鄂爾多斯盆地北緣石炭系-二疊系大型氣田形成條件

郝蜀民，李　良，張　威，齊　榮，馬　超，陳敬軼

(中國石化 華北油氣分公司，河南 鄭州 450006)

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鄂爾多斯盆地北緣石炭系-二疊系大型氣田形成條件

郝蜀民，李良，張威，齊榮，馬超，陳敬軼

(中國石化 華北油氣分公司，河南 鄭州 450006)

鄂爾多斯盆地北部邊緣杭錦旗地區(qū)的天然氣勘探經(jīng)歷了40年的歷史。近10年來，通過在該區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)的天然氣成藏條件調(diào)查與研究，建立了以大型巖性圈閉為主要評價(jià)目標(biāo)的勘探思路，并通過展開勘探取得重大突破，在石炭系-二疊系致密低滲碎屑巖含氣層系獲得地質(zhì)儲量已超7 000×108m3。綜合研究認(rèn)為，發(fā)育在石炭系-二疊系下部海-陸過渡層序中的層狀“廣布式”近源成藏系統(tǒng)是該區(qū)大型氣田形成的基本條件。該成藏系統(tǒng)具有大型化的成藏要素：大面積分布的上石炭統(tǒng)煤系源巖、大面積下二疊統(tǒng)河道砂巖儲集體、大面積源-儲近源配置關(guān)系、早白堊世大范圍的生烴充注過程及上二疊統(tǒng)大面積區(qū)域封蓋層。大面積含氣、低豐度儲量及以巖性氣藏為主是杭錦旗地區(qū)上古生界氣藏的一大特征。在儲層普遍致密低滲背景下，尋找富集高產(chǎn)區(qū)帶、實(shí)現(xiàn)有效勘探開發(fā)將是面臨的挑戰(zhàn)。

成藏要素；近源成藏；大型氣田；杭錦旗地區(qū)；鄂爾多斯盆地

我國致密砂巖氣藏及其資源量主要分布在鄂爾多斯盆地石炭系和二疊系、四川盆地西部上三疊統(tǒng)須家河組及準(zhǔn)噶爾盆地二疊系佳木河組等，其主要成藏規(guī)律是近源大面積連續(xù)(準(zhǔn)連續(xù))成藏，資源呈中、低豐度特征[1-5]。一是在大面積生氣中心覆蓋發(fā)育大面積多層砂巖儲集體，形成同層或大面積近源有利配置，天然氣主要依靠源、儲壓力差可以高效進(jìn)入儲層。二是氣藏類型以巖性氣藏為主，眾多巖性氣藏在空間上的疊合連片呈大面積含氣特點(diǎn)。三是大面積發(fā)育的異常壓力封存箱[6-7]，形成高效的保存系統(tǒng)，加之儲集體非均質(zhì)性強(qiáng)，天然氣成藏后難以大規(guī)模調(diào)整。

鄂爾多斯盆地北緣的伊盟隆起區(qū)早在20世紀(jì)70年代就已鉆探產(chǎn)出過天然氣，是鄂爾多斯盆地古生界最早經(jīng)勘探發(fā)現(xiàn)天然氣的地區(qū)[8-11]，由于地處盆地上古生界大型生氣中心的邊緣，加之早期的一些探井產(chǎn)水，許多研究對該區(qū)的資源潛力并不看好，有過“小構(gòu)造控氣”、“水區(qū)”等認(rèn)識[12-13]。30多年來，中國石化華北分公司對該區(qū)堅(jiān)持探索，投入大量勘探工作，對該地區(qū)天然氣資源潛力和成藏條件的研究從未停止。

近年來隨著認(rèn)識程度的提高，以大型巖性圈閉為主要勘探目標(biāo)的思路取得巨大成功，在該區(qū)已獲得地質(zhì)儲量超7 000×108m3，一個(gè)大型氣田已經(jīng)展現(xiàn)。

本文所指鄂爾多斯盆地北緣包含了伊陜斜坡北緣和伊盟北部隆起大部，簡稱杭錦旗地區(qū)，研究區(qū)面積近10 000 km2。筆者對研究區(qū)成藏條件進(jìn)行了系統(tǒng)分析，認(rèn)為鄂爾多斯盆地石炭系-二疊系下部海-陸過渡層序中的層狀“廣布式”近源成藏系統(tǒng)在研究區(qū)有大面積分布，是該區(qū)大型氣田形成的基本條件。該成藏系統(tǒng)具有大型化的成藏要素：大面積分布的煤系源巖、大面積河道致密砂巖儲集體、大面積源-儲近源配置、大面積同期生烴充注過程及大面積區(qū)域封蓋條件。

