任軍峰 ，包洪平 ，孫六一 ，劉寶憲

（1中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院；2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室）

鄂爾多斯盆地奧陶系風化殼巖溶儲層孔洞充填特征及機理

任軍峰1，2，包洪平1，2，孫六一1，2，劉寶憲1，2

（1中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院；2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室）

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組風化殼巖溶儲層是盆地重要的儲集類型，但后期成巖及埋藏期對溶蝕孔洞的充填，造成不同地區(qū)有效儲層發(fā)育具有很大差異。對顯微薄片觀察及地球化學測試等研究表明，充填物主要以白云石、方解石、石英、石膏、硅質等為主，并常以組合形式出現(xiàn)，其中以白云石為主的充填最有利于孔洞的保存。孔洞充填主要經(jīng)歷了早表生期（風化殼期），淺埋藏期和深埋藏期三個階段。認為孔洞充填主要受控于后期構造格局的轉變。

鄂爾多斯盆地；奧陶系；巖溶儲層；風化殼儲層；成巖作用

古巖溶儲層是一種常見的碳酸鹽巖儲層類型。在我國油氣勘探中，與不整合面有關的碳酸鹽巖古風化殼、古巖溶儲層普遍發(fā)育，并占有十分重要的地位。目前，已經(jīng)在鄂爾多斯、塔里木、四川以及渤海灣等盆地發(fā)現(xiàn)了大量古風化殼巖溶型儲層，并找到了靖邊、輪南及塔河等許多大型油氣田，其中鄂爾多斯盆地已發(fā)現(xiàn)并探明了靖邊奧陶系風化殼巖溶大氣田，目前累計探明天然氣地質儲量 4 193.41×108m3。

奧陶系馬家溝組五段上部含膏白云巖，經(jīng)歷加里東風化殼期的淋濾溶蝕而形成溶蝕孔洞型儲層，是靖邊氣田的主要儲集空間［1-6］。但是由于后期成巖及埋藏期的充填，部分孔洞型儲集空間喪失，并進一步影響了儲層的儲集性能及含氣性。近年來，隨著勘探逐漸向靖邊氣田周邊地區(qū)的拓展，對風化殼儲層充填特征、控制因素及有效儲層保存機理的系統(tǒng)認識就顯得更為必要。本文以對盆地內(nèi)大量探井的巖心及微觀薄片的孔洞充填程度、充填物類型及分布特點的細致分析為基礎，選取典型孔洞充填物進行地球化學分析，探討孔洞的充填期次及控制因素，明確有效儲層分布規(guī)律，為盆地奧陶系巖溶風化殼氣藏勘探部署指出了方向。

1 奧陶系發(fā)育特征

鄂爾多斯盆地自下而上發(fā)育元古界、古生界、中生界和新生界，沉積巖平均厚度6000m，下古生界發(fā)育碳酸鹽巖沉積建造，上古生界—中生界發(fā)育碎屑巖沉積建造。下古生界平均厚度1000～2000m，其中下奧陶統(tǒng)馬家溝組是主要的海相碳酸鹽巖含氣層位。馬家溝組由六個巖性段組成，其中一、三、五段為膏云巖與鹽巖發(fā)育段，二、四、六段為石灰?guī)r發(fā)育段。馬五段自上而下劃分為10個亞段，其中上部的馬五1＋2和馬五4亞段是靖邊風化殼氣藏的主力產(chǎn)層。

奧陶紀馬家溝期，由于近南北向展布的古隆起（沉積期以間歇性暴露為主）的分隔作用，加之沉積期氣候干旱炎熱，盆地東部凹陷區(qū)為蒸發(fā)巖盆地，圍繞其呈環(huán)帶狀發(fā)育膏云坪、含膏云坪（現(xiàn)今可以在馬家溝組馬五段中見到大量硬石膏結核及板條狀的石膏晶體被溶蝕后殘留的孔隙）及環(huán)陸泥云坪沉積。馬家溝期五時，含硬石膏白云巖坪相帶在盆地中部靖邊地區(qū)近南北向展布（圖1），分布面積近15000km2，巖性以泥—細粉晶準同生白云巖為主，并普遍含石膏結核、石膏砂屑等易溶礦物，分布范圍基本與加里東風化殼期巖溶斜坡位置一致，經(jīng)歷風化殼期淋濾溶蝕，易于形成溶蝕孔洞型儲層。而且由于含膏層段的成層性好，形成的儲層段平面上分布連續(xù)、穩(wěn)定，為風化殼氣藏大面積分布奠定了基礎。

