西南石油大学学报(自然科学版)  2019, Vol. 41 Issue (4): 65-73
苏里格气田东区马五5储层白云岩成因机理分析    [PDF全文]
白慧1,2 , 冯敏1,2, 侯科锋1,2, 杨特波1,2, 郭思文3    
1. 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院, 陕西 西安 710018;
2. “低渗透油气田勘探开发”国家工程实验室, 陕西 西安 710018;
3. 中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院, 陕西 西安 710018
摘要: 鄂尔多斯盆地苏里格气田东区马家沟组马五5储层白云岩的成因争议较大,通过对该区马五5白云岩沉积背景、地球化学特征和岩石学特征详细研究后,认为该区马五5段白云岩是以潮间潮下带沉积为主的沉积产物,主要发育准同生白云岩和埋藏白云岩两种类型,白云石化流体是高盐度海水与粒间孔隙内海水二者并存的海源流体,形成了准同生白云岩和埋藏白云岩两种成因模式。准同生白云岩以泥微晶白云岩为主,有少部分粉晶白云岩,具有水平纹层、膏模孔和鸟眼构造,常与石膏晶体共生,晶粒以自形为主,有序度较差,微量元素Sr和Na含量高,表明其沉积环境为水体较浅、高盐度及气候干燥的强蒸发环境,属于准同生白云岩成因;埋藏白云岩为粉细晶及中晶白云岩,晶粒总体较大,晶形以半自形为主,晶间孔较发育,有序度较高,与黄铁矿共生,呈团块状或不均匀状分布,微量元素Fe和Mn含量较高,δ18OPDB值偏负,反映出埋藏还原条件下形成的产物,属于埋藏白云岩成因。
关键词: 白云石化     马家沟组     地球化学     奥陶系     苏里格气田     鄂尔多斯盆地    
Mechanism of Dolomite Formation in Member Ma55 of Majiagou Formation, East of Sulige Gas Field
BAI Hui1,2 , FENG Min1,2, HOU Kefeng1,2, YANG Tebo1,2, GUO Siwen3    
1. Exploration and Development Research Institute of Changqing Oilfield Company, PetroChina, Xi'an, Shaanxi 710018, China;
2. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil and Gas Fields, Xi'an, Shaanxi 710018, China;
3. Oil & Gas Technology Research Institute of Changqing Oilfield Company, PetroChina, Xi'an, Shaanxi 710018, China
Abstract: It is a matter of some dispute on the genesis of dolomite in Member Ma55 of Majiagou Formation of Ordovician, east of Sulige Gas Field, Ordos Basin. Based on the study of Sedimentary background, the characteristics of lithology and geochemistry of dolomite in this area, it is indicated that the dolomite in Member Ma55 of Majiagou Formation of this area is dominated by intertidal-subtidal sediments. There are two main types of dolomite:penecon-temporaneous dolomite and buried dolomite, and the dolomitized fluid is seawater or relevant sea-source fluid, which were established two dolomitization models:penecontemporaneous dolomite and burial dolomite. The former is maidly dolomicrite and a minority of powder crystal dolomite, it is characterized by horizontally-laminated bed, gypsum mold and bird-eye texture, and it is always coexists with gypsum crystal, mainly idiomorphic crystal, the order degree of grains is bad. The trace element analysis indicates that the contents of sodium and strontium are higher, it shows that the sedimentary environment is a strong evaporation environment with shallow water, high salinity and dry climate, which belongs to penecon-temporaneous dolomite. Buried dolomite often keeps larger particles, mainly fine-grained and medium grained dolomite, subhedron, and intergranular pores are more developed, the order degree of grains is better. It is coexists with pyrite, and it shows agglomerate or uneven distribution, The trace element analysis indicates that the contents of iron and manganese are higher, and the values of δ18OPDB display negative distribution. These evidences indicate that the dolomite is formed by buried reduction environment, is belongs to burial dolomite.
Keywords: dolomitization     Majiagou Formation     geochemistry     Ordovician     Sulige Gas Field     Ordos Basin    
引言