1　氣源巖分布與資源量測算

1.1氣源巖分布

石炭系-二疊系下部構(gòu)成“近源”成藏組合(圖1)，天然氣來源于其層序底部的煤和暗色泥巖，主要烴源巖太原組-山西組煤層厚5～20 m，全區(qū)整體進(jìn)入有機(jī)質(zhì)的成熟-高成熟階段。

伊盟北部隆起自早古生代以來為繼承性隆起。受泊爾江海子-烏蘭吉林廟-三眼井?dāng)嗔褞У目刂?，太原組-山西組煤層主要分布于斷裂帶以南(圖2)，總體為南厚北薄、東厚西薄。在伊盟隆起區(qū)烴源巖發(fā)育程度較差，部分地區(qū)缺失。

研究區(qū)上古生界碳質(zhì)泥巖和暗色泥巖26個(gè)樣品有機(jī)碳含量最大值為23.24%，最小值為0.07%，平均值為3.01%；氯仿瀝青“A”含量最大值為0.195 4%，最小值為0.001 5%，平均值為0.030 1%。參照“陸相烴源巖地球化學(xué)評價(jià)方法”(SY/T 5735—1995)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)指標(biāo)，本區(qū)的泥巖類樣品總體屬中等-好烴源巖。相對地，斷裂帶以南樣品有機(jī)質(zhì)豐度高于斷裂帶以北，碳質(zhì)泥巖好于暗色泥巖，太原組-山西組下部樣品好于下石盒子組樣品。

太原組-山西組31個(gè)煤巖樣品有機(jī)碳含量平均值為56.92%，氯仿瀝青“A”含量最大值為2.383 0%，最小值為0.390 0%，平均值為0.847 7%。研究區(qū)中、東部13個(gè)煤巖樣品鏡質(zhì)體反射率測試值在1.07%～1.35%，表明有機(jī)質(zhì)熱演化進(jìn)入成熟-高成熟階段，推測西部新召區(qū)帶有機(jī)質(zhì)熱演化程度整體達(dá)到高成熟階段?？傮w上，研究區(qū)石炭系-二疊系源巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度由北東向南西增大，與現(xiàn)今構(gòu)造面貌一致。

選擇研究區(qū)東部的錦6井上古生界碳質(zhì)泥巖和煤樣進(jìn)行了熱模擬試驗(yàn)，得到了樣品烴產(chǎn)率曲線。在350～380 ℃條件下，源巖以生氣為主，煤巖產(chǎn)烴率為113 kg/t，碳質(zhì)泥巖產(chǎn)烴率為71kg/t，顯然煤巖比泥巖生烴量大。

圖1　杭錦旗地區(qū)石炭系-二疊系綜合柱狀圖Fig.1　Generalized columnar section of Permo-Carboniferous in Hangjinqi area

1.2資源量測算

采用成因法計(jì)算杭錦旗地區(qū)上古生界烴源巖現(xiàn)今累計(jì)生氣量為19.462×1012m3。從生氣強(qiáng)度分布看呈南好北差：斷裂帶以南總體為(15～30)×108m3/km2；杭錦旗斷階東部的什股壕區(qū)帶為0～10×108m3/km2；烏蘭吉林廟和三眼井?dāng)嗔岩员钡墓h凸起由于缺少資料，推測生氣強(qiáng)度僅在斷裂附近能夠達(dá)到(5～10)×108m3/km2；而遠(yuǎn)離斷裂的北部由于源巖不發(fā)育，地層沒有生氣能力。

圖2　鄂爾多斯盆地北緣構(gòu)造區(qū)劃及石炭系-二疊系煤層厚度分布Fig.2　Tectonic division and isopach of the Permo-Carboniferous coalbeds in the north margin of the Ordos Basin

