鄂爾多斯盆地寧古3井太原組含鋁巖系天然氣成藏特征及地質意義

孟衛工 李曉光 吳炳偉 宮振超 董德勝 劉媛媛 咸秀明

（ 中國石油遼河油田公司 ）

0 引言

鄂爾多斯盆地石炭系—二疊系含鋁巖系比較發育、分布廣泛，不同層位含鋁巖系均發育在下古生界碳酸鹽巖風化殼之上。加里東運動之后，受中石炭世海侵自東南向西北逐步侵進影響，含鋁巖系的層位自東向西由老變新，在盆地東北部主要發育在上石炭統本溪組，在盆地西南部主要發育在下二疊統太原組[1]。含鋁巖系具有特定的沉積環境和形成階段，在巖石組合序列上自下而上通常為鐵質黏土巖、鋁土礦、鋁土質泥巖、砂巖、碳質泥頁巖、煤層、石灰巖等[2-3]。由于含鋁巖系整體具有密度大、相對致密的特點，在油氣勘探中，一直被當做風化殼氣藏的區域蓋層[4-5]，雖然在一些探井中有氣測異常顯示，但常被認為是上覆煤層的氣測后效而被忽視。2015年，劉文輝等針對鄂爾多斯盆地東北部大牛地氣田本溪組鋁土質泥巖的儲集性能開展測井評價，認為鋁土質泥巖微裂縫和溶孔發育，具有較好的孔隙網絡，可成為潛在儲層[6]，但并未引起過多關注和重視。2020年，為了探索新領域，尋找新的氣藏類型，通過對鄂爾多斯盆地西南緣太原組老井復查，開展了太原組含鋁巖系成藏條件研究，部署實施區域探井寧古3井，該井于2020年4月15日開鉆，2020年5月27日在寒武系崮山組—長山組—鳳山組完鉆，完鉆井深為3750m，2020年9月12日，在太原組含鋁巖系試氣，8mm油嘴自噴求產，獲日產氣13.44×104m3。寧古3井的成功勘探，改變了含鋁巖系不能形成有效儲層的傳統地質認識，發現了新的氣藏類型，拓展了油氣勘探領域，展示了含鋁巖系具有較大勘探潛力和良好勘探前景。

本文以寧古3井勘探發現為契機，利用錄井、測井和分析測試資料，開展含鋁巖系儲層微觀特征研究，評價其儲集性和含氣性，分析成藏控制因素，探討天然氣成藏模式，為鄂爾多斯盆地本溪組、太原組廣泛發育的含鋁巖系勘探提供借鑒。

1 區域地質背景

華北地臺前石炭系碳酸鹽巖風化殼之上廣泛發育一套含鋁巖系，賦存于這套含鋁巖系中的鋁土礦是喀斯特型（碳酸鹽巖巖溶型）鋁土礦床的典型代表[1，3，7-9]。自20世紀50年代以來，諸多學者對華北地臺石炭系—二疊系含鋁巖系的物質來源和富集成礦規律進行研究，在成礦物質來源方面主要有3種不同觀點:第一種觀點認為來源于古陸（島）的鋁硅酸鹽巖；第二種觀點認為來源于下伏的寒武系—奧陶系碳酸鹽巖及泥質巖；第三種觀點為混合來源，認為來自古陸的鋁硅酸鹽巖和下伏寒武系—奧陶系的碳酸鹽巖，不排除巖漿活動帶來的火山物質[2-3，8-12]，目前多數人持第三種觀點。在形成機理方面觀點基本一致，認為加里東運動使華北陸表海抬升為陸，造成中奧陶世—早石炭世約130Ma的沉積間斷，古陸（島）的鋁硅酸鹽巖和基底碳酸鹽巖遭受強烈物理—化學風化作用，形成巨厚紅土層，紅土化作用使巖石中的K、Na、Ca、Mg等可溶性元素不斷被帶走，不溶組分Al2O3、Fe2O3、SiO2等逐步聚斂。至中石炭世，伴隨廣泛海侵，富含鋁質的紅土層經搬運或原地沉積于潟湖和海灣中，形成鋁土礦層。再經歷表生風化淋濾作用，Fe、Si等雜質元素大量流失，Al元素逐漸富集，形成鋁土礦床[2-3，8-12]。石炭系—二疊系含鋁巖系的形成和發育程度主要受沉積古地貌和古環境控制。

