鄂爾多斯盆地南部長探1井上古生界勘探突破及意義

齊 榮 何發(fā)岐 王付斌 賈會沖 王 巍

（ 中國石化華北油氣分公司）

0 引言

鄂爾多斯盆地上古生界沉積由南北兩大物源供給形成，以固原、慶陽、宜君一線為界，北部體系勘探開發(fā)取得舉世矚目的成就，已發(fā)現(xiàn)包括蘇里格、米脂、子洲、神木、大牛地、延安及東勝等多個大型致密砂巖氣田，是我國目前儲量規(guī)模最大、產(chǎn)量最高的致密氣產(chǎn)區(qū)。盆地南部上古生界一直是勘探家高度關注而謹慎的領域，前期區(qū)域研究成果認為盆地南部上古生界煤層厚度薄、物源規(guī)模小，并且南緣構(gòu)造復雜，黃土塬覆蓋，埋深大，資料條件差，導致既往形成了盆地資源分布呈“南油北氣”之說，因此，中國石化華北油氣分公司“十三五”之前在盆地南部一直以石油勘探為主。

直至2017年在鄰區(qū)隴東地區(qū)古生界取得了較大的突破和發(fā)現(xiàn)后，華北油氣分公司在中國石油化工股份有限公司風險勘探機制支持下，加大南部古生界天然氣的勘探力度。2020年為查明盆地南部古隆起及周緣古生界地質(zhì)特征，在彬長區(qū)塊部署風險探井長探1井，一方面要弄清下古生界展布特征及巖溶儲層發(fā)育狀況，另一方面要評價盆地南部上古生界煤系烴源巖發(fā)育情況和儲層發(fā)育狀況及含氣性，為華北油氣分公司尋找鄂爾多斯盆地天然氣勘探新的戰(zhàn)略接替陣地。長探1井在寒武系張夏組鉆遇鮞?；?guī)r，發(fā)育巖溶縫洞，認為下古生界具有巖溶儲層條件，但成藏規(guī)律及成藏模式需進一步探索；同時該井在上古生界上石盒子組盒7段試獲工業(yè)氣流2.6×104m3/d，標志著鄂爾多斯盆地南部上古生界碎屑巖領域勘探取得新層系突破。隨后彬長區(qū)塊的B2井在山西組也試獲工業(yè)氣流，為進一步評價上古生界勘探潛力，擴大勘探成果，相繼部署多口井，均在山西組—上石盒子組鉆遇良好氣層，證實盆地南緣上古生界含氣系統(tǒng)也具有良好的致密氣成藏條件及勘探前景。

已有研究對上古生界南部物源沉積體系類型、烴源巖生氣潛力、致密砂巖展布特征、儲層特征與有利儲層主控因素等有了基本認識[1-14]，但對鄂爾多斯盆地南部成藏模式進行的探討較少。本文基于盆地南緣構(gòu)造復雜區(qū)最新勘探進展及相關資料，系統(tǒng)梳理、分析盆地南緣構(gòu)造特征、上古生界烴源巖、沉積—儲層及輸導特征，建立上古生界天然氣成藏模式，總結(jié)天然氣富集主控因素，為盆地南緣致密氣勘探提供理論支撐，以期豐富和完善盆地南緣天然氣勘探成藏認識。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是華北板塊的一部分，晚古生代華北克拉通南北兩側(cè)受到擠壓作用隆升，盆地類型變?yōu)榇笮蛢?nèi)克拉通盆地[15]。沉積環(huán)境由海相、海陸過渡相向陸相沉積轉(zhuǎn)變，后期受印支運動—燕山運動的影響，盆地北部、東部抬升，南部相對變低，整體向西傾[16]，控制了油氣成藏格局。

