蘭浩翔，伏美燕，鄧虎成，雷濤，吳冬，胥旺，李依林

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都 610059

2.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，成都 610059

3.中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，鄭州 450000

0 引言

碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因研究是儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，包含沉積、成巖作用和破裂等地質(zhì)因素及其綜合作用等[1-2]。21 世紀(jì)以來，前人也做了一系列有關(guān)白云巖儲(chǔ)層成因的研究，研究多集中在白云巖化[3-4]、沉積環(huán)境及沉積相[5-6]、巖溶作用[7-8]等方面，同時(shí)也通過同位素研究[9-10]及成巖相分析[11]對(duì)白云巖儲(chǔ)層成因進(jìn)行分析。本次研究的鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)奧陶系馬家溝組發(fā)育碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖互層的地層[12-14]，發(fā)育晶粒白云巖、顆粒白云巖以及含膏云巖等多種儲(chǔ)集巖。研究區(qū)位于盆地東北部，馬五段是該地區(qū)主要的天然氣產(chǎn)層，該區(qū)普遍缺失馬五1-3亞段，主要的開發(fā)層系為馬五5亞段白云巖，獲得了高產(chǎn)氣量（近2.4×104m3/d）。近年來，馬五6-10亞段也顯示出良好的開發(fā)前景。筆者結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景，利用巖心分析、薄片鑒定、陰極發(fā)光薄片觀察、X射線衍射分析、碳氧同位素測(cè)定等方法分析馬五5至馬一段的儲(chǔ)集空間類型及其儲(chǔ)層發(fā)育的控制因素，探討儲(chǔ)層的形成原因，建立相應(yīng)的成因模式。

1 地質(zhì)背景

大牛地氣田坐落于陜西榆林和內(nèi)蒙古鄂爾多斯市的交界區(qū)域，處在鄂爾多斯盆地東北部，其面積近2 000 km2。在鄂爾多斯盆地構(gòu)造分區(qū)中，大牛地氣田屬陜北斜坡北部（圖1）。鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組是在一套廣闊的碳酸鹽巖內(nèi)陸棚的蒸發(fā)巖沉積，發(fā)育碳酸鹽巖為主，夾蒸發(fā)巖的地層?？v向上馬家溝組可劃分為六段，分別為馬一段至馬六段，其中馬五段可以劃分為十個(gè)亞段（圖2）。馬家溝組沉積期發(fā)生過多次海進(jìn)和海退，馬一段、馬三段和馬五段時(shí)期為海退沉積，馬二段、馬四段和馬六段時(shí)期為海進(jìn)沉積，其中馬四段沉積時(shí)海侵范圍最大。馬家溝組沉積相可劃分為6個(gè)微相系列，包括開闊海、灘相、生物礁（丘）、隱藻席、局限—強(qiáng)烈蒸發(fā)相、次生晶粒結(jié)構(gòu)微相[15]。整個(gè)研究區(qū)馬家溝組的巖相以泥晶白云巖、泥—粉晶白云巖、粉晶白云巖和含膏云巖為主，局部分布少量顆粒白云巖和鮞?；?guī)r。

圖1 構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨把芯繀^(qū)井位圖Fig.1 Tectonic unit and well location

圖2 馬家溝組地層發(fā)育柱狀圖Fig.2 Stratigraphic development of Majiagou Formation

2 儲(chǔ)層巖相類型

巖心及薄片資料分析發(fā)現(xiàn)，大牛地氣田馬家溝組以白云巖為主，灰?guī)r次之，泥巖、膏巖、鹽巖在不同層段局部發(fā)育（圖3）。這5種主要巖性相互組合，形成5大類主要巖相類型，包含15類巖相，包括泥晶白云巖、泥—粉晶白云巖、粉晶白云巖、顆粒白云巖、顆?；?guī)r、泥晶灰?guī)r、膏巖、鹽巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、含膏/膏質(zhì)白云巖、含鹽白云巖、泥質(zhì)白云巖、含膏灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r，部分巖性孔隙并不發(fā)育，可作為儲(chǔ)層的巖相主要為泥—粉晶白云巖、粉晶白云巖、顆粒白云巖/灰?guī)r和含膏/膏質(zhì)白云巖。