圖1 鄂爾多斯盆地中東部地區(qū)奧陶紀馬家溝期五時沉積相

2 風化殼儲層孔洞充填特征

對盆地奧陶系馬家溝組探井的巖心觀察、鑄體薄片鑒定、掃描電鏡和圖像分析研究表明，奧陶系風化殼儲層的儲集空間主要有孔隙、孔洞和裂隙三種，其中又以孔洞為主?？锥闯涮钗镔|包括機械沉積物和化學沉積物兩大類。前者為風化殼期充填的機械碎屑、鋁土質、泥質物，后者為自生礦物，如白云石、方解石、石英、硬石膏、黃鐵礦、伊利石和高嶺石等（圖2）。

2.1 主要孔洞充填物類型

白云石 主要為淡水白云石，粉晶菱形，干凈明亮，犬牙狀，主要充填于孔洞下部，晶粒較粗，且晶間孔發(fā)育（圖2a—2d）。白云石化作用主要發(fā)生在沉積之后不久的準同生期和淺埋藏下的成巖早期，埋藏期的白云石僅為局部的，常充填于孔洞縫中，鐵白云石是這一階段最具特征的礦物。靖邊氣田本部孔洞充填物以白云石充填為主，孔隙充填程度相對較低，儲層的物性及含氣性均較好。

方解石 主要包括：①淡水方解石，細粉晶，自形、半自形及犬牙狀，一般充填于孔洞下部（圖2c）；②鐵方解石，白色及乳白色，中—粗晶，陰極發(fā)光一般呈暗紅或橙黃色，充填于孔洞上部及裂縫中（圖2e）；盆地東部地區(qū)以方解石充填為主，充填程度相對較高，局部可使先成孔隙、孔洞充填殆盡而喪失儲集性。

石英 以復三方柱狀雙錐及柱狀雙錐形態(tài)為主，呈馬牙狀充填于孔壁和洞壁，并與自形菱形淡水白云石、方解石和高嶺石等共生（圖2b、2f），陰極不發(fā)光；也有少量微晶質玉髓（圖2h）。

地開石 是在奧陶系風化殼儲層孔洞中發(fā)現(xiàn)的自生粘土礦物，在電鏡下呈極好的六角板狀和假六方板狀，結晶好且晶體大，集合體呈寶塔狀、六角柱狀和放射狀。據(jù)地開石形成機理，本區(qū)地開石可能有高嶺石的成巖轉變和熱液蝕變兩種成因，但無論哪種成因，均與兩個因素相關：一是巖石曾經(jīng)歷了大于160℃的成巖溫度，二是埋藏成巖過程介質偏于酸性，并相對缺乏鉀、鎂離子。由于上述條件正好不利于孔隙封堵的沉淀，因此，凡是有地開石分布的井段，就有利于溶蝕孔洞的形成、保存和再溶蝕擴大，地開石作為儲層發(fā)育的指示礦物之一有著特殊意義。

黃鐵礦 黃鐵礦單晶以立方體和五角十二面體聚形為多，晶面無條紋。它是在成粒速度較低、埋藏環(huán)境相對穩(wěn)定的背景下形成的，主要充填在孔洞的上部。

硬石膏 鏡下硬石膏呈針狀、長柱狀、結核狀及脈狀充填在溶蝕孔洞中（圖2g），中—粗晶結構，掃描電鏡下硬石膏呈板狀，解理相當發(fā)育。從巖心上看，硬石膏有白色和黑色兩種。黑色硬石膏主要是含有機碳造成的（有機碳含量0.115%～0.131%)，主要形成于有機質成熟階段，由有機質分解的硫化氫經(jīng)氧化形成的硫酸鹽與鈣離子反應所成［7］。

