鄂爾多斯盆地中東部上古生界致密氣成藏條件差異性分析

徐延勇 ，申建 ，張兵 ，丁萬貴 ，葉超

（1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

鄂爾多斯盆地上古生界大面積發(fā)育致密氣，榆林、蘇里格、神木等大型致密氣田被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，顯示了良好的開發(fā)前景。尤其是鄂爾多斯盆地中部的蘇里格氣田，目前已發(fā)展成為國內(nèi)最大的致密氣田［1-3］。隨著近年勘探開發(fā)工作的深入，位于鄂爾多斯盆地東部的晉西撓褶帶同樣在上古生界本溪組—石千峰組的多套地層中發(fā)現(xiàn)了臨興氣田。前人對于上述2個地區(qū)成藏條件及成藏特征的研究，均取得了較為豐碩的成果［4-6］。與蘇里格氣田氣層發(fā)育較為集中的特點相比，臨興氣田雖然同樣具有廣覆式砂泥間互發(fā)育的特征，但盆地東部地區(qū)獨具特點，其致密砂巖氣發(fā)育層位多、埋藏深度淺，且受到后期晉西撓褶帶影響明顯［7-12］，因此二者在成藏條件與勘探開發(fā)對策上存在較大的差異。目前對于這2個氣田成藏條件的共性與差異性認識還較為薄弱，亟待進行深入、系統(tǒng)研究。

本文論述了盆地中部蘇里格氣田和東部臨興氣田在不同埋藏時期的烴源巖、儲層、蓋層以及源儲組合條件，總結(jié)二者成藏模式的差異性。這種差異性研究有助于指導(dǎo)二者選擇不同的后續(xù)勘探開發(fā)策略，同時能夠進一步豐富煤系致密氣成藏的基礎(chǔ)地質(zhì)認識，為后續(xù)提高盆地中東部上古生界天然氣勘探開發(fā)的成功率，提供理論借鑒和指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地由北部的伊盟隆起、南部的渭北隆起以及中部自西向東的西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷帶、伊陜斜坡帶、晉西撓褶帶6個構(gòu)造單元組成［13-16］。其中，盆地中部的伊陜斜坡帶地層較為平緩，褶皺和斷層等構(gòu)造不發(fā)育，盆地邊緣部位發(fā)育鼻狀構(gòu)造和斷層帶［2］。本文研究區(qū)為鄂爾多斯盆地中部伊陜斜坡帶內(nèi)的蘇里格氣田和東部晉西撓褶帶內(nèi)的臨興氣田（見圖1a）。

上古生界沉積時期，蘇里格氣田和臨興氣田發(fā)育同沉積地層，以潮汐沉積體系和河流-三角洲沉積體系為主（見圖1b）。山西組沉積期，發(fā)育三角洲平原-前緣沉積；下石盒子組沉積期，發(fā)育辮狀河三角洲平原沉積［13-14］；上石盒子組沉積期，以辮狀河三角洲前緣沉積為主［15-16］。致密氣藏的有利儲層由這些縱向上發(fā)育的不同沉積砂體組成。

2 盆地中部、東部成藏條件分析

2.1 烴源巖條件

在晚古生代早期，鄂爾多斯盆地處于華北古陸廣盆階段，在經(jīng)歷長期風(fēng)化剝蝕準平原化改造后，海水由東部進入，逐步演變?yōu)殛懕砗３练e。伴隨著基準面的震蕩變化，此時鄂爾多斯盆地總體處于海相-海陸過渡沉積環(huán)境，發(fā)育廣泛分布的沼澤相煤系地層，構(gòu)成盆地上古生界的主力烴源巖層系［9-12］。

從煤層厚度看，蘇里格氣田和臨興氣田的煤層分布都表現(xiàn)出中部薄而穩(wěn)定、東西兩側(cè)較厚的特點（見圖2）。盆地中部煤層平均厚度12.5 m；東部煤層較中部略厚，平均厚度17.0 m，最厚可達29.0 m，可作為良好的烴源巖。在整個中東部，本溪組頂部煤層較其他層系厚度大，連續(xù)性好。

