鄂尔多斯盆地奥陶系马五5亚段白云石结构特征及成因

高 星,张道锋,史云鹤,宋佳瑶,陈娟萍,刘文香,付勋勋

(1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018;2.中国石油长庆油田公司勘探开发研究院，西安 710018)

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组主要有2种产气储层：风化壳储层和白云岩储层。其中风化壳储层勘探已获得重大进展，发现靖边气田；白云岩储层是天然气勘探的重要接替领域。2010年以来，苏203、苏345、苏东39-61等井相继在马五5亚段白云岩储层试气获得超百万方的高产气流，马五5亚段白云岩储层勘探获得重大突破[1-2]。然而，近几年马五5亚段白云岩储层的非均质性不断困扰着勘探进展。在此期间，研究者在白云岩模式、储层特征等方面对马五5亚段白云岩储层展开研究[3-7]，但是依然存在如下疑惑：①马五5亚段白云岩储层中白云岩的成因问题；②马五5亚段白云岩储层中不同类型的白云岩储集性能存在差异，有利储层类型不明确。

白云岩的成因和发育规律问题一直是碳酸盐岩研究的难点。成岩作用研究的基础——矿物学研究、岩石结构研究、地球化学研究是解决白云岩成因演化的关键[8]。在埋藏条件下，一种白云岩中含有多种白云石类型，不同的白云岩中含有类似的白云石类型。白云石类型是富镁流体与基质或原有白云石长期作用的最终表现形式，所以，对白云石结构类型的研究，有助于追溯白云石的结构形成和演化过程，区分不同白云石的形成条件和富镁流体性质，为白云岩的成因模式研究提供结构基础。而相关白云石结构分类的研究文献较少，D.F.Sibley等[9]和J.M.Gregg等[10]最早提出依据白云石晶面形态和自形程度，将白云石结构分为菱面体结构和非菱面体结构两大类型，对白云石结构进行了基本的晶形分类，强调了白云石晶面边界变得不平的临界温度为50～60℃。在此基础上，H.G.Machel[11]结合白云石的晶体大小和形态进行分类，将白云石分成平直晶面自形晶、平直晶面半自形晶、平直晶面半自形晶-非平直晶面他形晶、非平直晶面他形晶、平直晶面胶结物、非平直晶面鞍形晶、平直晶面斑状晶、非平直晶面斑状晶8类，具有较好的描述性，有一定成因意义。多位研究者从不同白云石类型出发，探讨了白云石结构间的演化关系，提出了不同结构间白云石的成因演化模式[12-18]。

本文以大量探井岩心、铸体薄片、分析测试等资料为基础，从白云岩的矿物学特征出发，分析马五5亚段白云石结构特征，对马五5亚段白云石结构特征分类和演化进行讨论，探索马五5亚段白云岩的成因机制，深化对马五5亚段白云岩储层的认识，为鄂尔多斯盆地白云岩储层发育规律的预测提供地质依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地地处华北地台西部，地跨陕甘宁蒙晋五省区，为一个矩形构造盆地。区域构造上可划分为伊陕斜坡、晋西挠褶带、天环拗陷、西缘上冲带、伊盟隆起、渭北隆起6个一级构造单元。研究区处于伊陕斜坡北中部，位于中央古隆起东侧[19]。马家沟组从下往上划分为马一-马六段。马五段可细分为马五1-马五10亚段，碳酸盐岩风化壳储层处于马五段顶部的马五1-马五4亚段，白云岩晶间溶孔、裂缝型储层主要在马五5-马五10亚段。

马五5亚段以厚度稳定的黑色泥晶灰岩为特征，俗称“黑腰带”，是马五段标志之一。盆地东部马五5亚段属于古隆起东侧的华北海沉积体系，马五5期盆地东部处于间歇性海退背景下短暂海进期，为相对浅水高能环境，以发育局限台地沉积为特征[20]。马五5亚段厚度稳定，平均厚度为25 m；受中央古隆起影响，马五5亚段自西向东逐渐增厚，子洲-清涧地区厚度可达32 m。马五5亚段主要岩性为灰黑色泥晶灰岩，质纯均一，局部或整段发生白云岩化。白云岩在古隆起东侧沿线呈条带状分布(图1)，以整段白云岩化为主，白云岩厚度达到12～20 m，岩性主要为粉晶白云岩、含硬石膏粉晶白云岩，局部发育颗粒白云岩。盆地内部马五5亚段白云岩主要呈透镜状零散分布，以中段白云岩化为主。白云岩储层厚度为6～14 m，岩性主要为生物扰动粉晶白云岩。

