鄂尔多斯盆地东北缘神府区块上古生界致密砂岩成藏特征

2021-01-28高计县孙文举段长江

岩性油气藏 2021年1期

高计县，孙文举，吴鹏，段长江

（1.中联煤层气有限责任公司，北京 100016；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457）

0 引言

致密砂岩气藏通常是指覆压基质渗透率小于或等于0.1 mD 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以获得工业天然气产量［1-5］。近年来，围绕鄂尔多斯盆地致密砂岩气田的勘探开发，先后形成了岩性气藏、深盆气藏和连续型天然气聚集理论［5-7］；明确了鄂尔多斯盆地在石炭系—二叠系（C—P）煤系烃源岩广覆式生烃，河流—三角洲相多期砂体叠合发育、广泛分布及源储有利配置，是盆地内部大面积含气和形成大型致密气田的重要因素［7-12］。邹才能等［2］首次提出了连续型油气藏的概念，并将其定义为低孔渗储集体系中油气运聚条件相似，流体饱和度不均匀的非圈闭油气藏。连续型气藏的关键特征是“浮力不是成藏主要动力”和“大规模储层普遍含气”。在上述理论指导下，先后发现了苏里格和大牛地等大型致密气田，有效促进了鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏的有效勘探开发［4-5］。

随着油气勘探开发的深入，盆地东缘的临兴等区块取得了较好的勘探开发进展［6，10，13］。神府区块位于临兴区块北部，上古生界也发现了多套致密砂岩气藏［13］，但与邻区和盆地内部致密气田对比，其气层发育层位、单井平均钻遇气层厚度和单井平均试气产量等均具有显著差异。这些差异是如何形成的，其成藏模式是否具有特殊性，特别是烃源岩和致密砂岩气储盖条件和输导特征等，尚未开展详细研究。通过对神府区块影响致密砂岩气富集成藏的烃源岩、储层、盖层和输导体系等4 个主要因素进行系统研究，结合区域埋藏史，探讨致密砂岩气富集成藏模式，以期为后续勘探开发部署提供指导。

1 区域地质特征

神府区块构造上位于鄂尔多斯盆地东北缘伊陕斜坡和晋西挠褶带过渡带，西侧紧邻神木和大牛地两大千亿方大气田［14］（图1）。整体呈北东—南西向单斜构造特征，中部发育田家寨低幅背斜构造，构造形态自深至浅具有较好的继承性。

研究区上古生界沉积演化呈现由海陆过渡相向陆相过渡，其中上石炭统本溪组和下二叠统太原组发育海相障壁岛—潮坪沉积体系，下二叠统山西组主体为三角洲沉积体系，中二叠统石盒子组为河流—三角洲沉积体系，上二叠统石千峰组转变为陆相河流沉积体系（图2）。本溪组沉积微相类型主要有潮汐水道、砂坪、混合坪、泥坪、障壁砂坝、潟湖泥炭沼泽等。其中潮汐水道是优势相，砂体厚度大，呈近南北向展布，砂坪相薄层砂体大面积连片分布。太原组和山西组均处于海盆向内陆转化的过渡期，沉积环境由滨浅海转变为陆相三角洲体系，微相类型以近南北向展布的水下分流河道、水下分流间湾、分流河道和分流间湾为主。石盒子组发育三角洲平原河道砂体，是整个二叠系砂体最发育的层段。石千峰组以陆相河流沉积为主，主要发育辫状河沉积［5，14-16］。

2 致密气成藏条件

鄂尔多斯盆地东北缘神府区块上古生界自本溪组至石千峰组均钻遇气层，但气层钻遇率大于50%的层段集中分布在本溪组、太原组和山西组含煤地层中，石盒子组和石千峰组仅在局部井区钻遇气层。相较邻近的临兴等区块，神府区块气层厚度薄，单井钻遇气层平均厚度29.6 m（表1）。其中在山2 段、盒8 段、太2 段和本1 段钻遇气层的井数明显高于其他层位。在单层气层厚度方面，盒8 段明显高于其他层段，在统计中将其分为上、下共2段。此外，千5 段、盒4 段、本2 段、山2 段和太2段厚度也相对较大，均在5 m 以上。在气层钻遇率方面，以山2 段、本1 段、盒8 段较高，说明研究区在海陆过渡相的障壁—潮坪砂体和河流相砂体均有发育，均具有勘探开发潜力。

