鄂爾多斯盆地東北緣神府區(qū)塊上古生界致密砂巖成藏特征

高計縣，孫文舉，吳 鵬，段長江

（1.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100016；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司，天津 300457）

0 引言

致密砂巖氣藏通常是指覆壓基質滲透率小于或等于0.1 mD 的砂巖氣層，單井一般無自然產能或自然產能低于工業(yè)氣流下限，但在一定經濟條件和技術措施下可以獲得工業(yè)天然氣產量［1-5］。近年來，圍繞鄂爾多斯盆地致密砂巖氣田的勘探開發(fā)，先后形成了巖性氣藏、深盆氣藏和連續(xù)型天然氣聚集理論［5-7］；明確了鄂爾多斯盆地在石炭系—二疊系（C—P）煤系烴源巖廣覆式生烴，河流—三角洲相多期砂體疊合發(fā)育、廣泛分布及源儲有利配置，是盆地內部大面積含氣和形成大型致密氣田的重要因素［7-12］。鄒才能等［2］首次提出了連續(xù)型油氣藏的概念，并將其定義為低孔滲儲集體系中油氣運聚條件相似，流體飽和度不均勻的非圈閉油氣藏。連續(xù)型氣藏的關鍵特征是“浮力不是成藏主要動力”和“大規(guī)模儲層普遍含氣”。在上述理論指導下，先后發(fā)現了蘇里格和大牛地等大型致密氣田，有效促進了鄂爾多斯盆地致密砂巖氣藏的有效勘探開發(fā)［4-5］。

隨著油氣勘探開發(fā)的深入，盆地東緣的臨興等區(qū)塊取得了較好的勘探開發(fā)進展［6，10，13］。神府區(qū)塊位于臨興區(qū)塊北部，上古生界也發(fā)現了多套致密砂巖氣藏［13］，但與鄰區(qū)和盆地內部致密氣田對比，其氣層發(fā)育層位、單井平均鉆遇氣層厚度和單井平均試氣產量等均具有顯著差異。這些差異是如何形成的，其成藏模式是否具有特殊性，特別是烴源巖和致密砂巖氣儲蓋條件和輸導特征等，尚未開展詳細研究。通過對神府區(qū)塊影響致密砂巖氣富集成藏的烴源巖、儲層、蓋層和輸導體系等4 個主要因素進行系統研究，結合區(qū)域埋藏史，探討致密砂巖氣富集成藏模式，以期為后續(xù)勘探開發(fā)部署提供指導。

1 區(qū)域地質特征

神府區(qū)塊構造上位于鄂爾多斯盆地東北緣伊陜斜坡和晉西撓褶帶過渡帶，西側緊鄰神木和大牛地兩大千億方大氣田［14］（圖1）。整體呈北東—南西向單斜構造特征，中部發(fā)育田家寨低幅背斜構造，構造形態(tài)自深至淺具有較好的繼承性。

研究區(qū)上古生界沉積演化呈現由海陸過渡相向陸相過渡，其中上石炭統本溪組和下二疊統太原組發(fā)育海相障壁島—潮坪沉積體系，下二疊統山西組主體為三角洲沉積體系，中二疊統石盒子組為河流—三角洲沉積體系，上二疊統石千峰組轉變?yōu)殛懴嗪恿鞒练e體系（圖2）。本溪組沉積微相類型主要有潮汐水道、砂坪、混合坪、泥坪、障壁砂壩、潟湖泥炭沼澤等。其中潮汐水道是優(yōu)勢相，砂體厚度大，呈近南北向展布，砂坪相薄層砂體大面積連片分布。太原組和山西組均處于海盆向內陸轉化的過渡期，沉積環(huán)境由濱淺海轉變?yōu)殛懴嗳侵摅w系，微相類型以近南北向展布的水下分流河道、水下分流間灣、分流河道和分流間灣為主。石盒子組發(fā)育三角洲平原河道砂體，是整個二疊系砂體最發(fā)育的層段。石千峰組以陸相河流沉積為主，主要發(fā)育辮狀河沉積［5，14-16］。

