鄂爾多斯盆地上古生界東、西部巖性-地層氣藏的差異性

陳安清 陳洪德 林良彪 徐勝林 朱志軍 李 潔

(“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059)

巖性-地層油氣藏是中國當前提出的四大勘探領域之一,并已成為油氣儲量增長的主體[1～3]。近年來,鄂爾多斯盆地上古生界天然氣勘探不斷取得突破,成為中國天然氣勘探最具潛力和“西氣東輸”的骨干資源基地之一。由于二疊系煤層的大面積發育,全盆具有“廣覆式”生烴的基礎(圖1)[4],因此油氣富集主要取決于聚砂區的尋找和優質儲層的識別,即儲層控位。這是鄂爾多斯盆地上古生界巖性-地層氣藏的典型特征。目前發現的氣田包括西部地區的蘇里格、烏審旗氣田,東部地區的榆林、子洲、米脂和大牛地氣田(圖1)。西部氣田主力產層段為二疊系石盒子組第8段(簡稱“盒8段”)及山西組第1段(簡稱“山1段”);東部氣田主力產層段為山2段,而大牛地氣田則以二疊系太原組第2段(簡稱“太2段”)為主要產層[5,6]。雖然儲層均以石英含量較高的中粗粒石英砂巖、巖屑石英砂巖為特征,但東、西部氣田產出層位具有明顯的差異性。本文在前人對鄂爾多斯盆地上古生界巖性-地層氣藏取得的研究成果的基礎上,從東、西部地區發育的典型氣藏的特征出發,探討東、西部氣藏的差異性及其主控因素。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地屬華北地臺西端的次級構造單元,其北鄰興蒙造山帶,南為秦嶺造山帶,西以賀蘭山-六盤山為界,東以呂梁山為界,是一個多旋回克拉通疊合盆地[7]。早古生代,主要受南側的秦祁海槽和西側的賀蘭拗拉槽的影響,在西南緣發育“L”形隆起;晚石炭世至二疊紀初期,又疊加了來自秦嶺海槽和興蒙海槽俯沖形成的南北向擠壓作用,于是形成了南北向“I”形中央古隆起;早二疊世晚期開始,應力轉變為以來自南面揚子板塊和北方西伯利亞板塊的強烈擠壓為特征,使鄂爾多斯地區呈現南北高、中間低的古地理格局[7～11]。總體上,鄂爾多斯盆地在晚古生代可劃分為2個大的盆地演化階段和4種盆地類型：晚石炭世本溪期至早二疊世太原期以海相沉積為主的陸表海階段、早二疊世山西期至晚二疊世石千峰期以陸相沉積為主的陸內坳陷盆地階段[8]。

圖1 鄂爾多斯盆地上古生界煤層累積厚度及氣藏分布Fig.1 The gas reservoirs distribution and isopach of coal of Paleozoic in Ordos Basin

2 巖性-地層氣藏特征

2.1 沉積相及氣藏分布

根據鉆井、測井、野外露頭、地震等資料進行了詳細的沉積相分析,分別編制了鄂爾多斯盆地主力產氣層太2段、山2段、山1段和盒8下段的沉積相圖(圖2)。

太原期,中央古隆起為水下隆起,對沉積仍然有一定的控制作用;但在充填補齊作用過程中,古隆起逐漸消失,形成一個大型的緩坡地貌。潮坪是該時期陸表海上的一個重要的沉積環境,來自北緣的碎屑物質進入盆地,形成規模較小的潮控三角洲。

山西期開始,由于北部物源區隆升加強,形成了石嘴山、杭錦旗、靖邊和米脂四大近于平行的由北而南的大型河流-三角洲系統。三角洲為緩坡背景下的淺水三角洲,上游沖積平原和下游三角洲平原連片展布,具有大面積網毯狀聚砂的特點。

通過統計產氣井分布的地區、層位和相帶的關系可知：①太2段、山2段氣藏主要分布在東部地區,而山1段、盒8段氣藏主要分布在西部地區;②東部地區的大牛地氣田主力產層太2段氣藏主要分布在三角洲前緣水下分流河道和潮汐砂壩相帶,山2段氣藏則隨著岸線南遷至榆林-米脂一帶的三角洲前緣水下分流河道砂體中;③西部地區的主力產層盒8段及山1段氣藏發育在三角洲平原分流河道和三角洲前緣水下分流河道環境。

