鄂爾多斯盆地宜川-黃龍地區(qū)上古生界儲層特征及其對天然氣成藏的影響

單俊峰，吳炳偉，金 科，董德勝，劉媛媛，崔曉磊，遲潤龍，聶文彬

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

鄂爾多斯盆地富含油氣及煤炭資源，其中，天然氣資源量約為15.16×1012m3，主要分布在盆地中北部地區(qū)[1-2]。宜川-黃龍地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部，構造上橫跨伊陜斜坡和渭北隆起兩大構造單元，東接晉西撓褶帶(圖1)，主要發(fā)育古生界含氣系統(tǒng)，上古生界本溪組、山西組和石盒子組為主要勘探開發(fā)層系，目前已探明天然氣地質儲量為397×108m3，探明率為12%，勘探程度較低。宜川-黃龍地區(qū)的勘探始于20世紀90年代初，1994年完鉆的宜探1井在盒8段和馬五1段見含氣顯示，此后十余年間勘探始終未能取得實質性突破。2012年，在宜川地區(qū)實施4口井的風險井組(吉探井組)，在上古生界均獲得工業(yè)氣流，試氣日產(chǎn)達0.588 3×104～2.695 8×104m3/d，鄂爾多斯盆地東南部天然氣勘探取得突破，發(fā)現(xiàn)了宜川氣田。2018年，天然氣生產(chǎn)能力達5.86×108m3/a?？碧綄嵺`表明，宜川地區(qū)上古生界氣藏為致密砂巖巖性氣藏，具有埋藏淺、地層壓力低、儲量豐度低、含氣面積大、多層復合含氣等特征，天然氣富集成藏主要受沉積相帶和儲層物性控制[3]。但由于研究區(qū)在晚古生代時期位于盆地東南緣，沉積體系演化更替快，沉積相類型不同，儲層特征存在差異。雖然前人對鄂爾多斯盆地東南部上古生界沉積儲層特征做過研究，但多以區(qū)域性或單一層系研究為主[4-10]，對研究區(qū)上古生界優(yōu)質儲層發(fā)育規(guī)律缺少系統(tǒng)認識，制約了天然氣效益勘探和規(guī)模建產(chǎn)。

圖1 鄂爾多斯盆地構造區(qū)劃及研究區(qū)位置Fig.1 The tectonic division of Ordos Basin and location of study area

在前人研究成果基礎上，通過晚古生代沉積演化史分析，利用韓城和河津2條野外露頭剖面、30口鉆井巖心描述、141口井測井曲線、49口井分析測試等資料，對上古生界沉積儲層特征進行綜合研究，重新認識宜川-黃龍地區(qū)上古生界沉積相類型及展布特征，明確有利儲集相帶，探討儲層發(fā)育規(guī)律及天然氣成藏控制因素，為勘探開發(fā)部署提供依據(jù)，支撐宜川-黃龍地區(qū)快速增儲建產(chǎn)。

1 區(qū)域地質特征

鄂爾多斯盆地是在太古宇—古元古界結晶基底之上發(fā)育的多旋回疊合盆地，其構造演化主要經(jīng)歷了裂陷盆地、華北克拉通盆地、華北克拉通內坳陷盆地、鄂爾多斯內陸坳陷盆地和鄂爾多斯周緣斷陷盆地5個階段，形成了早古生代陸表海碳酸鹽巖建造、晚古生代海陸過渡相煤系地層及中新生界內陸湖盆碎屑巖沉積的3層結構[11-14]。鄂爾多斯盆地宜川-黃龍地區(qū)自下而上發(fā)育中元古界—三疊系，缺失中上奧陶統(tǒng)—下石炭統(tǒng)、侏羅系—新近系，延長組與第四系直接接觸，沉積地層厚度約為5 000 m(圖2)。

圖2 宜川-黃龍地區(qū)地層綜合柱狀圖Fig.2 The comprehensive stratigraphic histogram of Yichuan-Huanglong Area

