岩石学报  2017, Vol. 33 Issue (4): 1094-1106   PDF    
细分小层岩相古地理编图的沉积学研究及油气勘探意义——以鄂尔多斯地区中东部奥陶系马家沟组马五段为例
包洪平1,2, 杨帆1,2, 白海峰1,2, 武春英1,2, 王前平1,2     
1. 中国石油长庆油田分公司, 西安 710018;
2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 西安 710018
摘要: 鄂尔多斯盆地中东部奥陶系发育巨厚的蒸发岩-碳酸盐岩旋回性沉积,地层厚度达500~900m。对其上部厚约200~350m的马家沟组第五段岩性、沉积相的进一步分析表明,其内部仍发育次一级的沉积旋回。而通过细分小层的沉积学研究和岩相古地理编图,对马五段的岩性相变规律及沉积演化特征的认识则更为明晰,对该区奥陶系的沉积学研究与天然气勘探部署也发挥了重要作用,主要体现在以下几方面:一是对于有利沉积相带(尤其是相控储层)的预测更为精准,细分小层的岩相古地理编图对主力目的层的研究分析更具针对性;二是对白云岩化机理的认识进一步深入,基本明确了短期海侵层序中的白云岩化受继承性古地理格局与层序演化的共同控制;三是推动古隆起东侧奥陶系中组合(马五5-马五10)岩性圈闭大区带成藏认识的形成,勘探发现了千亿方规模储量接替区;四是催生奥陶系盐下"侧向供烃成藏"模式的建立,指导近期盆地中部奥陶系盐下勘探取得重大突破。因此可以初步认为,细分小层的岩相古地理编图可能代表了古地理学发展的一个重要方向,无论是对相带展布、层序演化及白云岩化等沉积学方面的研究,还是对油气勘探工作中的有利储集体预测及圈闭成藏规律的认识,都具有一定的实际意义。
关键词: 蒸发岩     碳酸盐岩     岩相古地理编图     细分小层     马家沟组     鄂尔多斯盆地    
Sedimentology study on sub-member lithofacies paleogeography mapping and its petroleum exploration significance: Taking Ma5 member of Lower Ordovician Majiagou Formation in central-eastern Ordos Basin for example
BAO HongPing1,2, YANG Fan1,2, BAI HaiFeng1,2, WU ChunYing1,2, WANG QianPing1,2     
1. Exploration and Development Institute, Changqing Oil Field Branch, Petrochina Company Limited, Xi'an 710018, China;
2. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil & Gas Fields, Xi'an 710018, China
Abstract: The central-eastern Ordos Basin develops evaporate and carbonate cyclic strata with a thickness of 500~900m. The study on lithology and sedimentary facies of the fifth member (Ma5) of Lower Ordovician Majiagou Formation, which has a thickness of 200~350m, shows that it has secondary depositional cycle. The discussion on sedimentology and lithofacies paleogeography of its subdivision intervals not only makes the understanding of the variation in lithologic facies and the sedimentary evolution much clear, but also plays an important role in the Ma5 gas exploration. The key results are got as follows: (1) the prediction for favorable sedimentary facies zone (especially of the sedimentary facies for gas reservoir) is much precise and the lithofacies paleogeography mapping for sub-members of the main play is more purpose-direction; (2) the mechanism for dolomitization is further explored, and dolomitization in the short-period transgressive sequence is influenced by the inherited paleogeography pattern and sedimentary sequence evolution; (3) the establishment of a large-scale lithologic play model for the Ordovocian middle assemblage (consisting of the Ma5_5 to Ma5_10 sub-members) in the eastern slope of the central paleo-uplift and the discovery of the gas province with a reserve of trillions cubic meters; and (4) the proving of the lateral hydrocarbon charging model for Ordovician sub-salt reservoirs and its important breakthrough in the recently exploration. The lithofacies paleogeography mapping for sub-members thus holds an important advance in paleogeography and it plays an important role not only in the study on facies zone distribution, sequence evolution and its dolomitization, but also in the prediction of favorable reservoirs and understanding of trap and pool-formation.
Key words: Evaporate     Carbonate     Lithofacies paleogeography mapping     Sub-members     Majiagou Formation     Ordos Basin    
1 引言

