









李勇霖, 倪智勇, 李曉光,等. 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區斷控氣藏差異.吉林大學學報(地球科學版),2024,54(3):773783. doi:10.13278/j.cnki.jjuese.20220294.
Li Yonglin, Ni Zhiyong, Li Xiaoguang, et al. Difference of Fault-Controlled Gas Reservoir in Hangjinqi Area, Ordos Basin. Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2024,54(3):773783. doi:10.13278/j.cnki.jjuese.20220294.
摘要:鄂爾多斯盆地杭錦旗地區泊爾江海子斷裂南北地區工業氣流井分布與烴源巖演化程度不匹配,且該斷裂南北地區天然氣成藏期次存在差異。本文在烴源巖演化史和斷裂發育史的基礎上,結合天然氣組分碳同位素、天然氣干燥系數、流體包裹體特征以及斷層在不同方向上的封閉性,對斷裂南北地區天然氣的來源、成藏期次、成藏時間以及運移通道進行對比。結果表明:天然氣組分碳同位素符合“正碳同位素序列”特征,即δ13C1lt;δ13C2lt;δ13C3,表明研究區的天然氣是單一來源;斷裂南部天然氣干燥系數分布在0.85~0.96,平均值為0.91,斷裂北部天然氣干燥系數分布在0.95~0.97;斷裂南部地區下石盒子組儲層中與天然氣共生的鹽水包裹體主頻溫度主要分布區間為95~115" ℃與125~135" ℃,斷裂北部地區下石盒子組儲層中與天然氣共生的鹽水包裹體均一溫度主要分布在75~155" ℃之間;結合研究區埋藏史得出斷裂南部地區天然氣為兩期成藏,成藏時間分別是晚侏羅世—早白堊世(155~142 Ma)和早白堊世末(116~110 Ma),北部地區天然氣為一期成藏,成藏時間為早白堊世末(128~117 Ma)。泊爾江海子斷裂自古生代以來發生了多期活動,其在燕山期的活動是造成斷裂南北地區天然氣分布、熱演化程度、成藏期次差異的主要原因。
關鍵詞:天然氣成藏;流體包裹體;鄂爾多斯盆地;泊爾江海子斷裂;杭錦旗地區
doi:10.13278/j.cnki.jjuese.20220294
中圖分類號:P597;P618.13
文獻標志碼:A
收稿日期:20221025
作者簡介:李勇霖(1996—), 男, 碩士研究生, 主要從事油氣地球化學方面的研究, E-mail: liyonlin0702@163.com
通信作者:倪智勇(1982—), 男, 副教授, 主要從事油氣地球化學方面的研究, E-mail: nizhy@cup.edu.cn
基金項目:中國石油化工集團項目(HX20191200)
Supported by the Project of China Petroleum amp; Chemical Corporation (HX20191200)
Difference of Fault-Controlled Gas Reservoir in Hangjinqi Area, Ordos Basin
Li Yonglin1,2, Ni Zhiyong1,2, Li Xiaoguang1,2, Han Zijing1,2, Zhang Wei3, An Chuan3
1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China
2. College of Geosciences, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China
3. Exploration and Development Research Institute of Sinopec North China Oil and Gas Company, Zhengzhou 450006, China
Abstract:
The distribution of industrial gas wells in the northern and southern regions of the Boerjianghaizi fault in Hangjinqi area of Ordos basin does not match the evolution degree of the source rocks, and the natural gas accumulation periods between the northern and southern regions of the fault are different. On the basis of the evolution history of source rocks and fault development history, combined with the carbon isotopes of natural gas components, the dry coefficient of natural gas, the characteristics of fluid inclusions and the sealing property of the fault in different directions, this paper compares the source, accumulation period, accumulation time and migration channel of natural gas in the northern and southern regions of the fault. The results show that the carbon isotopes of the natural gas components present “positive carbon isotope sequence”, namely, δ13C1lt;δ13C2lt;δ13C3, suggesting that the natural gas in the study area comes from a single source. The dry coefficient of natural gas in the southern part of the fault ranges from 0.85 to 0.96, with an average value of 0.91. In the northern part of the fault, the dry coefficient of natural gas ranges from" 0.95 to 0.97. The homogenization temperature of aqueous inclusions coexisting with natural gas inclusions in the Xiashihezi" Formation reservoir ranges in 95115 ℃ and 125135 ℃ in the southern area of the fault, and in 75155 ℃ in the northern part of the fault. Combining with the burial history of the study area, there exist two stages of gas accumulation in the southern part of the fault, the early-stage natural gas charged from Late Jurassic to the Early Cretaceous (155142 Ma), and the late-stage natural gas charged at the end of Early Cretaceous (116110 Ma). There is only one stage of the natural gas accumulation in the northern region, and it occurred at the end of Early Cretaceous (128117 Ma). The Boerjianghaizi fault has been active for many periods since the Paleozoic, and the activities in the Yanshan period are the main reason for the difference of natural gas distribution, thermal evolution degree and accumulation time between the northern and southern regions of the fault.
