苏里格气田上古生界连续型致密气形成过程

杨　智，付金华，刘新社，吴松涛，林森虎，王　岚，王怀厂

1) 中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2)中国石油长庆油田勘探开发研究院，陕西西安 710021



苏里格气田上古生界连续型致密气形成过程

杨智1，付金华2，刘新社2，吴松涛1，林森虎1，王岚1，王怀厂2

1) 中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2)中国石油长庆油田勘探开发研究院，陕西西安 710021

摘要：苏里格气田上古生界致密砂岩储层叠置连片分布、多层位普遍含气，是典型的连续型致密砂岩大气区．利用生排烃物理模拟、数值模拟、岩矿观察、流体包裹体和碳氧同位素等手段，共同约束验证，综合分析相关成藏要素，探索恢复盆地大面积致密砂岩气形成的动态过程．研究发现，苏里格气田具有稳定平缓构造面貌(晚侏罗世至今，苏里格地区古构造坡降速一般为3～6 m/km)、高成熟煤系源岩广布式生排烃气和大面积致密砂岩储层叠置分布的成藏地质背景(生气强度大于1 600 kg/m2、砂体厚度大于15 m的源储接触面积可达2.35×104 km2，占苏里格气田面积的78%)；在晚侏罗世至早白垩世早期，苏里格气田具有规模充注和连续聚集的成藏特征；早白垩世晚期以后，其成藏特征缓慢调整，最终形成大面积连续型致密砂岩大气区．成岩成藏耦合关系和源储共生紧密接触，共同决定了苏里格气田近源连续聚集的成藏模式．近生气中心区的致密储集砂体是天然气勘探开发的有利区．

关键词：致密砂岩气；致密储层；生气强度；非常规油气；同位素；煤成气；苏里格气田

致密砂岩气的系统研究，源于20世纪70年代北美诸多致密砂岩大气田的发现[1-12]．致密砂岩气藏的两个定义：一是致密砂岩储层的覆压渗透率≤0.1×10-3μm2的气藏[13]；另一是只有经过水力压裂，利用水平井或多分支井才能大量经济开采的气藏[14]．两个定义分别强调致密气工业开发的物理度量界限和储层改造技术基础，尚未给出完整明确的地质定义和特征概括．1995年，连续气(continuous gas)的概念最早由美国地质调查局提出，泛指在含油气盆地的致密砂岩、煤层和页岩等非常规储层中，大面积连续分布，缺乏明确气水界面的天然气聚集[14-15]．该概念的提出抓住了这一类型天然气的主要地质特征，主要用于评价这类油气的资源规模和勘探潜力，获得了广泛推广，后来逐渐增加了非常规石油类型，进一步提出了“连续型油气聚集”(continuous petroleum accumulation)的理念．2008年“连续油气聚集”引入中国并获得长足发展[16]．针对致密砂岩气，本研究提出了“连续型致密砂岩气区”的基本地质内涵，即在大范围致密砂岩储集体系中，天然气连续分布的非常规圈闭天然气聚集，与传统意义的单一闭合圈闭气藏有本质区别．“连续型”强调天然气分布连续、普遍含气；“致密砂岩气区”指天然气聚集场所，主要发育于非常规致密砂岩储集体系之中，缺乏明显圈闭界限，无统一气水界面和压力系统，含气饱和度差异大，气水常多相共存，与常规单一圈闭油气藏的形成机理、分布特征、技术方法等有显著不同．

对致密砂岩气本质特征认识的深化，为大规模勘探开发去除了羁绊．近年来，随着大型压裂改造技术进步和规模化应用，中国致密砂岩气勘探开发取得重大进展，发现了以鄂尔多斯盆地苏里格和四川须家河组为代表致密砂岩大气区，在松辽、吐哈、塔里木、渤海湾等盆地发现了一批高产的致密砂岩气井．致密气已成为天然气增储上产的重要领域．截至2013年底，中国致密砂岩气累计探明地质储量为4.0×1012m3，约占全国天然气总探明储量的41%；2014年致密气产量已达3.6×1010m3左右，约占全国天然气总产量的27%；苏里格气田成为全国最大的致密气区，2014年探明和基本探明地质储量达4.2×1012m3，2014年产量为2.35×1010m3．

