于洲, 胡子见, 王前平, 赵静, 吴东旭, 吴兴宁, 李维岭, 鲁慧丽, 朱文博. (2023). 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层白云岩储集层特征及主控因素* [J]. 古地理学报, 25(4): 931-944.
YU Zhou, HU Zijian, WANG Qianping, ZHAO Jing, WU Dongxu, WU Xingning, LI Weiling, LU Huili, ZHU Wenbo. (2023). Characteristics and main controlling factors of the Ordovician deep dolomite reservoirs in mid-eastern Ordos Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(4): 931-944.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.04.052
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鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层白云岩储集层特征及主控因素*
于洲1, 胡子见2, 王前平3, 赵静4, 吴东旭1, 吴兴宁1, 李维岭1, 鲁慧丽1, 朱文博1
1 中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023
2 中国石油长庆油田分公司勘探事业部,陕西西安 710018
3 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安 710018
4 西安长庆化工集团有限公司,陕西西安 710018

第一作者简介 于洲,男,1986年生,高级工程师,主要从事碳酸盐岩储集层研究工作。E-mail: yuz_hz@petroChina.com.cn。

收稿日期:2022-12-20 修回日期:2023-04-24
基金资助:*中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目(编号: 2021DJ0503),长庆油田公司重大科技专项(编号: ZDZX2021)共同资助
摘要

鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层白云岩是天然气勘探的重要目标,但针对该套白云岩储集层的研究相对较少,储集层特征及成因尚不清楚,从而制约了勘探进程。基于此,依据地震、岩心、薄片、测井、物性数据、地球化学特征和 CT扫描等资料,笔者对该套白云岩储集层开展了系统研究。结果表明: ( 1)鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层发育膏溶孔型、颗粒滩型和生物扰动型白云岩储集层,其中膏溶孔型白云岩储集层岩性为含硬石膏结核粉晶白云岩,孔隙由膏模孔和微裂缝组成,平均孔隙度为 2.57%;颗粒滩型白云岩储集层岩性为砂(砾)屑云岩、鲕粒云岩和晶粒化颗粒白云岩,孔隙包含粒间(溶)孔、粒内孔、晶间(溶)孔和微裂缝,平均孔隙度为 4.65%;生物扰动型白云岩储集层岩性为斑状粉晶白云岩和斑状灰质粉晶白云岩,孔隙为晶间孔和微裂缝,平均孔隙度为 2.54%。( 2)膏溶孔型和颗粒滩型白云岩储集层的发育主要受沉积相、准同生溶蚀作用和石盐充填作用共同控制,含膏云坪和颗粒滩沉积分别是这两类白云岩储集层发育的物质基础,准同生溶蚀作用是储集层发育的关键,石盐充填作用是储集层致密化的主要因素。 ( 3)生物扰动型储集层发育主要受生物扰动和白云石化作用控制,前者为生物扰动型白云岩储集层发育创造基础条件,后者有利于晶间孔的形成与保存。该研究成果有助于对鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层白云岩天然气的勘探,期望能为下步勘探决策提供技术支撑。

关键词: 鄂尔多斯盆地; 奥陶系; 白云岩储集层; 溶蚀作用; 白云石化作用; 生物扰动作用
中图分类号:P618.130.2+1 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)04-0931-14
Characteristics and main controlling factors of the Ordovician deep dolomite reservoirs in mid-eastern Ordos Basin
YU Zhou1, HU Zijian2, WANG Qianping3, ZHAO Jing4, WU Dongxu1, WU Xingning1, LI Weiling1, LU Huili1, ZHU Wenbo1
1 PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology,Hangzhou 310023,China
2 Exploration Department of PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi'an 710018,China
3 Exploration and Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi'an 710018,China
4 Xi'an Changqing Chemical Group Co.,Ltd.,Xi'an 710018,China

About the first author YU Zhou,born in 1986,senior engineer,is mainly engaged in research on carbonate reservoirs. E-mail: yuz_hz@petroChina.com.cn.