岩相古地理编图是沉积学研究的重要基础工作,我国老一辈地质工作者对此都非常重视,已为此奠定了非常坚实的基础,最有代表性的如刘鸿允、王鸿祯、冯增昭等自二十世纪中晚期所做的大区岩相古地理工作 (刘鸿允, 1959王鸿祯,1985冯增昭,1988冯增昭等, 1990, 1991, 1994, 1997, 2001, 2004冯增昭和张吉森,1998)。进入新世纪以来,又有一批学者从构造层序的角度开展了新一轮岩相古地理编图工作 (马永生等,2009),使古地理研究与构造及层序研究的联系更趋紧密。国外学者则更加侧重于构造演化、古气候演化等与岩相古地理编图的结合以及三维古地理重建等方面的工作 (Vérard and Hochard, 2011; Vérard et al., 2012, 2015; von Raumer et al., 2013Frank et al., 2015; Kováč et al., 2016)。下一步古地理学该如何发展?也值得引起当前沉积学研究领域的深入思考,以期找到更多古地理学发展的新生长点。本文拟以鄂尔多斯盆地 (地理概念同鄂尔多斯地区) 奥陶系马家沟组马五段细分小层的岩相古地理编图的实际工作体会为线索,探索接近盆地尺度 (跨越古隆起与斜坡区等不同构造分区,以及盆缘白云岩与硬石膏岩、盐洼区石盐岩等不同岩相分区) 的细分小层的岩相古地理编图对古地理学研究及学科发展的意义。

奥陶纪马家沟期,鄂尔多斯与华北地台主体区的沉积特征具有明显差异,突现出鄂尔多斯从华北地台逐渐分化的演化特征。表现在华北地区马家沟组主要为广海相的石灰岩沉积,而鄂尔多斯地区则发育大规模的局限海蒸发台地相的碳酸盐岩-蒸发岩沉积。以中央古隆起为界,以东主要形成碳酸盐岩与膏盐岩交互的沉积,以西则仍以广海相的碳酸盐岩为主 (图 1)。中东部地区的马家沟组可按沉积旋回自下而上划分为“马一段”、“马二段”、“马三段”、“马四段”、“马五段”、“马六段”六个段,其中马一段、马三段、马五段以蒸发岩沉积为主,而马二段、马四段、马六段以碳酸盐岩沉积为主。这种分布特征与英格兰东北部Zechstein盆地上二叠统碳酸盐岩-蒸发岩地层的特征极为相似,Tucker (1991)曾用克拉通内与广海周期性隔绝干化的模式来解释其蒸发岩成因和层序分布。国外学者对蒸发岩成因观点不一 (Schmalz, 1969),其中以许靖华提出的“干化深盆说”最有影响 (Hsu, 1972)。国内部分研究人员对鄂尔多斯地区马家沟组蒸发岩的成因也持类似“干化成因”的观点 (包洪平等,2004)。

图 1 鄂尔多斯盆地奥陶纪沉积岩相剖面图 Fig. 1 A sectional drawing for sedimentary lithofacies of Ordovician in Ordos, China

马五段是马家沟组最晚一期蒸发岩旋回形成的沉积层,其内部又表现出次一级的碳酸盐岩与蒸发膏盐岩交互的旋回性沉积特征,油气地质工作者按岩性组合及旋回特征由上至下细分为马五1-马五10十个亚段,本文所重点讨论的正是针对这十个亚段的小层岩相古地理研究及编图工作。进行这些细分亚段的岩相古地理编图对于刻画蒸发旋回盆地的沉积指向与沉积过程的变迁研究具有重要的意义,对于编图方法也具有一定的借鉴意义。

2 问题的提出

鄂尔多斯地区中东部奥陶系发育巨厚的碳酸盐岩-蒸发岩沉积。二十世纪八、九十年代诸多沉积学者及勘探工作者曾就此做过系统的岩相古地理研究及编图工作,对该区奥陶系沉积特征的认识、乃至靖边气田的发现及勘探等都发挥了积极的作用。但早期的岩相古地理编图多是以组、段为基本的编图单元 (冯增昭等,1991冯增昭和张吉森,1998),这对于认识宏观的沉积相变规律及指导大的油气勘探方向意义较大 (Feng et al., 2013),但是,这些编图主要是以段为基本编图单元,对段内更小地层单元的储层横向变化预测则无能为力,因而对于更深入地研究有效储层的变化规律和更为具体地指导油气勘探部署则显示出明显的不足。

