鄂尔多斯盆地米脂地区奥陶系马四段储层成因与分布

于 洲 牛小兵 张才利 马永威 魏柳斌 董国栋 尹 陈 贾佳佳

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

鄂尔多斯盆地是中国第二大克拉通盆地，其下古生界海相碳酸盐岩蕴藏着丰富的天然气资源[1]。近几十年来，针对海相碳酸盐岩天然气勘探主要聚焦于该盆地中东部奥陶系马家沟组五段（以下简称马五段）和中央古隆起东侧马家沟组四段（以下简称马四段），并围绕两大勘探目标部署了大量的钻井，在马五段中先后发现以膏溶孔为储集空间的岩溶风化壳储层和以溶孔、晶间孔为储集空间的台内丘滩相白云岩储层，并在两类储层中成功勘探出规模分布的风化壳气藏[2-7]和白云岩岩性气藏[6-13]；在中央古隆起东侧马四段中也发现了广泛分布的厚层优质孔隙型白云岩储层[14-17]，但由于该区马四段上覆地层为盖层封闭性能差的上古生界石炭系—二叠系煤系地层[18]，加之燕山期东部抬升，中央古隆起东侧马四段处于构造低部位，其上倾方向缺乏有效遮挡，难以形成有效圈闭，导致该区马四段白云岩储层普遍产水[17]。

近年来，为在马家沟组内寻找新的规模储量、产量增长区，中国石油长庆油田公司加大了对鄂尔多斯盆地东部米脂地区盐下马四段的勘探力度，论证并部署了一口钻探目的层为马四段的风险探井——米探1井。钻探结果显示，米探1井马四段发育多套具斑状结构的薄层储层，并于2021年6月在马四3亚段和马四2亚段合试获得35.24×104m3/d的天然气无阻流量，成为首口在马四段获得高产工业气流的探井，展示出米脂地区马四段具有良好的天然气勘探前景。前人对马四段的研究主要围绕岩相古地理方面开展[19-22]，而针对马四段储层相关的研究较少[14-17,23]，且研究目标为盆地中南部、中部厚层孔隙型白云岩储层[14-17]和盆地北部古岩溶洞穴型储层[23]，尚未对盆地东部米脂地区薄层储层开展系统研究，从而导致米脂地区马四段存在储层成因及分布规律不清等问题，制约了该区下一步天然气勘探部署。为此，本文综合野外剖面、钻井岩心、微观薄片、场发射扫描电镜、三维CT和微区原位地球化学特征等资料，对米脂地区马四段储层特征、成因及分布规律开展了系统研究，并预测出优质储层分布区，以期为该区马四段天然气勘探部署提供技术支撑。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地奥陶纪马四期为马家沟组沉积时的最大海侵期[19-22]，华北台地海水淹过离石隆起进入米脂地区，造成该区与华北广海海水循环通畅，沉积了一套以石灰岩、灰质白云岩和白云岩等碳酸盐岩为主，仅在上部夹多套硬石膏岩层段的岩性地层，并与下伏马三段与上覆马五段整合接触。根据岩石组合及沉积旋回特征，马四段自下而上又细划分为马四3亚段、马四2亚段和马四1亚段：其中米脂地区马四3亚段地层厚度一般为49～72 m，岩性以石灰岩和含白云石灰岩为主，局部地区夹少量灰质白云岩和白云岩薄层；马四2亚段地层厚度一般为48～56 m，沉积物岩性以石灰岩和白云岩间互沉积为特征，并总体呈现出由下至上白云质含量逐渐增加的演变特征；马四1亚段地层厚度一般为37～48 m，下部以硬石膏岩、石灰岩和白云岩沉积为主要特征，上部以石灰岩和白云岩沉积为主，其中与硬石膏岩伴生的白云岩多呈现出纹层结构。

据前人研究表明，鄂尔多斯盆地米脂地区在奥陶纪马家沟期位于地势相对较低、沉积水体较深的米脂（陕北）坳陷[24-27]。基于地震和钻井编制的最新地层厚度图显示，米脂地区在奥陶纪马四期并不是一个一马平川的负地形坳陷，其内部发育多个次一级的低凸起和凹陷。受“凹凸相间”古地理格局控制，米脂地区奥陶纪马四期为局限台地，并可进一步识别出含云膏坪、台内丘和灰质潟湖，其中凸起带总体上以发育台内丘为特征，其沉积物岩性主要为白云岩、灰质白云岩和云质石灰岩；凹陷为灰质潟湖沉积，沉积物岩性以含白云石灰岩和石灰岩为特征（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地米脂地区马四段岩相古地理图及地层综合柱状图

