周進高 席勝利 任軍峰 尹 陳 吳東旭 丁振純 李維嶺 劉雨昕

1.中國石油杭州地質(zhì)研究院 2.中國石油天然氣集團有限公司碳酸鹽巖儲層重點實驗室

3.中國石油長慶油田公司 4.中國石油大學（北京）

0 引言

鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組海相碳酸鹽巖蘊藏著豐富的天然氣資源，具有巨大的勘探潛力[1]。歷年的勘探證實，該地區(qū)天然氣賦存的儲集體類型主要為風化殼溶孔型儲集體[2-6]和白云巖晶間孔型儲集體[4,7-11]，并分別在馬家溝組五段（以下簡稱馬五段）風化殼溶孔型儲集體中發(fā)現(xiàn)了靖邊氣田和大牛地氣田、在馬五段白云巖晶間孔型儲集體中發(fā)現(xiàn)了蘇203井、統(tǒng)74井和蓮92井等一批高產(chǎn)工業(yè)氣井[11-12]。但是，在馬家溝組四段（以下簡稱馬四段）—馬家溝組一段（以下簡稱馬一段）中，僅少數(shù)探井獲得低產(chǎn)氣流，見到了勘探苗頭，未取得天然氣勘探戰(zhàn)略性突破[13]。2021年6月，中國石油長慶油田公司在鄂爾多斯盆地東部米脂地區(qū)部署的風險探井——米探1井首次在馬四段測試獲得35.24×104m3/d的天然氣無阻流量，證實了鄂爾多斯盆地東部米脂地區(qū)馬四段發(fā)育有利的儲集體，有望形成繼盆地中東部馬五段巖溶風化殼氣藏和白云巖巖性氣藏后的又一規(guī)模儲量、產(chǎn)量增長區(qū)。

前人對鄂爾多斯盆地馬四段沉積相類型及巖相古地理已做過較多研究，并多以馬四段為編圖單元[14-18]，僅少數(shù)學者對馬四段巖相古地理進行分段研究[19]。另外，從已取得的成果認識來看，關(guān)于米脂地區(qū)馬四段沉積相類型及其展布規(guī)律也存在較大的分歧，如馮增昭等[14]、史基安等[15]、張永生等[16]、潘為等[19]認為鄂爾多斯盆地馬四段廣泛發(fā)育開闊臺地相，米脂地區(qū)缺乏有利于儲層發(fā)育的有利沉積相帶；郭彥如等[17]認為盆地東部神木—子洲以西地區(qū)主要發(fā)育局限臺地相，神木—子洲以東地區(qū)主要發(fā)育開闊臺地相，米脂地區(qū)不發(fā)育有利儲集相帶；周進高等[18]認為盆地東部沿橫山隆起發(fā)育臺內(nèi)灘和灘間海微相，于洼陷處發(fā)育臺內(nèi)洼地相帶，其中米脂地區(qū)北部發(fā)育臺內(nèi)灘，中部、南部為臺內(nèi)洼地，不具備儲層發(fā)育的條件。根據(jù)米探1井馬四段取得的勘探成果，為了滿足該區(qū)下一步勘探部署的技術(shù)需求和進一步深化該區(qū)馬四段沉積相類型及巖相古地理展布特征認識。為此，筆者以野外露頭、鉆井巖心、微觀薄片、測井和地球化學特征分析為基礎(chǔ)，對盆地東部米脂地區(qū)馬四段巖石類型、沉積相類型和巖相古地理開展系統(tǒng)研究，確定不同沉積微相及其內(nèi)部高頻層序旋回結(jié)構(gòu)，并結(jié)合沉積古地貌建立米脂地區(qū)馬四段沉積演化模式，明確有利儲集相帶類型，預測有利儲集層發(fā)育區(qū)，以期為該區(qū)馬四段下一步天然氣勘探部署提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地處于華北地臺西部，馬家溝期沉積了一套碳酸鹽巖—膏鹽巖共生組合，自下而上細分為六段，其中馬一段、馬三段和馬五段以白云巖和蒸發(fā)巖為主，形成于大規(guī)模海退時期，主要為蒸發(fā)臺地和局限臺地沉積；馬二段、馬四段和馬六段以石灰?guī)r為主，形成于大規(guī)模海侵時期，主要為開闊臺地—局限臺地沉積。其中，馬四段自上而下又細分為3個亞段。