表1 神府区块各层段气层钻遇率统计Table 1 Drill-in rate of gas layers in Shenfu block

2.1 烃源岩特征

研究区烃源岩包括本溪组、太原组和山西组的煤层和暗色炭质泥岩，其中本溪组顶部8+9 号煤和山西组下部4+5 号煤是研究区的主力烃源岩［17-21］。已钻井钻探结果显示，2 套主力煤层厚度较大，展布稳定。其中8+9 号煤层厚度为8.2～24.3 m，平均为13.4 m［图3（a）］。煤层厚度在研究区西北部最厚，达20 m 以上，在南部和中部平均在14 m 以上，提供了较好的烃源岩条件。

烃源岩生气强度是指单位面积烃源岩中有机质在当前热演化程度下，所生成的天然气体积［21］。鄂尔多斯盆地东缘上古生界煤系有机质均以Ⅲ型为主，属于气源岩范畴，生气强度即可视为生烃强度［22-24］。将烃源岩成熟度作为衡量生烃强度的主要指标之一，选取主力烃源岩8+9 号煤65 个样品的Ro，max（最大镜质体反射率）值作为成熟度的主要评价参数。神府区块Ro，max值为0.60%～1.52%，平均为0.94%。根据苏里格、大牛地、神木等气田的测试参数，自盆地中心至盆地边缘随着埋深变浅，Ro，max值呈递减趋势（表2）。平面分布上，Ro，max值与埋深呈正相关关系，自北东至南西随埋深增加而变大。

表2 鄂尔多斯盆地主力烃源岩8+9 号煤埋深及Ro，max值统计Table 2 Depth and Ro，max of No.8+9 coal seams in Ordos Basin

烃源岩的生烃能力评价主要应用盆地模拟法、温度模拟法和物质平衡法等多种手段［21］。盆地模拟法定量计算某个地区阶段生烃强度时，需要以该区块烃源岩生烃率或可类比的数据作为依据。本文采用李剑锋［25］对鄂尔多斯盆地上古生界煤层的热模拟实验成果，结合前述的研究区煤层厚度和有机质热演化程度等数据，采用其烃源岩生烃强度（D）来进行计算

式中：H为烃源岩厚度，m；ρ为烃源岩密度，t/m3；C为烃源岩残余总有机碳质量分数，%；Rg为不同演化阶段的产气率，依据最大镜质体反射率估算而来，m3/（t·TOC）。

式（1）可以转换为

式中：K为Ro，max与Rg的相关系数［25］。

结果表明，生烃强度为（4～20）亿m3/km2，平面分布上以中部田家寨为高值中心区［24］［图3（b）］。在Ro，max小于1 时，生烃强度与煤层厚度关联性更高。当Ro，max大于1 时，其他参数影响较大。

2.2 储层特征

2.2.1 岩心和薄片特征

研究区上古生界致密砂岩储层岩石类型主要有石英砂岩、岩屑石英砂岩、长石石英砂岩、岩屑砂岩和长石岩屑砂岩（图4）。其中本溪组和太原组石英含量高，石盒子组和石千峰组石英含量减少，长石和岩屑含量增加，成分成熟度和结构成熟度均呈降低趋势。以本1 段、太2 段和山2 段为例来具体说明其岩矿组成和孔隙结构。

本1 段主要为石英砂岩、岩屑石英砂岩和长石石英砂岩。成分成熟度较高，石英体积分数为32%～99%，平均为81.2%；长石体积分数为0～33%，平均为9.1%；岩屑体积分数为0～47%，平均为9.6%，岩屑以变质岩岩屑为主，少量沉积岩岩屑。储层颗粒间以缝合接触为主，分选较好，磨圆以次圆状为主，颗粒支撑，杂基不发育［图4（a）］。

