鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段储层特征及主控因素

牟春国,许 杰,古永红,贾建鹏,王文雄,谭秀成

1.中国石油 长庆油田分公司 油气工艺研究院,西安 710018;2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,西安 710018;3.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学),成都 610500;4.中国石油集团 碳酸盐岩储层重点实验室 西南石油大学研究分室,成都 610500;5.中国石油 长庆油田分公司 勘探事业部,西安 710018

鄂尔多斯盆地作为中国第二大沉积盆地,其下古生界海相碳酸盐岩地层拥有着丰富的油气资源[1]。随着近几年勘探的深入,鄂尔多斯盆地下组合地层(奥陶系马家沟组一段至四段)逐渐接替上组合产层成为天然气勘探的重点研究领域。最近,在下组合马家沟组四段(以下简称马四段)获得高产工业气流(Mt1井),这也暗示了下组合马四段具有较大的勘探潜力。前人对马四段的研究工作主要集中在岩相古地理[2]和天然气成藏方面[3-4],研究目标多为盆地北部洞穴型储层[5]以及中南部[6]和东部米脂地区[7]的厚层孔隙型储层,对于盆地中东部下组合马四段的储层特征及成因研究鲜有系统报道,使得研究区仍然存在马四段储层成因及分布规律不清晰等问题,制约了该区对有利勘探区带的进一步评价。

鉴于此,本文针对盆地中东部地区,基于马四段大量取心井岩心精细观察描述、岩石铸体薄片及物性分析等资料,阐述盆地中东部马四段储层的基本特征,并结合区内沉积环境、沉积相和成岩作用等综合分析马四段储层演化过程,解析其主要控制因素。这对深化盆地中东部的油气勘探领域具有重要意义,也可为该区下一步天然气勘探部署提供参考与借鉴。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部,是一个隆凹相间、构造简单的大型克拉通盆地。奥陶纪时期,由于在盆地西部环县—鄂托克旗一线发育的近南北向古隆起的分隔作用,在盆地中东部地区形成了相对封闭的陆表海浅水台地环境,沉积了一套以马家沟组为代表的碳酸盐岩—膏盐岩共生体系[8-10]。盆地中东部通常是指天环坳陷起以东的广大区域。地理范围跨越陕西、内蒙古两省区,西侧以吴起县为界、东侧以吴堡县为界、南侧以志丹县为界、北侧以鄂尔多斯市南部为界。其整体位于陕北斜坡之上,东部与晋西挠褶带相连,北部与伊盟古陆相接(图1a)。受海平面升降变化、古气候和古地貌联合控制,盆地中东部马四段的岩石类型主要有泥晶灰岩、(含生屑)泥晶灰岩、豹斑状云质灰岩、豹斑状灰质云岩和白云岩等碳酸盐岩,顶部发育几套薄层硬石膏膏岩。根据岩性组合及层序旋回特征,可将盆地中东部马四段自下而上分为3个亚段:马四3亚段厚度一般为45～68 m,岩性以(含)生屑泥晶灰岩和豹斑状云质灰岩为主,局部地区夹少量薄层豹斑状灰质云岩和斑块状晶粒云岩;马四2亚段厚度为45～60 m,岩性以豹斑状云质灰岩、豹斑状灰质云岩、晶粒云岩间互沉积为特征;马四1亚段厚度一般为36～50 m,中下部以硬石膏膏岩、泥晶灰岩和豹斑状灰质云岩沉积为主要特征,其中硬石膏岩多呈鸡笼铁丝状,上部以豹斑状灰质云岩、白云岩沉积为主(图1b)。

图1 鄂尔多斯盆地中东部构造单元(a)及奥陶系马家沟组四段地层综合柱状图(b)

2 储层特征

2.1 储层岩石学特征

基于对区内岩心和铸体薄片等资料观察分析发现,鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段的储集岩石类型主要有晶粒云岩、豹斑状云质灰岩、豹斑状灰质云岩和凝块云岩。通过选取研究区6口较为典型的取心井(包括Jt1井、Sh473井、Mt1井、Mt3井、Ht2井和Lt1井)进行储集岩厚度统计(图2a),发现研究区内的储集岩以晶粒云岩和豹斑状灰质云岩为主,其次为豹斑状云质灰岩,此外,还发育少量的微生物凝块云岩。下面将分别阐述这四种岩类的宏、微观特征。

图2 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段各类储集岩发育厚度比例(a)与孔渗交会图(b)