Key words:
natural gas accumulation; fluid inclusion; Ordos basin; Boerjianghaizi fault; Hangjinqi area
0" 引言
杭錦旗地區位于鄂爾多斯盆地北部,是油氣勘探的重要區塊。杭錦旗地區從20世紀50年代開始進行區域地質調查工作,直至80年代完成小規模的地質普查,鉆探石油鉆井19口,在下石盒子組發現有油氣顯示,具工業開采價值。至2017年底,完成141口探井,探明天然氣儲量162.87億m3、預測儲量2 218.94億m3。隨著探井數目增多,以泊爾江海子斷裂為界,斷裂北部地區鉆探井中達到工業產流井的數目比南部多,但斷裂北部的烴源巖成熟度卻遠低于南部,大部分烴源巖未達到生烴高峰,既不能大量地生氣,且斷裂北部烴源巖的厚度也比南部薄[1]。工業氣流井在斷裂南北地區的分布與烴源巖的發育程度明顯不符。本文在分析烴源巖演化史和泊爾江海子斷裂發育史的基礎上,先通過天然氣組分碳同位素特征以及斷裂南北地區天然氣的干燥系數確定研究區天然氣的來源;再結合流體包裹體特征以及埋藏史厘定斷裂南北地區的天然氣成藏期次與成藏時間,揭示斷裂南北地區天然氣工業氣流體井分布差異的根本原因,以期為杭錦旗地區的油氣勘探提供有利的資料。
1" 區域地質背景及研究區地質特征
鄂爾多斯盆地作為我國的第二大沉積盆地,總面積約為250 000 km2。杭錦旗位于鄂爾多斯盆地北部,橫跨伊盟隆起和伊陜斜坡兩個一級構造單元,根據不同的構造特征又可劃分為7個二級構造單元(圖1):什股壕斷階帶、公卡汗凸起帶、
新召西凹陷帶、新召東緩坡帶、
獨貴加汗陡坡帶、十里加汗緩坡帶和阿鎮陡坡帶。在勘探區內發育有烏蘭吉林廟斷裂、泊爾江海子斷裂和三眼井斷裂等3條斷裂帶,分別位于杭錦旗地區的西部、中部和東部[24]。
1.1" 斷裂發育特征
泊爾江海子斷裂主體是一個逆斷層,斷面北傾,北西走向。泊爾江海子斷裂不僅控制著杭錦旗地區的構造活動和地層沉積,同時也影響著油氣的運移和存儲。泊爾江海子斷裂最早形成于加里東期,是一個長期的活動斷裂,主要存在3期活動高峰期:加里東期—早海西期、印支期—早燕山期以及晚燕山
期。在加里東期—早海西期,研究區由于受到中亞—蒙古板塊和秦嶺板塊的影響形成斷裂雛形;在印支期—早燕山期,華北板塊北部受到西伯利亞板塊的擠壓,導致研究區地層發生隆升,斷裂周圍形成一系列構造裂縫;在晚燕山期,受太平洋板塊俯沖的影響,斷層北側抬升,地層遭受剝蝕,逆斷層最終形成[5]。
在橫向上,近東西向斷層基底斷裂發育分支,晚古生代地層發育背斜構造(圖1),表明存在壓扭性質的斷層活動,但隨著斷層走向的變化,高角度逆沖斷層活動特征逐漸明顯[56]。
在垂向上,古生代地層中同相軸錯斷明顯,呈逆斷距(圖2),且通過強反射軸之間的表現可以判斷出斷裂具有多期活動的特點。
通過對斷層不同層段和不同方向的封閉性研究,得出泊爾江海子斷裂的封閉性具有“橫向分段,垂向分層”的特點,即:橫向上,斷層不同部位的封閉性不同,在砂體連通的部位斷層的封閉性差,而在砂體不連通的部位封閉性較好;在垂向上,下石盒子組和山西組的致密砂巖層既可以做儲層也可以做運輸通道,而石千峰組和上石盒子組泥巖封閉性較好,是整個研究區良好的蓋層[5, 711]。
1.2" 烴源巖特征
