鄂爾多斯盆地中東部奧陶系鹽下天然氣富集規(guī)律與氣藏主控因素

任軍峰，黃正良，魏柳斌，任德生

(1.中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；2.北京油谷科技發(fā)展有限公司，北京 102208)

0 引 言

隨著鄂爾多斯盆地中東部奧陶系鹽下天然氣勘探不斷取得新突破。鹽下馬五7亞段和馬五9亞段白云巖儲層中相繼鉆遇了多口工業(yè)氣流井，其中統(tǒng)74井獲無阻流量127.98×104m3/d。由于該區(qū)經(jīng)歷了加里東、印支、燕山、喜山幾次大的構(gòu)造運(yùn)動，造成鹽下地層發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)及氣藏的復(fù)雜改造。鉆探證實(shí)，該區(qū)氣藏分布復(fù)雜，主要表現(xiàn)為不同層位、不同構(gòu)造部位含氣性具有極大的差異性，尤其是鹽上與鹽下白云巖儲集層的含氣性差異性極大，給下一步勘探部署的決策帶來了困擾。雖然前人對鹽下地層沉積特征、烴源巖、儲層及天然氣成藏組合進(jìn)行過綜合研究，但針對天然氣的分布規(guī)律及氣藏主控因素，尤其是結(jié)合現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場、流體勢能、構(gòu)造曲率對氣藏分布控制作用的研究在本區(qū)尚屬首次。地應(yīng)力場是天然氣運(yùn)移聚集的主要動力之一[1]，尤其是成藏期構(gòu)造應(yīng)力場直接控制天然氣聚集和分布[2]。地殼在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，發(fā)生構(gòu)造運(yùn)動和巖石變形，巖石的變形產(chǎn)生體積變化，使巖層內(nèi)孔隙流體壓力增加或減少，產(chǎn)生壓力梯度或勢差，推動流體在巖石中流動，在流動過程中，遇到適宜的構(gòu)造部位，天然氣就會聚集成藏。巖石的變形也會導(dǎo)致孔隙度、滲透率的改變，從而影響滲流的速度和方向。本文立足這一生產(chǎn)實(shí)際問題的需要，以前人成果及常規(guī)地質(zhì)研究手段為基礎(chǔ)，引入現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場、流體勢模擬及構(gòu)造曲率計(jì)算技術(shù)，進(jìn)一步研究鹽下天然氣的空間分布規(guī)律與這些因素的相互關(guān)系，找到天然氣藏的控制因素，為今后勘探部署決策提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北陸塊西部，劃分為伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、西緣逆沖帶、伊陜斜坡和天環(huán)坳陷6個構(gòu)造單元，其中伊陜斜坡是油氣聚集的最主要構(gòu)造單元(圖1)。

鄂爾多斯盆地中東部奧陶系鹽下構(gòu)造特征總體上發(fā)育向西緩傾的單斜構(gòu)造[1]，高點(diǎn)海拔-1 700 m，低點(diǎn)海拔-2 650 m，落差950 m；在單斜構(gòu)造的區(qū)域背景上發(fā)育局部背斜、向斜、鼻隆等微幅構(gòu)造，形成二級構(gòu)造帶(圖2)。鹽下地層縱向上分為六個巖性段：由下至上依次為馬一段、馬二段、馬三段、馬四段、馬五段和馬六段，其中,馬一段、馬三段、馬五段主要巖性以晶粒白云巖、含膏白云巖、膏質(zhì)白云巖、鹽巖、灰?guī)r為主，夾泥質(zhì)白云巖、凝灰?guī)r夾層;馬二段、馬四段、馬六段巖性以灰?guī)r為主。馬五段從上到下又可以細(xì)分為馬五1～馬五10十個亞段。其中,馬五6亞段膏鹽巖分布最廣，面積約5×104km2(圖1)，最大厚度超過160 m，為該區(qū)的主力蓋層。馬五7亞段、馬五9亞段主要發(fā)育白云巖，為本區(qū)的主力儲層。

奧陶系沉積相帶發(fā)育具有圍繞盆地東部洼陷區(qū)呈環(huán)帶狀展布的特點(diǎn)，即自內(nèi)而外依次發(fā)育鹽洼→盆緣膏質(zhì)斜坡→含膏云坪內(nèi)帶→含膏云坪外帶沉積。自西向東依次發(fā)育潮上云坪、潮間含膏云坪、盆緣膏云坪和膏鹽洼地微相。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造分區(qū)圖Fig.1 The structural division map of Ordos basin

圖2 鄂爾多斯盆地東部鹽下馬五7頂界構(gòu)造Fig.2 The top boundary structure of subsalt of Mawu7 in eastern Ordos basin

