0 引言
前人普遍认为鄂尔多斯盆地马五1-4亚段是以白云岩和灰质白云岩互层为主的风化壳岩溶储层， 形成以潮下带、潮间带为主的云坪微相［3］，主要储集空间为白云石晶间孔、球状（结核状）溶孔及构造微裂缝［4-6］，岩溶古地貌控制着溶孔和构造微裂缝的发育，为储层形成的主要控制因素［1，7-8］。随着下古生界地层取心的增加，以及对其显微和超微结构的进一步观察，发现（含）膏云岩因硬石膏的高溶解度和极低的力学稳定性，在风化壳岩溶发育过程中表现出与白云岩和灰岩互层风化壳截然不同的岩溶作用特征，（含）膏云岩储层引起了关注［9-13］，然而迄今对研究区风化壳中（含）膏云岩的发育层位和分布规律、主要储集空间类型等关键问题的研究不够精确。本文在前人研究基础上，将马五1-4亚段细分为12小层，编制各小层的沉积微相展布图，进一步明确优质储层发育与沉积旋回演化的关系。
鄂尔多斯盆地苏里格气田桃2区块马五1-4亚段风化壳厚约75~120 m，厚度远低于传统碳酸盐岩风化壳。马五1-4亚段形成于萨布哈环境，受海平面周期性变化的影响，形成5个向上变浅的沉积旋回，每一个旋回上部为潮上带（含）膏云岩沉积。分析发现所有海平面低位期发育的潮上带膏云坪恰恰是优质储层广泛发育的有利沉积微相，而潮间带白云岩、泥云岩沉积储集性能较差，潮下带云灰岩沉积岩性致密，不易形成储层。下伏马五5亚段为台地相灰黑色块状泥—微晶灰岩，原岩结构基本保存完好，受岩溶作用影响轻微，岩性致密，传统上将其视为风化壳的底板，俗称“黑腰带”。研究区马五1-4亚段为受风化壳岩溶作用影响的储层发育层段，储层层控特征显著，岩溶古地貌对风化壳储层的分布并不具有决定性控制作用。
笔者通过对研究区11口取心井的岩心描述及对测井曲线的准确标定，准确识别马五1-4亚段主要岩石组成；借助普通薄片、铸体薄片、染色薄片的偏光显微观察和扫描电镜超微分析研究孔隙类型和发育特征；结合海平面变化规律进行沉积微相划分和沉积旋回分析；在此基础上研究（含）膏云岩、白云岩和灰云岩互层发育的风化壳岩溶储层发育特征和展布规律，探讨研究区相控储层的形成机理，为鄂尔多斯盆地下古生界风化壳储层的扩边开发和长期稳产提供科学理论支持。
1 岩石学特征
苏里格气田桃2区块位于鄂尔多斯盆地中部［图1（a）］，北起乌审旗，南至靖边，在构造上位于伊陕斜坡向东部古坳陷的过渡带，整体上地势平坦，下古生界地层近水平展布，向西缓倾，倾角小于1°。马家沟组马五段沉积时存在4个古隆起，西部为中央古隆起，北部为伊盟古隆起，南部为渭北古隆起（富县—黄陵古隆起和芮城—永济古隆起）［图1（a）］。奥陶纪西高东低的构造格局对桃2区块马家沟期沉积格局有重要影响，使桃2区块长期处于台地边缘潮上坪环境，形成（含）膏云岩、白云岩和灰云岩互层沉积，而多层稳定连续分布的（含）膏云岩是导致研究区储层发育具有特殊规律的根本原因。加里东运动导致中、上奥陶统遭受剥蚀，马家沟组六段缺失，马家沟组五段也经受了不同程度的剥蚀和长时间岩溶作用的改造［图1（b）］。现今含硬石膏结核粉晶白云岩、粉晶白云岩是鄂尔多斯盆地下古生界主要的储集岩，形成特殊的（含）膏云岩风化壳岩溶储层，其岩石类型主要有（含）膏云岩、粉—细晶白云岩、泥—微晶白云岩、岩溶角砾岩和次生灰岩。
1.1 (含)膏云岩
