陜北斜坡上古生界構(gòu)造裂縫及其天然氣成藏意義

萬永平，王根厚，歸 榕，李春霞，銀 曉，周進(jìn)松

1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

2.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安 710075

0 引言

在低孔、低滲油氣藏中，天然裂縫的發(fā)育成為油氣運(yùn)移的通道及儲存空間，同時(shí)，也是主導(dǎo)人工壓裂規(guī)模的主要因素之一［1］。裂縫發(fā)育特征的研究，成為尋找油氣富集區(qū)、井位部署、井網(wǎng)優(yōu)化及提高單井產(chǎn)量的關(guān)鍵所在［2－4］。研究區(qū)上古生界氣藏儲層主要為障壁島砂體及三角洲沉積砂體（圖1），儲層埋深為2 400～3 200m，儲層與烴源巖之間發(fā)育多套致密隔層，氣藏類型為低滲致密的巖性氣藏［5］，在構(gòu)造不發(fā)育的前提下，盆地天然氣成藏機(jī)理成為氣藏研究的重點(diǎn)。前人［5－9］從氣藏特征、成藏時(shí)間、成藏機(jī)理等角度做過大量研究，認(rèn)為盆地上古生界氣藏主要為壓力驅(qū)使作用導(dǎo)致天然氣向上運(yùn)移并成藏。筆者從裂縫發(fā)育特征、形成時(shí)限、氣藏發(fā)育特征等角度出發(fā)，系統(tǒng)討論了隔層裂縫的形成、分布與中上部氣藏之間的耦合關(guān)系，認(rèn)為裂縫為研究區(qū)天然氣成藏提供了必要的運(yùn)移通道，并提出以隔層裂縫作為運(yùn)移通道及中上部儲層作為儲存空間的石盒子組及石千峰組“巖性－裂縫型”氣藏模式。

圖1 鄂爾多斯盆地上古生界綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive column of the Upper Paleozoic of Ordos basin

1 區(qū)域構(gòu)造背景

鄂爾多斯盆地是疊加在華北古生代克拉通之上的中生代內(nèi)陸多旋回疊合盆地，盆地自晚古生代以來分別經(jīng)歷大型克拉通內(nèi)拗陷、燕山期類前陸盆地構(gòu)造演化及新構(gòu)造期周緣斷陷盆地構(gòu)造演化3個大的構(gòu)造演化階段［10－11］。其中燕山期和新構(gòu)造期構(gòu)造活動是控制盆地構(gòu)造變形、沉積沉降中心遷移、構(gòu)造裂縫發(fā)育的主要構(gòu)造應(yīng)力來源［12－15］（圖2）。在燕山構(gòu)造運(yùn)動時(shí)期，特提斯構(gòu)造域和瀕太平洋構(gòu)造域?qū)χ谐鍓K作用力的遠(yuǎn)程效應(yīng)給盆地造成整體旋轉(zhuǎn)和東、西邊緣的相向逆沖［16］，在此統(tǒng)一應(yīng)力場作用下，盆地內(nèi)部古生界至中生界廣泛發(fā)育的構(gòu)造裂縫成為盆地油氣運(yùn)移及成藏的通道及場所［5，17］。

圖2 鄂爾多斯盆地沉積－構(gòu)造演化及油氣藏模式（據(jù)文獻(xiàn)［7］修改）Fig.2 Sedimentary－tectonic evolution and the reservoir pattern of Ordos basin（modified after reference［7］）

2 裂縫發(fā)育特征

研究區(qū)上古生界普遍發(fā)育構(gòu)造裂縫，裂縫縱向延伸長度可達(dá)80～100cm，裂縫面傾角一般在85°以上，將巖心劈開呈平行板狀（圖3a）。裂縫表面一般平直光滑，可見石英質(zhì)礫石被切穿（圖3b），局部可見階步發(fā)育。在顯微鏡下可見礦物顆粒中發(fā)育的微裂縫呈近直線延伸，一般切穿石英、長石等脆性礦物顆粒；在發(fā)育次生加大邊的石英顆粒上，微裂縫同時(shí)切穿石英顆粒及其加大邊并在綠泥石等層狀硅酸鹽礦物邊緣終止或改變發(fā)育方向（圖3c），一般呈共軛形式產(chǎn)出，共軛角為50°～70°（圖3c，d），微裂縫寬度一般為3～5μm，一般無充填（圖3e，f）。受巖心取心質(zhì)量的影響，筆者未能大量獲得泥巖段裂縫發(fā)育特征，僅在延1034井山1粉砂質(zhì)泥巖中發(fā)現(xiàn)微裂縫，裂縫面平直，推測為剪切縫。研究表明，研究區(qū)構(gòu)造裂縫以剪性及張剪性為主，發(fā)育少量張裂縫，裂縫產(chǎn)狀近直立，裂縫表面一般無充填（表1）。

