王起琮, 赵淑萍, 魏钦廉, 肖玲, 杨奕华, 郭艳琴, 牛苗宁. (2012)鄂尔多斯盆地中奥陶统马家沟组海相碳酸盐岩储集层特征* [J]. 古地理学报, 14(2): 229-242
Wang Qicong, Zhao Shuping, Wei Qinlian, Xiao Ling, Yang Yihua, Guo Yanqin, Niu Miaoning. (2012)Marine carbonate reservoir characteristics of the Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 14(2): 229-242. DOI:  
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鄂尔多斯盆地中奥陶统马家沟组海相碳酸盐岩储集层特征*
王起琮1, 赵淑萍1, 魏钦廉1, 肖玲1, 杨奕华2, 郭艳琴1, 牛苗宁1
1 西安石油大学油气资源学院,陕西西安 710065
2 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安 710021

第一作者简介 王起琮,女,1961年生,教授,1983年毕业于西北大学,从事储集层地质学和油藏描述教学与研究工作。

收稿日期:2011-05-24
基金:*国家油气科技重大专项专题项目“鄂尔多斯盆地南部下古生界海相碳酸盐岩储集层特征与天然气勘探目标”(项目批准号:2011ZX05005-004-08HZ)和国家自然科学基金项目“鄂尔多斯盆地下古生界低丰度海相烃源岩中有机酸(盐)生烃潜力评价”(项目批准号:41173035)共同资助
摘要

探讨了鄂尔多斯盆地中奥陶统马家沟组海相碳酸盐岩储集层岩石物理相特征及储集层分类方法。应用露头、岩心、薄片分析及储集层物性测试及压汞实验方法开展了碳酸盐岩储集层岩性、孔隙结构及物性研究,应用储集层流动带指标FZI开展了储集层岩石物理相特征及储集层分类方法研究。马家沟组碳酸盐岩储集层岩石类型主要为岩溶角砾泥晶—粉晶白云岩、膏盐溶蚀角砾泥晶—粉晶白云岩、含膏盐或膏盐质白云岩、粉晶—细晶白云岩、残余结构中晶—细晶及粗晶—中晶白云岩、次生灰岩、泥晶灰岩及白云岩,发育洞穴、溶洞、孔隙及裂缝 4种储集空间,主要发育晶间孔型、裂缝型、裂缝—晶间孔型、裂缝—晶间孔—溶洞型 4类储渗类型。依据流动带指标将储集层划分为 6类岩石物理相及 24类亚相,据此将储集层分为 5类 7亚类:一类储集层是天然气赋存的优质储集层,主要分布于马五 1、马五 4及马五 6段;二、三类储集层是马家沟组主要储集层类型,以孔隙为主的二 1、三 1类储集层主要分布于马五 1—马五 6段,以裂缝为主的二 2、三 2类储集层主要分布于马四段;四类储集层物性差,见于各段;五类为非储集层。研究结果表明,基于岩石物理相的储集层研究方法是揭示碳酸盐岩储集层特征及开展储集层定量分类与评价的有效途径。

关键词: 碳酸盐岩储集层; 岩石物理相; 储集层分类; 马家沟组; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:P588.24+5,P618.130.2+1 文献标志码:文章编号:1671-1505 (2012) 02-0229-14 文章编号:1671-1505(2012)02-0229-14
Marine carbonate reservoir characteristics of the Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin
Wang Qicong1, Zhao Shuping1, Wei Qinlian1, Xiao Ling1, Yang Yihua2, Guo Yanqin1, Niu Miaoning1
1 School of Petroleum Resources,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi
2 Institute of Petroleum Exploration and Development, Changqing Oilfield Company, PetroChina, Xi'an 710021, Shaanxi

About the first author Wang Qicong,born in 1961,graduated from Northwest University in 1983.Now she is a professor of Xi'an Shiyou University,and is mainly engaged in teaching and researches of reservoir geology and hydrocarbon accumulation description.

Abstract

This article discusses the petrophysical facies characteristics of the Majiagou Formation marine carbonate reservoirs and the method of carbonate reservoir classification in the Ordos Basin.On the basis of outcrops,cores,and slices analysis,combining with reservoir physical property and pressured-mercury testing,the rock types,porosity texture,and physical property of carbonate reservoir were studied.Using flow zone index FZI,the authors studied petrophysical facies characteristics and the classification of carbonate rock reservoir.There are 8 types of carbonate rock reservoir in the Majiagou Formation including dolomitic solution-collapse breccia,dissolved anhydrite or salt dolomitic breccia,containing anhydrite or salt dolostone,anhydrite or salt dolostone,aplite dolostone,residual structure fine-coarse crystalline dolostone,secondary limestone and micritic limestones or putty crystal dolostone.There are 4 types of storage space founded in the Majiagou Formation carbonate rock reservoir including karst cave(>100,mm),dissolved pore(2~100,mm),pore(<2,mm)and fissure.There are 4 kinds of storage and seepage of reservoir including pore reservoirs,fractured reservoirs,fractured porous reservoirs,and fractured porous and vuggy reservoirs.According to flow zone index FZI reservoirs are divided into 6 types of petrophysical facies and 24 subfacies.Carbonate rock reservoirs are divided into 5 types and 7 subtypes.Type Ⅰ reservoirs are the best type of gas storage plays mainly distributing in theM51,M54 andM56.Type Ⅱ and Type Ⅲ reservoirs are main reservoirs in the Majiagou Formation.Subtype Ⅱ1 and Ⅲ1 reservoirs primarily containing pore mainly distributed in theM51-M56 and subtype Ⅱ2 and Ⅲ2 reservoirs primarily containing fracture mainly distributed in M4.Type Ⅳ reservoirs are of poor physical properties and distributed in all formation.Type Ⅴ reservoirs are non-reservoirs.Study results show that the method on the basis of petrophysical facies research is an effective way to reveal carbonate rock reservoir characteristics and carry out quantitative classification and evaluation of carbonate rock reservoirs.

