鄂爾多斯盆地中部奧陶系馬四段天然氣成藏主控因素

任海姣，吳偉濤，趙靖舟，陳夢娜

(1.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；3.陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點實驗室，陜西 西安 710065)

0 引 言

鄂爾多斯盆地下古生界奧陶系頂部靖邊氣田的發(fā)現(xiàn)以及馬五段內(nèi)幕氣藏的突破，證實了下古生界海相碳酸鹽巖天然氣的勘探潛力[1-3]。隨天然氣勘探工作的不斷深化，奧陶系馬四段天然氣勘探取得了重要突破，14口探井均有天然氣顯示。然而，由于馬四段埋藏較深、勘探程度較低，前人研究主要集中于沉積相和儲層方面[4-7]，一定程度上限制了天然氣的勘探，對于天然氣成藏控制因素的研究更是寥寥無幾。而上部的馬五段天然氣成藏特征及主控因素研究相對較多[8-10]，對馬四段成藏研究具有一定的借鑒作用。為此，利用最新的鉆井、測井、地球化學(xué)、試氣等資料，分析氣藏類型及分布特征，從氣源巖、儲層特征、運移和遮擋條件探討馬四段天然氣成藏主控因素，旨在豐富碳酸鹽巖天然氣成藏理論，并為鄂爾多斯盆地奧陶系下一步勘探提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡構(gòu)造單元中北部，北起鄂托克旗，南至延安，西接鄂托克前旗，東至佳縣，面積約為10×104km2。馬四期為早奧陶世最大的海侵旋回，沉積厚度較大，在盆地東部約為180 m，向中央古隆起逐漸過渡到400 m左右。依據(jù)巖性、電性和沉積旋回特征，馬四段自上而下可劃分為馬四1、馬四2和馬四3亞段，各亞段地層分布較穩(wěn)定，平均厚度為55 m，整體呈現(xiàn)由東部向中央古隆起逐漸增厚的趨勢。馬四期為隆洼相間的沉積格局，自西向東依次發(fā)育淺海臺地相、灰云緩坡相和灰?guī)r洼地相。受白云石化作用影響，馬四1段以白云巖為主，馬四2和馬四3段以灰?guī)r為主(圖1)，平面上表現(xiàn)為西部發(fā)育厚層白云巖，向東部漸變?yōu)榛規(guī)r夾薄層白云巖。研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造穩(wěn)定，總體為西傾單斜，局部發(fā)育低幅度鼻狀隆起及小規(guī)模斷裂。

圖1 鄂爾多斯盆地中部奧陶系馬四段地層柱狀圖Fig.1 The stratigraphic column of the Ordovician MaMember 4 in the central Ordos Basin

2 奧陶系馬四段氣藏特征

研究區(qū)鉆至奧陶系馬四段的井共有72口，其中14口為氣顯示井，To51井產(chǎn)量較高，日產(chǎn)氣量為0.63×104m3/d，其次為Ta37井和S51井，日產(chǎn)氣量分別為0.53×104m3/d和0.51×104m3/d，其余井日產(chǎn)氣量均低于0.50×104m3/d。產(chǎn)氣井主要分布在灰云坪和云灰坪沉積相帶，3口產(chǎn)水井分布在云坪相(圖2)。

圖2 馬四1亞段沉積相與試氣成果Fig.2 The sedimentary facies and gas testing results of theSub-member 1 of Ordovician Ma Member 4

受中央古隆起的抬升作用，研究區(qū)西部馬四段與石炭系本溪組直接接觸，東部與馬五段整合接觸，且自西向東沉積相發(fā)生變化，導(dǎo)致馬四段形成的圈閉類型與頂部靖邊氣田風(fēng)化殼為主的圈閉類型明顯不同[2]。根據(jù)圈閉遮擋條件可分為巖性圈閉和巖性-風(fēng)化殼型圈閉。

