鄂爾多斯盆地米脂地區奧陶系馬四段儲層成因與分布

于 洲 牛小兵 張才利 馬永威 魏柳斌 董國棟 尹 陳 賈佳佳

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

鄂爾多斯盆地是中國第二大克拉通盆地，其下古生界海相碳酸鹽巖蘊藏著豐富的天然氣資源[1]。近幾十年來，針對海相碳酸鹽巖天然氣勘探主要聚焦于該盆地中東部奧陶系馬家溝組五段（以下簡稱馬五段）和中央古隆起東側馬家溝組四段（以下簡稱馬四段），并圍繞兩大勘探目標部署了大量的鉆井，在馬五段中先后發現以膏溶孔為儲集空間的巖溶風化殼儲層和以溶孔、晶間孔為儲集空間的臺內丘灘相白云巖儲層，并在兩類儲層中成功勘探出規模分布的風化殼氣藏[2-7]和白云巖巖性氣藏[6-13]；在中央古隆起東側馬四段中也發現了廣泛分布的厚層優質孔隙型白云巖儲層[14-17]，但由于該區馬四段上覆地層為蓋層封閉性能差的上古生界石炭系—二疊系煤系地層[18]，加之燕山期東部抬升，中央古隆起東側馬四段處于構造低部位，其上傾方向缺乏有效遮擋，難以形成有效圈閉，導致該區馬四段白云巖儲層普遍產水[17]。

近年來，為在馬家溝組內尋找新的規模儲量、產量增長區，中國石油長慶油田公司加大了對鄂爾多斯盆地東部米脂地區鹽下馬四段的勘探力度，論證并部署了一口鉆探目的層為馬四段的風險探井——米探1井。鉆探結果顯示，米探1井馬四段發育多套具斑狀結構的薄層儲層，并于2021年6月在馬四3亞段和馬四2亞段合試獲得35.24×104m3/d的天然氣無阻流量，成為首口在馬四段獲得高產工業氣流的探井，展示出米脂地區馬四段具有良好的天然氣勘探前景。前人對馬四段的研究主要圍繞巖相古地理方面開展[19-22]，而針對馬四段儲層相關的研究較少[14-17,23]，且研究目標為盆地中南部、中部厚層孔隙型白云巖儲層[14-17]和盆地北部古巖溶洞穴型儲層[23]，尚未對盆地東部米脂地區薄層儲層開展系統研究，從而導致米脂地區馬四段存在儲層成因及分布規律不清等問題，制約了該區下一步天然氣勘探部署。為此，本文綜合野外剖面、鉆井巖心、微觀薄片、場發射掃描電鏡、三維CT和微區原位地球化學特征等資料，對米脂地區馬四段儲層特征、成因及分布規律開展了系統研究，并預測出優質儲層分布區，以期為該區馬四段天然氣勘探部署提供技術支撐。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地奧陶紀馬四期為馬家溝組沉積時的最大海侵期[19-22]，華北臺地海水淹過離石隆起進入米脂地區，造成該區與華北廣海海水循環通暢，沉積了一套以石灰巖、灰質白云巖和白云巖等碳酸鹽巖為主，僅在上部夾多套硬石膏巖層段的巖性地層，并與下伏馬三段與上覆馬五段整合接觸。根據巖石組合及沉積旋回特征，馬四段自下而上又細劃分為馬四3亞段、馬四2亞段和馬四1亞段：其中米脂地區馬四3亞段地層厚度一般為49～72 m，巖性以石灰巖和含白云石灰巖為主，局部地區夾少量灰質白云巖和白云巖薄層；馬四2亞段地層厚度一般為48～56 m，沉積物巖性以石灰巖和白云巖間互沉積為特征，并總體呈現出由下至上白云質含量逐漸增加的演變特征；馬四1亞段地層厚度一般為37～48 m，下部以硬石膏巖、石灰巖和白云巖沉積為主要特征，上部以石灰巖和白云巖沉積為主，其中與硬石膏巖伴生的白云巖多呈現出紋層結構。

