鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段沉積相高頻演化特征

劉兆恒, 吳冬, 鄧虎成,3, 伏美燕,3, 曹凱旋, 胥旺, 劉慧, 李可賽,3

(1.成都理工大學能源學院, 成都 610059; 2.成都理工大學產業技術學院, 宜賓 644000; 3.成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室, 成都 610059; 4.天府實驗室, 成都 610213)

長期以來,海相碳酸鹽巖是國內外油氣資源勘探開發的重點[1]。中國的海相碳酸鹽巖具有時代古老、沉積環境復雜、經歷多期構造活動等特點[2-5]。鄂爾多斯盆地是一個多旋回復合疊合型克拉通盆地[6-8],下古生界奧陶系發育了一套優質碳酸鹽巖儲集層,具有良好的勘探開發潛力[7-10]。奧陶系馬家溝組存在數套在全球奧陶系較為少見的膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系[11],最典型的是馬五6～10亞段。前人對鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組沉積微相做了較多的研究,層位主要集中在馬家溝組馬一～馬六段整段,平面范圍主要傾向于鄂爾多斯整個盆地[3-4,12];雷濤等[13]綜合利用巖心、薄片和測井資料,進一步對鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段的沉積微相及沉積模式進行了研究;黃麗梅等[14]認為馬五亞期為低海平面期,海水局限,含鹽度極高,主要發育膏鹽湖-含膏云坪的沉積微相組合;雷濤等[13]認為馬五段形成于海退—海侵—海退過程,主體沉積局限臺地相,主要發育云坪、泥云坪、灰坪微相等。但是隨著開發生產持續深入,現有認識已遠遠不能滿足科研與生產需要。綜合最新資料(鉆井巖心21口、野外剖面踏勘資料3條、薄片90張及測井資料89口等),進一步對鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬家溝組五段的6～10亞段的沉積相高頻演化規律進行精細剖析,以期為該地區天然氣動用提供有利的地質依據和理論支持。

1 區域地質概況

鄂爾多斯盆地是中國的第二大沉積盆地[13-16],面積約為37.0×104km2[14],處于華北臺地西部,在地質歷史發展過程中經歷了中三疊世平緩構造發育階段、晚三疊世—早白堊世古隆起發育階段、現今斜坡形成等3個階段的構造演化[17]。馬家溝組沉積時期,鄂爾多斯盆地整體處于克拉通內坳陷[18-22],發育了一套碳酸鹽巖夾蒸發巖地層[8,13,23-26]。

圖1 鄂爾多斯盆地奧陶紀構造地質圖和研究區井位圖[13]Fig.1 Tectonic geological map of the Ordos Basin and well location map of study area[13]

圖2 鄂爾多斯盆地大牛地地區馬五6～10亞段地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive columnar map of sub-members from 6th to 10th of the Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

2 沉積背景

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組主要發育碳酸鹽巖和蒸發巖,其他巖類較少[8,13,23-25]。研究區馬家溝組在華北地臺內,與華北地臺一起受控于區域海平面的升降變化和氣候的周期性變化,由下而上可分為馬一段～馬六段6個巖性段。其中,馬五6～10亞段主要以碳酸鹽巖和過渡性巖類為主,受海平面短期變化影響。

(a)為馬和馬亞段;(b)為馬五5和馬五6亞段;(c)為馬五5亞段;(d)為馬五4和馬五5亞段;(e)為馬五5亞段圖3 鄂爾多斯盆地馬家溝組府谷野外露頭剖面Fig.3 Outcrop of the Majiagou Formation of the Fugu County in the Ordos Basin

3 沉積微相標志

3.1 巖石類型識別

研究區的巖石類型包括碳酸鹽巖(白云巖)以及一些過渡性巖類(膏質白云巖、含膏白云巖、灰質白云巖、云質灰巖及含云灰巖等)(圖4)。白云巖一般發育在局限臺地云坪微相內,灰云巖、云灰巖以及含云灰巖主要發育在局限臺地和開闊臺地的過渡帶的環境中,膏質白云巖和含膏白云巖主要發育在與蒸發臺地相像的局限臺地環境中。

(a)為細晶白云巖,DK13-FP8井,鑄體薄片,單偏光,3 067.34 m;(b)為泥晶白云巖,D68井,2 934.3 m,鑄體薄片,單偏光;(c)為粗粉晶白云巖,D124,3 146.95 m,鑄體薄片,單偏光;(d)為灰質白云巖,見石英顆粒,D124井,3 116.1 m,鑄體薄片,單偏光;(e)為膏質白云巖,D81井,2 851 m;(f)為云質灰巖,D81井,2 845.78 m;(g)為含灰白云巖,D107,2 696.50 m;(h)為含膏白云巖,D124井,3 150 m圖4 鄂爾多斯盆地馬五6～10亞段巖石類型及其特征Fig.4 Rock types and characteristics of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member of the Ordos Basin

