靖边气田马五41储层成岩作用及孔隙演化

时间：2024-07-28

陈凤喜王东旭

(中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院)

0 引言

鄂尔多斯盆地靖边气田地处内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗境内，区域构造属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡，圈闭类型为岩性圈闭气藏，奥陶系下古马家沟组马五41为主要目的层(图1)，储层岩性主要为颗粒白云岩、粗粉晶白云岩和细粉晶白云岩；储集空间以溶蚀孔洞等次生孔隙为主。研究成岩作用与孔隙演化对储层综合评价及寻找高产富集区块具有十分重要的意义。

1 储层岩性特征

靖边气田北部马五41亚段碳酸盐岩储集岩类十分丰富，岩石组构组成较为复杂，除一般碳酸盐地层中常见的颗粒和晶粒外，还含有少量生物碎屑及相关组分，形成了多种多样的岩石类型。其中白云岩最为丰富，种类繁多，广泛分布于各层段之中，占该套地层厚度的80%以上，储层主要分布在该类岩石中。膏盐岩相对较丰富，多成为夹层，储集性能极差。灰岩较少，储集性能欠佳。

(1)白云岩类

以其孔隙发育而成为靖边北主要储集岩和天然气储层，结构以晶粒状结构为主。其中，具残余颗粒结构的晶粒白云岩在研究层段中分布较广(占50%以上)，残余颗粒以砂屑为主，生物碎屑少见，其特征是在显微镜下常见较污浊的白云石集合体，并隐约可见颗粒的内部圈层或颗粒外形。其次为泥晶白云岩(占20%左右)，粉晶、粉晶-微晶白云岩(占20%左右)以及及岩溶、膏溶角砾状白云岩(占10%左右)。

图1 研究区位置示意图

(2)石灰岩类

石灰岩在奥陶系马家沟组马五41主要岩石类型包括含生物碎屑灰岩、具残余砂屑结构灰岩及结晶灰岩、角砾状灰岩等。生物碎屑灰岩中常见介屑灰岩、腹足灰岩、棘屑灰岩等，也可以由多种生物碎屑堆积形成混合生屑灰岩，其中常有砂屑、泥质等与其共生，重结晶强，泥质含量较少时可形成孔隙。具残余砂屑结构灰岩隐约可见残余砂屑结构，多为椭圆形，扁平状，方解石晶体间多被泥质或有机质所充填，故孔隙不发育。

(3)其他碳酸盐岩类

研究区马五41中还存在较多的岩溶角砾岩、膏溶角砾岩、泥质角砾状白云岩及含粒屑白云岩，这些都可以作为储集岩类。

2 成岩作用类型及特征

通过大量的薄片观察、岩心分析，认为研究区马五41储层的主要成岩作用类型有白云石化作用、压实作用、压溶作用、重结晶作用、溶蚀作用、去膏化作用、去白云岩化作用、黄铁矿化等。其中，溶蚀作用(包括古岩溶作用、埋藏溶蚀)、白云岩化作用、去膏化作用、压实、压溶作用最为主要成岩作用。

2.1 白云石化作用

(1)准同生期蒸发泵白云石化

形成早，沉积环境盐度高、pH值高、Mg2+/Ca2+比高、气候干旱，属原生白云岩类，常为泥晶白云岩、含泥白云岩、膏质白云岩等，其结构细，有水平纹层，可有石膏晶体或与石膏层共生，多产于潮上云坪、泥云坪、云泥坪及膏湖中。其成因机理可以应用“蒸发泵白云石化模式”来解释(图2)。岩石的孔隙度和渗透率均差，反映该机理白云石化后未经后期改造。研究区马五41储层中准同生期白云岩多泥晶-粉晶，含泥多，多呈自形，无核心、无环带构造，常与石膏伴生。如陕159井泥晶白云岩，泥质含量约10%，自形晶体(图3)。

图2 准同生蒸发泵白云石化作用模式

(2)同生、成岩早期渗透回流白云石化

潮间膏盆、潮间云坪及局限台地泻湖微相中，蒸发环境下产生的高镁盐水在地表无出路的情况下向下回流渗透，穿过下伏石灰岩使其白云石化(图4)。其特点与蒸发泵白云石化白云岩相似，但较少与石膏共生，常是厚度较大的泥晶白云岩，储集性能也较差。马五41储层中这种白云岩多为粉-细晶白云石，晶体多他形，镶嵌接触，含泥较前述白云岩少，较干净，不含石膏或石膏少量(图5)。

图3准同生期泥晶白云岩，(一)×100(5)39/50陕159

图4 渗透回流白云石化作用模式

图5微晶—粉晶白云岩，(一)，4×10，(10)14/74，陕148

(3)埋藏白云石化

主要沿古岩溶形成的溶解孔、洞、缝发育，其特征表现为团块状或沿缝两侧的片状，晶体较前两种大，多粉-细晶，少许达到中晶级别，晶间孔发育，常跟溶蚀孔连通，但仅限于白云石化的区域，与其他部分的白云石连通性不好，期间可能还受到重结晶作用的影响。

(4)混合水白云石化

马五41中混合水白云岩化出现于海平面下降的海岸潜流带地下水透镜体及其下伏的半咸水带中，为准同生期—成岩早期的潮间—潮下的白云岩化作用(图6)。另外，在这个混合白云岩化作用模式中，灰岩—白云岩界限沿地下水透镜体下界分布，这一地下水透镜体使两个岩相具有一个倾斜的界面，这一界面的变动还可以反映海平面的波动。这种白云岩化主要形成了斑状白云岩，岩石常为灰色中-厚层状粉晶-细晶的斑状白云岩透镜体，白云石常为半自形-自形晶(图7)，往往可见环带构造(“雾心亮边”)。