杭錦旗地區主要發育兩套上古生界烴源巖,分別是太原組—山西組的煤層和暗色泥巖。兩套烴源巖形成于海陸過渡相沉積環境,太原組的暗色泥巖和煤層主要以扇三角洲平原沉積為主,山西組則以辮狀河沉積為主。前人[2]研究認為沉積亞相的差異使研究區烴源巖厚度在整體上呈現東南厚西北薄的特點。在沖積扇辮狀河道地區,烴源巖的厚度較薄,而在沼澤、泛濫平原地區,烴源巖發育較厚。前人[23,12]研究表明,研究區天然氣的主要來源是太原組—山西組的煤層。以泊爾江海子斷裂為界,斷裂南部的烴源巖厚度可達5~25""" m,其平均厚度約為20 m;而在斷裂北部烴源巖厚度為5~10 m(圖3a)。
有機質成熟度的分布規律與烴源巖厚度的分布規律一致,以泊爾江海子斷裂為界呈一個南高北低的特征。斷裂北部烴源巖有機質成熟度較低,其鏡質體反射率(Ro)均值lt;1.3%,部分地區的有機質成熟度雖然達到了生烴門限,但是未達高成熟階段,無法大量產氣;斷裂南部烴源巖的Ro普遍≥1.3%,即進入了高成熟階段,甚至有些地區烴源巖的Rogt;1.9%,進入高過成熟階段[1415](圖3b)。根據埋藏史模擬結果[3, 1415],杭錦旗地區太原組—山西組的烴源巖在晚三疊世中期達到生烴門限,開始生烴;隨著埋藏深度的不斷加深,在中侏羅世末期烴源巖熱演化進入高成熟階段;在晚白堊世烴源巖熱演化進入過成熟階段。
1.3" 天然氣地球化學特征
通過對氣態烴中碳同位素的分析還可以獲得母源的信息。前人[14]對下石盒子組天然氣進行分析,發現杭錦旗地區上古生界的天然氣δ13C1值介于-34.1‰~ -29.9‰之間,δ13C2值介于-28.9‰~-24.2‰之間,δ13C3值則介于-27.6‰~-19.5‰之間(圖4),可見研究區的天然氣為煤型氣[16]。此外,天然氣組分碳同位素表現為正碳同位素序列特
a. AA′剖面;b. BB′剖面。
T3. 下白堊統底(志丹群底);T4—T3. 中侏羅統直羅組—安定組;T5—T4. 中侏羅統延安組;T6—T5. 上三疊統延長組;T7—T6. 中、下三疊統劉家溝組—二馬營組;T9f—T7. 上二疊統上石盒子組—石千峰組;T9c—T9f. 上石炭統太原組—下二疊統下石盒子組。據文獻[6]修改。
征:δ13C1lt;δ13C2lt;δ13C3,推斷研究區的天然氣為單一來源[1]。泊爾江海子斷裂南部三口井天然氣干燥系數分布在0.85~0.96之間(平均值為0.91),濕氣和干氣并存;而在斷裂北部地區天然氣的干燥系數在0.95~0.97之間,主要為干氣(表1)[15]。對比天然氣甲烷碳同位素值與烴源巖有機質成熟度發現,斷裂北部天然氣的甲烷碳同位素對應的熱演化程度與北部實際測量的烴源巖Ro不相符,反而與斷裂南部測量的烴源巖Ro相匹配,推測斷裂北部的天然氣可能自南部運移而來[13,1619]。
2" 實驗方法
實驗所用樣品選自杭錦旗地區泊爾江海子斷裂南部十里加漢區塊和北部什股豪區塊二疊系下石盒子組(P1x)儲層砂巖樣品。一共選取6口井作為主要的研究對象,分別是位于斷裂南部的錦7、錦53、錦91井和北部的錦27、錦67、錦81井。
