鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊上古生界致密砂巖氣藏成藏條件及主控因素

劉 暢，張道旻，李 超，路媛媛，于姍姍，郭明強

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011； 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

美國、加拿大等國家在致密氣開發(fā)生產(chǎn)技術(shù)方面取得了巨大成功。1982年，學(xué)者Walls提出了“致密砂巖氣藏”這一嶄新的概念[1]，在此之后，Cant等學(xué)者對該氣藏進(jìn)行了持續(xù)性的探究[2]，提出了許多專業(yè)術(shù)語，比如“盆地中心氣”、“瓶頸圈閉”以及“動態(tài)圈閉”等[3-6]。至20世紀(jì)90年代，有些學(xué)者將“致密氣藏”納入了深盆氣范疇[7]，直到20世紀(jì)90年代中期，美國提出了“連續(xù)型”油氣藏的概念，對其致密氣形成理論和分布規(guī)律研究領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。近15年來，隨著對該類砂巖儲層勘探技術(shù)研究的日漸深入，許多學(xué)者針對儲層與裂縫預(yù)測、滲透機(jī)理、鉆井及儲層改造技術(shù)等方面進(jìn)行了闡述，并發(fā)表了相關(guān)文獻(xiàn)，但是針對成藏理論的文獻(xiàn)并不多。根據(jù)SPE檢索文獻(xiàn)統(tǒng)計，474篇致密氣相關(guān)文獻(xiàn)中，涉及地質(zhì)條件、成藏機(jī)制等方面的僅有15篇，主要圍繞運移、聚集、氣-水分異等方面的問題，對于致密氣成藏機(jī)理及控制因素的研究相對較少[8-10]。中國對致密氣的研究剛剛起步，總體上處于引進(jìn)、吸收階段，主要體現(xiàn)為鄒才能根據(jù)蘇里格上古生界氣藏的成藏規(guī)律，引入了“連續(xù)型”巖性氣藏的概念[11-12]，促進(jìn)了中國致密氣的大規(guī)模商業(yè)開發(fā)，“十一五”之后，康毅力等學(xué)者以“致密砂巖氣藏”為基礎(chǔ)，對成藏機(jī)制、分布以及“甜點”分類等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究[13-18]。直至“十二五”初期，中國非常注重成藏機(jī)制的研究，理論研究提升到了嶄新的維度，在運移、聚集以及保存等方面均有涉及，同時指導(dǎo)了勘探工作[19-23]，中國已經(jīng)跨入了創(chuàng)建不同類型致密砂巖氣藏成藏理論的研究階段。