Abstract

The deep Ordovician dolomite in the mid-eastern Ordos Basin is an important target for natural gas exploration. There are few studies on this set of dolomite reservoirs,and the reservoir characteristics and genesis are unclear,which restricts the further exploration. Based on outcrops,cores,thin sections,loggings,physical property data and CT scanning data,the dolomite reservoir is systematically studied here. The dolomit reservoir of gypsum-dissolved pore type,granular beach type and bio-turbated type developed in deep Ordovician in the mid-eastern Ordos Basin. The gypsum-dissolved pore type reservoir is characterized by anhydrite nodule bearing micro-crystalline dolomite,and the pore is composed of gypsum molds and micro-fractures with an average porosity of 2.57%. The grain-beach dolomite reservoir is composed of calcarenite-rudite dolomite,oolitic dolomite and crystalline dolomite. The pores include inter-granular pores and micro-fractures,with an average porosity of 4.65%. The bioturbated dolomite reservoir is porphyritic micro-crystalline dolomite and porphyritic calcareous micro-crystall dolomite. The pores are inter-crystalline pores and micro-fractures, and the average porosity is 2.54%. Development of gypsum-solution pore-type and grain-beach type dolomite reservoirs was mainly controlled by sedimentary facies,quasi-synchronous dissolution and rock salt filling. The gypsum bearing dolomitic flat and grain-beach facies provided the basis for development of the two types of dolomite reservoirs. The quasi-synchronous dissolution was the key to development of the reservoir,and the rock salt filling was the main factor for densification of the reservoir. Development of bioturbated dolomite reservoir was mainly controlled by bioturbation and dolomitization. Bioturbation createed basic conditions for development of bio-turbated dolomite reservoir. Quasi-contemporaneous dolomitization was conducive to formation and preservation of inter-crystalline pores. The above results are conducive to the exploration of deep dolomite natural gas in the Ordovician in mid-eastern Ordos Basin,and may provide technical support for the further exploration.

Key words: Ordos Basin; Ordovician; dolomite reservoir; dissolution; dolomitization; bioturbation
Fund:co-funded by the Scientific Research and Technology Development Project of PetroChina(No.2021DJ0503),and the Major Science and Technology Project of Changqing Oilfield Company(No.ZDZX2021)

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(付金华等, 2018), 是长庆油田天然气主力勘探层位之一。早期勘探主要聚焦于奥陶系顶部风化壳附近的马五1— 马五4亚段风化壳岩溶型白云岩储集层(李振宏和郑聪斌, 2004; 侯方浩等, 2011; 于洲等, 2020)和马五5— 马五10亚段颗粒滩型白云岩储集层(杨华等, 2011; 姚泾利等, 2015), 并发现了万亿方的储量规模。近年来, 为寻找新的天然气接替领域, 中国石油长庆油田分公司加大了对远离风化壳的盆地中东部奥陶系更深层(盐下马四段— 马一段)的勘探力度, 并于2021年在米探1井奥陶系马四段获得天然气无阻流量为35.2414× 104m3的高产工业气流(付金华等, 2021), 首次取得了鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层海相碳酸盐岩天然气勘探的重大突破。此外, 桃91、桃90和双168等多口钻井在奥陶系马三段和马二段白云岩储集层段也获得低产气流, 揭示出奥陶系深层具有良好的勘探苗头。但前人对鄂尔多斯盆地奥陶系深层的研究主要集中于岩相古地理方面(冯增昭等, 1998; 史基安等, 2009; 周进高等, 2020a, 2022a), 对奥陶系深层储集层的研究相对较少(付玲等, 2020; 周进高等, 2020b; 于洲等, 2021), 且部分研究成果存在明显的分歧, 如针对膏模孔形成阶段的认识就主要有表生岩溶期叠加埋藏期(付玲等, 2020)或准同生期叠加表生岩溶期(周进高等, 2020b)2种观点。另外, 优质储集层发育控制因素尚不清楚, 难以满足区带评价和目标优选, 制约了下一步勘探进程。为此, 基于地震、钻井岩心、微观薄片、物性数据和地球化学等基础资料, 结合区域地质背景, 笔者对鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层白云岩储集层特征及其发育的主控因素进行了深入探讨, 期望为下步勘探决策提供技术支撑。

