鄂尔多斯盆地苏里格地区奥陶系马家沟组马五5亚段沉积特征

2023-10-10杜江民崔子豪贾志伟聂万才龙鹏宇刘泊远

岩性油气藏 2023年5期

杜江民，崔子豪，贾志伟，张毅，聂万才，龙鹏宇，刘泊远

（1.河北地质大学河北省战略性关键矿产资源重点实验室，石家庄 050031；2.河北地质大学地球科学学院，石家庄 050031；3.中国石油西南油气田公司，成都 610051；4.西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500；5.中国石油长庆油田分公司天然气评价项目部，西安710018）

0 引言

碳酸盐岩储集层属于国内外油气勘探开发实践的焦点和基础理论研究的热点［1-2］。下古生界海相碳酸盐岩是鄂尔多斯盆地最为重要的天然气勘探目标，二十世纪末发现并投产的靖边气田充分证实了这一观点。近年来，苏里格气田大开发为可持续发展寻找接替层位和区域提供了重要支撑，下古生界奥陶系马家沟组极具潜力［3-4］。早期，马家沟组主要产气层集中于马家沟组上组合（马五1-4）古岩溶储层，马五5亚段为2010 年以来新增的重点开发层位，马五5亚段一系列的实践成果展示了其良好的天然气勘探潜力［5］。以往针对鄂尔多斯盆地马家沟组沉积环境、沉积相特征、储层特征和岩相古地理等开展了诸多科研工作，侯方浩等［6］建立了鄂尔多斯盆地东缘马家沟组陆棚沉积模式和缓坡沉积模式；董兆雄等［7］建立了鄂尔多斯盆地南部地区马家沟组沉积时期碳酸盐岩台地的沉积模式；王琳霖等［8］建立了马家沟组沉积时期的古气候演化序列；王泉波［9］认为南泥湾—临镇马五5亚段属于碳酸盐岩开阔台地相；史基安等［10］绘制了马家沟组各个岩性段的岩相古地理平面图；罗军梅［11］、付斯一等［12］、苏中堂等［13］认为马五5亚段属于潮坪相。以往的这些研究主要是针对马家沟组整体或其上组合开展的，而对马家沟组中组合马五5亚段进行的研究较少。在苏里格地区，以储层、成岩作用方面的研究居多，仅有部分专家针对沉积学内容开展了研究。近些年，苏里格地区马五5亚段不断取得勘探突破，因此需要开展更多马五5亚段的沉积特征研究来指导最新的油气勘探实践。

以现代沉积学理论、碳酸盐岩沉积学理论、储层地质学理论为指导，借助岩心观察、薄片鉴定、常规测井相分析以及地球化学测试等工作，对苏里格地区马家沟组马五5亚段沉积相类型及特征展开深入研究，阐明马家沟组马五5亚段沉积微相展布和演化特征，并建立沉积模式，以期为苏里格地区马家沟组向深层勘探开发提供依据，也为鄂尔多斯盆地马家沟组岩相古地理恢复提供借鉴。

1 地质概况

苏里格气田地理上位于鄂尔多斯盆地西北部，大地构造上属于伊陕斜坡，面积约为4×104km2，其储量达1.67×1012m3，为中国首个储量超万亿吨的大气田［14-15］（图1a）。根据岩性、标志层和古生物特征以及沉积演化规律等，鄂尔多斯盆地马家沟组自下而上可划分为马一段—马六段6个层段［16-18］。其中，马五段发育典型的岩溶碳酸盐岩储层，在沉积盆地中部最发育，厚度均超300 m，最厚超360 m，主要为白云岩，夹少量泥质岩、灰岩及蒸发岩［19］，自上而下可划分为马五1—马五10共10 个亚段。结合区域地质特征，利用岩心资料、测录井曲线对马五5亚段开展地层对比，马五5亚段自下而上可进一步划分为马五52和马五51共2 个小层（图1b）［20-21］。奥陶纪马家沟组沉积期，鄂尔多斯盆地展现出伊盟、庆阳2期隆起和米脂、盐池2期凹陷并存的状态，隆起与凹陷的转换部位为马家滩鞍部和安边鞍部［22］。受盆地构造控制和影响，位于盆地西北部的苏里格地区，在马家沟组沉积期整体属于碳酸盐岩台地环境。在全球海平面频繁变化的影响下，马家沟组沉积期的各段旋回特征明显，具有海侵、海退间互沉积的特征。其中，马一段沉积早期及马二段、马四段和马六段沉积期均以石灰岩沉积为主，沉积期水体循环通畅，为明显的海侵特征；马一段沉积晚期和马三段、马五段沉积期为海退沉积，此时盆地边缘为浅水环境，仅东部深凹区表现为深水环境，整个盆地以白云岩为主，夹膏盐沉积［4，22-23］。

