鄂爾多斯盆地神府地區(qū)致密氣成藏條件及成藏規(guī)律

祝彥賀 趙志剛 張道旻 陳桂華 劉 暢 張 璐 于姍姍 馬曉強(qiáng) 李祺鑫

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

鄂爾多斯盆地致密氣資源量約14.5×1012m3，由于上古生界煤系烴源巖廣覆式生烴，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)蘇里格、大牛地、神木等千億方級(jí)致密氣田，累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量超過3.8×1012m3，顯示出盆地豐富的致密氣資源[1-4]。盆地東部晉西撓褶帶(也稱河?xùn)|煤田)煤巖大面積發(fā)育，煤級(jí)變化十分有規(guī)律[5-7]，從西到東、從南到北煤變質(zhì)程度降低，在晉西撓褶帶北段的神府地區(qū)煤層厚度大，為9.3～35.8 m，有機(jī)碳含量(TOC)達(dá)到51.6%～70.1%，但有機(jī)質(zhì)熱演化程度低，鏡質(zhì)體反射率(Ro)<1.0%，生烴能力和資源潛力不明，初期部署的5口探井雖鉆遇致密氣層，但厚度普遍較薄，單層大于5 m的僅占8%，未見商業(yè)性儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)。因此，深入分析該區(qū)致密氣成藏條件，明確天然氣富集規(guī)律，指出富集區(qū)，對(duì)于拓寬該區(qū)天然氣勘探領(lǐng)域具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于陜西省神木市和府谷縣境內(nèi)，面積約7 000 km2，構(gòu)造位置隸屬于晉西撓褶帶北段，東部被控盆斷裂離石走滑斷裂帶控制，西鄰神木氣田，南鄰臨興氣田，東靠呂梁山。區(qū)內(nèi)發(fā)育上古生界石炭系—二疊系，自下而上形成了一套海陸交互相含煤地層到陸相三角洲沉積，煤系烴源巖主要是8+9號(hào)煤和4+5號(hào)煤。依據(jù)與煤系烴源巖的距離遠(yuǎn)近可劃分為三套成藏組合[4]，由下而上分別是源內(nèi)成藏組合、近源成藏組合和遠(yuǎn)源成藏組合，共發(fā)育三套區(qū)域蓋層，分別是石盒子組的盒五段、盒一段和石千峰組的千一段—千三段(圖1)。

上古生界煤系烴源巖廣覆式生烴后，在盆地內(nèi)部生烴強(qiáng)度可以達(dá)到(16～40)×108m3/km2，在山西組和盒八段毯式砂體的時(shí)空發(fā)育匹配下形成連續(xù)-準(zhǔn)連續(xù)的致密氣藏，超千億方探明地質(zhì)儲(chǔ)量的大氣田多達(dá)5個(gè)，年產(chǎn)量超過400×108m3[3-4]。2021年，在米脂氣田的東北部發(fā)現(xiàn)千億方致密氣田——臨興氣田，其生烴強(qiáng)度達(dá)到(20～35)×108m3/km2[5]，進(jìn)一步說明了晉西撓褶帶北段巨大的致密氣資源潛力。在臨興氣田北側(cè)的神府地區(qū)，煤系烴源巖熱演化程度Ro已低于1.0%，生烴強(qiáng)度僅有(2～14)×108m3/km2(圖1)。2018年以前部署了5口探井(N-1—N-5)，累計(jì)發(fā)現(xiàn)致密氣層51.3 m，平均單井累計(jì)氣層厚度10.3 m，單氣層厚度0.3～5.6 m，大于5 m的單層氣層僅占8%，壓后的無阻流量(0.02～1.10)×104m3/d，沒有形成規(guī)模的致密氣藏發(fā)現(xiàn)。2018年底，通過成藏條件分析和成藏規(guī)律研究，以源內(nèi)成藏組合為突破口，部署探井5口，共發(fā)現(xiàn)氣層135.2 m，N-9井在本一段發(fā)現(xiàn)氣層14.2 m，壓后無阻流量達(dá)到3.3×104m3/d。之后陸續(xù)部署探井超過30口，在源內(nèi)成藏組合均發(fā)現(xiàn)氣層，大于5 m的單層氣層占比達(dá)到26%，直井壓后最高無阻流量達(dá)到5.9×104m3/d，水平井壓后最高無阻流量達(dá)到15.04×104m3/d，直接推動(dòng)了該區(qū)2021年探明了超過200×108m3的地質(zhì)儲(chǔ)量。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及地層綜合柱狀圖

