鄂尔多斯盆地东部上古生界盒8 段致密砂岩天然气成藏*

丁雪峰，康 锐，韩会平，刘晓鹏

(1.中国石油长庆油田分公司，陕西 西安710021;2.中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安710021;3.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安710021)

0 引 言

确定天然气成藏时间和储层致密时间及其前后关系是天然气勘探的基础，也是研究天然气地质的出发点，具有较强的理论和实用价值。鄂尔多斯盆地上古生界天然气勘探经过30 年的实践，不少学者对其天然气的生成时间及资源分布进行了详细论述，结论不尽相同。主要观点包括:根据气藏形成特征和主控因素认为天然气成藏具有早侏罗世末期、晚侏罗世中晚期、早白垩世末期、早白垩世末期至今4 个成藏模式［1］;根据含油气砂岩自生伊利石K -Ar 定年方法，探讨分析鄂尔多斯盆地东北部上古生界二叠系油气成藏的期次和时间，认为二叠系不同含油气层段均不同程度地经历了与烃源岩两次主生烃作用相应的(175 ～155 Ma 和145 ～115 Ma)原生油气成藏事件［2-3］;根据鄂尔多斯上古生界砂岩储层流体包裹体均一温度分布特征。认为上二叠统在内的二叠系不同层段均不同程度地经历了早-中侏罗世和早白垩世的两期原生油气成藏作用，上二叠统气藏现今显示的次生成藏特点很可能是在原生油气成藏基础上后期叠加改造或次生成藏的结果［4］。但多数学者主要是成藏特征及成藏机理研究，没有分区块分层位深入系统探讨成藏时间和储层致密时间及两者耦合关系，文中试图通过流体包裹体、烃类包裹体、伊利石测年实验、成岩序列研究、成藏动力计算推导等多种方式得出东部天然气成藏时间及储层致密时间，从而进一步探讨其耦合关系。

1 地质概括

研究区位于伊陕斜坡东部边缘，范围北起乌拉庙-常家沟一线以南，南至老君殿-薛家峁一线以北，西起榆林，东达吴堡-佳县，面积约1.6 ×104km2，区内包括榆林气田、子洲气田、米脂气田、神木气田(图1)。该区上古生界含气层系包括石炭系本溪组，二叠系太原组、山西组、石盒子组及石千峰组等，为典型的多层系含气。垂向上，上古生界下部本溪组、太原组及山西组形成了自生自储的生储盖组合，下石盒子组储集层则形成下生上储式的生储盖组合［5-7］。而上石盒子组、石千峰组发育一套厚的泥质岩区域盖层且距离烃源岩较远，在局部砂岩发育地区形成了次生气藏，其中盒8 段储层是该区的主要产层。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划与研究区位置Fig.1 Tectonic zone of Ordos Basin and research area

2 气藏形成时间

2.1 流体包裹体测温

鄂尔多斯盆地东部盒8 段流体包裹体均一温度显示为双峰分布特征，分布在105 ～120 ℃之间和135 ～160 ℃之间，显示为两次成藏特征。流体包裹体在近年来的石油天然气地质学方面，不仅被用来研究油气运移通道，描述油气藏演化史，更在油气成藏年代学方面得到广泛应用［8-9］。通过流体包裹体均一温度直方图(图2)分析发现，同一产状内与烃类包裹体伴生的盐水包裹体均一温度可以作为成藏分析的指标，其温度反映天然气在地层内运移时期的地层温度。同一产状内与烃类包裹体伴生的盐水包裹体均一温度直方图多显示为双峰式，说明此地区包裹体形成期次至少为两期:第一期温度主要介于105 ～120 ℃之间，代表早期生烃温度区间，该时期储层内运移富集的天然气饱和度相对较低，因而包裹体内捕获的气态烃组分较低(气液比小);第二期温度主要介于135 ～160 ℃之间，代表产生于第二期次生石英加大边及后期构造作用过程中微裂隙内捕获的包裹体温度，该时期储层内运移富集的天然气饱和度相对较高，因而气态烃包裹体气液比较大，盒8 均一温度峰值区间同样相似。由此可推断，盆地上古生界天然气气藏的运移富集主要为两期，天然气充注到盒8 段地层的时间基本一致。

图2 盆地东部盒8 段包裹体均一温度直方图Fig.2 Distribution of homogenization temperature of fluid inclusion of the 8rd Layer in eastern Ordos Basin

