蘇中堂，陳洪德，徐粉燕，金學強

（1 成都理工大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室）

（2 四川省核工業(yè)輻射測試防護院； 3 寧夏國土資源調查監(jiān)測院）

白云巖作為最重要的碳酸鹽巖油氣藏儲層之一，一直是人們關注的焦點。近幾年，我國在四川東北部、塔里木盆地所發(fā)現(xiàn)的大氣田均與白云巖有關［1-5］，羌塘盆地侏羅系白云巖也被認為是極具油氣勘探潛力的儲集巖［6］。 鄂爾多斯盆地擁有可觀的白云巖體，很多學者通過不同的方法研究其成因，提出了不同的觀點［7-18］，希望由此推動碳酸鹽巖油氣勘探取得新進展，但可惜盆地內一直沒有發(fā)現(xiàn)白云巖型氣田。筆者試圖通過對鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組白云巖巖石學及其地球化學特征的分析，闡明不同白云巖的成因，并結合巖石儲層物性分析判別不同白云巖體的儲集性能，為尋找盆地內白云巖型儲層提供依據(jù)，以促使盆地碳酸鹽巖油氣勘探取得新突破。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地在早古生代加里東構造幕演化階段位于華北板塊西部，是典型的克拉通盆地，其北部為古亞洲洋，西南部為秦祁海，盆地具有內部穩(wěn)定、周緣活動的特點。 早奧陶世亮甲山期末的懷遠運動使盆地短暫抬升，而后發(fā)生早古生代最大一次海侵，形成了馬家溝組及其同時期相應地層。 馬家溝組依據(jù)沉積旋回自下而上分為6個巖性段。

馬家溝期，盆地內部表現(xiàn)為隆坳相間格局，其西南部發(fā)育中央古隆起，北部橫亙伊盟隆起，該時期海相沉積地層主要受東部華北海和西南部秦祁海的影響。盆地沉積東西分異明顯，東部為陸表海碳酸鹽臺地，主要發(fā)育潮坪相、局限臺地相沉積，在柳林一帶形成膏鹽湖；西南緣為陸緣海碳酸鹽臺地，潮坪、碳酸鹽臺地、臺地邊緣、陸棚—盆地等各個相帶均有發(fā)育。 因此，盆地東部主要發(fā)育一套白云巖夾鹽巖沉積，西南部發(fā)育厚層灰?guī)r夾白云巖沉積（圖1）。 馬家溝組沉積之后，加里東運動使得盆地整體抬升，盆地主體缺失了中—晚奧陶世沉積，在經歷了長達1.5億年的風化剝蝕后，形成了一套風化殼儲集體。

圖1 鄂爾多斯盆地馬家溝期沉積格局及沉積相分布圖

2 巖石學特征

馮增昭等［19］曾對鄂爾多斯盆地白云巖進行詳細深入的研究，并將其分為準同生白云巖和準同生后白云巖兩大類及其八種不同成因類型。 筆者在其研究的基礎上，通過對鄂爾多斯盆地白云巖8 條野外露頭剖面、15 口鉆井巖心（圖1）以及300 件鑄體薄片的觀察，將盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組白云巖先按成因分為泥微晶白云巖、 晶粒白云巖和溶蝕殘余白云巖三大類，再根據(jù)結構，在泥微晶白云巖中分出泥晶白云巖和粒屑微晶白云巖兩種類型，在晶粒白云巖中又分出具殘余砂屑粉晶白云巖和結晶白云巖兩種類型（表1）。 這5 種白云巖的時空發(fā)育特征如圖2，其巖石學特征描述如下。

圖2 鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組白云巖發(fā)育綜合柱狀圖

泥晶白云巖 該類巖石不含或少含顆粒，局部可見藻紋層或泥紋，顆粒含量小于5%，伴生石膏呈結核狀、板狀集合體或層狀產出，往往見粒狀黃鐵礦彌散于巖石中，主要分布在盆地東部、天環(huán)地區(qū)的馬家溝組一、三、五段中。 按巖石組構特征可分純凈的泥微晶白云巖（圖3a）、含藻屑水平紋層的泥晶白云巖和含膏（膏質）泥晶白云巖三種類型。 泥晶白云巖大多數(shù)孔隙不發(fā)育，部分重結晶成為粉晶白云巖，其白云石的晶面平直，自形程度好。 巖石較致密，局部見有溶蝕孔、縫，被硅質或其它礦物充填，也見有膏?？缀歪槧钊芸?，面孔率可達2%～5%，但孔隙連通性差，滲透率低，基本不形成好儲層。