图1 鄂尔多斯盆地马五5亚段白云岩储层厚度等值线图Fig.1 Isopach map for the dolomite reservoir of Ma55 Member in the Ordos Basin

2 白云石结构分类

由于白云石化程度的差异，马五5亚段白云岩储层中白云石呈现多样性：有粗粉晶白云岩、粉晶白云岩、泥粉晶白云岩、颗粒白云岩以及生物扰动白云岩等。从晶体大小的角度分析，马五5亚段白云岩以细粉晶-粗粉晶为主；晶型角度主要表现为自形-半自形晶、他形晶，晶面多为直面、直面-曲面，晶体间多呈点-面和镶嵌型接触关系；多为交代成因的白云石。盆地各区块不同结构特征的白云石集合体组合表现出不同的储集特征。

依据马五5亚段白云石的存在形式，可将马五5亚段白云石分为基质白云石和胶结白云石两大类。根据白云石晶体结构特征以及晶体间相互关系和有序度分析，可将基质白云石细分为4类：泥晶、直面、自形白云石(Ⅰ类)，泥晶-细粉晶、直面、自形、漂浮状白云石(Ⅱ类)，细粉晶-粗粉晶、直面、自形-半自形白云石(Ⅲ类)，粗粉晶-细晶、直面-曲面、半自形-他形白云石(Ⅳ类)；胶结物形式产出的白云石组构可以细分为2类：细粉晶、直面、自形-半自形白云石胶结物(Ⅴ类)，粉晶-细晶、曲面、鞍形白云石胶结物(Ⅵ类,表1)。

2.1 基质白云石

2.1.1 泥晶、直面、自形白云石(Ⅰ类)

该类白云石多见于云化程度相对较低的纹层状泥晶灰岩中，在镜下可见灰泥基质中零星地散落着自形的泥晶白云石，晶体间互不接触；正交偏光下呈均匀消光，阴极发光均匀，发暗红色光或不发光(图2-A、B、C)。δ13C 测试结果为-2.66‰～0.11‰，平均值为-1.31‰；δ18O测试结果为-10.44‰～-6.01‰，平均值为-8.19‰;白云石有序度均值仅为0.59，有序度较低。

该类白云石发育对于泥晶灰岩的储集性能改造较弱，孔隙以微孔为主。该类白云石多见于盆地东北部的榆林-神木地区和盆地东南部靖边-安塞地区，如双114井，主要岩性含云泥晶灰岩，孔隙不发育，以晶间微孔为主，平均孔隙度为1.67%，平均渗透率为0.007×10-3μm2，储集性能差。

2.1.2 泥晶-细粉晶、直面、自形、漂浮状白云石(Ⅱ类)

该类白云石多见于部分白云岩化的灰岩(含云灰岩和云质灰岩)中，以泥晶-细粉晶为主，白云石晶体自形程度高，呈直面的菱面体，相互间不接触，漂浮状分布(图2-D、E、F)。阴极发光均匀，发暗红色光或不发光。δ13C 测试结果为-2.66‰～0.57‰，平均值为-1.23‰；δ18O测试结果为-9.60‰～-6.33‰，平均值为-7.59‰;白云石有序度在0.68～0.76，平均有序度为0.73。

表1鄂尔多斯盆地马五5亚段白云石结构分类
Table1Classification of dolomite structure from the Ma55Member of Majiagou Formation in Ordos Basin