近年來，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司在鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊上古生界致密氣的勘探突破具有重要的戰(zhàn)略意義，自下而上多個層位鉆遇優(yōu)質(zhì)氣層，與盆地內(nèi)部蘇里格氣田主要發(fā)育石盒子組8段(盒8段)、山西組1段氣層存在顯著區(qū)別[24-25]，體現(xiàn)出層層含氣的特點，且測試獲得了工業(yè)氣流[26]，如L-4井太原組2段測試無阻流量13.27×104m3/d，L-58井盒4段試氣無阻流量超過50×104m3/d，鉆井揭示致密砂巖氣勘探潛力巨大，預(yù)測致密砂巖氣資源量超千億方。但目前勘探現(xiàn)狀與盆地內(nèi)其他氣田(蘇里格、大牛地、神府等)已展開的對比研究表明，鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊致密氣成藏條件、成藏機(jī)理與控制因素十分復(fù)雜，存在特殊性，主要表現(xiàn)為：①臨興區(qū)塊位于晉西撓褶帶上，特殊的構(gòu)造位置造成臨興區(qū)塊烴源巖-儲層-輸導(dǎo)體系的配置關(guān)系等成藏條件及成藏模式上存在特殊性；②臨興區(qū)塊含氣層系多，北部神府區(qū)塊含氣層數(shù)及厚度普遍低于臨興區(qū)塊，主要位于下部層位之中，且區(qū)塊內(nèi)部氣層分布也具有非均質(zhì)性，并非典型“連續(xù)型”分布，傳統(tǒng)的理論難以解釋臨興區(qū)塊“甜點”區(qū)發(fā)育的模式及機(jī)理。因此，如何針對臨興區(qū)塊地質(zhì)實際，形成適合研究區(qū)的致密氣富集成藏理論，促進(jìn)致密氣的勘探和開發(fā)，是目前的首要任務(wù)。為此，致密氣成藏富集研究應(yīng)特別關(guān)注以下重要科學(xué)問題[27-29]：①影響儲層致密化的構(gòu)造、沉積和成巖控制因素及其對致密化的貢獻(xiàn)評價；②在高有機(jī)質(zhì)含量的烴源巖背景下，致密氣的賦存狀態(tài)和運移-成藏機(jī)理，運移動力如何，是否一定不發(fā)生較長距離的運移；③致密氣的富集規(guī)律是否全部為“連續(xù)性”聚集，有無可能存在其他聚集類型，成藏期次、模式及主控因素如何等等。針對上述問題及其特殊性，本文在系統(tǒng)梳理臨興區(qū)塊致密砂巖氣源儲耦合關(guān)系成藏條件的基礎(chǔ)上，揭示研究區(qū)成藏組合及成藏機(jī)理，建立臨興區(qū)塊不同構(gòu)造區(qū)帶多層系氣藏成藏模式，總結(jié)成藏主控因素，為后續(xù)開發(fā)工作提供可行性建議及對策。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是多旋回大型疊合克拉通盆地，面積37×104km2，原屬華北地臺的一部分，古生代以來，盆地演化主要經(jīng)歷了5個發(fā)展階段：①早古生代中奧陶世的盆地邊緣裂陷及陸內(nèi)坳陷階段，沉積了海相背景的碳酸鹽巖臺地；②晚古生代的晚奧陶世—早石炭世的盆地周緣碰撞造山階段，盆地發(fā)生抬升剝蝕；③晚古生代的晚石炭世—二疊紀(jì)末的盆地周緣裂解階段，主要沉積背景為海陸交互沉積體系；④中生代的陸內(nèi)坳陷階段，盆地邊緣發(fā)生隆起并整體掀斜，主要沉積背景為陸相的河流相、三角洲以及湖泊；⑤新生代的盆地周緣斷陷階段[30]。共劃分為6個一級構(gòu)造單元：伊盟隆起、渭北隆起、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶和西緣沖斷帶[31]。臨興區(qū)塊地理位置處于伊陜斜坡與東北部晉西撓褶帶交接處，面積740 km2，北部緊鄰神府氣田(圖1)。地勢整體東高西低，北高南低，平面上受紫金山熱事件影響，將臨興區(qū)塊分為平緩構(gòu)造帶和紫金山構(gòu)造帶兩個構(gòu)造單元。根據(jù)鉆井鉆遇及野外露頭觀測，研究區(qū)上古生界與下古生界呈不整合接觸，中間缺失中、上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系及下石炭統(tǒng)。上古生界內(nèi)部沉積連續(xù)，均為整合接觸，以海-陸過渡相和陸相碎屑巖沉積為主。地層自下而上發(fā)育石炭系本溪組，二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組[32]。

2 上古生界致密砂巖氣藏成藏條件

2.1 烴源巖特征及氣源

鄂爾多斯盆地上古生界的烴源巖屬于海-陸交互相的含煤層系，上石炭統(tǒng)本溪組-太原組沉積時為障壁海岸-潮坪環(huán)境，發(fā)育泥炭坪和潟湖，沉積形成了8#，9#，4#，5#煤層和富含有機(jī)質(zhì)的泥巖，臨興區(qū)塊本溪組-太原組發(fā)育的烴源巖包括煤層和暗色泥巖，平面上具有“廣覆型”分布的特征，煤層厚度主要分布在15～25 m，暗色泥巖厚度主要分布在100～140 m，平面上整體分布穩(wěn)定，是重要的氣源巖。

選用氫指數(shù)(HI)-Tmax圖版來判識有機(jī)質(zhì)類型，結(jié)果表明臨興區(qū)塊有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型(腐殖型干酪根)為主，局部含有部分Ⅱ型-Ⅰ型(腐殖-腐泥型)，屬煤系烴源巖，傾向生氣(圖2)。

圖1 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊構(gòu)造位置(a)及地層綜合柱狀圖(b)Fig.1 Tectonic location (a) and stratigraphic column(b) of the Linxing block,Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊上古生界烴源巖有機(jī)質(zhì)類型判識圖版Fig.2 HI-Tmax curves for judging organic matter types of Upper Paleozoic source rocks from the Linxing block,Ordos Basin