2.2 主要孔洞充填物組合

對孔洞充填物組合及分布特點的研究表明，上述孔洞充填物很少單獨出現(xiàn)，而且由于形成于不同的充填階段，孔洞充填物一般以下列幾種組合形式集中出現(xiàn)，并與儲層的儲集性能密切相關。

圖2 鄂爾多斯盆地馬家溝組風化殼儲層孔洞充填特征

以白云石為主的充填 這類充填多以半充填為主，白云石一般充填于孔洞的中下部，同時充填少量的淡水方解石、石英、地開石等礦物，由于白云石晶間孔較為發(fā)育且充填疏松，孔洞充填程度相對較低，儲集性能好。靖邊氣田及其鄰近的區(qū)域就是以白云石充填為主。

白云石—石英充填 這類充填的孔洞中，白云石充填于中下部，上部發(fā)育自由生長的晶型完好的石英，儲集性較好。若局部被硅質充填，儲集性能則明顯降低。

方解石—白云石充填 由于方解石多晚于白云石充填，方解石會充填早期殘留在頂部孔洞及細晶白云石形成的晶間孔，這類儲層一般較致密，而局部殘留的未被方解石充填的孔洞（白云石充填）則具有較好的儲集性。盆地東部地區(qū)以方解石充填為主，充填程度相對較高，局部可使先成孔隙充填殆盡而喪失儲集性。

方解石—硅質（石英）充填 這兩種礦物的組合充填一般會造成早期孔洞空間的大量喪失，儲集性能明顯下降，是后期造成儲層致密的主要因素。

3 孔洞充填物充填序列

孔洞充填期次的研究對于分析風化殼儲層發(fā)育的主控因素具有重要的意義，本次研究主要基于微觀薄片觀察，并選取典型的充填物進行地球化學指標的對比分析，進而確定不同充填物的形成期次。

3.1 顯微薄片指示的充填序列

在盆地馬家溝組風化殼巖溶儲層的顯微薄片中，經(jīng)?？梢杂^察到大量的溶蝕孔洞“示頂?shù)住睒嬙?，即孔洞中，最先充填的是泥粉晶的淡水白云石（少量淡水方解石），而且均沉淀于孔洞的底部，在上部才逐漸充填其它孔洞充填物，經(jīng)?？吹降木褪巧喜砍涮罘浇馐蛘咦陨ⅰ⒐栀|等的現(xiàn)象（圖2），這就為分析充填期次提供了必要的依據(jù)。

通過對研究區(qū)200余口鉆遇風化殼儲層探井的孔洞充填物的鏡下觀察，根據(jù)不同充填物之間的分布關系，基本可以確定主要充填物的早晚期次。最早一期為風化殼巖溶發(fā)育期，伴隨膏質的溶解，結核中的泥粉晶白云石沉淀并堆積于孔洞底部，并形成少量淡水方解石，而在盆地東部巖溶地區(qū)，膏質被溶解殘留白云石的同時也沉淀了大量的方解石，且以粗晶為主，大多數(shù)的孔洞被完全充填。而鐵方解石、硅質及石英等，均是在埋藏階段，由于不同地區(qū)的流體環(huán)境差異而逐漸充填的。

3.2 孔洞充填物地球化學特征

碳酸鹽巖中的碳、氧同位素，包裹體，微量元素等組成，可以用來定量地恢復成巖環(huán)境，目前已經(jīng)有很多學者開展了這方面的研究［7-10］，可以確定孔洞充填的大致充填序列，但較少提供關于成巖過程及充填期次的更多信息。本次研究，重點選取了不同地區(qū)典型的孔洞充填物以及原巖樣品，對其進行了系統(tǒng)的同位素、包裹體測溫及微量元素分析，并根據(jù)地球化學指標的變化及差異，進一步分析了盆地風化殼儲層的成巖演化及充填特征。