如对于靖边气田的奥陶系风化壳储层而言,针对马五段的古地理编图就不能有效解决风化壳储层的预测问题。如图 2为针对马五段岩性特征及相分析研究按优势相编制的现今盆地范围的马五期岩相古地理图,因马五期是鄂尔多斯地区奥陶系马家沟组最大的海退沉积期,其内部又存在多个次一级振荡性海进-海退旋回,形成膏盐岩与碳酸盐岩交互的互层状沉积,由于海侵时间相对较短,蒸发膏盐岩地层 (尤其是在鄂尔多斯中东部地区) 占据了马五段地层的大部分 (局部可占60%~70%),因而按“优势相”原则盆地中东部存在一大的“膏盐洼地”相区。而靖边气田在马五段的古地理图中则落在“膏盐洼地”沉积相区!

图 2 鄂尔多斯地区奥陶纪马五期岩相古地理图 红色轮廓线示靖边气田位置 Fig. 2 Ma5 Paleogeography of Ordovician in Ordos Basin, China Red line shows thelocation of Jingbian gas field

但实际钻探结果表明,靖边气田的马五1+2风化壳储层主要发育在马五段顶部的含膏白云岩中 (图 3),与“膏盐洼地”的概念似乎相去甚远,因此针对马五段整段的大段地层的岩相古地理编图显然不能解决小的储层段的相控问题。

图 3 靖边气田奥陶系风化壳气藏圈闭成藏模式图 Fig. 3 Gas reservoir trap formation models of Ordovision weathering crest in Jingbian gas field

此外,由于风化壳储层孔隙发育对沉积组构的选择性 (即有效孔隙层段主要发育在含硬石膏结核的含膏云坪相带中,不含膏质的泥粉晶白云岩通常仍然为致密的基质层),因此,即使是以马五1、马五2等亚段为单位的编图、也依然不能准确地反映主要储层段发育的相控特征。

再如对马五5亚段在现今盆地范围内的岩性变化的认识。马五5亚段位于马五段中部 (距奥陶系顶部风化壳的距离在靖边气田区约在80~100m之间),其地层厚25~30m。在早期鄂尔多斯地区中部奥陶系风化壳气藏的勘探中,马五5亚段曾被作为一个区域性稳定分布的灰岩标志层,俗称“马五5灰岩”。在对马五段的总体岩相古地理编图中,也只是将其视为一个短期的海进旋回沉积,未曾注意到其岩性在横向上也有一定的变化。直到局部地区在马五5中也发现了白云岩储层,才对其相变规律有所重视。1994年,靖边气田北部的一口探井 (陕196井) 首次在马五5发现白云岩晶间孔储层及含气显示 (图 4),试气获工业气流,引起了勘探的关注 (陈志远等,1998)。但后续在该井区的追踪勘探证实马五5白云岩为小规模透镜体状、分布局限,勘探难度大。由于没有开展专门针对马五5小层的区域性岩相古地理编图,因而对于马五5是否存在大规模发育的白云岩储层、以及其分布规律又如何等问题,一直没有形成统一的整体性认识。

图 4 陕196井区马五5亚段气藏剖面图, 示马五5亚段岩性及含气性变化 Fig. 4 Gas reservoir sectional drawing of Ma5_5 submember in Shan 196 well field, shows the lithology and changes of gas-bearing of Ma5_5 submember
3 马五段小层划分 3.1 小层划分对比

考虑到钻井岩性特征的可对比性和测井岩性识别的可操作性,结合长庆油田在盆地中东部地区的勘探生产实践,通常以沉积旋回为主、综合相序和岩性组合及测井曲线特征等,将马五段自上而下划分为10个亚段 (表 1)。

表 1 鄂尔多斯中东部马家沟组马五段小层岩性特征简表 Table 1 Simple table of lithologic features of Majiagou Formation Ma5 section in mid-eastern Ordos

另外在靖边气田勘探早期也有以中部灰岩为界、将马五段分为上、下两个亚段的方案:下段 (马五6-马五10) 以膏盐岩、膏质白云岩及泥粉晶白云岩为主,厚度一般在100~250m左右,反映干盐湖及蒸发云坪为主的沉积环境特征,为海平面变化的高水位期 (相对静止时期) 的产物;上段 (马五1-马五5) 的底部以泥晶灰岩为主 (马五5小层),厚约25~30m,反映海进体系域沉积特征,上部 (马五1-马五4) 与马五下段有类似的环境及沉积特征,在研究区内一般厚60~90m左右。