臨興區(qū)塊本溪-太原組煤巖的Ro主要分布在0.86%～4.87%，平均值為1.42%，暗色泥巖Ro主要介于0.81%～4.89%，平均值為1.25%，表明臨興區(qū)塊煤巖和暗色泥巖整體處于成熟-高成熟階段，主體分布在成熟階段，處于生氣高峰階段，天然氣主要為成熟-高成熟階段的干酪根裂解氣為主。臨興區(qū)塊本溪-太原組煤巖總有機(jī)碳(TOC)含量范圍在40.0%～84.6%，平均值為62.6%；生烴潛量(S1+S2)范圍在1.8～309.4 mg/g，平均值為98.6 mg/g；氫指數(shù)范圍在2.5～425.9 mg/g，平均值為174.4 mg/g。暗色泥巖有機(jī)碳含量范圍在0.7%～39.6%，平均值為11.1%；生烴潛量范圍在0.3～104.8 mg/g，平均值為12.5 mg/g；氫指數(shù)范圍在11.5～575.7 mg/g，平均值為123.3 mg/g。按煤系烴源巖的評價標(biāo)準(zhǔn)，烴源巖總有機(jī)碳越高，其生烴能力越高；生烴潛量越大，其生烴能力越高。結(jié)果表明，本溪組-太原組煤為優(yōu)質(zhì)的烴源巖，部分暗色泥巖也具有很好的生烴能力，為中等-好烴源巖，研究區(qū)存在總有機(jī)碳含量很高，但生烴潛量較低的情況，這部分對應(yīng)的烴源巖的成熟度均較高，說明該部分烴源巖已經(jīng)生產(chǎn)大量的烴類并排出(圖3)。進(jìn)而采用生烴動力學(xué)基本研究程序展開數(shù)據(jù)分析，計算出生烴動力學(xué)參數(shù)[33]，結(jié)果表明，煤層的產(chǎn)氣率約為暗色泥巖的6～12倍，累計生烴強度介于(3.99～37.77)×108m3/km2，平均值為13.02×108m3/km2，為主力烴源巖，暗色泥巖累計生烴強度介于(1.13～22.76)×108m3/km2，平均值為7.48×108m3/km2，較煤層生氣強度低。

圖3 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊上古生界烴源巖TOC與S1+S2關(guān)系Fig.3 Combined TOC and S1+S2 plot for Upper Paleozoic source rocks in the Linxing block,Ordos Basin

臨興區(qū)塊天然氣組分以甲烷為主，含量平均大于90.0%，天然氣干燥系數(shù)(C1/∑C1+)平均大于95.0%，天然氣以干氣為主。δ13C1可作為判別天然氣有機(jī)成因或無機(jī)成因的指標(biāo)，一般δ13C1值大于-30‰為無機(jī)成因，臨興區(qū)塊天然氣δ13C1值均小于-30‰，為有機(jī)成因。同時，δ13C2可作為區(qū)分油型氣和煤型氣的重要標(biāo)志，國內(nèi)學(xué)者多以δ13C2=-28‰或δ13C2=29‰作為腐殖型氣與腐泥型氣的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)[34]。結(jié)合前人理論研究，煤型氣劃分標(biāo)準(zhǔn)定為δ13C2大于-29‰，臨興區(qū)塊天然氣樣品δ13C2值均大于-29‰，天然氣為煤型氣。

2.2 沉積體系模式

通過研究沉積相標(biāo)志，結(jié)合鄂爾多斯盆地沉積背景，確定臨興區(qū)塊上古生界發(fā)育海相障壁海岸-潮坪及陸相河流-淺水三角洲兩種沉積體系模式。鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊本溪組-太原組沉積時期，海水從東南部海侵，發(fā)育海相障壁海岸-潮坪沉積體系模式(圖4a)，進(jìn)一步劃分為潮下帶潮道、砂坪、灰坪，潮間帶砂泥坪、泥灰坪及潮上帶泥炭坪沉積微相。其中，潮下帶潮道、砂坪沉積是主要沉積格架，也是該系統(tǒng)中具重要的儲集砂體類型，沉積物主要由灰白色的含礫中砂巖、砂礫巖和細(xì)砂巖，砂巖成分成熟度高，以石英為主，整體分選性好，顆粒磨圓多呈次棱角-次圓狀，常發(fā)育沖洗交錯層理、平行層理和板狀交錯層理。

圖4 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊障壁海岸-潮坪(a)和辮狀河三角洲(b)沉積模式Fig.4 Sedimentary models for barrier coast-tidal flat(a) and braided river delta(b) in the Linxing block,Ordos Basin

整個鄂爾多斯盆地山西組-石盒子組-石千峰組沉積時，海水向南退去，沉積環(huán)境過渡到廣泛的陸相河流-淺水三角洲沉積，臨興區(qū)塊發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系模式(圖4b)，亞相為三角洲平原和三角洲前緣，分流河道是三角洲骨架砂體。巖性主要為砂礫巖、淺灰色含礫粗砂巖，次為綠灰色粗-中、細(xì)砂巖，底部沖刷面發(fā)育，發(fā)育平行層理及各種交錯層理，河道遷移擺動交錯頻繁，砂體間的沖刷、切割和垂向疊置加積現(xiàn)象十分普遍，垂向上許多砂巖透鏡體相互疊置而成巨厚砂體。分流間灣屬于分流河道間的低洼靜水還原環(huán)境，巖性一般為灰色、灰黑色的泥巖及粉砂巖夾砂巖的透鏡體，發(fā)育水平層理和砂泥互層層理，常構(gòu)成良好的蓋層，分布于分流河道砂巖的頂部及側(cè)翼。