Key words: carbonate rock reservoir; petrophysical facies; reservoir type; Majiagou Formation; Ordos Basin
1 前言

鄂尔多斯盆地下古生界海相碳酸盐岩地层中蕴藏着丰富的天然气资源, 盆地内中奥陶统马家沟组是储集层发育的主要层段。前期大量研究成果表明, 马家沟组碳酸盐岩储集层属于特低孔特低渗储集层, 顶部的马五段储集层主要形成于表生期岩溶作用, 岩石以角砾泥晶— 粉晶白云岩为主, 发育溶洞、溶孔、孔隙及裂缝, 储集层主要分布于中央古隆起以东的古岩溶斜坡区, 是盆地内下古生界天然气赋存的主要场所(陈志远等, 1998; 冯增昭等, 1998; 何自新和杨奕华, 2004; 方少仙等, 2009); 中部的马四段储集层主要形成于早期混合水白云石化作用, 岩石以残余结构粉、细晶白云岩为主, 发育大量晶间孔及溶孔, 储集层主要分布于中央古隆起西部的台地边缘地区①（① 杨承运, 等．1994．陕甘宁盆地定探1井、定探2井奥陶系巨厚白云岩的成因及其储集性研究．长庆油田勘探局（内部资料））。“ 十一五” 期间作者针对盆地内下古生界海相碳酸盐岩储集层岩石类型及特征、储集层成因及空间分布规律, 进一步开展了研究, 采集了盆地北部大牛地及南部富县地区马家沟组储集层约600余块岩石样品, 进行了岩石薄片鉴定、物性测试及地球化学分析, 并收集了全盆地60余口探井及开发井约1200块储集层岩性及物性分析资料。在前人研究成果的基础上, 根据岩石薄片鉴定、铸体薄片图像分析、储集层压汞实验及孔隙度与渗透率测试等实验资料, 系统进行了储集层岩石类型、储集类型、储集层物性特征及分布规律研究, 深入开展了碳酸盐岩储集层岩石物理相特征研究, 探讨了基于流动带指标及岩石物理相类型的碳酸盐岩储集层分类方法研究, 建立了细化的鄂尔多斯盆地马家沟组碳酸盐岩储集层的分类方案。

2 储集层特征
2.1 岩石类型

鄂尔多斯盆地马家沟组自下而上据岩性特征划分为5段, 皆属于碳酸盐台地相(冯增昭等, 1990; 包洪平和杨承运, 2000; 侯方浩等, 2003; 顾家裕等, 2009)。马一、三、五段为蒸发及局限海台地亚相, 以白云岩为主; 马二、四段为开阔海台地亚相, 以石灰岩为主; 而盆地西、南缘马二、四段属于台地边缘亚相, 以厚层白云岩为主①（①李文厚, 等．2011．中石化“ 十一五” 重大专项专题报告：鄂尔多斯早古生代海相沉积盆地岩相古地理与天然气富集关系研究．内部资料）。前期大量研究成果表明, 马家沟组储集层的成岩环境包括蒸发海水、大气淡水、混合水以及埋藏水等, 白云岩是盆地内储集层的主要岩石类型, 各类白云石化、溶蚀以及构造破裂等作用是储集层发育的重要因素(冯增昭等, 1998; 包洪平等, 2004; 吴亚生等, 2006)。作者据岩心观察及薄片鉴定结果, 结合储集层的沉积与成岩特征, 总结出鄂尔多斯盆地马家沟组碳酸盐岩储集层的岩石类型主要为以下8种:(1)表生期岩溶成因的岩溶角砾泥晶— 粉晶白云岩、(2)早期淡水溶蚀成因的膏盐溶蚀角砾泥晶— 粉晶白云岩、(3)含膏盐或膏盐质白云岩、(4)回流渗透白云石化成因的粉晶— 细晶白云岩、(5)混合水白云石化成因的残余结构细晶— 粉晶白云岩、(6)埋藏期酸性地层水再溶蚀成因的各类白云岩、(7)早期及表生期淡水溶蚀与碎裂成因的去白云石化或去膏化次生灰岩、(8)构造破裂成因的碎裂泥晶灰岩或白云岩。

2.2 成因及分布特征与规律

马家沟组储集层发育的主要层段在马五段, 其次为马四段及马二段。根据沉积旋回特征一般将马五段自上而下划分为马五1— 马五10共10个亚段, 盆地北部风化壳主要发育于马五1— 马五2段, 南部富县等地剥蚀强烈, 风化壳主要发育于马五5— 马五6段。风化壳岩溶储集层发育主要受岩溶地貌控制, 主要分布于榆林、靖边至富县等地的古岩溶斜坡区(图 1), 成岩作用以表生期淡水岩溶及埋藏期溶蚀为主(郑聪斌等, 1997; 代金友和何顺利, 2005; 姚泾利等, 2011), 北部分布于马五1-2段(图 2), 南部分布于马五6上段(图 3), 以岩溶角砾泥晶— 粉晶白云岩、膏盐溶蚀角砾泥晶— 粉晶白云岩及去白云石化或去膏化次生灰岩为主; 风化壳下部的储集层发育主要受沉积相及成岩作用控制, 蒸发台地亚相储集层的成岩作用以早期淡水溶蚀及埋藏交代与溶蚀为主(吴亚生等, 2006; 方少仙等, 2009), 主要为膏盐溶蚀角砾泥晶— 粉晶白云岩及含膏盐或膏盐质白云岩, 北部分布于马五4上段(图 2)(吴智勇等, 1995; 庞琳等, 2008), 南部分布于马五6下段; 回流渗透白云岩化作用是局限海台地亚相储集层的重要成岩作用, 储集层岩石类型主要为粉晶— 细晶白云岩, 北部主要发育于马五5(图 2)(陈志远等, 1998)、马五7、马五9上段以及马四、马二段顶部①; 马四、马二段厚层状白云岩储集层广泛发育于盆地西、南区的台地边缘亚相, 尤其以马四段中细晶白云岩储集层为特征, 此类具结晶结构的中晶— 细晶白云岩储集层主要形成于早期混合水白云石化以及埋藏期地层水的交代与溶蚀作用(张永生, 2000), 岩石具有典型的残余颗粒结构, 白云岩呈厚层状产出, 无蒸发盐岩伴生, 岩石厚度自中央古隆起向盆地东部坳陷及盆地西、南部台地前缘斜坡区减薄至尖灭(图 3)。构造破裂是马家沟组储集层的重要成因, 马四、马二段岩石致密、构造破裂程度高, 是裂缝型储集层发育的主要层位, 盆地西南缘构造运动强烈, 裂缝型储集层广泛分布(李国蓉, 1997), 盆地内构造运动相对薄弱, 裂缝系统主要分布于横山、靖边、志丹及安塞地区(党犇等, 2005)。

