臨興地區致密氣 “多層系準連續”成藏模式與大氣田勘探實踐

杜 佳 朱光輝 吳洛菲 張政和 高計縣 喻玉潔 馬遵敬 張 明

中聯煤層氣有限責任公司

0 引言

近日，從中國海洋石油集團有限公司（以下簡稱中國海油）獲悉，經國家自然資源部審定，山西臨興氣田探明天然氣地質儲量超過1 010×108m3，中國海油在陸上成功發現千億立方米大氣田。目前該氣田正進一步加快勘探開發，建成后將大大增強華北地區清潔能源的供應能力，可以為實施新時代西部大開發戰略和雄安新區建設提供綠色清潔的能源保障。臨興地區構造活動異常復雜、巖層普遍致密化，前期的研究結論普遍認為氣藏保存條件差、天然氣逸散嚴重、難以形成規模性氣田。近年來，許多學者針對臨興致密氣作了詳細研究，在構造、沉積、儲層、成藏方面取得了明顯的進展[1-21]，研究結果表明，臨興氣田致密氣具備含氣層系多、斷裂體系發育、天然氣運移距離遠、成藏期次多等典型特征，但是截至目前尚未明確油氣成藏的模式。為此，筆者基于地質背景調查、構造演化解剖、鉆井地質分析、巖心取樣及實驗等手段，對該區致密砂巖氣的成藏條件、成藏模式及富集規律等開展了研究，總結出“多層系準連續”成藏模式，明確了致密氣成藏的主控因素，以期指導臨興氣田致密氣藏的大規模勘探及開發實踐。

1 致密砂巖氣成藏條件

臨興氣田位于山西省呂梁市，地處鄂爾多斯盆地東緣，位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡與晉西撓褶帶過渡位置，離石斷裂帶以西，發育中淺層埋深、特低豐度、特低孔隙度、特低滲透率、中—低產能的大型氣田[22-25]。研究區上古生界地層為連續沉積呈整合接觸關系，沉積期主要為海陸過渡相—陸相沉積環境，含氣層系縱向大范圍分布，在石炭系本溪組，二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組均有發現（圖1），形成了多套含氣層系和成藏組合[25-33]。含煤層系或泥質烴源巖主要分布在本溪組、太原組和山西組中，儲集砂體在各層段均有發育，縱向上可識別為本溪組—山西組源內成藏含氣層系，下石盒子組近源成藏含氣層系，上石盒子組和石千峰組遠源成藏含氣層系[34-36]。

圖1 臨興氣田構造位置及綜合地層柱狀圖

1.1 烴源巖條件

臨興氣田上古生界烴源巖屬于海陸交互沉積的含煤層系，主要發育在石炭—二疊系的本溪組、太原組和山西組的煤層和暗色泥巖中，烴源巖厚度及分布面積較大，有機質豐度高，具有廣覆式沉積的特點。太原組、山西組煤層厚度一般介于6 ～10 m，總有機碳含量（TOC）分布介于55%～80%，最大熱解溫度（Tmax）平均超過470 ℃，有機質熱演化成熟度（Ro）平均值為1.32%（圖2-a），整體處于成熟—高成熟階段；暗色泥巖總厚度介于50 ～80 m，TOC主要分布在1%～10%之間，Tmax平均為470 ℃，Ro平均為1.17%，（圖2-b）也顯示出成熟—高成熟階段特征。此外，因位于東南部的紫金山火山活動時間處于區域成藏期內，火山活動促進了區域生烴作用，加速了火成巖周邊氣源巖的成熟和生烴作用，生氣強度高達20×108～25×108m3/km2。總體看來，臨興氣田具有良好的生烴條件。

