何 江，趙忠軍，喬 琳，魏 偉，王雅潔，馮春強，陳 博，陳 超

(1.西南石油大學資源與環(huán)境學院，四川成都610500; 2.成都理工大學地球科學學院，四川成都610059;3.中國石油長慶油田分公司，陜西西安710018; 4.中國石油西南油氣田分公司，四川成都610051)

世界油氣藏儲量約30%賦存于局限-蒸發(fā)海相環(huán)境形成的白云巖儲層中，伴生的蒸發(fā)礦物溶解之后可構(gòu)成重要的儲、滲空間，是儲層發(fā)育的關(guān)鍵。目前，與局限-蒸發(fā)海相沉積及伴生蒸發(fā)礦物有關(guān)的油、氣田在中東、北美、西歐、西伯利亞、澳大利亞等廣大地區(qū)均有發(fā)現(xiàn)。同時，在中國鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組、四川盆地華鎣山東、西兩側(cè)上石炭統(tǒng)黃龍組、新疆塔里木盆地丘里塔格群、四川盆地下-中三疊統(tǒng)嘉陵江組及雷口坡組以及震旦系燈影組中也廣泛分布。

20 世紀60年代以來，國外對地質(zhì)歷史時期局限-蒸發(fā)海相地層及伴生蒸發(fā)礦物的研究取得了一系列進展，初步建立了相應的基礎(chǔ)理論體系;Kendal［1］發(fā)現(xiàn)許多古代蒸發(fā)巖是在封閉、超咸的水盆的水下沉積的，如美國德克薩斯州和新墨西哥州的二疊系卡斯堤爾組儲層、加拿大西部中泥盆統(tǒng)的馬斯克格組和溫尼伯戈西斯組儲層。Given 和Wilkinson［2］對整個地質(zhì)歷史時期蒸發(fā)海相的地層和蒸發(fā)礦物的分布規(guī)律有精辟的分析;Loucks 和Anderson［3］，Amthor 和Friedman［4］對德克薩斯州下奧陶統(tǒng)和中泥盆統(tǒng)局限-蒸發(fā)海相地層的研究，發(fā)現(xiàn)了受硬石膏和石鹽控制的堤礁儲層。近年來，國內(nèi)相關(guān)研究主要集中于鄂爾多斯盆地馬家溝組［5-14］，普遍認為“特定環(huán)境沉積的含硬石膏柱狀晶和小結(jié)核的粉晶白云巖是儲層發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，而表生成巖期和埋藏成巖期形成的次生孔、縫、洞及構(gòu)造裂隙的發(fā)育與保存好壞程度是能否形成良好儲層的關(guān)鍵”?！坝彩嘀鶢罹Ш托〗Y(jié)核溶解度遠比白云巖高，伴隨其溶解和釋壓，形成大量的裂碎縫及溶孔，構(gòu)成主要的孔隙網(wǎng)絡(luò)”，取得了大量重要認識，但針對儲層發(fā)育的關(guān)鍵因素“蒸發(fā)礦物-硬石膏柱狀晶和小結(jié)核”尚無精細解剖的實例。

筆者以鄂爾多斯盆地中部氣田區(qū)馬家溝組馬51—馬54亞段為研究主體，在巖心精細觀察、描述的基礎(chǔ)上，針對不同巖石類型進行系統(tǒng)取樣，同一樣品栓作鑄體薄片、壓汞、孔隙度、滲透率測試，以地質(zhì)背景和水化學條件為主線，解剖了硬石膏柱狀晶和小結(jié)核的賦存形式、成因及演化規(guī)律，并分析其油氣地質(zhì)意義。

