鄂尔多斯盆地宜川—黄龙地区马家沟组古岩溶储层特征及形成机理

方继瑶，陈洪德，史云鹤，李 磊，邓 翔，苏中堂*

(1.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059； 2.页岩气评价与开采四川省重点实验室，四川 成都 610091； 3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018)

0 引 言

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组碳酸盐岩中赋存丰富的油气资源[1-4]，主要为古岩溶储层气藏。近些年围绕靖边气田周缘不断扩边建产，使得靖边气田成为盆地主力供气区之一，随着勘探程度深入，勘探难度增加，增产压力不断加大，急需开拓新的勘探领域。鄂尔多斯盆地东南部宜川—黄龙地区是近几年盆地古岩溶储层新发现区域，已初步建成黄龙气田。目前，鄂尔多斯盆地奥陶系古岩溶储层研究成果丰富，但多集中于储层沉积环境与岩相古地理、白云岩成因、古地貌发育特征及成藏条件[5-9]等方面，且研究区主要在盆地中部靖边气田及周缘[10-11]，而宜川—黄龙地区研究相对较少。鄂尔多斯盆地发育规模有效的海相碳酸盐岩烃源岩，具备规模天然气聚集成藏条件[12]。任军峰等研究认为，加里东期盆地整体抬升，遭受长期风化剥蚀，奥陶系马家沟组含膏白云岩经表生风化淋滤作用，发育溶孔洞型储层[13]，认为鄂尔多斯盆地东南部岩溶地貌及地层裂缝为储层形成提供了条件[14]，但没有明确的储集空间类型划分，未深入讨论各期成岩作用对整个储层发育演化的控制作用。宜川—黄龙地区储层形成机理仍不明确，影响到黄龙气田建设速度。

本文以鄂尔多斯盆地宜川—黄龙地区马家沟上组合风化壳19口典型井钻井资料与240个铸体薄片鉴定为基础，运用阴极发光、电子探针、扫描电镜等技术，结合相关地球化学实验分析，明确划分该区马家沟组古岩溶储集空间，对孔隙结构、成因等进行更深入的研究，系统分析储层主控因素，同时结合沉积背景，重点解释不同期次成岩作用对储层的改造过程，阐明宜川—黄龙地区马家沟组古岩溶储层形成机理及孔隙演化过程，为黄龙气田区天然气勘探提供基础地质资料。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部，地跨陕、甘、宁、蒙、晋五省区，属典型叠合盆地，赋存了极丰富的碳酸盐岩油气资源[15-16]。宜川—黄龙地区位于鄂尔多斯盆地东南部，即陕西延安以南、榆林正宁以东、铜川耀县以北，山西临汾乡宁以西，面积约6×104km2。马家沟组纵向上被划分为马一～马六6个岩性段，其中马五段被划分为马五1～马五10亚段[17-18]。马五期继承了马四期古地理格局，但总体处于振荡性、间歇性海退末期，表现为局限潮坪相，马五1+2期受沉积环境影响，盆缘主要发育泥云坪夹含硬石膏结核云坪，沿盆内逐渐向白云岩坪过渡(图1)，其中马五段含硬石膏结核白云岩层是该区主要产层之一。马五段储层经长期裸露风化保存不全，可划分为两个含气组合，即上组合(马五1～马五4亚段)和中组合(马五5～马五10亚段)[19]。其中，上组合含硬石膏结核云坪是宜川—黄龙地区古岩溶储层的主力产层[3-4]。

图件引自文献[20]，有所修改

2 储层特征

2.1 岩石学特征

通过鄂尔多斯盆地东南部宜川—黄龙地区探井马家沟组岩芯观察及薄片鉴定资料发现，研究区马家沟组古岩溶储层主要发育白云岩类。

2.1.1 含膏粉晶云岩

图2 马家沟组白云岩及孔隙显微特征Fig.2 Microscopic Characteristics of Dolomit and Pore of Majiagou Formation

2.1.2 粉晶砂屑云岩

2.1.3 粉—细晶云岩

2.2 孔隙类型

根据岩芯观察、铸体薄片鉴定、阴极发光、扫描电镜及测井资料，宜川—黄龙地区马家沟组主要发育膏溶孔型和晶间孔型两种储层，膏结核溶蚀形成的铸模孔、白云石晶间孔(溶孔)以及溶蚀改造形成的孔、洞、缝储层体系为研究区主要的储集空间。