3.2.1 充填物包裹體特征

孔洞充填物的流體包裹體形態(tài)、成分及均一溫度特征，能夠較為直觀地反映其形成時的流體特征及成巖環(huán)境。本次通過對區(qū)內(nèi)充填物包裹體的測試分析，得到以下幾點認識。

（1）充填物中由于方解石及石英的晶體粗大，目前獲得的包裹體大多來自于這兩種礦物中，來自白云石中的很少。包裹體以鹽水包裹體為主，有單液相和氣液相兩種類型，部分含有烴類單氣相和氣液相兩種類型包裹體，以及少量CO2氣液相包裹體。

（2）孔洞充填物包裹體均一溫度的統(tǒng)計分析表明，均一溫度介于90～220℃，其間為連續(xù)過渡，顯示孔洞充填是儲層埋深達到一定程度后持續(xù)發(fā)生的。在直方圖上出現(xiàn)兩個峰，落在90～130℃、140～170℃溫度區(qū)間的樣品數(shù)明顯較多，分別占統(tǒng)計總數(shù)的51.2%和37.7%（圖3），而且在部分探井，孔洞充填方解石的溶蝕微裂隙內(nèi)普遍發(fā)育液態(tài)烴包裹體，具有藍白色熒光，成分以甲烷為主，表明在中深埋藏期有過兩期主要的烴類充注。按照地表溫度為15℃，地溫梯度4℃/100m計算，90～130℃溫度區(qū)間對應的風化殼儲層埋深范圍介于1900～2900m，對應時代為晚三疊世；140～170℃溫度區(qū)間對應的風化殼儲層埋深為2 900～3900m，對應時代為侏羅紀—早白堊世末。

圖3 鄂爾多斯盆地風化殼儲層孔洞充填物包裹體均一溫度分布圖

3.2.2 充填物碳、氧同位素特征

碳、氧同位素是本次分析測試工作的一個重點。為了取得良好的效果，在樣品的選取上主要采取了三種方法：（1）白云巖基質取樣；（2）針對巖心樣品中的白云石顆粒進行取樣；（3）從巖心孔洞及裂縫中提取充填物進行取樣。采用這樣的取樣方法，為成巖演化及充填物的充填期次分析奠定了堅實的基礎。

通過上述分析，對該區(qū)孔洞充填物的充填序列有了更為清晰的認識。

首先，碳、氧同位素變化具有明顯的規(guī)律性，自白云巖基質 （δ13C 為 -1‰～1‰，δ18O 為-9‰～-6‰）向白云石充填物 （δ13C為 -1‰～1‰，δ18O為 -12‰～-9‰）和方解石充填物（δ13C 為-10‰～1‰，δ18O 為-15‰～0‰），δ18O同位素逐漸偏負，顯示埋深和孔隙水溫度逐漸增加，同時也表明了充填物非同時充填，白云石先充填，方解石后充填 （不屬于風化殼期充填，而是形成于埋藏階段）。與盆地東部風化殼期充填的方解石相比，靖邊及其周邊地區(qū)孔洞充填方解石具有更低的氧同位素值，顯示出大氣淡水和埋藏增溫的影響，指示了埋藏成巖環(huán)境。

其次，對比白云巖基質和孔洞底部充填的淡水白云石的同位素特征可以發(fā)現(xiàn)，其碳同位素基本近似，但充填白云石的氧同位素值要小于白云巖基質的氧同位素值，不僅表明了二者的先后關系，而且說明充填白云石接受了成巖改造，造成氧同位素偏負。

再則，盆地東部巖溶區(qū)孔洞充填以方解石為主，但其碳、氧同位素值顯示出明顯的分異特點，一部分值與白云巖基質的類似。氧同位素部分偏正，顯示更多受到大氣淡水的影響，應當屬于風化殼巖溶期巖溶水匯聚沉淀的淡水方解石，而另外的碳同位素明顯偏負（δ13C 為 -10‰～1‰，δ18O 為 -10‰～-8‰）的樣品則代表了埋藏環(huán)境階段形成的粗晶鐵方解石（圖4）。

