摘要 奥陶系马家沟组五段4亚段（以下简称“马五4亚段”）是靖边气田继马五5亚段之后重要的天然气接替产层之一，但其沉积微相研究相对薄弱，限制了对该气田马五4亚段的碳酸盐岩储层发育及天然气分布有利区的合理、准确预测。以靖边气田南部为例，在已有区域沉积背景研究成果的基础上，通过岩心观察、薄片鉴定和沉积相测井解释，识别研究区马五4亚段的沉积微相类型并刻画其平面展布特征，明确区内马五4亚段各小层沉积微相纵向演化规律。结果表明，靖边气田南部马五4亚段中、西部整体为局限台地亚相沉积，发育含灰云坪、灰云坪、含泥云坪、泥云坪、云泥坪以及含泥含灰云坪微相，蒸发台地主要分布于研究区东部，沉积微相类型以含膏云坪和含膏湖为主。马五34小层整体发育局限台地亚相，含泥云坪和泥云坪分布面积最广;马五24小层沉积时期，研究区东部蒸发台地沉积范围略有增加;马五1b4小层沉积时期，陆源泥质输入再次明显增加，中部地区广泛发育泥云坪沉积;马五1a4小层沉积时期，陆源泥质输入减少，区内广泛发育灰云坪沉积微相，局部地区发育蒸发台地亚相。沉积微相对天然气分布具有明显控制作用，灰云坪和含泥云坪为研究区马五4亚段天然气分布的有利沉积微相。研究成果可以为靖边气田碳酸盐岩储层分布有利区预测及天然气勘探开发方案部署提供科学依据。
关键词 沉积微相;碳酸盐岩;马家沟组;靖边气田;鄂尔多斯盆地
中图分类号：P631.81 "DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-06-005
Characteristics and evolution of sub-member Ma45 of Majiagou
Formation in southern Jingbian gas field， Ordos Basin
LI Baiqiang1，2，3， GUO Yanqin3，4， XU Hongjie1， WU Zhenzhen1， WANG Qicong3，4， ZHANG Xiaoli2，" JU Yinjuan2， LI Wenhou2
（1.School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China;
2.Department of Geology／State Key Laboratory of Continental Dynamics， Northwest University， Xi’an 710069， China;
3.Shaanxi Key Laboratory of Petroleum Accumulation Geology， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China；
4.School of Earth Sciences and Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065， China）
Abstract As one of the critical replacement production layers following the Sub-member Ma55 of the Ordovician Majiagou Formation in the Jingbian gas field， the sub-member Ma45 is limited in the reasonable and accurate prediction for the carbonate reservoir development and natural gas distribution because of the weak analysis on the sedimentary microfacies. Taking the southern Jingbian gas field as an example， the sedimentary microfacies type were identified and the planar distribution law was described， and the evolution law of sedimentary microfacies of different layers from the sub-member Ma45 was made clear in this paper through core observation， thin section identification and logging interpretation for sedimentary facies. The results show that the sedimentary subfacies of the sub-member Ma45 is dominated by restricted platform in the central and western study area， including lime-bearing dolomite flat， calciferous dolomite flat， mud-bearing dolomite flat， argillaceous dolomite flat， dolomitic mud flat， and mud-lime bearing dolomite flat. The evaporation platform is mainly distributed in the eastern study area， and dominated by gypsiferous dolomite flat and gypsiferous lake. The Ma4-35 layer is dominated by restricted platform， with the largest area of mud-bearing dolomite flat and mud dolomite flat development. During the sedimentary period of Ma4-25 layer， the evaporation platform area in the eastern study area increased. The content of terrigenous mud increases again when in the Ma4-1b5 layer sedimentary period resulting in the extensive development of mud dolomite flat in the central study area， while decreases during the Ma4-1a 5 layer sedimentary period resulting in the extensive distribution of calciferous dolomite flat development with local development of evaporation platform. The natural gas distribution is controlled obviously by sedimentary microfacies. The calciferous dolomite flat and mud-bearing dolomite flat are the favorable sedimentary microfacies for natural gas distribution of sub-member Ma45 in the study area.The research results is helpful for the prediction of favorable carbonate reservoir distribution areas and the deployment of natural gas exploration and development scheme in Jingbian gas field.
