祁壯壯， 丁曉琪， 劉 鑫， 馬 寧， 李春堂

( 1. 成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059； 2. 中國石化華北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450006 )

0 引言

鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五5亞段以上的喀斯特儲(chǔ)層天然氣顯示良好，馬五1+2亞段提交探明儲(chǔ)量104.97億m3。馬五5亞段發(fā)育區(qū)域性隔水層[1]，在馬五5亞段區(qū)域性隔水層下鉆遇一套喀斯特角礫巖，多口井獲得工業(yè)油氣流。目前，有關(guān)馬五5亞段以下的喀斯特儲(chǔ)層成因、分布規(guī)律及控制因素有待研究。

鄂爾多斯盆地奧陶系發(fā)現(xiàn)靖邊氣田等整裝喀斯特氣藏，且喀斯特儲(chǔ)層天然氣勘探潛力巨大[2]。賈會(huì)沖等[3]認(rèn)為，喀斯特儲(chǔ)層形成的必要條件為殘丘和坡地古地貌，物質(zhì)基礎(chǔ)是鑲嵌角礫巖相和角礫支撐角礫巖相，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的關(guān)鍵是白云石化和溶蝕作用[4]。薛學(xué)亞等[5]、桑琴等[6]和鐘廣法等[7]分別采用測(cè)井?dāng)?shù)值、成像測(cè)井、地震相測(cè)試分析方法，識(shí)別巖溶相及不同巖溶結(jié)構(gòu)單元的識(shí)別標(biāo)志。朱穎[8]、邱隆偉等[9]、秦章晉等[10]、趙銳等[11]、牛君等[12]研究喀斯特儲(chǔ)層，認(rèn)為原生孔隙不發(fā)育，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及喀斯特作用的影響，儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能得到較大改善。胡鑫等[13]、夏勇等[14]對(duì)研究區(qū)巖溶角礫巖相進(jìn)行精細(xì)劃分，認(rèn)為水動(dòng)力條件及淡水性質(zhì)通常導(dǎo)致不同巖溶角礫巖相組合。朱穎[8]研究馬五6亞段喀斯特儲(chǔ)層的層序、沉積相、巖溶相及儲(chǔ)層特征，認(rèn)為巖性及淡水性質(zhì)對(duì)巖溶相的分布起控制作用[8,15]。鄭開兵等[16]分析塔里木盆地層間巖溶野外剖面特征，認(rèn)為與海平面升降相關(guān)。德克薩斯二疊盆的艾倫伯格組也有類似特征，前期的勘探集中于艾倫伯格組不整合面附近的喀斯特儲(chǔ)層，后期勘探在致密的隔水層下發(fā)現(xiàn)喀斯特儲(chǔ)層，并獲得油氣發(fā)現(xiàn)[17]。

筆者以喀斯特角礫巖劃分方案為基礎(chǔ)[17]，結(jié)合巖心、薄片、測(cè)井等資料，研究大牛地氣田馬五6亞段巖性、沉積相分布規(guī)律、巖溶角礫巖相儲(chǔ)層特征，以及喀斯特儲(chǔ)層發(fā)育關(guān)鍵因素，對(duì)馬五6亞段儲(chǔ)層預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是一個(gè)構(gòu)造簡單的大型多旋回克拉通盆地。中奧陶世馬家溝組沉積期，共經(jīng)歷三次大型海侵—海退旋回，馬五段以海退時(shí)期局限臺(tái)地沉積為主[1]。中奧陶世末，盆地中東部抬升遭受剝蝕，經(jīng)歷長達(dá)1.5億年的沉積間斷[18]，大牛地氣田自南向北、自東向西出露地層依次變老(見圖1)。馬五段劃分為10個(gè)亞段，其中馬五6亞段劃分4個(gè)小層。馬五61、馬五63小層以黏土質(zhì)白云巖及泥晶云巖為主，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較高，沉積時(shí)的水體能力較弱，蒸發(fā)作用較強(qiáng)。馬五62、馬五64小層泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較低，沉積時(shí)的水體相對(duì)較深，蒸發(fā)作用較弱。

