鄂尔多斯盆地深层寒武系碳酸盐岩储层特征与主控因素

张春林，姚泾利，李程善，邢凤存，范立勇，莫午零，朱秋影,曾 旭

(1.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石油天然气集团公司天然气成藏与开发重点实验室，河北 廊坊 065007；3.中国石油 长庆油田公司，陕西 西安 710018；4.成都理工大学 沉积地质研究院，四川 成都 610059)

中国中西部盆地古老海相碳酸盐岩是近几年油气勘探的重要领域和前景区。四川盆地震旦系-寒武系安岳气田的发现[1-4]、塔里木盆地轮探1井在寒武系吾松格尔组大于8 000 m埋深取得的日产油134 m3、日产气45 917 m3的高产油气勘探突破[5-6]，推动了油气勘探向更老、更深区域的碳酸盐岩拓展。由于中国海相碳酸盐岩具有时代老、埋藏深、分布广、厚度大和岩石类型多等特点,同时受多期构造运动叠置影响，优质的古老海相碳酸盐岩储层发育规律与预测一直困扰着油气勘探工作[7-11]。但因受到人们的关注度与勘探程度等多方面因素的限制，鄂尔多斯盆地寒武系碳酸盐岩层系至今未取得重大突破，是否存在优质碳酸盐岩储层是其油气勘探的关键因素之一。前人对鄂尔多斯盆地寒武系做了一些研究，但受传统克拉通盆地沉积特征认识的束缚，人们常认为鄂尔多斯地区是一个统一的、平整的块体，内部无构造沉积分异，进而认为鄂尔多斯盆地广大地区于寒武纪张夏期发育了厚度较大的鲕粒灰岩、白云岩，三山子组沉积时期发育竹叶状白云岩、鲕粒白云岩等[12-16]。基于上述观点，前人就此认为鄂尔多斯盆内主体地区的张夏组和三山子组发育较好储层。但经过勘探实践证实，盆内的主体地区并不具备上述特点，往往发育潮坪的泥云岩和台内洼地的灰岩，仅在盆内主体的局部古构造高部位和盆地西南缘地区发育台缘滩和台内滩，并且其储层的差异性较大。为此，近年来笔者以构造-沉积岩相古地理格局研究为基础，应用该盆地钻遇寒武系的93口探井、16条野外剖面资料和近6 000 km的二维地震资料，详细分析了鄂尔多斯盆地寒武系碳酸盐岩的储层特征及分布规律，并结合油气运聚条件探讨其未来勘探方向。

1 寒武纪构造-岩相古地理格局

鄂尔多斯盆地寒武系自下而上沉积了辛集组、朱砂洞组、馒头组、毛庄组、徐庄组、张夏组和三山子组等地层，但未沉积与扬子地台下寒武统筇竹寺阶和梅树村阶相对应的地层[17]。近年来，笔者通过对前寒武纪的古地貌、断裂特征及岩相古地理的综合研究[18-19]，提出了 “五槽五隆(陆)两洼”的寒武纪隆-洼相间沉积格局(图1)。“五槽”主要指的是分布于盆地西缘的贺兰裂陷槽、定边裂陷槽、环县裂陷槽和盆地南缘的麟游裂陷槽、礼泉裂陷槽；“五隆(陆)”主要指的是伊盟古陆、庆阳古陆、吕梁古隆起、乌审旗古隆起和韩城古隆起；“两洼”主要指的是神木洼陷和宜川洼陷。受上述构造沉积格局控制，鄂尔多斯现今盆地范围内寒武纪并非 “铁板一块”的陆表海沉积，而是发育了滨岸、缓坡、碳酸盐岩台地、陆棚及海槽等沉积。

