杭錦旗地區J58井區下石盒子組氣水分布及其控制因素

段治有 ，李賢慶 ，陳純芳 ，馬立元 ，羅 源 ，4

（1.中國礦業大學（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083；2.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083；3.中國石化石油勘探開發研究院，北京100083；4.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京102249）

0 引言

致密砂巖氣是指儲集于低孔低滲砂巖儲層中的天然氣資源，一般自然產能不大或低于工業氣流下限，但在一定經濟和技術措施下可獲得工業天然氣產能［1］。目前，致密砂巖氣已成為非常規天然氣勘探的重點之一，全球致密砂巖氣資源量巨大，大約有70個盆地已發現或推測發育致密砂巖氣，可采儲量為（10.5～24.0）萬億m3，是天然氣增儲上產的主體［2-4］。中國的致密砂巖氣藏主要分布在鄂爾多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地、吐哈盆地、渤海灣盆地及松遼盆地，其中鄂爾多斯盆地的天然氣產量增長迅速，已成為我國最大的天然氣產區［5-7］。鄂爾多斯盆地的致密砂巖氣主要發育于上古生界石炭系—二疊系，盆地內天然氣總資源量為15.16萬億m3，其中致密砂巖氣資源量為10.37萬億m3，占天然氣總資源量的68%，可見致密砂巖氣在資源量中占有很大的比例［8］。

鄂爾多斯盆地北部杭錦旗地區J58井區具有儲層致密、含氣性普遍、生儲蓋配置關系優越、資源量大的特征，但隨著氣田開發的深入，發現該區氣水關系復雜，多層位含水，縱橫向氣水分布規律不清，且不同氣井產量差別較大，這些問題嚴重制約了J58井區天然氣的勘探步伐。關于氣水分布及控制因素，前人在蘇里格、子洲等氣田做了大量的研究工作［9-17］，表明控制因素主要包括：烴源巖、沉積相、儲層物性及局部構造等，而J58井區與其相比有相同之處，又有其特殊性。筆者通過地層水化學特征、測井、試氣成果及砂體分布等資料的分析，結合近年來的勘探開發成果，探討J58井區下石盒子組氣水分布關系及其主控因素，以期確定天然氣的有利靶區。

1 區域概況

杭錦旗地區橫跨鄂爾多斯盆地伊盟隆起和伊陜斜坡兩大構造單元，總面積為9 825 km2，長期處于盆地構造的高部位，是天然氣運移的有利指向區［18］，整體上呈現出北高南低、東高西低的特征，內部為向西傾斜的大單斜構造，平均坡降為5 m/km。杭錦旗地區主要發育3條大斷裂，自西向東分別為三眼井斷裂、烏蘭吉林廟斷裂、泊爾江海子斷裂，走向基本呈近東西向。

J58井區總體位于泊爾江海子斷裂以南、烏蘭吉林廟斷裂以東（圖1），晚古生代沉積前，研究區一直處于長期隆起狀態，至晚石炭世接受沉積以來，上古生界的不同層位由南向北超覆于太古界—元古界基底之上，先后沉積了石炭系太原組，二疊系山西組，上、下石盒子組及石千峰組，該區太原組和山西組主要發育煤層及暗色泥巖，上、下石盒子組和石千峰組主要發育砂巖［19］，下石盒子組多為低孔低滲的致密砂巖儲層，孔隙度主要為4%～15%，滲透率主要為0.1～3.0 mD，且具有較強的非均質性，在上石盒子組的封蓋作用下，形成典型的致密巖性氣藏。已發現太原組—下石盒子組共6套氣層（太原組、山1段、山2段、盒1段、盒2段、盒3段），共完鉆探井30余口。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of thestudy area

2 地層水化學特征

地層水在含油氣盆地的發展過程中，伴隨著油氣的生、運、聚、散，其化學成分同油氣一樣經歷了復雜而漫長的地球化學演化過程［20-23］。經過沉積、埋藏、變質及淋濾等過程，地層水中的離子成分和濃度等都發生了變化，地層水與油氣相伴生，研究地層水的特征可為油氣勘探與開發提供科學依據。杭錦旗地區J58井區下石盒子組地層水化驗分析資料顯示，地層水礦化度為24 176～76 917 mg/L，平均為40 992 mg/L，高于海水的鹽度35 000 mg/L，平面分布上，以J58井區盒1段地層水礦化度等值線圖（圖2）為例，相鄰井之間礦化度差值較大，表明水動力不活躍，水體間連通性較差，這可能與不同部位砂體巖石成分、孔隙結構差異等造成的微觀環境差異有關。研究區地層水的礦化度等值線與砂體厚度分布方向較一致，大致呈南北向條帶狀，并從河道中心部位到河道間礦化度逐漸降低。

