鄂爾多斯盆地東南部下古生界碳酸鹽巖天然氣成藏條件*

曹紅霞，王念喜，強(qiáng) 娟，吳海燕，尚 婷

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

0 引 言

有關(guān)鄂爾多斯盆地碎屑巖儲(chǔ)層油氣運(yùn)聚、成藏研究方面取得了重要進(jìn)展，研究成果有效地指導(dǎo)了油氣勘探［1-4］。與此同時(shí)，盆地下古生界天然氣勘探開(kāi)發(fā)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，其內(nèi)主要發(fā)育分布廣泛、厚度較大的碳酸鹽巖，白云巖化普遍，古巖溶作用強(qiáng)烈，具備較好的成藏地質(zhì)條件［5-7］，前人對(duì)盆地下古生界的研究成果主要集中在中部及西部，研究?jī)?nèi)容以古風(fēng)化殼發(fā)育特征、碳酸鹽巖生烴能力、烴源巖的成藏演化以及儲(chǔ)集層發(fā)育特征等方面為主［8-13］，而針對(duì)盆地東南部下古生界油氣方面的專項(xiàng)研究則起步較晚成果較少，主要集中在碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征、流體包裹體及古地貌恢復(fù)等方面［14-16］，盆地東南部下古生界天然氣勘探的新發(fā)現(xiàn)為深化認(rèn)識(shí)斜坡背景下碳酸鹽巖儲(chǔ)層內(nèi)的油氣成藏規(guī)律提供了良好素材。在前人研究工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)研究區(qū)古地貌、供烴條件、儲(chǔ)層成巖作用等方面進(jìn)行分析，開(kāi)展了天然氣成藏的地質(zhì)條件分析，以期為后期的天然氣勘探開(kāi)發(fā)提供有力的技術(shù)支持。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地在中奧陶世末因晚加里東運(yùn)動(dòng)，華北地塊整體抬升，經(jīng)歷了130 余百萬(wàn)年的沉積間斷，盆地主體缺失晚奧陶世至早石炭世的沉積，馬家溝期因處于淺海環(huán)境，沉積類型主要為碳酸鹽巖。馬家溝組地層頂部由于經(jīng)受了長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕及淋濾作用，風(fēng)化殼及其溶蝕孔、縫發(fā)育，是鄂爾多斯盆地下古生界天然氣的主要儲(chǔ)、產(chǎn)層［8］。晚奧陶世背鍋山期海水向西南退覆，沉積厚度減小，形成一套以石灰?guī)r為主的沉積建造。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部(圖1)，馬家溝組主要鉆遇的層位有馬五段以及馬六段，其中，馬五段以粉晶白云巖為主，馬六段以泥晶灰?guī)r為主。

2 巖溶古地貌發(fā)育特征及其影響

研究區(qū)位于古巖溶高地與古巖溶盆地之間的斜坡地帶(圖2)，古巖溶斜坡呈北西-南東向展布，古溝槽呈樹(shù)枝狀沿東西向展布，巖溶盆地主要位于探區(qū)的東部。氣藏的形成受不整合面溝槽地貌的控制，根據(jù)試氣資料顯示，在靠近侵蝕溝槽的斜坡位置及高地靠近斜坡的邊緣地帶含氣性能明顯變好，該區(qū)域?yàn)樗畡?dòng)力轉(zhuǎn)換帶，是天然氣富集的有利區(qū)。

3 供烴條件

3.1 上古生界烴源巖

選取了研究區(qū)27 口井的33 個(gè)巖樣，其中上古生界19 個(gè)，下古生界14 個(gè)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的有機(jī)碳含量可以大致判斷出該巖樣是屬于上古還是下古。上古生界的巖樣具有高有機(jī)碳含量的特點(diǎn)，平均在19%;而下古的泥質(zhì)碳酸鹽巖有機(jī)碳含量很低，TOC 最高為1.12%，最低為0.03%，其余均介于二者之間。研究表明，下古生界烴源巖來(lái)源為兩方面:一是上古生界山西組和太原組的煤系地層，所選取的巖樣主要為泥巖和煤，其二是下古生界的海相碳酸鹽巖，其中馬五段是有利的烴源巖區(qū)，巖性主要為泥巖和泥質(zhì)白云巖。