图2 马五5亚段基质白云石结构特征Fig.2 Images showing texture characteristics of matrix dolomite in the Ma55 Member(A)纹层状泥粉晶白云岩、自形白云石互不接触，散布于灰泥基质中，S2井，深度3 576.56 m，单偏光; (B)灰岩，岩性致密,SH438井，SEM; (C)无阴极发光,S381井，深度3 978.75 m; (D)泥粉晶白云岩,SC1井，深度3 547.14 m，单偏光; (E)灰岩，镶嵌紧密，少见晶间微孔,SH377井，SEM; (F)灰岩具白云石化(呈菱形为白云石)，岩性致密,SH398井，SEM; (G)直面自形-半自形白云石直线接触，呈晶群状产出,SH21井，深度 3 307.63 m，单偏光; (H)细粉晶白云岩，发育晶间微孔,SH16井，深度3 120.2 m，SEM; (I)粉晶白云岩，白云石半自形为主，发极暗红光，增生部分发暗红光，S1井，深度3 704.6 m，阴极发光; (J)曲面他形白云石呈镶嵌结构产出,S18井， 深度3 730.36 m， 单偏光; (K)白云石晶粒较自形呈镶嵌状，晶间孔隙少量,S22井，SEM; (L)白云石晶体粗大，紧密接触，白云石可见溶蚀产生粒内微孔，多呈孤立状,T46井， 深度2 988.59 m， SEM

该类白云石多见于盆地东南部靖边-安塞地区，如陕398井非储层段主要岩性为深灰色云质灰岩，主要孔隙类型为被泥质和方解石充填的残余晶间孔，因此孔隙不发育，平均孔隙度为3.20%，平均渗透率为0.021×10-3μm2，储集性能较差。

2.1.3 细粉晶-粗粉晶、直面、自形-半自形白云石(Ⅲ类)

该类白云石多见于云化程度较高的含灰白云岩或灰质云岩中，显微镜下特征为：白云石晶粒以细粉晶-粗粉晶为主，直面自形-半自形，晶体间呈点-线性接触，晶间孔发育；正交偏光镜下均匀消光；阴极发光下，雾心部分几乎不发光，亮边发红棕色光(图2-G、H、I)。δ13C 测试结果为-1.74‰～0.11‰，平均值为-0.43‰；δ18O测试结果为-9.12‰～-5.96‰，平均值为-7.29‰;白云石有序度为0.70～0.98，平均为0.87。

该类白云石是白云岩储层中分布最广的一种结构类型，在苏里格-吴起-富县地区最发育。如莲19井，主要岩性为灰褐色粉晶云岩，白云石结构以细粉晶-粗粉晶、直面、自形-半自形白云石为主，晶间孔发育，连通性较好，属于小孔粗喉型储层；平均孔隙度为7.10%，平均渗透率为0.409×10-3μm2，储集性能较好。

2.1.4 粗粉晶-细晶、直面-曲面、半自形-他形白云石(Ⅳ类)

该类白云石多见于云化程度高的粗粉晶-细晶含灰白云岩和白云岩中。该类白云石在显微镜下表现为：粗粉晶-细晶，晶体晶面曲面化，呈半自形-他形晶，晶面不干净，略显脏，亮边模糊，白云石菱面体晶形不易辨认，晶间呈紧凑相接的曲线接触(图2-J、K、L)。正交偏光下均匀消光，阴极发光呈暗淡-暗褐色或暗红色。δ13C测试结果为-1.44‰～0.27‰，平均值为-0.65‰；δ18O测试结果为-7.32‰～-5.43‰，平均值为-6.46‰;白云石有序度为0.62～0.98，平均为0.86。

这种白云石晶间孔隙稀少，结构致密，多见于苏里格-吴起-富县地区等白云石化程度较高的区域。如苏127井马五5亚段云化程度高，主要岩性为粗粉晶云岩，发育粗粉晶-细晶、直面-曲面、半自形-他形白云石，白云石晶体间呈镶嵌的曲线接触；孔隙连通性较差，属于小孔中喉型和小孔细喉型储层，平均孔隙度为2.6%，平均渗透率为0.156×10-3μm2，储集性能较差。

图3 马五5亚段胶结白云石结构特征Fig.3 Images showing texture characteristics of cemented dolomite in the Ma55 Member(A)溶孔内被白云石自形晶部分充填,S2井，深度3 587.36 m，单偏光; (B)溶孔内被白云石自形晶大部分充填，SH55井，SEM; (C)溶孔中被白云石自形晶完全充填,S22井，深度3 695.48 m，SEM; (D)溶孔中充填鞍状白云石,S2井，深度3 574.65 m，正交偏光; (E)溶孔中充填鞍状白云石,S2井，深度3 574.65 m，单偏光; (F)溶蚀孔洞被渗流白云石粉砂和畸形白云石、自生石英等不完全充填,S203井，深度3 921.25 m，正交偏光