2.2 气态烃包裹体地球化学特征

研究区气态烃包裹体气相成分以CO2和CH4等气体为主，根据煤不同热演化阶段产生CO2与CH4含量比例推算Ro，其Ro分别为介于0.7 ～1.0和大于1.6 两个区间，认为气态烃包裹体捕获期次为两期，为两期成藏特征。

烃类包裹体主要可提供4 个方面的信息:期次、古地温、化学组分、运移路径和成藏深度。本次研究选用的激光拉曼光谱分析是一种散射光谱的单个包裹体分析技术，与红外光谱相比，其不受周围介质(包括矿物)的影响。该方法是目前国内外分析单个有机包裹体成分及相对摩尔百分含量的唯一快速有效的方法。研究区气态烃包裹体激光拉曼光谱分析结果显示，包裹体气相成分以CO2，和CH4等气体为主，显示两类比例不同的组分特征(图3)。结合本地区前人的测试结果综合分析发现［7-9］，研究区盒8 段内气态烃包裹体多显示两类组分比例特征:富CO2少CH4或富CH4贫CO2.

图3 不同类型包裹体激光拉曼光谱结果对比(M6 井，2 393.6 m，盒8 段)Fig.3 Raman spectroscopy comparison of different types of inclusion laser

结合研究区煤成气的大背景特征分析［10］，将气态烃包裹体组分与煤在不同演化阶段产物组成变化趋势对比发现，研究区气态烃包裹体组分特征反映其形成于不同的演化阶段:早期当Ro小于0.8%时，煤产出组分内CO2含量可达60%以上，随后随着热演化程度加强而迅速降低;晚期Ro大于1.5%，煤产出组分内CH4生成量迅速增加，超过组分总量的65%，其后随着热演化程度不断加强CH4的组分可达95%. 根据煤不同热演化阶段产生CO2与CH4含量比例推算Ro，其Ro分别为介于0.7 ～1.0 和大于1.6 两个区间，认为气态烃包裹体捕获期次为两期(图4)。

2.3 伊利石测年

图4 气态烃包裹体内气体组分中CO2与CH4含量交汇图Fig.4 Gaseous hydrocarbon inclusions gas components CO2 and CH4 content crossplots

研究区上古生界多口井盒8 段砂岩的自生伊利峰值年龄分别为160 和120 Ma，与流体包裹体推测成藏时间基本一致，为晚侏罗世、早白垩世两期成藏。通常认为，砂岩储层自生伊利石形成于一定的成岩阶段，而且总是与富钾的流体水介质有关。碎屑伊利石和成岩早期形成的伊利石粒径较大;而晚期形成的伊利石粒径小，多呈纤维状或丝发状，且伊-蒙有序间层矿物(I /S)含量较高(50% ～90%)，I /S 混层比较低(25% ～40%)。如果在自生伊利石形成阶段油气注入储层，则储层含油气饱和度的增加会破坏自生伊利石生长环境，自生伊利石的形成便会受到抑制或终止，成为油气充注成藏时间记录的理想成岩矿物［11-12］。

本次全面收集整理了研究区内共5 口井、9 个样品的自生伊利石K -Ar 测年数据(表1)，试图从不同角度来客观认识上古生界不同含气层的成藏时间。数据显示研究区上古生界不同含油气砂岩的自生伊利峰值年龄分别为160 和120 Ma，指示研究区上古生界的油气充注成藏主要发生在燕山中期构造热作用的上古生界烃源岩大规模生排烃和运聚成藏过程，且至少经历过160 和120 Ma两个期次的峰值年龄事件，与流体包裹体推测成藏时间基本一致。

综合盆地东部流体包裹体、气态烃包裹体岩相学特征、组分特征、均一温度特征及伊利石同位素测年特征，确定研究区主要有2 期成藏:第一期天然气运移富集时间为200 ～170 Ma，即晚侏罗世;第二期天然气运移富集时间145 ～120 Ma，即早白垩世。

表1 盆地东部上古生界自生伊利石K-Ar 法同位素测年数据表Tab.1 Data of autogenetic illite K-Ar dating of the 8rd layer in eastern Ordos Basin

3 致密储层形成时间

3.1 成藏动力

当储层孔隙度为12%时浮力就无法克服毛管阻力，天然气将无法依靠浮力成藏，即当储层孔隙度小于12%时，储层致密化。天然气进入致密储层的主要动力有2 个，一个是天然气进入储层之前所蕴含的过剩压力，另一个是储层与相邻的排烃源岩之间的毛细管压力差;主要阻力则来自储层内部，是与天然气充注方向相反的毛细管压力［13-18］。即当浮力小于毛细管压力时，天然气将无法依靠浮力成藏，此时可以认为储层已经致密化。由此我们可以根据天然气浮力来计算致密化的孔隙度下限，首先我们需要确定天然气的浮力大小，天然气向上浮力的大小与气连续柱高度和气、水密度差成正比。

通过对盆地东部大量盒8 气藏剖面统计，渗透性好、垂向连通好的气层连续高度主要分布在10～20 m;地层条件下地层水密度，ρw 取值0.96 ×103kg/m3;地层条件下气体密度，ρg 取值0.16 ×103kg/m3.由式(1)可以计算得盒8 气藏天然气向上浮力在0.078 ～0.157 MPa.