1 地質(zhì)背景

古生代奧陶紀，鄂爾多斯盆地因西側(cè)賀蘭裂谷拉張作用引起的裂谷肩翹升及其均衡作用，形成一隆(中央古隆起)一坳(陜北古坳陷)的古地貌特征(圖1)［15-17］，馬5 段沉積期，因氣候趨于干熱，蒸發(fā)量大于大氣降水量，海水不斷濃縮，導致盆地內(nèi)整體海平面降低，循環(huán)性差，海水含鹽度不斷升高，整體發(fā)育為局限或半局限內(nèi)陸棚環(huán)境，進入超鹽度蒸發(fā)鹽沉淀和高密度梯度的發(fā)育階段，東部陜北古坳陷中石膏層和石鹽的厚度可達數(shù)百米［18］。此時，中部氣田區(qū)位于內(nèi)陸棚陜北古坳陷盆地向中央古隆起四周緩緩向上傾斜的較開闊坪地，主要處于淺水和較淺水環(huán)境，大面積呈現(xiàn)出寬緩的盆緣含硬石膏的白石巖坪與盆緣硬石膏白云巖坪相帶，沉積了微-粉晶白云巖、含硬石膏柱狀晶和小結(jié)核白云巖、含硬石膏質(zhì)粉晶白云巖等組合。

圖1 鄂爾多斯盆地中部氣田區(qū)位置Fig.1 Location of the gas fields in the central Ordos Basin

中奧陶世末，因晚加里東運動整體抬升，后經(jīng)歷了130 余百萬年的沉積間斷，盆地主體缺失晚奧陶世至早石炭世的沉積，導致馬家溝組頂部遭受不同程度的風化剝蝕。古巖溶作用主要發(fā)生在含硬石膏柱狀晶和小結(jié)核的粉晶白云巖中，因硬石膏的溶解度遠比白云石高，其基巖粉晶白云巖亦多孔。伴隨硬石膏柱狀晶和小結(jié)核的溶解和釋壓，形成形式多樣的溶模孔及伴生的裂縫，并與成互層或夾層的粗粉晶白云巖一起形成早期的，也是主要的孔隙網(wǎng)絡(luò)，奠定了儲層發(fā)育的基礎(chǔ)［19］。

2 硬石膏柱狀晶和小結(jié)核賦存形式

目的層位中廣泛發(fā)育的毫米級、厘米級的硬石膏柱狀晶和小結(jié)核溶?？祝洚a(chǎn)狀、大小及含量變化多端。

據(jù)大量的巖心及薄片觀察發(fā)現(xiàn)，硬石膏結(jié)核溶模孔呈不規(guī)則的小球狀賦存于粉晶白云巖中，主要存在以下3 種典型分布形式。①Ⅰ型中-高成核數(shù)量中核徑，發(fā)育于薄-中層含硬石膏結(jié)核溶?？椎姆劬О自茙r中(圖2a)，溶?？缀扛撸_15%～25%，并常含少量硬石膏柱狀晶。核徑一般為2～3 mm 左右，這是最常見的型式。與不含或少含結(jié)核的粉晶白云巖常呈遞變和互層關(guān)系?；鶐r中白云石晶體較粗，一般為0.03～0.04 mm，個別可大于0.05 mm 達到粗粉晶級，常含1%～2%或更多的晶間隙。②Ⅱ型中-高成核數(shù)量小核徑，發(fā)育于薄層狀含小核徑硬石膏結(jié)核溶模孔的的粉晶白云巖中(圖2b)，溶模孔含量中等，5%～10%左右，很少有硬石膏柱狀晶伴生，核徑僅1 mm 左右。從結(jié)核個數(shù)來講，可能與Ⅰ型式白云巖中的個數(shù)不相上下，但因核徑小，因而在巖石中的含量較少。含結(jié)核層向上、下過渡為不含硬石膏結(jié)核的細粉晶、甚至微晶白云巖?；鶐r中的白云石晶徑較細，一般為0.01～0.03 mm，有的在顯微鏡低倍鏡頭下幾乎成微晶級。③Ⅲ型-低成核數(shù)量大核徑，分布于薄層狀含大核徑硬石膏結(jié)核的粉晶白云巖中(圖2c)，剖面上硬石膏結(jié)核核徑和數(shù)量成正粒序或逆粒序分布。因而由下向上結(jié)核量為10%～0，或0～10%左右，核徑可大于5 mm，由于結(jié)核核徑大，因而結(jié)核數(shù)量較少?；鶐r中白云石晶徑較細，僅0.01～0.03 mm 左右。