米脂地區(qū)位于鄂爾多斯盆地中東部，奧陶紀馬四期具有“三隆兩坳”古地理格局，三隆為中央古隆起、橫山隆起和離石隆起，兩坳為桃利廟坳陷和米脂坳陷[18,20-21]，米脂地區(qū)位于米脂坳陷（圖1）。基于鉆井和地震編制的地層厚度圖顯示，米脂坳陷在馬四期發(fā)育多個低凸起和凹陷等次級構(gòu)造單元（圖2）。受古地貌、古氣候和海平面升降變化的共同控制，米脂地區(qū)馬四段主要沉積了一套石灰?guī)r夾白云巖和少量硬石膏巖的巖性組合?；趯有蛐胤治觯R四段可識別出2個海侵體系域和1個高位體系域，其中馬四3亞段為海侵體系域，巖性主要為石灰?guī)r和白云質(zhì)石灰?guī)r，夾薄層灰質(zhì)白云巖和白云巖；馬四2亞段為高位體系域早期，巖性主要為白云巖、灰質(zhì)白云巖，夾薄層白云質(zhì)石灰?guī)r和石灰?guī)r；馬四1亞段下部為高位體系域晚期，巖性以硬石膏巖為主，馬四1亞段上部為海侵體系域，沉積物巖性主要為石灰?guī)r和含白云石灰?guī)r，頂部薄層灰質(zhì)白云巖和白云巖（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地馬四期古地理格局與米探3井馬四段地質(zhì)柱狀圖

圖2 米脂地區(qū)馬四段厚度與古地理格局疊合圖

2 巖石類型及特征

鉆井巖心和薄片觀察結(jié)果表明，鄂爾多斯盆地米脂地區(qū)馬四段巖性主要為泥質(zhì)石灰?guī)r、泥晶石灰?guī)r、顆粒石灰?guī)r、斑狀含白云石灰?guī)r、斑狀白云質(zhì)石灰?guī)r、斑狀灰質(zhì)白云巖、斑狀粉晶白云巖、微生物白云巖、泥質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖和硬石膏巖（圖3）。

泥質(zhì)石灰?guī)r呈深灰色—黑灰色塊狀特征，具水平層理，由泥質(zhì)紋層和灰泥紋層組成，含少量球粒石灰?guī)r薄紋層，巖性致密，基質(zhì)孔隙不發(fā)育（圖3-a）。

泥晶石灰?guī)r呈灰色—深灰色塊狀特征，由灰泥組成，可見頭足和雙殼類化石和“疙瘩狀”、網(wǎng)狀泥質(zhì)紋層等構(gòu)造，巖性致密，基質(zhì)孔隙不發(fā)育（圖3-b）。

顆粒石灰?guī)r呈灰色—深灰色塊狀特征，鏡下可識別出明顯的顆粒結(jié)構(gòu)，顆粒大小介于50 μm×70 μm～300 μm×1 000 μm，分選較差，磨圓度較好，多為次圓狀—圓狀，顆粒間見亮晶方解石或灰泥膠結(jié)，含少量生物碎屑，巖性致密，基質(zhì)孔隙不發(fā)育（圖3-c）。

斑狀含白云石灰?guī)r和斑狀白云質(zhì)石灰?guī)r呈斑狀結(jié)構(gòu)，前者由占比75%以上的灰質(zhì)圍巖和占比10%～25%、呈斑狀分布的白云巖斑塊組成；后者由占比50%以上的灰質(zhì)圍巖和占比25%～50%、呈近水平狀分布的白云巖斑塊組成（圖3-d）。白云巖斑塊顏色一般為深灰色，主要由粉晶白云石組成，白云石晶粒多呈半自形—自形，晶體間點接觸或線接觸，白云石晶體間發(fā)育少量晶間孔，部分被灰泥或方解石充填；圍巖顏色一般為灰色，部分巖性由灰泥組成，部分巖性由顆粒石灰?guī)r和亮晶方解石膠結(jié)物組成。

