鄂爾多斯盆地西緣北段奧陶系天然氣成藏模式

李佐有，謝 非，胡天寶，陳 琳，車新凱

（1.寧夏回族自治區核地質調查院，寧夏銀川 750021；2.中國石油長慶油田分公司第十一采油廠，甘肅慶陽 745000；3.西北大學地質學系，陜西西安 710069）

鄂爾多斯盆地是中國陸上第二大沉積盆地，自古生界至中生界均發現了豐富的油氣資源，具有重要的能源戰略地位[1-2]。經過多年的科研攻關和勘探、開發實踐，在鄂爾多斯盆地中東部、中北部古生界，已發現了多個天然氣富集區，相繼建成了靖邊、榆林、蘇里格等大型氣田，為國家能源安全做出了卓越的貢獻。但是，隨著氣藏開發的逐步深入，已探明優質儲量已基本動用完畢。

鄂爾多斯盆地西緣地層構造復雜，勘探程度較低。為了夯實油氣田穩產資源基礎，近年來在該區域開展了系統的油氣資源勘探工作，取得了良好的成果、顯示出廣闊的前景[3-4]。因此，本文針對鄂爾多斯盆地西緣下古生界奧陶系，在明確構造沉積演化背景的基礎上，對油氣成藏地質條件進行了系統地研究，并根據烴源巖、儲集層、蓋層的配置關系，明確了有利成藏組合模式。利用新完鉆井的鉆井、錄井、測井等資料，對文中提出的有利成藏組合模式進行了驗證。

1 構造沉積演化

1.1 構造特征

以斷裂系統為界，可將鄂爾多斯盆地西緣及鄰區下古生界劃分為六個構造單元。鄂爾多斯西緣構造帶東起擺宴井-沙井子斷裂，黃河斷裂與青銅峽-固原斷裂為其西部邊界[4-6]。本次研究區位于鄂爾多斯盆地西緣北段，其中自西向東發育青龍山斷裂、惠安堡斷裂共兩條后期形成的次級斷裂，將研究區劃分為韋州構造帶、石溝驛構造帶、馬家灘構造帶等次級構造帶[6]。

1.2 地層特征

鄂爾多斯盆地西緣奧陶系自下而上可進一步劃分為三道坎組、桌子山組、克里摩里組、烏拉力克組、拉什仲組[6-8]。三道坎組與下伏寒武系不整合接觸，與上覆桌子山組整合接觸，巖性以灰、深灰色中厚層結晶白云巖為主，夾灰質白云巖、白云質灰巖。桌子山組與上覆克里摩里組整合接觸，是一套由角礫狀白云巖夾白云質角礫狀灰巖的巖石組合。克里摩里組與上覆烏拉力克組整合接觸，巖性以深灰色、灰黑色、淺灰色中薄層石灰巖為主。烏拉力克組與上覆拉什仲組整合接觸，整體以灰質泥巖及灰黑色筆石頁巖為主要特征。拉什仲組與上覆石炭系呈不整合接觸關系，整體為一套頁巖、泥巖、灰質泥巖的巖性組合。此外，在惠安堡斷裂以西，因地層抬升導致局部區域奧陶系存在部分缺失。

1.3 沉積演化特征

鄂爾多斯盆地西緣地區奧陶系構造沉積演化以烏拉力克組為界，其下是碳酸鹽臺地沉積體系，其上是大陸斜坡沉積體系，呈現出明顯的海平面升降旋回[7-10]。

從三道坎期到烏拉力克期是研究區大規模海侵時期，其沉積體系經歷了從碳酸鹽臺地到深海平原的沉積演化過程，呈現為海平面持續上升過程中的沉積物堆積特點。從烏拉力克期到拉什仲期是研究區大規模海退期，其沉積體系經歷了從深海平原到大陸斜坡的沉積演化過程，呈現為海平面下降過程中的沉積物堆積特點。因此，研究區的奧陶紀經歷了一個不完整的海平面上升-下降旋回，最大水深在烏拉力克組的黑色筆石頁巖段沉積期。