宜川-黃龍地區(qū)位于伊陜斜坡和渭北隆起的交匯部位，南以韓城-彬縣斷裂與渭河盆地分界，向西北過渡到盆地主體。南部的渭北隆起燕山期發(fā)育沖斷構造，北部的伊陜斜坡則以平緩的西傾單斜為主，構造活動較弱。研究區(qū)在晚元古代及寒武紀早期未接受沉積，在中晚寒武世—早奧陶世，自南向北沉積了厚度約為800 m左右的海相地層[4，11-14]。加里東運動使華北地臺整體抬升，遭受風化剝蝕，形成了奧陶系廣泛發(fā)育的碳酸鹽巖巖溶地貌和縫洞型儲層。晚石炭世—二疊紀，華北地臺整體下沉，伴隨海侵—海退多個旋回，形成海陸過渡相及陸相含煤碎屑巖建造[4，11-14]。石炭系—二疊系本溪組、太原組、山西組煤系為優(yōu)質烴源巖，煤巖總厚度為4～20 m，暗色泥巖厚度為30～60 m。煤巖層數(shù)多，主力煤層(5、8號)厚度為2～10 m，分布穩(wěn)定，連續(xù)性較好。鏡質體反射率值為1.45%～2.70%，已達高—過成熟演化階段，具有廣覆式生烴特征。石千峰組和石盒子組上段是一套以河湖相為主的砂泥巖沉積，其中，石盒子組上部泥質巖厚度為80～120 m，最大單層厚度為34 m，石千峰組泥質巖厚度為120～200 m，最大單層厚度為50 m，封蓋能力強，為上古生界天然氣藏的區(qū)域性蓋層。研究區(qū)發(fā)育3種類型生儲蓋組合：①下生上儲型。烴源巖為石炭系—二疊系煤系烴源巖，儲層為石盒子組下部砂巖，蓋層為石盒子組內部廣泛分布的泥巖。②自生自儲型。烴源巖為石炭系—二疊系煤系烴源巖，儲層為本溪組、山西組砂巖，蓋層為本溪組、山西組內部廣泛分布的泥巖。③上生下儲型。烴源巖為石炭系—二疊系煤系烴源巖，儲層為馬家溝組碳酸鹽巖風化殼，蓋層為本溪組廣泛分布的泥巖。圍繞石炭系—二疊系煤系烴源巖，宜川-黃龍地區(qū)古生界具備多層系復合含氣、大規(guī)模聚集成藏的有利條件[15-17]。

2 沉積特征

在區(qū)域沉積演化史分析基礎上，根據(jù)巖心觀察描述、沉積構造、巖石成分，結合野外露頭、測井響應特征、錄井信息等，將鄂爾多斯盆地宜川-黃龍地區(qū)上古生界本溪組—太原組劃分為潮坪—淺海陸棚沉積體系，山西組劃分為曲流河三角洲沉積體系，石盒子組盒8段劃分為辮狀河三角洲沉積體系(圖3)。

圖3 宜川-黃龍地區(qū)上古生界沉積演化史剖面Fig.3 The evolution profile of Upper Paleozoic sediment in Yichuan-Huanglong Area

2.1 沉積演化史

自加里東運動抬升為陸并遭受長期風化剝蝕后，晚古生代石炭紀、二疊紀鄂爾多斯盆地整體下沉接受沉積，盆地古地理環(huán)境由海相漸變?yōu)殛懴?，古氣候由潮濕轉變?yōu)楦珊?，地殼處于小幅振蕩階段，形成海陸過渡相和陸相含煤的碎屑巖建造。本溪期—太原期，盆地北部伊盟隆起為主要物源區(qū)，南部北秦嶺褶皺帶為次要物源區(qū)，自北向南形成沖積扇—三角洲—淺海陸棚—潮坪沉積體系。本溪期，研究區(qū)在加里東期巖溶地貌背景下，受相對海平面周期性變化的影響，發(fā)育潮坪—淺海陸棚沉積體系。本溪末期，發(fā)生大范圍海退，以泥坪沼澤沉積為主，發(fā)育區(qū)域上廣泛分布的8號煤層。太原期，盆地海侵范圍擴大，總體為淺?！逼撼练e環(huán)境，經(jīng)歷多期海進—海退旋回變化，海進期發(fā)育潮下帶泥晶灰?guī)r、生物灰?guī)r沉積，海退期則發(fā)育潮間—潮上帶混合坪和泥坪沉積。太原末期，發(fā)生區(qū)域性海退，為山西期三角洲沉積體系發(fā)育奠定了古地理背景。

