鄂爾多斯盆地慶陽氣田深層致密砂巖氣藏成藏條件

蒙曉靈 艾慶琳 王金成 卞曉燕 朱長榮安文宏 謝 姍 夏守春 蔣培明

1. 中國石油長慶油田公司勘探開發研究院 2. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室3. 中國石油集團測井有限公司生產測井中心

0 引言

鄂爾多斯盆地上古生界蘊藏著豐富的天然氣資源，是最早進行致密砂巖氣成藏理論研究的盆地之一。自20世紀90年代中期以來，在盆地北部上古生界天然氣勘探取得突破性進展，相繼發現了榆林、蘇里格、子洲、神木等大型砂巖氣田，從而進一步推動了致密砂巖氣成藏地質條件綜合研究和理論的發展。目前已形成以“廣覆式持續生烴充注、近距離運聚、大面積砂體疊置分布、大面積含氣”為核心的致密砂巖氣藏聚集理論[1-10]。隨著長慶油田油氣當量6 000×104t的目標順利實現，為保證各氣田穩產，亟需尋找新的接替潛力區。近年來，在盆地西南部上古生界的勘探工作已取得了重要進展[11-12]。發現了以ZT1井（測試產量為7.8×104m3/d）為代表的上古生界含氣富集區。隨著勘探工作的進一步推進，以ZT1井區下二疊統山西組山1段為主要目的層的開發先導試驗區目前已完鉆80余口，平均無阻流量15×104m3/d，初步具備4×108m3/a的產氣能力。針對該區特點，分析其成藏條件，為今后致密砂巖儲層的規模有效開發具有重要指導意義。

1 區域地質概況

研究區面積1 000 km2，構造上其主體位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西南部，總體為西傾單斜，傾角小于1°，斷層不發育（圖1）。該區晚古生代存在剝蝕古陸，上石炭統本溪組、下二疊統太原組、山西組依次向南超覆沉積。區塊上古生界整體缺失本溪組，太原組保存較全，但厚度較薄（6～16 m）。與盆地其他氣區的物源來自北部陰山山脈不同，通過對砂巖成分、巖屑組分、輕重礦物、陰極發光等資料分析認為，區塊沉積物主要來自西南物源。主要目的層山1段為曲流河三角洲沉積，三角洲前緣亞相發育，為砂巖巖性圈閉。截至2020年底，該區山1段氣藏ZT1井區提交天然氣預測地質儲量600×108m3。

圖1 研究區構造位置示意圖

2 烴源巖發育特征

由于上古生界上石炭系統缺失，研究區主要發育了2套烴源巖，即太原組和山西組煤系地層，雖然無論其厚度還是生烴效率上均差于盆地中部各大氣田，但其生烴強度介于12×108～24×108m3/km2，也具備成為良好烴源巖的條件（圖2）。

圖2 盆地上古生界生烴強度圖

2.1 烴源巖分布

前人研究認為在早石炭世沉積時，西緣地區與鄂爾多斯盆地內互不連通，盆地西部的古隆起阻隔了華北海與祁連海的連通。至本溪期，在盆地早古生代就已經存在的中央古隆起仍然分隔祁連海和華北海兩大海域，晚石炭世本溪期主要表現為廣覆式的填平補齊充填作用，圍繞古隆起形成障壁島—潮坪—潟湖沉積體系[13-15]。受中央古隆起影響，研究區本溪組缺失，太原組保存相對較全（占總井數的73%），但平均厚度僅有16 m。根據區內50口井實鉆數據表明，該區烴源巖主要為太原組—山西組的煤層及暗色泥巖，其中煤層主要分布在太原組頂部（一般發育1～2套），累計厚度1～4 m，平均厚度2.5 m；暗色泥巖在山2段發育，厚度介于60～90 m，平均厚度72 m，在全區范圍內分布穩定（圖3）。