2.3 儲層發(fā)育特征

臨興區(qū)塊主要層位砂巖成分統(tǒng)計結(jié)果表明，整體上巖屑與長石含量較高，平均含量大于30%，縱向上各層系砂巖類型存在一定的差異，底部本溪組-太原組海相地層砂巖類型多以石英砂巖、巖屑石英砂巖(巖屑含量大于25%)組成，石英含量普遍較高；上部陸相地層主要為巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖和巖屑石英砂巖等[35]。上古生界儲層物性總體較差，孔隙度分布在4.0%～10.0%，滲透率多分布于(0.1～0.5)×10-3μm2，為典型致密砂巖儲層類型。綜合利用偏光顯微鏡、掃描電鏡等手段在研究區(qū)開展儲集空間類型研究，臨興區(qū)塊主要發(fā)育殘余粒間孔，次生溶孔(包括粒間溶孔及粒內(nèi)溶孔)、晶間孔以及微裂隙，研究區(qū)壓實膠結(jié)作用強烈，原生粒間孔基本消失殆盡，僅保留少量殘余粒間孔，后期溶蝕作用導(dǎo)致次生溶孔較發(fā)育(圖5)。

研究區(qū)成巖演化處于中成巖早-晚期，儲層整體表現(xiàn)為致密化的狀態(tài)，少數(shù)層段呈現(xiàn)相對較好非致密特點。具有兩期溶蝕3期膠結(jié)的特點：碎屑巖經(jīng)歷早期沉積壓實作用以及伴隨早期硅質(zhì)、鈣質(zhì)及粘土膠結(jié)作用(第一期膠結(jié))，原始粒間孔隙迅速減少，同時在早期有機(jī)酸作用下形成長石與雜基溶孔(第一期溶蝕)；隨著成巖環(huán)境由酸性逐漸向弱堿性環(huán)境轉(zhuǎn)化，形成第二期方解石、髙嶺石對粒間孔隙、溶蝕孔隙的充填作用，且該期次充填膠結(jié)常表現(xiàn)為整體的全膠結(jié)致密化特點；接下來表現(xiàn)為對前期殘余長石及易溶碎屑顆粒的廣泛溶蝕(第二期溶蝕)，形成大量的溶蝕孔隙，局部早期鈣質(zhì)膠結(jié)物也發(fā)生了溶蝕現(xiàn)象；最后由于酸性成巖環(huán)境的再一次減弱，發(fā)生了第三期的膠結(jié)作用及自生粘土礦物充填轉(zhuǎn)化，形成溶蝕孔隙中的高嶺石、綠泥石以及伊利石的充填作用，因此整體呈現(xiàn)出了較大的粘土雜基充填現(xiàn)象，造成了研究區(qū)各層位砂體的非均質(zhì)性。現(xiàn)今的殘余儲集空間類型形成于第二期溶蝕增孔作用及第三期的膠結(jié)作用，最終形成了以殘余粒間孔、粒間(雜基及膠結(jié)物)溶孔、粒內(nèi)(長石及方解石)溶孔及晶間孔(主要為高嶺石)?？偨Y(jié)認(rèn)為研究區(qū)長期封閉性堿性成巖環(huán)境是致密砂巖形成的基礎(chǔ)，持續(xù)壓實和膠結(jié)作用(主要為粘土礦物膠結(jié))是原生孔隙急劇降低的主因，也是砂巖儲層致密化的重要因素[36]。綠泥石膜套以及石英次生加大作用可以起到支撐作用，是整體壓實背景下殘余原生孔隙結(jié)構(gòu)得以保存的關(guān)鍵。多次短暫酸性成巖環(huán)境是次生溶孔形成的關(guān)鍵，極大改善了儲層物性，形成“甜點”區(qū)。分析認(rèn)為臨興區(qū)塊早期未固結(jié)砂巖原始孔隙度約30.6%，早期的壓實作用損失孔隙度最大約16.3%[37]，填隙物對原始孔隙以及次生溶蝕孔隙的充填膠結(jié)作用約13.3%(且其中主要表現(xiàn)為粘土礦物的充填損失為主，平均粘土礦物充填損失10.1%)，兩期溶蝕增孔總共約8.8%，最終形成現(xiàn)今的孔隙度狀態(tài)(平均孔隙度9.8%)。