2 马四段储层特征

综合钻井岩心、微观薄片和测井研究表明，鄂尔多斯盆地米脂地区马四段储层岩性主要为斑状粉晶白云岩、斑状灰质白云岩和斑状云质石灰岩，含少量的微生物白云岩和角砾岩（图2、3）。目前研究区取心井少，仅有米探1井和米探3井钻遇了少量角砾岩和微生物白云岩，且单层厚度与累积厚度均较薄（图2）。为此，本文仅对斑状粉晶白云岩、斑状灰质白云岩和斑状云质石灰岩进行分析。

图2 米探1井马四段储层综合柱状图

2.1 斑状粉晶白云岩

斑状粉晶白云岩宏观上呈斑状结构，由浅灰色白云岩和深灰色白云岩组成，发育溶蚀孔、晶间孔和微裂缝（图3-a～c）。浅灰色白云岩主要由粗粉晶白云石组成，含少量细粉晶白云石,白云石晶体以半自形—自形晶为主，含少量它形晶，发育晶间孔，部分岩石样品中含少量溶蚀孔，δ13C值介于－0.82‰～0.06‰，δ18O值介于－6.46‰～－4.00‰，87Sr/86Sr介于0.709 1～0.709 2；深灰色白云岩岩性为他形细粉晶白云石，镶嵌接触，岩性致密、基质孔隙不发育，δ13C值介于－1.00‰～0.31‰，δ18O值介于－6.5‰～－3.1‰，87Sr/86Sr介于0.709 0～0.709 2。

晶间孔是斑状粉晶白云岩最主要的储集空间类型，孔径一般为15～30 μm居多，孔隙形态呈不规则多边形（图3-c）；溶蚀孔在斑状粉晶白云岩中少量分布，孔径一般为0.8～3.0 mm，由晶间孔经过溶蚀作用扩溶而成，部分溶孔被白色方解石充填（图3-a）；微裂缝为构造缝，裂缝宽度一般为0.5～2.0 mm，部分被方解石充填，未被充填的微裂缝对改善储层渗透性发挥着重要作用（图3-b）。61块岩心样品物性统计表明，斑状粉晶白云岩的孔隙度分布于0.79%～7.41%，平均孔隙度为3.08%；渗透率分布于0.001 6～0.221 0 mD，平均渗透率为0.03 mD。从频率直方图来看，孔隙度分布绝大多数大于2%（约占77%）（图4-a）；渗透率主要分布于0.01～0.10 mD，占比60%，小于0.01 mD占比35%，大于0.10 mD占比仅为5%（图4-b）。

2.2 斑状灰质白云岩

斑状灰质白云岩由深灰色白云岩和浅灰色含云质石灰岩或石灰岩组成，呈斑状结构，发育溶蚀孔、晶间孔和微裂缝（图3-d、e）。深灰色白云岩主要由粗粉晶白云石组成，含少量细粉晶白云石，白云石晶体以半自形—自形晶为主，含少量它形晶，发育晶间孔（图3-a～c）；浅灰色云质石灰岩由它形细粉晶白云石和灰泥组成，其中细粉晶白云石呈弥散状分布于灰泥中，岩性较为致密、基质孔隙不发育。

图3 鄂尔多斯盆地米脂地区马四段储层特征图

晶间孔是斑状灰质粉晶白云岩最主要、也是最重要的主要储集空间类型，孔径一般为1～15 μm、15～30 μm居多，孔隙形态呈三角形、菱形或不规则多边形，充填矿物较少；溶蚀孔和微裂缝在斑状灰质白云岩中也有少量分布，溶蚀孔孔径一般为0.8～3.0 mm，为构造破裂缝，裂缝宽度一般为0.5～2.0 mm，部分未充填、部分被方解石全充填或半充填。95块岩心样品物性统计表明，斑状灰质粉晶白云岩的孔隙度分布于0.70%～6.15%，平均孔隙度为1.51%；渗透率分布于0.001 7～0.738 8 mD，平均渗透率为0.029 0 mD。从频率直方图来看，绝大多数样品孔隙度小于2.0%（约占83.2%），孔隙度大于2.0%的优质储层样品仅占16.8%（图4-a）；渗透率主要分布于0.01～0.10 mD，占比73.40%，小于0.01 mD占比23.40%，大于0.10 mD占比仅为3.20%（图4-b）。

