鄂爾多斯盆地中南部馬家溝組馬五5～馬五1亞段白云巖成巖相特征及其對儲層的影響

李百強,王起琮,張小莉,張　宇,李　潔,杜美馨,雷易璇

(1.西北大學 地質(zhì)學系/二氧化碳捕集與封存技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,陜西 西安　710069；2.西安石油大學 地球科學與工程學院,陜西 西安　710065)

在經(jīng)歷了長達1.5億年之久的風化淋濾作用之后[1],鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五段地層中、上部(馬五5～馬五1亞段)形成了儲集性很好的巖溶風化殼型儲層[2]。其中,白云巖是該類儲層最重要的巖石類型[3]。但是，由于巖石類型多樣、成巖作用復雜以及儲層的非均質(zhì)性較強,導致研究區(qū)儲層發(fā)育的主控因素不明確，有利儲層分布預測較困難。因此,尋找白云巖儲層發(fā)育的主控因素是目前急需解決的問題。

眾多學者從多方面綜合研究認為,影響白云巖儲層發(fā)育的主要因素包括斷裂作用、巖溶古地貌、沉積相、成巖作用及成巖相、相對海平面變化等[4-7]。但是，對于碳酸鹽巖儲層而言,其儲集空間絕大多數(shù)都是在沉積期后的成巖環(huán)境下形成的[8],所以,碳酸鹽巖成巖相特征與儲層的關(guān)系密不可分,而成巖相研究的重點在于成巖相特征的識別及其類型劃分。因此,本文在大量巖心觀察、巖石薄片鑒定及部分X衍射數(shù)據(jù)分析的基礎上,對鄂爾多斯盆地中南部馬家溝組馬五5～馬五1亞段的白云巖成巖相特征進行了識別與劃分,并結(jié)合區(qū)內(nèi)測井解釋及儲層厚度分布情況,探討研究區(qū)馬五5～馬五1亞段白云巖成巖相與儲層之間的關(guān)系,旨在對區(qū)內(nèi)下一步優(yōu)質(zhì)白云巖儲層的勘探及有利區(qū)優(yōu)選提供一定的參考依據(jù)。

1　區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西緣。早奧陶世,西部賀蘭裂谷強烈的沉積擴張和肩部翹升導致沿盆地西南緣形成了“L”型的中央古隆起；由于均衡調(diào)節(jié)作用,在古隆起的東側(cè)形成了以米脂—延安一帶為沉降中心的“陜北拗陷”[9]。此分布格局長期控制了華北海與祁連海的海域演化范圍，并決定了鄂爾多斯盆地馬家溝組的巖相古地理環(huán)境[10],從而形成了盆地東部以白云巖夾巖鹽沉積為主的潮坪相和局限臺地相，西南部以厚層灰?guī)r夾白云巖沉積為主的潮坪相、碳酸鹽臺地相、臺地邊緣相以及陸棚—盆地等相帶[11-14]。馬家溝組沉積末期,加里東運動造成了華北地臺抬升為陸,導致馬家溝組上部遭受了長達1.5億年的風化剝蝕[1],加之大氣淡水的長期溶蝕、淋濾作用,形成了一套巖溶風化殼型碳酸鹽巖儲集體[2]。

奧陶系馬家溝組地層從下到上依次劃分為馬一～馬六段,其中馬五段主要發(fā)育白云巖,并夾部分灰?guī)r、泥質(zhì)巖及蒸發(fā)巖。按照巖性可將馬五段從上到下依次劃分為馬五1～馬五10亞段,且馬五5～馬五1亞段以灰色、淺灰色粉晶白云巖、含膏白云巖夾石膏巖為主[15]。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中南部、古隆起東側(cè),西鄰志丹、東抵延川、北起綏德、南至富縣(見圖1),馬五段總體上屬于碳酸鹽巖臺地相帶。其中,馬五5亞段屬開闊海臺地亞相,而馬五4～馬五1亞段屬局限臺地及蒸發(fā)臺地亞相[16]。

圖1　研究區(qū)地理位置Fig.1　Location map of study area

2　白云巖成巖相特征

白云巖成巖相類型劃分目前尚無統(tǒng)一標準,本文依據(jù)王起琮(2013)等人[17]的碳酸鹽巖成巖相劃分體系, 利用鉆井巖心描述、 顯微鏡下薄片鑒定及樣品測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果, 明確了白云巖的巖石類型、 巖石結(jié)構(gòu)， 沉積構(gòu)造、 儲集空間類型及成巖作用類型, 將鄂爾多斯盆地中南部馬五5～馬五1亞段的白云巖成巖相共劃分為膏鹽溶蝕角礫相、活躍回流滲透云化相、隱伏回流滲透云化相以及風化巖溶角礫相等4類。