山西期，華北地塊再次抬升，海水向東西兩側逐漸退出，伴隨著溫暖潮濕的氣候條件，沉積環(huán)境由陸表海演變?yōu)楹矗乇頊势皆h(huán)境特征明顯。盆地主要發(fā)育濱淺湖—曲流河三角洲沉積體系，由于南北物源區(qū)供源能力的差異，研究區(qū)受東南物源控制，曲流河三角洲沉積體系發(fā)育規(guī)模較小，砂巖粒度變細，砂體變薄。隨著盆地逐漸抬升，砂體逐步向湖盆進積，湖盆范圍縮小，形成一套陸源碎屑含煤沉積建造，煤層及炭質泥巖發(fā)育。

石盒子早期，受興蒙海槽逐漸關閉的影響，盆地差異沉降幅度增大，隨著氣候逐漸炎熱干燥，植被大量減少，出現(xiàn)洪水的頻率加大，坡面水流的侵蝕作用加強，盆地南北物源區(qū)物源供給充足，帶來大量粗粒物質充填河床，主要發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系。石盒子晚期，受河流夷平作用的影響，陸源碎屑物質減少，辮狀河三角洲沉積逐漸萎縮，濱淺湖沉積發(fā)育。

石千峰期，華北地塊整體抬升，研究區(qū)已演變?yōu)閮汝懞?，發(fā)育湖泊—三角洲—河流沉積體系，特別是早期北部物源區(qū)的抬升，提供豐富的陸源碎屑，導致了湖平面迅速下降，三角洲快速向湖中推進[18-19]，濱淺湖沉積僅局限于盆地中部，其他廣大地區(qū)被三角洲平原所占據(jù)。由于氣候干旱炎熱，形成了一套紫紅色砂泥巖沉積。

2.2 沉積體系類型及特征

2.2.1 潮坪沉積體系

潮坪沉積體系發(fā)育于本溪組和太原組，主要發(fā)育潮坪和潮汐水道亞相，按潮汐水動力條件和沉積物粒度，潮坪可劃分為砂坪(潮下帶)、混合坪(潮間帶)和泥坪—沼澤(潮上帶)。

潮汐水道主要發(fā)育在潮下帶的高能環(huán)境中，其沉積物主要為各種粒級的礫巖、含礫粗砂巖、粗砂巖等，水道底部具有沖刷面，并伴有滯留沉積，可見泥礫；主要沉積構造以大型槽狀交錯層理、羽狀交錯層理為標志。砂坪巖性主要為中、粗粒石英砂巖，具有正旋回特征；常見槽狀交錯層理、板狀交錯層理和沙紋層理等。混合坪巖性通常為粉細砂巖、粉砂巖和泥巖薄互層，自下而上泥質含量逐漸增多，沉積構造以波狀復合層理、脈狀層理和透鏡狀層理為主要標志。泥坪—沼澤巖性主要為夾薄層粉砂巖的灰黑色厚層泥巖，可見水平紋層，并常發(fā)育煤層[2]。研究區(qū)本溪組以潮坪沉積為主，宜川地區(qū)潮汐作用強烈，發(fā)育北西向延展的潮汐水道，潮汐水道形態(tài)呈條帶狀近垂直于古海岸線分布；黃龍地區(qū)潮汐水道不甚發(fā)育，以混合坪和泥坪沉積為主。潮汐水道砂體受古地貌控制明顯，經(jīng)受潮汐和波浪作用的改造，易破碎和溶解的巖屑組分被帶走，石英顆粒含量增高，形成較純凈的石英砂巖儲層(圖4)。