圖3 研究區地層綜合柱狀圖

2.2 有機質豐度及熱演化程度

研究區上古生界主要氣源巖為山2段及太原組煤層，次要氣源巖包括山西組和太原組的暗色泥巖。從地球化學指標來看（表1），太原組和山西組煤層的有機碳含量（TOC）較高，平均值都超過60%；山西組的巖石熱解生烴潛量（S1+S2）略高于太原組，平均值為12.3 mg/g；山西組氯仿瀝青“A”含量明顯高于太原組，介于0.03%～0.55%，均值為0.22%。表1數據顯示：研究區主力烴源巖為山西組和太原組的煤層，其間發育的暗色泥巖是次要的烴源巖。干酪根類型以偏腐殖型—腐殖型為主，烴源巖鏡質體反射率（Ro）為1.6%～3.0%，普遍超過2.0%，處于高成熟—過成熟干氣階段，生烴強度平均在15.5×108m3/km2[11]，有較好的生烴能力，具備形成氣田的烴源巖條件[10]。

表1 研究區烴源巖地球化學指標表

3 儲集巖致密特征

3.1 儲層巖性特征

研究區上古生界主力產氣層為山1段，其砂巖類型主要為灰白色、淺灰色中粗粒石英砂巖、巖屑石英砂巖。巖石礦物組分中石英含量為65%～85%，平均為76%；巖屑以千枚巖、石英巖、板巖為主。填隙物主要以硅質（SiO2）、火山凝灰質為主，其次為黏土礦物、碳酸鹽膠結。

含氣砂巖顆粒粒徑一般為0.5～2.4 mm，主要為粗—巨粒砂巖、中—粗粒砂巖。顆粒接觸主要以線接觸、凹凸接觸方式為主，顆粒多數分選好，呈次圓狀、孔隙式、鑲嵌式膠結，孔隙類型主要為巖屑溶孔，其次為晶間孔，少見粒間孔。砂巖儲層總體呈現“特低孔隙、特低滲透”特征，孔隙度分布為0.84%～9.74%，主要分布在2.0%～8.0%，平均為4.98%；滲透率主要分布分布范圍為0.003～0.500 mD，平均0.19 mD（圖4）。

圖4 慶陽氣田山1段儲層物性分析頻率直方圖

研究區山1段砂巖儲層排驅壓力介于0.138～11.034 MPa，平均為1.702 MPa；最大連通孔喉半徑為0.067～5.329 μm，平均為1.611 μm；飽和度中值壓力為0.586～27.586 MPa，平均為6.517 MPa；飽和度中值半徑為0.027～1.254 μm，平均為0.448 μm；均值系數為0.100 0～0.983 7，平均為0.513 1。最大進汞飽和度60.63%～95.65%，平均為89.66%，退汞效率分布在9.81%～39.68%，平均為27.33%。研究區山1段有效儲層主要為Ⅰ、Ⅱ類（圖5）。

圖5 慶陽氣田山1段有效砂巖儲層典型毛細管壓力曲線圖

3.2 儲層致密因素和孔隙度定量化研究

綜合分析該區砂巖成巖階段已基本進入晚成巖階段“B”期。區內砂巖儲層中石英主要呈Ⅲ級次生加大膠結；碳酸鹽礦物以亮晶方解石為主，部分地區發育鐵方解石和鐵白云石；黏土礦物中伊利石—蒙皂石混層（I/S）小于10%；孔隙度低，基本小于7%，以次生溶孔為主，見裂縫發育；包裹體記錄了隨時間變化而發生的溫壓條件和成分的變化，鹽水包裹體均一溫度大致記錄了自生礦物形成的溫度。包裹體均一溫度峰值介于130～160 ℃之間，說明碎屑成巖演化程度較高，山西組基本已進入晚成巖階段“B”期[16-18]。

造成該區砂巖致密的主要原因有：①在長期高強度壓實下，變質巖屑中的軟組分（千枚巖、板巖）變形強烈，對孔隙進行擠壓，形成了以微孔隙為主的致密砂巖；②以硅質、碳酸鹽巖為主的膠結作用也是導致砂巖致密的重要因素；在砂巖儲層埋藏過程中，普遍存在于碎屑顆粒之間的硅質膠結物主要以次生加大形式出現，對儲層孔隙度、滲透率影響極大，已基本無殘余粒間孔，形成了“特低孔隙、特低滲透”的致密儲層；③自生黏土礦物中伊利石、綠泥石大多以顆粒薄膜式（孔隙襯里）和球射狀（孔隙充填）的形式存在，易于堵塞砂巖孔隙喉道，對砂巖滲透率有顯著破壞作用。