图1 鄂尔多斯盆地寒武系残余地层厚度Fig.1 Residual thickness of the Cambrian in the Ordos Basin

鄂尔多斯盆地寒武纪岩相古地理研究表明，其沉积充填过程具有明显的继承性超覆结构，整体表现为早期辛集组至毛庄组沉积期明显受到了早期断裂形成的隆-洼相间地貌格局控制，南部和西部地区是主体沉积区，具有明显的环鄂尔多斯古陆周缘(混合)沉积特点，以泥页岩、含磷砂岩和石英砂岩等碎屑岩为主，底部可见潮坪为主的白云岩。毛庄组沉积期，鄂尔多斯古陆已经淹没形成了多个孤立的古隆起区，并在古隆起周缘形成滨岸中-粗碎屑岩沉积；徐庄组沉积期，海平面快速上升、淹没了多个孤立的古隆起，徐庄组晚期达到最高水位，除伊盟古陆和吕梁古陆残存外，其余古陆及古隆起均被淹没覆盖，盆地主体区以潮坪沉积为主，周缘发育缓坡沉积，伴有风暴沉积，同时在盆地内部形成了多个台洼区，形成了潮坪云岩与台洼灰岩的横向间互组合；张夏组沉积期，水体波动性变浅，台地开始建造，地貌进一步填平补齐，鄂尔多斯盆地周缘形成了“L”型台缘高能鲕粒滩区，台地内部逐渐局限并形成多个台洼区，且受古构造高低起伏的控制，盆内的局部古构造高部位也会发育台内滩，但与盆缘相比较，其分布较局限，厚度较薄；三山子组沉积期，台地内部地貌已经平整化，以潮坪沉积为主，台缘周围仍然发育扩大化的台缘高能滩，同时该期以白云岩为主；三山子组沉积末期，受怀远运动控制，鄂尔多斯盆地开始隆升、遭受剥蚀，导致乌审旗-靖边地区的寒武系剥蚀殆尽，寒武系与奥陶系之间形成一个区域性风化壳。

2 碳酸盐岩储集体类型

鄂尔多斯盆地寒武系碳酸盐岩储层岩石类型多样，以白云岩为主，夹有少量的砂砾屑灰岩和角砾灰岩等。本研究以主控要素为分类基础，将鄂尔多斯盆地寒武系碳酸盐岩储层类型划分为相控型储层和构造强改造型储层两大类，并将相控型储层进一步划分为云坪、潮坪微生物岩、鲕粒滩(台内滩、台缘滩、内缓坡滩)、中缓坡或台地前缘滑塌等类型，将构造强改造型储层细分为表生岩溶和断溶体两种类型。除此之外，还识别出埋藏(热流体)岩溶储层(表1)。

表1 鄂尔多斯盆地寒武系碳酸盐岩储层类型Table 1 Carbonate reservoir types for the Cambrian in the Ordos Basin

2.1 相控型储集体

相控型储层主要以白云岩类储层为主，其中以云化鲕粒滩储层相对优质(图2a—c)。

鲕粒滩储层岩性主要为鲕粒白云岩和残余鲕粒白云岩，孔隙空间类型主要为溶孔(图2a)、粒间溶孔(图2b)、粒内溶孔(图2b)以及(溶蚀)微裂缝(图2a)，其在徐庄组-三山子组均有发育。按鲕粒滩储层发育背景，可划分为碳酸盐岩缓坡背景的内缓坡鲕粒滩、碳酸盐岩台地背景的台内鲕粒滩(图2a，c)和台地边缘鲕粒滩(图2b)，以台缘鲕粒滩更为有利。

图2 鄂尔多斯盆地寒武系相控储集体典型照片Fig.2 Typical micrographs showing the facies-controlled reservoirs of the Cambrian in the Ordos Basina.鲕粒白云岩内的溶孔和溶蚀缝，台内滩，张夏组，埋深3 096 m，榆9井；b.云化鲕粒滩内的粒间溶孔和粒内溶孔，台缘鲕粒滩，张夏组，埋深3 719 m，宁探1井；c.台内滩，张夏组，朔州右玉剖面；d.细晶白云岩内的溶蚀孔隙，云坪,张夏组，埋深3 129 m，宜2井；e.粉-细晶白云岩内的 晶间孔和晶间溶孔，云坪，张夏组，埋深3 380 m，龙探1井；f.树枝状微生物云岩，黄褐色细晶为主，潮坪，长山组，朔州下水头剖面

云坪储层主要在潮坪区发育，以粉晶-细晶白云岩为主，孔隙类型以晶间孔和晶间溶孔等为主(图2d，e)，可见微裂缝，云坪在馒头组-三山子组均有发育。

潮坪微生物岩主要发育在潮坪背景下，其主要发育在徐庄组-三山子组中，该类储集体主要以微生物白云岩为主，灰岩致密。图2f展示了树枝状微生物白云岩，野外观察土黄色区以粉晶-细晶为主，滴水吸收快，指示了比灰色致密区更好的孔隙性，并可形成良好的网状连通。

除以上相控型储集体外，还在鄂尔多斯盆地南部深水区发现了滑塌的砾屑白云岩和灰岩沉积，主要在徐庄组和张夏组中见及，而滑塌体内砾石溶蚀孔隙和微裂缝均发育(图3)，粒间可见溶蚀孔隙和微裂缝。