1 地质背景

古地磁研究表明, 鄂尔多斯盆地中东部在奥陶纪马家沟期位于气候干旱炎热的赤道附近(吴汉宁等, 1990; 杨振宇等, 1997), 经历了多次海侵— 海退旋回(冯增昭等, 1998; 史基安等, 2009; 周进高等, 2020a), 具有隆坳相间的古构造格局(冯增昭等, 1999; 于洲等, 2017)。受古气候、海平面变化和古构造格局共同控制, 鄂尔多斯盆地中东部在奥陶纪马家沟期发育了一套蒸发岩和碳酸盐岩间互的岩性组合, 由下至上可分为马一段至马六段共6个岩性段, 其中马一段、马三段和马五段为海退沉积, 岩性主要为硬石膏岩和石盐岩, 夹少量石灰岩和白云岩薄层; 马二段、马四段和马六段为海侵沉积, 岩性主要为石灰岩和白云岩, 局部夹少量硬石膏岩和石盐岩薄层。依据储集层类型及成藏特征, 将马五1— 马五4亚段称为上组合, 马五5— 马五10亚段称为中组合(其中马五6— 马五10亚段也称为盐下), 马四段— 马一段称为下组合(杨华和包洪平, 2011)或奥陶系深层(图 1)。

图 1 鄂尔多斯盆地构造简图与奥陶系马家沟组地层综合柱状图Fig.1 Structural sketch of Ordos Basin and comprehensive stratigraphic histogram of the Ordovician Majiagou Formation

构造— 岩相古地理研究表明, 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层表现出“ 隆控滩坪、坳控潟湖” 的沉积特征(周进高等, 2020a)。马一段为蒸发台地沉积, 米脂坳陷为膏盐潟湖(图 2-a), 向横山隆起方向相变为膏云坪和混积潮坪, 中央古陆未接受沉积, 东侧发育泥云坪沉积。马二段主要为局限台地沉积, 米脂坳陷区为灰质潟湖, 横山隆起带水动力较强, 广泛发育颗粒滩沉积, 中央古陆仍未接受沉积, 东侧发育白云岩坪、含膏云坪和混积潮坪沉积(图 2-b)。马三段为蒸发台地沉积, 米脂坳陷为膏盐潟湖, 向横山隆起方向相变为含膏云坪, 局部发育台内颗粒滩, 中央古陆演变为间歇性暴露的中央古隆起并发育泥云坪沉积(图 2-c)。马四段为台地边缘— 局限台地沉积, 中央古隆起为台地边缘相带, 水动力强, 发育大套颗粒滩沉积, 沿横山隆起带发育台内颗粒滩沉积, 米脂坳陷为灰质潟湖相带(图 2-d)。

图 2 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层岩相古地理图(据周进高等, 2020a, 有修改)Fig.2 Lithofacies palaeogeographic map of the Ordovician deep strata in central and eastern Ordos Basin (modified from Zhou et al., 2020a)

2 白云岩储集层特征

基于钻井岩心和微观薄片, 识别出鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层主要发育膏溶孔型、颗粒滩型和生物扰动型白云岩储集层。其中膏溶孔型白云岩储集层发育于马二段和马三段, 颗粒滩型发育于马二段和马四段, 生物扰动型发育于马二段和马四段(图 3)。

图 3 鄂尔多斯盆地中东部陕473井奥陶系深层储集层综合柱状图Fig.3 Comprehensive histogram of the Ordovician deep reservoir from Well Shan 473 in central and eastern Ordos Basin

2.1 膏溶孔型白云岩储集层特征

膏溶孔型白云岩储集层岩性主要为含硬石膏结核粉晶白云岩(图 4-a至4-f)。基质粉晶白云石大小一般为0.006~0.070mm, 他形— 半自形, 镶嵌接触, 岩性致密。硬石膏结核单体最小可小于0.5 mm, 最大可达6mm左右, 以2~3mm居多, 形态大致呈不规则圆形、椭圆形、较扁平椭圆形等, 呈弥散状分布于粉晶结构的白云石基质中。

