鄂爾多斯盆地上古生界東、西部巖性-地層氣藏的差異性

陳安清 陳洪德 林良彪 徐勝林 朱志軍 李 潔

(“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

巖性-地層油氣藏是中國(guó)當(dāng)前提出的四大勘探領(lǐng)域之一,并已成為油氣儲(chǔ)量增長(zhǎng)的主體[1～3]。近年來(lái),鄂爾多斯盆地上古生界天然氣勘探不斷取得突破,成為中國(guó)天然氣勘探最具潛力和“西氣東輸”的骨干資源基地之一。由于二疊系煤層的大面積發(fā)育,全盆具有“廣覆式”生烴的基礎(chǔ)(圖1)[4],因此油氣富集主要取決于聚砂區(qū)的尋找和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的識(shí)別,即儲(chǔ)層控位。這是鄂爾多斯盆地上古生界巖性-地層氣藏的典型特征。目前發(fā)現(xiàn)的氣田包括西部地區(qū)的蘇里格、烏審旗氣田,東部地區(qū)的榆林、子洲、米脂和大牛地氣田(圖1)。西部氣田主力產(chǎn)層段為二疊系石盒子組第8段(簡(jiǎn)稱“盒8段”)及山西組第1段(簡(jiǎn)稱“山1段”);東部氣田主力產(chǎn)層段為山2段,而大牛地氣田則以二疊系太原組第2段(簡(jiǎn)稱“太2段”)為主要產(chǎn)層[5,6]。雖然儲(chǔ)層均以石英含量較高的中粗粒石英砂巖、巖屑石英砂巖為特征,但東、西部氣田產(chǎn)出層位具有明顯的差異性。本文在前人對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界巖性-地層氣藏取得的研究成果的基礎(chǔ)上,從東、西部地區(qū)發(fā)育的典型氣藏的特征出發(fā),探討東、西部氣藏的差異性及其主控因素。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地屬華北地臺(tái)西端的次級(jí)構(gòu)造單元,其北鄰興蒙造山帶,南為秦嶺造山帶,西以賀蘭山-六盤(pán)山為界,東以呂梁山為界,是一個(gè)多旋回克拉通疊合盆地[7]。早古生代,主要受南側(cè)的秦祁海槽和西側(cè)的賀蘭拗拉槽的影響,在西南緣發(fā)育“L”形隆起;晚石炭世至二疊紀(jì)初期,又疊加了來(lái)自秦嶺海槽和興蒙海槽俯沖形成的南北向擠壓作用,于是形成了南北向“I”形中央古隆起;早二疊世晚期開(kāi)始,應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橐詠?lái)自南面揚(yáng)子板塊和北方西伯利亞板塊的強(qiáng)烈擠壓為特征,使鄂爾多斯地區(qū)呈現(xiàn)南北高、中間低的古地理格局[7～11]?？傮w上,鄂爾多斯盆地在晚古生代可劃分為2個(gè)大的盆地演化階段和4種盆地類型：晚石炭世本溪期至早二疊世太原期以海相沉積為主的陸表海階段、早二疊世山西期至晚二疊世石千峰期以陸相沉積為主的陸內(nèi)坳陷盆地階段[8]。

圖1 鄂爾多斯盆地上古生界煤層累積厚度及氣藏分布Fig.1 The gas reservoirs distribution and isopach of coal of Paleozoic in Ordos Basin

2 巖性-地層氣藏特征

2.1 沉積相及氣藏分布

根據(jù)鉆井、測(cè)井、野外露頭、地震等資料進(jìn)行了詳細(xì)的沉積相分析,分別編制了鄂爾多斯盆地主力產(chǎn)氣層太2段、山2段、山1段和盒8下段的沉積相圖(圖2)。

太原期,中央古隆起為水下隆起,對(duì)沉積仍然有一定的控制作用;但在充填補(bǔ)齊作用過(guò)程中,古隆起逐漸消失,形成一個(gè)大型的緩坡地貌。潮坪是該時(shí)期陸表海上的一個(gè)重要的沉積環(huán)境,來(lái)自北緣的碎屑物質(zhì)進(jìn)入盆地,形成規(guī)模較小的潮控三角洲。

