鄂爾多斯盆地寧古3井太原組含鋁巖系天然氣成藏特征及地質(zhì)意義

孟衛(wèi)工 李曉光 吳炳偉 宮振超 董德勝 劉媛媛 咸秀明

（ 中國石油遼河油田公司 ）

0 引言

鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系含鋁巖系比較發(fā)育、分布廣泛，不同層位含鋁巖系均發(fā)育在下古生界碳酸鹽巖風化殼之上。加里東運動之后，受中石炭世海侵自東南向西北逐步侵進影響，含鋁巖系的層位自東向西由老變新，在盆地東北部主要發(fā)育在上石炭統(tǒng)本溪組，在盆地西南部主要發(fā)育在下二疊統(tǒng)太原組[1]。含鋁巖系具有特定的沉積環(huán)境和形成階段，在巖石組合序列上自下而上通常為鐵質(zhì)黏土巖、鋁土礦、鋁土質(zhì)泥巖、砂巖、碳質(zhì)泥頁巖、煤層、石灰?guī)r等[2-3]。由于含鋁巖系整體具有密度大、相對致密的特點，在油氣勘探中，一直被當做風化殼氣藏的區(qū)域蓋層[4-5]，雖然在一些探井中有氣測異常顯示，但常被認為是上覆煤層的氣測后效而被忽視。2015年，劉文輝等針對鄂爾多斯盆地東北部大牛地氣田本溪組鋁土質(zhì)泥巖的儲集性能開展測井評價，認為鋁土質(zhì)泥巖微裂縫和溶孔發(fā)育，具有較好的孔隙網(wǎng)絡，可成為潛在儲層[6]，但并未引起過多關(guān)注和重視。2020年，為了探索新領(lǐng)域，尋找新的氣藏類型，通過對鄂爾多斯盆地西南緣太原組老井復查，開展了太原組含鋁巖系成藏條件研究，部署實施區(qū)域探井寧古3井，該井于2020年4月15日開鉆，2020年5月27日在寒武系崮山組—長山組—鳳山組完鉆，完鉆井深為3750m，2020年9月12日，在太原組含鋁巖系試氣，8mm油嘴自噴求產(chǎn)，獲日產(chǎn)氣13.44×104m3。寧古3井的成功勘探，改變了含鋁巖系不能形成有效儲層的傳統(tǒng)地質(zhì)認識，發(fā)現(xiàn)了新的氣藏類型，拓展了油氣勘探領(lǐng)域，展示了含鋁巖系具有較大勘探潛力和良好勘探前景。

本文以寧古3井勘探發(fā)現(xiàn)為契機，利用錄井、測井和分析測試資料，開展含鋁巖系儲層微觀特征研究，評價其儲集性和含氣性，分析成藏控制因素，探討天然氣成藏模式，為鄂爾多斯盆地本溪組、太原組廣泛發(fā)育的含鋁巖系勘探提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

華北地臺前石炭系碳酸鹽巖風化殼之上廣泛發(fā)育一套含鋁巖系，賦存于這套含鋁巖系中的鋁土礦是喀斯特型（碳酸鹽巖巖溶型）鋁土礦床的典型代表[1，3，7-9]。自20世紀50年代以來，諸多學者對華北地臺石炭系—二疊系含鋁巖系的物質(zhì)來源和富集成礦規(guī)律進行研究，在成礦物質(zhì)來源方面主要有3種不同觀點:第一種觀點認為來源于古陸（島）的鋁硅酸鹽巖；第二種觀點認為來源于下伏的寒武系—奧陶系碳酸鹽巖及泥質(zhì)巖；第三種觀點為混合來源，認為來自古陸的鋁硅酸鹽巖和下伏寒武系—奧陶系的碳酸鹽巖，不排除巖漿活動帶來的火山物質(zhì)[2-3，8-12]，目前多數(shù)人持第三種觀點。在形成機理方面觀點基本一致，認為加里東運動使華北陸表海抬升為陸，造成中奧陶世—早石炭世約130Ma的沉積間斷，古陸（島）的鋁硅酸鹽巖和基底碳酸鹽巖遭受強烈物理—化學風化作用，形成巨厚紅土層，紅土化作用使巖石中的K、Na、Ca、Mg等可溶性元素不斷被帶走，不溶組分Al2O3、Fe2O3、SiO2等逐步聚斂。至中石炭世，伴隨廣泛海侵，富含鋁質(zhì)的紅土層經(jīng)搬運或原地沉積于潟湖和海灣中，形成鋁土礦層。再經(jīng)歷表生風化淋濾作用，F(xiàn)e、Si等雜質(zhì)元素大量流失，Al元素逐漸富集，形成鋁土礦床[2-3，8-12]。石炭系—二疊系含鋁巖系的形成和發(fā)育程度主要受沉積古地貌和古環(huán)境控制。

