蘇里格東區(qū)蘇77、召51井區(qū)山西組-下石盒子組沉積微相及氣水分布規(guī)律研究

王若谷，李積海，何太洪，吳海燕

(1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069;2.西部鉆探工程公司蘇里格氣田項(xiàng)目經(jīng)理部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017300;3.延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安710069)

蘇里格氣田地處內(nèi)蒙古自治區(qū)伊克昭盟境內(nèi)，是我國陸上目前已發(fā)現(xiàn)的最大的天然氣氣田［1］，其地質(zhì)構(gòu)造隸屬于鄂爾多斯盆地陜北斜坡西部，主力氣藏類型為發(fā)育于上古生界碎屑巖系中的大型巖性圈閉氣藏。蘇77、召51井區(qū)位于鄂爾多斯盆地蘇里格氣田東二區(qū)，面積約2 100 km2，尚屬新領(lǐng)域，研究程度還很薄弱。其主力儲(chǔ)集層段為上古生界山西組和下石盒子組盒8段，其中山西組自下而上可劃分為山2、山1段，每段又可細(xì)分出3個(gè)小層，盒8段亦可劃分出上下兩段(圖1)。山西組至下石盒子組沉積期，研究區(qū)發(fā)育河流相砂體，砂體連續(xù)性差，橫向相變快，前期的勘探開發(fā)實(shí)踐表明，研究區(qū)氣藏產(chǎn)水嚴(yán)重，氣水關(guān)系十分復(fù)雜，各井試氣投產(chǎn)產(chǎn)量、含水差異較大，復(fù)雜的氣水關(guān)系直接影響了氣田高效滾動(dòng)開發(fā)進(jìn)程，制約了氣田的增儲(chǔ)上產(chǎn)［2］。因此，本文擬在大量基礎(chǔ)資料分析基礎(chǔ)上，分析研究區(qū)沉積相演化特征，并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件對(duì)氣水分布規(guī)律及主要控制因素進(jìn)行探討，以期對(duì)下一步氣田的勘探開發(fā)起到一定的指導(dǎo)作用。

1 沉積相演化特征

上古生界山西期初，受克拉通南北秦嶺、興蒙海槽于海西中晚期自西而東縱向遷移、關(guān)閉的影響，鄂爾多斯地區(qū)構(gòu)造格局和沉積環(huán)境發(fā)生了顯著變化。因華北地塊整體抬升，海水從盆地東西兩側(cè)迅速退出，盆地性質(zhì)由陸表海盆演變近海湖盆，沉積環(huán)境由海相多轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴啵瑬|西差異基本消失，而南北差異沉降和相帶分異增強(qiáng)。盆地北部由北向南依次發(fā)育沖積扇、河流、三角洲沉積體系［3］。蘇77、召51井區(qū)發(fā)育多河道低彎度曲流河沉積。山23沉積期，水動(dòng)力條件十分強(qiáng)，多河道分流匯集作用強(qiáng)烈，邊灘廣布，主河道多呈條帶狀南北向展布，砂體連續(xù)性好，砂地比一般介于0.4～0.7之間，最大砂厚可達(dá)15～20 m。該期氣候溫暖潮濕，河道間河漫沼澤發(fā)育，煤層層數(shù)1～6層不等，單層厚度0.5～4 m，累積厚度1～10 m不等。山22、山21沉積期，水動(dòng)力條件逐漸減弱，河道寬度減少，邊灘數(shù)量及規(guī)模逐漸減小，砂地比多介于0.3～0.5之間，最大砂厚多在13～17 m，間灣沼澤中煤層厚度和層數(shù)明顯減少，總厚度僅為0.5～2 m。山1段沉積特征與山22、山21相似，仍發(fā)育多河道低彎度曲流河沉積，但砂體厚度明顯減小，砂地比多介于0.3～0.5之間，最大砂厚不超過14 m。山1期，氣候逐漸變暖，河道間河漫灘廣布，煤層幾乎不發(fā)育。

