鄂爾多斯盆地宜川—黃龍地區(qū)馬家溝組古巖溶儲(chǔ)層特征及形成機(jī)理

方繼瑤，陳洪德，史云鶴，李 磊，鄧 翔，蘇中堂*

(1.成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059； 2.頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610091； 3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018)

0 引 言

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖中賦存豐富的油氣資源[1-4]，主要為古巖溶儲(chǔ)層氣藏。近些年圍繞靖邊氣田周緣不斷擴(kuò)邊建產(chǎn)，使得靖邊氣田成為盆地主力供氣區(qū)之一，隨著勘探程度深入，勘探難度增加，增產(chǎn)壓力不斷加大，急需開拓新的勘探領(lǐng)域。鄂爾多斯盆地東南部宜川—黃龍地區(qū)是近幾年盆地古巖溶儲(chǔ)層新發(fā)現(xiàn)區(qū)域，已初步建成黃龍氣田。目前，鄂爾多斯盆地奧陶系古巖溶儲(chǔ)層研究成果豐富，但多集中于儲(chǔ)層沉積環(huán)境與巖相古地理、白云巖成因、古地貌發(fā)育特征及成藏條件[5-9]等方面，且研究區(qū)主要在盆地中部靖邊氣田及周緣[10-11]，而宜川—黃龍地區(qū)研究相對(duì)較少。鄂爾多斯盆地發(fā)育規(guī)模有效的海相碳酸鹽巖烴源巖，具備規(guī)模天然氣聚集成藏條件[12]。任軍峰等研究認(rèn)為，加里東期盆地整體抬升，遭受長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕，奧陶系馬家溝組含膏白云巖經(jīng)表生風(fēng)化淋濾作用，發(fā)育溶孔洞型儲(chǔ)層[13]，認(rèn)為鄂爾多斯盆地東南部巖溶地貌及地層裂縫為儲(chǔ)層形成提供了條件[14]，但沒有明確的儲(chǔ)集空間類型劃分，未深入討論各期成巖作用對(duì)整個(gè)儲(chǔ)層發(fā)育演化的控制作用。宜川—黃龍地區(qū)儲(chǔ)層形成機(jī)理仍不明確，影響到黃龍氣田建設(shè)速度。

本文以鄂爾多斯盆地宜川—黃龍地區(qū)馬家溝上組合風(fēng)化殼19口典型井鉆井資料與240個(gè)鑄體薄片鑒定為基礎(chǔ)，運(yùn)用陰極發(fā)光、電子探針、掃描電鏡等技術(shù)，結(jié)合相關(guān)地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，明確劃分該區(qū)馬家溝組古巖溶儲(chǔ)集空間，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)、成因等進(jìn)行更深入的研究，系統(tǒng)分析儲(chǔ)層主控因素，同時(shí)結(jié)合沉積背景，重點(diǎn)解釋不同期次成巖作用對(duì)儲(chǔ)層的改造過(guò)程，闡明宜川—黃龍地區(qū)馬家溝組古巖溶儲(chǔ)層形成機(jī)理及孔隙演化過(guò)程，為黃龍氣田區(qū)天然氣勘探提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺(tái)西部，地跨陜、甘、寧、蒙、晉五省區(qū)，屬典型疊合盆地，賦存了極豐富的碳酸鹽巖油氣資源[15-16]。宜川—黃龍地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部，即陜西延安以南、榆林正寧以東、銅川耀縣以北，山西臨汾鄉(xiāng)寧以西，面積約6×104km2。馬家溝組縱向上被劃分為馬一～馬六6個(gè)巖性段，其中馬五段被劃分為馬五1～馬五10亞段[17-18]。馬五期繼承了馬四期古地理格局，但總體處于振蕩性、間歇性海退末期，表現(xiàn)為局限潮坪相，馬五1+2期受沉積環(huán)境影響，盆緣主要發(fā)育泥云坪夾含硬石膏結(jié)核云坪，沿盆內(nèi)逐漸向白云巖坪過(guò)渡(圖1)，其中馬五段含硬石膏結(jié)核白云巖層是該區(qū)主要產(chǎn)層之一。馬五段儲(chǔ)層經(jīng)長(zhǎng)期裸露風(fēng)化保存不全，可劃分為兩個(gè)含氣組合，即上組合(馬五1～馬五4亞段)和中組合(馬五5～馬五10亞段)[19]。其中，上組合含硬石膏結(jié)核云坪是宜川—黃龍地區(qū)古巖溶儲(chǔ)層的主力產(chǎn)層[3-4]。