據前人研究表明，鄂爾多斯盆地米脂地區在奧陶紀馬家溝期位于地勢相對較低、沉積水體較深的米脂（陜北）坳陷[24-27]。基于地震和鉆井編制的最新地層厚度圖顯示，米脂地區在奧陶紀馬四期并不是一個一馬平川的負地形坳陷，其內部發育多個次一級的低凸起和凹陷。受“凹凸相間”古地理格局控制，米脂地區奧陶紀馬四期為局限臺地，并可進一步識別出含云膏坪、臺內丘和灰質潟湖，其中凸起帶總體上以發育臺內丘為特征，其沉積物巖性主要為白云巖、灰質白云巖和云質石灰巖；凹陷為灰質潟湖沉積，沉積物巖性以含白云石灰巖和石灰巖為特征（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地米脂地區馬四段巖相古地理圖及地層綜合柱狀圖

2 馬四段儲層特征

綜合鉆井巖心、微觀薄片和測井研究表明，鄂爾多斯盆地米脂地區馬四段儲層巖性主要為斑狀粉晶白云巖、斑狀灰質白云巖和斑狀云質石灰巖，含少量的微生物白云巖和角礫巖（圖2、3）。目前研究區取心井少，僅有米探1井和米探3井鉆遇了少量角礫巖和微生物白云巖，且單層厚度與累積厚度均較薄（圖2）。為此，本文僅對斑狀粉晶白云巖、斑狀灰質白云巖和斑狀云質石灰巖進行分析。

圖2 米探1井馬四段儲層綜合柱狀圖

2.1 斑狀粉晶白云巖

斑狀粉晶白云巖宏觀上呈斑狀結構，由淺灰色白云巖和深灰色白云巖組成，發育溶蝕孔、晶間孔和微裂縫（圖3-a～c）。淺灰色白云巖主要由粗粉晶白云石組成，含少量細粉晶白云石,白云石晶體以半自形—自形晶為主，含少量它形晶，發育晶間孔，部分巖石樣品中含少量溶蝕孔，δ13C值介于－0.82‰～0.06‰，δ18O值介于－6.46‰～－4.00‰，87Sr/86Sr介于0.709 1～0.709 2；深灰色白云巖巖性為他形細粉晶白云石，鑲嵌接觸，巖性致密、基質孔隙不發育，δ13C值介于－1.00‰～0.31‰，δ18O值介于－6.5‰～－3.1‰，87Sr/86Sr介于0.709 0～0.709 2。

晶間孔是斑狀粉晶白云巖最主要的儲集空間類型，孔徑一般為15～30 μm居多，孔隙形態呈不規則多邊形（圖3-c）；溶蝕孔在斑狀粉晶白云巖中少量分布，孔徑一般為0.8～3.0 mm，由晶間孔經過溶蝕作用擴溶而成，部分溶孔被白色方解石充填（圖3-a）；微裂縫為構造縫，裂縫寬度一般為0.5～2.0 mm，部分被方解石充填，未被充填的微裂縫對改善儲層滲透性發揮著重要作用（圖3-b）。61塊巖心樣品物性統計表明，斑狀粉晶白云巖的孔隙度分布于0.79%～7.41%，平均孔隙度為3.08%；滲透率分布于0.001 6～0.221 0 mD，平均滲透率為0.03 mD。從頻率直方圖來看，孔隙度分布絕大多數大于2%（約占77%）（圖4-a）；滲透率主要分布于0.01～0.10 mD，占比60%，小于0.01 mD占比35%，大于0.10 mD占比僅為5%（圖4-b）。

2.2 斑狀灰質白云巖

斑狀灰質白云巖由深灰色白云巖和淺灰色含云質石灰巖或石灰巖組成，呈斑狀結構，發育溶蝕孔、晶間孔和微裂縫（圖3-d、e）。深灰色白云巖主要由粗粉晶白云石組成，含少量細粉晶白云石，白云石晶體以半自形—自形晶為主，含少量它形晶，發育晶間孔（圖3-a～c）；淺灰色云質石灰巖由它形細粉晶白云石和灰泥組成，其中細粉晶白云石呈彌散狀分布于灰泥中，巖性較為致密、基質孔隙不發育。

圖3 鄂爾多斯盆地米脂地區馬四段儲層特征圖

晶間孔是斑狀灰質粉晶白云巖最主要、也是最重要的主要儲集空間類型，孔徑一般為1～15 μm、15～30 μm居多，孔隙形態呈三角形、菱形或不規則多邊形，充填礦物較少；溶蝕孔和微裂縫在斑狀灰質白云巖中也有少量分布，溶蝕孔孔徑一般為0.8～3.0 mm，為構造破裂縫，裂縫寬度一般為0.5～2.0 mm，部分未充填、部分被方解石全充填或半充填。95塊巖心樣品物性統計表明，斑狀灰質粉晶白云巖的孔隙度分布于0.70%～6.15%，平均孔隙度為1.51%；滲透率分布于0.001 7～0.738 8 mD，平均滲透率為0.029 0 mD。從頻率直方圖來看，絕大多數樣品孔隙度小于2.0%（約占83.2%），孔隙度大于2.0%的優質儲層樣品僅占16.8%（圖4-a）；滲透率主要分布于0.01～0.10 mD，占比73.40%，小于0.01 mD占比23.40%，大于0.10 mD占比僅為3.20%（圖4-b）。