2 天然氣富集規(guī)律

2.1 剖面分布特征

鄂爾多斯盆地東部奧陶系鹽下白云巖儲層馬五7亞段～馬五9亞段，目前共有試氣井30口，其中工業(yè)氣流井6口，低產(chǎn)氣流井24口，統(tǒng)74井試氣產(chǎn)量最高，達(dá)到127.9805×104m3/d(AOF)。剖面上平均單井日產(chǎn)氣量馬五7亞段最高，達(dá)到5.5193×104m3/d，其次為馬五9亞段，為2.0098×104m3/d。馬五7亞段單試井?dāng)?shù)為7口，合試井?dāng)?shù)為6口，是鹽下白云巖儲層的主力產(chǎn)氣層，有5口井獲得工業(yè)氣流，統(tǒng)74井單試馬五7亞段獲得127.9805×104m3/d(AOF)的高產(chǎn)，高產(chǎn)氣井主要分布在顆粒灘沉積微相及鼻隆發(fā)育區(qū)。馬五9亞段單試井?dāng)?shù)為5口，合試井?dāng)?shù)為4口，其中合試馬五7亞段+馬五9亞段的桃38井獲得了12.9129×104m3/d(AOF)的高產(chǎn)。

垂向上高產(chǎn)氣井主要分布在馬五7亞段，平均單井產(chǎn)氣為5.5193×104m3/d，馬五9亞段的平均單井產(chǎn)氣產(chǎn)量為2.0098×104m3/d，相對次之。

2.2 平面分布特征

馬五6亞段是鄂爾多斯盆地東部地區(qū)分布最為廣泛的鹽巖層，其下伏的馬五7亞段、馬五9亞段是發(fā)育粉晶-細(xì)晶白云巖及泥晶-細(xì)粉晶白云巖，這兩類巖性常發(fā)育在顆粒灘相、生物擾動沉積相帶及蒸發(fā)巖旋回的準(zhǔn)同生白云巖環(huán)境。其儲層孔隙特征主要表現(xiàn)為白云巖、白云巖化形成晶間孔、溶蝕孔、構(gòu)造裂縫及溶蝕縫。儲層巖性分布與該區(qū)古地理沉積環(huán)境密切相關(guān)，在研究區(qū)表現(xiàn)為近南北向帶狀展布，分布較為連續(xù)；東西方向上由西部白云巖相向東相變?yōu)槭規(guī)r類及巖鹽沉積，因此導(dǎo)致東西向的物性變化及儲集性能的變化。正是由于大范圍分布的鹽巖沉積，區(qū)域上具有對天然氣良好的封蓋性。平面上天然氣主要分布在工區(qū)中西部白云巖相對較厚的顆粒灘沉積微相中，如統(tǒng)74井區(qū)、桃38井區(qū)等，且高產(chǎn)氣井平面上分布不均，未形成連片分布。

3 氣藏主控因素

3.1 沉積相帶影響儲層的儲集性

研究區(qū)馬五7亞段、馬五9亞段沉積時(shí)期由西向東依次發(fā)育云坪→含灰云坪→灰質(zhì)洼地。由于本區(qū)盆地沉積期水體自西向東逐漸加深，地層有增厚的趨勢，整體上向東鹽巖更加發(fā)育，從西部的白云巖膏鹽組合逐步過渡成白云巖膏鹽鹽巖組合。

由西向東相變?yōu)槭規(guī)r類沉積，物性也隨之變化。馬五7亞段、馬五9亞段晶間孔型白云巖分布范圍廣，儲層非均質(zhì)性相對較弱，分布于連續(xù)性較好的顆粒灘微相，是鹽下天然氣勘探的有利沉積相帶。由圖3可知，顆粒灘相巖芯孔滲測試數(shù)據(jù)均好于臺坪相白云巖，表現(xiàn)為相對較高的孔隙度、滲透率，二者具有較好的相關(guān)性，臺坪相的白云巖孔隙度與滲透率相對較小，且二者的相關(guān)性較差。室內(nèi)試驗(yàn)證實(shí)，鹽下白云巖儲層各類孔的面孔率占比97.22%，裂縫面孔率占比2.78%。垂向上馬五7亞段孔隙及裂縫最發(fā)育，其次為馬五9亞段。在26口井取芯樣品中，孔隙發(fā)育的井大部分分布在顆粒灘中。

圖3 鄂爾多斯盆地東部鹽下白云巖儲層孔滲與沉積微相交匯圖Fig.3 Intersection diagram of pore and infiltration and sedimentary microfacies of subsalt dolomite reservoir in eastern Ordos basin