图3 鄂尔多斯盆地南部寒武系碳酸盐岩滑塌沉积储层典型野外照片Fig.3 Typical outcrop photos of slump carbonate reservoirs of the Cambrian in the south of Ordos Basina.细晶白云岩，滑塌砾石内溶蚀孔和微裂缝发育，徐庄组，上韩剖面；b.灰质云岩，滑塌砾石的溶蚀孔和微裂缝被黄土充填，张夏组，岐山剖面

2.2 构造强改造型储层

2.2.1 表生岩溶储层

表生岩溶储集体是中国深层油气勘探的重要领域之一，其在四川盆地、塔里木盆地和鄂尔多斯盆地均获得发现和重大油气突破[20-27]。鄂尔多斯盆地早古生代经历了两次重要的构造运动，分别为怀远运动和加里东运动，其中加里东构造运动造成鄂尔多斯盆地整体抬升，遭受约1.5亿年的风化剥蚀，致使盆地东部奥陶系顶部形成了大面积展布的岩溶风化壳储层，造就了著名的靖边大气田[28-29]。而发生于寒武纪晚期的怀远运动，虽然其活动时间仅为15.4 Ma，但足以造成寒武系顶部的岩溶储集体的形成。研究发现寒武系顶部的岩溶作用较发育，尤其是在盆地西南部的庆阳古陆、乌审旗古隆起以及吕梁古隆起等高古地貌地区，表生岩溶现象非常普遍。岩心观察与薄片鉴定表明庆阳古陆周边地区张夏组、三山子组中发育岩溶微裂缝(图4a，b，e)、岩溶角砾岩，常见的有高角度裂缝、水平缝和网状缝(图4e)等，局部岩心破碎或被裂缝切割成薄板状，局部裂缝交汇部位发育相对孤立溶孔，裂缝的发育能够连通孔隙，提高储层的渗透性能。

图4 鄂尔多斯盆地寒武系表生岩溶储集体特征Fig.4 Characteristics of epigenetic karst reservoirs of the Cambrian in the Ordos Basina.灰褐色鲕状灰岩，岩溶微裂缝，张夏组，埋深5 138.52 m，镇探2井；b.灰褐色白云岩，方解石充填于岩溶裂缝中，三山子组，埋深4 000.88 m，陇19井；c.灰色白云岩，溶蚀孔洞发育，部分被方解石充填，三山子组，兴县恶虎滩；d.细晶白云岩，溶孔发育，三山子组，中阳柏洼坪；e.表生岩 溶缝-溶洞型储层，粉晶白云岩，溶洞内见石英充填，长山组，河津西硙口剖面；f.残余鲕粒细晶白云岩，溶孔发育，张夏组，上韩剖面

同时，在吕梁古隆起周边地区的张夏组和三山子组中呈现出的溶蚀孔洞非常发育(图4c—e)，野外剖面揭示的溶蚀孔洞呈蜂窝状发育，直径介于1～35 cm，且方解石充填于部分孔洞之中；钻井岩心揭示出的溶蚀孔洞也较发育，大小以毫米级的溶孔为主，呈层状分布。上述特征皆说明庆阳古陆和吕梁古隆起周边地区遭受了表生岩溶作用，进而形成有利的储集体。

2.2.2 断溶体储层

塔里木盆地[30-33]和四川盆地[34]都存在断溶体储层。鄂尔多斯盆地东北部清水河剖面也可见典型的断溶体储层，图5a展示了其宏观特征。从照片中可以看出，断层近垂直于地层产状,形成竹枝状分支及明显的溶蚀缝洞结构，溶蚀缝洞壁有部分白色方解石胶结，但孔隙空间仍发育，因此储集性很好。除野外剖面外，其在二维地震剖面上呈现出断层带附近具有异常反射特征，图6展示了地鄂6井东侧断裂附近的寒武系具有明显的串珠状特征，而该地震剖面所在地区与清水河剖面相对邻近，因此，推测该特征所反映的极可能为断溶体储层。

2.3 其他储集体类型

除了以上储集体外，在野外剖面还发现了热液溶蚀所形成的斑马纹结构(图5b)，指示了热液的改造特征。因此，认为存在埋藏(热流体)岩溶储层，但其储层发育的范围和规模尚待揭示。

图5 鄂尔多斯盆地寒武系滑塌体、断溶体储集体特征Fig.5 Characteristics of slump and fault karst reservoirs of the Cambrian in the Ordos Basina.灰褐色灰岩，溶蚀缝洞发育，徐庄组，清水河剖面；b.灰褐色白云岩，热液溶蚀斑马纹结构，张夏组，上韩剖面

