孫宜樸，李維，張軍濤，李淑筠，范柏氵育

(1.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

鄂爾多斯盆地馬家溝組風(fēng)化殼氣層特征分析

孫宜樸1，李維2，張軍濤1，李淑筠1，范柏氵育2

(1.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

為了對(duì)鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組風(fēng)化殼氣藏進(jìn)行有效的巖性識(shí)別和氣層識(shí)別，通過巖心描述、薄片觀察、物性測(cè)試及測(cè)井分析等手段，結(jié)合試氣成果，明確了風(fēng)化殼儲(chǔ)層的巖石學(xué)特征、孔隙結(jié)構(gòu)特征以及電性和含氣性特征，并在此基礎(chǔ)上建立了巖性和氣層解釋標(biāo)準(zhǔn)。研究認(rèn)為：含膏白云巖是盆地中東部風(fēng)化殼主要儲(chǔ)層類型，膏?？资侵饕獌?chǔ)集空間；儲(chǔ)層低孔低滲，溶孔發(fā)育的非均質(zhì)性加劇了儲(chǔ)層非均質(zhì)性；密度-深側(cè)向電阻率交會(huì)圖版可以很好地區(qū)分灰?guī)r和白云巖，聲波時(shí)差-深側(cè)向電阻率交會(huì)圖版也有較好的識(shí)別效果；應(yīng)用聲波時(shí)差-深側(cè)向電阻率交會(huì)圖版和密度-深側(cè)向電阻率圖版可以確定氣層的電性下限并對(duì)氣層進(jìn)行有效識(shí)別。

巖石孔隙特征；含膏白云巖；氣層識(shí)別；四性關(guān)系；馬家溝組；鄂爾多斯盆地

鄂爾多斯盆地奧陶系風(fēng)化殼氣藏主要分布在盆地中東部，目前已在中部發(fā)現(xiàn)氣田，在富縣、大牛地多井有工業(yè)氣流，馬家溝組已成為盆地天然氣勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域[1]。前期研究認(rèn)為：氣藏類型為風(fēng)化殼氣藏，層位主要為馬五段；含膏云坪相是主要沉積類型，含膏白云巖是主要巖石類型[2-4]；C-P泥巖及煤層為主要烴源巖[5-7]，馬五段儲(chǔ)層與上覆本溪組泥巖形成主要儲(chǔ)蓋組合，天然氣側(cè)向運(yùn)移為成藏的主要方式；本溪組泥巖厚度、風(fēng)化殼古地貌為控藏主要因素。但不同區(qū)帶儲(chǔ)層巖性、孔隙結(jié)構(gòu)仍存在較大差異，巖性和氣層電性特征的識(shí)別仍是勘探工作的重點(diǎn)內(nèi)容[8]。

1 風(fēng)化殼儲(chǔ)層的巖石學(xué)特征

前人研究表明，馬五段沉積時(shí)期盆地東部發(fā)育膏鹽湖，中部和中東部整體為蒸發(fā)潮坪相沉積[9]。鉆井揭示馬家溝組風(fēng)化殼儲(chǔ)層的巖石類型主要為白云巖、含膏白云巖及灰?guī)r，含膏白云巖儲(chǔ)層是其中最重要的儲(chǔ)層類型，分布層位為馬家溝組五段的1到4亞段及6到10亞段，主要見于鄂爾多斯盆地的中東部含膏云坪相。石膏常以柱狀單晶和圓形或次圓形結(jié)核存在于灰?guī)r和白云巖中，主要存在于白云巖中。由于富含石膏結(jié)核，巖心上常常顯現(xiàn)麻點(diǎn)狀、蜂窩狀(圖1)。此類巖石主要形成于蒸發(fā)環(huán)境下的潮坪環(huán)境中，海水鹽度不斷增大，硬石膏緩慢析出，這也促進(jìn)了白云石的形成，即薩布哈白云巖化模式。這是靖邊、富縣和大牛地地區(qū)馬五段最重要的儲(chǔ)層巖石類型。

