鄂尔多斯盆地乌审旗-靖边古隆起对奥陶系盐下沉积与储层的控制作用

2021-06-16魏柳斌陈洪德蔡郑红周黎霞

石油与天然气地质 2021年2期

魏柳斌，陈洪德，郭玮，严婷，蔡郑红，周黎霞

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610059； 2.成都理工大学沉积地质研究院，四川成都 610059；3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安 710018； 4.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018)

国内外油气勘探证实，古隆起是油气勘探的重要目标，尤其是继承性古隆起中的油气藏具有多层系复合含气的特征[1-2]。如中国四川盆地的川中古隆起，低幅隆起控制了震旦系灯影组岩溶储层及寒武系龙王庙组大面积丘滩体的形成和发育，发现了中国最大的整装气田——安岳气田[3-4]。再如沙特阿拉伯的加瓦尔隆起，1940年发现了世界第一大油田——加瓦尔油田，产层为侏罗系的Arab组碳酸盐岩，1971年加深钻探又在三叠系Khuff组碳酸盐岩层系发现了加瓦尔大气田，后期又在石炭-二叠系及泥盆系发现了砂岩气藏[5-6]，均证实继承性古隆起是形成大型-超大型油气田的重要构造单元。鄂尔多斯盆地早古生代也存在“中央古隆起”[7-9]，虽未直接控制古生界天然气成藏，但对其周边地区的地层岩性及储层发育特征却起着重要的控制作用。围绕中央古隆起带附近马家沟组发育厚层白云岩体，具有极佳的物性条件，发育以晶间孔为主的白云岩储层[10-18]。近期的钻探证实，鄂尔多斯盆地早古生代除了发育中央古隆起、伊盟隆起外，在寒武纪沉积期还存在“乌审旗-靖边古隆起”(图1)，它对后续奥陶系的沉积及储层发育起着重要的控制作用。笔者基于钻井及地震地层对比剖面、系统性的寒武系厚度、寒武系各段地层超覆尖灭线以及前奥陶纪古地质图等编图，详细论述寒武系古隆起形成分布及确认依据，重点围绕继承性古隆起控制背景下，奥陶系马家沟组碳酸盐岩-膏盐岩体系发育的古构造背景及地层岩性分区特征，分析乌审旗-靖边古隆起对奥陶系盐下沉积、储层发育的控制作用，以期指导鄂尔多斯盆地中东部奥陶系盐下碳酸盐岩领域的天然气勘探。

图1 鄂尔多斯盆地寒武系厚度Fig.1 The Cambrian system thickness in the Ordos BasinA—A′绿线示图2剖面位置；B—B′绿线示图3剖面位置

1 寒武纪古构造格局

1.1 古隆起形成与分布

早期研究证实，寒武纪鄂尔多斯地块主要发育三大古隆起：一是中央古隆起，位于鄂尔多斯盆地西南部环县-镇原一带，主轴呈南北向展布，形态似枣核状，中央古隆起核部前石炭系出露前寒武系，不同阶段形态特征略有差异，奥陶系中央古隆起的范围进一步扩大，演化成“L”型展布的古隆起，横亘南北[7-9]；二是吕梁隆起，位于鄂尔多斯盆地东部挠褶带的柳林-临县一带，盆地东部柳林三川河下古生界露头剖面显示寒武系沉积期仅发育晚寒武世三山子组沉积，缺失早-中寒武世地层，该古隆起呈近南北向展布；三是伊盟隆起，位于盆地北部，分布范围较广，多数学者认为伊盟隆起在中元古代长城纪沉积后即处于隆升状态[19-22]，核部前石炭系出露千里山群和乌拉山群基底变质岩系，局部发育长城系裂陷槽沉积，岩性以石英砂岩为主(图1)。

近期钻探资料揭示，鄂尔多斯盆地在寒武系沉积期，除了发育中央古隆起、伊盟隆起以及吕梁隆起外，还发育“乌审旗-靖边”古隆起。该古隆起位于盆地中部乌审旗-靖边地区，呈燕尾状形态，一翼向靖边地区延伸，另外一翼向鄂托克前旗延伸。周缘寒武系向古隆起超覆减薄直至尖灭缺失，古隆起核部缺失整个寒武系，钻井约束寒武系缺失面积约1.1×104km2(图1)。古隆起上的中元古界长城系与奥陶系马家沟组直接接触，表明整个寒武系沉积期该古隆起一直处于隆升状态，直至奥陶纪马家沟期才开始接受沉积。