圖1 召53井山西組-下石盒子組沉積相綜合柱狀圖

中二疊世下石盒子期，隨著北部興蒙海槽的逐漸關(guān)閉，南北差異升降強(qiáng)烈，北部古陸進(jìn)一步抬升，物源豐富，盆地內(nèi)形成了一套巨厚的以粗粒為主的陸源碎屑巖建造。氣候由溫暖潮濕變?yōu)楦稍缪谉?，植被大量減少，煤層和暗色泥巖明顯減少，雜色泥巖發(fā)育［3-5］。盒8下沉積期，蘇77、召51井區(qū)發(fā)育辮狀河沉積，盒8下2時(shí)期，水動(dòng)力條件強(qiáng)，心灘微相發(fā)育，辮狀河道改道頻繁，泛濫平原幾乎不發(fā)育。河道砂體連續(xù)性好，砂地比值高，大部分可達(dá)0.7之上，砂體厚度大，砂體呈寬厚片狀展布，單砂體厚度可達(dá)10 m及以上，累積砂體厚度多在3～18 m之間不等，砂體頻繁疊置，橫向連片。盒8下1時(shí)期，水動(dòng)力逐漸減弱，辮狀河道受限制性擺動(dòng)，河道間泛濫平原開始發(fā)育。砂體厚度減薄，多在2～17 m之間不等，砂體橫向連通性明顯減弱。進(jìn)入盒8上亞段，水動(dòng)力繼續(xù)減弱，主河道寬度減小，再次呈現(xiàn)出多河道低彎度曲流河沉積特征，河道分流匯集作用強(qiáng)烈，邊灘零星發(fā)育，砂體連續(xù)性較好，河道間河漫灘微相發(fā)育。砂體呈細(xì)窄條帶狀南北相展布，盒8上2砂體厚度多在1.2～13 m之間不等，砂體橫向連通性較差。盒8上1砂體厚度多在1～10 m之間不等，砂體寬度進(jìn)一步減小。

2 地層水化學(xué)性質(zhì)及分布特征

2.1 地層水化學(xué)性質(zhì)

地表水一般 Ca2+，Mg2+和離子含量較高，隨著地表水滲入地下，水巖相互作用的最終結(jié)果是 Ca2+，Mg2+和離子含量減少，Na+，K+和離子含量相應(yīng)增加，Cl-隨礦化度增大而增加［6］。因此，地下水中如果富含Ca2+，Mg2+和離子，說明該區(qū)接近水源補(bǔ)給區(qū)，地下水徑流強(qiáng)烈;若富含Na+，K+和HCO3-離子，則說明該區(qū)遠(yuǎn)離水源補(bǔ)給區(qū)，水動(dòng)力交替較弱［7］。同時(shí)，Cl-離子含量高、礦化度高一般代表滯留水環(huán)境［8］。

通過收集到的近50次水化學(xué)數(shù)據(jù)分析表明，蘇77、召51井區(qū)盒8、山1、山2正常地層水具有高礦化度的特征，總礦化度在40～80 g/L之間，平均值可高達(dá)61 g/L，明顯具有鹵水的特點(diǎn);pH值在6～7.3之間，顯示弱酸性水特征。產(chǎn)水段類型為氯化鈣(CaCl2)型水;研究區(qū)產(chǎn)出水的化學(xué)組分主要包括 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-等離子，其中陽離子以Na++K+和Ca2+離子為主，Mg2+離子相對(duì)較少，陰離子中以Cl-為主。地層水的Na+/Cl-值多數(shù)集中在0.3～0.5之間，比值均小于0.65，顯示出封閉還原的滯留水環(huán)境，表明地層封閉性較好，水動(dòng)力不活躍，水體交換弱。

2.2 地層水類型及分布特征

地化指標(biāo)顯示地層水是天然氣運(yùn)聚過程中的產(chǎn)物，根據(jù)水體富集的不同狀態(tài)，可以將研究區(qū)劃分出5種主要的氣水分布類型。

