靖边气田马家沟组碳酸盐岩储层特征及主控因素

李宝成

(陕西延长石油(集团)有限责任公司 延长气田采气二厂，陕西 靖边 718500 )

0 引言

鄂尔多斯盆地下古生界奥陶系地层在加里东运动中整体抬升，暴露于大气地表环境并遭受150 Ma以上的风化、淋滤和剥蚀作用[1]。长期的冲刷和溶蚀作用使马家沟组顶部形成一套溶蚀孔、洞系统十分发育的岩溶风化壳储集层[2]，下古生界大牛地气田[3-5]和靖边气田[6-7]等大气田的形成与风化壳储集层的发育密切相关。因此，明确储层的分布规律及控制因素对马家沟组天然气资源的进一步勘探至关重要。

杨威等[8]、李百强等[9]认为，碳酸盐岩储层分布受控于岩相古地理环境。王国亭等[10]、李百强等[11]、王金娜等[12]、罗清清等[13]认为，成岩作用与成岩相对储层分布有重要影响。张宁宁等[14]认为，构造作用对裂缝性碳酸盐岩储层分布控制作用明显。张银德等[15]、邱隆伟等[16]、牛君等[17]、淡永等[18]、魏新善等[19]、ZHU Liwen等[20]、CAO Jianwen等[21]、曹红霞等[22]认为，岩溶古地貌等是风化壳型碳酸盐岩储层形成的关键，但主导风化壳不同部位的碳酸盐岩储层的控制因素具有明显差异。

以靖边南部马家沟组五段4(马五4)亚段为例，在钻井岩心观察、薄片鉴定、物性资料统计分析及压汞测试分析等储层特征研究的基础上，分析古构造、岩相古地理、成岩作用和岩溶古地貌等因素对储层的控制作用，明确靖边南部马五4亚段储层的分布规律，为研究区天然气勘探有利区优选提供指导。

1 地质背景

奥陶系马家沟组沉积时期，鄂尔多斯盆地内部整体表现为坳隆相间的构造格局[23]。盆地西南部的中央古隆起和东部的陕北凹陷长期并存且相互作用，决定盆地的古构造和古地理环境格局[24]。早古生代，盆地进入稳定克拉通发育时期，沉积一套区域上分布稳定的海相碳酸盐岩沉积建造[25]。根据岩性及沉积旋回，马家沟组自下而上可分为马一～马六6个层段，而马五段自上而下又可分为马五1～马五1010个亚段，其中马五4亚段是在三级海平面下降背景下、四级海平面上升过程中形成的一套以石灰岩为主夹白云岩的沉积(见图1)。

图2 延929井马五4亚段地层、岩性和测井曲线响应特征Fig.2 Formation, lithology and logging curves response of the Ma 54 Sub-member from well Yan 929

2 储层特征

2.1 岩石学特征

根据碳酸盐岩岩石成因—结构分类方案[26]，结合研究区马五4亚段的碳酸盐岩物质成分、结构及沉积构造特征，将研究区马五4亚段储集层岩石类型划分为膏盐溶蚀泥粉晶白云岩、岩溶角砾泥粉晶白云岩和砂砾屑泥晶白云岩三类。

2.1.1 膏盐溶蚀泥粉晶白云岩

2.1.2 岩溶角砾泥粉晶白云岩

岩溶角砾泥粉晶白云岩是研究区风化壳附近马五4亚段的主要储层岩石类型，岩石主要分布于靠近中央隆起带的岩溶高地，岩溶坍塌并伴随角砾化过程而形成角砾结构(见图3(b-c))。此外，由于研究区剥蚀较为严重，岩石中发育大量的灰质、泥质和粉砂质胶结组分(见图3(d))。

图3 靖边南部马五4亚段储集层微观岩相特征Fig.3 Characteristics of micro-lithofacies of Ma 54 Sub-member in Southern Jingbian Area

2.1.3 砂砾屑泥晶白云岩

2.2 储集空间类型

研究区马五4亚段碳酸盐岩主要发育次生孔隙，根据成因，可进一步划分为铸模孔隙、晶间孔和晶间溶孔。

2.2.1 铸模孔隙

研究区马五4亚段铸模孔隙包括膏模孔隙和盐模孔隙，主要发育在膏盐溶蚀角砾泥、粉晶白云岩中(见图4(a-b))，其形成机理为含膏或含盐的泥粉晶白云岩在遭受早期淡水溶蚀后，易溶的硬石膏或石盐组分被溶解，形成具有储集能力的膏模孔或盐模孔。若该类孔隙部分被围岩碎屑充填，可以形成示底构造，但未被充填的部分具有一定的储集能力。

