沁水盆地与鄂尔多斯盆地上古生界致密气成藏条件类比及勘探潜力

梁建设，朱学申，柳迎红，王存武，吕玉民

(中海油研究总院 新能源研究中心，北京　100028)



沁水盆地与鄂尔多斯盆地上古生界致密气成藏条件类比及勘探潜力

梁建设，朱学申，柳迎红，王存武，吕玉民

(中海油研究总院 新能源研究中心，北京100028)

摘要:为了探讨沁水盆地上古生界致密气的勘探潜力，采用类比分析的方法，系统分析了沁水盆地与鄂尔多斯盆地的构造-沉积演化、源储条件及成藏规律的差异性。研究表明：(1)沁水盆地与鄂尔多斯盆地共同经历了构造稳定期、构造分异期和构造定型期，二者在石炭—二叠纪具有相似的沉积演化过程，主要以海陆过渡相和陆相沉积为主。(2)沁水盆地上古生界煤层总厚度介于3～17 m，与鄂尔多斯盆地相当，镜质体反射率介于2.0%～4.5%，热演化程度高于鄂尔多斯盆地，生烃强度更大。(3)鄂尔多斯盆地致密气主要目的层为太原组、山西组和下石盒子组，次为上石盒子组和石千峰组；沁水盆地103口井测井解释结果显示，太原组和上石盒子组可疑致密气层较多，共计72层，占总数的64.9%，次为山西组和下石盒子组。(4)沁水盆地上古生界致密气具有初次运移和二次运移成藏两种模式，保存条件是成藏的关键因素，盆地中南部的向斜核部、断裂不发育的翼部是勘探的有利区。

关键词:沁水盆地；上古生界；致密气；保存条件；勘探潜力

致密砂岩气是覆压基质渗透率小于或等于0.1×10-3μm2的砂岩气层，单井一般无自然产能或自然产能低于工业气流下限，但在一定经济条件和技术措施下可获得工业天然气产量[1]。近年来，我国致密气勘探取得重大突破，新一轮资源评价结果表明[2]，鄂尔多斯盆地天然气总资源量为15.16×1012m3，其中致密气资源量为10.37×1012m3，约占天然气总资源量的68%，已发现苏里格、乌审旗、大牛地、神木、靖边、子洲等6个探明储量超过千亿立方米的致密气田。沁水盆地作为我国北方另一重要的含煤盆地，与其仅一山之隔，诸多学者对沁水盆地石炭—二叠系源储的配置关系研究认为，其具备致密气成藏的条件[3-6]，笔者也在之前对沁水盆地成藏条件及勘探潜力进行了详细论述，但目前该盆地仍未取得致密气勘探突破，也尚无针对沁水盆地与鄂尔多斯盆地致密气成藏条件的详细对比研究。笔者拟通过对沁水盆地与鄂尔多斯盆地从构造-沉积演化与成藏条件到勘探实践与成藏规律，系统探讨2个盆地上古生界致密气成藏的差异性，以期开拓沁水盆地致密气勘探的思路，进一步挖掘沁水盆地致密气的勘探潜力。

1盆地勘探历程

鄂尔多斯盆地上古生界发育多套煤系烃源岩，致密气分布层位相对分散，主要经历了4个勘探阶段[7-10]：① 探索阶段，20世纪80年代以前在盆地周边以寻找构造油气藏为主，没有取得重大突破；② 深化认识阶段，20世纪80—90年代，伴随着煤成气理论的发展和完善，勘探思路由构造圈闭向岩性圈闭转变，在靖边下古生界奥陶系古风化壳和上古生界取得突破；③ 实践阶段，20世纪末期至21世纪初期，以煤成气理论为指导，确定了“上、下古生界立体勘探”的思路，利用井震结合的“甜点”预测技术，发现了乌审旗和苏里格等大型致密气田；④ 快速发展阶段，盆地下生上储的良好源储配置关系，有利于致密气成藏，相继探明了苏里格、大牛地、神木、榆林、子洲等多个大型致密气田，相应的开发配套技术不断完善，促进了我国致密气产业的快速发展。