图1 鄂尔多斯盆地马家沟组顶部岩溶地貌略图(据郑聪斌等, 1997)Fig. 1 Outline of karst landform of the Majiagou Formation top in Ordos Basin(After Zheng et al., 1997)

图2 鄂尔多斯盆地中部S257井马家沟组马五1— 马五5段地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the M51- M55 of Majiagou Formation Well S257 in central Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地南部东陵沟剖面— 中部Yu9井马家沟组马一— 马五5段地层及成岩相剖面图Fig.3 Stratigraphy and diagenetic facies section of the Members M1- M55 of Majiagou Formation from Donglinggou to Well Yu9 in southern Ordos Basin

3 储集层储渗空间

根据野外露头及薄片观察, 马家沟组碳酸盐岩储集层的储渗空间可划分为洞穴(> 100, mm)、溶洞(2~100, mm)、孔隙(< 2, mm)、喉道及裂缝。盆地内洞穴发育程度较低, 溶洞、孔隙及裂缝在特殊条件下可独立发育, 构成具单一储渗空间的单重孔隙介质储集层, 但此3类储集空间在漫长的沉积、成岩以及构造改造作用下往往共生组合, 构成各类储渗空间共存的双重及多重孔隙介质储集层。

3.1 洞穴及溶洞

盆地周缘下古生界碳酸盐岩露头中常见寒武系顶部及奥陶系顶部的风化壳岩溶洞穴。地下岩溶洞穴主要发育于构造运动活跃的盆地西南缘, 主要分布于马家沟组顶部及上奥陶统, 钻探资料表明, 岩溶洞穴常引起钻具放空及钻井液漏失, 放空段长度可达1.1, m, 钻井液漏失量最高达1700 m3(何自新和杨奕华, 2004; 郑聪斌等, 2005)。马家沟组储集层以直径介于2~100, mm、尤以2~10, mm的溶洞为多, 其形态各异, 内壁常见自形方解石胶结物, 一般沿层理及缝合线顺层分布, 或沿裂缝穿层分布, 并由溶缝或裂缝贯通。

3.2 孔隙与喉道

马家沟组碳酸盐岩储集层以次生孔隙为主, 罕见原生孔隙。Choquette和Pray(1970)将碳酸盐岩储集层的储集空间划分为组构选择性及非组构选择性次生孔隙, 前者受沉积作用及成岩物质及结构控制, 其孔喉发育明显依赖于岩石组构, 后者受构造作用及重力等外驱动力控制。

组构选择性次生孔隙主要为石膏或石盐结核铸模孔、粒间及粒内溶孔、晶间微孔及晶间溶孔。膏盐溶蚀角砾白云岩中常见角砾粒内针状溶孔及基质晶间微孔, 角砾内针状溶孔形成于石盐、石膏集合体溶蚀作用, 后期充填作用往往形成具示底构造的铸模孔, 其下部为与围岩岩性一致的沉积渗滤砂, 上部为亮晶方解石淀晶胶结物(图 4-a); 残余结构中晶、细晶白云岩以晶间孔及晶间溶孔为主(图 4-b, 4-c); 膏质白云岩中发育硬石膏及白云石溶蚀形成的网状孔隙(图 4-d)。非组构选择性次生孔隙包括角砾间溶孔及溶蚀扩大孔等。岩溶角砾白云岩的角砾间常见基质或胶结物溶蚀形成的粒间孔隙(图 4-e); 致密岩性储集层中常见裂缝溶蚀扩大孔(图 4-f); 泥晶藻云岩中常见顺层分布的藻类骨架溶蚀形成的鸟眼及窗格状溶孔(图 4-g), 次生灰岩中发育随机分布的粒间溶蚀孔及微裂缝(图 4-h)。碳酸盐岩储集层的主要孔隙类型为毛细管孔隙(孔径0.0002~0.5, mm), 裂缝溶蚀扩大孔及膏盐铸模孔多为超毛细管孔隙(孔径0.5~2, mm), 晶间孔隙主要为微孔隙(孔径小于0.0002, mm)(张厚福等, 1999)。晶间孔间的喉道为孔隙变窄部分、裂缝溶蚀扩大孔间的喉道多为片状喉道, 铸模孔之间多为细管状喉道, 此3类喉道是下古生界碳酸盐岩储集层主要喉道类型, 其中片状和管状喉道最利于流体渗流。

图4 鄂尔多斯盆地马家沟组海相碳酸盐岩储集层岩石类型及储集空间类型Fig.4 Rock types and storage space models of the Majiagou Formation marine carbonate reservoir in Ordos Basin

3.3 裂缝

马家沟组碳酸盐岩储集层普遍发育高角度(80° ± )、低角度(30° ± 、60° ± )2组共轭裂缝, 张剪性的高角度裂缝形成于印支期(图 4-a), 充填程度较高, 常被燕山期剪切性的、充填程度较低的低角度裂缝(图 4-f)所切割(李国蓉, 1997; 党犇等, 2005; 方少仙等, 2009)。除构造裂缝之外, 储集层中也常见非组构选择性的岩溶角砾间裂缝以及组构选择性的层理及缝合线缝等, 少量呈开启状态。各类储集层中以毛细管裂缝(0.0001~0.25, mm)为主, 构造成因裂缝及风化壳岩溶角砾间的裂缝主要为超毛细管裂缝(0.25~2, mm), 而层理、纹理及缝合线缝以微裂缝(< 0.0001, mm)为主。