中國石化華北油氣分公司登記的彬長區(qū)塊位于陜西省彬縣、長武縣，向西與甘肅省正寧縣、寧縣相連，構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地西南緣伊陜斜坡、渭北隆起、天環(huán)坳陷構(gòu)造單元結(jié)合部位，構(gòu)造特征相對復雜[17]（圖1）。從已有成果認識看[18-19]，彬長區(qū)塊構(gòu)造沉積演化與北秦嶺構(gòu)造帶及六盤山弧形構(gòu)造帶的演化發(fā)展較為密切。早古生代晚期，加里東運動使北秦嶺褶皺隆起拼接在華北克拉通南緣，物源區(qū)開始形成，這為盆地西南部晚古生代沉積和古水系的發(fā)育奠定了基礎。海西運動過程中由于區(qū)域性的地殼拉張使早石炭世形成賀蘭—祁連海盆，晚石炭世形成祁連海與華北海。早二疊世晚期，華北克拉通南北緣海槽封閉，海盆發(fā)育結(jié)束，進入陸相盆地演化階段。此時，秦嶺造山帶進入全面碰撞階段，擠壓構(gòu)造作用不斷加劇，北秦嶺構(gòu)造帶開始全面隆升，物源區(qū)不斷擴大。到二疊紀晚期，海西晚期運動使得祁連—秦嶺形成統(tǒng)一的物源區(qū)。晚古生代北秦嶺地區(qū)為研究區(qū)的重要物源區(qū)。

圖1 鄂爾多斯盆地南緣彬長區(qū)塊位置及下石盒子組沉積相與頂面構(gòu)造疊合圖Fig.1 Regional location and superimposed map of sedimentary facies and top structure of Lower Shihezi Formation in the Binchang block in the southern margin of Ordos Basin Ct1井為長探1井

彬長區(qū)塊上古生界主要位于受西南物源控制的咸陽—銅川三角洲沉積范圍內(nèi)[19]，缺失石炭系，自下而上主要發(fā)育下二疊統(tǒng)太原組(P1t)、山西組(P1s)，中二疊統(tǒng)下石盒子組(P2x)、上石盒子組(P2s)，上二疊統(tǒng)石千峰組(P3sh)。其中山西組又可分為兩段，自下而上分別為山1段和山2段，石盒子組又可分為8段，自下而上分別為盒1段—盒8段（圖2），目前含氣層位有盒7段、盒4段、盒5段、盒1段、山2段和山1段（圖3）。彬長區(qū)塊下古生界受中央古隆起和加里東末期構(gòu)造抬升運動影響，遭受不同程度剝蝕，自西向東地層逐漸變新，長探1井張夏組與上古生界直接接觸，B1井三山子組與上古生界直接接觸，B2井奧陶系與上古生界直接接觸。

圖2 鄂爾多斯盆地南緣彬長區(qū)塊長探1井綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of Well Changtan 1 in the Binchang block

圖3 彬長區(qū)塊上古生界氣藏剖面（上）及地震反射特征（下）（剖面位置見圖1）Fig.3 Gas accumulation profile (up) and seismic reflection characteristics (low) of Upper Paleozoic in the Binchang block (profile location is in Fig.1)