研究區(qū)中東部馬四段以灰云坪和云灰坪沉積相為主，薄層白云巖為有利儲層，側(cè)向和垂向發(fā)育的灰?guī)r起到遮擋作用，形成巖性圈閉。灰?guī)r側(cè)向遮擋類巖性氣藏分布在厚層白云巖與致密灰?guī)r的巖性變化帶上，厚層白云巖儲層物性條件較好，其側(cè)向上發(fā)育物性較為致密的灰?guī)r起到遮擋作用，如J7和Ta37井氣藏(圖3)?；?guī)r垂向遮擋類巖性氣藏分布在大套灰?guī)r之間，云質(zhì)含量增加的部位，其垂向上灰質(zhì)成分增多，形成遮擋作用，如Ta36和To51井氣藏。

在加里東運動影響下，奧陶系經(jīng)歷了較長時間的風(fēng)化剝蝕，研究區(qū)西部馬四段受到不整合和巖性的共同控制，形成巖性-風(fēng)化殼型圈閉，由于側(cè)向遮擋條件不發(fā)育，產(chǎn)氣井較少，可見產(chǎn)水井。

3 馬四段天然氣成藏主控因素與有利區(qū)域預(yù)測

3.1 氣源條件及其控氣作用

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組天然氣來源與成因較為復(fù)雜，前人研究多集中于馬家溝組頂部馬五1—馬五4段風(fēng)化殼型氣藏，對馬四段研究較少。迄今為止，學(xué)術(shù)界存在3種觀點：多數(shù)學(xué)者認(rèn)為上古生界煤系烴源巖是馬家溝組天然氣的主要來源[11-12]，部分學(xué)者認(rèn)為下古生界碳酸鹽巖類烴源巖也是主要的氣源巖[13]，還有學(xué)者認(rèn)為盆地西部奧陶系烏拉力克組存在優(yōu)質(zhì)海相烴源巖[14]。該文通過分析烴源巖生烴強(qiáng)度等因素，認(rèn)為上古生界煤系烴源巖對馬四段天然氣貢獻(xiàn)最大，下古生界碳酸鹽巖類烴源巖貢獻(xiàn)有限[15-16]。因此，奧陶系馬四段天然氣為上古生界煤系烴源巖生成的煤型氣與下古生界碳酸鹽巖生成的油型氣的混合氣，并以前者為主。氣源條件控制著天然氣的貧富，馬四段氣源條件不充足，整體產(chǎn)氣量較少。

3.1.1 上古生界烴源巖條件

上古生界煤系烴源巖廣覆式生烴，煤層厚度約為10 m，有機(jī)碳含量約為72.0%，氯仿瀝青“A”約為0.700%；暗色泥巖厚度約為60 m，有機(jī)碳含量約為2.8%，氯仿瀝青“A”約為0.085%。生烴強(qiáng)度主要為10×108～30×108m3/km2，整體顯示出高強(qiáng)度、大范圍的供氣特點。

上古生界煤系烴源巖與馬四段儲層的接觸關(guān)系分為直接接觸和間接接觸，研究區(qū)西部以直接接觸為主，中東部以間接接觸為主。研究區(qū)西部上古生界煤系烴源巖生成的天然氣首先向下運移進(jìn)入到馬四段白云巖儲層，沿著白云巖儲層孔縫帶順著構(gòu)造傾斜方向逐漸運移，在適當(dāng)?shù)娜﹂]中聚集形成天然氣藏(圖3)。

馬四段產(chǎn)氣井側(cè)向上距剝蝕面的距離為50～130 km，需要較高強(qiáng)度的天然氣充注才能夠滿足形成氣藏的條件。同時，源儲直接接觸的研究區(qū)西部馬四段儲層具有面積廣泛、物性優(yōu)質(zhì)的特點，進(jìn)入儲層中的天然氣會發(fā)生過度分散消耗，造成天然氣產(chǎn)量小。研究區(qū)中東部的煤系烴源巖垂直運移到馬四段儲層，具有距離遠(yuǎn)、非滲透性層系多的特點(圖3)。產(chǎn)氣井在縱向上與煤系烴源巖的垂直距離為240～270 m，且兩者地層之間發(fā)育大套灰?guī)r、膏鹽巖等物性致密的巖層，增加了運移難度。