2.1.1 晶粒云岩

宏观上呈灰褐色—黄褐色块状特征,局部可见生物潜穴发育,自然断面粗糙(图3a)。镜下,黄褐色白云岩主要由粉晶白云石和细晶白云石组成,粉晶云岩的分布范围、发育频率比细晶白云石更高,白云石晶粒主要为半自形—自形晶,晶粒间多为线接触和镶嵌接触(图3b,c),该类岩石晶间(溶)孔普遍发育。

图3 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段储集岩类宏观及微观特征

2.1.2 豹斑状灰质云岩

宏观上由黄褐色白云岩和深褐色残余灰质斑块构成,可见生物潜穴发育(图3d),潜穴内部云化。显微镜下,以半自形—自形粉晶白云石为主,白云石晶粒常呈点接触或线接触,晶间(溶)孔发育,局部可见残余灰质胶结充填(图3e)。

2.1.3 豹斑状云质灰岩

岩心上可见,由深灰色白云质斑块和浅灰色基质灰岩交织共生,云化斑块与基质灰岩之间界限明显(图3f)。镜下,深灰质云化斑块多由泥粉晶白云石构成;云化斑块内部可见棘皮等生物碎屑发育,基岩为泥晶灰岩或含生屑泥晶灰岩(图3g),该类岩石晶间孔和微裂缝较为发育,连通性较好。

2.1.4 微生物凝块云岩

岩心上可见,微生物格架常呈深褐色—灰黑色网状或断续层状分布(图3h)。镜下可见,暗色凝块呈不规则团簇状发育,边界模糊,微生物格架(溶)孔发育,部分格架孔常被后期方解石充填(图3i),该类岩石在区内发育频率较低。

2.2 储集空间类型

与多种类型的储集岩发育相对应,盆地中东部马四段储集体空间类型多样,主要包括晶间(溶)孔、微生物格架孔和微裂缝等。

2.2.1 晶间(溶)孔

主要发育在豹斑状云质灰岩、豹斑状灰质云岩及晶粒云岩中(图4a-c),镜下可见形状较为规则,边缘平直,孔径介于0.1～0.3 mm之间。马四段以发育生物潜穴为典型特征,潜穴内部充填物较围岩疏松,有利于成岩流体扩散,且更易发生白云石化作用,常在潜穴内形成晶间孔(图4d)。晶间孔经过后期漫流溶蚀作用,其边缘具港湾状溶蚀痕迹,形状不规则,会扩大形成晶间溶孔(图4e,f)。该类孔隙间的连通性较好,发育频率最高,是区内最优质的储集空间类型。

图4 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段储集空间类型

2.2.2 格架(窗格)孔

多见于微生物凝块云岩中(图4g),其发育的格架孔为微生物生长的空腔或溶蚀残余孔隙,通常为0.1～0.5 mm,最大可达2 mm,后期被胶结物(方解石或白云石)充填/半充填。该类孔隙储集性能良好,但在区内发育频率较低。

2.2.3 微裂缝

常见于豹斑状云质灰岩和豹斑状灰质云岩中,切穿云斑和灰质基岩(图4h,i)。其既是各种流体的重要输导网络,同时也是后期油气运移的重要通道。缝宽为几毫米级别,较平直,但大多会被后期填隙物或胶结物(方解石)充填,整体储集性不好,仅提高岩石局部的渗透性。

2.3 储层物性特征

对研究区6口单井的249个岩石样品的物性统计分析显示(图5),马四段的储层孔隙度分布范围为0.43%～11.27%,主体部位<2%,约占总样品的56.2%,平均值为2.49%。渗透率分布范围为(0.002～1.235)×10-3μm2,主峰位于(0.01～0.1)×10-3μm2,约占总样品的76.7%,平均值为0.082×10-3μm2。其中豹斑状云质灰岩孔隙度最低,平均孔隙度为0.86%,渗透率最高,平均渗透率为0.53×10-3μm2;豹斑状灰质云岩和晶粒云岩孔隙度最好,平均孔隙度均大于2%,但整体渗透率较低;微生物凝块云岩的平均孔隙度和渗透率则介于二者之间(图6,表1)。据孔渗交会图(图2b)显示,区内马四段储层孔隙度和渗透率之间具有一定的正相关性,储层类型整体以孔隙型储层为主,裂缝型储层发育较少。

表1 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段储层物性统计

图5 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段储层物性分布

图6 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段不同岩性储层物性

综上,盆地中东部马四段的各类储集岩岩石学特征、储集空间类型、物性特征、发育频率以及分布范围均具有一定的差异性,其中晶粒云岩和豹斑状灰质云岩储集性能最好且分布范围广;豹斑状云质灰岩储集性能较差,规模较大;而凝块云岩虽储集性能较好,但发育频率较低。总体上马四段储层非均质性较强,呈现低孔—中低渗特征。

