鄂尔多斯盆地奥陶系顶面形成演化与储集层发育

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鄂尔多斯盆地奥陶系顶面形成演化与储集层发育

154 2012年4月

石 油 勘 探 与 开 发

PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT

Vol.39 No.2

文章编号:1000-0747(2012)02-0154-08

鄂尔多斯盆地奥陶系顶面形成演化与储集层发育

冉新权1,付金华1,2,魏新善2,3,任军峰2,3,孙六一2,3,包洪平2,3

(1. 中国石油长庆油田公司;2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室;3. 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院)

基金项目:中国石油天然气股份有限公司重大科技专项课题“鄂尔多斯盆地海相碳酸盐岩大气田勘探目标优选

与靖边气田稳产技术试验研究”(2008E-0706)

摘要:从奥陶系顶面在不同地质历史时期的演化、反转入手,探讨构造演化对鄂尔多斯盆地奥陶系不同类型储集体

发育的控制作用,研究碳酸盐岩储集层形成演化机理。鄂尔多斯盆地奥陶系顶面为一重要的层序界面,其既代表了下部海相碳酸盐岩沉积建造与上部碎屑岩沉积建造之间的构造沉积转换,又代表了加里东晚期—海西早期漫长风化剥蚀造成的区域性地层沉积间断。该界面在地质历史时期经历了3次重大的构造格局演变,直接影响了奥陶系储集层的发育及后期保存。盆地东、西部奥陶系顶部岩性差异控制了发育的储集空间类型,形成了不同类型的溶蚀孔洞储集体;而后期层序界面构造倒转则造成盆地东部地区岩溶孔洞型储集空间被充填,影响了有效储集层的空间展布范围。图5表1参23

关键词:鄂尔多斯盆地;奥陶系;储集层;层序地层;层序界面;孔隙充填 中图分类号:TE122.2 文献标识码:A

Evolution of the Ordovician top boundary and its relationship to reservoirs’

development, Ordos Basin

Ran Xinquan1, Fu Jinhua1,2, Wei Xinshan2,3, Ren Junfeng2,3, Sun Liuyi2,3, Bao Hongping2,3

(1. PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China; 2. National Engineering Laboratory of Exploration and

Development of Low Permeability Oil/Gas Fields, Xi’an 710018, China; 3. Research Institute of Exploration and

Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China) Abstract: The control of structural evolution on the development of different types of Ordovician reservoirs in the Ordos Basin is

discussed by studying the evolution of the Ordovician top boundary in geological times, and the mechanisms of formation and evolution of carbonate reservoirs are examined. The top boundary of the Ordovician is an important sequence boundary in the Ordos Basin. It represents not only the depositional change between lower marine carbonate rocks and upper clastic rocks, but also a depositional break caused by weathering and corrosion from the Late Calidonian to the Early Hercynian. It experienced three great structural changes in the geological history, which influenced the formation and conservation of the Ordovician reservoirs. Lithology difference of the Ordovician top sequence between the east and west of the basin controlled the type of reservoir space and caused the formation of different reservoirs of corrosive pores. However, the later reversal of the sequence boundary causes the filling of early formed pore space in the eastern basin, and affects the space distribution of effective reservoirs.

Key words: Ordos Basin; Ordovician; reservoir; sequence stratigraphy; sequence boundary; pore filling

0 引言

海相碳酸盐岩是中国当前油气勘探的重点领域之一,勘探及研究均取得较大进展。鄂尔多斯盆地下古生界奥陶系以海相碳酸盐岩为主,是中国最早发现的整装海相大气田层系之一。目前在盆地中部已经发现并探明了靖边奥陶系岩溶风化壳大气田,累计探明天中奥陶统马家沟组五段然气地质储量近5 000×108 m3。

白云岩风化壳溶蚀孔洞型储集层是靖边气田(马5段)

的主要储集体,前人对该类储集体已开展了大量的相 关研究,对其形成机理及分布规律也已经有了较为系但对于盆地发育的白云岩晶间孔型储集统的认识[1-13];