圖4 鄂爾多斯盆地米脂地區馬四段儲層物性特征圖

2.3 斑狀云質石灰巖

斑狀云質石灰巖由深灰色白云巖和灰色石灰巖組成，白云巖呈斑塊狀分布于石灰巖中（圖3-f），發育晶間孔和微裂縫（圖3-g～i）。深灰色白云巖斑塊主要由細粉晶白云石組成，含少量粗粉晶白云石，白云石晶體以它形晶為主，含少量自形晶，白云石晶體線接觸或點接觸，發育晶間孔。白云巖的δ13C值介于－0.76‰～－0.10‰，δ18O值介于－6.05‰～－4.83‰，87Sr/86Sr介于0.709 1～0.709 2；灰色石灰巖主要由灰泥或顆粒與亮晶方解石膠結物組成，巖性致密、孔隙不發育。石灰巖的δ13C值介于－0.66‰～－0.05‰，δ18O值介于－6.47‰～－6.00‰，87Sr/86Sr介于0.708 8～0.709 2。

晶間孔是斑狀云質石灰巖最主要的儲集空間類型，孔徑一般為1～15 μm居多，呈三角形、菱形或不規則多邊形，孔隙內常見方解石和灰泥等充填礦物（圖3-e、f）；溶蝕孔在斑狀云質石灰巖中也有少量分布，孔徑一般為0.8～1.0 cm，由晶間孔經過溶蝕作用擴溶而成（圖3-f）；微裂縫為構造裂縫，裂縫寬度一般為0.5～2.0 mm，能夠有效串聯斑狀分布的晶間孔隙（圖3-i），是改善斑狀云質石灰巖滲透性的重要孔隙類型。55塊巖心樣品物性統計表明，斑狀云質石灰巖的孔隙度分布于0.39%～3.64%，平均孔隙度為1.29%；滲透率分布于0.004 1～0.715 9 mD，平均滲透率為0.038 0 mD。從頻率直方圖來看，絕大多數樣品的孔隙度小于2.0%（約占83.9%），孔隙度大于2.0%的優質儲層樣品僅占16.1%（圖4-a）；滲透率主要分布于0.01～0.10 mD，占比96.40%，其余樣品滲透率均小于0.01 mD（圖4-b）。

3 儲層成因及發育模式

基于巖石學和地球化學特征，并綜合研究區區域地質背景[1,18]研究認為，米脂地區馬四段儲層發育主要受生物擾動作用、白云石化作用、斷裂作用和溶蝕作用共同控制，并建立了鄂爾多斯盆地米脂地區馬四段儲層發育模式圖（圖5）。

圖5 鄂爾多斯盆地米脂地區馬四段儲層成因模式圖（剖面位置見圖1）

3.1 生物擾動作用為儲層發育奠定了基礎條件

斑狀粉晶白云巖、斑狀灰質白云巖和斑狀云質石灰巖的孔隙發育于斑狀區，而斑狀區之間的細粉晶白云巖和石灰巖巖性均較為致密、孔隙不發育，這表明儲層中的孔隙形成與斑狀結構成因密切相關。前人研究表明，這種斑狀結構由生物擾動作用形成[28-31]。準同生期，造跡生物在基質孔隙不發育的粉晶白云巖和石灰巖中爬行、覓食或居住，形成復雜多變的潛穴系統甚至形成生物攪動層。沉積水體相對較深時，造跡生物僅在地勢相對較高的凸起帶活動，生物種群密度小或生物的活躍度也較低，在沉積物中形成斑點狀、斑塊狀或樹枝狀的潛穴（圖5-a）。這些潛穴在隨后沉積過程中易被上覆沉積物滲入與充填，但仍比潛穴間未被造跡生物改造過的圍巖疏松，保留了部分孔隙（圖5-b）；沉積水體相對較淺時，造跡生物種群密度大且活動頻繁，對沉積物進行強烈機械改造，使得被改造過的沉積物內部結構變得疏松，形成了大量的孔隙。這些由生物擾動作用在潛穴和生物攪動層中形成的孔隙空間為儲層發育奠定了基礎條件（圖5-a）。

