鄂爾多斯盆地東緣臨興地區(qū)上古生界烴源巖特征及其對天然氣成藏的控制作用

宋 平，郭明強(qiáng)，趙靖舟,4，李 軍,4

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.中海石油(中國)有限公司 非常規(guī)油氣分公司，北京 100011；3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011; 4.陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

引 言

在當(dāng)今能源需求不斷增長的背景下，隨著對常規(guī)大型油氣田發(fā)現(xiàn)的不斷減少，非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)對于緩解目前能源需求的壓力具有十分重要的意義。鄂爾多斯盆地致密砂巖氣主要分布于石炭系—二疊系，目前已發(fā)現(xiàn)的榆林、烏審旗、蘇里格、神木等大型致密氣田，顯示了鄂爾多斯盆地具有巨大的致密砂巖氣資源勘探潛力，是我國主要的天然氣增儲上產(chǎn)區(qū)之一[1-6]。臨興地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東緣和晉西撓摺帶內(nèi)，自2014年勘探以來，已經(jīng)有多口探井在本溪組-石千峰組地層中鉆遇致密砂巖氣層，且在太2、盒8、盒7、盒6、盒3、盒2、千5、千4、千3的氣層測試均見工業(yè)氣流，展示了臨興地區(qū)良好的勘探開發(fā)前景[7-8]。與已發(fā)現(xiàn)的榆林、烏審旗、蘇里格、神木等大型致密氣田的盆地中東部相比，臨興地區(qū)位于紫金山構(gòu)造帶，紫金山巖體的侵入對于烴源巖成熟生烴及氣藏形成與分布皆具有重要的影響，因此，可對臨興地區(qū)開展烴源巖評價(jià)，對搞清該區(qū)天然氣藏的形成機(jī)制和主控因素提供理論支撐，且對于推動(dòng)該區(qū)的勘探開發(fā)進(jìn)程具有重大意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

臨興地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣，構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東緣和晉西撓摺帶內(nèi)(圖1),面積為2 620.3 km2[9]。整體構(gòu)造相對簡單，為北東高，南西低的單斜構(gòu)造，局部由于受到紫金山巖體侵入的影響，形成了隆起區(qū)，且導(dǎo)致臨興地區(qū)東側(cè)斷裂發(fā)育，呈放射狀展布。依據(jù)構(gòu)造形態(tài)及斷裂的發(fā)育程度，將臨興地區(qū)紫金山構(gòu)造帶大致劃分為4個(gè)區(qū)：紫金山隆起帶、環(huán)紫金山斜坡帶、環(huán)紫金山向斜帶以及平緩構(gòu)造帶[10]。其中，由于紫金山巖體的侵入，臨興地區(qū)烴源巖的熱演化程度整體偏高，尤其在有火山巖侵入的位置，其有機(jī)質(zhì)成熟度異常高(Ro最高可達(dá)4.89%)。

根據(jù)臨興地區(qū)的鉆井資料及野外露頭揭示，本區(qū)上古生界自下而上依次發(fā)育上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)與太原組(P1t)、下二疊統(tǒng)山西組(P1s)、中二疊統(tǒng)石盒子組(P2sh)以及上二疊統(tǒng)石千峰組(P3s)。其中，發(fā)育于海陸過渡相沉積環(huán)境中的本溪組、太原組及山西組煤系地層為烴源巖；下石盒子組與千5地層為主要的儲集層；上石盒子組與石千峰組的厚層泥巖為主要的區(qū)域蓋層，山西組與盒5的泥巖為直接蓋層。

圖1 臨興地區(qū)地理位置及鄂爾多斯盆地氣田分布Fig.1 Location of Linxing area and distribution of gas fields in Ordos Basin

2 烴源巖特征

2.1 烴源巖的平面分布特征

2.1.1 烴源巖煤層分布特征

通過測井識別煤層，同時(shí)充分運(yùn)用巖心觀察及錄井資料，可知臨興地區(qū)煤層的測井曲線具有高聲波時(shí)差、高電阻率、低密度、低伽馬的特征。分析結(jié)果表明，臨興地區(qū)的煤層具有廣覆式分布的特點(diǎn)。臨興地區(qū)煤層厚度變化較大，橫向上山西組、太原組與本溪組的煤層分布范圍廣；縱向上煤層主要分布在太原組和本溪組。煤層厚度主要分布在15～20 m，均值約19 m，在康寧東區(qū)最厚達(dá)30 m，整體呈現(xiàn)由南向北煤層逐漸變厚再變薄的趨勢(圖2)。

