鄂爾多斯盆地蘇里格西部氣田“源控”主導(dǎo)的天然氣成藏研究

劉福田，李榮西，劉新社，楊鳴一，趙幫勝，吳小力，覃小麗

1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，西安 710054

2.中國石油長慶油田分公司勘探事業(yè)部，西安 710018

0 引言

油氣勘探理論作為油氣勘探的重要理論指導(dǎo)，經(jīng)多階段發(fā)展，逐漸從單一的海相、陸相生油論、背斜儲油到現(xiàn)在巖相、構(gòu)造、地層、巖性等控油，及近年來非常規(guī)油氣勘探理論的科學(xué)體系[1-4]。多種以降低勘探風(fēng)險、優(yōu)選有利靶區(qū)為目的油氣勘探理論被提出，并被勘探實踐所驗證，進而得到廣泛應(yīng)用[5-6]。其中，作為我國重大石油地質(zhì)理論創(chuàng)新成果之一的“源控論”，具有重要的理論意義和實際價值。一方面，“源控論”的理論本質(zhì)為油氣自烴源巖生成后，就近聚集在生油有利區(qū)或臨近地帶，這充分體現(xiàn)了“源”在油氣藏“生—儲—蓋—圈—運—保”連續(xù)性過程中的基礎(chǔ)地位。另一方面，其在松遼盆地油氣勘探被總結(jié)以來，在指導(dǎo)油氣勘探并獲得突破過程中一直發(fā)揮著重要作用[7]。

21世紀，隨著油氣勘探和開發(fā)程度的不斷深入，世界范圍內(nèi)分布廣、儲量大的低滲透油氣藏已成為油氣資源勘探的主要戰(zhàn)場[8-9]。鄂爾多斯盆地是我國最主要的低滲透油氣資源勘探和開發(fā)基地，其油氣勘探取得了舉世矚目的成就[10]。盆地內(nèi)的蘇里格氣田是我國最大的天然氣田之一，為典型的大型致密砂巖氣藏，具有原始地層壓力低、儲量豐度低、儲層物性差和砂體廣布連片等特性[11]。隨著天然氣勘探的不斷外延，蘇里格氣田西部探區(qū)因天然氣資源量大、勘探前景良好等因素受到廣泛關(guān)注[12-13]。研究表明，蘇里格西部氣田主力含氣層段為二疊系下石盒子組盒8段—山西組山1段儲層，其主要發(fā)育在盆地中北部平緩構(gòu)造背景上，為發(fā)源于北部物源區(qū)的近南北向展布的河流—三角洲沉積體系砂體，儲層砂體疊合連片大面積分布，非均質(zhì)性強、物性差，天然氣運移和聚集成藏機理復(fù)雜[14-18]。同時，鄂爾多斯盆地已發(fā)現(xiàn)的上古生界氣藏多位于盆地主要生烴中心及其周邊區(qū)域[19]，顯示出“源控”主導(dǎo)的天然氣運聚成藏是包括蘇里格西部氣田在內(nèi)的盆地各大氣田的主要成藏特征，而前人的研究對此雖有所涉及[14,19]，但系統(tǒng)性分析較少。為此，本文以蘇里格西部氣田相關(guān)資料為基礎(chǔ)，著重分析研究區(qū)天然氣地球化學(xué)特征的變化，并結(jié)合盆地?zé)N源巖分布與生烴特征，探討研究區(qū)源巖控制下的天然氣成藏特征及天然氣運聚成藏過程中的氣水關(guān)系，對理解研究區(qū)現(xiàn)今流體賦存格局及進一步指導(dǎo)天然氣勘探具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的西北部，整體構(gòu)造平緩，局部發(fā)育多排低幅度鼻狀隆起。在晚古生代整體濱海平原演化階段背景上，鄂爾多斯盆地發(fā)育了多個大型河流—三角洲沉積體系（圖1a）。研究區(qū)隸屬于杭錦旗和石嘴山兩個高建設(shè)性河流—三角洲沉積體系，在區(qū)域構(gòu)造平緩、沉降穩(wěn)定的背景下，依次沉積了上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組和山西組濱淺海、海陸交互相煤系地層和中上二疊統(tǒng)陸相碎屑巖，整體構(gòu)成了優(yōu)勢配位的生儲蓋成藏組合，即上古生界廣覆式烴源巖、滿盆毯狀砂體和區(qū)域性泥質(zhì)蓋層相互疊置，使包括研究區(qū)在內(nèi)的整個盆地富集了豐富的致密砂巖氣資源[20-21]。