鄂尔多斯盆地下古生界奥陶系马家沟组是一套以碳酸盐岩为主夹蒸发岩的地层,发育大量白云岩,其中,马五5段白云岩储层是下古生界致密气藏重要的天然气储层之一,也是盆地重要的天然气勘探开发目标层之一[1-3]。因此,该段白云岩化作用和白云岩的成因很受重视,是沉积学最为活跃的研究领域之一。近年来,在碳酸盐岩成岩作用及白云岩成因方面的研究均取得了很大的突破,也提出了多种白云岩化成因机理理论,例如,混合水白云岩化、准同生白云岩化、埋藏白云岩化和热液白云岩化等[1-2, 4-6]。但对于鄂尔多斯盆地苏里格气田东区马五5段储层,由于钻井岩芯较少,地表露头不连续,加之对白云岩成因的争议比较大,因而白云岩成因的研究程度较低。为满足苏里格气田对碳酸盐岩天然气勘探开发的战略需求,有必要对马五5储层白云岩的成因开展更深入的研究与认识。本文利用测井、录井资料、钻井取芯资料和铸体薄片等资料,进行白云岩的岩石学特征、有序度等地质分析,并充分结合X射线衍射、微量元素、碳氧同位素等地球化学特征研究,对该区不同类型白云岩的成因机制进行探讨,深化该区马五5段白云岩储层展布规律认识,为苏里格气田东区下古气藏马五5储层的有效开发提供可靠的理论指导。

1 地质背景

鄂尔多斯盆位于华北地台西部,是一个矩形多旋回克拉通盆地[5, 7-8],面积达25×104 km2(图 1)。

图1 鄂尔多斯盆地马五5段岩相古地理及研究区位置图 Fig. 1 Location and lithofacies palaeogeography of study area in Member Ma5 of Majiagou Formation, Ordos Basin

早古生代寒武纪,由于秦岭古大洋板块向华北板块的俯冲,在盆地西部形成了中央古隆起,呈现“一隆一拗”的古构造特点,“隆”即盐池—庆阳—黄陵中央古隆起带,呈“L”型展布;“拗”即米脂—延川拗陷[9-10]。早奥陶世马家沟期,鄂尔多斯古陆区解体形成伊盟古陆、庆阳古陆,发育了华北海与秦祁海两大海域,盆地主体海相碳酸盐岩沉积体系发育特征具有明显差异。古隆起以西属祁连海域,发育深水碳酸盐岩台地斜坡相沉积,岩性以灰岩为主。古隆起以东属华北海域,为陆表海碳酸盐岩与局限海蒸发岩交替的旋回沉积,岩性为白云岩、膏岩与泥晶灰岩的交互[9, 11]

苏里格气田东区位于鄂尔多斯盆地中北部,东侧为中央古隆起,南部接靖边气田,面积达7 210 k m2。奥陶系马家沟组从上至下可分为马一~马六6个岩性段,马五段从上至下又可分为马五1~马五10共10个亚段。马一、马三、马五段为相对海退期,属局限海蒸发台地环境,主要为白云岩、膏岩发育段;马二、马四、马六段为相对海侵期,属陆表海陆棚环境,主要为石灰岩发育段。马五期整体为震荡性海退,水体比较浅,常常暴露在低能的沉积环境中,也就是蒸发潮坪环境,是鄂尔多斯盆地一次重要的膏盐岩发育期。马五5期是盆地内马五段海退时发生的一次较大的海侵期,沉积相带具有围绕盆地东部凹陷区呈环带状展布的特点,发育灰坪、云坪、云灰坪和膏云坪,是一套分布广泛、沉积厚度大、岩性相对一致的致密灰黑色泥晶灰岩、云灰岩。

2 白云岩类型及其岩石学特征

根据钻井取芯、薄片鉴定和测井资料研究分析,苏里格气田东区马五5储层白云岩的结晶比较好,主要的类型是微晶白云岩、粉晶白云岩、粉—细晶云岩、细—中晶白云岩以及不等粒白云岩。经岩性分析认为该区马五5段白云岩是准同生期白云石化与埋藏期白云石化两种白云石化作用的产物。不同类型的白云岩具体特征如下文所述。