斑狀灰質(zhì)粉晶白云巖呈斑狀結(jié)構(gòu)（圖3-e），由占比50%以上的白云巖斑塊和部分含白云質(zhì)石灰?guī)r圍巖組成。白云巖斑塊顏色較深，一般為深灰色，主要由粉晶白云石組成，白云石晶粒多呈半自形—自形，晶體間點接觸或線接觸，白云石晶體間發(fā)育晶間孔，部分被灰泥或方解石充填；含白云質(zhì)灰?guī)r顏色一般為灰色，巖性由灰泥和粉晶白云石組成。

斑狀粉晶白云巖宏觀上呈斑狀結(jié)構(gòu)，由淺灰色白云巖斑塊和深灰色白云巖圍巖組成（圖3-f）。白云巖斑塊巖性主要為粗粉晶白云石，含少量細晶白云石和細粉晶白云石，白云石晶體以半自形—自形晶為主，含少量他形晶，發(fā)育晶間孔（圖3-g），含少量溶蝕孔；深灰色白云巖圍巖為他形細粉晶白云石，鑲嵌接觸，巖性較為致密、基質(zhì)孔隙不發(fā)育。

微生物白云巖為疊層石白云巖，由明暗相間紋層組成，常見波狀和平行紋層狀疊層石（圖3-h），偶見丘狀疊層石。暗紋層為灰色富菌藻層，富含有機質(zhì)；亮層由泥晶球粒或者泥晶團塊組成，發(fā)育形態(tài)多樣的窗格狀構(gòu)造。研究區(qū)亮層受白云石化作用影響，為褐灰色粉晶白云巖組成，發(fā)育晶間孔。

泥質(zhì)白云巖由深灰色泥質(zhì)和灰色泥粉晶白云巖組成，具水平層理，縱向上常與膏質(zhì)白云巖或硬石膏巖伴生，巖性致密、基質(zhì)孔隙不發(fā)育（圖3-i、j）。

膏質(zhì)白云巖由白色—乳白色硬石膏團塊和灰色、黃灰色泥粉晶白云巖組成，兩類巖石巖性均較為致密、基質(zhì)孔隙不發(fā)育，其中泥粉晶白云巖中可見少量小型不規(guī)則溶縫，為泥質(zhì)或泥粉晶白云石充填（圖 3-i）。

硬石膏巖顏色為白色—乳白色，具有層狀、腸狀和角礫狀等3種形態(tài)，層狀硬石膏巖常與白云質(zhì)泥巖或泥質(zhì)白云巖薄互層，具水平層理（圖3-j）；腸狀呈斷續(xù)狀，與灰色泥粉晶白云巖伴生（圖3-k）；角礫狀硬石膏形態(tài)多樣，多呈不規(guī)則多邊形混雜堆積，角礫間含有灰色—深灰色粉晶白云巖或黑色泥質(zhì)（圖 3-l）。

3 沉積相與沉積模式

3.1 沉積微相

基于米脂地區(qū)馬四段鉆井巖心、薄片和野外露頭觀察，結(jié)合米脂坳陷中的次一級“凹凸相間”古地理格局和海平面升降變化，明確該區(qū)馬四段沉積相為局限臺地相，且可進一步細分為灰質(zhì)潟湖、臺內(nèi)丘和含云膏坪3種微相。

