引言

鄂尔多斯盆地古生界天然气资源丰富，油气总资源(当量)量约180×10$^8$ t，其中古生界天然气资源量100×10$^8$ t油当量，尤其是奥陶系顶部风化壳白云岩勘探成果显著，靖边气田勘探规模不断扩大，在岩溶白云岩发现近1 000×10$^8$ m$^3$的天然气储量规模，表明天然气勘探潜力巨大，也充分证明了岩溶白云岩对油气聚集具有重要作用^[1-5]。大牛地气田位于古风化壳斜坡上，具备储层发育条件，已有的勘探成果也表明，下古生界具有良好的天然气勘探潜力^[6]。奥陶系风化壳经过多年的勘探已经取得进展，也证实了风化壳气层具有较好的稳产条件^[7-10]。近些年来，对奥陶系风化壳储层进行评价，水平井在风化壳钻遇测试效果良好，显示其具有较好的开发潜力，在马五$_{1+2}$亚段试气表明，53口气井单层平均无阻流量达1.042×10$^4$ m$^3$；马五$_5$亚段15口气井单层平均无阻流量达0.617×10$^4$ m$^3$。因此，在奥陶系风化壳寻求接替储量，为大牛地气田的长期稳产提供资源保障。

通过近几年来的勘探，在大牛地区块下古生界奥陶系风化壳取得了一定的油气成果^[11-13]，尤其是马五$_{1+2}$亚段，马五$_5$亚段、马五$_4^1$亚段也有较高的产量，因此，马五段是大牛地区块寻找储量接替区最现实的勘探层系。对于岩溶白云岩储层的研究也取得了一定的进展^[14-18]。但是到目前为止，并没有在奥陶系发现规模型气田，主要原因为：(1) 对马五段岩溶风化壳内部的储层分布及有利勘探层段的规模识别有限，对马五段岩溶作用的充填封堵和有效岩溶储层划分比较模糊，导致一些低产低效井，因此对马五段的有效储层段的识别是重中之重；(2) 对马五段岩溶储层孔隙成因的认识存在缺陷，尤其是白云石化作用和岩溶作用对有效储层的影响区分不清，导致对规模储层的预测产生偏差。因此，不仅要对风化壳顶部这套层系进行研究，还要注重岩溶带内部储层的分布，尤其是有效白云岩储层段的识别和地层展布的预测，这对下一步勘探具有重要意义。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北台地西部，是一个矩形构造盆地。盆地四周均以构造断裂与周围构造单元相邻。大牛地气田位于鄂尔多斯盆地东北部(图 1)，构造位置位于伊陕斜坡北部东段，北接伊盟隆起，东邻晋西挠折带，区域面积约为2.6×10$^3$ km$^2$。构造上相对较为稳定，整个盆地为整体缓慢隆升，地形上倾角平缓，平均坡度＜1°，鼻状构造发育，地表平坦略呈波状起伏，整体上呈NE-SW平缓单斜。

整个古生代，鄂尔多斯盆地以整体升降为主，构造发育稳定，进入大型的稳定克拉通盆地发育期。在奥陶纪，古地形总体上主要表现为北部高(伊盟古隆起)、南部低、中部高(“L”型古隆起)、东西两侧则较低。在这段时期，盆地内沉积相对稳定，发育了巨厚的浅海台地相碳酸盐岩。奥陶纪马五期是一个蒸发作用强、水体极浅且局限的浅水陆表海环境^[19]。马五段主要发育海退沉积旋回序列，岩性主要为膏质泥微晶白云岩、含膏泥微晶白云岩、泥质白云岩及部分灰岩段。纵向上岩性变化较大。奥陶纪末，受加里东运动的影响，盆地整体抬升，遭受长达1.5亿年的暴露剥蚀，使该区普遍缺失志留系、泥盆系、部分奥陶系，发育岩溶风化壳，角砾岩极为发育，风化壳顶部发育一套残积铝土岩，岩溶古地貌上形成沟壑交错的溶蚀沟谷(图 1)，岩溶出露地层至马五$_3$亚段，说明岩溶作用极为强烈，并且在纵向上形成多期岩溶旋回，水平潜流带溶洞、溶缝普遍被岩溶角砾、泥质等充填，增加了岩溶白云岩储层的复杂性。至石炭纪晚期海水逐渐入侵，形成海陆过渡相沉积，至二叠纪末风化壳基本被填平补齐。

