霍俊洲，蘇　奎，許文壯，王建國，田　翔，夏勇輝

(1.中國石油長慶油田第六采氣廠，陜西 榆林 718600；2.中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所；國土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點實驗室，北京 100037；3.中國石油大學(北京)，北京 102249；4.中國石油長慶油田氣田開發(fā)處，陜西 西安 710000)

奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖是鄂爾多斯盆地的重要產(chǎn)氣層之一，含有豐富的天然氣資源[1-3]。1989年發(fā)現(xiàn)的靖邊氣田以馬五段1～4亞段(簡稱馬五1～4)風化殼巖溶型儲層為主要儲層類型[4-5]，目前已累計探明天然氣地質(zhì)儲量近5 000×108m3，目前年生產(chǎn)能力為55×108m3[1-2]，是我國最大的整裝碳酸鹽巖氣田[3]。馬五5亞段以致密黑色泥質(zhì)灰?guī)r為馬五1-4風化巖溶儲層的底板，研究工作中常作為地層對比的標志層。但隨著勘探開發(fā)的不斷深入，近年來在靖邊西南地區(qū)馬五5開展了鉆探工作，并在S203區(qū)塊、S381區(qū)塊獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流。其中S203井在馬五5產(chǎn)氣104.89×104m3/d，顯示出靖邊氣田西南部馬五5以晶間孔和溶蝕孔洞型白云巖儲層白云巖型巖性氣藏的巨大勘探潛力。相對于馬五1-4亞段單層薄、橫向連續(xù)性好的特征，馬五5白云巖儲層表現(xiàn)出單層厚度大、儲層連續(xù)性差的特征[6]，給勘探開發(fā)部署增加了難度。

本文以靖邊氣田西南部馬五5為研究對象，通過巖心觀察、薄片鑒定和大量物性資料的分析，進行了沉積相和成巖相的劃分，并通過古地貌恢復來刻畫溝槽的分布，結(jié)合生產(chǎn)井進行匹配分析，厘清儲層特征及其發(fā)育的控制因素，為有利區(qū)的預測和下一階段油氣勘探提供科學依據(jù)和思路。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于華北板塊的西緣，面積約25×104km2。盆地現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造較為單一，整體東高西低，向西平緩傾斜，其周邊構(gòu)造活躍，斷層發(fā)育，內(nèi)部構(gòu)造穩(wěn)定，地層平緩[7]。研究區(qū)位于蘇里格氣田南、靖邊氣田西南側(cè)，區(qū)域構(gòu)造隸屬于鄂爾多斯盆地陜北斜坡北部中帶，緊鄰奧陶紀中央古隆起[8]，總面積約6 600 km2(圖1)。由于受中央古隆起和邊側(cè)坳陷制約，長期處于穩(wěn)定陸表海環(huán)境，早奧陶世馬家溝組地層共有4次海侵(馬一早期、馬二期、馬四期和馬六期)和4次海退(馬一晚期、馬三期、馬五期、馬六期末)。區(qū)域巖相古地理的分布主要受到海侵海退、古隆起和凹地的控制。海退時，在古隆起區(qū)域常形成蒸發(fā)臺地沉積，在凹地則形成瀉湖沉積，其間是廣闊的潮間坪環(huán)境[9]。海侵時，主要以開闊臺地沉積為主[10]。奧陶紀末期的加里東運動，導致盆地整體抬升，使奧陶系碳酸鹽巖經(jīng)歷了長達1.5億年的風化剝蝕和大氣淡水淋濾，從而在準平原化的背景上形成古風化殼及古巖溶體系[11-12]。晚古生代隨地殼整體下降，奧陶系風化殼接受石炭系、二疊系沉積，古巖溶環(huán)境由開放進入封閉，在不斷的埋藏和壓實過程中，埋藏水對古巖溶體系進行改造，形成現(xiàn)今的巖溶儲層[13-15]。