图1 鄂尔多斯盆地构造简图（a）及苏里格地区奥陶系马家沟组岩性地层综合柱状图（b）（据文献［20-21］修改）Fig.1 Structural diagram of Ordos Basin（a）and stratigraphic column of Ordovician Majiagou Formation in Sulige area（b）

2 沉积相类型及识别

2.1 沉积相识别标志

（1）岩石学标志。苏里格地区马家沟组马五5亚段岩性以白云岩类为主，根据晶体大小进一步划分为泥晶、泥—粉晶白云岩及粉晶白云岩，其次为灰质（含灰）云岩、云质（含云）灰岩及含膏云岩等过渡岩类，灰岩较少，反映了台地内不同的微环境。白云岩主要发育于水体较浅的局限云坪，泥晶灰岩多发育于水体较深、低能的开阔灰坪，白云岩和颗粒灰岩则主要发育于高能的台地内。灰质（含灰）云岩、云质（含云）灰岩主要沉积在云坪—灰坪过渡带。含膏云岩、灰岩分布在局限台地，特别是具备较强蒸发特点、水深接近蒸发潮坪的浅水环境，但明显不同于蒸发潮坪，因为膏质含量少，且白云岩、灰岩颜色偏深，很可能是水体循环受到了极大的限制。

（2）沉积构造标志。沉积构造类型按成因分为以下2 类：①物理成因构造。研究区普遍发育水平层理，常见于泥晶、泥—粉晶白云岩、膏质白云岩中，为水动力较弱的低能沉积环境标志。层理纹层和层面间、线状纹层间均为平行状，纹层厚度低至1 mm，厚至数毫米（图2a），在台地内云坪、灰坪等环境均有分布，偶见波状层理（图2b）。②化学成因构造。主要表现为石膏假晶（图2c），其晶体多呈板状、柱状、针状或结核状（图2d），表明保留石膏假晶体的原岩在浅水的蒸发环境中形成，如含膏云坪，石膏含量低，分布范围小，零散分布在灰岩和云岩中，无厚层和大面积膏岩，由此可见其形成环境不同于典型蒸发潮坪，而应归为局限台地内由于海平面频繁升降而导致的间歇性的蒸发环境。

图2 鄂尔多斯盆地苏里格地区奥陶系马五5亚段岩石学特征Fig.2 Petrological characteristics of Ordovician Ma 55sub-member in Sulige area，Ordos Basin

（3）古生物标志。研究中仅在马五51小层中发现极少的腕足类、介形虫、瓣鳃类化石（图2e，2f），反映了马五5 亚段沉积时期水体整体较为局限，不利于生物大规模生长。研究区内常见灰岩或白云岩纹层断断续续呈杂乱状（图2g），为沉积期普遍存在的生物扰动局部或整体破坏沉积岩纹层所致，二者多见于浪基面之下较为平静的环境中，不受波浪影响。