圖3 大牛地馬家溝組主要巖相（a）D1-530井，馬五5亞段，3 112.78 m，泥—粉晶白云巖；（b）D48井，馬五5亞段，3 026.26 m，泥晶灰?guī)r；（c）D37井，馬四段，3 048.58 m，砂屑灰?guī)r；（d）D37井，馬二段，3 375.64 m，泥質(zhì)夾層；（e）E8井，馬二段，3 297.39 m，含鹽白云巖；（f）D122井，馬三段，3 420.18 m，膏巖Fig.3 Main lithofacies in Majiagou Formation,Daniudi area

3 儲(chǔ)集空間類型

通過顯微觀察和定量統(tǒng)計(jì)，馬五5亞段至馬一段的儲(chǔ)集空間包括晶間孔，晶間溶孔，膏?？住⒘ｉg孔，粒內(nèi)溶孔和微裂縫。晶間孔主要發(fā)育在泥—粉晶白云巖中（圖4a），主要分布在馬家溝組馬五5亞段（面孔率3%～4%，最高可達(dá)5%），馬二段儲(chǔ)層僅發(fā)育少量晶間孔。在角礫狀白云巖中晶間溶孔較為發(fā)育（圖4b），主要分布在馬五6亞段和馬五7亞段。顆?；?guī)r中，可見粒間孔及粒內(nèi)溶孔（圖4c），分布在馬三段。膏溶孔（圖4d）發(fā)育在含膏白云巖中，部分被方解石充填，有效的孔隙空間有限，主要分布在馬五6亞段。馬一段幾乎不發(fā)育有效的儲(chǔ)集空間。

裂縫的分布較廣泛，但方解石和泥質(zhì)充填程度高（圖4e），裂縫多為無效縫。相對(duì)而言，研究區(qū)馬家溝組儲(chǔ)層的有效裂縫為微裂縫（圖4f）。馬家溝組各層的微裂縫普遍發(fā)育，面孔率介于0.5%～2%。馬二段、馬三段、馬四段的儲(chǔ)集空間主要為微裂縫。

圖4 大牛地氣田馬家溝組儲(chǔ)層巖石類型及其主要儲(chǔ)集空間（a）D30井，馬五5亞段，3 021.57 m，粉晶白云巖，晶間孔；（b）D124井，馬五7亞段，3 153.52 m，角礫狀粉晶白云巖，溶孔；（c）D123井，馬三段，3 592.29 m，顆?；?guī)r，粒內(nèi)溶孔；（d）D37井，馬五6亞段，2 952.96 m，含膏白云巖，膏溶孔；（e）D65井，馬五5亞段，3（25/33），近垂向下滲溶蝕形成的較粗風(fēng)化縫，縫面不平整，方解石全充填；（f）D124井，馬五6亞段，3 114.87 m，泥晶白云巖，微裂縫Fig.4 Reservoir rock types and main pore spaces of Majiagou Formation in the Daniudi area

4 儲(chǔ)層成因類型

4.1 膏溶型儲(chǔ)層

含膏/膏質(zhì)白云巖形成膏溶型儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間為溶孔—裂縫，沉積在膏云坪，受表生巖溶作用控制（圖5）。膏溶型儲(chǔ)層主要分布在馬五6和馬五7亞段。根據(jù)原始石膏含量，該類型儲(chǔ)層可分為兩個(gè)亞類，即膏溶孔保留型和角礫化粒間孔型。