2 成藏條件

2.1 盆地南緣受多期構(gòu)造運動影響，斷裂發(fā)育，構(gòu)成縱向運移通道

鄂爾多斯地塊與祁連—秦嶺活動造山帶之間的關系復雜，經(jīng)歷了多期次、不同性質(zhì)的構(gòu)造變形，使得鄂爾多斯盆地西南緣斷裂經(jīng)歷多期次疊加[20-21]。結(jié)合盆地演化背景和研究區(qū)地震解釋剖面反映的斷裂構(gòu)造特征，在該區(qū)共識別出5期斷裂。5期斷裂繼承性發(fā)育（圖4），加里東期斷裂在下部寒武系—奧陶系主要表現(xiàn)為高角度正斷裂，大多斷至奧陶系頂面。志留系—泥盆系在盆地普遍缺失，構(gòu)造運動的影響表現(xiàn)在奧陶系不整合面地貌形態(tài)上，斷裂對地層的破壞導致巖溶溝槽呈規(guī)律性展布，受該階段構(gòu)造運動影響，鄂爾多斯盆地整體抬升，遭受近1.5億年的暴露剝蝕[22]，此時形成的斷裂有利于大氣降水及地表水沿著斷層向下滲流，從而有利于奧陶系巖溶儲層的發(fā)育，后期山西組—太原組煤層生成的天然氣可沿加里東期—海西期斷裂向下運移至奧陶系碳酸鹽巖中成藏。海西晚期的構(gòu)造擠壓使盆地下二疊統(tǒng)主要發(fā)育逆斷裂，大多斷穿奧陶系頂部至二疊系頂部，油氣向上運移至上石盒子組致密砂巖中成藏。受印支運動影響，中—下三疊統(tǒng)發(fā)育走滑斷裂，產(chǎn)狀近直立，走向以北西—南東向為主，大多數(shù)斷裂可斷至二疊系。受燕山早期運動影響，上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)發(fā)育走滑斷裂，產(chǎn)狀陡立，走向呈北東東向，這個時期是以南部物源體系內(nèi)煤系地層為烴源巖的含油氣系統(tǒng)的關鍵時期。從盒7段氣層的形成看，斷裂的發(fā)育構(gòu)成該區(qū)縱向成藏的運移通道。受喜馬拉雅運動影響，白堊系—第四系發(fā)育正斷裂。

圖4 彬長區(qū)塊斷裂期次圖Fig.4 Faults of different tectonic movements in the Bingchang block

2.2 上古生界煤系烴源巖在區(qū)域上廣泛分布，是盆地南部古生界的主力烴源巖

鄂爾多斯盆地古生界存在兩套現(xiàn)實的烴源巖[23]:一是石炭系—二疊系煤系地層，為濱海至內(nèi)陸沼澤沉積的暗色泥質(zhì)巖、煤層等，鄂爾多斯全盆地廣泛分布；二是上奧陶統(tǒng)斜坡—盆地相烏拉力克組/平?jīng)鼋M暗色泥頁巖，僅在鄂爾多斯盆地西南緣局部發(fā)育。對盆地南緣上古生界目的層而言，石炭系—二疊系煤系烴源巖是主力烴源巖[24-26]。

鉆井揭示，盆地南緣彬長區(qū)塊上古生界煤系地層發(fā)育煤巖、碳質(zhì)泥巖及暗色泥巖3類烴源巖，總體為“煤薄泥厚”特征。就煤巖而言，鄂爾多斯盆地上古生界煤巖整體呈現(xiàn)為北厚南薄，盆地南緣中國石化探區(qū)已有鉆井揭示，除東部富縣地區(qū)外，盆地南緣煤巖厚度多小于6m，其中彬長區(qū)塊上古生界煤巖也較薄，平面上具東厚西薄的展布特征；上古生界煤巖厚度雖薄但在南緣廣泛分布，且煤巖現(xiàn)今主體處于高成熟演化階段，生烴強度可達（6～8）×108m3/km2。此外，最新完鉆的長探1井與B2井在上古生界都獲得了高產(chǎn)工業(yè)氣流，證實上古生界高熱演化薄層煤系烴源巖具備優(yōu)越的供烴條件（圖5）。

圖5 彬長區(qū)塊上古生界煤巖厚度與生烴強度圖Fig.5 Isopach map and hydrocarbon generation intensity of Upper Paleozoic coal bed in the Binchang block