图6 鄂尔多斯盆地寒武系疑似断溶体地震反射结构特征(剖面位置见图1中AA′)Fig.6 Structural features of seismic reflection for the suspected Cambrian fault karst in the Ordos Basin

3 碳酸盐岩储集空间类型

综合以上分析，认为鄂尔多斯盆地寒武系碳酸盐岩储集体的储集空间类型主要包括孔、洞、缝3类。其中，孔主要包括白云石晶间孔、晶间溶孔、粒内溶孔和粒间溶孔等，洞主要是指表生岩溶作用所形成的溶洞，缝则是指溶蚀缝和微裂缝等。3类孔隙中以白云石晶间孔和晶间溶孔为主，其次为表生岩溶地区发育的溶孔及溶洞。

晶间孔、溶孔在鄂尔多斯盆地寒武系张夏组和三山子组中广泛发育(图4d，f)，是最主要的储集空间。镜下薄片鉴定揭示出晶间孔主要发育于细晶-中晶的白云岩中，多呈三角形或多边形，孔隙边缘平直，少见溶蚀现象，孔径一般为0.001～0.040 mm，面孔率一般为1%～4%。溶孔是白云石被溶蚀形成的，其形态不规则，孔径变化较大，一般为0.01～0.03 mm，面孔率为0.1%～6.0%，其分布形态为分散状或顺层密集状。

粒间和粒内溶孔主要发育在鲕粒白云岩(图2b)和竹叶状白云岩内，而在灰岩中相对不发育，但受表生岩溶作用影响也可形成鲕粒铸模孔(图7)。

溶洞是发育在岩层中(图2a，d，图3)，用肉眼就能观察到直径大于2 mm的溶蚀孔隙，在鄂尔多斯盆地东部吕梁古隆起周围张夏组、三山子组的岩心及野外剖面中较为常见，尤其是在兴县恶虎滩剖面的三山子组中非常发育。其成因主要是在寒武系沉积后，受到怀远运动抬升而暴露地表，接受大气降水、浅层渗透水和地下水的淋滤作用，发生溶蚀形成溶孔，后续受到多次、长时间的溶蚀改造，溶孔扩大进而变成溶洞。

微裂缝是寒武系白云岩重要的储集空间类型，在相控型储层内可见(图2a)，同时也是表生岩溶重要储集空间类型(图4a，b，e，f)。

溶蚀缝是盆地寒武系中的主要储集空间之一，主要发育于徐庄组、张夏组和三山子组中，由构造裂缝被溶蚀改造后形成，缝壁凹凸不平，缝宽大小不一，溶缝进一步溶蚀扩大就成为溶沟。溶缝中可见白云石、粘土矿物、石英和沥青等充填物(图4b，图5b)，认为其与埋藏时期的热液活动、有机质生烃充注有关。

4 储层发育主控因素与分布模式

4.1 储层发育主控因素

通过对寒武系沉积相和储层发育特征等方面分析，认为鄂尔多斯盆地寒武系储层发育主要受控于3个因素，即高能相带云岩、古隆起区表生岩溶和断裂活动。

对目前发现的寒武系储集岩类型进行分析，揭示其以白云岩为主，细晶以上的岩性储层相对发育(图2a，b，d，图4a，b， d，f)，而灰岩储层相对致密。同时，铸体薄片鉴定揭示此类储层主要发育于台内鲕粒滩、台缘鲕粒滩等高能相带区(图2a，b，图4f)，而相对低能的云坪地区的储层发育明显减弱(图5b)，反映出高能滩相对储层具有明显的控制作用。

鄂尔多斯盆地寒武系表生岩溶改造是储层形成的重要条件之一，古隆起也对储层发育程度起着控制作用。由于奥陶系沉积后怀远运动造成寒武系部分出露地表或者接近地表，白云岩地层受到大气淡水改造及破裂作用，进而形成溶蚀缝孔。表生岩溶不仅在白云岩类形成了丰富的储层(图4)，在灰岩类岩性中也可能形成储层(图7)，但从目前发现的储层看，仍然以白云岩叠加表生岩溶改造的储层更为发育。

图7 鄂尔多斯盆地神100井鲕粒铸模孔特征Fig.7 Characteristics of oolitic moldic holes in well Shen-100,Ordos Basina.鲕粒灰岩，徐庄组，埋深3 329.7 mm；b.鲕粒灰岩，徐庄组，埋深3 324.9 m