山西期開(kāi)始,由于北部物源區(qū)隆升加強(qiáng),形成了石嘴山、杭錦旗、靖邊和米脂四大近于平行的由北而南的大型河流-三角洲系統(tǒng)。三角洲為緩坡背景下的淺水三角洲,上游沖積平原和下游三角洲平原連片展布,具有大面積網(wǎng)毯狀聚砂的特點(diǎn)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)氣井分布的地區(qū)、層位和相帶的關(guān)系可知：①太2段、山2段氣藏主要分布在東部地區(qū),而山1段、盒8段氣藏主要分布在西部地區(qū);②東部地區(qū)的大牛地氣田主力產(chǎn)層太2段氣藏主要分布在三角洲前緣水下分流河道和潮汐砂壩相帶,山2段氣藏則隨著岸線南遷至榆林-米脂一帶的三角洲前緣水下分流河道砂體中;③西部地區(qū)的主力產(chǎn)層盒8段及山1段氣藏發(fā)育在三角洲平原分流河道和三角洲前緣水下分流河道環(huán)境。

2.2 生烴條件

上古生界天然氣C1～C4碳同位素、C5～C8輕烴及碳同位素分析表明,上古生界天然氣主要來(lái)源于煤系[12]。石炭紀(jì)-二疊紀(jì)是鄂爾多斯盆地的一個(gè)重要聚煤期。成煤環(huán)境多樣：本溪期的煤主要形成于陸表海盆地背景下的潮坪-潟湖環(huán)境;太原期,由于發(fā)育來(lái)自北緣的三角洲,形成了三角洲平原與潮坪相交錯(cuò)的成煤環(huán)境;山西期,盆地性質(zhì)由陸表海盆地演化為大型近海湖盆,以淺水湖泊和三角洲為特征,三角洲平原上的低能環(huán)境為聚煤的重要場(chǎng)所。煤層基本覆蓋了整個(gè)盆地,煤層累計(jì)厚度大致在5～35 m間,為廣覆式生烴奠定了烴源巖基礎(chǔ)。

上古生界的烴源巖研究顯示,晚侏羅世至早白堊世為地史期天然氣的生、排氣高峰期,最大生氣速率和排烴速率分別為7.7×1012m3/Ma,7.2×1012m3/Ma,與天然氣的主要成藏期相匹配,并且天然氣地球化學(xué)參數(shù)中的甲烷化系數(shù)在平面上和縱向上的變化趨勢(shì)與氣層組的熱演化程度存在著良好的相關(guān)性,反映出上古生界低滲透儲(chǔ)層天然氣的“廣覆式生(供)氣、持續(xù)運(yùn)聚成藏”特征[13,14]。Ro＞1.25%的烴源巖面積達(dá)0.18×106km2,即占現(xiàn)今盆地總面積72%的地區(qū)達(dá)到生烴高峰;并且生烴強(qiáng)度大于2.0×109m3/km2的范圍為0.138×106km2,占現(xiàn)今盆地總面積的55.2%;生烴強(qiáng)度大于1.2×109m3/km2的分布面積占現(xiàn)今盆地總面積的71.6%：表現(xiàn)為大面積生烴強(qiáng)度較高的特征[15]。上述特征表明鄂爾多斯盆地上古生界具有廣覆式生烴的特點(diǎn),并且一半以上的地區(qū)具備形成大中型氣田的烴源巖條件。

2.3 砂巖儲(chǔ)層特征

東部氣田和西部氣田的主力產(chǎn)層的巖石類型均以石英含量較高的中-粗粒石英砂巖和巖屑石英砂巖為特征(表1)。東部氣田山2段儲(chǔ)層的巖石薄片中,石英的面積分?jǐn)?shù)一般在85%以上;西部氣田盒8段儲(chǔ)層的石英含量略低,薄片中的面積分?jǐn)?shù)為81%～97%。東、西部地區(qū)的長(zhǎng)石含量都很低,零星分布,且常被溶蝕。巖屑類型包括變質(zhì)巖巖屑、沉積巖巖屑和火成巖巖屑,但東部氣田的火成巖巖屑明顯多于西部氣田。填隙物主要包括高嶺石、綠泥石、硅質(zhì)礦物、碳酸鹽礦物、水云母(伊利石)和凝灰質(zhì)等,其含量西部氣田略高于東部氣田,特別是西部氣田的凝灰質(zhì)含量明顯高于東部。

圖2 鄂爾多斯盆地北部沉積相展布及產(chǎn)氣井的主要分布范圍Fig.2 The distribution of the sedimentary facies and gas-producing wells of Upper Paleozoic in Ordos Basin

表1 鄂爾多斯盆地東、西部氣田主力含氣層的儲(chǔ)層巖石類型The reservoirs'rock types of the main gas-producing horizons between the east and the west of Ordos Basin