碳質(zhì)泥巖在鄂爾多斯盆地南緣富縣北部、彬長—旬宜區(qū)塊（厚度為10～60m）及隴東地區(qū)（厚度為10～30m）都有分布，目前富縣、彬長及隴東已實現(xiàn)勘探突破，說明盆地南緣上古生界碳質(zhì)泥巖是區(qū)內(nèi)另一類重要烴源巖，可作為煤巖的有效補充。由于彬長區(qū)塊尚未開展煤巖樣品的有機地球化學測試分析，參考鄂爾多斯盆地其他地區(qū)上古生界煤巖有機質(zhì)豐度測試成果發(fā)現(xiàn)，煤巖有機質(zhì)豐度在不同地區(qū)、不同層位差異不甚明顯，均表現(xiàn)為高有機碳、氯仿瀝青“A”和總烴。有機碳含量為73.6%～83.2%，氯仿瀝青“A”為 0.61%～0.8%，總 烴 為 1757.1～2539.8μg/g，生烴潛量S1+S2為72.8～78.1mg/g（HC/TOC），烴轉(zhuǎn)化率為6.9%～7.7%（表1），顯示烴源巖品質(zhì)好；同時，B2井甾烷、萜烷參數(shù)表明山西組烴源巖樣品均處于高成熟演化階段，具備優(yōu)越的供氣條件（圖6）。

表1 鄂爾多斯盆地上古生界煤巖有機質(zhì)豐度表Table 1 Organic abundance of the Upper Paleozoic coal beds in the Ordos Basin

圖6 彬長區(qū)塊B2井山1段烴源巖抽提物甾烷、萜烷交會圖Fig.6 Crossplot of steroids and terpanes extracted from Shan 1 member source rocks in Well B2 in the Binchang block

2.3 上古生界下石盒子組—上石盒子組發(fā)育大型三角洲，為天然氣聚集成藏的有利儲集相帶

2.3.1 下石盒子組—上石盒子組沉積相類型及特征

下石盒子組沉積時期盆地物源區(qū)抬升強烈，尤其是盒1段沉積時期盆地呈現(xiàn)“滿盆砂”特征。盆地南部主體為辮狀河三角洲平原—三角洲前緣沉積[28]，巖心可見多期分流河道砂體疊置發(fā)育，河道底部常見滯留沉積，巖性以砂礫巖、含礫粗砂巖為主，礫石多為石英礫，主要發(fā)育塊狀層理、板狀交錯層理和平行層理，表明該時期水動力較大且穩(wěn)定。自然伽馬曲線多為厚層疊置砂體所對應的箱形或齒化箱形，底部突變，上部可見薄層指形曲線特征（圖2）。

上石盒子組沉積期，盆地內(nèi)南北地形差異逐漸減小，盆地南部主體為三角洲平原—三角洲前緣沉積[28]，但砂體規(guī)模較下石盒子組沉積期有所減小，主要表現(xiàn)在砂體厚度減小、河道平面分布范圍減小。在巖心上可以看到盒7段砂巖以灰白色含礫粗砂巖、粗砂巖為主，分選較盒1段好，主要發(fā)育塊狀層理。自然伽馬曲線多為箱形或齒化箱形，底部突變。

2.3.2 下石盒子組—上石盒子組儲層特征與分布預測

優(yōu)質(zhì)儲層是下石盒子組—上石盒子組天然氣成藏的關鍵因素之一。上石盒子組盒7段砂體在彬長區(qū)塊較為發(fā)育，已鉆井均鉆遇盒7段砂體，最厚的砂體達到18m，最薄的砂體為3m。盒7段整體實測物性較好，孔隙度為2.3%～11%，滲透率為0.06～14.5mD。地震屬性與單井鉆遇砂體厚度交會圖分析認為，最大波峰振幅與盒7段砂體厚度具有較好的正相關性（圖7）；盒7段砂體厚度大時，表現(xiàn)為強波峰振幅（長探1井盒7段砂體厚度為10m，B2井盒7段砂體厚度為11m；圖8），盒7段砂體厚度小時，表現(xiàn)為弱波峰振幅（B1井盒7段砂體厚度為3m；圖8）。盒7段振幅屬性顯示，紅色、黃色和綠色為砂體發(fā)育區(qū)（圖9a），盒7段砂體整體上呈北東—南西向展布特征（圖9b），共發(fā)育4條河道，河道寬度為3～6km，主要發(fā)育在研究區(qū)的西部和中部，估算有利區(qū)面積為160km2，天然氣地質(zhì)資源量為285×108m3。