按照目前在鄂尔多斯地区对下古生界、尤其是奥陶系进行新一轮深入勘探的需求,显然将马五段划分为10个亚段的“十分”方案,对勘探生产及地质研究的重要性更为突出。因此这里按“十分”方案将各小层 (马五1-马五10) 的沉积特征分别进行简要的叙述。

3.2 各小层沉积及岩性特征

马五1地层厚15~25m,岩性以泥粉晶云岩为主,部分层段含膏质结核,溶蚀后形成球状溶孔。主要形成于潮间带-潮上带沉积环境,发育含膏云坪、颗粒滩、泥云坪等亚相环境的沉积。纵向上自身构成1个小的层序旋回。在马五11、马五12、及马五13的含膏白云岩 (形成于含膏云坪亚相) 中发生膏溶作用,形成有效的溶孔型白云岩储层;在马五14的局部地区由颗粒滩相沉积的混合水白云岩化而形成细晶结构的白云岩晶间孔型储层。因此,从相的选择性来讲,滩、坪等沉积相区最易发生各类白云石化作用。

马五2地层厚6~9m,岩性以粉晶云岩为主,局部层段具膏模孔及溶孔。主要形成于潮间带沉积环境,主要发育云坪、泥云坪等亚相环境的沉积,局部也发育含膏云坪沉积。纵向上与马五3上部一起构成1个层序旋回。该段地层以富含均匀散布膏盐矿物为特征 (膏、云质缺乏层状分异),由于表生淋滤-充填作用常形成方解石质的膏盐矿物假晶,可在局部发育为有效的膏模孔型白云岩储层。

马五3地层厚25~30m,岩性以泥粉晶云岩为主,局部见角砾状构造,主要与风化壳期的膏溶垮塌有关。形成于潮下带-潮间带沉积环境,主要发育云坪、灰泥坪等亚相环境的沉积,局部洼地在间歇暴露期也发育膏盐洼地沉积。纵向上与马五4上部及马五2一起构成2个主要的层序旋回。该段地层由于膏盐矿物含量较少,或由于膏质物集中成层分布 (膏、云分异良好)、风化壳期淋溶塌陷后多呈角砾状构造,岩性较为致密,较少发育为有效储层。

马五4地层厚40~45m,岩性以泥粉晶云岩为主,上部发育含膏质结核的白云岩,局部溶蚀形成孔隙层段。主要形成于潮间带-潮上带沉积环境,发育 (潮上) 含膏云坪、膏盐洼地、(潮间) 云坪等亚相环境的沉积。纵向上与马五5及马五3的下部一起构成4个主要的层序旋回 (大体相当于Vail的四级层序)。其中最上部层序刚好位于加里东风化壳期风化淋滤深度带的下限附近,在马五41含膏白云岩 (形成于含膏云坪亚相) 中发生膏溶作用,形成有效的溶孔 (核模孔) 型白云岩储层。

马五5地层厚25~30m。岩性在靖西地区以粉晶结构的白云岩为主,向东至靖边及以东地区则相变为以石灰岩为主,局部夹白云岩。是鄂尔多斯地区奥陶系马五段地层分界的区域性标志层。主要形成于短期海侵的滨浅海沉积环境,靠近古隆起区为潮坪-滨岸台地,东部地区则主要为浅海沉积环境。

马五6地层厚80~180m,靖边以东的盆地东部盐洼区可达150~190m。靖西地区以泥粉晶结构的白云岩为主,局部见膏质白云岩;向靖边地区变为硬石膏岩与白云岩互层,鄂尔多斯地区东部则以石盐岩为主,间夹薄层白云岩。在靖边地区的硬石膏岩分布区,硬石膏岩厚度可占地层厚度的30%~60%,硬石膏岩单层厚多在2~5m,累计厚多在30m以上;靖边东部的横山-安塞盐岩分布区,盐岩厚度可占地层厚度的60%~70%,盐岩单层厚度多在8~15m,累计厚多在60m以上,鄂尔多斯地区东部的米脂盐洼区则达100m以上 (参见后文图)。主要形成于海退期的局限海蒸发台地沉积环境,靠近古隆起区为蒸发潮坪,东部地区则主要为局限盐洼沉积环境。