2.2.1 膏模孔

(1)石膏晶体铸模孔。含膏粉晶云岩易受石膏、石盐晶体溶蚀形成放射针状、平直板状或柱状晶模孔[图2(g)]，孔隙大小为0.05×0.50～0.20×0.50 mm2。该类孔隙多呈孤立、层状分布于含膏云岩及去膏化云岩储集空间内，基本全充填(呈灰化假晶)，多为无效孔隙。

2.2.2 晶间孔(溶孔)

2.2.3 溶孔(洞)

(2)组构非选择性溶孔。溶孔多呈斑点状、针状或不规则似椭圆状不均匀分布[图2(f)]，常见后期方解石或白云石半充填—充填溶孔，有效孔隙空间较少。

2.3 储层物性

对宜川—黄龙地区马家沟上组合19口钻井共210个样品物性数据统计得出：马家沟上组合孔隙度介于0.03%～12.79%之间，平均孔隙度1.82%，以0.1%～5.0%为主(占94.2%)；马家沟上组合渗透率介于(0.002～35.852)×10-3μm2之间，平均渗透率1.108×10-3μm2，以(0.002～0.100)×10-3μm2为主(占83.87%)(图3)。结合马五段岩石薄片鉴定表明，宜川—黄龙地区马家沟上组合物性整体较差，表现为特低孔特低渗储层，部分地区发现低孔低渗储层，总体呈现低孔低渗—特低孔特低渗特点。

图(a)样品数为207个；图(b)样品数为210个

3 储层发育主控因素

3.1 沉积微相决定物质基础(相控储层)

井数为19口；薄片数为240个

优质储层发育建立在有利的物质基础之上，沉积相不仅决定储层物质基础，同时也控制储层的平面展布。受控于鄂尔多斯盆地整体呈海进-海退旋回沉积的特点，宜川—黄龙地区马五段主要沉积碳酸盐岩台地蒸发潮坪相[21-22]，发育含硬石膏结核云坪、白云岩坪、颗粒滩、泥云坪、云灰坪等微相(图1)。根据岩性与物性关系(图4)可知，含膏粉晶云岩、粉晶砂屑云岩、粉晶云岩储集物性较好，而这几类岩石的发育和分布明显受沉积微相控制。根据岩芯观察及薄片鉴定发现：在马五段的含硬石膏结核云坪中，不稳定膏盐类易受表生淡水淋浴作用溶蚀改造形成大量膏模孔，半充填的石膏结核铸模孔可成为良好的储集空间；潮坪环境沉积白云岩坪中发育少量的白云石晶间孔(溶孔)，成为储集性相对较好的有效储层；砂屑间溶孔及粒间溶孔型储层主要发育于黄龙地区颗粒滩中。有利于储层发育的沉积微相主要为含硬石膏结核云坪、白云岩坪及颗粒滩，原始沉积微相则决定了储层的分布和发育程度，从孔隙演化角度来看，膏模孔溶蚀是研究区储层形成最关键的成岩作用，从侧面说明沉积微相是优质储层的物质基础。

3.2 岩溶作用控制储层分布

3.2.1 储层发育平面上受控于古岩溶地貌

鄂尔多斯盆地宜川—黄龙地区马五段为岩溶型储层，区内古沟槽较发育，将储层分割以致连续性较差(图5)，但同时增大了水动力活动空间，岩溶作用强烈。风化壳古岩溶的储层物性与岩溶古地貌有着不可分割的联系[23]。宜川—黄龙地区大部分处于盆地内相对低洼的岩溶斜坡地貌单元，更有利于储层发育。事实上，即使同在岩溶斜坡内，不同的次级地貌单元岩溶储层发育特征亦有所差别。通过对残存地区古地貌复刻来研究地貌差异，发现微地貌转换部位(岩溶斜坡台缘)易形成活跃水流，有利于形成溶孔型储层，因此，岩溶微地貌转换部位是有利于优质储层发育的区域[24-25]。盆地东南部整体处于岩溶高地向岩溶斜坡过渡区域，有利于岩溶流体的运移。研究区古地貌较盆地中部岩溶高地相对低洼，表生期岩溶作用整体弱于靖边潜台区，而充填程度则显著高于后者，储层发育整体受岩溶地貌控制。研究区位于相对有利的古地形(地貌)-岩溶缓丘至岩溶阶地较高部位，局部层段可发育半充填膏结核溶孔型有效储层等。