3.1.1 灰質(zhì)潟湖

發(fā)育于海侵體系域，由于海平面上升幅度大，米脂地區(qū)海水與周緣海水循環(huán)通暢，海水鹽度值正常，沉積物巖性主要由灰色—深灰色泥晶石灰?guī)r和斑狀含白云石灰?guī)r組成，夾少量薄層深灰色—黑灰色泥質(zhì)石灰?guī)r。受盆地東部“隆坳相間”古地理格局和海平面升降變化控制，灰質(zhì)潟湖縱向上常由2個高頻旋回序列組成。高頻旋回序列1由泥質(zhì)石灰?guī)r和斑狀含白云石灰?guī)r組成，單個旋回厚度介于1.0～3.5 m，旋回下部沉積物為泥質(zhì)石灰?guī)r，自然伽馬曲線呈指狀，一般介于20～70 API；旋回上部沉積物為斑狀含白云石灰?guī)r或泥晶石灰?guī)r組成，自然伽馬曲線表現(xiàn)為低平值，一般為5～20 API（圖4）。高頻旋回序列2由巖電特征較為相似的斑狀含白云石灰?guī)r和斑狀云質(zhì)石灰?guī)r組成，單個旋回厚度介于1.0～7.0 m，自然伽馬曲線表現(xiàn)為低平值，一般介于5～20 API，縱向上表現(xiàn)為伴隨海平面下降，序列上部的云斑密度逐漸增加，云斑樣式由早期的斑點狀向水平狀或不規(guī)則狀轉(zhuǎn)變（圖5-a）。6個石灰?guī)r樣品的碳氧同位素組成測試顯示，δ13C介于－0.47‰～0.49‰，δ18O介于－6.83‰～－5.95‰，絕大多數(shù)值落在同期奧陶世海水的穩(wěn)定同位素范圍（δ13C介于－2.00‰～0.50‰；δ18O介于－6.60‰～－4.00‰）[22-23]，反應(yīng)為此類沉積物形成于還原沉積環(huán)境，未受到大氣淡水溶蝕作用改造。

3.1.2 臺內(nèi)丘

發(fā)育于高位體系域早期，因海平面下降，米脂地區(qū)周緣的橫山隆起及離石隆起障壁作用（圖1），該時期臺內(nèi)水體總體較安靜并趨于咸化，沉積物巖性由灰色—褐灰色斑狀灰質(zhì)白云巖、斑狀粉晶白云巖和微生物白云巖組成。臺內(nèi)丘的內(nèi)部向上變淺高頻層序旋回自下而上由斑狀灰質(zhì)白云巖、斑狀粉晶白云巖和微生物白云巖組成，單個旋回厚度介于1.0～7.0 m，自然伽馬曲線表現(xiàn)為低平值，一般介于5～20 API（圖4）。5個白云石圍巖樣品測試顯示，δ18O介于－6.31‰～－5.35‰，均位于在同期奧陶世海水值范圍內(nèi)，但比灰質(zhì)潟湖石灰?guī)r的氧穩(wěn)定同位素值偏正。結(jié)合沉積旋回，判識氧穩(wěn)定同位素值偏正原因與強烈的蒸發(fā)作用相關(guān)[24]。

圖4 米探3井馬四段井段2 954～2 980 m沉積微相及儲層綜合柱狀圖

3.1.3 含云膏坪

含云膏坪發(fā)育于高位體系域晚期，由于海平面下降到低點，加之盆地周緣古隆起和次級凸起的障壁作用（圖1），米脂地區(qū)與周緣海水循環(huán)受阻，加上強烈的蒸發(fā)作用，導致米脂地區(qū)沉積環(huán)境由前期的臺內(nèi)丘—灰質(zhì)潟湖相變?yōu)楹聘嗥?，沉積物由泥質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖和層狀、腸狀與角礫狀硬石膏巖組成。含云膏坪縱向上常由2個高頻旋回序列組成，序列1自下而上由泥質(zhì)白云巖和膏質(zhì)白云巖組成，旋回頂部可見準同生暴露面（圖3-i）；序列2由泥質(zhì)白云巖和硬石膏巖組成（圖5-b），旋回頂部可見準同生暴露面（圖3-j）。碳氧同位素測試顯示，硬石膏巖角礫間的白云巖δ18O介于－7.10‰～－7.03‰，較同期海水值偏負，表明沉積物常暴露于地表，遭受了準同生期大氣淡水溶蝕作用的改造。

