鄂爾多斯盆地古隆起東北側馬儲層膏模孔類型及充填過程分析

劉新社，漆亞玲，李樹同，鄧秀芹，王琪，張文選，牟煒衛,3，閆燦燦,3，李陽,3

1.中國石油長慶油田勘探開發研究院，西安 710021 2.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室，蘭州 730000 3.中國科學院大學，北京 100049

劉新社1，漆亞玲1，李樹同2，鄧秀芹1，王琪2，張文選1，牟煒衛2,3，閆燦燦2,3，李陽2,3

1.中國石油長慶油田勘探開發研究院，西安 710021 2.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室，蘭州 730000 3.中國科學院大學，北京 100049

孔隙類型；膏模孔；方解石；充填方式；馬家溝組

0 引言

受早古生代加里東等構造運動的影響，華北地臺整體抬升，鄂爾多斯盆地早奧陶世沉積后，有長達1.5億年的沉積間斷，缺失了志留系—泥盆系地層，經過長期的風化淋濾，在奧陶系頂區域不整合面之下形成了一套孔、洞、縫相互交織的風化殼巖溶儲層[1]，進而形成了目前鄂爾多斯盆地奧陶系的主力產氣層，靖邊氣田的成功勘探也證實了奧陶系天然氣的勘探和開發潛力[2-3]。前人研究認為鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組含膏白云巖坪的發育為古巖溶孔、洞型儲層的形成奠定了物質基礎[4-6]，在儲層后期改造過程中，相繼形成了準同生期、裸露風化殼期和埋藏期的3期巖溶，其中埋藏期巖溶對研究區馬家溝組的孔洞型儲層的最終表現形式起到了重要的作用[7-10]，而溶孔型儲層中孔隙的產生、充填、溶蝕過程對天然氣成藏具有重要作用。大量研究表明[5,7-10]，準確分析碳酸鹽巖儲層溶孔的形成機理和過程對研究碳酸鹽巖儲層具有重要作用，由于碳酸鹽巖儲層溶孔是多期次形成的，不同期次的溶孔在形成過程和充填過程中必然存在一定的差異，進而影響到了儲層物性，因此，孔隙內充填物的類型及充填程度是碳酸鹽巖溶孔型儲層物性最直接和有效的影響。準確認識碳酸鹽巖儲層孔隙內充填物的類型、充填程度既能反應出儲層孔隙固有的特征，也能反推出儲層孔隙的形成期次與過程，因此，分析膏模孔類型及充填過程對認識碳酸鹽巖儲層具有重要意義。

圖1 鄂爾多斯盆地構造分區及研究區位置Fig.1 Tectonic division of Ordos Basin and the location of the study area

1 地質背景

表1 鄂爾多斯盆地下奧陶統馬家溝組馬五段地層劃分

2 孔隙類型

根據研究區巖芯及薄片觀察統計，馬五41碳酸鹽巖儲集層在漫長、復雜的地史演化過程中，經歷了多期次的反復成巖作用改造，原生孔隙基本消失殆盡，主要發育溶蝕孔(洞)、晶間孔、晶間溶孔與微裂縫，總面孔率為4.21%。

溶蝕孔(洞)包括膏模孔及其他溶孔。膏模孔(圖2A)是溶蝕流體將含膏云巖等原巖中的石膏晶體、結核部分或全部溶解所形成的組構選擇性溶蝕孔隙，而石膏晶體的輪廓假象被保留，一般呈圓形或橢圓形[18]，孔徑0.50～5.00 mm不等，大部分被半充填或者全充填。作為研究區最主要的儲集空間，其面孔率達到2.18%，主要分布在靖邊一帶、烏審旗南部及吳起東部、志丹東部地區；其他溶孔是巖石非組構選擇性溶蝕后而形成的孔隙或者溶洞，孔徑0.20～4.00 mm不等，無充填或者被方解石、硅質、泥質等部分或者完全充填[18]。

圖2 研究區馬孔隙微觀特征A.蓮36井，3 741.60 m，馬膏模孔，×50(-)；B.陜361井，3 900.60 m，馬基質晶間孔，×2 000；C.陜30井，3 646.05 m， 馬晶間溶孔，×100(-)；D.桃54井，3 581.67 m，馬微裂縫，×25(-)Fig.2 Microstructure characteristics of the porosity in Ma of the study area

