鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖主要儲層類型及其形成機制

周進高 付金華 于 洲 吳東旭 丁振純 李維嶺 唐 瑾

1.中國石油杭州地質研究院 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

鄂爾多斯盆地是我國重要的含油氣疊合盆地，寒武系—奧陶系以海相碳酸鹽巖為主，夾碎屑巖沉積，上古生界—中新生界以陸相碎屑巖沉積為主，海相碳酸鹽巖產天然氣、陸相碎屑巖油氣皆產。中國石油長慶油田公司（以下簡稱長慶油田）目前已連續6年油氣產量超過5 000×104t 油氣當量，成為我國目前產量最大的油氣田企業。其中，海相碳酸鹽巖已在下奧陶統馬家溝組上組合累計探明天然氣地質儲量6 500×108m3，是向首都供氣的重要資源基礎之一。在長慶油田“穩油增氣，二次加快發展”的背景下，加強海相碳酸鹽巖尤其是深層的油氣勘探、夯實天然氣資源基礎就顯得尤為重要。近年來，在馬家溝組中組合以及深層的馬四段、馬三段和寒武系的天然氣勘探見到了很好的苗頭，如桃38、統74 和蓮92 等井獲得了高產工業氣流，展示鄂爾多斯盆地深層海相碳酸鹽巖具有良好的天然氣勘探前景。

勘探揭示，鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖發育兩類儲層，即風化殼巖溶型白云巖儲層和顆粒灘型白云巖儲層。其中對于前者前人已開展了大量研究并取得豐碩成果，大多數學者都認為，該套儲層緊靠風化殼分布，涉及層位主要是馬家溝組、上寒武統三山子組和中寒武統張夏組，其中以馬家溝組上組合最為發育，研究成果也最多，對儲層成因的認識也基本一致，即潮坪相、巖溶作用和巖溶古地貌是儲層發育的主控因素[1-5]；而對于后者，研究起步則較晚，認識上尚存在著較大的分歧，目前并存著多種成因觀點，如白云石化成因、相控成因、巖溶成因等[6-9]。目前對于上述兩類儲層的分布雖然已經有了一定的認識，但有效儲層的宏觀規律性尤其是有利區帶尚不清楚，難以滿足區帶評價和目標優選的需求。為此，筆者針對上述研究現狀和存在的問題，基于野外露頭、重點鉆井和測井資料并結合實驗分析測試數據，著重探討了該盆地海相碳酸鹽巖發育的、具有規模的儲層類型及其成因和分布，目的是深化儲層成因和分布的規律性認識，以期為區帶評價和天然氣勘探目標優選提供依據。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖主要發育在馬家溝組和三山子組、張夏組[10-12]，馬家溝組為一套碳酸鹽巖和蒸發巖沉積，殘余厚度介于0～600 m，自下而上分為馬一段至馬六段6 個巖性段，其中馬二段、馬四段和馬六段為海侵沉積，沉積物巖性以白云巖和石灰巖為主，局部夾膏巖和鹽巖薄層；馬一段、馬三段和馬五段為海退沉積，沉積物巖性以膏巖和鹽巖為主，局部夾泥質云巖、白云巖和石灰巖薄層。受次級海侵、海退旋回控制，馬五段自上而下又細分為馬五1 亞段至馬五10 亞段10 個亞段。生產現場依據儲層類型及成藏特征，將馬五1 亞段—馬五4 亞段稱為上組合，馬五5 亞段—馬五10 亞段稱為中組合，馬四段—馬一段稱為下組合。三山子組和張夏組為一套鮞粒云巖和粉—細晶云巖，夾石灰巖，厚度介于0～500 m（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖成藏組合綜合柱狀圖

前人的研究認為，鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽屬碳酸鹽巖臺地沉積[10-11,13-15]，近期又取得了新進展，認為鑲邊臺地是馬家溝組和張夏組等勘探目的層的主要沉積背景[16-18]。張夏組、馬四段和馬五段中組合是潮濕氣候條件下的鑲邊臺地沉積體系，由西向東依次發育了盆地—斜坡相、臺地邊緣、局限臺地相（圖2-a～c）；馬一段、馬三段、馬五6 亞段等為障壁蒸發條件下的鑲邊臺地沉積體系，該時期由于中央隆起將華北海與祁連海隔絕，盆地中東部表現為蒸發臺地相，發育了潮坪和潟湖亞相（圖2-d），西部則發育了盆地—斜坡相。從目前的鉆探結果看，儲層主要發育于臺地邊緣鮞粒灘和局限臺地臺內鮞粒灘以及蒸發臺地的含膏云坪和膏質云坪等微相，表明了顆粒灘和膏質潮坪微相是儲層發育的基礎。