1.2 古隆起的确认依据

1.2.1 寒武系厚度变化

利用露头与钻井资料编制了鄂尔多斯盆地寒武系厚度(图1)。鄂尔多斯盆地在寒武系沉积期形成了隆坳相间的古构造格局，伊盟隆起、乌审旗-靖边古隆起及中央古隆起均缺失寒武系，而吕梁隆起寒武系也明显较两翼变薄。鄂尔多斯盆地寒武系整体分布上具有“盆地边缘厚度大、盆地内部厚度较薄”的特点。盆地东北部神木、准格尔旗厚度约300 m，盆地西南缘最厚可达800 m，指示寒武系沉积期海水从盆地西南缘及东北部向鄂尔多斯台地内部逐渐海侵的演化过程。

1.2.2 钻井地层对比剖面

通过横穿古隆起的钻井地层对比剖面可以更直观地反映古隆起的形成、消亡时间及古隆起周缘地层展布规律。由乌审旗-靖边古隆起的东西向钻井地层对比剖面发现(图2)，古隆起核部奥陶系马家沟组直接与中元古界长城系接触，其间缺失整个寒武系。从寒武系徐庄组开始，古隆起两翼开始接受沉积，伴随海平面的缓慢上升，古隆起周缘的寒武系由老到新依次向古隆起超覆直至尖灭缺失。其上覆的奥陶系马家沟组早期沉积的马一段、马二段也具有向古隆起超覆减薄的现象，表明乌审旗-靖边古隆起为同沉积古隆起。

1.2.3 地震剖面依据

由横切乌审旗-靖边古隆起的G12-05地震大剖面可见，寒武系向乌审旗-靖边地区逐渐减薄并尖灭缺失，奥陶系也显著较两侧减薄，地震预测靖西地区奥陶系厚约700 m,盆地东部厚度可达800 m,而乌审旗-靖边地区仅640 m(图3)，证实奥陶系沉积期乌审旗-靖边地区仍为水下古隆起。从深部地震反射结构来看，长城系沉积期在靖边西侧发育裂陷槽，长城纪地层向乌审旗-靖边地区逐渐减薄并缺失，盆地东部地区整体缺失长城系沉积，寒武系与太古界直接接触。表明乌审旗-靖边古隆起发育于长城纪裂陷槽的边缘，它的形成可能与长城系裂谷边缘挤压反转隆升有关。

图3 鄂尔多斯盆地中东部地区东西向地震偏移时间剖面(剖面位置见图1B—B′所示)Fig.3 Offest time profile of transmeridional stitching seismic line in central and eastern Ordos Basin (see Fig.1 for the section location as shown in line B—B′)

1.2.4 寒武系各层段超覆尖灭线分布

寒武系底面各层段超覆尖灭线是寒武系底部地层分布的总体轮廓，主要反映寒武纪从早到晚的地层超覆沉积特征，也可以间接反映古隆起的性质。由鄂尔多斯盆地寒武系层段超覆尖灭线可见(图4)，吕梁隆起、伊盟隆起及乌审旗-靖边隆起周缘地层向古隆起地层年代依次变新，周缘寒武系依次向古隆起超覆，具有同沉积古隆起的特点；而中央古隆起周缘寒武系发育齐全，平面上寒武系剥蚀区位于底部毛庄组发育区，寒武系向古隆起剥蚀削截，说明中央古隆起可能形成于寒武纪之后，早奥陶世怀远运动时期的可能性较大。

图4 鄂尔多斯盆地寒武系各层段超覆尖灭线分布Fig.4 Distribution of overlapping pinch-out boundaries of the Cambrian in the Ordos Basin

1.2.5 前奥陶纪古地质图

鄂尔多斯盆地前奥陶纪古地质图可以反映奥陶系沉积前寒武系顶部地层分布的全貌，也可在一定程度上反映寒武系沉积结束后的古地貌轮廓或地形起伏状况。由鄂尔多斯盆地前奥陶纪古地质图可见(图5)，中央古隆起、乌审旗-靖边古隆起及伊盟隆起均缺失寒武系，古隆起周缘的寒武系向古隆起依次由新变老，乌审旗-靖边古隆起与中央古隆起在寒武纪末期渐趋连成一体，横亘于盆地中部，成为分割盆地东部和西部坳陷区的分水岭。