表1 鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組白云巖巖石學特征

圖3 鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組白云巖主要結構類型和特征照片

粒屑微晶白云巖 該類巖石具粒屑結構，常見粒屑包括礫屑、砂屑和藻球粒（圖3b），主要分布于天環(huán)地區(qū)馬家溝組三、五段中。 粒屑多微晶結構，少數(shù)重結晶成粉晶。 礫屑微晶白云巖的粒屑間主要為微晶白云石，局部被石膏充填；砂屑微晶白云巖的砂屑間幾乎都為微晶白云石，部分砂屑發(fā)生變形；藻球粒微晶白云巖多被微亮晶白云石膠結，部分球粒之間為微晶白云石。 該類巖石相對致密，偶見孔隙發(fā)育，面孔率可達1%～3%，連通性和滲透性差，不具形成良好儲層的條件。

殘余砂屑粉晶白云巖 該類巖石原巖為砂屑泥晶白云巖或含生物碎屑砂屑泥晶白云巖，多見于天環(huán)地區(qū)及盆地中部中央古隆起東緣和南緣的馬家溝組五段中。經重結晶作用原巖結構不明顯，白云石達到粉晶級，彼此鑲嵌接觸，殘余砂屑往往中心干凈、邊緣模糊，砂屑間為較干凈的白云石（圖3c）。該類巖石容易發(fā)生溶蝕作用，在砂屑間形成溶孔，部分溶孔被后期方解石或白云石充填，面孔率5%～8%，且連通性較好，可成為較好儲層。

結晶白云巖 該類巖石少見伴生礦物，主要見于盆地南部馬家溝組六段、天環(huán)地區(qū)馬家溝組四段、盆地中東部馬家溝組五段下部及盆地東南部馬家溝組一段中。 該類白云巖可按晶粒大小再細分為粉—細晶白云巖、細—中晶白云巖、中—粗晶白云巖和粗晶白云巖。 粉—細晶白云巖特征因晶體形態(tài)不同而存在差異：晶體曲面他形鑲嵌接觸者不發(fā)育晶間孔，含有少量巖屑、藻類及泥質；晶體半自形、自形貼面接觸者發(fā)育晶間孔，面孔率3%～5%，可成為有效儲層；晶形為麥粒狀時面孔率可達10%～15%，能成為優(yōu)質儲層。細—中晶白云巖內細晶白云石通常較臟，晶體曲面他形居多，中晶白云石往往較干凈，晶面多平直，發(fā)育晶間孔，面孔率4%～6%，可成為有效儲層。中—粗晶白云巖白云石晶體多為曲面他形，往往形成環(huán)帶，晶間孔、晶間溶孔發(fā)育，面孔率可達8%～10%（圖3d）。 粗晶白云巖中的白云石呈半自形—他形，晶體較臟，巖石相對致密，面孔率2%～3%。 由此可見，結晶白云巖可能形成良好的儲層，是油氣勘探需要關注的重點，這種白云巖主要分布在天環(huán)地區(qū)馬家溝組四段中下部、 盆地中東部馬家溝組五段下部及盆地南部、東南部馬家溝組一段和六段中。

溶蝕殘余白云巖 該類巖石受巖溶作用改造，在全盆地奧陶系頂部風化殼內均有分布，主要位于馬家溝組四、五、六段頂部地層中。 巖石主要表現(xiàn)為蜂窩狀溶蝕孔洞白云巖和巖溶角礫白云巖。 前者發(fā)育大量的溶蝕孔洞，多被白色或黑色方解石、白云石及少量石英充填、半充填（圖3e），巖心觀察孔隙率可達5%～12%，可成為良好儲集巖；后者角礫大小不一，大部分呈棱角狀，部分具溶圓現(xiàn)象，角礫成分主要為泥—微晶白云巖或顆粒白云巖，角礫間為泥—微晶白云石（圖3f）、石膏、有機質和泥質組分，孔隙不太發(fā)育，孔隙率一般低于1%，屬于非理想儲層巖類。