圖2 鄂爾多斯盆地重點勘探層位巖相古地理圖

寒武系—奧陶系海相碳酸鹽巖直接不整合覆蓋在前寒武系變質基底上。研究認為，前寒武系裂陷普遍發育[19-21]，其對寒武系沉積具有控制作用。受早期裂陷和隆起的影響，寒武系特別是張夏組有利儲集相帶主要沿裂陷邊緣和古隆起周緣分布。寒武紀末，在懷遠構造運動影響下，華北地臺整體抬升，寒武系遭受風化淋濾和剝蝕，位于慶陽和橫山古隆起部位剝蝕最為強烈，成為巖溶型儲層發育的有利區。懷遠運動后，鄂爾多斯盆地構造格局發生很大變化，由寒武紀北東向裂陷與隆起間互格局轉化為南北向隆坳格局，中央古隆起分隔了華北海和祁連海，古隆起和次級隆起共同控制了顆粒灘的發育，而坳陷則控制了蒸發潟湖和膏質云坪的分布。奧陶紀晚期，受華北板塊和揚子板塊沿商丹構造帶碰撞造山作用的影響，華北地臺再次抬升，致使馬家溝組遭受長時間大規模的風化剝蝕，在慶陽古隆起等地區，寒武系和奧陶系被剝蝕殆盡，局部甚至剝蝕至長城系和薊縣系，長期的風化淋濾為巖溶型儲層的規模發育提供了良好構造背景。

綜上所述，鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖主要發育在寒武—奧陶系，主要勘探目的層張夏組、馬四段和馬五段為鑲邊臺地沉積，膏質云坪和顆粒灘微相為儲層發育奠定了良好物質基礎，而層序界面特別是加里東構造和懷遠構造兩期不整合面為儲層改造提供了區域構造條件。

2 儲層成因與分布

鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖主要發育顆粒灘型白云巖儲層和巖溶型白云巖儲層。前人研究大多集中在巖溶型白云巖儲層[1-3,5]，對顆粒灘型白云巖儲層研究較少，筆者將系統探討上述兩類儲層的形成機制和宏觀分布規律。

2.1 顆粒灘型儲層成因與分布

2.1.1 儲層特征

圖3 鄂爾多斯盆地顆粒灘型儲層特征照片

顆粒灘型儲層主要巖性是鮞粒云巖、砂屑云巖、晶粒云巖及微生物云巖（圖3）。鮞粒云巖主要發育在張夏組和三山子組以及馬四段，砂屑云巖則發育于馬家溝組的臺緣和臺內顆粒灘，晶粒云巖在各層段均有分布；微生物云巖常常與馬家溝組臺內顆粒灘共生，由于二者在測井解釋上難以區分，因此往往將微生物云巖統計到臺內顆粒灘型儲層中，從巖心觀察看，微生物云巖主要是凝塊石云巖和紋層石云巖。儲集空間包含殘余粒間（溶）孔、微生物格架（溶）孔、晶間（溶）孔和溶洞以及少量裂縫，其中孔隙既有原生孔也有次生孔隙，洞以小型溶洞為主，縫則包含構造縫和成巖縫（圖3）。常見原生孔隙有粒間孔和微生物格架孔，原生孔中常有纖狀或犬牙狀白云石膠結物和方解石膠結物，致使孔隙大幅減少，殘余孔隙孔徑一般介于0.02～0.50 mm[6,8]；溶蝕孔洞包含原生孔隙擴溶孔和非組構巖溶形成的小型溶洞，其中也常見塊狀方解石和鞍狀白云石充填。物性統計表明，顆粒灘型儲層的孔隙度介于2.00%～18.03%，平均孔隙度為6.16%；滲透率為0.002～203.150 mD，平均滲透率為6.810 mD。