圖2 臨興氣田煤及暗色泥巖的Ro 頻率分布直方圖

1.2 儲蓋條件

臨興氣田上古生界各層段間有厚層泥巖分隔，為相互獨立的含氣單元，各單元內氣層的發育程度和分布范圍受砂體展布及儲層物性控制。太原組太2 段氣藏在平面上主要受障壁砂壩及潮汐水道沉積的砂巖控制，其緊鄰煤系氣源巖而普遍含氣，主砂體向北微相變為潟湖相，向南微相變為淺海陸棚相，其側向尖滅所形成的致密巖性遮擋可構成有效圈閉。縱向上，太原組太2 段頂部為厚層泥巖、碳質泥巖夾三套薄煤層，下部為區域穩定煤層8 號煤、9 號煤及泥巖、碳質泥巖，三者共同形成了“三明治式”的有利儲蓋組合。山西組1段氣藏、下石盒子組8 段、7 段、6 段氣藏、上石盒子組4 段、3 段、2 段、1 段及石千峰組5 段沉積期發育為陸相湖泊—三角洲沉積體系，近南北向分布的河道微相厚層砂體構成了主要的儲集類型，橫向上受分流間灣等沉積微相相變或物性致密化影響，形成側向遮擋[35]；在縱向上，山西組、太原組的煤層、碳質泥巖及暗色泥巖，石盒子組及石千峰組各層系內部厚層砂質泥巖、泥巖構成了良好的區域性蓋層。整體看來，臨興氣田儲蓋組合特征明顯，相互搭配，是大氣田形成的重要基礎。

臨興氣田上古生界儲集巖性主要為不同粒度的巖屑長石砂巖、長石砂巖等。縱向分布上總體表現為石英含量從上（石千峰組5 段）向下（太原組2 段）逐漸升高，而長石碎屑含量則逐漸降低的特征。巖屑組合以火成巖、變質巖為主。孔隙類型多樣，通過鑄體薄片、陰極發光、掃描電鏡等觀察分析，儲層沉積期后壓實作用強烈，原始的粒間空隙少有殘余，主要發育深埋階段形成的次生粒間或粒內溶孔。此外，受東南側紫金山構造隆升影響，構造裂縫廣泛分布（圖3）。儲層物性分析表明，孔隙度中值多低于10%。滲透率中值常在1 mD 以內，以特低孔、特低滲儲層為主，致密化程度高。針對研究區致密砂巖儲層孔隙類型多樣、孔喉結構復雜的特點，可將儲層分為四大類， I、II 類甜點儲層是下一階段油氣勘探開發的重點，其主要受潮坪、砂坪微相以及分流河道主河道控制，以粗砂巖為主體，亞微米—微米級孔隙為主的裂縫孔隙型儲集空間為主，具有較高的平均孔滲條件和較低的排驅壓力（圖4）。

圖3 臨興氣田致密氣儲層主要孔隙類型鏡下照片

2 致密砂巖氣 “多層系準連續”成藏模式

臨興氣田氣源充足，并且顯示出先致密、后成藏的特點。研究表明，儲層流體包裹體均一溫度呈現連續分布特征，含氣態烴包裹體伴生鹽水包裹體均一溫度分布在80 ～170 ℃，不同層位的均一溫度差異不大，但自上而下均一溫度略有增大。結合埋藏史—熱史圖和不同層位的流體包裹體均一溫度，確定臨興區塊的天然氣主要充注成藏期為距今155 ～120 Ma（圖5），成藏時間為晚侏羅—早白堊世。同步開展的成巖作用研究結果表明，砂巖表現為在強壓實減孔的基礎上，經多次膠結—黏土礦物充填的致密過程。砂巖儲層具多次石英加大或膠結的特點，早成巖A 階段發生早期石英次生加大，形成較干凈的次生加大邊，基本不見包裹體的捕獲現象；第二期石英次生加大邊具有“臟邊緣—富包裹體”的特點，流體包裹的均一溫度測試結果為94 ℃，埋藏熱演化史模擬結果顯示，該時期為晚三疊世末，還對流體包裹體進行了激光拉曼實驗測試分析，獲得了飽和烴類成分。可以看出，在第二期次生加大邊形成初期，早期烴類物質流體已經進入砂巖儲層，儲集砂體進行了多次的有機酸溶蝕，多數次生孔隙被長石易溶礦物溶蝕之后的轉化黏土礦物充填。這是儲層致密化的主要原因，并且在主成藏期之前，黏土礦物對儲層的致密化強度達到最大。因此，氣田表現出先致密、后成藏的特點。