马五7地层厚15~20m。岩性主体多以粉晶白云岩为主,局部夹薄层膏质白云岩。主要形成于短期海侵的滨浅海沉积环境,靠近古隆起区为潮坪-滨岸台地,东部地区主要为浅海相沉积环境。

马五8地层厚10~25m。岩性在靖西地区粉晶白云岩为主,靖边地区为硬石膏岩与白云岩互层。盆地东部地区则发育有石盐岩层。主要形成于海退期的局限海蒸发台地沉积环境,靠近古隆起区为蒸发潮坪,东部地区则主要为局限盐洼-沼泽沉积环境。

马五9地层厚10~20m。岩性主体以粉晶白云岩为主,局部夹薄层膏质白云岩。主要形成于短期海侵的滨浅海沉积环境,靠近古隆起区为潮坪-滨岸台地,东部主要为浅海沉积环境。

马五10地层厚15~30m。靖西地区以粉晶白云岩为主,靖边地区为硬石膏岩与白云岩互层,盆地东部地区发育石盐岩层。主要形成于海退期的局限海蒸发台地沉积环境,靠近古隆起区以蒸发潮坪沉积环境为主,东部地区则主要为局限海盐洼沼泽沉积环境。

4 马五段的基本沉积特征 4.1 纵向沉积演化的旋回性

马五段沉积地层厚度一般在200~350m,从三级层序旋回看,仍处在一个大的海退沉积期,总体以蒸发岩-碳酸盐岩沉积为主。马五段内部又进一步表现出多个次一级的旋回性沉积特征,呈膏、盐岩类蒸发岩与碳酸盐岩交互的地层分布特征 (图 5)。

图 5 鄂尔多斯盆地东部奥陶系马五段沉积演化柱状图 Fig. 5 Columnar section of Ma5 member sedimentary evolution in Ordovician of eastern Ordos basin
4.2 横向岩性相变显著 4.2.1 海退期的小层岩相分布格局

马五10、马五8、马五6等海退期的蒸发岩沉积,主要形成于与外海相对隔离甚至完全隔绝的局限海沉积环境 (包洪平等,2004)。

其大区域的沉积相带分布 (岩相古地理) 格局,具有围绕东部盐洼呈环带状展布的特征。总体上东部地区水体受局限程度高、多发育盐岩沉积,而在靠近古隆起的盆地中西部地区,则硬石膏岩及蒸发潮坪白云岩为主。下面就以马五6期蒸发岩沉积为例来说明短期海退期的沉积相带 (古地理) 分布格局。(图 6)。马五段的膏盐岩即主要集中发育在马五6亚段,表明是海退持续时间较长的一个蒸发岩沉积期,在盆地中东部形成了厚层膏盐岩沉积层。沉积相带呈环绕米脂盐岩盆地的环带状分布特征,由内向外依次发育盐岩盆地、盆缘膏云斜坡、含膏云质缓坡、及环隆蒸发云坪等沉积相带,具有“牛眼式”的相带分布格局,基本反映了“干化蒸发”条件下的蒸发岩形成特征 (包洪平等,2004)。

图 6 马五期内次一级海退期岩相古地理格局及相带分布模式图 Fig. 6 Distribution model of lithofacies paleogeography framework and facies belts of secondary regressive in Ma5 stage

膏盐岩主要分布在靖边-志丹及其以东地区 (且靖边-志丹地区主要为硬石膏岩分布区、盆地东部则主要为石盐岩分布区),而乌审旗-吴起-富县的环带上则基本没有膏盐岩,主要发育泥粉晶白云岩,表明膏盐岩及白云岩的分布明显受沉积相带的控制。

4.2.2 海侵期的小层岩相分布格局

前已述及,马五段虽整体为一海退沉积层序,但其内部具有明显的震荡性旋回沉积特征,具体表现在蒸发岩沉积层之间也发育有短期海侵形成的碳酸盐岩沉积层,马五9、马五7、马五5等即是此类夹在蒸发岩之间的短期海侵沉积层。与马五10、马五8、马五6等蒸发岩沉积时的局限海沉积环境显著不同,马五9、马五7、马五5等短期海侵层序整体上处于与外海基本沟通的正常浅海沉积环境,主要发育正常海相的碳酸盐沉积层。在大的沉积相带分布格局上,短期海侵沉积层也具有围绕东部洼地呈环带状、或半环状分布的特征。总体上东部地区水体相对较深、多发育石灰岩,而在靠近古隆起的盆地中西部地区,则主要发育白云岩。