3 地球化學特征

對馬家溝組泥微晶白云巖、 晶粒白云巖及溶蝕殘余白云巖進行微量元素、 稀土元素及碳氧同位素分析，結合鄭葆英等［20］、張永生等［21］包裹體研究資料，現(xiàn)分別討論其地球化學特征。微量元素Fe和Sr以及稀土元素測試由侯新生教授用儀器中子活化分析法（INAA）測量，測量儀器采用美國CANBER公司生產的Ge（Li）半導體探測器和4096道分析器；Mn元素由侯新生教授采用X射線熒光法測量，測量儀器為Si-PIN半導體探測器，采用Pu-239激發(fā)源，檢出限為0.01%。 碳、氧同位素由中國石油集團西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院地質實驗室采用MAT252氣體同位素質譜儀測試完成 （實驗溫度20 ℃，濕度44%RH）。 分析結果見表2，各類白云巖地球化學特征的詳細分析可參閱文獻［7］和文獻［8］，本文在此僅略加概述。

表2 鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組白云巖地球化學特征

微量元素 泥微晶白云巖、 晶粒白云巖的微量元素特征（表2）表明，白云石化過程中未受或很少受到大氣淡水的影響，因而使石灰?guī)r發(fā)生白云石化的流體為海水或與海水有關。 泥微晶白云巖具較高的Sr 含量（965.25 μg/g），與其交代石灰?guī)r不徹底有關，表明這類白云石化過程較快，可能形成于準同生階段；晶粒白云巖的低Fe 含量（2 361 μg/g）和低Sr含量（60 μg/g）反映了白云石化過程中大量的Fe 和Sr 流失，表明這種白云巖可能形成于埋藏過程中；溶蝕殘余白云巖Fe 含量（17 847.5 μg/g）增加，而Sr含量（50.75 μg/g）大量流失，說明存在大量外來非海源流體的參與。

稀土元素 稀土元素配分模式可提供物質來源信息［7，22］。 從表2 和圖4 可知，經北美頁巖（NASC）標準化［23］后的配分模式顯示：泥微晶白云巖與晶粒白云巖配分模式相似，跟泥微晶灰?guī)r相近，說明白云石化的流體與海水有關（泥微晶灰?guī)r受成巖蝕變小，能代表同期海水的相關信息［24］）；而溶蝕殘余白云巖的配分模式不同于泥微晶灰?guī)r，顯示充填在溶孔、溶縫中的有機質或泥質吸附稀土元素提高了其總量。低溫、 堿性環(huán)境中Eu3＋易被還原為Eu2＋而遷移貧化［25］，Ce3+易被氧化為Ce4+優(yōu)先進入沉積物［26－27］。 泥微晶白云巖中δCe 呈弱負異常（0.942μg/g）和δEu 呈弱—中等負異常（0.634μg/g）［7］，說明該類白云巖形成于弱還原—弱氧化的低溫環(huán)境中； 而晶粒白云巖較泥微晶白云巖表現(xiàn)為稍強的δCe 負異常（0.78 μg/g）和稍弱的δEu 負異常（0.724 μg/g）［7］，反映出這種白云巖形成溫度高于泥微晶白云巖； 溶蝕殘余白云巖表現(xiàn)出δCe 無負異常 （1.008μg/g） 和最弱的δEu 負異常（0.744μg/g）［7］，表明巖溶流體具弱氧化低溫性質。

圖4 鄂爾多斯盆地馬家溝組稀土元素配分模式（據(jù)文獻［7－8］修改）

碳、 氧同位素 碳酸鹽巖的碳同位素比較穩(wěn)定，常被用作示蹤劑。 馬家溝組泥微晶灰?guī)r的δ13C數(shù)據(jù)大部分落在Veizer等［28］所建立的奧陶系碳酸鹽巖碳同位素變化范圍之內（圖5），因此能代表馬家溝組沉積時的海水信息，并可作為白云石化流體性質對比分析的依據(jù)。 而碳酸鹽巖的氧同位素同時是流體和溫度的函數(shù)［29］，其成巖意義需要結合碳同位素來共同討論。δ13C—δ18O關系圖（圖5）顯示，泥微晶灰?guī)r投點彌散度小；泥微晶白云巖大部分投點均在泥微晶灰?guī)r投點附近，說明使其發(fā)生白云石化的流體主要為海水或與海水相關； 晶粒白云巖δ13C（-2.876‰～2.468‰）分布范圍與泥微晶灰?guī)r（-0.578‰～1.328‰）幾乎一致，但δ18O彌散度高，表明使其白云石化的流體同樣與海水有關，但因埋深的溫度效應，致使δ18O變化較大；溶蝕殘余白云巖δ13C（-1.390‰）和δ18O（-7.308‰）同時負偏，則證明大氣淡水不斷淋濾使白云巖碳、氧同位素發(fā)生了很大的變化。