硬石膏柱狀晶主要在細粉晶白云巖中呈星散狀賦存，含量一般不超過5%，但亦見個別層內(nèi)硬石膏晶體成紋層狀產(chǎn)出，紋層內(nèi)含量可達20%～30%，而且晶體長度亦較大，有的長徑可達2～3 mm(圖2d)。硬石膏柱狀晶為斜方晶系，由于a 軸和c 軸在基本晶胞中的長度幾乎相等，因之沿a 軸的切面幾乎為正方形。硬石膏晶可以為板柱狀，也可以沿b 軸方向生長成細長柱狀。

上述不同賦存形式的硬石膏柱狀晶和小結(jié)核溶模孔絕大多數(shù)均經(jīng)歷了細粉晶白云石、石英、方解石等礦物多期復雜的，但又不同程度的充填和交代-充填，剩余的溶?？紫读繛?～75%(圖2e，f)。

圖2 鄂爾多斯盆地中部氣田區(qū)硬石膏柱狀晶和小結(jié)核典型賦存形式Fig.2 Occurrences of anhydrite columnar crystal and nodules in the gas fields of the central Ordos Basin

3 硬石膏柱狀晶和小結(jié)核成因及演化

3.1 硬石膏柱狀晶和小結(jié)核成因

國內(nèi)外眾多學者對區(qū)內(nèi)白云巖的成因機理做了深入研究，取得了大量共識。目前主流觀點認為區(qū)內(nèi)泥微晶白云巖為準同生白云巖化，晶粒白云巖為埋藏白云巖化，但局部仍然存在熱液白云巖化［20-24］。通過對工區(qū)87 口井巖心的宏觀觀察，426 個鑄體薄片的微觀分析表明，硬石膏柱狀晶和小結(jié)核均為局限(內(nèi))陸棚環(huán)境中交代先期白云巖的產(chǎn)物，既可以在準同生期，隨海水繼續(xù)濃縮對沉積界面及附近白云質(zhì)沉積物發(fā)生交代，亦可以于早成巖淺埋藏期由濃縮的隙間水交代半固結(jié)甚至固結(jié)的白云巖，證據(jù)如下。

1)在林5 井馬54(1)、陜12 井馬53(2)和馬54(1)、陜106 井馬52(1)及陜193 井、陜175 井馬54(1)小層均見到保存完好的硬石膏結(jié)核，結(jié)核中由若干個硬石膏晶體成向心花瓣狀生長，達二級鮮艷的干涉色，內(nèi)部均含有分散的交代基巖后的細粉晶白云石包裹體(圖3a)。此外，顯微鏡下賦存硬石膏結(jié)核的白云巖毫無例外的為粉晶白云巖，在微(泥)晶白云巖中很少見到，可見硬石膏結(jié)核是細粉晶白云巖沉積后交代析出。

2)多口井巖心中均發(fā)育呈不等厚薄互層的高能沉積竹葉狀白云巖與低能沉積細粉晶白云巖，兩種巖心中均含組構(gòu)一致的硬石膏結(jié)核(圖3b)。硬石膏結(jié)核既可交代于竹葉片內(nèi)，亦可交代在竹葉片間的粉晶屑白云石填隙物內(nèi)，更可見同一結(jié)核跨越于竹葉片和填隙物兩者之間交代。竹葉狀白云巖是白云巖沉積后，準同生半固結(jié)狀態(tài)下遭受高能環(huán)境影響破碎、搬運和再沉積的產(chǎn)物，如果說硬石膏結(jié)核與白云巖是同時形成的，那么受高能環(huán)境影響，硬石膏結(jié)核也會遭受一定程度的破壞，更不可能出現(xiàn)在白云石粉晶屑填隙物內(nèi)。因之硬石膏結(jié)核是竹葉狀白云巖及與之成互層的粉晶白云巖形成后，海水繼續(xù)濃縮至硬石膏結(jié)晶的區(qū)間交代而成的。

圖3 鄂爾多斯盆地中部氣田區(qū)硬石膏柱狀晶及小結(jié)核交代白云巖Fig.3 Metasomatic dolomite with anhydrite columnar crystal and nodules in the gas field of the central Ordos Basin