2.1　膏鹽溶蝕角礫相

該巖相主要分布于研究區(qū)馬五1， 馬五2， 馬五3亞段。 巖石薄片中見大量似圓形鹽?？?見圖2A)、板條狀膏模孔以及石膏和石鹽遇大氣淡水及混合水選擇性溶解后,坍塌并發(fā)生角礫化作用而形成的角礫化結(jié)構(gòu)(圖2B),具有典型的膏鹽溶蝕角礫相特征。

X衍射分析表明,白云石體積分數(shù)介于75%～95%。以泥晶白云石和粉細晶白云石為主。白云石有序度測試結(jié)果顯示,泥晶白云石有序度相對較低,介于0.72～0.73,多具他形結(jié)構(gòu)；粉細晶白云石有序度介于0.75～1,多為自形和半自形結(jié)構(gòu)。

上述特征表明,此類成巖相中含膏、含鹽泥、粉細晶白云巖樣品可能經(jīng)歷了沉積早期或同沉積時期,蒸發(fā)臺地處于相對較低的海平面時,大氣淡水及混合水的選擇性溶蝕作用,繼而導致石膏和石鹽晶核的溶解以及相伴隨的白云巖的坍塌和角礫化作用的進行。

2.2　活躍回流滲透云化相

該巖相主要分布于研究區(qū)馬五5亞段,巖石類型以粉—細晶白云巖為主,縱向上常與蒸發(fā)巖相伴生。巖石薄片中可見明顯的殘余結(jié)構(gòu)(見圖2C),同時發(fā)育的殘余粒間孔以及晶間孔隙等都反映了活躍回流滲透云化相的典型特征,其中殘余結(jié)構(gòu)是其原巖結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)。

X衍射結(jié)果顯示,白云石體積分數(shù)一般大于90%,方解石、黃鐵礦及伊利石等自生礦物含量較少。樣品白云石有序度測試結(jié)果介于0.75～0.85,且隨著深度的增加,白云石有序度逐漸降低。

綜合以上特征可知，活躍回流滲透云化相中，粉—細晶白云巖的原巖為顆?；?guī)r,可能經(jīng)歷了淺埋藏時期,低海平面階段的蒸發(fā)作用形成的富Mg2+的鹵水，在重力及密度差作用下向下部顆粒灰?guī)r回流滲透白云化作用,且隨深度增大,白云化程度逐漸減弱。

2.3　隱伏回流滲透云化相

該巖相同樣主要分布于馬五5亞段,巖石類型以豹斑灰?guī)r和豹斑云巖為主。薄片鑒定結(jié)果顯示,巖石多具生物鉆孔和豹斑構(gòu)造,此外可見部分晶間孔;X衍射結(jié)果顯示,豹斑成分主要為白云石,基質(zhì)主要為方解石(見圖2D)。以上特征顯示了隱伏回流滲透云化相的典型特征。

豹斑中的白云石有序度測試結(jié)果范圍變化相對較大,整體來說，比活躍回流滲透云化相樣品低,介于0.56～1,且隨著豹斑大小變大而增加,表明白云化程度自豹斑灰?guī)r到豹斑云巖增強。

以上特征綜合表明,此類成巖相樣品可能經(jīng)歷了由蒸發(fā)臺地頂部被正常海水稀釋后的鹵水，在密度差驅(qū)使下沿下部灰?guī)r地層中的生物鉆孔等進行的隱伏回流滲透白云化作用,由于流體鹽度介于鹵水與正常海水之間,密度差相對變小,驅(qū)動力減弱,因而白云化程度比活躍回流滲透云化相偏低。

2.4　風化巖溶角礫相

該巖相主要分布于馬五3亞段,其次為馬五1，馬五2，馬五4亞段。巖石類型以紊亂角礫白云巖為主(見圖2E),顯微鏡下可見巖石富含溶洞、裂縫,且溶洞內(nèi)多堆積大量的高嶺石,亦可見角礫與泥質(zhì)、灰質(zhì)和云質(zhì)共同組成的角礫結(jié)構(gòu)(見圖2F),角礫無分選、無磨圓,巖石中的基質(zhì)及角礫間裂縫常被陸源灌入的泥質(zhì)充填,屬于風化巖溶角礫相的典型標志。

X衍射結(jié)果表明,白云石體積分數(shù)大于85%,以泥晶和細粉晶為主。白云石有序度測試結(jié)果變化較大,介于0.54～1。

綜上所述,風化巖溶角礫相樣品可能形成于表生期淡水環(huán)境下發(fā)生的大規(guī)模非選擇性溶蝕、破裂及坍塌,從而形成大型的溶孔、溶洞及角礫化結(jié)構(gòu)。同時,由于靠近風化殼,因而伴有大量的陸源泥質(zhì)灌入。