2 致密氣成藏地質(zhì)條件

2.1 烴源巖條件

神府地區(qū)上古生界氣源為本溪組、太原組和山西組煤系地層，以煤型氣為主，煤層廣泛分布且單層厚度大。其中4+5號(hào)煤自南向北厚度逐漸增加，由4.8 m變化到12.3 m，8+9號(hào)煤自南向北厚度變化不大，普遍10.3～18 m，向東厚度增加到24 m。煤系地層中的烴源巖煤巖和碳質(zhì)泥巖以腐殖型干酪根為主，利用74個(gè)樣品測(cè)試結(jié)果繪制全區(qū)Ro等值線圖(圖1)，Ro自西南向東北逐漸降低，且普遍小于1.0%，處于大量生烴階段初期。基于全區(qū)211個(gè)樣品測(cè)試數(shù)據(jù)，從生烴潛力分析結(jié)果(圖2)可以看出，西南部地區(qū)煤巖S1+S2為0.7～387.9 mg/g，碳質(zhì)泥巖S1+S20.6～166.4 mg/g，Ro在0.92%～1.05%，產(chǎn)率指數(shù)(PI)大于10%的樣品占比63%。利用區(qū)內(nèi)近200口井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和錄井?dāng)?shù)據(jù)建立區(qū)域構(gòu)造格架，勾繪煤巖、碳質(zhì)泥巖和泥巖三類烴源巖的厚度分布，并開展5口典型井的單井生烴埋藏史研究，以明確區(qū)域地層的剝蝕厚度，進(jìn)而得出目的層的大地?zé)崃髦禍囟确植继卣?。由于同一類型烴源巖TOC和密度差異不大，兩者參數(shù)取定值?；谝陨戏椒ǐ@取參數(shù)，通過盆地模擬得出生烴強(qiáng)度結(jié)果，研究區(qū)西南部生烴強(qiáng)度為(9～14)×108m3/km2。到東北部地區(qū)煤巖的S1+S2迅速降低，為0.4～185.1 mg/g，碳質(zhì)泥巖為0.3～98.5 mg/g，Ro為0.78%～0.94%，PI大于10%的樣品僅占29%，生烴強(qiáng)度的模擬結(jié)果已低于8×108m3/km2，出現(xiàn)明顯的生烴能力降低(圖2)。

圖2 神府地區(qū)烴源巖特征

2.2 構(gòu)造及斷裂特征

中生代以來，鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了從大型陸內(nèi)拗陷盆地到西傾單斜坡再到整體隆升的構(gòu)造背景，周緣發(fā)育多條深大斷裂，對(duì)盆地構(gòu)造格局起決定性作用[8-10]。盆地東部次級(jí)構(gòu)造晉西撓褶帶北段被東緣NS走向的離石走滑斷裂帶西支斷裂與北部NE-SW走向的正誼關(guān)-偏關(guān)斷裂所夾持，區(qū)域應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)變，呈直角式的斷層平面組合(圖3)，地層整體向東北方向翹傾，傾角由2°迅速增高到70°左右，三疊系和二疊系的石千峰組已出露地表[11-13]。

研究區(qū)內(nèi)西南部地層平緩，地層傾角在2°～3°，無斷裂發(fā)育，僅發(fā)育少量的低幅背斜。北部受控于清水-哈鎮(zhèn)斷裂，發(fā)育NW、EW向兩組張扭斷裂，平面上為馬尾狀展布，剖面為Y字形、平行式斷層組合，平面延伸長(zhǎng)度大部分8～20 km，斷距大部分小于40 m(圖4a)；東部受控于離石走滑斷裂構(gòu)造帶西支并受呂梁隆起擠壓，發(fā)育NW向以及近NS向兩組剪切破裂，平面上為羽狀、平行式展布，平面延伸長(zhǎng)度大部分10～25 km，斷距大部分大于40 m(圖4b)。北部和東部的斷層多斷至三疊系和第三系，發(fā)育斷塊、斷鼻和掀斜等構(gòu)造樣式(圖3)。通過統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)東部和北部115條斷層的斷穿層位如圖4c所示，40%斷層斷穿三套區(qū)域蓋層(下石盒子組盒五段、上石盒子組盒一段和石千峰組千一段—千三段)，特別是東部的近NS向大型斷裂帶中80%斷層斷穿三套區(qū)域蓋層，斷距最大達(dá)到105 m。所有斷層中50%斷層斷穿盒五段區(qū)域蓋層，造成東部、北部地區(qū)成藏條件差。

