劉兆恒, 吳冬, 鄧虎成,3, 伏美燕,3, 曹凱旋, 胥旺, 劉慧, 李可賽,3

(1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院, 成都 610059; 2.成都理工大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)學(xué)院, 宜賓 644000; 3.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610059; 4.天府實(shí)驗(yàn)室, 成都 610213)

長(zhǎng)期以來,海相碳酸鹽巖是國(guó)內(nèi)外油氣資源勘探開發(fā)的重點(diǎn)[1]。中國(guó)的海相碳酸鹽巖具有時(shí)代古老、沉積環(huán)境復(fù)雜、經(jīng)歷多期構(gòu)造活動(dòng)等特點(diǎn)[2-5]。鄂爾多斯盆地是一個(gè)多旋回復(fù)合疊合型克拉通盆地[6-8],下古生界奧陶系發(fā)育了一套優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層,具有良好的勘探開發(fā)潛力[7-10]。奧陶系馬家溝組存在數(shù)套在全球奧陶系較為少見的膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系[11],最典型的是馬五6～10亞段。前人對(duì)鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組沉積微相做了較多的研究,層位主要集中在馬家溝組馬一～馬六段整段,平面范圍主要傾向于鄂爾多斯整個(gè)盆地[3-4,12];雷濤等[13]綜合利用巖心、薄片和測(cè)井資料,進(jìn)一步對(duì)鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段的沉積微相及沉積模式進(jìn)行了研究;黃麗梅等[14]認(rèn)為馬五亞期為低海平面期,海水局限,含鹽度極高,主要發(fā)育膏鹽湖-含膏云坪的沉積微相組合;雷濤等[13]認(rèn)為馬五段形成于海退—海侵—海退過程,主體沉積局限臺(tái)地相,主要發(fā)育云坪、泥云坪、灰坪微相等。但是隨著開發(fā)生產(chǎn)持續(xù)深入,現(xiàn)有認(rèn)識(shí)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足科研與生產(chǎn)需要。綜合最新資料(鉆井巖心21口、野外剖面踏勘資料3條、薄片90張及測(cè)井資料89口等),進(jìn)一步對(duì)鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬家溝組五段的6～10亞段的沉積相高頻演化規(guī)律進(jìn)行精細(xì)剖析,以期為該地區(qū)天然氣動(dòng)用提供有利的地質(zhì)依據(jù)和理論支持。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是中國(guó)的第二大沉積盆地[13-16],面積約為37.0×104km2[14],處于華北臺(tái)地西部,在地質(zhì)歷史發(fā)展過程中經(jīng)歷了中三疊世平緩構(gòu)造發(fā)育階段、晚三疊世—早白堊世古隆起發(fā)育階段、現(xiàn)今斜坡形成等3個(gè)階段的構(gòu)造演化[17]。馬家溝組沉積時(shí)期,鄂爾多斯盆地整體處于克拉通內(nèi)坳陷[18-22],發(fā)育了一套碳酸鹽巖夾蒸發(fā)巖地層[8,13,23-26]。

圖1 鄂爾多斯盆地奧陶紀(jì)構(gòu)造地質(zhì)圖和研究區(qū)井位圖[13]Fig.1 Tectonic geological map of the Ordos Basin and well location map of study area[13]

圖2 鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)馬五6～10亞段地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive columnar map of sub-members from 6th to 10th of the Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

2 沉積背景

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組主要發(fā)育碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖,其他巖類較少[8,13,23-25]。研究區(qū)馬家溝組在華北地臺(tái)內(nèi),與華北地臺(tái)一起受控于區(qū)域海平面的升降變化和氣候的周期性變化,由下而上可分為馬一段～馬六段6個(gè)巖性段。其中,馬五6～10亞段主要以碳酸鹽巖和過渡性巖類為主,受海平面短期變化影響。

(a)為馬和馬亞段;(b)為馬五5和馬五6亞段;(c)為馬五5亞段;(d)為馬五4和馬五5亞段;(e)為馬五5亞段圖3 鄂爾多斯盆地馬家溝組府谷野外露頭剖面Fig.3 Outcrop of the Majiagou Formation of the Fugu County in the Ordos Basin