圖4 臨興氣田不同類型儲層壓汞特征、孔徑結構以及T2 圖譜

圖5 臨興氣田天然氣主要成藏期次劃分圖

臨興氣田上古生界儲層在中侏羅世時期發生普遍的致密化，本溪組及太原組大量的煤系烴源巖在晚侏羅世時期開始大規模的排烴，在源內儲層富集以后，在逐次擴散到近源下石盒子組致密砂巖儲層中，其頂部受石盒子組中部區域性大蓋層遮擋，發育為優質的源內及近源成藏體系。隨后進入早白堊世階段，紫金山侵入上古生界地層中，在上述地層中形成大量貫通的斷裂體系，石盒子組中部區域性蓋層遭受明顯破壞，源內與近源天然氣沿斷裂向上石盒子組、石千峰組運移，形成遠源成藏體系，白堊世中后期，紫金山火山活動逐漸消停，部分斷裂體系閉合，下部的源內和近源天然氣向上部淺層儲層運移的速度和規模均大量減弱。但值得注意的是，后期紫金山發生了多期的火山大規模噴發，新的斷裂體系大量形成，先期斷裂體系再度活化，構成了深層天然氣向淺層運移的第二個高峰階段，直接導致紫金山頂部及周邊大量氣藏的天然氣部分逸散（圖6）。綜上可知，早白堊世開始的紫金山區域性隆起事件形成的大量斷裂疏導體系，是臨興地區源內、近源、遠源多層系縱向大跨度富氣的重要原因。與此同時，少量通天斷層也使得淺層的天然氣成藏規律更為復雜，加大了該區天然氣勘探開發的難度。

由上可知，對于本溪組—山西組源內成藏組合和下石盒子組近源成藏組合來說，致密儲層形成后，天然氣向致密砂巖層運移的途徑，除了傳統的生烴增壓驅動的快速超壓流運移外，烴濃度梯度驅動的分子擴散流運移也是部分層系天然氣運移的主要方式，天然氣沿著孔隙、裂縫及斷層以垂向和短距離側向運移，彌漫式充注進入鄰近巖性圈閉中聚集成藏。而對于上石盒子組含氣層系和石千峰組遠源成藏組合，紫金山隆起伴生的裂縫和小斷距斷層尤其重要，是源頭或近源成藏組合中天然氣向上運移進入上石盒子組、石千峰組的重要垂向輸導通道（圖7）。

整體看來，臨興氣田氣藏縱橫向大范圍分布，沒有明顯的氣水邊界，壓力系統復雜。中下部天然氣成藏系統以近源成藏和源內成藏為主，天然氣運移動力主要為源儲剩余壓差，氣層呈“砂條式”富集。中上部發育有遠源氣藏，斷裂溝通下部氣源，氣層沿斷裂呈條帶式分布。臨興氣田整體顯示為“多層系準連續”的成藏模式。

3 致密砂巖氣成藏主控因素

3.1 烴源巖條件控制了氣藏的規模

圖6 臨興氣田輸導體系構成與天然氣充注歷史配置關系圖

圖7 臨興氣田致密砂巖氣成藏模式圖

臨興地區烴源巖優質的生烴能力和強度形成了良好的生烴增壓作用，并且在烴源巖和儲層中形成一定壓差。這是臨興地區源內及近源天然氣運移的主要動力。研究結果與勘探實踐表明，生烴強度對天然氣藏在宏觀上的分布具有較為明顯的控制作用，通過建立臨興區塊內不同層位的生烴強度與無阻流量的相關關系，以及煤層厚度與無阻流量的相關關系得出，工業氣流井的主要分布區多位于高煤層厚度（超過11×108m3/km2）、高生烴強度（超過11 m）的分布區。此外，進一步研究表明，煤層厚度、生烴強度與天然氣的運移距離和持續時間具有明顯的正相關關系，煤層厚度、生氣強度大的區域，天然氣垂向運移距離更遠（圖8）。

3.2 沉積儲層條件奠定了氣藏的物質基礎

沉積相帶控制有利儲層的空間展布和發育規模，臨興地區物源區位于北部陰山古陸，碎屑物質供給充足，地表高差大水系極為發育，河道沉積占據了絕對優勢地位。河道砂體巖性普遍較粗，以中—粗砂巖甚至含礫粗砂巖為主，細粒沉積占比少。砂體往往多期連片疊置，垂向上厚度大，橫向上分布廣，具有大面積多層系的優質儲層發育基礎。但值得注意的是，即使是同一期沉積的砂體，由于砂體類型的不同，其儲集性也存在差異。一般來說，分流河道主河道砂體中，因其水動力能量最強，細碎屑含量相對較少，物性最好，而分支河道、河道側翼、決口扇、廢棄河道充填砂體、天然堤砂體等則由于沉積顆粒細，砂泥混雜程度高而巖性相對致密（圖9）。