①河道砂體局部邊底水:是指受砂體微構(gòu)造的影響，單個(gè)氣水系統(tǒng)內(nèi)部呈上氣下水的分布狀態(tài)，水層礦化度大，封閉性好，氣體富集于河道高部位，水體賦存于河道低部位;

②河道底部低凹處滯留“透鏡體”水:該種水體類型的成因與河道下蝕作用密切相關(guān)，河道的下蝕作用往往形成透鏡狀的砂體，在其底部低凹處往往殘留水體，天然氣進(jìn)入后不能將其排走;

③“孤立”砂體形成的“透鏡體”水:該水體多分布于孤立透鏡狀砂體中，如河道邊部決口扇砂體或孤立的廢棄河道中，由于無通道連通，天然氣不能運(yùn)移進(jìn)入，水體充滿整個(gè)砂體中。

④致密砂巖封隔的“透鏡體”水:由于多期的辮狀河、曲流河河道粗砂巖相互相切割、垂向疊置，其間由于水動(dòng)力條件的變化，存在物性夾層，水體受致密層封隔，形成夾層“透鏡體”水。

⑤致密層殘留水:在比較致密的低滲透地層中，地層水難以流動(dòng)，氣驅(qū)水很難進(jìn)行。天然氣運(yùn)移過程中，以驅(qū)替和擴(kuò)散兩種氣水置換方式同時(shí)進(jìn)行，把被低滲透砂巖包裹的河道砂巖孔隙中的原生水“封閉”起來，氣體充填的飽和度較低，殘留在地層中的水飽和度較高，形成致密層殘留水。

平面上，氣水分布零散、關(guān)系復(fù)雜，水體多富集于研究區(qū)西部，向東部水層厚度逐漸減少至消失。從水體發(fā)育程度上看，山23段水體無論水體個(gè)數(shù)還是水體量均是最發(fā)育的，盒8下段次之，其余層位水體較少。從水體類型上看:山1、山2段以致密砂巖分隔的“透鏡體”水、河道砂體局部邊底水及河道底部低凹處滯留“透鏡體”水為主;盒8段以透鏡體水發(fā)育為特征。

2.3 儲(chǔ)層氣、水產(chǎn)量特征

截至2012年11月，蘇77、召51井區(qū)共計(jì)297口試氣井產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表明，有近四分之三的井產(chǎn)水，但大部分產(chǎn)水井為氣水同產(chǎn)。從試產(chǎn)數(shù)據(jù)來看，單井氣產(chǎn)量70～12 3270 m3/d，平均達(dá) 2.44 ×104m3/d，單井水產(chǎn)量為 0.3～36 m3/d，平均達(dá) 6.4 m3/d。

3 地層水分布控制因素分析

在分析了研究區(qū)氣水分布特征的基礎(chǔ)之上，通過對(duì)烴源巖、沉積微相、微構(gòu)造特征及儲(chǔ)層物性特征的研究表明，研究區(qū)地層水的分布不僅受源巖的供給能力控制，同時(shí)也受沉積微相、局部微構(gòu)造特征及儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素控制。

3.1 烴源巖分布的不均衡性控制了氣水分布格局

蘇里格氣田天然氣主要來源于本溪組—山西組的“廣覆型”煤系烴源巖［9］，通過對(duì)研究區(qū)300余口井的統(tǒng)計(jì)，本溪組—山西組煤系總厚度在5～20 m不等，其中本溪組、太原組煤層分布較穩(wěn)定，可做區(qū)域性對(duì)比。但整體煤系分布不均衡，大致呈西薄東厚的展布狀態(tài)，烴源巖分布的不均衡性控制了氣水分布格局。試氣日產(chǎn)量大于2×104m3的井基本位于煤系發(fā)育區(qū)內(nèi)，而產(chǎn)水量高的井則主要分布在煤系欠發(fā)育區(qū)。平面上氣水分布規(guī)律也反應(yīng)出相同的特點(diǎn)，西部水體較東部水體發(fā)育。蘇里格氣田東區(qū)地層平緩，構(gòu)造幅度小，天然氣難以沿構(gòu)造上傾方向大規(guī)模運(yùn)移，烴類充注以垂向運(yùn)移為主［10］，生烴強(qiáng)度大的地區(qū)可以源源不斷地獲得氣源供給，成藏期生排烴能力強(qiáng)、氣排水作用徹底，有利于天然氣富集;而烴源巖欠發(fā)育區(qū)成藏期生排烴能力弱、地層水得以保留，并形成了相對(duì)富水區(qū)。