(1)白云巖:研究區的白云巖主要包括泥晶-微晶白云巖[圖4(a)]、細晶-粉晶白云巖[圖4(b)]以及少量的粗粉晶白云巖[圖4(c)]。泥晶-微晶白云巖主要呈灰色至深灰色,結晶程度較低,晶間孔不發育,沉積構造常見紋層構造、波狀構造。細晶-粉晶白云巖常為灰色或灰黃色,沉積構造多為塊狀,晶粒大小為30～100 μm,晶形呈自形-半自形,晶間孔較為發育。粗粉晶白云巖薄片常呈灰黃色,沉積構造多為塊狀,結晶程度較高,晶粒大小為100～300 μm,晶間孔發育,偶見裂縫。

(2)含膏白云巖和膏質白云巖:含膏白云巖[圖4(e)]巖心呈灰黃色,表面由于部分石膏被溶蝕形成一些直徑為1～3 mm的膏?？?膏?？子袝r會被方解石或白云石半充填。膏質白云巖[圖4(h)]巖心上呈灰白色-灰黃色,有時與黑色泥晶白云巖互層,可見條帶狀與結核狀石膏,條帶最寬可達5 mm。含膏白云巖和膏質白云巖以膏質含量區分,膏質含量少于25%的為含膏白云巖,膏質含量在25%～50%的為膏質白云巖。

(3)灰質白云巖、云質灰巖和含灰白云巖:灰質白云巖[圖4(d)]中白云石晶粒大小為30～100 μm,灰質含量大于25%,孔隙不發育,偶見石英顆粒,可能為熱液成因。云質灰巖[圖4(f)]巖心呈棕灰色或深灰黃色,可見白云巖角礫,有縫合線發育。含灰云巖[圖4(g)]巖心呈灰白色,含少量灰質,與黑色泥晶白云巖互層,發育較長的垂向溶縫,多被方解石充填。

應用大數據灰色關聯算法對巖性進行識別。通過對馬五6～10亞段測井響應特征進行分析,分別繪制出巖性-導電性、巖性-孔隙性、導電性-孔隙性三類交會圖版,并作灰色關聯分析,選取相關性較好的伽馬曲線(GR)、深側向電阻率(LLD)、淺側向電阻率(LLS)、中子孔隙度(CNL)、光電吸收截面指數(PE)等參數建立巖性識別模板。在分層對巖性特征參數計算的基礎上,建立初步的巖性解釋判斷公式;再利用神經網絡法,以GR、LLD、LLS、CNL、PE等參數為主要數據輸入樣本,建立計算網絡結構,分層建立識別模板以識別巖性。大數據灰色關聯算法能夠更好地識別區分白云巖、膏質白云巖、灰質白云巖、云質灰巖,利用連續取心井DK13-FP8井驗證,符合率可達85%(圖5)。

圖5 鄂爾多斯盆地大牛地地區DK13-FP8井巖性解釋驗證Fig.5 Verification of rock type interpretation of DK13-FP8 well in Daniudi area of Ordos Basin

3.2 巖石類型組合

基于上述巖石類型識別結果,通過對研究區89口單井開展巖石學分析、巖-電綜合解釋和灰色關聯分析,共識別出5類巖石類型組合(圖6)。A類組合以白云巖為主,向上發育含膏白云巖,代表沉積期海平面快速下降,沉積環境快速轉為局限環境,鹽度增大,見于D126井;B類組合以含膏白云巖為主,其次為白云巖(局部夾雜少量泥質)、膏質白云巖,藻紋層發育,代表沉積期海平面緩慢持續下降,鹽度變化較小,見于D32、D107井等;C類組合以正常鹽度的白云巖為主,高鹽度白云巖(局部夾有少量泥質)次之,局部夾少量膏質白云巖,揭示了陸源碎屑供給及海平面緩慢下降的影響,見于D124、D75井等;D類組合以白云巖、含膏白云巖、灰質白云巖為主,代表沉積期海平面短期內迅速下降再升高,見于石1井等;E類組合以云質灰巖、灰質白云巖、白云巖為主,代表海平面持續下降,由開闊轉為相對局限的沉積環境,見于D78井、PG28井等。

圖6 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段巖石類型組合Fig.6 Combination of rock types of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

3.3 沉積構造標志

鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段主要發育包卷層理、縫合線、紋層狀層理、藻紋層及垮塌構造等沉積構造(圖7)。紋層狀層理、包卷層理多見于云坪環境中的泥晶-微晶白云巖,垮塌構造常見于膏云坪環境中的含膏白云巖及膏質白云巖,藻紋層和縫合線構造多見于馬五6亞段及馬五7亞段云坪微相及膏云坪微相。