图 4 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层白云岩储集层特征及充填物特征
a— 含硬石膏结核粉晶白云岩, 发育膏模孔, 细粉晶白云石和少量石膏充填, 岩心, 桃112井, 3824.34m, 马二段; b— 含硬石膏结核粉晶白云岩, 发育膏模孔, 细粉晶白云石和少量石膏充填, 蓝色铸体片, 单偏光, 桃112井, 3824.34m, 马二段; c— 含硬石膏结核细粉晶白云岩, 发育膏模孔和微裂缝, 石盐全充填, 岩心, 靳6井, 3868.28m, 马三段; d— 含硬石膏结核细粉晶白云岩, 发育膏模孔和微裂缝, 石盐全充填, CT二维扫描, 靳6井, 3868.28m, 马三段; e— 含硬石膏结核细粉晶白云岩, CT二维扫描(岩盐用水溶蚀后), 靳6井, 3868.28m, 马三段; f— 含硬石膏结核细粉晶白云岩, 发育膏模孔和微裂缝, 石盐全充填, 岩心, 陕473井, 4131.52m, 马三段; g— 砂砾屑云岩, 发育粒间孔, 蓝色铸体片, 单偏光, 桃112井, 3623.13m, 马四段; h— 砂砾屑云岩, 发育粒间孔, 少量硬石膏和方解石充填, 蓝色铸体片, 单偏光, 桃112井, 3722.58m, 马三段; i— 鲕粒白云岩, 发育粒间孔、粒内孔和粒间溶孔, 少量硬石膏充填, 红色铸体片, 单偏光, 靖探1井, 4048.67m, 马二段; j— 鲕粒白云岩, 发育粒间孔、粒内孔和粒间溶孔, 石盐全充填, 岩心, 陕473井, 4223.24m, 马二段; k— 晶粒化颗粒白云岩, 发育晶间孔, 红色铸体片, 单偏光, 靳6井, 3688.43m, 马四段; l— 晶粒化颗粒白云岩, 发育晶间孔, 大多数被方解石充填, 残留少量孔隙, 红色铸体片, 单偏光, 靖探1井, 3802.23m, 马四段; m— 斑状粉晶白云岩, 粉晶白云石斑状区发育晶间孔, 岩心, 米探3井, 2971.48m, 马四段; n、o— 斑状灰质白云岩, 粉晶白云石斑状区发育晶间孔, 岩心(n)和氩离子抛光扫描电镜(o), 米探1井, 2639.4 m, 马四段Fig.4 Characteristics of the Ordovician deep dolomite reservoirs and its fillings in central and eastern Ordos Basin

该类储集层的储集空间由膏模孔和微裂缝组成。前者由硬石膏结核经过溶蚀作用形成, 内部常见粉晶白云石(图 4-a, 4-b)和石盐晶体(图 4-c, 4-d, 4-f)。后者为微裂缝, 宽度一般为0.05~0.1 mm, 呈随机状或网状密集分布(图 4-a, 4-e), 可能与负荷压力、构造作用等多种因素有关, 对改善储集层渗透性起建设性作用。

岩心样品数据统计表明, 膏溶孔型白云岩储集层孔隙度分布范围为0.46%~12.02%, 平均值为2.57%; 渗透率为(0.0038~68.15)× 10-3μ m2, 平均值为2.63× 10-3μ m2。孔隙度大于2%的样品占比58.6%, 其中孔隙度为2%~4%的样品占48.6%, 大于4%的样品占10%(图 5-a); 渗透率大于0.01× 10-3μ m2的样品比例为81.3%, 其中分布在(0.1~1)× 10-3μ m2区间范围内的样品个数最多, 占比达39.1%, 渗透率大于1× 10-3μ m2的样品占17.2%(图 5-b)。

图 5 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层储集层物性特征Fig.5 Physical property characteristics of the Ordovician deep reservoir in central and eastern Ordos Basin

2.2 颗粒滩型白云岩储集层特征

颗粒滩型白云岩储集层岩性主要为砂砾屑云岩、鲕粒云岩和晶粒化颗粒白云岩(图 4-g至4-i), 主要发育于马二段和马四段, 马三段也有少量分布。砂砾屑云岩由白云岩砂屑和白云岩砾屑组成, 碎屑大小一般为0.3× 0.5~10× 30mm(图 4-g, 4-h)。鲕粒云岩由白云石鲕粒和白云石胶结物组成, 鲕粒大小一般为0.2~0.25mm。晶粒化颗粒白云岩主要由他形— 半自形粗粉晶白云石组成, 含少量细晶白云石, 白云石晶体大小一般为0.05~0.1 mm, 发育晶间孔隙(图 4-k, 4-l)。