3)亮晶砂屑、粉晶屑白云巖、亮晶生物(屑)白云巖、亮晶鮞粒白云巖中的硬石膏柱狀晶和小結(jié)核溶?？祝虮环浇馐俪涮畹娜苣？字袣埩粝律鲜霭自茙r的部分組構(gòu)。這些白云巖經(jīng)早成巖亮晶膠結(jié)作用并已基本固結(jié)成巖，以后被硬石膏柱狀晶和小結(jié)核交代(圖3c，d)。最具代表性的是陜251 井馬54(1)段亮晶細鮞粒白云巖中硬石膏結(jié)核的交代現(xiàn)象，鮞粒沉積后被亮晶白云石環(huán)邊膠結(jié)，仍殘余約15%的原生粒間孔(圖3e 左)。此后，硬石膏結(jié)核分散沉淀在原粒間殘余孔隙中，同時交代掉部分鮞粒和早期的亮晶白云巖，并將未交代部份包裹在結(jié)核內(nèi)，結(jié)核邊緣因鮞粒及殘余粒間孔的存在而成花邊狀。由于白云石溶解度遠小于硬石膏，因此硬石膏結(jié)核溶解后，殘余下原被包裹于其內(nèi)的交代殘余的鮞粒和亮晶白云石。埋藏期，硬石膏結(jié)核中的溶模孔與周邊亮晶鮞粒白云巖中的粒間殘余孔隙，一并被連晶方解石充填、膠結(jié)(圖3e 右)。細粒且大小均勻的鮞粒是在相對濕熱、水體稍深、動蕩的正常海水中形成的沉積物，淺埋藏期潮濕的氣候，在鮞粒間發(fā)育大氣淡水(為主)的粉晶亮晶方解石環(huán)邊膠結(jié)物，殘余15%～20%的粒間孔，隨著氣候轉(zhuǎn)為干旱，早期沉積物白云石化。繼后氣候較快的轉(zhuǎn)為干旱，海水快速濃縮，處于淺埋藏經(jīng)早期膠結(jié)的鮞粒白云巖殘余粒間孔尚來不及被第二世代膠結(jié)物充填滿以前，發(fā)生硬石膏結(jié)核的交代作用。后期，結(jié)核中硬石膏溶解后，溶孔與周邊鮞粒間殘余粒間孔一并被連晶方解石充填。從上述看出，這些亮晶顆粒白云巖中硬石膏柱狀晶和小結(jié)核是淺埋藏早成巖期由濃縮的粒間水中析出和交代的產(chǎn)物。

4)硬石膏柱狀晶交代疊層石白云巖也與之印證，并切割藻紋層(圖3f)。藻疊層石初始沉積為方解石質(zhì)，經(jīng)準同生白云石化使之成為疊層石白云巖，然后才有硬石膏柱狀晶交代并切割藻層紋。

3.2 硬石膏柱狀晶和小結(jié)核演化規(guī)律

正常循環(huán)海水含鹽度為3.5%，海水中Mg/Ca 比大致為3 ∶1，海水對方解石和白云石都是飽和的。方解石可以被生物汲取組成骨殼或以灰泥形式沉淀出來，但白云石卻不能。但當氣候炎熱、海水濃縮，Mg2+的活度增強，可以與CO2-3結(jié)合組成單分子層，并交代早先形成的方解石［25-26］。當海水濃縮到原體積的19%以下，含鹽度從3.5%增大到15%～17%，海水密度達到1.1 g/cm3時硬石膏開始析出;海水濃縮到原體積的7%，含鹽度達到26%，密度為1.2 g/cm3時，石鹽開始析出。硬石膏的沉淀區(qū)帶是濃縮后的殘留海水僅為原海水體積的7%～19%，含鹽度為17%～26%，密度為1.1～1.2 g/cm3(圖4)。

圖4 鄂爾多斯盆地中部氣田區(qū)海水濃縮過程中主要可溶組分析出順序和析出固相鹽體積變化Fig.4 Precipitation order of soluble components and the volume change of the precipitated solid during sea water evaporation in the gas fields of the central Ordos Basin