圖1 早石炭世古地質(zhì)及研究區(qū)位置

2 沉積微相分布規(guī)律

鄂爾多斯地區(qū)馬五6亞段處于海退階段，在盆地中東部形成巨厚的膏鹽巖，向臺(tái)地邊緣過渡為潮坪相白云巖[19]。大牛地氣田馬五6亞段主要發(fā)育含膏白云巖、黏土質(zhì)白云巖、泥晶白云巖，發(fā)育少量白云質(zhì)泥巖和泥巖。泥晶白云巖是馬五6亞段的主要巖石類型，紋層狀特征明顯。由于較為致密，晶間孔不發(fā)育。黏土質(zhì)白云巖多分布于馬五61及馬五63小層，黏土體積分?jǐn)?shù)明顯增高，泥質(zhì)紋層發(fā)育。含膏白云巖以泥晶白云巖為主，夾板條狀及結(jié)核狀石膏，是馬五6亞段次要發(fā)育巖石類型，厚度相對(duì)較薄。由于后期喀斯特化，石膏結(jié)核被溶蝕而形成膏?？住?/p>

根據(jù)測(cè)井相、巖性特征及巖性組合[20-21]，結(jié)合區(qū)域資料[18,22]，研究區(qū)馬五6亞段為潮間坪沉積，泥晶白云巖和含膏白云巖主要為低潮坪沉積，而黏土質(zhì)白云巖和少量黏土巖為高潮坪沉積。馬五6亞段由2個(gè)向上變淺的旋回構(gòu)成，每個(gè)旋回的底部為低潮坪的泥晶白云巖或含膏白云巖，而旋回的上部為高潮坪的黏土質(zhì)白云巖。在馬五6亞段海退背景中，次級(jí)海侵構(gòu)成向上變淺旋回的下部，形成潮間坪的泥晶白云巖和含膏白云巖。

馬五6亞段2個(gè)向上變淺的旋回分布穩(wěn)定(見圖2)，可以進(jìn)行井間對(duì)比。自西向東，馬五61、馬五63小層黏土質(zhì)白云巖增多；馬五62、馬五64小層巖性較為均一，為白云巖，地層厚度向東減薄。

采用單一項(xiàng)測(cè)試分析、綜合編圖法[16]，編制馬五6亞段的沉積微相圖(見圖2)。西部主要發(fā)育云坪微相，向東過渡為泥云坪微相。

3 喀斯特角礫巖相特征

根據(jù)巖心觀察、測(cè)井曲線及成像測(cè)井等資料，結(jié)合角礫、角礫間充填物體積分?jǐn)?shù)、角礫接觸關(guān)系及角礫相對(duì)位置，將馬五6亞段巖溶角礫巖相劃分為裂紋—鑲嵌角礫巖相、角礫支撐紊亂角礫巖相、雜基支撐紊亂角礫巖相和未改造原巖4種。

3.1 裂紋—鑲嵌角礫巖相

巖石發(fā)生破裂，角礫幾乎沒有位移，處于鑲嵌狀(見圖3(a-c))。角礫體積分?jǐn)?shù)大于90%，以白云巖為主。角礫呈棱角—次棱角，分選較差。裂縫發(fā)育不均一，裂縫中多充填滲濾白云石砂或方解石，部分微裂縫未充填。

圖3 不同巖溶角礫巖巖心、薄片顯微照片及成像測(cè)井特征

3.2 角礫支撐紊亂角礫巖相

沉積物受應(yīng)力作用而破裂，經(jīng)過垮塌或短距離搬運(yùn)，再次固結(jié)成巖。角礫體積分?jǐn)?shù)約為60%，成分較復(fù)雜，主要為黏土質(zhì)云巖、泥晶白云巖等，呈次圓—次棱角，分選一般—較差。角礫的接觸以點(diǎn)—點(diǎn)接觸為主(見圖3(d-f))。角礫間為雜基或碎屑充填物，以黏土、滲濾白云石砂為主。

3.3 雜基支撐紊亂角礫巖相

雜基支撐紊亂角礫巖的角礫體積分?jǐn)?shù)約為40%，主要有灰質(zhì)白云巖、黏土質(zhì)白云巖、泥晶云巖等。經(jīng)過一定距離搬運(yùn)，角礫呈次圓—次棱角，分選一般—較差。角礫間充填細(xì)碎屑與黏土，多懸浮于雜基(見圖3(g-i))。雜基體積分?jǐn)?shù)較高，約為45%，以黏土為主，其次為滲濾白云石砂。

3.4 未改造原巖

大牛地氣田馬五6亞段巖溶改造主要是潛流帶地下水改造，角礫巖順層垮塌，改造程度較弱，存在未被改造的原巖。主要包括泥晶白云巖、泥巖和云質(zhì)泥巖。未改造的巖石巖性均一，井間連續(xù)性好，巖溶作用痕跡不明顯(見圖3(j-l))。

4 物性特征

4.1 孔滲特征

圖4 不同巖溶角礫巖相孔滲交匯(據(jù)文獻(xiàn)[23]修改)