2.2.2 晶间孔和晶间溶孔

这两类孔隙主要发育在砂砾屑粉细晶白云岩中(见图4(c-d))，晶间孔是在浅埋藏阶段由具有渗透性的颗粒灰岩在被白云化流体交代过程中，离子半径较小的Mg2+替代Ca2+后释放的空间而形成[27]。此类孔隙连通性较好，是研究区重要的储集空间类型。晶间溶孔是中、深埋藏阶段的酸性地层水，沿微裂缝对晶间灰质组分再次进行组构选择性溶解而成。

图4 研究区马五4亚段主要储集空间类型Fig.4 Major types of reservoir space of Ma 54 Sub-member in the study area

2.3 物性特征

实测岩心物性结果显示，研究区57个马五4亚段碳酸盐岩样品的孔隙度变化范围相对较大，整体介于1.25%～9.50%，峰值区间主要分布于2.00%～7.00%。渗透率整体变化范围相对较大，整体介于(0.01～7.10)×10-3μm2，主要分布于(0.01～0.10)×10-3μm2之间(见表1)，属于典型的低孔低渗储层。实测孔隙度与渗透率相关关系相对较差(见图5(a))，表明储层的孔隙结构相对复杂。从样品的实测孔隙度和最大进汞饱和度关系可以看出，二者之间呈现一定的线性正相关关系(见图5(b))，表明最大进汞饱和度对储层的孔隙度具有明显的影响。

表1 研究区马五4亚段物性数据

图5 研究区马五4亚段孔隙度与渗透率、最大进汞饱和度交会Fig.5 Crossplot of measured porosity versus permeability and maximum mercury saturation of Ma 54 Sub-member in the study area

2.4 储层孔隙结构特征

由于储层孔隙度受最大进汞饱和度影响明显，首先根据最大进汞饱和度，将研究区马五4亚段储层划分为高饱和型(最大进汞饱和度大于70%)、中饱和型(最大进汞饱和度介于30%～70%)、低饱和型(最大进汞饱和度介于10%～30%)和微饱和型(最大进汞饱和度小于10%)4类；然后根据排驱压力(排驱压力小于0.1 MPa为低排型，介于0.1～1.0 MPa为中排型、大于1.0 MPa为高排型)和孔喉分布特征(压汞曲线斜率小为单峰型，斜率大为多峰型)，对每一类孔隙结构特征进行研究。

2.4.1 高饱和型孔隙结构

此类孔隙结构可进一步划分为高饱低排单峰、高饱低排多峰、高饱中排多峰和中饱低排多峰4种亚类。具有大量盐模孔隙和晶间孔的粉晶白云岩往往发育大量孔隙，并具有孔隙度高、储集性能好的特点，排驱压力低的样品发育一般盐模孔，并具有渗透性良好的微孔隙系统，其最大孔喉半径大，压汞曲线多具有双峰及多峰特征(见图6(a))。

2.4.2 中饱和型孔隙结构

此类孔隙结构可进一步划分为中饱低排多峰、中饱低排细峰、中饱高排细峰和中饱中排多峰4种亚类。由于膏盐溶蚀角砾云岩储层的孔隙度较高，储集性能较好。低排型样品发育较多盐模孔，其微孔隙系统具有较好渗透性。以晶间孔为主的储层样品的压汞曲线具有细偏单峰特征。随储层中微孔隙系统发育程度降低，其孔隙结构逐渐转化为中饱中排多峰型孔隙结构。如果盐模孔隙大部分被胶结，则形成中饱高排细偏单峰型孔隙结构(见图6(b))。

2.4.3 低饱和型孔隙结构

此类孔隙结构主要包括低饱低排多峰、低饱中排细峰、低饱中排粗峰和低饱高排细峰4种亚类。对应的储集层的孔隙发育相对较差，且非均质性强，主要存在于非组构选择型溶蚀孔隙及微裂缝相对发育的岩溶角砾泥粉晶白云岩。此外，当泥晶白云岩中的膏、盐模孔不发育或大部分被胶结，仅发育少量的微裂隙和微孔隙时，也形成低孔型孔隙结构的储层(见图6(c))。

2.4.4 微饱和型孔隙结构

此类孔隙结构以微饱中排细偏结构为主。由于致密泥晶白云岩中仅发育少量的微孔隙或微裂缝，孔隙喉道相对狭窄，储集性能和渗流性能十分有限，是主要发育的储层岩石类型(见图6(d))。

图6 研究区马五4亚段孔隙结构类型Fig.6 Pore structure types of Ma 54 Sub-member in the study area