圖5 膏溶型儲(chǔ)層成因模式Fig.5 Genetic model of gypsum-dissolved reservoir

膏溶孔保留型儲(chǔ)層由含膏泥—粉晶白云巖經(jīng)表生巖溶作用后，石膏溶蝕形成膏溶孔。經(jīng)表生期膠結(jié)后部分膏溶孔被充填，晚期膠結(jié)使膏溶孔進(jìn)一步減少，最終形成膏溶孔保留型儲(chǔ)層，膏溶孔為主要儲(chǔ)集空間。該亞類主要受表生期溶蝕控制，膏溶孔局部發(fā)育，部分被充填。角礫化粒間孔型則是膏質(zhì)白云巖在表生期發(fā)生順裂縫溶蝕，石膏強(qiáng)烈溶蝕后發(fā)生垮塌形成裂紋鑲嵌巖溶角礫巖，經(jīng)歷多期方解石膠結(jié)，發(fā)育礫間溶縫。這類儲(chǔ)層的自然伽馬值分布在12～60 API，補(bǔ)償密度分布在2.6～2.9 g/cm3，聲波時(shí)差為160～190 μs/m。

4.2 弱改造破裂型云巖儲(chǔ)層

泥—粉晶白云巖發(fā)育弱改造破裂型云巖儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間為晶間孔—裂縫，沉積在泥云坪微相，受準(zhǔn)同生白云石化及破裂作用控制（圖6）。這類白云巖儲(chǔ)層的成巖變化較弱，分布層位較多。根據(jù)成巖改造的程度，泥—粉晶白云巖儲(chǔ)層可分為原生型、破裂型、充填型三個(gè)亞類。原生型儲(chǔ)層由泥—粉晶白云巖經(jīng)淺埋藏后，未受到破裂作用直至中—深埋藏形成，有效孔隙空間為晶間孔；破裂型儲(chǔ)層是泥—粉晶白云巖經(jīng)歷淺埋藏后，晚期發(fā)育構(gòu)造裂縫，有效孔隙空間為晶間孔和裂縫；充填型儲(chǔ)層是泥—粉晶白云巖在表生期受到巖溶及破裂作用，產(chǎn)生風(fēng)化裂縫，在表生期和埋藏期晶間孔和裂縫被部分充填，面孔率最低。這類儲(chǔ)層的自然伽馬值分布在22～43 API，補(bǔ)償密度值分布在2.5～3.0 g/cm3，聲波時(shí)差為141～190 μs/m。

4.3 同生溶蝕顆粒型儲(chǔ)層

顆?；?guī)r和顆粒白云巖可形成同生溶蝕顆粒型儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間為晶間孔、粒間孔和粒內(nèi)溶孔，沉積在顆粒灘（圖7）。這類儲(chǔ)層分布非常局限，僅在研究區(qū)西南部的馬三和馬五7亞段中，厚度極薄。原始顆粒灘沉積物在淺埋藏期經(jīng)歷白云石化作用形成顆粒白云巖，發(fā)育粒間孔和晶間孔。未經(jīng)歷白云石化的顆粒灘沉積物在成巖早期受到海底膠結(jié)作用和同生溶蝕作用，從而發(fā)育粒間孔和粒內(nèi)溶孔。這類儲(chǔ)層的自然伽馬分布在15～30 API，補(bǔ)償密度為2.7～2.85 g/cm3，聲波時(shí)差為160～170 μs/m。

圖7 同生溶蝕顆粒型儲(chǔ)層成因模式Fig.7 Genetic model of syngenetic dissolution granular reservoir

4.4 粉晶白云巖型儲(chǔ)層

粉晶白云巖儲(chǔ)層是研究區(qū)馬五5亞段的儲(chǔ)層類型，孔隙空間為晶間孔和少量微裂縫，沉積相為藻云坪，受到白云石化作用控制（圖6）。根據(jù)成巖演化的差異，可分為原生型、破裂型和充填型三個(gè)亞類。原生型儲(chǔ)層是由粉晶白云巖經(jīng)淺埋藏后直接進(jìn)入中—深埋藏階段進(jìn)而形成，儲(chǔ)集空間為晶間孔；破裂型儲(chǔ)層是粉晶白云巖經(jīng)歷淺埋藏階段后在燕山—喜山期受到破裂作用而發(fā)育較多構(gòu)造裂縫而形成，儲(chǔ)集空間為晶間孔和裂縫；充填型儲(chǔ)層由粉晶白云巖在經(jīng)歷表生巖溶作用后形成，發(fā)育溶蝕孔洞，但被方解石全充填，殘留部分晶間孔。這類儲(chǔ)層的自然伽馬為22～43 API，補(bǔ)償密度分布在2.5～3.0 g/cm3，聲波時(shí)差為141～190 μs/m。

