鄂尔多斯盆地米脂地区奥陶系马四段沉积新认识与有利储集相带

2022-01-14周进高席胜利任军峰吴东旭丁振纯李维岭刘雨昕

天然气工业 2021年12期

周进高席胜利任军峰尹陈吴东旭丁振纯李维岭刘雨昕

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

鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组海相碳酸盐岩蕴藏着丰富的天然气资源，具有巨大的勘探潜力[1]。历年的勘探证实，该地区天然气赋存的储集体类型主要为风化壳溶孔型储集体[2-6]和白云岩晶间孔型储集体[4,7-11]，并分别在马家沟组五段（以下简称马五段）风化壳溶孔型储集体中发现了靖边气田和大牛地气田、在马五段白云岩晶间孔型储集体中发现了苏203井、统74井和莲92井等一批高产工业气井[11-12]。但是，在马家沟组四段（以下简称马四段）—马家沟组一段（以下简称马一段）中，仅少数探井获得低产气流，见到了勘探苗头，未取得天然气勘探战略性突破[13]。2021年6月，中国石油长庆油田公司在鄂尔多斯盆地东部米脂地区部署的风险探井——米探1井首次在马四段测试获得35.24×104m3/d的天然气无阻流量，证实了鄂尔多斯盆地东部米脂地区马四段发育有利的储集体，有望形成继盆地中东部马五段岩溶风化壳气藏和白云岩岩性气藏后的又一规模储量、产量增长区。

前人对鄂尔多斯盆地马四段沉积相类型及岩相古地理已做过较多研究，并多以马四段为编图单元[14-18]，仅少数学者对马四段岩相古地理进行分段研究[19]。另外，从已取得的成果认识来看，关于米脂地区马四段沉积相类型及其展布规律也存在较大的分歧，如冯增昭等[14]、史基安等[15]、张永生等[16]、潘为等[19]认为鄂尔多斯盆地马四段广泛发育开阔台地相，米脂地区缺乏有利于储层发育的有利沉积相带；郭彦如等[17]认为盆地东部神木—子洲以西地区主要发育局限台地相，神木—子洲以东地区主要发育开阔台地相，米脂地区不发育有利储集相带；周进高等[18]认为盆地东部沿横山隆起发育台内滩和滩间海微相，于洼陷处发育台内洼地相带，其中米脂地区北部发育台内滩，中部、南部为台内洼地，不具备储层发育的条件。根据米探1井马四段取得的勘探成果，为了满足该区下一步勘探部署的技术需求和进一步深化该区马四段沉积相类型及岩相古地理展布特征认识。为此，笔者以野外露头、钻井岩心、微观薄片、测井和地球化学特征分析为基础，对盆地东部米脂地区马四段岩石类型、沉积相类型和岩相古地理开展系统研究，确定不同沉积微相及其内部高频层序旋回结构，并结合沉积古地貌建立米脂地区马四段沉积演化模式，明确有利储集相带类型，预测有利储集层发育区，以期为该区马四段下一步天然气勘探部署提供技术支撑。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地处于华北地台西部，马家沟期沉积了一套碳酸盐岩—膏盐岩共生组合，自下而上细分为六段，其中马一段、马三段和马五段以白云岩和蒸发岩为主，形成于大规模海退时期，主要为蒸发台地和局限台地沉积；马二段、马四段和马六段以石灰岩为主，形成于大规模海侵时期，主要为开阔台地—局限台地沉积。其中，马四段自上而下又细分为3个亚段。

米脂地区位于鄂尔多斯盆地中东部，奥陶纪马四期具有“三隆两坳”古地理格局，三隆为中央古隆起、横山隆起和离石隆起，两坳为桃利庙坳陷和米脂坳陷[18,20-21]，米脂地区位于米脂坳陷（图1）。基于钻井和地震编制的地层厚度图显示，米脂坳陷在马四期发育多个低凸起和凹陷等次级构造单元（图2）。受古地貌、古气候和海平面升降变化的共同控制，米脂地区马四段主要沉积了一套石灰岩夹白云岩和少量硬石膏岩的岩性组合。基于层序旋回分析，马四段可识别出2个海侵体系域和1个高位体系域，其中马四3亚段为海侵体系域，岩性主要为石灰岩和白云质石灰岩，夹薄层灰质白云岩和白云岩；马四2亚段为高位体系域早期，岩性主要为白云岩、灰质白云岩，夹薄层白云质石灰岩和石灰岩；马四1亚段下部为高位体系域晚期，岩性以硬石膏岩为主，马四1亚段上部为海侵体系域，沉积物岩性主要为石灰岩和含白云石灰岩，顶部薄层灰质白云岩和白云岩（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地马四期古地理格局与米探3井马四段地质柱状图

