摘 要:鄂爾多斯盆地東南部的天然氣勘探進展緩慢,緣于對其上古生界天然氣成藏方面的相關(guān)研究較少。為此,利用大量鉆井、地球化學(xué)薄片鑒定、壓汞試驗、流體包裹體測試等資料,研究了該區(qū)上古生界天然氣的成藏地質(zhì)條件和成藏期次。結(jié)果表明:①與盆地北部一樣,東南部延長探區(qū)具有“廣覆式生烴、大面積成藏”的特點,其主力生烴層系為下二疊統(tǒng)山西組2段、中石炭統(tǒng)本溪組暗色泥巖和煤系地層;②儲層砂體發(fā)育,多層系砂體垂向疊置、橫向連片,加上構(gòu)造不發(fā)育,具備形成大面積復(fù)合巖性圈閉的重要條件;③上石盒子組—石千峰組發(fā)育的巨厚泥巖具有物性和壓力雙重封閉性能;④流體充注時期發(fā)生在晚三疊世、中晚侏羅世和早白堊世。依據(jù)生儲蓋的空間配置關(guān)系,將該區(qū)上古生界氣藏劃分為源內(nèi)成藏、近源成藏和遠源成藏3種組合類型,并在分析圈閉類型、輸導(dǎo)體系、運聚特征等的基礎(chǔ)上,建立起了上古生界天然氣的成藏模式。結(jié)論認(rèn)為:該區(qū)上古生界具有良好的天然氣成藏地質(zhì)條件和勘探潛力,是鄂爾多斯盆地下一步天然氣儲量增長的新領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞:鄂爾多斯盆地 延長探區(qū) 晚古生代 成藏地質(zhì)條件 運移特征 成藏期次 成藏組合 成藏模式 儲量增長
Natural gas accumulation characteristics in the Upper Paleozoic in the Yanchang exploration block of southeastern Ordos Basin
Abstract:No big breakthrough has been made in gas exploration in southeastern Ordos Basin for lack of detailed study of gas accumulation in the Upper Paleozoic there.In view of this,various data concerning drilling,geochemistry,thin section authentication.mercury lnjection test and fluid lnclusion test were integrated to study the geologic conditions and stages of gas accumulation in this study area.Like the northern part of this basin,the southeastern Yanchang exploration block is also featured by²pervasive hydrocarbon generation and accumulation².The major source rocks there are dark shale and coal measure strata in the 2nd member of Lower Permian Shanxi Fm and the Middle Carboniferous Benxi Fm.Vertically superimposed and laterally connected well developed sandbodles ln combmatlon wlth the underdeveloped structures provide necessary conditions for the formation of large compound lithologic reservoirs.The thick mudstones in the Upper Shihezi Shiqianfeng Fm have a capacity of physical property and pressure.Hydrocarbon charging occurred in the Late Triassic,Middle-Late Jurassic and Early Cretaceous periods.According to the source-reservoircaprock assernblage,the Upper Paleozoic gas reservoirs are divided into three groups,namely inner source rock accumulation,proximal accumulatlon,and dlstal accumulation,the models of which were also built based on the analysis of trap types,carrier systems and hydrocarbon migration and accumulation.In the end,it is concluded that the Upper Paleozoic in this study area has favorable geologic it is a new domain for gas reserves growth in the future in the Ordows Basin.