2.1 微晶白云岩

微晶白云岩的晶间孔不发育,晶粒的大小均匀,部分白云岩的晶形类似于麦粒状,晶体以自形粒状为主,该类白云岩在盐度较高的沉积环境中形成;部分白云岩含有石膏假晶,石膏经历去膏化作用以后,部分被方解石充填,而部分未被充填成为膏模孔(图 2a)。经过薄片观察,发现含有比较高的泥质含量,粒度细,保留原始的沉积特征,有水平纹层,与石膏晶体共生(图 2a图 2b)。此类白云岩主要为蒸发潮坪的潮上带泥坪、泥云坪及云坪微相沉积,属于准同生期白云石化的产物。

图2 苏东区块马五5段不同类型白云岩照片 Fig. 2 Photos of different dolomites in Member Ma5 of Majiagou Formation, east of Sulige Gas Field
2.2 粉晶白云岩

粉晶白云岩部分发育水平层理,顺层发育层状亮晶方解石条带,晶间孔中被泥质和亮晶方解石充填,见多条微斜裂缝,局部呈锯齿~波状起伏,表明沉积相为潮坪环境—潮上带—云坪沉积微相。具有残余砾屑结构的粉晶白云岩,多呈黄灰色—灰色,晶体颗粒较大,一般为粉屑—砂屑结构,且缝合线发育,成分一般是泥晶白云石,砾屑的磨圆度比较好,大部分是次圆状(图 2c图 2d图 2e),反映出比较强的水动力沉积条件,被水体搬运、冲刷及磨圆后而形成的,其主要分布在潮间带。表明该类白云岩成因可能是准同生白云岩化、埋藏白云岩化以及重结晶共同作用的结果。

2.3 粉—细晶白云岩

粉—细晶白云岩发育块状层理,薄片中可见粒屑残余结构,晶间孔4%,溶孔2~3%,大小0.5~5.0 mm,部分无充填。可见垂直裂缝,缝宽0.5 mm,无充填(图 2f)。该类白云岩往往是潮坪环境—潮间带—粒屑滩沉积微相的产物,属于后期重结晶和埋藏白云岩作用的改造结果。

2.4 细—中晶白云岩

细—中晶白云岩呈块状层理,薄片中可见粒屑残余结构,晶间孔发育,可达20%,溶孔、溶洞5%,大小0.5~10.0 mm,其中,0.5~5.0 mm的占70%,其内充填方解石3%(图 2g)。部分可见垂直裂缝,缝宽0.5 mm,无充填。该类白云岩常形成于埋藏成岩环境中,为潮坪环境—潮间带—粒屑滩沉积微相的产物。

3 白云岩地球化学特征

通过白云岩岩石学特征及其地球化学特征分析,认为苏里格气田东区马五5段白云岩的类型有两种,分别是准同生期白云岩与埋藏期白云岩。准同生期的白云岩的粒度比较细,以微晶为主(图 2a),晶粒以自形为主,呈现出纹层状的构造特征(图 2b)。而环带构造不太明显,一般是与石膏假晶和鸟眼构造相互伴生。后期经过重结晶作用形成了粉—细晶白云岩,但是其不发育晶间孔。埋藏期白云岩的晶粒总体比较粗大,为粉—细晶以上晶粒结构的白云岩(图 2f)。晶形主要是半自形(图 2g),而白云质灰岩中的白云石较自形,岩石中也少见石膏的存在,与黄铁矿共生,反映是还原条件下的产物(图 2h)。

3.1 X射线衍射

白云石的主要元素Ca含量及其有序度与它的形成条件有很大关系,盐度和Mg/Ca值控制白云石的结晶速度和有序度,正常海水Mg/Ca值约为1,而高盐度环境Mg/Ca值为5~10。由此可见,成因流体的咸化作用有利于白云石形成[4, 12-13]