4 储集层储渗类型及特征

马家沟组碳酸盐岩自堆积埋藏后经历了奥陶纪早成岩期的交代、胶结、压实与溶解作用, 志留纪至二叠纪表生期的岩溶角砾化、溶解及胶结作用, 中生代至今中、晚成岩期的重结晶、压溶、胶结、溶解等成岩及构造破裂作用。在成岩演化历程中, 部分碳酸盐岩被改造为储集层, 发育了由洞穴、溶洞、孔隙、喉道及裂缝相互交织而成的储渗空间, 形成了具不同孔隙结构类型及不同流体渗流方式的储渗系统。作者据溶洞、孔隙及裂缝的发育程度及流体渗流特征, 将碳酸盐岩储集层分为单重、双重及多重孔隙介质储集层。

4.1 单重孔隙介质储集层

单重孔隙介质储集层包括储渗空间以孔隙为主的晶间孔型储集层和以裂缝为主的裂缝型储集层。

4.1.1 晶间孔型储集层

晶间孔型储集层的孔隙以晶间孔和晶间溶孔为主, 另有少量溶蚀孔和裂缝发育, 晶间孔是流体储集及渗流空间。文中据铸体图像分析数据将孔隙率(晶间孔+晶间溶孔)大于80%、溶孔(溶蚀孔+膏模孔+粒内孔+粒间孔)及裂缝率小于20%的储集层, 定义为晶间孔型储集层(图 5-a)。

图5 鄂尔多斯盆地马家沟组碳酸盐岩储集层储渗类型Fig.5 Types of storage and percolation of the Majiagou Formation carbonate reservoir in Ordos Basin

1)岩性特征。储集层岩石类型主要为具结晶结构的白云岩, 其白云石含量大于85%, 晶体呈自形— 半自形, 多具残余砂、砾屑结构, 以粉晶(0.005~0.05, mm)、细晶(0.05~0.25, mm)、中晶(0.25~0.5, mm)白云岩为主, 主要形成于蒸发及局限海台地咸化海水成岩环境的回流渗透白云石岩作用、台地边缘半咸水成岩环境的混合水白云石岩作用及埋藏成岩环境的重结晶作用。

2)孔隙结构特征。储集层除晶间孔、晶间溶孔之外, 有少量开度小于10 μ m的微裂缝, 孔隙变窄部分为喉道, 面孔率介于1.0%~14.0%, 平均4.6%; 孔隙呈多边形, 主要为中孔、小孔, 孔径介于5~120 μ m、峰值20 μ m, 孔径频率曲线多具细偏单峰或双峰特征; 压汞曲线排驱压力较高, 喉道主要为中、细喉, 半径介于0.005~5.0 μ m, 峰值0.05 μ m, 喉道频率曲线呈细偏单峰型, 喉道分选较差(分选系数大于1); 孔隙结构属于中、小孔中、细喉型。

3)物性特征。储集层孔隙度介于0.1%~10%、平均2.5%, 渗透率介于0.02× 10-3~10× 10-3 μ m2、平均0.1× 10-3 μ m2, 孔隙度与渗透率具有较好的双对数正相关性。

4)流体渗流特征。流体储集与渗流系统为储集层孔隙— 喉道系统, 具各向同性特征。流体由地层到井筒的稳定渗流受储集层孔隙— 喉道系统控制。此类气藏一般储量规模较大, 产量平稳(高曼萍, 1994)。

4.1.2 裂缝型储集层

裂缝型储集层的储集和渗流空间皆为裂缝, 文中根据铸体薄片鉴定数据, 将储集层裂缝率大于80%, 孔隙率及溶孔率均小于20%的储集层定义为裂缝型储集层(图 5-b)。

1)岩性特征。储集层岩石类型主要为构造碎裂角砾泥晶白云岩、次生巨晶灰岩、风暴角砾白云岩等。露头及岩心观察表明, 碎裂角砾粒径一般介于2~10, cm, 多沿断裂带分布; 次生灰岩及风暴角砾白云岩主要发育沿冲刷面、层理面及缝合线分布的成岩裂缝。

2)构造裂缝发育特征.。盆地西南缘较盆地中东部构造裂缝发育程度高(李国蓉, 1997), 加里东期的构造裂缝为北北西和北北东向的高角度已胶结共轭裂缝; 印支期构造裂缝为北东和北西向未完全胶结的高角度共轭裂缝, 岩心裂缝密度平均25条/m; 燕山期构造裂缝为北北东和北东东向未胶结低角度共轭裂缝, 岩心裂缝密度平均4条/m, 受力后岩心往往沿此裂缝断开(方少仙等, 2009)。

3)孔隙结构特征。除开启构造裂缝之外, 储集层基质岩块中有少量成岩裂缝, 微裂缝率介于0.2%~2%, 平均0.8%, 开度平均7 μ m, 并有少量孔径小于30 μ m的晶间孔; 压汞曲线的排驱压力及进汞饱和度偏低, 孔隙结构属于微孔微缝型。

4)物性特征。裂缝型储集层的孔隙度介于0.6%~9.0%、平均4.0%, 渗透率介于0.08× 10-3~100× 10-3 μ m2、平均4× 10-3 μ m2, 个别样品渗透率高达1000× 10-3 μ m2, 具有低孔高渗特征。

5)流体渗流特征。流体储集及渗流空间皆为裂缝, 储集层流动系数(kh/μ )明显高于晶间孔型储集层, 各向异性特征明显。流体由地层到井筒的稳定渗流均决定于储集层裂缝系统, 具有均质油藏特征(庄惠农, 2009)。此类气藏一般储量规模有限, 产量递减速度较快。

4.2 双重孔隙介质储集层

盆地内典型的双重孔隙介质储集层为微孔— 溶孔型及裂缝— 溶孔型储集层。文中据图像分析数据将溶孔率大于75%, 微孔或裂缝率小于25%的储集层定义为微孔— 溶孔型及裂缝— 溶孔型储集层(图 5-c)。