2 致密氣成藏條件

鄂爾多斯盆地東北緣神府區(qū)塊上古生界自本溪組至石千峰組均鉆遇氣層，但氣層鉆遇率大于50%的層段集中分布在本溪組、太原組和山西組含煤地層中，石盒子組和石千峰組僅在局部井區(qū)鉆遇氣層。相較鄰近的臨興等區(qū)塊，神府區(qū)塊氣層厚度薄，單井鉆遇氣層平均厚度29.6 m（表1）。其中在山2 段、盒8 段、太2 段和本1 段鉆遇氣層的井數明顯高于其他層位。在單層氣層厚度方面，盒8 段明顯高于其他層段，在統計中將其分為上、下共2段。此外，千5 段、盒4 段、本2 段、山2 段和太2段厚度也相對較大，均在5 m 以上。在氣層鉆遇率方面，以山2 段、本1 段、盒8 段較高，說明研究區(qū)在海陸過渡相的障壁—潮坪砂體和河流相砂體均有發(fā)育，均具有勘探開發(fā)潛力。

表1 神府區(qū)塊各層段氣層鉆遇率統計Table 1 Drill-in rate of gas layers in Shenfu block

2.1 烴源巖特征

研究區(qū)烴源巖包括本溪組、太原組和山西組的煤層和暗色炭質泥巖，其中本溪組頂部8+9 號煤和山西組下部4+5 號煤是研究區(qū)的主力烴源巖［17-21］。已鉆井鉆探結果顯示，2 套主力煤層厚度較大，展布穩(wěn)定。其中8+9 號煤層厚度為8.2～24.3 m，平均為13.4 m［圖3（a）］。煤層厚度在研究區(qū)西北部最厚，達20 m 以上，在南部和中部平均在14 m 以上，提供了較好的烴源巖條件。

烴源巖生氣強度是指單位面積烴源巖中有機質在當前熱演化程度下，所生成的天然氣體積［21］。鄂爾多斯盆地東緣上古生界煤系有機質均以Ⅲ型為主，屬于氣源巖范疇，生氣強度即可視為生烴強度［22-24］。將烴源巖成熟度作為衡量生烴強度的主要指標之一，選取主力烴源巖8+9 號煤65 個樣品的Ro，max（最大鏡質體反射率）值作為成熟度的主要評價參數。神府區(qū)塊Ro，max值為0.60%～1.52%，平均為0.94%。根據蘇里格、大牛地、神木等氣田的測試參數，自盆地中心至盆地邊緣隨著埋深變淺，Ro，max值呈遞減趨勢（表2）。平面分布上，Ro，max值與埋深呈正相關關系，自北東至南西隨埋深增加而變大。

表2 鄂爾多斯盆地主力烴源巖8+9 號煤埋深及Ro，max值統計Table 2 Depth and Ro，max of No.8+9 coal seams in Ordos Basin

烴源巖的生烴能力評價主要應用盆地模擬法、溫度模擬法和物質平衡法等多種手段［21］。盆地模擬法定量計算某個地區(qū)階段生烴強度時，需要以該區(qū)塊烴源巖生烴率或可類比的數據作為依據。本文采用李劍鋒［25］對鄂爾多斯盆地上古生界煤層的熱模擬實驗成果，結合前述的研究區(qū)煤層厚度和有機質熱演化程度等數據，采用其烴源巖生烴強度（D）來進行計算

式中：H為烴源巖厚度，m；ρ為烴源巖密度，t/m3；C為烴源巖殘余總有機碳質量分數，%；Rg為不同演化階段的產氣率，依據最大鏡質體反射率估算而來，m3/（t·TOC）。

式（1）可以轉換為

式中：K為Ro，max與Rg的相關系數［25］。

結果表明，生烴強度為（4～20）億m3/km2，平面分布上以中部田家寨為高值中心區(qū)［24］［圖3（b）］。在Ro，max小于1 時，生烴強度與煤層厚度關聯性更高。當Ro，max大于1 時，其他參數影響較大。

2.2 儲層特征

2.2.1 巖心和薄片特征

研究區(qū)上古生界致密砂巖儲層巖石類型主要有石英砂巖、巖屑石英砂巖、長石石英砂巖、巖屑砂巖和長石巖屑砂巖（圖4）。其中本溪組和太原組石英含量高，石盒子組和石千峰組石英含量減少，長石和巖屑含量增加，成分成熟度和結構成熟度均呈降低趨勢。以本1 段、太2 段和山2 段為例來具體說明其巖礦組成和孔隙結構。

本1 段主要為石英砂巖、巖屑石英砂巖和長石石英砂巖。成分成熟度較高，石英體積分數為32%～99%，平均為81.2%；長石體積分數為0～33%，平均為9.1%；巖屑體積分數為0～47%，平均為9.6%，巖屑以變質巖巖屑為主，少量沉積巖巖屑。儲層顆粒間以縫合接觸為主，分選較好，磨圓以次圓狀為主，顆粒支撐，雜基不發(fā)育［圖4（a）］。

