曲线，选用它进行最大熵频谱分析和频谱属性分析，获得的PEFA和INPEFA曲线能较好地协助层序地层的划分(见图3)。一般采用传统层序地层划分方法，研究鄂尔多斯盆地马家沟组，包括三分[15,17]、四分[18-19]、五分[20]和六分[21]等层序划分方案(见图3)，为频谱趋势属性曲线的界面标定奠定基础。

结合最新的钻井和野外露头资料，将鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组划分为4个三级层序，SQ1由马一段至马三段构成，SQ2由马四段和马五10至马五6亚段构成，SQ3由马五5至五1亚段构成，SQ4由马六段构成，只在局部残存(见图3)。在判定过程中，遵循界面最大原理，INPEFA曲线是对PEFA曲线的积分(位于PEFA曲线下面区域)，INPEFA曲线值自下而上逐渐减少的负向趋势表明，井段向上相对海平面下降，是海退、变浅阶段；INPEFA曲线值自下而上逐渐增加的正向趋势表明，井段向上相对海平面上升，是海进、变深阶段。曲线的转折点对应于相应级别的层序边界或体系域边界，海退阶段体系域的进一步细化以野外露头和岩心资料为主，在曲线上较难识别(见图3)。

2 层序地层特征

2.1 层序界面

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组是夹在上、下两个区域不整合之间的一套相对整合的地层，以区域性不整合面作为层序界面的SB1和SB5(或SB4)较易识别。早奥陶世亮甲山期末的怀远运动导致海水大范围退出鄂尔多斯盆地[22]，区域内大部分地区遭到暴露剥蚀，形成代表亮甲山组和马家沟组之间沉积间断的SB1层序界面。界面之下为中厚层豹皮灰岩，夹白云质灰岩和生物碎屑灰岩；界面之上为马一段下部薄层泥晶白云岩，含陆源石英砂、粉砂，局部发育底砾岩(见图4(a-b))。PEFA曲线表现为明显的正向尖峰，INPEFA曲线值填色为黄色—绿色，为正向转折点，由负趋势转变为正趋势(见图3)。SB5为马家沟组顶部和石炭系之间的不整合面，为隆升侵蚀不整合面，上、下沉积特征截然，底砾岩发育(见图4(c))。由于经历长时间的沉积间断和暴露剥蚀，构成顶部层序的马六段只在盆地西部、南部和东部的局部残余(见图1)，因而在盆地大部分地区层序界面SB4为马家沟组和石炭系之间的不整合面。

图4 奥陶系马家沟组层序界面及内部构成的野外露头特征

层序界面SB2-SB4发育在地层相对整合的马家沟组内部，为岩性岩相转换面。层序界面PEFA曲线表现为明显的正向尖峰，INPEFA曲线值填色为黄色—绿色，为正向转折点，由负趋势转变为正趋势(见图3)，显示三级海平面下降的结束和水体突然的加深。界面之下主要为强迫型海退过程中形成的膏质白云岩和膏盐岩沉积，界面之上发育水体加深、海侵过程形成的灰岩沉积(见图4)。其中层序界面SB2相当于马三段顶界面，界面之下为白云岩和膏盐岩(见图4(d-e))，界面之上为马四段厚层灰岩沉积，夹含生物碎屑泥晶灰岩(见图4(d、f))；层序界面SB3相当于马五6亚段顶界面，界面之下为膏质白云岩和膏盐岩，界面之上为马五5亚段厚层泥晶灰岩(见图4(g))；层序界面SB4为马五段和马六段的界限，界面之下为白云岩、含膏白云岩和膏岩的互层(见图4(h))，泥晶白云岩中膏模孔发育(见图4(i))，界面之上为马六段泥晶灰岩。这些层序界面将奥陶系马家沟组分为4个三级层序：层序SQ1由马一段至马三段构成，层序SQ2由马四段和马五10-6亚段构成，层序SQ3由马五5-1亚段构成，层序SQ4由马六段构成(见图3)。由于马六段分布局限，盆地极少数井有马六段的残余。