该类储集层的储集空间由粒间(溶)孔、粒内(溶)孔、晶间孔隙和微裂缝组成。粒间(溶)孔主要发育于砂砾屑云岩和鲕粒云岩中, 可见硬石膏、石盐、方解石等充填矿物。粒内(溶)孔发育于鲕粒云岩中, 可见硬石膏、石盐、方解石等矿物半充填或全充填。晶间孔隙包括晶间溶孔和晶间孔, 主要分布于晶粒化颗粒白云岩中, 孔径一般为10~100μ m, 常见方解石充填物。裂缝为构造破裂缝, 形成可能与构造作用有关; 裂缝中常见方解石或白云石充填物, 也往往残留少量孔隙空间, 能有效地改善储层渗透率。

岩心样品数据统计表明, 颗粒滩型白云岩储集层储集性能较好。孔隙度分布范围为0.78%~15.65%, 平均值为4.65%; 渗透率分布范围为(0.0039~120.6)× 10-3μ m2, 平均值为9.05× 10-3μ m2。孔隙度大于2%的样品比例为82.4%, 其中孔隙度2%~6%的样品占58.2%, 6%~8%的样品占14.3%, 大于8%的样品占9.9%(图 5-a)。渗透率大于0.01× 10-3μ m2的样品比例为92.5%, 其中分布在(0.01~1)× 10-3μ m2区间内的样品个数最多, 占51.3%, (1~10)× 10-3μ m2的样品占20%, 大于10× 10-3μ m2的样品占21.3%(图 5-b)。

2.3 生物扰动型白云岩储集层特征

生物扰动型白云岩储集层岩性为斑状粉晶白云岩和斑状灰质白云岩。斑状粉晶白云岩中的浅灰色部分主要由粗粉晶白云石组成, 深灰色部分主要由细粉晶白云石组成(图 4-m)。斑状灰质白云岩由深灰色斑状白云岩和灰色石灰岩组成(图 4-n)。

该类储集层的储集空间主要为晶间孔(图 4-o), 含少量的微裂缝。晶间孔发育于斑状粉晶白云岩浅灰色部分(图 4-m)和斑状灰质白云岩深灰色部分(图 4-n)。裂缝为微裂缝, 宽度一般为0.5~2mm, 可能与构造作用有关; 裂缝中常见方解石充填物(图 4-n), 未充填微裂缝对改善储集层渗透性有一定作用(图 4-m)。

岩心样品数据统计表明, 生物扰动型白云岩储集层孔隙度分布范围为0.63%~7.46%, 平均值为2.54%, 渗透率分布范围为(0.0016~1.35)× 10-3μ m2, 平均值为0.04× 10-3μ m2。孔隙度大于2%的样品比例为50.6%, 其中孔隙度为2%~4%的样品占35.5%, 大于4%的样品占12.1%(图 5-a)。渗透率大于0.01× 10-3μ m2的样品比例为68.9%, 其中分布在(0.01~0.1)× 10-3μ m2区间内的样品数量最多, 比例64.4%, 渗透率大于1× 10-3μ m2的样品占0.4%(图 5-b)。

3 储集层发育主控因素
3.1 膏溶孔型白云岩储集层的控制因素

膏溶孔型白云岩储集层孔隙的形成与保存主要与含膏云坪微相、溶蚀作用和充填作用相关, 其中含膏云坪是膏溶孔型白云岩储集层发育的物质基础, 准同生溶蚀作用是储集层孔隙发育的关键因素, 石盐充填作用是导致储集层致密化的重要因素。

3.1.1 含膏云坪是储集层发育的物质基础

含硬石膏结核粉晶白云岩以他形粉晶白云石为主, 白云石晶体镶嵌接触, 基质孔隙一般不发育。碳同位素一般为-1.57‰ ~-0.03‰ 、氧同位素一般为-6.57‰ ~-5.99‰ (图 6-a), 均位于同期海水值范围内(Veizer et al., 1999)。锶同位素约为0.7092~0.7116(图 6-b), 较同期海水值偏大(Veizer et al., 1999)。马五段同类白云岩储集层基质中的粉晶白云石U-Pb定年测试数据为453.0~492.0 Ma(周进高等, 2022b)。综合地球化学特征和U-Pb定年数据, 认为该类白云岩由准同生白云石化作用形成, 白云石化流体为蒸发浓缩海水; 锶同位素偏负是由于研究区靠近中央古陆, 蒸发海水受到了古陆来源的锶同位素影响(图 2-a, 2-b)。