2.4 典型向上变浅序列特征

基于研究区取心井岩石学特征与物性统计发现,马四段储层主要发育以下两种典型的垂向组合序列。

典型序列2:该序列以Sh473井3 988.00～3 979.70 m井段岩心为代表,序列内部分为5个小单元(图7b)。(1)单元1:下部以岩性突变面为界,岩性突变面之下为黄褐色粉晶云岩,之上为厚层灰色泥晶灰岩,泥晶灰岩内部可见少量水平纹层状暗色斑块,孔渗数值较低,厚度2.65 m;(2)单元2:深灰色豹斑状云质灰岩,与下伏含云泥晶灰岩之间表现为继承性沉积,暗色云化斑块多呈条带状、断续点状,孔隙度较低,渗透率较高,厚度1.87 m;(3)单元3:深灰色灰质云岩,下部为厚约0.23 m的不规则花斑状豹斑,斑块边界棱角分明,上部为生物潜穴发育的灰质云岩,潜穴边界圆滑,内部多为泥粉晶云岩,整体向上孔隙度逐渐增加,渗透率相对降低,厚度1.63 m;(4)单元4:黄褐色粉晶云岩,向上云质含量增多,岩心颜色变黄,上部局部可见少量厘米级膏团发育,孔隙度达到最大值,厚度1.65 m;(5)单元5:底部为与黄褐色粉晶云岩构成的岩性突变面,岩性突变面之上为下一旋回的深灰色云质灰岩,基岩为泥晶灰岩,发育水平状云质条带,厚度0.50 m。

图7 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段白云岩与储集物性单序列分布

3 储层成因及主控因素

3.1 有利沉积微相奠定储层发育的物质基础

研究区整体发育开阔—半局限台地相,但台地内各类微相的储集性能具有一定分异性。由岩性和物性关系(图6)可知,区内晶粒云岩储集性能整体较好,豹斑状灰质云岩次之,豹斑状云质灰岩最差,而这几类岩石的发育与分布明显受到沉积微相的控制,具有明显的微相控储的特征。如前所述,区内储层段主要发育两种类型向上变浅序列(图7),第一种以滩间海、生屑滩、潟湖组合向上变浅序列为特征。底部沉积块状泥晶灰岩,孔渗性较差。序列中上部生屑、云质含量明显增多,逆粒序,由此认为进入生屑滩沉积阶段,序列顶部发育大量生物潜穴构造,且内部云化程度增大,以豹斑状灰质云岩为主,是灰云质潟湖的产物,孔渗性较好,且发育程度高,是区内优质的储集层。第二种为潟湖、台坪组合的向上变浅序列,亦代表潟湖咸化的过程,以碳酸盐岩沉积为主。序列底部首先以大段泥晶灰岩沉积为主,是灰质潟湖的产物,序列中部云质含量增多,以暗色斑块的形式出现,向上云质含量持续增加,表明由快速海侵转变为缓慢海退的过程,水体盐度逐渐增大,故进入云灰质潟湖和灰云质潟湖沉积阶段。而序列顶部,伴随强烈的蒸发作用,白云石化作用进一步加强,灰岩完全转变为白云岩,该时期灰云质潟湖转为云坪沉积阶段,受后期岩溶作用改造后,形成大量以晶间(溶)孔为主的晶粒云岩,是区内最优质的储集层。

对于鄂尔多斯盆地马四段储层的有利沉积微相类型,前人多认为以发育高能的颗粒滩和微生物丘为主[11-12]。统计不同沉积微相储层物性(图8)发现,区内储层物性显示最好的为云坪,其平均孔隙度为4.68%,平均渗透率为0.07×10-3μm2,局限灰云质潟湖次之,是研究区马四段储层发育的有利相带,而相对开阔的灰质潟湖/滩间海和低能生屑滩整体云化程度较低,孔渗性相对较差,一般不利于储层发育。

图8 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段不同沉积微相储层物性

3.2 生物扰动有利于白云石化作用

图9 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段储层发育演化模式

3.3 白云石化作用是储层形成的关键

白云石化作用是碳酸盐岩优质储层形成的关键因素,具有重要的储层优化调整作用[18]。同为潟湖相带产物的含生屑泥晶灰岩,云化作用较强的豹斑状灰质云岩物性特征较好,可成为良好的储层;而豹斑状云质灰岩经历较弱的白云石化作用,对储层改造不够彻底,尚无法形成有效储层。前人研究显示,区内马四段白云岩的形成主要为准同生白云石化和埋藏白云石化叠加的结果[19-20]。即准同生期,在炎热干旱的气候下,毛细管蒸发作用形成的大量富Mg2+盐水会优先渗入孔渗性较好的三维潜穴系统中,发生准同生白云石化作用,形成部分晶间微孔。随后埋藏过程中形成相对封闭的高温—还原环境对白云石内部晶格结构进行进一步调整,最终形成大量以点接触或线接触的晶粒白云石(图3c,图7)。且相比基质泥晶灰岩,白云石晶粒具有更强的抗压能力,对晶间孔等储集空间能够更有效地保存。