3.2.2 储层发育垂向上受控于岩溶旋回

3.3 多期充填降低储层质量

3.3.1 充填类型及期次

通过对鄂尔多斯盆地宜川—黄龙地区马家沟上组合显微特征观察，研究区储层存在多类型(6类)、多期次(3期)的充填过程，致使储层相对致密，储层质量降低[26-27]。第一期充填发生在表生期，准同生期的石膏被溶蚀后，局部充填渗流云砂、石膏或者少量淡水方解石[图7(a)]；在浅埋藏期，地层压释水排出，在孔隙内沉淀出自生石英、高岭石等[图7(c)]，局部形成少量方解石，这些产物充填于孔隙内，形成第二期充填，孔隙空间再次减少；深埋藏期，在上覆地层大量排烃阶段，富Ca流体交代晚表生期次生灰岩，并沉淀大量白色嵌晶状及粗晶方解石于膏模孔残余孔隙[图7(b)、(d)]，这次大面积充填基本使原有孔隙系统遭受最严重破坏，孔隙几乎被全充填，孔隙急剧减少。

RLLD为深侧向电阻率

图7 膏模孔充填物特征Fig.7 Characteristics of Fillings of Gypsum Moldic Pore

w(·)为化合物含量

3.3.2 充填物成因

通过C、O同位素[图8(a)],Fe、Mn微量元素[图8(b)],阴极发光图像[图2(i)、7(f)]及包裹体测温实验数据，进一步探究研究区马家沟组充填物成因及充填机理。地球化学数据散点图表明膏模孔内充填渗流云砂Fe、Mn含量与基岩白云石较为接近(图8)；阴极发光下呈暗红色或不发光，与基岩白云石一致(图7)。以上特征表明，充填渗流云砂与基岩白云石同源，由原岩受淡水淋浴溶解破碎成粉砂级云质颗粒，随流体迁移滞留在早期膏模孔内。相较于基岩白云石，膏模孔内充填方解石Fe的平均含量较低，Mn相对较高，可能为大气淡水产物。相较于中奥陶世海水(δ13C值为-2.0‰～0.5‰，δ18O值为-6.6‰～-4.0‰)[28]，基岩白云石及渗流云砂δ13C值与同期海水较一致，说明基岩白云石及渗流云砂为准同生期产物，膏模孔内充填方解石δ13C、δ18O值较海水出现不同程度负偏移，表明方解石有大气淡水成因，也有埋藏成因。通过对24个包裹体样品测温得出，膏模孔充填方解石均一温度区间为90 ℃～146 ℃，平均为125.6 ℃，绝大部分集中于120 ℃～146 ℃之间，其中，120 ℃～130 ℃范围内居多(占45%)，表明其多形成于浅—中深埋藏阶段。阴极发光观测到部分充填方解石呈较明亮的橙红色，可能与表生期大气淡水淋浴有关。综上所述，膏模孔内充填方解石主要形成于浅—中深埋藏阶段和表生淡水淋浴阶段，晚于膏模孔充填渗流云砂。

3.4 次生灰化促使储层致密

加里东末期，大气淡水淋浴膏盐层形成的高Ca2+/Mg2+值成岩流体自鄂尔多斯盆地中部岩溶台地向东南部地势相对低洼处汇集[29]，同时，上覆马六段易溶的厚层灰岩遭受溶蚀后形成的富Ca流体沿裂缝向下渗流，促使宜川—黄龙地区马家沟上组合白云岩发生大规模次生灰化作用。

通过岩芯观察及薄片鉴定，宜川—黄龙地区马家沟组次生灰化较强烈，原岩被改造为棕红色斑块状灰岩。在这一过程中，细—中—粗晶及嵌晶状红色次生方解石取代原始具膏模孔白云岩，使原有孔隙空间锐减，岩石致密。早期次生灰化发生在中—晚表生期，次生中—粗晶方解石交代粉—细晶白云岩，原岩保存的膏模孔、晶间孔被充填，而后期白色方解石在其基础上继续溶解、沉淀，进一步充填了残余孔隙，使宜川—黄龙地区岩溶作用上部孔隙保存的垂直渗流带致密化，对储层形成破坏作用。