X射线衍射试验对不同类型白云石的有序度和Mg/Ca值分析结果见表 1。准同生白云岩有序度为0.79~1.00,Ca摩尔分数为50.79%~51.69%;埋藏白云岩的有序度为0.88~0.93,Ca摩尔分数为50.48%~50.79%,Mg/Ca值约为1,接近理想白云岩,有序度明显高于准同生白云岩。埋藏期不同类型的白云岩虽然结构和晶体大小不同,但具有中等—较好的有序度,且基本Mg/Ca值接近1的标准比值,这是由于在Mg/Ca值较低的溶液中,结晶速度较慢,易形成有序的白云石晶格,反映出该类白云石为交代成因,为无蒸发作用的潮间—潮下带环境的产物。费希特鲍尔认为,准同生期与成岩早期形成的白云岩的有序度一般比较低,且Ca的含量比较高[4, 14-15]。至于不等粒白云岩和粉晶白云岩的有序度较高、Ca含量较低的原因可能是受成岩作用的影响。

表1 苏东区块马五5段不同类型白云岩的X射线衍射分析表 Tab. 1 X-Ray diffraction analysis results of dolomite in Member Ma5 of Majiagou Formation, east of Sulige Gas Field
3.2 微量元素

白云岩主要微量元素Fe、Mn、Sr、Na等含量的变化反映了沉积、成岩环境及流体性质等特征,可有效地分析白云岩成因机理[3, 16-17]。Sr是亲海元素,随着成岩作用的增强,海水Sr含量逐渐减少;Fe、Mn是识别氧化还原作用的敏感元素,反映碳酸盐岩成岩作用的强度和埋藏程度,埋藏越深、成岩作用越强,白云岩Fe、Mn含量越高;Na反映成岩流体的盐度,其含量越高,盐度越高[3-5, 8-9, 16, 18-19]

苏里格气田东区马五5段白云岩微量元素特征见表 2,准同生白云岩Sr元素含量为0.066 0‰~0.111 0‰(平均0.088 5‰),Na元素含量为0.630 0‰~1.647 0‰(平均1.203 0‰),以原生灰岩作为基础,Sr含量相近或增加,Na含量增加,Sr/Na减小,表明该类白云岩形成于高盐度环境,其沉积及成岩环境属蒸发环境,而不是成岩过程中受到大气淡水稀释作用形成的。埋藏白云岩Sr元素含量为0.040 0‰~0.053 0‰(平均0.046 5‰),Na元素含量为0.333 0‰~0.430 0‰(平均0.381 5‰)。和灰岩相比较,Sr的含量变小,而Na的含量相接近或稍有增大,Sr/Na的值就相接近或稍有变小,反映了埋藏白云岩化时期的盐度基本没变,而Fe的含量明显增加,也反映出该类白云岩沉积环境为还原环境。根据化学平衡原理, 在埋藏期成岩改造过程中,白云岩的金属元素及同位素组成再分配规律由离子半径理论控制,大半径的离子含量降低, 而小半径的离子含量增大,苏东区块的晶粒白云岩与颗粒灰岩、微晶白云岩相比,Sr的含量低,Mn的含量高(表 2),说明该区块的晶粒白云岩经过了埋藏成岩改造作用,白云石在埋藏压实成岩作用的过程中,有序度向升高的方向转化,从而造成了白云石的Mn含量升高,Sr含量降低。

表2 苏东区块马五5段不同类型岩石微量元素特征 Tab. 2 Characteristics trace elements of different dolomite in Member Ma5 of Majiagou Formation, east of Sulige gas field

从灰岩—准同生白云岩—埋藏白云岩,随着成岩作用的增强,Mn和Fe的含量逐渐增高,这是由于埋藏作用导致二者含量在还原环境下形成的埋藏白云岩明显高于在氧化条件下形成的准同生期白云岩,因为还原环境有利于Mn和Fe保存于成岩空隙流体中,更易进去白云石晶格中[20-23]