鄂爾多斯盆地西緣及鄰區奧陶紀的古地勢呈現南低北高，西低東高，秦嶺海自南向北海侵，祁連海自西向東海侵。研究區內地層厚度的變化規律受水侵方向的控制，在惠安堡斷裂以東，奧陶系各期地層厚度均呈現為自東向西、自北向南依次增加的趨勢（圖1）。中奧陶世末期發生了中加里東運動第Ⅱ幕，華北地臺因大幅抬升而大面積海退，整體出露地表成為剝蝕區，導致了華北地臺在晚奧陶世至早石炭世的地層缺失。

2 成藏地質條件

根據鄂爾多斯盆地西緣及其鄰區完鉆井資料，在奧陶系發現含氣顯示，說明該地區奧陶系可能已經發生過天然氣生成、運移、聚集等成藏過程，具備天然氣成藏的基本必要條件。下面從烴源巖、儲集層、蓋層三個方面進行天然氣成藏地質條件分析。

2.1 烴源巖

研究區內下古生界奧陶系烴源巖以碳酸鹽巖型和泥質巖型為主，碳酸鹽巖型烴源巖主要發育在三道坎組、桌子山組、克里摩里組，泥質巖型烴源巖主要發育在烏拉力克組、拉什仲組。

根據研究區內奧陶系烴源巖樣品測試結果，有機質顯微組分中腐泥組含量在73.7%～92.2%，平均值84.3%，鏡質組含量在8.5%～25.9%，平均值15.1%，惰質組含量在0.2%～1.3%，平均值0.6%，無殼質組。根據有機質顯微組分，研究區內奧陶系干酪根類型主要為Ⅰ型、Ⅱ1型和Ⅱ2型。瀝青反射率Ro 分布在2.06%～2.99%，其等效鏡質體反射率分布在1.67%～2.25%，等效最高熱解溫度Tmax值在471～532 ℃。有機質的熱演化階段總體處于高成熟-過成熟階段。

三道坎組、桌子山組、克里摩里組碳酸鹽巖樣品總有機碳含量TOC 的最小值為0.03%、最大值為0.20%、平均值為0.08%。根據TOC 數據分布特征，在0.04～0.12 數據區間內，累計分布頻率為57.58%，整體以差烴源巖為主（圖2）。烏拉力克組、拉什仲組泥質巖樣品TOC 的最小值為0.01%、最大值為0.75%、平均值為0.21%。根據TOC 數據分布特征，在0.16～0.24 數據區間內，累計分布頻率為76.32%，整體以差烴源巖為主（圖2）。總體而言，研究區內泥質巖型烴源巖優于碳酸鹽巖型。

圖2 奧陶系烴源巖TOC 分布頻率直方圖

2.2 儲集層

研究區內下古生界奧陶系儲集層以白云巖儲集層、石灰巖儲集層、頁巖儲集層為主。白云巖儲集層主要發育在三道坎組、桌子山組，石灰巖儲集層主要發育在克里摩里組，頁巖儲集層主要發育在烏拉力克組、拉什仲組。

白云巖儲集層主要為泥晶、粉細晶結構，可見殘余生物碎屑（圖3）；石灰巖儲集層主要為泥晶、粉細晶結構，可見云化泥晶及生物碎屑（圖3）；頁巖儲集層巖性組合主要為灰質泥巖或頁巖與粉砂質泥晶灰巖呈韻律互層（圖3），其中頁巖頁理發育，主要由伊利石組成，定向-半定向排列（圖3）。碳酸鹽巖經過反復的成巖改造，最終形成的儲集空間主要有溶洞、溶縫、溶孔、晶間孔、微裂縫等。研究區內所能觀測到的儲集空間主要有晶間孔、溶孔和微裂縫，未見原生孔隙（圖3）。頁巖儲層發育微-納米孔隙，類型主要包括溶孔、粒間孔和少量的微裂縫，其中以溶孔最為發育（圖3）。