圖5 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊上古生界儲層孔隙類型Fig.5 Pore types in reservoirs of the Linxing block,Ordos Basina.殘余原生粒間孔，L-1井，盒1段，埋深1 540.55 m，鑄體薄片；b.殘余原生粒間孔，L-8井，盒2段，埋深1 479.85 m，掃描電鏡；c.粒間溶孔，L-10井，山1段，埋深1 811.06 m，鑄體薄片；d.方解石膠結(jié)物溶蝕孔，L-48井，盒8段，埋深1 809.49 m，鑄體薄片；e.長石粒內(nèi)溶孔，L-101井，太2段，埋深1 838.24 m，鑄體薄片；f.石英顆粒溶蝕形成粒內(nèi)溶孔，L-104井，山2段，埋深1 764.11 m，掃描電鏡；g.高嶺石晶間孔隙，L-4井，太2段，埋深1 804.48 m，鑄體薄片；h.高嶺石晶間孔隙，L-9井，盒7段，埋深1 675.55 m， 掃描電鏡；i.構(gòu)造作用產(chǎn)生的微裂隙，L-4井，盒7段，埋深1 552.60 m，鑄體薄片

3 上古生界致密砂巖氣藏成藏機(jī)理

3.1 成藏期次

臨興區(qū)塊含氣態(tài)烴包裹體伴生鹽水包裹體均一溫度分布在80～170 ℃，不同層位的均一溫度差異不大，但自上而下均一溫度略有增大。源內(nèi)儲層涉及太原組、山西組儲層，均一溫度主要分布在90～170 ℃，均一溫度主峰位于110～150 ℃，源內(nèi)成藏時間主要為晚侏羅世—早白堊世，149～133 Ma持續(xù)充注；近源包裹體均一溫度統(tǒng)計涉及下石盒子組儲層，均一溫度主要分布在90～150 ℃，主峰位于100～140 ℃，近源內(nèi)成藏時間主要為晚侏羅世—早白堊世，148～127 Ma持續(xù)充注；遠(yuǎn)源包裹體均一溫度統(tǒng)計涉及上石盒子組-石千峰組儲層，均一溫度主要分布在80～150 ℃，主峰位于90～130 ℃，遠(yuǎn)源成藏高峰期為早白堊世，稍晚于源內(nèi)、近源成藏期。綜上所述，臨興區(qū)塊主要成藏時間為晚侏羅世—早白堊世，天然氣為持續(xù)充注，源內(nèi)-近源成藏稍早于遠(yuǎn)源。早白堊世開始時，由于壓實作用和膠結(jié)的作用，儲層已徹底致密，而此時臨興區(qū)塊上古生界的烴源巖有機(jī)質(zhì)演化程度僅為低熟-成熟，天然氣還未開始大規(guī)模充注成藏，反映臨興區(qū)塊致密砂巖氣藏具有“先致密后成藏”的特征。

3.2 天然氣運移機(jī)制

大量研究表明，鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖含氣層系在早白堊世末期從烴源巖層段的太原組和山西組到非烴源巖層段的石盒子組和石千峰組都普遍都不同程度地存在著超壓[38-39]，就分析得到的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，流體生烴膨脹增壓及壓力傳導(dǎo)引起的超壓為臨興區(qū)塊主要的超壓成因。鄂爾多斯盆地東緣上古生界煤層厚度、生烴強度、儲層含氣飽和度與儲層壓力系數(shù)的之間存在良好的正相關(guān)性，隨著煤層厚度、生烴強度的增加壓力系數(shù)呈明顯的增加趨勢，隨著壓力系數(shù)的增加，儲層含氣飽和度也增加，表明異常高壓的形成與天然氣生成和充注存在密切的關(guān)系(圖6)。

盆地模擬結(jié)果顯示，臨興區(qū)塊烴源巖總共經(jīng)歷4次抬升，最大的一期抬升發(fā)生于早白堊世，埋深約為3 200 m。研究區(qū)上古生界煤系烴源巖在中三疊世(約230 Ma左右)，埋深達(dá)到2 200 m時，Ro達(dá)到0.5%，開始生烴；在早侏羅世(約200 Ma左右)，埋深達(dá)到約2 700 m，Ro升至0.7%，大量生烴開始。此后，又依次經(jīng)歷了4次的抬升剝蝕，約100 Ma時，干酪根停止生烴。以L-5井為例，約220 Ma時出現(xiàn)烴源巖生烴所產(chǎn)生的剩余壓力，約136 Ma時生烴所產(chǎn)生的剩余壓力開始顯著增大，高達(dá)23 MPa。剩余壓力開始大量增加的時間對應(yīng)干酪根開始大量轉(zhuǎn)化為油氣的時間，當(dāng)剩余壓力達(dá)到最大是對應(yīng)干酪根轉(zhuǎn)化率最大的時間，約136 Ma；當(dāng)干酪根的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大時，生烴所產(chǎn)生的剩余壓力幾乎消失，對應(yīng)時間約為100 Ma。綜合埋藏史-熱演化史圖，超壓出現(xiàn)在開始生烴之后，約200 Ma，隨著埋藏深度的增加，烴源巖成熟度增加，地層壓力也持續(xù)增加，在136 Ma時烴源巖超壓達(dá)到最大，約100 Ma時即烴源巖轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大時生烴所產(chǎn)生的超壓消失(圖7)。綜上所述，鄂爾多斯盆地上古生界古超壓主要為生烴增壓成因。