圖4 鄂爾多斯盆地風化殼儲層白云巖基質與孔隙充填物碳、氧同位素組成對比

3.3 充填期次

通過上述對盆地風化殼儲層孔洞充填物的分析，認為盆地風化殼儲層受風化殼期溶蝕、沉淀及不同埋藏階段流體環(huán)境及成巖作用影響，其孔洞充填主要經(jīng)歷了以下三個階段（表1）。

表1 鄂爾多斯盆地風化殼儲層白云巖基質與孔隙充填期次及特征

第一期充填作用發(fā)生在早表生成巖階段。在表生期和裸露巖溶期的近地表環(huán)境下，形成具有淡水巖溶特征的充填物。因源于大氣降水入滲的水循環(huán)過程，巖溶作用以淡水為主體，當水流交替滯緩或水中CO2溢出、水—巖平衡達到過飽和時，膏質等被溶蝕，礦物質沉淀充填于巖溶縫洞中。主要為淡水方解石或淡水白云石，晶粒較圍巖稍粗，常有泥質、砂質及機械破碎物伴生，所以第一期孔洞充填物幾乎與孔洞同時形成。

第二期充填作用發(fā)生在淺埋藏階段 (＜1000 m）。隨著埋藏深度不斷增大，地溫不斷升高，儲層中有機質不斷發(fā)生分解、還原，排放出大量的CO2和H2S，使得儲層中流體的pH值降低，當pH＜7時，蒙脫石將加速轉化為伊利石，釋放出SiO2，生成石英（硅質）充填于溶孔中。當溶孔孔隙度較大時，生成的石英晶形較好，否則為不規(guī)則狀。

第三期充填作用發(fā)生在深埋藏階段（＞2000 m）。充填物主要為鐵白云石和鐵方解石，也有少量有機質、黃鐵礦等。

4 孔洞充填控制因素與有效儲層發(fā)育規(guī)律

風化殼巖溶儲層的孔洞充填直接影響了有效儲層的發(fā)育，綜合上述研究，并結合已有鉆探及試氣成果，認為鄂爾多斯盆地風化殼巖溶儲層孔洞充填與有效儲層發(fā)育主要受控于以下兩個因素。

4.1 孔洞充填程度及充填物類型是風化殼儲層非均質的主控因素

對風化殼儲層的孔洞充填類型統(tǒng)計表明，在白云石、方解石、石英、硅質及膏質等幾種充填類型中，白云石充填以細晶為主，一般充填于孔洞的中下部，晶間孔較為發(fā)育，有利于儲集性能的提高。而方解石、硅質等礦物的充填，不利于孔洞的保存，儲層一般較致密，只有在局部充填較弱部位才發(fā)育較好儲層。風化殼期，靖邊氣田西側、南側與靖邊氣田同處于巖溶斜坡區(qū)，溶蝕作用強烈，有利于溶孔類型儲層的發(fā)育，從充填物類型上看，也都以白云石充填為主，而且孔隙充填程度較低（氣田平均67%，氣田區(qū)西側及南側地區(qū)一般為80%左右）。盆地東部地區(qū)馬家溝組沉積與靖邊地區(qū)相比較，硬石膏結核等易溶組分明顯減少，溶蝕孔洞的發(fā)育程度也明顯不及氣田區(qū)，而且風化殼期主要處于巖溶盆地，屬于巖溶水的聚集區(qū)，方解石沉淀及充填作用強烈，孔洞充填物以方解石充填為主，充填程度相對較高。從整體上看，以靖邊氣田為中心，向東西兩側及南側，充填物中白云石的含量逐漸下降，而方解石、硅質的含量明顯上升，儲層逐漸致密，僅在局部充填較弱部位發(fā)育較好儲層（圖5）。

圖5 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組風化殼儲層充填物類型分布圖

上述對比分析也進一步證明，孔洞充填物中白云石的含量與儲層的物性具有較好的相關性，有效儲層發(fā)育區(qū)一般均處于以白云石充填為主的區(qū)域，因此在勘探中對于孔洞充填物的分布統(tǒng)計對于有利風化殼儲層發(fā)育區(qū)的優(yōu)選具有重要意義。