（含）膏云岩外观呈灰褐色、土黄色，自然伽马值、深侧向电阻率值和浅侧向电阻率值均极低。缺乏生物，但发育某些菌藻类，层理不发育，整体呈块状。白云石晶粒细小，以他形粒状为主，以泥晶—细粉晶为主，石膏呈结核状、板状、柱状，呈星散状或团块状或局部富集状分布于白云岩中。孔隙类型以膏模孔及其伴生的胀缩微裂缝为主（图2）。
图2 膏模孔发育的（含）膏云岩（岩心照片）（a）陕50井，3 491.5 m，马五4 1小层，（含）膏云岩中膏模孔被泥质和方解石半充填—全充填，见残余孔隙，微裂缝发育；（b） 陕50井，3 490.2 m，马五4 1小层，（含）膏云岩中密集发育的膏模孔被泥质半充填，见残余孔隙；（c）桃35井，3 395.0 m，马五1 2小层，（含）膏云岩中未充填和局部充填膏模孔发育，并有微裂缝与之伴生 Fig.2 The dissolution pores of anhydrate crystals and nodules developed in gypsum bearing dolomite（core photograph） |
（含）膏云岩主要发育在向上海水变浅的沉积旋回顶部，主要见于潮上带环境。研究区马五1 3和马五4 1a小层是研究区内硬石膏结核白云岩最为发育的层位，以含硬石膏结核粉晶白云岩为主，硬石膏结核含量可高达20%~30%，裂缝发育，形成区内优质储层。储层发育较差的小层如马五2 1、马五3 1和马五4 2小层，偶夹硬石膏结核白云岩，一般为非储集层。
1.2 白云岩
研究区白云岩外观呈灰色—褐色，主要包括泥晶白云岩、微晶白云岩、粉晶白云泥岩，见极少量细晶白云泥岩，自然伽马值较低，深侧向电阻率值和浅侧向电阻率值均较高。常见水平纹层、波状纹层等沉积构造。粉晶—细晶白云岩具次生晶粒结构，晶粒呈凹凸—镶嵌接触，见纹层状构造，晶形多为似麦粒状或更粗，其晶径一般在0.05~0.25 mm之间。泥晶白云岩和微晶白云岩中的白云石晶粒细小，晶粒直径一般小于5 μm，大小均匀，呈他形粒状（图3），含一定量的泥质，呈块状构造，见去白云石化现象、似生物扰动构造，可见黄铁矿零星发育。泥—微晶白云岩经重结晶改造后呈镶嵌状结构，岩性致密，原生孔隙稀少。质纯的白云岩，其半自形—他形白云石晶体呈镶嵌状紧密接触，岩性致密，晶间孔和晶间溶孔均不发育。
白云岩分布广泛，多位于向上变浅的沉积序列的中部，多见于潮间带环境。研究区马五2 2、马五4 2小层中白云岩分布广泛，马五2 2小层以粉晶—细晶白云岩为主，偶含（含）膏云岩，晶径较小，具有一定的储集性，马五4 2小层则以泥—微晶白云岩为主，岩性致密，一般为非储集层。
1.3 岩溶角砾岩
岩溶角砾岩外观呈土褐色，主要由角砾和粗粒（砂级）杂基构成，角砾成分复杂，多与母岩成分一致，大部分为白云质，自然伽马值高，深侧向电阻率值和浅侧向电阻率值均较低。角砾间为离散的砂、泥粉晶白云石或少量砂屑颗粒充填，发育少量高角度不规则状小型溶缝。研究区岩溶角砾岩可进一步分为泥质支撑角砾岩、网缝镶嵌角砾岩、砾状支撑角砾岩和方解石胶结角砾岩等（图4）。
岩溶角砾岩在研究区马五1-4亚段各小层中均有广泛分布：在马五3 1、马五3 2、马五3 3小层等潜流带最为发育，多为岩溶建造岩，岩溶角砾岩厚度也较大；在马五4 1和马五4 2小层等滞流带也较发育，多为岩溶改造岩；在马五1 1、马五1 3、马五2 1小层等渗流带也可见到薄层的岩溶角砾岩层（岩溶建造岩）。岩溶角砾岩发育层段一般为高泥质含量层段。