Keywords:Ordos Basin,ranchang exploration block,Late Paleozoic,geologic condition,migration feature,reservoiring stages,source-reservoir-caprock assemblage,accumulation pattern,reserve increase
鄂爾多斯盆地是我國重要的天然氣生產(chǎn)基地。近年來,在盆地北部上古生界已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)蘇里格、烏審旗、榆林、大牛地和神木等多個探明儲量超1000×108m3的大型氣田'形成了“南油北氣”的分布格局,而且天然氣儲量規(guī)模在逐年增加,其中蘇里格氣田探明和基本探明天然氣儲量已達到2.85×1012m3[1-2]。與北部相比,鄂爾多斯盆地南部天然氣勘探進展緩慢,勘探程度也較低,地質(zhì)認(rèn)識不清楚,對南部上古生界天然氣成藏的有關(guān)研究較少。
陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司(以下簡稱延長集團)的天然氣勘探區(qū)域位于陜西省延安市境內(nèi),構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部。以往研究多認(rèn)為該區(qū)域二疊系時期為湖盆沉積中心,儲層砂體不發(fā)育,天然氣勘探潛力較差。但自“十一五”以來,延長集團在該區(qū)域的天然氣勘探取得重大突破,在上古生界多個層段鉆獲工業(yè)氣流,并已形成一定規(guī)模,勘探證實鄂爾多斯盆地南部天然氣勘探具有廣闊的前景。筆者針對盆地東南部延長探區(qū)上古生界天然氣的成藏條件及成藏特征進行研究,進一步明確了該區(qū)天然氣的成藏地質(zhì)條件,對相鄰區(qū)域的天然氣勘探具有重要的參考意義。
1 成藏條件分析
1.1 烴源巖特征
延長探區(qū)上古生界烴源巖為海陸交互相暗色泥巖、煤層及生物屑灰?guī)r,層位主要分布于下二疊統(tǒng)山西組、中石炭統(tǒng)本溪組和上石炭統(tǒng)太原組,平面分布穩(wěn)定,其中山西組泥巖厚度介于70~80m,煤層厚度介于l~7m,主要分布于山2段;太原組石灰?guī)r厚度介于10~40m,本溪組泥巖厚度介于l5~35m,煤層厚度介于1~6m。從地球化學(xué)指標(biāo)來看(表1),山l段泥巖生烴條件較差,平均有機碳含量僅為0.63%,山2段和本溪組較好,其泥巖有機碳含量大于3%,煤層有機碳含量大于30%;太原組石灰?guī)r有機碳含量為1.21%,氯仿瀝青“A”含量和生烴潛量指標(biāo)均較低。上述情況表明:該區(qū)主力烴源巖為山2段和本溪組暗色泥巖及含煤層系。該區(qū)上占生界烴源巖鏡質(zhì)體反射率(R。)為1.59%~2.65%,普遍超過2%,處于過成熟干氣階段,生烴強度在28×108~40×108m3/km2。生烴量大,氣源充足,具有“廣覆式”生烴特征[3-9]。
1.2 儲層、蓋層特征
延長探區(qū)主力氣層為本溪組、山23層和山1段、下二疊統(tǒng)石盒子組8段。其中本溪組為潮坪—障壁島海岸沉積[10],儲集體類型主要為障壁島砂壩和砂坪,單個砂體規(guī)模較小,厚度介于2~10m,橫向連續(xù)性較差,平面分布零散,但主要分布于探區(qū)東南部;山西組和盒8段為湖泊—三角洲沉積體系,主要儲集體類型為三角洲前緣水下分流河道砂體,河口壩不發(fā)育,受盆地北緣物源影響,砂體呈南北向展布,東西呈透鏡體狀,厚度介于4~20m,其中盒8段砂體最為發(fā)育,分布范圍廣,厚度大(圖1)。各層位砂體垂向疊置,橫向連片,形成大面積復(fù)合砂體帶,是該區(qū)儲層砂體空間展布的基本特征。
