天環(huán)凹陷北部上古生界氣水分布主控因素分析

王懷廠，任德生，候云東，張 輝

(1.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710018；2.北京油谷科技發(fā)展有限公司，北京 100084)

0 引 言

鄂爾多斯盆地是一個大型陸相含油氣盆地，位于中國中部地區(qū)，橫跨陜、甘、寧、蒙、晉5省區(qū)，是中國第二大沉積盆地，含油氣面積達25×104km2。近年來，部分學(xué)者對盆地天環(huán)凹陷的區(qū)域構(gòu)造、儲層條件、生油條件等方面做了較為深入的研究，但對氣水分布規(guī)律及其控制因素的研究相對較薄弱，對致密砂巖中天然氣的運聚特征、氣水分布模式及主控因素、輸導(dǎo)體系等方面的研究更為薄弱[1-9]。通過對構(gòu)造裂縫、輸導(dǎo)體系、氣水分布規(guī)律及主控因素的研究，建立研究區(qū)天然氣成藏模式，明確了天環(huán)凹陷北部上古生界氣水分布主控因素。

1 地質(zhì)背景

天環(huán)凹陷位于鄂爾多斯盆地西側(cè)，緊鄰西緣逆沖帶和陜北斜坡(圖1)。天環(huán)凹陷上古生界為一套海陸過渡相的沉積體系，自下而上依次發(fā)育本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組，山西組和下石盒子組是此次研究的主要含氣層段[10-11]。烴源巖主要為太原組和山西組的山2段的暗色泥巖。暗色泥巖厚度為20～100 m，具有從西向東變薄的趨勢。生烴強度為16×108～20×108m3/km2，為中等生烴強度區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造

2 氣水分布規(guī)律

上古生界氣藏氣水分布規(guī)律總體較為復(fù)雜：平面上具有大面積含氣、局部含水、水體多呈零星分布或局部連片的特點；剖面上在不同層位、不同的構(gòu)造部位均有水體的發(fā)育，氣水多層疊置，砂體呈孤立“透鏡體”狀，重力分異作用不明顯，沒有形成統(tǒng)一的氣水界面，但在局部物性相對較好的單一砂體中，氣水具有正重力分異現(xiàn)象。

研究表明，山1段—盒8下段—盒8上段，由下至上含水有逐漸增大的趨勢。山西組氣藏屬于“源內(nèi)成藏”，天然氣的充注強度大，驅(qū)替效果好，其河道優(yōu)質(zhì)砂體往往富氣，而在河道邊部或河道底部往往存在毛細管水、吸附水或滯留水體；盒8段氣藏屬于“近源成藏”，天然氣充注強度較源內(nèi)變?nèi)酰w賦存類型增多，如孤立砂巖“透鏡體”水及致密砂巖封隔的“透鏡體”水等水體類型[12-13]。

3 氣水分布主控因素分析

研究認為，控制研究區(qū)氣水分布的主要因素為有利沉積相帶、構(gòu)造裂縫、地應(yīng)力場的分布規(guī)律及微幅構(gòu)造等。

3.1 有利沉積相帶對氣水分布起至關(guān)重要的作用

有利的沉積相帶影響孔隙度和滲透率，進而影響儲層的氣水分布，氣層孔隙度為4%～12%，滲透率為0.1×10-3～2.0×10-3μm2。研究區(qū)高產(chǎn)氣井多數(shù)位于分流河道微相上，河道邊部或河道間以產(chǎn)水及低產(chǎn)氣為主。試氣結(jié)果表明，分流河道砂體物性好，多為氣層；河道邊部砂體物性稍差，多為含氣水層或水層，位于分流河道主砂體部位的B4井試氣獲得了日產(chǎn)20.24×104t/d的較好效果。