3 沉積微相標(biāo)志

3.1 巖石類型識(shí)別

研究區(qū)的巖石類型包括碳酸鹽巖(白云巖)以及一些過渡性巖類(膏質(zhì)白云巖、含膏白云巖、灰質(zhì)白云巖、云質(zhì)灰?guī)r及含云灰?guī)r等)(圖4)。白云巖一般發(fā)育在局限臺(tái)地云坪微相內(nèi),灰云巖、云灰?guī)r以及含云灰?guī)r主要發(fā)育在局限臺(tái)地和開闊臺(tái)地的過渡帶的環(huán)境中,膏質(zhì)白云巖和含膏白云巖主要發(fā)育在與蒸發(fā)臺(tái)地相像的局限臺(tái)地環(huán)境中。

(a)為細(xì)晶白云巖,DK13-FP8井,鑄體薄片,單偏光,3 067.34 m;(b)為泥晶白云巖,D68井,2 934.3 m,鑄體薄片,單偏光;(c)為粗粉晶白云巖,D124,3 146.95 m,鑄體薄片,單偏光;(d)為灰質(zhì)白云巖,見石英顆粒,D124井,3 116.1 m,鑄體薄片,單偏光;(e)為膏質(zhì)白云巖,D81井,2 851 m;(f)為云質(zhì)灰?guī)r,D81井,2 845.78 m;(g)為含灰白云巖,D107,2 696.50 m;(h)為含膏白云巖,D124井,3 150 m圖4 鄂爾多斯盆地馬五6～10亞段巖石類型及其特征Fig.4 Rock types and characteristics of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member of the Ordos Basin

(1)白云巖:研究區(qū)的白云巖主要包括泥晶-微晶白云巖[圖4(a)]、細(xì)晶-粉晶白云巖[圖4(b)]以及少量的粗粉晶白云巖[圖4(c)]。泥晶-微晶白云巖主要呈灰色至深灰色,結(jié)晶程度較低,晶間孔不發(fā)育,沉積構(gòu)造常見紋層構(gòu)造、波狀構(gòu)造。細(xì)晶-粉晶白云巖常為灰色或灰黃色,沉積構(gòu)造多為塊狀,晶粒大小為30～100 μm,晶形呈自形-半自形,晶間孔較為發(fā)育。粗粉晶白云巖薄片常呈灰黃色,沉積構(gòu)造多為塊狀,結(jié)晶程度較高,晶粒大小為100～300 μm,晶間孔發(fā)育,偶見裂縫。

(2)含膏白云巖和膏質(zhì)白云巖:含膏白云巖[圖4(e)]巖心呈灰黃色,表面由于部分石膏被溶蝕形成一些直徑為1～3 mm的膏?？?膏?？子袝r(shí)會(huì)被方解石或白云石半充填。膏質(zhì)白云巖[圖4(h)]巖心上呈灰白色-灰黃色,有時(shí)與黑色泥晶白云巖互層,可見條帶狀與結(jié)核狀石膏,條帶最寬可達(dá)5 mm。含膏白云巖和膏質(zhì)白云巖以膏質(zhì)含量區(qū)分,膏質(zhì)含量少于25%的為含膏白云巖,膏質(zhì)含量在25%～50%的為膏質(zhì)白云巖。

(3)灰質(zhì)白云巖、云質(zhì)灰?guī)r和含灰白云巖:灰質(zhì)白云巖[圖4(d)]中白云石晶粒大小為30～100 μm,灰質(zhì)含量大于25%,孔隙不發(fā)育,偶見石英顆粒,可能為熱液成因。云質(zhì)灰?guī)r[圖4(f)]巖心呈棕灰色或深灰黃色,可見白云巖角礫,有縫合線發(fā)育。含灰云巖[圖4(g)]巖心呈灰白色,含少量灰質(zhì),與黑色泥晶白云巖互層,發(fā)育較長(zhǎng)的垂向溶縫,多被方解石充填。

應(yīng)用大數(shù)據(jù)灰色關(guān)聯(lián)算法對(duì)巖性進(jìn)行識(shí)別。通過對(duì)馬五6～10亞段測(cè)井響應(yīng)特征進(jìn)行分析,分別繪制出巖性-導(dǎo)電性、巖性-孔隙性、導(dǎo)電性-孔隙性三類交會(huì)圖版,并作灰色關(guān)聯(lián)分析,選取相關(guān)性較好的伽馬曲線(GR)、深側(cè)向電阻率(LLD)、淺側(cè)向電阻率(LLS)、中子孔隙度(CNL)、光電吸收截面指數(shù)(PE)等參數(shù)建立巖性識(shí)別模板。在分層對(duì)巖性特征參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上,建立初步的巖性解釋判斷公式;再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,以GR、LLD、LLS、CNL、PE等參數(shù)為主要數(shù)據(jù)輸入樣本,建立計(jì)算網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),分層建立識(shí)別模板以識(shí)別巖性。大數(shù)據(jù)灰色關(guān)聯(lián)算法能夠更好地識(shí)別區(qū)分白云巖、膏質(zhì)白云巖、灰質(zhì)白云巖、云質(zhì)灰?guī)r,利用連續(xù)取心井DK13-FP8井驗(yàn)證,符合率可達(dá)85%(圖5)。