3 裂縫測井響應(yīng)特征

基于裂縫與基巖具有不同的地球物理性質(zhì)這一特性，可以通過測井資料識別來描述地層裂縫。其中：根據(jù)常規(guī)測井的井徑、電阻率、孔隙度等數(shù)據(jù)可以定性研究裂縫發(fā)育特征［18－19］；基于基質(zhì)和裂縫導(dǎo)電率不同而識別裂縫的成像測井技術(shù)，可以定量描述裂縫產(chǎn)狀、密度、寬度及縫高等參數(shù)［20－23］。

表1 陜北斜坡上古生界巖心裂縫發(fā)育特征Table1 Core fracture characteristics of Upper Paleozoic in northern Shaanxi slope

圖3 陜北斜坡上古生界裂縫發(fā)育特征Fig.3 Fractures of Upper Paleozoic in northern Shaanxi slope

成像測井發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地層裂縫在動態(tài)增強(qiáng)圖像中表現(xiàn)為暗色條紋，表明未被充填。其中：垂直裂縫表現(xiàn)為平行井軸的雙直線，斜交縫及成巖縫表現(xiàn)為正弦曲線形態(tài)，裂縫寬度可達(dá)0.3～0.5cm。在常規(guī)測井中，裂縫段井徑略有擴(kuò)大，深、淺側(cè)向電阻率均降低，微球聚焦測井呈現(xiàn)異常低值，3條孔隙度曲線呈尖峰狀變化，其中，聲波時(shí)差及補(bǔ)償中子略有增大，密度測井略有減?。▓D4）。基于成像測井統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)上古生界主要發(fā)育4組裂縫，裂縫走向分別為NE66°-70°、NWW275°-282°以及NEE84°-86°、NNW334°-338°，其中前兩組較后兩組發(fā)育（圖5）。

4 裂縫段儲層孔隙度－滲透率響應(yīng)特征

在碎屑巖儲層中，孔隙度與滲透率一般整體呈正相關(guān)關(guān)系［22，24］。研究區(qū)儲層物性分析結(jié)果顯示，裂縫發(fā)育段儲層滲透率與基質(zhì)滲透率差異較大，前者一般呈異常高值。其中：石盒子組盒8、山西組、本溪組基質(zhì)滲透率分別為（0.30～3.50）×10－3μm2、（0.02～8.30）×10－3μm2、（0.03～1.90）×10－3μm2，裂縫發(fā)育段儲層滲透率分別為（1.30～60.00）×10－3μm2、（4.30～96.00）×10－3μm2、（4.50～104.00）×10－3μm2（圖6）；同一儲層在相同孔隙度條件下，裂縫發(fā)育段滲透率比基質(zhì)滲透率最大可提高130倍，顯著提高了研究區(qū)低滲致密儲層的滲透性。

5 氣藏發(fā)育特征

5.1 裂縫形成與氣藏充注匹配關(guān)系

鄂爾多斯盆地陜北斜坡上古生界氣藏為低滲致密的巖性氣藏［5］。在低滲致密巖性氣藏中，儲層裂縫與天然氣充注之間的匹配關(guān)系研究成為裂縫有效性評價(jià)及氣藏研究的關(guān)鍵［2－3，8］。根據(jù)盆地古地溫史及地層熱演化溫度，可以很好地推算地層埋深及油氣演化史，根據(jù)盆地?zé)嵫莼?、成巖作用及流體包裹體測溫可以推斷裂縫形成時(shí)間［17］，進(jìn)而系統(tǒng)討論裂縫形成與油氣演化之間的匹配關(guān)系。

5.1.1 氣藏充注時(shí)間

通過儲層埋深及熱演化模擬研究（圖7），發(fā)現(xiàn)研究區(qū)二疊系底部在晚侏羅世-早白堊世達(dá)到最大埋深，最大深度達(dá)到4 300m，烴源巖鏡質(zhì)體反射率（Ro值）為 1.80% ～1.86%，熱演化溫度達(dá)到185℃，該時(shí)期為盆地上古生界烴源巖的最大生排烴期及氣藏充注高峰期［25－26］。