（4）地球化学标志。地球化学特征同样可以指示沉积环境，利用元素地球化学分析方法对研究区碳酸盐岩中元素含量及比值、元素异常特征进行分析，从以下4 个方面进行探究：①古水深。当Mn 质量分数大于200×10-6时，沉积环境为深水环境；反之，则为浅水环境［21］。研究区Mn 质量分数小于200×10-6，整体为浅水环境。②古温度与古气候。Sr 含量与古水温具有一定关系［24-25］，研究区古水温为30.08～31.49 ℃，平均为30.88 ℃，指示马五5亚段沉积时期为暖水环境；Mg 和Ca 含量可以反映古气候，古温度与Mg/Ca 值成反比，高值反映干热气候，反之，则反映潮湿气候［26］，研究区整体为干热气候。③古氧化还原环境。稀土元素中的Ce 和Eu异常被用来研究成岩环境与成岩过程，在氧化条件下，Ce 表现为负异常（δCe ＜1）；还原条件下，则显示正异常。低温条件下，Eu 表现为负异常（δCe ＜1）；高温显示正异常［27］。研究区马五5亚段沉积时期，成岩环境为还原环境，且温度较高。④古盐度。利用Sr/Ba 值可以很好地对沉积时水体的古盐度进行判别。当Sr/Ba ＞1.0 时，为海水沉积，0.5 ＜Sr/Ba ＜1.0时，为半咸水沉积，Sr/Ba ＜1.0时，为淡水沉积［28］。研究区的Sr/Ba 值为1.03～17.46，显示为海相沉积环境（表1）。

表1 鄂尔多斯盆地苏里格地区奥陶系马五5 亚段碳酸盐岩中元素质量分数及比值、元素异常特征Table 1 Element mass fraction，ratio and element anomaly in carbonate rocks of Ordovician Ma 55sub-member in Sulige area，Ordos Basin

（5）测井相标志。基于马五5亚段岩心观察和对应测井曲线分析，总结了研究区碳酸盐岩台地相内不同类型岩石的测井响应特征及变化规律（表2）：①自然伽马值总体偏低，但泥晶、泥—粉晶云岩、泥晶灰岩表现为局部相对高值；②密度测井值总体偏高，但灰岩密度表现为相对高值；③声波时差值总体较低，仅泥晶灰岩呈现相对高值；④中子孔隙度总体为低值，且白云岩的中子孔隙度值普遍高于灰岩；⑤电阻率主要表现为高值，而灰岩高于白云岩。

表2 鄂尔多斯盆地苏里格地区奥陶系马五5亚段不同岩性测井响应特征［29］Table 2 Logging response characteristics of different lithologies of Ordovician Ma 55 sub-member in Sulige area，Ordos Basin

2.2 沉积相类型及特征

通过沉积相标志综合分析，结合野外剖面观察和岩心分析及薄片鉴定，开展了苏里格地区剖面沉积相研究（图3）。具有代表性的典型井沉积相分析表明，马五5亚段主要发育陆表海碳酸盐台地相。其中，研究区西部剖面相分析表现为水体盐度偏高的局限台地，主要发育白云岩，夹有砂屑白云岩和鲕粒白云岩及含膏质结核的白云岩，部分膏质结核溶解后已被方解石或白云石取代；研究区东部剖面相分析表现为水体盐度较低的开阔台地，白云岩与灰岩互层沉积，可进一步划分为云坪、灰坪、云灰坪和台内滩等沉积微相。沉积环境不同导致不同微相的沉积产物和发育层位各异，进而呈现不同的地质特征。

图3 鄂尔多斯盆地苏里格地区奥陶系马五5亚段典型井沉积相综合柱状图Fig.3 Comprehensive histogram of sedimentary facies in typical wells of Ordovician Ma 55 sub-member in Sulige area，Ordos Basin

2.2.1 局限台地亚相特征

局限台地是碳酸盐岩台地内因浅滩遮挡，水体运动受限制的相对低洼的潮下地区，其相对平缓，略向开阔台地倾斜，大致呈环带状或条带状展布（图4）。在局限台地内，海水循环不畅，水动力条件较差，低能环境，水体盐度稍高。海平面高位期以广盐性生物繁盛为特点，海平面低位期生物较少，但可见蒸发盐类矿物如石膏、硬石膏及岩盐等［6，30］。局限台地主要沉积细晶结构碳酸盐岩矿物，夹杂少量颗粒物质，呈现环带状展布。

图4 鄂尔多斯盆地西侧奥陶纪古地理示意图（据文献［29，31］修改）Fig.4 Schematic diagram of Ordovician paleogeography in western Ordos Basin