研究區(qū)盒8段和山1段沉積期在整體濱海平原演化背景上，分別發(fā)育了具北部共同物源區(qū)的辮狀河三角洲和曲流河三角洲（圖1b，c）。在沉積相總體控制下，研究區(qū)盒8段—山1段儲層砂體整體呈南北向帶狀和透鏡狀等形態(tài)展布[22-23]。儲層巖石類型主要為粗—中粒巖屑砂巖和石英砂巖，填隙物含量高，其中膠結(jié)物主要為不同產(chǎn)狀的硅質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)物。研究區(qū)儲層砂體經(jīng)歷了長期多樣而強烈的成巖作用[24-26]，成巖期各種自生礦物的充填、膠結(jié)等復(fù)雜而強烈的破壞性成巖作用使儲層普遍致密化，物性較差，孔隙度多集中在7%～10%，滲透率多集中在（0.1～1.0）×10-3μm2，且縱向上，盒 8段儲層物性優(yōu)于山1段（圖2）[27-28]。

圖1 鄂爾多斯盆地上古生界沉積體系分布特征（據(jù)文獻[4]修改）(a)鄂爾多斯盆地上古生界河流—三角洲沉積體系分布特征（①伊盟隆起；②西緣沖斷構(gòu)造帶；③天環(huán)坳陷；④伊陜斜坡；⑤晉西撓褶帶；⑥渭北隆起）；(b)盒8段沉積相；(c)山1段沉積相Fig.1 Distributions of Upper Paleozoic depositional systems in the Ordos Basin（modified from reference[4]）

圖2 研究區(qū)盒8段—山1段儲層基本特征Fig.2 Basic characteristics of reservoirs in the eighth member of the Shihezi Formation and the first member of the Shanxi Formation in the study area

2 天然氣地球化學(xué)特征

本文對蘇里格西部氣田102口井（盒8段選井62口，山1段選井40口）的天然氣成分數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明蘇里格西部氣田天然氣成分組成以甲烷為主，重?zé)N（除甲烷以外的烴類氣體）含量普遍較低，含少量二氧化碳、氮氣及微量氫氣，一般不含硫化氫。本文通過分析研究區(qū)天然氣地球化學(xué)特征在縱向和平面上的變化等，研究了天然氣運聚規(guī)律。

由于天然氣各組分在地層水中存在組分溶解能力的差異[29]，本文在研究天然氣運聚規(guī)律之前，先對天然氣組分與相應(yīng)層位含水飽和度之間的相關(guān)性進行分析，結(jié)果表明，研究區(qū)的天然氣組分與含水飽和度不存在明顯的相關(guān)性（圖3），即在一定程度上排除了地層水溶解作用對天然氣組成的影響，從而為下文更科學(xué)地分析天然氣組成變化與天然氣運聚的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

2.1 地球化學(xué)縱向變化特征

通過對研究區(qū)主要探井的盒8段和山1段天然氣地球化學(xué)特征參數(shù)進行統(tǒng)計對比（圖4），可以看出，盒8段和山1段天然氣地球化學(xué)組成整體較為相似，但也具有一定的規(guī)律性差別。整體上，盒8段甲烷含量和甲烷系數(shù)（甲烷/總烴）比山1段略高，而重?zé)N含量略低（圖4a）。絕大多數(shù)探井的盒8段天然氣甲烷含量高于95%，甲烷系數(shù)大于0.95，重?zé)N含量小于3%，對比而言，山1段天然氣地球化學(xué)參數(shù)分布相對較分散，重?zé)N含量較高，整體表現(xiàn)出與盒8段相反的特征（圖4b，d）。結(jié)合曹鋒等[30]以天然氣組分和烴氣碳同位素等地球化學(xué)測試資料為依據(jù)，得出縱向上天然氣從下部山西組等煤系源巖層向上部山1段和盒8段近源運聚的認識。本文分析認為，盒8段和山1段天然氣組成的差異，是天然氣縱向上從山1段向上覆的盒8段運移，天然氣成分發(fā)生層析分餾作用的綜合反映，即反映了研究區(qū)天然氣從下向上縱向運移的特征，這與源巖主要鄰近下部山西組一致。