Keywords sedimentary microfacies; carbonate rock; Majiagou Formation; Jingbian gas field; Ordos Basin
鄂尔多斯盆地靖边气田是中国迄今为止发现的单层规模最大的海相碳酸盐岩特大型气田， 目前探明储量0. 90×1012 m3， 可采储量0. 54×1012 m3［1］。 自2003年起， 该气田50亿方天然气产量连续稳产20余年［2］。 从靖边气田的勘探历程来看， 20世纪80年代至1999年， 该气田经历了“气田发现、 气田整体解剖和气田集中探明”3个阶段［3-4］。 2000年至今被认为是该气田的“规模扩大”阶段， 在此阶段提出了“含膏云坪相带控制储层发育、 风化壳岩溶古地貌控制圈闭成藏”的认识［3-5］。 由此可见， 沉积微相对靖边气田碳酸盐岩有利储层分布以及天然气规模发育均具有重要影响。
随着鄂尔多斯盆地天然气勘探开发步伐加快，众多学者不仅对该气田北部［6-7］、东部［8］、西部［5，9-11］等地区岩溶古地貌、岩相古地理、白云岩储层特征、白云岩成因、天然气源等方面开展了深入研究，而且也将该气田南部作为近年来天然气勘探开发的重点区域之一，相关研究集中在碳酸盐岩储层特征及评价［12-14］、地层水分布及控制因素［15-16］、储层成岩演化［17］等方面。
奥陶系马家沟组五段4亚段（以下简称“马五4亚段”）作为靖边气田继马五5亚段之后重要的天然气接替产层之一，其沉积微相研究相对薄弱，限制了对该气田马五4亚段的碳酸盐岩储层发育及天然气分布有利区的合理、准确预测。因此，本文以靖边气田南部为例，在分析前人区域沉积背景的基础上，通过岩心观察、薄片鉴定和沉积相测井解释，综合识别研究区马五4亚段的沉积微相类型并刻画其平面展布特征，明确区内马五4亚段沉积微相纵向演化规律。研究成果有助于靖边气田南部的碳酸盐岩储层分布有利区合理预测，同时也为区内天然气勘探开发方案部署提供科学依据。
1 区域地质概况
鄂尔多斯盆地位于中国中西部地区〔见图1（a）〕，是一个大型多旋回复合叠合型克拉通盆地［18］。奥陶系沉积时期，该盆地以中央古隆起为界，东西沉积差异显著［19］。中央古隆起以西属于祁连海域，奥陶系岩石类型主要为碳酸盐岩和页岩;中央古隆起以东属于华北海域，发育地层主要为下奥陶统冶里组和亮甲山组，以及中奥陶统马家沟组，岩石类型主要为碳酸盐岩和蒸发岩［20］。由于受到3次三级海平面升降和气候周期性变化的影响，中央古隆起东侧马家沟组主要发育了一套巨厚的碳酸盐岩与蒸发岩共生沉积层系［20-22］，并根据岩性变化特征可将马家沟组自下而上划分为6个层段，即马一段至马六段。其中，马一段、马三段和马五段沉积时期为海退期，主要发育碳酸盐岩与膏盐、盐岩等蒸发岩的共生组合沉积，马二段、马四段和马六段沉积时期为海侵时期，主要发育石灰岩和白云岩，偶夹少量蒸发岩［3，23］。
研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中部〔见图1（b）〕，多次海侵-海退导致马五段地层内部在纵向上发生多次岩性变化，因此，可将其自上而下划分为马五1—马五10共10个亚段〔见图1（c）〕。在盆地中东部主要发育膏岩、盐岩、膏质白云岩、白云质膏岩等蒸发岩和碳酸盐岩组合沉积，而在盆地西南部主要发育石灰岩、白云岩、云质灰岩、灰质云岩、泥质云岩、泥质灰岩、泥岩等。研究区马五4亚段厚度介于0～47.5 m，平均38.0 m。根据地层的岩性及岩性组合和沉积旋回特征，可将其划分为3个小层，即马五14、马五24、马五34小层，各小层平均厚度依次分别为
12.1、11.5、13.5 m。
2 沉积微相类型及特征
2.1 主要岩石类型及特征
2.1.1 含膏云岩及膏云岩
此类岩石主要分布于研究区马五34、马五24和马五1b4小层，其白云石含量通常大于50％，其次为硬石膏。含膏云岩中的白云岩为泥晶结构，硬石膏或为粉晶絮状分布或呈结核状顺层分布，形成典型的鸟眼构造。膏云岩中的硬石膏为单晶或结核状集合体，发育缝合线构造。