通過薄片鑒定，結合孔隙演化模擬等手段對各成巖作用影響孔隙度變化做定量化分析。如果將三角洲前緣相原生孔隙取值為35.0%[1]，經壓實階段后，剩余孔隙度只有12.47%，經膠結作用后，再損失9.0%，孔隙度只保留了3.47%，儲層十分致密。至晚成巖A期，煤系烴源巖地層中有機質在較高溫壓條件下分解有機酸，導致孔隙介質呈酸性，長石、方解石膠結物在一定條件下生成自形高嶺石集合體礦物，體積縮小，從而產生部分孔隙空間；同時，在較粗粒的石英砂巖中，常見高嶺石結晶良好，其晶體堆積松散，保留了良好的晶間孔，使孔隙體積進一步加大。最終溶解作用可使砂巖儲層孔隙度增加1.51%。各成巖作用對孔隙度的綜合作用下，目前儲層孔隙度僅為4.98%（圖6）。

圖6 研究區成巖作用對孔隙度演變示意圖

此外，常規薄片、掃描電鏡觀察表明，該區發育少許微裂縫，可分為粒間縫和構造縫。前者由成巖過程中巖石收縮引起，后者與構造擠壓/拉張相關。構造縫為次生溶蝕孔隙的產生創造了條件，也是油氣聚集成藏過程中不可或缺的運移通道。

4 成藏模式探討

大中型氣田的形成要求有一定的生氣強度。鄂爾多斯盆地中東部構造上隸屬于伊陜斜坡，構造斷裂不發育，屬于致密巖性氣藏，生烴強度大于20×108m3/km2。蘇里格氣田生烴強度為24×108m3/km2，烏審旗氣田生烴強度為28×108m3/km2，榆林氣田生烴強度為30×108m3/km2，米脂氣田生烴強度為32×108m3/km2[1]。研究區生烴強度為15×108m3/km2[11]，具有較好的生烴潛力。研究區上古生界山1段底部發育一套厚度介于5～12 m的灰白色中、粗粒石英砂巖有效儲層，其上覆盒8層砂巖不發育，多為淺灰色細、粉砂巖，與泥巖互層，成為天然氣縱向運移的區域蓋層。對于致密砂巖天然氣的成藏，源巖生烴增壓是油氣充注最重要的驅動力，研究區山1段砂巖儲層緊鄰優質烴源巖，以微裂縫為主要運移通道，形成了天然氣富集區帶[19-21]。根據該區試氣成果，其山13層不產水，說明天然氣對該層段進行了徹底充注，而局部以盒8層有效儲層為目的層的氣井，試氣后普遍產水，說明該層由于距離烴源巖較遠，天然氣未能充注充分。可見，在該區致密砂巖儲層背景下，較好的烴源巖、單一的優勢儲集層、優質的區域蓋層構成了天然氣富集成藏的重要條件（圖7）。

圖7 研究區上古生界天然氣成藏模式圖

5 結論

1）研究區是典型的致密砂巖巖性圈閉氣藏。其烴源巖有機碳含量（TOC）較高，平均值超過60%以上；山西組煤層的氯仿瀝青“A”含量、巖石熱解生烴潛量（S1+S2）均略高于太原組，平均值分別為0.22%、12.3 mg/g。干酪根類型以偏腐殖型、腐殖型為主，處于高成熟—過成熟熱演化階段，顯示該區具有較好的生烴條件，具備形成氣田的烴源巖條件。

2）強烈的成巖作用導致儲層物性總體呈現“特低孔隙、特低滲透”特征，儲層發育具有很強的非均質性。由于儲層發育的單一性，使得上古生界山西組山13層天然氣充注最為充分，為該區的優勢儲層，其巖性主要為中、粗粒石英砂巖，孔隙以巖屑溶孔、晶間孔為主。

3）區內上古生界太原組與下古生界不整合接觸，構成了巖性圈閉的底板，盒8～盒4層間發育的細粒物質可作為優質的區域蓋層；烴源巖主要為太原組—山2段煤層及暗色泥巖；山西組山13層底部發育的一套灰白色石英砂巖儲層是主要的天然氣儲集體，在微裂縫輸導情況下三者構成該區巖性氣藏天然氣聚集生、儲、蓋組合條件。