中国致密砂岩气资源丰富，可采资源量约9×1012～13×1012m3，目前探明程度和采出程度较低，仍有很大的增储上产空间，其中，鄂尔多斯盆地上古生界天然气是大头，资源量为8.39×1012m3[17-20]．本研究基于生排烃物理模拟和数值模拟、岩矿观察、流体包裹体和碳氧同位素等大量实物工作，以苏里格气田为研究对象，深入开展成岩成藏耦合关系研究，深化连续型大气区形成过程研究，对深入推动致密气勘探开发具有借鉴价值．

1研究区概况

鄂尔多斯盆地位于中国中北部地区，构造上隶属华北地台西部，是一个稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显的旋迴克拉通盆地[17-18]．盆地最大构造单元伊陕斜坡天然气资源丰富，上古生界气田群主要分布于此[17-19]．苏里格气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中西部，勘探面积3×104km2，是迄今中国发现的储量规模最大的超大型气田，具有含气层系多、普遍含气、叠置连片分布等特点，为低渗、低压和低丰度的大面积连续型致密砂岩气聚集，如图1．

图1　苏里格气田探明储量分布及山西组顶面深度及气藏剖面图Fig.1　Proven reserves distribution, top burial depth of permian Shanxi formation and gas reservoir section in Sulige gas field, Ordos Basin

2煤系源岩生烃过程分析

鄂尔多斯盆地上古生界的主要气源岩为煤系气源岩，包括煤岩和暗色泥岩．盆地晚古生代成煤模式与整个华北盆地一致，障壁海岸、河流(或三角洲平原)、潮控三角洲是盆地内存在的3种主要成煤模式，形成了主要的煤层．苏里格气田煤层分布稳定，是大面积煤成气生成的主要烃源岩基础，从本溪组、太原组到山西组煤系地层累计厚度6～16 m，有机碳体积百分比高于70%；暗色泥岩在全盆地也广泛分布，厚度在20～80 m，有机碳体积百分比为2.0%～3.0%，如图2．

图2　苏里格气区上古生界煤层和暗色泥岩厚度Fig.2　Thickness contour of coal measures and dark mudstones in upper paleozoic formation in Sulige gas field, Ordos basin

煤系气源岩可以全天候连续生气，模拟实验显示，煤在镜质体反射率(Ro)为0.6%～3.0%的热演化范围，可实现天然气持续生成和充注(图3)．其中，山西组5#煤的生排烃能力优于太原组 8# 煤的，规模约是太原组8#煤的2倍．生油模式：Ro=1.0%时，残余油达到最大；Ro=1.5%时逐渐消失；Ro为1.2%～1.4%时，达到生油高峰，且以凝析油为主；Ro>1.7%时，生排油量递减最快．需要指出的是，煤系源岩生成的液态烃绝大多数吸附于煤系源岩中，高演化阶段热降解生成气态烃．生排气模式：Ro<1.0%时，基本上不生烃气；Ro=1.7%时，生成湿气达到高峰；Ro>1.7%时，生成烃气规模增幅很大，且以甲烷为主，现阶段保存的天然气主要是高成熟阶段的产物．

图3　鄂尔多斯盆地上古生界主要煤系源岩生排烃模式Fig.3　Discharge hydrocarbon model of coal measures and dark mudstones in upper paleozoic formation in Ordos basin

苏里格气田全区进入大量生气的时间早晚不一且长短不同，中部和南部关键成藏期埋藏深度大、生气时间长，而北部埋藏深度浅、生气时间短．山西组煤系源岩是最主要的气源岩，生气强度一般在1 500 kg/m2以上；太原组煤系源岩是第2主要的气源岩，生气强度一般在500 kg/m2以上，苏里格上古生界煤系源岩生气强度最大可达3 000 kg/m2，生气强度大于1 600 kg/m2的烃源岩分布面积为2.35×104km2，占苏里格气区面积的2/3以上，具有广覆式生气的特点(图4)．