靖边西侧 (靖西) 地区的马五沉积期处在间歇暴露的古隆起区的东侧,其东为膏盐洼地沉积区,西为间歇暴露的中央古隆起区,在大的古地理格局上构成了区域岩性相变的沉积基础,也为其后白云岩化作用提供了特殊的成岩作用环境。虽然马五段沉积期整体处于大的蒸发岩-碳酸盐岩旋回的相对低水位期 (海退期),但其间也存在次一级的短期海进旋回的沉积,下面就以马五5为例来说明短期海侵沉积期间的古地理格局 (图 7)。

图 7 马五期内次一级海侵期岩相古地理格局及相带分布模式图 Fig. 7 Distribution model of lithofacies paleogeography framework and facies belts of Secondary transgressive in Ma5 stage

马五5亚期是夹在其间的一次较重要的次级海侵期沉积。其岩相古地理格局呈环带展布,自西向东依次发育环陆云坪、靖西台坪、靖边缓坡及东部灰岩洼地。东部洼地位于潮下带,沉积期水体开阔,与广海相通,主要沉积深灰色富含生物碎屑的泥晶灰岩,在局部地区有云化的迹象;靖边缓坡总体处于潮间带,主要以灰岩沉积为主,间夹泥粉晶白云岩;靖西台坪总体处于潮上和潮间交替发育带,马五5早期可处于潮下环境,如苏203井区马五53,该带主要以白云岩沉积为主,因古地形相对较高,水体较浅,在局部的高能带可形成台内藻屑滩微相沉积;环陆云坪靠近中央古隆起,主要处于潮上带,沉积物以泥晶白云岩沉积为主,但在加里东期多被剥蚀殆尽。因此,靖西台坪相带是形成白云岩储层最有利的部位,主要发育藻灰坪、藻屑滩、灰云坪等沉积微相,颗粒滩是最有利的沉积微相。在靖西台坪区的局部高部位,是台内滩相颗粒碳酸盐岩沉积发育的有利位置,经后期白云岩化后可形成有效的白云岩晶间孔储层,近期通过地质分析和地震储集体预测结合 (图 8),在马五5亚段预测了多个滩相沉积体 (杨华和包洪平,2011)。

图 8 古隆起东侧马五5亚段岩相古地理图 Fig. 8 Lithofacies paleogeography of Ma5_5 submember in east side of paleo-uplift
5 细分小层的岩相古地理编图

受控于海进-海退旋回性变化的影响,马五段本身就是由复杂的旋回性分布的膏盐岩与碳酸盐岩构成。因此,按传统的优势相方法编图,难以在一张图中准确反映出马五段沉积期的岩相及古地理分布格局。因而必须考虑细分小层的岩相古地理编图,才能更深入地认识马五段的沉积及其岩相古地理的演化特征,也有利于在勘探实践中精确分析主力目的层储层发育的相控因素。

编图原则及思路:首先是根据对盆地内钻孔资料的精细地层对比与小层划分,选取细分小层的编图单元,以确保各编图单元具有可靠的等时性依据;其次是编绘各单元的地层厚度图、膏盐岩分布图、云/地比图等关键的单因素平面分布图;再次是编绘各单元横跨不同岩相分区的岩相对比横剖面图、沉积模式图等重要的分析性图件;然后再综合各类资料,平剖结合、系统编绘各小层的岩相古地理图。

5.1 编图单元选取

按照岩性组合与沉积旋回特征,可将马五段划分为马五1-马五10共十个亚段,这10个亚段即是系统编图的基本单元。其中马五1+2、马五4、马五6、马五8、马五10为海退期沉积,岩性以蒸发岩、含膏泥-粉晶云岩为主;马五3、马五5、马五7、马五9为夹在蒸发岩层序中的短期海侵沉积,以粉-细晶云岩为主。

5.2 单因素图件编绘

在精细小层划分对比的基础上,系统编绘了马五1-马五10小层的地层厚度图。并针对马五5、马五7等重点层段,编绘了白云岩厚度图、云/地比图等基础图件,为后续研究白云岩相变规律及白云岩化机理等奠定了基础;针对马五10、马五8、马五6等含盐层段,编绘硬石膏岩、盐岩厚度图 (图 9),为确定沉积中心 (盐洼区) 提供基础。

