鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩主要储层类型及其形成机制

周进高 付金华 于 洲 吴东旭 丁振纯 李维岭 唐 瑾

1.中国石油杭州地质研究院 2.中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室3.中国石油长庆油田公司 4.中国石油大学（北京）

0 引言

鄂尔多斯盆地是我国重要的含油气叠合盆地，寒武系—奥陶系以海相碳酸盐岩为主，夹碎屑岩沉积，上古生界—中新生界以陆相碎屑岩沉积为主，海相碳酸盐岩产天然气、陆相碎屑岩油气皆产。中国石油长庆油田公司（以下简称长庆油田）目前已连续6年油气产量超过5 000×104t 油气当量，成为我国目前产量最大的油气田企业。其中，海相碳酸盐岩已在下奥陶统马家沟组上组合累计探明天然气地质储量6 500×108m3，是向首都供气的重要资源基础之一。在长庆油田“稳油增气，二次加快发展”的背景下，加强海相碳酸盐岩尤其是深层的油气勘探、夯实天然气资源基础就显得尤为重要。近年来，在马家沟组中组合以及深层的马四段、马三段和寒武系的天然气勘探见到了很好的苗头，如桃38、统74 和莲92 等井获得了高产工业气流，展示鄂尔多斯盆地深层海相碳酸盐岩具有良好的天然气勘探前景。

勘探揭示，鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩发育两类储层，即风化壳岩溶型白云岩储层和颗粒滩型白云岩储层。其中对于前者前人已开展了大量研究并取得丰硕成果，大多数学者都认为，该套储层紧靠风化壳分布，涉及层位主要是马家沟组、上寒武统三山子组和中寒武统张夏组，其中以马家沟组上组合最为发育，研究成果也最多，对储层成因的认识也基本一致，即潮坪相、岩溶作用和岩溶古地貌是储层发育的主控因素[1-5]；而对于后者，研究起步则较晚，认识上尚存在着较大的分歧，目前并存着多种成因观点，如白云石化成因、相控成因、岩溶成因等[6-9]。目前对于上述两类储层的分布虽然已经有了一定的认识，但有效储层的宏观规律性尤其是有利区带尚不清楚，难以满足区带评价和目标优选的需求。为此，笔者针对上述研究现状和存在的问题，基于野外露头、重点钻井和测井资料并结合实验分析测试数据，着重探讨了该盆地海相碳酸盐岩发育的、具有规模的储层类型及其成因和分布，目的是深化储层成因和分布的规律性认识，以期为区带评价和天然气勘探目标优选提供依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩主要发育在马家沟组和三山子组、张夏组[10-12]，马家沟组为一套碳酸盐岩和蒸发岩沉积，残余厚度介于0～600 m，自下而上分为马一段至马六段6 个岩性段，其中马二段、马四段和马六段为海侵沉积，沉积物岩性以白云岩和石灰岩为主，局部夹膏岩和盐岩薄层；马一段、马三段和马五段为海退沉积，沉积物岩性以膏岩和盐岩为主，局部夹泥质云岩、白云岩和石灰岩薄层。受次级海侵、海退旋回控制，马五段自上而下又细分为马五1 亚段至马五10 亚段10 个亚段。生产现场依据储层类型及成藏特征，将马五1 亚段—马五4 亚段称为上组合，马五5 亚段—马五10 亚段称为中组合，马四段—马一段称为下组合。三山子组和张夏组为一套鲕粒云岩和粉—细晶云岩，夹石灰岩，厚度介于0～500 m（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩成藏组合综合柱状图

前人的研究认为，鄂尔多斯盆地海相碳酸盐属碳酸盐岩台地沉积[10-11,13-15]，近期又取得了新进展，认为镶边台地是马家沟组和张夏组等勘探目的层的主要沉积背景[16-18]。张夏组、马四段和马五段中组合是潮湿气候条件下的镶边台地沉积体系，由西向东依次发育了盆地—斜坡相、台地边缘、局限台地相（图2-a～c）；马一段、马三段、马五6 亚段等为障壁蒸发条件下的镶边台地沉积体系，该时期由于中央隆起将华北海与祁连海隔绝，盆地中东部表现为蒸发台地相，发育了潮坪和潟湖亚相（图2-d），西部则发育了盆地—斜坡相。从目前的钻探结果看，储层主要发育于台地边缘鲕粒滩和局限台地台内鲕粒滩以及蒸发台地的含膏云坪和膏质云坪等微相，表明了颗粒滩和膏质潮坪微相是储层发育的基础。