流體包裹體實驗在中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室完成。使用Leica4500P型光學顯微鏡透射光和熒光對流體包裹體顯微觀察,判斷包裹體類型并標記,測溫儀器為英國產LinkamTHMSG600冷熱臺,測溫前使用人工合成的流體包裹體標樣(-56.6、0、10.7" ℃)進行溫度校正,當實驗溫度lt;30" ℃時,其誤差為±0.2" ℃,當實驗溫度在30~200" ℃時,實驗誤差為±1" ℃。在測溫過程中初始測溫速率為5" ℃/min,當包裹體內顏色或者氣泡大小發生變化時將測溫速率調至1" ℃/min[2025]。
3" 實驗結果與討論
3.1" 斷裂南北流體包裹體均一溫度分布特征
通過對研究區下石盒子組儲層樣品進行薄片觀察,發現甲烷包裹體主要分布在石英顆粒內部和裂隙內,多以條帶狀分布,形態近似菱形,直徑多為2~13 μm(圖5);鹽水包裹體分布在石英顆粒內部,穿石英裂隙,以及石英加大邊中,形狀不同,直徑大多為2~7 μm(圖6)。
本文對儲層二疊系下石河子組(P1x)中與甲烷包裹體所伴生的鹽水包裹體進行均一溫度測溫。結果(表2)顯示:泊爾江海子斷裂南部錦7井穿石英裂隙中鹽水包裹體溫度范圍為70~145" ℃,主頻溫度為95~105" ℃,錦53井石英次生加大邊中與烴類伴生的鹽水包裹體的均一溫度范圍為75~150" ℃,主頻溫度為95~105" ℃,錦91井石英次生加大邊中鹽水包裹體的均一溫度范圍為75~145" ℃,主頻溫度為95~115" ℃;泊爾江海斷裂北部錦27井和錦67井穿石英裂隙中與烴類伴生的鹽水包裹體的均一溫度范圍均為75~155" ℃,主頻溫度均為95~115" ℃,錦81井穿石英顆粒裂隙中的鹽水包裹體的均一溫度范圍為75~145" ℃,主頻溫度為105~125" ℃。
綜上,泊爾江海子斷裂南部地區下石盒子組(P1x)儲層中鹽水包裹體均一溫度主要分布區間為70~150" ℃,主頻溫度分布區間為95~115" ℃和125~135" ℃(圖7a);在斷裂北部地區下石盒子組儲層鹽水包裹體均一溫度主要分布在75~155" ℃之間,主頻溫度主要為95~125" ℃(圖7b)。
3.2" 斷裂南北地區天然氣成藏期次
許多學者[4,2632]對杭錦旗地區天然氣的成藏期次以及成藏時間的認識存在較大差異。為更好地研究斷裂南北地區天然氣在成藏期次、成藏時間上的
差異,
本文借助流體包裹體結合研究區的埋藏史以及熱史對研究區天然氣成藏期次以及成藏時間進行重新厘定。斷裂南部天然氣為兩期成藏(圖8a),第一期成藏時間是晚侏羅世—早白堊世(155~142 Ma),第二期成藏時間是早白堊世末(116~110 Ma),與南部烴源巖開始大量生氣時間剛好吻合;斷裂北部地區天然氣則是一期成藏(圖8b),成藏時間是早白堊世末(128~117 Ma)。
4" 討論
研究區斷裂南北地區烴源巖厚度以及有機質成熟度與天然氣工業氣流井的分布不相符,北部烴源巖有機質成熟度遠達不到現有工業氣流井的要求,因此推斷北部天然氣由南部運移來的。北部地區的天然氣干燥系數≥0.95,天然氣類型為干氣,意味著斷裂北部天然氣由過成熟的烴源巖生成,但北部烴源巖卻沒有進入過成熟階段;反而斷裂南部地區大部分烴源巖進入過成熟階段,并且南部地區天然氣的干燥系數分布在0.85~0.96,平均值為0.91,即南部地區天然氣濕氣與干氣共存,證明北部天然氣是由南部運移來的。前人對斷裂南北地區天然氣中甲烷含量以及碳同位素的變化特征可以判斷出北部天然氣曾發生過逸散[17],而且在勘探早期發現的由天然氣凝析形成的白堊系油苗也可證明逸散作用的存在[27]。
