鄂尔多斯盆地马家沟组风化壳气层特征分析

孙宜朴，李维，张军涛，李淑筠，范柏氵育

(1.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249)

鄂尔多斯盆地马家沟组风化壳气层特征分析

孙宜朴1，李维2，张军涛1，李淑筠1，范柏氵育2

(1.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249)

为了对鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组风化壳气藏进行有效的岩性识别和气层识别，通过岩心描述、薄片观察、物性测试及测井分析等手段，结合试气成果，明确了风化壳储层的岩石学特征、孔隙结构特征以及电性和含气性特征，并在此基础上建立了岩性和气层解释标准。研究认为：含膏白云岩是盆地中东部风化壳主要储层类型，膏模孔是主要储集空间；储层低孔低渗，溶孔发育的非均质性加剧了储层非均质性；密度-深侧向电阻率交会图版可以很好地区分灰岩和白云岩，声波时差-深侧向电阻率交会图版也有较好的识别效果；应用声波时差-深侧向电阻率交会图版和密度-深侧向电阻率图版可以确定气层的电性下限并对气层进行有效识别。

岩石孔隙特征；含膏白云岩；气层识别；四性关系；马家沟组；鄂尔多斯盆地

鄂尔多斯盆地奥陶系风化壳气藏主要分布在盆地中东部，目前已在中部发现气田，在富县、大牛地多井有工业气流，马家沟组已成为盆地天然气勘探开发的重要接替领域[1]。前期研究认为：气藏类型为风化壳气藏，层位主要为马五段；含膏云坪相是主要沉积类型，含膏白云岩是主要岩石类型[2-4]；C-P泥岩及煤层为主要烃源岩[5-7]，马五段储层与上覆本溪组泥岩形成主要储盖组合，天然气侧向运移为成藏的主要方式；本溪组泥岩厚度、风化壳古地貌为控藏主要因素。但不同区带储层岩性、孔隙结构仍存在较大差异，岩性和气层电性特征的识别仍是勘探工作的重点内容[8]。

1 风化壳储层的岩石学特征

前人研究表明，马五段沉积时期盆地东部发育膏盐湖，中部和中东部整体为蒸发潮坪相沉积[9]。钻井揭示马家沟组风化壳储层的岩石类型主要为白云岩、含膏白云岩及灰岩，含膏白云岩储层是其中最重要的储层类型，分布层位为马家沟组五段的1到4亚段及6到10亚段，主要见于鄂尔多斯盆地的中东部含膏云坪相。石膏常以柱状单晶和圆形或次圆形结核存在于灰岩和白云岩中，主要存在于白云岩中。由于富含石膏结核，岩心上常常显现麻点状、蜂窝状(图1)。此类岩石主要形成于蒸发环境下的潮坪环境中，海水盐度不断增大，硬石膏缓慢析出，这也促进了白云石的形成，即萨布哈白云岩化模式。这是靖边、富县和大牛地地区马五段最重要的储层岩石类型。

图1 含膏白云岩储层岩石特征

2 储集空间特征与主要成岩作用

含膏云坪相储层中最主要的储集空间为膏溶铸模孔，含膏云岩中存在大量易溶组分硬石膏，后在加里东暴露岩溶时期，易溶组分溶解，形成最重要的储集空间铸模孔。由于石膏多以结核或者单晶形式产出，故铸模孔在显微镜下多呈现出圆形或者规则的多边形(图2)。后期铸模孔又常常被方解石、白云石或石英充填，形成石膏假晶或石膏假“结核”。通过薄片分析认为，马家沟组主要成岩作用类型有白云岩化作用、压实作用、溶蚀作用和充填作用。

图2 含膏云坪相储层显微特征

2.1 白云岩化作用

研究区马家沟组白云化作用发生在同生—成岩早期[10]，海水的强烈蒸发作用使岩石中孔隙水的Mg2+/Ca2+比值提高，形成白云石。晶粒细小的泥粉晶白云石颗粒及与之伴生的蒸发岩矿物是萨布哈白云岩化的典型特征[11]。

2.2 压实作用

马五段主要有泥微晶云岩、含生物屑泥微晶灰岩，夹少量泥页岩，偶见颗粒碳酸盐岩，表明马五段沉积时期，沉积物以细碎屑碳酸盐岩为主。因此，马五时期松散碳酸盐沉积物转变为固结的碳酸盐岩，其固结成岩方式以压实作用为主，胶结成岩作用所占的比例极小(体积分数<5%)。

2.3 溶蚀作用

加里东运动末期构造抬升，马家沟组碳酸盐岩被抬升到地表，长期接受大气淡水淋滤，形成风化壳[12]。古岩溶作用形成了大量晶间溶孔、铸模孔和各种溶蚀孔洞，改善了储层的储集性能，是风化壳储层形成的关键。