圖3 研究區(qū)盒8段—山1段天然氣組分與含水飽和度相關(guān)圖Fig.3 Relationships between gas components and water saturation in the eighth member of the Shihezi Formation and the first member of the Shanxi Formation in the study area

圖4 研究區(qū)盒8段—山1段天然氣地球化學(xué)總體特征（a）天然氣地球化學(xué)總體特征；（b）天然氣甲烷含量頻數(shù)分布直方圖；（c）天然氣甲烷系數(shù)頻數(shù)分布直方圖；（d）天然氣重?zé)N含量頻數(shù)分布直方圖Fig.4 Overall characteristics of gas geochemistry in the eighth member of the Shihezi Formation and the first member of the Shanxi Formation in the study area

2.2 地球化學(xué)平面變化特征

平面上，研究區(qū)盒8段和山1段天然氣甲烷含量和甲烷系數(shù)具有相似的分布變化特征（圖5a，d），具體表現(xiàn)為盒8段天然氣甲烷含量和甲烷系數(shù)在研究區(qū)西南部表現(xiàn)為高值區(qū)，總體上呈現(xiàn)出從西南向東北逐漸降低的趨勢。山1段天然氣甲烷含量和甲烷系數(shù)在研究區(qū)西部為高值區(qū)，總體上呈現(xiàn)出從西向東逐漸降低的趨勢。同時，山1段甲烷含量（>97%）和甲烷系數(shù)（>0.95）高值區(qū)占探區(qū)總面積的一半以上，整體較盒8段高含氣區(qū)面積更大，這應(yīng)與山1段緊鄰下部氣源巖天然氣供應(yīng)相對充足密切相關(guān)。

比較而言，重?zé)N含量與甲烷含量、甲烷系數(shù)具有相反的分布變化特征（圖5），表現(xiàn)為盒8段重?zé)N含量自西南向東北逐漸增加（圖5e），山1段重?zé)N含量由西向東逐漸升高（圖5f），整體趨勢與甲烷含量和甲烷系數(shù)分布呈現(xiàn)出一定的負相關(guān)性。

圖5 研究區(qū)盒8段—山1段天然氣地球化學(xué)平面特征Fig.5 Planar characteristics of gas geochemistry in the eighth member of the Shihezi Formation and the first member of the Shanxi Formation in the study area

研究表明，甲烷系數(shù)反映了天然氣干燥程度和成熟度，一般地，天然氣甲烷系數(shù)越高，成熟度越高，生烴強度越大[31-32]，且沿運移方向，天然氣甲烷系數(shù)具有減少趨勢。因此，甲烷含量和甲烷系數(shù)高值區(qū)、重?zé)N含量低值區(qū)代表氣源區(qū)，甲烷含量、甲烷系數(shù)整體減少趨勢方向及重?zé)N含量整體增大趨勢方向代表天然氣運移方向。

上述天然氣地球化學(xué)平面分布變化特征表明，盒8段和山1段天然氣氣源有所差異，盒8段天然氣來源于研究區(qū)西南部，天然氣從西南向東北方向運移。山1段天然氣除了來源于研究區(qū)西南部外，還應(yīng)有來自于西部源區(qū)的大量天然氣，這對于蘇里格西部氣田天然氣勘探具有重要意義，值得進一步研究和探討。