研究區(qū)上古生界烴源巖鏡質(zhì)體反射率RO達(dá)到1.78% ～2.16%，整體處于成熟—過(guò)成熟階段，下古生界馬家溝組烴源巖熱演化程度RO達(dá)到2.0%以上，屬于過(guò)成熟生氣階段。熱解實(shí)驗(yàn)對(duì)于高成熟烴源巖來(lái)說(shuō)，所處理出來(lái)的有機(jī)質(zhì)類型較為模糊。所選取的巖樣基本處于高成熟—過(guò)成熟演化階段，僅有少數(shù)樣品處于成熟階段，由于成熟度均很高，已經(jīng)不能反映其原始有機(jī)質(zhì)類型。

對(duì)上古生界烴源巖利用S2-TOC 線性相關(guān)關(guān)系的斜率來(lái)劃分有機(jī)質(zhì)類型，S2-TOC 圖斜率即為氫指數(shù)(HI=S2/TOC×100)。Hartman Stroup 認(rèn)為T(mén)OC 含量低，氫指數(shù)含量也低，與有機(jī)質(zhì)類型沒(méi)有必然的聯(lián)系。由S2-TOC 圖可以得出(圖3)，鄂爾多斯盆地東南部上古生界烴源巖煤主要屬于Ⅲ型干酪根。

上古生界煤的有機(jī)碳含量高，最低為11.59%，最高為21.21%，平均為19%左右。研究探區(qū)所選取的巖樣所呈現(xiàn)出的TOC 分布是以研究區(qū)的中西部為低值中心，向四周逐漸變高的趨勢(shì)。S1+S2值是熱解實(shí)驗(yàn)中評(píng)價(jià)生烴潛力的標(biāo)準(zhǔn)，上古生界煤S1+S2值平均在2 mg/g 以上，最高為6.21 mg/g，研究區(qū)S1+S2值從東部和西部2 個(gè)方向向研究區(qū)中心部位變小。上古生界泥巖的TOC 含量相對(duì)于煤來(lái)說(shuō)很小，所測(cè)巖樣的TOC 含量平均為1%左右，生烴潛力S1+S2平均為0.1 mg/g 左右。根據(jù)煤系泥巖有機(jī)質(zhì)豐度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1)，認(rèn)為上古生界烴源巖屬于中等- 好烴源巖，生烴潛力好。

生油巖級(jí)別 好 中 差 非TOC/% ＞3 3.0 ～1.5 1.4 ～0.75 ＜0.75 S1 +S2/(mg·g -1)＞6.0 6.0 ～2.0 2.0 ～0.5 ＜0.5

3.2 下古生界烴源巖

前人研究表明，下古生界的烴源巖巖性主要為海相碳酸鹽巖和泥巖，屬于過(guò)成熟生氣階段，烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型和Ⅱ型［10-11］。在成熟度較高時(shí)，烴源巖熱解峰最高峰溫Tmax的測(cè)量誤差大，所測(cè)的Tmax數(shù)據(jù)一般不具有實(shí)際意義，此時(shí)用Tmax-HI 圖版不能真實(shí)的劃分有機(jī)質(zhì)類型。

本次選取古生界碳酸鹽巖烴源巖巖樣4 個(gè)，有機(jī)碳 含量TOC 分 別為0. 03%，0. 36%，0. 2%，0.21%，S1+ S2值 對(duì) 應(yīng) 為0. 06，0. 09，0. 06，0.07mg/g.根據(jù)過(guò)成熟階段海相碳酸鹽巖TOC 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)下古碳酸鹽巖的生油巖級(jí)別屬于中等源巖(見(jiàn)表2)。

TOC 含量/%烴源巖級(jí)別0.06 ～0.12差烴源巖0.12 ～0.15 較好烴源巖0.25 ～0.35 好烴源巖＞0.35極好烴源巖

下古生界泥巖有機(jī)碳含量TOC 平均在0.20%左右，在研究區(qū)呈現(xiàn)出東高西低的趨勢(shì)，西北部TOC 含量最低，達(dá)0.15%以下大致推算出上古生界的生烴強(qiáng)度是下古生界的4 ～5 倍左右，因此，上古生界烴源巖是主要的供烴層位。

4 儲(chǔ)層成巖作用

碳酸鹽成巖作用是沉積學(xué)最為活躍的領(lǐng)域之一，與之有關(guān)的研究成果會(huì)直接影響人們對(duì)碳酸鹽油氣儲(chǔ)層形成機(jī)制的理解以及成藏特征的認(rèn)識(shí)［17］。鄂爾多斯盆地東南部下古生界碳酸鹽巖常見(jiàn)的成巖作用有機(jī)械壓實(shí)作用和壓溶作用、溶蝕作用、膠結(jié)充填作用、交代作用和破裂作用［18-20］。