3.2 白云石化作用有利于孔隙的保持

巖石學和地球化學特征顯示，鄂爾多斯盆地米脂地區馬四段的斑狀粉晶白云巖、斑狀灰質白云巖和斑狀云質石灰巖經歷了1～2期白云石化作用。第一期白云石化作用為圍巖（潛穴和生物攪動層之間沉積物）發生的白云石化作用，主要發生在沉積水體較淺、地勢相對較高的凸起帶上。已測得圍巖中的白云石碳、氧、鍶同位素組成顯示，其值分布在同期奧陶系海水范圍內（δ13C=－2.0‰～0.5‰，δ18O=－6.6‰ ～－4.0‰，87Sr/86Sr=0.708 7 ～ 0.709 2）[32-34]，加之此類圍巖縱向上常與石灰巖呈薄層狀間互，表明白云石形成時間早，為準同生白云石化作用形成，白云石化流體與海平面升降變化相關。伴隨海平面下降，凹凸相間的局限環境和強烈的蒸發作用導致海水發生濃縮并形成了富含Mg2+的蒸發海水。在毛細管作用力下，高部位沉積物發生準同生白云石化并形成粉晶白云巖，但該階段形成的白云巖主要由它形細粉晶白云石組成、基質孔隙不發育（圖5-b）；第二期白云石化作用是斑狀區（潛穴和生物攪動層）發生的白云石化作用，在深水區石灰巖或淺水區粉晶白云巖沉積物中均可見。已測試樣品顯示，斑狀區白云巖或分布于石灰巖中的白云石碳、氧、鍶同位素值仍位于奧陶世海水值范圍內，但氧同位素較圍巖值偏負（圖6），說明斑塊區發生白云石化作用的流體仍與同期蒸發海水相關，但形成時間稍微晚于圍巖,為滲透回流白云石化作用形成（圖5-c）。

圖6 米脂地區斑狀粉晶白云巖、斑狀灰質白云巖和斑狀云質石灰巖C、O、Sr同位素組成圖

近年來研究認為白云石化作用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[35]。從研究區白云石化作用來看，第二期白云石化作用對晶間孔的形成和保持起關鍵作用。在粉晶白云巖中，被造跡生物機械改造過的區域變得疏松并形成了孔隙，在近地表淺埋藏過程中滲入的富Mg2+流體，促使該區域的細粉晶白云石進一步發生白云石化作用，并形成點接觸或線接觸的粗粉晶白云石，使得先期由生物擾動作用產生的疏松空間得以繼續保持。另外，在后期深埋演化過程中，白云巖較強的抗壓能力也有利于晶間孔保存；在含有潛穴的石灰巖中，由于潛穴較為疏松，在近地表淺埋藏過程中滲入的富Mg2+流體促使潛穴中充填進入的灰泥發生白云石化并形成粉晶白云巖斑塊，潛穴中的疏松孔隙轉變為晶間孔。但當白云石化流體供應不充足時，潛穴中的灰泥往往云化不徹底，形成的白云石晶體和殘余灰泥混雜堆積，在埋藏壓實過程中，灰泥占據白云石晶體間的孔隙，僅有少量殘余晶間孔得以保存下來（圖 3-h）。

3.3 斷裂作用和溶蝕作用是微裂縫和溶蝕孔發育的關鍵

米脂地區馬四段儲層除主要發育晶間孔之外，還發育少量微裂縫和溶蝕孔。儲層成因分析表明，微裂縫和溶蝕孔的形成與斷裂作用和溶蝕作用相關。鄂爾多斯盆地馬四段沉積后經歷了奧陶紀擠壓背景下的同沉積斷裂活動、加里東運動、海西運動和燕山運動等多期次構造運動[1,18]，在盆地東部米脂地區形成了一系列斷層（圖1、2）和構造破裂縫（圖3-b、f、i）。此外，大氣淡水沿斷層和裂縫進入馬四段地層中，對毗鄰斷層的部分馬四段儲層溶蝕改造并形成少量溶蝕孔（圖3-a、f）。