A 膏鹽溶蝕角礫白云巖，白云石呈泥微晶結(jié)構(gòu)，含石膏假晶和膏鹽類圓形結(jié)核假晶溶蝕形成膏?？?、鹽模孔，F(xiàn)G7井，2 960.3 m，馬五1；B 膏鹽溶角礫結(jié)構(gòu)及粉晶結(jié)構(gòu)，白云石呈半自形，F(xiàn)G7井，2 967.45 m，馬五1；C 殘余砂屑粉—細晶白云巖， 晶間有大量灰質(zhì)組分，白云石呈自形—半自形，Y9井，2 543.0 m，馬五5；D 豹斑云巖，原巖為泥晶灰?guī)r，破碎溶蝕后被方解石充填并發(fā)生白云化，XX11-M5-33，馬五5 ；E 巖溶角礫泥晶白云巖，具泥晶及塑變角礫結(jié)構(gòu)，角礫雜亂，部分礫屑呈紋層構(gòu)造，XF3井，2 841.36 m，馬五1；F 紊亂角礫結(jié)構(gòu)，角礫間泥晶白云石充填，富含泥質(zhì)，D32-28，2 839.5 m，馬五4圖2　 鄂爾多斯盆地中南部馬五5～馬五1亞段白云巖微觀巖相特征Fig.2　Micro-lithofacies characteristics of dolomite of sub-members in central-southern Ordos Basin

3　成巖相對儲層發(fā)育的影響

3.1　對儲集空間形成的影響

不同于碎屑巖儲層的形成,碳酸鹽巖儲層的儲集空間形態(tài)多形成于沉積階段,但最終定格于成巖階段[2]。因此,不同成巖相是決定白云巖儲層不同儲集空間類型的關(guān)鍵因素。

膏鹽溶蝕角礫相主要出現(xiàn)于馬五1， 馬五2， 馬五3期沉積早期或同沉積時期,海平面相對下降,研究區(qū)整體處于蒸發(fā)環(huán)境,多發(fā)育含膏、含鹽的泥晶白云巖；到后期，由于大氣淡水或混合水對白云巖中的硬石膏、石鹽等組分產(chǎn)生選擇性溶蝕作用,從而導致其消失并形成呈分散狀分布的膏模孔和鹽?？椎葍臻g；硬石膏及石鹽組分溶解時會伴隨出現(xiàn)一定的坍塌及角礫化作用,在此過程中,會產(chǎn)生一定的微裂縫,溝通了相互分散的鑄?？?膏模孔、鹽?？?,提高了白云巖儲集層的儲、滲性能。

活躍回流滲透云化相主要形成于馬五5期,研究區(qū)整體海平面上升,水體相對加深,發(fā)育泥晶灰?guī)r。進入淺埋藏環(huán)境以后,海平面降低時，蒸發(fā)作用形成了大量的富含Mg2+鹵水；在密度差及重力差驅(qū)使下,鹵水向下部回流滲透進入灰?guī)r層,并交代鈣質(zhì)發(fā)生白云巖化,形成大量具殘余結(jié)構(gòu)的粉—細晶白云巖,并形成白云石晶間孔；這類孔隙十分發(fā)育,且連通性好,因而是此類白云巖的重要儲集空間。

隱伏回流滲透云化相，平面上多在活躍回流滲透云化相臨近出現(xiàn),縱向上在馬五5亞段下部,以生物擾動灰?guī)r或白云巖為主,發(fā)育大量的生物鉆孔。淺埋藏時期,富Mg2+的鹵水與正常海水組成的混合流體在重力和密度差驅(qū)使下,沿著此類生物鉆孔交代其中的灰質(zhì)組分發(fā)生白云巖化,并形成了以白云石為主要組分的豹斑構(gòu)造。伴隨此隱伏回流滲透白云化作用的進行,產(chǎn)生了一定的白云石晶間孔,加之未被交代的生物鉆孔,為此類巖石提供了良好的儲集空間。

風化巖溶角礫相主要形成于奧陶紀末期。加里東構(gòu)造運動使馬五段地層抬升并暴露于地表,并長期接受大氣淡水的淋濾與溶蝕,從而進入表生淡水環(huán)境。在長時間、大范圍的非選擇性淡水溶蝕淋濾作用下,地層發(fā)生大面積溶蝕坍塌及角礫化,并伴有大量的陸源泥質(zhì)灌入,形成紊亂角礫白云巖,并形成了大量的溶蝕孔、洞；其中部分孔、洞被泥質(zhì)充填,而未被泥質(zhì)充填的孔、洞為儲層提供了良好的存儲空間。同時,淡水從高地沿出露地層向下流動的過程中,再次溶蝕晶間的灰質(zhì)組分,產(chǎn)生部分晶間溶孔,一定程度上改善了儲層的儲集性能。