层、灰岩岩溶洞穴型储集层等碳酸盐岩储集层形成机理及分布的研究相对薄弱,且缺乏对不同碳酸盐岩储集层形成宏观控制因素的分析。

以往的层序地层研究主要分析沉积层序对有利沉积相带及储集层发育的控制及影响[14-18],关于层序界面演化对储集层发育控制作用的研究很少。本文主要

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从奥陶系顶部层序界面(即古构造界面)在不同地质历史时期的演化、反转入手,探讨构造演化对奥陶系 不同类型储集体发育的控制作用,探索研究碳酸盐岩储集层形成机理及演化的有效方法,深化对有利储集体发育主控因素和发育规律的认识,从区域上预测有效储集层展布的有利区域。

蚀的演化过程,其中,加里东晚期的整体抬升使得盆地遭受了长达140 Ma的风化剥蚀,缺失晚奥陶世—早石炭世沉积,是奥陶系风化壳储集层发育的主控因素[1-2]。

晚古生代,由于盆地北部兴蒙造山带的不断隆升,盆地内部差异沉降,在陆表海台地构造背景上沉积了晚石炭世—二叠纪近海平原—海陆过渡相—陆相的含煤碎屑岩建造,为下古生界气藏发育提供了充足的气源供给。

1 鄂尔多斯盆地古生代构造、沉积演化

根据古构造特征及盆地类型,将鄂尔多斯原型盆地演化分为4个阶段,即中新元古代坳拉谷盆地发育阶段、古生代大型稳定克拉通盆地发育阶段、中生代内陆坳陷盆地叠加发育阶段、新生代周缘断陷盆地发育阶段。

盆山耦合研究表明,古生代时期鄂尔多斯盆地属于华北克拉通盆地的一部分,其南北两侧分别发育古秦岭洋和古兴蒙洋,两大古洋盆的演化直接影响了盆地古生界的沉积特征。

早古生代,鄂尔多斯盆地演化主要受控于南侧古秦岭洋的演化。伴随古秦岭洋盆的形成、扩张、俯冲消减及最终闭合消亡,盆地内部经历早期陆表海盆地到后期陆缘海盆地直至洋盆闭合并最终整体抬升遭受剥

2 奥陶系顶部Ⅰ型层序界面特征及分布

关于鄂尔多斯盆地下古生界层序地层的研究较多,但对其具体划分方案仍然存在一定分歧,主要集中在对次一级(Ⅱ型)层序界面的识别与划分上,对Ⅰ型层序界面的识别与划分较为一致。本文通过对露头剖面和钻井资料的详细对比分析,依据海平面变化旋回、层序界面特征、体系域结构、区域板块构造和盆地演化特点,在盆地奥陶系中共识别出15个层序界面,其中Ⅰ型层序界面2个,其余层序界面均为Ⅱ型(见表1)。奥陶系顶部为一重要的Ⅰ型层序界面,在盆地奥陶系储集层发育及其成藏过程中发挥了重要的作用。对盆地周边野外露头剖面和盆地内部钻井信息的综合分析表明,该层序界面具有以下特点。

表1 鄂尔多斯盆地奥陶系地层、岩性对比及层序地层划分表

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①层序界面代表了长达140 Ma的风化剥蚀期。古生代鄂尔多斯盆地属于大华北盆地的一部分,该层序界面在整个华北地台区广泛发育,具有区域上的可对比性。其既代表了下部海相碳酸盐岩沉积建造与上部碎屑岩沉积建造之间的构造沉积转换与全球海平面的下降,又代表了加里东期区域性构造隆升与漫长风化剥蚀造成的区域性的沉积间断。该界面的特殊性决定了岩溶储集层发育规律,从而对盆地油气格局起到宏观控制作用。

②层序顶部地层时代不同。奥陶纪,由于中央古隆起(也称西部古隆起)的阻隔作用,盆地西部与盆地中东部分属祁连、华北两大海域,地层发育特征存在显著差别(见表1),以南北向中央古隆起(主要出露华北地层分区的马家沟组马

4

段及祁连地层分区的

③层序顶部岩性差异明显。盆地东西部之间不仅

地层发育时代存在较大差别,而且由于沉积环境的差异,沉积特征也存在显著差别。盆地东部奥陶系层序顶部以白云岩为主,西部主要出露石灰岩(天环地区探井奥陶系顶部大多以石灰岩为主,而桌子山等地区奥陶系顶部则可以见到大量碎屑岩出露)。盆地中东部大部分地区出露马5段白云岩,仅在局部残留小范围的马6段灰岩沉积;马5段主要形成于台内凹陷的局限沉积环境,主要发育泥—粉晶白云岩、硬石膏岩、盐岩夹泥—粉晶白云岩。盆地西部出露的克里摩里组、乌拉力克组及拉什仲组等为一套台缘—深水斜坡环境下沉积的泥晶薄层灰岩、浊积角砾灰岩夹黑色笔石页岩。盆地中西部马4段及桌子山组的岩性主要为颗粒白云岩、泥晶灰岩、颗粒灰岩,少量含云灰岩,而且具有地层中灰岩比例向西逐渐上升的趋势。