該區(qū)上古生界發(fā)育2套區(qū)域性蓋層:①下二疊統(tǒng)太原組海相石灰?guī)r,厚度介于15~45m,分布穩(wěn)定,也是本溪組的直接蓋層;②上石盒子組與石干峰組發(fā)育的泥質(zhì)巖系,厚度介于l50~350m,分布穩(wěn)定,橫向連續(xù),是山西組~下石盒子組氣藏的重要蓋層。對該區(qū)上古生界泥巖的壓實研究表明,聲波時差明顯高于正常壓實趨勢(圖2),表明上古生界普遍存在古超壓現(xiàn)象[11-13],其過剩壓力介于5~20MPa,最大過剩壓力出現(xiàn)在上石盒子組—石千峰組,組成上古生界壓力封存箱的箱頂,天然氣很難突破箱頂超壓體而在箱內(nèi)成藏[14-15]。前人的研究也表明[16-19],鄂爾多斯盆地上古生界匕石盒子組與石干峰組泥巖封蓋性能優(yōu)越,具有物性封閉和壓力封閉雙重封閉特征。
該區(qū)不同層位儲層巖性、物性和孔隙結(jié)構(gòu)有所差異(表2)。盒8、山l段巖屑含量相對較高,石英含量較低,巖石類型以巖屑石英砂巖和巖屑砂巖為主,少量石英砂巖,山23層和本溪組石英含量較高,巖石類型主要為石英砂巖和巖屑石英砂巖,少量巖屑砂巖,砂巖長石含量較低;儲層平均孔隙度在4.44%~5.59%,平均滲透率為0.56~7.06mD,物性總體為低孔隙度、低滲透率型;砂巖孔隙結(jié)構(gòu)變化大,普遍排驅(qū)壓力較高,平均為0.94~1.726MPa,中值壓力平均為4.46~20.52MPa,孔喉半徑偏小,以(微)小孔喉為主,最大孔喉半徑介于0.664~1.86mm,中值孔喉半徑介于0.159~0.34mm,分選系數(shù)介于0.204~1.194。
1.3 圈閉類型
該區(qū)處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部,區(qū)域上為寬緩的西傾大單斜,坡度小于l°,地史中以穩(wěn)定的升降為主,構(gòu)造不發(fā)育,地形平坦,不具備形成構(gòu)造圈閉的條件。而上古生界時期,經(jīng)歷了海相到海陸過渡相再到陸相的沉積演化,沉積體系多樣性,發(fā)育多期次多類型的儲集砂體,形成了垂向疊置橫向連片的復(fù)合砂體帶,是形成大型巖性圈閉的有利條件[20-23]。該區(qū)主要為巖性圈閉,受沉積和成巖作用控制,又可分為上傾尖滅型和透鏡體型巖性圈閉。
由于鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖分布面積大,非均質(zhì)性強,巖性和物性在橫向上變化大,砂體連續(xù)性和連通性較差,因而這類砂體巾形成的圈閉必然表現(xiàn)為數(shù)量眾多、界限不明確,從而形成由眾多中小型巖性圈閉在縱向上相互疊置、在平面上復(fù)合連片的大面積分布的中小型巖性圈閉群且無明顯的邊界。這與常規(guī)構(gòu)造油氣藏或巖性油氣藏那種孤立分布、界限分明的圈閉明顯不同。
1.4 運移特征
近年來,越來越多的學(xué)者對鄂爾多斯盆地上古生界天然氣運聚成藏過程的研究表明,鄂爾多斯盆地上古生界天然氣在地史中不具備發(fā)生大規(guī)模側(cè)向運移的條件,其理由如下。
1.4.1關(guān)于儲層致密化時間