1.4 次生灰岩
次生灰岩外观呈灰黑色，自然伽马值较低，深侧向电阻率值和浅侧向电阻率值均极高，普遍发育水平层理和波状层理，方解石晶形小于10 μm，结构均匀，以他形粒状为主（图5），岩性致密，不具有储集性。研究区灰岩多为次生成因，主要分布在厚层（含）膏云岩层之下。其原因是由于（含）膏云岩的去膏化过程导致岩石中的CaSO4溶出，使介质中的Ca2+浓度升高，而介质中Ca2+浓度升高使得Mg2+/Ca2+浓度相对降低，从而使白云岩发生去云化作用形成次生灰岩，研究区次生灰岩多为在风化环境下的（含）膏云岩经历膏岩溶蚀并发生去白云石化作用而形成。
次生灰岩、灰质白云岩和白云质灰岩位于向上变浅的沉积序列的下部，形成于潮下带环境，属于海进期沉积产物。研究区次生灰岩发育层位少，但分布层位相对稳定，在马五4 1b和马五4 2小层发育1~2薄层次生灰岩，与（含）膏云岩互层。
总体上，（含）膏云岩主要发育在海平面变浅沉积序列的最上部，主要为含硬石膏结核粉晶白云岩；白云岩多位于向上变浅的沉积序列中部，包括泥晶白云岩、微晶白云岩和粉晶白云泥岩；岩溶角砾岩多位于向上变浅的沉积序列中部，在研究区马五1-4亚段广泛发育；次生灰岩多位于向上变浅的沉积序列下部，一般发育在较厚层（含）膏云岩之下，以他形粒状为主，岩性致密。
2 储集空间类型及成因分析
2.1 储集空间类型
马五1-4亚段的孔隙类型以（含）膏云岩中硬石膏结核和晶体溶蚀形成的结核和晶体模孔（本文统称为膏模孔）为主，并常有胀缩微裂缝与之伴生。膏模孔呈球状、椭球形或不规则球形，直径一般为0.05~5 mm，以0.1~3.0 mm居多。膏模孔大小具有明显的自限性，受硬石膏结核和晶体大小制约，由硬石膏结核和晶体率先被溶蚀形成。（含）膏云岩的膏模孔存在一定扩溶特征，随后被渗滤白云石粉砂、方解石、泥质等局部或全部充填［图2（a），图2（b）］。膏模孔常发育在潮上带膏云坪，在马五1 2、马五1 3、马五2 1、马五3 1、马五4 1小层广泛发育，且成层稳定分布。与膏模孔伴生的胀缩微裂缝较常见［图2（c）］，一般不穿层发育，仅在（含）膏云岩层内分布。胀缩微裂缝呈网格状或树枝状，长度为1~3 cm，宽度一般为0.1~1.5 mm，多数未充填，有的进一步扩溶、或被白云石粉砂及方解石局部充填，少见有穿过（含）膏云岩层跨层分布的微裂缝。胀缩微裂缝同样发育在潮上带膏云坪内，常与膏模孔伴生发育。
研究发现，前人［6，18-20］认为的白云岩晶间孔或晶间溶孔，实际为硬石膏结核或晶体溶蚀并充填后的“残余”孔隙（图6）。白云岩晶间溶孔周围的白云石晶体呈他形，且有一定的溶蚀特征；而研究区细晶白云岩、粉晶白云岩晶粒呈半自形—他形镶嵌状紧密接触，岩性致密，晶间孔和晶间溶孔极不发育。图6所示（含）膏云岩的膏模孔普遍被认为是白云岩的晶间溶孔。将图6（a）放大后发现，溶孔周边的晶粒自形程度高，且没有溶蚀现象［图6（b），图6（c）］；图6（d）同样被认为是粉晶白云岩的晶间溶孔，但从其放大照片［图6（e），图6（f）］可以清晰地看出，溶孔周缘的白云石呈完整的自形晶，且无溶蚀现象，溶孔周缘的自形白云石、石英、重晶石等晶体实为深埋藏期充填的次生矿物，这些所谓的“晶间溶孔”实际上为膏模孔后期被自形铁白云石和萤石充填后的“残余”孔隙［图6（e），图6（f）］。如果不是依赖高分辨率扫描电子显微镜的识别能力，很难辨别出被充填后剩余孔隙量较小的“膏模孔”存在。此外，研究区所有类似的溶孔孔径大小相对均一，有很好的自限性，视后期被充填程度的不同，孔径在0.05~3 mm之间变化，最大孔径不超过硬石膏结核和晶体的大小，并在层内表现出较为明显的均质性特征，这些都并不符合晶间孔或晶间溶孔的结构特征。由此可知，研究区潮间带中质纯白云岩的“晶间溶孔”和“晶间孔”实际上并不发育。