2.1.2 儲集空間形成與保持機制

機械沉積和微生物造丘是原生孔隙形成的重要機制。在顆粒灘沉積過程中，鮞粒或砂屑的機械堆積造成顆粒之間存在空隙，這就是最初的粒間孔，機械沉積作用產生的原生孔隙度理論上最大可達40%，鑒于顆粒的分選和磨圓存在差異，顆粒灘相沉積原生孔隙度一般介于30%～35%。微生物作用可以從以下方面產生孔隙：①通過微生物黏結形成凝塊，再由凝塊顆粒造架產生孔隙；②由微生物紋層或疊層造架產生格架孔；③微生物席早期腐爛產生不規則（鳥眼狀）孔隙等。鄂爾多斯盆地微生物作用形成的原生孔隙尚無法定量，但從四川盆地和塔里木盆地震旦系—寒武系微生物巖儲層看，原生孔隙介于10%～30%[22-26]。

準同生溶蝕和風化殼巖溶作用是溶孔溶洞形成的機制。野外露頭和巖心觀察可見顆粒灘型儲層中發育大小不等、形態各異的溶蝕孔洞，這些孔洞縱向上往往發育在顆粒灘旋回的中上部，多數孔洞的長軸順層分布，少量斜交層面，其中充填少量自形的白云石和塊狀鐵方解石，這些孔洞的形成主要與準同生溶蝕有關。圖4 展示了顆粒灘旋回與孔洞發育程度、物性之間具有正相關關系：在向上變淺的顆粒灘旋回中，越往上靠近高頻層序界面（短暫間斷面），孔洞越發育，物性也越好，這說明孔洞的發育與高頻海平面下降引起的準同生溶蝕作用相關[27-34]。當然，早期形成的溶蝕孔洞部分可能經歷過風化殼巖溶作用的改造，這種改造在中央隆起強烈剝蝕區比較明顯，尤其是張夏組、三山子組、馬四段甚至中組合的顆粒灘相直接暴露地表，遭受長期的淋濾溶蝕的區域，溶溝溶洞較發育，其中充填了上覆地層的鋁土質黏土。

圖4 靳2 井馬五6 亞段高頻顆粒灘旋回與物性的關系圖

早期白云石化和封閉體系有利于孔隙的保持。關于顆粒灘白云巖的成因，大多學者認為與準同生白云石化有關[7,35-36]，鄂爾多斯盆地顆粒灘白云巖的地球化學分析數據（圖5）也支持這一觀點。關于白云石化的作用，近來的研究認為既沒有明顯的增孔也沒有明顯的減孔效應，而是趨向于對早期孔隙的保持具有建設性作用，主要依據是早期白云石化將鈣質沉積物轉變為白云巖后，增強了抗壓溶能力，避免壓溶引起的鈣質沉淀而堵塞孔隙，從而避免了減孔[22,29-32]。早期孔隙能在漫長的地質歷史中保存下來，還有賴于水巖反應達到長久的平衡。由于深層碳酸鹽巖上覆沉積了馬五6 亞段厚層膏鹽巖，加上石炭系—二疊系煤系地層的區域封堵，海相碳酸鹽巖進入早二疊世后就被完全封堵，處于長期的封閉體系，在這個封閉體系里，除了沉淀少量鐵方解石或鐵白云石外，很快達到水巖反應平衡，這種平衡體系使殘留的孔隙或孔洞得以保留[37-38]。

2.1.3 有利儲層分布

圖5 鄂爾多斯盆地顆粒灘白云巖碳、氧、鍶同位素組成圖

圖6 鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖顆粒灘型儲層分布圖

從以上儲集空間的形成與保持機制看，控制儲層發育的主要因素是顆粒灘微相和準同生溶蝕作用，這意味著經歷準同生溶蝕的顆粒灘有利于儲層形成。據此預測了顆粒灘型儲層的有利分布區（圖6）。圖6 顯示，張夏組儲層主要分布在鄂托克前旗—定邊—上韓臺緣帶和榆林—子長一帶（圖6 粉紅色區域）；馬四段儲層主要發育在沿中央古隆起展布的臺緣帶和沿榆林—橫山展布的臺內低隆顆粒灘帶（紅線區域）；中組合儲層分布在中央古隆起的東部桃利廟—吳起和榆林—志丹低隆顆粒灘帶（棕黃色區域）。