沁水盆地的油气勘探工作开始于20世纪50年代，大致经历了5个阶段[3,6,11]：第1阶段(1957—1975年)，以古生界为勘探对象开展石油地质普查，认为缺乏生烃条件；第2阶段(1975—1979年)，以新近系(晋中断陷)为勘探对象，未见油气显示，认为有机质丰度低，未成熟，不具生油条件；第3阶段(1982—1987年)，以上古生界煤成气为勘探对象，仅在阳1井太原组灰岩储层中获得工业气流；第4阶段(1994—2004年)，以上古生界煤层气为勘探对象，对烃源岩、储层、圈闭、热演化程度、生烃期有了较为系统的认识，认为生气期和圈闭形成具有较好地配置关系；第5阶段(2005—2013年)，煤层气大规模开发阶段，沁水盆地南部已建成千亿方大型煤层气田，形成了高阶煤煤层气勘探开发理论与工艺技术体系。近年来，随着煤层气大规模的勘探开发，在沁源、柿庄南、柿庄北和寿阳等多个区块，发现多套砂岩具有良好的气测显示，是天然气勘探评价初期最可靠的依据，也受到越来越多学者的重视，已逐步朝着煤层气与致密砂岩气共同勘探与评价的方向发展。

图1　沁水盆地与鄂尔多斯盆地构造位置Fig.1　Tectonic location of the Qinshui Basin and Ordos Basin

2构造演化对比分析

沁水盆地与鄂尔多斯盆地位于华北克拉通盆地的中西部，以吕梁山隆起相隔(图1)，经受吕梁-晋宁运动、加里东运动、海西-印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动等多个构造阶段的改造和叠加作用，经历了构造稳定期、构造分异期和构造定型期3个演化阶段(图2)。

图2　沁水盆地与鄂尔多斯盆地构造演化示意Fig.2　Tectonic evolution of the Qinshui Basin and Ordos Basin

1.1构造稳定期

前人研究成果表明[12-14]，晚古生代以前，整个华北克拉通位于一边缘活动、内部稳定的特定大地构造位置，沁水盆地与鄂尔多斯盆地共同经历了一段稳定的演化过程。吕梁-晋宁运动阶段，不同性质、时代、走向的基底地块逐渐融合、固结，形成了华北古大陆板块的主体陆壳，由于陆壳性质的不均一性(厚度、地温梯度、刚性强度、固结程度)，同时也拉开了中晚元古代坳拉槽演化序列。早古生代早期进入了构造稳定发育时期，沉积了一套全区稳定的寒武-奥陶纪海相碳酸盐夹碎屑岩的沉积。晚奥陶世，加里东运动南北向的挤压作用，华北克拉通盆地整体抬升和沉积间断，导致奥陶系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统的缺失。中石炭世晚期，由抬升剥蚀转变为下沉接受沉积，沉积了一套海陆过渡相和陆相沉积地层，从本溪期海侵开始到二叠纪海水逐渐退出，现今的沁水盆地与鄂尔多斯盆地在这一宏观背景下形成了一个完整的海侵-海退演化序列。

1.2构造分异期

印支早期，沁水盆地与鄂尔多斯盆地继承了晚古生代以来的构造格局与沉积特点；印支晚期，受库拉板块NNW向左旋挤压应力的作用，形成了沁水盆地的雏形，而鄂尔多斯盆地整体东高西低，沉积地层也出现了向西加厚的现象。至燕山中期，以东西分带、南北分块的太平洋构造体系占主导地位，吕梁山隆起成山，NW-SE方向的强烈挤压使东侧的沁水盆地地区抬升遭受剥蚀作用，同时形成一系列NE-NNE向复背斜和复向斜隆起区[15]，而以西的鄂尔多斯盆地沉积了侏罗纪和早白垩世地层，盆地周缘构造活动较强[16]，彻底结束了华北克拉通盆地的沉积演化历史，铸成了沁水与鄂尔多斯两个具有不同构造属性的内陆盆地。到燕山晚期，沁水盆地与鄂尔多斯盆地整体抬升，形成了白垩世地层与上覆地层的不整合接触。