晶間孔(圖2B)是碳酸鹽巖礦物晶體之間的孔隙，主要為白云石在重結晶過程中形成的微晶、細粉晶及細晶晶粒結構中的晶間孔，其面孔率為0.94%，孔徑0.01～0.03 mm不等，為風化殼儲層及其改造創造了先決條件，是一種重要的儲集空間。

晶間溶孔(圖2C)是沿白云石晶體或者方解石膠結物晶體間孔隙溶蝕擴大而成，孔徑略小，一般介于0.01～0.03 mm，其面孔率為0.96%。它與溶蝕孔的區別在于晶體本身受到溶蝕作用較少，為地下水沿晶間或灰泥(云泥)的收縮空間內運動造成的晶間物質選擇性溶蝕的產物[18]。

構造溶蝕縫(圖2D)是由構造應力、溶蝕擴大形成，縫寬0.10～0.20 mm，其面孔率為0.13%，縫內有含鐵白云石、含鐵方解石充填，所以，僅有少量晚期構造縫成為有效裂縫；壓溶縫及縫合線是在成巖過程中由于壓溶作用形成，呈蛇曲狀及鋸齒狀，屬于未開啟的壓性縫，被泥質或方解石充填[18]。

3 膏模孔類型及特征

通過對142口井(近1 600 m)的巖芯觀察、200張薄片鏡下觀察發現，研究區膏模孔內充填物具有一定的差異，膏模孔內充填物有白云石、方解石、石英、黃鐵礦、滲流粉砂、硬石膏、泥質及有機質、高嶺石、鐵方解石等，其中以白云石、方解石、硬石膏為主[18]。依據膏模孔內充填物充填程度，將膏模孔劃分為半充填型及全充填型。半充填型膏模孔多由風化淋濾期形成的白云石滲流粉砂及后埋藏期形成的自生石英及鐵白云石組成；相比之下，全充填型更富集方解石，多以風化淋濾期形成的白云石滲流粉砂為主，加之后埋藏期形成的自生石英、方解石及硬石膏。

另外，依據充填物類型，可將研究區的膏模孔充填作用分為六種組合類型(圖3)：白云巖粉砂半充填、白云巖粉砂+石英半充填、白云巖粉砂+鐵白云石半充填、白云巖粉砂+方解石全充填、白云巖粉砂+石英+方解石全充填及白云巖粉砂+硬石膏全充填。整體上，充填物均以白云石為主，其晶體類型與成巖環境及成巖期次相關。近地表大氣淡水及海水潛流環境和表生巖溶環境的孔洞中多見自形程度較好的白云巖粉砂充填；中—深埋藏成巖環境中以他形的粗晶白云石和鐵白云石充填為主[18]。另外，方解石的含量是膏模孔充填程度變化的關鍵，在研究區白云石晶間孔、晶間溶孔、溶孔洞縫中廣泛分布，對儲集性影響最大，破壞最強。根據其成分不同，可分為深灰色淡水方解石和白色亮晶方解石兩類。

圖3 研究區馬膏模孔充填類型鏡下微觀特征A.蓮35井，3 712.57 m，馬白云石粉砂半充填;B.陜30井，3 630.44 m，馬白云石粉砂+石英半充填;C.桃54井，3 581.67 m，馬白云石粉砂+鐵白云石半充填;D.蓮52井，3 980.63 m，馬白云石粉砂+方解石全充填;E.陜27井，3 365.48 m，馬白云石粉砂+石膏全充填;F.陜261井，3 472.50 m，馬白云石粉砂+石英+方解石全充填Fig.3 Microstructure characteristics of the filling types of the gypsum-model pore in Ma of the study area