到底是先成藏后致密還是先致密后成藏,一直以來沒有定論。但是越來越多的學(xué)者對成巖作用及儲層孔隙演化的研究表明[24-25],上古生界儲層原生孔隙在三疊紀(jì)末已減少為3%~ll%,到晚成巖作用8期的早中侏羅世末,砂巖孔隙度降低為6%~8.4%。而生氣史研究表明,晚侏羅世—早白堊世是上古生界烴源巖大量生氣的主要時期,所以上古生界砂巖致密化早于大規(guī)模油氣運移時期,致密化砂體和(微)裂縫構(gòu)成主要輸導(dǎo)體系,這種輸導(dǎo)條件不利于天然氣的大規(guī)模側(cè)向運移3[21,24,26-27]。尤其是東西方向上沉積相變化大、砂層連通性較差,天然氣由低部位(西部)向高部位(東部)作大規(guī)模側(cè)向運移的輸導(dǎo)條件不發(fā)育。
巖心觀察發(fā)現(xiàn),該區(qū)上古生界巖石中的裂縫存在水平裂縫、斜向裂縫和近垂直裂縫。水平裂縫與斜向裂縫主要發(fā)育在層面結(jié)構(gòu)比較發(fā)育的巖石中,絕大部分被全充填或半充填,少數(shù)未充填,充填物主要為泥質(zhì)和方解石,縫寬0.1~8.0mm,大多數(shù)縫寬l.0~3.0mm,縫長0.08~1.01m;近垂直縫主要發(fā)育在比較致密的巖石中,該類巖石一般層面結(jié)構(gòu)不發(fā)育,裂縫面的角度一般大于70度,該類裂縫多數(shù)未充填,少數(shù)被泥質(zhì)、方解石充填、半充填,縫寬0.1~5.0mm,縫長0.05~5.18m,一般延伸較長。
對微裂隙中的流體包裹體溫度測試可知,微裂縫中包裹體溫度(120~150℃)一般都高于次生加大邊中包裹體溫度(110~130℃)。通過儲層熱演化研究結(jié)合微裂縫及石英加大邊溫度測試分析,認(rèn)為該區(qū)上古生界儲層裂縫主要形成于晚侏羅世—早白堊世,裂縫形成的時期與上古生界烴源巖大規(guī)模生、排烴的時間相匹配,裂縫是上古生界流體運移的通道之一。
1.4.2關(guān)于運移動力問題
一般來說浮力和水動力是油氣二次運移的主要動力,在常規(guī)油氣二次運移過程中浮力和水動力作用較強。但在鄂爾多斯盆地上古生界由于儲層成巖早期壓實作用和膠結(jié)作用強烈,因而在造成儲層致密化的同時,也導(dǎo)致儲層中的自由水大為減少,從而難以產(chǎn)生較強的浮力和水動力[28]。另一方面,流體南高勢區(qū)向低勢區(qū)運移的原理只適用于連通的水力系統(tǒng),而不適用于多個封隔體之間。泥巖壓實研究表明,盆地上古生界地層在三疊紀(jì)末 白堊紀(jì)發(fā)育“非均衡壓實” [16-17,21,24,26],該區(qū)最大埋深時期(白堊紀(jì))泥巖過剩壓力幅度介于0~10MPa,過剩壓力峰值出現(xiàn)在三疊系劉家溝組—上石盒子組(圖3),在壓力封存箱的上下、側(cè)向高壓泥巖阻隔之間,很難出現(xiàn)區(qū)域運移??梢?,鄂爾多斯盆地上古生界缺乏天然氣大規(guī)模、長距離運移的動力條件。
1.4.3運移聚集特征
一般來說,大規(guī)模、長距離的天然氣運移是擇優(yōu)聚集過程,輸導(dǎo)體系具有較好的輸導(dǎo)能力,形成的氣藏具有高的豐度值,產(chǎn)量也較高;而短距離的運移也就是天然氣局部就近聚集,天然氣富集程度與氣藏附近烴源巖生烴強度及儲集條件有關(guān),往往表現(xiàn)為低豐度的天然氣藏,且豐度值差異較大。鄂爾多斯盆地上古生界氣層具有低孔隙度、低滲透率、低豐度和低產(chǎn)特征,符合天然氣近距離運移聚集特征。