图2 米脂地区马四段厚度与古地理格局叠合图

2 岩石类型及特征

钻井岩心和薄片观察结果表明，鄂尔多斯盆地米脂地区马四段岩性主要为泥质石灰岩、泥晶石灰岩、颗粒石灰岩、斑状含白云石灰岩、斑状白云质石灰岩、斑状灰质白云岩、斑状粉晶白云岩、微生物白云岩、泥质白云岩、膏质白云岩和硬石膏岩（图3）。

泥质石灰岩呈深灰色—黑灰色块状特征，具水平层理，由泥质纹层和灰泥纹层组成，含少量球粒石灰岩薄纹层，岩性致密，基质孔隙不发育（图3-a）。

泥晶石灰岩呈灰色—深灰色块状特征，由灰泥组成，可见头足和双壳类化石和“疙瘩状”、网状泥质纹层等构造，岩性致密，基质孔隙不发育（图3-b）。

颗粒石灰岩呈灰色—深灰色块状特征，镜下可识别出明显的颗粒结构，颗粒大小介于50 μm×70 μm～300 μm×1 000 μm，分选较差，磨圆度较好，多为次圆状—圆状，颗粒间见亮晶方解石或灰泥胶结，含少量生物碎屑，岩性致密，基质孔隙不发育（图3-c）。

斑状含白云石灰岩和斑状白云质石灰岩呈斑状结构，前者由占比75%以上的灰质围岩和占比10%～25%、呈斑状分布的白云岩斑块组成；后者由占比50%以上的灰质围岩和占比25%～50%、呈近水平状分布的白云岩斑块组成（图3-d）。白云岩斑块颜色一般为深灰色，主要由粉晶白云石组成，白云石晶粒多呈半自形—自形，晶体间点接触或线接触，白云石晶体间发育少量晶间孔，部分被灰泥或方解石充填；围岩颜色一般为灰色，部分岩性由灰泥组成，部分岩性由颗粒石灰岩和亮晶方解石胶结物组成。

斑状灰质粉晶白云岩呈斑状结构（图3-e），由占比50%以上的白云岩斑块和部分含白云质石灰岩围岩组成。白云岩斑块颜色较深，一般为深灰色，主要由粉晶白云石组成，白云石晶粒多呈半自形—自形，晶体间点接触或线接触，白云石晶体间发育晶间孔，部分被灰泥或方解石充填；含白云质灰岩颜色一般为灰色，岩性由灰泥和粉晶白云石组成。

斑状粉晶白云岩宏观上呈斑状结构，由浅灰色白云岩斑块和深灰色白云岩围岩组成（图3-f）。白云岩斑块岩性主要为粗粉晶白云石，含少量细晶白云石和细粉晶白云石，白云石晶体以半自形—自形晶为主，含少量他形晶，发育晶间孔（图3-g），含少量溶蚀孔；深灰色白云岩围岩为他形细粉晶白云石，镶嵌接触，岩性较为致密、基质孔隙不发育。

微生物白云岩为叠层石白云岩，由明暗相间纹层组成，常见波状和平行纹层状叠层石（图3-h），偶见丘状叠层石。暗纹层为灰色富菌藻层，富含有机质；亮层由泥晶球粒或者泥晶团块组成，发育形态多样的窗格状构造。研究区亮层受白云石化作用影响，为褐灰色粉晶白云岩组成，发育晶间孔。

泥质白云岩由深灰色泥质和灰色泥粉晶白云岩组成，具水平层理，纵向上常与膏质白云岩或硬石膏岩伴生，岩性致密、基质孔隙不发育（图3-i、j）。

膏质白云岩由白色—乳白色硬石膏团块和灰色、黄灰色泥粉晶白云岩组成，两类岩石岩性均较为致密、基质孔隙不发育，其中泥粉晶白云岩中可见少量小型不规则溶缝，为泥质或泥粉晶白云石充填（图 3-i）。

硬石膏岩颜色为白色—乳白色，具有层状、肠状和角砾状等3种形态，层状硬石膏岩常与白云质泥岩或泥质白云岩薄互层，具水平层理（图3-j）；肠状呈断续状，与灰色泥粉晶白云岩伴生（图3-k）；角砾状硬石膏形态多样，多呈不规则多边形混杂堆积，角砾间含有灰色—深灰色粉晶白云岩或黑色泥质（图 3-l）。