3.5 储层形成机理

鄂尔多斯盆地奥陶系沉积后，受加里东构造运动影响，经历短暂埋藏后抬升，至石炭系再次埋藏，马家沟组经历长期裸露风化剥蚀，盆地大部分地区缺失马六段地层。宜川—黄龙地区处于岩溶斜坡-岩溶残丘古地貌，岩溶作用较强，马家沟组地层经多期表生岩溶作用改造，形成了具明显旋回性的复杂孔、洞、缝储层体系[30]，伴随着多期充填及次生灰化长时期共同作用，互相叠加，从而演化成现今古岩溶储层。

马五期处于振荡性海退末期，发育蒸发潮坪相，由于蒸发作用较强，上组合地层以膏云岩及含膏白云岩为主。准同生期相对海平面间歇性下降使地层短暂暴露，宜川—黄龙地区马家沟组膏云岩中部分石膏结核被溶解，形成少量膏模孔和晶模孔。表生裸露期，大气淡水淋浴对膏溶孔型储层再次进行岩溶改造，原始膏模孔被溶蚀扩大，绝大部分石膏被溶解，在垂直渗流带形成垮塌角砾岩以及各种溶孔、洞、缝储集空间，这是该区储层形成最重要的成岩作用。第一期充填作用伴随着早表生期岩溶作用同时进行，流体向古地貌低洼处运移，由少量渗流云砂、陆源碎屑物、淡水方解石沉淀于部分孔隙内形成。中—晚表生期，盆地中部台地及周边地势较高区域膏盐层经大气淡水淋浴溶蚀形成的高Ca2+/Mg2+值岩溶流体向下游盆地东南部汇集；同时，盆地中部马六段厚层灰岩溶蚀形成的富Ca流体向宜川—黄龙一带渗流，研究区发生早期规模性次生灰化作用，这一过程中，细—粗晶红色次生方解石交代具膏模孔白云岩，使岩石致密化，原岩孔隙度急剧降低。浅埋藏期，地层压释水排出，在孔隙内沉淀出自生石英、高岭石等，局部形成少量方解石，这些产物充填于经岩溶改造后的溶孔内，形成第二期充填，进一步降低了储层物性。中—深埋藏期，埋深增大，温压升高，上覆煤系地层热演化进入排烃阶段，这一阶段温度、压力升高后，高Ca2+/Mg2+值的孔隙介质在局部孔、洞内析出大量白色嵌晶状方解石，形成第三期充填，这次大面积充填基本使得原有孔隙系统遭受最严重破坏，孔隙急剧减少。同时，上覆煤系地层富含有机酸压释水向下渗透，残存孔隙空间被溶蚀扩大，形成了一些最终保存的晶间孔、晶间溶孔和未被完全充填的膏模孔，成为研究区白云岩储层的有效储集空间。储层演化过程如图9、10所示。

图9 储层成岩演化示意图Fig.9 Sketch Map of Diagenetic Evolution of Reservoir

图10 储层孔隙演化示意图Fig.10 Sketch Map of Pore Evolution of Reservoir

4 结 语

(1)鄂尔多斯盆地宜川—黄龙地区马家沟组主要发育含膏粉晶云岩、粉晶砂屑云岩及粉—细晶云岩；膏模孔和晶间孔(溶孔)及溶孔、洞、缝系统是主要的储集空间。

(2)储层物性具低孔低渗—特低孔特低渗特征，孔隙度以0.1%～5.0%为主，平均为1.82%；渗透率以(0.002～0.100)×10-3μm2为主，平均为1.108×10-3μm2。

(3)有利储层分布受多种地质作用共同影响：含硬石膏结核云坪、白云岩坪及颗粒滩是优质储层发育的物质基础；储层平面分布受控于古岩溶地貌，垂向分布受控于岩溶旋回，表生期垂直渗流带有利于孔隙的保存；多期岩溶作用有利于研究区储层发育，晚成岩期次生灰化及3期不同组合类型充填作用大大降低孔隙度，尤其埋藏期大面积嵌晶状方解石充填孔隙，储层破坏严重，是该区储层物性较差的直接原因。