考慮到研究區(qū)上石盒子組-石千峰組厚層泥質(zhì)巖封蓋層分布面積遠(yuǎn)大于源巖層的分布，保存條件較好，在計(jì)算資源量時(shí)主要參考了大牛地氣田的生聚系數(shù)(0.096)進(jìn)行類比，以生聚系數(shù)0.096計(jì)算，資源量樂觀值為1.878×1012m3。若考慮杭錦旗斷階北部具有散失因素，則取大牛地氣田生聚系數(shù)的70%進(jìn)行計(jì)算，天然氣資源量為1.308×1012m3。

除成因法計(jì)算外，還根據(jù)研究區(qū)各區(qū)帶資料和認(rèn)識程度采用類比法、圈閉法[14-17]進(jìn)行了資源量計(jì)算，計(jì)算杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣資源量為13 645.60×108m3(表1)。斷裂帶以南地區(qū)資源豐度較高，為2.91×108m3/km2，而斷裂以北烴源巖不發(fā)育，資源量豐度較低(未考慮天然氣向北部隆起帶運(yùn)移的因素)，杭錦旗斷階資源豐度為(0.45～1.23)×108m3/km2。

2　大面積分布源-儲近源配置

杭錦旗地區(qū)晚古生代早期經(jīng)歷了太原期潮坪-三角洲、山西期三角洲平原、下石盒子期辮狀河等由海向陸轉(zhuǎn)變的過程，到上石盒子期的陸相干旱湖泊沉積，構(gòu)成一個(gè)完整的超長期地層旋回，包含生、儲、蓋層，是一個(gè)完整的成藏系統(tǒng)。在層序的下部形成大面積的自生自儲(太原組、山西組下部)和下生上儲(山西組上部、下石盒子組)的源-儲配置關(guān)系(圖3)。在總體構(gòu)造面貌為北東高、西南低的平緩單斜背景下，大面積分布的河道疊置體易形成大型巖性圈閉，往往在縱向上多層疊合(圖4)。河道砂體總體為特低滲透、致密儲層(表2)，非均質(zhì)性強(qiáng)，造成含氣性的差異[18-20]。

表1　杭錦旗地區(qū)天然氣資源量統(tǒng)計(jì)Table 1　Statistics of gas resource in Hangjinqi area

3　大范圍同期生烴充注過程

與鄂爾多斯盆地內(nèi)部相同，研究區(qū)烴源巖具有較為統(tǒng)一埋藏成熟史，在早白堊世陸續(xù)進(jìn)入生氣高峰期(圖5)。

斷裂帶南部烴源巖在中-晚侏羅世末期開始生油氣，早白堊世進(jìn)入生氣高峰期，源巖層形成超壓，天然氣依靠源、儲壓力差向上覆大面積砂體近距離充注。而斷裂帶以北杭錦旗斷階東部的什股壕區(qū)帶烴源巖則在早白堊世中、晚期開始生氣。

結(jié)合斷裂活動(dòng)期次的研究，杭錦旗地區(qū)烴源巖達(dá)到生氣高峰時(shí)，三大斷裂皆處于活動(dòng)期，封閉性較差,以斷層和砂體為主構(gòu)成的輸導(dǎo)體系為南部天然氣向北部隆起方向運(yùn)移提供了可能性。

圖3　杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶氣藏剖面(剖面位置見圖2)Fig.3　Gas reservoir profile in Shilijiahan play,Hangjinqi area P2s.石千峰組；P2sh.上石盒子組；P1x.下石盒子組；P1s.山西組；C3t.太原組；Ar.太古界

圖4　杭錦旗地區(qū)主要含氣層段砂巖厚度分布Fig.4　Isopach of the main gas-bearing sandstone in Hangjinqi areaa.山2段；b.盒1段；c.盒2段；d.盒3段

4　良好的區(qū)域封蓋條件

與盆地內(nèi)部相似，盆地北緣杭錦旗地區(qū)上石盒子組和石千峰組主要為大套內(nèi)陸干旱湖相泥質(zhì)巖夾少量砂巖，泥質(zhì)巖厚度130～160 m，分布廣泛而穩(wěn)定，構(gòu)成了下伏山西組、下石盒子組天然氣藏的區(qū)域性蓋層，即使有少量高角度斷層穿過，并不影響其區(qū)域封蓋功能。