除此之外，断裂活动对储层的控制作用也较明显，尤其是断层密集区，易于输导流体，而形成断溶体。尽管钻井资料未明显揭示断溶体储层的存在，但野外剖面展示了典型的断溶体结构；除此之外，断层活动也可以产生微裂缝，对储层发育起到促进作用(图4e)。

4.2 储层分布模式

综合储层特征及主控因素分析，建立了鄂尔多斯盆地寒武系碳酸盐岩储层模式图(图8)。据其可知，云化颗粒滩型储层在徐庄组-三山子组沉积时期主要分布在盆地西缘、南缘的台缘带地区，而云坪相储层在徐庄组、张夏组沉积时期主要分布在盆地西南部的古隆起区，但在三山子组沉积时期可在盆地内部广泛发育。滑塌型储层主要形成于徐庄组沉积时期，且主要分布在盆地南部的台缘斜坡带。表生岩溶型储层主要发育于徐庄组、张夏组和三山子组等层段的白云岩发育区以及部分灰岩发育区，明显受到庆阳古陆、伊盟古陆和乌审旗古隆起的控制，在上述古构造高部位附近的岩溶高地和岩溶斜坡区，表生岩溶型储层非常发育。断裂改造型储层主要分布在基底断裂发育区附近，主要特征为微裂缝和断溶体非常发育。除上述之外，潮坪相带也可存在云化微生物岩储层。

图8 鄂尔多斯盆地寒武系储层分布模式Fig.8 Distribution model of the Cambrian reservoirs in the Ordos Basin

5 勘探方向

通过对鄂尔多斯盆地寒武系储层特征和分布的分析，认为鄂尔多斯盆地西南缘庆阳古陆周缘地区的寒武系不仅发育高能云化鲕粒滩，而且该地区受到怀远运动和加里东运动两期构造抬升的影响，长时间受到风化剥蚀淋滤，发育了晶间孔、晶间溶孔、溶孔和溶缝等多种储集空间的储集体。同时，该地区存在两套烃源岩：首先是广覆分布的二叠系煤系烃源岩，其可与庆阳古陆主体部位的寒武系储集体直接接触，形成新生古储的成藏组合(图9)，此种成藏组合在该地区最为现实、也最为有利；其二是鄂尔多斯盆地南缘寒武系底部发育的三道撞组烃源岩，对其野外露头详细取样并实测显示有机碳介于0.4%～14.8%，均值达到4.5%以上，有机质类型以Ⅰ-Ⅱ1为主，充分说明其可作为盆地南缘地区有利的烃源岩，结合该地区储层发育部位，认为其可构成自生自储的成藏组合(图9)。

图9 鄂尔多斯盆地西南缘下古生界成藏模式Fig.9 Accumulation pattern of the Lower Paleozoic at the southwestern margin of Ordos Basin

该地区的陇17、陇18和陇26等井在张夏组或者三山子组均钻遇岩溶缝洞型储集体，且获低产气流，岩心溶缝较为发育，局部岩心破碎，可见到相对孤立的溶孔。溶缝的发育能够连通孔隙，提高储层的渗透性能，表明盆地西南缘庆阳古陆周缘的寒武系岩溶型储集体具有较好的勘探前景。

6 结论

1) 鄂尔多斯盆地寒武系碳酸盐岩储层岩石类型以白云岩为主，夹有少量的砂砾屑灰岩和角砾灰岩等。储层类型为相控型储层和构造强改造型两大类，相控型储层可细分为云坪、潮坪微生物岩、风暴岩、鲕粒滩、中缓坡或台地前缘滑塌等类型，构造强改造型储层可细分为表生岩溶和断溶体两种类型，同时还包括埋藏(热流体)岩溶储层。

2) 鄂尔多斯盆地寒武系储集体的储集空间类型主要包括孔、洞、缝3类，孔主要包括白云石晶间孔、晶间溶孔、粒内溶孔和粒间溶孔等，洞主要为表生岩溶作用所形成的溶洞，缝为溶蚀缝和微裂缝等，3类孔隙中以白云石晶间孔和晶间溶孔为主，其次为表生岩溶地区发育的溶孔及溶洞。

3) 鄂尔多斯盆地寒武系储层发育主要受控于高能相带云岩、古隆起区表生岩溶和断裂活动等3方面因素，储集体主要分布于古隆起附近的岩溶高地和岩溶斜坡区、台内和台缘高能滩相分布区、断裂沟通的断溶体分布区及台内潮坪云坪、微生物白云岩发育区。庆阳古陆周缘地区发育岩溶缝洞型储集体，存在新生古储、自生自储的成藏组合，多口井获低产气流，是下步的主要勘探方向。