如果海水含鹽度僅僅略為突破硬石膏析出的門限值，在已沉積的粉晶白云巖表層中形成星散的硬石膏結(jié)晶中心，海水中析出的少量CaSO4圍繞結(jié)晶中心緩慢沉淀，形成細小的硬石膏柱狀晶星散地交代于先期淀出的白云巖中。如果海水含鹽度間歇性地有所升高，硬石膏結(jié)晶中心有所增加，硬石膏柱狀晶成紋層狀沉淀出來，而且晶體亦較前種情況要大些。當海水含鹽度提高，析出的CaSO4相對較多，速度較快，在原已沉積的粉晶白云巖表層中發(fā)育較多的硬石膏成核中心，并依此形成硬石膏結(jié)核，或先有少量硬石膏柱狀晶，后有小結(jié)核析出。每個小結(jié)核由若干個硬石膏晶體環(huán)繞成核中心向外生長，由于生長速度基本一致，形成內(nèi)部由若干個硬石膏晶體嵌合，外圍圓形的硬石膏結(jié)核并交代于先期沉積的白云巖中。溶液中礦物晶(淀)出的成核數(shù)量和結(jié)晶速度、晶體大小取決于溶液中溶質(zhì)的濃度和結(jié)晶時的溫度，兩者是相輔相成的。①海水濃縮至密度大于1.1 g/cm3后，如果氣候干熱，海水溫度升高較快繼續(xù)濃縮，會形成較大數(shù)量的硬石膏成核中心，而核徑的大小取決于海水中適合于結(jié)核生長的含鹽度持續(xù)時間的長短，如果溫度繼續(xù)升高，海水中含鹽度上升，結(jié)核繼續(xù)生長，將會形成數(shù)量較多，核徑較大的硬石膏結(jié)核，同時基巖白云石晶徑也相對較粗(Ⅰ型)。如果溫度相對穩(wěn)定，致使海水中含鹽度不再升高或略有升高，CaSO4圍繞成核中心形成小結(jié)核后，海水中CaSO4含量降至析出濃度之下，結(jié)核停止生長，因而形成數(shù)量較多，但核徑僅1mm 左右的硬石膏結(jié)核，基巖白云石晶徑也較細(Ⅱ型)。②海水濃縮至密度大于1.1 g/cm3后，如果并非十分干熱，致使海水中CaSO4的含量提高得較慢，海水中只能形成少量成核中心，CaSO4圍繞少數(shù)成核中心緩慢析出，將在先期沉積的白云巖內(nèi)形成分散的、數(shù)量少，但核徑較大的硬石膏結(jié)核(Ⅲ型)。

事實上還可以有各種過渡型式，巖心中亦常見不同型式的含硬石膏柱狀晶和小結(jié)核粉晶白云巖以薄層、中層，甚至紋層狀互相過渡或疊置。

4 硬石膏柱狀晶和小結(jié)核油氣地質(zhì)意義

經(jīng)過長期的成巖作用改造，原生的硬石膏柱狀晶和小結(jié)核絕大多數(shù)受風化殼古巖溶溶蝕作用的影響發(fā)育溶解，其溶解過程分為兩步，首先水化轉(zhuǎn)變成單斜晶系的CaSO4·2H2O，即石膏，體積將增大30%，對白云質(zhì)圍巖增壓，隨后石膏溶解又對圍巖釋壓，使得結(jié)核周邊的圍巖裂碎，形成的裂碎縫極大的改善了儲層。Ⅰ型硬石膏柱狀晶和小結(jié)核賦存形式中小結(jié)核數(shù)量多、直徑大，殘余溶模孔發(fā)育，配合巖石中次生的微裂縫，?？尚纬奢^好的裂縫-溶孔(洞)型儲層，也是研究區(qū)分布最廣，最為優(yōu)質(zhì)的儲層。Ⅱ型、Ⅲ型硬石膏結(jié)核及柱狀晶數(shù)量較少，裂碎縫相對不發(fā)育，即便存在殘余的溶?？祝惨蛄阉榭p不發(fā)育，連通性較差，影響了儲層發(fā)育，多發(fā)育為中等或較差的溶孔型或孔隙型儲層。

目的層位馬51-馬54亞段中，自下而上主要有馬54(1)、馬52(2)、馬51(4)、馬51(3)、馬51(2)五個主力小層(表1)，其中馬51(1)厚4 m 左右，巖性以Ⅰ型含硬石膏柱狀晶和小結(jié)核的粉晶白云巖為主，含晶間孔隙的細-粗粉晶白云巖成前者的夾層或兩者的逐漸過渡層狀產(chǎn)出，共同組成2～3 m 或更厚的儲層段，是氣田區(qū)最好的儲集層(圖5)。