在蘇里格氣田和臨興氣田，煤層有機質(zhì)豐度明顯高于暗色泥巖，平均總有機碳質(zhì)量分數(shù)（TOC）大于60%，而暗色泥巖TOC普遍在2%左右。蘇里格氣田的TOC略高于臨興氣田，且干酪根類型為腐殖型，臨興氣田主要發(fā)育干酪根，局部為混合型（見表1，Ro為鏡質(zhì)組反射率）。

表1 蘇里格氣田和臨興氣田烴源巖特征對比

從Ro角度看，蘇里格氣田和臨興氣田略有差別。蘇里格氣田Ro為1.5%～2.5%，平均2.0%；臨興氣田Ro為0.8%～3.8%，平均1.4%。盆地東部由于晉西撓褶帶的形成，紫金山巖堿性雜巖體侵入，加速了臨興氣田烴源巖的快速成熟，局部地區(qū)烴源巖處于生干氣階段，Ro值最高可達 3.8%［6，17-18］。

2.2 儲層條件

山1段（山西組）和盒8段（下石盒子組）是蘇里格氣田上古生界的主力儲層，砂體呈南北向條帶狀分布［7，19-21］，以低孔低滲為主要特征。而臨興氣田發(fā)育整個上古生界中的多套有利儲層，主要包括本溪組的潮道、潮汐三角洲砂體，太原組的水下分流河道砂體，石盒子組—石千峰組的分流河道砂體。

蘇里格氣田和臨興氣田的沉積物主要來自北部物源，但二者的母巖性質(zhì)差異較大。蘇里格氣田的沉積物主要來自西北部富石英物源區(qū)，砂巖粒度為中—粗粒，以次圓狀為主，分選中等。巖石類型主要為石英砂巖、巖屑石英砂巖（見圖3a—3c）。臨興氣田主要受東部富長石物源體系影響，不穩(wěn)定礦物長石及巖屑質(zhì)量分數(shù)普遍偏高。砂巖粒度以中—粗粒為主，分選中等，巖石類型多樣，發(fā)育巖屑砂巖、巖屑長石砂巖、巖屑石英砂巖等（見圖3d—3i）?？v向上，由于石千峰組沉積期更靠近物源，長石質(zhì)量分數(shù)最高，平均可達24.2%。

蘇里格氣田盒8段石英質(zhì)量分數(shù)較高，一定程度上增強了抗壓實能力，所以盒8段較山1段的孔隙度和滲透率高（見表2）。盒8段最高孔隙度為21.2%，平均孔隙度為10.4%，山1段平均孔隙度僅為7.8%；盒8段平均滲透率為 0.75×10-3μm2，最高為 62.70×10-3μm2，山1段平均滲透率為0.46×10-3μm2。臨興氣田山西組和下石盒子組物性較蘇里格氣田差（見表2），單層平均孔隙度在7.2%～10.4%，最高為17.5%，單層平均滲透率為 0.25×10-3～0.96×10-3μm2，最高可達 55.20×10-3μm2。

表2 蘇里格氣田和臨興氣田儲層物性參數(shù)對比

從成巖作用角度看，盆地上古生界砂巖均處于晚成巖期，主要發(fā)育次生孔隙，原生孔隙居次要地位。蘇里格氣田儲集空間以粒間孔、溶孔、晶間孔為主，巖石中偶見少量構(gòu)造微裂縫和成巖收縮縫（見圖4a—4c）。臨興氣田由于巖屑質(zhì)量分數(shù)較高，儲層抗壓實能力較弱，粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔較發(fā)育（見圖4d—4f）。值得指出的是，與蘇里格氣田不同，受晉西撓褶帶強烈隆升的影響，臨興氣田裂縫十分發(fā)育，主要為微裂縫。