2.2 生烴條件

上古生界天然氣C1～C4碳同位素、C5～C8輕烴及碳同位素分析表明,上古生界天然氣主要來源于煤系[12]。石炭紀-二疊紀是鄂爾多斯盆地的一個重要聚煤期。成煤環境多樣：本溪期的煤主要形成于陸表海盆地背景下的潮坪-潟湖環境;太原期,由于發育來自北緣的三角洲,形成了三角洲平原與潮坪相交錯的成煤環境;山西期,盆地性質由陸表海盆地演化為大型近海湖盆,以淺水湖泊和三角洲為特征,三角洲平原上的低能環境為聚煤的重要場所。煤層基本覆蓋了整個盆地,煤層累計厚度大致在5～35 m間,為廣覆式生烴奠定了烴源巖基礎。

上古生界的烴源巖研究顯示,晚侏羅世至早白堊世為地史期天然氣的生、排氣高峰期,最大生氣速率和排烴速率分別為7.7×1012m3/Ma,7.2×1012m3/Ma,與天然氣的主要成藏期相匹配,并且天然氣地球化學參數中的甲烷化系數在平面上和縱向上的變化趨勢與氣層組的熱演化程度存在著良好的相關性,反映出上古生界低滲透儲層天然氣的“廣覆式生(供)氣、持續運聚成藏”特征[13,14]。Ro＞1.25%的烴源巖面積達0.18×106km2,即占現今盆地總面積72%的地區達到生烴高峰;并且生烴強度大于2.0×109m3/km2的范圍為0.138×106km2,占現今盆地總面積的55.2%;生烴強度大于1.2×109m3/km2的分布面積占現今盆地總面積的71.6%：表現為大面積生烴強度較高的特征[15]。上述特征表明鄂爾多斯盆地上古生界具有廣覆式生烴的特點,并且一半以上的地區具備形成大中型氣田的烴源巖條件。

2.3 砂巖儲層特征

東部氣田和西部氣田的主力產層的巖石類型均以石英含量較高的中-粗粒石英砂巖和巖屑石英砂巖為特征(表1)。東部氣田山2段儲層的巖石薄片中,石英的面積分數一般在85%以上;西部氣田盒8段儲層的石英含量略低,薄片中的面積分數為81%～97%。東、西部地區的長石含量都很低,零星分布,且常被溶蝕。巖屑類型包括變質巖巖屑、沉積巖巖屑和火成巖巖屑,但東部氣田的火成巖巖屑明顯多于西部氣田。填隙物主要包括高嶺石、綠泥石、硅質礦物、碳酸鹽礦物、水云母(伊利石)和凝灰質等,其含量西部氣田略高于東部氣田,特別是西部氣田的凝灰質含量明顯高于東部。

圖2 鄂爾多斯盆地北部沉積相展布及產氣井的主要分布范圍Fig.2 The distribution of the sedimentary facies and gas-producing wells of Upper Paleozoic in Ordos Basin

表1 鄂爾多斯盆地東、西部氣田主力含氣層的儲層巖石類型The reservoirs'rock types of the main gas-producing horizons between the east and the west of Ordos Basin

儲層的物性分析表明,西部氣田盒8段儲層的孔隙度范圍為0.40%～21.61%,主峰值分布在2%～14%之間,平均值為7.350%;滲透率分布在(0.001～64.13)×10-3μ m2間,主峰位于(0.100～0.700)×10-3μ m2之間,平均值為 0.46×10-3μ m2。東部氣田山2段砂巖儲層的孔隙度范圍為2.37%～17.23%,平均值為6.42%,主峰值位于5.0%～10.0%之間;滲透率范圍為(0.003～189.523)×10-3μ m2,主要分布在(0.01～1.00)×10-3μ m2,平均值為 0.637 ×10-3μ m2。兩個地區的孔滲參數總體分布特征表明鄂爾多斯盆地上古生界氣田屬于典型的低孔低滲儲層。孔隙度和滲透率都呈現出線性相關,說明砂巖的儲集和滲流空間主要依賴于砂巖基質孔隙和喉道,不均勻分布的層理縫、層間縫和微裂縫提供的儲集和滲流空間有限。東部氣田山2段的孔、滲相關性要好于西部氣田盒8段,屬于低孔低滲背景下的相對低孔高滲型儲層;而蘇里格氣田則屬于低孔低滲背景下的相對高孔低滲型儲層,這說明東、西部氣田的砂巖儲層的孔隙結構存在著一定的差異。儲層孔喉結構的對比分析顯示,東部氣田的儲層以原生粒間孔為主,其次為次生的溶孔和高嶺石晶間微孔,最大連通孔隙喉道集中程度高,孔喉結構較均勻;而西部氣田的溶蝕孔對孔隙的貢獻常超過50%,主要為凝灰質泥質蝕變溶孔和巖屑溶孔,儲集空間以溶蝕孔+原生粒間孔組合為特征,最大連通孔隙喉道集中程度較低,孔喉結構相對較差(圖3)。