根據(jù)延長探區(qū)上古生界成藏組合特征分析認(rèn)為:由于本溪組為障壁島海岸沉積,儲集體類型主要為障壁砂壩和砂坪,砂體平面連續(xù)性較差,單個砂體規(guī)模較小,砂體不具備長距離側(cè)向運移的輸導(dǎo)能力。山西組—下石盒子組為三角洲前緣沉積,水下分流河道為主要儲集體類型,砂體南北向呈條帶狀展布,東西向呈透鏡體狀,而陜北斜坡上古生界為西低東高的構(gòu)造格局,東西向沉積相帶變化快,不具備大規(guī)模、長距離運移的疏導(dǎo)條件。南北向砂體雖然連續(xù)性相對比東西向好,但在整體為致密性砂巖中缺乏長距離運移的動力,不過在局部范圍內(nèi)發(fā)育的具有相對高孔隙度、滲透率儲層砂體為天然氣南北側(cè)向運移提供了有利條件,但是這種側(cè)向運移僅限于相互連通的優(yōu)質(zhì)儲層內(nèi),其運移規(guī)模較小且距離較短。因此,處于主力生烴層系內(nèi)的本溪組和山2段,其氣藏的形成主要為初次運移直接成藏;在主力生烴層系之上的山l段和盒8段,其氣藏的形成主要為二次運移垂向充注成藏;山西組下石盒子組在局部范圍內(nèi)可發(fā)生小規(guī)模的短距離南北向側(cè)向運移。
1.5 成藏期次
流體包裹體分析是研究油氣運移充注期次的有效手段。選取山西組22個砂巖樣品進行流體包裹體分析,根據(jù)鏡下觀察結(jié)果,流體包裹體主要分布在石英次生加大邊及石英顆粒微裂隙,其中砂巖石英次生加大邊內(nèi)流體包裹體均一溫度(圖4-a)分布在94.2~159.3℃,主峰溫度區(qū)間位于115~135℃;砂巖石英微裂隙中流體包裹體均一溫度(圖4-b)分布在82.7~193.8℃,并分為3個溫度區(qū)間,分別是80~95℃、95~130℃、l30~195℃,主峰溫度區(qū)間位于85~90℃、ll0~125℃和l35~155℃。石英加大邊內(nèi)流體包裹體的均一溫度主峰區(qū)間與石英裂縫中的第Ⅱ期流體包裹體均一溫度的主峰溫度區(qū)間相近,應(yīng)該屬于同一期酸性流體活動。
山西組砂巖中流體包裹體的測溫結(jié)果表明:①延長地區(qū)上古生界山西組至少存在3期流體活動,第Ⅰ期流體活動的主峰溫度在85~90℃,規(guī)模較小;第Ⅱ期流體活動的主峰溫度在115~120℃,這期流體形成了大量石英加大邊;第Ⅲ期流體活動的主峰溫度在135~155℃,流體規(guī)模較大。②高于l65℃的樣品點34個,溫度范圍較分散。③從測點數(shù)日來看,110~165℃區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)點較多,共計482個。在3期流體活動中均檢測到含烴包裹體,因此推測其與油氣充注有關(guān)。將流體包裹體的均一溫度投影在單井埋藏史圖上(圖5),發(fā)現(xiàn)3期油氣充注分別發(fā)生在晚三疊世、中晚侏羅世和早白堊世。
2 成藏組合
根據(jù)烴源巖與儲層、蓋層空間分布、輸導(dǎo)條件及運聚方式,將上古生界劃分為3個成藏組合:源內(nèi)成藏組合(本溪組—山2段)、近源成藏組合(下石盒子組—山1段)和遠源成藏組合(上石盒子組—石千鋒組)。
2.1 源內(nèi)成藏組合
主要包括本溪組、太原組和山2段。該套組合烴源巖為自身發(fā)育的暗色泥巖及煤系地層,儲層與烴源巖同層,形成了自生自儲式組合。其中本溪組、山23層是主要工業(yè)氣流層位,儲集層主要為三角洲前緣水下分流河道及障壁島砂壩;蓋層為煤系地層的泥巖,泥巖發(fā)育一定幅度的欠壓實,對于本溪組來說,其上部太原組海相石灰?guī)r是直接蓋層。該組合輸導(dǎo)體系主要為砂體,天然氣運聚以短距離側(cè)向和垂向就近聚集為主,儲層條件是氣藏形成的主控因素。該組合含氣飽和度較高,試氣產(chǎn)量也較高,勘探成功率高,在探區(qū)東部、北部和中部廣泛分布。
2.2 近源成藏組合
包括山l段及下石盒子組(以盒8段為豐)。該組合離主力烴源巖層系較近,以上石盒子組泥巖為區(qū)域蓋層,分布穩(wěn)定,欠壓實發(fā)育,下石盒子組泥巖為直接蓋層;儲集層為三角洲前緣水下分流河道砂體,形成下生上儲式組合。山l段和盒8段是主要工業(yè)氣流層位;輸導(dǎo)體系為砂體和裂縫;天然氣的運聚以垂向運移為主,側(cè)向運移為輔。儲集條件和下部烴源巖的生烴潛力是成藏的主控因素。該組合砂體發(fā)育,分布范圍大,但其產(chǎn)量普遍較低,高產(chǎn)井較少且產(chǎn)量差異較大。