3 沉积相与沉积模式

3.1 沉积微相

基于米脂地区马四段钻井岩心、薄片和野外露头观察，结合米脂坳陷中的次一级“凹凸相间”古地理格局和海平面升降变化，明确该区马四段沉积相为局限台地相，且可进一步细分为灰质潟湖、台内丘和含云膏坪3种微相。

3.1.1 灰质潟湖

发育于海侵体系域，由于海平面上升幅度大，米脂地区海水与周缘海水循环通畅，海水盐度值正常，沉积物岩性主要由灰色—深灰色泥晶石灰岩和斑状含白云石灰岩组成，夹少量薄层深灰色—黑灰色泥质石灰岩。受盆地东部“隆坳相间”古地理格局和海平面升降变化控制，灰质潟湖纵向上常由2个高频旋回序列组成。高频旋回序列1由泥质石灰岩和斑状含白云石灰岩组成，单个旋回厚度介于1.0～3.5 m，旋回下部沉积物为泥质石灰岩，自然伽马曲线呈指状，一般介于20～70 API；旋回上部沉积物为斑状含白云石灰岩或泥晶石灰岩组成，自然伽马曲线表现为低平值，一般为5～20 API（图4）。高频旋回序列2由岩电特征较为相似的斑状含白云石灰岩和斑状云质石灰岩组成，单个旋回厚度介于1.0～7.0 m，自然伽马曲线表现为低平值，一般介于5～20 API，纵向上表现为伴随海平面下降，序列上部的云斑密度逐渐增加，云斑样式由早期的斑点状向水平状或不规则状转变（图5-a）。6个石灰岩样品的碳氧同位素组成测试显示，δ13C介于－0.47‰～0.49‰，δ18O介于－6.83‰～－5.95‰，绝大多数值落在同期奥陶世海水的稳定同位素范围（δ13C介于－2.00‰～0.50‰；δ18O介于－6.60‰～－4.00‰）[22-23]，反应为此类沉积物形成于还原沉积环境，未受到大气淡水溶蚀作用改造。

3.1.2 台内丘

发育于高位体系域早期，因海平面下降，米脂地区周缘的横山隆起及离石隆起障壁作用（图1），该时期台内水体总体较安静并趋于咸化，沉积物岩性由灰色—褐灰色斑状灰质白云岩、斑状粉晶白云岩和微生物白云岩组成。台内丘的内部向上变浅高频层序旋回自下而上由斑状灰质白云岩、斑状粉晶白云岩和微生物白云岩组成，单个旋回厚度介于1.0～7.0 m，自然伽马曲线表现为低平值，一般介于5～20 API（图4）。5个白云石围岩样品测试显示，δ18O介于－6.31‰～－5.35‰，均位于在同期奥陶世海水值范围内，但比灰质潟湖石灰岩的氧稳定同位素值偏正。结合沉积旋回，判识氧稳定同位素值偏正原因与强烈的蒸发作用相关[24]。

图4 米探3井马四段井段2 954～2 980 m沉积微相及储层综合柱状图

3.1.3 含云膏坪

含云膏坪发育于高位体系域晚期，由于海平面下降到低点，加之盆地周缘古隆起和次级凸起的障壁作用（图1），米脂地区与周缘海水循环受阻，加上强烈的蒸发作用，导致米脂地区沉积环境由前期的台内丘—灰质潟湖相变为含云膏坪，沉积物由泥质白云岩、膏质白云岩和层状、肠状与角砾状硬石膏岩组成。含云膏坪纵向上常由2个高频旋回序列组成，序列1自下而上由泥质白云岩和膏质白云岩组成，旋回顶部可见准同生暴露面（图3-i）；序列2由泥质白云岩和硬石膏岩组成（图5-b），旋回顶部可见准同生暴露面（图3-j）。碳氧同位素测试显示，硬石膏岩角砾间的白云岩δ18O介于－7.10‰～－7.03‰，较同期海水值偏负，表明沉积物常暴露于地表，遭受了准同生期大气淡水溶蚀作用的改造。