图5 鄂尔多斯盆地前奥陶纪古地质图Fig.5 The pre-Ordovician paleo-geological map of the Ordos Basin

综合前奥陶纪古地质图及寒武系各层段超覆尖灭线范围，寒武系古隆起演化特征总体表现为：寒武纪早期古隆起主要发育于盆地北部，伊盟隆起、乌审旗-靖边古隆起及吕梁隆起连成一线，分割南北两大海域；到了寒武纪末期，随着中央古隆起的隆升，伊盟古隆起、乌审旗-靖边古隆起及中央古隆起南北连成一体，分割东西两大海域，反映出寒武纪构造格局由南北向构造向东西向构造的转换。

2 寒武纪古隆起对中东部奥陶系沉积的继承性影响

2.1 控制盆地东部米脂盐洼的分布格局

从奥陶系厚度可以看出，受盆地西南部中央古隆起、中部乌审旗-靖边古隆起、东部吕梁古隆起的三面夹持作用，在盆地东部奥陶纪马家沟期形成了一个三角洼陷带，即米脂盐洼。所在区受三大古隆起的共同障壁阻隔作用，致使马家沟组海退期古隆起大部分时间暴露地表，导致盆地东部米脂洼陷与广海长时间隔绝或海水循环不畅，水体盐度升高，形成厚层的石盐岩沉积(图6)。其中，马一段、马三段、马五6亚段是蒸发岩的主要发育期，马一段石盐岩分布面积约5.4×104km2；马三段石盐岩分布面积约3.9×104km2；马五6亚段石盐岩分布面积约3.5×104km2(图6)。其中，马一段石盐岩分布范围最广，面积最大，随着马家沟组振荡性海侵作用的不断推进，石盐岩逐渐向北收缩，石盐岩分布范围从马一期至马三期、再到马五6亚期依次缩小。从石盐岩分布范围可知，乌审旗-靖边古隆起、吕梁古隆起及中央古隆起对石盐岩分布具有明显的控制作用。石盐岩沉积边界西至乌审旗-靖边古隆起东侧的靖边-横山一带，东至吕梁隆起西侧柳林-临县一带，南至中央古隆起北侧的吴旗-富县一带。

图6 鄂尔多斯盆地奥陶系石盐岩平面分布Fig.6 Planar distribution of the Ordovician salts in the Ordos Basin

2.2 控制乌审旗-靖边古隆起东西沉积相带分异

受寒武纪古隆起的继承性影响，在盆地中东部形成了“三隆两洼”的古构造格局。三个隆起，即中央古隆起、乌审旗-靖边古隆起以及吕梁古隆起；两个洼陷，即米脂洼陷和靖西洼陷(图7)。受乌审旗-靖边古隆起的障壁作用，盆地中东部奥陶系马家沟组沉积分异作用显著。特别是乌审旗-靖边古隆起东、西两侧洼陷的沉积出现明显的相带分异。以盆地中东部马五7亚段岩相古地理为例(图8)，除了盆地东北部府谷地区水体相对开阔，以泥晶灰岩沉积为主之外(图9a),盆地东部米脂洼陷总体而言相对于靖西洼陷沉积水体更为局限，岩性以灰质云岩，云质灰岩沉积为主，局部古地貌高部位以生物潜穴白云岩为主(图9b)；而靖西洼陷与外海沟通，沉积水体较通畅，岩性以生物扰动灰岩为主(图9c)。乌审旗-靖边古隆起上水体能量较高，主要发育台内丘滩体沉积(图9d)，而在马五6、马三等海退期沉积期，盆地中东部整体处于半封闭-封闭的局限海沉积环境。以盆地中东部马三段岩相古地理为例(图10)，乌审旗-靖边古隆起上以蒸发云坪沉积为主，乌审旗-靖边古隆起两侧的洼陷出现更进一步的沉积分异，东部的米脂洼陷海水盐度较高，岩性以石盐岩为主(图9e)，而中部的靖西洼陷海水盐度相对较低，岩性以硬石膏岩与白云岩互层为主(图9f)。

图7 鄂尔多斯盆地奥陶系厚度Fig.7 Thickness of the Ordovician in the Ordos Basin

图8 鄂尔多斯盆地马五7亚段岩相古地理Fig.8 Lithofacies paleogeography of the Ma 57Sub-member in the Ordos Basin