圖2 J58井區盒1段地層水礦化度平面分布Fig.2 Distribution of formation water salinity of the first member of Xiashihezi Formation in J58 well area

地層水水型為CaCl2型（表1），根據礦化度的劃分標準，J58井區地層水屬于鹽水和鹵水的范疇［24］。深盆中，長期處于封閉環境的高變質水通常不存在酸性水，都以弱酸性水或堿性水為主。造成這一現象的主要原因是地層中溶蝕作用尚未達到平衡，仍殘余有一定量的有機酸，使得地層水pH值偏低［25］。研究區下石盒子組地層水pH值多為4.6～7.6，顯示為弱酸性特征。

表1 J58井區下石盒子組地層水化學特征Table1 Chemical characteristicsof formation water of Xiashihezi Formation in J58 well area

J58井區下石盒子組地層水常量組分主要包括K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，HCO3-，SO42-等。地層水中陽離子以Na++K+和Ca2+占主導，Ca2+質量濃度一般可達1 482～11 354 mg/L，Mg2+含量甚微。地層水中各陰離子濃度差較大，以Cl-為主，Cl-質量濃度達10 771～44 090 mg/L，其次為 SO2-，HCO-43含量低。離子組合系數與礦化度及水型相比更具有繼承性，更能反映地層水的運移、變化及其賦存狀態［26］。

鈉氯系數（Na+/Cl-）可以反映地層水的濃縮變質程度和儲層水文地球化學環境，通常認為其值越小代表地層水封閉性越好、越濃縮，越有利于油氣的保存。J58井區下石盒子組地層水w（Na+）/w（Cl-）較低，主要為0.15～0.57，平均為0.35，按照博雅爾斯基分類，研究區地層水屬于CaCl2型水的Ⅳ或Ⅴ型［27］，說明該研究區是有利于油氣聚集和保存的區域。

氯鎂系數（Cl-/Mg2+）可以反映濃縮變質作用和陽離子吸附交換作用，地層水封閉性越好，時間越長，濃縮變質越深，其值越大，越有利于油氣的保存。J58 井區下石盒子組地層水 w（Cl-）/w（Mg2+）為55.92～274.68，平均為145.04，說明研究區地層水的封閉條件較好。

變質系數［（Cl-+Na+）/Mg2+］和鎂鈣系數（Mg2+/Ca2+）均反映的是地層水在運移過程中水巖作用的強度和離子交替置換的程度。地下徑流越慢或水巖作用時間越長，Na+和Mg2+越少，Ca2+越多，變質系數值越大或鎂鈣系數越小，則水的變質程度越深，越有利于油氣保存。J58井區下石盒子組地層水［w（Cl-）+w（Na+）］/w（Mg2+）為 26.82～203.67，平均為 97.05，w（Mg2+）/w（Ca2+）為 0.01～0.07，平均為0.04，均在油氣田水指標之內，說明儲層封閉條件較好。

綜合分析認為，J58井區下石盒子組地層水具有沉積水經漫長的埋藏及水巖作用、深循環、深度濃縮、正變質的特征，由此表明J58井區下石盒子組具有有利于油氣聚集和保存的地球化學環境。

3 氣水分布特征

杭錦旗地區J58井區從石炭系太原組到二疊系石千峰組的各個層系均可見到含氣層，研究區的30余口探井的測井解釋成果表明，每口探井至少有2～3個含氣層，最多達10層。下石盒子組氣層總厚度主要為2.0～27.2 m，氣層厚度變化較大，平均厚度為8.0 m（圖3）。不同層位氣層分布差異較大，其中，下石盒子組的盒2段氣層平均厚度最小，為3.4 m，盒1段和盒3段氣層平均厚度均較大，均可達8.6 m，含氣顯示普遍，因而作為重點層位開發。

圖3 J58井區下石盒子組氣層厚度平面分布Fig.3 Distribution of gas thickness of Xiashihezi Formation in J58 well area

從30余口井的試氣統計結果來看，下石盒子組氣層平均試氣產量以盒1段最高，平均日產氣12 619 m3，其次為盒 3段，平均日產氣 8 919 m3，盒2段平均日產氣最低，為5 668 m3。大部分井在試氣時有水產出，氣層平均產水量以盒3段最大，平均日產水5.8 m3，其次為盒1段，平均日產水3.8 m3。