圖4 宜川-黃龍地區(qū)本溪組沉積相Fig.4 The sedimentary facies of Benxi Formation in Yichuan-Huanglong Area

2.2.2 曲流河三角洲沉積體系

曲流河三角洲沉積體系主要分布在山西組，以三角洲前緣亞相和三角洲平原亞相為主[5]。

三角洲前緣亞相主要發(fā)育水下分流河道，河道底部常有沖刷面，向上含有泥礫，其沉積物主要為中、細砂巖，粒度總體向上變細。主要發(fā)育槽狀交錯層理、波狀層理和平行層理。其次為水下分流間灣沉積，其主要巖性為泥巖和粉砂質泥巖，常見水平層理和透鏡狀層理。三角洲平原亞相主要發(fā)育分流河道和泛濫平原，分流河道巖性比水下分流河道粒度粗，底部砂巖常含泥礫，向上變?yōu)橹小⒓毶皫r，發(fā)育大型槽狀和板狀交錯層理。泛濫平原主要由泥巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖與煤層組成，富含植物化石。

研究區(qū)山西組處于三角洲平原和三角洲前緣的過渡部位，北部宜川地區(qū)為三角洲前緣沉積。由于距物源區(qū)較近，河流的下切作用明顯，攜帶物質充分，(水下)分流河道沉積最為典型，構成曲流河三角洲沉積體系的骨架砂體。受古地貌和東南物源控制，河道呈北西—南東向帶狀展布。三角洲前緣水下分流河道砂體儲集性較好，是山西組主要儲層(圖5)。

圖5 宜川-黃龍地區(qū)山西組沉積相Fig.5 The sedimentary facies of Shanxi Formation in Yichuan-Huanglong Area

2.2.3 辮狀河三角洲沉積體系

辮狀河三角洲沉積體系主要分布于石盒子組盒8段，發(fā)育辮狀河三角洲前緣和辮狀河三角洲平原沉積[3]。

辮狀河三角洲前緣亞相主要發(fā)育水下分流河道，其沉積物主要為含礫不等粒砂巖、粗砂巖，具有向上變細的正旋回特征。河道底部具有沖刷面，河道砂巖中發(fā)育大型槽狀、板狀交錯層理及平行層理。其次為水下分流間灣，其巖性以泥質粉砂巖、粉砂質泥巖為主，發(fā)育小型交錯層理和波狀層理。辮狀河三角洲平原亞相主要發(fā)育分流河道和泛濫平原，分流河道沉積物由顆粒支撐的砂、礫巖組成，底部見沖刷面，具有槽狀和板狀交錯層理。泛濫平原巖性主要為泥巖夾粉、細砂巖，發(fā)育水平層理和波狀層理，植物化石豐富[5]。

研究區(qū)盒8段處于辮狀河三角洲前緣和辮狀河三角洲平原的過渡部位，北部宜川地區(qū)為辮狀河三角洲前緣沉積。盒8段繼承了山西組的古地貌背景和物源體系，由于盆地差異沉降幅度增大，河流以垂直下切侵蝕作用為主，發(fā)育一系列北西—南東延展的分流河道，縱向上多期疊置、橫向上復合連片，河道砂體大面積呈“毯式”分布，是盒8段的主要儲層(圖6)。

圖6 宜川-黃龍地區(qū)石盒子組盒8段沉積相Fig.6 The sedimentary facies of He8 Member of Shihezi Formation in Yichuan-Huanglong Area

3 儲層特征

3.1 巖石學特征

研究區(qū)上古生界主要有石英砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑砂巖3種類型砂巖。其中，本溪組以石英砂巖為主；山西組和盒8段以巖屑石英砂巖為主，巖屑砂巖和石英砂巖較少[7-9](圖7)。

圖7 宜川-黃龍地區(qū)上古生界砂巖碎屑組分三角圖Fig.7 The triangular plot of detrital composition of Upper Paleozoic sandstone in Yichuan-Huanglong Area