1)岩性特征。储集层岩石类型主要为膏盐溶蚀角砾含灰白云岩, 白云石含量大于70%。早期淡水的组构选择性溶蚀使大量石膏、盐溶蚀形成铸模孔, 同时岩层强度降低, 发生坍塌并角砾化, 角砾间基质在淡水淋滤作用下溶蚀形成次生溶孔, 在后期成岩过程中淡水亮晶方解石胶结物充填溶孔, 同时泥晶基质发生重结晶作用形成大量晶间孔隙。

2)孔隙结构特征。溶孔主要为近圆形铸模孔和不规则的溶蚀孔, 多见示底构造(图 4-a), 溶孔间由管状喉道、微裂缝及粉晶白云石晶间孔贯通; 总面孔率介于0.2%~28%, 平均4.7%; 铸模孔径一般介于100~2000 μ m、平均1000 μ m, 溶蚀孔径介于10~300 μ m、平均150 μ m, 喉道半径介于0.01~8.0 μ m、平均0.5 μ m; 压汞曲线的排驱压力较低, 最大进汞饱和度介于50%~85%, 但退汞效率低, 仅为10%~30%。孔隙和喉道频率分布曲线均具有粗偏双峰特征。孔隙结构主要为大、中孔粗、中喉类型, 是下古生界碳酸盐岩储集层中的优质储集层。

3)物性特征。储集层孔隙度介于3.0%~13.0%、平均6.0%, 渗透率介于0.2× 10-3~50× 10-3 μ m2、平均2× 10-3 μ m2, 储集层物性具有中— 高孔低— 中渗特征。

4)渗流特征。气藏生产过程的流体渗流可划分为流体由孔洞向井筒的不稳定到稳定径向渗流阶段, 由微孔隙及微裂缝向溶孔的窜流阶段, 溶孔、微孔、微裂缝向井筒的共同不稳定到稳定的径向渗流阶段(高曼萍, 1994; 庄惠农, 2009)。此类气藏具有较大的储量规模, 生产过程中产量递减速度较慢。

4.3 三重孔隙介质储集层

碳酸盐岩储集层中理想的单重介质储集层较少, 大量储集层是溶孔、晶间孔及裂缝共生的三重孔隙介质储集层。文中根据铸体薄片图像分析数据, 将溶孔率25%~50%, 裂缝率25%~50%, 孔隙率25%~50%的储集层定义为孔隙— 裂缝— 溶孔型储集层(图 5-d)。

1)岩性特征。储集层岩石类型主要为膏盐溶蚀角砾粉晶白云岩、岩溶角砾岩及残余砂砾屑细晶— 中晶白云岩等, 储集层具备孔隙、溶洞、裂缝3套储集与渗流系统。膏盐铸模孔主要形成于早成岩阶段, 角砾间溶蚀孔主要形成于表生成岩作用阶段, 白云石晶间孔主要形成于埋藏成岩阶段, 而晶间溶蚀扩大孔以及裂缝扩大孔主要形成于埋藏阶段酸性地层水溶蚀作用。

2)孔隙结构特征。储集空间由膏盐铸模孔、角砾间溶孔、裂缝和晶间溶蚀扩大孔、微裂缝及晶间孔构成。晶间孔径介于5~150 μ m, 主峰为10, μ m、100 μ m; 溶蚀孔径介于20~3000 μ m, 主峰为30 μ m、200 μ m、500 μ m; 微裂缝开度介于5~40 μ m, 主峰10 μ m。喉道半径介于1~5 μ m, 主峰为0.8 μ m、3 μ m。孔径及喉道半径频率分布曲线均具有双峰特征及多峰特征。膏盐溶蚀及表生岩溶角砾白云岩储集层具大— 中孔、粗— 中喉型孔隙结构类型, 残余砂砾屑粉晶、细晶、中晶白云岩具大— 中孔、中— 细喉型孔隙结构类型。

3)物性特征。储集层孔隙度介于2.0%~15%、平均5.2%, 渗透率介于0.2× 10-3~20× 10-3 μ m2、平均3.5× 10-3 μ m2。储集层物性也具有中— 高孔低— 中渗特征。

4)渗流特征。储集层储集空间由溶孔、晶间孔及晶间溶孔构成, 喉道与裂缝构成流体渗流空间, 储集层具有良好的储集与渗流性能。生产过程中流体在3类储集空间之间进行交换, 即流体自孔洞向井筒渗流, 然后自裂缝向孔洞窜流, 之后自微孔隙向裂缝及孔洞窜流, 最终达到自孔隙、裂缝及溶孔向井筒的稳定渗流状态。实际资料表明此类气藏的渗流动态与双重孔隙介质气藏具有类似特征(庄惠农, 2009)。

5 储集层岩石物理相类型及特征

碳酸盐岩储集层物性决定于储集层孔隙、裂缝及溶孔的发育程度及其共生组合关系。3类储集空间发育程度决定于储集层发育过程中的沉积环境、成岩历程及构造变形强度, 在此3因素控制下形成了由沉积相、成岩相及裂缝相叠加而成的具有复杂孔隙网络的岩石物理相(熊琦华等, 1994)。

5.1 流动带指标FZI

流动带指标FZI导出于Kozeny-Carman方程(1)(Amaefule, 1993), 是表征孔隙形状、喉道弯曲度及颗粒比表面特征的综合系数, 也可用以表征储集层孔隙结构与储集层储集与渗流能力的相关关系:

　　K=1Fsτ2Sgy2Φ3(1-Φ)2=1Hc·Φ3(1-Φ)21

式中, K为渗透率(μ m2), Φ 为有效孔隙度(%), Fs为形状系数, τ 为弯曲度, Sgy为比表面积, Hc为微观孔隙结构系数(Hc=Fsτ 2 Sgy2), 不同孔隙结构类型具不同微观孔隙结构系数Hc。

Kozeny-Carman方程是基于毛细管束模型建立的用以表征储集层孔隙度Φ 、渗透率K与微观孔隙结构系数Hc的相关性, 表明具有相似微观孔隙结构的储集层, 其渗透率与孔隙度具相应正相关性。