圖6 粉晶白云巖儲(chǔ)層和弱改造破裂型云巖儲(chǔ)層成因模式Fig.6 Genetic model of powder-crystal dolomite reservoir and weakly reformed fractured dolomite reservoir

5 儲(chǔ)層發(fā)育主控因素

5.1 沉積相

沉積相控制沉積地層巖性，對(duì)后期儲(chǔ)層的發(fā)育和分布存在明顯地影響。在大牛地地區(qū)，馬家溝組沉積在碳酸鹽巖臺(tái)地，亞相為蒸發(fā)臺(tái)地、開闊臺(tái)地和局限臺(tái)地，微相包括藻云坪、灰坪、膏湖、鹽湖、泥灰坪、泥云坪、膏云坪和臺(tái)內(nèi)灘[16]。馬一段至馬三段沉積期，研究區(qū)處于蒸發(fā)臺(tái)地；馬四段沉積期海侵達(dá)到最大，研究區(qū)沉積相演化為開闊臺(tái)地。馬五段沉積期海平面再次下降，形成局限環(huán)境，發(fā)育局限臺(tái)地至蒸發(fā)臺(tái)地。蒸發(fā)臺(tái)地主要發(fā)育膏溶型儲(chǔ)層，局限臺(tái)地泥云坪發(fā)育弱改造破裂型白云巖儲(chǔ)層，藻云坪發(fā)育粉晶白云巖儲(chǔ)層，在研究區(qū)西南部馬三段和馬五7亞段還存在零星的灘相，發(fā)育同生溶蝕顆粒型儲(chǔ)層。

5.2 白云石化

白云石化作用對(duì)儲(chǔ)層晶間孔的發(fā)育具有顯著影響，不同白云石化控制下的白云巖孔隙發(fā)育程度存在差異，研究區(qū)存在高鹽度環(huán)境的蒸發(fā)泵白云石化、中等鹽度的滲透回流白云石化和埋藏白云石化作用。高鹽度環(huán)境下蒸發(fā)泵機(jī)理形成的泥晶白云巖（圖8a，b），有序度相對(duì)較低（約0.65）（表1），晶間孔幾乎不發(fā)育，儲(chǔ)集性差。滲透回流白云石化控制的粉晶白云巖晶間孔發(fā)育，儲(chǔ)集性能較好，白云石有序度相對(duì)更高（0.73～0.91）（表1），在陰極發(fā)光下粉晶白云巖呈暗紅色（圖8c，d）。通過對(duì)兩種晶粒白云巖的C、O同位素特征對(duì)比（圖9），發(fā)現(xiàn)白云石δ13C值總體接近同時(shí)期的灰?guī)r數(shù)值，而δ18O 值相比之下偏正，且泥晶白云巖整體偏正程度略高，表明其受蒸發(fā)環(huán)境影響流體鹽度高[17-18]；粉晶白云巖白云石化流體則為受一定蒸發(fā)環(huán)境影響，鹽度稍增加的中鹽度海水，認(rèn)為屬滲透回流白云石化。馬四段的豹斑狀灰質(zhì)云巖中白云石陰極發(fā)光更亮，呈亮紅色（圖8e，f），具有霧心亮邊結(jié)構(gòu)，與馬五5亞段白云石相比其δ13C、δ18O 值（圖10）表現(xiàn)出埋藏環(huán)境白云石化特征，在埋藏白云石化控制下的白云巖無有效儲(chǔ)集空間，不構(gòu)成有效儲(chǔ)層。