3.3 碳氧同位素

C、O同位素地球化学指标可定量或半定量地反映成岩溶液的某些特征,常常被用于白云岩成因机理研究中[2-4, 14, 16, 18]。白云岩δ18OPDB反映了成岩介质的温度和盐度,温度和白云岩形成溶液的δ18OPDB含量决定着白云岩δ18OPDB的分布[4]。白云岩δ13CPDB值是环境封闭程度及还原强度的重要标志,若补给缺乏或强蒸发导致海水盐度升高,则其沉积物中δ13CPDB值和δ18OPDB值增高,而在高温高压深埋藏环境中形成的白云岩δ18OPDB值较低[2, 4, 15, 23-24]

All等认为苏里格地区奥陶纪海水的δ13CPDB为–2.00‰~0.50‰,δ18OPDB值为–6.60‰~–4.00‰[5]。苏里格气田东区马五5段不同类型的准同生白云岩C、O同位素测试结果见图 3

图3 马五5段准同生白云岩C、O同位素特征 Fig. 3 Characteristics for δ13CPDB and δ18OPDB values of penecon-temporaneous dolomite in Member Ma5 of Majiagou Formation

图 3所示,同生白云岩δ13CPDB值为–0.50‰~–2.60‰,δ18OPDB值为–9.75‰~–7.40‰,平均为–8.15‰,相对于微晶灰岩,准同生白云岩的δ13CPDB和δ18OPDB值相对较高,δ13CPDB变化范围更大,δ18OPDB变化范围明显减小,且δ18OPDB含量相对微晶灰岩的δ18OPDB含量明显增加。与同期海水相比,δ13CPDB值较为相近,分布范围基本一致,δ18OPDB值明显偏负,反映出白云石化流体与同期海水有关,说明该区块的白云石化过程中并没有大气淡水的加入,而是表现出与蒸发高盐度水的特征。在综合以上特征分析的基础上,并结合该区块的沉积环境和古气候特点,研究认为准同生期交代生成的白云岩是潮坪相灰岩白云化的作用,反映出蒸发作用的产物。埋藏白云岩δ13CPDB值为–2.33‰~–1.56‰,δ18OPDB为–11.07‰~–7.22‰,平均为–9.12‰,与同期海水和准同生白云岩相比,δ18OPDB变化范围更大,δ13CPDB变化范围值明显减小,而δ13CPDB含量增加(图 4),反映出与有机碳含量增加相关的还原环境。这是由于随着埋藏深度的增加,δ13CPDB和δ18OPDB值逐渐偏负,表明该类白云岩受深埋增温的影响,反映了白云岩化发生在埋藏条件下。

图4 马五5段埋藏生白云岩C、O同位素特征 Fig. 4 Characteristics for δ13CPDB and δ18OPDB values of buried dolomite in Member Ma5 of Majiagou Formation
4 白云岩成因分析

通过对苏里格气田东区马五5段白云岩的沉积背景、岩石学特征、矿物学特征和地球化学特征综合分析,认为该区白云岩可以用准同生白云岩成因和埋藏白云岩成因两种模式来解释。

4.1 准同生白云岩成因模式

该类白云岩形成于方解石沉积物沉积后还未被埋藏时的准同生白云石化阶段[14, 18, 24]。岩性主要有泥晶白云岩、微晶白云岩、膏质白云岩,以及少量的粉晶白云岩等,其粒度细,有水平纹层、膏模孔和鸟眼构造,晶粒以自形为主,常与石膏晶体共生,表明其沉积环境为水体较浅、高盐度及气候干燥的强蒸发环境,沉积速度快,有序度、孔隙度和渗透率均较低,反映出白云石化后未经后期改造,大部分是在潮上云坪、泥云坪和云泥坪中生成的。这类白云岩的成因机理可以用蒸发泵白云石化模式来说明解释(图 5 a),即苏里格气田东区马五5期沉积环境属于潮间—潮下沉积,为海退期的相对海侵期,在强蒸发和毛细管浓缩作用下,海水的盐度不断增加,从而使得高盐度的海水为白云石化作用不断地提供Mg2+,导致了白云岩的不断形成。