此外，還需要重視的是，儲層成巖溶蝕作用對砂巖物性好壞起決定作用，研究表明臨興地區上古生界目的層段已進入中期成巖階段A 期和B 期。生烴作用形成的有機酸大量進入到油氣儲層中，對長石、巖屑等易溶顆粒，碳酸鹽巖膠結物等易溶填隙物產生了大規模的溶蝕作用。導致本區的溶蝕作用異常強烈，大幅度地改善了部分深埋儲層的物性，發育為致密氣儲層中的優質甜點。

3.3 紫金山隆起構造對致密氣成藏的重要意義

圖8 臨興氣田氣源條件對氣藏的控制作用圖

圖9 臨興氣田LZL-110 井上石盒子組盒1 段—盒2 段沉積相綜合柱狀圖

臨興氣田可以形成探明儲量超過千億立方米的大氣田，其東南部發育的紫金山隆起構造具有重要意義[36]。紫金山隆起帶平面分布面積大約23 km2，整體呈不規則的橢圓狀，地表分布的圍巖主要為中三疊世砂泥巖地層，上覆第四系近現代沉積。以紫金山高點為中心，不同的巖性帶呈不規則的環帶狀分布，位于北東向與近東西向兩組斷裂的疊合區域，是燕山期巖溶作用的典型代表，屬于中深成侵入穹隆型熱力構造，其侵入方向明顯，多期爆發，常可以侵入到奧陶系甚至三疊系地層中，局部噴出地表造成多次火山爆發（圖10）。研究認為，紫金山巖體的形成對臨興氣田的生烴、儲層改造、天然氣疏導等成藏過程具有明顯的影響：

1）紫金山對源巖生烴的促進作用：紫金山巖漿的侵入帶來了大量熱源，有利圍巖有機質的加速成熟，使得有機質鏡質體反射率上升，熱演化成熟度遠高于常規正常沉積盆地。臨興氣田的煤系烴源巖多處于成熟—過成熟階段。平面上，相同埋深條件下，離紫金山更近的臨興氣田成熟度大于位于其北部的神府氣田，且部分離火山巖脈較近的臨興樣品（LZL11-1、LZL-15、LZL-18、LZL-17）成熟度較高，屬于過成熟樣品，其Ro均高于2.0%，說明煤層因火山巖體烘烤而使煤系烴源巖成熟度升高，促進生烴作用（圖11）。縱向上，山西組煤層樣品的Ro在1.00%左右，隨著埋深增加，成熟度略有增大，太原組煤層的樣品成熟度介于1.00 ～1.20%，本溪組煤層樣品成熟度介于1.00%～2.13%，但離紫金山火山巖脈最近的LZL-18 井樣品Ro最高，說明紫金山火山活動對煤層烘烤作用明顯，促使成熟度增大，有利于天然氣成藏。

圖10 臨興氣田紫金山巖體形成示意圖及相帶分布圖

2）紫金山活動對儲層改造影響：紫金山隆起形成了大量的破裂體系，隆起區周緣尤其發育，儲層滲透率得到較大改善。統計臨興氣田下石盒子組盒8段儲層物性與距紫金山巖體距離的結果發現：儲層砂巖的滲透率值與火山巖距離具有明顯的規律，在離火山巖較近的地方，受熔巖高溫變質影響，儲層滲透率變低。在離火山巖3 ～15 km 的范圍，火山巖伴生的大量縫網體系有效改造儲層，砂體滲透較好（平均滲透率超過0.5 mD）。在距離火山15 km 以上的范圍，紫金山隆起影響減弱，裂縫發育程度變弱，儲層滲透率再次降低。統計結果表明，裂縫指數與產能具有一定的正相關關系（圖12）。據臨興地區各目的層的裂縫指數與氣井無阻流量的交匯關系分析，裂縫指數大于0.6 時多為商業氣井，而Ⅳ類低產井的裂縫指數多小于0.6。