图9 鄂尔多斯盆地奥陶系盐下岩石学特征Fig.9 Petrology characteristics of the Ordovician subsalt rocks in the Ordos Basina.神66井，埋深2 169.73 m，马五7，泥晶灰岩； b.双141井,埋深2 824.23 m，马五7，生物潜穴白云岩；c.靳7井，埋深3 734.50 m马五7，生物扰动灰岩；d.靖探1井，埋深3 643.00 m，马五7，砂屑白云岩；e.陕473井，埋深4 160.51 m，马三段，粉红色石盐岩；f.桃102井，埋深3 094.03 m，马三段，结核状硬石膏岩

乌审旗-靖边古隆起对盆地中东部马家沟组碳酸盐岩-膏盐岩共生体系岩性旋回的控制作用也较为明显，不同区带碳酸盐岩-膏盐岩共生体系岩性特征存在显著差异。盆地东部米脂地区主要为海退期盐岩洼地与海侵期云灰洼地交替演变，纵向上发育石盐岩与云质灰岩为主的岩性旋回；盆地中部乌审旗-靖边古隆起主要为海退期膏云坪与海侵期颗粒滩交替演变，纵向上发育云质膏岩夹颗粒滩、微生物丘为主的岩性旋回；盆地中部靖西洼陷主要为海退期膏质洼地与海侵期灰质洼地交替演变，纵向上发育硬石膏岩夹泥晶灰岩的岩性旋回。

3 古隆起对奥陶系储层发育的控制作用

3.1 乌审旗-靖边古隆起海侵期发育丘滩体等有利储集相带

短期海侵层序的白云岩储层是夹于蒸发岩旋回的粉晶白云岩，其成因受短期海侵期形成的丘滩相沉积体控制，通常与局部地区古沉积底形的相对高部位密切相关。受寒武系乌审旗-靖边古隆起的继承性影响，该区在奥陶纪也基本处于相对隆起的地区，是一个间歇性暴露的水下古隆起，形成了一个宽缓的低幅隆起带，东西横亘几十公里，南北延绵上百公里，为大面积丘滩体的发育提供了有利的古地形条件，成为一个有利于丘滩体发育的区带(图8)。平面上丘滩体呈毯式、群带状围绕乌审旗-靖边古隆起大面积发育，储层以凝块石白云岩、颗粒白云岩为主(图11a,b)，发育残余格架及溶孔型储层(图11d,e)。

纵向上受海平面升降控制，盆地中东部马家沟组发育碳酸盐岩-膏盐岩交互沉积，尤其是马五段发育次一级的海侵-海退旋回，马五7、马五亚段9等奥陶系盐下碳酸盐岩是夹于蒸发岩旋回中的短期海侵沉积。结合区域岩相古地理研究发现(图8)，乌审旗-靖边古隆起在马五7、马五9亚期均处于潮上-潮间的浅水环境，局部可发育高能丘滩体沉积，经沉积后白云岩化作用，有利于形成丘滩型白云岩储层。横向上，乌审旗-靖边古隆起沉积期局部高部位处于潮上带以膏云坪沉积为主，古隆起的缓坡带位于潮间带，水体能量较高，是丘滩相碳酸盐岩发育的有利部位，丘滩体主要围绕靖西洼陷呈环带状分布。其次，古隆起带刚好位于海退蒸发岩旋回石盐岩与硬石膏岩的岩相转换带，其东侧为米脂石盐岩的沉积区，其西为靖西硬石膏岩沉积区(图10)，古地理格局上构成了一个明显的区域岩性相变带，也为后期渗透白云岩化作用的发生提供了基本的成岩环境。

图10 鄂尔多斯盆地马三段岩相古地理Fig.10 Lithofacies paleogeography of the Ma 3 Member in the Ordos Basin

3.2 乌审旗-靖边古隆起海退期易于形成溶孔型储层

乌审旗-靖边古隆起海退蒸发岩层序也发育较好的白云岩储层，岩性以富含膏(盐)模孔的泥粉晶白云岩为主，形成于马五6亚段、马三段等大规模海退沉积期。虽然整体上表现为振荡性的海退过程，但是其内部也发育米级的白云岩夹层，纵向上发育向上变浅的岩石序列，由多个石盐岩-硬石膏岩-含硬石膏(石盐)结核的泥粉晶白云岩的岩性旋回组成。含硬石膏(石盐)结核的泥粉晶白云岩本身缺乏储集性能，但靖边-乌审旗古隆起处于较高的古地貌背景，在海退蒸发岩沉积期长时间、大面积暴露，遭受了准同生期大气淡水淋滤[23-25]，导致含硬石膏(石盐)结核的泥粉晶白云岩发生组构选择性溶蚀作用，易溶膏盐矿物组构发生溶解，形成含膏(盐)模孔的泥粉晶白云岩储层(图11c,f)。