前人[5]對斷層封閉性的研究中,得出斷層封閉性具有“橫向分段,垂向分層”的特征,天然氣在大量生成之后在垂向上只能運移到下石盒子組和山西組的致密砂巖中成藏,無法突破上石盒子組和石千峰組的泥巖;而在橫向上,天然氣可以通過斷裂兩側砂體聯通的部位以及構造裂縫進行運移。
通過天然氣成藏時間和成藏期次的研究發現:南部地區的天然氣第一期成藏時間是晚侏羅世至早白堊世(155~142 Ma),第二期成藏時間是早白堊世末(116~110 Ma),與烴源巖開始大量生氣的時間吻合;北部地區的天然氣成藏時間是早白堊世末(128~117 Ma)。斷裂南部天然氣甲、乙烷碳同位素差值隨甲、乙烷體積分數的比值增大而增大(圖9),反映成熟度演化趨勢。斷裂北部天然氣卻和南部不同,前人[16]研究發現在逸散過程中散失作用導致殘留氣藏中天然氣甲烷體積分數降低,碳同位素增大,使甲烷和乙烷體積分數比值減小,且甲烷和乙烷碳同位素差值減小,北部天然氣中甲、乙烷碳同位素差值與甲、乙烷體積分數比值與此符合(圖9),推測是構造運動使天然氣藏改造和破壞,使天然氣發生逸散作用。在勘探早期發現由天然氣凝析形成的白堊系油苗可以作為佐證[27]。
泊爾江海子斷裂南部地區烴源巖較厚且具有生氣優勢,天然氣由山西組和太原組生成,并在近源的下石盒子組成藏,前人將斷裂南部的成藏模式稱為準連續致密砂巖氣成藏模式(圖10a)。斷裂北部是砂體—斷裂的輸導體系。天然氣由南部地區的烴源巖產出,通過輸導體系在北部下石盒子組的儲層中成藏,形成源儲不一致的成藏模式,前人稱為橫向遠距離運移異地成藏模式(圖10b)[13]。
綜上認為:在早古生代加里東期—早海西期泊爾江海子斷裂雛形形成;晚古生代時,研究區太原組、山西組烴源巖以及下石盒子組儲層開始沉積;在晚三疊世,受印支運動影響研究區地層開始隆升,由于南北烴源巖沉積亞相的差異,其出現南厚北薄的特征,此時只有南部烴源巖有機質成熟度達到生烴門限,開始生烴;早中侏羅世,構造作用變弱,研究區接受沉積,早期生成的烴類(少量油)在巖性圈閉內成藏[4];晚侏羅世,受燕山運動影響,研究區地層進一步隆升,且研究區的地勢由“西高東低”變為“西低東高”,南部烴源巖進入高成熟階段開始生氣且儲層開始致密化;早白堊世,斷裂南部地區部分烴源巖演化進入過成熟階段,開始大量生氣,由于燕山運動的持續影響,在斷層兩側發育一些構造裂縫,同時地勢變為如今的“北東高,南西低”,并且斷層兩側地層出現“砂對砂”的情況,使南部烴源巖生成的天然氣側向運移至北部地區成藏;晚白堊世,由于燕山運動使基底斷裂開始活動,在北部地區形成構造圈閉的同時使部分天然氣藏發生破壞,天然氣發生逸散作用,凝析形成油苗。
5" 結論
1) 泊爾江海子斷裂北部地區的天然氣由南部地區運移而來,運移通道為斷裂南北地區互通的砂體和構造裂縫。
2) 斷裂南部的天然氣是兩期成藏,成藏時間為晚侏羅世至早白堊世(155~142 Ma)和早白堊世末(116~110 Ma);斷裂北部天然氣為一期成藏,成藏時間為早白堊世末(128~117 Ma)。
3) 南部天然氣既有濕氣又有干氣,北部天然氣以干氣為主;燕山期的構造運動使北部地區早期的天然氣發生逸散,故南部有兩期成藏而北部為一期成藏。
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