圖3 奧陶系馬四段Dt1-To51井天然氣成藏模式Fig.3 The natural gas accumulation model of well Dt1-To51 in the Ordovician Ma Member 4

3.1.2 下古生界烴源巖條件

奧陶系馬四段烴源巖巖性包括泥質(zhì)云巖、含泥云巖、灰云巖和灰?guī)r，TOC分布范圍為0.05%～0.31%，平均為0.11%，干酪根類型主要為Ⅱ1型，有機(jī)質(zhì)演化程度處于過成熟階段，生烴強(qiáng)度分布范圍為0～4×108m3/km2。馬家溝組馬五5—馬五10段碳酸鹽巖類烴源巖質(zhì)量同樣較差，生烴強(qiáng)度主要分布為0～6×108m3/km2。

氣源條件控制天然氣的貧富，上古生界優(yōu)質(zhì)烴源巖生成的天然氣向下運移困難較大，而中下組合烴源巖質(zhì)量較差，對馬四段天然氣的貢獻(xiàn)較小，因此，在氣源條件不充足的情況下，馬四段產(chǎn)氣量整體較小，均小于1.00×104m3/d。

3.2 儲層特征及其控氣作用

儲層特征控制天然氣的富集區(qū)域，物性中等的灰云坪相和云灰坪相是天然氣富集的主要相帶?；以破合嗪驮苹移合喈a(chǎn)氣井占70%，而云坪相產(chǎn)氣井較少，僅占20%。

馬四段云坪相和顆粒灘相物性最好，孔隙度和滲透率平均值較高，分別為1.71%、1.189 mD和1.61%、0.972 mD，是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的有利相帶；灰云坪相孔隙度較高，平均值為2.09%，滲透率平均值較低，僅為0.210 mD；云灰坪相和灰坪相孔隙度相差不大，平均值約為0.78%，但云灰坪相滲透率稍高，平均值為0.271 mD，而灰坪滲透率平均值僅為0.059 mD。

研究區(qū)西部的云坪相和顆粒灘相孔隙空間較為發(fā)育，為天然氣創(chuàng)造了優(yōu)質(zhì)的輸導(dǎo)條件，但由于氣源條件有限，難以形成規(guī)模氣藏，因此，云坪相產(chǎn)氣井較少?；以破合嗪驮苹移合辔镄灾械?，滲透率低于云坪相和顆粒灘相，但普遍高于灰坪相，相對致密的儲層能夠有效地阻止天然氣進(jìn)一步逸散，便于氣藏的形成(表1)。

表1 奧陶系馬四1段典型井物性統(tǒng)計Table 1 The statistics of hysical properties of typical wells in the Sub-member 1 of Ordovician Ma Member 4

3.3 運移條件及其控氣作用

孔隙和裂縫是馬四段儲層的主要儲集空間，其與斷層組合形成空間上的三維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為天然氣運移提供了重要通道[17]。

馬四段晶間孔和溶孔平均面孔率約為1.95%，部分孔隙被方解石、白云石等充填(圖4a、b)。受古地形的影響，溶蝕作用在剝蝕面附近最強(qiáng)，平面上向東部逐漸變?nèi)酰瓜蛏舷蝰R四段深部溶蝕作用基本消失，影響運移通道發(fā)育。

馬四段發(fā)育高角度構(gòu)造縫，局部發(fā)育網(wǎng)狀微裂縫(圖4c—e)。大多數(shù)裂縫被泥質(zhì)全充填，局部發(fā)育白云石、石英半充填裂縫。溶蝕縫多發(fā)育在靠近古隆起一帶的風(fēng)化殼附近，溶蝕寬度可達(dá)數(shù)厘米。溶蝕縫被方解石及泥質(zhì)等物質(zhì)充填，局部可見半充填的中粗晶白云石。