圖5 馬四段沉積微相及儲層綜合柱狀圖

3.2 沉積模式

基于古地理背景、古氣候和海平面變化，建立了鄂爾多斯盆地米脂地區(qū)馬四段海侵體系域、高位體系域早期和高位體系域晚期等3種沉積模式（圖6）。

3.2.1 海侵體系域

研究區(qū)位于米脂坳陷內(nèi)，地勢相對較低。在大規(guī)模海侵背景下，研究區(qū)位于晴天浪基面之下的低能環(huán)境，臺內(nèi)與外海相連，海水循環(huán)通暢、鹽度正常，但因中央古隆起、橫山隆起和離石隆起障壁作用的影響，研究區(qū)水體相對安靜，以灰泥沉積物為主，局部夾少量泥質(zhì)薄層，生物較少，常見的是腹足、腕足和介形類，偶見海綿和角石等浮游生物，風暴回流可帶來一些生屑和粉砂級別的顆粒，形成粉屑石灰?guī)r或生屑石灰?guī)r薄層，也因風暴作用的影響，未固結(jié)的灰泥被攪動呈疙瘩狀或似角礫狀，泥質(zhì)紋層也被改造成不規(guī)則的網(wǎng)狀構(gòu)造（圖4、6）。另外，凸起帶由于水體相對較淺，適合造跡生物活動，但該階段的活動以水平挖掘覓食為主，形成近于水平的潛穴，而凹陷區(qū)水體相對較深，沉積物未受生物活動的改造，保持了原始結(jié)構(gòu)。

3.2.2 高位體系域早期

隨著海平面下降，水動力條件也有所增強，但仍屬于弱的、安靜的水動力條件；而盆地周緣古隆起的障壁作用增強，強烈的蒸發(fā)作用導致米脂地區(qū)海水含鹽度增高，地勢相對較高的凸起帶以沉積灰質(zhì)白云巖、粉晶白云巖和微生物白云巖為特征；而地勢相對較低的凹陷區(qū)以沉積泥晶石灰?guī)r為特征。另外，由于海平面的下降，造跡生物在研究區(qū)的活動性增強，凸起帶形成復雜多變的潛穴系統(tǒng)甚至形成生物攪動層，凹陷區(qū)則發(fā)育形態(tài)各樣的潛穴，且呈現(xiàn)出潛穴密度由凸起向凹陷方向逐漸減少的趨勢（圖 6）。

3.2.3 高位體系域晚期

隨著海平面繼續(xù)下降，周緣的隆起帶幾乎將米脂地區(qū)與外海隔絕，強烈的蒸發(fā)作用使臺內(nèi)水體急劇變淺且咸化，加之前期的填平補齊作用，米脂地區(qū)的地勢差減小，逐漸演化成泛蒸發(fā)潮坪環(huán)境，沉積灰泥或薄層、腸狀、角礫狀硬石膏巖（圖6）。隨著石膏的析出，鎂鈣比值大幅提高，致使灰泥發(fā)生白云石化，殘余的鹵水以具有較高孔滲的早期生物擾動和潛穴充填物為優(yōu)勢通道[25-27]，進入下伏地層，使與之連通的生物潛穴也發(fā)生白云石化，增強了斑狀區(qū)的抗壓能力，使白云石晶體間的晶間孔隙得到良好的保存，對優(yōu)質(zhì)儲層的形成具有重要意義。