方程(1)经变换后得到方程(2), 如将RQI定义为储集层质量指标(3), Φ z定义为储集层孔隙— 骨架体积比(4), 则可导出流动带指标FZI计算公式(5):

KΦ=1Hc·Φ(1-Φ)2RQI=KΦ3Φz=Φ1-Φ4FZI=1Hc=RQIΦz=K/Φ(Φ/(1-Φ))5

方程(5)经整理后得到方程(6):

logRQI=logΦz+logFZI6

方程(6)表明具相似孔隙结构的储集层, 储集层质量指标RQI与储集层孔隙— 骨架体积比Φ z的比值具有一致性, 即具有一致的流动带指标FZI; 不同孔隙结构的储集层在RQI-Φ z双对数图中呈一系列具有不同流动带指标FZI(直线截距)的平行直线。

马家沟组碳酸盐岩储集层孔隙结构特征研究结果表明, 储集层中虽然普遍发育由微裂缝构成的片状喉道, 但也发育大量晶间孔、喉及管状喉道, 因此微观孔隙结构系数Hc可用于表征其孔隙结构特征。由此可见, 流动带指标FZI 可用以描述碳酸盐岩的孔隙结构特征。

5.2 岩石物理相分类

流动带指标FZI是划分储集层岩石物理相的简单指标(姚光庆等, 1995), 各类岩石物理相的孔隙度与渗透率呈良好的正相关性。据马家沟组数千个储集层物性分析数据, 根据流动带指标FZI的范围(FZI< 1、1< FZI< 4、4< FZI< 10、10< FZI< 40、40< FZI< 100、FZI> 100)将碳酸盐岩储集层划分为A、B、C、D、E、F共6个岩石物理相, 各岩石物理相的孔隙度与渗透率具特定双对数直线关系; 据主要孔隙类型又进一步将各岩石物理相划分为Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 等4个亚相, 由此共划分出24类岩石物理亚相。储集层储集性能自A相至F相依次下降, 渗流性能自Ⅳ 亚相到Ⅰ 亚相依次升高(图 6)。

图6 鄂尔多斯盆地马家沟组碳酸盐岩储集层岩石物理相分类图Fig.6 Classification chart of petrophysical facies of the Majiagou Formation carbonate reservoir in Ordos Basin

5.3 岩石物理相特征

A相:FZI< 1, 为大、中孔微细喉型岩石物理相, 以溶孔型储集层为主, 基质的晶间微孔及微裂隙不发育; 孔隙度介于3.5%~8%、平均5%, 渗透率小于0.05× 10-3 μ m2、平均0.01× 10-3 μ m2。主要为AⅢ 溶孔— 微孔亚相, 罕见储渗能力更高的AⅠ 、AⅡ 亚相以及渗流能力差的AⅣ 亚相。

B相:1< FZI≤ 4, 属于大、中孔微细喉型岩石物理相, 以孔隙— 溶孔型储集层为主, 以溶孔和微孔共生为特征, 白云石自形程度较好, 晶间孔及微裂隙较发育; 孔隙度介于1.5%~15%, 渗透率介于0.001× 10-3~4.0× 10-3 μ m2。BⅢ 亚相微孔较发育, 孔隙度平均4%, 渗透率平均0.02× 10-3 μ m2; BⅡ 亚相微孔与溶孔均发育, 孔隙度平均7%, 渗透率平均0.3× 10-3 μ m2; BⅠ 亚相溶孔较发育, 孔隙度平均12%, 渗透率平均0.2× 10-3 μ m2。BⅣ 亚相渗透率小于0.01× 10-3 μ m2, 属于非储集层。

C相:4< FZI≤ 10, 属于中、小孔微细喉型岩石物理相, 以晶间孔型储集层为主, 储集层以晶间孔隙发育为特征, 白云石自形程度较好, 孔隙度介于0.8%~12%, 渗透率介于0.001× 10-3~10.0× 10-3 μ m2。CⅢ 亚相微孔隙较为发育, 孔隙度平均2%, 渗透率平均0.03× 10-3 μ m2; CⅡ 亚相晶间孔发育, 孔隙度平均5%, 渗透率平均0.4× 10-3 μ m2; CⅠ 亚相晶间溶孔较发育, 孔隙度平均8%, 渗透率平均0.4× 10-3 μ m2; CⅣ 亚相渗透率小于0.01× 10-3 μ m2, 属于非储集层。

D相:10< FZI≤ 40, 属于复合型岩石物理相, 以溶孔— 裂缝— 晶间孔型储集层为主, 储集层以溶孔、孔隙及裂缝共生为特征, 白云石晶间孔及微裂隙较发育, 孔隙及喉道的分选差; 孔隙度介于0.3%~10%, 渗透率介于0.001× 10-3~90× 10-3 μ m2。DⅢ 亚相微孔隙较发育, 孔隙度平均0.9%, 渗透率平均0.05× 10-3 μ m2; DⅡ 亚相发育微裂缝, 孔隙度平均2.3%, 渗透率平均0.8× 10-3 μ m2; DⅠ 亚相溶孔及裂缝均发育, 孔隙度平均5%, 渗透率平均10× 10-3 μ m2; DⅣ 亚相渗透率小于0.01× 10-3 μ m2, 属于非储集层。

E相:40< FZI≤ 100, 属于中小孔、微细喉微裂缝型岩石物理相, 以孔隙— 裂缝型储集层为主, 储集层以孔隙与裂缝共生为特征, 晶间孔及微裂隙较发育; 孔隙度介于0.15%~7.8%, 渗透率介于0.001× 10-3~100× 10-3 μ m2。EⅢ 亚相微裂缝较为发育, 孔隙度平均0.5%, 渗透率平均0.07× 10-3 μ m2; EⅡ 亚相微孔隙与微裂缝均发育, 孔隙度平均1.3%, 渗透率平均1.0× 10-3 μ m2; EⅠ 亚相裂缝较发育, 孔隙度平均3.5%, 渗透率平均10× 10-3 μ m2; EⅣ 亚相渗透率小于0.01× 10-3 μ m2, 属于非储集层。