3.2 裂縫類型及發(fā)育規(guī)律影響天然氣富集程度及成藏層位

天環(huán)地區(qū)盡管缺乏規(guī)模較大的斷裂構(gòu)造，但巖心觀察結(jié)果證實，宏觀與微觀構(gòu)造裂縫比較發(fā)育。裂縫以高角度為主，力學(xué)性質(zhì)多數(shù)表現(xiàn)為張性或張扭性，充填性表現(xiàn)為無充填或半充填，此類高角度裂縫導(dǎo)流能力強，是天然氣發(fā)生垂向運移的主要通道，與儲層的有效結(jié)合影響和控制了天然氣的運移與富集。研究區(qū)經(jīng)歷了印支、燕山、喜山等多期構(gòu)造運動[14]。其中，燕山、喜山運動是該區(qū)成藏與成藏期后裂縫形成的重要時期，由此所形成的構(gòu)造裂縫系統(tǒng)廣泛發(fā)育，由于構(gòu)造應(yīng)力場作用的強度在空間分布上具有不均勻性，導(dǎo)致構(gòu)造裂縫的發(fā)育與分布的區(qū)域空間也同樣具有明顯的差異性和非均勻性，這對天環(huán)凹陷上古生界氣藏的形成以及后期調(diào)整起了重要作用，開啟的構(gòu)造裂縫系統(tǒng)使特低滲透儲層具有相對的高滲特征，成為天然氣運移良好的輸導(dǎo)體系。特別是高角度構(gòu)造裂縫系統(tǒng)，其控制了天然氣成藏層位和富集程度。裂縫溝通烴源巖與儲層，突出地表現(xiàn)在垂向上大大增加了天然氣輸導(dǎo)效率[15-16]；同時，在砂泥巖交互層間也存在構(gòu)造縫與砂體組合裂縫網(wǎng)絡(luò)的作用，其加強了流體垂向輸導(dǎo)，砂巖與裂縫的復(fù)合輸導(dǎo)模式使儲層與烴源巖更好地連通，有利于天然氣的運移與富集[17]。

天環(huán)地區(qū)高產(chǎn)氣井日產(chǎn)氣量與裂縫線密度呈指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.836 5，中低產(chǎn)氣井日產(chǎn)氣量與裂縫線密度呈近似線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.423 1。裂縫線密度高值區(qū)試氣相對產(chǎn)量高，低值區(qū)產(chǎn)量低(圖2)。天環(huán)地區(qū)儲層裂縫相對較為發(fā)育，在改善滲流作用方面起著重要作用。在氣藏內(nèi)部，裂縫溝通了鄰近的氣層、水層，對氣水分布起到了調(diào)整作用。

圖2 裂縫線密度與日產(chǎn)氣交會圖(36組數(shù)據(jù)點)

3.3 地應(yīng)力場作用下的流體勢場決定天然氣的運移與富集

地應(yīng)力場是天然氣聚集的主要動力類型之一，尤其是成藏期的構(gòu)造應(yīng)力場直接控制或影響天然氣運移聚集和分布。在地應(yīng)力場的作用下，天然氣從生烴凹陷高值應(yīng)力區(qū)(流體勢高值區(qū))向地應(yīng)力值低值區(qū)(流體勢低值區(qū))運移與富集[18-19]。

流體運移勢場與地應(yīng)力場基本是一致的，高地應(yīng)力區(qū)一般為高的運移勢區(qū)，低勢區(qū)(低應(yīng)力區(qū))及運移勢場變化比較陡的過渡區(qū)有利于天然氣的聚集，處于這些區(qū)域的氣井大多高產(chǎn)(圖3)。天環(huán)地區(qū)盒8下段流體勢為36～39 MPa，低勢區(qū)呈近似南北向條帶狀展布。

3.4 局部微幅構(gòu)造對氣水的分布具有一定的控制作用

微幅構(gòu)造對氣水分布也有較大影響。在物性較好、構(gòu)造起伏相對較大的單砂體內(nèi)部存在氣水分異，呈上氣下水的分布狀態(tài)，形成構(gòu)造-巖性型氣水分布模式。沿構(gòu)造脊方向的孤立砂體氣水分布具有上氣下水的特征(圖4)；橫切構(gòu)造脊方向的水體分布在孤立砂體的兩側(cè)微幅構(gòu)造低部位，高部位富氣[20]。

圖3 天環(huán)地區(qū)盒8下段流體勢平面分布

4 氣水分布模式

天環(huán)地區(qū)盒8段及山1段儲集體主要為三角洲平原及前緣分流河道砂體，主要為近源成藏組合。在早白堊世沉積后，隨著燕山運動構(gòu)造抬升的影響，地層西降東升，地層變化為西傾。在這種構(gòu)造背景下，先期氣藏的天然氣運移調(diào)整，向上及盆地東北部運移形成遠源成藏組合。下部烴源巖產(chǎn)生的天然氣自下向上充注，含氣飽和度自下往上呈逐漸降低的趨勢，天環(huán)地區(qū)山西組、石盒子組從三疊紀末期到白堊紀末期一直處于天然氣持續(xù)充注，為廣覆式含氣，生烴強度控制了氣藏區(qū)域上的宏觀分布格局。研究區(qū)生烴強度總體較弱，天然氣充注程度低，試氣井出水較多(圖5)。