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，是在太古宇—古元古界結(jié)晶基底之上發(fā)育起來的多旋回疊合盆地，面積約為32×104km2。沉積地層厚度大于5000m，自下而上為中元古界—下白堊統(tǒng)，缺失志留系—下石炭統(tǒng)。盆地可劃分為西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、伊盟隆起和渭北隆起6個一級構(gòu)造單元，油氣主要分布于伊陜斜坡[13-16]，寧古3井位于伊陜斜坡西南部（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃與寧古3井位置圖Fig.1 Structural division of Ordos Basin and location of Well Ninggu 3

鄂爾多斯盆地構(gòu)造演化主要經(jīng)歷了裂陷盆地（中—新元古代）、華北克拉通盆地（早古生代）、華北克拉通內(nèi)坳陷盆地（晚古生代—中三疊世）、鄂爾多斯內(nèi)陸坳陷盆地（晚三疊世—白堊紀）和鄂爾多斯周緣斷陷盆地（新生代）5個階段[13-14，17]，其中，古生代是穩(wěn)定的克拉通盆地演化階段。早古生代，受早期區(qū)域伸展和晚期擠壓作用控制，在盆地西緣、南緣形成“L”形中央古隆起，盆地古地理格局呈現(xiàn)“一隆三坳”，沉積格局東西分異明顯，東側(cè)華北海以陸表海碳酸鹽巖沉積為主，南側(cè)、西側(cè)秦祁海以陸緣海碳酸鹽巖和泥質(zhì)巖沉積為主。奧陶紀末，受加里東運動影響，鄂爾多斯盆地整體抬升，遭受強烈剝蝕[13]。晚石炭世開始，在拉張構(gòu)造背景下，鄂爾多斯盆地發(fā)生區(qū)域性沉降，本溪組沉積期，盆地繼承了早古生代的古地理格局，隨著海水自東向西侵入，中央古隆起范圍逐步縮小，本溪組自盆地中心向西南及東北方向超覆，沉積環(huán)境主要為淺海陸棚、潟湖、潮坪，沉積了一套由鐵鋁巖層、泥巖、砂巖、石灰?guī)r和煤層構(gòu)成的地層，其中潟湖相發(fā)育灰黑色鐵鋁質(zhì)泥巖、鋁土巖、凝灰質(zhì)砂泥巖等含鋁巖系，主要分布在盆地東北部。此時寧古3井所在的盆地西南部地區(qū)尚未接受沉積。下二疊統(tǒng)太原組沉積期，海侵進一步加強，中央古隆起逐步向南退縮，并沉沒于水下，開始接受沉積。盆地中東部主要為淺海陸棚和濱岸環(huán)境的石灰?guī)r、生物灰?guī)r和煤層沉積；中北部主要發(fā)育沖積平原和潮坪相的煤系沉積；西南部主要發(fā)育潮坪和潟湖沉積，在潟湖環(huán)境中沉積一套含鋁巖系（圖2）。下二疊統(tǒng)山西組沉積期，受南北兩側(cè)大洋相向俯沖影響，華北地臺抬升，海水退出，盆地演變?yōu)閮?nèi)陸湖盆，以河流—三角洲—湖泊沉積為主，沉積格局呈現(xiàn)南北分異[14，17-20]。

圖2 鄂爾多斯盆地西南部太原組沉積時期古地貌圖Fig.2 Paleogeomorphic map during the deposition period of Taiyuan Formation in the southwestern Ordos Basin

2 太原組含鋁巖系氣藏地質(zhì)特征

2.1 巖性特征

寧古3井揭示古生界地層608.0m（未穿），自下而上為寒武系崮山組—長山組—鳳山組、奧陶系馬家溝組、二疊系太原組、山西組、石盒子組、石千峰組。其中二疊系太原組（3598.0～3633.0m）厚度為35.0m，與上覆山西組整合接觸，與下伏奧陶系馬家溝組呈角度不整合接觸。通過巖石薄片、鑄體薄片、X-衍射全巖、掃描電鏡分析，太原組巖性主要為灰色鋁土質(zhì)泥巖、灰色鋁土巖、淺灰色砂巖（含凝灰質(zhì)、鋁土質(zhì)）、灰色凝灰?guī)r、灰黑色泥巖及煤層。