2.3 蓋層條件

蓋層的封蓋是氣藏成藏的關(guān)鍵因素之一，前人研究表明，多數(shù)油氣藏以泥巖為蓋層。在蘇里格氣田和臨興氣田，山西組、石盒子組和石千峰組均有厚層泥巖發(fā)育。上石盒子組泥巖以湖相沉積為主，厚度大，單層厚度為 10～25 m，累計厚度可達 70～140 m，分布穩(wěn)定，是一套區(qū)域上可連續(xù)追蹤的盆地級別的區(qū)域蓋層［7，21］。下石盒子組平均泥巖厚度14 m、山西組平均泥巖厚度30 m，二者平面分布沒有上石盒子組穩(wěn)定，連續(xù)性較差，為盆地內(nèi)部的局部蓋層。

上石盒子組厚層泥巖是蘇里格氣田的區(qū)域蓋層，區(qū)域蓋層以下地層發(fā)育多套由局部蓋層與鄰近儲層組成的儲蓋組合。山1段和盒8段儲層砂體近南北走向，氣藏主要由側(cè)向泥巖遮擋、上傾部位致密砂巖封堵及上覆區(qū)域泥巖封蓋等多種巖性圈閉條件共同作用形成。由于構(gòu)造變化較小，區(qū)域蓋層上石盒子組泥巖的異常高壓使天然氣無法突破，在天然氣垂向運移過程中就會在下伏的下石盒子組及山西組的儲層內(nèi)富集，因此，壓力封閉和物性封閉共同作用，在蘇里格氣田形成較好的區(qū)域蓋層。

臨興氣田在上石盒子組區(qū)域蓋層上、下層段的含氣性，有較大差別。臨興氣田由于構(gòu)造運動，上石盒子組區(qū)域蓋層被破壞，異常高壓泄壓后，壓力封閉作用弱，天然氣沿斷裂和裂縫向上運移，在淺部形成遠源成藏組合。石千峰組處于區(qū)域蓋層以上，雖然儲層發(fā)育，物性也較好，但其因蓋層被斷層破壞或變薄等多種因素的影響［5，11］（見圖 5，剖面位置見圖 1a，紅線為斷層），含氣性較差。

2.4 源儲組合

鄂爾多斯盆地上古生界源儲組合（成藏組合）主要有源內(nèi)成藏、近源成藏、遠源成藏3種組合，縱向上存在2個不同的含氣系統(tǒng)：下組合氣藏（太原組—下石盒子組）和上組合氣藏（上石盒子組—石千峰組）（見圖6）。下組合氣藏儲層緊鄰烴源巖，氣藏含氣飽和度較高，整體屬于正常壓力下的原生氣藏。而上組合氣藏儲層物性好，斷裂-裂縫復(fù)合體成為下部天然氣向上運移成藏的通道，氣藏含氣性差，地層壓力低，平均壓力系數(shù)為0.28～0.66。蘇里格氣田僅發(fā)育下組合氣藏，而臨興氣田2個含氣系統(tǒng)都存在。

蘇里格氣田主力烴源巖與儲層的時空配置關(guān)系表現(xiàn)為盒8段“下生上儲”、山1段“自生自儲”或“下生上儲”，但山1段具有近源成藏優(yōu)勢（見圖6a）。如前文所述，蘇里格氣田和臨興氣田在烴源巖與儲層的發(fā)育程度上具有一定的差異，自西向東烴源巖發(fā)育程度增強。當儲層發(fā)育、物性較好時，若蓋層及隔層不發(fā)育，氣藏的含氣飽和度則會降低；因此，含氣飽和度相對較高的儲層多為近源、上覆蓋層較為發(fā)育的單層砂體。多口產(chǎn)氣單井的源儲配置分析也表明，具有近源成藏的“下生上儲”組合最有利于天然氣成藏。