圖2 上古生界烴源巖煤層厚度等值線Fig.2 Isogram of coal seam thickness of Upper Paleozoic source rocks

2.1.2 烴源巖暗色泥巖分布特征

臨興地區(qū)上古生界暗色泥巖也具有廣覆式分布的特點(diǎn)。暗色泥巖厚度主要分布在50～70 m，均值約58.9 m，局部厚度較大，在康寧東區(qū)最厚達(dá)110 m，整體呈現(xiàn)由西南向東北泥巖逐漸變厚再變薄的趨勢(圖3)。

圖3 上古生界烴源巖暗色泥巖等值線Fig.3 Isogram of dark mudstone thickness of Upper Paleozoic source rocks

2.2 烴源巖的地球化學(xué)特征

2.2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

臨興地區(qū)上古生界不同層位烴源巖的測試結(jié)果表明，臨興地區(qū)煤的有機(jī)碳含量為20.4%～87.32%，均值62.15%；生烴潛量0.71～309.37 mg/g，均值77.12 mg/g。臨興地區(qū)泥巖的有機(jī)碳含量0.09%～38.6%，均值4.59%；生烴潛量0.02～71.1 mg/g，均值2.64 mg/g(表1)。根據(jù)煤系烴源巖的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，臨興地區(qū)上古生界石炭—二疊系煤系烴源巖的生烴級別為中等[11-12]。

2.2.2 有機(jī)質(zhì)類型

烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型控制著生烴類型及生烴潛量，根據(jù)臨興地區(qū)上古生界煤系烴源巖的測試分析數(shù)據(jù)，通過最大熱解峰溫和氫指數(shù)，結(jié)合有機(jī)質(zhì)判識圖版分析臨興地區(qū)烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型。結(jié)果顯示，臨興地區(qū)上古生界煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)主要是以生氣為主的Ⅲ型，同時(shí)含有部分Ⅱ型(圖4)。

2.2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

臨興地區(qū)上古生界煤系烴源巖樣品的巖石熱解數(shù)據(jù)顯示， 臨興地區(qū)煤的Tmax值447～591 ℃， 均值474.97 ℃；泥巖的Tmax值312～567 ℃，均值472.13 ℃(表1)。

表1 鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)與神木氣田烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度對比表Tab.1 Comparison of organic matter abundance of hydrocarbon source rocks between in Linxing area and in Shenmu gas field, Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地東緣上古生界烴源巖有機(jī)質(zhì)類型判識Fig.4 Identification of organic matter types of Upper Paleozoic hydrocarbon source rocks in the eastern margin of Ordos Basin

根據(jù)烴源巖的有機(jī)質(zhì)成烴演化階段劃分及判識標(biāo)準(zhǔn)[12]，臨興地區(qū)的上古生界煤系烴源巖主要處于成熟—高成熟階段，部分處于過成熟階段。

臨興地區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度主要分布在0.7%～2.0%，處于成熟—高成熟階段。由于受到紫金山巖堿性雜巖體侵入的影響，康寧東區(qū)局部烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)到了生干氣階段(Ro>2.0%)。Ro值在平面上呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，紫金山隆起帶及平緩構(gòu)造帶的烴源巖熱演化程度較高，Ro值最高達(dá)4.89%(圖5)。整體上，臨興地區(qū)上古生界煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度較高，主要處于成熟—高成熟階段，部分處于過成熟階段。

圖5 臨興地區(qū)上古生界烴源巖Ro平面分布Fig.5 Plane distribution of Ro of Upper Paleozoic hydrocarbon source rocks in Lingxing area

2.2.4 生氣強(qiáng)度

臨興地區(qū)上古生界烴源巖的生氣強(qiáng)度通過煤和暗色泥巖的氣態(tài)烴產(chǎn)率與Ro關(guān)系圖版、臨興地區(qū)內(nèi)煤和暗色泥巖的厚度、密度、有機(jī)碳含量計(jì)算[13]，計(jì)算式為