(a)為縫合線,DK13-FP8,3 064.85 m,鑄體薄片,單偏光;(b)為縫合線,D75,2 956.2 m,鑄體薄片,單偏光;(c)為紋層,D107,2 694.6 m,鑄體薄片,單偏光;(d)為縫合線,D68井,2 930.15 m;(e)為包卷層理,DK13-FP8,3 054.32 m;(f)為紋層,大深1井,2 837.90 m;(g)為縫合線,D75井,2 955.77 m圖7 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段沉積構造特征Fig.7 Sedimentary structures of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

4 沉積微相特征

(1)云坪微相。云坪微相主要為A類和C類巖石類型組合構成,顏色為淺灰-灰黃色-褐灰色,巖性以泥晶-微晶白云巖、細晶-粉晶白云巖為主,局部發育藻紋層、包卷層理等沉積構造,網狀縫發育,沉積環境較為局限,沉積水體能量較高。云坪微相在研究區廣泛發育,厚度較大。

5 沉積微相演化與沉積模式

前人研究已經揭示,鄂爾多斯盆地(包括大牛地井區)馬家溝期總體經歷了多次海侵-海退旋回周期,馬五段沉積時期盆地基底抬升,氣候干熱,海平面下降,表現為快速海侵和緩慢海退[24,28,33]。通過對單井沉積微相刻畫、多井沉積微相對比,在馬五6～10亞段碳酸鹽巖局限臺地沉積環境中進一步精細識別膏云坪、云坪、灰云坪、云灰坪等沉積微相,明確沉積微相空間分布。馬五6～10亞段沉積微相縱向上高頻演化,反映相對穩定的沉積基底上海平面頻繁升降的特征。

圖8 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬家溝組五段6～10亞段E4井單井沉積微相分布Fig.8 Microfacies distribution of Well E4 of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

圖9 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段沉積微相連井對比Fig.9 Well correlation of sedimentary microfacies of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

馬五10亞段沉積于馬四段大規模海侵事件之后[28],氣候干燥,海水開始消退,沉積環境相對局限,形成了以小壕1井—大深1井—D37井為界,西部發育膏云坪,向其他方向環繞膏云坪發育云坪微相(圖10a)。馬五9亞段沉積期海平面短期上升,膏云坪演變為云坪微相并且范圍變廣,云坪微相演變為灰云坪微相,以D50井—大深1井—D125井—D75井為界[圖10(b)]。

(a)為馬五10亞段;(b)為馬五9亞段;(c)為馬五8亞段;(d)為馬亞段;(e)為馬亞段;(f)為馬亞段;(g)為馬亞段;(h)為馬亞段圖10 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段沉積微相平面分布Fig.10 Distribution of sedimentary microfacies of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

馬五8亞段沉積期海平面又一次下降,形成了與馬五10沉積期相似的沉積環境,氣候相對干燥,以D50井—D126井—大深1井—D67井為界,西南部發育膏云坪,其他地區發育云坪微相[圖10(c)]。

(a)為砂屑白云巖,靖探1井,3 643.00 m;(b)為淺灰色白云巖,大68井,2 931.25～2 931.31 m;(c)為灰質白云巖,石1井,2 999.7～2 999.31 m;(d)為泥晶灰巖,神66井,2 169.73～2 169.79 m;(e)為膏質白云巖,蓮144井,3 803.90 m;(f)為膏質白云巖,大124井,3 150.51～3 150.69 m;(g)為白云巖,大深1井,2 837.90～2 838.27 m;(h)為云質灰巖,府谷野外露頭剖面;研究區外資料據魏柳斌等[37];古水溫、古鹽度等根據高飛等[38]、楊華等[39]、鄭德順等[40]研究成果計算所得圖11 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段沉積模式Fig.11 Sedimentary model of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

6 結論

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖是非常重要的含氣層,大牛地氣田馬家溝組天然氣勘探與開發效果顯著。前期科學研究及生產開發主要集中在馬五1-5亞段,對深部馬五6～10亞段的巖性特征及沉積分布特征研究較少,嚴重制約了深部天然氣資源的勘探與開發。研究基于最新巖心、薄片、測井資料及野外露頭剖面對馬五6～10亞段沉積微相精細刻畫。通過對巖石類型、沉積標志、沉積微相空間分布研究,明確馬五6～10亞段沉積微相高頻演化特征,取得的主要認識如下。

(1)大牛地氣田馬五6～10亞段的巖石類型主要為碳酸鹽巖(白云巖)和一些過渡性巖類(含膏白云巖、膏質白云巖、含灰白云巖、灰質白云巖及含云灰巖),形成5種巖石類型組合。主要發育包卷層理、縫合線、紋層狀層理、藻紋層及垮塌構造等沉積構造。

(2)大牛地氣田馬五6～10亞段沉積微相主要為云坪、膏云坪、灰云坪、云灰坪。云坪微相主要發育A和C類巖石類型組合,可見藻紋層、包卷層理;膏云坪微相主要發育B類巖石類型組合,膏模孔較為發育;灰云坪微相發育D類巖石類型組合,裂縫相對發育,部分被方解石充填;云灰坪微相則主要發育E類巖石類型組合,研究區分布較少。