圖5 鄂爾多斯盆地大牛地地區(qū)DK13-FP8井巖性解釋驗(yàn)證Fig.5 Verification of rock type interpretation of DK13-FP8 well in Daniudi area of Ordos Basin

3.2 巖石類型組合

基于上述巖石類型識(shí)別結(jié)果,通過對(duì)研究區(qū)89口單井開展巖石學(xué)分析、巖-電綜合解釋和灰色關(guān)聯(lián)分析,共識(shí)別出5類巖石類型組合(圖6)。A類組合以白云巖為主,向上發(fā)育含膏白云巖,代表沉積期海平面快速下降,沉積環(huán)境快速轉(zhuǎn)為局限環(huán)境,鹽度增大,見于D126井;B類組合以含膏白云巖為主,其次為白云巖(局部夾雜少量泥質(zhì))、膏質(zhì)白云巖,藻紋層發(fā)育,代表沉積期海平面緩慢持續(xù)下降,鹽度變化較小,見于D32、D107井等;C類組合以正常鹽度的白云巖為主,高鹽度白云巖(局部夾有少量泥質(zhì))次之,局部夾少量膏質(zhì)白云巖,揭示了陸源碎屑供給及海平面緩慢下降的影響,見于D124、D75井等;D類組合以白云巖、含膏白云巖、灰質(zhì)白云巖為主,代表沉積期海平面短期內(nèi)迅速下降再升高,見于石1井等;E類組合以云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云巖為主,代表海平面持續(xù)下降,由開闊轉(zhuǎn)為相對(duì)局限的沉積環(huán)境,見于D78井、PG28井等。

圖6 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段巖石類型組合Fig.6 Combination of rock types of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

3.3 沉積構(gòu)造標(biāo)志

鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段主要發(fā)育包卷層理、縫合線、紋層狀層理、藻紋層及垮塌構(gòu)造等沉積構(gòu)造(圖7)。紋層狀層理、包卷層理多見于云坪環(huán)境中的泥晶-微晶白云巖,垮塌構(gòu)造常見于膏云坪環(huán)境中的含膏白云巖及膏質(zhì)白云巖,藻紋層和縫合線構(gòu)造多見于馬五6亞段及馬五7亞段云坪微相及膏云坪微相。

(a)為縫合線,DK13-FP8,3 064.85 m,鑄體薄片,單偏光;(b)為縫合線,D75,2 956.2 m,鑄體薄片,單偏光;(c)為紋層,D107,2 694.6 m,鑄體薄片,單偏光;(d)為縫合線,D68井,2 930.15 m;(e)為包卷層理,DK13-FP8,3 054.32 m;(f)為紋層,大深1井,2 837.90 m;(g)為縫合線,D75井,2 955.77 m圖7 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段沉積構(gòu)造特征Fig.7 Sedimentary structures of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

4 沉積微相特征

(1)云坪微相。云坪微相主要為A類和C類巖石類型組合構(gòu)成,顏色為淺灰-灰黃色-褐灰色,巖性以泥晶-微晶白云巖、細(xì)晶-粉晶白云巖為主,局部發(fā)育藻紋層、包卷層理等沉積構(gòu)造,網(wǎng)狀縫發(fā)育,沉積環(huán)境較為局限,沉積水體能量較高。云坪微相在研究區(qū)廣泛發(fā)育,厚度較大。

5 沉積微相演化與沉積模式

前人研究已經(jīng)揭示,鄂爾多斯盆地(包括大牛地井區(qū))馬家溝期總體經(jīng)歷了多次海侵-海退旋回周期,馬五段沉積時(shí)期盆地基底抬升,氣候干熱,海平面下降,表現(xiàn)為快速海侵和緩慢海退[24,28,33]。通過對(duì)單井沉積微相刻畫、多井沉積微相對(duì)比,在馬五6～10亞段碳酸鹽巖局限臺(tái)地沉積環(huán)境中進(jìn)一步精細(xì)識(shí)別膏云坪、云坪、灰云坪、云灰坪等沉積微相,明確沉積微相空間分布。馬五6～10亞段沉積微相縱向上高頻演化,反映相對(duì)穩(wěn)定的沉積基底上海平面頻繁升降的特征。