3.1 氣水縱向分布特征

根據J58井區測井解釋和試氣成果，可將下石盒子組儲層劃分為氣層、氣水同層、水層和干層4種類型。從圖4可以看出，氣水呈透鏡狀交叉分布，無明顯的氣水分異現象。氣層主要分布在盒1段和盒3段，其中純氣層數量較少，大多數為氣水同層，有少量水層和干層分布，盒2段幾乎無氣層和水層分布，主要為干層及少量氣水同層。東西向氣水層剖面垂直于河道砂體，氣水層的連續性較差，且由西向東含氣性逐漸變差，由氣層過渡到氣水同層，再到干層，水層僅在局部發育。

3.2 氣水平面分布特征

J58井區的盒1段氣層分布面積最大，盒3段氣層分布面積次之，盒2段基本無氣層分布。盒1段氣層主要分布在研究區中部河道砂體連片分布區（圖5），大致呈南北走向，氣水同層在全區均有分布，東部 J10，J88，J116，J89 井附近分布有少量水層，水層主要圍繞氣水同層分布，盒1段干層分布面積較小，僅在研究區邊部有少量分布。盒2段分布大面積干層，在部分區域有少量氣水同層分布。盒3段氣層和氣水同層主要分布在研究區西部及南部一帶（圖5），其中氣層沿河道砂體自北向南經J131，J108，J58 井向 J95，J57 井方向展布，氣水同層圍繞氣層分布，東北部J116井也分布少量氣水同層，水層呈帶狀分布，干層主要分布在研究區東部砂體厚度較薄區域。

總體而言，J58井區下石盒子組在縱向上氣層與氣層之間不連續，且多層位含水，產水層段厚度較小，沒有明顯的氣、水分異現象。平面上氣層分布受砂體分布控制，氣層主要分布在砂體厚度較大的河道中心區域，水層圍繞氣水同層分布，主要分布在砂體邊部。干層的分布主要受砂體厚度和物性共同控制，砂體較厚的區域一般物性相對較好，易形成較好的有效儲層，而砂體較薄且物性差的區1） ）域儲層致密，天然氣難以充注，通常為干層。

圖4 J58井區氣水縱向分布特征Fig.4 Longitudinal distribution characteristicsof gasand water in J58 well area

圖5 J58井區下石盒子組氣水平面分布與生烴強度關系（生烴強度據文獻［28］）Fig.5 Relationship between gas-water distribution and hydrocarbon generating intensity of Xiashihezi Formation in J58 well area

4 氣水分布控制因素

4.1 生烴強度對氣水分布的控制作用

杭錦旗地區J58井區上古生界主要發育石炭系—二疊系腐植型煤系氣源巖，主要為太原組、山西組的煤層、暗色泥巖與炭質泥巖，有機碳含量以煤層最高，炭質泥巖次之，暗色泥巖最低，具有南厚北薄、東厚西薄的特征［29］。其中煤層總厚度一般為5～15 m，最厚達20 m左右，鏡質體反射率介于1.0%～1.3%，研究區南部烴源巖成熟度高于北部，進入了大量生氣階段［30］。J58井區下伏地層烴源巖是杭錦旗地區生烴強度最大的區域，生烴強度主體為（10～40）億 m3/km2，局部大于 40億 m3/km2，生烴強度大于15億m3/km2的區域占80%以上，表現為“廣覆式”生烴的特征［31］，為該區天然氣的富集提供了物質基礎。

薛會等［32］研究認為該區天然氣主要是以近距離側向、垂向運移方式聚集成藏，在這種成藏模式的控制下，生烴強度高的區域可以獲得豐富的氣源供給，從而維持天然氣的運聚平衡，這些區域多為天然氣富集區，生烴強度低則不利于天然氣富集。研究區生烴強度與盒1段、盒3段氣水層平面分布疊合圖（圖5）顯示，平面上南部生烴強大的氣層發育程度明顯好于北部，氣層主要分布在生烴強度大于15億m3/km2的區域，表明生烴強度控制著氣水平面分布的宏觀格局。同時縱向上離烴源巖較近的盒1段天然氣聚集程度要好于離烴源巖較遠的盒3段，整體上盒1段氣層分布規模大于上部盒3段氣層分布規模，表明儲集層與烴源巖的距離和天然氣的聚集有一定的聯系。

4.2 沉積相和有效砂體展布對氣水分布的控制作用

研究區從晚石炭世太原組沉積期至早二疊世晚期下石盒子組沉積期經歷了由海到陸的古地埋演化過程，與此相應地發育了幾套沉積體系。由于該區多期次、多層位的砂體疊置，形成了大面積分布的復合儲集砂體［33-35］，因此，沉積相控制了儲層規模和展布空間。受北部物源的控制，研究區砂體主要為近南北向展布，下石盒子組沉積期受構造運動影響抬升，物源豐富，沉積物粒度相對較粗。其中盒1段發育沖積平原—沖積扇沉積體系，砂體在橫向上厚度變化大，為15～40 m，盒2段、盒3段均發育沖積平原—辮狀河沉積體系，河道規模逐漸變小，河道砂體厚度一般為5～15 m。總體上，在研究區下石盒子組各層段河道中心部位，砂體連片分布且厚度較大，相應的碎屑顆粒較粗，砂體物性更好，發育大面積高孔滲儲層，更有利于天然氣的富集。