图 6 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层白云岩C、O、Sr同位素组成Fig.6 C, O, Sr isotopic composition of the Ordovician deep dolomites in central and eastern Ordos Basin

准同生期, 强烈的蒸发作用致使海水发生强烈浓缩, 硬石膏以结核状形态不断从浓缩海水中析出; 伴随着硬石膏结核的析出, 流体中Mg2+/Ca2+值升高, 充足的Mg2+来源致使灰泥快速白云石化, 形成硬石膏结核呈弥散状分布的含硬石膏结核粉晶白云岩。该类白云岩中的硬石膏结核和粉晶白云石均较为致密, 基质孔隙不发育, 但硬石膏结核具有易溶的特点, 为膏溶孔型白云岩储集层孔隙的形成奠定了良好的物质基础。

3.1.2 准同生溶蚀作用是储集层发育的关键

鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层膏溶孔型白云岩储集层位于盐下, 距离风化壳剥蚀窗口较远(图 2-b, 2-c), 晚期的表生岩溶作用改造弱, 故孔隙形成与准同生溶蚀作用密切相关。准同生溶蚀作用受古地貌和海平面升降共同驱动, 在中央古隆起、横山隆起等古地貌高部位广泛发生, 是膏溶孔型储集层孔隙形成的关键因素。准同生溶蚀作用主要在2种背景下发生: 第1种与相对海侵期或相对海退期内部的高频层序旋回相关, 即伴随海平面下降, 发育于高频旋回顶部的含膏云坪易于暴露(图 7-a), 大气淡水溶蚀作用导致含膏云坪相带中的硬石膏结核发生溶蚀形成膏模孔(图 4-a至4-f; 7-b), 如岩心上可见原地岩溶角砾岩或小型暴露侵蚀面(图 4-c); 第2种发生在相对海侵— 海退转换期, 如马二段沉积之后, 由于海平面快速下降, 米脂坳陷在马三段沉积初期发生填平补齐沉积, 在地震反射剖面上表现为多了1套波峰波谷(图 8); 横山隆起由于地势较高, 在马三段沉积初期并未发生沉积, 而是进入短暂暴露溶蚀阶段, 大气淡水溶蚀作用对马二段膏溶孔型白云岩储集层中的残留硬石膏结核或在高频沉积旋回中形成的膏模孔进行溶蚀或扩溶改造。此外, 在溶蚀过程中, 伴随硬石膏体积的增大和溶蚀, 粉晶白云石围岩应力变化导致一些成岩微裂缝形成(图 4-c, 4-d, 4-e), 这对储集层渗透率改善起建设性作用。

图 7 鄂尔多斯盆地中东部靳6井奥陶系马三段储集层综合柱状图Fig.7 Comprehensive reservoir histogram of the Member 3 of Ordovician Majiagou Formation in Well J6 in central and eastern Ordos Basin

图 8 鄂尔多斯盆地中东部统58井— 靖探1井— 统74井东西向地震剖面图(剖面位置见图 1)Fig.8 East-west seismic profile of Well Tong 58-Well Jingtan 1-Well Tong 74 in central and eastern Ordos Basin (profile location seen in Fig.1)

3.1.3 石盐充填作用是储集层致密化的主要因素

膏溶孔型白云岩储集层所经历的充填作用主要包括细粉晶白云石充填作用和石盐充填作用。细粉晶白云石充填物在远离风化壳剥蚀窗口、风化壳顶面埋藏较深的桃112井奥陶系马二段中可见(图 4-a, 4-b), 表明粉晶白云石充填物并非形成于表生岩溶期。该类充填物的岩石学特征、地球化学特征与粉晶白云石围岩具有明显的相似性(于洲等, 2020), 推测其为硬石膏结核形成时包裹在结核中的粉晶白云石, 即准同生期位于古地貌高地的含硬石膏结核粉晶白云岩发生间歇性或短暂暴露溶蚀, 硬石膏结核由于具有易溶性被大气淡水溶蚀作用所溶蚀, 而包裹在硬石膏结核中的粉晶白云石未被溶蚀从而滞留在孔隙中(图 9)。石盐充填作用发生于准同生期高频层序界面之下, 上覆地层岩性为石膏和盐岩。测试表明, 1组充填有石盐的含硬石膏结核粉晶白云岩的岩心柱塞样品孔隙度为0.76%(图 4-d), 而将孔隙中的石盐充填物用水溶蚀后孔隙度则变为59.64%(图 4-e), 这表明石盐充填作用不利于储集层孔隙的保持, 对储集层发育具有极强的破坏作用, 是导致储集层致密化的主要因素。