從測井曲線分析，太原組鋁土巖層的自然伽馬異常高，一般在450API左右，局部超過600API。從自然伽馬能譜測井測量的地層鈾、釷、鉀含量可以看出，在鋁土巖層中鈾、釷含量比圍巖明顯升高、鉀含量變化不大，分析認為鈾和釷含量升高是產(chǎn)生高自然伽馬的主要原因。鋁土巖的主要化學成分Al2O3具有吸附作用，容易吸附母巖風化的產(chǎn)物釷和可溶于水的六價鈾。而放射性元素鉀則主要存在于長石、云母中，所以整體變化不大。因此，鋁土質(zhì)含量越多，自然伽馬越高[6]。鋁土巖、鋁土質(zhì)泥巖電阻率高于泥巖，一般為35Ω·m左右，最大值為58Ω·m，在鋁土質(zhì)泥巖下部電阻率降低；補償中子孔隙度呈高值，一般在60%左右，最高值為68%；密度為高值，普遍在2.74g/cm3左右；聲波時差為低值，普遍在63μs/ft左右（圖3）。

圖3 寧古3井二疊系太原組綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive stratigraphic column of Permian Taiyuan Formation of Well Ninggu 3

2.2 儲層特征

根據(jù)寧古3井太原組鑄體薄片、掃描電鏡、氮氣吸附法孔隙結(jié)構(gòu)分析等測試數(shù)據(jù)分析，太原組含鋁巖系屬于孔隙—裂縫復合型儲層，儲集空間類型多樣，儲層物性較好。

太原組含鋁巖系巖性復雜，其中可形成有效儲集空間的巖性主要為砂巖及脆性較大的鋁土巖、鋁土質(zhì)泥巖等，儲集空間類型存在差異。砂巖儲集空間類型包括殘余粒間孔、粒間溶孔、長石蝕變產(chǎn)生的晶間孔等；鋁土巖、鋁土質(zhì)泥巖儲集空間類型包括一水硬鋁石的晶間孔（孔徑最大可達938.0nm）、層間微裂縫、收縮微裂縫、構(gòu)造微裂縫等（圖4）。多種巖性頻繁互層使含鋁巖系在成巖過程中極易形成層間裂縫，并在后期構(gòu)造作用改造下，形成立體網(wǎng)絡式溝通的孔隙—裂縫復合型儲層。

圖4 寧古3井太原組含鋁巖系儲集空間類型顯微照片F(xiàn)ig.4 Photomicrograph of reservoir space of aluminiferous rock series of Taiyuan Formation in Well Ninggu 3

氮氣吸附法孔隙結(jié)構(gòu)分析表明，太原組含鋁巖系孔隙以介孔（孔徑為2～50nm）、大孔（孔徑大于50nm）為主，分別占總孔隙的59.1%和34.5%，微孔（孔徑小于2nm）僅占總孔隙的6.4%，孔隙結(jié)構(gòu)較好，可形成有效儲層。從測井曲線分析，含鋁巖系核磁共振長等待時間T2譜明顯滯后，主峰主要在100ms左右，說明該段存在大孔。電成像動態(tài)圖像顯示，含鋁巖系中存在粒間孔、溶蝕孔、裂縫等，測井解釋孔隙度平均為9.5%（圖5）。

圖5 寧古3井太原組含鋁巖系核磁共振與電成像測井解釋成果圖Fig.5 NMR and electrical imaging logging interpretation result of aluminiferous rock series of Taiyuan Formation in Well Ninggu 3

2.3 錄井、測井顯示

寧古3井在鉆進過程中太原組含鋁巖系見良好油氣顯示，從3597.68m開始氣測數(shù)據(jù)發(fā)生變化，鉆進至3622.13m時發(fā)生氣侵，全烴含量由18.75%上升至75.56%，C1含量由17.31%上升至73.87%，C2含量由0.40%上升至1.94%，C3含量由0.02%上升至0.22%，且上升迅速，出口鉆井液密度由1.18g/cm3下降到1.12g/cm3。結(jié)合核磁共振測井數(shù)據(jù)對長等待時間T2譜和短等待時間T2譜進行差譜，由差譜圖可以看出，烴類信號顯示明顯，綜合解釋氣層23.9m/1層。

2.4 測試情況

對寧古3井太原組3617.0～3627.0m井段、9.8m/2層測試求產(chǎn)，射后點火可燃，最大火焰高度為17.0～18.0m。8mm油嘴自噴求產(chǎn)，油壓由15.0MPa下降至13.0MPa，套壓由17.0MPa下降至15.0MPa，測得日產(chǎn)氣13.44×104m3。

3 成藏控制因素

3.1 二疊系煤系烴源巖廣覆式生烴，為源內(nèi)成藏提供了豐厚的物質(zhì)基礎(chǔ)