圖1 含膏白云巖儲(chǔ)層巖石特征

2 儲(chǔ)集空間特征與主要成巖作用

含膏云坪相儲(chǔ)層中最主要的儲(chǔ)集空間為膏溶鑄模孔，含膏云巖中存在大量易溶組分硬石膏，后在加里東暴露巖溶時(shí)期，易溶組分溶解，形成最重要的儲(chǔ)集空間鑄模孔。由于石膏多以結(jié)核或者單晶形式產(chǎn)出，故鑄?？自陲@微鏡下多呈現(xiàn)出圓形或者規(guī)則的多邊形(圖2)。后期鑄?？子殖３１环浇馐自剖蚴⒊涮?，形成石膏假晶或石膏假“結(jié)核”。通過薄片分析認(rèn)為，馬家溝組主要成巖作用類型有白云巖化作用、壓實(shí)作用、溶蝕作用和充填作用。

圖2 含膏云坪相儲(chǔ)層顯微特征

2.1 白云巖化作用

研究區(qū)馬家溝組白云化作用發(fā)生在同生—成巖早期[10]，海水的強(qiáng)烈蒸發(fā)作用使巖石中孔隙水的Mg2+/Ca2+比值提高，形成白云石。晶粒細(xì)小的泥粉晶白云石顆粒及與之伴生的蒸發(fā)巖礦物是薩布哈白云巖化的典型特征[11]。

2.2 壓實(shí)作用

馬五段主要有泥微晶云巖、含生物屑泥微晶灰?guī)r，夾少量泥頁(yè)巖，偶見顆粒碳酸鹽巖，表明馬五段沉積時(shí)期，沉積物以細(xì)碎屑碳酸鹽巖為主。因此，馬五時(shí)期松散碳酸鹽沉積物轉(zhuǎn)變?yōu)楣探Y(jié)的碳酸鹽巖，其固結(jié)成巖方式以壓實(shí)作用為主，膠結(jié)成巖作用所占的比例極小(體積分?jǐn)?shù)<5%)。

2.3 溶蝕作用

加里東運(yùn)動(dòng)末期構(gòu)造抬升，馬家溝組碳酸鹽巖被抬升到地表，長(zhǎng)期接受大氣淡水淋濾，形成風(fēng)化殼[12]。古巖溶作用形成了大量晶間溶孔、鑄?？缀透鞣N溶蝕孔洞，改善了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能，是風(fēng)化殼儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵。

2.4 充填作用

馬五段碳酸鹽巖地層膏?？状嬖诓煌潭鹊某涮?。充填礦物類型主要有方解石、白云石和石英3種，根據(jù)充填程度又分為未充填、半充填和完全充填3類。按充填物成因可分為機(jī)械充填和化學(xué)充填。機(jī)械充填主要發(fā)生在古巖溶時(shí)期，由地表水帶來的粉砂、黏土或碳酸鹽細(xì)碎屑物充填在風(fēng)化殼內(nèi)各種成因的溶孔、溶洞、裂隙中(圖2(a))?；瘜W(xué)充填是指從水溶液中以化學(xué)方式沉淀出來的礦物充填在早已形成的溶蝕孔縫中，晶粒粗大是其最典型的標(biāo)志，例如亮晶方解石膠結(jié)物(圖2(b))和粗晶鐵白云石充填(圖2(c))。

3 儲(chǔ)層物性與孔隙結(jié)構(gòu)特征

奧陶系馬家溝組風(fēng)化殼儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，物性變化大，屬低孔、低滲致密儲(chǔ)層。富縣區(qū)塊132個(gè)巖心孔隙度-滲透率測(cè)試結(jié)果表明，孔隙度0.03%～10.34%，平均1.79%。滲透率(0.005～17.130)×10-3μm2，平均0.80×10-3μm2，大部分小于0.4×10-3μm2；大牛地地區(qū)569個(gè)巖心測(cè)試結(jié)果表明，孔隙度0.1%～14.0%，平均2.59%。滲透率(0.003 5～102.980 0)×10-3μm2，平均0.90×10-3μm2，大部分小于0.60×10-3μm2。