4 膏模孔形成過程分析

4.1 充填礦物成巖環境分析

基質白云石δ13C分布在-2.28‰～0.17‰，平均為-0.97‰，δ18O分布在-9.91‰～-6.72‰，平均為-7.96‰，Z值多大于120，白云石有序度0.54～0.93，比普通的粉晶白云巖要高，反映白云巖形成于海相環境，自準同生形成后經歷過重結晶作用。孔洞內充填的白云巖粉砂δ13C分布在-2.25‰～-1.13‰，δ18O分布在-12.31‰～-8.91‰，與基質白云石碳氧同位素分析數據差異不大，在同一范圍內，應屬于同一成因。根據自然界碳同位素分餾機理，正常的海相碳酸鹽巖和碳酸鹽膠結物的δ13C分布在-4.0‰～4.0‰范圍間，屬于無機碳源，說明孔洞內充填的白云巖粉砂的形成時間較早，與有機質的脫羧基作用關系不大[20]，即裸露風化殼期受大氣淡水淋濾作用，上覆已經形成的上奧陶統白云巖中被抬升剝蝕下來的白云石顆粒由大氣水攜帶向下運移至下奧陶統的巖石孔縫之中[21]，常見自下而上密度減小、晶徑增大(圖2A)，進一步也說明地表淡水向下滲流的過程中必定會對巖石產生溶蝕，同時也反映了白云巖粉砂充填物的形成主要處于相對開放的體系中，與裸露風化殼期的溶蝕環境相對應[1]。但其δ18O較基質白云石偏負，反映其形成于沉積同生期的低溫環境，但在后期成巖晚期階段，由于地層埋藏深度大，溫度壓力逐漸升高，部分白云石經歷了高溫的重結晶改造[22]，鏡下常見白云石連晶狀分布；而部分白云石由于成巖環境的改變，在高溫缺氧的還原環境下，轉變為(含)鐵白云石。

方解石是研究區膏模孔充填程度變化的關鍵，鏡下可以發現兩種類型的方解石充填，一種為深灰色方解石，另一種為白色亮晶方解石。深灰色方解石δ13C分布在-4.76‰～-1.83‰，δ18O分布在-10.82‰～-6.79‰，可能與海相碳酸鈣過飽和及沉積時的堿性環境有關，形成時間相對較早[21]，研究區深灰色方解石充填的膏模孔基本上都為全充填。而白色亮晶方解石δ13C分布在-8.64‰～-4.13‰，δ18O分布在-15.43‰～-9.93‰，較低的δ13C說明這類方解石中有一定量的有機碳加入，其形成明顯與有機質的脫羧基作用有關[23]。發生這些成巖現象的主要原因是隨著沉積物的不斷埋深，進入深埋藏巖溶作用階段，其溫度壓力升高，烴源巖中的有機質發生脫羧基并釋放部分CO2，溶于地層水中形成較強溶蝕能力的有機酸和碳酸溶液，酸性條件下不可能形成碳酸鹽膠結，但可以對其中的長石、巖屑等少量陸源礦物進行溶蝕，釋放出部分二氧化硅，進而在局部地區形成自生石英充填物；后期達到生烴高峰期，烴類的加入使得酸性環境逐漸變為堿性環境，物質供應充足時可以形成白色亮晶方解石充填，其碳源主要為有機碳，因此碳同位素組成必然較輕，其沉淀時間主要在深埋藏巖溶作用階段，晚成巖階段早期，溫度在100℃～130℃[24]。所以，白色亮晶方解石形成期比深灰色方解石晚，形成溫度較高。

圖4 研究區馬膏模孔內不同充填物碳氧同位素分布Fig.4 The carbon-oxygen isotope distribution of different fillings in gypsum-model pore of Ma in the study area

對于膏模孔內充填的硬石膏，主要分布在研究區東部巖溶盆地范圍內，東部巖溶盆地在裸露風化殼期以充填沉淀作用為主，先期形成的石膏在深埋藏期由于成巖環境的變化逐漸變成硬石膏。