2 储层基本特征 2.1 储层岩石学特征 2.1.1 含膏云岩

主要包括含膏云岩和膏质云岩。该岩石常发育在沉积序列顶部，水体向上逐渐变浅，主要沉积环境为潮上带蒸发环境。显微镜下观察发现，该膏质云岩为泥微晶级，白云石晶粒以它形-半自形为主；局部区域沉积可见针状、条状及板状的石膏晶体被方解石交代(图 2a)。该岩性主要发育层位为马五$_1$、马五$_2$、马五$_3$、马五$_4^1$亚段，膏质云岩中石膏被溶蚀形成的膏模孔以及扩溶孔，对大牛地地区白云岩储层发育起着重要的建设作用。

2.1.2 泥微晶白云岩

白云石晶粒极细，一般在5~40 μm左右。以它形-半自形状为主，泥晶结构(5~10 μm)以及镶嵌接触(图 2b)。泥微晶白云岩常见鸟眼、干缩缝、层状或波状纹层等沉积构造。局部可见由于重结晶作用的白云岩晶粒明显较粗(10~40 μm)。泥微晶白云岩发育少量的溶孔，可能为含细小膏质结核遭受溶蚀的结果。

3.1.3 粉-细晶白云岩

此类白云岩晶粒为粉-细晶级，晶径大小一般在40~200 μm，主要发育于大牛地地区马五$_5$、马五$_2$亚段。显微镜下观察发现，研究区马五$_5$亚段粉-细晶云岩晶粒普遍为自形-半自形结构(图 2c)，晶粒大小均一，白云石晶体为等粒镶嵌接触，晶间孔十分发育，区内粉-细晶云岩大部分晶体表面较明亮，少量浑浊，局部发育有雾心亮边结构。马五$_2$亚段主要为重结晶作用形成的富晶间溶孔的白云岩储层(图 2d)。

2.2 储集空间类型

通过对大牛地气田马五段近120余片薄片观察分析，研究区的白云岩储层孔隙类型主要包括晶间孔、晶间溶孔、膏溶孔以及溶孔。

2.2.1 膏溶孔

含膏白云岩、膏质白云岩在地表条件下石膏或硬石膏结核经过选择性溶蚀后形成的膏模孔，常呈圆形或长短轴相近的椭圆形，孔径一般为0.02~2.00 mm(图 3a)，在研究区各小层均有发育，以马五$_1$和马五$_4^1$亚段最为富集。此类孔隙由于溶缝的沟通，具有良好的孔渗性，是区内马五段白云岩储层重要储集空间。

2.2.2 晶间溶孔

研究区马五段白云岩作为骨架岩性，经历大气淡水的渗透、淋滤，晶间胶结物常常被溶蚀扩大形成大量的孔隙，可见白云石晶粒被冲刷带走形成的扩溶孔(图 3b)。该类孔隙在马五$_1$和马五$_2$亚段极为发育，其形态呈不规则分布，孔隙直径一般在0.02~0.70 mm，面孔率为3.8%~7.5%。一般顺层密集分布。晶间溶孔主要发育在马五$_2$和马五$_5$亚段，是大牛地气田白云岩储层主要储集空间类型之一。

2.2.3 晶间孔

研究区晶间孔主要发育在马五$_2$和马五$_5$亚段粉-细晶白云岩中，白云石晶粒普遍为粉-细晶、自形-半自形，且晶粒大小均匀，为渗透回流模式下的浅埋藏白云石化作用的结果^[9]。特别在马五$_5$亚段，粉-细晶白云岩主要发育晶间孔，但孔隙度普遍偏低，面孔率一般在4.0%~9.5%(图 3c)，是典型的致密孔隙型白云岩储层，但水平井压裂后效果较好，产气量明显增加。

2.2.4 溶孔

研究区溶孔主要指地表水的渗滤形成的溶蚀孔隙(图 3d)，常常为膏溶孔的扩溶孔，呈蜂窝状(图 3e)，也可见和溶缝伴生，其成因可能是由于石膏结核遇水膨胀，产生微裂缝，随后经历地表水的淋滤溶蚀作用。溶孔孔隙变化较大，面孔率为2.5%~12.0%，常与溶缝伴生，储集性能极好。

2.2.5 裂缝

研究区主要发育溶缝(微裂缝)，岩芯观察，宽度为0.5~1.5 cm、未充填-半充填，绝大多数溶缝和溶孔伴生，且裂缝发育处，溶孔较为发育^[20]。在测井曲线上可见较大的溶缝，声波曲线明显增大，电阻率值急剧降低，尤其是马五$_{1+2}$亚段常见溶缝-溶孔型储层，因此，溶缝对改善岩溶储层具有重要的作用。