图6 粉晶膏云岩中连续放大的半充填膏模孔（扫描电镜照片）（a）桃2井，3 418.16 m，马五4 1小层粉晶（含）膏云岩，膏模孔密集发育；（b）图6（a）放大显示；（c）图6（b）进一步放大显示；（d）桃35井，3 389.86 m，马五1 3小层粉晶（含）膏云岩，残余膏模孔密集发育；（e）图6（d）的放大显示；（f）图6（e）进一步放大显示，膏模孔被自形铁白云石、萤石等矿物充填，见残余孔隙 Fig.6 The continuously enlarged semi-filled mold holes of anhydrate crystals and nodules in powder crystal gypsodolomite（SEM photograph） |
综上所述，研究区马五1-4亚段风化壳岩溶储层的储集空间以（含）膏云岩中硬石膏结核和晶体溶蚀形成的膏模孔和扩溶膏模孔及与之伴生的胀缩微裂缝和扩溶微裂缝为主（图7）。前人认为的白云岩晶间溶孔、晶间孔和微裂缝等孔隙类型从数量和储集意义上都是次要的，因膏模孔及其微裂缝仅存在于（含）膏云岩中，在白云岩、灰质白云岩、泥质白云岩中不发育。
图7 研究区马五1-4亚段（含）膏云岩的膏模孔特征及与之伴生的胀缩微裂缝（铸体薄片照片）（a）陕225井，3 429.19 m，硬石膏晶模孔被微亮晶和亮晶淡水方解石局部或全充填，岩性致密，微裂缝发育，紫色铸体薄片，（-），×40；（b）桃53井，3 381.3 m，（含）膏云岩中硬石膏结核模孔被白云石粉砂、石英、方解石充填，胀缩微裂缝发育并连通膏模孔，红色铸体薄片，（-），×40；（c）桃47井，3 427.0 m，马五1 1小层硬石膏结核白云岩，胀缩微裂缝发育并将膏模孔连通，蓝色铸体薄片，（-），×40；（d）陕225井，3 455.90 m，粉晶白云岩中硬石膏结核模孔十分发育，胀缩微裂缝连同核模孔，紫色铸体薄片，（-），×40 Fig.7 The characteristics of mold pore of anhydrate crystals and nodules and the associated swelling microcracks in gypsodolomite in the Mawu1-4 sub-members in the study area （polarizing micrograph） |
2.2 储集空间成因