图 9 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层白云岩储集层孔隙演化模式Fig.9 Pore evolution of the Ordovician deep dolomite reservoir in central and eastern Ordos Basin

3.2 颗粒滩型白云岩储集层的控制因素

颗粒滩型白云岩储集层孔隙的形成与保存主要与颗粒滩形成、准同生溶蚀作用、石盐充填作用、表生溶蚀作用和埋藏白云石化作用相关。

3.2.1 颗粒滩是储集层发育的物质基础

马二段沉积时期发生相对海侵, 鄂尔多斯盆地中东部海水与华北海连通, 循环通畅, 水动力较强, 造成横山隆起发育颗粒滩沉积(图 2-b), 岩性为砂砾屑云岩和鲕粒云岩(图 4-i, 4-j)。马三段沉积时期为海平面逐渐上升的相对海退期, 研究区整体处于蒸发台地环境, 但受短暂海侵高频旋回控制, 横山隆起带发育薄层颗粒滩沉积(图 2-c; 图 7-a), 岩性为砂砾屑云岩和鲕粒云岩(图 7-c)。马四段沉积时期, 由于海平面上升幅度较大, 华北海越过中央古隆起与祁连海域完全沟通, 中央古隆起水体相对较浅, 水动力条件变强, 成为台地边缘相带, 沉积了大套颗粒岩, 而横山隆起地势较中央古隆起低, 水动力条件相对较强, 发育台内颗粒滩沉积(图 2-d), 沉积物岩性为砂屑云岩和分选性较差的砂砾屑云岩(图 4-g, 4-h)。前人研究表明, 颗粒滩沉积物的初始孔隙度最高可达40%~60%(周进高等, 2015), 这为储集层形成奠定了良好的物质基础。

3.2.2 准同生溶蚀作用进一步改善储集层储集性能

准同生溶蚀作用发生于准同生期, 对进一步改善颗粒滩型白云岩储集层储集性能起建设性作用。该类溶蚀作用的发生与向上变浅高频层序旋回引起间歇性暴露(图 7-a)和相对海侵— 相对海退转换期的短暂暴露相关(图 8)。准同生溶蚀作用对颗粒滩型白云岩储集层的改造具有明显的选择性, 形成的孔隙类型为粒间溶孔和粒内溶孔(图 4-i, 4-j; 图 7-c; 图 9)。

3.2.3 石盐充填作用是储集层致密化的主要因素

鄂尔多斯盆地东部深层颗粒滩型白云岩储集层经历的充填作用主要为石盐充填作用。该类充填作用晚于准同生岩溶作用, 石盐充填物常充填于粒间(溶)孔和粒内孔中, 造成孔隙的部分充填而降低其储集性能, 或完全充填而丧失其储集性能(图 4-j), 这是储层致密化的主要因素。

3.2.4 埋藏白云石化作用改造储集层孔隙结构类型

从岩石学与地球化学特征来看, 部分奥陶系深层颗粒滩型白云岩储集层岩性为晶粒化颗粒白云岩, 且部分可见残余颗粒结构。晶粒化颗粒白云岩的碳、氧、锶同位素值仍处于同期海水值范围内(图 6)。对1组晶粒化颗粒白云岩进行U-Pb定年测试, 结果为342± 34Ma(图 10-a), 表明此类白云岩储集层经历了埋藏白云石化作用, 其中白云石化流体为准同生期由蒸发作用形成并封存于孔隙中的富Mg2+卤水。埋藏白云石化作用对储集层的改造表现为早期的颗粒结构和粒间孔隙分别转变为晶粒结构和晶间孔隙(图 9)。