從下石盒子組各層段有效砂體的平面展布（圖6）來看，盒1段有效砂體橫向上連片展布，連通性最好，且厚度最大，有效砂體厚度一般為10～20 m，最厚可達30 m。盒2段、盒3段沉積期物源供給均相對減弱，沉積物粒度變細，其下部發育較厚的河道砂體，連續性較好，向上厚度逐漸變薄，連通性變差，有效砂體厚度一般為6～12 m。將盒1段和盒3段有效砂體厚度和各井的無阻流量進行疊合，其中無阻流量大的井大部分落在有效砂體較厚的范圍內，表明有效砂體厚度對氣水分布具有明顯的控制作用。

圖6 J58井區下石盒子組有效砂體厚度與產量關系Fig.6 Relationship between effective sand body thickness and yield of Xiashihezi Formation in J58 well area

4.3 巖性對氣水分布的控制作用

通過鉆井巖心觀察及薄片鑒定，認為J58井區巖性主要為巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑石英砂巖以及石英砂巖，巖屑中以千枚巖、石英巖巖屑為主。儲集巖為各種粒級砂巖，包括含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖及細砂巖，以中—粗砂巖為主，含礫粗砂巖次之。對 J57，J78，J89，J95，J98，J103，J115 等多口井不同粒度砂巖與含氣性關系的分析（圖7）表明，高含氣飽和度巖性上以含礫粗砂巖為特征，該類砂體儲集空間上以粒間溶孔最為發育，孔隙間連通性較好、儲層的物性好，中等含氣飽和度巖性主要為中—粗粒砂巖，差含氣飽和度巖性為細砂巖。

以J58井區盒1-3小層和盒3-1小層含礫砂巖厚度與氣水產量疊合圖（圖8）為例，含礫砂巖厚度大的區域產氣量大，工業氣流井也多，但在盒1段烏蘭吉林廟斷裂以南地區，儲層具有較強的非均質性，一些物性較好的砂體被泥巖和低滲透致密砂巖夾層隔開，使天然氣缺乏通道而無法進入，導致含氣性較斷裂北部更差［36］。總體上，含礫砂巖的厚度進一步控制了氣水的展布范圍。

圖7 J58井區下石盒子組不同粒度砂巖與含氣飽和度關系Fig.7 Relationship between sandstone with different grain sizeand gassaturation of Xiashihezi Formation in J58 well area

J58井區區域構造為向西傾斜的大單斜構造，地層傾角小于1°，但由氣水層縱向（參見圖4）和平面（參見圖5）分布可以看出，氣水基本不受區域構造的控制，氣水分異作用不明顯，僅有少數局部高部位對氣水分布有一定影響。研究區中部烏蘭吉林廟斷裂在側向上不具備封閉性，天然氣易突破斷裂向北運移，北部泊爾江海子斷裂在該區側向封閉性較好，從而使斷層南部天然氣富集程度較高。

圖8 J58井區盒1-3（a）及盒3-1（b）小層含礫砂巖厚度與產量關系Fig.8 Relationship between pebbly sandstone thickness and yield in 1-3（a）and 3-1（b）submember of Xiashihezi Formation in J58 well area

5 結論

（1）杭錦旗地區J58井區下石盒子組地層水水型為CaCl2型，各離子含量差別較大，地層水具有礦化度高、弱酸性特征，結合地層水化學特征系數反映出下石盒子組地層水處于封閉環境條件，研究區有利于油氣聚集和保存。

（2）杭錦旗地區J58井區下石盒子組氣水關系復雜，無明顯氣水邊界，可劃分為4種類型：氣層、氣水同層、水層和干層。縱向上氣、水層連續性差，呈透鏡狀交叉分布，無明顯的氣水分異現象。下石盒子組多數為氣水同層，氣層主要分布在盒1段，盒3段有少量分布；平面上氣層集中分布在河道砂體連片分布區，氣水同層圍繞氣層分布，水層呈帶狀分布，干層主要分布在研究區東部砂體厚度較薄的區域。（3）杭錦旗地區J58井區下石盒子組氣水分布主要受生烴強度、沉積相、有效砂體厚度以及巖性的控制。生烴強度大且距離烴源巖近，氣層更加發育，而沉積相、有效砂體厚度和含礫砂巖厚度則決定了產氣量及氣水層的展布范圍。