2.4 保存條件

上石盒子組厚層河漫及湖相泥巖,巖性致密,厚度一般在100 m左右,在全盆地廣泛連續分布于上古生界主力氣層之上,構成區域性蓋層。泥巖或砂質泥巖平均滲透率為10-10～10-8μ m2,突破壓力大于5 MPa,具有良好的封蓋條件;并且在早、中侏羅世就已成為良好的蓋層,埋深已達到2 km[4]。鄂爾多斯盆地處于穩定的克拉通上,構造穩定,以整體抬升或沉降為主,現今地層仍然表現為傾角不超過1°的平緩的單斜構造。因此,與中國大部分含油氣盆地具有后期破壞嚴重的特點不同,鄂爾多斯盆地受后期破壞相對較小,為大面積分布的巖性-地層氣藏提供了良好的保存條件。

3 東、西部氣藏的主控因素分析

上述氣藏特征分析顯示鄂爾多斯盆地北部上古生界巖性-地層氣藏具有良好的生儲蓋配置條件,具備大面積成藏的基礎。值得注意的是,雖然東、西部氣田的烴源巖和保存條件差別不大,但儲層的分布層位、孔隙類型和成藏組合卻顯示出明顯的差異性(圖4)：東部氣田主要發育于陸表海及近海湖盆階段,儲集空間以原生粒間孔為主,為自生自儲的源內成藏組合;而西部氣田則發育于陸相湖盆階段,儲集空間以溶蝕孔+粒間孔為特征,屬于下生上儲的源頂成藏組合。

3.1 富石英物源區

物源分析表明,四個近于平行的大型河流-三角洲系統的物源來自北緣陰山古陸的太古界集寧群和烏拉山群的石英巖、片麻巖、變粒巖,以及元古界色爾騰山群、白云鄂博群、渣爾泰山群、黃旗口群、阿拉善群和千里山群的石英巖、變質砂巖、石英片巖、板巖、千枚巖、火山巖及碳酸鹽巖[16～19]。物源的對比分析進一步顯示,盆地西部的母巖主要為陰山西段的中元古界變質巖和沉積巖系,包括大量高石英含量的石英巖、片麻巖、變粒巖和中基性火山巖等,為富石英母巖區;而東部的母巖主要為陰山東段的太古界酸性侵入巖、變質砂巖、片麻巖,石英含量相對較低,屬貧石英母巖區。由沉積相展布圖可以看出(圖2),對應富石英物源區的西部河流-三角洲系統在盒8段沉積期最為發育,反映該時期對應于北緣物源區的一次構造活躍期,物源供給充沛,水動力較強,有利于辮狀河-辮狀河三角洲的建設。同時,由于地形寬緩,河道或分流河道頻繁地側向遷移,形成了連片展布的有利于天然氣聚集的石英含量較高的中-粗粒砂巖。該時期,東部地區的三角洲規模小于西部地區,同時又對應著貧石英物源區,形成的砂巖的成熟度明顯低于西部地區,因此不利于大規模儲層的形成。

圖3 鄂爾多斯盆地東、西部地區的上古生界氣田的儲層特征及差異Fig.3 The differential characteristics of Upper Paleozoic reservoirs between the east and the west of Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地上古生界東、西部氣田的差異性對比Fig.4 The differeces between the east and the west reservoirs of Upper Paleozoic in Ordos Basin

3.2 網狀輸導體系

西部地區來自富石英物源區的砂體雖然具有較高的成熟度,但凝灰質和泥質填隙物占據了大量的粒間孔隙。成巖作用研究表明來自下伏煤系地層的有機酸流體通過溶蝕作用有效地改善了儲層質量[20,21]。鄂爾多斯盆地上古生界中的斷裂不發育,內部沒有大型不整合面,因此正確認識成巖流體及烴類物質運移的通道至關重要。鄂爾多斯晚古生代盆地是發育在陸表海基礎上的陸內坳陷盆地,具有地形寬緩、水體淺的特點。盆地演化過程中,北緣隆起帶持續抬升,物源供給穩定,碎屑物通過多個水系充填到盆地中,形成幾個近于平行的相互交織的淺水三角洲。由于淺水三角洲長距離的均衡卸載作用,沒有一般三角洲快速卸載形成的沉積中心[22],易形成以側向延伸為主的砂巖,并缺乏厚層泥巖隔層。因而,在寬緩的斜坡上,不同時期的三角洲分流河道和水下分流河道相互串行疊置,形成相互連通的大面積網毯狀砂體。在成巖過程中,層序界面和相互連通的網毯狀砂體組成的網狀輸導體系是來自下伏煤系地層的有機酸流體運移的良好通道。砂巖中的巖屑、凝灰質和泥質填隙物等不穩定組分被酸性成巖流體溶蝕,形成溶蝕孔+原生孔組合為特征的儲集空間。同時,后期成藏過程中,來自煤系地層的烴類物質通過層序界面和網毯狀砂體運移至有利聚集部位形成氣藏。