2.2 巖溶型儲層成因與分布

2.2.1 儲層特征

巖溶型儲層主要發育在馬一段、馬三段和馬五段上組合，目前以馬五段上組合研究最為詳細[2,3,5,39]。從大量鉆井巖心看，產層的主要巖性是（含）膏模孔細粉晶云巖和粉晶云巖（圖7）。儲集空間為膏模孔、溶洞及微裂縫。膏模孔包括石膏晶體鑄模孔和石膏結核鑄模孔，約占總孔隙的90%以上。石膏晶體鑄模孔大小介于0.05 mm×0.50 mm～0.20 mm×0.50 mm，呈孤立狀順層分布，其中大多數被方解石、石英、高嶺石等全充填或半充填（圖7-a～c）；石膏結核鑄模孔由石膏結核溶蝕形成，常呈不規則圓形、橢圓形等形態，直徑介于0.5～5.0 mm，1.5～3.0 mm 居多，常見滲流白云石粉砂及方解石等半充填或全充填（圖7-d～f）。溶洞見于風化殼附近及巖溶角礫巖，但因泥質充填殘留有限。晶間孔常見于粉晶云巖中，分布于馬五14層和馬五2亞段。微裂縫常見于（含）膏模孔粉—細晶云巖，溝通膏模孔，對儲層滲透率有重要貢獻（圖7-b）。物性統計表明，巖溶型儲層的孔隙度介于2.00%～16.36%，平均孔隙度為5.98%，滲透率介于0.002～251.690 mD，平均滲透率為2.620 mD。

2.2.2 儲集空間形成與保持

膏模孔在鄂爾多斯盆地巖溶型儲層中占絕對優勢，以下以膏模孔為例來探討儲集空間的形成與保持。

蒸發潮坪是儲層發育的基礎。從已有鉆探結果看，巖溶型儲層基本發育在含膏云坪和膏云坪環境，而潟湖環境則主要發育蓋層，儲層的發育具有明顯的相控性[2,5]。

圖7 鄂爾多斯盆地馬家溝組上組合巖溶型儲層特征照片

同生期層間巖溶和裸露期風化殼巖溶是膏模孔形成的主要機制。同生期層間巖溶是指由于三級或四級海平面下降使已固結或半固結沉積物暴露地表，遭受淡水淋濾的溶蝕作用，這主要發生在馬一段、馬三段和馬五段，尤其是馬一段和馬三段的沉積末期，造成馬一段和馬三段上部潮坪沉積中易溶的石膏結核或晶體溶蝕，形成膏模孔，該期形成的膏模孔大多可見方解石全—半充填。風化殼巖溶是馬五段膏模孔形成的關鍵因素。晚奧陶世，由于秦嶺洋關閉，造山運動使華北地臺隆升，造成長達1.5 億年的沉積間斷，致使鄂爾多斯盆地奧陶系遭受嚴重風化剝蝕，欠穩定的石膏礦物被溶蝕帶走而形成膏模孔，孔隙度最高可達40%，而白云巖經長期淋濾溶蝕，其碳、氧、鍶同位素具有明顯的淡水改造特點（圖8）。該時期形成的膏模孔底部往往充填有同期白云石粉屑（可能是巖溶流體帶來或是結核本身包含少量白云石），與后期充填礦物形成示底構造。

圖8 鄂爾多斯盆地巖溶白云巖碳、氧、鍶同位素組成圖

膏模孔的保存受礦物充填和封閉體系兩大因素的控制。礦物充填破壞孔隙，充填作用越弱，越有利于孔隙保存。研究成果揭示，膏模孔經歷多期充填，第一期是與膏模孔形成同時的白云石粉屑充填，第二期是硬石膏、自形白云石或連晶方解石充填，第三期是無鐵方解石和石英充填，第四期是鐵白云石或鐵方解石充填。在不同巖溶古地貌環境，充填作用和充填程度不同，巖溶高地、斜坡和巖溶盆地的殘丘往往是白云石粉屑＋白云石或石英充填，以半充填為主；巖溶高地和斜坡的溝槽、巖溶盆地多為方解石或白云石粉屑＋方解石充填，以全充填為主。經充填作用改造，膏模孔大多被充填縮小甚至消失，孔隙度大幅降低至3%～20%。殘留下來的孔隙主要依靠封閉體系來保持水巖反應的長久平衡。石炭系煤系地層沉積后，隨著壓實作用的增強，煤系地層的封堵能力迅速增加，其與下伏馬五6 亞段膏鹽巖一道將上組合封閉，為殘余孔隙的保持提供的條件。