1.3构造定型期

喜马拉雅运动早期阶段，沁水盆地、鄂尔多斯盆地所处的华北西部地区受印度板块与欧亚板块碰撞所产生NE-SW方向的挤压应力控制，盆地整体抬升。喜马拉雅运动中晚期阶段，是鄂尔多斯盆地周缘裂陷作用最强烈的时期，沁水盆地西北部晋中断陷也是此时形成的。结合前人的研究成果[17]，晚新生代以来，鄂尔多斯盆地与沁水盆地经历了两期隆升事件，鄂尔多斯盆地西部的最大隆升-剥蚀量是1.0 km，东部的总隆升-剥蚀量为3.7 km，而沁水盆地明显大于鄂尔多斯盆地东部的隆升量，至少为4.2 km。经历喜马拉雅运动阶段的多期次的拉张、挤压改造，逐渐形成了沁水盆地与鄂尔多斯盆地及其周缘现今的构造格局。

类比结果表明，燕山运动期间，沁水盆地与鄂尔多斯盆地产生差异演化，鄂尔多斯盆地继承和发展了华北克拉通盆地，逐渐形成了内部稳定、周缘断裂发育的构造格局；而沁水盆地则经受了强烈的挤压作用形成了大型复式向斜，整体呈NNE向，次级褶皱和断裂发育。

2沉积演化差异性

图3　沁水盆地与鄂尔多斯盆地沉积柱状简图Fig.3　Sedimentary columnar section of the Qinshui Basin and Ordos Basin

受控于区域构造演化，晚石炭世-早二叠世华北地区广泛发育海陆交互相和以陆相为主的近海盆地含煤沉积体系，是我国石炭—二叠世主要的聚煤区[18-19]。位于华北西部的鄂尔多斯盆地与沁水盆地石炭—二叠纪含煤岩系主要以河流、三角洲、湖泊及潟湖-潮坪沉积为主(图3)，自下而上发育多套煤层，与砂岩、泥岩互层发育，为致密气成藏提供了源储盖条件。(1)本溪组。

沁水盆地与华北海连通，主要为碳酸盐台地和潮坪沉积，东南部局部区域发育障壁砂坝。由于受鄂尔多斯盆地中央古隆起的影响，两侧碳酸盐台地被潮坪分开，以西与祁连海连通，在鄂尔多斯盆地西北部沉积了较厚的地层；以东的鄂尔多斯盆地广大地区，发育碳酸盐台地和潮坪沉积[19-24]。

(2)太原组。

太原期海侵范围进一步扩大，祁连海与华北海连通，东西沉积格局的差异性缩小，是沁水盆地与鄂尔多斯盆地灰岩发育的鼎盛时期[21-23]，灰岩分布稳定，厚度大。沁水盆地南部主要发育碳酸盐潮坪沉积为主，北部发育小规模的浅水三角洲沉积，鄂尔多斯盆地以滨浅海沉积为主，物源区主要来自于盆地北侧，发育三角洲沉积体系，而南侧也发育小规模的三角洲沉积。此阶段2个盆地沉积地层厚度逐渐趋于一致。

(3)山西组。

山西期，海水从东西两侧退去，沁水盆地北部为主要物源供给区，南部阳城、高平一带存在物源区，主要发育三角洲沉积体系，中部广大地区以湖泊沉积为主[26]。鄂尔多斯盆地三角洲和滨浅湖沉积体系为主，南北两侧同时有物源供给，在志丹-延安-大宁-吉县一带存在大规模湖泊沉积体系[19]。

(4)下石盒子组。

石盒子期早期，沁水盆地主要以三角洲沉积体系为主，盆地南端东南方向持续有物源供给，形成向盆地内部推进的三角洲沉积，南北两侧三角洲沉积体系之间的地带为湖泊相区。鄂尔多斯盆地北部伊盟隆起进一步抬升，三角洲沉积体系向南推移，中部以三角洲沉积为主，北部主要发育河流相沉积；盆地中南部主要为湖泊沉积，南端东南和西南方向均有物源供给，发育三角洲沉积体系[21,23-25]。

(5)上石盒子组。

石盒子期晚期，沁水盆地以河流和三角洲沉积为主，泥砂互层。鄂尔多斯盆地以三角洲和湖泊沉积为主，在区域上形成一套稳定的且具有一定厚度的泥岩[21]，2个盆地存在一定差异。