研究區(qū)二疊系太原組和山西組廣泛發(fā)育濱岸沼澤相煤系烴源巖，具有廣覆式生烴特征。據(jù)鉆井揭示，二疊系煤層厚度為0～12.1m，平均厚度為4.35m，TOC含量為40.14%～91.32%，平均為60.35%，Ro為2.38%～2.66%，平均為2.53%；暗色泥巖厚度為0～94.7m，平均厚度為55.5m，TOC含量為0.14%～8.93%，平均為3.14%，Ro為2.07%～2.64%，平均為2.53%，有機質(zhì)類型以Ⅲ型為主。與盆地主體相比，煤系烴源巖的有機質(zhì)豐度相當、有機質(zhì)類型相同，但厚度變?。ㄅ璧刂黧w煤層厚度為6～20m，暗色泥巖厚度為40～120m），熱演化程度增高（盆地主體Ro為1.3%～2.0%）。據(jù)長慶油田對含煤地層低成熟烴源巖樣品熱模擬實驗，二疊系煤系烴源巖以生成氣態(tài)烴為主，Ro為2.0%時的氣態(tài)烴產(chǎn)率為75m3/t，Ro為2.5%時的氣態(tài)烴產(chǎn)率為110m3/t。隨著演化程度增高，氣態(tài)烴產(chǎn)率明顯提高[13，21-23]。研究區(qū)煤系烴源巖熱演化程度高，彌補了厚度減薄的劣勢，能夠為太原組含鋁巖系天然氣成藏提供充足氣源[24]。

3.2 沉積作用和構(gòu)造作用的疊加，為孔隙—裂縫型儲層發(fā)育創(chuàng)造了條件

加里東運動之后，受中央古隆起控制，鄂爾多斯盆地巖溶古地貌自西南向東北依次為巖溶高地、巖溶斜坡和巖溶洼地[13]。晚石炭世開始，伴隨海水自東南向西北侵入，本溪組在盆地主體形成東厚西薄的楔狀體，寧古3井所在的寧縣—正寧地區(qū)處于巖溶高地剝蝕區(qū)，未接受本溪組沉積。下二疊統(tǒng)太原組沉積期，海侵進一步加強，研究區(qū)演變?yōu)闈暫h(huán)境，巖溶高地風化形成的含鋁物質(zhì)近距離搬運或原地沉積，在頻繁振蕩的海侵—海退旋回中，沉積了一套由鋁土礦、鋁土質(zhì)泥巖、砂巖、凝灰?guī)r、碳質(zhì)泥頁巖、煤層構(gòu)成的含鋁巖系，厚度約為25～40m（圖2、圖6）。從盆地中東部鉆井和野外剖面太原組巖性、巖相分析來看，普遍發(fā)育4層穩(wěn)定的海相石灰?guī)r[19]，表明太原組至少經(jīng)歷了4期海侵、海退過程，這種振蕩性的海侵、海退對盆地西南部沉積環(huán)境控制明顯，形成了太原組多種巖性互層疊置的特點。多種巖性（脆性、強度不同）薄互層組合易于產(chǎn)生層間縫和節(jié)理縫，在野外剖面和巖石薄片中均可見到。

圖6 鄂爾多斯盆地西南部太原組厚度圖Fig.6 Isopach map of Taiyuan Formation in the southwestern Ordos Basin

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南緣，古生代時期，該區(qū)處于華北地臺和秦嶺海槽兩個大地構(gòu)造單元的結(jié)合部位，現(xiàn)今位于渭北隆起和伊陜斜坡的過渡區(qū)，在加里東期、印支期和燕山期都是應力釋放區(qū)，構(gòu)造活動活躍[13]。研究區(qū)西側(cè)的龍門巖體從元古宙—中生代長期活動，位于龍門巖體的香1井薊縣系—延長組鉆遇41層599.8m侵入巖體，推測海西期火山活動是太原組凝灰?guī)r的主要來源。研究區(qū)是中元古代晉陜裂陷槽發(fā)育部位，北東向基底斷裂繼承性活動。燕山期自南向北的逆沖推覆作用，在渭北隆起形成了一系列近東西向延展的南掉北沖逆斷層。多期構(gòu)造活動對研究區(qū)有明顯影響，在地震剖面上顯示斷裂發(fā)育（圖7），巖心和成像測井顯示高角度裂縫發(fā)育。沉積作用和構(gòu)造作用疊加形成的層間縫、節(jié)理縫和構(gòu)造縫與鋁土巖、鋁土質(zhì)泥巖、砂巖中的孔隙共同組成了孔隙—裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)[25]，使太原組含鋁巖系形成有效儲集空間，具有良好儲集性能。