圖11 臨興氣田與神府氣田烴源巖熱演化成熟度與埋深交會圖

圖12 臨興氣田裂縫發育程度與氣井產能分布交匯圖

3）對天然氣運移的輸導影響：砂體的儲滲網絡，構造形成的斷裂體系是臨興氣田天然氣運移的兩個主要途徑，而紫金山隆起又是區域斷裂體系發育的最重要誘因。紫金山發育附近斷裂呈高密度弧形和放射狀展布，剖面上斷裂樣式簡單，大部分呈近90°傾角，垂向斷距小（圖13），而遠離紫金山構造的平緩區斷裂發育密度低。這些斷裂雖然規模不大，但在縱向上部分切穿整個上古生界氣藏。因此，底部生成的天然氣可以沿著斷裂向上發生垂向運移并選擇具有良好物性的砂體就近聚集成藏。這是造成該地區上古生界氣藏多層系分布的重要原因，并且淺層氣藏中甲烷和乙烷的碳同位素值異常高，可以推斷發生過源內向淺層的快速成藏過程。

圖13 臨興氣田本溪組斷裂體系分布圖

4 大氣田勘探實踐

臨興氣田的天然氣勘探隨著對該區致密氣成藏認識的不斷深入而發展。

1）第一階段為紫金山構造有利于氣藏形成的新認識建立階段。2013—2014 年，臨興氣田共完成三維地震勘探約700 km2，基本實現臨興氣田三維地震全覆蓋。中國海油中聯煤層氣有限責任公司（以下簡稱中聯公司）基于三維地震資料，在借鑒鄰區勘探成果的基礎上，重點對氣藏的控制因素和富集條件進行研究，查明了紫金山隆起構造的典型特征，開展了構造對氣藏分布規律的專題研究，取得了創新性突破，認識到紫金山構造對臨興氣田天然氣成藏具有重要的促進作用，改變了鄂爾多斯盆地東緣因構造破壞而無法發育大型氣藏的根本性觀點，優選出多個相對富集區，部署的LZL-15 井在上石盒子組盒4 段試氣獲得天然氣無阻流量4.8×104m3/d，后續又在LZL-6 井太原組太2 段測試獲得天然氣無阻流量13.27×104m3/d，陸續發現了石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組、太原組、本溪組等多套含氣層段，天然氣勘探取得重大突破，揭開了臨興氣田大規模勘探的序幕。

2）第二階段為“多層系準連續氣藏”成藏模式建立階段。2015—2017 年，中聯公司在總結以往勘探成果的基礎上，進一步對氣藏的控制因素和富集條件進行研究，建立了“多層系準連續”成藏模式，紫金山形成重要斷裂疏導系統的認識突破了固定勘探層位限制，多層系一體化選區取得了重大突破，首次優選了下石盒子組盒8 段及太原組太2 段氣層相對富集區近30 km2，建立先導性試驗區，部署開發試驗井24 口（其中水平井7 口），摸索合適的工藝技術體系，區塊產氣量保持在20×104m3/d 左右。

3）第三階段為臨興大氣田成功探明階段（2018年至今）。2018 年以來，臨興氣田陸續圍繞高產井部署開發試驗井，落實最優產能及儲量可動用性。在充分應用實用技術的同時，積極開展多種先進技術的實驗和推廣，加強現場管理，采用新的市場開發機制，走管理和技術創新、低成本開發之路。2019 年4 月，中聯公司向國家能源局備案了臨興氣田多層系總體開發方案，預備建立5 個開發區。截至2020 年6 月，結合地質綜合研究成果，在臨興氣田上古生界二疊系石千峰組千5 段，上石盒子組盒1 段、盒2 段、盒3 段、盒4 段，下石盒子組盒6 段、盒7 段、盒8段，山西組山1 段及太原組太2 段共計10 個含氣層段，探明天然氣儲量超過1 000×108m3，完成測試200 余口井400 余層次，試氣獲得天然氣無阻流量0.3×104～55.8×104m3/d，主要采用多層合采模式，基本建成天然氣產能近 10×108m3/a。

上述勘探實踐過程展示了成藏認識的突破對臨興大氣田發現的重要作用，為鄂爾多斯盆地東緣上古生界的油氣資源評價和預測提供了必要的理論支撐。由此不難看出，要在鄂爾多斯盆地東緣找到新的“臨興大氣田”，就必須深入研究盆地東緣特殊構造條件下形成的特殊成藏機制。這對我國乃至世界范圍復雜構造區的天然氣勘探都具有顯著的示范作用，對整個國民經濟中的意義也是不言而喻的。

致謝：本文為中聯煤層氣有限責任公司、中海油研究總院等單位聯合攻關成果，得到了中海石油（中國）有限公司勘探部等的關懷和大力支持，中聯煤層氣有限責任公司米洪剛、李忠城等對本文給予了精心指導與審查修改，在此一并致謝。