2.3 遠源成藏組合
包括上石盒子組、石千峰組成藏組合。由于上石盒子組區(qū)域蓋層在部分地區(qū)被破壞,油氣突破了封存箱頂板[26],在石千峰組、上石盒子組形成次生氣藏。氣源依舊來自山西組和本溪組,儲集層離烴源巖較遠,氣藏內(nèi)部含氣飽和度較低,含水程度高,勘探風(fēng)險較大,輸導(dǎo)體系包括裂縫及砂體。該組合氣藏主要分布于盆地東北部及周邊構(gòu)造活動帶,如神木氣田石千峰組5段,與下部氣層相比,資源潛力較差;延長探區(qū)北部可能存在這類次生氣藏,如北部延氣l井干5段試氣產(chǎn)量為4695m3/d,產(chǎn)水1.5m3/d,解釋為含水低產(chǎn)氣層。
3 成藏模式
根據(jù)該區(qū)輸導(dǎo)體系、天然氣運移聚集特征、成藏組合等建立了延長氣田上古生界氣藏成藏模式(圖6)。該區(qū)有2套區(qū)域性蓋層,第l套為下部太原組海相石灰?guī)r,另l套為上石盒子組 石千峰組泥巖及致密性砂巖,具有物性和壓力雙重封蓋。該區(qū)上古生界普遍發(fā)育泥巖超壓,具有壓力封存箱特征,其中上石盒子組—石千峰組為壓力封存箱的箱頂,為下部天然氣的富集成藏提供了優(yōu)越的封閉保存條件,箱底為本溪組的致密鋁士巖。
壓力封存箱的結(jié)構(gòu)差異[17]、烴源巖與儲層的空間配置關(guān)系控制著氣藏天然氣的富集程度。山2段及本溪組暗色泥巖與煤系地層是主力生烴層系,本溪組與山2段屬于源內(nèi)成藏,以初次運移直接充注為主,充注程度高,表現(xiàn)為含氣飽和度高,分別為57.7%和62.5%;而山l段和盒8段位于主力烴源巖上部,為近源成藏,以二次運移垂向充注為主,表現(xiàn)為含氣飽和度相對較低,分別為49.1%和48.3%;上石盒子組和石千峰組離主力烴源巖更遠,屬于遠源成藏,受生烴強度的限制及本身具有物性和壓力雙重封蓋,天然氣很難運移至層內(nèi)成藏,只有在局部封閉性能較差且生烴強度較高、氣源交充足的地方才可能形成工業(yè)氣藏。
4 結(jié)論
1)延長探區(qū)處于鄂爾多斯盆地東南部,與盆地北部一樣,具有“廣覆式生烴、大面積成藏”的特點。本溪組—山2段暗色泥巖與煤系地層是主力生烴層系;儲層砂體發(fā)育,多層系砂體垂向疊置橫向連片,加上構(gòu)造不發(fā)育,是形成大面積復(fù)合巖性圈閉的重要條件;上石盒子—石千峰組發(fā)育巨厚的泥巖具有物性和壓力雙重封閉性能;砂體與裂縫是主要輸導(dǎo)體系,天然氣運移以垂向運移為主。
2)根據(jù)該區(qū)生儲蓋空間配置關(guān)系,可劃分3種組合方式:本溪組—山2段為源內(nèi)成藏組合,以初次運移直接充注為主,含氣飽和度高;近源成臧組合包括山1段和盒8段,以二次運移垂向充注為主;石千峰組—上石盒子組為遠源成藏組合,屬于次生氣藏,含氣飽和度較低,僅在局部存在:
3)通過對延長探區(qū)天然氣成藏特征的分析及勘探實踐,認(rèn)為鄂爾多斯盆地東南部具有良好的勘探潛力,是今后天然氣儲量增長的新區(qū)域。
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本文作者:周進松 王念喜 趙謙平 銀曉 林桂芳 曹躍 李園園 韓小琴
作者單位:陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司研究院
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