圖4 沿構(gòu)造脊氣水分布模式

上古生界的儲蓋組合與運聚體系組合可劃分為3類：一是自生自儲式的源內(nèi)成藏，輸導(dǎo)效率高，天然氣富集；二是近源成藏，輸導(dǎo)效率較高；三是遠源成藏，高角度裂縫對氣藏富集起到主要作用，輸導(dǎo)效率相對較低(圖5)。

天環(huán)凹陷北部地區(qū)，水層主要分布在向斜部位，為相對富水區(qū)，向斜西翼部位以氣水同產(chǎn)井居多，東部以純氣井為主，從山1段至盒8上段主要含氣層系含水量從下至上有逐漸增大的趨勢。全區(qū)沒有統(tǒng)一的氣水界面，但在單一連通砂體單元中，構(gòu)造對氣水分異有明顯的控制作用，富氣區(qū)主要在微幅構(gòu)造高部位及構(gòu)造上傾部位。范圍相對較小的“局部水體”在全區(qū)均有分布，不存在通常意義下的“邊水氣藏”和“底水氣藏”及因區(qū)域構(gòu)造原因造成的連片水體。縱向上氣水層多層疊置，單砂體控制的獨立氣水系統(tǒng)呈上氣下水型(圖5)。

天環(huán)地區(qū)發(fā)育2種類型水體：一種為局部邊底水，發(fā)育于河道砂體及上傾砂體構(gòu)造的較低部位，天環(huán)向斜構(gòu)造底部位的兩側(cè)均為氣水同產(chǎn)區(qū)；另一

圖5 天環(huán)地區(qū)氣水分布模式

種為致密砂巖封隔的“透鏡體”和孤立砂體的“透鏡體”水，包括河道底部低凹處滯留“透鏡體”水體，發(fā)育于向斜和微幅構(gòu)造的較低部位，為相對富水區(qū)。盒8段天然氣多賦存于分流河道砂體內(nèi)，單砂體中相對低洼部位常賦存水，水體呈零星分布；厚層砂巖中天然氣聚集在頂部，底部基本含水；致密層對氣水分布起到隔擋作用，形成多個獨立的氣水系統(tǒng)。山西組氣藏由于緊鄰烴源巖，天然氣充注強度大，充氣飽滿，地層水被天然氣完全驅(qū)替，形成主要含氣層段。垂向上，從山1段至盒8上段含水有逐漸增大的趨勢。

當有高角度構(gòu)造裂縫發(fā)育時，2套或多套疊置的砂體通過裂縫進行連通，使氣水的分布突破隔夾層的控制得以溝通，并在微幅構(gòu)造高部位及構(gòu)造上傾部位的優(yōu)質(zhì)儲層內(nèi)聚集，逐漸形成現(xiàn)今的構(gòu)造-巖性型氣水分布格局。

5 結(jié) 論

(1) 天環(huán)向斜西部以氣水同產(chǎn)井居多，為氣水同產(chǎn)區(qū)；東部以純氣井為主。該區(qū)氣水產(chǎn)狀主要有上氣下水、氣水互層、氣水同層型，氣水分布沒有統(tǒng)一的氣水界面，縱向上氣水層多層疊置。

(2) 研究區(qū)復(fù)雜的氣水分布規(guī)律主要由天環(huán)凹陷的沉積微相、構(gòu)造裂縫系統(tǒng)、地應(yīng)力場、微幅構(gòu)造等因素共同控制，其中，構(gòu)造裂縫、地應(yīng)力場及沉積微相是氣水分布的主要控制因素。

(3) 天環(huán)凹陷北部地區(qū)存在3種氣水分布模式：一種為源內(nèi)純氣型，山西組下部屬于自生自儲式的源內(nèi)成藏，儲層臨近烴源巖，天然氣充注程度高，儲層含水量很??；另一種為近源氣水分布型，盒8下段和山1段儲層緊鄰烴源巖，屬于近源成藏，天然氣充注程度中等，對水的驅(qū)替效率相對較低，儲層多為氣層或含水氣層；最后一種為遠源氣水分布型，盒8上段儲層遠離烴源巖，屬于遠源成藏，天然氣充注程度相對較低，對水的驅(qū)替效率低，儲層多為含水氣層或純水層。構(gòu)造裂縫對氣水分布的調(diào)整起到至關(guān)重要的作用。