圖3 神府地區(qū)構(gòu)造特征

圖4 神府地區(qū)斷裂特征

2.3 沉積演化及儲(chǔ)層特征

晚古生代，鄂爾多斯盆地東北部由陸表海向近海平原過渡，直至最終演化為陸相沉積環(huán)境[14-15]。研究區(qū)經(jīng)歷了由三角洲—障壁海岸到陸相三角洲的沉積演化過程，發(fā)育了三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道、濱淺海障壁砂壩等大面積發(fā)育的儲(chǔ)集砂體。

本溪組沉積時(shí)期，北部發(fā)育三角洲沉積，砂體規(guī)模大，在中部N-11井附近地區(qū)入海后在東西兩側(cè)發(fā)育三角洲前緣沉積，水下分流河道向西南延伸，中南部發(fā)育障壁海岸沉積，潟湖面積較大，發(fā)育小規(guī)模的砂坪。太原組沉積時(shí)期，不連續(xù)的幕式海侵造成大范圍的潮下碳酸鹽巖連片分布，并在緩慢海退過程中逐漸過渡為砂壩及海陸過渡相淺水三角洲沉積。研究區(qū)內(nèi)海退至南部N-9井附近，北部是規(guī)模更大的三角洲沉積，發(fā)育兩條水系，三角洲分流間灣中局部有沼澤沉積，形成煤層。在南部入海后的三角洲前緣水下分流河道規(guī)模變小，在西南部、東南部發(fā)育兩個(gè)規(guī)模較大的障壁砂壩。山西組沉積時(shí)期[16-17]，華北地臺(tái)北部持續(xù)抬升，海水逐漸從鄂爾多斯盆地的東西兩側(cè)退出，三角洲沉積成為主體，研究區(qū)內(nèi)以廣闊的三角洲沉積為主，發(fā)育三條水系，向南逐漸延伸。盒八段沉積時(shí)期[18]，陸源碎屑供給能力增強(qiáng)，三角洲規(guī)模比山西組更大，以毯式砂體大面積發(fā)育(圖5)，沉積了灰白-黃綠色陸源碎屑巖建造。

圖5 神府地區(qū)沉積相

砂巖物性測(cè)試數(shù)據(jù)及鏡下資料顯示，該區(qū)物性好的主要儲(chǔ)集砂體是三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道和障壁砂壩。鏡下薄片揭示這三類砂體以次生溶孔為主、殘余粒間孔為輔，孔隙度普遍大于6%，滲透率大于0.3 mD，排驅(qū)壓力多低于1.0 MPa。從滲透率的值域來看，儲(chǔ)層既包括致密儲(chǔ)層，也包括低滲—特低滲儲(chǔ)層。結(jié)合排驅(qū)壓力、進(jìn)汞飽和度、中值半徑、曲線形態(tài)等參數(shù)，將三類砂體劃分為兩類優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，分別是I類儲(chǔ)層和II類儲(chǔ)層(表1)。I類儲(chǔ)層排驅(qū)壓力低于0.5 MPa，進(jìn)汞飽和度大于70%，中值半徑大于0.2 μm，毛管壓力曲線呈陡斜下凹形態(tài)?？紫督Y(jié)構(gòu)以大孔為主，孔喉分選性好，儲(chǔ)層滲透性好，平均達(dá)到0.65 mD，為特低滲儲(chǔ)層，局部為低滲儲(chǔ)層，天然氣在儲(chǔ)層致密背景下更容易進(jìn)入低滲—特低滲儲(chǔ)層聚集成藏。全區(qū)探井統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，67%的氣層發(fā)育于I類儲(chǔ)層中，直井壓后最高無阻流量達(dá)到11.2×104m3/d。II類儲(chǔ)層排驅(qū)壓力0.5～1.0 MPa，進(jìn)汞飽和度50%～70%，中值半徑0.05～0.2 μm，毛管壓力曲線呈平緩斜線狀?？缀矸诌x性好，儲(chǔ)層滲透性較好，平均為0.36 mD，為特低滲儲(chǔ)層，局部也發(fā)育低滲儲(chǔ)層，天然氣容易進(jìn)入成藏。全區(qū)29%的氣層發(fā)育于II類儲(chǔ)層中，直井壓后最高無阻流量達(dá)到6.51×104m3/d。上述微觀數(shù)據(jù)直接顯示了以上兩類優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的甜點(diǎn)屬性。