3 “源控”天然氣形成及對成藏的貢獻

鄂爾多斯盆地上古生界廣覆式烴源巖主要為煤系和暗色泥巖兩類，有機質(zhì)豐度高，類型為腐殖質(zhì)Ⅲ型，成熟度達高—過成熟階段，以生氣為主，是盆地的主要氣源巖[33-34]。研究表明，受沉積中心和熱演化中心的控制，鄂爾多斯盆地上古生界具有三個明顯的生烴中心，分別為天環(huán)坳陷中南部慶深2井區(qū)生氣中心、西緣塞1井區(qū)生氣中心和榆林—米脂生氣中心（圖6a），生烴中心區(qū)烴源巖厚度較大，熱演化程度高，生烴強度大，為大型—超大型天然氣田的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[19,35]。

蘇里格氣田天然氣于中晚侏羅世（170 Ma）開始生成，至早白堊世（120 Ma）為排出高峰期[36-37]。結(jié)合前述天然氣地球化學(xué)特征在平面上的分布變化規(guī)律，分析認為處于三個生烴中心之間的“三角地帶”內(nèi)的蘇里格氣田，整體處于天然氣運移的流體勢平緩低值區(qū)[14]，主要接受了來自周緣西南部慶深2井區(qū)生氣中心和西部塞1井區(qū)生氣中心，及少量東南部榆林—米脂生氣中心氣源的共同供給，這與現(xiàn)今研究得出的天然氣“近源運聚”觀點相一致[4,30]。氣田區(qū)大面積分布的由“工”形裂縫組合與儲集砂體共同構(gòu)成的孔—縫耦合型“網(wǎng)毯狀”輸導(dǎo)體系，是研究區(qū)天然氣“近源”垂向和側(cè)向運移的主要通道[4]。

研究區(qū)上古生界烴源巖厚度較大，煤層平均厚度為8 m，暗色泥巖平均厚度為40 m，具廣覆式分布特點（圖6b，c）。在廣覆式烴源巖發(fā)育背景下，研究區(qū)現(xiàn)今有機質(zhì)熱演化程度高，鏡質(zhì)體反射率（Ro）均值為1.8%，存在一定的原地成因氣。以當(dāng)前地溫梯度來分析[38]，研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造背景下，超過3 700 m埋深的上古生界煤系烴源巖目前仍然處于持續(xù)生氣狀態(tài)。因此，本文研究認為在研究區(qū)中西部（相當(dāng)于天環(huán)拗陷帶及其與斜坡區(qū)過渡帶）以及其南部鄰區(qū)烴源巖現(xiàn)今仍處于持續(xù)生氣階段（對應(yīng)的溫度大于120℃），埋深超過4 000 m的研究區(qū)西部目前處于大量生氣階段（對應(yīng)的溫度大于140℃）[39]。經(jīng)白堊紀末盆地整體大幅度構(gòu)造抬升以來，研究區(qū)煤系烴源巖生烴作用減弱但未停止，這些區(qū)域目前仍可能源源不斷地向“三角地帶”區(qū)的蘇里格氣田供氣（圖7），而現(xiàn)今埋深小于3 700 m的烴源巖目前處于生烴停止?fàn)顟B(tài)，對研究區(qū)天然氣基本沒有貢獻。

圖6 研究區(qū)上古生界烴源巖特征（據(jù)文獻[35]修改）(a)鄂爾多斯盆地上古生界生烴特征；(b)研究區(qū)上古生界煤系烴源巖分布特征；(c)研究區(qū)上古生界暗色泥巖分布特征Fig.6 Characteristics of the Upper Paleozoic source rocks in the study area（modified from reference[35]）

圖7 研究區(qū)盒8段和山1段底部埋深及現(xiàn)今狀態(tài)下煤系烴源巖生烴特征(a)研究區(qū)盒8段底部埋深及其下部煤系烴源巖現(xiàn)今生烴特征；(b)研究區(qū)山1段底部埋深及其下部煤系烴源巖現(xiàn)今生烴特征Fig.7 Bottom depth of the eighth member of the Shihezi Formation and the first member of the Shanxi Formation and hydrocarbon generation characteristics of the coal measure source rocks underlying them in the study area