桌子山组)为中心,地层发育具有东老西新的特点。盆地中东部主要发育冶里组—亮甲山组、马家沟组,而且由于后期剥蚀,大部分地区顶部均出露中奥陶统马5段白云岩,仅局部残留马6段灰岩;而盆地西部奥陶纪地层发育较全,中、上奥陶统均有发育,向西奥陶系顶部依次出露中奥陶统克里摩里组(相当于马

6

3 奥陶系顶部Ⅰ型层序界面演化

区域构造演化对层序界面发育起宏观控制作用,从加里东构造运动开始,奥陶系顶部Ⅰ型层序界面经历了几次较大规模的构造格局转变,影响了不同类型储集体的发育及后期改造(见图2)。 3.1 奥陶纪末

晚奥陶世时,盆地中东部遭受风化剥蚀,缺失上奥陶统沉积,仅在盆地西缘、南缘发育海槽相沉积。奥陶系表现出西部及南部厚、中东部薄的特点(见图2、图3)。奥陶纪末,由于盆地南部秦岭海槽闭合,并产生强烈的造山作用,华北板块整体抬升遭受剥蚀,鄂尔多斯盆地处于华北板块的西南部,海水从鄂尔多斯盆地本部向西南退出,在奥陶系顶部形成向西南缓倾的Ⅰ型层序界面。 3.2 加里东期

加里东运动中,作为大华北盆地的一部分,整个鄂尔多斯盆地遭受了长达140 Ma的风化剥蚀,经受区域性侵蚀改造,Ⅰ型层序界面中部隆升,东西两翼缓倾。

盆地前石炭纪古地貌恢复表明,这一时期的古地貌分布以近南北向的中央古隆起为中心,古地势逐渐向东西两侧降低,经历剥蚀改造的奥陶系顶部界面呈现为以鄂托克旗—定边—镇原一线为中心向东西倾伏的特点,并直接影响了盆地不同地区岩溶作用的发育强度,是盆地岩溶风化壳储集层发育的主要控制因素。

随着加里东构造运动的结束,盆地南侧祁连—北秦岭加里东褶皱带形成,盆地大部分地区开始沉降。盆地石炭系分布可以大致勾绘出这一时期的古构造格

和羊虎沟组(C2y),局:西部下石炭统发育靖远组(C2j)

为一套黑色页岩夹砂岩、生物灰岩的潮坪—潟湖相沉

段)及上奥陶统乌拉力克组、拉什仲组等(见图1)。

图1 鄂尔多斯盆地构造分区及奥陶系分布简图

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图2 奥陶系顶部Ⅰ型层序界面与储集层演化模式图

积,厚度500~1 500 m,代表了西部祁连海自西向东的侵漫;盆地东部沉积了本溪组(C2b)潮坪相沉积,厚度一般小于50 m,代表东部华北海自东向西的侵漫;随着海侵的加剧,晚石炭世两海域逐渐勾通,最先勾通的部位即是加里东期的东西向浅台坳与中央古隆起叠合部位的鞍部地带;随着上石炭统太原组(C3t)煤系与下二叠统山西组煤系(P1s)的沉积,盆地被填平补齐,中央古隆起逐渐停止活动不再控制后期沉积。在这一沉积格局下,奥陶系顶部Ⅰ型层序界面的特征基本延续了加里东期的格局:以奥陶纪南北向的中央古隆起为中心,层序界面向西、向东倾斜,直至二叠纪山西组沉积末期盆地填平补齐。 3.3 中—新生代

中—新生代构造格局与古生代有很大的差别。晚古生代盆地处于海陆过渡环境向内陆盆地环境的转变阶段,这一时期的沉积主要受控于北部造山带的演化,沉积环境相对稳定,盆地内发育一套分布广泛的三角洲—河流相含煤沉积,为形成古生界气藏奠定了气源基础。从上古生界的沉积厚度来看,这一阶段的构造