2.2 层序构成

层序内部地层的叠加形式是对沉积作用速率变化与基准面变化相互作用的响应[6]，并且每一种叠加形式代表独特的沉积成因类型(海侵的、正常海退的及强迫型海退的沉积)。鄂尔多斯盆地马家沟组的每个层序地层序列，总体上为潮湿气候背景下的灰岩序列演变到半干旱气候条件下的白云岩序列，再到干旱气候条件下的膏质白云岩和膏盐岩序列，特定的沉积相序列代表独特的沉积成因类型，构成沉积层序的不同体系域。INPEFA-GR曲线的4个正向趋势代表相对海平面的上升，即海进过程(见图2)，根据层序地层的四分模式[9-11]，应该划分为海侵体系域(TST，见图3)。INPEFA-GR曲线的3个负向趋势代表相对海平面的下降，即海退过程(见图2)，根据层序地层的四分模式，应该划分为海退体系域(RST，见图3)，根据沉积序列特征，海退体系域可以细分为正常海退体系域(NRST)和强迫型海退体系域(FRST，见图3)。其中海侵体系域的米级旋回主要由灰岩、白云质灰岩构成；海退体系域的米级旋回主要由白云岩、膏质白云岩和膏盐岩构成，反映从潮下到潮上水体不断变浅、蒸发作用不断加强的沉积序列(见图4-5)。大套膏盐岩主要发育在强迫型海退体系域阶段，是基准面下降被迫产生的海退导致的、残留于台内坳陷的海水蒸发干化而形成的，是一个层序的结束。

图5 在海侵和海退过程中马家沟组米级旋回的总体相序模式Fig.5 Sequence pattern of Majiagou formation during transgression and regression

寒武纪晚期和亮甲山末期的构造抬升使鄂尔多斯盆地遭到风化剥蚀，盆地不同程度地缺失冶里组—亮甲山组沉积。马家沟组沉积时期，海水开始侵入鄂尔多斯盆地地势较低的南缘坳陷、西缘坳陷和陕北坳陷，中央古隆起一带未接受沉积[23](见图1)。马一段沉积期，下部普遍含陆源石英砂、粉砂，受陆源的影响较大，如位于陕北坳陷中心的镇钾1井，底部发育石英砂岩夹层；同时，局部洼陷在水体尚浅的情况下形成膏盐岩沉积。这种夹杂陆源石英和膏盐岩的沉积反映初始海侵的特征(见图5)。马二段沉积期，海平面快速上升，海侵范围迅速扩大，只有伊盟古陆和庆阳古陆未出现沉积(见图1)，沉积物以灰岩为主，最大海泛面附近发育一套深灰色—黑色泥质泥晶灰岩，沉积物共同构成SQ1的海侵体系域。马三段沉积初期，海平面相对停滞或缓慢下降，沉积范围与马二段的基本相同，岩性以白云岩为主(见图5)，为SQ1的正常海退高位体系域沉积；马三段沉积晚期，大套膏盐岩的出现标志强迫型海退的开始。马一段到马三段构成一个从海侵到海退(T—R)的完整旋回，为马家沟组的第1个三级层序SQ1(见图3)。

马四段沉积早期再次发生海侵，庆阳古陆和伊盟古陆的范围大幅缩小，吕梁隆起成为水下隆起[23](见图1)。整个盆地转变为碳酸盐清水环境，沉积物较为简单，以灰岩为主，含泥质较少，化石丰富。水体最深的时候形成一套中厚层灰岩，夹有含生物碎屑泥晶灰岩，构成SQ2海侵体系域。马四段沉积晚期，水体能量变强，发育厚层生物碎屑灰岩和砂屑灰岩(见图5)，为SQ2高位正常海退体系域沉积。同样，马五10亚段大套膏盐岩的出现标志又一次强迫型海退的开始，其中马五6亚段在陕北坳陷中心沉积厚达百米的膏盐岩层(见图3)。马四段到马五6亚段构成又一个从海侵到海退(T—R)的完整旋回，为马家沟组的第2个三级层序SQ2。

与此类似，马五5亚段沉积期发生第三次大规模的海侵，沉积物以黑色灰岩为主(俗称“黑腰带”)，厚度为20～30 m，为海侵沉积产物。其上的马五4-1亚段以白云岩和膏岩的互层为主(见图4(h))，为海退沉积产物，两者共同构成马家沟组的第3个三级层序SQ3。