圖件引自文獻(xiàn)[20]，有所修改

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)特征

通過(guò)鄂爾多斯盆地東南部宜川—黃龍地區(qū)探井馬家溝組巖芯觀察及薄片鑒定資料發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)馬家溝組古巖溶儲(chǔ)層主要發(fā)育白云巖類。

2.1.1 含膏粉晶云巖

圖2 馬家溝組白云巖及孔隙顯微特征Fig.2 Microscopic Characteristics of Dolomit and Pore of Majiagou Formation

2.1.2 粉晶砂屑云巖

2.1.3 粉—細(xì)晶云巖

2.2 孔隙類型

根據(jù)巖芯觀察、鑄體薄片鑒定、陰極發(fā)光、掃描電鏡及測(cè)井資料，宜川—黃龍地區(qū)馬家溝組主要發(fā)育膏溶孔型和晶間孔型兩種儲(chǔ)層，膏結(jié)核溶蝕形成的鑄模孔、白云石晶間孔(溶孔)以及溶蝕改造形成的孔、洞、縫儲(chǔ)層體系為研究區(qū)主要的儲(chǔ)集空間。

2.2.1 膏?？?/p>

(1)石膏晶體鑄?？?。含膏粉晶云巖易受石膏、石鹽晶體溶蝕形成放射針狀、平直板狀或柱狀晶?？譡圖2(g)]，孔隙大小為0.05×0.50～0.20×0.50 mm2。該類孔隙多呈孤立、層狀分布于含膏云巖及去膏化云巖儲(chǔ)集空間內(nèi)，基本全充填(呈灰化假晶)，多為無(wú)效孔隙。

2.2.2 晶間孔(溶孔)

2.2.3 溶孔(洞)

(2)組構(gòu)非選擇性溶孔。溶孔多呈斑點(diǎn)狀、針狀或不規(guī)則似橢圓狀不均勻分布[圖2(f)]，常見后期方解石或白云石半充填—充填溶孔，有效孔隙空間較少。

2.3 儲(chǔ)層物性

對(duì)宜川—黃龍地區(qū)馬家溝上組合19口鉆井共210個(gè)樣品物性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出：馬家溝上組合孔隙度介于0.03%～12.79%之間，平均孔隙度1.82%，以0.1%～5.0%為主(占94.2%)；馬家溝上組合滲透率介于(0.002～35.852)×10-3μm2之間，平均滲透率1.108×10-3μm2，以(0.002～0.100)×10-3μm2為主(占83.87%)(圖3)。結(jié)合馬五段巖石薄片鑒定表明，宜川—黃龍地區(qū)馬家溝上組合物性整體較差，表現(xiàn)為特低孔特低滲儲(chǔ)層，部分地區(qū)發(fā)現(xiàn)低孔低滲儲(chǔ)層，總體呈現(xiàn)低孔低滲—特低孔特低滲特點(diǎn)。

圖(a)樣品數(shù)為207個(gè)；圖(b)樣品數(shù)為210個(gè)

3 儲(chǔ)層發(fā)育主控因素

3.1 沉積微相決定物質(zhì)基礎(chǔ)(相控儲(chǔ)層)

井?dāng)?shù)為19口；薄片數(shù)為240個(gè)

優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育建立在有利的物質(zhì)基礎(chǔ)之上，沉積相不僅決定儲(chǔ)層物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也控制儲(chǔ)層的平面展布。受控于鄂爾多斯盆地整體呈海進(jìn)-海退旋回沉積的特點(diǎn)，宜川—黃龍地區(qū)馬五段主要沉積碳酸鹽巖臺(tái)地蒸發(fā)潮坪相[21-22]，發(fā)育含硬石膏結(jié)核云坪、白云巖坪、顆粒灘、泥云坪、云灰坪等微相(圖1)。根據(jù)巖性與物性關(guān)系(圖4)可知，含膏粉晶云巖、粉晶砂屑云巖、粉晶云巖儲(chǔ)集物性較好，而這幾類巖石的發(fā)育和分布明顯受沉積微相控制。根據(jù)巖芯觀察及薄片鑒定發(fā)現(xiàn)：在馬五段的含硬石膏結(jié)核云坪中，不穩(wěn)定膏鹽類易受表生淡水淋浴作用溶蝕改造形成大量膏?？?，半充填的石膏結(jié)核鑄?？卓沙蔀榱己玫膬?chǔ)集空間；潮坪環(huán)境沉積白云巖坪中發(fā)育少量的白云石晶間孔(溶孔)，成為儲(chǔ)集性相對(duì)較好的有效儲(chǔ)層；砂屑間溶孔及粒間溶孔型儲(chǔ)層主要發(fā)育于黃龍地區(qū)顆粒灘中。有利于儲(chǔ)層發(fā)育的沉積微相主要為含硬石膏結(jié)核云坪、白云巖坪及顆粒灘，原始沉積微相則決定了儲(chǔ)層的分布和發(fā)育程度，從孔隙演化角度來(lái)看，膏?？兹芪g是研究區(qū)儲(chǔ)層形成最關(guān)鍵的成巖作用，從側(cè)面說(shuō)明沉積微相是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 巖溶作用控制儲(chǔ)層分布