2.4 充填作用

马五段碳酸盐岩地层膏模孔存在不同程度的充填。充填矿物类型主要有方解石、白云石和石英3种，根据充填程度又分为未充填、半充填和完全充填3类。按充填物成因可分为机械充填和化学充填。机械充填主要发生在古岩溶时期，由地表水带来的粉砂、黏土或碳酸盐细碎屑物充填在风化壳内各种成因的溶孔、溶洞、裂隙中(图2(a))。化学充填是指从水溶液中以化学方式沉淀出来的矿物充填在早已形成的溶蚀孔缝中，晶粒粗大是其最典型的标志，例如亮晶方解石胶结物(图2(b))和粗晶铁白云石充填(图2(c))。

3 储层物性与孔隙结构特征

奥陶系马家沟组风化壳储层非均质性较强，物性变化大，属低孔、低渗致密储层。富县区块132个岩心孔隙度-渗透率测试结果表明，孔隙度0.03%～10.34%，平均1.79%。渗透率(0.005～17.130)×10-3μm2，平均0.80×10-3μm2，大部分小于0.4×10-3μm2；大牛地地区569个岩心测试结果表明，孔隙度0.1%～14.0%，平均2.59%。渗透率(0.003 5～102.980 0)×10-3μm2，平均0.90×10-3μm2，大部分小于0.60×10-3μm2。

表1 马五段风化壳储层毛细管压力参数(据中石化华北局，2012)

图3 风化壳储层各类样品毛管压力曲线

综合物性参数和孔隙结构参数分析，鄂尔多斯盆地奥陶系风化壳储层属低孔、低渗、小孔、微细喉储层，膏模孔的发育程度对储集性能影响明显，溶孔充填程度不一可能是孔渗性能非均质性强的重要因素。

4 岩电特征及岩性识别

盆地中东部马家沟组风化壳的主要岩石类型为白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩及灰岩。从目前勘探发现来看，气层主要存在于白云岩发育段，灰岩气层较少。因此，白云岩和灰岩的区分已成为一项重要研究内容。根据取心和测井资料分别对不同岩性的声波时差、密度、中子及电阻率测井数据进行分类统计，对不同岩性的电性特征进行分析，结果发现不同岩性的测井响应存在很大差别。

4.1 岩电特征分析

从声波时差测井数据看(图4)，白云岩表现为高声波时差特征，灰岩为低声波时差特征，利用声波时差能够很好地区分白云岩和灰岩，而区分白云岩、灰质白云岩和白云质灰岩的能力较差。不同岩性的中子测井和声波测井响应较为相似(图5)，白云岩表现为高中子，灰岩为低中子，能够较好区分白云岩和灰岩。不同岩性的密度特征差别明显，白云岩密度明显高于灰岩(图6)。灰岩表现为高电阻率特征，其他3种岩性为低电阻率(图7)。不同岩性测井响应特征的差别奠定了应用声波时差、中子、密度和电阻率测井响应进行岩性划分的基础。尽管不同曲线的岩性区分能力存在差异，但对白云岩和灰岩的区分能力是可以肯定的。

图4 不同岩性声波时差直方图

图5 不同岩性补偿中子直方图

图6 不同岩性密度直方图

图7 不同岩性深侧向电阻率直方图

4.2 岩性识别

应用单个测井指标进行岩性识别具有局限性，识别精度较差，这种情况下采用交会图方式，应用声波时差、密度、中子和侧向电阻率测井资料进行综合分析，能够较好地区分灰岩和白云岩。

图8是富县地区马五6—10小层密度和声波时差测井交会图。从中可以看出，白云岩测井值表现为高声波、高密度的特征，灰岩特点则为低密度、低声波时差，应用判别公式能够很好地区分2种岩性。判别方程为

FX= 523.33-133.33D-DT。

FX≥ 0 为白云岩；FX<0 为灰岩。

式中：FX为判别系数；DT为声波时差，μs/m；D为密度，g/cm3；145

但是该方法在大牛地地区(风化壳层位为马五1—4小层)区分精度不高，可能是由于溶孔发育和充填状况存在差异，或是声波时差受含气性影响较大的缘故。

图8 富县地区马家沟组不同岩性声波时差-密度交会图

从富县地区密度和侧向电阻率交会图版(图9)可以看出，白云岩总体表现为高密度、低电阻率的特征，而灰岩表现为低密度、高电阻率， 两种岩性处于

图9 富县地区马家沟组不同岩性密度—深侧向电阻率交会图

不同的区域，应用判别方程可以很好地进行区分，判别方程表示如下：

FX=-13.2 + 6.0D-lg(RLLD)。

FX≥0 为灰岩；FX<0 为白云岩。

式中：FX为判别系数；RLLD为深侧向电阻率，Ω·m；D为密度，g/cm3；100

在大牛地地区电阻率与密度交会图版(图10)可以看出，灰岩和白云岩的分布特征与富县地区基本相似，白云岩表现为高密度、低电阻特征，灰岩表现为低密度、高电阻的特点。判别方程因层位的差别而有所差别，大牛地地区岩性识别方程为