研究區內三道坎組發育白云巖儲集層，孔隙度最小值0.16%、最大值8.47%、平均值2.21%，滲透率最小值0.01×10-3μm2、最大值6.33×10-3μm2、平均值0.86×10-3μm2。桌子山組發育白云巖儲集層，孔隙度最小值0.18%、最大值7.81%、平均值2.57%，滲透率最小值0.01×10-3μm2、最大值8.74×10-3μm2、平均值0.97×10-3μm2。克里摩里組發育石灰巖儲集層，孔隙度最小值0.11%、最大值6.85%、平均值3.87%，滲透率最小值0.01×10-3μm2、最大值4.39×10-3μm2、平均值0.67×10-3μm2。烏拉力克組發育頁巖儲集層，孔隙度最小值0.08%、最大值3.15%、平均值1.26%，滲透率最小值0.01×10-3μm2、最大值0.92×10-3μm2、平均值0.07×10-3μm2。拉什仲組發育頁巖儲集層，孔隙度最小值0.10%、最大值3.34%、平均值1.19%，滲透率最小值0.01×10-3μm2、最大值0.81×10-3μm2、平均值0.09×10-3μm2。整體而言，研究區奧陶系儲集層較為致密。

2.3 蓋層

研究區內奧陶系頂部與上覆石炭系羊虎溝組呈不整合接觸，上覆地層中發育的大段泥巖、粉砂質泥巖滲透率一般小于10-7μm2，飽和空氣突破壓力一般小于2 MPa，封蓋物性中等。此外，奧陶系自身的致密碳酸鹽巖滲透率一般小于10-9μm2，飽和空氣突破壓力一般大于15 MPa，具有良好的物性封閉。研究區內桌子山組、克里摩里組廣泛發育的致密碳酸鹽巖和烏拉力克組發育的泥頁巖具有較強的封蓋能力，可以構成下古生界奧陶系氣藏的蓋層。

3 成藏模式

根據鄂爾多斯盆地西緣及其鄰區下古生界奧陶系烴源巖、儲集層和蓋層的時空結構，可將研究區內奧陶系含油氣系統劃分為不同類型的成藏模式。根據烴源巖、儲集層、蓋層的空間配置關系，源內自生自儲式成藏組合優于近源上生下儲式成藏組合，而近源上生下儲式成藏組合又優于遠源上生下儲式成藏組合。

3.1 源內自生自儲式

源內自生自儲式成藏模式可進一步細分為深海平原頁巖型、大陸斜坡濁積灰巖型成藏組合（圖4）。深海平原頁巖型成藏組合主要發育在烏拉力克組上段和拉什仲組下段，以深海平原相的頁巖為烴源巖、儲集層和蓋層。大陸斜坡濁積灰巖型成藏組合主要發育在拉什仲組底部，以下伏烏拉力克組和上覆拉什仲組深海平原頁巖為主力烴源巖，上覆頁巖同時作為該成藏組合中的蓋層，儲集層為碎屑巖或碳酸鹽巖濁積巖。濁積灰巖是否發育裂縫及溶蝕孔隙是該成藏組合成藏的關鍵要素。碳酸鹽臺地灰巖型成藏組合主要發育在烏拉力克組下段，以烏拉力克組深海平原相的泥巖、灰巖、泥質灰巖為烴源巖和蓋層，以其間所夾灰巖、泥質灰巖為儲集層。碳酸鹽臺地灰巖發育裂縫及溶蝕孔隙是該成藏組合成藏的關鍵要素。

圖4 奧陶系天然氣成藏組合示意圖

3.2 近源上生下儲式

根據研究區內地質特征，可將近源上生下儲式成藏組合進一步細化為碳酸鹽臺地灰巖型成藏模式（圖4）。該成藏組合主要發育在克里摩里組，以克里摩里組石灰巖為儲集層，以上覆烏拉力克組、拉什仲組烴源巖為其主力烴源巖和蓋層。碳酸鹽臺地灰巖發育裂縫及溶蝕孔隙是該成藏組合成藏的關鍵要素。