烃类组分是苏里格气田上古生界天然气最主要的成分，体积分数大多在95%以上．烃类组成以高甲烷含量为特征，重烃(C2+)组分体积分数一般小于10%，凝析油含量为低—极低．大部分天然气样品的甲烷体积分数大于90%，反映了以“干气”为主、“湿气”为辅的特征．非烃组分主要为CO2和N2，氢气和氦气等组分的含量极低，一般体积分数小于0.1%，不含硫化氢．总体上，天然气组分的纵向分布显示出向上部轻组分(甲烷)聚集，重组分(重烃气、CO2和N2)稀释，密度变低的特征，但变化幅度均较小；以山西组底面为界，观察图5(a)的相对密度、图5(b)的乙烷体积分数、图5(c)的丙烷体积分数和图5(d)的异丁烷(iC4)与正丁烷(nC4)体积比的纵向变化，发现储层中烃气的纵向分异不是特别明显，显示出近源短距离运聚的特征．苏里格气田上古生界天然气的碳同位素具有明显煤成气特征(图6)： δ13C1值分布在-36.5×10-3～-28.7×10-3，主值区间为-34×10-3～-31×10-3，平均值为-33.2×10-3； δ13C2值分布在-25.2×10-3～-22.1×10-3，平均值为-24.0×10-3；δ13C3值分布在-27.0×10-3～-21.8×10-3，平均值为-21.8×10-3；δ13C4值分布在-25.6×10-3～-20.7×10-3，平均值为-22.9×10-3．

图4　苏里格气田山西组和太原组煤系源岩生气强度等值线(单位：kg/m2)Fig.4　Hydrocarbon generation strength contour of coal measures in Shanxi and Taiyuan formations in upper paleozoic formation in Sulige gas field, Ordos basin(unit: kg/m2)

图5　苏里格气田天然气组分部分参数纵向分布[10]Fig.5　Some parameters of natural gas content in upper paleozoic formation in Sulige gas field, Ordos basin[10]

图6　苏里格气田盒8段和山西组上段天然气碳同位素组成特征Fig.6　Isotope characteristics of natural gas in upper Shanxi and lower Shihezi formations in upper paleozoic formation in Sulige gas field, Ordos basin

3储层致密化过程分析

伊陕斜坡北部地区从太原组到下石盒子组发育河流-三角洲沉积体系，沉积稳定．北部物源供给充足，在平缓的地形上，河道侧向迁移迅速且频繁，导致形成的砂体侧向上频繁叠覆，在平面上连片分布，展布范围广；纵向上多层位砂体叠置，砂层厚度大，苏里格气田一般累计厚度30～100 m，主力气层段砂泥比大于60%．储集砂体南北向延伸距离较长，达150～200 km，沉积砂体在盆地北部大面积分布，为大面积岩性天然气聚集的形成提供了良好的储集空间，如图7．

图7　苏里格气田上古生界石盒子组下段和山西组上段砂体分布Fig.7　Sand-body distribution in upper Shanxi and lower Shihezi formations in upper paleozoic formation in Sulige gas field, Ordos basin

研究区主要目的层段下二叠统山西组和下石盒子组储层为一套典型的非常规致密砂岩储层．砂岩类型主要有石英砂岩、岩屑石英砂岩和岩屑砂岩，以粗、中粒砂岩为主；砂岩分选中等，颗粒间以线或凹凸紧密接触为主；填隙物主要有各种黏土矿物、硅质和钙质胶结等，如图5．孔隙度一般小于10%，渗透率在1×10-6～1×10-3μm2，整体属低孔低渗、特低孔特低渗储层．储层成岩作用强度大(晚成岩B期)，先后发生的压实作用、硅质胶结和钙质胶结作用是最主要的3种成岩作用类型，导致本区储层的致密化．强烈的压实作用(构造热事件期间还叠加有热压实作用)损失了大部分原生粒间．石英加大在砂岩中普遍发育，最高可达10%以上，加大边宽20～40 μm，形成于主要压实期之后，强烈的硅质加大使颗粒呈镶嵌状接触，使孔隙进一步降低．成岩晚期形成的含铁碳酸盐胶结为孔隙充填式和交代产状，其形成一般晚于石英加大和溶蚀作用之后，如图8．