图2 鄂尔多斯盆地重点勘探层位岩相古地理图

寒武系—奥陶系海相碳酸盐岩直接不整合覆盖在前寒武系变质基底上。研究认为，前寒武系裂陷普遍发育[19-21]，其对寒武系沉积具有控制作用。受早期裂陷和隆起的影响，寒武系特别是张夏组有利储集相带主要沿裂陷边缘和古隆起周缘分布。寒武纪末，在怀远构造运动影响下，华北地台整体抬升，寒武系遭受风化淋滤和剥蚀，位于庆阳和横山古隆起部位剥蚀最为强烈，成为岩溶型储层发育的有利区。怀远运动后，鄂尔多斯盆地构造格局发生很大变化，由寒武纪北东向裂陷与隆起间互格局转化为南北向隆坳格局，中央古隆起分隔了华北海和祁连海，古隆起和次级隆起共同控制了颗粒滩的发育，而坳陷则控制了蒸发潟湖和膏质云坪的分布。奥陶纪晚期，受华北板块和扬子板块沿商丹构造带碰撞造山作用的影响，华北地台再次抬升，致使马家沟组遭受长时间大规模的风化剥蚀，在庆阳古隆起等地区，寒武系和奥陶系被剥蚀殆尽，局部甚至剥蚀至长城系和蓟县系，长期的风化淋滤为岩溶型储层的规模发育提供了良好构造背景。

综上所述，鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩主要发育在寒武—奥陶系，主要勘探目的层张夏组、马四段和马五段为镶边台地沉积，膏质云坪和颗粒滩微相为储层发育奠定了良好物质基础，而层序界面特别是加里东构造和怀远构造两期不整合面为储层改造提供了区域构造条件。

2 储层成因与分布

鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩主要发育颗粒滩型白云岩储层和岩溶型白云岩储层。前人研究大多集中在岩溶型白云岩储层[1-3,5]，对颗粒滩型白云岩储层研究较少，笔者将系统探讨上述两类储层的形成机制和宏观分布规律。

2.1 颗粒滩型储层成因与分布

2.1.1 储层特征

图3 鄂尔多斯盆地颗粒滩型储层特征照片

颗粒滩型储层主要岩性是鲕粒云岩、砂屑云岩、晶粒云岩及微生物云岩（图3）。鲕粒云岩主要发育在张夏组和三山子组以及马四段，砂屑云岩则发育于马家沟组的台缘和台内颗粒滩，晶粒云岩在各层段均有分布；微生物云岩常常与马家沟组台内颗粒滩共生，由于二者在测井解释上难以区分，因此往往将微生物云岩统计到台内颗粒滩型储层中，从岩心观察看，微生物云岩主要是凝块石云岩和纹层石云岩。储集空间包含残余粒间（溶）孔、微生物格架（溶）孔、晶间（溶）孔和溶洞以及少量裂缝，其中孔隙既有原生孔也有次生孔隙，洞以小型溶洞为主，缝则包含构造缝和成岩缝（图3）。常见原生孔隙有粒间孔和微生物格架孔，原生孔中常有纤状或犬牙状白云石胶结物和方解石胶结物，致使孔隙大幅减少，残余孔隙孔径一般介于0.02～0.50 mm[6,8]；溶蚀孔洞包含原生孔隙扩溶孔和非组构岩溶形成的小型溶洞，其中也常见块状方解石和鞍状白云石充填。物性统计表明，颗粒滩型储层的孔隙度介于2.00%～18.03%，平均孔隙度为6.16%；渗透率为0.002～203.150 mD，平均渗透率为6.810 mD。