图5 苏里格气田东区马五5白云岩成因模式 Fig. 5 Genesis modes of dolomite in in Member Ma5 of Majiagou Formation, east of Sulige Gas Field
4.2 埋藏白云岩的成因模式

苏里格气田东区马五5段的白云岩类型主要是埋藏白云岩,以晶粒白云岩为主,晶粒总体比较大,是粉—细晶以上的晶粒,晶间孔比较发育,晶形以半自形为主,受重结晶作用的影响,呈现出团块状或不均匀状的分布特征,并与黄铁矿共存,表现出了埋藏还原条件下的产物。该类白云岩的地球化学资料表明,白云岩化流体主要是海源流体,并非大气淡水加入的混合水,其Mg2+来自保存于地层中的海水孔隙水或类似于回流渗透机制的下渗高Mg2+卤水。随着埋藏深度的不断增加,温度和压力也随之不断的升高,在上覆沉积物压实的作用下,使得封存在粒间的大量高盐度海水不断地侧向排出富Mg2+流体,一方面,使早期形成的白云岩重结晶,形成半自形—它形细晶白云岩和斑状—不等粒白云岩[20-22]。另一方面,使自身就矿物欠稳定、富含Mg2+且晶核发育的薄层泥晶灰岩,最先发生大规模的埋藏白云石化作用,形成了泥粉晶—细晶白云石。这是由于粒屑灰岩自身含有的Mg2+量较少,晶核又欠发育,在外来富含Mg2+的流体长时间的作用下,使白云岩化不断进行,形成埋藏白云岩化(图 5 b)。

5 启示

白云岩化作用是碳酸盐储层发育的先决条件,白云岩比灰岩抗压实岩溶强,在压实过程中比灰岩更容易保存孔隙度和渗透率,且白云岩脆性更强,更易于断裂,使储层渗透率得到极大提高。因此,白云岩化后的储层储集性更好,使得碳酸盐岩中的天然气大部分储存在于白云岩中。但是自然界中原生的白云石是并不多见的,现存的白云岩几乎全是白云石化作用转变而来的[9, 21, 25-26]。通过以上两种白云岩机理分析可知,苏里格气田东区马五5储层白云岩化以埋藏白云化为主,局部发生准同生白云化,白云化发育区主要位于马五5古地形较高位置和孔、洞、缝发育的区域,即马五4段地层厚度越薄,马五5段白云岩发育程度就越高。因此,恢复马五5沉积时的古地形,利用已完钻井钻遇马五4地层厚度预测马五5储层白云岩相对发育区,并进一步摸清该储层白云岩展布的规律,提高马五5白云岩储层钻遇率,对马五5白云岩储层后期的有效开发具有重要的指导意义。

6 结论

(1) 苏里格气田东区马五5段白云岩是一套以潮间—潮下带沉积为主的产物,主要是准同生白云岩和埋藏白云岩两种类型的白云岩,其中准同生白云岩是以泥—微晶白云岩为主,有少部分的粉晶白云岩;埋藏白云岩有粉—细晶和中晶白云岩。

(2) 准同生白云岩晶粒以自形为主,有序度较差,微量元素Sr和Na含量高,表明其沉积环境为水体较浅、盐度高及气候干燥的强蒸发环境;埋藏白云岩晶形以半自形为主,晶间孔较发育,有序度较高,并与黄铁矿共生,微量元素Fe和Mn含量较高,δ18OPDB值偏负,反映出埋藏还原条件下形成的产物。

(3) 沉积地球化学资料分析表明,苏里格气田东区白云石化流体为高盐度海水和粒间孔隙海水的海源流体,由此构成了准同生白云岩成因和埋藏白云岩成因两种成因模式,白云化发育区主要位于马五5古地形较高位置和孔、洞、缝发育的区域,是下一步勘探开发的有利区域。

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