2.2 白云石胶结物

2.2.1 细粉晶、直面、自形-半自形白云石胶结物(Ⅴ类)

该类白云石多为溶蚀晶洞和裂缝内的胶结物内衬，白云石晶体呈齿状分布于裂缝内侧，以细粉晶为主，晶面平直、自形-半自形，晶体间多呈线接触，自形程度好(图3-A、B、C)。白云石胶结物堵塞裂缝，降低面孔率，对储层起破坏作用。该类白云石胶结物生长过程伴随着孔隙缩小，降低渗透率，甚至阻塞孔隙。细粉晶、直面、自形-半自形白云石胶结物多见于云化程度较高的苏里格-吴起-富县地区苏203井区和桃15井区马五5亚段中。

2.2.2 粉晶-细晶、曲面、鞍形白云石胶结物(Ⅵ类)

鞍形白云石在马五5亚段中少见，一般见于孔洞和裂缝中，多为乳白色，单偏光下常呈弯月形或镰刀形晶体，晶面弯曲，晶体内部可见纵横交错的微裂缝，晶面较污浊，正交偏光下呈典型的波状消光(图3-D、E、F)。在苏里格-吴起-富县地区少数井马五5亚段溶孔中可见鞍状白云石零星分布，如苏2井可见溶孔中充填波状消光的、微裂缝发育的鞍状白云石。

3 白云石结构分类的应用

3.1 白云石结构演化及成因

上述6类白云石结构特征对比，表明Ⅰ类、Ⅱ类白云石多与石膏、石膏假晶伴生，岩石的原生结构保存较好，具有塞卜哈成因特征。Ⅰ类白云石有序度较低，仅为0.59，说明Ⅰ类白云石是富镁流体快速交代白云石晶核形成的。Ⅱ类白云石有序度均值为0.73，与Ⅰ类白云石相比，富镁流体交代白云石的速度减慢，自形程度提高。Ⅰ类、Ⅱ类白云石氧同位素特征分析结果高于海相国标值(-8.49‰)[21]，证实Ⅰ类、Ⅱ类白云石生成于相对封闭的高盐度环境中，未受外部环境影响。包裹体测温推算出Ⅰ类、Ⅱ类白云石对应的微晶灰岩、泥晶白云岩形成温度为24.4℃[22]，故Ⅰ类、Ⅱ类白云石的交代生成环境属于准同生期塞卜哈环境。Ⅲ类、Ⅳ类白云石多见的岩石中，基本不具有原生结构，有序度均值分别为0.86和0.87，说明Ⅲ类、Ⅳ类白云石生长缓慢。包裹体测温结果推算出Ⅲ类、Ⅳ类白云石存在的粉晶白云岩、细晶白云岩形成的温度是81.9℃，推断Ⅲ类、Ⅳ类白云石生成于埋藏期；碳氧同位素特征与Ⅰ类、Ⅱ类白云石相似，证明Ⅰ类、Ⅱ类白云石交代的环境属于与外界不连通的封闭高盐环境。相对封闭的环境，不受大气淡水的影响，推测富镁流体来自于海水来源的孔隙水或是回流渗透作用中的回渗富镁流体。

根据上述分析，可以将基质白云石的演化分为2个阶段(图4)：(1)准同生期，白云石晶核形成阶段，在高浓度的富镁流体作用下，基质中细小的亚稳定文石、高镁方解石等矿物颗粒容易突破水合介壳形成白云石晶核；白云石晶核交代增生阶段，流体在与周边矿物发生作用的过程中，流体中的镁离子浓度缓慢降低。随着流体的持续供应，埋藏环境中镁离子持续积累，白云石晶核发生增生，缓慢成长为直面、自形程度较好的白云石晶体。基质中各个独立的晶核增生形成泥晶-细粉晶、直面、自形、漂浮状白云石。(2)埋藏期白云石晶体竞争性过度生长阶段，随着时间的推移，流体持续供应，晶体逐渐成长为泥晶、细粉晶、粗粉晶、细晶白云石，形成细粉晶-粗粉晶、直面、自形-半自形白云石。埋藏过程中压实作用逐渐增强，成岩温度缓慢升高，当成岩温度超过非平直晶核形成的临界温度50～60℃时，且在有长期的高浓度富镁流体持续供应的条件下，白云石晶体竞争性生长造成过度白云石化，形成晶间曲面接触的紧凑相接结构[23]。流体交代增生的白云石晶体发生晶面弯曲化，形成粗粉晶-细晶、直面-曲面、半自形-他形白云石。