3.2　對儲層分布的影響

前人研究成果表明,控制白云巖儲層分布的因素眾多[18-19],除了巖溶古地貌[20]、巖相古地理[21]、沉積作用[22]以及成巖作用[4,6,23-24]之外，成巖相也是控制白云巖儲層發(fā)育的重要因素,且有利成巖相帶往往是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的重要區(qū)域[14,18]。本文在露頭及巖心分析的基礎上,明確了不同巖相的空間分布規(guī)律。通過建立測井碳酸鹽巖多礦物模型,對研究區(qū)數(shù)口井進行了測井解釋,并分別繪制了儲層厚度及成巖相空間展布圖,并以馬五1亞段和馬五5亞段為例闡述成巖相對儲層分布的影響(見圖3，4)。

圖3　馬五1亞段白云巖成巖相與儲層分布圖Fig.3　Distribution map of diagenetic facies and reservoir of dolomite of sub-member

馬五1亞段儲層分布面積相對較大,平面上由研究區(qū)西北部至東南部,由廣泛的連片式逐漸過渡為寬度較小的條帶狀分布。其中,S137井區(qū)、YB1井區(qū)、FG7井區(qū)儲層相對較厚,介于3.6～6 m。該層段優(yōu)勢成巖相為膏鹽溶蝕角礫相及風化巖溶角礫相,其中膏鹽溶蝕角礫相呈大面積連片分布于研究區(qū)中部、北部及西北部地區(qū),而風化巖溶角礫相則呈較窄的條帶狀分布于研究區(qū)中東部—東南部地區(qū)。從儲層厚度與成巖相疊合圖中可以看出,儲層主要分布于膏鹽溶蝕角礫相帶中,且厚儲層基本全部位于此類成巖相帶。這是由于，此類成巖相帶發(fā)育大量的膏模孔、鹽模孔等優(yōu)質(zhì)的儲集空間,為儲層形成提供了有利條件。而風化巖溶角礫相帶雖然也有部分儲層發(fā)育,但整體比膏鹽溶蝕角礫相差，這表明表生期大氣淡水溶蝕淋濾形成的次生溶蝕孔、洞在一定程度上被陸源泥質(zhì)等物質(zhì)充填灌入,降低了儲層物性,因而儲層發(fā)育相對較差。

圖4　馬五5段白云巖成巖相與儲層分布圖Fig.4　Distribution map of diagenetic facies and reservoir of dolomite of sub-member

馬五5亞段儲層平面分布非均質(zhì)性相對較強,廣泛連片性變差,但儲層整體厚度較大,最厚可達15 m以上。其中研究區(qū)西南部Y814井—Y112—FG7井區(qū)儲層連片分布相對較好,而西北部及中東部Y127井區(qū),儲層均為小面積孤立分布。該層段成巖相類型主要為廣泛分布于研究區(qū)四周的活躍回流滲透云化相以及中南部局部發(fā)育的隱伏回流滲透云化相。從儲層厚度與成巖相分布的平面疊合圖可以看出,成巖相對儲層具有一定的控制作用,表現(xiàn)為儲層主要分布于活躍回流滲透云化相帶內(nèi)；該相帶內(nèi)儲層厚度整體介于5～15 m,而隱伏回流滲透云化相帶內(nèi),儲層雖有發(fā)育,但分布面積和整體厚度均較小,一般小于5 m。這表明,活躍回流滲透云化相是形成白云巖儲層的有利相帶,由于此類成巖相的存在常與蒸發(fā)巖相伴生,具有充足的Mg2+來源,因而能夠形成面積廣、厚度大的白云巖儲層。而隱伏回流滲透云化相則由于與之相伴生的蒸發(fā)巖相對較少,Mg2+供給相對不足,白云化程度減弱,因此形成的白云巖儲層面積小，厚度相對較薄。

4　結(jié)　論

1)巖石類型、沉積結(jié)構(gòu)及構(gòu)造、黏土礦物分析、白云石有序度等資料綜合研究結(jié)果表明,鄂爾多斯盆地中南部馬家溝組馬五5～馬五1亞段白云巖成巖相類型主要包括膏鹽溶蝕角礫相、活躍回流滲透云化相、隱伏回流滲透云化相和風化巖溶角礫相等4類。

2)膏鹽溶蝕角礫相、活躍回流滲透云化相、隱伏回流滲透云化相白云巖均形成于受早期淡水或混合水不同程度影響的近地表環(huán)境;風化巖溶角礫相白云巖主要形成于受表生期淡水以及大量陸源碎屑物影響的表生淡水環(huán)境。

3)成巖相與儲層分布關(guān)系研究表明,白云巖成巖相分布控制著有利儲層的分布。其中,膏?？?、鹽?？装l(fā)育的膏鹽溶蝕角礫相以及晶間孔大量發(fā)育的活躍回流滲透云化相是鄂爾多斯盆地中南部馬五5～馬五1亞段白云巖儲層分布的最有利成巖相。

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