5.1.2 裂縫形成時(shí)間

圖4 上古生界裂縫測井響應(yīng)Fig.4 Log response to fractures in Upper Paleozoic

圖5 裂縫走向統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Strike statistics of the fractures

研究區(qū)上古生界砂巖儲層先后經(jīng)歷了壓實(shí)、硅質(zhì)膠結(jié)、壓溶作用及碳酸鹽膠結(jié)作用［27］。在壓溶作用過程中形成的石英次生加大邊形成于晚成巖作用階段中后期（圖7），對應(yīng)地質(zhì)年代為晚侏羅世-早白堊世［5，28］。前期研究表明［17］：石英次生加大邊及微裂縫中廣泛發(fā)育流體包裹體，微裂縫中流體包裹體均一溫度普遍高于石英次生加大邊中包裹體溫度；同時(shí)，兩類包裹體溫度在地層中自上而下逐漸升高，其中，微裂縫中包裹體溫度最高達(dá)到150℃，石英加大邊中包裹體溫度最高達(dá)到125℃（圖7）。在持續(xù)沉降的盆地中，對比盆地?zé)嵫莼?、成巖演化、裂縫發(fā)育特征、微裂縫及石英次生加大邊中包裹體測溫等研究成果可知，研究區(qū)上古生界構(gòu)造裂縫形成時(shí)期晚于石英次生加大邊而早于目的儲層最大埋深時(shí)期（生排烴高峰期），即裂縫形成于晚侏羅世之后、早白堊世之前。

圖6 陜北斜坡上古生界儲層孔隙度－滲透率關(guān)系Fig.6 Relationship of permeability to porosity of Upper Paleozoic in northern Shaanxi slope

圖7 陜北斜坡上古生界埋藏史及成巖作用演化史（據(jù)文獻(xiàn)［26］修改）Fig.7 Burial history and diagenesis evolution of Upper Paleozoic in northern Shaanxi slope（modified after reference［26］）

5.2 氣藏縱向展布特征

5.2.1 氣藏模式

鄂爾多斯盆地上古生界石炭系本溪組及二疊系山西組下部廣泛發(fā)育的海陸過渡相煤系地層成為上古生界天然氣藏優(yōu)良的烴源巖，構(gòu)成盆地“廣覆式”生烴基礎(chǔ)［5］；本溪組至石千峰組發(fā)育的障壁島砂體、三角洲水下分流河道砂體及河道砂體成為上古生界天然氣藏主要的儲集層；下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖及中-上二疊統(tǒng)廣泛發(fā)育的泥巖構(gòu)成氣藏區(qū)域性蓋層（圖1）［9，11］。儲集砂體在沉積演化過程中，縱向上演化為泥巖局部蓋層和區(qū)域蓋層，橫向上相變?yōu)橹旅苌皫r和泥巖，空間上形成了“上封側(cè)堵”的封閉條件。氣藏成藏過程總體以垂向及短距離橫向運(yùn)移為主，形成自生自儲的“近源氣藏”及下生上儲的“遠(yuǎn)源氣藏”（圖8）。該成藏特點(diǎn)決定了本溪組至石千峰組各儲層隨著遠(yuǎn)離烴源巖，其含氣飽和度及成藏規(guī)模依次減小。在整個上古生界生儲蓋組合中，中-上部儲層石盒子組及石千峰組大規(guī)模發(fā)育的儲集砂體具有良好的物性條件，但勘探成果表明，兩個儲集層段試氣達(dá)工業(yè)氣流的井僅占總井?dāng)?shù)的17%及7.2%，遠(yuǎn)低于中-下部儲層（表2）。

5.2.2 盒8氣藏展布特征

陜北斜坡延安地區(qū)上古生界氣藏前期勘探發(fā)現(xiàn)，盒8儲層含氣性不受自身砂體厚度及物性的約束，試氣產(chǎn)量與砂體厚度及物性之間無明顯相關(guān)性。通過將盒8含氣區(qū)與下伏地層（山西組山1）裂縫發(fā)育區(qū)疊合發(fā)現(xiàn)，兩者具有較好的對應(yīng)關(guān)系，即盒8砂體發(fā)育區(qū)與山1裂縫發(fā)育區(qū)的疊合區(qū)域成為盒8成藏有利區(qū)（圖8），形成了該段“巖性－裂縫型”氣藏。