2.3 储集物性特征

储集物性指标最主要的是孔隙度和渗透率，但研究区风化壳储层的渗透率测定难度较大，一方面，基质渗透率极低(渗透率小于0.1 mD的样品占总样品的80%以上)，而对于改善储层渗流能力的裂缝，在实测中往往无法实现；另一方面，对于低渗样品，地面渗透率和地下渗透率相差较大，利用地面渗透率研究地下渗透率意义不大。

测井和实测的各小层孔隙度见表 1，两种结果具有一定差别，但反映的规律是基本一致的，马五$_5$亚段最好，马五$_2$和马五$_1^3$，马五$_4^2$和马五$_4^3$亚段较差。但渗透率普遍较低，平均值为0.05 mD($n$=634)，为典型的低孔低渗白云岩储层(图 4)。

3 储层测井响应特征

通过岩芯、薄片观察，研究区马五段风化壳白云岩储层的储集空间主要为溶孔(膏溶孔、晶间溶孔)、晶间孔(白云石、地开石等)及裂缝。结合地球物理测井，对各类孔隙的测井响应特征进行了总结(表 2)。

晶间孔：主要和白云石化作用有关，其形成受地表岩溶作用影响较小，在测井曲线上自然伽马曲线较低(＜10)，中子曲线值为中值(8~12)，电阻率曲线为中低值，且电阻率曲线较为光滑平直(图 5a，图 5b)。

膏模孔及溶孔：主要和岩溶作用有关，经历了地表水的淋滤，形成膏模孔及扩溶孔。在测井曲线上，自然伽马曲线为低-中值(10~25)，中子值普遍较高(15左右)，电阻率低值，但呈明显的锯齿状(图 5)。

裂缝：主要是溶缝，在测井曲线上自然伽马普遍为中-高值；中子值为中-高；电阻率值普遍较低，可见锯齿状特征(图 5a)。

因此，通过以上对储集空间特征的成因总结，可以看出，研究区马五段风化壳白云岩低孔低渗储层受白云石化和岩溶作用影响，其产生的孔隙空间的分布具有很强的非均质性。

4 讨论 4.1 岩溶古地貌对储层的控制

岩溶古地貌从古地形(岩溶高地-斜坡)控制岩溶强度的发育，从水文地质条件上(岩溶相带)影响储层段的分布^[21-22]。研究区位于整个盆地古地貌的岩溶高地-斜坡的过渡区，马五$_1$和马五$_2$亚段遭受强烈溶蚀，基本缺失马五$_1^1$、马五$_1^2$亚段，局部溶沟下切至马五$_3$亚段。总体而言，结合马五$_1$、马五$_2$、马五$_4^1$亚段等层位岩性，发现含膏白云岩段有效孔隙层段，在较大的范围内呈连续稳定分布，形成大牛地气田的主力储集层段。

研究区岩溶白云岩储层(膏溶、溶孔)普遍发育，但由于岩溶持续时间较长，地层明显受多期岩溶作用的影响，发育多期的水平潜流带，岩溶角砾、泥质充填明显。岩溶多顺层岩溶，水平溶缝发育，而且可以看出在微地貌沟槽溶蚀作用极为强烈，多发育溶蚀垮塌角砾岩，储集性极差；岩溶高地则储层相对较好，尤其是在岩溶高地区域马五$_2$和马五$_1^4$及部分马五$_1^3$亚段白云岩地层发育完整，马五$_4^1$和马五$_4^3$中部白云岩储层也相对发育。因此，马五$_{1+2}$，马五$_4^1$亚段为主要产层，因为白云岩地层保留完整，且为垂直渗流带，溶蚀作用明显但较弱，储层发育较好；横向上储层发育则明显受古地貌影响，沟槽以垮塌、充填为主；高地和斜坡储层相对发育，这也为水平井开发提供了依据(图 6)。

4.2 溶蚀作用控制优质储层的分布

溶蚀作用不仅和古地貌有关，而且受岩性影响较大。马五段(膏质)白云岩在岩溶过程中作为骨架岩性，膏质白云岩、灰质白云岩和呈夹层分布的白云岩具有不同的岩溶特征。对于膏质白云岩，石膏夹层的存在及其膏溶作用对区内白云岩岩溶发育有很大影响，膏溶特征为边溶蚀边垮塌，横向上延伸范围较广，垂向上可形成较深的垮塌，加剧了岩溶发育程度(图 6)。此外，研究区发育沿水平纹层的界面，地表水沿界面发生溶蚀作用，形成水平溶洞、溶缝，这些特征更有利于水平潜流带的发育。在研究区水平潜流带基本为垮塌、搬运的灰质和云质角砾、泥质及方解石充填，基本不能作为储层，而垂向上溶蚀沟槽部位强烈的岩溶作用，导致角砾、泥质充填，横向上对储层起到了封堵作用。