2.1.2 储集空间形成与保持机制

机械沉积和微生物造丘是原生孔隙形成的重要机制。在颗粒滩沉积过程中，鲕粒或砂屑的机械堆积造成颗粒之间存在空隙，这就是最初的粒间孔，机械沉积作用产生的原生孔隙度理论上最大可达40%，鉴于颗粒的分选和磨圆存在差异，颗粒滩相沉积原生孔隙度一般介于30%～35%。微生物作用可以从以下方面产生孔隙：①通过微生物黏结形成凝块，再由凝块颗粒造架产生孔隙；②由微生物纹层或叠层造架产生格架孔；③微生物席早期腐烂产生不规则（鸟眼状）孔隙等。鄂尔多斯盆地微生物作用形成的原生孔隙尚无法定量，但从四川盆地和塔里木盆地震旦系—寒武系微生物岩储层看，原生孔隙介于10%～30%[22-26]。

准同生溶蚀和风化壳岩溶作用是溶孔溶洞形成的机制。野外露头和岩心观察可见颗粒滩型储层中发育大小不等、形态各异的溶蚀孔洞，这些孔洞纵向上往往发育在颗粒滩旋回的中上部，多数孔洞的长轴顺层分布，少量斜交层面，其中充填少量自形的白云石和块状铁方解石，这些孔洞的形成主要与准同生溶蚀有关。图4 展示了颗粒滩旋回与孔洞发育程度、物性之间具有正相关关系：在向上变浅的颗粒滩旋回中，越往上靠近高频层序界面（短暂间断面），孔洞越发育，物性也越好，这说明孔洞的发育与高频海平面下降引起的准同生溶蚀作用相关[27-34]。当然，早期形成的溶蚀孔洞部分可能经历过风化壳岩溶作用的改造，这种改造在中央隆起强烈剥蚀区比较明显，尤其是张夏组、三山子组、马四段甚至中组合的颗粒滩相直接暴露地表，遭受长期的淋滤溶蚀的区域，溶沟溶洞较发育，其中充填了上覆地层的铝土质黏土。

图4 靳2 井马五6 亚段高频颗粒滩旋回与物性的关系图

早期白云石化和封闭体系有利于孔隙的保持。关于颗粒滩白云岩的成因，大多学者认为与准同生白云石化有关[7,35-36]，鄂尔多斯盆地颗粒滩白云岩的地球化学分析数据（图5）也支持这一观点。关于白云石化的作用，近来的研究认为既没有明显的增孔也没有明显的减孔效应，而是趋向于对早期孔隙的保持具有建设性作用，主要依据是早期白云石化将钙质沉积物转变为白云岩后，增强了抗压溶能力，避免压溶引起的钙质沉淀而堵塞孔隙，从而避免了减孔[22,29-32]。早期孔隙能在漫长的地质历史中保存下来，还有赖于水岩反应达到长久的平衡。由于深层碳酸盐岩上覆沉积了马五6 亚段厚层膏盐岩，加上石炭系—二叠系煤系地层的区域封堵，海相碳酸盐岩进入早二叠世后就被完全封堵，处于长期的封闭体系，在这个封闭体系里，除了沉淀少量铁方解石或铁白云石外，很快达到水岩反应平衡，这种平衡体系使残留的孔隙或孔洞得以保留[37-38]。

2.1.3 有利储层分布

图5 鄂尔多斯盆地颗粒滩白云岩碳、氧、锶同位素组成图

图6 鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩颗粒滩型储层分布图

从以上储集空间的形成与保持机制看，控制储层发育的主要因素是颗粒滩微相和准同生溶蚀作用，这意味着经历准同生溶蚀的颗粒滩有利于储层形成。据此预测了颗粒滩型储层的有利分布区（图6）。图6 显示，张夏组储层主要分布在鄂托克前旗—定边—上韩台缘带和榆林—子长一带（图6 粉红色区域）；马四段储层主要发育在沿中央古隆起展布的台缘带和沿榆林—横山展布的台内低隆颗粒滩带（红线区域）；中组合储层分布在中央古隆起的东部桃利庙—吴起和榆林—志丹低隆颗粒滩带（棕黄色区域）。