3.3 高能聚砂環境

由盆地演化過程中的層序充填結構可見(圖4),氣藏的發育明顯受盆地演化階段與基準面升降所引起的聚砂環境變化控制。太原期,鄂爾多斯盆地東西向構造應力的減弱,北側造山帶的擠壓作用逐漸增強,形成北升南降的格局。中央古隆起對盆地沉積格局的控制逐漸減弱,陸表海的潮坪沉積不斷向南退縮,盆地北緣造山帶開始供源,形成小型三角洲。盆地東北部伊金霍洛旗一帶的三角洲受來自東南方向的海水改造最為明顯,形成高成熟度砂質組成的障壁砂壩,與富有機質的泥巖或煤層交錯發育,形成良好的自生自儲式氣藏,如大牛地太2段的砂巖氣藏。

隨著興蒙海槽和秦嶺海槽的對擠作用加強,盆地北部的岸線向南遷移,三角洲規模逐漸增大。研究表明,海水于山2段末期才最終從東南方向完全退出[23,24]。山西期相當于盆地轉化的過渡階段,即近海湖盆階段。該階段早期,盆地北緣造山帶處于構造活躍期,物源供給充沛,以發育連續進積的辨狀河三角洲為特征,三角洲平原上發育大量煤層。這個時期,東部地區的三角洲規模相對較大(圖2),聚砂能力強,并且盆地東南部仍然為淺海環境,辨狀河三角洲前緣受河流和潮汐的共同作用,改造了貧石英物源區帶來的砂質,提高了砂巖的成熟度,因此東部地區的山2段成為有利儲層發育層位。而西部的蘇里格地區的杭錦旗三角洲規模較小,聚砂能力較弱,雖然有富石英物源區的基礎,但不利于大規模儲層的形成。山1期開始,由于海水的完全退出,物源區的母巖性質成為了砂巖儲層發育的主要控制因素,因此產氣井的分布轉移到富石英物源區的西部蘇里格地區。

可見,岸線附近的高能聚砂環境是影響鄂爾多斯盆地上古生界儲層發育狀況的又一關鍵因素。這種高能聚砂環境對氣藏的控制還表現在湖盆擴張過程中湖浪作用對砂體的改造,如榆24井的盒4段和神3井的盒2段都有高產氣藏發育。

4 結論

總之,鄂爾多斯盆地上古生界煤系地層廣覆式生烴、淺水三角洲大面積聚砂和湖侵作用鑄造區域性蓋層三大因素形成的良好的生儲蓋配置為大面積成藏奠定了基礎,造就了鄂爾多斯盆地“滿盆生氣、到處含氣、巖性控氣”的特點。東、西部氣田的對比研究揭示了它們具有明顯的差異性：

a.鄂爾多斯盆地上古生界致密巖性-地層氣藏具有廣覆式生烴的基礎,儲層主要為石英含量(面積分數)大于80%的中-粗粒石英砂巖、巖屑石英砂巖,保存條件好,具有良好的生儲蓋配置。其中西部氣田屬于低孔低滲背景下的相對高孔低滲型儲層;而東部氣田則為低孔低滲背景下的相對低孔高滲型儲層。

b.東部山2段、太2段以原生孔為主的潮控三角洲前緣的水下分流河道和潮汐砂壩儲集體形成于陸表海和近海湖盆階段,主要受潮汐和河流組成的高能聚砂環境控制。因此,不管是南緣還是北緣的三角洲,不管是現有的主力產氣層還是其他層位,與海岸線或湖岸線相關的高能聚砂環境的確定具有重要意義。

c.西部盒8段、山1段以溶蝕孔+原生孔組合為特征的分流河道和水下分流河道儲集砂體形成于陸內坳陷盆地形成發展階段,富石英物源區和建設性成巖作用是儲層形成的主控因素。這表明尋找具有富石英物源區的規模較大的三角洲沉積體系是關鍵;被層序界面和網狀砂體連通的大型砂體易被成巖流體改善形成次生溶蝕孔+原生粒間孔為組合的儲集空間,所以層序格架內網狀砂體的識別和富砂帶建設性成巖相區的確定至關重要。

[1]賈承造,趙政璋,杜金虎,等.中國石油重點勘探領域——地質認識、核心技術、勘探成效及勘探方向[J].石油勘探與開發,2008,35(4)：385-396.