3.3 遠源上生下儲式

根據研究區內地質特征，可將遠源上生下儲式成藏組合進一步細化為碳酸鹽臺地白云巖型成藏模式（圖4）。該成藏組合主要發育在桌子山組、三道坎組，以上覆烏拉力克組、拉什仲組烴源巖為其主力烴源巖和蓋層，以桌子山組、三道坎組白云巖為儲集層。碳酸鹽臺地白云巖發育裂縫及溶蝕孔隙是該成藏組合成藏的關鍵要素。

4 勘探實例

MJ1 井位于研究區內馬家灘構造帶，為近期完鉆的一口探井。根據鉆井、錄井、測井資料的驗證，該井地層鉆遇情況與天然氣顯示情況均符合文中的相關認識。

4.1 地層鉆遇情況

該井三道坎組位于4 840～4 916 m 深度范圍內、地層厚度76 m，其中白云巖累計厚度占比70%、石灰巖27%、泥質巖3%。桌子山組位于4 579～4 840 m 深度范圍內、地層厚度261 m，其中白云巖累計厚度占比94%、石灰巖5%、泥質巖1%。克里摩里組位于4 457～4 579 m 深度范圍內、地層厚度122 m，其中石灰巖累計厚度占比97%、白云巖2%、泥質巖1%。烏拉力克組位于4 337～4 457 m 深度范圍內、地層厚度120 m，其中泥質巖累計厚度占比72%、石灰巖28%。拉什仲組位于3 933～4 337 m 深度范圍內、地層厚度404 m，其中泥質巖累計厚度占比97%、石灰巖3%。

4.2 天然氣顯示情況

克里摩里組4 486.2～4 488.7 m、厚度2.5 m，巖性為褐灰色細粉晶石灰巖，氣測錄井全烴峰值為2.749 3%、基值0.255 0%，電阻率為432.89 Ω·m、聲波時差181.71 μs/m，綜合解釋為含氣水層，屬于近源上生下儲式成藏組合。克里摩里組4 461.9～4 462.8 m、厚度0.9 m，巖性為褐灰色細粉晶石灰巖，氣測錄井全烴峰值為2.177 9%、基值1.122 5%，電阻率為884.01 Ω·m、聲波時差184.63 μs/m，綜合解釋為差氣層，屬于近源上生下儲式成藏組合。烏拉力克組4 407.3～4 412.7 m、厚度5.4 m，巖性為黑色灰質頁巖，氣測錄井全烴峰值為1.520 7%、基值0.285 0%，電阻率為72.03 Ω·m、聲波時差224.94 μs/m，綜合解釋為含氣水層，屬于源內自生自儲式成藏組合。烏拉力克組4 402.2～4 405.7 m、厚度3.5 m，巖性為黑灰色灰質頁巖，氣測錄井全烴峰值為0.591 5%、基值0.285 0%，電阻率為74.01 Ω·m、聲波時差216.40 μs/m，綜合解釋為含氣水層，屬于源內自生自儲式成藏組合。拉什仲組3 934.3～3 940.9 m、厚度6.6 m，巖性為灰色灰質頁巖，氣測錄井全烴峰值為4.715 0%、基值1.596 0%，電阻率為69.38 Ω·m、聲波時差199.79 μs/m，綜合解釋為含氣水層，屬于源內自生自儲式成藏組合。

5 結論

（1）研究區內地層構造復雜，斷裂系統發育。在惠安堡斷裂以東下古生界奧陶系各期地層發育完整，厚度均呈現為自東向西、自北向南依次增加的趨勢。惠安堡斷裂以西因構造抬升導致部分地層缺失。

（2）研究區內奧陶系烴源巖以碳酸鹽巖型和泥質巖型為主，泥質巖型烴源巖優于碳酸鹽巖型。三道坎組、桌子山組發育白云巖儲集層，克里摩里組發育石灰巖儲集層，烏拉力克組、拉什仲組發育頁巖儲集層。

（3）研究區內奧陶系含油氣系統可根據烴源巖、儲集層和蓋層的空間配置關系劃分為源內自生自儲式、近源上生下儲式、遠源上生下儲式共三種不同類型的成藏模式。根據完鉆井實例，源內自生自儲式成藏模式更為常見。