图3 鄂尔多斯盆地石炭系沉积前奥陶系等厚图

格局主要表现为南高北低、西高东低。

而中—新生代,区域构造西降东抬,Ⅰ型层序界面西倾。中生代印支运动使鄂尔多斯地区完全进入内

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陆盆地发展阶段,并伴随大幅度的沉降和隆起,盆地

由古生代的南高北低转为北高南低;而东西方向则由古生代的西高东低逐渐转为东高西低,如盆地中部、东部三叠系沉积厚度一般在1 000~1 400 m,而西部石沟驿等地区三叠系最大沉积厚度接近3 000 m,这种格局一直持续到燕山期。燕山期以后,尽管伴随新生代区域性的断陷作用,盆地南部周边地区发生局部隆升形成渭北隆起带,但盆内构造变形微弱,仍然保持了早期的基本构造格局,整体表现为北高南低、东高西低,现今奥陶系顶面构造仍很好地表现了这一特征。

变控制了岩溶风化壳储集层的形成、改造及后期保存。 4.1 加里东运动对储集层发育的影响

奥陶纪—中石炭世,鄂尔多斯盆地一直处于赤 道附近,古气候湿热多雨,有利于古岩溶储集层的 形成。

中加里东—早海西期,由于秦岭海槽的闭合,华北板块整体抬升,鄂尔多斯盆地古构造格局是东北高、西南低,海水向盆地西南退出,盆地本部大范围遭受长期风化剥蚀及岩溶作用,形成了溶蚀角砾岩、古土壤及铝土岩等典型风化残积物沉积,并在距风化壳顶部一定深度范围内发育大小不等的溶洞、溶孔、溶斑和溶缝等,是形成奥陶系有效储集层的关键[19-23];现今在盆地露头区及钻井岩心中都可以见到岩溶角砾岩、溶洞充填物等古岩溶地质现象(见图4)就是很好的证据。

4 奥陶系顶部Ⅰ型层序界面演化控制下的碳酸盐岩储集层发育规律

区域古构造演化、储集层发育特征及成因研究表明,古构造对储集层发育具有重要的宏观控制作用,古生代鄂尔多斯盆地经历的2次区域性构造-沉积格局转

图4 鄂尔多斯盆地奥陶系岩溶特征

4.2 岩性对储集空间类型的控制

可溶岩是岩溶作用的物质基础,在影响与控制岩溶发育的各种因素中,岩性是主控因素[22-23]。研究表明,由于岩石矿物学性质差异,白云岩很难形成溶洞型储集空间,而灰岩易于形成溶洞型储集体[11]。如前文所述,鄂尔多斯盆地中东部、西部奥陶系沉积特征存在显著区别:中东部主要发育中、下奥陶统,顶部马家沟组以含膏白云岩为主;而西部发育中、上奥陶统,顶部以灰岩为主。不同地区奥陶系顶部出露地层岩性不同,形成了不同成因类型的孔隙(见图5)。 4.2.1 中东部马5段上部含膏层系膏溶孔型储集层

盆地中东部奥陶系顶部主要出露马5段上部(马—马

54

51

含膏白云岩的分布密切相关,如在靖边气田西侧地区,,马5上段地层被剥由于马5段向西逐渐缺失(见图1)

蚀,马5段中部含膏白云岩地层出露遭受风化淋滤,也可形成非常好的风化壳膏溶孔型储集层,在该区马家沟组中部层系(马

56

亚段沉积期是马家沟组膏盐岩大

量发育期,盆地东部地区膏盐岩累计厚度可达130 m以上,靖边地区局部岩性也以含膏白云岩为主)试气也获得高产工业气流,展示了马5含膏白云岩层系的良好勘探前景。

4.2.2 西部桌子山组(相当于马4段)晶间孔-溶孔型白

云岩储集层

盆地西部苏里格地区奥陶系顶部主要出露中奥陶统桌子山组(相当于马4段)颗粒白云岩,其中晶间孔普遍发育。由于在表生岩溶环境下白云石的溶蚀能力比方解石弱,所以在马4段这种白云岩厚层连续分布的

)薄层含膏白云岩,含膏物质溶解后形成残余

溶蚀孔洞且分布较为稳定,是盆地中部靖边奥陶系风化壳大气田的主要储集空间。这类型储集体的发育与

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图5 鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组储集层显微特征