[2]賈承造,趙文智,鄒才能,等.巖性地層油氣藏地質理論與勘探技術[J].石油勘探與開發,2007,34(3)：257-272.

[3]康玉柱.中國東北、華北、西部等地區古生界油氣前景探討[J].西南石油大學學報：自然科學版,2009,31(3)：1-7.

[4]付金華,魏新善,任軍峰.伊陜斜坡上古生界大面積巖性氣藏分布與成因[J].石油勘探與開發,2008,35(6)：664-667.

[5]李凌,王興志,方少仙,等.鄂爾多斯東部上古生界儲層特征及控制因素[J].西南石油學院學報,2002,24(6)：4-6

[6]曹忠輝.鄂爾多斯盆地大牛地復式氣田基本地質特征[J].西南石油學院學報,2005,27(2)：17-21.

[7]張渝昌,張荷,孫肇才,等.中國含油氣盆地原型分析[M].南京：南京大學出版社,1997：262-293.

[8]陳洪德,侯中鍵,田景春,等.鄂爾多斯地區晚古生代沉積層序地層學與盆地構造演化研究[J].礦物巖石,2001,21(3)：16-24.

[9]長慶油田石油地質志編寫組.中國石油地質志：卷十二,長慶油田[M].北京：石油工業出版社,1992.

[10]鄧軍,王慶飛,黃幫飛,等.鄂爾多斯盆地演化與多種能源礦產分布[J].現代地質,2005,19(4)：538-545.

[11]李斌,宋巖,孟自芳,等.中國中部前陸盆地盆山耦合關系分析[J].西南石油大學學報：自然科學版,2009,31(1)：23-28.

[12]李劍,羅霞,單秀琴,等.鄂爾多斯盆地上古生界天然氣成藏特征[J].石油勘探與開發,2005,32(4)：54-59.

[13]劉新社,席勝利,付金華.鄂爾多斯盆地上古生界天然氣生成[J].天然氣工業,2000,20(6)：19-23.

[14]楊華,張文正,李劍鋒,等.鄂爾多斯盆地北部上古生界天然氣的地球化學研究[J].沉積學報,2004,24(S1)：39-44.

[15]李振宏,席勝利,劉新社.鄂爾多斯盆地上古生界天然氣成藏[J].現代地質,2005,24(2)：174-181.

[16]陳安清,陳洪德,向芳,等.鄂爾多斯東北部山西組-上石盒子組砂巖特征及物源分析[J].成都理工大學學報：自然科學版,2007,34(3)：305-311.

[17]席勝利,王懷廠,秦伯平.鄂爾多斯盆地北部山西組、下石盒子組物源分析[J].天然氣工業,2002,22(2)：21-24.

[18]汪正江,張錦泉,陳洪德.鄂爾多斯盆地晚古生代陸源碎屑沉積源區分析[J].成都理工學院學報,2001,28(1)：7-12.

[19]劉銳娥,黃月明,衛孝鋒,等.鄂爾多斯盆地北部晚古生代物源區分析及其地質意義[J].礦物巖石,2003,23(3)：82-86.

[20]高星,陳洪德,朱平,等.蘇里格氣田西部盒8段儲層成巖作用及其演化[J].天然氣工業,2009,29(3)：17-20.

[21]何東博,賈愛林,田昌炳,等.蘇里格氣田儲集層成巖作用及有效儲集層成因[J].石油勘探與開發,2004,31(3)：69-71.

[22]鄒才能,趙文智,張興陽,等.大型敞流坳陷湖盆淺水三角洲與湖盆中心砂體的形成與分布[J].地質學報,2008,82(6)：813-825.

[23]葉黎明,齊天俊,彭海燕.鄂爾多斯盆地東部山西組海相沉積環境分析[J].沉積學報,2008,26(2)：202-210.

[24]向芳,陳洪德,李志宏,等.鄂爾多斯盆地東北部山西組三角洲相沉積演化特征[J].成都理工大學學報：自然科學版,2008,35(6)：693-699.