4.1 機(jī)械壓實(shí)作用和壓溶作用

機(jī)械壓實(shí)作用貫穿成巖階段的整個(gè)過(guò)程，在普通薄片和掃描電鏡下具體表現(xiàn)為白云石顆粒的緊密排列，顆粒間呈面狀、線狀接觸，在巖心上表現(xiàn)為褶皺變形(圖4(a))。壓溶現(xiàn)象常見(jiàn)標(biāo)志是縫合線構(gòu)造。大致平行于巖石層面或與層面低角度相交，鋸齒多呈緊密的三角形及不對(duì)稱曲線形態(tài)，一般貫穿整個(gè)巖心(圖4(b))?？p合線凹凸幅度較大，巖心中縫合線的凹凸幅度在1 cm 左右，普通顯微鏡下測(cè)量約為0.2 ～0.4 mm，縫內(nèi)均被充填，充填物為泥質(zhì)、有機(jī)質(zhì)，一般有含油痕跡及熒光顯示。

4.2 溶蝕作用

溶蝕作用形成了大量的儲(chǔ)集空間，可以在碳酸鹽巖成巖過(guò)程中多次發(fā)生，各個(gè)世代的溶蝕作用對(duì)成藏的影響不盡相同。本區(qū)溶蝕作用按成巖階段劃分為三期:(準(zhǔn))同生成巖階段的選擇性溶蝕作用、表生成巖階段的溶蝕作用以及晚成巖階段的溶蝕作用(圖4(c))。表生巖溶作用和溶蝕作用形成的孔、洞、縫為油氣充注提供了儲(chǔ)集條件。

4.3 膠結(jié)充填作用

鄂爾多斯盆地東南部下古生界儲(chǔ)層中的溶孔、溶洞、裂縫多被不同程度地充填，充填物以方解石(圖4(d))、白云石、鐵白云石、泥質(zhì)、黃鐵礦、有機(jī)質(zhì)等為主，還有少量石英、粘土礦物。白云石和方解石全區(qū)廣泛分布，基本上不受古地貌控制，這與下古生界的成巖環(huán)境總體上為堿性有關(guān)。

4.4 交代作用

鄂爾多斯盆地東南部下古生界儲(chǔ)層交代作用主要有去白云石化、去石膏化。去白云石化指最早形成的白云石受到后期成巖流體的改造。比較常見(jiàn)的是方解石交代早期的白云石，可見(jiàn)保留的白云石晶形(圖4(e))。去膏化是指在地表淡水或是地下還原硫細(xì)菌的作用下，硬石膏和石膏的晶體被碳酸鹽交代的現(xiàn)象。在普通薄片中發(fā)現(xiàn)了較多膏模孔隙，膏?？紫侗环浇馐耆淮识讨鶢?、長(zhǎng)條狀、針狀，表現(xiàn)為石膏假晶;石膏結(jié)核溶蝕后形成的溶蝕孔隙，呈橢圓、圓形規(guī)則形狀，保留石膏結(jié)核假晶。在馬五期，鄂爾多斯盆地東南部處于含膏云坪和海限局沉積環(huán)境，膏鹽層曾經(jīng)廣泛發(fā)育，為現(xiàn)今殘留的石膏假晶和膏?？滋峁┮罁?jù)。

4.5 破裂作用

構(gòu)造作用導(dǎo)致碳酸鹽巖中形成大量的裂縫。前人研究表明，網(wǎng)狀裂縫的形成可能與加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)，屬于早期構(gòu)造破裂的產(chǎn)物［21］;燕山-喜山構(gòu)造期主要形成低角度的平行裂縫(圖4(f))，裂縫較窄，后被方解石充填。下古生界裂縫、微裂縫的形成為天然氣的運(yùn)移和儲(chǔ)集提供了重要的條件。

5 結(jié) 論

1)鄂爾多斯盆地東南部整體位于古巖溶高地與古巖溶盆地之間的斜坡地帶，古巖溶斜坡呈北西-南東向展布，氣藏的形成受古地貌的控制，在斜坡與侵蝕溝槽及斜坡與高地的邊緣地帶含氣性能好，其側(cè)向和上傾封堵取決于不整合面上存在的泥質(zhì)充填情況;

2)上古生界的生烴強(qiáng)度是下古生界的4 ～5倍左右，因此研究區(qū)下古生界的烴源巖主要來(lái)自上古生界;

3)成巖作用類型有機(jī)械壓實(shí)和化學(xué)壓溶作用、溶蝕作用、膠結(jié)充填作用、交代作用和破裂作用，表生巖溶作用和溶蝕作用形成的孔、洞、縫為油氣充注提供了儲(chǔ)集條件;