2.5 储层厚度平面分布特征

图7 研究区马小层储层厚度等值线Fig.7 Reservoir thickness isogram of Ma Layer in the study area

3 储层主控因素

3.1 古构造高部位

奥陶纪马家沟组沉积末期，鄂尔多斯盆地整体表现为自中央古隆起向东部米脂坳陷构造趋势逐渐降低的特征[28]。这一构造格局在一定程度上长期控制马家沟组的沉积格局[29]，从而间接控制不同岩相的分布。研究区马五4亚段顶部古构造图 (见图8) 显示，整体表现为西高东低的总趋势，尤其在西北部S361井区达到古构造最高部位，并向东南部逐渐降低。根据西部地区的储层厚度分布，优质储层基本发育于J41井区、J60井区、J57井区、Y1193井区及J65井区等古构造相对较高的部位。在研究区东部，虽然整体构造部位较低，但地区储层厚度分布趋势显示，优质储层位于Y908井区、J17井区及小河地区等构造相对高部位地区。古构造隆起部位有利于碳酸盐岩储层发育。这是因为古构造高部位促进蒸发环境的形成，易形成后期白云岩化过程需要的白云化流体，从而有助于富含晶间孔的白云岩储层的形成。

图8 研究区马小层储层厚度与马五4亚段顶部古构造叠合Fig.8 Overlap map of reservoir thickness of Ma Layer with palaeotectonic of Ma 54 Sub-member in the study area

3.2 岩相古地理环境

图9 研究区马小层储层厚度与马五4亚段岩相古地理叠合Fig.9 Overlap map of reservoir thickness of Ma Layer with lithofacies palaeogeography of Ma 54 Sub-member in the study area

3.3 成岩作用

碳酸盐岩储集空间的形成一般始于沉积阶段，终于成岩阶段[2]。研究区马五4亚段经历多期成岩作用的改造，从早期大气淡水溶蚀到浅埋藏白云石化及表生期风化岩溶作用等。其中，早期大气淡水溶蚀属于选择性溶蚀，表现为淡水对硬石膏、石盐等易溶矿物的溶蚀，从而形成膏模孔或盐模孔等铸模孔隙。浅埋藏白云石化作用属于Mg2+交代Ca2+的过程，从而释放大量的晶间孔隙[27]，进一步提高白云岩的储集能力。表生期岩溶作用属于非选择性溶蚀，规模大、溶蚀作用强烈并伴随岩层角砾化，可形成角砾间溶孔或溶蚀缝等。这些储集空间的形成改善研究区马五4亚段白云岩储层储集能力的重要因素。

3.4 岩溶古地貌

综合印模法和残余厚度法恢复的岩溶古地貌图(见图10)显示，研究区西北部古地势最高，为岩溶高地并向东南部过渡为岩溶斜坡，西南部和东北部地区同样发育岩溶斜坡带，岩溶斜坡带之间发育岩溶阶地，期间有岩溶洼地呈孤立状分布，尤其是镰刀湾以东地区。储层厚度与岩溶古地貌叠合图显示，优质储层多数分布于西北部和西南部的岩溶斜坡带，以及岩溶斜坡向岩溶阶地过渡的地区(如靖40、靖67和靖68井区)，在研究区东部呈现同样规律：优质储层主要分布于相对高地势向相对低地势过渡的地带(如靖17井区等)。这是由于大气淡水自西北部地势相对高的岩溶高地(或岩溶斜坡)流向地势较低的岩溶洼地过程中，途经面积广泛的岩溶斜坡(或岩溶阶地)，岩溶作用时间较长，溶蚀、淋滤作用进行较充分，从而形成大量的溶蚀孔、洞，为储层的形成提供丰富的储集空间。

图10 研究区马小层储层厚度与岩溶古地貌关系Fig.10 Relationship between reservoir thickness of Ma Layer and karst paleogeomorphology in the study area

4 储层有利区

古构造高部位、云坪和含泥云坪、晶间孔和晶间溶孔发育区、岩溶斜坡带等因素，是影响储层分布有利区优选的重要因素，将具备4个要素的优势区划为一类有利区，具备3个要素的划为二类有利区，具备2个要素的划为三类有利区。研究区储层分布有利区见图11。由图11可以看出，一类有利区主要分布于研究区西部，多呈孤立状分布，东部一类有利区分布在延507井区。二类有利区主要分布于东部青阳岔以南、王家湾以北地区。三类有利区在研究区分布范围整体较广。一类有利区和二类有利区可作为研究区天然气勘探的重点区域。

图11 靖边南部马五4亚段储层有利区分布Fig.11 Distribution of favorable areas of Ma 54 Sub-member in South Jingbian

5 结论

(1)靖边南部马五4亚段碳酸盐岩储集层的主要岩石类型包括膏盐溶蚀泥粉晶白云岩、岩溶角砾泥粉晶白云岩及砂砾屑泥晶白云岩；储集空间类型包括铸模孔隙、晶间孔和晶间溶孔；储层孔隙结构划分为高饱和型、中饱和型、低饱和型及微饱和型4类。

(2)研究区储层分布受多因素控制，其中古构造中的高部位、古地理环境中的云坪沉积微相、成岩作用中的早期淡水溶蚀、白云石化和表生期岩溶作，以及古地貌中的岩溶斜坡带是储层发育的有利因素，同时具备几种要素的区域为碳酸盐岩储层发育的有利区。