图5 马四段沉积微相及储层综合柱状图

3.2 沉积模式

基于古地理背景、古气候和海平面变化，建立了鄂尔多斯盆地米脂地区马四段海侵体系域、高位体系域早期和高位体系域晚期等3种沉积模式（图6）。

3.2.1 海侵体系域

研究区位于米脂坳陷内，地势相对较低。在大规模海侵背景下，研究区位于晴天浪基面之下的低能环境，台内与外海相连，海水循环通畅、盐度正常，但因中央古隆起、横山隆起和离石隆起障壁作用的影响，研究区水体相对安静，以灰泥沉积物为主，局部夹少量泥质薄层，生物较少，常见的是腹足、腕足和介形类，偶见海绵和角石等浮游生物，风暴回流可带来一些生屑和粉砂级别的颗粒，形成粉屑石灰岩或生屑石灰岩薄层，也因风暴作用的影响，未固结的灰泥被搅动呈疙瘩状或似角砾状，泥质纹层也被改造成不规则的网状构造（图4、6）。另外，凸起带由于水体相对较浅，适合造迹生物活动，但该阶段的活动以水平挖掘觅食为主，形成近于水平的潜穴，而凹陷区水体相对较深，沉积物未受生物活动的改造，保持了原始结构。

3.2.2 高位体系域早期

随着海平面下降，水动力条件也有所增强，但仍属于弱的、安静的水动力条件；而盆地周缘古隆起的障壁作用增强，强烈的蒸发作用导致米脂地区海水含盐度增高，地势相对较高的凸起带以沉积灰质白云岩、粉晶白云岩和微生物白云岩为特征；而地势相对较低的凹陷区以沉积泥晶石灰岩为特征。另外，由于海平面的下降，造迹生物在研究区的活动性增强，凸起带形成复杂多变的潜穴系统甚至形成生物搅动层，凹陷区则发育形态各样的潜穴，且呈现出潜穴密度由凸起向凹陷方向逐渐减少的趋势（图 6）。

3.2.3 高位体系域晚期

随着海平面继续下降，周缘的隆起带几乎将米脂地区与外海隔绝，强烈的蒸发作用使台内水体急剧变浅且咸化，加之前期的填平补齐作用，米脂地区的地势差减小，逐渐演化成泛蒸发潮坪环境，沉积灰泥或薄层、肠状、角砾状硬石膏岩（图6）。随着石膏的析出，镁钙比值大幅提高，致使灰泥发生白云石化，残余的卤水以具有较高孔渗的早期生物扰动和潜穴充填物为优势通道[25-27]，进入下伏地层，使与之连通的生物潜穴也发生白云石化，增强了斑状区的抗压能力，使白云石晶体间的晶间孔隙得到良好的保存，对优质储层的形成具有重要意义。

图6 米脂地区奥陶系马四段沉积演化模式图

4 有利储集相带

米脂地区岩相古地理恢复显示，马四3亚段主要为海侵体系域，低部位凹陷以灰质潟湖沉积为主，沉积物岩性以泥质石灰岩、泥晶石灰岩、斑状含白云石灰岩和斑状白云质石灰岩为主。凸起带以台内丘沉积为特征，沉积物岩性以微生物白云岩、斑状粉晶白云岩和斑状灰质白云岩为主（图7-a）。马四2亚段主要为高位体系域早期，研究区西侧以发育台内滩和灰云质潟湖沉积为特征，研究区中东部的低部位凹陷和凸起仍分别继承性发育灰质潟湖和台内丘沉积，但受海平面下降控制，台内丘沉积边界向凹陷方向迁移，灰质潟湖沉积范围相应向凹陷方向收缩（图7-b）。马四1亚段中、下部为高位体系域晚期，上部为海侵体系域，因而其沉积分异特征与马四2亚段既有相似之处，也有所差异，其西侧继承性发育马四2亚段的台内滩和灰云质潟湖，东侧继承性发育灰质潟湖和台内丘沉积，但受海平面上升影响，台内丘与灰质潟湖的沉积边界向凸起方向迁移（图7-c）。

图7 米脂地区马四段岩相古地理图

沉积相是碳酸盐岩储层发育的物质基础。钻井岩心、微观薄片和物性统计表明，台内丘是鄂尔多斯盆地东部米脂地区马四段储层发育的有利沉积相带，其内部沉积的微生物白云岩、斑状粉晶白云岩和斑状灰质白云岩发育晶间孔，物性相对较好，纵向上呈多层系分布，累积厚度大（图1、4、5）；形成于含云膏坪中的泥质白云岩、膏质白云岩和硬石膏岩与灰质潟湖中的泥质石灰岩、泥晶石灰岩和含白云石灰岩，岩性致密，孔隙不发育，无储集性能（图4、5）。基于此，认为瑶镇—大保当、神木—米脂、绥德—碛口一带是有利储集相带发育区。