圖5 鄂爾多斯盆地馬家溝組δ13C—δ18O 關系圖

包裹體 前人用平涼組沉積之前泥晶白云巖溶斑方解石中的包裹體溫度代表這種白云巖形成時的溫度［20］，4 個包裹體均一溫度平均值為97.4 ℃（表2），說明這種白云巖形成溫度相對較低； 張永生等［21］獲得了細晶白云巖中包裹體的溫度，21 個包裹體均一溫度平均值為201.3 ℃（表2），說明這種白云巖形成溫度較高。

綜合上述巖石學特征和地球化學特征，筆者認為泥微晶白云巖為海源流體準同生白云石化，晶粒白云巖為與海水相關流體埋藏白云石化，二者的白云石化機理不同。

4 儲集性能

4.1 儲集空間類型

侯方浩等［30］對馬家溝組中東部的白云巖內風化殼型儲層及其分布做了詳細研究，筆者也曾對盆地南部馬家溝組的儲集空間做過一些分析［31］，在此基礎上，筆者根據(jù)野外剖面、鉆井巖心、鑄體薄片和掃描電鏡觀察，進一步分析了馬家溝組白云巖的儲集空間類型，其特征如下：

晶間縫 主要發(fā)育在馬家溝組斑塊狀粉—細結構白云石中，呈網(wǎng)狀分布，形成于后生成巖階段，它們使晶間孔貫通，增加了白云巖的滲透性，面孔率可達0.5%。

溶縫 主要見于馬家溝組四、五、六段上部，由不同成巖階段溶蝕作用形成。溶縫通常相互切割，呈網(wǎng)狀，溶縫縫壁常粘有黑色有機質，寬縫常被方解石、白云石或石英和陸源碎屑物充填，窄者多未被充填，面孔率有時可達2%，能作為儲集空間，同時可溝通孤立的孔隙。

晶間孔 多見于粉—細晶、中—粗晶白云巖中，經白云石化或低、 中程度重結晶作用形成； 孔徑0.02～0.45 mm，面孔率最大可達14%，通常為5%～7%，孔隙間連通性較好，是最常見的孔隙類型。

晶間溶孔 多見于細晶白云巖、 殘余砂屑粉晶白云巖中，晶間孔經溶蝕作用改造擴孔，局部邊緣不規(guī)則，多未被充填，面孔率通常3%～5%，最大可達8%，是僅次于晶間孔的孔隙類型。

溶孔 這在馬家溝組表生期暴露地層中均可見到，不具選擇性，多呈蜂窩狀，但被方解石、白云石或石英等充填或半充填者居多，剩余孔隙度最高達12%左右，是馬家溝組白云巖中常見儲集空間之一。

溶洞 主要見于馬家溝組四、五、六段白云巖中，長寬不等，洞壁不規(guī)則，往往向原巖內溶蝕延伸，面孔率達6%～7%，發(fā)育數(shù)量有限且孤立，往往被充填，因而不是馬家溝組白云巖中主要的儲集空間類型。

4.2 物性特征

采集馬家溝組各類白云巖樣品進行巖石物性測試，其中泥微晶白云巖358件，晶粒白云巖99件，溶蝕殘余白云巖146件。 實驗數(shù)據(jù)顯示：泥微晶白云巖孔隙度最大2.93%，最小0.06%，平均為0.744%；滲透率分布范圍為（0.0042~6.275）×10-3μm2，平均0.1551×10-3μm2。 晶粒白云巖孔隙度最大12.32%，最小0.39%，平均為3.225%；滲透率分布范圍為（0.00205～28.259）×10-3μm2，平均0.6746×10-3μm2。 溶蝕殘余白云巖孔隙度最大44.5%，最小0.44%，平均為5.94%；滲透率分布范圍為 （0.006 8～466.2）×10-3μm2，平均13.014×10-3μm2。 可以看出溶蝕殘余白云巖不僅具高的孔隙度，而且擁有高的滲透率，泥微晶白云巖孔隙度和滲透率均為最低，晶粒白云巖滲透率和孔隙度居中，這些特征均表明白云巖類型對儲層物性具有一定的控制意義。