將研究區(qū)7口井巖溶角礫巖相的142個(gè)樣品孔滲數(shù)據(jù)投影到Lucia圖版上[23]，可得孔隙度與滲透率沒有明顯的關(guān)系，說明孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜(見圖4)。絕大部分樣品不在晶間孔儲(chǔ)層的分布區(qū)域，說明孔隙型儲(chǔ)層有限。盡管孔隙度偏低，但部分樣品的滲透率較高，說明微裂縫發(fā)育。個(gè)別樣品落在Ⅰ區(qū)域，說明粗晶白云巖分布于Ⅰ區(qū)域(Lucia圖版為Class1區(qū)域)，但馬五6亞段的白云巖為泥晶—微晶，說明部分白云巖發(fā)育溶蝕孔，形成溶孔發(fā)育的孔隙型儲(chǔ)層?？紫抖却笥?%、滲透率大于0.1×10-3μm2的樣品為裂紋—鑲嵌角礫巖和角礫支撐紊亂角礫巖。

4.2 孔隙類型

大牛地氣田馬五6亞段白云巖晶粒一般小于20.00 μm，主要為非平面晶，原生孔隙不發(fā)育，主要儲(chǔ)集空間為溶蝕孔、晶間孔及裂縫(見圖5)。

圖5 大牛地氣田馬五6亞段主要孔隙類型及裂紋—鑲嵌角礫巖相CT掃描孔徑

馬五6亞段發(fā)育大量裂縫，裂縫形態(tài)多樣(見圖5(a))，縫體寬度不一，最大為5 mm，縫內(nèi)多被泥質(zhì)充填，部分被方解石充填。加里東期馬五6亞段形成大量的溶蝕孔洞，孔洞周圍應(yīng)力集中，形成大量的裂縫。后期大氣淡水沿裂縫下滲或側(cè)向運(yùn)移，流體在運(yùn)移過程中沿裂縫面繼續(xù)擴(kuò)大溶蝕，形成良好的聚集空間。

由于馬五6亞段整體受側(cè)向淡水喀斯特作用的影響，選擇性溶蝕石膏而形成大量的膏?？?見圖5(b))。膏?？仔螒B(tài)多樣，分布相對(duì)集中，孔徑為0.05～5.00 mm，部分膏?？孜赐耆涮?。膏?？资邱R五6亞段的主要儲(chǔ)集空間。

白云巖晶間孔通常小于5.00 μm，在局部酸性流體的影響下，晶間孔發(fā)生擴(kuò)溶，溶蝕孔孔徑為5.00～10.00 μm(見圖5(c))。晶間溶蝕孔是次要的儲(chǔ)集空間類型。

圖6 大牛地氣田馬五6 亞段DK13-FP8井原巖與角礫巖關(guān)系

4.3 孔隙結(jié)構(gòu)

選擇大37井馬五6亞段的一個(gè)樣品進(jìn)行CT掃描(見圖5(d-f))。該樣品為含膏模孔的白云巖(紅色部分為孔隙；藍(lán)色、綠色部分為碳酸鹽巖礦物)，孔隙分布不均勻，孔隙體積分?jǐn)?shù)為4.74%。該樣品含有較多的溶蝕孔洞，而白云巖晶間孔較少(見圖5(f))。孔隙主要為孔徑較大的溶蝕孔洞，小孔隙不太發(fā)育。因此，馬五6亞段主要儲(chǔ)集空間類型是含膏白云巖溶蝕孔洞。

5 喀斯特儲(chǔ)層分布規(guī)律

大牛地氣田馬五6亞段沉積于相對(duì)封閉的潮坪環(huán)境，受蒸發(fā)作用影響而形成富Mg2+鹵水，向下滲透回流與灰?guī)r發(fā)生交代作用而形成泥晶—微晶結(jié)構(gòu)白云石。同期伴生膏化作用而形成石膏結(jié)核。與灰?guī)r喀斯特化形成洞穴不同[24-26]，馬五6亞段白云巖未形成大的洞穴。

5.1 角礫巖相縱向分布

DK13-FP8井馬五6亞段全段取心，長度為37.7 m。巖性以白云巖、黏土質(zhì)白云巖、含膏白云巖為主，含少量泥巖。馬五61、馬五63小層的黏土質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較高，紊亂角礫巖及黏土巖較發(fā)育；馬五62、馬五64小層發(fā)育較純的白云巖或含膏白云巖，主要表現(xiàn)為裂紋—鑲嵌角礫巖(見圖6)。