图8　苏里格气田上古生界致密砂岩微观照片Fig.8　Micro-photographs of upper paleozoic sandstone reservoir in Sulige gas field, Ordos basin

图8　苏里格气田上古生界致密砂岩微观照片Fig.8　Micro-photographs of upper paleozoic sandstone reservoir in Sulige gas field, Ordos basin

致密储层中发育丰富的成岩流体包裹体，主要分布于砂岩的石英颗粒、石英加大边、愈合裂隙以及碳酸盐胶结物中，大致可分为3期，如图9．早期包裹体(75～100 ℃)，主要分布于早期石英加大边及未切穿加大边的石英颗粒裂隙中，含烃包裹体数量较少．中期包裹体(100～140 ℃)又可分为两部分：100～120 ℃的部分主要分布于晚期石英加大边及裂隙中，发育大量气态烃包裹体和液态烃包裹体；120～140 ℃的部分主要分布于晚期石英加大边及裂隙中，部分分布在碳酸盐胶结物中，发育大量气态烃包裹体和液态烃包裹体．

晚期包裹体(大于140 ℃)主要出现在穿石英加大边的裂纹和碳酸盐胶结物中，石英加大边中的很少，含烃包裹体的数量已大幅减少．整体上，石英加大边中包裹体的温度范围主要为100～150 ℃，碳酸盐胶结物中的包裹体形成时间较晚，均一温度主要分布区间为120～160 ℃，这与产状分析是一致的．碳酸盐胶结物碳同位素δ13C(标准物质为美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石PeeDee Belemnite，即PDB)主要介于-6.9×10-3～-15.7×10-3，为有机-无机相互作用的产物，受到了明显的有机影响；氧同位素δ18O(PDB)介于-14.4×10-3～-19.8×10-3，说明碳酸盐胶结物主要为晚成岩阶段的产物，如表1．

图9　苏里格气田砂岩储层石英加大边中流体包裹体均一温度分布Fig.9　Homogeneous temperature distribution of fluid inclusions in overgrowth in upper paleozoic sandstone reservoir in Sulige gas field, Ordos basin

序号样品深度/m层位δ13CV-PDB×103δ18OV-PDB×103δ18OV-SMOW×103温度/℃1)1S102-13454.41盒8-9.7-16.813.6109.22S106-43493.36盒8-11.3-16.314.1105.13S106-53493.70盒8-10.2-16.613.8107.54S109-33654.54盒8-9.2-16.114.3103.45S109-43660.60盒8-8.6-18.411.9123.06S110-23738.15盒8-10.3-15.415.097.77S148-23713.18盒8-6.4-19.011.3128.48S166-43652.67盒8-12.3-16.214.3104.29S176-13669.99盒8-8.7-16.314.1105.110S189-13596.16盒8-6.9-15.614.899.311S189-23602.87盒8-5.2-14.416.189.912S236-13904.55盒8-10.4-15.415.197.713S236-23909.71盒8-7.7-15.614.899.314S244-43562.98盒8-11.0-18.511.8123.915S264-13558.89盒8-5.2-15.015.494.616S264-23585.62盒8-4.7-15.415.097.717S313-13990.58盒8-13.4-16.014.4102.618S323-23412.50盒8-14.8-16.114.3103.419S326-13498.20盒8-4.7-14.915.593.820S327-23650.69盒8-10.2-19.810.5135.721S40-23741.01盒8-11.3-16.114.3103.422S40-33766.01盒8-8.4-16.014.5102.623S71-13377.55盒8-13.5-16.314.1105.1

(续表1)