圖7 過寧古3井地震剖面圖Fig.7 Seismic profile cross Well Ninggu 3

3.3 與煤系烴源巖互層共生或直接接觸，源儲配置有利，“源、儲、縫”耦合關(guān)系是成藏的關(guān)鍵

寧古3井太原組厚度為35m，是研究區(qū)沉積中心，向東、西兩側(cè)厚度變薄，巖性發(fā)生變化，易形成地層—巖性圈閉。太原組上部揭示煤層厚度為4.3m，與下伏含鋁巖系互層共生或直接接觸，山西組煤層及太原組內(nèi)部暗色泥巖厚度達49.9m，也可以供烴，源儲配置十分有利。據(jù)研究區(qū)8口探井太原組含鋁巖系的氣測顯示分析，氣測值與上覆煤系厚度具有明顯正相關(guān)性。寧古3井位于斷層—裂縫發(fā)育帶上，斷層—裂縫相對發(fā)育，能有效改善儲層、輸導油氣，“源、儲、縫”耦合關(guān)系是太原組含鋁巖系天然氣富集成藏的關(guān)鍵（圖8）。

圖8 太原組含鋁巖系天然氣成藏模式圖Fig.8 Gas accumulation pattern of aluminiferous rock series of Taiyuan Formation

4 勘探前景

鄂爾多斯盆地本溪組和太原組含鋁巖系普遍發(fā)育，作為一種新類型的儲集體，具有較廣闊的勘探前景。由于含鋁巖系發(fā)育程度主要受古地貌和沉積相帶控制，其厚度橫向變化較大[3]。結(jié)合石炭系—二疊系煤系烴源巖分布及源儲配置條件，綜合評價認為，本溪組含鋁巖系勘探有利區(qū)主要分布在盆地東北部伊金霍洛旗—神木一帶，以大牛地氣田及周緣最為有利，面積約為2000km2（圖1）。大牛地氣田本溪組鋁土質(zhì)泥巖厚度為2.0～21.6m，自西北向東南變厚。測井資料解釋微裂縫、溶孔、粒間孔較發(fā)育，電成像圖像顯示微裂縫主要為高導縫，有利于輸導油氣[6]。該區(qū)本溪組煤層不發(fā)育，但上覆太原組發(fā)育厚層層狀煤層，厚度為10m左右，最厚可達17m[19]，源儲配置好，成藏條件有利。太原組含鋁巖系勘探有利區(qū)主要分布在盆地西南部寧縣—正寧、慶陽—合水一帶，以寧縣—正寧地區(qū)最為有利，面積約為1800km2。據(jù)區(qū)內(nèi)9口鉆井揭示，太原組含鋁巖系厚度為2.3～23.9m，煤層厚度為0.9～7.5m，二者呈互層狀或直接接觸，源儲配置十分有利。含鋁巖系氣測全烴含量為6.742%～82.264%，基質(zhì)含量為0.207%～4.849%，具有氣測峰值高、峰基比高的特征，其中隴45井氣測峰值達82.264%，高于獲得高產(chǎn)氣流的寧古3井。通過對該區(qū)內(nèi)9口鉆井進行測井解釋，其中6口井具有良好的含氣性，表明太原組含鋁巖系具有普遍含氣、局部富集高產(chǎn)的特點，展示了該區(qū)太原組含鋁巖系具有天然氣規(guī)模成藏的條件和較大勘探潛力，再一次詮釋了“勘探無禁區(qū)”的“找油哲學”[26-27]。

5 結(jié)論

（1）寧古3井太原組含鋁巖系天然氣勘探的突破，改變了含鋁巖系不能形成有效儲層的傳統(tǒng)地質(zhì)認識，發(fā)現(xiàn)了新的天然氣藏類型，拓展了油氣勘探領(lǐng)域。

（2）含鋁巖系天然氣藏的形成受多因素控制，與含鋁巖系互層共生或直接接觸的煤系烴源巖發(fā)育程度是成藏的基礎(chǔ)；沉積作用和構(gòu)造作用的疊加是形成孔隙—裂縫型有效儲層的保障；“源、儲、縫”耦合關(guān)系是成藏的關(guān)鍵。

（3）鄂爾多斯盆地本溪組和太原組含鋁巖系廣泛發(fā)育，具有普遍含氣、局部富集高產(chǎn)的特征。展示了含鋁巖系這一新領(lǐng)域具備規(guī)模儲量發(fā)現(xiàn)的潛力，具有廣闊的勘探前景，對發(fā)育含鋁巖系的其他含油氣盆地的勘探具有指導意義。