图 9 奥陶系马五段马五6亚段膏盐岩分布图 Fig. 9 Gypsum-salt rock distribution of Ma5_6 submember in Ordovician, Ordos basin
5.3 基本分析图件编绘

一是针对不同沉积相区,优选典型代表性井段、分别编绘了沉积相及相序分析的柱状剖面图,以便于在纵向上更好地了解马五段沉积期的古地理演化特征;二是平面上选井编绘穿越不同相区的地层岩性横向对比剖面,以便于在横向上了解岩性相变的规律性及相序演化的特征;三是综合各方面资料分别编绘海进、海退期的沉积模式图及沉积演化模式图,以利于在三度空间的格架下更好地理解沉积层序演化的系统规律。

5.4 综合岩相古地理图编绘

在综合上述各类基础单因素图件及基本地质分析图件的基础上,系统编绘了马五1-马五10各小层的岩相古地理图 (图 10)。

图 10 鄂尔多斯盆地奥陶纪马家沟期马五1-马五10各亚期岩相古地理图 马五5亚期的见图 8 Fig. 10 Lithofacies paleogeography of Majiagou Formation Ma5_1 to Ma5_10 subage in Ordovician of Ordos basin For Ma5_5 are seen in Fig. 8
5.5 针对目的层段更细分层的“工业化”岩相古地理图

为了更精准地反映主要储层段发育的相控特征,可以在精细地层对比和小层岩相古地理编图的基础上,开展更细分层的针对主力目的层段的岩相古地理图编图,这对于油气勘探生产部署更具指导意义,可以真正地称其为是“工业化的岩相古地理编图”。

如在本区奥陶系风化壳储层的研究中,在前期马五1、马五2等亚段编图的基础上,又开展了针对马五13、马五41等主力目的层的更细分小层的古地理编图,更进一步明确了在较小的时空尺度内含膏云坪相带对马五13、马五41有效储层发育的控制作用;在针对马五5等白云岩晶间孔储层段的研究中,对马五5进一步细分为马五51、马五52、马五53三个小层,分别编绘各小层的岩相古地理图,以进一步明确白云岩化及有效储层时空演化的规律性。

6 沉积学研究及油气勘探指导意义

对马五段小层沉积相及岩相古地理的精细研究在鄂尔多斯中东部地区奥陶系天然气勘探中发挥了十分重要的指导作用,主要表现在以下几个方面:

6.1 对有利沉积相带 (相控储层) 的预测更为精准

对于风化壳储层而言,通过针对主力目的层段的沉积相编图及储层相控因素分析,明确靖边气田及其周边地区的马五13、马五41主力风化壳储层段均以膏质结核云坪及含膏云坪相带为主,是有利于风化壳溶孔型储层发育的沉积相区。

而对于白云岩晶间孔储层,通过对马五5、马五7、马五9等中组合主力储层段的岩相古地理编图并结合白云岩化对储层发育控制作用的认识,明确马五5、马五7、马五9等中组合及盐下的白云岩储层发育主要受台坪相带颗粒滩微相的控制,使近期针对中组合及盐下目标的钻探均取得了较好的勘探成效。

6.2 对短期海侵层序中的白云岩化机理认识进一步深入

马五段地层中发育马五5等短期海侵沉积层,通过对马五5等小层的岩相古地理编图,初步明确了其岩性变化的规律性及白云岩分布的区位性特征;再通过系统的从马五1到马五10各小层系统的岩相古地理编图,进一步认识到白云岩化与沉积层序演化旋回性的关系,明确马五5等短期海侵沉积层的白云岩化主要发生在后续海退沉积期的膏盐岩沉积阶段,即由于石膏层的沉淀所造成海水介质中镁钙比的大幅增加所形成的富镁卤水为处于浅埋藏成岩阶段的早期沉积层提供了丰富的镁离子来源;并进而在综合研究的基础上提出了针对古隆起东侧地区以马五5亚段为代表的短期海侵层序的白云岩成因模式,即大气淡水与“富镁卤水”混合的混合水白云岩化成因机理 (杨华和包洪平,2011)。当然这种成因类型仅适合于马家沟组马五5粗粉晶白云岩,对于马五段的马五1+2等层段的泥粉晶结构的白云岩成因则另当别论,应仍以蒸发泵模式解释更为合理。