圖6 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊壓力系數(shù)與含氣飽和度(a)、煤層厚度(b)及生烴強度(c)相關(guān)圖Fig.6 Pressure coefficient vs.repectively gas saturation(a),coal seam thickness(b) and hydrocarbon generation intensity(c),Linxing block,Ordos Basin

4 上古生界致密砂巖氣藏成藏模式

在對鄂爾多斯東緣臨興區(qū)塊上古生界致密砂巖氣藏成藏條件、氣藏發(fā)育特征、運移機(jī)制等綜合分析的基礎(chǔ)上，建立了鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊充足氣源條件下、不同構(gòu)造區(qū)帶內(nèi)砂泥互層非常規(guī)巖性圈閉組合、斷層/裂縫輸導(dǎo)共同造就的多層系準(zhǔn)連續(xù)型選擇性成藏模式(圖8)，通過對大牛地氣田、神木氣田、神府和臨興區(qū)塊對比發(fā)現(xiàn)[40-42]，從盆地中部向盆地東緣臨興區(qū)塊過渡，尤其相較于北部的神府區(qū)塊，臨興區(qū)塊石炭系本溪組-二疊系太原組至石千峰組有利砂體非常發(fā)育，呈現(xiàn)出多層系成藏，縱向上構(gòu)成了下部的本溪組—山西組、中部的下石盒子組以及上部的上石盒子組-石千峰組共3套儲-蓋組合體系。下部組合為自生自儲型，該套地層發(fā)育煤系烴源巖，海相和海-陸過渡相砂巖儲集層與烴源巖互層，層內(nèi)的泥巖作為蓋層。中部組合為近源的下生上儲型，儲層主要為辮狀河三角洲平原及前緣的分流河道砂體，與下部本溪組—山西組烴源巖相接，分流間灣泥巖作為蓋層。上部組合為遠(yuǎn)源的下生上儲型，上石盒子組及石千峰組砂巖儲集體遠(yuǎn)離本溪組—山西組烴源巖，且被盒5段區(qū)域性泥巖蓋層所分隔。斷層及裂縫疏導(dǎo)體系對于臨興區(qū)塊天然氣的多層系成藏可能更為重要。但不同層系及成藏組合(源內(nèi)、近源和遠(yuǎn)源成藏組合)以及不同構(gòu)造區(qū)帶(平緩構(gòu)造帶和紫金山構(gòu)造帶)氣藏成藏過程存在一定的差異，體現(xiàn)出準(zhǔn)連續(xù)選擇性成藏的特點。平緩構(gòu)造區(qū)垂向運移和保存條件好，氣層從本溪組到石千峰組各段地層均有氣層分布。紫金山構(gòu)造帶斷層活動強烈，縱向延伸范圍廣，多通向了地表，氣藏保存條件較差，天然氣易逸散，斷裂對氣藏形成起破壞作用。

圖7 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊L-5井本溪組剩余壓力曲線(a)、干酪根轉(zhuǎn)換率曲線(b)、埋藏-熱演化史(c)和壓力演化曲線(d)Fig.7 Residual pressure (a),kerogen conversion (b),burial thermal evolution (c) and pressure evolution (d) curves of the Benxue Formation in well L-5,Linxing block,Ordos basin

圖8 鄂爾多斯盆地臨興-神府區(qū)塊上古生界致密砂巖氣成藏模式Fig.8 Tight sand gas accumulation model in the Linxing-Shenfu block,Ordos Basin

5 上古生界致密砂巖氣藏成藏主控因素

鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊烴源巖具有廣覆式生烴、持續(xù)充注的特點，同時，烴源巖、大范圍分布的海相潮坪、陸相三角洲相砂巖儲層及天然氣運聚等疏導(dǎo)體系在空間上的有效配置、相互作用，共同助推了臨興區(qū)塊上古生界千億方大型致密氣藏的形成與發(fā)現(xiàn)。