图4 鄂尔多斯盆地米脂地区马四段储层物性特征图

2.3 斑状云质石灰岩

斑状云质石灰岩由深灰色白云岩和灰色石灰岩组成，白云岩呈斑块状分布于石灰岩中（图3-f），发育晶间孔和微裂缝（图3-g～i）。深灰色白云岩斑块主要由细粉晶白云石组成，含少量粗粉晶白云石，白云石晶体以它形晶为主，含少量自形晶，白云石晶体线接触或点接触，发育晶间孔。白云岩的δ13C值介于－0.76‰～－0.10‰，δ18O值介于－6.05‰～－4.83‰，87Sr/86Sr介于0.709 1～0.709 2；灰色石灰岩主要由灰泥或颗粒与亮晶方解石胶结物组成，岩性致密、孔隙不发育。石灰岩的δ13C值介于－0.66‰～－0.05‰，δ18O值介于－6.47‰～－6.00‰，87Sr/86Sr介于0.708 8～0.709 2。

晶间孔是斑状云质石灰岩最主要的储集空间类型，孔径一般为1～15 μm居多，呈三角形、菱形或不规则多边形，孔隙内常见方解石和灰泥等充填矿物（图3-e、f）；溶蚀孔在斑状云质石灰岩中也有少量分布，孔径一般为0.8～1.0 cm，由晶间孔经过溶蚀作用扩溶而成（图3-f）；微裂缝为构造裂缝，裂缝宽度一般为0.5～2.0 mm，能够有效串联斑状分布的晶间孔隙（图3-i），是改善斑状云质石灰岩渗透性的重要孔隙类型。55块岩心样品物性统计表明，斑状云质石灰岩的孔隙度分布于0.39%～3.64%，平均孔隙度为1.29%；渗透率分布于0.004 1～0.715 9 mD，平均渗透率为0.038 0 mD。从频率直方图来看，绝大多数样品的孔隙度小于2.0%（约占83.9%），孔隙度大于2.0%的优质储层样品仅占16.1%（图4-a）；渗透率主要分布于0.01～0.10 mD，占比96.40%，其余样品渗透率均小于0.01 mD（图4-b）。

3 储层成因及发育模式

基于岩石学和地球化学特征，并综合研究区区域地质背景[1,18]研究认为，米脂地区马四段储层发育主要受生物扰动作用、白云石化作用、断裂作用和溶蚀作用共同控制，并建立了鄂尔多斯盆地米脂地区马四段储层发育模式图（图5）。

图5 鄂尔多斯盆地米脂地区马四段储层成因模式图（剖面位置见图1）

3.1 生物扰动作用为储层发育奠定了基础条件

斑状粉晶白云岩、斑状灰质白云岩和斑状云质石灰岩的孔隙发育于斑状区，而斑状区之间的细粉晶白云岩和石灰岩岩性均较为致密、孔隙不发育，这表明储层中的孔隙形成与斑状结构成因密切相关。前人研究表明，这种斑状结构由生物扰动作用形成[28-31]。准同生期，造迹生物在基质孔隙不发育的粉晶白云岩和石灰岩中爬行、觅食或居住，形成复杂多变的潜穴系统甚至形成生物搅动层。沉积水体相对较深时，造迹生物仅在地势相对较高的凸起带活动，生物种群密度小或生物的活跃度也较低，在沉积物中形成斑点状、斑块状或树枝状的潜穴（图5-a）。这些潜穴在随后沉积过程中易被上覆沉积物渗入与充填，但仍比潜穴间未被造迹生物改造过的围岩疏松，保留了部分孔隙（图5-b）；沉积水体相对较浅时，造迹生物种群密度大且活动频繁，对沉积物进行强烈机械改造，使得被改造过的沉积物内部结构变得疏松，形成了大量的孔隙。这些由生物扰动作用在潜穴和生物搅动层中形成的孔隙空间为储层发育奠定了基础条件（图5-a）。