為了進一步了解各類白云巖中孔隙分布情況并對其進行分析，現(xiàn)將這三類白云巖的孔隙度和滲透率分布范圍統(tǒng)計成圖（圖6）。

從圖6a中可以看出，泥微晶白云巖孔隙度在小于1%范圍的樣品達74%，而1%～3%范圍的樣品僅有26%，說明泥微晶白云巖孔隙度非常低，基本上不形成有效儲層。 晶粒白云巖樣品孔隙度主要分布在1%～3%和3%～5%范圍內，頻率分別為52%和34%，而孔隙度在5%～8%范圍的樣品占10%，即晶粒白云巖主要以中等孔隙度為主。 溶蝕殘余白云巖的孔隙度在各個統(tǒng)計范圍內均有分布，這說明該類白云巖中孔隙非均質性很強，從其分布頻率來看，孔隙度主要分布在5%～8%的范圍內，樣品出現(xiàn)頻率為42%，其次為孔隙度3%～5%的樣品，占31%，說明該類白云巖以高孔隙度為特征。

圖6 馬家溝組不同白云巖的孔隙度和滲透率分布圖

各類白云巖的滲透率分布也存在差異 （圖6b）。泥微晶白云巖滲透率在<0.01×10-3μm2范圍的樣品占45%，（0.01～0.1）×10-3μm2范圍的出現(xiàn)頻率為37%，而 （0.1～1）×10-3μm2滲透率區(qū)內出現(xiàn)的樣品僅占15%，這說明該類白云巖滲透性相對較差。晶粒白云巖滲透率主要分布在（0～1）×10-3μm2范圍內，其中小于0.01×10-3μm2范圍的樣品分布頻率為32%，（0.01～0.1）×10-3μm2的樣品占42%，而 （0.1～1）×103μm2滲透率區(qū)內出現(xiàn)的樣品占20%，這說明該類白云巖主要為中等滲透性。 溶蝕殘余白云巖滲透率主要分布在 （1～10）×10-3μm2區(qū)間內的出現(xiàn)頻率為43%，而（0.01～0.1）×10-3μm2、（0.1～1）×10-3μm2和（10～100）×10-3μm2滲透率范圍內樣品數(shù)分別占17%、20%和17%，這說明溶蝕殘余白云巖以高滲透性為特征。

5 結 論

鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組白云巖可分為泥微晶白云巖、晶粒白云巖和溶蝕殘余白云巖三類，并可進一步分為五種。

泥微晶白云巖常與石膏伴生，具較高的Sr 含量，稀土配分模式及δ13C 分布區(qū)間的特征與泥微晶灰?guī)r相似，弱δCe 負異常和弱—中等δEu 負異常，包裹體均一溫度相對較低，這些特征表明該類巖石為近地表的與海水相關的流體白云石化。 晶粒白云巖的伴生礦物少，Sr 含量低，稀土配分模式和δ13C分布區(qū)間的特征與泥微晶灰?guī)r相近，具稍強的δCe負異常和稍弱的δEu 負異常，包裹體均一溫度較高，這些特征表明該類巖石為埋藏條件下與海水相關的流體白云石化。 當這兩種白云巖受后期大氣淡水不同程度的改造，形成了溶蝕殘余白云巖。

馬家溝組白云巖中所發(fā)育的晶間縫、溶縫、晶間孔、晶間溶孔、溶孔和溶洞中，以晶間孔、晶間溶孔和溶孔為最主要的儲集空間類型。 泥微晶白云巖的孔隙度和滲透率均低，難以構成儲層；晶粒白云巖中的細—中晶白云巖具較高的孔隙度和滲透率，可成為良好儲層；溶蝕殘余白云巖具高孔隙度和高滲透率，為優(yōu)質儲集巖。 溶蝕殘余白云巖主要分布在盆地中東部馬家溝組五段上部和天環(huán)地區(qū)馬家溝組四段上部，細—中晶白云巖多見于天環(huán)地區(qū)馬家溝組四段中下部、 盆地中東部馬家溝組五段下部以及盆地南部和東南部馬家溝組一段和六段地層中，這些地區(qū)可成為盆地白云巖型儲層勘探的重點地區(qū)。

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