(6)石千峰组。

石千峰期，沁水盆地北部主要为河流相沉积，南部以湖泊相沉积为主，中间的狭长窄小地带为三角洲沉积。鄂尔多斯盆地以河流和三角洲沉积为主，湖泊相范围进一步缩小，主要分布在盆地的南部[19,21,23]。

沁水盆地与鄂尔多斯盆地沉积演化历程相似，决定了二者具有相似的源储条件，而鄂尔多斯盆地内部稳定的构造背景以及晚古生代晚期以来大范围的湖相泥岩沉积为致密气成藏提供了良好的保存条件，但此时沁水盆地主要以河流-三角洲沉积体系为主，后期又遭受了强烈的隆升剥蚀作用，从上覆地层的封盖能力和厚度来说都相对差一些。

3烃源岩及储层特征

3.1烃源岩

烃源岩是控制油气成藏和分布的重要因素之一，是含油气系统研究的基础[28]，其中煤系烃源岩有机质含量高、生气能力强，具有持续生烃和充注的能力[29]。华北地区晚古生代发育近海型含煤沉积体系，其中沁水盆地和鄂尔多斯盆地是区内重要的含煤盆地，石炭-二叠系煤层发育，为致密气成藏提供了良好的烃源条件。沁水盆地上古生界含煤层数多达16层，总厚度主要介于3～17 m，呈“北东向厚薄相间”的分布特点(图4)，其中山西组和太原组煤层平均有机碳含量73.84%和70.86%[31]，成熟度主要介于2%～4.5%，盆地中部主要受深成控制作用，在盆地的南端和北端受燕山期岩浆活动影响较大，热演化程度较高。而鄂尔多斯盆地上古生界煤层厚度主要介于4～22 m，呈现“东西厚、中间薄”的分布特点(图4)，平均有机碳含量约为67.3%[30]，成熟度主要介于0.8%～3%，主要受深成控制作用，在庆阳、延安和宜川最大。

总之，两个盆地上古生界煤层总厚度大体相当[25](图4)，鄂尔多斯盆地略厚，均有广布式分布、生烃物质基础雄厚的特点，主力煤层分布稳定，发育以高等植物为原始成煤物质的腐植煤，干酪根主要以III型为主。

3.2储层

图4　沁水盆地与鄂尔多斯盆地[25]上古生界煤层厚度Fig.4　Coal thickness in the Upper Paleozoic of the Qinshui Basin and Ordos Basin[25]

图5　沁水盆地柿庄区块X1井测井解释成果Fig.5　Log interpretation results of X1 well in the Shizhuang Block of Qinshui Basin

图6　沁水盆地致密气可疑气层分布特征Fig.6　Distribution of suspicious tight gas reservoir in the Qinshui Basin

沁水盆地与鄂尔多斯盆地石炭—二叠纪主要发育海陆过渡相沉积，晚期盆地的北部发育陆相沉积体系，主要发育障壁砂坝、砂坪、潮道、河口坝、分流河道、心滩和河道等沉积微相控制砂体的展布，二者具有一定的相似性。目前，鄂尔多斯盆地已发现苏里格、大牛地等多个大型致密气田，主要目的层段为山西组、太原组和下石盒子组，具有含气层组多、单层砂体薄、渗透率低、非均质性强等特点[2,8,28,30,32-33]。通过对沁水盆地寿阳、沁源、柿庄等区块103口煤层气参数井复查发现，共计32口井发育111个致密气可疑气层，具有“低密度、低伽马、高电阻”的特征，气测异常明显，具有显著的中子“挖掘”效应(图5)，其中太原组和上石盒子组可疑气层层数达到34层和38层，占总数的64.9%，后者平均厚度达到7.1 m，其次为山西组和下石盒子组，而石千峰组砂体的平均厚度最大(图6)。沁水盆地可疑气层孔隙度测井解释成果表明，与鄂尔多斯盆地具有相似性(图7)，沁水盆地储层孔隙度略大，孔隙度小于8%的层位占36.92%，孔隙度为8%～12%的层位占53.85%，大于12%的层位占9.23%。鄂尔多斯盆地储层覆压基质渗透率小于1×10-2μm2的储层占89%[30]，前人对沁水盆地851个样品分析结果表明盆内砂体渗透率的优势分布区间为<(0.1～0.3)×10-3μm2[3]，二者均属于低孔渗的致密砂岩储层。