太2 段主要為中粗粒巖屑砂巖、巖屑石英砂巖和長石石英砂巖。成分成熟度偏低，石英體積分數為32%～95%，平均為62.9%；長石體積分數為0～41%，平均為10.2%；巖屑體積分數為0～62%，平均為26.8%，巖屑以變質巖巖屑為主，其次為巖漿巖巖屑，含少量云母。顆粒以線接觸為主，分選中等—較差，磨圓以次棱角狀為主，顆粒支撐，雜基含量中等［圖4（b）］。

山2 段主要為灰色中—粗粒巖屑砂巖和長石石英砂巖。成分成熟度較低，石英體積分數為35%～88%，平均為63%；長石體積分數為3%～44%，平均為12.9%；巖屑體積分數為2%～57%，平均為25.7%，巖屑以變質巖巖屑為主，其次為巖漿巖巖屑。儲層顆粒以線接觸—縫合接觸為主，分選中等，磨圓為次棱角狀，顆粒支撐，雜基含量中等［圖4（d）］。

研究區(qū)砂巖孔隙類型主要為殘余粒間（溶）孔、粒內溶孔、晶間孔和微裂縫，其中殘余粒間（溶）孔和粒內溶孔是主要的儲集空間類型［23］。下部本溪組、太原組和山西組均為海相至海陸過渡相沉積，石英含量高，抗壓實作用強，以殘余粒間（溶）孔為主，核磁測試曲線呈現單峰型，上部石盒子組和石千峰組均為陸相沉積，長石和巖屑含量增加，以晶間孔和粒間（溶）孔+溶蝕孔組合為主，呈雙峰型（圖5）。

2.2.2 儲層物性特征

據研究區(qū)764 塊物性樣品統計結果表明：致密砂巖儲層呈典型“低孔低滲”特征，孔隙度主要為6%～12%，平均為6.06%；滲透率為0.01～4.05 mD，平均為0.29 mD。上部的石盒子組和石千峰組儲層物性整體優(yōu)于下部的本溪組、太原組和山西組儲層。千5 段和本1 段物性較好，是因為下組合地層沉積環(huán)境屬于海陸過渡相—海相，受河流和海洋雙向水流的作用［26-29］，砂巖分選較好、泥質雜基較少。其中，千5 段孔隙度為2%～10%的樣品占比約為90%，滲透率主要為0.01～0.50 mD，占比約為85%；本1 段孔隙度為2%～10% 的樣品占比約為84%，滲透率主要為0.1～1.0 mD，占比約為75%；太2 段和山2 段均次之。神府區(qū)塊孔隙度大于10%的樣品占比僅為16%，滲透率大于1 mD 的樣品占比僅為19%（圖6），整體上物性變化較小。

2.3 蓋層特征

根據砂地比統計結果和已鉆井揭示巖性特征，泥地比曲線表現出3 個峰值，說明神府區(qū)塊上古生界發(fā)育3 套區(qū)域性泥巖蓋層，下部為太1 段和山1段泥巖蓋層，泥地比為85%，中部為盒3 段和盒5段泥巖蓋層，泥地比為87.5%，上部為千1 段和千2段泥巖蓋層，泥地比為78%（參見圖2）。3 套區(qū)域性蓋層起到遮擋和封蓋作用，主要封蓋方式為物性封閉和烴濃度封閉［30］。根據蓋層的封蓋性以及內部砂體的儲集性將上古生界致密砂巖氣藏劃分為下部本溪組、太原組和山西組源內儲蓋組合，下石盒子組為近源儲蓋組合，上石盒子組和石千峰組為遠源儲蓋組合（參見圖2）。下部源內儲蓋組合煤系泥質巖作為內幕蓋層，厚度變化較大，山西組較厚，太原組相對較??；中部近源儲蓋組合和上部遠源儲蓋組合以石盒子組和石千峰組廣泛發(fā)育的泥巖作為區(qū)域性蓋層，分布穩(wěn)定且連續(xù)性好，從南東至北西，呈現出厚度逐漸減小的趨勢，對致密砂巖氣起到了重要的區(qū)域性封蓋作用。

2.4 輸導體系

研究區(qū)以低角度單斜構造形態(tài)為主，大的斷層不發(fā)育，以小型正斷層為主，且自下而上斷層數量減少。下部本溪組、太原組和山西組發(fā)育層間小斷層，因此下部主要發(fā)育源內氣藏和近源氣藏。上石盒子組和石千峰組僅在局部井區(qū)（X-19 井區(qū)）發(fā)育斷層，斷裂系統成為天然氣運移的優(yōu)勢通道［31-35］，因此神府區(qū)塊上部遠源氣藏僅在局部井區(qū)發(fā)育，如X-19 井在盒3 段和千5 段鉆遇氣層。神府區(qū)塊地震資料和區(qū)域構造背景顯示，在剖面上C—P—T（三疊系）斷層逐漸減少，逐漸不發(fā)育，斷層自下而上具有一定的繼承性；平面上斷裂展布分為3 個方向：北東向、北西向和近南北向，以北東向為主，C—P 斷裂延伸短，方向多變。