3.2 天然裂縫影響氣藏的分布

加里東末期，華北地臺區(qū)經(jīng)歷了大范圍整體抬升，鄂爾多斯盆地下古生界也同樣遭受了這一構(gòu)造作用，使其抬升與剝蝕。之后又經(jīng)歷了印支、燕山與喜山運(yùn)動，多期構(gòu)造運(yùn)動的結(jié)果導(dǎo)致地層中形成各種構(gòu)造裂縫[2-3]。通過觀察描述本區(qū)馬五7亞段、馬五9亞段26口探井巖芯及薄片顯微構(gòu)造鑒定證實(shí)，有22口井共計(jì)見有233條裂縫，其中構(gòu)造裂縫占84.6%，在這些構(gòu)造裂隙中高角度縫為主占60%，低角度縫占27.5%，斜交縫占12.5%；鏡下微觀孔隙類型以溶孔及晶間孔為主，其次為膏模孔、鹽?？?。面孔率以晶間孔及溶孔最大，分別為6.17%及5.16%?？紫敦暙I(xiàn)度以溶孔最大，達(dá)到86.1%，其次為晶間孔5.76%。構(gòu)造裂縫系統(tǒng)是天然氣發(fā)生垂向及側(cè)向運(yùn)移的主要運(yùn)輸通道，對天然氣藏的運(yùn)移具有重要影響[4]。高角度構(gòu)造裂縫的發(fā)育，容易使烴源巖與儲層得以貫通，在垂向上大大增加了裂縫的輸導(dǎo)性，通過天然裂縫系統(tǒng)的輸導(dǎo)，天然氣由烴源層運(yùn)移至儲集層。

巖芯觀察證實(shí)，構(gòu)造裂縫系統(tǒng)主要發(fā)育在顆粒灘沉積微相中。例如：統(tǒng)74井，該井馬五7亞段組合酸酸壓：試氣獲127.9805×104m3/d(AOF)，高產(chǎn)的主要原因是儲層發(fā)育晶間縫、溶蝕孔，通過天然構(gòu)造裂縫的有效溝通與輸導(dǎo)，致使天然氣在此富集成藏。本區(qū)鹽下馬五7亞段、馬五9亞段氣藏從宏觀特征上來說屬于馬五6亞段厚層的膏鹽巖之下的奧陶系內(nèi)幕氣藏，其與以靖邊氣田為代表的奧陶系頂部的風(fēng)化殼氣藏本身屬于兩個不同的體系。綜合分析認(rèn)為馬家溝組是在有機(jī)質(zhì)豐度相對低的背景下，又不乏高有機(jī)質(zhì)含量的層段出現(xiàn)，其中泥質(zhì)含量高的暗色巖層有機(jī)碳含量也相對較高，它們?yōu)閵W陶系天然氣提供了來源，是有利的烴源巖。由圖4可知，高產(chǎn)氣井統(tǒng)74井、桃38井等井的試氣產(chǎn)量不完全依賴孔隙度與滲透率的大小。統(tǒng)74井、桃38井的孔隙度與滲透率小于靳探1井等井的孔隙度與滲透率數(shù)值，但試氣產(chǎn)量好于靳探1井、桃65井等井，其原因主要與天然裂縫系統(tǒng)改善了儲層的儲集性有關(guān)。

圖4 孔隙度滲透率與氣井產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.4 Relationship between porosity and permeability and gas well production

3.3 現(xiàn)今地應(yīng)力場影響天然氣的運(yùn)移與富集

古構(gòu)造應(yīng)力場控制天然裂縫的形成、分布及發(fā)育程度，在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，天然氣從高壓低孔隙地帶向低壓高孔隙帶運(yùn)移與富集。一般來說，處于張性或張剪性構(gòu)造應(yīng)力場環(huán)境，是天然氣富集的有利場所。流體運(yùn)移勢場與地應(yīng)力場基本是一致的規(guī)律，天然氣由高地應(yīng)力區(qū)或高值流體勢區(qū)向低應(yīng)力區(qū)或低勢區(qū)運(yùn)移與聚集，處于這些區(qū)域的氣井大多高產(chǎn)(圖5)。有限單元法是一種近似求解一般連續(xù)問題的數(shù)值求解法，通過有限單元法來計(jì)算內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變值，基本思路是：將一個地質(zhì)體離散成有限個連續(xù)的單元，單元之間以節(jié)點(diǎn)相連，將實(shí)際的巖石力學(xué)參數(shù)賦給每個單元，把求解研究區(qū)域內(nèi)的連續(xù)場函數(shù)轉(zhuǎn)化為求解有限個離散點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))處的場函數(shù)值，基本變量是應(yīng)變、應(yīng)力和位移；根據(jù)邊界受力條件和節(jié)點(diǎn)的平衡條件，建立并求解節(jié)點(diǎn)位移或單元內(nèi)應(yīng)力未知量，以總體剛度矩陣為系數(shù)的聯(lián)合方程組，用構(gòu)造插值函數(shù)求得每個節(jié)點(diǎn)上的位移，進(jìn)而計(jì)算每個單元內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變值。本次研究依據(jù)研究區(qū)的主要地質(zhì)構(gòu)造特征，建立三維地質(zhì)模型，結(jié)合巖芯地應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于ANSYS有限元軟件平臺，采用有限元約束優(yōu)化反演法，對鄂爾多斯中東部區(qū)鹽下儲層進(jìn)行現(xiàn)今期應(yīng)力場的線彈性計(jì)算，通過對現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場和現(xiàn)今流體勢場的數(shù)值模擬結(jié)果揭示：研究區(qū)最大水平主應(yīng)力低值區(qū)位于工區(qū)中西部呈近似北東東—南西西向條帶狀展布，局部連片，高產(chǎn)氣井均位于最大主應(yīng)力相對較小的區(qū)域，如統(tǒng)74井、統(tǒng)75井、桃38井、靳探1井等(圖5)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)證實(shí)，地應(yīng)力值與試產(chǎn)氣產(chǎn)量具有負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，隨著最大水平主應(yīng)力的增大，試氣產(chǎn)量有減小的趨勢(圖5)，說明天然氣產(chǎn)能與構(gòu)造應(yīng)力的分布有直接關(guān)系。按地應(yīng)力理論，油氣總是由地應(yīng)力的高值應(yīng)力區(qū)向低值應(yīng)力區(qū)運(yùn)移與富集。經(jīng)構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬計(jì)算，該區(qū)產(chǎn)氣井主要分布在最大主應(yīng)力值38～60 MPa之間(圖5和圖6)。