圖9 馬五段白云巖及灰?guī)rC、O 同位素投點(diǎn)圖Fig.9 C and O isotope distribution points of dolomite and limestone in the Ma5 member

圖10 馬五5 亞段與馬四段白云巖C、O 同位素對(duì)比Fig.10 Comparison of C and O isotopes between the Ma submember and the Ma4 dolomite

表1 不同白云巖中的白云石有序度Table 1 Ordered degree of dolomite

圖8 大牛地地區(qū)馬家溝組白云巖類型與陰極發(fā)光特征（a）D37井，馬五5亞段，2 926.91 m，泥晶白云巖；（b）PG27井，馬五5亞段，2 981.96 m，泥—粉晶白云巖；（c）D48井，馬五5亞段，3 023.54 m，粉晶白云巖；（d）圖c的陰極發(fā)光照片；（e）D50井，3 212.22 m，馬四段，豹斑狀灰質(zhì)云巖；（f）圖e的陰極發(fā)光照片F(xiàn)ig.8 Dolomite type and cathodoluminescence properties of Majiagou Formation in Daniudi area

5.3 表生巖溶作用

研究區(qū)馬家溝組儲(chǔ)層發(fā)育受到表生巖溶、膠結(jié)和充填作用、破裂作用的影響。表生巖溶作用是鄂爾多斯盆地馬家溝組儲(chǔ)層發(fā)育的關(guān)鍵控制因素[19-21]。大牛地地區(qū)馬家溝組馬五段普遍遭受表生巖溶改造，但巖溶影響方式不同。根據(jù)全巖的鍶同位素組成，馬四段和馬三段的鍶同位素接近同期海水值（0.708 7～0.708 9）[22]，馬五2、馬五3、馬五5和馬五6亞段的鍶同位素值均偏高（表2），與表生期陸源放射性鍶的加入有關(guān)，指示這套地層受到淡水影響。馬五2亞段、馬五3亞段和馬五6亞段儲(chǔ)層含石膏，在淡水溶蝕下形成膏溶孔，儲(chǔ)層質(zhì)量得到改善。而馬五5亞段儲(chǔ)層主要為泥晶灰?guī)r、泥晶白云巖、粉晶白云巖，不含石膏或含極少的石膏，不發(fā)育膏溶孔。同時(shí)，淡水溶蝕形成的晶間溶孔和溶洞被淡水方解石全部充填（圖11），現(xiàn)今的有效孔隙為晶間孔和微裂縫，因此表生巖溶作用對(duì)大牛地地區(qū)馬五5亞段儲(chǔ)層質(zhì)量并無明顯改善。

圖11 大牛地地區(qū)馬家溝組馬五5 亞段儲(chǔ)層巖溶縫洞的充填特征（a）D30井，3 019.95 m，方解石充填溶洞；（b）PG27井，2 977.71 m，巖溶縫被方解石充填；（c）D88井，3(45/83)，巖溶縫被方解石完全充填；（d）D48井，4(5/99)，巖溶縫被方解石完全充填Fig.11 Fillings of karst pores and fractures in Ma55 submember of Majiagou Formation,Daniudi area

表2 大牛地地區(qū)馬家溝組儲(chǔ)層鍶同位素組成Table 2 Strontium isotope of Majiagou Formation in Daniudi area

5.4 膠結(jié)作用

研究區(qū)馬家溝組儲(chǔ)層可識(shí)別出表生期和埋藏期膠結(jié)，對(duì)儲(chǔ)層的發(fā)育起破壞作用。膠結(jié)類型主要為表生期粗晶至巨晶方解石膠結(jié)，陰極發(fā)光可見方解石環(huán)帶（圖12a，b），膠結(jié)充填程度高，并且分布廣泛。埋藏期膠結(jié)物包括方解石和螢石等低溫?zé)嵋旱V物。埋藏期的方解石膠結(jié)陰極發(fā)光微弱（圖12c，d），螢石充填在早期未被全部充填的溶孔和裂縫中（圖12e，f）。