Ggas=H·ρrock·TOC·r·10-3。

式中：Ggas為烴源巖生烴強(qiáng)度，108m3/km2；H為烴源巖厚度，m；ρrock為烴源巖密度，t/km3(煤取1.3×109t/km3，泥巖取2.6×109t/km3)；TOC為烴源巖的原始有機(jī)碳含量；r為烴源巖的產(chǎn)氣率，m3/tTOC。

計(jì)算臨興地區(qū)山西組、太原組及本溪組的煤和暗色泥巖的生氣強(qiáng)度，然后將其相加便得到臨興地區(qū)上古生界烴源巖的累計(jì)生氣強(qiáng)度。臨興地區(qū)生氣強(qiáng)度(10.22～44.86)×108m3/km2，主要分布在(15～20)×108m3/km2，在臨興地區(qū)西部及康寧東區(qū)局部達(dá)到35×108m3/km2以上。分別位于紫金山北側(cè)和西側(cè)的康寧采區(qū)及臨興地區(qū)西部的生氣強(qiáng)度較高，但從平面上看，紫金山對生氣強(qiáng)度的控制作用不太明顯(圖6)。

圖6 臨興地區(qū)上古生界烴源巖累計(jì)生氣強(qiáng)度平面分布Fig.6 Plane distribution of gas generation intensity of Upper Paleozoic hydrocarbon source rocks in Lingxing area

3 臨興地區(qū)與神木氣田氣源條件對比

臨興地區(qū)氣源條件比神木氣田略好，但總體上相差不大。臨興地區(qū)與神木氣田的烴源巖均為山西組、太原組及本溪組的煤系烴源巖，但在烴源巖的發(fā)育規(guī)模、有機(jī)質(zhì)豐度、烴源巖熱演化程度上存在一定的差異(表1、表2)。首先，神木氣田的煤層累計(jì)厚度小于臨興地區(qū)，但山西組的煤層比臨興地區(qū)厚很多。其次，神木氣田煤層的有機(jī)質(zhì)豐度低于臨興地區(qū)；而暗色泥巖的有機(jī)質(zhì)豐度高于臨興地區(qū)。最后，神木氣田煤層的成熟度低于臨興地區(qū)；暗色泥巖的成熟度高于臨興地區(qū)。與神木氣田相比，臨興地區(qū)的優(yōu)勢是煤層厚度較大，成熟度較高。然而，神木氣田山西組煤層比臨興地區(qū)發(fā)育，有熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，山西組煤的總產(chǎn)烴率是本溪組的2倍以上，在熱演化程度相似的情況下，山西組的生烴潛力比本溪組好，這也在一定程度上能夠彌補(bǔ)其烴源巖條件的不足[14]。因此，神木氣田的生氣強(qiáng)度略低于臨興地區(qū)，分布在(8～33)×108m3/km2。

表2 鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)與神木氣田烴源巖氣源條件對比Tab.2 Comparison of gas supply conditions of hydrocarbon source rocks between in Linxing area and in Shenmu gas field, Ordos Basin

4紫金山巖體侵入對天然氣成藏的影響

紫金山巖體是一套多期次形成的堿性雜巖體，從早期侵入到后期抬升冷卻主要分為3個(gè)階段：早白堊世，高溫巖漿侵入并快速降溫，使得圍巖溫度顯著增高；早白堊世晚期至古近紀(jì)，紫金山巖體處于相對緩慢抬升冷卻階段；自古近紀(jì)末期，紫金山巖體進(jìn)入相對較快的抬升冷卻階段[15]。臨興地區(qū)存在兩期天然氣成藏，第一期主要從晚侏羅世到早白堊世，烴源巖進(jìn)入生烴高峰期；第二期是從白堊世到始新世，由于紫金山巖體的隆升，臨興地區(qū)斷裂發(fā)育，原生氣藏被破壞，形成次生氣藏[10]。紫金山巖體活動(dòng)的第一個(gè)階段恰為臨興地區(qū)烴源巖的生烴高峰期，受高溫巖漿侵入的影響，臨興地區(qū)沉積巖熱演化程度整體偏高，在一定程度上增大了烴源巖的生烴總量。此外，通過巖心觀察及鏡質(zhì)體反射率檢測報(bào)告發(fā)現(xiàn)，臨興地區(qū)內(nèi)存在火山巖侵入體的位置有機(jī)質(zhì)成熟度異常高，最高可達(dá)4.89%。紫金山巖體活動(dòng)的第二、三階段主要處于抬升狀態(tài)，使得臨興地區(qū)環(huán)紫金山構(gòu)造帶斷裂發(fā)育，近源的原生氣藏遭到破壞，形成遠(yuǎn)源的次生氣藏，這是造成臨興地區(qū)多層系成藏的主要因素之一。