1)根据文献[22]18O同位素计算得到

4连续气形成过程分析

苏里格气田太原-山西组煤系源岩地史时期表现为高强度、持续型生排烃的特点，Ro为0.7%～2.5%， 全天候生烃，高强度充注，生气强度可达20～35 kg/m2；但整个生气过程不均衡，主要生气期集中在构造热事件期间(140～95 Ma)[21]，对应温度为160～200 ℃，即发生在储层致密化之后，天然气的主要充注作用的背景是大面积连续分布的致密储层．现今苏里格气田的天然气分布，是漫长地史时期大面积储层致密化和大规模生气过程相互耦合、共同作用的自然结果，如图10．

图10　苏里格气田成岩成藏耦合关系综合图[10]Fig.10　Comprehensive map indicating reservoir disgenesis and hydrocarbon accumulation coupling process in Sulige gas field, Ordos basin[10]

早二叠纪世，山西组到下石盒子组沉积期，伊陕斜坡北部发育大型河流-三角洲沉积体系，沉积稳定、物源充足，在宽缓斜坡上，河道侧向迁移迅速且频繁，纵向上多层位砂体叠置，砂层厚度大，平面上连片分布，展布范围广．随后深埋藏阶段，由于粒间泥质充填、高含量塑性岩屑强烈压实作用、自生黏土矿物大量生成、石英加大和碳酸盐胶结作用等沉积成岩作用，以及因沉积时大量火山物质的加入和中生界构造热事件等的综合影响，晚侏罗—早白垩世天然气大量充注之前，上古生界砂岩储层已演化成为一套非常规致密砂岩储层，浮力在成藏中的作用受限，广泛存在非达西渗流现象，界线模糊的岩性-成岩圈闭普遍发育、区域展布．天然气充注的主成藏期(早白垩世晚期到抬升初期，Ro>1.3%)， 依靠巨大的煤系源岩生气压力，天然气从大面积的煤系源岩和致密砂岩接触面大范围排烃，沿着垂直缝、层面缝及斜向缝等运移通道，近源运移进入山西组和下石盒子组非常规致密砂岩储集体，形成连续型的大气区．晚白垩世开始，盆地整体构造抬升，演化为低温低压盆地，微裂缝较为发育，气藏缓慢调整，但并未改变主成藏期的天然气分布格局．

苏里格气田上古生界高-过成熟煤系源岩大面积、蒸发式和连续型生排烃是形成连续型致密砂岩气区的前提条件，非常规致密砂岩储集体大范围连续展布是形成连续型致密砂岩气区的根本原因．广覆式分布的大范围煤系源岩与大规模连续分布的大型浅水三角洲、低特低孔渗砂体大面积紧密接触，宏观上呈下生上储结构，对苏里格气田天然气的分布有重要的控制作用．研究区生气强度大于1 600 kg/m2、砂体厚度大于15 m的源储接触面积可达2.35×104km2，占苏里格气田面积的78%，如图11．

图11　苏里格气田源储共生配置关系Fig.11　Natural gas reservoir section in Sulige gas field, Ordos basin

整体上，晚侏罗世—早白垩世—现今，苏里格气田古构造坡度都很平缓，古构造坡降一般在3～6 m/km，地层倾角<1°，这一时期是本区天然气大量生成的阶段，即使不考虑储层成岩演化导致的强烈非均质，假使能够形成大范围的连续气柱，连续气柱的垂直高度也很有限，浮力很难发挥大作用，天然气很难进行大规模侧向长距离的运移，现今已发现气田的分布并不受古构造高部位的控制．

苏里格地区是一个大范围较高强度生气、大面积致密砂岩储气的地质背景，天然气呈原地供气、近源垂向短距离运移为主的特征，整体含气，连续分布．在诸多天然气聚集要素的约束下，经过漫长的地史时期，以生气强度高值区为核心展开，近核心区的储集砂体可以更容易充分捕获天然气，最终形成了现今中国最大规模的苏里格连续型致密砂岩大气区．