圖1研究區(qū)位置及構(gòu)造

2　沉積微相的劃分

馬五段沉積時期盆地基底抬升，海平面相對下降，氣候干旱炎熱。研究區(qū)海水主要來自東面，但因華北地臺整體海平面降低，中、東部(主體)補給的海水相對較少，且循環(huán)性較差，具較高的含鹽度[16]。西部海水只在局部時期漫過中央隆起帶而進入研究區(qū)。在研究區(qū)東部潮下帶中存在陸棚盆地深坳中心(位于米脂一帶)，沿此中心分布了有序的潮下至潮上的不同類型云坪[17]，四周邊緣地帶常發(fā)育膏巖及巖鹽等蒸發(fā)巖。馬五5沉積期是馬五期海退半旋回中的一次較大規(guī)模海侵，在靖邊氣田及其以東地區(qū)沉積了一套黑色泥晶灰?guī)r。研究區(qū)位于靖邊西南區(qū)域，在沉積時較靖邊氣田更接近于古隆起，除了發(fā)育部分黑色泥晶灰?guī)r外，還發(fā)育砂礫屑灰?guī)r。

2.1　巖石類型及沉積微相劃分

馬五5巖石類型較豐富，主要為泥晶白云巖(或含少量泥質(zhì)紋層)、粗粉—細晶白云巖(包括殘余顆粒白云巖)、凝塊狀灰?guī)r或凝塊狀白云巖以及由以上巖石經(jīng)巖溶作用形成的各類巖溶角礫巖等，巖石顏色以深色為主，包括深灰色、灰黑色等。

根據(jù)大量的巖心觀察、鏡下薄片鑒定，對馬五5劃分出三種微相：潮間云坪、顆粒灘、灰泥丘。

潮間云坪位于潮間帶，其沉積環(huán)境位于平均高潮面靠海一側(cè)，是潮間帶的主體，局部所處水體較為動蕩，間歇性地露出水面，水體能量相對較高。本區(qū)目的層主要表現(xiàn)為一套深灰色、灰黑色泥晶白云巖或含泥泥晶白云巖，發(fā)育平行層理(圖2a)、同生變形構(gòu)造(圖2b)，常見巖溶作用形成的巖溶角礫巖(圖2c)及巖溶滲流泥(圖2d)。

顆粒灘主要發(fā)育于潮間帶及潮下帶上部高能帶，受波浪作用影響強烈，主要發(fā)育顆?；?guī)r和風暴礫屑灰?guī)r，且大多發(fā)生亮晶膠結(jié)作用，后期多發(fā)生白云化作用形成殘余顆粒白云巖(圖2e、2f)或風暴礫屑白云巖(圖2g)，風暴礫屑白云巖內(nèi)部常見顆粒呈倒“小”字型排列。顆粒灘是研究區(qū)目的層發(fā)育的主要儲集相帶。

灰泥丘位于潮下帶下部低能帶，為研究區(qū)沉積體系內(nèi)水體最深的部分，鹽度正?；蚪?，水體安靜低能，生物活動頻繁；以沉積凝塊狀灰泥石灰?guī)r或泥灰?guī)r為特征，層面不平整，呈微丘狀、凝塊狀或假角礫狀，泥質(zhì)紋層常呈不規(guī)則的脈狀，蟲孔、蟲跡常見(圖2h)。