2.1.2 含泥云岩及泥质云岩
此类岩石主要分布在研究区马五24和马五34小层。泥质组分在岩石中的含量变化较大，以伊利石为主，其次为高岭石。当泥质含量低时呈分散状态，而含量升高后呈层状与泥晶白云岩或膏岩互层。宁静的沉积环境一般形成规整的纹层构造，动荡的水体环境则形成紊乱状纹层构造〔见图2（a）〕。
2.1.3 含灰云岩及灰云岩
研究区含灰云岩多见于马五34和马五1a4小层，灰云岩主要分布于马五24和马五1b4小层。此类白云岩中白云石主要为粉晶或粉细晶〔见图2（b）〕，白云石粒径lt;0.005 mm或介于0.005～0.05 mm，多为他形或半自形晶体，展示出准同生白云石特征。岩石中常发育膏模孔〔见图2（c）〕、晶间孔隙以及部分晶间溶蚀孔隙，偶见示顶底构造。
2.2 沉积相识别标志
2.2.1 准同生白云石
同生或准同生白云石具有晶体细小（lt;0.005 mm）及他形晶体的典型特征，明显区别于浅埋藏阶段形成的自形-半自形粉、细晶白云石〔见图3（a）〕，以及深埋藏阶段形成的异型中、粗晶白云石，常含有大量暗色隐藻，指示高盐度蒸发海水或浅埋阶段高盐度孔隙水交代方解石的过程。
2.2.2 蒸发盐假晶及铸模孔
潮上带蒸发环境中沉积形成的蒸发盐类矿物在成岩作用过程中通常被方解石或白云石交代形成假晶构造〔见图3（b）〕，或被溶蚀形成铸模孔隙〔见图3（c）〕，当其被后期的机械沉积物或化学胶结物部分充填后则会形成示底构造。因此，蒸发岩假晶及铸模孔隙的存在也侧面反映了海平面相对较浅的潮上带蒸发环境。
2.2.3 纹层构造
白云岩中发育的纹层构造是蒸发台地潮间带环境的典型相标志之一。纹层构造一般由暗色富藻纹层与浅色富屑纹层构成，指示潮湿与干旱气候的周期变化。在相对宁静的沉积环境中纹层构造通常保存较好。而在动荡水体中，常形成波状或交错层理等流水沉积构造〔见图3（d）〕。
2.2.4 膏盐溶蚀角砾结构
含硬石膏或盐岩夹层的准同生白云岩，通常也明显指示蒸发台地沉积环境。早期在大气淡水溶蚀下，蒸发岩溶解引起地层坍塌，从而形成具有膏盐溶蚀角砾结构的泥晶、细粉晶白云岩。膏、盐溶蚀角砾往往含有大量膏、盐假晶以及膏、盐铸模孔隙，角砾成分单一并与基质成分基本一致，无分选、无磨圆。由于受表生期淡水淋滤作用的影响，角砾间基质部分在阴极射线下发光变得较角砾明亮。
2.3 沉积微相类型及特征
依据主要的岩石类型、储集空间类型、岩石结构及构造，并结合碳酸盐岩沉积相识别标志，认为靖边气田南部马五4亚段属于蒸发台地和局限台地亚相沉积环境［24-25］。此类沉积亚相通常形成于低海平面期潮间带上部到潮上带的滨海区（水深lt;50 m），其沉积环境多暴露于水上，遇风暴潮时被淹没。研究区马五4亚段沉积微相类型包括含灰云坪、灰云坪、含泥云坪、泥云坪、含膏云坪、含膏湖、云泥坪、含泥含灰云坪，各沉积微相基本特征如下。
2.3.1 含灰云坪、灰云坪
研究区含灰云坪、灰云坪中分别主要发育含灰云岩和灰云岩，两种岩石白云石含量均大于50％，灰质组分含量在含灰云岩中介于10％～25％，而在灰云岩中介于25％～50％。岩石中白云石以准同生白云石为主，多发育膏模孔隙、白云石晶间孔隙、晶间溶蚀孔隙等。
典型白云岩在测井曲线上一般表现为中等光电吸收截面指数（Pe）一般介于3.1～3.9 b／e，中等-高密度（DEN）一般介于2.75～2.84 g／cm，较低自然伽马（GR）一般介于5～25 API，低声波时差（AC）一般介于143～162 us／m，相对低中子（CNL）一般介于5%～10％等特征。石灰岩通常表现为高Pe、中等DEN、较低GR、低AC、低CNL特征［26-27］。因此，与纯白云岩相比，此两种白云岩中灰质组分含量均相对较高，含灰云坪和灰云坪的测井曲线特征一般表现为中等-高Pe、中等DEN、较低GR、低AC特征，并且随着灰质组分含量的增加，灰云坪段的上述电性特征更加明显（见图4）。
2.3.2 含泥云坪、泥云坪