图4 白云石结构演化过程示意图Fig.4 Diagram showing the evolution process of dolomite structures(据王丹等[12],有改动)

3.2 白云石结构特征与储层关系

通过上述分析可知，在白云石粒度不断变粗的过程中，白云石晶间微孔增加，直面的粗大的白云石结构有利于晶间孔隙保存。白云石结构由晶核交代增生的过程，即是白云石结构从泥晶、直面、自形白云石(Ⅰ类)生长为泥晶-细粉晶、直面、自形、漂浮状白云石(Ⅱ类)，再继续缓慢生长成细粉晶-粗粉晶、直面、自形-半自形白云石(Ⅲ类)的过程，也是晶间孔不断增加的过程。在白云石发生增生的过程中，自形白云石容易产生相互支撑的晶粒结构，形成由白云石菱面体网络构成的多孔岩石骨架，改善储集性能。当白云石晶体生长成为曲面他形晶时，原始菱面体支撑起的多孔岩石骨架孔逐渐转变为晶间缝状孔隙，孔隙变少，储集性能变差，过度白云石化作用造成晶体间孔隙形态发生转变，孔隙体积减小，孔隙喉道相应变窄。研究表明，白云石在岩石中的质量分数达到50%时，相应的孔隙度随着白云石含量增加而增加的正相关关系转为负相关，随着白云石含量的增加，孔隙度降低[8]。

马五5亚段碳酸盐岩发育的白云石结构类型中，细粉晶-粗粉晶、直面、自形-半自形白云石占39.13%，粗粉晶-细晶、直面-曲面、半自形-他形白云石占34.14%，泥晶、曲面、他形、泥晶白云石占15.37%；泥晶-细粉晶、直面、自形为主、漂浮状白云石和白云石胶结物相对较少，仅占11%。按照白云石结构类型的平面分布可分为3个区段(图5)：①苏里格-吴起-富县地区，白云岩以整段白云石化为主，白云石结构以Ⅲ类、Ⅳ类为主，成藏地质条件优越，是最有利的勘探目标；②榆林-神木地区，以中上段白云石化为主，呈透镜状展布，白云石结构以Ⅲ类和Ⅱ类为主，局部发育Ⅳ类；③靖边-安塞地区，以中段白云石化为主，局部整段白云石化，储层呈薄层状，白云石结构以Ⅱ类、Ⅲ类为主，储集性能较差(表2)。

表2鄂尔多斯盆地马五5亚段白云石结构特征分区对比
Table2Contrast of dolomite structure characteristics in Ma55Member for different area in Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地马五5亚段白云石结构分类展布图Fig.5 Map showing classification and distribution of dolomite structures in Ma55 Member,Ordos Basin

4 结 论

a.鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组马五5亚段白云岩形成机制属于准同生回流渗透和埋藏白云石化的双重作用机制，可以将马五5亚段白云石结构演化分为准同生阶段和埋藏阶段。准同生阶段主要生成泥晶、直面、自形白云石(Ⅰ类)和泥晶-细粉晶、直面、自形、漂浮状白云石(Ⅱ类)；埋藏阶段主要形成细粉晶-粗粉晶、直面、自形-半自形白云石(Ⅲ类)和粗粉晶-细晶、直面-曲面、半自形-他形白云石(Ⅳ类)。

b.细粉晶-粗粉晶、直面、自形-半自形白云石(Ⅲ类)储集性最好，粗粉晶-细晶、直面-曲面、半自形-他形白云石(Ⅳ类)次之；泥晶、直面、自形白云石(Ⅰ类)和泥晶-细粉晶、直面、自形、漂浮状白云石(Ⅱ类)集合体的主要孔隙类型为晶间微孔，储集性能差；胶结白云石主要充填裂缝和溶孔，降低面孔率和渗透率，对储集性起破坏性作用。马五5亚段苏里格-吴起-富县地区的白云石结构以Ⅲ类、Ⅳ类为主，成藏地质条件优越，为最有利的勘探目标。