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，是在太古宇—古元古界結晶基底之上發育起來的多旋回疊合盆地，面積約為32×104km2。沉積地層厚度大于5000m，自下而上為中元古界—下白堊統，缺失志留系—下石炭統。盆地可劃分為西緣沖斷帶、天環坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、伊盟隆起和渭北隆起6個一級構造單元，油氣主要分布于伊陜斜坡[13-16]，寧古3井位于伊陜斜坡西南部（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地構造區劃與寧古3井位置圖Fig.1 Structural division of Ordos Basin and location of Well Ninggu 3

鄂爾多斯盆地構造演化主要經歷了裂陷盆地（中—新元古代）、華北克拉通盆地（早古生代）、華北克拉通內坳陷盆地（晚古生代—中三疊世）、鄂爾多斯內陸坳陷盆地（晚三疊世—白堊紀）和鄂爾多斯周緣斷陷盆地（新生代）5個階段[13-14，17]，其中，古生代是穩定的克拉通盆地演化階段。早古生代，受早期區域伸展和晚期擠壓作用控制，在盆地西緣、南緣形成“L”形中央古隆起，盆地古地理格局呈現“一隆三坳”，沉積格局東西分異明顯，東側華北海以陸表海碳酸鹽巖沉積為主，南側、西側秦祁海以陸緣海碳酸鹽巖和泥質巖沉積為主。奧陶紀末，受加里東運動影響，鄂爾多斯盆地整體抬升，遭受強烈剝蝕[13]。晚石炭世開始，在拉張構造背景下，鄂爾多斯盆地發生區域性沉降，本溪組沉積期，盆地繼承了早古生代的古地理格局，隨著海水自東向西侵入，中央古隆起范圍逐步縮小，本溪組自盆地中心向西南及東北方向超覆，沉積環境主要為淺海陸棚、潟湖、潮坪，沉積了一套由鐵鋁巖層、泥巖、砂巖、石灰巖和煤層構成的地層，其中潟湖相發育灰黑色鐵鋁質泥巖、鋁土巖、凝灰質砂泥巖等含鋁巖系，主要分布在盆地東北部。此時寧古3井所在的盆地西南部地區尚未接受沉積。下二疊統太原組沉積期，海侵進一步加強，中央古隆起逐步向南退縮，并沉沒于水下，開始接受沉積。盆地中東部主要為淺海陸棚和濱岸環境的石灰巖、生物灰巖和煤層沉積；中北部主要發育沖積平原和潮坪相的煤系沉積；西南部主要發育潮坪和潟湖沉積，在潟湖環境中沉積一套含鋁巖系（圖2）。下二疊統山西組沉積期，受南北兩側大洋相向俯沖影響，華北地臺抬升，海水退出，盆地演變為內陸湖盆，以河流—三角洲—湖泊沉積為主，沉積格局呈現南北分異[14，17-20]。

圖2 鄂爾多斯盆地西南部太原組沉積時期古地貌圖Fig.2 Paleogeomorphic map during the deposition period of Taiyuan Formation in the southwestern Ordos Basin

2 太原組含鋁巖系氣藏地質特征

2.1 巖性特征

寧古3井揭示古生界地層608.0m（未穿），自下而上為寒武系崮山組—長山組—鳳山組、奧陶系馬家溝組、二疊系太原組、山西組、石盒子組、石千峰組。其中二疊系太原組（3598.0～3633.0m）厚度為35.0m，與上覆山西組整合接觸，與下伏奧陶系馬家溝組呈角度不整合接觸。通過巖石薄片、鑄體薄片、X-衍射全巖、掃描電鏡分析，太原組巖性主要為灰色鋁土質泥巖、灰色鋁土巖、淺灰色砂巖（含凝灰質、鋁土質）、灰色凝灰巖、灰黑色泥巖及煤層。