区内含泥云坪、泥云坪中分别主要发育含泥云岩和泥云岩，两种岩石中白云石含量均大于50％，成分主要为伊利石，其含量在含泥云岩中介于10％～25％，而在泥云岩中介于25％～50％。岩石常发育纹层构造，包括安静水体下形成的规整纹层以及相对动荡水体下形成的紊乱纹层构造。
由于泥质组分测井上主要表现为具有低Pe、低DEN、高GR、高AC、相对高CNL，加之此两类岩石中的泥质组分含量明显高于纯白云岩，因此，纵向上含泥云坪、泥云坪发育段的测井曲线通常表现为中等-低Pe、中等DEN、相对高GR、较高AC、中等-高CNL特征，且随着泥质含量的增加，泥云坪段上述典型特征更显著（见图4）。
2.3.3 含膏云坪、含膏湖
含膏云坪、含膏湖中分别主要发育泥晶结构的含膏云岩和膏云岩，两种岩石中硬石膏含量分别介于10％～25％和25％～50％。含膏云岩中常发育典型的鸟眼构造，膏云岩中的硬石膏多为单晶或结核状集合体。由于硬石膏相对发育，所以含膏云坪和含膏湖微相在测井上通常表现为高Pe、高DEN、低GR、较低AC、相对低CNL特征，且随着硬石膏含量的增加，含膏湖微相的上述电性特征比含膏云坪更加明显（见图4）。
2.3.4 含泥含灰云坪、云泥坪
研究区马五4亚段含泥含灰云坪和云泥坪发育的主要岩石类型为含泥灰云岩和云泥岩。由于含泥含灰云岩中的泥质组分含量和灰质组分含量介于含泥云岩和含灰云岩之间，因此，含泥含灰云坪的各类测井曲线特征也介于两者之间。而云泥岩中的泥质含量介于白云岩和泥岩，因此，云泥坪沉积微相的电性特征一般介于纯白云岩和泥岩之间，且更倾向于泥岩电性特征。
3 马五4亚段沉积微相分布与演化
3.1 马五34小层沉积微相分布
研究区马五34小层的沉积相平面展布图显示（见图5），该小层整体发育局限台地亚相，仅在区内北部LZ以东S227井区、南部LDW以东Y873井区、东南部Y506-Y505-Y748井区等局部区域发育蒸发台地沉积。局限台地亚相中含泥云坪和泥云坪分布面积最广，占据研究区西部和中部大部分地区。含膏云坪主要环绕蒸发台地的含膏湖微相分布，含灰云坪主要呈东北—西南方向展布，分布于QYC—PG地区，最南部延伸至WJW以东Y1000井区。
3.2 马五24小层沉积相
马五24小层沉积时期仍以局限台地亚相为主，蒸发台地主要分布于区内LZ—Y883井一线以东地区和QGW南部Y964井区（见图6）。相比马五34小层，该时期研究区东部蒸发台地沉积范围略有增加，尤其在东北部S255-H6井区出现膏云岩沉积。此外，在马五24小层沉积时期，研究区中、西部整体表现为泥质组分输入的相对减少和灰质组分含量的相对增加，主要为含泥云坪和含灰泥云坪微相，少见泥云坪沉积。
3.3 马五1b4小层沉积相
与马五24小层相比，研究区中、西部地区在马五1b4小层沉积时期陆源泥质输入再次明显增加（见图7），主要表现为研究区XMW—YMJ—XC—SYG一线以东、LZ—TCW一线以西地区广泛发育泥云坪沉积，并且在XMW以南—WQZ以东—YMJ以西地区和SYG以东—XCV以西等地区发育云泥坪沉积。灰云坪沉积范围在该时期整体有所南移，并且往西南方向延伸至TCW以东Y885井区。该时期蒸发台地含膏湖微相范围在研究区东北部明显缩减，在东南地区略有增加，在J14井区和Y904井区也有发育。含膏云坪沉积微相则环绕含膏湖沉积微相分布。研究区东北部地区该时期沉积环境演变为含泥含灰云坪沉积微相。
3.4 马五1a4小层沉积相
研究区马五1a4小层的沉积相平面展布图显示（见图8），该小层沉积时期局限台地亚相沉积范围扩大至整个研究区，仅东部局部地区和东南部发育蒸发台地亚相沉积。该时期陆源泥质输入减少，区内广泛发育灰云坪沉积微相。含泥含灰云坪主要发育在SYG西南部Y1165井区、TCW北部Y964井以东—J18井以西地区，以及QYC以南地区，含泥云坪主要分布在XMW地区J70—Y940井区、南部Y883—Y885井区以及研究区东北部S255井区。WQZ地区泥质含量升高，以泥云坪沉积为主。区内中东部J14井区和东南部Y505井区沉积水体变浅、蒸发强度增大，主要发育以沉积含膏云岩为特征的含膏云坪微相。除此之外，其余区域均为含灰云坪沉积微相。