常温常压条件下，（含）膏云岩中石膏溶解度高，约为6 300 mg/L，极易率先发生溶蚀［21-22］，且石膏的力学稳定性极差，纵向易裂离，横向易断裂，徒手能碾碎；白云岩的溶解度为14.32 mg/L，硬度大于石膏，受力较易破裂；方解石的物理稳定性在3种矿物中相对最高，溶解度仅为12.28 mg/L，硬度在三者中最大，受力不易破裂。当台地隆升或海平面降低使萨布哈环境中沉积的（含）膏云岩处于大气淡水环境时，石膏以其强亲水性和高于白云石约20倍、高于方解石约30倍的溶解度率先发生溶解，硬石膏结核和晶体溶解后分别形成核膜孔和晶模孔，构成（含）膏云岩的“组构选择性”溶蚀孔隙。准同生期海平面下降和表生期遭受大气淡水淋滤作用，（含）膏云岩中的石膏遇淡水吸水膨胀，体积增大30%对基岩施压；软石膏溶解形成膏模孔释压，所以形成膏模孔同时会形成与之伴生的胀缩微裂缝，随后软石膏溶解形成膏模孔的过程又对基岩释压。施压和释压过程促使（含）膏云岩自身破碎不断并产生微裂缝，这也是研究区（含）膏云岩风化壳岩溶储层孔隙中微裂缝与膏模孔伴生且微裂缝不穿层发育的根本原因。此外硬石膏的溶解过程会向岩溶介质中释放SO4 2-和Ca2+。岩溶介质中SO4 2-浓度升高促使白云石溶解度大大提高，可进一步使膏模孔和胀缩微裂缝产生较小程度的扩溶现象。
综上所述，（含）膏云岩在岩溶作用的准同生成岩阶段和风化壳岩溶表生成岩阶段极易产生膏模孔和胀缩微裂缝的共生组合（图7），形成马五1-4亚段“小孔微缝”型储集空间，孔隙大小表现出明显的自限性和成层分布的规律性。（含）膏云岩是研究区优质气藏发育的物质基础。
3 沉积微相类型及发育规律
图8 马五1 2—马五3 1小层沉积微相平面展布（a）马五1 2小层；（b）马五1 3小层；（c）马五1 4小层；（d）马五2 1小层；（e）马五2 2小层；（f）马五3 1小层 Fig.8 Plane distribution of sedimentary microfacies of Mawu1 2-Mawu3 1 sublayers |
马五4亚段自下而上由一个海平面下降旋回组成，旋回上部马五4 1小层以（含）膏云岩为主，发育潮上带膏云坪微相；旋回中部马五4 2小层以细—微晶白云岩为主，发育潮间带云坪微相；旋回下部马五4 3小层以白云质灰岩、含泥质云岩为主，发育潮下带云灰坪微相。
马五3亚段自下而上由一个海平面下降旋回组成，旋回上部马五3 1小层以（含）膏云岩为主，发育潮上带膏云坪微相；旋回中部马五3 2小层以泥云岩、微晶白云岩为主，发育潮间带泥云坪微相；旋回下部马五3 1小层以泥云岩（岩溶角砾岩）为主，发育潮下带云灰坪微相；马五2亚段至马五4 1小层自下而上由一个海平面下降旋回组成，旋回上部马五1 4和马五2 1小层以（含）膏云岩和岩溶角砾岩为主，发育潮上带膏云坪微相；旋回中部马五2 2小层以粉晶白云岩为主，发育潮间带云坪微相，旋回下部马五3 1小层以泥云岩（岩溶角砾岩）为主，发育潮下带云灰坪微相；马五1亚段海平面持续低位，发育2个小旋回，马五1 3和马五1 2小层岩性以（含）膏云岩为主，主要发育潮上膏云坪微相。
4 储层相控特征
研究区潮上带（含）膏云岩连续成层分布，石膏呈结核状、板状或局部富集状分布于白云岩中，易发育膏模孔和胀缩微裂缝，具有极好的储集性能，主要分布在每一个海平面下降旋回上部的潮上带，形成潮上带膏云坪沉积微相。膏模孔孔隙大小受硬石膏结核和石膏晶体大小的制约，胀缩微裂缝与之伴生并进一步连通不同的膏模孔，孔隙大小表现出明显的自限性、孔隙分布表现出明显的均质性和成层性特征，膏模孔及与之伴生的胀缩微裂缝构成研究区风化壳储层的主要储集空间。研究区马五1-4亚段由5个海平面下降旋回形成的潮上带膏云坪、潮间带云坪和泥云坪、潮下带云灰坪和灰云坪沉积微相互层组成，其中膏模孔、扩溶膏模孔及与之伴生的微裂缝和扩溶微裂缝仅存在于潮上带膏云坪的（含）膏云岩中。由图10可以看出，潮上带膏云坪往往存在优质储层，优质储层也仅发育在潮上带膏云坪之中，可见研究区风化壳储层具有明显的层控特征，潮上带膏云坪微相是储层发育的主要制约条件。