图7　沁水盆地与鄂尔多斯盆地储层孔隙度直方图Fig.7　Reservoir porosity histogram of the Qinshui Basin and Ordos Basin

4成藏规律与勘探潜力

4.1鄂尔多斯盆地致密气成藏规律

鄂尔多斯盆地已经建立了“近源箱型”成藏模式[33-35]，石炭—二叠系广布式分布的煤层及暗色泥岩提供了生烃的雄厚物质基础，障壁海岸、海陆过渡相的三角洲以及河流-湖泊三角洲等三大沉积体系控制下的砂坝、分流河道、河道、心滩等砂体则为气藏的发育提供了存储空间，上石盒子组过剩压力的封盖作用以及稳定的构造背景，为鄂尔多斯盆地气藏的形成提供了良好的保存条件，天然气的运移主要靠生烃高峰期的超压以及分子浓度差的扩散作用，形成了下石盒子组、山西组和太原组的下部致密砂岩气藏(图8)；盆地的边缘构造相对发育的地区(晋西挠褶带等)，断层的发育为烃类垂向运移提供了通道，在石千峰组的底部甚至刘家沟组形成上部气藏。因此，在鄂尔多斯盆地内部构造稳定的地区，勘探目的层主要为下石盒子组下部、山西组和太原组等下部气藏，而盆地边缘构造活动强烈的地区，以下部气藏为主，同时兼顾上部石千峰组和刘家沟组等浅层气藏。

图8　沁水盆地与鄂尔多斯盆地上古生界致密气成藏模式Fig.8　Tight gas accumulation model in the Upper Paleozoic of Qinshui Basin and Ordos Basin

4.2沁水盆地致密气成藏模式

沁水盆地致密气成藏的模式可能有以下2类(图8)，① 近源成藏模式：煤层及暗色泥岩大量生烃后，满足自身吸附能力后，运移到煤层上下物性较好地砂岩储层中聚集成藏，主要分布在沁水复向斜的核部和斜坡区域，断裂不发育；② 垂向疏导运移成藏模式：构造运动产生的断层或者裂隙，导致古气藏被破坏，烃类向上运移，在有利的构造部位聚集成藏，形成常规的背斜气藏。因此，在沁水盆地中南部的向斜核部和斜坡地区是致密气勘探的有利区，埋深相对较大，断裂不发育，勘探目的层主要为石盒子组、山西组和太原组，同时兼顾评价圈闭条件，具备常规气藏发育的可能性。

4.3沁水盆地致密气勘探潜力

通过对沁水盆地与鄂尔多斯盆地成藏条件类比，以及对沁水盆地成藏模式的总结，笔者认为，沁水盆地上古生界具有一定的致密气勘探潜力。其理由如下：① 沁水盆地上古生界沉积了一套优质煤系烃源岩，且经历了充分的热演化，烃源条件优越；② 沁水盆地石炭-二叠系发育海陆交互相沉积体系，其中三角洲前缘、三角洲平原以及河流相砂体广泛发育，形成良好的储盖条件；③ 从已钻探的煤层气参数井复查结果来看，沁水盆地致密气可疑层广泛分布。应该说，沁水盆地上古生界致密气勘探前景广阔，应予以重视。

但也应该看到，与鄂尔多斯盆地类比，沁水盆地中生代遭受强烈的挤压变形，新生代喜山运动阶段又形成大量走滑断层，原生气藏可能遭受破坏[36]；新生代晚期，沁水盆地遭受的剥蚀作用强于鄂尔多斯盆地，整个新生界地层都相对较薄；因此，保存条件是沁水盆地致密气成藏的关键因素。该盆地在致密气勘探中应充分重视保存条件的研究，沁水盆地中南部的向斜核部、断裂不发育的翼部是勘探的有利区。