表1 馬五段風(fēng)化殼儲(chǔ)層毛細(xì)管壓力參數(shù)(據(jù)中石化華北局，2012)

圖3 風(fēng)化殼儲(chǔ)層各類樣品毛管壓力曲線

綜合物性參數(shù)和孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，鄂爾多斯盆地奧陶系風(fēng)化殼儲(chǔ)層屬低孔、低滲、小孔、微細(xì)喉儲(chǔ)層，膏模孔的發(fā)育程度對(duì)儲(chǔ)集性能影響明顯，溶孔充填程度不一可能是孔滲性能非均質(zhì)性強(qiáng)的重要因素。

4 巖電特征及巖性識(shí)別

盆地中東部馬家溝組風(fēng)化殼的主要巖石類型為白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r。從目前勘探發(fā)現(xiàn)來看，氣層主要存在于白云巖發(fā)育段，灰?guī)r氣層較少。因此，白云巖和灰?guī)r的區(qū)分已成為一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。根據(jù)取心和測(cè)井資料分別對(duì)不同巖性的聲波時(shí)差、密度、中子及電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，對(duì)不同巖性的電性特征進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同巖性的測(cè)井響應(yīng)存在很大差別。

4.1 巖電特征分析

從聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)看(圖4)，白云巖表現(xiàn)為高聲波時(shí)差特征，灰?guī)r為低聲波時(shí)差特征，利用聲波時(shí)差能夠很好地區(qū)分白云巖和灰?guī)r，而區(qū)分白云巖、灰質(zhì)白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r的能力較差。不同巖性的中子測(cè)井和聲波測(cè)井響應(yīng)較為相似(圖5)，白云巖表現(xiàn)為高中子，灰?guī)r為低中子，能夠較好區(qū)分白云巖和灰?guī)r。不同巖性的密度特征差別明顯，白云巖密度明顯高于灰?guī)r(圖6)。灰?guī)r表現(xiàn)為高電阻率特征，其他3種巖性為低電阻率(圖7)。不同巖性測(cè)井響應(yīng)特征的差別奠定了應(yīng)用聲波時(shí)差、中子、密度和電阻率測(cè)井響應(yīng)進(jìn)行巖性劃分的基礎(chǔ)。盡管不同曲線的巖性區(qū)分能力存在差異，但對(duì)白云巖和灰?guī)r的區(qū)分能力是可以肯定的。

圖4 不同巖性聲波時(shí)差直方圖

圖5 不同巖性補(bǔ)償中子直方圖

圖6 不同巖性密度直方圖

圖7 不同巖性深側(cè)向電阻率直方圖

4.2 巖性識(shí)別

應(yīng)用單個(gè)測(cè)井指標(biāo)進(jìn)行巖性識(shí)別具有局限性，識(shí)別精度較差，這種情況下采用交會(huì)圖方式，應(yīng)用聲波時(shí)差、密度、中子和側(cè)向電阻率測(cè)井資料進(jìn)行綜合分析，能夠較好地區(qū)分灰?guī)r和白云巖。

圖8是富縣地區(qū)馬五6—10小層密度和聲波時(shí)差測(cè)井交會(huì)圖。從中可以看出，白云巖測(cè)井值表現(xiàn)為高聲波、高密度的特征，灰?guī)r特點(diǎn)則為低密度、低聲波時(shí)差，應(yīng)用判別公式能夠很好地區(qū)分2種巖性。判別方程為

FX= 523.33-133.33D-DT。

FX≥ 0 為白云巖；FX<0 為灰?guī)r。

式中：FX為判別系數(shù)；DT為聲波時(shí)差，μs/m；D為密度，g/cm3；145

但是該方法在大牛地地區(qū)(風(fēng)化殼層位為馬五1—4小層)區(qū)分精度不高，可能是由于溶孔發(fā)育和充填狀況存在差異，或是聲波時(shí)差受含氣性影響較大的緣故。