4)在裂縫的溝通作用下，天然氣由古溝槽侵蝕區(qū)和鋁土巖缺失部位進(jìn)入下古生界風(fēng)化殼巖溶儲(chǔ)層，向古地貌高部位運(yùn)移成藏，各種類型的輸導(dǎo)體匹配關(guān)系良好，為上古生界烴源巖生成的天然氣向下運(yùn)移創(chuàng)造了有利條件。

References

［1］ 王明健，何登發(fā)，包洪平，等.鄂爾多斯盆地伊盟隆起上古生界天然氣成藏條件［J］. 石油勘探與開(kāi)發(fā)，2011，38(1):30 -39.WANG Ming-jian，HE Deng-fa，BAO Hong-ping，et al.Upper Palaeozoic gas accumulations of the Yimeng uplift，Ordos Basin［J］. Petroleum Exploration and Development，2011，38(1):30 -39.

［2］ 丁曉琪，張哨楠，周 文，等.鄂爾多斯盆地北部上古生界致密砂巖儲(chǔ)層特征及其成因探討［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2007，28(4):491 -496.DING Xiao-qi，ZHANG Shao-nan，ZHOU Wen，et al.Characteristics and genesis of the Upper Paleozoic tight sandstone reservoirs in the northern Ordos basin［J］.Oil＆ Gas Geology，2007，28(4):491 -496.

［3］ WANG Zhen-liang，CHEN He-Li. The distribution and evolution of fluid pressure and its influence on natural gas accumulation in the Upper Paleozoic of Shenmu-Yulin area，Ordos Basin［J］. Sci China(Ser D - Earth Sci)，Nov.，2007，50(Suppl.):59 -74.

［4］ 解東寧，陳玉良，張文卿，等.鄂爾多斯盆地東部臨縣-興縣地區(qū)山西組煤成氣勘探潛力分析［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(2):149 -155.XIE Dong-ning，CHEN Yu-liang，ZHANG Wen-qing，et al. Coal-derived gas exploration potential analysis of Shanxi formation in Linxian-Xingxian county of eastern Ordos Basin［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(2):149 -155.

［5］ 李劍鋒，徐正球，馬 軍，等.鄂爾多斯盆地下古生界奧陶系碳酸鹽巖生烴能力研究［J］.沉積學(xué)報(bào)，2003，21(4):702 -706.LI Jian-feng，XU Zheng-qiu，MA Jun，et al.Study on hydrocarbon-producing potential of carbonate rocks in Ordovician of Lower Paleozoic in Odros Basin［J］. Acta Sedimentologica Sinca，2003，21(4):702 -706.

［6］ 王傳剛，王 毅，許化政，等.論鄂爾多斯盆地下古生界烴源巖的成藏演化特征［J］. 石油學(xué)報(bào)，2009，30(1):38 -45.WANG Chuan-gang，WANG Yi，XU Hua-zheng，et al.Discussion on evolution of source rocks in Lower Paleozoic of Ordos Basin［J］. Acta Petrolei Sinica，2009，30(1):38 -45.

［7］ 楊 華，包洪平.鄂爾多斯盆地奧陶系中組合成藏特征及勘探啟示［J］.地質(zhì)勘探，2011，31(12):11 -20.YANG Hua，BAO Hong-ping. Characteristics of hydrocarbon accumulation in the middle Ordovician assemblages and their significance for gas exploration in the Ordos Basin［J］. Natural Gas Industry，2011，31(12):11-20.

［8］ 馬振芳，周樹(shù)勛，于忠平，等.鄂爾多斯盆地中東部奧陶系頂部古風(fēng)化殼特征及其與天然氣富集的關(guān)系［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，1999，26(5):21 -24.MA Zhen-fang，ZHOU Shu-xun，YU Zhong-ping，et al.The weathered paleocrust on the Ordovician in Ordos Basin and its relationship to gas accumulation［J］. Petroleum Exploration and Development，1999，26(5):21-24.

［9］ 王起琮，趙淑萍，魏欽廉，等.鄂爾多斯盆地中奧陶統(tǒng)馬家溝組海相碳酸鹽巖儲(chǔ)集層特征［J］. 古地理學(xué)報(bào)，2012，14(2):229 -242.WANG Qi-cong，ZHAO Shu-ping，WEI Qin-lian，et al.Marine carbonate reservoir characteristics of the middle Ordovician Majiagou formation in Ordos Basin［J］.Journal of Palaeogeography，2012，14(2):229 -242.