再次依据只要浮力大于储层毛细管阻力，天然气即可实现上浮的原理。由式2 即可计算得出相应毛细管阻力对应的最小喉道半径。

式中 r 为储层喉道半径;ρwg为气水两相界面张力;ρwg取25 mN/m(30 MPa，110 ℃);θwg为润湿接触角;θwg为0°;PCR为 毛细管力。

由式(1)得出天然气浮力于毛细管阻力在0.078 ～0.157 MPa 区间时，储层喉道半径为0.32～0. 64 μm. 取盒8 气藏天然气浮力0. 078 4 ～0.156 8 MPa.即:喉道半径小于0.32 μm 储层中，浮力难以起作用，天然气难以上浮。

由盆地东部高压压汞资料统计，气藏在地层条件下，喉道半径为0.32 ～0.64 μm 的储层，对应的分析渗透率大致为0.8 ～1.3 mD(图5)。由盆地东部盒8 段孔渗相关关系图中可推算出储层孔隙度为12%(图6)。即当储层孔隙度小于12%时，浮力已不能克服毛管阻力，储层已致密化。

图5 盒8 储层喉道中值半径与分析渗透率关系图Fig.5 Average radius of pore and throats vs.permeability of the 8rd Layer in eastern Ordos Basin

图6 盆地东部盒8 段孔渗相关图Fig.6 Permeability vs.porosity of the 8rd Layer in eastern Ordos Basin

3.2 成岩作用

从盆地东部埋藏热演化史得出三叠纪末时盒8 段储层孔隙度已经低于12%即已致密化，早于主成藏时间的晚侏罗世和早白垩世。

按照包裹体测温和盆地地热史恢复资料，鄂尔多斯盆地东部上古生界砂岩储层经历过早成岩阶段未成熟期，现正处于晚成岩阶段成熟—过成熟期。压实、压溶及硅质胶结作用是储层致密化的主要原因，压实作用主要发生在晚成岩早期，有机质成熟度Ro小于1.0%.

图7 鄂尔多斯盆地东部上古生界热史-埋藏史-期次关系图Fig.7 Buried thermal evolution history of the upper paleozoic reservoir of eastern Ordos Basin

上古生界砂岩成岩作用强烈而复杂。就其成岩类型而言，主要经历了压实作用、压溶作用、火山物质的水化、脱水、蚀变和溶蚀作用、自生矿物的析出及胶结作用以及粘土矿物的转化和重结晶作用、交代蚀变作用以及构造破裂作用等。其中压实、压溶及硅质胶结作用是储层致密化的主要原因。同时，泥化后的组分抗压能力变弱，受机械压实作用的结果，岩石的孔隙度急剧下降。在石英砂岩中，压实作用主要表现为颗粒转动是之达到最稳定化排列，刚性颗粒断裂破碎、压溶嵌合，是粒间孔隙极度缩小。利用Lundergard 的计算公式［19］，压实作用使石英砂岩、岩屑砂岩损失的孔隙度分别为29%和27.4%，即在砂岩埋藏达到2 000 m，地温为70 ℃时，孔隙度约为10%. 根据对应东部埋藏热演化史［20-22］(图7)可以看出三叠纪末储层已经致密化。

4 结 论

1)鄂尔多斯盆地东部不同层段流体包裹体均一温度显示为双峰分布特征，分布在105 ～120 ℃之间和135 ～160 ℃之间，由捕获的包裹体内气体δ13C1推算的Ro 介于0.6 ～1.0 和大于1.2 两个区间，初步认为气态烃包裹体捕获期次为两期。伊利石测年分析则显示盆地上古生界自生伊利石峰值年龄分别为160 和120 Ma，确定研究区主成藏时间为晚侏罗世和早白垩世;

2)通过成藏动力推导可以得出储层孔隙度小于12%时，浮力不能克服毛管阻力，储层已致密化。再次通过成岩作用及埋藏热演化史分析，储层应在三叠纪末已致密化;

3)结合以上2 点，研究区气藏整体具有“先致密后成藏”的成藏特征。

References

［1］ 李明瑞，窦伟坦，蔺宏斌，等.鄂尔多斯盆地东部上古生界致密岩性气藏成藏模式［J］. 石油勘探与开发，2009，36(1):56 -61.LI Ming-rui，DOU Wei-tan，LIN Hong-bin，et al. Model for tight lithologic gas accumulation in upper palaeozoic，east of Ordos Basin［J］.Petroleum Exploration and Development，2009，36(1):56 -61.