從測井曲線分析，太原組鋁土巖層的自然伽馬異常高，一般在450API左右，局部超過600API。從自然伽馬能譜測井測量的地層鈾、釷、鉀含量可以看出，在鋁土巖層中鈾、釷含量比圍巖明顯升高、鉀含量變化不大，分析認為鈾和釷含量升高是產生高自然伽馬的主要原因。鋁土巖的主要化學成分Al2O3具有吸附作用，容易吸附母巖風化的產物釷和可溶于水的六價鈾。而放射性元素鉀則主要存在于長石、云母中，所以整體變化不大。因此，鋁土質含量越多，自然伽馬越高[6]。鋁土巖、鋁土質泥巖電阻率高于泥巖，一般為35Ω·m左右，最大值為58Ω·m，在鋁土質泥巖下部電阻率降低；補償中子孔隙度呈高值，一般在60%左右，最高值為68%；密度為高值，普遍在2.74g/cm3左右；聲波時差為低值，普遍在63μs/ft左右（圖3）。

圖3 寧古3井二疊系太原組綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive stratigraphic column of Permian Taiyuan Formation of Well Ninggu 3

2.2 儲層特征

根據寧古3井太原組鑄體薄片、掃描電鏡、氮氣吸附法孔隙結構分析等測試數據分析，太原組含鋁巖系屬于孔隙—裂縫復合型儲層，儲集空間類型多樣，儲層物性較好。

太原組含鋁巖系巖性復雜，其中可形成有效儲集空間的巖性主要為砂巖及脆性較大的鋁土巖、鋁土質泥巖等，儲集空間類型存在差異。砂巖儲集空間類型包括殘余粒間孔、粒間溶孔、長石蝕變產生的晶間孔等；鋁土巖、鋁土質泥巖儲集空間類型包括一水硬鋁石的晶間孔（孔徑最大可達938.0nm）、層間微裂縫、收縮微裂縫、構造微裂縫等（圖4）。多種巖性頻繁互層使含鋁巖系在成巖過程中極易形成層間裂縫，并在后期構造作用改造下，形成立體網絡式溝通的孔隙—裂縫復合型儲層。

圖4 寧古3井太原組含鋁巖系儲集空間類型顯微照片Fig.4 Photomicrograph of reservoir space of aluminiferous rock series of Taiyuan Formation in Well Ninggu 3

氮氣吸附法孔隙結構分析表明，太原組含鋁巖系孔隙以介孔（孔徑為2～50nm）、大孔（孔徑大于50nm）為主，分別占總孔隙的59.1%和34.5%，微孔（孔徑小于2nm）僅占總孔隙的6.4%，孔隙結構較好，可形成有效儲層。從測井曲線分析，含鋁巖系核磁共振長等待時間T2譜明顯滯后，主峰主要在100ms左右，說明該段存在大孔。電成像動態圖像顯示，含鋁巖系中存在粒間孔、溶蝕孔、裂縫等，測井解釋孔隙度平均為9.5%（圖5）。

圖5 寧古3井太原組含鋁巖系核磁共振與電成像測井解釋成果圖Fig.5 NMR and electrical imaging logging interpretation result of aluminiferous rock series of Taiyuan Formation in Well Ninggu 3

2.3 錄井、測井顯示

寧古3井在鉆進過程中太原組含鋁巖系見良好油氣顯示，從3597.68m開始氣測數據發生變化，鉆進至3622.13m時發生氣侵，全烴含量由18.75%上升至75.56%，C1含量由17.31%上升至73.87%，C2含量由0.40%上升至1.94%，C3含量由0.02%上升至0.22%，且上升迅速，出口鉆井液密度由1.18g/cm3下降到1.12g/cm3。結合核磁共振測井數據對長等待時間T2譜和短等待時間T2譜進行差譜，由差譜圖可以看出，烴類信號顯示明顯，綜合解釋氣層23.9m/1層。

2.4 測試情況

對寧古3井太原組3617.0～3627.0m井段、9.8m/2層測試求產，射后點火可燃，最大火焰高度為17.0～18.0m。8mm油嘴自噴求產，油壓由15.0MPa下降至13.0MPa，套壓由17.0MPa下降至15.0MPa，測得日產氣13.44×104m3。