3.1.1 碎屑組分特征

鄂爾多斯盆地宜川-黃龍地區(qū)上古生界砂巖儲層的碎屑組分主要為石英類，巖屑組分次之，長石顆粒局部少見，平均含量小于1.00%。其中，本溪組石英類含量最高，平均為98.12%，山2段平均為87.68%，山1段平均為79.29%，盒8段平均為77.72%，自下而上呈遞減趨勢。巖屑組分主要為火成巖、千枚巖和板巖巖屑，其中，巖屑含量本溪組最低，平均為1.88%，山2段平均為10.26%，山1段平均為19.83%，盒8段平均為18.72%，自下而上有增高趨勢。

3.1.2 填隙物組分特征

上古生界砂巖儲層的填隙物以黏土礦物、硅質和碳酸鹽膠結物為主。黏土礦物主要為高嶺石、水云母和綠泥石，其中，本溪組平均為9.32%，山2段平均為8.13%，山1段平均為8.62%，盒8段平均為9.91%。碳酸鹽類膠結物主要為鐵白云石、鐵方解石和菱鐵礦，零星見白云石。硅質膠結在研究區(qū)上古生界砂巖儲層中普遍存在，本溪組平均含量為1.58%，山2段平均含量為3.45%，山1段平均含量為3.97%，盒8段平均為2.81%。具有孔隙式充填、環(huán)邊加大等不同形態(tài)和產(chǎn)狀。硅質膠結物難以溶解產(chǎn)生次生孔隙，使儲層的物性變差。總體上，本溪組填隙物含量最低，平均為17.30%，山2段平均為17.32%，山1段平均為17.58%，盒8段平均為19.78%，自下而上有增高趨勢。

3.2 巖石結構

上古生界砂巖儲層粒度以中-粗粒結構為主，粒徑主要為0.3～1.0 mm。其中，本溪組石英砂巖顆粒分選中等—好，磨圓呈次棱角—次圓、次圓狀，碎屑主要為顆粒支撐，顆粒間主要為線接觸和凹凸接觸，膠結類型主要為孔隙式膠結。山2段、山1段和盒8段巖屑石英砂巖顆粒分選中等—好，磨圓主要為次棱角狀，其次為次棱—次圓及棱角狀，碎屑主要為顆粒支撐，顆粒間主要為線接觸或凹凸狀接觸，膠結類型主要為孔隙式膠結。表明研究區(qū)在晚古生代有一個相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境，沉積物呈現(xiàn)較高成熟度的分布特征。

3.3 孔隙特征

上古生界砂巖儲層主要發(fā)育溶孔、粒間孔、晶間孔和微裂隙4類孔隙[7-9]。其中，本溪組以次生溶孔和晶間孔為主，原生粒間孔次之，含少量微裂隙，儲層總面孔率為1.60%。山2段以溶孔為主，其次為粒間孔、晶間孔，儲層總面孔率為1.97%。山1段以巖屑溶孔、晶間孔為主，儲層總面孔率為1.88%。盒8段以溶孔為主，其次為粒間孔、晶間孔，儲層總面孔率為1.56%(表1)。

表1 宜川-黃龍地區(qū)上古生界孔隙類型統(tǒng)計Table 1 The statistics of pore types of Upper Paleozoic in Yichuan-Huanglong Area

3.4 物性特征

上古生界砂巖儲層具有特低孔、超低滲的特征，其中，本溪組孔隙度為3.5%～9.0%，平均為6.7%；滲透率為0.070～3.000 mD，平均為0.972 mD。山2段孔隙度為5.0%～9.0%，平均為7.0%；滲透率為0.070～0.400 mD，平均為0.381 mD。山1段孔隙度為5.0%～9.0%，平均為7.1%；滲透率為0.070～0.400 mD，平均為0.242 mD。盒8段孔隙度為5.0%～11.0%，平均為8.4%；滲透率為0.070～0.400 mD，平均為0.224 mD。上古生界砂巖儲層孔隙度自下而上變小，而滲透率則呈增高趨勢(表2)。