3.2.1 儲(chǔ)層發(fā)育平面上受控于古巖溶地貌

鄂爾多斯盆地宜川—黃龍地區(qū)馬五段為巖溶型儲(chǔ)層，區(qū)內(nèi)古溝槽較發(fā)育，將儲(chǔ)層分割以致連續(xù)性較差(圖5)，但同時(shí)增大了水動(dòng)力活動(dòng)空間，巖溶作用強(qiáng)烈。風(fēng)化殼古巖溶的儲(chǔ)層物性與巖溶古地貌有著不可分割的聯(lián)系[23]。宜川—黃龍地區(qū)大部分處于盆地內(nèi)相對(duì)低洼的巖溶斜坡地貌單元，更有利于儲(chǔ)層發(fā)育。事實(shí)上，即使同在巖溶斜坡內(nèi)，不同的次級(jí)地貌單元巖溶儲(chǔ)層發(fā)育特征亦有所差別。通過(guò)對(duì)殘存地區(qū)古地貌復(fù)刻來(lái)研究地貌差異，發(fā)現(xiàn)微地貌轉(zhuǎn)換部位(巖溶斜坡臺(tái)緣)易形成活躍水流，有利于形成溶孔型儲(chǔ)層，因此，巖溶微地貌轉(zhuǎn)換部位是有利于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的區(qū)域[24-25]。盆地東南部整體處于巖溶高地向巖溶斜坡過(guò)渡區(qū)域，有利于巖溶流體的運(yùn)移。研究區(qū)古地貌較盆地中部巖溶高地相對(duì)低洼，表生期巖溶作用整體弱于靖邊潛臺(tái)區(qū)，而充填程度則顯著高于后者，儲(chǔ)層發(fā)育整體受巖溶地貌控制。研究區(qū)位于相對(duì)有利的古地形(地貌)-巖溶緩丘至巖溶階地較高部位，局部層段可發(fā)育半充填膏結(jié)核溶孔型有效儲(chǔ)層等。

3.2.2 儲(chǔ)層發(fā)育垂向上受控于巖溶旋回

3.3 多期充填降低儲(chǔ)層質(zhì)量

3.3.1 充填類型及期次

通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地宜川—黃龍地區(qū)馬家溝上組合顯微特征觀察，研究區(qū)儲(chǔ)層存在多類型(6類)、多期次(3期)的充填過(guò)程，致使儲(chǔ)層相對(duì)致密，儲(chǔ)層質(zhì)量降低[26-27]。第一期充填發(fā)生在表生期，準(zhǔn)同生期的石膏被溶蝕后，局部充填滲流云砂、石膏或者少量淡水方解石[圖7(a)]；在淺埋藏期，地層壓釋水排出，在孔隙內(nèi)沉淀出自生石英、高嶺石等[圖7(c)]，局部形成少量方解石，這些產(chǎn)物充填于孔隙內(nèi)，形成第二期充填，孔隙空間再次減少；深埋藏期，在上覆地層大量排烴階段，富Ca流體交代晚表生期次生灰?guī)r，并沉淀大量白色嵌晶狀及粗晶方解石于膏模孔殘余孔隙[圖7(b)、(d)]，這次大面積充填基本使原有孔隙系統(tǒng)遭受最嚴(yán)重破壞，孔隙幾乎被全充填，孔隙急劇減少。