3.2 白云石化作用有利于孔隙的保持

岩石学和地球化学特征显示，鄂尔多斯盆地米脂地区马四段的斑状粉晶白云岩、斑状灰质白云岩和斑状云质石灰岩经历了1～2期白云石化作用。第一期白云石化作用为围岩（潜穴和生物搅动层之间沉积物）发生的白云石化作用，主要发生在沉积水体较浅、地势相对较高的凸起带上。已测得围岩中的白云石碳、氧、锶同位素组成显示，其值分布在同期奥陶系海水范围内（δ13C=－2.0‰～0.5‰，δ18O=－6.6‰ ～－4.0‰，87Sr/86Sr=0.708 7 ～ 0.709 2）[32-34]，加之此类围岩纵向上常与石灰岩呈薄层状间互，表明白云石形成时间早，为准同生白云石化作用形成，白云石化流体与海平面升降变化相关。伴随海平面下降，凹凸相间的局限环境和强烈的蒸发作用导致海水发生浓缩并形成了富含Mg2+的蒸发海水。在毛细管作用力下，高部位沉积物发生准同生白云石化并形成粉晶白云岩，但该阶段形成的白云岩主要由它形细粉晶白云石组成、基质孔隙不发育（图5-b）；第二期白云石化作用是斑状区（潜穴和生物搅动层）发生的白云石化作用，在深水区石灰岩或浅水区粉晶白云岩沉积物中均可见。已测试样品显示，斑状区白云岩或分布于石灰岩中的白云石碳、氧、锶同位素值仍位于奥陶世海水值范围内，但氧同位素较围岩值偏负（图6），说明斑块区发生白云石化作用的流体仍与同期蒸发海水相关，但形成时间稍微晚于围岩,为渗透回流白云石化作用形成（图5-c）。

图6 米脂地区斑状粉晶白云岩、斑状灰质白云岩和斑状云质石灰岩C、O、Sr同位素组成图

近年来研究认为白云石化作用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[35]。从研究区白云石化作用来看，第二期白云石化作用对晶间孔的形成和保持起关键作用。在粉晶白云岩中，被造迹生物机械改造过的区域变得疏松并形成了孔隙，在近地表浅埋藏过程中渗入的富Mg2+流体，促使该区域的细粉晶白云石进一步发生白云石化作用，并形成点接触或线接触的粗粉晶白云石，使得先期由生物扰动作用产生的疏松空间得以继续保持。另外，在后期深埋演化过程中，白云岩较强的抗压能力也有利于晶间孔保存；在含有潜穴的石灰岩中，由于潜穴较为疏松，在近地表浅埋藏过程中渗入的富Mg2+流体促使潜穴中充填进入的灰泥发生白云石化并形成粉晶白云岩斑块，潜穴中的疏松孔隙转变为晶间孔。但当白云石化流体供应不充足时，潜穴中的灰泥往往云化不彻底，形成的白云石晶体和残余灰泥混杂堆积，在埋藏压实过程中，灰泥占据白云石晶体间的孔隙，仅有少量残余晶间孔得以保存下来（图 3-h）。

3.3 断裂作用和溶蚀作用是微裂缝和溶蚀孔发育的关键

米脂地区马四段储层除主要发育晶间孔之外，还发育少量微裂缝和溶蚀孔。储层成因分析表明，微裂缝和溶蚀孔的形成与断裂作用和溶蚀作用相关。鄂尔多斯盆地马四段沉积后经历了奥陶纪挤压背景下的同沉积断裂活动、加里东运动、海西运动和燕山运动等多期次构造运动[1,18]，在盆地东部米脂地区形成了一系列断层（图1、2）和构造破裂缝（图3-b、f、i）。此外，大气淡水沿断层和裂缝进入马四段地层中，对毗邻断层的部分马四段储层溶蚀改造并形成少量溶蚀孔（图3-a、f）。