FX=-28.66 + 11.54D-lg(RLLD)。

FX≥0为灰岩；FX<0 为白云岩。

式中：FX为判别系数；RLLD为深侧向电阻率，Ω·m；D为密度，g/cm3；100

图10 大牛地地区不同岩性密度-深侧向电阻率交会图

分析一系列交会图认为中子测井对2种岩性的识别能力较差(图11)，而声波时差、密度和深侧向电阻率测井对岩性的识别能力较强。在测井岩性解释过程中，先采用上述3种判别方程进行岩性识别，再根据地区的差异选取合适的解释结果。

图11 大牛地地区不同岩性补偿中子—密度交会图

5 气层特征识别

气层特征与识别是气藏评价的重要内容，一般将试气成果与试气层电性特征相结合，通过综合分析来确定气层的电性下限。本研究主要利用大牛地及富县地区试气资料及测井数据交会图版确定气层的电性下限。

5.1 电阻率和声波时差测井响应判别气层法

从声波时差与深侧向电阻率交会图版可以看出(图12)，气层表现为高电阻率、 高声波时差的特点，水层则具有低电阻率、低声波时差的特点。气层主要分布在2个区域，气层下限可以表示如下：

①DT≥175 μs/m时，RLLD≥70 Ω·m为气层，RLLD<70 Ω·m为水层。

②DT<175 μs/m时，FX=12.35-0.06DT-lg(RLLD)，FX≥0 为气层，FX<0 为水层。

式中：FX为判别系数；RLLD为深侧向电阻率，Ω·m;DT为声波时差，μs/m。

图12 马家沟组风化壳气藏声波时差-深侧向电阻率交会图

5.2 电阻率和密度测井响应判别气层法

从密度和深侧向电阻交会图版(图13)可以看出，由于气层孔隙发育，表现出低密度和高电阻率的特征，而干层和水层密度较大，与声波时差相比，密度曲线更能反映气藏的特征。利用交会图版确定气层的判别标准如下：

①D<2.63 g/m3时，RLLD≥70 Ω·m为气层，RLLD<70 Ω·m为水层。

②D≥2.63 g/m3时，FX=-31.27+12.5D-lg(RLLD)，FX≥0 为气层，FX<0 为水层。

式中：FX为判别系数；RLLD为深侧向电阻率，Ω·m;D为密度，g/m3。

图13 马家沟组风化壳气藏密度-深侧向电阻率交会图

从气层声波时差和密度曲线交会图(图14)可以看出，尽管交会图对气层具有一定的识别能力，但并不能很好地区分气水层，无法确定气层的电性下限。因此，用密度、声波时差与深侧向电阻率交会图版作为气层识别的主要方法。在实际应用中，根据不同区域和储层情况选择不同的判别标准，如含膏白云岩较为发育的地区，气层密度小，采用密度和深侧向电阻的交会是首选；在裂缝发育的气层中，采用声波时差与深侧向电阻的交会可更好地进行气层识别。

图14 马家沟组风化壳气藏声波时差-密度交会图

6 结 论

(1)盆地中东部马家沟组主要发育含膏云坪相，含膏白云岩是主要储层类型，膏溶铸模孔为主要孔隙类型。

(2)单因素区分碳酸盐岩难度较大，利用密度-深侧向电阻率图版可有效识别马五段的灰岩和白云岩。声波时差-深侧向电阻率交会图版对盆地偏南的马五6—10风化壳储层识别效果较好，而对北部的马五1—4地层识别精度不高，与中子测井相关的交会图版难以实现有效区分。

(3)马家沟组风化壳气层具有显著的高声波时差、低密度、高电阻率特点，应用声波时差-深侧向电阻率交会图版和密度-深侧向电阻率交会图版可以确定气层的电性下限，并对气层进行识别。

[1] 杨华，付金华，魏新善，等.鄂尔多斯盆地奥陶系海相碳酸盐岩天然气勘探领域[J].石油学报，2011，32(5):733-740. YANG Hua，FU Jin-hua，WEI Xin-shan，et al.Natural gas exploration domains in Ordovician marine carbonates，Ordos Basin[J].Acta Petroleum Sinica，2011，32(5):733-740.