圖4 奧陶系馬四段儲層孔隙類型Fig.4 The reservoir pore types of the Ordovician Ma Member 4

斷層是天然氣垂向運移的重要通道，研究區(qū)馬四段斷層僅在局部發(fā)育，斷層規(guī)模較小，斷距平均為20 m，走向多為北東—南西向，斷層延伸距離為0.8～31.2 km。受成巖作用的影響，部分馬四段孔隙和裂縫被方解石和白云石等充填膠結(jié)，同時，研究區(qū)東部地層遠(yuǎn)離剝蝕線面，巖溶作用較弱，灰質(zhì)成分增加，影響運移通道發(fā)育。因此，上古生界煤系烴源巖和馬家溝組碳酸鹽巖類烴源巖生成的天然氣，順溶蝕孔縫及小規(guī)模斷層向下運移至馬四段，在東高西低的構(gòu)造背景下，向東部運移成藏。

3.4 遮擋條件及其控氣作用

遮擋條件控制天然氣的分布。研究區(qū)東部儲層遠(yuǎn)離剝蝕面，白云石化作用減弱，灰質(zhì)成分逐漸增加，巖性變?yōu)橐院駥踊規(guī)r夾薄層白云巖為主，較為致密的灰?guī)r起到遮擋作用，有利于形成巖性氣藏。相比之下，西部儲層物性優(yōu)越，但缺少遮擋條件，導(dǎo)致產(chǎn)氣井較少。

研究區(qū)中部灰云坪沉積相灰質(zhì)含量增加，白云巖與灰?guī)r的巖性變化帶發(fā)育巖性油氣藏，如Ta37和J7井，下部厚層灰?guī)r形成底板，有效阻隔天然氣逸散，側(cè)向上巖性變?yōu)橹旅芑規(guī)r，起到側(cè)向封閉作用，形成巖性氣藏(圖3)。

研究區(qū)中、東部發(fā)育灰?guī)r夾薄層白云巖類巖性圈閉?；?guī)r物性整體較差，云質(zhì)含量的增加改善了儲層物性，垂向上發(fā)育的灰?guī)r起到遮擋作用和底板封隔作用，有利于天然氣聚集，如T36、To52和F5井氣藏(圖5)。

圖5 奧陶系馬四段S51—F5井天然氣運移剖面圖Fig.5 The profile of natural gas migration of well S51—F5 in the Ordovician Ma Member 4

3.5 有利區(qū)預(yù)測

研究區(qū)西部靠近古隆起，地層長時間暴露地表，形成以晶間孔和溶孔為主要孔隙類型的厚層白云巖儲層，且地層與上古生界煤系烴源巖直接接觸，雖然具有較好的氣源條件、儲集空間和運移條件，但受限于遮擋條件的不發(fā)育，未能形成天然氣藏。而研究區(qū)東部的灰云坪和云灰坪沉積相帶是天然氣藏發(fā)育的有利區(qū)(圖2)，其儲層為物性中等的薄層白云巖和白云巖與石灰?guī)r巖性變化帶，具有一定的儲集空間，孔隙、裂縫和斷層組成的三維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將上古生界和下古生界氣源與馬四段地層溝通起來，便于天然氣的運移，同時，側(cè)向上發(fā)育的灰?guī)r起到遮擋作用有利于天然氣聚集成藏。

4 結(jié) 論

(1) 鄂爾多斯盆地中部奧陶系馬四段氣藏類型主要為巖性氣藏，天然氣主要來源于上古生界煤系烴源巖生成的煤型氣，少量來源于下古生界碳酸鹽巖生成的油型氣。

(2) 氣源條件控制著天然氣的貧富，馬四段氣源條件不充足，整體產(chǎn)氣量較少；儲層特征控制天然氣富集在物性中等的灰云坪相和云灰坪相；孔隙、裂縫與斷層組成的三維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為天然氣運移提供通道；遮擋條件控制天然氣的分布在厚層白云巖與灰?guī)r的巖性變化帶以及厚層灰?guī)r中部云質(zhì)含量增加的部位。