5.1 生氣強度控制了氣田分布范圍及形成潛力

生氣強度控制了氣田分布范圍及形成潛力，臨興區(qū)塊生氣強度主體分布于(15～20)×108m3/km2，神府區(qū)塊總生氣強度主體介于(4～12)×108m3/km2，臨興、神府區(qū)塊單井鉆遇氣層厚度隨著生氣強度的增大而增大，不同地區(qū)烴源巖的生氣強度決定了致密氣資源豐度，造成臨興區(qū)塊與鄰區(qū)神府區(qū)塊單井鉆遇氣層厚度明顯的差異。儲量初步計算結(jié)果顯示，臨興區(qū)塊儲量豐度為3.20×108m3/km2，神府區(qū)塊儲量豐度為0.72×108m3/km2。臨興區(qū)塊煤系烴源巖成熟度(Ro)平均值為1.32%，神府區(qū)塊煤系烴源巖成熟度平均值為1.02%，成熟度的差異同樣造成臨興、神府區(qū)塊烴源巖的生氣強度的明顯差異，決定了兩個地區(qū)的儲量豐度的高低。

5.2 斷裂活動強度控制了天然氣富集區(qū)帶及發(fā)育程度

臨興區(qū)塊和北部神府區(qū)塊斷裂發(fā)育具有明顯不同的特征，臨興區(qū)塊紫金山巖漿侵入活動也引發(fā)了周圍地區(qū)斷裂活動，斷裂發(fā)育。平緩構(gòu)造區(qū)在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，形成一系列逆斷層，伴有走滑性質(zhì)，雖然斷裂規(guī)模不大，但斷穿了石炭系-二疊系，溝通本溪組—山西組煤系烴源巖與源內(nèi)、近源和遠(yuǎn)源成藏組合的儲層，成為良好的運移通道，烴源巖大量生氣后，天然氣沿斷裂或裂縫向上運移，而且斷層斷距較小，斷裂沒有斷穿三疊系，氣藏保存條件好，使得天然氣能夠沿斷裂運移進(jìn)入儲集砂體聚集成藏，直接造成了臨興區(qū)塊特殊性的多層系發(fā)育模式，氣層從底部本溪組到上部石千峰的各段地層均有分布，天然氣通過這些疏導(dǎo)體系垂向運移至優(yōu)勢儲層發(fā)育區(qū)聚集成藏(圖8)。神府區(qū)塊斷裂不發(fā)育或活動有限，輸導(dǎo)體系發(fā)育程度不足，本溪組-山西組煤系烴源巖生成的天然氣難以突破下石盒子組和上石盒子組厚層泥巖向上運移，只能在源內(nèi)成藏組合中的儲集砂體聚集成藏。因此，斷裂活動決定了天然氣向上運移的距離和氣層分布的層位。

5.3 優(yōu)質(zhì)儲層是天然氣“甜點”富集的主要場所

“微相控儲，物性控藏”成藏規(guī)律的內(nèi)在原因取決于致密儲層天然氣聚集的力學(xué)機(jī)制，當(dāng)天然氣沿斷裂或裂縫等通道向上運移過程中，遇到與斷裂溝通的砂體，在儲集體中聚集受運移動力與阻力的平衡控制，儲層物性好，則運移阻力小。而天然氣在致密儲層中運移需要克服啟動壓力梯度，天然氣在超壓作用下超過啟動壓力梯度時，就會以低速非達(dá)西流方式首先進(jìn)入致密儲集層孔喉較大的部分，并逐漸向更小的孔喉部分推進(jìn)，并向上排替其中的孔隙水。當(dāng)超壓梯度不足以克服向前推進(jìn)的阻力時，天然氣就在致密砂巖儲層中停止前進(jìn)并聚集成藏。所以，天然氣首先在儲層物性好的儲集體中聚集成藏，儲層物性非均質(zhì)性控制著天然氣富集的部位，形成致密砂巖氣藏三維空間準(zhǔn)連續(xù)展布的特點。即大范圍內(nèi)含烴，局部“甜點”富集成藏。

儲層在致密氣成藏要素中是最重要的，其分布、規(guī)模和物性變化控制氣藏的分布和規(guī)模。而儲層的發(fā)育則受沉積微相控制，不僅從宏觀上控制了砂體類型、分布范圍和厚度，而且從微觀上控制了儲層物性(圖9)。潮道、砂坪、分流河道和水下分流河道等沉積微相的水動力條件較強，而泥炭坪、分流間灣等沉積微相水動力要弱，造成沉積物在碎屑礦物組分、含量、粒度及分選性等方面差異性明顯，造成后續(xù)經(jīng)歷成巖作用后儲層孔吼結(jié)構(gòu)特征的差異，因此不同沉積微相的砂體具有不同的物性特征和展布規(guī)律。形成于高能沉積環(huán)境的儲層具有“相對高孔滲”儲層物性，孔隙類型及孔隙結(jié)構(gòu)好，成為致密砂巖氣藏的有效儲層，而泥炭坪和分流間灣等沉積微相儲層不發(fā)育。不同沉積微相鉆遇氣層厚度分布顯示，粒度越粗、物性越好的微相氣層發(fā)育厚度越大，潮道、砂坪、分流河道、水下分流河道等微相粒度主要以粗粒為主，鉆遇氣層發(fā)育占比較大，而分流間灣、混合坪砂體儲層粒度較細(xì)，氣層發(fā)育占比較小。