4 有利储层分布预测

基于储层特征和成因分析认为，米脂地区马四段有利储层分布主要受海平面变化、古地理格局和断层控制。

4.1 储层纵向上分布于高频向上变浅旋回上部

通过对盆地米脂地区马四段的沉积旋回结构解剖发现，优质储层主要发育于高频向上变浅旋回上部（图7），这一特征与沉积环境变化引起的生物扰动作用和白云石化作用相关。准同生期，单个高频向上变浅旋回的沉积物自下而上受生物扰动作用改造程度逐渐增强，改造形态由旋回下部零星分布的潜穴向旋回上部密集分布的生物搅动层转变。另外，旋回上部的生物搅动层离富Mg2+蒸发海水近，白云石化程度高，更有利于孔隙保存；而旋回下部的潜穴离富Mg2+蒸发海水远，白云石化程度低，生成的白云石晶体往往与残余灰泥混杂堆积，形成的晶间孔在埋藏压实过程中被灰泥占据，不易得到保存，仅能残留少量孔隙（图3-h）。

4.2 储层横向上主要沿凸起带分布

前文已述，从马四段地层厚度来看（图1），鄂尔多斯盆地米脂地区奥陶纪马四期古地理格局具有“凹凸相间”的分异特征。从图7可以看出，位于凸起带的马四段储层岩性主要为白云岩和灰质白云岩，单层厚度为1.0～5.5 m，累计厚度一般为14.0～30.0 m，最厚可达40.0 m；而凹陷区马四段储层不发育或发育少量薄层储层，其中马四2亚段和马四3亚段储层岩性为灰质白云岩，单层厚度0.5～1.0 m，累积厚度一般为1.0～3.0 m，最厚可达3.8 m。马四1亚段储层岩性为白云岩，单层厚度一般为0.5～2.5 m，累积厚度一般为1.0～3.0 m，最厚可达3.5 m。这表明这种“凹凸相间”古地理格局控制了马四段储层横向展布，优质储层横向上主要沿地势相对较高的凸起带分布。此外，由于微裂缝和溶蚀孔对改善储层储集质量或渗流能力发挥着重要作用，尤其是对于物性相对较差的斑状灰质白云岩和斑状云质石灰岩，如米探1井（图2）。因此，凸起带和断层的叠合部位更有利于优质储层发育。

4.3 有利储层平面分布预测

基于储层特征、成因与纵横向分布规律研究，并综合岩相古地理和断层分布图（图1），编制出鄂尔多斯盆地米脂地区马四段储层厚度等值线图。如图8所示，有利储层主要沿瑶镇—大保当、神木—花石崖、万镇—米脂和绥德—碛口分布，有利面积7 200 km2。沉积期，该区域主要位于地势相对较高的凸起带上（图1），生物扰动作用强和白云化程度高（图5），加之该区域发育多条断层，有利于微裂缝和溶蚀孔的形成，因而形成的储层具有“物性好，单层、累积厚度大，横向分布范围广”等特征，其储集性能较凹陷区储层更为优越（图7）。

图8 鄂尔多斯盆地米脂地区马四段储层厚度等值线图

5 结论

1）鄂尔多斯盆地米脂地区马四段岩性主要为斑状粉晶白云岩、斑状灰质白云岩和斑状云质石灰岩，三类岩石储集空间以晶间孔为主，含少量溶孔和微裂缝，平均孔隙度分别为3.08%、1.51%和1.29%。

2）储层发育主要受生物扰动作用、白云石化作用、断裂作用和溶蚀作用控制，生物扰动作用在沉积物中形成的潜穴和生物搅动层，为储层初始孔隙的形成奠定了基础条件，也为后期白云石化流体进入提供了渗流通道；发生在潜穴和生物搅动层中的白云石化作用既形成了晶间孔，又增强了岩石的抗压能力，对孔隙的保存起重要作用；断裂作用和溶蚀作用是微裂缝和溶蚀孔发育的关键，对改善储层储集质量和渗流能力发挥着重要作用。

3）储层分布受海平面升降变化、古地理格局和断层共同控制，储层纵向上发育于高频旋回上部；横向上主要沿凸起带上，其中凸起带与断层叠合部位更有利于储层发育。预测出瑶镇—大保当、神木—花石崖、万镇—米脂和绥德—碛口是有利储层发育区，有利面积7 200 km2。