4 沉积微相对天然气分布的影响
已有研究表明，沉积微相环境是影响碳酸盐岩储层质量及天然气分布的重要因素之一［28-29］。通过综合分析天然气层测井解释结果、天然气产能数据与沉积微相之间的关系，认为靖边气田南部马五4亚段沉积微相对区内天然气分布具有明显控制作用。以马五1a4小层为例，测井解释的天然气层厚度多介于2～4 m，主要分布于研究区东部QYC—PG一线以南、H8井—Y883井一线以东、XH—WJW—Y506井一线以北、PG—Y506井一线以西地区，以及研究区西部CC以东、SGY东南、XC东北、YMJ以东、WQZ—XMW一线以南、J70井以西和Y915井北部地区。整体来看，研究区东部地区天然气分布范围较广，但厚度相对较薄。而研究区西部天然气分布多呈小范围相对连片、局部孤立分布，并且多数天然气分布的区域内气层厚度均大于4 m。结合实际天然气产能数据分析，发现高产井多位于气层厚度相对较大（一般大于4 m）的区域，而气层厚度相对较薄的区域（气层厚度一般介于2～4 m及小于2 m的区域）天然气产能也相对较低（见图8），表明测井解释的气层厚度分布规律较为可靠。
从气层厚度、天然气产能与沉积微相平面叠合图可以看出，天然气层多分布于灰云坪、含灰云坪、含泥含灰云坪以及部分含泥云坪中，但以灰云坪和含灰云坪为主，并且高产气井和厚气层基本都位于灰云坪沉积微相中。此外，通过对马五1b4、马五24和马五34小层沉积微相分布与天然气产能关系研究，发现马五1b4小层中的含泥云坪、泥云坪微相，马五24小层中的含泥云坪及含灰泥云坪微相，以及马五34小层中的含泥云坪、泥云坪和局部含膏云坪微相是天然气分布的主要沉积微相类型，但高产井多分布于含泥云坪微相中。
综上所述，靖边气田南部马五4亚段沉积微相对天然气分布具有明显控制作用。马五1a4小层天然气分布的最有利沉积微相带为灰云坪微相，马五1b4、马五24和马五34小层中的天然气分布最有利沉积微相带为含泥云坪微相。
5 结论
1） 靖边气田南部马五4亚段主要发育含膏云岩及膏云岩、含泥云岩及泥质云岩、含灰云岩及灰云岩，以及部分含泥含灰云岩和云泥岩。研究区中、西部整体为局限台地亚相沉积，发育含灰云坪、灰云坪、含泥云坪、泥云坪、云泥坪、含泥含灰云坪微相，蒸发台地主要分布于研究区东部，沉积微相类型以含膏云坪和含膏湖为主。
2） 靖边气田南部马五34小层整体发育局限台地亚相，含泥云坪和泥云坪分布面积最广;马五24小层沉积时期，研究区东部蒸发台地沉积范围扩大;马五1b4小层沉积时期，陆源泥质输入再次明显增加，中部地区广泛发育泥云坪沉积;马五1a4小层沉积时期，陆源泥质输入减少，区内广泛发育灰云坪沉积微相，仅局部地区发育蒸发台地亚相。
3） 靖边气田南部马五4亚段沉积微相对天然气分布具有明显控制作用。灰云坪微相为马五1a4小层天然气分布的最有利沉积微相，含泥云坪微相为马五1b4、马五24和马五34小层中的天然气分布最有利沉积微相。
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（编 辑 张 欢）
收稿日期：2024-07-03
基金项目：安徽理工大学高层次引进人才科研启动基金（2023yjrc81）；西北大学大陆动力学国家重点实验室开放基金（23LCD07）；陕西省油气成藏地质学重点实验室开放基金（PAG-202401）；国家“十三五”科技重大专项专题（2017ZX05005-002-04）。
第一作者：李百强，男，讲师，从事碳酸盐岩沉积与储层地质、常规与非常规油气地质等研究，15249246598@163.com。
通信作者：李文厚，男，教授，博士生导师，从事沉积学、石油地质学等研究，liwenhou@nwu.edu.cn。
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