在成巖作用后期可發(fā)生白云化作用形成凝塊狀白云巖，此相帶不利于儲集巖的發(fā)育。

圖2馬五5巖石類型

2.2　沉積微相平面展布特征

依據(jù)20余口重點井的單井相分析，結(jié)合地震解釋結(jié)果，刻畫了各微相在平面上的展布特征，編制了馬五5沉積微相平面圖見圖3。

研究區(qū)由淺到深依次發(fā)育潮間云坪、顆粒灘、灰泥丘。其中潮間云坪分布范圍最廣，廣泛分布于沿S354—Sh354—Sh352—Sh387—Sh371—Sh372一線以西的大部分發(fā)育目的層的地區(qū)。顆粒灘主要分布于潮間云坪上，主要發(fā)育5個顆粒灘帶，由北到南依次為S263—S264—S269—S381一帶、Sh51—S355—Sh362—Sh353一帶、S343—S380—L4—S345—S203—L28—S383—S348一帶、L5—Sh333—Sh334—L14一帶和Sh430—Sh373—S223一帶，大體呈NE—SW向展布，其中前4個顆粒灘帶規(guī)模相對較大，第5個規(guī)模較小。灰泥丘分布范圍最小，呈長條狀發(fā)育于研究區(qū)東部沿S354—Sh354—Sh352—Sh387—Sh371—Sh372一線以東的地帶。

2.3　沉積微相與儲層

沉積微相和碳酸鹽巖儲層之間有重要的關系，儲層質(zhì)量優(yōu)劣受沉積微相控制。馬五5沉積微相平面分布圖(圖3)可以看出，研究區(qū)馬五5產(chǎn)氣井尤其高產(chǎn)井主要分布在顆粒灘為主的沉積微相區(qū)。

通過對研究區(qū)20余口重點取心井各微相進行物性分析顯示，無論是孔隙度還是有效厚度，顆粒灘最好，潮間云坪次之，灰泥丘最差。這主要是取決于巖石特征，相較于顆粒灰?guī)r，泥晶白云巖和凝塊灰?guī)r更類似于“鐵板”，成巖過程中前者更易被溶蝕改造。

圖3馬五5沉積微相平面圖

3　馬五5儲層特征

3.1　儲層巖石學特征

研究區(qū)馬五5為白云巖儲集層，儲集層巖性以粗粉—細晶白云巖和泥晶白云巖為主，夾泥質(zhì)白云巖、云質(zhì)泥巖、硬石膏巖和凝灰?guī)r等巖石類型。根據(jù)L14井、S269井等17口井298塊分析化驗樣品統(tǒng)計，本區(qū)巖石以方解石、白云石為主，占總礦物含量的94%以上，其中巖石中方解石平均含量為35%，白云石平均含量為59%，次要礦物包括黃鐵礦、硬石膏、硅質(zhì)，其它礦物含量很小。

3.2　儲集空間類型及特征

3.2.1晶間孔和晶間溶孔

晶間孔是研究區(qū)馬五5白云巖儲層重要的儲集空間，主要發(fā)育在粗粉晶白云巖與細晶白云巖中，且大多數(shù)存在于自形程度較高的白云石晶體之間，孔隙外觀常呈現(xiàn)為一個不規(guī)則的多邊形(圖4a、4b)。晶間孔多由白云化作用過程中體積收縮產(chǎn)生，因此孔隙大小受控于白云化作用程度。在后期漫長的成巖作用過程中，晶間孔多受到表生期溶蝕等作用的影響，往往發(fā)育形成晶間溶孔并且與晶間孔伴生，晶間溶孔孔徑通常比晶間孔大很多，局部可以見到石英及鞍狀白云石等半充填。晶間溶孔多為表生期風化殼強烈的溶蝕作用下形成，在白云巖中形成溶蝕孔洞，埋藏期多被充填，部分孔隙被保留下來(圖4c、4d)。晶間孔和晶間溶孔是研究區(qū)主要的儲集空間類型。

3.2.2粒間孔和粒間溶孔

粒間孔和粒間溶孔主要發(fā)育在殘余顆粒白云巖中(圖2e、2f)，沉積環(huán)境為潮間帶顆粒灘。其原巖為顆?；?guī)r，成巖期發(fā)生白云化作用，顆粒間即可形成粒間孔，后期經(jīng)歷表生溶蝕作用，顆粒間充填物被選擇性溶蝕而形成粒間溶孔。殘余顆粒白云巖為白云化程度較低產(chǎn)物，如在表生期或后期進一步發(fā)生白云化作用，導致殘余顆粒形狀和邊界消失殆盡，進而可形成自形程度較高的白云石晶體，這樣原來的粒間孔或粒間溶孔即向晶間孔或晶間溶孔轉(zhuǎn)化。