3 成藏控制因素

3.1 二疊系煤系烴源巖廣覆式生烴，為源內成藏提供了豐厚的物質基礎

研究區二疊系太原組和山西組廣泛發育濱岸沼澤相煤系烴源巖，具有廣覆式生烴特征。據鉆井揭示，二疊系煤層厚度為0～12.1m，平均厚度為4.35m，TOC含量為40.14%～91.32%，平均為60.35%，Ro為2.38%～2.66%，平均為2.53%；暗色泥巖厚度為0～94.7m，平均厚度為55.5m，TOC含量為0.14%～8.93%，平均為3.14%，Ro為2.07%～2.64%，平均為2.53%，有機質類型以Ⅲ型為主。與盆地主體相比，煤系烴源巖的有機質豐度相當、有機質類型相同，但厚度變薄（盆地主體煤層厚度為6～20m，暗色泥巖厚度為40～120m），熱演化程度增高（盆地主體Ro為1.3%～2.0%）。據長慶油田對含煤地層低成熟烴源巖樣品熱模擬實驗，二疊系煤系烴源巖以生成氣態烴為主，Ro為2.0%時的氣態烴產率為75m3/t，Ro為2.5%時的氣態烴產率為110m3/t。隨著演化程度增高，氣態烴產率明顯提高[13，21-23]。研究區煤系烴源巖熱演化程度高，彌補了厚度減薄的劣勢，能夠為太原組含鋁巖系天然氣成藏提供充足氣源[24]。

3.2 沉積作用和構造作用的疊加，為孔隙—裂縫型儲層發育創造了條件

加里東運動之后，受中央古隆起控制，鄂爾多斯盆地巖溶古地貌自西南向東北依次為巖溶高地、巖溶斜坡和巖溶洼地[13]。晚石炭世開始，伴隨海水自東南向西北侵入，本溪組在盆地主體形成東厚西薄的楔狀體，寧古3井所在的寧縣—正寧地區處于巖溶高地剝蝕區，未接受本溪組沉積。下二疊統太原組沉積期，海侵進一步加強，研究區演變為潟湖環境，巖溶高地風化形成的含鋁物質近距離搬運或原地沉積，在頻繁振蕩的海侵—海退旋回中，沉積了一套由鋁土礦、鋁土質泥巖、砂巖、凝灰巖、碳質泥頁巖、煤層構成的含鋁巖系，厚度約為25～40m（圖2、圖6）。從盆地中東部鉆井和野外剖面太原組巖性、巖相分析來看，普遍發育4層穩定的海相石灰巖[19]，表明太原組至少經歷了4期海侵、海退過程，這種振蕩性的海侵、海退對盆地西南部沉積環境控制明顯，形成了太原組多種巖性互層疊置的特點。多種巖性（脆性、強度不同）薄互層組合易于產生層間縫和節理縫，在野外剖面和巖石薄片中均可見到。

圖6 鄂爾多斯盆地西南部太原組厚度圖Fig.6 Isopach map of Taiyuan Formation in the southwestern Ordos Basin

研究區位于鄂爾多斯盆地西南緣，古生代時期，該區處于華北地臺和秦嶺海槽兩個大地構造單元的結合部位，現今位于渭北隆起和伊陜斜坡的過渡區，在加里東期、印支期和燕山期都是應力釋放區，構造活動活躍[13]。研究區西側的龍門巖體從元古宙—中生代長期活動，位于龍門巖體的香1井薊縣系—延長組鉆遇41層599.8m侵入巖體，推測海西期火山活動是太原組凝灰巖的主要來源。研究區是中元古代晉陜裂陷槽發育部位，北東向基底斷裂繼承性活動。燕山期自南向北的逆沖推覆作用，在渭北隆起形成了一系列近東西向延展的南掉北沖逆斷層。多期構造活動對研究區有明顯影響，在地震剖面上顯示斷裂發育（圖7），巖心和成像測井顯示高角度裂縫發育。沉積作用和構造作用疊加形成的層間縫、節理縫和構造縫與鋁土巖、鋁土質泥巖、砂巖中的孔隙共同組成了孔隙—裂縫網絡系統[25]，使太原組含鋁巖系形成有效儲集空間，具有良好儲集性能。