4 有利儲層分布預測

基于儲層特征和成因分析認為，米脂地區馬四段有利儲層分布主要受海平面變化、古地理格局和斷層控制。

4.1 儲層縱向上分布于高頻向上變淺旋回上部

通過對盆地米脂地區馬四段的沉積旋回結構解剖發現，優質儲層主要發育于高頻向上變淺旋回上部（圖7），這一特征與沉積環境變化引起的生物擾動作用和白云石化作用相關。準同生期，單個高頻向上變淺旋回的沉積物自下而上受生物擾動作用改造程度逐漸增強，改造形態由旋回下部零星分布的潛穴向旋回上部密集分布的生物攪動層轉變。另外，旋回上部的生物攪動層離富Mg2+蒸發海水近，白云石化程度高，更有利于孔隙保存；而旋回下部的潛穴離富Mg2+蒸發海水遠，白云石化程度低，生成的白云石晶體往往與殘余灰泥混雜堆積，形成的晶間孔在埋藏壓實過程中被灰泥占據，不易得到保存，僅能殘留少量孔隙（圖3-h）。

4.2 儲層橫向上主要沿凸起帶分布

前文已述，從馬四段地層厚度來看（圖1），鄂爾多斯盆地米脂地區奧陶紀馬四期古地理格局具有“凹凸相間”的分異特征。從圖7可以看出，位于凸起帶的馬四段儲層巖性主要為白云巖和灰質白云巖，單層厚度為1.0～5.5 m，累計厚度一般為14.0～30.0 m，最厚可達40.0 m；而凹陷區馬四段儲層不發育或發育少量薄層儲層，其中馬四2亞段和馬四3亞段儲層巖性為灰質白云巖，單層厚度0.5～1.0 m，累積厚度一般為1.0～3.0 m，最厚可達3.8 m。馬四1亞段儲層巖性為白云巖，單層厚度一般為0.5～2.5 m，累積厚度一般為1.0～3.0 m，最厚可達3.5 m。這表明這種“凹凸相間”古地理格局控制了馬四段儲層橫向展布，優質儲層橫向上主要沿地勢相對較高的凸起帶分布。此外，由于微裂縫和溶蝕孔對改善儲層儲集質量或滲流能力發揮著重要作用，尤其是對于物性相對較差的斑狀灰質白云巖和斑狀云質石灰巖，如米探1井（圖2）。因此，凸起帶和斷層的疊合部位更有利于優質儲層發育。

4.3 有利儲層平面分布預測

基于儲層特征、成因與縱橫向分布規律研究，并綜合巖相古地理和斷層分布圖（圖1），編制出鄂爾多斯盆地米脂地區馬四段儲層厚度等值線圖。如圖8所示，有利儲層主要沿瑤鎮—大保當、神木—花石崖、萬鎮—米脂和綏德—磧口分布，有利面積7 200 km2。沉積期，該區域主要位于地勢相對較高的凸起帶上（圖1），生物擾動作用強和白云化程度高（圖5），加之該區域發育多條斷層，有利于微裂縫和溶蝕孔的形成，因而形成的儲層具有“物性好，單層、累積厚度大，橫向分布范圍廣”等特征，其儲集性能較凹陷區儲層更為優越（圖7）。

圖8 鄂爾多斯盆地米脂地區馬四段儲層厚度等值線圖

5 結論

1）鄂爾多斯盆地米脂地區馬四段巖性主要為斑狀粉晶白云巖、斑狀灰質白云巖和斑狀云質石灰巖，三類巖石儲集空間以晶間孔為主，含少量溶孔和微裂縫，平均孔隙度分別為3.08%、1.51%和1.29%。

2）儲層發育主要受生物擾動作用、白云石化作用、斷裂作用和溶蝕作用控制，生物擾動作用在沉積物中形成的潛穴和生物攪動層，為儲層初始孔隙的形成奠定了基礎條件，也為后期白云石化流體進入提供了滲流通道；發生在潛穴和生物攪動層中的白云石化作用既形成了晶間孔，又增強了巖石的抗壓能力，對孔隙的保存起重要作用；斷裂作用和溶蝕作用是微裂縫和溶蝕孔發育的關鍵，對改善儲層儲集質量和滲流能力發揮著重要作用。

3）儲層分布受海平面升降變化、古地理格局和斷層共同控制，儲層縱向上發育于高頻旋回上部；橫向上主要沿凸起帶上，其中凸起帶與斷層疊合部位更有利于儲層發育。預測出瑤鎮—大保當、神木—花石崖、萬鎮—米脂和綏德—磧口是有利儲層發育區，有利面積7 200 km2。