地层中,风化溶蚀对早期形成的晶间孔进行了改造,形成了以晶间孔-溶孔为主的储集空间。

4.2.3 西部克里摩里组(相当于马6段)岩溶洞穴型灰

岩储集层

鄂尔多斯盆地西部发育中上奥陶统,且地层向西逐渐加厚,顶部层位也逐渐变新,天环地区主要出露和上奥陶统乌拉力克组。中奥陶统克里摩里组(马6段)乌拉力克组以深水泥质岩为主,而克里摩里组以台缘相灰岩为主。灰岩的可溶性较白云岩强,而且岩石强度较白云岩低,岩层岩性单一,结构均匀,构造裂隙的切层性强、延伸远,有利于裸露岩溶作用环境条件下岩溶发育,在经历长期的风化溶蚀之后,可以形成以规模较大的溶洞、洞穴为主的储集空间。目前该区克里摩里组灰岩地层中大量的钻具放空、钻井液漏失就是很好的证据;而且受地壳抬升影响,可以形成多层洞穴系统。

4.3 构造倒转对储集空间保存的影响

分析地质历史时期奥陶系顶部Ⅰ型层序界面的演化可以发现,盆地西部地区在层序界面演化过程中一直处于西倾状态,而盆地东部则发生了2次较大规模的构造反转;而且在侏罗纪—白垩纪主成藏期之前,盆地东部主要处于低洼或者逐渐沉降的区域,造成早期形成的岩溶型储集空间的多期充填,储集层发育具有很强的非均质性,仅在局部高部位保存较好的储集层,现今盆地东部奥陶系仅存在多个零散分布的岩溶残丘含气区就是证据。

加里东期的风化剥蚀作用在盆地内形成了大范围分布的不同类型的岩溶成因储集体,但由于后期古构造格局的变化,产生了不同程度的埋藏充填作用,影响了有效储集空间的保存。石炭纪末—二叠纪,伴随区域沉降作用,海水开始从东、西2个方向侵入盆地,并相继经历了多期的海进、海退旋回。盆地中部靖边地区主要处于海陆过渡环境,发育以半充填为主的孔

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洞型储集空间。由于这一时期海水从东部进入,盆地东部地区长期被海水覆盖,早期形成的奥陶系马5段孔洞储集空间多被方解石充填,储集空间大量丧失,仅在局部岩溶残丘高部位保留较好的储集空间。盆地南部地区紧邻秦岭加里东期隆起区,上古生界向南逐渐减薄,主要为海陆过渡相沉积,所处成岩环境与中部靖边地区类似,局部地区马家沟组顶部层段充填较弱,发育以半充填为主的孔洞型储集空间,如近期盆地东南部宜川—黄龙地区探井在奥陶系马了工业气流。

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上段试气获得

5 结论

鄂尔多斯盆地奥陶系顶部Ⅰ型层序界面既是区域性的地层沉积间断面,又代表了加里东构造作用下的长期风化剥蚀,而且盆地东、西部之间地层时代及岩性存在显著差异。该界面的特殊性决定了其演化直接控制了盆地岩溶型储集层的发育:加里东运动期构造抬升,奥陶系顶部普遍发育古岩溶,并且由于区域岩性的差异,形成了多种类型的岩溶储集体;后期构造反转是造成盆地东部地区岩溶成因储集空间被充填的主要因素。

鄂尔多斯盆地下古生界海相碳酸盐岩是天然气勘探的重要领域,自20世纪发现并探明靖边奥陶系风化壳大气田以来,勘探目标长期以盆地中部风化壳气藏为主,层系主要集中在马5段上部。盆地储集层发育特征及其控制因素的分析表明,盆地西部、盆地中部靖边气田周边、盆地南部等低勘探程度区域发育灰岩溶洞型、白云岩晶间孔型等有效储集体,只是其对圈闭的要求更高,成藏控制因素也更为复杂。通过加强综合研究,可形成新的天然气勘探接替领域及目标。

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第一作者简介:冉新权(1965-),男,四川营山人,博士,中国石油长庆油田公司教授级高级工程师,主要从事油气勘探开发综合研究及管理工作。地址:陕西省西安市未央区,中国石油长庆油田公司,邮政编码:710018。E-mail:randy@

收稿日期:2011-05-24 修回日期:2012-01-29

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(编辑 姚俊梅 绘图 刘方方)

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《石油勘探与开发》2012年第3期部分文章预告

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