4.2 膏模孔充填期次及形成過程

研究區奧陶系沉積時期，正常海水對方解石和白云石是飽和的，伴隨蒸發作用不斷增強，當海水略微濃縮，方解石(文石)便先沉淀出來；隨著海水進一步濃縮，Mg2+濃度增高，Mg與Ca的比率增大，對先期形成的方解石(文石)進行交代，即形成準同生成因的白云巖。在干旱的條件下，當海水蒸發濃縮至原體積19%以下，含鹽度達到15%～17%以上時，硬石膏開始從海水中沉淀出來[25]，交代早期沉積的粉晶白云巖，進而形成含膏云巖，為后期膏模孔的發育奠定了沉積基礎。準同生期由于地殼運動或海水周期性振蕩，導致碳酸鹽巖沉積間歇性的暴露于地表環境中，受大氣淡水及混合水作用，石膏等易溶礦物發生溶蝕；表生期裸露風化殼環境下大氣淡水下滲發生強烈的去膏化作用及溶蝕作用，硬石膏的溶解度大于方解石、白云石等礦物，所以硬石膏晶體先得到溶解，保留了石膏晶體的輪廓，形成膏模孔(圖5A)；加之深埋藏期巖溶作用對膏模孔的疊加和改造，三期巖溶作用對膏模孔的作用形成了目前所看到的被充填物充填的膏模孔(圖5B)。

5 結論

(1) 研究區奧陶系馬五41碳酸鹽巖儲集層主要的孔隙類型包括溶蝕孔(膏模孔和其他溶孔)、晶間孔、晶間溶孔和微裂縫，總面孔率為4.21%；其中以膏模孔為主，其面孔率為2.18%。

圖5 研究區馬膏模孔充填過程及充填期次模式圖1.石膏晶體；2.石膏晶體全部溶蝕形成的未充填膏模孔；3.石膏晶體部分溶蝕形成的膏模孔；4.白云巖粉砂半充填；5.白云巖粉砂與石膏充填膏模孔；6.白云巖粉砂+方解石半充填；7.白云巖粉砂+石英半充填；8.白云巖粉砂+鐵白云石半充填；9.白云巖粉砂+方解石全充填；10.白云巖粉砂+石英+方解石全充填；11.白云巖粉砂+硬石膏全充填；12.裂縫；(1)準同生期和裸露風化殼期膏模孔形成；(2)裸露風化殼期第一期次充填白云巖粉砂、深灰色方解石；(3)深埋藏期第二期次充填自生石英、白色亮晶方解石、鐵白云石、硬石膏Fig.5 Model of the filling process and generations of the gypsum-model pore in the Ma of the study area

(3) 膏模孔形成于裸露風化殼期石膏等晶體的溶蝕，而后發生充填沉淀作用。首先裸露風化殼期充填白云巖粉砂及深灰色方解石；其次，深埋藏期充填自生石英、白色亮晶方解石及硬石膏。

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本研究的局限性：首先，本研究為單中心回顧性研究，病例數較少，部分患者選擇接受非治愈性治療或者拒絕治療，未納入本研究中，存在潛在的選擇偏倚。其次，本研究僅針對術后5年的預后進行分析，時間相對較短。除此之外，隨著時間的發展，醫生及患者對合并癥的關注度以及治療改善方案也可能發生變化，術者手術技術的改變，以及手術理念的變化也可能成為改變預后的因素。

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LIU XinShe1, QI YaLing1, LI ShuTong2, DENG XiuQin1, WANG Qi2, ZHANG WenXuan1,MOU WeiWei2,3, YAN CanCan2,3, LI Yang2,3

1.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,PetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi'an710021,China2.KeyLaboratoryofPetroleumResources,GansuProvince/KeyLaboratoryofPetroleumResourcesResearch,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

pore types; gypsum-model pore; calcite; filling model; Majiagou Formation

1000-0550(2017)06-1217-08

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.06.013

2016-09-30；收修改稿日期2017-01-22

低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室開放基金(2016GSKJ05-01),蘭州油氣資源研究中心“十三五”科技創新基金(135CCJJ20160510), 中國科學院青年創新促進會人才項目(Y410ST1LST)[FoundationOpen Foundation of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development National Engineering Laboratory, No. 2016GSKJ05-01;Science and Technology Foundation of Lanzhou Center for Oil and Gas Resources Research during the “13th Five-Year Plan” No.135CCJJ20160510, Youth Innovation Promotion Association CAS,No. Y410ST1LST]

劉新社，男，1971年出生，博士，高級工程師，石油天然氣地質綜合研究，E-mail:lxs_cq@petrochina.com.cn

李樹同，男，副研究員，E-mail: lishutong1979@163.com

P618.13

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