2.2 岩溶型储层成因与分布

2.2.1 储层特征

岩溶型储层主要发育在马一段、马三段和马五段上组合，目前以马五段上组合研究最为详细[2,3,5,39]。从大量钻井岩心看，产层的主要岩性是（含）膏模孔细粉晶云岩和粉晶云岩（图7）。储集空间为膏模孔、溶洞及微裂缝。膏模孔包括石膏晶体铸模孔和石膏结核铸模孔，约占总孔隙的90%以上。石膏晶体铸模孔大小介于0.05 mm×0.50 mm～0.20 mm×0.50 mm，呈孤立状顺层分布，其中大多数被方解石、石英、高岭石等全充填或半充填（图7-a～c）；石膏结核铸模孔由石膏结核溶蚀形成，常呈不规则圆形、椭圆形等形态，直径介于0.5～5.0 mm，1.5～3.0 mm 居多，常见渗流白云石粉砂及方解石等半充填或全充填（图7-d～f）。溶洞见于风化壳附近及岩溶角砾岩，但因泥质充填残留有限。晶间孔常见于粉晶云岩中，分布于马五14层和马五2亚段。微裂缝常见于（含）膏模孔粉—细晶云岩，沟通膏模孔，对储层渗透率有重要贡献（图7-b）。物性统计表明，岩溶型储层的孔隙度介于2.00%～16.36%，平均孔隙度为5.98%，渗透率介于0.002～251.690 mD，平均渗透率为2.620 mD。

2.2.2 储集空间形成与保持

膏模孔在鄂尔多斯盆地岩溶型储层中占绝对优势，以下以膏模孔为例来探讨储集空间的形成与保持。

蒸发潮坪是储层发育的基础。从已有钻探结果看，岩溶型储层基本发育在含膏云坪和膏云坪环境，而潟湖环境则主要发育盖层，储层的发育具有明显的相控性[2,5]。

图7 鄂尔多斯盆地马家沟组上组合岩溶型储层特征照片

同生期层间岩溶和裸露期风化壳岩溶是膏模孔形成的主要机制。同生期层间岩溶是指由于三级或四级海平面下降使已固结或半固结沉积物暴露地表，遭受淡水淋滤的溶蚀作用，这主要发生在马一段、马三段和马五段，尤其是马一段和马三段的沉积末期，造成马一段和马三段上部潮坪沉积中易溶的石膏结核或晶体溶蚀，形成膏模孔，该期形成的膏模孔大多可见方解石全—半充填。风化壳岩溶是马五段膏模孔形成的关键因素。晚奥陶世，由于秦岭洋关闭，造山运动使华北地台隆升，造成长达1.5 亿年的沉积间断，致使鄂尔多斯盆地奥陶系遭受严重风化剥蚀，欠稳定的石膏矿物被溶蚀带走而形成膏模孔，孔隙度最高可达40%，而白云岩经长期淋滤溶蚀，其碳、氧、锶同位素具有明显的淡水改造特点（图8）。该时期形成的膏模孔底部往往充填有同期白云石粉屑（可能是岩溶流体带来或是结核本身包含少量白云石），与后期充填矿物形成示底构造。

图8 鄂尔多斯盆地岩溶白云岩碳、氧、锶同位素组成图

膏模孔的保存受矿物充填和封闭体系两大因素的控制。矿物充填破坏孔隙，充填作用越弱，越有利于孔隙保存。研究成果揭示，膏模孔经历多期充填，第一期是与膏模孔形成同时的白云石粉屑充填，第二期是硬石膏、自形白云石或连晶方解石充填，第三期是无铁方解石和石英充填，第四期是铁白云石或铁方解石充填。在不同岩溶古地貌环境，充填作用和充填程度不同，岩溶高地、斜坡和岩溶盆地的残丘往往是白云石粉屑＋白云石或石英充填，以半充填为主；岩溶高地和斜坡的沟槽、岩溶盆地多为方解石或白云石粉屑＋方解石充填，以全充填为主。经充填作用改造，膏模孔大多被充填缩小甚至消失，孔隙度大幅降低至3%～20%。残留下来的孔隙主要依靠封闭体系来保持水岩反应的长久平衡。石炭系煤系地层沉积后，随着压实作用的增强，煤系地层的封堵能力迅速增加，其与下伏马五6 亚段膏盐岩一道将上组合封闭，为残余孔隙的保持提供的条件。