2.2.3 有利儲層分布

綜上分析表明，巖溶型儲層的形成受沉積微相和巖溶作用的控制，但儲層的保持取決于充填礦物及充填程度，而巖溶古地貌又控制了充填礦物類型和充填程度，因此，有利儲層的分布主要與微相和巖溶古地貌相關[2]，（含）膏云坪與巖溶高地、巖溶斜坡或巖溶殘丘疊合的地區有利于儲層的形成和保存，據此預測了烏審旗—靖邊—志丹以及佳縣—榆林是馬家溝組上組合有利儲層分布區（圖9 紫色區域）；而榆林—子長—延安—華池一帶為馬三段有利儲層分布區（圖9 棕黃色區域）。

圖9 鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖巖溶型儲層分布圖

3 有利勘探方向

從儲層預測結果看，鄂托克前旗—定邊—上韓、桃利廟—吳起和榆林—志丹一帶是儲層有利分布區。鄂托克前旗—定邊—上韓一帶是張夏組和馬四段顆粒灘型儲層有利分布區，該區特點是儲層厚度大，物性好，但缺乏圈閉條件，目前處于構造低部位，已鉆探井大多產水，失去了勘探意義。桃利廟—志丹區帶是巖溶型儲層與臺緣顆粒灘型儲層的疊合地區，其中，巖溶型儲層位于巖溶高地與巖溶斜坡古地貌環境，充填較弱，物性較好，其與溝槽充填的泥頁巖一起形成地層圈閉；顆粒灘型儲層位于臺緣帶向臺內遷移地區，儲層物性較好，其上傾方向為臺內坳陷沉積，可共同構成巖性圈閉。榆林—志丹一帶是巖溶型儲層與臺內顆粒灘型儲層的疊合區，巖溶型儲層位于斜坡古地貌位置，物性較好，與溝槽充填的泥頁巖一起形成地層圈閉；顆粒灘型儲層包括張夏組臺內鮞粒灘儲層、馬五段中組合臺內顆粒灘型儲層和馬四段臺內顆粒灘型儲層，與臺緣灘相比，臺內灘厚度變薄，但仍然具有較好儲集性能，其上傾方向也具備良好封堵條件，可形成系列巖性圈閉。綜合評價認為，桃利廟—吳起和榆林—志丹一帶是最有利勘探區帶，目前在上述區帶內馬家溝組上組合已發現大氣田，深部的中組合和馬四段也有零星發現，隨著進一步勘探，深層一定會取得天然氣勘探大突破。

4 結論

1）鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖主要發育巖溶型和顆粒灘型兩種類型白云巖儲層，巖溶型儲層發育于蒸發臺地的含膏云坪和膏云坪微相，主要分布在馬家溝組上組合、馬一段和馬三段；顆粒灘型儲層主要發育于臺緣鮞粒灘和臺內鮞粒灘微相，分布在張夏組、三山子組、馬四段和馬家溝組中組合。

2）顆粒灘型儲層主要巖性是鮞粒云巖、砂屑云巖、晶粒云巖及微生物云巖，主要儲集空間為殘余粒間（溶）孔、微生物格架（溶）孔、晶間（溶）孔和溶洞，孔隙度介于2.00%～18.03%，平均孔隙度為6.16%，機械沉積和微生物造丘是原生孔隙形成的重要機制，準同生溶蝕和裸露期風化殼巖溶作用是溶孔溶洞形成的機制，早期白云石化和封閉體系有利于孔隙的保持。

3）巖溶型儲層的主要巖性是（含）膏模孔細粉晶云巖和粉晶云巖，儲集空間為膏模孔、溶洞及微裂縫，孔隙度介于2.00%～16.36%，平均孔隙度為5.98%同生期層間巖溶和裸露期風化殼巖溶是膏模孔形成的主要機制，膏模孔的保存受礦物充填和封閉體系兩大因素的控制。

4）鄂爾多斯盆地海相碳酸鹽巖有利儲層主要分布鄂托克前旗—定邊—上韓、桃利廟—吳起和榆林—志丹一帶，其中桃利廟—吳起和榆林—志丹一帶是該盆地深層碳酸鹽巖氣藏勘探的有利區帶，有望取得天然氣勘探新突破。