3 致密氣成藏富集規(guī)律

3.1 氣層分布特征

研究區(qū)致密氣藏具有“先致密、后成藏”的特征[19-20]。通過強(qiáng)化儲(chǔ)層非均質(zhì)性認(rèn)識(shí)，匹配不同地區(qū)生烴強(qiáng)度，指出了自西南向東北的天然氣充注富集程度的變化。統(tǒng)計(jì)本溪組、太原組、山西組和盒八段所有鉆井的氣砂比、水砂比和含氣飽和度的變化(圖6)，可以看到，生烴強(qiáng)度大于10×108m3/km2的地區(qū)(Ⅰ區(qū))，天然氣充注能力強(qiáng)，本溪組、太原組普遍發(fā)育氣層，且氣砂比和含氣飽和度高，在山西組、盒八段氣砂比和含氣飽和度降低，水砂比有明顯增高趨勢(shì)。生烴強(qiáng)度在(5～10)×108m3/km2的地區(qū)(Ⅱ區(qū))，天然氣充注能力明顯變?nèi)?，本溪組、太原組的氣砂比、含氣飽和度降低明顯，山西組、盒八段水砂比高于55%，含氣飽和度低于30%。在最北側(cè)生烴強(qiáng)度低于5×108m3/km2的地區(qū)(Ⅲ區(qū))，基本以水層為主，水砂比普遍大于60%，但在北部斷裂帶西南側(cè)附近，地層水類型為CaCl2水型，為交替停止帶(表2)，斷層封閉性好，個(gè)別鉆井的盒八段發(fā)育差氣層，并與氣水層、水層互層，可以判斷煤系烴源巖生成的少量天然氣可以沿?cái)鄬舆\(yùn)移至盒八段，但是充注能力不足[21-23]，氣砂比為9%，僅發(fā)育差氣層、氣水層，圖7的連井剖面將神府地區(qū)致密氣藏的氣、水分布特征展示的較清晰。在研究區(qū)東部及東南部(Ⅳ區(qū))雖然生烴強(qiáng)度較高，但地層水礦化度分析表明，其水型為自由交替帶的NaHCO3、Na2SO4水型(表2)，兩條斷裂帶斷穿三疊系，且與地表水溝通，對(duì)成藏不利，起到破壞作用，水砂比多數(shù)大于70%。

表2 神府地區(qū)斷裂周邊地層水礦化度及水型

圖7 神府地區(qū)氣層連井對(duì)比圖(剖面位置見圖1)

3.2 致密氣成藏模式

基于研究區(qū)生烴強(qiáng)度南強(qiáng)北弱、構(gòu)造強(qiáng)度東強(qiáng)西弱和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的空間匹配性，研究區(qū)致密氣成藏的主控因素是生烴強(qiáng)度、斷裂規(guī)模和儲(chǔ)層品質(zhì)，三者的耦合關(guān)系決定了神府地區(qū)西南部源內(nèi)普遍成藏、中北部源內(nèi)局部成藏、東北部近源局部成藏與不成藏并存的空間差異特征(圖8)。

圖8 神府地區(qū)致密氣成藏模式圖

西南部源內(nèi)成藏模式：在全區(qū)煤巖普遍生烴的基礎(chǔ)上，西南部生烴強(qiáng)度最大，能夠在煤層上下的泥巖、砂巖中形成微裂縫，作為天然氣輸導(dǎo)的通道，在源內(nèi)成藏組合(本溪組、太原組和山西組)的優(yōu)勢(shì)微相砂體(三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道、障壁砂壩)中近距離運(yùn)移、充注并富集成藏，具有成藏規(guī)模較大、準(zhǔn)連續(xù)分布的特點(diǎn)。