根据沉积相标志，研究区马五5亚段可细分出以下5 种沉积相：①局限云坪，是台地内相对平坦的海域，环绕开阔台地分布，在正常浪基面以下呈连续或不连续带状，而位于外侧的古隆起发挥屏障作用使其整体呈现局限环境。研究区云坪基本上沿中央古隆起和伊盟隆起边缘分布，主要发育灰—褐灰色（含膏质/膏质）泥晶白云岩（图2c，2h）、泥—粉晶白云岩（图2i，2j）、粉晶白云岩（图2k，2l），可见块状层理、水平层理、纹层状构造，偶见生物扰动构造、生物遗迹与潜穴等（图2e）。②局限灰坪，沉积于水体局限向开阔的过渡区域，岩性主要为灰—深灰色的泥晶灰岩（图2m，2n）和含泥灰岩，发育块状层理和水平纹层理，亦可见生物扰动构造。③局限台内滩，位于台地内部局部地区，为局限台地内部浪基面之上的高能地带，主要发育灰色颗粒云岩、残余颗粒云岩等颗粒岩（图2o），沉积构造以岩心上的逆粒序为特征。滩体规模不大，平均直径小于2 m。垂向序列自下而上呈现云坪-颗粒滩-含膏云坪渐浅的岩相组合，颗粒滩处于变浅旋回中部。研究区颗粒滩较少，说明该期水动力条件偏差。④局限含膏云坪，发育在水体盐度偏高的低能局限环境，以灰褐色、土黄色含全—半充填膏模孔泥—粉晶云岩为主，其中的膏模孔主要是小球状硬石膏结核及针状和板条状硬石膏晶体，受到后期溶蚀作用改造形成近圆状、板条状、针状等铸模孔或假晶（图2d）。⑤局限云灰—灰云坪过渡区，是局限台地内的局限云坪、灰坪过渡带。由于水体更加低能局限，有利于过渡型的（含）灰质白云岩（图2p）和（含）白云质灰岩沉积（图2q），沉积物颜色为灰—深灰色，局部沉积含膏灰质云岩，其膏质一般呈针状零星产出，或呈板状、纹层-薄层状。发育块状层理和水平纹层理，偶见生物扰动构造。

2.2.2 开阔台地亚相特征

研究区的开阔台地亚相位于碳酸盐台地东部，水体更深，是处于浪基面之下的低能环境，水域连通性更好［29-32］，底栖生物（包括内栖生物）活跃，偶见“蠕虫类”生物。由于基底构造升降或古地貌隆凹变化，造成台内水体局限程度差异明显。受四周凸起障壁的围限，开阔台地内海水呈现明显的分层现象，这种分层现象在内部凹陷地区表现尤为突出。干湿气候交替、基底升降及古地貌隆凹导致的水体能量和盐度变化等一系列因素，造成台内沉积类型出现差异［6］。

综合分析，研究区马五5亚段可细分为以下4种微相：①开阔灰坪，通常在高或较高水位期发育，其水体盐度不足以引起规模性的白云岩化作用，岩性主要为泥晶灰岩和颗粒灰岩，沉积物颜色为灰—灰黑色，沉积构造主要为块状层理、水平纹层理和生物扰动构造（图2g）。②开阔云坪，台内因差异性升降形成古地貌凹陷区，因水体循环受限，海水因盐度差异产生分层现象，进而引起高密度的富Mg 海水汇聚在凹陷底部，促进了先期沉淀的灰泥发生白云岩化作用，最终产生了泥—粉晶白云岩沉积物，主要包括褐灰—灰黑色的泥—粉晶白云岩和灰质泥—粉晶白云岩，另有含膏泥—粉晶白云岩等夹杂其中，发育水平纹层理及生物扰动构造（图2a）。③开阔灰云-云灰坪，位于开阔、局限过渡区域，或海平面变化导致的弱白云岩化地带。因白云岩化流体的供给不足，先期沉淀的灰泥部分发生白云岩化作用，沉积物表现为含云质泥晶灰岩与灰质白云岩等过渡岩性特征，常发育块状层理、水平层理和生物扰动构造。④开阔台内滩，处于水体能量较低的开阔台地中的相对高能位置。在水流及波浪作用的影响下，已沉积下来的各类灰岩发生破碎，继而接受簸选再沉积，形成台内滩，岩性多以含颗粒灰岩类（图2r）为主。