儲(chǔ)層的物性分析表明,西部氣田盒8段儲(chǔ)層的孔隙度范圍為0.40%～21.61%,主峰值分布在2%～14%之間,平均值為7.350%;滲透率分布在(0.001～64.13)×10-3μ m2間,主峰位于(0.100～0.700)×10-3μ m2之間,平均值為 0.46×10-3μ m2。東部氣田山2段砂巖儲(chǔ)層的孔隙度范圍為2.37%～17.23%,平均值為6.42%,主峰值位于5.0%～10.0%之間;滲透率范圍為(0.003～189.523)×10-3μ m2,主要分布在(0.01～1.00)×10-3μ m2,平均值為 0.637 ×10-3μ m2。兩個(gè)地區(qū)的孔滲參數(shù)總體分布特征表明鄂爾多斯盆地上古生界氣田屬于典型的低孔低滲儲(chǔ)層?？紫抖群蜐B透率都呈現(xiàn)出線性相關(guān),說(shuō)明砂巖的儲(chǔ)集和滲流空間主要依賴于砂巖基質(zhì)孔隙和喉道,不均勻分布的層理縫、層間縫和微裂縫提供的儲(chǔ)集和滲流空間有限。東部氣田山2段的孔、滲相關(guān)性要好于西部氣田盒8段,屬于低孔低滲背景下的相對(duì)低孔高滲型儲(chǔ)層;而蘇里格氣田則屬于低孔低滲背景下的相對(duì)高孔低滲型儲(chǔ)層,這說(shuō)明東、西部氣田的砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)存在著一定的差異。儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析顯示,東部氣田的儲(chǔ)層以原生粒間孔為主,其次為次生的溶孔和高嶺石晶間微孔,最大連通孔隙喉道集中程度高,孔喉結(jié)構(gòu)較均勻;而西部氣田的溶蝕孔對(duì)孔隙的貢獻(xiàn)常超過(guò)50%,主要為凝灰質(zhì)泥質(zhì)蝕變?nèi)芸缀蛶r屑溶孔,儲(chǔ)集空間以溶蝕孔+原生粒間孔組合為特征,最大連通孔隙喉道集中程度較低,孔喉結(jié)構(gòu)相對(duì)較差(圖3)。

2.4 保存條件

上石盒子組厚層河漫及湖相泥巖,巖性致密,厚度一般在100 m左右,在全盆地廣泛連續(xù)分布于上古生界主力氣層之上,構(gòu)成區(qū)域性蓋層。泥巖或砂質(zhì)泥巖平均滲透率為10-10～10-8μ m2,突破壓力大于5 MPa,具有良好的封蓋條件;并且在早、中侏羅世就已成為良好的蓋層,埋深已達(dá)到2 km[4]。鄂爾多斯盆地處于穩(wěn)定的克拉通上,構(gòu)造穩(wěn)定,以整體抬升或沉降為主,現(xiàn)今地層仍然表現(xiàn)為傾角不超過(guò)1°的平緩的單斜構(gòu)造。因此,與中國(guó)大部分含油氣盆地具有后期破壞嚴(yán)重的特點(diǎn)不同,鄂爾多斯盆地受后期破壞相對(duì)較小,為大面積分布的巖性-地層氣藏提供了良好的保存條件。

3 東、西部氣藏的主控因素分析

上述氣藏特征分析顯示鄂爾多斯盆地北部上古生界巖性-地層氣藏具有良好的生儲(chǔ)蓋配置條件,具備大面積成藏的基礎(chǔ)。值得注意的是,雖然東、西部氣田的烴源巖和保存條件差別不大,但儲(chǔ)層的分布層位、孔隙類型和成藏組合卻顯示出明顯的差異性(圖4)：東部氣田主要發(fā)育于陸表海及近海湖盆階段,儲(chǔ)集空間以原生粒間孔為主,為自生自儲(chǔ)的源內(nèi)成藏組合;而西部氣田則發(fā)育于陸相湖盆階段,儲(chǔ)集空間以溶蝕孔+粒間孔為特征,屬于下生上儲(chǔ)的源頂成藏組合。

3.1 富石英物源區(qū)