结语

稳定平缓的构造面貌、高成熟煤系源岩广布式生排烃气和大面积致密砂岩储层叠置分布的成藏地质背景下，晚侏罗世—早白垩世早期，苏里格气田具有规模充注、连续聚集的成藏特征，早白垩世晚期以后缓慢调整，最终形成了大面积连续型致密砂岩大气区．成岩成藏耦合关系和源储共生紧密接触，决定了苏里格气田天然气持续充注、连续分布的近源聚集模式．

针对非常规连续气近源运聚的典型特点，致密气的勘探开发应坚持“整体评价，整体部署”的原则，理论上应突破“圈闭”的概念束缚，以生气中心区的刻画为基础，以近源储层的刻画为核心，划定气区边界，对近源储集体进行分级评价，分阶段、分层次地有效开发，最大限度地动用，更好地满足日益增长的能源需求．

致谢：谨此感谢邹才能教授、陶士振教授、袁选俊教授、姚泾利教授、刘显阳博士、魏新善博士、邓秀芹博士、范立勇博士及康锐工程师等的大力支持和帮助！

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【中文责编：晨兮；英文责编：天澜】

Formation process of upper paleozoic continuous tight sandstone gas reservoir in the Sulige gas field

Yang Zhi1†, Fu Jinhua2, Liu Xinshe2, Wu Songtao1,Lin Senhu1, Wang Lan1, and Wang Huaichang2

1) Research Institute of Petroleum Exploration & Development, PetroChina, Beijing 100083, P.R.China 2) Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710021,Shaanxi Province, P.R.China

Abstract：Sulige gas field in Ordos basin, north-central China, is a typical large unconventional continuous tight gas reservoir characterized by continuous distribution of super-imposed gas layers with rich gas in large dimensions. This paper introduces an integrated analysis approach to study the formation process of target gas reservoir by combining several analytic measures, i.e., generation-expulsion physical simulation, numerical basin modeling, micro-photographic observation, fluid inclusion test, and carbon-oxygen isotopic etc. The dynamic formation process of this large-scale gas reservoir is discussed. It is found that Sugli gas field has such reservoir formation characteristics as stable and gentle paleo-tectonic slope from late Jurassic to the present, as well as highly maturated coal measures with generally large hydrocarbon gas generation intensity (more than 1 600 kg/m2), and large-scale closely contacted tight sandstones with over 15 meters in thickness and area of 2.35×104 km2 (about 78% of the whole Sulige zone). The gas was charged and accumulated continuously and massively in tight reservoirs from late Jurassic to early Early-Cretaceous, and the large gas reservoir was finally formed after reconstruction after early Late-Cretaceous. This paper concludes two elements to determine the present distribution and accumulation of Sulige natural gas i.e. the coupled relationship between reservoir diagenesis and gas accumulation process, and the close contact between the gas generation source and tight sandstone reserves. The regions close to the center of gas generation could be the potential favorable areas for exploration and development of natural gas.

Key words：tight sandstone gas; tight reservoir; gas generation intensity; unconventional continuous gas; isotope; coal measures generated gas; sulige gas field

基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB239000)；国家科技重大专项基金资助项目(2016ZX05046)

作者简介：杨智(1980—)，男，中国石油勘探开发研究院高级工程师、博士.研究方向：非常规油气地质和常规油气风险勘探．E-mail: yangzhi2009@petrochina.com.cn

中图分类号：TE 311

文献标志码：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.03221

【环境与能源/Environment and Energy】

Received：2015-05-31；Accepted：2015-09-29

Foundation：National Basic Research Program of China(2014CB239000); National Science and Technology Major Special Project of China(2016ZX05046)

† Corresponding author：Senior engineer Yang Zhi. E-mail: yangzhi2009@petrochina.com.cn

Citation： Yang Zhi, Fu Jinhua, Liu Xinshe, et al. Formation process of upper paleozoic continuous tight sandstone gas reservoir in the Sulige gas field[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(3): 221-233.(in Chinese)

引文：杨智，付金华，刘新社，等. 苏里格气田上古生界连续型致密砂岩气形成过程研究[J]. 深圳大学学报理工版，2016，33(3)：221-233.