3.2.3裂縫

馬五5白云巖儲層裂縫以構(gòu)造縫為主(圖4e)，溶蝕縫次之，溶蝕縫常與溶蝕孔洞及構(gòu)造裂縫伴生(圖4f)，發(fā)育于遭受溶蝕作用的泥粉晶白云巖中，多形成于表生期，埋藏期構(gòu)造裂縫附近也可形成溶蝕縫洞，在未充填或半充填情況下，可作為孔隙喉道或與溶蝕孔隙一起作為儲集空間。

圖4孔隙類型

3.3　儲層孔滲特征

根據(jù)巖心和測井解釋數(shù)據(jù)分析表明靖邊西南馬五5白云巖儲層為低孔、低滲儲層，孔隙度分布范圍為0.58%～10.53%，平均5.9%，滲透率分布范圍(0.002 9～11.04)×10-3μm2，平均為0.683 8×10-3μm2，從孔滲分布頻率圖上可以看出孔隙度主要分布在1%～7%，滲透率主要分布在(0.01～0.05)×10-3μm2和(0.1～0.5)×10-3μm2范圍，其中具裂縫的溶蝕孔洞白云巖滲透率可達(1.0～20)×10-3μm2。

4　成巖相與儲層孔隙演化分析

對于低孔低滲的白云巖儲層來說，成巖作用的改造是影響儲層的主要因素之一。

4.1　成巖階段及孔隙演化

依據(jù)大量巖心觀察、鏡下薄片鑒定結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，總結(jié)出研究區(qū)馬五5成巖階段以及不同沉積微相的儲層和儲集空間在各階段的演化序列?？傮w來看主要經(jīng)歷了4個成巖階段：準同生期成巖階段(O2)、淺埋藏成巖階段(O3)、風化殼大氣淡水成巖階段(O3—C1)、中—深埋藏成巖階段(C2—N)。

(1)準同生期成巖階段(O2)

中奧陶世為未壓實固結(jié)的準同生階段，顆粒灘上形成的顆粒之間充填了粒間水和部分灰泥，基本無孔隙。而潮間云坪上泥晶白云巖發(fā)育原生晶間微孔，原始孔隙度較高。灰泥丘上沉積了凝塊狀灰泥，基本無孔隙發(fā)育。因此該階段的孔隙主要為潮間云坪泥晶白云巖中的晶間微孔。

(2)淺埋藏成巖階段(O3)

到了晚奧陶世，目的層已固結(jié)成巖，此時期顆粒灘沉積物發(fā)生埋藏白云石化作用，即上覆潮上潮間帶高鹽度鹵水順著孔縫滲入地層，原始顆?；?guī)r在鹵水長期浸泡過程中發(fā)生白云化作用，逐漸形成粗粉晶白云巖、細晶白云巖，產(chǎn)生大量的晶間孔，這種白云化作用一直持續(xù)到中—深埋藏成巖階段。潮間云坪上泥晶白云巖準同生階段的原生晶間微孔在埋藏壓實過程中大量消失，僅少量晶間微孔能得以保存?；夷嗲鹕系哪龎K狀灰?guī)r也部分地發(fā)生埋藏白云化作用，形成一些晶間孔。該階段孔隙組合為白云巖晶間孔和少量殘余晶間微孔。

(3)風化殼大氣淡水淋濾成巖階段(O3—C1)

奧陶紀末整個鄂爾多斯抬升遭受風化剝蝕，也稱作表生期，在古風化殼大氣淡水淋濾的作用下，各微相巖石均遭受一定的溶蝕，產(chǎn)生了粒間溶孔或晶間溶孔，以及溶蝕縫。另外這一階段馬五段的碳酸鹽巖普遍遭受喀斯特化，形成了地下暗河——古溶洞沉積體系，古溶洞的坍塌也形成了一定數(shù)量的坍塌縫。這一階段是研究區(qū)最重要的儲層建造階段，一直持續(xù)到早石炭世。本階段孔隙組合為粒間溶孔(圖2e、2f)、晶間溶孔(圖4c、4d)、溶蝕縫(圖4f)和坍塌裂縫。