3.2 沉積微相決定了有利氣、水聚集的儲(chǔ)層空間分布

形成于不同沉積微相下的砂巖體的幾何形態(tài)，泥/砂比率和體系結(jié)構(gòu)的不同，并進(jìn)一步控制了砂巖的原始孔隙度、滲透率和孔隙水化學(xué)成分。蘇里格東區(qū)氣藏為典型的巖性氣藏，上古生界山西組-下石盒子組沉積期發(fā)育曲流河-辮狀河沉積，宏觀上儲(chǔ)層的發(fā)育受沉積微相控制，辮狀河心灘、曲流河邊灘等微相是儲(chǔ)集發(fā)育的有利相帶。河道控制了砂體的儲(chǔ)滲能力，即有利氣、水聚集的儲(chǔ)層空間分布，研究區(qū)氣田范圍內(nèi)河道成近南北向展布，沿河道方向同一砂體旋回中自下而上含氣性變好，河道下切處可形成透鏡狀砂體，以產(chǎn)水為主;垂直河道方向儲(chǔ)層連續(xù)性差，相對(duì)孤立的透鏡狀氣水系統(tǒng)較多。僅當(dāng)天然氣沿儲(chǔ)層上傾方向運(yùn)移至河道微相與河漫灘微相過渡帶時(shí)，砂巖厚度變薄，物性變差，最終尖滅于封閉性好的泥巖層中，上部天然氣富集，下部發(fā)育底水和邊水。受控于沉積微相，可形成河道底部低凹處滯留“透鏡體”水和“孤立”砂體形成的“透鏡體”水。

3.3 局部微構(gòu)造的起伏對(duì)宏觀氣水空間分布具有一定控制性

鄂爾多斯盆地上古生界地層起伏平穩(wěn)，為一大型西傾單斜，研究區(qū)由于毗鄰伊盟隆起構(gòu)造帶，地層向西南傾伏，發(fā)育5組北東-南西向小型鼻隆，各層段間有較好的繼承性。宏觀氣水分布受構(gòu)造起伏的影響，構(gòu)造高點(diǎn)以產(chǎn)氣為主，構(gòu)造較低的緩坡處氣水分布復(fù)雜，在砂巖物性較均一的單個(gè)氣水系統(tǒng)內(nèi)部可呈上氣下水的分布狀態(tài)，水層礦化度大，封閉性好，具有典型的底水特征，易形成河道砂體局部邊底水。

3.4 儲(chǔ)層的非均質(zhì)性決定了微觀氣水分布特征

天然氣運(yùn)移成藏過程中，氣驅(qū)水的完全程度與儲(chǔ)集砂體的孔、滲密切相關(guān)。鄂爾多斯盆地上古生界是典型的低孔低滲致密儲(chǔ)層，儲(chǔ)層非均質(zhì)性決定了微觀氣水分布特征。試氣結(jié)果表明，天然氣的充注與儲(chǔ)層的物性明顯相關(guān)。物性好的砂體毛細(xì)管阻力小，天然氣易于進(jìn)入砂體，驅(qū)替地層水，占據(jù)孔隙，形成氣層;物性稍差的砂體毛細(xì)管阻力略大，天然氣可驅(qū)替部分地層水，形成含氣水層;而物性差的砂體毛細(xì)管阻力很大，天然氣通常難以進(jìn)入，形成水層。此外，厚層砂體間廣泛發(fā)育致密砂巖夾層，各氣水系統(tǒng)被其所分隔，使單個(gè)純氣層在構(gòu)造相對(duì)高或低處均有分布。若氣水系統(tǒng)內(nèi)部的致密砂巖隔層分布面積較大時(shí)，則對(duì)氣、水層有明顯的遮擋作用，盒8下段儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，遮擋作用更明顯，易形成致密砂巖封隔的“透鏡體”水。