5结论

(1)沁水盆地与鄂尔多斯盆地共同经历了构造稳定期、构造分异期和构造定型期3个演化阶段，形成了沁水盆地复式向斜、断裂发育与鄂尔多斯盆地内部稳定、边缘构造发育的基本特征。二者在石炭—二叠世有相似的沉积演化过程，以陆相和海陆过渡相沉积为主，发育冲积扇、河流、三角洲、潟湖-潮坪、碳酸盐台地等沉积体系。

(2)沁水盆地与鄂尔多斯盆地以煤系烃源岩为主，具备良好的生烃物质基础，煤层厚度分别介于3～17 m 和4～22 m，镜质体反射率分别介于2%～4.5%和0.8%～3%，主要为III型干酪根，以生气为主。储层以障壁砂坝、砂坪、潮道、河口坝、分流河道、心滩和河道等砂体为主，为低渗～致密储层。鄂尔多斯盆地主要目的层为山西组、太原组和下石盒子组，次为上石盒子组和石千峰组；沁水盆地太原组和上石盒子组可疑气层较多，共计72层，占总数的64.9%，次为山西组和下石盒子组。

(3)鄂尔多斯盆地内部稳定地区以下部气藏为主；盆地边缘构造活动区，断裂沟通气体向上运移的通道，石千峰组甚至更浅的地层发育浅层气藏。与之类比的结果表明，保存条件是沁水盆地致密气成藏的关键因素，具有初次运移和二次运移成藏两种模式，盆地中南部的向斜核部和断裂不发育的翼部是勘探的有利区。

(4)通过对沁水盆地构造-沉积演化和源储条件分析，认为沁水盆地具有致密气成藏的地质条件。在煤层气大规模开发中，发现多套砂岩气测异常，老井复查发现多套可疑气层，应重视对沁水盆地上古生界致密气的勘探评价，加强煤系地层的综合研究。

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Comparative study on accumulation conditions of the tight gas in the upper paleozoic of the Qinshui Basin and Ordos Basin and its exploration potential

LIANG Jian-she,ZHU Xue-shen,LIU Ying-hong,WANG Cun-wu,LÜ Yu-min

(ResearchInstituteNewEnergyResearchCenter,CNOOCResearchInstitute,Beijng100028,China)

Abstract:To discuss the exploration potential of tight gas in the Upper Paleozoic of Qinshui Basin,a systematic analogy analysis on difference about tectonic-sedimentary evolution,source-storage conditions,and accumulation regulation in Ordos and Qinshui basin was made.Some conclusions are as follows:(1) Qinshui Basin and Ordos Basin have experienced tectonic stability,differentiation and finalization phase with similar sedimentary evolution mainly composed of transitional and continental sediments in carboniferous-Permian.(2) The total coal seam thickness in the Upper Palaeozoic of Qinshui Basin is about 3-17 m,as same as in the Ordos Basin;and its vitrinite reflectance is about 2.0%-4.5% with higher thermal evolution and stronger hydrocarbon-generating intensity than that of Ordos Basin.(3) Taiyuan,Shanxi and Xiashihezi Formations are the main targets,and the next are Shangshihezi and Shiqianfeng Formations in the Ordos Basin.103 well logs were reinterpreted in the Qinshui Basin,which indicates that there are 72 questionable tight gas bearing layers accounting for 64.9% of the totals in the Taiyuan and Shangshihezi Formations,followed by Shanxi and Xiashihezi Formations.(4) Based on the comprehensive analysis,two gas accumulation models of primary migration and secondary migration are presented in the Upper Paleozoic of the Qinshui Basin,preservation condition is the key factor in the tight gas accumulation,and the syncline core and wing with little fault in the south-central basin are favorable exploration areas.

Key words:Qinshui Basin;Upper Paleozoic;tight gas;preservation condition;exploration potential

中图分类号:P618.13

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2016)01-0192-10

作者简介:梁建设(1965—)，男，陕西富平人，教授级高级工程师。E-mail:wangcw@cnooc.com.cn

基金项目:国家科技重大专项资助项目(2011ZX05060)；中国海油科技攻关资助项目(YXKY-2015-ZY-08)

收稿日期:2015-08-01修回日期:2015-10-14责任编辑:许书阁

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