臨興氣田有源內(nèi)成藏和近源成藏之外，在淺層還存在遠源成藏，因此自下而上發(fā)育多套含氣砂巖（見圖6b）。蓋層之上層段的氣測顯示能很好地反映下伏含氣儲層的保存情況。臨興地區(qū)完鉆井在區(qū)域蓋層之上的三疊系紙坊組及和尚溝組依然具有明顯的氣測異常。綜合研究區(qū)構(gòu)造特征認為，蓋層封蓋能力主要受斷層的破壞，正是由于這些斷層，天然氣通過泄壓通道，自下而上在上部層系的儲層內(nèi)形成了油氣的再次充注，形成了上石盒子組和石千峰組的遠源成藏組合。

3 盆地中部、東部成藏模式的異同

盆地中部蘇里格氣田與東部臨興氣田上古生界煤系致密氣成藏條件既具有相似之處，同時也存在不同之處（見表3）。相似之處體現(xiàn)在：1）烴源巖條件方面，石炭系—二疊系的煤層和暗色泥巖為天然氣的生成提供豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)；2）儲層條件方面，本溪組—石千峰組的多套海陸過渡相、三角洲砂質(zhì)沉積可作為良好的儲集空間；3）蓋層條件方面，縱向上不同層系內(nèi)與儲層間互發(fā)育且具有一定厚度的泥巖可以作為優(yōu)質(zhì)蓋層。不同之處體現(xiàn)在：1）烴源巖條件方面，蘇里格氣田干酪根以腐殖型為主，臨興氣田干酪根主要為腐殖型，局部地區(qū)存在混合型，中部 TOC 略高于東部［5，17］；2）儲層條件方面，臨興氣田發(fā)育本溪組—石千峰組多套有效儲層，而蘇里格氣田的主力儲層以山西組和下石盒子組為主；3）蓋層條件方面，蘇里格氣田上石盒子組泥巖的剩余壓力對下伏儲層形成有效封蓋，臨興氣田蓋層受斷層破壞，天然氣可以垂向運移；4）源儲組合方面，臨興氣田發(fā)育3種源儲組合，分別是源內(nèi)、近源和遠源成藏組合，而蘇里格氣田僅發(fā)育前2種，不發(fā)育遠源成藏組合（見圖6）。

表3 鄂爾多斯盆地中東部上古生界致密氣成藏條件對比

蘇里格氣田保存條件具有側(cè)向泥巖遮擋、上覆區(qū)域泥巖封蓋、斷層不發(fā)育的特征，形成有利于天然氣保存的巖性圈閉（見圖6a）。而臨興氣田位于盆地東部斷層或（微）裂縫發(fā)育的強構(gòu)造變形區(qū)，天然氣可以沿上石盒子組垂向斷層或（微）裂縫向上運移，形成巖性-構(gòu)造復(fù)合圈閉，氣層展布受局部巖性和構(gòu)造共同控制（見圖 6b）。

4 結(jié)論

1）蘇里格氣田和臨興氣田干酪根以腐殖型為主，中部TOC略高于東部，由于晉西撓褶帶的隆升和紫金山巖體的侵入，臨興氣田局部有機質(zhì)達到過成熟，發(fā)育少量混合型干酪根。

2）臨興氣田上古生界自下而上發(fā)育多套儲層，而蘇里格氣田主力儲層較為集中，僅為山西組和下石盒子組，儲層物性較臨興氣田好。

3）蘇里格氣田保存條件具有側(cè)向泥巖遮擋、上覆區(qū)域泥巖封蓋、斷層不發(fā)育的特征，發(fā)育源內(nèi)和近源成藏組合，形成有利于天然氣保存的巖性圈閉。而臨興氣田位于盆地東部斷層或（微）裂縫發(fā)育的強構(gòu)造變形區(qū)，天然氣可以沿上石盒子組垂向斷層或（微）裂縫向上運移，形成巖性-構(gòu)造復(fù)合圈閉，發(fā)育源內(nèi)、近源和遠源3種類型成藏組合，氣層展布受局部巖性和構(gòu)造共同控制。