5 結(jié)論

1)鄂爾多斯盆地中央氣田區(qū)馬51-馬54亞段中硬石膏柱狀晶和小結(jié)核均賦存于粉晶白云巖中，其中硬石膏柱狀晶多呈星散狀存在，局部富集呈紋層狀，硬石膏小結(jié)核發(fā)育中-高成核數(shù)量中核徑、中-高成核數(shù)量小核徑、低成核數(shù)量大核徑三種典型分布形式，上述溶?？捉^大多經(jīng)歷了細粉晶白云石、石英、方解石等礦物不同程度的交代-充填。

2)含硬石膏柱狀晶和小結(jié)核的白云巖為水下超鹽度的局限內(nèi)陸棚環(huán)境沉積，互層狀發(fā)育的高能沉積竹葉狀白云巖與正常沉積白云巖均含組構(gòu)一致的硬石膏結(jié)核、亮晶砂屑白云巖中的硬石膏柱狀晶和小結(jié)核溶?？字杏邪自茙r的殘余組構(gòu)、硬石膏柱狀晶交代疊層石白云巖等現(xiàn)象均表明:硬石膏柱狀晶和小結(jié)核均為交代先期白云巖的產(chǎn)物，既可以在準同生期，隨海水繼續(xù)濃縮對沉積界面及附近白云質(zhì)沉積物發(fā)生交代，亦可以于早成巖淺埋藏期由濃縮的隙間水交代半固結(jié)較好的儲層馬51(2)厚7 m 左右，僅部分層段為Ⅰ型含硬石膏結(jié)核粉晶白云巖，但厚度也可達1～2 m。而儲集性能中等的馬51(4)、馬52(2)和馬54(1)，Ⅰ型巖性在該小層所占的地層比相對較小，以Ⅱ型、Ⅲ型含硬石膏柱狀晶和小結(jié)核的粉晶白云巖、細粉晶白云巖為主，儲集性能中等。物性分析同樣表明，馬51(3)和馬51(2)最優(yōu)，馬51(4)、馬52(2)和馬54(1)次之。

表1 鄂爾多斯盆地中部氣田區(qū)奧陶系馬家溝組馬5 段主要儲層物性對比Table 1 Comparison of reservoir property characteristics of M5 of the Majiagou Formation in the gas fields of the central Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地中部氣田區(qū)統(tǒng)17—陜251 井馬51(3)儲層縱向?qū)Ρ菷ig.5 Vertical correlation of M51(3)reservoir on cross-well section of Tong17-Shan251 in the gas fields of the central Ordos Basin

3)硬石膏柱狀晶和小結(jié)核的數(shù)量多寡取決于硬石膏開始析出時海水含鹽度的高低，即所能形成成核中心的多少，核徑大小主要取決于海水中適合于結(jié)核生長的含鹽度持續(xù)時間的長短，上述影響因素的變化形成了不同的賦存形式。此外，間歇性(交替)的海水含鹽度變化，沉積出薄層或紋層含硬石膏結(jié)核粉晶白云巖和粉晶白云巖兩者組成薄的過渡層，或者由兩者組成間互層。

4)經(jīng)過長期的成巖作用改造，原生的硬石膏柱狀晶和小結(jié)核絕大多數(shù)受風化殼古巖溶溶蝕作用的影響發(fā)育溶解，其過程使得結(jié)核周邊的圍巖裂碎，形成的裂碎縫極大的改善了儲層。Ⅰ型硬石膏柱狀晶和小結(jié)核賦存形式中小結(jié)核數(shù)量多、直徑大，殘余溶模孔發(fā)育，配合巖石中次生的裂碎縫，?？尚纬奢^好的裂縫-溶孔(洞)型儲層，也是研究區(qū)分布最廣，最為優(yōu)質(zhì)的儲層。

致謝：本文為《鄂爾多斯盆地靖邊潛臺及周邊儲層分布與評價》項目成果之一，得到四川省天然氣地質(zhì)重點實驗室資助及西南石油大學方少仙、侯方浩教授的細心指導與修改，并得到中國石油長慶油田分公司楊華、李安琪、付鎖堂、姚徑利、吳正等同志的關(guān)懷和大力支持，謹此致謝。

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