图11 鄂尔多斯盆地奥陶系盐下储层类型及岩石学特征Fig.11 Types and petrology characteristics of subsalt reservoirs in the Ordovician in the Ordos Basina.陕367井，马五7，埋深3 762.24 m，颗粒白云岩； b.莲144井，埋深3 789.28 m，马五9，藻格架白云岩；c.陕473井，马三段，埋深4 130.80 m,泥晶白云岩，溶孔；d.陕367井，马五9，埋深3 946.63 m，砂屑白云岩，晶间溶孔； e.莲144井，埋深3 803.90 m，马五7，晶间溶孔； f.陕473井，马三段，埋深4 172.59 m，泥晶白云岩，溶孔

4 古隆起控制的沉积及储层发育模式

依据上述古隆起对奥陶系岩相古地理格局及储层分布规律控制作用的研究，建立了鄂尔多斯盆地中东部马家沟组多重障壁的台地沉积模式(图12)。受海平面升降变化的影响，海侵期与海退期的沉积相分异作用明显，海侵期自西向东由台缘斜坡-台缘丘滩-灰质洼地-台内滩丘-云灰洼地-台内丘滩构成；海退期自西向东由台缘斜坡-台缘丘滩-膏质洼地-膏云坪-盐岩洼地-膏云坪构成。盆地中部乌审旗-靖边地区奥陶系盐下钻探证实，乌审旗-靖边古隆起奥陶纪为低幅度的水下古隆起，具有较高的古地貌背景，海侵期古隆起及其缓坡带有利于高能颗粒滩及微生物丘等有利储层沉积相带的发育；海退期古隆起上长时间暴露，遭受准同生期岩溶作用，导致富含硬石膏结核的泥晶白云岩发生组构选择性溶蚀，易于形成溶孔型白云岩储层。

该模式与鄂尔多斯盆地马家沟组早期建立的台地模式存在显著差异。早期认为鄂尔多斯盆地中东部为统一的台内坳陷，随着乌审旗-靖边古隆起的发现转变为“隆洼相间”的古构造格局的新认识，即盆地中东部由乌审旗-靖边古隆起及其东西两侧的米脂洼陷和靖西洼陷构成。从沉积及储层发育的角度来说，该模式凸显了奥陶系盐下碳酸盐岩油气勘探潜力，以往的勘探主要集中于中央古隆起为主的台地边缘相区，尽管该区也发育较好的白云岩储层，但由于白云岩发育厚度大，缺乏有效圈闭条件，中央古隆起区厚层白云岩体试气均产水，勘探效果不佳。该模式的建立，将鄂尔多斯盆地奥陶系天然气勘探区带由以往的中央古隆起周边地区拓展到盆地东部的台地内部，勘探层系由以往的奥陶系风化壳拓展到奥陶系盐下。这对于鄂尔多斯盆地奥陶系盐下天然气勘探具有重大理论和实际勘探意义。

乌审旗-靖边古隆起位于海退期硬石膏岩-石盐岩的岩性相变附近。该区马家沟组纵向上发育硬石膏岩与白云岩交互沉积，马五7亚段、马五9亚段及马四段等海侵层序是白云岩储层的主要发育层段，马五6亚段及马三段等海退层序发育的硬石膏岩是主要封盖层。尤其是奥陶系马五6亚段膏盐岩具有“地层厚度大、分布面积广”的特点，厚度约70～120 m，面积约5×104km2，是奥陶系盐下碳酸盐岩的主要封盖层，直接披覆于乌审旗-靖边古隆起之上，形成了良好的储盖组合(图12)。古隆起控制作用下的沉积及储层综合模式的建立，不仅可以有效预测有利储集相带的空间展布，更重要的是揭示了奥陶系盐下也具有良好的油气勘探潜力，推动了奥陶系马五段盐下天然气勘探的突破。目前已有多口井试气获得高产气流，有望形成千亿方的含气区，实现长庆油田“靖边气田”之下找“靖边气田”的夙愿。