RLLD為深側(cè)向電阻率

圖7 膏?？壮涮钗锾卣鱂ig.7 Characteristics of Fillings of Gypsum Moldic Pore

w(·)為化合物含量

3.3.2 充填物成因

通過(guò)C、O同位素[圖8(a)],Fe、Mn微量元素[圖8(b)],陰極發(fā)光圖像[圖2(i)、7(f)]及包裹體測(cè)溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探究研究區(qū)馬家溝組充填物成因及充填機(jī)理。地球化學(xué)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖表明膏模孔內(nèi)充填滲流云砂Fe、Mn含量與基巖白云石較為接近(圖8)；陰極發(fā)光下呈暗紅色或不發(fā)光，與基巖白云石一致(圖7)。以上特征表明，充填滲流云砂與基巖白云石同源，由原巖受淡水淋浴溶解破碎成粉砂級(jí)云質(zhì)顆粒，隨流體遷移滯留在早期膏?？變?nèi)。相較于基巖白云石，膏?？變?nèi)充填方解石Fe的平均含量較低，Mn相對(duì)較高，可能為大氣淡水產(chǎn)物。相較于中奧陶世海水(δ13C值為-2.0‰～0.5‰，δ18O值為-6.6‰～-4.0‰)[28]，基巖白云石及滲流云砂δ13C值與同期海水較一致，說(shuō)明基巖白云石及滲流云砂為準(zhǔn)同生期產(chǎn)物，膏模孔內(nèi)充填方解石δ13C、δ18O值較海水出現(xiàn)不同程度負(fù)偏移，表明方解石有大氣淡水成因，也有埋藏成因。通過(guò)對(duì)24個(gè)包裹體樣品測(cè)溫得出，膏?？壮涮罘浇馐粶囟葏^(qū)間為90 ℃～146 ℃，平均為125.6 ℃，絕大部分集中于120 ℃～146 ℃之間，其中，120 ℃～130 ℃范圍內(nèi)居多(占45%)，表明其多形成于淺—中深埋藏階段。陰極發(fā)光觀測(cè)到部分充填方解石呈較明亮的橙紅色，可能與表生期大氣淡水淋浴有關(guān)。綜上所述，膏?？變?nèi)充填方解石主要形成于淺—中深埋藏階段和表生淡水淋浴階段，晚于膏模孔充填滲流云砂。

3.4 次生灰化促使儲(chǔ)層致密

加里東末期，大氣淡水淋浴膏鹽層形成的高Ca2+/Mg2+值成巖流體自鄂爾多斯盆地中部巖溶臺(tái)地向東南部地勢(shì)相對(duì)低洼處匯集[29]，同時(shí)，上覆馬六段易溶的厚層灰?guī)r遭受溶蝕后形成的富Ca流體沿裂縫向下滲流，促使宜川—黃龍地區(qū)馬家溝上組合白云巖發(fā)生大規(guī)模次生灰化作用。

通過(guò)巖芯觀察及薄片鑒定，宜川—黃龍地區(qū)馬家溝組次生灰化較強(qiáng)烈，原巖被改造為棕紅色斑塊狀灰?guī)r。在這一過(guò)程中，細(xì)—中—粗晶及嵌晶狀紅色次生方解石取代原始具膏?？装自茙r，使原有孔隙空間銳減，巖石致密。早期次生灰化發(fā)生在中—晚表生期，次生中—粗晶方解石交代粉—細(xì)晶白云巖，原巖保存的膏?？?、晶間孔被充填，而后期白色方解石在其基礎(chǔ)上繼續(xù)溶解、沉淀，進(jìn)一步充填了殘余孔隙，使宜川—黃龍地區(qū)巖溶作用上部孔隙保存的垂直滲流帶致密化，對(duì)儲(chǔ)層形成破壞作用。

3.5 儲(chǔ)層形成機(jī)理

鄂爾多斯盆地奧陶系沉積后，受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，經(jīng)歷短暫埋藏后抬升，至石炭系再次埋藏，馬家溝組經(jīng)歷長(zhǎng)期裸露風(fēng)化剝蝕，盆地大部分地區(qū)缺失馬六段地層。宜川—黃龍地區(qū)處于巖溶斜坡-巖溶殘丘古地貌，巖溶作用較強(qiáng)，馬家溝組地層經(jīng)多期表生巖溶作用改造，形成了具明顯旋回性的復(fù)雜孔、洞、縫儲(chǔ)層體系[30]，伴隨著多期充填及次生灰化長(zhǎng)時(shí)期共同作用，互相疊加，從而演化成現(xiàn)今古巖溶儲(chǔ)層。