5.2.3 石千峰組氣藏展布特征

在陜北斜坡北部神木-榆林-米脂地區(qū)，上古生界石盒子組頂部及石千峰組發(fā)現(xiàn)的低壓力系數(shù)、低含氣飽和度、較輕的天然氣組分的干氣氣藏［7］，其烴源巖為石炭系及二疊系煤系地層，成藏時(shí)間為100Ma左右［6］，與研究區(qū)下部氣藏成藏時(shí)間基本一致。該氣藏在區(qū)域構(gòu)造上位于盆地中央斷裂帶兩側(cè)，其含氣性在平面上向斷裂帶兩側(cè)迅速降低，在其南部子長-延安一帶基本不含氣（圖8）。在石千峰組儲層與下部烴源巖之間發(fā)育280～350m致密隔層的情況下（圖1，8），該氣藏的發(fā)育可能與中央斷裂帶相關(guān)的裂縫系統(tǒng)有關(guān)，同樣形成了基于裂縫運(yùn)移及砂巖儲存的“巖性－裂縫型”氣藏。

6 構(gòu)造裂縫的天然氣成藏意義

鄂爾多斯盆地上古生界發(fā)育低滲致密的巖性氣藏，除盆地中央斷裂帶以外，其他地區(qū)基本不發(fā)育大型斷裂構(gòu)造，普遍分布的構(gòu)造裂縫為天然氣運(yùn)移及成藏提供了必要的構(gòu)造條件：1）研究區(qū)上古生界主要發(fā)育近直立的剪性及張剪性裂縫，裂縫面基本未充填，裂縫的發(fā)育可以為天然氣成藏提供運(yùn)移通道；2）研究區(qū)上古生界儲層在經(jīng)歷了壓實(shí)、膠結(jié)、壓溶作用之后，基質(zhì)孔隙度降為3%～10%，滲透率減小為（0.02～0.83）×10－3μm2，為典型的低滲透氣藏，在壓溶成巖作用（晚侏羅世-早白堊世）之后發(fā)育的構(gòu)造裂縫使儲層滲透率提高到（1.30～104.00）×10－3μm2，顯著提高了致密儲層滲透率；3）陜北斜坡上古生界最大生排烴時(shí)期為晚侏羅世-早白堊世，形成于早白堊世之前的構(gòu)造裂縫成為天然氣運(yùn)移的有效通道；4）研究區(qū)盒8儲層與烴源巖之間發(fā)育20～40 m厚的碳酸鹽巖及40～80m厚的泥巖隔層，隔層段裂縫發(fā)育區(qū)與盒8含氣區(qū)具有良好的匹配關(guān)系，形成了盒8“巖性－裂縫型”氣藏；5）陜北斜坡北部神木-榆林-米脂一帶發(fā)育的石千峰組低壓氣藏在平面上位于鄂爾多斯盆地中央斷裂帶附近，在斷裂帶南北兩側(cè)，石千峰組含氣性迅速降低，該氣藏特點(diǎn)可能與盆地中央斷裂帶相關(guān)的裂縫系統(tǒng)有關(guān)，形成了基于裂縫運(yùn)移及砂巖儲存的石千峰組“巖性－裂縫型”氣藏。

表2 陜北斜坡上古生界氣藏參數(shù)Table2 Gas reservoir parameters of Upper Paleozoic in northern Shaanxi slope

圖8 陜北斜坡上古生界沉積演化及天然氣成藏模式Fig.8 Sedimentary evolution and natural gas accumulation model of Upper Paleozoic in northern Shaanxi slope

7 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地陜北斜坡上古生界普遍發(fā)育的構(gòu)造裂縫形成于晚侏羅世-早白堊世，該時(shí)間界限位于儲層壓溶膠結(jié)作用之后、盆地最大生排烴期之前，裂縫性質(zhì)以剪性及張剪性為主，產(chǎn)狀近直立。

2）裂縫的發(fā)育在改善儲層滲透性的同時(shí)為天然氣運(yùn)移提供了必要的運(yùn)移通道，并與中上部氣藏在時(shí)空上建立了良好的耦合關(guān)系，形成了以隔層裂縫為天然氣運(yùn)移通道和以中-上部儲層為儲存空間的石盒子組及石千峰組“巖性－裂縫型”氣藏。

3）鄂爾多斯盆地陜北斜坡上古生界“巖性－裂縫型”氣藏以中-上部有利儲層及下伏地層裂縫發(fā)育帶的疊合區(qū)域?yàn)橛欣刹貐^(qū)，該成藏模式對盆地上古生界“下生上儲型”遠(yuǎn)源氣藏后續(xù)勘探具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

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