白云巖主要改造為裂紋—鑲嵌角礫巖相和部分未改造巖性；黏土質(zhì)白云巖改造為紊亂角礫巖，角礫之間常充填黏土，自然伽馬曲線GR增大。角礫間孔被充填，宏觀孔隙不發(fā)育，見少量的微孔，紊亂角礫巖不能作為馬五6亞段儲(chǔ)層。馬五6亞段整體發(fā)生角礫化，角礫化程度較弱。裂紋—鑲嵌角礫巖相是主要的儲(chǔ)層發(fā)育段。

5.2 儲(chǔ)層發(fā)育模式

馬五6亞段是順層巖溶，角礫基本來自原地，可以通過角礫的巖性恢復(fù)原始巖性。不同原巖經(jīng)過喀斯特改造形成不同的角礫巖(見圖7)。泥晶白云巖巖性致密，淡水很難滲入，即使有裂縫發(fā)育，淡水在碳酸鹽巖地層中很快飽和，很難進(jìn)行規(guī)模溶蝕，形成未改造巖性和少量裂紋—鑲嵌角礫巖(見圖7(a))。含膏白云巖中石膏的溶解度遠(yuǎn)高于白云巖的，硬石膏遇水發(fā)生膨脹而形成微裂縫，促進(jìn)含膏白云巖溶蝕，形成裂紋—鑲嵌角礫巖(見圖7(b))。由于黏土與白云石晶體之間結(jié)合力弱，黏土質(zhì)白云巖在淡水作用下易發(fā)生溶蝕，邊溶邊垮，形成角礫支撐紊亂角礫巖(見圖7(c))。由于石膏易溶，紋層狀石膏上覆地層垮塌、搬運(yùn)，形成雜基支撐紊亂角礫巖(見圖7(d))。

圖7 不同原巖巖溶作用改造結(jié)果

以區(qū)域性隔水層馬五5亞段為界，之上為非承壓水系統(tǒng)，之下為承壓水系統(tǒng)。非承壓水系統(tǒng)中，地下水以垂向補(bǔ)給為主，以側(cè)向補(bǔ)給為輔。承壓水系統(tǒng)中，以側(cè)向補(bǔ)給為主，地下水主要來自于研究區(qū)西側(cè)和北側(cè)的馬五6亞段出露區(qū)(見圖1)。在靠近淡水補(bǔ)給區(qū)的區(qū)域，白云巖孔隙度較大；隨地下水運(yùn)移距離增加，溶蝕能力變?nèi)?，白云巖孔隙度也變小(見圖8)。

圖8 大牛地氣田馬五6亞段白云巖孔隙度分布

馬五6亞段儲(chǔ)層的發(fā)育受淡水性質(zhì)和巖性共同控制(見圖9)。在靠近西部淡水補(bǔ)給區(qū)及巖溶高地的北部，地下水飽和度低且溶解能力強(qiáng)，巖溶帶深度范圍大且溶蝕程度強(qiáng)，向巖溶盆地方向，隨淡水運(yùn)移路徑增加，地下水溶解能力變?nèi)?，向沉淀區(qū)過渡。泥云巖、膏/云互層易被溶蝕、垮塌嚴(yán)重，形成紊亂角礫巖相；含膏云巖被溶蝕程度較弱，裂縫及溶蝕孔洞發(fā)育，形成裂紋—鑲嵌角礫巖相，物性好且分布穩(wěn)定。明確海退背景中次級(jí)海侵旋回是儲(chǔ)層發(fā)育段，儲(chǔ)層主要發(fā)育在大牛地氣田西部的云坪微相中。馬五6亞段巖溶帶的發(fā)現(xiàn)拓寬喀斯特氣藏的勘探領(lǐng)域。

圖9 大牛地氣田馬五6亞段喀斯特儲(chǔ)層發(fā)育模式

6 結(jié)論

(1) 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6亞段主要發(fā)育裂紋—鑲嵌角礫巖相、角礫支撐紊亂角礫巖相、雜基支撐紊亂角礫巖相和未改造原巖4種巖相。馬五6亞段的裂紋—鑲嵌角礫巖物性最好，為有效儲(chǔ)層；其他角礫巖相物性較差，大多為非儲(chǔ)層。

(2) 馬五5亞段為區(qū)域性隔水層，處于承壓水巖溶系統(tǒng)，巖溶作用主要發(fā)生在靠近淡水補(bǔ)給區(qū)的區(qū)域，在研究區(qū)西北部溶蝕作用較強(qiáng)。

(3) 馬五6亞段喀斯特儲(chǔ)層受巖性及淡水條件控制，云坪微相是儲(chǔ)層形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，側(cè)向淡水淋濾是巖溶作用發(fā)育的主要方式。