[2] 夏日元，唐健生，关碧珠，等.鄂尔多斯盆地奥陶系古岩溶地貌及天然气富集特征[J].石油与天然气地质，1999，20(2):133-136. XIA Ri-yuan，TANG Jian-sheng，GUAN Bi-zhu，et al.Ordovician palaeokarst landform in Ordos Basin and gas enrichment characteristics[J].Oil & Gas Geology，1999，20(2):133-136.

[3] 李振宏，郑聪斌，李林涛.鄂尔多斯盆地奥陶系古岩溶类型及分布[J].低渗透油气田，2004，9(1):15-21. LI Zhen-hong，ZHENG Cong-bin，LI Lin-tao.Palaeokarst style and distribution of the Ordovician in the Ordos Basin[J].Low Permeability Oil & Gas Fields，2004，9(1):15-21.

[4] 冯增昭,鲍志东,张永生,等.鄂尔多斯奥陶纪地层岩石岩相古地理[M].北京:地质出版社,1998:1-144.

[6] 刘德汉，付金华，郑聪斌，等.鄂尔多斯盆地奥陶系海相碳酸盐岩生烃性能与中部长庆气田气源成因研究[J].地质学报，2004,78(4):542-552. LIU De-han,FU Jin-hua,ZHENG Cong-bin,et al.Research on hydrocarbon generation of Ordovician marine carbonatite of the Ordos Basin and genesis of Changqing Gas Fields[J].Acta Geologica Sinica，2004,78(4):542-552.

[6] 宁宁，陈孟晋，孙粉锦，等.鄂尔多斯盆地奥陶系风化壳古油藏的确定及其意义[J].石油与天然气地质，2007,28(2):280-286. NING Ning,CHEN Meng-jin,SUN Fen-jin,et al.Determination and its significance of ancient oil pools in Ordovician weathering crust,Ordos Basin[J].Oil & Gas Geology,2007,28(2):280-286.

[7] 熊波，李贤庆，胡国艺，等.鄂尔多斯盆地中部气田奥陶系风化壳天然气成藏分析[J].西安石油大学学报:自然科学版，2008,23(4):10-14. XIONG Bo，LI Xian-qing，HU Guo-yi，et al.Analysis of the natural gas accumulation in the Ordovician weathered crust of the central gasfield in Ordos Basin[J].Journal of Xi’an Shiyou University:Natural Science Edition,2008,23(4):10-14.

[8] 赵文智，沈安江，胡素云，等.中国碳酸盐岩储集层大型化发育的地质条件与分布特征[J].石油勘探与开发，2012，39(1):1-12. ZHAO Wen-zhi,SHEN An-jiang,HU Su-yun,et al.Geological conditions and distributional features of large-scale carbonate reservoirs onshore China[J].Petroleum Exploration and Development,2012,39(1):1-12.

[9] 李文厚,陈强,李智超,等.鄂尔多斯地区早古生代岩相古地理[J].古地理学报,2012,14(1):85-100. LI Wen-hou,CHEN Qiang,LI Zhi-chao,et al.Lithofacies palaeogeography of the Early Paleozoic in Ordos area[J].Journal of Palaeogeography,2012,14(1):85-100.

[10] 王保全，强子同，张帆，等.鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组马五段白云岩的同位素地球化学特征[J].地球化学，2009,38(5):472-479. WANG Bao-quan，QIANG Zi-tong，ZHANG Fan，et al.Isotope characteristics of dolomite from the fifth member of the Ordovician Majiagou Formation，the Ordos Basin[J].Geochimica，2009,38(5):472-479.

[11] Clyde H Moore.碳酸盐岩储层:层序地层格架中的成岩作用和孔隙演化[M].姚根顺,译.北京:石油工业出版社,2008:128-199.

[12] 夏明军,戴金星,邹才能,等.鄂尔多斯盆地南部加里东期岩溶古地貌与天然气成藏条件分析[J].石油勘探与开发,2007,34(3):291-315. XIA Ming-jun,DAI Jin-xing,ZOU Cai-neng,et al.Caledonian karst palaeogeomorphology and the forming condition of gas pool,southern Ordos Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2007,34(3):291-315.

责任编辑：王 辉

2014-09-13

国家自然科学基金“济阳坳陷天然气中氢气的地球化学特征”(编号：41102075)

孙宜朴(1967-)，男，博士，高级工程师，主要从事含油气盆地成藏、评价研究。E-mail:sunyp.syky@sinopec.com

1673-064X(2015)03-0041-06

TE122.2+21

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