［2］ 陈 刚，徐黎明，丁 超，等.用自生伊利石定年确定鄂尔多斯盆地东北部二叠系油气成藏期次［J］.石油与天然气地质，2012，33(5):713 -729.CHEN Gang，XU Li-ming，DING Chao，et al.Authigenic illite dating for the timing of oil-gas accumulation of the permian reservoirs in northeastern Ordos Basin［J］. Oil＆ Gas Geology，2012，33(5):713 -729.

［3］ 李艳霞，赵靖舟，李净红.鄂尔多斯盆地东部上古生界气藏成藏史［J］. 兰州大学学报:自然科学版，2011，47(3):29 -39.LI Yan-xia，ZHAO Jing-zhou，LI Jing-hong. Gas accumulation history in upper palaeozoic，east of erdos basin［J］. Journal of Lanzhou University:Natural Sciences，2011，47(3):29 -39.

［4］ 刘新社，周立发，侯云东.运用流体包裹体研究鄂尔多斯盆地上古生界天然气成藏［J］.石油学报，2007，28(6):37 -41.LIU Xin-she，ZHOU Li-fa，HOU Yun-dong.Study of gas charging in the upper paleozoic of Ordos Basin using fluid inclusion［J］. Acta Petrolei Sinica，2007，28(6):37-41.

［5］ 崔宏俊，刘宝平，欧阳畹町.鄂尔多斯盆地延长气田石盒子组沉积特征分析［J］. 西安科技大学学报，2012，32(6):726 -731.CUI Hong-jun，LIU Bao-ping，OUYANG Wan-ding. Analysis of the sedimentary characteristics of Shiheziformation in Yanchang gasfield，Ordos Basin［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(6):726 -731.

［6］ 陈 莹，曹 青，刘 鹏，等.鄂尔多斯盆地东南部上古生界山2 气藏形成地质条件分析［J］.天然气地球科学，2011，22(6):969 -974.CHEN Ying，CAO Qing，LIU Peng，et al.Geological conditions of upper paleozoic Shan - 2 gas reservoir in southeastern Ordos Basin［J］. Natural Gas Geoscience，2011，22(6):969 -974.

［7］ 谭梦琦，董昭雄，刘忠群，等.鄂尔多斯盆地北部上古生界煤成气及其砂岩气藏成藏模式［J］.西安石油大学学报:自然科学版，2010，25(5):33 -41.TAN Meng-qi，DONG Zhao-xiong，LIU Zhong-qun，et al.Coal-formed gas of upper Paleozoic in the north of Ordos Basin and its pool form ingmodes［J］.Journal of Xi’an Shiyou University:Natural Science Edition，2010，25(5):33 -41.

［8］ 米敬奎，肖贤明，刘德汉，等.利用包裹体信息研究鄂尔多斯盆地上古生界深盆气的运移规律［J］.石油学报，2003，24(5):46 -51.MI Jing-kui，XIAO Xian-ming，LIU De-han，et al. Study on upper paleozoic deep basin gas migration in Ordos using inclusion information［J］. Acta Petrolei Sinica，2003，24(5):46 -51.

［9］ 冯 乔，马硕鹏，樊爱萍.鄂尔多斯盆地上古生界储层流体包裹体特征及其地质意义［J］.石油与天然气地质，2006，27(1):27 -32.FENG Qiao，MA Shuo-peng，FAN Ai-ping. Characteristics of fluid inclusions in upper paleozoic reservoirs in Ordos Basin and their geological significance［J］.Oil ＆Gas Geology，2006，27 (1):27 -32.

［10］朱春俊，王延斌.鄂尔多斯盆地东北部上古生界煤系地层成煤特征分析［J］.西安科技大学学报，2010，30(6):687 -692.ZHU Chun-jun，WANG Yan-bin.Characteristics analysis of coal forming in the coal bearing formation of Paleozoic in the northeast of Ordos basin［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2010，30(6):687-692.