6.3 推动中组合岩性圈闭大区带成藏认识的形成

在大区岩性相变认识的基础上,提出古隆起东侧的奥陶系马家沟组马五段中下部 (马五5-马五10) 发育白云岩晶间孔型储层 (明显有别于靖边地区的马五1+2溶孔型储层),向东区域性相变为石灰岩,燕山期鄂尔多斯盆地东部抬升后即构成有效的上倾遮挡条件;邻近古隆起地区白云岩储层与上古生界煤系烃源岩配置关系良好,有利于煤系生烃的规模运聚,其中岩性相变带附近是天然气岩性圈闭聚集成藏的有利区带,形成了中组合岩性圈闭大区带成藏的认识 (杨华和包洪平,2011)。

近期在奥陶系中组合 (马五5-马五10) 白云岩岩性圈闭气藏的勘探中已落实了桃33、苏203、苏127等多个含气富集区,其中10余口井获日产百万方以上高产工业气流。使中组合成为继风化壳之后最重要的碳酸盐岩勘探新领域。

6.4 催生奥陶系盐下“侧向供烃成藏”模式的建立

鄂尔多斯中东部地区奥陶系马家沟组马五6发育厚层膏盐岩,分布面积约5万平方千米,封盖条件较好,因此,盐下深层一直是天然气勘探关注的重要领域。但早期囿于对盐下气源及圈闭运聚等方面认识的局限,盐下勘探长期未取得实质性进展。近期在对马五段碳酸盐岩-蒸发岩层序细分小层的岩相古地理编图工作的基础上,在盐下白云岩储层发育、膏盐岩盖层分布、源储配置疏导、岩性相变遮挡等方面的认识进一步深化,逐步形成了由上古生界煤系烃源岩侧向供烃成藏的盐下天然气运聚成藏新模式 (杨华等,2014),为盐下天然气勘探带来了新的启示。近年来,针对鄂尔多斯盆地奥陶系盐下领域的天然气勘探已有多口井在马五6膏盐层之下的马五7白云岩储层中试气获工业气流,并显示出局部高产富集的特征,实现了盐下勘探的重大突破。

此外,细分小层的岩相古地理编图工作对于深时岩相古地理研究也有重要的促进意义。“深时”(DeepTime) 是以Soreghan GS教授为代表的古气候研究学者提出的古气候研究计划, 着眼于从沉积记录研究前第四纪地质历史时期的地球古气候变化, 并试图为未来气候预测提供依据 (孙枢和王成善,2009)。这一设想的提出主要基于地球的气候系统表现为一个在时间、空间以及各种尺度上的连续统一体,要想全面了解地球气候系统的变化范围, 以及控制这种变化的因素,必须要从整个地球历史的角度, 从各种空间尺度和时间尺度、各种精度下开展工作 (Soreghan et al., 2003)。同样对于岩相古地理研究,也完全有必要引入“深时”岩相古地理的工作思路,在连续的时间、空间以及各种尺度上展开统一、精细的岩相古地理编图工作,这对于古气候学、古生物学、考古科学乃至沉积学研究本身都具有十分重要的促进意义 (Cheek, 2013; McGowran, 2013; Fouache et al., 2010)。那么从这一角度来看,细分小层的岩相古地理编图则可以看作是“深时”岩相古地理的一项十分重要的基础性工作。

因此,细分小层的岩相古地理编图,可能代表了古地理学发展的一个重要方向,尤其是对于海相沉积层,因其代表的时限短、规律性更好把握;而且,小层古地理精细分析对于大区沉积环境研究、乃至受沉积环境继承性影响的近地表浅埋藏成岩作用研究 (如白云岩化等),也具有重要的指示意义;再者,对于油气勘探而言,与主要勘探目的层段厚度相当尺度的小层古地理编图,或可助力于储层发育及圈闭成藏等研究工作的深入,但这对陆相地层则可能难度较大。

7 结论

(1) 对于像鄂尔多斯盆地马家沟组马五段一类的海相旋回性较强的地层而言,细分小层的大区岩相古地理编图,有助于更精准地解决油气勘探中的储层预测等关键地质问题。

(2) 细分小层的系统化岩相古地理编图,更有利于从沉积演化的角度深度分析横向岩性相变与纵向层序旋回的时空变化与组合规律,对油气圈闭成藏及白云岩化机理的研究也大有裨益。

(3) 细分小层的岩相古地理编图,可能代表了古地理学发展的一个重要方向,因其代表的时限短、规律性更好把握,也更适应于油气勘探实践的需求。

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