3 沉积相展布特征

3.1 沉积相纵横向区域对比

苏里格地区平面上各井区沉积微环境变化颇大，特别是东西向和南北向差异明显。基于18口井的单井沉积相精细分析及近东西向和南北向沉积剖面的纵横向对比（图5），认为马五5亚段在研究区内整体保存较好，仅在西部地区遭受剥蚀，地层厚度呈现总体分布均匀，但东南部较薄的状态。

研究区AA'剖面呈南北向穿越局限台地亚相。S223，L14 和TO27 井区主要沉积白云岩和少量灰岩，整体为局限云坪微相，局限灰坪微相相间出现。S349，T2-22-11，A194 等井区岩性以云岩、灰质云岩、云质灰岩、灰岩为主，沉积微相为局限云坪、局限灰坪、局限云灰坪和局限灰云坪4 种。该剖面上的其余井区多发育灰岩，仅A51 井区沉积了较厚的白云岩，整体表现为局限灰坪沉积微相，少部分区域为局限云坪。

研究区BB' 剖面呈东西向穿过碳酸盐岩局限台地亚相、开阔台地亚相；A52 井以西为局限台地亚相，A52 井以东为开阔台地亚相。S3 和T18 井区沉积了大量白云岩和少量灰岩，整体为局限云坪微相，断续出现局限灰坪微相。A16，A216 井区与S3，T18 井区沉积物类型相似，但整体表现为开阔云坪微相，间断发育开阔灰坪微相。T2-22-11 井区岩性和沉积微相与AA'剖面所述相同，A52 井和T2-22-11 井区岩性相近，主要为开阔云坪、灰坪、云灰坪、灰云坪沉积微相，为局限台地内部云坪相与灰坪相的过渡相区。T39 井区基本沉积灰岩，整体属局限灰岩微相。A17 井区沉积灰岩及少量的白云岩和云质灰岩，整体表现为开阔灰坪微相，间断发育开阔（灰）云坪微相。

3.2 沉积相平面展布及演化特征

鄂尔多斯盆地在马五段沉积时期发生海退，中央古隆起带出露水面。在基底隆升、古陆扩张和海退背景下，海洋水体变浅，蒸发作用逐渐占据主导地位。海面下降导致水下古隆起成为障壁，限制了海水的正常流通，加之碳酸盐岩台地内部的强烈蒸发作用，海水盐度持续上升，促进了（含膏质）白云岩的形成。在马五5亚段沉积时期发生了海平面短暂相对上升，海水交换情况一定程度变好，台地内白云岩化作用减弱，特别是盆地东部的开阔台地环境，形成了大量的深灰—黑灰色泥晶灰岩沉积，也就是所谓的马五5亚段的“黑腰带”。

（1）马五52小层沉积期沉积相平面展布及演化特征

在先期马五6亚段沉积时期，苏里格地区主要为蒸发岩沉积。至马五52小层沉积期，随着海平面逐渐上升，台地内水体得以与广海自由流通，研究区内沉积了大量的白云岩、灰岩和过渡岩类，且含膏岩类较少。靠近马五5 亚段地层剥蚀边缘地带主要形成了局限台地亚相，进一步可划分出局限云坪、局限灰坪、局限灰云坪等微相，偶见台内滩微相（图6a）。主要岩性为泥—粉晶云岩、泥晶云岩、含膏云岩等。开阔台地亚相主要分布在靖边以东，发育大面积开阔灰坪、片状开阔云坪、小片开阔云灰坪等微相。泥晶灰岩、泥—粉晶云岩为开阔台地主要岩性。

图6 鄂尔多斯盆地苏里格地区奥陶系马五5亚段沉积相展布特征Fig.6 Distribution characteristics of sedimentary facies of Ordovician Ma 55 sub-member in Sulige area，Ordos Basin

4 沉积模式

在鄂尔多斯盆地，由于庆阳古隆起的形成，塑造了特殊的古地理环境。自古隆起发育以来，自西向东分别形成了蒸发台地、局限台地和开阔台地等沉积环境。随着后期抬升作用的发展，蒸发台地逐渐被剥蚀而未能保存下来，向东在过渡区域形成局限台地，再向东倾则转变为开阔台地。地貌上，局限台地主要体现为平缓的平台，主要沉积云坪微相，其内部则有部分下凹区域，不同区域的白云岩成因有所不同；开阔台地整体上表现为面积较大且水体略深的广阔海域，位于古隆起东部距离较远的地带，内部同样具有下凹区域（图7）。