圖6 米脂地區(qū)奧陶系馬四段沉積演化模式圖

4 有利儲集相帶

米脂地區(qū)巖相古地理恢復顯示，馬四3亞段主要為海侵體系域，低部位凹陷以灰質(zhì)潟湖沉積為主，沉積物巖性以泥質(zhì)石灰?guī)r、泥晶石灰?guī)r、斑狀含白云石灰?guī)r和斑狀白云質(zhì)石灰?guī)r為主。凸起帶以臺內(nèi)丘沉積為特征，沉積物巖性以微生物白云巖、斑狀粉晶白云巖和斑狀灰質(zhì)白云巖為主（圖7-a）。馬四2亞段主要為高位體系域早期，研究區(qū)西側(cè)以發(fā)育臺內(nèi)灘和灰云質(zhì)潟湖沉積為特征，研究區(qū)中東部的低部位凹陷和凸起仍分別繼承性發(fā)育灰質(zhì)潟湖和臺內(nèi)丘沉積，但受海平面下降控制，臺內(nèi)丘沉積邊界向凹陷方向遷移，灰質(zhì)潟湖沉積范圍相應(yīng)向凹陷方向收縮（圖7-b）。馬四1亞段中、下部為高位體系域晚期，上部為海侵體系域，因而其沉積分異特征與馬四2亞段既有相似之處，也有所差異，其西側(cè)繼承性發(fā)育馬四2亞段的臺內(nèi)灘和灰云質(zhì)潟湖，東側(cè)繼承性發(fā)育灰質(zhì)潟湖和臺內(nèi)丘沉積，但受海平面上升影響，臺內(nèi)丘與灰質(zhì)潟湖的沉積邊界向凸起方向遷移（圖7-c）。

圖7 米脂地區(qū)馬四段巖相古地理圖

沉積相是碳酸鹽巖儲層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。鉆井巖心、微觀薄片和物性統(tǒng)計表明，臺內(nèi)丘是鄂爾多斯盆地東部米脂地區(qū)馬四段儲層發(fā)育的有利沉積相帶，其內(nèi)部沉積的微生物白云巖、斑狀粉晶白云巖和斑狀灰質(zhì)白云巖發(fā)育晶間孔，物性相對較好，縱向上呈多層系分布，累積厚度大（圖1、4、5）；形成于含云膏坪中的泥質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖和硬石膏巖與灰質(zhì)潟湖中的泥質(zhì)石灰?guī)r、泥晶石灰?guī)r和含白云石灰?guī)r，巖性致密，孔隙不發(fā)育，無儲集性能（圖4、5）。基于此，認為瑤鎮(zhèn)—大保當、神木—米脂、綏德—磧口一帶是有利儲集相帶發(fā)育區(qū)。

5 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地米脂地區(qū)馬四段巖性主要為泥質(zhì)石灰?guī)r、泥晶石灰?guī)r、顆粒石灰?guī)r、斑狀含白云石灰?guī)r、斑狀白云質(zhì)石灰?guī)r、斑狀灰質(zhì)白云巖、斑狀粉晶白云巖、微生物白云巖、泥質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖和硬石膏巖。

2）米脂地區(qū)馬四段在“凹凸相間”古地理格局上發(fā)育灰質(zhì)潟湖、臺內(nèi)丘和含云膏坪3種沉積微相，灰質(zhì)潟湖由泥質(zhì)石灰?guī)r、泥晶石灰?guī)r、斑狀含白云石灰?guī)r和斑狀云質(zhì)石灰?guī)r組成；臺內(nèi)丘由微生物白云巖、斑狀粉晶白云巖和斑狀灰質(zhì)粉晶白云巖組成；含云膏坪由泥質(zhì)白云巖、膏質(zhì)白云巖和硬石膏巖組成。

3）建立了基于古地貌和高頻海平面旋回共同作用約束下的米脂地區(qū)奧陶系馬四段沉積模式。海侵體系域水體最深，米脂地區(qū)處于浪基面以下，為灰質(zhì)潟湖沉積；高位體系域早期水體變淺、咸化，處于浪基面附近，凸起帶發(fā)育臺內(nèi)丘，凹陷區(qū)發(fā)育灰質(zhì)潟湖；高位體系域晚期水體最淺，米脂地區(qū)演化為含云膏坪沉積。

4）以微生物白云巖、斑狀粉晶白云巖和斑狀灰質(zhì)白云巖構(gòu)成的臺內(nèi)丘是有利儲集相帶，儲集空間主要為晶間孔和微裂縫?，庢?zhèn)—大保當、神木—米脂、綏德—磧口一帶在沉積期位于地勢相對較高的凸起帶上，是有利儲層的發(fā)育區(qū)。