F相:FZI> 100, 属于微细孔微细喉裂缝型岩石物理相, 以裂缝型储集层为主, 储集层以岩性致密但微裂缝发育为特征; 孔隙度介于0.08%~3.5%, 渗透率介于0.001× 10-3~150× 10-3 μ m2。FⅢ 亚相基质致密裂缝少, 孔隙度平均0.25%, 渗透率平均0.1× 10-3 μ m2; FⅡ 亚相微裂缝发育, 孔隙度平均0.7%, 渗透率平均2.0× 10-3 μ m2; FⅠ 亚相裂缝发育, 基质孔隙度平均2%, 渗透率平均20× 10-3 μ m2; FⅣ 亚相渗透率小于0.01× 10-3 μ m2, 属于非储集层。

6 碳酸盐岩储集层分类及评价

马家沟组储集层孔隙度一般小于10%, 渗透率一般小于10× 10-3 μ m2, 据国内现行石油行业标准(SY/T6285-1997), 马家沟组碳酸盐岩储集层主要属于特低孔低渗及特低渗储集层, 少数为低孔低渗储集层。

6.1 储集层物性特征

盆地内马家沟组碳酸盐岩储集层1700余个物性统计数据显示, 储集层孔隙度介于0.1%~15%, 个别达30%, 主峰值为2.5%, 次峰值为8%, 平均2.88%; 渗透率介于0.004× 10-3~100× 10-3 μ m2, 个别达930× 10-3 μ m2, 主峰值为0.01× 10-3, 0.1× 10-3 μ m2, 次峰值为1× 10-3 μ m2, 平均1.40× 10-3 μ m2。物性分析数据显示储集层的孔隙度及渗透率均具双峰分布特征。表1列出了各类储集层的物性统计参数。

表1 鄂尔多斯盆地马家沟组碳酸盐岩储集层分类标准 Table1 Classification standard of carbonate reservoir of the Majiagou Formation in Ordos Basin

马家沟组碳酸盐岩储集层200余个压汞实验统计数据显示, 储集层排驱压力介于0.04~30 MPa, 中值压力介于0.2~120 MPa, 最大进汞饱和度介于10%~95%, 最大喉道半径介于0.04~20 μ m, 中值喉道半径介于0.003~5 μ m, 喉道分布特征多见单峰及双峰特征。

6.2 储集层分类与评价

何自新和杨奕华(2004)等根据盆地碳酸盐岩储集层岩心分析数据, 将碳酸盐岩储集层分为5类。文中在此基础上, 根据储集层物性分析、压汞实验及铸体薄片图像分析数据, 结合储集层岩石物理相类型及特征, 细化了马家沟组碳酸盐岩储集层的分类方案(表 1)。基于岩石物理相的碳酸盐岩储集层分类结果表明, 具相似孔隙结构的储集层其孔隙度与基质渗透率呈现双对数直线关系(图 7)。

图7 鄂尔多斯盆地马家沟组碳酸盐岩储集层分类图Fig.7 Classification chart of carbonate reservoir of the Majiagou Formation in Ordos Basin

6.2.1 一类(好储集层)

储集层岩性主要为晶间溶孔发育的细晶、中晶、粗晶白云岩、溶洞发育的角砾白云岩、裂缝发育的角砾白云岩及中细晶白云岩; 储集层的岩石物理相主要为BⅠ 、CⅠ 、DⅠ 、EⅠ 1、FⅠ 1相。储集空间以大、中溶蚀孔隙为主, 裂缝型储集层裂缝较发育; 储集层孔隙度及渗透率较高。孔隙度大于1%, 平均6%; 渗透率大于1× 10-3 μ m2, 平均5× 10-3 μ m2。DⅠ 、EⅠ 1、FⅠ 1相储集层微裂缝中有方解石和泥质半充填, 基质孔隙度大于2%, 渗透率可达150× 10-3 μ m2, 属于低孔低渗或中孔中渗储集层。

压汞曲线具排驱压力低、进汞饱和度大、中值喉道半径大的特点(图 8-a), 当裂缝发育时, 排驱压力明显降低。排驱压力小于0.5, MPa, 中值压力0.3~20, MPa, 最大喉道半径5~60 μ m, 中值喉道半径3~10 μ m, 最大进汞饱和度80%~98%, 退汞效率9%~15%。喉道分选差, 分布具粗偏态及双峰特征。

图8 鄂尔多斯盆地马家沟组碳酸盐岩各类储集层压汞曲线及喉道分布直方图Fig.8 Intrusive mercury curve and throat distribution histogram of all kinds of the Majiagou Formation carbonate reservoirs in Ordos Basin

一类储集层主要发育层位为马家沟组马五1、马五4及马五6段, 马七、马九以及马四段样品较少, 有4块样品属于一类储集层。

6.2.2 二类(较好储集层)

储集层岩性主要为晶间孔隙发育的细中晶白云岩、粒内及粒间溶孔发育的鲕粒白云岩、溶蚀孔隙发育的粉晶— 细晶白云岩、溶蚀孔隙发育的藻云岩、微裂缝较为发育的中细晶白云岩或灰岩; 储集层的岩石物理相主要为BⅡ 、CⅡ 、DⅡ 、 EⅠ 2、FⅠ 2相。储集空间以晶间孔隙、晶间溶蚀孔隙、铸模孔隙为主, 裂缝型储集层微裂缝较发育; 储集层孔隙度及渗透率相对较高。孔隙发育的BⅡ 、CⅡ 、DⅡ 储集层为二1类特低孔特低渗或低渗储集层, 孔隙度1%~10%, 平均3%; 渗透率介于0.04× 10-3~2× 10-3 μ m2, 平均0.3× 10-3 μ m2; 裂缝发育的EⅠ 2、FⅠ 2相储集层为二2类特低孔低渗或中渗储集层, 孔隙度介于0.8%~3%, 渗透率介于2× 10-3~20× 10-3 μ m2。压汞曲线总体上具排驱压力低、进汞饱和度较大、中值喉道半径较大的特点。排驱压力一般0.4~10 MPa, 中值压力1~30 MPa, 最大喉道半径0.2~10 μ m, 中值孔喉半径0.05~1, μ m, 最大进汞饱和度70%~97%, 退汞效率8.4%~22%。裂缝及溶孔发育时, 排驱压力明显降低至0.01~0.1 MPa, 最大喉道半径2~60 μ m。喉道分选较好, 分布具细偏态及单峰特征, 裂缝发育时呈细偏态及双峰特征(图 8-b, 8-c)。