圖8 富縣地區(qū)馬家溝組不同巖性聲波時(shí)差-密度交會(huì)圖

從富縣地區(qū)密度和側(cè)向電阻率交會(huì)圖版(圖9)可以看出，白云巖總體表現(xiàn)為高密度、低電阻率的特征，而灰?guī)r表現(xiàn)為低密度、高電阻率， 兩種巖性處于

圖9 富縣地區(qū)馬家溝組不同巖性密度—深側(cè)向電阻率交會(huì)圖

不同的區(qū)域，應(yīng)用判別方程可以很好地進(jìn)行區(qū)分，判別方程表示如下：

FX=-13.2 + 6.0D-lg(RLLD)。

FX≥0 為灰?guī)r；FX<0 為白云巖。

式中：FX為判別系數(shù)；RLLD為深側(cè)向電阻率，Ω·m；D為密度，g/cm3；100

在大牛地地區(qū)電阻率與密度交會(huì)圖版(圖10)可以看出，灰?guī)r和白云巖的分布特征與富縣地區(qū)基本相似，白云巖表現(xiàn)為高密度、低電阻特征，灰?guī)r表現(xiàn)為低密度、高電阻的特點(diǎn)。判別方程因?qū)游坏牟顒e而有所差別，大牛地地區(qū)巖性識(shí)別方程為

FX=-28.66 + 11.54D-lg(RLLD)。

FX≥0為灰?guī)r；FX<0 為白云巖。

式中：FX為判別系數(shù)；RLLD為深側(cè)向電阻率，Ω·m；D為密度，g/cm3；100

圖10 大牛地地區(qū)不同巖性密度-深側(cè)向電阻率交會(huì)圖

分析一系列交會(huì)圖認(rèn)為中子測(cè)井對(duì)2種巖性的識(shí)別能力較差(圖11)，而聲波時(shí)差、密度和深側(cè)向電阻率測(cè)井對(duì)巖性的識(shí)別能力較強(qiáng)。在測(cè)井巖性解釋過程中，先采用上述3種判別方程進(jìn)行巖性識(shí)別，再根據(jù)地區(qū)的差異選取合適的解釋結(jié)果。

圖11 大牛地地區(qū)不同巖性補(bǔ)償中子—密度交會(huì)圖

5 氣層特征識(shí)別

氣層特征與識(shí)別是氣藏評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，一般將試氣成果與試氣層電性特征相結(jié)合，通過綜合分析來確定氣層的電性下限。本研究主要利用大牛地及富縣地區(qū)試氣資料及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)交會(huì)圖版確定氣層的電性下限。

5.1 電阻率和聲波時(shí)差測(cè)井響應(yīng)判別氣層法

從聲波時(shí)差與深側(cè)向電阻率交會(huì)圖版可以看出(圖12)，氣層表現(xiàn)為高電阻率、 高聲波時(shí)差的特點(diǎn)，水層則具有低電阻率、低聲波時(shí)差的特點(diǎn)。氣層主要分布在2個(gè)區(qū)域，氣層下限可以表示如下：

①DT≥175 μs/m時(shí)，RLLD≥70 Ω·m為氣層，RLLD<70 Ω·m為水層。

②DT<175 μs/m時(shí)，F(xiàn)X=12.35-0.06DT-lg(RLLD)，F(xiàn)X≥0 為氣層，F(xiàn)X<0 為水層。

式中：FX為判別系數(shù)；RLLD為深側(cè)向電阻率，Ω·m;DT為聲波時(shí)差，μs/m。

圖12 馬家溝組風(fēng)化殼氣藏聲波時(shí)差-深側(cè)向電阻率交會(huì)圖

5.2 電阻率和密度測(cè)井響應(yīng)判別氣層法

從密度和深側(cè)向電阻交會(huì)圖版(圖13)可以看出，由于氣層孔隙發(fā)育，表現(xiàn)出低密度和高電阻率的特征，而干層和水層密度較大，與聲波時(shí)差相比，密度曲線更能反映氣藏的特征。利用交會(huì)圖版確定氣層的判別標(biāo)準(zhǔn)如下：