图 10 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层白云岩U-Pb定年年龄
a— 晶粒化的颗粒白云岩U-Pb同位素年龄为342± 34Ma, 靖探1井, 3801.61m; b— 粉晶白云石斑块U-Pb同位素年龄为458.0± 28Ma, 桃112井, 3698.89m, 云斑灰岩Fig.10 U-Pb dating of the Ordovician deep dolomites in central and eastern Ordos Basin

3.3 生物扰动型白云岩储集层的控制因素

生物扰动型白云岩储集层的形成主要与生物扰动作用和白云石化作用相关, 其中生物扰动作用为储集层发育奠定了基础, 白云石化对晶间孔隙的形成与保存起关键作用。

3.3.1 生物扰动作用为储集层发育奠定了基础

生物扰动型白云岩储集层的孔隙主要发育于斑状粉晶白云岩和斑状灰质白云岩中的斑状区, 这表明该类储集层孔隙的形成与斑状结构成因密切相关。已有的研究表明, 马家沟组中的斑状结构是由生物扰动作用形成(于洲等, 2021; 许杰等, 2022), 部分叠加了准同生岩溶作用改造(许杰等, 2022)。准同生期, 造迹生物在基质孔隙不发育的沉积物中爬行、觅食或居住, 形成各式各样的潜穴(图 9)。伴随海平面下降, 潜穴形态由断续水平状逐渐变为斑点状、斑块状或树枝状, 且斑块面积也逐渐增大。这些斑块状潜穴中的充填物较为疏松, 为生物扰动型储集层发育奠定了基础(图 4-n至4-p)。

3.3.2 白云石化对晶间孔隙的形成与保存具有关键作用

地球化学特征显示(图 6), 斑状区的粉晶白云石碳、氧、锶同位素均分布在同期奥陶系海水范围内(δ 13C=-2.0‰ ~0.5‰ , δ 18O=-6.6‰ ~-4.0‰ , 87Sr/86Sr=0.7087~0.7092)。对1组粉晶白云石斑块进行U-Pb定年测试, 结果为458± 28Ma(图 10-b), 表明白云石形成时间早, 为准同生白云石化作用形成, Mg2+来源于蒸发浓缩海水。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, 这些富含Mg2+的蒸发海水沿生物潜穴不断向下伏沉积物中渗入, 致使潜穴中的充填物发生白云石化作用并形成晶间孔(图 4-n, 4-o; 图 9)。此外, 白云岩具有较强的抗压能力, 有利于晶间孔隙的保存。

4 结论

1)鄂尔多斯盆地中东部奥陶系深层主要发育膏溶孔型、颗粒滩型和生物扰动型白云岩储集层。膏溶孔型白云岩储集层岩性为含硬石膏结核粉晶白云岩, 储集空间类型为膏模孔和微裂缝, 平均孔隙度为2.57%; 颗粒滩型白云岩储集层岩性为砂(砾)屑云岩、鲕粒云岩和晶粒化颗粒白云岩, 储集空间包括粒间(溶)孔、粒内孔、晶间(溶)孔和微裂缝, 平均孔隙度为4.65%; 生物扰动型白云岩储集层岩性为斑状粉晶白云岩和斑状灰质白云岩, 孔隙主要为晶间孔, 含少量溶孔和微裂缝, 平均孔隙度为2.54%。

2)膏溶孔型白云岩储集层的发育主要与含膏云坪、溶蚀作用和石盐充填作用相关。含膏云坪是储集层发育的物质基础, 准同生溶蚀作用是储集层孔隙发育的关键, 石盐充填作用是储集层致密化的主要因素。

3)颗粒滩型白云岩储集层的发育主要与颗粒滩形成、准同生溶蚀作用、石盐充填作用和埋藏白云石化作用有关。颗粒滩是储集层发育的物质基础, 准同生溶蚀作用是储集层溶蚀孔隙发育的关键, 石盐充填作用是储集层致密化的主要因素, 埋藏白云石化作用改造了孔隙结构类型。

4)生物扰动型白云岩储集层的发育主要与生物扰动作用和白云石化作用相关。前者为储集层发育奠定了基础, 后者对晶间孔隙的形成与保存具有关键作用。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 陈吉涛)

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