圖7 最大波峰振幅與砂體厚度交會圖Fig.7 Crossplot of maximum peak amplitude and sand thickness

圖8 已鉆井地震反射波組特征圖Fig.8 Seismic reflection wave features cross wells

圖9 最大波峰振幅屬性與砂體厚度等值線圖Fig.9 Attributes of maximum peak amplitude and sand body thickness contour map

盒4段砂體也較為發(fā)育，彬長區(qū)塊已鉆井均鉆遇，最厚的砂體達到17m，最薄的砂體為6.5m。最大波峰振幅與盒4段砂體厚度具有較好的正相關性（圖7、圖8）。盒4段砂體在彬長區(qū)塊整體上呈北東—南西向展布特征，共發(fā)育5條河道，河道寬度為2～7km（圖9c、d），估算有利區(qū)面積為150km2，天然氣地質(zhì)資源量為300×108m3。

盒1段砂體規(guī)模較盒7段和盒4段大，孔隙度為1.4%～7.6%，滲透率為0.08～1.1mD。由于山西組—太原組厚度較小，其煤層對盒1段砂體有效地震反射具有干擾影響。利用地震反射特征（中強波峰振幅）進行屬性提取與儲層預測（圖8），其結(jié)果與已鉆井符合率為100%?？傮w認為，盒1段水下分流河道橫向擺動頻繁，砂體廣泛分布（圖1），估算有利區(qū)面積為300km2，天然氣地質(zhì)資源量為660×108m3。

3 盆地南緣復雜構(gòu)造過渡帶成藏模式

上古生界致密砂巖氣以二疊系太原組、山西組煤系地層為烴源巖，太原組、山西組及下石盒子組三角洲砂體和河道砂體為主力含氣層段[12，19]，中二疊統(tǒng)上石盒子組與石千峰組發(fā)育干旱—半干旱氣候條件下的內(nèi)陸湖泊、洪泛平原厚層泥質(zhì)巖，在全盆地廣泛分布，是整個古生界含氣系統(tǒng)的大型區(qū)域封蓋層。就盆地南部地區(qū)而言，石千峰組作為區(qū)域性蓋層發(fā)育穩(wěn)定，鉆井揭示彬長區(qū)塊內(nèi)區(qū)域性蓋層厚度為200～300m，封蓋能力強。此外，盆地南部山西組、下石盒子組、上石盒子組內(nèi)發(fā)育的淺湖泥巖作為局部蓋層也可形成有效封堵條件。

就彬長區(qū)塊來講，區(qū)內(nèi)太原組—山西組高成熟煤系烴源巖生烴強度高，供烴充足（圖5）；下石盒子組盒1段、上石盒子組盒4段與盒7段、山西組等多套三角洲平原—三角洲前緣相砂體垂向疊置形成優(yōu)質(zhì)儲集體；山西組和下石盒子組—上石盒子組的三角洲沉積體與下伏太原組—山西組煤系烴源巖層形成“下生上儲”的源儲配置。天然氣運移主體以近源垂向輸導為主，斷裂為主要垂向輸導通道，具體包括兩種輸導類型:一是高角度穿層斷裂輸導控藏，代表實例為長探1井盒7段氣層。長探1井在盒7段鉆遇氣層6.8m，并試獲日產(chǎn)天然氣2.6×104m3，該井附近高角度穿層斷裂向上斷穿至上石盒子組盒4段—盒7段儲層，斷層有效溝通下部太原組—山西組煤系烴源巖與上部上石盒子組優(yōu)質(zhì)儲層，形成高效天然氣垂向輸導通道。二是層間/層內(nèi)裂縫輸導控藏[30]，代表實例為B2井山2段及盒1段氣層。B2井在山2段試獲日產(chǎn)氣1.12×104m3，盒1段試獲日產(chǎn)氣0.58×104m3。三維地震資料顯示，向東B2井區(qū)附近高角度穿層斷裂不甚發(fā)育，下伏太原組—山西組煤系烴源巖生成的天然氣不能有效運移至上石盒子組儲層，其成藏主要受控于層間/層內(nèi)裂縫分布，天然氣成藏層系集中于下石盒子組及山2段儲層內(nèi)（圖10）。從區(qū)域成藏史分析，早白堊世末為盆地南部主要天然氣聚集成藏時間[31-32]，盆地南部天然氣成藏晚于海西期層間/層內(nèi)裂縫與印支期近直立走滑斷裂兩類輸導通道的形成，早白堊世末山西組—太原組煤系烴源巖達到最大埋深[30]，天然氣達到生烴高峰并規(guī)模排出后，通過先存的層內(nèi)及穿層斷裂系統(tǒng)持續(xù)輸導油氣至山西組及下石盒子組—上石盒子組儲層中聚集成藏。