(4)中—深埋藏成巖階段(C2—N)

結(jié)束了表生期風化殼階段，馬五5進入了中—深埋藏的成巖階段。這一階段為成巖期的最后階段，主要成巖作用為膠結(jié)充填，之前成巖階段形成的孔隙接受不同程度的充填。同時在埋藏過程中，受構(gòu)造應力作用可形成構(gòu)造裂縫，沿構(gòu)造縫可發(fā)生地層壓實水局部溶蝕作用，形成溶蝕縫(圖4e)。本階段孔隙組合為殘余白云石晶間溶孔、殘余粒間溶孔、殘余構(gòu)造縫、溶蝕縫等。

4個成巖階段中，風化殼大氣淡水成巖階段最為重要，是馬家溝組碳酸鹽儲層形成的關鍵，可以說，沒有這個階段就沒有馬家溝組碳酸鹽儲層。而最后的中—深埋藏成巖階段也很重要，膠結(jié)充填的強弱直接影響著儲層的儲集性能。

綜合來看，不同相帶的巖石在經(jīng)歷以上成巖階段后可形成不同的成巖相。本文總結(jié)出5種成巖相類型。

對于顆粒灘而言，原始的顆?；?guī)r在中—深埋藏階段已全部變?yōu)闅堄囝w粒白云巖或細晶白云巖，如果表生期發(fā)生溶蝕作用形成的粒間溶孔或晶間溶孔在該成巖階段遭受弱或中等充填，則對應形成的成巖相為“溶解—中等充填粒(晶)間溶孔白云巖相”；若表生期發(fā)生溶蝕作用而中—深埋藏階段遭受強充填，或表生期未發(fā)生溶蝕作用而遭受強充填，則對應形成的成巖相為“強充填粒(晶)間溶孔白云巖相”。同樣，對于潮間云坪，若表生期發(fā)生溶蝕且中—深埋藏期遭受弱或中等充填，則對應形成的成巖相為“溶解—中等充填晶間溶孔白云巖相”；若表生期未發(fā)生溶蝕或發(fā)生溶蝕而中—深埋藏階段遭受強充填，則對應形成的成巖相為“強充填晶間溶孔白云巖相”。對于灰泥丘，受本身致密條件影響，淺埋藏成巖階段凝塊狀灰?guī)r大多未發(fā)生白云化作用，表生期大多又未發(fā)生溶蝕作用，那些發(fā)生白云化作用和溶蝕作用形成少量晶間孔隙的巖石在中—深埋藏階段也遭受了較強的充填作用，因此灰泥丘的凝塊狀灰?guī)r僅對應形成一種成巖相——“強充填晶間孔泥晶灰?guī)r相”。

4.2　成巖相與儲層物性

根據(jù)118塊巖心樣品成巖相分析及物性實測數(shù)據(jù)，對各成巖相孔滲分布特征進行了統(tǒng)計(表1)。結(jié)果顯示，溶解—中等充填粒(晶)間溶孔白云巖相物性最好，平均孔隙度達到3.44%，平均滲透率達0.65×10-3μm2，為最有利的成巖相；其次為溶解—中等充填晶間溶孔白云巖相，平均孔隙度達1.51%，平均滲透率達0.34×10-3μm2。

表1　不同成巖相物性特征統(tǒng)計

4.3　成巖相的平面展布

依據(jù)巖心和鏡下鑒定對取心段的成巖相進行綜合分析，以沉積微相平面圖為基礎，結(jié)合大量實測和測井解釋的物性數(shù)據(jù)，在平面上對馬五5成巖相的的展布進行了刻畫，編制了馬五5成巖相平面圖(圖5)。