［10］李賢慶，侯讀杰，胡國(guó)藝，等.鄂爾多斯盆地中部地區(qū)下古生界碳酸鹽巖生烴潛力探討［J］.礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，2002，21(3):152 -158.LI Xian-qing，HOU Du-jie，HU Guo-yi，et al. The discussion on hydrocarbon-generated potential of Lower Paleozoic carbonates in the central part of Ordos Basin［J］. Bulletin of Mineralogy，Petrology and Geochemistry，2002，21(3):152 -158.

［11］朱建輝，呂劍虹，繆九軍，等.鄂爾多斯西南緣下古生界烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2011，33(6):662 -669.ZHU Jian-hui，LV Jian-hong，MIAO Jiu-jun，et al. Hydrocarbon generation potential of Lower Paleozoic source rocks in southwestern margin of Ordos Basin［J］.Petroleum Geology ＆ Experiment，2011，33(6):662 -669.

［12］何 江，方少仙，候方浩，等.鄂爾多斯盆地中部氣田中奧陶統(tǒng)馬家溝組巖溶型儲(chǔ)層特征［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2009，30(3):350 -356.HE Jiang，F(xiàn)ANG Shao-xian，HOU Fang-hao，et al.Characteristics of Karst reservoirs in the Middle Ordovician Majiagou formation of gas fields in the central Ordos Basin［J］.Oil ＆ Gas Geology，2009，30(3):350 -356.

［13］郭彥如，付金華，魏新善，等.鄂爾多斯盆地奧陶系碳酸鹽巖成藏特征與模式［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2014，41(4):1 -11.GUO Yan-ru，F(xiàn)U Jin-hua，WEI Xin-shan，et al.Accumulation and models of natural gas in Ordovician carbonates，Ordos Basin，China［J］.Petroleum Exploration and Development，2014，41(4):1 -11.

［14］吳海燕，曹紅霞，強(qiáng) 娟，等.延長(zhǎng)探區(qū)中奧陶統(tǒng)馬家溝組巖溶儲(chǔ)層特征研究［J］. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(2):167 -172.WU Hai-yan，CAO Hong-xia，QIANG Juan，et al. Karst reservoir characteristics of Middle Ordovician Majiagou formation in Yanchang exploration area［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(2):167 -172.

［15］強(qiáng) 娟，曹紅霞，吳海燕，等.延長(zhǎng)探區(qū)下古生界馬家溝組儲(chǔ)層流體包裹體特征［J］.地質(zhì)與資源，2013，22(2):125 -128.QIANG Juan，CAO Hong-xia，WU Hai-yan，et al. Characteristics of fluid inclusion in the Lower Paleozoic Majiagou reservoir in Yanchang exploring area［J］.Geology and Resources，2013，22(2):125 -128.

［16］韓敏強(qiáng)，蒲仁海，劉海娟，等.鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)探區(qū)奧陶紀(jì)末古地貌恢復(fù)與儲(chǔ)層預(yù)測(cè)［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2011，32(54):760 -767.HAN Min-qiang，PU Ren-hai，LIU Hai-juan，et al. Reconstruction of the late Ordovician palaeogeomorphology and reservoir prediction in Yanchang exploration area，the Ordos Basin［J］.Oil ＆ Gas Geology，2011，32(54):760 -767.

［17］黃思靜，張雪花，劉麗紅，等.碳酸鹽成巖作用研究現(xiàn)狀與前瞻［J］.地學(xué)前緣，2009，16(5):219 -231.HUANG Si-jing，ZHANG Xue-hua，LIU Li-hong，et al.Progress of research on carbonate diagenesis［J］. Earth Science Frontiers，2009，16(5):219 -231.

［18］李道品.低滲透油田高效開(kāi)發(fā)決策論［M］. 北京:石油工業(yè)出版社，2002.LI Dao-pin.Effcient development theory of low permeability oilfield［M］. Bejing:Petroleum Industry Press，2002.

［19］白 玉，劉建新，許運(yùn)亭.特低滲透性油田開(kāi)發(fā)與實(shí)踐［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2002.BA Yu，LIU Jian-xin，XU Yun-ting. The development and practice of ultra-low permeability oil field［M］.Bejing:Petroleum Industry Press，2002.

［20］袁士義，宋新民.裂縫性油藏開(kāi)發(fā)技術(shù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2004.YUAN Shi-yi，SONG Xin-min.The development of fractured reservoirs［M］. Bejing:Petroleum Industry Press，2004.

［21］郝明強(qiáng)，劉先貴.微裂縫性特低滲透油藏儲(chǔ)層特征研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28(5):93 -98.HAO Ming-qiang，LIU Xian-gui. Reservoir characteristics of micro-fractured ultra-low permeability reservoirs［J］.Acta Petrolei Sinica，2007，28(5):93 -98.