物性控藏是指儲層物性決定了致密砂巖氣的富集程度。一般來說，儲層物性越好，孔隙半徑越大，毛細(xì)管阻力越小，天然氣更容易聚集成藏，氣藏的形成受控于砂巖物性，物性好的砂巖天然具有天然氣聚集成藏的優(yōu)勢。在一定超壓作用下，天然氣總是先選擇充注致密儲層中物性相對較好的部位，物性與含氣飽和度具有正相關(guān)關(guān)系，在大面積的低滲背景上存在相對高孔滲區(qū)，成為天然氣富集的主要場所，局部形成高產(chǎn)富集區(qū)。從氣層厚度與儲層物性關(guān)系分析來看，滲透率相對高的層段，氣層厚度越發(fā)育(圖10)。一般來說，正旋回砂體的底部砂巖粒度粗，儲層物性較好，底部氣層發(fā)育，河道及心灘沉積以正旋回沉積為主；反旋回砂體頂部儲層物性好，頂部氣層發(fā)育，砂壩以反旋回沉積為主；復(fù)合旋回砂體儲層物性變化頻繁，氣層與干層間互發(fā)育。臨興區(qū)塊上古生界含氣砂巖厚度共244.1 m，砂巖含氣率為17.0%；自石千峰組到本溪組，厚度分別為8.4,11.6,12.5,3.6,4.6 m和0.9 m，砂巖含氣率分別為10.4%,21.2%,19.9%,17.2%,30.4%和9.2%，含氣砂巖厚度隨著砂巖厚度的增加具有一定增加的趨勢，但局部也可以形成“薄而肥”的富集層位，例如臨興區(qū)塊太原組的砂厚僅為15.0 m，但其含氣率可達(dá)30.4%(表1)。

圖9 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊石千峰組—山西組(a)、太原組-本溪組(b)不同沉積微相砂體儲層物性關(guān)系Fig.9 Physical properties for sand bodies of different sedimentary microfacies from Shiqianfeng-Shanxi Formation(a) and Taiyuan-Benxi Formation(b) in the Linxing block,Ordos Basin

圖10 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊氣層發(fā)育厚度與滲透率關(guān)系Fig.10 Relationship between gas reservoir thickness and permeability in the Linxing block,Ordos Basin

表1 鄂爾多斯盆地臨興區(qū)塊上古生界不同層位砂巖厚度、含氣砂巖厚度以及含氣率統(tǒng)計Table 1 Statistics of samples from different Formations in the Linxing block,Ordos Basin

6 結(jié)論

1) 研究區(qū)上古生界海陸交互相煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，厚度大，分布廣泛，整體處于成熟-高成熟生氣高峰階段，生氣強度主體分布在(15～20)×108m3/km2，為大氣田的形成奠定了基礎(chǔ)。上古生界致密砂巖氣藏儲層物性總體較差，成巖演化處于中成巖早-晚期，持續(xù)壓實和膠結(jié)作用(主要為粘土礦物膠結(jié))是原生孔隙急劇降低的主因，是砂巖儲層致密化的重要因素，多次短暫酸性成巖環(huán)境是次生溶孔形成的關(guān)鍵，極大改善了儲層物性，形成“甜點”區(qū)。

2) 研究區(qū)包裹體均一溫度分布在80～170 ℃，揭示出上古生界天然氣主要成藏時間為晚侏羅世—早白堊世，天然氣為持續(xù)充注，下部太原組至上部石千峰組氣藏為同期成藏。晚侏羅世—早白堊世之前，儲層已徹底致密，而烴源巖有機(jī)質(zhì)演化程度為低熟-成熟，天然氣尚未大規(guī)模充注成藏，反映了鄂爾多斯盆地致密砂巖氣藏具有“先致密后成藏”的特征。烴源巖生烴形成的超壓是油氣藏運移聚集的主要動力。

3) 建立了研究區(qū)充足氣源條件下、不同構(gòu)造區(qū)帶內(nèi)砂泥互層非常規(guī)巖性圈閉組合、斷層/裂縫輸導(dǎo)共同造就的多層系準(zhǔn)連續(xù)型選擇性立體成藏模式。致密砂巖氣具有“烴源控潛、構(gòu)造控區(qū)、微相控儲、物性控藏”的特點，天然氣在烴源巖大量持續(xù)生烴背景下，優(yōu)先選擇斷裂適度發(fā)育，構(gòu)造活動強度適中，有利沉積微相及高滲儲集條件背景下聚集成藏。