可見，研究區(qū)氣、水復(fù)雜分布是在成藏過程中多種因素共同作用的結(jié)果。在研究區(qū)低幅度構(gòu)造背景下，烴源巖的發(fā)育規(guī)?？刂浦刹仄谔烊粴獬渥⒌膹?qiáng)度，進(jìn)一步?jīng)Q定了氣排水的徹底程度;沉積微相控制著砂體空間展布特征，也為天然氣的富集提供了必要的儲(chǔ)集空間，是控制油水分布主要原因;儲(chǔ)集層性能的差異性是導(dǎo)致沉積后期油水復(fù)雜分布的重要原因;局部微構(gòu)造的起伏對(duì)宏觀氣水空間分布具有一定控制性。

4 結(jié)語

1)蘇77、召51井區(qū)上古生界山西組-下石盒子組發(fā)育曲流河-辮狀河沉積體系，其中曲流河邊灘及辮狀河心灘微相構(gòu)成區(qū)內(nèi)氣、水充注的主要儲(chǔ)集空間。

2)地層水地球化學(xué)性質(zhì)分析表明，地層封閉性較好，水動(dòng)力不活躍，水體交換弱。根據(jù)水體的不同富集狀態(tài)，可將研究區(qū)劃分出5種主要的氣水分布類型，以致密砂巖分隔的“透鏡體”水類型分布最為廣泛，氣水關(guān)系復(fù)雜，水體多富集于研究區(qū)西部。

3)控制研究區(qū)復(fù)雜氣、水分布關(guān)系的因素眾多，以烴源巖、沉積微相、局部微構(gòu)造特征及儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素為主。成藏過程中多種因素共同作用，形成了現(xiàn)今氣、水分布格局。

［1］何自新，付金華，席勝利，等.蘇里格大氣田成藏地質(zhì)特征［J］.石油學(xué)報(bào).2003，24(2):6-12.

［2］李明，羅凱聲.地層水資料在油氣勘探中的應(yīng)用［J］.新疆地質(zhì).2004，22(3):304-307.

［3］陳全紅.鄂爾多斯盆地上古生界沉積體系及油氣富集規(guī)律研究［D］.西安:西北大學(xué).2007.75-77.

［4］陳鐘惠.鄂爾多斯盆地東緣晚古生代含煤巖系的沉積環(huán)境和聚煤規(guī)律［M］.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社.1989.13-14.

［5］郭英海，劉煥杰.陜甘寧地區(qū)晚古生代沉積體系［J］.古地理學(xué)報(bào).2000，2(1):19-30.

［6］Rice C A，F(xiàn)lores R M，Stricker G D，et al.Chemical and stable isotopic evidence for water/rock interaction and biogenic origin of coalbed methane，F(xiàn)ort Union Formation，Powder River Basin，Wyoming and Montana U S A ［J］.Ⅰnternational Journal of Coal Geology，2008，76:76-85.

［7］張繼東.水分析在煤層氣生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用［C］//葉建平，傅小康，李五忠.中國煤層氣技術(shù)進(jìn)展——2011年煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集［A］.北京;地質(zhì)出版社:2011.371-375.

［8］田文廣，湯達(dá)禎，孫斌，等.鄂爾多斯盆地東緣含煤地層水動(dòng)力條件及其控氣作用［J］.高校地質(zhì)學(xué)報(bào).2012，18(3):433-437.

［9］代金友，李建霆，王寶剛，等.蘇里格氣田西區(qū)氣水分布規(guī)律及其形成機(jī)理［J］.石油勘探與開發(fā).2012，39(5):524-529.

［10］趙林，夏新宇，洪峰，等.鄂爾多斯盆地中部氣田上古生界氣藏成藏機(jī)理［J］.天然氣工業(yè).2000，20(2):17-21.