3 层序地层控藏作用

3.1 烃源岩发育特征

岩石学和地球化学分析表明，鄂尔多斯盆地奥陶系暗色薄层—厚层状含云泥岩、云质泥岩和泥云岩可作为良好的烃源岩[24]，中东部主要分布于马五段和马三段，西南缘乌拉力克组最好，平凉组和克里摩里组次之[24-25]，单层厚度在数十厘米到数米不等[24]。对于马家沟组烃源岩，王万春等[25]实测盆地岐山、段家峡和铁瓦殿3个奥陶系马家沟组剖面的有机碳含量，发现以咸化潟湖或台地蒸发沉积为主的中东部马家沟组碳酸盐TOC相对较高，有效烃源岩比例高于南部和西部开阔海相沉积的；在实测TOC标定的基础上，文献[26]识别和评价200口井的烃源岩空间分布(见图6[22])，指出海退期咸化洼地比海侵期水体较深洼地发育TOC含量更高的烃源岩，证实烃源岩生气率为290～325 mL/g(TOC)，能够形成天然气藏；涂建琪[24]等对916个岩心和岩屑样品进行有机地球化学分析，证实马家沟组存在有机质丰度高的规模性有效烃源岩，有机质丰富段发育于海退旋回，岩性主要为云质泥岩和泥质白云岩，生油母质为浮游藻类和疑源类，有机质类型为腐泥型或偏腐泥混合型。

马家沟组烃源岩处于高成熟阶段[26]，对于海相烃源岩评价，有效油源岩的w(TOC)不应低于0.5%，而有效气源岩的w(TOC)下限不应低于0.3%，优质烃源岩的w(TOC)不应低于1.0%[27]。马家沟组层序SQ3和SQ2强迫性海退阶段沉积的烃源岩TOC质量分数介于0.18%～1.48%，平均为 0.74%，整体上达到有效油源岩标准，且多呈中厚层—厚层状分布；SQ1高位域的烃源岩TOC质量分数介于0.18%～0.74%，平均为 0.42%，达到有效气源岩标准(见图6)。按照w(TOC)下限0.3%的标准，中东部马家沟组碳酸盐岩的40%可视为有效气源岩[25]，马家沟组地层厚度一般介于200～1 200 m，生烃总量巨大，涂建琪等[24]计算总生气量为56.6×1012m3，总资源量为2.8×1012m3。对于马家沟组天然气是主要来源于上古生界的煤系地层，还是来源于自生自储的油型气，或者两者的结合存在争议，但是马家沟组本身发育一定规模的烃源岩[3,24-27]，并且烃源岩是在海退背景下形成的。

3.2 储集层发育特征

马家沟组主要发育风化壳岩溶孔洞型和白云岩晶间孔型两类有效储集层，在层序格架内表现很强的规律性，受层序界面和体系域的控制。中加里东运动Ⅱ幕[23]导致马家沟组遭受不同程度的剥蚀，在陕北坳陷一般剥蚀到马五1-4亚段，在中央古隆起一般剥蚀到马四段(见图1)，剥蚀面经受长期的表生岩溶作用(大致1.3亿年)。其中溶蚀孔洞发育且分布较为稳定的层段基本位于马五1-4亚段[2]，即层序SQ3的海退体系域，已发现风化壳大气田——靖边气田(见图1)；位于SQ3海侵体系域的马四段风化壳岩溶储集层并不发育。这是因为正常海退早期发育碳酸盐岩进积复合体，沉积物粒度较粗，沉积物原生孔隙较为发育，表生岩溶阶段流体很容易侵入并发生扩溶作用(见图7(a-b))；正常海退晚期沉积含膏白云岩、膏质白云岩，暴露淋滤作用使易溶膏盐矿物溶解，形成良好的膏模孔(见图7(c))。海侵阶段沉积物主要以厚层泥晶灰岩为主，致密且难以被溶蚀改造。

图6 鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组烃源岩在层序格架内的分布Fig.6 Distribution of source rocks of Majiagou formation under sequence stratigraphic framework in Ordos basin