3.4 微幅構(gòu)造是天然氣富集的有利區(qū)

微幅構(gòu)造對天然氣成藏及其分布也有較大影響，鄂爾多斯盆地東部奧陶系鹽下總體構(gòu)造平緩，中西部微幅鼻隆構(gòu)造發(fā)育或發(fā)育洼中之隆，鼻隆區(qū)為構(gòu)造曲率的高值區(qū)。經(jīng)對本區(qū)構(gòu)造曲率的計(jì)算揭示，本區(qū)構(gòu)造曲率相對高值區(qū)主要位于工區(qū)中西部的靖邊-志丹一帶，如統(tǒng)58井、統(tǒng)87井、統(tǒng)85井等井附近；大部分高產(chǎn)氣井如統(tǒng)74井、桃38井均分布在鼻隆構(gòu)造高部位及其兩翼[5]，呈近似條帶狀展布；單獨(dú)的白云巖儲集體內(nèi)天然氣主要富集在微幅構(gòu)造的相對高部位，低部位表現(xiàn)為低產(chǎn)氣或產(chǎn)水。構(gòu)造曲率與日產(chǎn)氣量也呈現(xiàn)較好的正線性關(guān)系。本區(qū)有6口試氣井處于鼻隆高部位，9口井處于鼻翼位置，3口井處于鼻洼位置，其中高產(chǎn)氣井均位于鼻隆及其兩側(cè)的鼻翼位置，可以看出微幅構(gòu)造對氣藏富集的控制作用明顯(圖6)。

圖5 鹽下最大主應(yīng)力與日產(chǎn)氣交匯圖Fig.5 The intersection of maximum principal stress and daily gas production subsalt

圖6 日產(chǎn)氣與成藏控制因素綜合圖Fig.6 Comprehensive map of daily gas production and accumulation control factors

4 結(jié) 論

1) 鄂爾多斯盆地鹽下白云巖儲層天然氣主要分布在鹽下馬五7亞段～馬五9亞段，以馬五7亞段為主，馬五9亞段次之。有利的沉積相帶、天然裂縫的發(fā)育、微幅構(gòu)造、現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場是該區(qū)鹽下天然氣藏形成的主控因素。

2) 白云巖儲集體內(nèi)天然氣主要富集在微幅構(gòu)造的相對高部位，低部位表現(xiàn)為低產(chǎn)氣或產(chǎn)水，構(gòu)造曲率與日產(chǎn)氣量也呈現(xiàn)較好的正線性關(guān)系。在裂縫發(fā)育區(qū)的儲層內(nèi)天然氣藏發(fā)育，其原因主要與天然裂縫系統(tǒng)改善了儲層的儲集性有關(guān)。

3) 在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，天然氣從高壓低孔隙地帶向低壓高孔隙帶運(yùn)移與富集。一般來說，處于張性或張剪性構(gòu)造應(yīng)力場環(huán)境是天然氣富集的有利場所，本區(qū)產(chǎn)氣井主要分布在最大主應(yīng)力值38～60 MPa之間。

4) 構(gòu)造應(yīng)力場的數(shù)值模擬及構(gòu)造曲率的計(jì)算技術(shù)可以作為研究鹽下白云巖儲層天然氣運(yùn)移與富集規(guī)律的一項(xiàng)有效的技術(shù)。