表2 宜川-黃龍地區(qū)上古生界儲層物性統(tǒng)計Table 2 The statistics of physical properties of Upper Paleozoic reservoirs in Yichuan-Huanglong Area

4 沉積儲層對天然氣成藏的控制作用

地質、測井、測試和化驗資料分析表明，研究區(qū)上古生界砂巖儲層的巖性和孔隙結構是影響含氣性的主要因素。儲層物性與巖性密切相關，一般石英含量越高，巖性越純，物性越好。不同類型的膠結物對儲層物性的影響也不同：硅質膠結物能降低儲層孔隙度，但對滲透率的影響不大；鈣質膠結物主要為鐵方解石，充填粒間孔和溶蝕孔，使儲層的孔隙度、滲透率明顯減小；泥質碎屑類膠結物(包括噴出巖、千枚巖、泥板巖和變質砂巖)會隨著地層上覆壓力的增加，被擠壓變形呈假雜基狀態(tài)充填在孔隙中，使儲層的物性變差。粒度對儲層物性的影響也較明顯，有效儲層主要為中粗粒以上砂巖，細粒、粉細粒砂巖物性差。含氣性受孔隙結構的影響比較大，上古生界砂巖儲層的儲集性和含氣性分析結果表明，孔隙類型為殘余粒間孔、粒間溶孔的儲層最優(yōu)，其次為高嶺石晶間孔、各類微溶孔及泥質微孔等。因此，受巖性和孔隙結構控制，石英砂巖比巖屑石英砂巖和巖屑砂巖的含氣性明顯增高。

綜上所述，宜川-黃龍地區(qū)晚古生代受海相—海陸過渡相—陸相沉積環(huán)境更替的影響，沉積相帶和碎屑巖巖石組分在縱向上發(fā)生變化，控制了儲層物性的發(fā)育程度。本溪組潮汐水道為有利儲集相帶，受古地貌控制，潮汐水道砂體平面上呈孤立的島狀分布，縱向上常呈透鏡狀，分布局限。受物源和沉積相帶控制，本溪組發(fā)育石英砂巖，巖石組分中石英含量高，填隙物含量低，孔隙連通性好。山西組曲流河三角洲分流河道為有利儲集相帶，主砂體呈條帶狀展布，多期河道遷移疊置，砂體橫向連片分布，具有一定規(guī)模。山西組發(fā)育巖屑石英砂巖，巖石組分中石英含量較高，填隙物含量較低，孔隙連通性較好。盒8段辮狀河三角洲分流河道為有利儲集相帶，受多期河道遷移、疊加，砂體縱向上疊置厚度大，平面上復合連片。盒8段發(fā)育巖屑石英砂巖，巖石組分中石英含量較低，填隙物含量較高，孔隙連通性一般。

總體而言，研究區(qū)的有利儲集相帶中，本溪組儲層物性好，含氣性好，但砂體規(guī)模較小；山西組和盒8段儲層物性稍差，但砂體規(guī)模大。本溪組厚層狀的潮汐水道和山西組、盒8段連續(xù)疊置型分流河道砂體，儲層更為發(fā)育，物性好，含氣豐度高，為優(yōu)勢儲集體。

5 結 論

(1) 宜川-黃龍地區(qū)本溪組主要發(fā)育潮坪沉積體系，山西組和盒8段主要發(fā)育曲流河—辮狀河三角洲沉積體系，本溪組潮汐水道、山西組和盒8段(水下)分流河道為最有利儲集相帶。

(2) 上古生界砂巖儲層整體具有特低孔、超低滲特征，但自下而上巖石組分中石英含量逐漸降低，巖屑和填隙物含量逐漸升高，儲層孔隙結構逐漸變差，本溪組優(yōu)質孔隙相對更發(fā)育。

(3) 上古生界砂巖儲層的巖性和孔隙結構是影響含氣性的主要因素，具有巖性控制物性，物性控制含氣性的基本特征。本溪組厚層狀的潮汐水道和山西組、盒8段連續(xù)疊置型分流河道砂體，巖性純、粒度粗、物性好、含氣豐度高，為優(yōu)勢儲集體。