二类储集层是马家沟组主要储集层类型, 主要发育于马五1、马五2、马五4、马五5及马五6段, 马七、马九及马四段样品少, 5块样为孔隙较发育的二1类储集层, 马二、马四段9块样为裂缝发育的二2类储集层。

6.2.3 三类(中等储集层)

储集层岩性主要为晶间孔发育的粉晶白云岩、溶孔发育的角砾白云岩、微裂隙发育的泥晶白云岩及灰岩、缝合线泥粉晶粒屑灰岩; 储集层岩石物理相主要为AⅢ 、BⅢ 、CⅢ 、DⅢ 、EⅡ 相。储集空间以晶间微孔、微裂隙及溶孔为主, 孔隙度及渗透率均低, 属于三1类特低孔特低渗储集层, 孔隙度介于0.5%~6%, 平均2%, 渗透率介于0.007× 10-3~0.2× 10-3 μ m2, 平均0.03× 10-3 μ m2; 微裂缝发育的EⅡ 相储集层, 孔隙度低但渗透率较高, 属于三2类特低孔低渗储集层, 孔隙度介于0.5%~2%, 渗透率介于0.2× 10-3~3× 10-3 μ m2。

压汞曲线总体上具有排驱压力较高、进汞饱和度较低、中值喉道半径较小的特点, 排驱压力介于2~15 MPa, 中值压力介于10~40 MPa, 最大喉道半径介于0.1~1.0 μ m, 中值孔喉半径介于0.03~0.3 μ m, 最大进汞饱和度介于40%~70%, 退汞效率低(< 15%)。喉道分选较好, 分布具细偏态及单峰特征(图 8-d, 8-e, 8-f)。

三类储集层是马家沟组的主要储集层类型, 以孔隙为主的三1类储集层主要发育于马五1— 马五6段, 以裂缝为主的三2类储集层主要发育于马四段, 马五7段及马二段样品较少, 有2块样品属于三2类储集层。

6.2.4 四类(差储集层)

储集层岩性主要为微孔鲕粒灰岩、泥粉晶藻屑灰岩、生物颗粒灰岩、亮晶竹叶灰岩、次生灰岩; 储集层的岩石物理相主要为EⅢ 、FⅢ 、FⅡ 相。储集空间以晶间微孔隙为主, 储集层孔隙度及渗透率低, 属于特低孔低渗型储集层, 孔隙度0.1%~3%, 平均0.4%, 渗透率0.002× 10-3~2.0× 10-3 μ m2, 平均0.2× 10-3 μ m2。

压汞曲线具有排驱压力高、进汞饱和度低、喉道半径小的特点, 排驱压力介于10~50 MPa, 最大喉道半径介于0.01~0.1 μ m, 最大进汞饱和度30%~50%, 退汞效率极低(< 2%)。喉道分选程度较差, 喉道半径频率分布具细偏态特征(图 8-g)。

四类储集层普遍分布于马五1— 马五6段, 尤其以马四段分布最广, 其次为马二段储集层。

6.2.5 五类(非储集层)

岩性主要为藻席白云岩、泥晶白云岩、泥云岩、膏云岩、泥晶灰岩。岩石物理相为BⅣ -FⅣ 相。储集空间少且连通性差, 为特低孔特低渗非储集层, 孔隙度0.07%~4%, 渗透率小于0.03× 10-3 μ m2。

压汞曲线具有排驱压力大(< 20, MPa), 进汞饱和度低(< 20%), 最大喉道半径小(< 0.01~0.1 μ m)等特征(图 8-h)。此类岩石属于非储集层。

7 结论

1)鄂尔多斯盆地马家沟组海相碳酸盐岩储集层主要由8类岩石构成:(1)表生期岩溶成因的岩溶角砾泥晶— 粉晶白云岩、(2)早期淡水溶蚀成因的膏盐溶蚀角砾泥晶— 粉晶白云岩、(3)含膏盐或膏盐质白云岩、(4)回流渗透白云岩化成因的粉晶— 细晶白云岩、(5)混合水白云岩化成因的残余结构细晶— 粉晶白云岩、(6)埋藏期酸性地层水再溶蚀成因的各类白云岩、(7)早期及表生期淡水溶蚀与碎裂成因的去白云石化或去膏化次生灰岩、(8)构造破裂成因的碎裂泥晶灰岩或白云岩。

2)盆地内下古生界碳酸盐岩储集层的储集空间主要由洞穴、溶洞、孔隙及裂缝构成, 根据盆地内储集层中溶洞、孔隙及裂缝的发育程度, 储集层储渗类型划分为晶间孔型及裂缝型单重孔隙介质储集层、微孔— 溶孔型和裂缝— 溶孔型双重孔隙介质储集层以及孔隙— 裂缝— 溶孔型三重孔隙介质储集层。

3)根据储集层流动带指标FZI的大小, 马家沟组碳酸盐岩储集层可划分为6类岩石物理相及24类岩石物理亚相; 在岩石物理相分类的基础上, 马家沟组海相碳酸盐岩储集层划分为5大类7亚类储集层, 其中一类(好储集层)及二类(较好储集层)是盆地内赋存天然气的优质储集层, 主要发育在马五1、马五4以及马五6段, 二类及三类储集层是马家沟组储集层的主要类型, 以孔隙为主的二1、三1类储集层主要分布于马五1— 马五6段, 以裂缝为主的二2、三2类储集层主要分布于马四段。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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