4.2 古構造格局演變對后期充填起宏觀控制作用

古構造對儲層發(fā)育具有重要的宏觀控制作用，古生代盆地所經(jīng)歷的兩次區(qū)域性構造－沉積格局轉變，控制并影響了風化殼巖溶儲層的形成、改造及后期保存。

海西期（石炭紀末—二疊紀），伴隨區(qū)域沉降作用，海水開始從東部和西部兩個方向向盆地侵入，并相繼經(jīng)歷了多期的海進、海退旋回。盆地東部地區(qū)長期被海水覆蓋，早期形成的奧陶系馬家溝組五段，孔洞多被方解石進一步充填 （加里東風化殼期盆地東部處于巖溶盆地匯水區(qū)，已經(jīng)造成方解石對孔洞的大量充填），儲集空間大量喪失，僅在局部巖溶殘丘高部位保留較好的儲集空間。盆地中部靖邊地區(qū)主要處于海陸過渡位置，充填作用較弱，孔洞充填以半充填—未充填為主，有效儲集空間得以保存。盆地南部緊鄰秦嶺加里東期隆起區(qū)，上古生界向南逐漸減薄，主要為海陸過渡相沉積，所處成巖環(huán)境與中部靖邊地區(qū)類似，局部馬家溝組頂部層段充填較弱，發(fā)育以半充填為主的孔洞型儲集空間，近年在東南部奧陶系風化殼試氣獲得了工業(yè)氣流。

5 結 論

（1）鄂爾多斯盆地加里東期整體抬升遭受長期風化剝蝕，奧陶系馬家溝組含膏白云巖經(jīng)風化淋濾作用,發(fā)育溶蝕孔洞型儲層。

（2）孔洞充填程度及充填物類型是造成風化殼儲層非均質性的主控因素?？锥闯涮钗镏饕獮榘自剖?、方解石、石英、硬膏質等，并且常以組合形式出現(xiàn)。其中以白云石為主的充填最有利于有效儲集空間的保存。

（3）風化殼儲層孔洞充填受風化殼期溶蝕、沉淀及不同埋藏階段成巖作用影響，其孔洞充填主要經(jīng)歷了早表生期（風化殼期）、淺埋藏期和深埋藏期三個階段。淡水方解石—白云石、石英、鐵方解石—白云石分別是這三個階段的典型充填物。

（4）古構造格局演變對后期充填起宏觀控制作用，古構造高部位有利于孔洞的保存。

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Characteristics and Mechanism of Pore-space Filling of Ordovician Wethering Crust Karst Reservoirs in Ordos Basin

Ren Junfeng,Bao Hongping,Sun Liuyi,Liu Baoxian

Ordovician Majiagou paleokarst weathering crust is an important reservoir in Ordos Basin but filling in the early dissolved pores and caves during late diagenesis and burial caused the effective reservoirs to be anisotropic in different areas.On the base of a large numbers of data from microscope observation and geochemical analysis of cores,it is shown that the fillings in pore space are dolomite,calcite,quartz and anhydrite,or assorted of them,in which dolomite-dominating filling is sure to be the most favorable for porosity preservation.Three stages of pore-space filling are identified.It is deemed that the filling is mainly in control of late tectonic transformation in this region.

Ordovician;Karst reservoir;Weathering-crust reservoir;Diagenesis;Ordos Basin

TE112.23

A

10.3969/j.issn.1672-9854.2012.02.009

1672-9854(2012)-02-0063-07

2011-09-08；改回日期2011-12-07

任軍峰：1978年生，工程師。2004年畢業(yè)于西北大學地質學系構造地質學專業(yè)，碩士?，F(xiàn)主要從事鄂爾多斯盆地下古生界海相碳酸鹽巖綜合地質研究。通訊地址：710018陜西省西安市長慶興隆園小區(qū)

金順愛

Ren Junfeng：male,Engineer.Add:Research Institute of Exploration and Development,Changqing Oilfield Company,Xi'an,Shaanxi,710018,China