馬五期處于振蕩性海退末期，發(fā)育蒸發(fā)潮坪相，由于蒸發(fā)作用較強(qiáng)，上組合地層以膏云巖及含膏白云巖為主。準(zhǔn)同生期相對(duì)海平面間歇性下降使地層短暫暴露，宜川—黃龍地區(qū)馬家溝組膏云巖中部分石膏結(jié)核被溶解，形成少量膏模孔和晶?？住１砩懵镀?，大氣淡水淋浴對(duì)膏溶孔型儲(chǔ)層再次進(jìn)行巖溶改造，原始膏?？妆蝗芪g擴(kuò)大，絕大部分石膏被溶解，在垂直滲流帶形成垮塌角礫巖以及各種溶孔、洞、縫儲(chǔ)集空間，這是該區(qū)儲(chǔ)層形成最重要的成巖作用。第一期充填作用伴隨著早表生期巖溶作用同時(shí)進(jìn)行，流體向古地貌低洼處運(yùn)移，由少量滲流云砂、陸源碎屑物、淡水方解石沉淀于部分孔隙內(nèi)形成。中—晚表生期，盆地中部臺(tái)地及周邊地勢(shì)較高區(qū)域膏鹽層經(jīng)大氣淡水淋浴溶蝕形成的高Ca2+/Mg2+值巖溶流體向下游盆地東南部匯集；同時(shí)，盆地中部馬六段厚層灰?guī)r溶蝕形成的富Ca流體向宜川—黃龍一帶滲流，研究區(qū)發(fā)生早期規(guī)模性次生灰化作用，這一過(guò)程中，細(xì)—粗晶紅色次生方解石交代具膏?？装自茙r，使巖石致密化，原巖孔隙度急劇降低。淺埋藏期，地層壓釋水排出，在孔隙內(nèi)沉淀出自生石英、高嶺石等，局部形成少量方解石，這些產(chǎn)物充填于經(jīng)巖溶改造后的溶孔內(nèi)，形成第二期充填，進(jìn)一步降低了儲(chǔ)層物性。中—深埋藏期，埋深增大，溫壓升高，上覆煤系地層熱演化進(jìn)入排烴階段，這一階段溫度、壓力升高后，高Ca2+/Mg2+值的孔隙介質(zhì)在局部孔、洞內(nèi)析出大量白色嵌晶狀方解石，形成第三期充填，這次大面積充填基本使得原有孔隙系統(tǒng)遭受最嚴(yán)重破壞，孔隙急劇減少。同時(shí)，上覆煤系地層富含有機(jī)酸壓釋水向下滲透，殘存孔隙空間被溶蝕擴(kuò)大，形成了一些最終保存的晶間孔、晶間溶孔和未被完全充填的膏?？?，成為研究區(qū)白云巖儲(chǔ)層的有效儲(chǔ)集空間。儲(chǔ)層演化過(guò)程如圖9、10所示。

圖9 儲(chǔ)層成巖演化示意圖Fig.9 Sketch Map of Diagenetic Evolution of Reservoir

圖10 儲(chǔ)層孔隙演化示意圖Fig.10 Sketch Map of Pore Evolution of Reservoir

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)鄂爾多斯盆地宜川—黃龍地區(qū)馬家溝組主要發(fā)育含膏粉晶云巖、粉晶砂屑云巖及粉—細(xì)晶云巖；膏?？缀途чg孔(溶孔)及溶孔、洞、縫系統(tǒng)是主要的儲(chǔ)集空間。

(2)儲(chǔ)層物性具低孔低滲—特低孔特低滲特征，孔隙度以0.1%～5.0%為主，平均為1.82%；滲透率以(0.002～0.100)×10-3μm2為主，平均為1.108×10-3μm2。

(3)有利儲(chǔ)層分布受多種地質(zhì)作用共同影響：含硬石膏結(jié)核云坪、白云巖坪及顆粒灘是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)；儲(chǔ)層平面分布受控于古巖溶地貌，垂向分布受控于巖溶旋回，表生期垂直滲流帶有利于孔隙的保存；多期巖溶作用有利于研究區(qū)儲(chǔ)層發(fā)育，晚成巖期次生灰化及3期不同組合類型充填作用大大降低孔隙度，尤其埋藏期大面積嵌晶狀方解石充填孔隙，儲(chǔ)層破壞嚴(yán)重，是該區(qū)儲(chǔ)層物性較差的直接原因。