物源分析表明,四個(gè)近于平行的大型河流-三角洲系統(tǒng)的物源來(lái)自北緣陰山古陸的太古界集寧群和烏拉山群的石英巖、片麻巖、變粒巖,以及元古界色爾騰山群、白云鄂博群、渣爾泰山群、黃旗口群、阿拉善群和千里山群的石英巖、變質(zhì)砂巖、石英片巖、板巖、千枚巖、火山巖及碳酸鹽巖[16～19]。物源的對(duì)比分析進(jìn)一步顯示,盆地西部的母巖主要為陰山西段的中元古界變質(zhì)巖和沉積巖系,包括大量高石英含量的石英巖、片麻巖、變粒巖和中基性火山巖等,為富石英母巖區(qū);而東部的母巖主要為陰山東段的太古界酸性侵入巖、變質(zhì)砂巖、片麻巖,石英含量相對(duì)較低,屬貧石英母巖區(qū)。由沉積相展布圖可以看出(圖2),對(duì)應(yīng)富石英物源區(qū)的西部河流-三角洲系統(tǒng)在盒8段沉積期最為發(fā)育,反映該時(shí)期對(duì)應(yīng)于北緣物源區(qū)的一次構(gòu)造活躍期,物源供給充沛,水動(dòng)力較強(qiáng),有利于辮狀河-辮狀河三角洲的建設(shè)。同時(shí),由于地形寬緩,河道或分流河道頻繁地側(cè)向遷移,形成了連片展布的有利于天然氣聚集的石英含量較高的中-粗粒砂巖。該時(shí)期,東部地區(qū)的三角洲規(guī)模小于西部地區(qū),同時(shí)又對(duì)應(yīng)著貧石英物源區(qū),形成的砂巖的成熟度明顯低于西部地區(qū),因此不利于大規(guī)模儲(chǔ)層的形成。

圖3 鄂爾多斯盆地東、西部地區(qū)的上古生界氣田的儲(chǔ)層特征及差異Fig.3 The differential characteristics of Upper Paleozoic reservoirs between the east and the west of Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地上古生界東、西部氣田的差異性對(duì)比Fig.4 The differeces between the east and the west reservoirs of Upper Paleozoic in Ordos Basin

3.2 網(wǎng)狀輸導(dǎo)體系

西部地區(qū)來(lái)自富石英物源區(qū)的砂體雖然具有較高的成熟度,但凝灰質(zhì)和泥質(zhì)填隙物占據(jù)了大量的粒間孔隙。成巖作用研究表明來(lái)自下伏煤系地層的有機(jī)酸流體通過(guò)溶蝕作用有效地改善了儲(chǔ)層質(zhì)量[20,21]。鄂爾多斯盆地上古生界中的斷裂不發(fā)育,內(nèi)部沒(méi)有大型不整合面,因此正確認(rèn)識(shí)成巖流體及烴類物質(zhì)運(yùn)移的通道至關(guān)重要。鄂爾多斯晚古生代盆地是發(fā)育在陸表?；A(chǔ)上的陸內(nèi)坳陷盆地,具有地形寬緩、水體淺的特點(diǎn)。盆地演化過(guò)程中,北緣隆起帶持續(xù)抬升,物源供給穩(wěn)定,碎屑物通過(guò)多個(gè)水系充填到盆地中,形成幾個(gè)近于平行的相互交織的淺水三角洲。由于淺水三角洲長(zhǎng)距離的均衡卸載作用,沒(méi)有一般三角洲快速卸載形成的沉積中心[22],易形成以側(cè)向延伸為主的砂巖,并缺乏厚層泥巖隔層。因而,在寬緩的斜坡上,不同時(shí)期的三角洲分流河道和水下分流河道相互串行疊置,形成相互連通的大面積網(wǎng)毯狀砂體。在成巖過(guò)程中,層序界面和相互連通的網(wǎng)毯狀砂體組成的網(wǎng)狀輸導(dǎo)體系是來(lái)自下伏煤系地層的有機(jī)酸流體運(yùn)移的良好通道。砂巖中的巖屑、凝灰質(zhì)和泥質(zhì)填隙物等不穩(wěn)定組分被酸性成巖流體溶蝕,形成溶蝕孔+原生孔組合為特征的儲(chǔ)集空間。同時(shí),后期成藏過(guò)程中,來(lái)自煤系地層的烴類物質(zhì)通過(guò)層序界面和網(wǎng)毯狀砂體運(yùn)移至有利聚集部位形成氣藏。

3.3 高能聚砂環(huán)境

由盆地演化過(guò)程中的層序充填結(jié)構(gòu)可見(jiàn)(圖4),氣藏的發(fā)育明顯受盆地演化階段與基準(zhǔn)面升降所引起的聚砂環(huán)境變化控制。太原期,鄂爾多斯盆地東西向構(gòu)造應(yīng)力的減弱,北側(cè)造山帶的擠壓作用逐漸增強(qiáng),形成北升南降的格局。中央古隆起對(duì)盆地沉積格局的控制逐漸減弱,陸表海的潮坪沉積不斷向南退縮,盆地北緣造山帶開(kāi)始供源,形成小型三角洲。盆地東北部伊金霍洛旗一帶的三角洲受來(lái)自東南方向的海水改造最為明顯,形成高成熟度砂質(zhì)組成的障壁砂壩,與富有機(jī)質(zhì)的泥巖或煤層交錯(cuò)發(fā)育,形成良好的自生自儲(chǔ)式氣藏,如大牛地太2段的砂巖氣藏。