3 成藏模式

3.1 成藏期次

根據鄂爾多斯盆地東緣埋藏-熱演化史［34］，可知區(qū)內上古生界烴源巖自晚三疊世（T3）達到生烴門限，Ro，max大于0.5%開始生烴；于晚侏羅世—早白堊世達到生、排烴高峰，晚侏羅世—早白堊世末期為該區(qū)天然氣重要的成藏期；晚白堊世至今，由于地層整體抬升，烴源巖演化趨于停滯，氣藏于距今50 Ma 前形成［25-31］。研究區(qū)流體包裹體形狀呈不規(guī)則狀、橢圓形或圓形串珠狀，個體相對較小，顏色呈淺灰色或無色。統計115 個流體包裹體數據，其均一溫度為73.2～162.3 ℃，平均值為110.4 ℃，表明區(qū)間均有烴類流體活動，煤層生烴成藏是相對連續(xù)的過程，130 ℃以上占比為7.9%。均一溫度變化明顯，峰值出現在110 ℃左右，呈典型單峰型（圖7），說明該區(qū)僅發(fā)生過1 期隨埋藏深度增加而持續(xù)生烴成藏的過程。

3.2 成藏模式

鄂爾多斯盆地致密砂巖氣藏發(fā)育源內、近源和遠源等3 種成藏模式［36-41］。依據研究區(qū)的生儲蓋組合特征，結合輸導體系的不同劃分成藏模式，其中源內成藏是指天然氣來自山西組、太原組和本溪組烴源巖，本溪組障壁砂壩、太原組和山西組三角洲砂巖為主要儲集體。天然氣直接進入煤層頂底板附近的砂巖中，以太1 段和山1 段泥巖作為蓋層，天然氣原位或就近成藏。近源成藏主體以盒3 段泥巖為區(qū)域性蓋層，盒5 段泥巖為直接蓋層，下石盒子組三角洲平原分流河道作為儲集體。天然氣主要來自于下部煤層，通過斷層或在源儲壓差作用下進入儲集體近距離成藏。遠源成藏氣源也主要來自于下部煤層，天然氣通過斷層、裂縫運移至上石盒子組、石千峰組砂體，石千峰組厚層泥巖作為區(qū)域性蓋層。受烴源巖成熟度、儲層物性和運移輸導體系等因素影響，神府區(qū)塊以源內和近源成藏模式為主，局部斷裂系統發(fā)育區(qū)發(fā)育遠源成藏模式（圖8）。不同成藏模式由于生儲蓋的空間配置不同，其成藏條件和含氣特征相應具有不同的特征，這對于致密砂巖氣的勘探和高效開發(fā)具有指導意義。

4 結論

（1）鄂爾多斯盆地東北緣神府區(qū)塊受沉積和構造等因素綜合控制，具有良好的致密氣成藏條件，從石炭系本溪組到二疊系石千峰組等不同層位均可形成不同類型的生儲蓋組合。鉆遇氣層井數、氣層平均厚度和氣層鉆遇率等參數顯示，盒8 段和山2 段氣層厚度大且分布穩(wěn)定。

（2）鄂爾多斯盆地東北緣神府區(qū)塊主力煤層厚度大且空間分布穩(wěn)定，儲層整體低孔低滲，殘余粒間孔和粒內溶孔發(fā)育，提供了必要的儲集空間。區(qū)內發(fā)育的3 套厚層泥巖構成區(qū)域性蓋層，具有良好的遮擋和封蓋能力。斷裂系統控制的輸導體系是天然氣運移的優(yōu)勢通道。

（3）單峰型的流體包裹體均一溫度表明鄂爾多斯盆地東北緣神府區(qū)塊發(fā)生過1 期持續(xù)生烴成藏過程。其中本溪組、太原組和山西組生儲蓋組合相互疊置發(fā)育，形成源內成藏；下石盒子組生儲蓋組合下生上儲，形成近源成藏；上石盒子組和石千峰組局部斷裂系統發(fā)育區(qū)生儲蓋組合源儲分離，泥巖直接封蓋，形成遠源成藏。