有效储层集中发育在马五$_1$、马五$_2$、马五$_4^1$等层段，马五$_1$和马五$_4^1$储层段主要形成于含膏(潮上)云坪相带中^[24-26]，淡水的淋滤，使得膏质结核遇水发生膨胀，发生大量的微裂缝，使原来孤立膏溶孔相互沟通，形成有利储层。马五$_2$亚段主要为含极少膏质白云岩、层状泥质白云岩和层状灰质白云岩。由于含钙泥质在地表环境极易风化为疏松的黏土，在水流作用下极易被带走，形成水平溶缝，有利于储层的发育。层状灰质白云岩，普遍认为在裸露岩溶环境条件下白云石的溶蚀能力比方解石弱。白云岩性脆，易破裂，且容易垮塌破碎，但在具有孔渗性能的白云岩地层中，岩溶发育相对均一，岩溶形态以溶孔、小孔洞和溶隙为主(图 3b，图 3e)。马五段中可见层状灰岩夹层，灰岩普遍发育较大的溶孔、溶洞；而白云岩主要沿晶间孔隙渗透溶蚀，白云岩晶间孔隙作为地表水的渗滤通道，在白云岩部分层段发育蜂窝状溶孔、溶洞，溶蚀作用强烈层段则发育压裂角砾岩、镶嵌角砾岩。

4.3 白云石化作用 4.3.1 白云岩作为骨架岩性-晶间溶孔和膏溶孔形成的基础

马五段主要岩性为膏质泥晶白云岩、含膏泥晶白云岩和粉-细晶白云岩。膏质的溶蚀形成大量溶蚀孔洞。白云岩作为骨架岩性，形成膏模孔、膏溶孔及溶洞，从而保留了溶蚀孔洞，但是，局部由于溶蚀作用较强，造成垮塌。由于研究区马五段整体上膏质白云岩和粉-细晶白云岩呈互层，膏质泥晶白云岩呈薄层状(0.5~3.0 m)分布，粉-细晶白云岩则厚度较大(2.0~6.0 m)，且相对稳定。因此，整个白云岩岩溶储层段，粉-细晶白云岩为骨架岩性，支撑着整个马五段岩溶储层的发育。

4.3.2 白云石化阶段性产物-晶间孔

白云石化作用对储层孔隙发育具有重要作用, 普遍认为晶面平直、晶型较好及晶粒较粗的白云石晶粒有助于形成较好的储层^[27]，研究区主要有两种类型白云岩：

(1) 准同生期形成的泥晶白云岩，为它形-半自形，岩性较为致密，局部发生重结晶作用形成晶间孔，但普遍孔渗较低。泥晶白云岩为准同生期近地表、低温、蒸发环境条件下形成的，充足的富镁流体供应、密度差增加交换动力，这些都导致了迅速的白云石化-过白云石化过程，这种成因的不稳定的泥晶白云岩容易发生去白云石化作用，从而使储层变差。

(2) 浅埋藏阶段形成的粉-细晶白云岩，自形-半自形、晶面平直，普遍发育晶间孔隙，为研究区主要储层类型之一。在浅埋藏阶段，随着白云石化流体正常供应和成岩温度的增加，白云石化作用进行较慢，有利于较粗晶粒、平直晶面的形成，从而形成孔隙发育的粉-细晶白云岩，由于粉-细晶白云岩相对稳定，在岩溶过程中晶间孔隙保留较好。

4.2.3 不同的白云石化作用造成储层的非均质性

马五段白云岩储层具有非均质性，其原因是多方面的，首先，岩溶作用差异及化学、机械沉积物的充填，导致储层分布的差异，但是这些差异也是在早期白云石化作用基础之上的；其次，不同阶段成因的白云石化作用，互层的泥晶白云岩(致密)和粉-细晶白云岩(晶间孔隙)及膏质泥晶白云岩分布的差异，也导致了储层的非均质性，给优质储层的预测和勘探造成了困难。

5 结论

(1) 岩溶微地貌沟槽溶蚀作用极为强烈，多发育溶蚀垮塌角砾岩，储集发育极差；岩溶高地储层相对较好。

(2) 岩性部分的差异导致白云岩储层溶蚀程度的强弱，膏质白云岩边溶蚀边垮塌，横向上延伸范围较广，垂向上可形成较深的垮塌，加剧了岩溶发育程度，含极少膏质白云岩容易发育溶孔及裂缝，有利储层发育。

(3) 不同白云石化作用造成储层的非均质性，准同生期发育的泥晶白云岩较为致密，粉-细晶白云岩孔隙较为发育，且两者互层分布使得储层纵向上变化较大，但横向上较为连续，因此，有利于水平井勘探开发。