中北部源內(nèi)局部成藏模式：隨著向東北方向生烴強(qiáng)度降低，天然氣生烴增壓變低，天然氣近距離向本溪組、太原組和山西組的優(yōu)勢(shì)微相砂體中充注的動(dòng)力變?nèi)酰軌蚋患刹氐囊?guī)模有限，形成源內(nèi)局部成藏模式。該類氣藏平面呈現(xiàn)非連續(xù)分布，氣層品質(zhì)差，含氣飽和度低。

東北部近源局部成藏與不成藏并存模式：該區(qū)域生烴強(qiáng)度已經(jīng)低于5×108m3/km2，僅有的8口鉆井揭示其已不發(fā)育氣層，僅為水層，靠近NW、EW向斷裂西南側(cè)的2口探井的本溪組、太原組和山西組以水層、干層和氣水層為主，僅在盒八段發(fā)育差氣層8.8 m，壓后無阻流量為(0.12～0.31)×104m3/d，日產(chǎn)水達(dá)到45～81 m3，不具備經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)條件。

因此，據(jù)以上成藏條件和成藏規(guī)律分析認(rèn)為，神府地區(qū)勘探部署思路應(yīng)從西南部向中北部逐步滾動(dòng)勘探，以源內(nèi)成藏組合為突破口，大力開展煤系地層內(nèi)儲(chǔ)層和氣層預(yù)測(cè)技術(shù)攻關(guān)，尋找規(guī)模性致密氣藏?；诖?，2019至2021年相繼開展技術(shù)攻關(guān)和鉆井實(shí)施，在研究區(qū)西南部本一段、太二段、太一段和山二段探明地質(zhì)儲(chǔ)量超過200×108m3，已建設(shè)致密氣產(chǎn)能1.3×108m3/a，極大的增強(qiáng)了該地區(qū)致密氣勘探開發(fā)的信心。

4 結(jié)論

1)神府地區(qū)煤層廣泛分布且單層厚度大，有機(jī)質(zhì)熱演化程度小于1.0%，生烴強(qiáng)度自西南向東北逐漸降低，為(2～14)×108m3/km2，天然氣近距離運(yùn)移，在源內(nèi)成藏組合的本溪組、太原組和山西組發(fā)育氣層，自下而上的氣砂比降低、含氣飽和度降低，水砂比升高。

2)源內(nèi)成藏組合主要發(fā)育三種優(yōu)勢(shì)微相砂體，分別是三角洲平原分流河道、三角洲前緣水下分流河道和障壁砂壩。發(fā)育兩類優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，其中Ⅰ類儲(chǔ)層排驅(qū)壓力低于0.5 MPa，進(jìn)汞飽和度大于70%，孔隙結(jié)構(gòu)以大孔為主，儲(chǔ)層滲透性好，全區(qū)67%的氣層發(fā)育于Ⅰ類儲(chǔ)層中；Ⅱ類儲(chǔ)層排驅(qū)壓力0.5～1.0 MPa，進(jìn)汞飽和度50%～70%，孔喉分選性好，儲(chǔ)層滲透性較好，全區(qū)29%的氣層發(fā)育于Ⅱ類儲(chǔ)層中。

3)生烴強(qiáng)度大于10×108m3/km2的地區(qū)，天然氣充注能力強(qiáng)，本溪組、太原組普遍發(fā)育氣層，在山西組、盒八段氣砂比和含氣飽和度降低，水砂比增高。生烴強(qiáng)度(5～10)×108m3/km2的地區(qū)，天然氣充注能力明顯變?nèi)?，本溪組、太原組的氣砂比、含氣飽和度降低明顯，山西組、盒八段含氣飽和度低于30%。在最北側(cè)生烴強(qiáng)度低于5×108m3/km2的地區(qū)，基本以水層為主。但在北部NW、EW斷裂帶西南側(cè)，斷層封閉性好，在盒八段局部發(fā)育差氣層，形成差氣層、氣水層與水層互層的組合形式。

4)研究區(qū)致密氣成藏的主控因素是生烴強(qiáng)度、斷裂規(guī)模和儲(chǔ)層品質(zhì)，三者的耦合關(guān)系決定了西南部源內(nèi)普遍成藏、中北部源內(nèi)局部成藏、東北部近源局部成藏與不成藏并存的空間差異富集特征，勘探思路應(yīng)從西南部開始部署，以源內(nèi)成藏組合為突破口，獲得致密氣儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)。