圖8 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬家溝組五段6～10亞段E4井單井沉積微相分布Fig.8 Microfacies distribution of Well E4 of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

圖9 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段沉積微相連井對(duì)比Fig.9 Well correlation of sedimentary microfacies of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

馬五10亞段沉積于馬四段大規(guī)模海侵事件之后[28],氣候干燥,海水開始消退,沉積環(huán)境相對(duì)局限,形成了以小壕1井—大深1井—D37井為界,西部發(fā)育膏云坪,向其他方向環(huán)繞膏云坪發(fā)育云坪微相(圖10a)。馬五9亞段沉積期海平面短期上升,膏云坪演變?yōu)樵破何⑾嗖⑶曳秶儚V,云坪微相演變?yōu)榛以破何⑾?以D50井—大深1井—D125井—D75井為界[圖10(b)]。

(a)為馬五10亞段;(b)為馬五9亞段;(c)為馬五8亞段;(d)為馬亞段;(e)為馬亞段;(f)為馬亞段;(g)為馬亞段;(h)為馬亞段圖10 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段沉積微相平面分布Fig.10 Distribution of sedimentary microfacies of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

馬五8亞段沉積期海平面又一次下降,形成了與馬五10沉積期相似的沉積環(huán)境,氣候相對(duì)干燥,以D50井—D126井—大深1井—D67井為界,西南部發(fā)育膏云坪,其他地區(qū)發(fā)育云坪微相[圖10(c)]。

(a)為砂屑白云巖,靖探1井,3 643.00 m;(b)為淺灰色白云巖,大68井,2 931.25～2 931.31 m;(c)為灰質(zhì)白云巖,石1井,2 999.7～2 999.31 m;(d)為泥晶灰?guī)r,神66井,2 169.73～2 169.79 m;(e)為膏質(zhì)白云巖,蓮144井,3 803.90 m;(f)為膏質(zhì)白云巖,大124井,3 150.51～3 150.69 m;(g)為白云巖,大深1井,2 837.90～2 838.27 m;(h)為云質(zhì)灰?guī)r,府谷野外露頭剖面;研究區(qū)外資料據(jù)魏柳斌等[37];古水溫、古鹽度等根據(jù)高飛等[38]、楊華等[39]、鄭德順等[40]研究成果計(jì)算所得圖11 鄂爾多斯盆地大牛地氣田馬五6～10亞段沉積模式Fig.11 Sedimentary model of sub-members from 6th to 10th of Ma 5 Member in the Daniudi gas field, Ordos Basin

6 結(jié)論

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖是非常重要的含氣層,大牛地氣田馬家溝組天然氣勘探與開發(fā)效果顯著。前期科學(xué)研究及生產(chǎn)開發(fā)主要集中在馬五1-5亞段,對(duì)深部馬五6～10亞段的巖性特征及沉積分布特征研究較少,嚴(yán)重制約了深部天然氣資源的勘探與開發(fā)。研究基于最新巖心、薄片、測(cè)井資料及野外露頭剖面對(duì)馬五6～10亞段沉積微相精細(xì)刻畫。通過對(duì)巖石類型、沉積標(biāo)志、沉積微相空間分布研究,明確馬五6～10亞段沉積微相高頻演化特征,取得的主要認(rèn)識(shí)如下。

(1)大牛地氣田馬五6～10亞段的巖石類型主要為碳酸鹽巖(白云巖)和一些過渡性巖類(含膏白云巖、膏質(zhì)白云巖、含灰白云巖、灰質(zhì)白云巖及含云灰?guī)r),形成5種巖石類型組合。主要發(fā)育包卷層理、縫合線、紋層狀層理、藻紋層及垮塌構(gòu)造等沉積構(gòu)造。

(2)大牛地氣田馬五6～10亞段沉積微相主要為云坪、膏云坪、灰云坪、云灰坪。云坪微相主要發(fā)育A和C類巖石類型組合,可見藻紋層、包卷層理;膏云坪微相主要發(fā)育B類巖石類型組合,膏模孔較為發(fā)育;灰云坪微相發(fā)育D類巖石類型組合,裂縫相對(duì)發(fā)育,部分被方解石充填;云灰坪微相則主要發(fā)育E類巖石類型組合,研究區(qū)分布較少。