圖10 彬長區(qū)塊上古生界天然氣成藏模式（剖面位置見圖1）Fig.10 Gas accumulation pattern of Upper Paleozoic in the Binchang block (section location is in Fig.1)

基于長探1井及B2井等井上古生界下石盒子組—上石盒子組天然氣成藏條件分析，建立了以盆地南緣彬長區(qū)塊為代表的復雜過渡帶天然氣成藏模式，即“多層疊置、斷裂輸導、下生上儲、立體成藏”。優(yōu)質(zhì)儲層分布及高角度斷層兩個關鍵因素共同決定了盆地南緣上古生界勘探選區(qū)的下步方向和依據(jù)，其中，對于上古生界山西組及下石盒子組目的層而言，下步勘探評價重點為沉積相帶展布及有利儲集體預測，而對于上古生界上石盒子組目的層，除以河道控藏模式進一步落實資源潛力外，同時注重穿層斷層精細地震解釋，重點分析斷層控制下天然氣輸導、調(diào)整的動態(tài)過程研究，最終落腳到優(yōu)質(zhì)儲集體與斷裂輸導控藏綜合評價及選區(qū)。

4 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地南緣具有天然氣富集的成藏地質(zhì)條件。主要烴源巖為上古生界太原組—山西組煤巖，碳質(zhì)泥巖也為重要補充，煤巖厚度不大但分布廣泛，在成熟—高成熟背景下表現(xiàn)為廣覆式持續(xù)生氣特征，具有優(yōu)越的供烴條件。上古生界山西組—上石盒子組發(fā)育大型三角洲，北東向展布，河道砂體疊置發(fā)育，為天然氣聚集成藏的有利儲集相帶。上石盒子組泥巖和石千峰組泥巖是盆地南緣有效區(qū)域封蓋層。盆地南部共經(jīng)歷5期構(gòu)造演化，發(fā)育5期斷裂，印支期近直立走滑斷裂與海西期層間/層內(nèi)裂縫為主要垂向輸導通道。

（2）盆地南部復雜構(gòu)造過渡帶天然氣成藏呈“多層疊置、斷裂輸導、下生上儲、立體成藏”模式。盆地南部彬長區(qū)塊盒1段—盒7段多套三角洲平原—三角洲前緣相砂體垂向疊置形成優(yōu)質(zhì)儲集體，在優(yōu)質(zhì)儲層分布控藏基礎上，印支期近直立走滑斷裂與海西期斷裂深部溝通至太原組—山西組煤系烴源巖，向上穿過多套上古生界目的層，控制天然氣垂向運移輸導，聚集則表現(xiàn)為多層疊置成藏特征。

（3）優(yōu)質(zhì)儲層分布及高角度斷層輸導兩個關鍵因素共同決定了盆地南緣天然氣富集及下步勘探選區(qū)方向。對于山西組及下石盒子組目的層而言，有利區(qū)帶預測主要依據(jù)為沉積相帶展布及有利儲集體預測；對于上石盒子組目的層而言，有利區(qū)帶預測主要依據(jù)優(yōu)質(zhì)儲層預測、高角度氣源斷層分布及兩者配置關系，盆地南緣上古生界致密砂巖氣是下一步重要且現(xiàn)實的勘探領域。