圖12 大牛地地區(qū)馬家溝組儲(chǔ)層膠結(jié)類型（a）PG27井，馬五5亞段，2 979.52 m，粗晶方解石充填溶洞；（b）圖a的陰極發(fā)光照片，方解石可見環(huán)帶特征；（c）PG27井，馬五5亞段，2 994.46 m，含鐵方解石充填溶孔；（d）圖c的陰極發(fā)光照片，方解石發(fā)光極暗；（e）D48井，馬五5亞段，3 018.10 m，充填裂縫的方解石具有環(huán)帶特征，螢石發(fā)藍(lán)光，充填在裂縫的殘余空間；（f）D30井，馬五5亞段，3 021.35 m，螢石發(fā)藍(lán)光，充填在構(gòu)造裂縫中Fig.12 Cementation types of Majiagou Formation,Daniudi area

5.5 破裂作用

破裂作用對(duì)馬家溝組儲(chǔ)層發(fā)育也存在影響。奧陶系馬家溝組沉積后在加里東期發(fā)生暴露[23-24]，表生成巖階段形成了大量風(fēng)化淋濾裂縫，主要以垂直或近垂直的樹枝狀裂縫為主，充填程度高（圖13a，b），有效縫約占8.99%。相比而言，構(gòu)造裂縫的有效性較高，可達(dá)34.75%。構(gòu)造縫（圖13c）以垂直裂縫和高角度斜交裂縫為主。根據(jù)成像測(cè)井的裂縫走向玫瑰花分布圖（圖13d）可知，裂縫走向與燕山期北西－南東向的擠壓應(yīng)力場相匹配。因此，認(rèn)為燕山—喜山期是裂縫形成的最主要時(shí)期，形成的裂縫有效程度也較高。

圖13 馬五段裂縫形態(tài)、走向及分布圖（a）D92井，5(19/46)，巖溶風(fēng)化縫，方解石充填；（b）D48井，3 014.88 m，馬五5亞段，粒狀方解石，埋藏期充填特征；（c）D56井，6(16/88)，構(gòu)造裂縫；（d）馬五段裂縫走向玫瑰花圖Fig.13 Fracture morphology,strike and distribution of the Ma5 member

6 結(jié)論

（1）大牛地地區(qū)馬家溝組儲(chǔ)層成因存在四種類型，包括以膏溶孔為主的膏溶型儲(chǔ)層、以裂縫為主的弱改造破裂型云巖儲(chǔ)層、以粒間孔和粒內(nèi)溶孔為主的同生溶蝕顆粒型儲(chǔ)層和以晶間孔及晶間溶孔為主的粉晶白云巖儲(chǔ)層，四類儲(chǔ)層類型對(duì)應(yīng)的巖相為含膏白云巖、泥—粉晶白云巖、顆粒白云巖/灰?guī)r和粉晶白云巖。

（2）儲(chǔ)層的發(fā)育受沉積相的控制，蒸發(fā)臺(tái)地主要發(fā)育膏溶型儲(chǔ)層，局限臺(tái)地泥云坪發(fā)育弱改造破裂型云巖儲(chǔ)層，藻云坪發(fā)育粉晶白云巖儲(chǔ)層。研究區(qū)西南部馬三段和馬五7亞段存在零星的灘相，發(fā)育同生溶蝕顆粒型儲(chǔ)層。

（3）控制儲(chǔ)層發(fā)育的成巖作用包括白云石化作用、溶蝕作用、膠結(jié)作用和破裂作用。滲透回流白云石化形成的粉晶白云巖儲(chǔ)集性能較好；溶蝕作用主要發(fā)生在表生巖溶階段，對(duì)馬家溝組大部分層段的儲(chǔ)層發(fā)育具有明顯的改善；膠結(jié)作用呈現(xiàn)出多期次的特征，自表生期—埋藏期均存在膠結(jié)；燕山—喜山期構(gòu)造裂縫對(duì)儲(chǔ)集性貢獻(xiàn)最大，加里東期風(fēng)化淋濾裂縫有效性低。