圖7 過寧古3井地震剖面圖Fig.7 Seismic profile cross Well Ninggu 3

3.3 與煤系烴源巖互層共生或直接接觸，源儲配置有利，“源、儲、縫”耦合關系是成藏的關鍵

寧古3井太原組厚度為35m，是研究區沉積中心，向東、西兩側厚度變薄，巖性發生變化，易形成地層—巖性圈閉。太原組上部揭示煤層厚度為4.3m，與下伏含鋁巖系互層共生或直接接觸，山西組煤層及太原組內部暗色泥巖厚度達49.9m，也可以供烴，源儲配置十分有利。據研究區8口探井太原組含鋁巖系的氣測顯示分析，氣測值與上覆煤系厚度具有明顯正相關性。寧古3井位于斷層—裂縫發育帶上，斷層—裂縫相對發育，能有效改善儲層、輸導油氣，“源、儲、縫”耦合關系是太原組含鋁巖系天然氣富集成藏的關鍵（圖8）。

圖8 太原組含鋁巖系天然氣成藏模式圖Fig.8 Gas accumulation pattern of aluminiferous rock series of Taiyuan Formation

4 勘探前景

鄂爾多斯盆地本溪組和太原組含鋁巖系普遍發育，作為一種新類型的儲集體，具有較廣闊的勘探前景。由于含鋁巖系發育程度主要受古地貌和沉積相帶控制，其厚度橫向變化較大[3]。結合石炭系—二疊系煤系烴源巖分布及源儲配置條件，綜合評價認為，本溪組含鋁巖系勘探有利區主要分布在盆地東北部伊金霍洛旗—神木一帶，以大牛地氣田及周緣最為有利，面積約為2000km2（圖1）。大牛地氣田本溪組鋁土質泥巖厚度為2.0～21.6m，自西北向東南變厚。測井資料解釋微裂縫、溶孔、粒間孔較發育，電成像圖像顯示微裂縫主要為高導縫，有利于輸導油氣[6]。該區本溪組煤層不發育，但上覆太原組發育厚層層狀煤層，厚度為10m左右，最厚可達17m[19]，源儲配置好，成藏條件有利。太原組含鋁巖系勘探有利區主要分布在盆地西南部寧縣—正寧、慶陽—合水一帶，以寧縣—正寧地區最為有利，面積約為1800km2。據區內9口鉆井揭示，太原組含鋁巖系厚度為2.3～23.9m，煤層厚度為0.9～7.5m，二者呈互層狀或直接接觸，源儲配置十分有利。含鋁巖系氣測全烴含量為6.742%～82.264%，基質含量為0.207%～4.849%，具有氣測峰值高、峰基比高的特征，其中隴45井氣測峰值達82.264%，高于獲得高產氣流的寧古3井。通過對該區內9口鉆井進行測井解釋，其中6口井具有良好的含氣性，表明太原組含鋁巖系具有普遍含氣、局部富集高產的特點，展示了該區太原組含鋁巖系具有天然氣規模成藏的條件和較大勘探潛力，再一次詮釋了“勘探無禁區”的“找油哲學”[26-27]。

5 結論

（1）寧古3井太原組含鋁巖系天然氣勘探的突破，改變了含鋁巖系不能形成有效儲層的傳統地質認識，發現了新的天然氣藏類型，拓展了油氣勘探領域。

（2）含鋁巖系天然氣藏的形成受多因素控制，與含鋁巖系互層共生或直接接觸的煤系烴源巖發育程度是成藏的基礎；沉積作用和構造作用的疊加是形成孔隙—裂縫型有效儲層的保障；“源、儲、縫”耦合關系是成藏的關鍵。

（3）鄂爾多斯盆地本溪組和太原組含鋁巖系廣泛發育，具有普遍含氣、局部富集高產的特征。展示了含鋁巖系這一新領域具備規模儲量發現的潛力，具有廣闊的勘探前景，對發育含鋁巖系的其他含油氣盆地的勘探具有指導意義。