图6 马五41混合水白云岩化模式

图7 “雾心亮边”(一)×40统16

2.2 溶蚀作用

(1)表生岩溶作用

受加里东运动影响，研究区奥陶系遭受约1.3亿年～1.5亿年风化剥蚀作用,这使马五41进入表生成岩环境，位于古风化壳顶部，发生岩溶作用。与靖边气田中部相比，北部地区处于岩溶斜坡中下部，地表风化壳较接近潜流面(图8)。因此，本区以水平潜流带的岩溶特征为主，绝大多数溶解孔洞都是因石膏、硬石膏被溶解而成，许多晶模孔仍保持其完好晶形假象，且多呈层状展布。

图8 岩溶地貌及地下水动力分带

(2)埋藏溶解作用

奥陶系风化壳被上覆上古生界及中生界地层沉积后不断进入埋藏期，并由表生期开放体系进入封闭环境，特别是上覆含煤系地层在压实过程中不断排出富含有机质酸性压释水，运移到奥陶系地层中而产生溶蚀作用。它主要发生在表生期古岩溶的浅部，叠加在表生期岩溶之上。对埋藏期的岩溶作用主要表现为表生期岩溶作用形成孔隙及充填物的被溶蚀和形成特征的自生矿物或白云石充填。

综上，表生期的溶蚀作用对马五41储层的最终形成起到至关重要的作用：沉积期白云石化孔隙欠发育，由于表生岩溶作用选择性溶解并形成的有利岩溶地貌为埋藏期各种储层空间提供了先决条件，使得孔缝相连，最终成为较有利储层。

2.3 去膏化作用

主要发生在表生作用阶段，主要表现为方解石交代石膏，部分方解石后期又被白云石化，局部可见硅化，总体上保留了石膏的原始形状，如针状、放射状、团块状、斑状等，所形成的方解石干净，结晶程度较好。

2.4 压实与压溶作用

压实作用发生于埋藏环境之中，虽然碳酸盐岩具成岩快速之特点，但压实作用仍然强烈改造着本地区泥微晶白云岩，尤其生成于干旱潮坪环境下含膏白云岩，承载上覆压力易变形，留下各种变形构造，另外在强压实作用下可产生大量的裂缝(成岩缝)。在扫描电镜下，微晶白云岩或方解石多呈面-镶嵌接触，岩石致密，仅留少量晶间微孔隙，如陕246井的泄水构造(图9)。

压溶作用表现为缝合线在较大尺度的岩心及小尺度薄片中均较发育，缝合线内又发育溶缝或张开缝(图10)。压溶作用所产生的破坏性效应远大于建设性成岩效应。

图9 压实作用造成的泄水构造

2.5 重结晶作用

研究区马五41的泥粉晶白云岩经历了不同程度的重结晶作用改造，常见到的是由微粉晶结构转变为中细晶结构，晶体之间镶嵌接触，孔隙没有因重结晶而得到改善。同时重结晶作用使得原砂屑结构仅有隐约轮廓依稀可见，转变为残余砂屑结构。

图10 压溶作用下形成的缝合线构造

2.6 去白云石化作用

多发生在溶缝及溶蚀孔比较发育的白云岩地区，少数去白云石化不彻底，表现为方解石交代白云石，方解石较脏，且白云石似乎漂浮于其上，所形成石灰岩在区内岩性致密，孔隙度、渗透率都低，是一种破坏性成岩作用，不利于孔隙的形成和演化。

3 储层孔隙结构

根据岩芯观察及薄片鉴定、扫描电镜分析，马五41亚段的孔隙类型按照成因分类主要有原生孔隙和次生孔隙两大类。其中原生孔隙主要有鸟眼孔隙；次生孔隙储集空间有八种孔隙类型(表1)。以次生孔隙分布频率最高，为主要储集空间。在次生孔隙中以晶间孔与溶蚀孔出现的比率最高；膏模孔与张开缝仍为马五41亚段中的主要储集空间；而晶模孔、鸟模孔及收缩缝则只在少量样品中出现。

4 成岩演化阶段及孔隙演化模式

成岩作用受沉积期后的埋藏条件、海平面升降变化、粒间溶液的变化、物理和化学性质、温度、以及所处体系的开放程度等成岩环境的影响，而其变迁受控于构造运动。研究区的成岩环境类型有近地表成岩环境(海底、潮坪、大气水)、表生成岩环境、浅埋藏成岩环境、中-深埋藏成岩环境。成岩环境的演化途径(图11)和成岩作用类型多样，且相互影响，使研究区马五41岩层孔隙演化更为复杂。加里东期少有孔隙形成，且不易保存；海西浅埋藏期不同程度的溶解作用将前期各种孔洞扩大化；在深埋藏成岩期，自生石英、方解石等充填溶蚀孔洞，使储集性能进一步降低。随成岩阶段的演化，埋深的增加，原生孔隙急剧减少，而加里东末期的岩溶作用形成最大的次生孔隙，虽经成岩阶段变化有所减少，但其对于储集空间的贡献优于原生孔隙。孔隙演化模式见图12。

表1 研究区马五41孔隙特征表

图11 研究区成岩演化序次图(据何自新等改，2004)

图12鄂尔多斯盆地中部下古生界碳酸盐岩孔隙演化模式(据何自新，2004)