①D<2.63 g/m3時(shí)，RLLD≥70 Ω·m為氣層，RLLD<70 Ω·m為水層。

②D≥2.63 g/m3時(shí)，F(xiàn)X=-31.27+12.5D-lg(RLLD)，F(xiàn)X≥0 為氣層，F(xiàn)X<0 為水層。

式中：FX為判別系數(shù)；RLLD為深側(cè)向電阻率，Ω·m;D為密度，g/m3。

圖13 馬家溝組風(fēng)化殼氣藏密度-深側(cè)向電阻率交會(huì)圖

從氣層聲波時(shí)差和密度曲線交會(huì)圖(圖14)可以看出，盡管交會(huì)圖對(duì)氣層具有一定的識(shí)別能力，但并不能很好地區(qū)分氣水層，無法確定氣層的電性下限。因此，用密度、聲波時(shí)差與深側(cè)向電阻率交會(huì)圖版作為氣層識(shí)別的主要方法。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同區(qū)域和儲(chǔ)層情況選擇不同的判別標(biāo)準(zhǔn)，如含膏白云巖較為發(fā)育的地區(qū)，氣層密度小，采用密度和深側(cè)向電阻的交會(huì)是首選；在裂縫發(fā)育的氣層中，采用聲波時(shí)差與深側(cè)向電阻的交會(huì)可更好地進(jìn)行氣層識(shí)別。

圖14 馬家溝組風(fēng)化殼氣藏聲波時(shí)差-密度交會(huì)圖

6 結(jié) 論

(1)盆地中東部馬家溝組主要發(fā)育含膏云坪相，含膏白云巖是主要儲(chǔ)層類型，膏溶鑄?？诪橹饕紫额愋?。

(2)單因素區(qū)分碳酸鹽巖難度較大，利用密度-深側(cè)向電阻率圖版可有效識(shí)別馬五段的灰?guī)r和白云巖。聲波時(shí)差-深側(cè)向電阻率交會(huì)圖版對(duì)盆地偏南的馬五6—10風(fēng)化殼儲(chǔ)層識(shí)別效果較好，而對(duì)北部的馬五1—4地層識(shí)別精度不高，與中子測(cè)井相關(guān)的交會(huì)圖版難以實(shí)現(xiàn)有效區(qū)分。

(3)馬家溝組風(fēng)化殼氣層具有顯著的高聲波時(shí)差、低密度、高電阻率特點(diǎn)，應(yīng)用聲波時(shí)差-深側(cè)向電阻率交會(huì)圖版和密度-深側(cè)向電阻率交會(huì)圖版可以確定氣層的電性下限，并對(duì)氣層進(jìn)行識(shí)別。

[1] 楊華，付金華，魏新善，等.鄂爾多斯盆地奧陶系海相碳酸鹽巖天然氣勘探領(lǐng)域[J].石油學(xué)報(bào)，2011，32(5):733-740. YANG Hua，F(xiàn)U Jin-hua，WEI Xin-shan，et al.Natural gas exploration domains in Ordovician marine carbonates，Ordos Basin[J].Acta Petroleum Sinica，2011，32(5):733-740.

[2] 夏日元，唐健生，關(guān)碧珠，等.鄂爾多斯盆地奧陶系古巖溶地貌及天然氣富集特征[J].石油與天然氣地質(zhì)，1999，20(2):133-136. XIA Ri-yuan，TANG Jian-sheng，GUAN Bi-zhu，et al.Ordovician palaeokarst landform in Ordos Basin and gas enrichment characteristics[J].Oil & Gas Geology，1999，20(2):133-136.

[3] 李振宏，鄭聰斌，李林濤.鄂爾多斯盆地奧陶系古巖溶類型及分布[J].低滲透油氣田，2004，9(1):15-21. LI Zhen-hong，ZHENG Cong-bin，LI Lin-tao.Palaeokarst style and distribution of the Ordovician in the Ordos Basin[J].Low Permeability Oil & Gas Fields，2004，9(1):15-21.