图7 鄂尔多斯盆地苏里格地区奥陶系马五5 亚段沉积模式（据文献［29，33］修改）Fig.7 Sedimentary model of Ordovician Ma 55 sub-member in Sulige area，Ordos Basin

马五5亚段沉积之前的海退环境造就了蒸发台地古地理背景，马五5亚段沉积时期持续的小规模海侵，使得台地内部水体得到广海补充，研究区环境由蒸发台地演化为局限—开阔台地。如前所述，研究区主要发育泥晶灰岩、泥晶白云岩和泥—粉晶白云岩，亦可见少量的粉晶白云岩，除S13 和A55等少数井区外，极少见成规模的颗粒碳酸盐岩。由此表明，在马五5亚段沉积时期研究区为整体的低能环境，仅在局部古地貌隆起区沉积了相对高能的台内点滩。

在充分考虑古地理背景的基础上，参考经典的白云岩化过程机理，综合分析其沉积演化规律，认为研究区局限—开阔台地亚相内部的下凹区域，最利于富Mg 高密度海水汇聚，是同生期白云岩化作用的理想场所，且可持续进行，进而促使多期叠加白云岩化作用发生，最终可形成规模较大的泥—粉晶白云岩沉积体。

5 油气地质意义

作为典型的白云岩型岩性气藏［34］，苏里格地区马五5亚段的气藏与白云岩体具有良好的对应关系，优质白云岩储层即为气藏发育区。因此探明有利的白云岩储层，对于该地区下一步的油气开发具有重要意义。

马五5亚段白云岩储层的发育主要受沉积相、成岩作用、构造作用等多因素控制［5，35-36］，其中沉积相是基础。在沉积相方面，云坪微相等有利相带为储层的发育奠定了重要物质基础；马五5 亚段沉积后期，海平面的再度下降，导致含膏云坪等微相中有蒸发矿物石膏、石盐等可溶物质析出，也为晚期次生溶孔的形成奠定了一定的物质基础。就成岩作用的影响来说，埋藏白云岩化起到了关键作用，埋藏白云岩化过程中所形成的晶间孔无疑是马五5亚段的主要储集空间类型；此外，表生溶蚀和埋藏溶蚀相叠加而形成的溶蚀孔洞亦有效地增加了储集空间。构造运动对于储层发育的影响主要来自宏观构造运动和微观构造发育2 个方面。伊陕斜坡整体为鄂尔多斯盆地内部平缓的西倾单斜，受后期地质构造运动影响，西倾单斜的内部形成了一系列低幅度鼻状构造［32］，这属于宏观构造运动所导致的。微观构造发育影响方面，鼻状构造顶部发育的一系列的裂缝对研究区马五5亚段储集层的改善起到了关键作用［5］。这些裂缝不但可以作为良好的储集空间，同时对原有储集空间的互连互通亦具有较好的促进作用。

在前期研究的基础上，将孔隙度、渗透率、岩相古地理、白云岩厚度等资料有机结合并综合分析，在储层分类的基础上（表3）绘制了苏里格地区马五5 亚段有利储集层分布图（图8）。对苏里格地区马五5亚段2 个小层沉积相分布与有利储集层分布进行对比，发现云坪微相与有效储集层分布位置基本是相对应的，是储层发育的有利沉积相带。钻井资料显示，高产井A51，A361，A400，A54 等井区在马五5亚段的沉积微相均以碳酸盐岩局限台地云坪微相为主，结合各种生产、科研资料可知上述井区储层发育良好，为Ⅰ类储层。上述结果明确表明了沉积微相展布与有利储层的对应关系，也证明了此次研究的准确性和可信度。本次研究通过对沉积微相开展精细地分析，阐明了马家沟组马五5亚段沉积相展布和演化特征，建立了沉积模式，明确了有利储集层的分布区域，为苏里格气田寻找下步潜力开发区提供了有力的指导依据，具有重要的理论与现实意义。