图7 鄂尔多斯盆地马家沟组储集层的岩石薄片特征Fig.7 Rock thin section characteristics of Majiagou formation in Ordos basin

白云岩储集层也主要分布于SQ1和SQ2的海退体系域。白云岩储集层的形成主要取决于3个条件：一是有物质基础，即高能粗粒沉积物；二是经历准同生和埋藏溶蚀作用等成岩改造；三是有良好的保存条件。马家沟组正常海退阶段颗粒滩相粗粒碳酸盐岩发育，原生孔隙发育(见图7(d))，在经历后期白云石化作用而形成晶粒白云岩过程中，颗粒碳酸盐岩继承原岩的粒间孔而形成晶间孔(见图7(e))。这些粒间孔和晶间孔在海退过程中进一步遭到暴露溶蚀，形成溶孔溶洞(见图7(f))，因膏模孔发育，含膏泥晶白云岩和膏质泥晶白云岩也可以形成物性较好的储集层。因水体能量较低，海侵体系域波浪筛选不充分，泥质含量较高，颗粒滩整体不发育，在局部高地零星分布，且厚度较薄，很难形成规模储集层。强迫型海退阶段形成的大套膏盐岩封盖在白云岩储集层上，是盆地内最有利的盖层。

3.3 地层特征与油气藏分布

受海平面旋回性升降及气候周期性变化的控制，马家沟组烃源岩和储集层发育于海退体系域(RST)，具有较为独特的规律。中等盐度的咸化环境有利于有机质的堆积，形成的蒸发岩地层可以作为良好的生油岩[27]。中等盐度(4%～12%)的环境下，Kirkland D W等[28]指出表层生物非常繁盛，可以产生大量的有机质，但底部的高盐度且缺氧环境导致生物无法生存，有利于有机质的保存，形成相对于有机质其他沉积物数量很少的地层，成为良好的烃源岩。马家沟组沉积时期，鄂尔多斯盆地为陆表海环境，下部水体在海侵过程中不断上升，有利于有机质保存的缺氧环境仅限于洼地中心；在海退阶段，海平面保持稳定或缓慢下降，随海水蒸发作用的加强，洼地盐度增大，形成有利于有机质堆积和保存的咸化环境(见图6)。蒸发洼地中悬浮有机质的沉积是间歇性的，在闭塞的蒸发洼地中，一场大雨即可降低洼地盐度，造成无法适应渗透压突然改变的红色噬盐细菌的大量死亡[29]，盐水变得清澈，重新形成以碳酸盐岩为主的地层，从而在海退过程中发育一系列膏岩和白云岩的互层沉积。这些互层中深灰色、灰黑色和黑色的，含有或夹有大量泥质的细粒(泥晶、粉晶)碳酸盐岩构成马家沟组烃源岩的主体。

图8 鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组层序地层对比及油气藏分布

4 结论

(1)鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组是夹在上、下两个区域不整合之间的一套相对整合的地层，可划分为4个三级层序：SQ1由马一段至马三段构成，SQ2由马四段和马五10至马五6亚段构成，SQ3由马五5至五1亚段构成，SQ4由马六段构成，只在局部残存。

(2)在三级层序内部，米级旋回和沉积相序列的有序叠加形成海侵、正常海退和强迫型海退3种成因的沉积。这些沉积序列总体上由潮湿气候背景下的灰岩序列演变到半干旱气候条件下的白云岩序列，再到干旱气候条件下的膏质白云岩和膏盐岩序列，构成沉积层序的不同体系域。

(3)马家沟组烃源岩和储集层在层序地层格架内的分布具有较明显的规律性，无论是烃源岩还是储集层都是在海退背景下形成的，烃源岩和储集层的互层分布、镶嵌结构极有利于油气藏的形成。在强迫型海退过程中形成的厚度大、分布连续的膏盐岩成为油气藏的良好盖层。另外，风化壳型储集层直接被马家沟组顶部的层序界面所控制，界面既是区域性的地层沉积间断面，也是加里东构造作用下的长期风化剥蚀面，古岩溶普遍发育，形成多种类型的岩溶储集体。

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