[4] 馮增昭,鮑志東,張永生,等.鄂爾多斯奧陶紀(jì)地層巖石巖相古地理[M].北京:地質(zhì)出版社,1998:1-144.

[6] 劉德漢，付金華，鄭聰斌，等.鄂爾多斯盆地奧陶系海相碳酸鹽巖生烴性能與中部長(zhǎng)慶氣田氣源成因研究[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004,78(4):542-552. LIU De-han,FU Jin-hua,ZHENG Cong-bin,et al.Research on hydrocarbon generation of Ordovician marine carbonatite of the Ordos Basin and genesis of Changqing Gas Fields[J].Acta Geologica Sinica，2004,78(4):542-552.

[6] 寧寧，陳孟晉，孫粉錦，等.鄂爾多斯盆地奧陶系風(fēng)化殼古油藏的確定及其意義[J].石油與天然氣地質(zhì)，2007,28(2):280-286. NING Ning,CHEN Meng-jin,SUN Fen-jin,et al.Determination and its significance of ancient oil pools in Ordovician weathering crust,Ordos Basin[J].Oil & Gas Geology,2007,28(2):280-286.

[7] 熊波，李賢慶，胡國(guó)藝，等.鄂爾多斯盆地中部氣田奧陶系風(fēng)化殼天然氣成藏分析[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008,23(4):10-14. XIONG Bo，LI Xian-qing，HU Guo-yi，et al.Analysis of the natural gas accumulation in the Ordovician weathered crust of the central gasfield in Ordos Basin[J].Journal of Xi’an Shiyou University:Natural Science Edition,2008,23(4):10-14.

[8] 趙文智，沈安江，胡素云，等.中國(guó)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層大型化發(fā)育的地質(zhì)條件與分布特征[J].石油勘探與開發(fā)，2012，39(1):1-12. ZHAO Wen-zhi,SHEN An-jiang,HU Su-yun,et al.Geological conditions and distributional features of large-scale carbonate reservoirs onshore China[J].Petroleum Exploration and Development,2012,39(1):1-12.

[9] 李文厚,陳強(qiáng),李智超,等.鄂爾多斯地區(qū)早古生代巖相古地理[J].古地理學(xué)報(bào),2012,14(1):85-100. LI Wen-hou,CHEN Qiang,LI Zhi-chao,et al.Lithofacies palaeogeography of the Early Paleozoic in Ordos area[J].Journal of Palaeogeography,2012,14(1):85-100.

[10] 王保全，強(qiáng)子同，張帆，等.鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組馬五段白云巖的同位素地球化學(xué)特征[J].地球化學(xué)，2009,38(5):472-479. WANG Bao-quan，QIANG Zi-tong，ZHANG Fan，et al.Isotope characteristics of dolomite from the fifth member of the Ordovician Majiagou Formation，the Ordos Basin[J].Geochimica，2009,38(5):472-479.

[11] Clyde H Moore.碳酸鹽巖儲(chǔ)層:層序地層格架中的成巖作用和孔隙演化[M].姚根順,譯.北京:石油工業(yè)出版社,2008:128-199.

[12] 夏明軍,戴金星,鄒才能,等.鄂爾多斯盆地南部加里東期巖溶古地貌與天然氣成藏條件分析[J].石油勘探與開發(fā),2007,34(3):291-315. XIA Ming-jun,DAI Jin-xing,ZOU Cai-neng,et al.Caledonian karst palaeogeomorphology and the forming condition of gas pool,southern Ordos Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2007,34(3):291-315.

責(zé)任編輯：王 輝

2014-09-13

國(guó)家自然科學(xué)基金“濟(jì)陽坳陷天然氣中氫氣的地球化學(xué)特征”(編號(hào)：41102075)

孫宜樸(1967-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事含油氣盆地成藏、評(píng)價(jià)研究。E-mail:sunyp.syky@sinopec.com

1673-064X(2015)03-0041-06

TE122.2+21

A