3.4 早成岩期岩溶作用改善储层质量

早成岩期暴露岩溶作用形成时间一般较早,主要发生在海退和向上变浅的沉积序列中,受高频海平面变化驱动控制[21-23]。就研究区马四段储层而言,在高位体系域晚期,海平面相对下降,致使序列顶部的沉积物(豹斑状灰质云岩/晶粒云岩等)暴露于地表并接受大气淡水溶蚀改造。伴随早成岩期岩溶作用的持续改造,零星分布的漫流溶蚀逐渐连片,从而形成大量晶间溶孔和不规则的溶蚀花斑(图4c,e),储集层的质量明显得到进一步改善(图9d),由此也暗示了早成岩期岩溶作用的改造是盆地中东部马四段储层质量改善的关键。

4 有利储层分布预测

一方面,结合垂向的高频向上变浅序列可以看到(图7):序列自下而上呈现由豹斑状云质灰岩到豹斑状灰质云岩再到晶粒云岩,向上云化程度逐渐增大,储集岩的物性特征也具有逐渐变好的趋势,有利的储集岩类主要为灰质云岩和晶粒云岩层段,说明优质储层主要位于向上变浅序列中上部云化最强烈的区域。另一方面,基于区内马四段储层岩石学、物性统计数据以及单井储层等研究的认识,可以发现整个马四段主要孔隙型储层分布在白云岩储集岩之中,进而利用测井孔隙度解释,将研究区内马四段以2%为有效储层孔隙度下限,统计有效储层厚度并进行平面展布图编制(图10)。纵观整个马四段储层平面展布,马四段有利储集区可以划分为西侧储集区和东侧储集区两个部分。西侧储集区主要集中在To93井区—乌审旗—靖边—志丹一线,至北端有向东侧Sh175井区延伸的趋势,整体有效储层厚度介于0～30 m,有利面积约9 200 km2。东侧储集区可划分为两个相对独立的区域:首先北侧以M104井区为中心,最大厚度为25 m的储集区,有利面积约3 500 km2,同时整个储集区具有向东侧逐渐减薄的递变趋势;南侧以Q44井区为中心,最大厚度为21 m的储集区,同时也具有向东侧和南侧减薄的递变趋势,有利面积约2 400 km2。

图10 鄂尔多斯盆地中东部 奥陶系马家沟组四段有效储层厚度

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组四段具有多样性的储集岩石类型特征,储集岩类包括晶粒云岩、豹斑状灰质云岩、豹斑状云质灰岩和凝块云岩。相应的储集空间类型为晶间(溶)孔、格架孔和微裂缝,以晶间(溶)孔为主。

(2)研究区马四段储层整体表现为低孔—中低渗孔隙型储层,其中晶粒云岩和豹斑状灰质云岩的储集性能最佳且分布范围广,是区内最优质的储集岩类。豹斑状云质灰岩发育规模较大,储集性能整体较差,而凝块云岩虽储集性能较好,但发育频率较低。

(3)盆地中东部马四段储层发育受沉积微相、生物扰动、白云石化作用、早成岩期岩溶作用综合控制。有利沉积微相奠定储层发育物质基础,生物扰动作用形成的三维高孔渗潜穴系统有利于白云石化作用,白云石化作用利于储集空间的有效保存,早成岩期岩溶进一步改善储层的储集性能。

(4)区内马四段有利储层纵向上主要位于高频向上变浅序列的中上部;平面上,盆地中东部西侧乌审旗—靖边—志丹一线以及东侧的神木、米脂地区是储层最有利发育区域。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’ Contributions

牟春国、许杰参与储层特征研究;古永红、贾建鹏参与储层成因及主控因素分析;王文雄、谭秀成参与有利储层分布预测;牟春国、许杰、古永红参与论文写作和修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

The study of reservoir characteristics was carried out by MOU Chunguo and XU Jie. The reservoir genesis and main controlling factors were analyzed by GU Yonghong and JIA Jianpeng. The distribution of favorable reservoirs was predicted by WANG Wenxiong and TAN Xiucheng. The manuscript was drafted and revised by MOU Chunguo, XU Jie, and GU Yonghong. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.