［11］邱华宁，吴河勇，冯子辉，等. 油气成藏40Ar /39Ar 定年难题与可行性分析［J］. 地球化学，2009，38(4):405 -411.QIU Hua-ning，WU He-yong，FENG Zi-hui，et al. The puzzled and feasibility in determining emplacement ages of oil-gas reservoirs by40Ar /39Ar techniques［J］.Geochimica，2009，38(4):405 -411.

［12］邢恩袁，庞雄奇，姜福杰，等.不同充注方式下致密砂岩气藏的成藏效率探讨［J］. 科技导报，2012，30(15):29 -34.XING En-yuan，PANG Xiong-qi，JIANG Fu-jie，et al.Discussion on accumulation efficiencies of tight sandstone gas reservoir under different manners of migration［J］.Science ＆ Technology Review，2012，30(15):29-34.

［13］姜振学，林世国，庞雄奇，等.两种类型致密砂岩气藏对比［J］.石油实验地质，2006，28(3):210 -219.JIANG Zhen-xue，LIN Shi-guo，PANG Xiong-qi，et al.The comparison of two types of tight sand gas reservoir［J］. Petroleum Geology ＆ Experiment，2006，28(3):210 -219.

［14］赵文智，邹才能，谷志东，等.砂岩透镜体油气成藏机理初探［J］. 石油勘探与开发，2007，34(3):273 -284.ZHAO Wen-zhi，ZOU Cai-neng，GU Zhi-dong，et al.Preliminary discussion on accumulation mechanism of sand lens reservoirs［J］.Petroleum Exploration and Development，2007，34(3):273 -284.

［15］张 庄，史洪亮，杨克明，等.试论致密砂岩气藏中的夹层控气作用——以川西大邑须家河组气藏为例［J］.天然气地球科学，2012，26(3):493 -500.ZHANG Zhuang，SHI Hong-liang，YANG Ke-ming，et al.Application of interlayer controlling gas accumulation in tight sandstone gas reservoir:a case of Xujiahe formation gas reservoir in Dayi，west Sichuan Basin［J］.Natural Gas Geoscience，2012，26(3):493 -500.

［16］景兴鹏，刘 洁，段宗怀，等.致密砂岩气含量试验测试技术［J］.西安科技大学学报，2013，33(5):726 -731.JING Xing-peng，LIU Jie，DUAN Zong-huai，et al. Test technology on gas content of tight sandstone gas［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2013，33(5):726 -731.

［17］柳广弟，赵忠英，孙明亮，等.天然气在岩石中扩散系数的新认识［J］.石油勘探与开发，2012，39(3):493-500.LIU Guang-di，ZHAO Zhong-ying，SUN Ming-liang，et al.New insights into natural gas diffusion coefficient in rocks［J］. Petroleum Exploration and Development，2012，39(3):493 -500.

［18］杨 建，康毅力，桑 宇，等.致密砂岩天然气扩散能力研究［J］.西南石油大学学报:自然科学版，2009，31(6):559 -564.YANG Jian，KANG Yi-li，SANG Yu，et al. Research on diffusibility of the gas in tight sand gas reservoir［J］.Journal of Southwest Petroleum University:Natural Science Edition，2009，31(6):76 -79.

［19］Lun degard P D. San dstone porosity loss:a“big picture”view of the importance of compaction［J］.Journal of Sedimentary Research，1992，62(2):250 -260.

［20］汪泽成，陈孟晋，王 震，等.鄂尔多斯盆地上古生界克拉通坳陷盆地煤成气成藏机制［J］. 石油学报，2006，27(1):8 -12.WANG Ze-cheng，CHEN Meng-jin，WANG Zhen，et al.Simulation analysis on formation mechanism of coalformed gas reservoir in intercratonic depression of the Upper Paleozoic in Ordos Basin［J］.Acta Petrolei Sinica，2006，27(1):8 -12.

［21］曹 青.鄂尔多斯盆地东部上古生界致密储层成岩作用特征及其与天然气成藏耦合关系［D］.西安:西北大学，2013.CAO Qing.Characteristics of diagenesis and diagenesisgas accumulation for Upper Paleozoic tight reservoir in Eastern Ordos Basin［D］. Xi’an:Northwest University，2013.

［22］赵丹枫，赵靖舟，陈 莹.鄂尔多斯盆地榆林-子洲地区山2 气藏成藏特征［J］.天然气地球科学，2013，24(2):320 -328.ZHAO Dan-feng，ZHAO Jing-zhou，CHEN Ying. An analysis on the charateristics of the Shan -2 formation gas pools in Yulin-Zizhou area of Ordos Basin［J］.Natural Gas Geoscience，2013，24(2):320 -328..