以近N—S走向的连井剖面（桃2-8-29井—陕147井）为例，由5个海平面变浅旋回形成的潮上带膏云坪、潮间带云坪和潮下带灰云坪区域成层性分布明显，在各井间可对比性强（图11）。桃2区块马五1-4亚段的12个小层内，（含）膏云岩层一般发育在每一个海平面向上变浅旋回的最上部潮上带。马五4亚段中的马五4 3、马五4 2和马五4 1小层为海平面变浅的沉积旋回，马五4 1小层主要为潮上带膏云坪沉积；马五3亚段中马五3 3、马五3 2、马五3 1小层为海平面变浅沉积旋回，马五3 1小层下部为潮上带膏云坪沉积；马五2亚段至马五1 4小层为海平面变浅的沉积旋回，马五2 2、马五2 1、马五1 4小层为潮上带膏云坪；其上沉积的马五1 3、马五1 2小层海平面升降频繁，形成多个海平面持续低位沉积期（图10，图11）。因此导致马五1 2、马五1 3、马五1 4、马五2 1、马五2 2、马五3 1和马五4 1a小层的厚层（含）膏云岩在全区稳定分布，井间可对比性较强，膏模孔发育，因而形成优质储层；马五3 2、马五4 2小层以粉晶和泥晶白云岩为主，偶夹薄层（含）膏云岩，也具有一定的储集性；马五3 3、马五4 1b和马五4 3小层以云灰岩和灰云岩为主，且多发生角砾岩化，岩性致密，储集性差。在马五1 2、马五1 3、马五2 1、马五2 2和马五4 1a小层发育连续的、大面积的潮上膏云坪，具有成层分布的特点，优质储层的发育层位与潮上膏云坪的主要分布层位相对应，完全符合上述推论。由此可以得出，马五1-4亚段储层平面上受潮上带膏云坪微相展布的制约成层分布，具有明显的相控作用，研究区潮上带膏云坪微相是控制储层发育的最有利因素。
5 结论
通过分析苏里格气田桃2区块海平面变化规律，结合探井、岩心和偏光显微及扫描电镜超微分析资料，研究（含）膏云岩的孔隙发育特征，识别出不同的沉积旋回，在此基础上进行沉积微相划分，分析风化壳储层的相控作用特征和展布规律，探讨相控储层的成因机理，得出如下结论：
（1）苏里格气田桃2区块马五1-4亚段风化壳的主要储集空间类型为（含）膏云岩中的残余膏模孔、扩溶膏模孔及与之伴生的胀缩微裂缝，而非前人认为的白云岩晶间孔和晶间溶孔和构造微裂缝组合。因石膏具有强亲水性、且其溶解度远大于方解石与白云石，所以在（含）膏云岩和白云岩互层发育的研究区易形成组构选择性溶蚀特征显著的膏模孔及与之伴生的胀缩微裂缝；膏模孔孔径小、大小均匀、自限性和成层分布特征明显，横向上局限在含硬石膏结核白云岩层内，研究区储层具有独特的“小孔微缝”型孔隙空间特征。
（2）（含）膏云岩发育区的储层特征与碳酸盐岩储层特征明显不同。受萨布哈沉积环境的控制，优质储层的发育受沉积旋回演化的影响较大，研究区马五1-4亚段形成层状相控岩溶成因的地层圈闭气藏，潮上带膏云坪是形成优质储层的物质及环境基础。有利储层发育层位与潮上带膏云坪发育层位相一致。（含）膏云岩是储层形成的先天基础；低海平面潮上带膏云坪暴露环境是形成储层的决定因素，岩溶作用是储层形成的关键过程。
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