從圖中可以看出，最有利的成巖相“溶解—中等充填粒(晶)間溶孔白云巖相”主要分布于5個地區(qū)，分別是：S264—S269—S381附近NW—SE方向展布的條帶區(qū)，Sh361—Sh353—S112一帶，S343—S380—L4—S345—L28—S203—S383一帶呈近NW—SE向展布的條帶區(qū)，Sh333—Sh334—L14一帶呈NE—SW向展布的條帶區(qū)，Sh430—S223一帶呈NW—SE向展布的狹窄條帶區(qū)。次有利成巖相“溶解—中等充填晶間溶孔白云巖相”分布范圍較小，主要集中在兩個區(qū)域，為S352—Sh357一帶和Sh367附近呈NW—SE狹窄條帶區(qū)。

圖5馬五5成巖相平面圖

5　巖溶古地貌對儲層的控制及有利區(qū)預測

通過沉積微相和成巖相的分析不難發(fā)現(xiàn)，沉積微相為優(yōu)質(zhì)儲層提供物質(zhì)基礎，成巖作用尤其是表生期的風化殼溶蝕作用的改造是優(yōu)質(zhì)儲層形成的關鍵，即沉積微相和成巖相對優(yōu)質(zhì)儲層的分布起主導控制作用，除此之外，巖溶古地貌的影響不可忽視。表生期大氣淡水淋濾溶蝕的過程中，所處古地貌的位置直接決定了遭受淋濾和溶蝕的程度，尤其古溝槽的發(fā)育直接影響氣藏的分布。

5.1　巖溶古地貌對于氣藏的影響

利用“殘余厚度法”對研究區(qū)古巖溶地貌進行了刻畫(圖6)，從不同地貌位置與產(chǎn)氣井的分布對應關系可以看出，高產(chǎn)井沿研究區(qū)西北部一條NW—SE向主溝槽兩側(cè)分布，且大多處于巖溶斜坡地帶。由于溝槽的溶蝕作用，改善了儲層的儲集空間，導致局部高地孔隙性好，構(gòu)成了良好的天然氣運移通道，當烴源巖進入排烴高峰期時，向下運移充注，導致某些高地率先成藏。

圖6靖邊西南巖溶古地貌

5.2　有利區(qū)預測

綜合馬五5沉積微相平面圖、成巖相平面圖和研究區(qū)巖溶古地貌圖和表2中的標準，編制了靖邊西南馬五5有利評價區(qū)預測圖(圖7)。

表2　有利區(qū)評價標準

其中預測了三個Ⅰ類評價區(qū)為氣藏勘探的最佳優(yōu)選區(qū)，如圖7中的粉色區(qū)域。分別是：①S379、G29—015C1、Sh51和G26—014所圍限區(qū)域；②G34—025、G36—024、S272、G38—20、G39—018a、S346、G33—019和G29—024之間所圍限的區(qū)域；③L14、Sh334、Sh333、L5和G43—019所圍限區(qū)域。

圖7靖邊西南馬五5有利評價區(qū)預測

6　結(jié)論

(1)對靖邊西南地區(qū)馬五5識別劃分出三個沉積微相：潮間云坪、顆粒灘和灰泥丘，其中顆粒灘微相最為有利。

(2)靖邊西南地區(qū)馬五5儲層的類型主要為白云巖儲層，具有低孔、低滲特征，儲集空間類型主要為粒(晶)間孔與晶間溶孔。

(3)識別劃分出5種成巖相，其中最有利的成巖相為溶解—中等充填粒(晶)間溶孔白云巖相。

(4)靖邊西南地區(qū)馬五5儲層發(fā)育的主控因素為：沉積微相為白云巖儲層的發(fā)育提供物質(zhì)基礎，表生期溶蝕作用是儲層孔隙空間建造的關鍵，古溝槽對儲層的巖溶改造起到重要作用，且為天然氣的運移提供了有利通道。最終預測出3個馬五5最有利的勘探區(qū)。