鉆井的泥巖壓實(shí)趨勢研究表明(圖6)，上石盒子組普遍發(fā)育泥巖“欠壓實(shí)”帶，根據(jù)平衡深度法計(jì)算其最大剩余地層壓力在5.0～13.9 MPa;向下進(jìn)入下石盒子組、山西組和太原組,泥巖剩余壓力逐步減小，形成一個(gè)面積巨大的“壓力封閉箱”。即使在接近盆地邊緣靠近烏蘭格爾凸起的什股壕區(qū)帶，上石盒子組這樣的“欠壓實(shí)”帶也同樣發(fā)育，大面積巖性氣藏被限定在下石盒子組。這種壓力封蓋作用在盆地內(nèi)部普遍存在，說明在盆地內(nèi)部大面積發(fā)育的“近源成藏”系統(tǒng)一直延伸到盆地北部邊緣。

表2　杭錦旗地區(qū)不同區(qū)帶儲層物性統(tǒng)計(jì)Table 2　Physical properties of reservoirs in different blocks in Hangjinqi area

圖5　杭錦旗地區(qū)單井埋藏史Fig.5　Burial history of single well in Hangjinqi areaa.錦評1井；b.錦10井；c.伊23井

圖6　杭錦旗地區(qū)錦51井(a)和錦88井(b)泥巖異常壓力剖面Fig.6　Abnormal pressure profiles of mudstone in Well 51(a) and Well 88(b) in Hangjinqi area P2s.石千峰組；P2sh.上石盒子組；P1x.下石盒子組；P1s.山西組；C3t太原組

5　認(rèn)識

1) 鄂爾多斯盆地石炭系-二疊系北部邊緣的杭錦旗地區(qū)已具備培育大型氣田發(fā)育的儲量基礎(chǔ)。伊陜斜坡石炭系-二疊系下部海-陸過渡層序中的層狀“廣布式”近源成藏系統(tǒng)在研究區(qū)有大面積分布，是該區(qū)大型氣田形成的基本條件。

2) 斷裂帶以南的近源成藏區(qū)域，以大型巖性氣藏為特征，源巖層生氣潛力大和物性條件好的河道砂體疊合區(qū)域是天然氣富集高產(chǎn)有利區(qū)帶。伊盟北部隆起區(qū)大部缺少烴源巖發(fā)育，但儲層要素和封蓋要素發(fā)育良好，由于其自早古生代以來繼承性隆起的特征，可以接收通過斷層和砂體為主構(gòu)成的輸導(dǎo)體系由南部運(yùn)移來的天然氣，形成“源外”成藏區(qū)。

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(編輯李軍)

Forming conditions of large-scale gas fields in Permo-Carboniferous in the northern Ordos Basin

Hao Shumin，Li Liang，Zhang Wei，Qi Rong，Ma Chao,Chen Jingyi

(SINOPECNorthChinaCompany,Zhengzhou,Henan450006,China)

The Hangjinqi area in the northern margin of the Ordos Basin has been explored for natural gas for about 40 years.However,it wasn't until a decade ago that a systematic investigation of gas reservoiring conditions in this area has been initiated.As a result,exploration breakthrough had been made here after aiming at the large-scale lithological traps.The Permo-carboniferous tight clastic rocks were found to contain more than 700 billion m3of gas-in-place.A comprehensive study shows that large-scale gas fields in the area were mostly formed within the pervasive near-source layered petroleum system in the transitional sequences at the lower Permo-Carboniferous.This petroleum system has widely-distributed coal-measure source rocks in the Upper Carboniferous,huge Lower Permian channel sandstone reservoirs,short distance between the source and the reservoirs,massive hydrocarbon generation and charging during the Early Cretaceous and large area of Upper Permian cap rocks.The Upper Paleozoic gas reservoirs in the area feature in lithological traps,large gas-bearing area and low abundance of reserves.As newly found reservoirs are mostly tight and low-permeability,how to locate sweet spots to realize a highly effective gas discovery is a challenge for all those engaging in petroleum industry.

reservoiring factor,near-source accumulation,large gas field，Hangjinqi area,Ordos Basin

2015-10-21;

2016-03-09。

郝蜀民(1956—)，男，教授級高級工程師，致密油氣勘探開發(fā)。E-mail:haoshumin.hbsj@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司科技項(xiàng)目(P13109)。

0253-9985(2016)02-0149-06

10.11743/ogg20160201

TE122.3

A