綜合分析認為，在地質(zhì)歷史時期，研究區(qū)以三個生烴中心的上古生界廣覆式烴源巖為“源”，生烴產(chǎn)物天然氣在氣源區(qū)不斷積聚并向外運移。在異地?zé)N源巖控制下，天然氣主要由西南向東北、由西向東整體區(qū)域性向北運移，并與蘇里格等地?zé)N源巖形成的原地成因天然氣一同在優(yōu)勢儲層中聚集成藏；而現(xiàn)今埋深條件下，仍然有烴源巖持續(xù)不斷地生成天然氣，為蘇里格氣田貢獻新的氣源。

4 “源控”對氣水分布的影響

儲層含氣性與烴源巖的生排烴強度密切相關(guān)，生排烴強度控制著氣水分布的宏觀格局[40-41]。蘇里格西部氣田為多層系復(fù)合含氣區(qū)，該區(qū)天然氣藏呈大面積復(fù)合連片分布，且含水砂體發(fā)育，出水嚴重，整體上具有“南氣北水”的特征（圖8a）。研究表明，該區(qū)地層水具油氣伴生水特征，屬于天然氣充注成藏過程中留下的殘余地層水，其礦化度由南向北逐漸增大，表明地層水由南向北逐漸濃縮，應(yīng)代表原始地層水被驅(qū)替的方向[41-45]。結(jié)合天然氣地球化學(xué)的平面變化規(guī)律所反映的源巖控制下天然氣的區(qū)域性向北運移特征，認為來自于三個生烴中心的異地成因氣與部分原地成因氣沿優(yōu)質(zhì)砂帶區(qū)域性向北運移過程中，不斷驅(qū)替原始地層中的自由水向北運移。同時，由于儲層的非均質(zhì)性及天然氣充注強度的差異，致使局部束縛水滯留程度高而具有氣水產(chǎn)出情況多變特征。另外，研究區(qū)儲層含氣性與物性具正相關(guān)關(guān)系，而含水性與物性具負相關(guān)關(guān)系[4,41]，表明物性較好儲層段被天然氣主要占據(jù)，而物性稍差儲層段被地層水主要占據(jù)，這對于研究區(qū)儲層的氣水識別亦具有一定指示意義。

層位上，研究區(qū)盒8段和山1段儲層中地層水分布相對獨立，連通性差，應(yīng)為兩個彼此獨立的流體場，地層水整體具有“上多下少”的分布特點（圖8b）[41,46-48]，這與實際生產(chǎn)過程中的氣水產(chǎn)出特征相一致（圖8c）。結(jié)合天然氣地球化學(xué)特征的縱向變化，認為天然氣從下部的本溪組—山西組氣源區(qū)生成，向上依次運移至垂向上緊鄰的山1段和盒8段儲層，并驅(qū)替地層中的部分自由水向上運移，使地層水整體具有“上多下少”的分布特點。

綜上所述，研究區(qū)“源控”作用體現(xiàn)在平面和縱向上，即研究區(qū)在三個生烴中心的異地成因氣與部分原地成因氣控制下，天然氣驅(qū)動部分地層水區(qū)域性向北、向上運移，使研究區(qū)具有“南氣北水”和地層水“上多下少”的氣水分布總格局。

圖8 研究區(qū)盒8段—山1段氣水分布特征(a)研究區(qū)氣水分布平面特征；(b)研究區(qū)氣藏連井剖面示意圖；(c)研究區(qū)山1段和盒8段平均產(chǎn)水量Fig.8 Gas-water distribution characteristics of the eighth member of the Shihezi Formation and the first member of the Shanxi Formation in the study area

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)天然氣整體具有從西南向東北、從西向東及自下而上的運移特征，且盒8段和山1段儲層具有不同的天然氣來源，盒8段天然氣來源于研究區(qū)西南部，而山1段天然氣來源于研究區(qū)西南部和西部。

（2）結(jié)合上古生界烴源巖分布與生烴特征，認為研究區(qū)整體處于三個生烴中心之間的“三角地帶”，“源控”的異地成因氣與至今持續(xù)的原地成因氣共同為研究區(qū)大型氣田的形成提供了充足氣源。

（3）在源巖控制作用下，研究區(qū)天然氣運聚成藏過程中，天然氣驅(qū)動地層水區(qū)域性向北、向上運移，使研究區(qū)具有“南氣北水”和地層水“上多下少”的氣水分布總格局。