5 氣源條件對天然氣成藏的控制作用

烴源巖的生烴增壓和源儲濃度差是致密砂巖氣藏中天然氣的主要運(yùn)移動(dòng)力，因此，除提供氣源以外，烴源巖還提供天然氣運(yùn)移的主要?jiǎng)恿16-19]。這種情況下，氣源條件對天然氣藏在宏觀上的分布具有較為明顯的控制作用。平面上，臨興地區(qū)內(nèi)煤層厚度>11 m，生氣強(qiáng)度>11×108m3/km2的區(qū)域?yàn)楣I(yè)氣流井主要分布區(qū)，且在烴源巖條件較好的區(qū)域，其含氣性也較高(圖7、圖8)。天然氣的垂向運(yùn)移距離即為主力烴源巖與其垂向上最遠(yuǎn)距離的氣層或者差氣層之間的距離。臨興地區(qū)的上古生界天然氣垂向運(yùn)移距離是通過臨興地區(qū)內(nèi)探井的試氣成果確定其最遠(yuǎn)距離的氣層或差氣層，計(jì)算本溪組8#煤頂部到該氣層或差氣層的距離?？v向上，天然氣垂向運(yùn)移距離與煤層厚度和生氣強(qiáng)度表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性，由于受到紫金山巖體侵入的影響，臨興地區(qū)輸導(dǎo)體系復(fù)雜，其呈現(xiàn)出的正相性略差，但整體上表現(xiàn)為隨煤層厚度、生氣強(qiáng)度的增大，天然氣垂向運(yùn)移距離更遠(yuǎn)。在生氣強(qiáng)度>11×108m3/km2，煤層厚度>11 m的臨興地區(qū)內(nèi)，天然氣垂向運(yùn)移的最遠(yuǎn)距離超過800 m(圖9、圖10)。

圖7 生氣強(qiáng)度與無阻流量相關(guān)圖Fig.7 Correlation of gas generation intensity to open-flow capacity

圖8 煤層厚度與無阻流量相關(guān)圖Fig.8 Correlation of coal seam thickness to open-flow capacity

圖9 生氣強(qiáng)度與天然氣垂向運(yùn)移距離相關(guān)圖Fig.9 Correlation of gas generation intensity to vertical migration distance of natural gas

圖10 煤層厚度與天然氣垂向運(yùn)移距離相關(guān)圖Fig.10 Correlation of coal seam thickness to vertical migration distance of natural gas

6 結(jié)論與認(rèn)識

(1)臨興地區(qū)上古生界暗色泥巖主要分布在50～70 m，均值58.9 m；煤層厚度主要分布在15～20 m，均值18.9 m，整體呈現(xiàn)由南向北煤層逐漸變厚再變薄的趨勢。

(2)臨興地區(qū)氣源條件優(yōu)于神木氣田。神木氣田煤系烴源巖的發(fā)育規(guī)模比臨興地區(qū)略差，且煤層有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度均低于臨興地區(qū)。但神木氣田的山西組煤層比臨興地區(qū)發(fā)育，由于山西組煤層的總產(chǎn)烴率高，在一定程度上彌補(bǔ)了烴源巖條件的先天不足。

(3)臨興地區(qū)上古生界煤系烴源巖對天然氣藏的形成與分布具有明顯的控制作用。平面上，臨興地區(qū)內(nèi)煤層厚度>11 m，生氣強(qiáng)度>11×108m3/km2的區(qū)域?yàn)楣I(yè)氣流井主要分布區(qū)，且在烴源巖條件較好的區(qū)域，其含氣性也較高；縱向上，天然氣垂向運(yùn)移距離與煤層厚度和生氣強(qiáng)度表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性，由于紫金山巖體侵入的影響，臨興地區(qū)輸導(dǎo)體系復(fù)雜，其正相關(guān)性略差，但整體上表現(xiàn)為煤層厚度越大、生氣強(qiáng)度越高，天然氣垂向運(yùn)移距離越遠(yuǎn)。