隨著興蒙海槽和秦嶺海槽的對(duì)擠作用加強(qiáng),盆地北部的岸線向南遷移,三角洲規(guī)模逐漸增大。研究表明,海水于山2段末期才最終從東南方向完全退出[23,24]。山西期相當(dāng)于盆地轉(zhuǎn)化的過(guò)渡階段,即近海湖盆階段。該階段早期,盆地北緣造山帶處于構(gòu)造活躍期,物源供給充沛,以發(fā)育連續(xù)進(jìn)積的辨狀河三角洲為特征,三角洲平原上發(fā)育大量煤層。這個(gè)時(shí)期,東部地區(qū)的三角洲規(guī)模相對(duì)較大(圖2),聚砂能力強(qiáng),并且盆地東南部仍然為淺海環(huán)境,辨狀河三角洲前緣受河流和潮汐的共同作用,改造了貧石英物源區(qū)帶來(lái)的砂質(zhì),提高了砂巖的成熟度,因此東部地區(qū)的山2段成為有利儲(chǔ)層發(fā)育層位。而西部的蘇里格地區(qū)的杭錦旗三角洲規(guī)模較小,聚砂能力較弱,雖然有富石英物源區(qū)的基礎(chǔ),但不利于大規(guī)模儲(chǔ)層的形成。山1期開(kāi)始,由于海水的完全退出,物源區(qū)的母巖性質(zhì)成為了砂巖儲(chǔ)層發(fā)育的主要控制因素,因此產(chǎn)氣井的分布轉(zhuǎn)移到富石英物源區(qū)的西部蘇里格地區(qū)。

可見(jiàn),岸線附近的高能聚砂環(huán)境是影響鄂爾多斯盆地上古生界儲(chǔ)層發(fā)育狀況的又一關(guān)鍵因素。這種高能聚砂環(huán)境對(duì)氣藏的控制還表現(xiàn)在湖盆擴(kuò)張過(guò)程中湖浪作用對(duì)砂體的改造,如榆24井的盒4段和神3井的盒2段都有高產(chǎn)氣藏發(fā)育。

4 結(jié)論

總之,鄂爾多斯盆地上古生界煤系地層廣覆式生烴、淺水三角洲大面積聚砂和湖侵作用鑄造區(qū)域性蓋層三大因素形成的良好的生儲(chǔ)蓋配置為大面積成藏奠定了基礎(chǔ),造就了鄂爾多斯盆地“滿盆生氣、到處含氣、巖性控氣”的特點(diǎn)。東、西部氣田的對(duì)比研究揭示了它們具有明顯的差異性：

a.鄂爾多斯盆地上古生界致密巖性-地層氣藏具有廣覆式生烴的基礎(chǔ),儲(chǔ)層主要為石英含量(面積分?jǐn)?shù))大于80%的中-粗粒石英砂巖、巖屑石英砂巖,保存條件好,具有良好的生儲(chǔ)蓋配置。其中西部氣田屬于低孔低滲背景下的相對(duì)高孔低滲型儲(chǔ)層;而東部氣田則為低孔低滲背景下的相對(duì)低孔高滲型儲(chǔ)層。

b.東部山2段、太2段以原生孔為主的潮控三角洲前緣的水下分流河道和潮汐砂壩儲(chǔ)集體形成于陸表海和近海湖盆階段,主要受潮汐和河流組成的高能聚砂環(huán)境控制。因此,不管是南緣還是北緣的三角洲,不管是現(xiàn)有的主力產(chǎn)氣層還是其他層位,與海岸線或湖岸線相關(guān)的高能聚砂環(huán)境的確定具有重要意義。

c.西部盒8段、山1段以溶蝕孔+原生孔組合為特征的分流河道和水下分流河道儲(chǔ)集砂體形成于陸內(nèi)坳陷盆地形成發(fā)展階段,富石英物源區(qū)和建設(shè)性成巖作用是儲(chǔ)層形成的主控因素。這表明尋找具有富石英物源區(qū)的規(guī)模較大的三角洲沉積體系是關(guān)鍵;被層序界面和網(wǎng)狀砂體連通的大型砂體易被成巖流體改善形成次生溶蝕孔+原生粒間孔為組合的儲(chǔ)集空間,所以層序格架內(nèi)網(wǎng)狀砂體的識(shí)別和富砂帶建設(shè)性成巖相區(qū)的確定至關(guān)重要。

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