2.2.3 有利储层分布

综上分析表明，岩溶型储层的形成受沉积微相和岩溶作用的控制，但储层的保持取决于充填矿物及充填程度，而岩溶古地貌又控制了充填矿物类型和充填程度，因此，有利储层的分布主要与微相和岩溶古地貌相关[2]，（含）膏云坪与岩溶高地、岩溶斜坡或岩溶残丘叠合的地区有利于储层的形成和保存，据此预测了乌审旗—靖边—志丹以及佳县—榆林是马家沟组上组合有利储层分布区（图9 紫色区域）；而榆林—子长—延安—华池一带为马三段有利储层分布区（图9 棕黄色区域）。

图9 鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩岩溶型储层分布图

3 有利勘探方向

从储层预测结果看，鄂托克前旗—定边—上韩、桃利庙—吴起和榆林—志丹一带是储层有利分布区。鄂托克前旗—定边—上韩一带是张夏组和马四段颗粒滩型储层有利分布区，该区特点是储层厚度大，物性好，但缺乏圈闭条件，目前处于构造低部位，已钻探井大多产水，失去了勘探意义。桃利庙—志丹区带是岩溶型储层与台缘颗粒滩型储层的叠合地区，其中，岩溶型储层位于岩溶高地与岩溶斜坡古地貌环境，充填较弱，物性较好，其与沟槽充填的泥页岩一起形成地层圈闭；颗粒滩型储层位于台缘带向台内迁移地区，储层物性较好，其上倾方向为台内坳陷沉积，可共同构成岩性圈闭。榆林—志丹一带是岩溶型储层与台内颗粒滩型储层的叠合区，岩溶型储层位于斜坡古地貌位置，物性较好，与沟槽充填的泥页岩一起形成地层圈闭；颗粒滩型储层包括张夏组台内鲕粒滩储层、马五段中组合台内颗粒滩型储层和马四段台内颗粒滩型储层，与台缘滩相比，台内滩厚度变薄，但仍然具有较好储集性能，其上倾方向也具备良好封堵条件，可形成系列岩性圈闭。综合评价认为，桃利庙—吴起和榆林—志丹一带是最有利勘探区带，目前在上述区带内马家沟组上组合已发现大气田，深部的中组合和马四段也有零星发现，随着进一步勘探，深层一定会取得天然气勘探大突破。

4 结论

1）鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩主要发育岩溶型和颗粒滩型两种类型白云岩储层，岩溶型储层发育于蒸发台地的含膏云坪和膏云坪微相，主要分布在马家沟组上组合、马一段和马三段；颗粒滩型储层主要发育于台缘鲕粒滩和台内鲕粒滩微相，分布在张夏组、三山子组、马四段和马家沟组中组合。

2）颗粒滩型储层主要岩性是鲕粒云岩、砂屑云岩、晶粒云岩及微生物云岩，主要储集空间为残余粒间（溶）孔、微生物格架（溶）孔、晶间（溶）孔和溶洞，孔隙度介于2.00%～18.03%，平均孔隙度为6.16%，机械沉积和微生物造丘是原生孔隙形成的重要机制，准同生溶蚀和裸露期风化壳岩溶作用是溶孔溶洞形成的机制，早期白云石化和封闭体系有利于孔隙的保持。

3）岩溶型储层的主要岩性是（含）膏模孔细粉晶云岩和粉晶云岩，储集空间为膏模孔、溶洞及微裂缝，孔隙度介于2.00%～16.36%，平均孔隙度为5.98%同生期层间岩溶和裸露期风化壳岩溶是膏模孔形成的主要机制，膏模孔的保存受矿物充填和封闭体系两大因素的控制。

4）鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩有利储层主要分布鄂托克前旗—定边—上韩、桃利庙—吴起和榆林—志丹一带，其中桃利庙—吴起和榆林—志丹一带是该盆地深层碳酸盐岩气藏勘探的有利区带，有望取得天然气勘探新突破。