太2 段主要为中粗粒岩屑砂岩、岩屑石英砂岩和长石石英砂岩。成分成熟度偏低，石英体积分数为32%～95%，平均为62.9%；长石体积分数为0～41%，平均为10.2%；岩屑体积分数为0～62%，平均为26.8%，岩屑以变质岩岩屑为主，其次为岩浆岩岩屑，含少量云母。颗粒以线接触为主，分选中等—较差，磨圆以次棱角状为主，颗粒支撑，杂基含量中等［图4（b）］。

山2 段主要为灰色中—粗粒岩屑砂岩和长石石英砂岩。成分成熟度较低，石英体积分数为35%～88%，平均为63%；长石体积分数为3%～44%，平均为12.9%；岩屑体积分数为2%～57%，平均为25.7%，岩屑以变质岩岩屑为主，其次为岩浆岩岩屑。储层颗粒以线接触—缝合接触为主，分选中等，磨圆为次棱角状，颗粒支撑，杂基含量中等［图4（d）］。

研究区砂岩孔隙类型主要为残余粒间（溶）孔、粒内溶孔、晶间孔和微裂缝，其中残余粒间（溶）孔和粒内溶孔是主要的储集空间类型［23］。下部本溪组、太原组和山西组均为海相至海陆过渡相沉积，石英含量高，抗压实作用强，以残余粒间（溶）孔为主，核磁测试曲线呈现单峰型，上部石盒子组和石千峰组均为陆相沉积，长石和岩屑含量增加，以晶间孔和粒间（溶）孔+溶蚀孔组合为主，呈双峰型（图5）。

2.2.2 储层物性特征

据研究区764 块物性样品统计结果表明：致密砂岩储层呈典型“低孔低渗”特征，孔隙度主要为6%～12%，平均为6.06%；渗透率为0.01～4.05 mD，平均为0.29 mD。上部的石盒子组和石千峰组储层物性整体优于下部的本溪组、太原组和山西组储层。千5 段和本1 段物性较好，是因为下组合地层沉积环境属于海陆过渡相—海相，受河流和海洋双向水流的作用［26-29］，砂岩分选较好、泥质杂基较少。其中，千5 段孔隙度为2%～10%的样品占比约为90%，渗透率主要为0.01～0.50 mD，占比约为85%；本1 段孔隙度为2%～10% 的样品占比约为84%，渗透率主要为0.1～1.0 mD，占比约为75%；太2 段和山2 段均次之。神府区块孔隙度大于10%的样品占比仅为16%，渗透率大于1 mD 的样品占比仅为19%（图6），整体上物性变化较小。

2.3 盖层特征

根据砂地比统计结果和已钻井揭示岩性特征，泥地比曲线表现出3 个峰值，说明神府区块上古生界发育3 套区域性泥岩盖层，下部为太1 段和山1段泥岩盖层，泥地比为85%，中部为盒3 段和盒5段泥岩盖层，泥地比为87.5%，上部为千1 段和千2段泥岩盖层，泥地比为78%（参见图2）。3 套区域性盖层起到遮挡和封盖作用，主要封盖方式为物性封闭和烃浓度封闭［30］。根据盖层的封盖性以及内部砂体的储集性将上古生界致密砂岩气藏划分为下部本溪组、太原组和山西组源内储盖组合，下石盒子组为近源储盖组合，上石盒子组和石千峰组为远源储盖组合（参见图2）。下部源内储盖组合煤系泥质岩作为内幕盖层，厚度变化较大，山西组较厚，太原组相对较薄；中部近源储盖组合和上部远源储盖组合以石盒子组和石千峰组广泛发育的泥岩作为区域性盖层，分布稳定且连续性好，从南东至北西，呈现出厚度逐渐减小的趋势，对致密砂岩气起到了重要的区域性封盖作用。

2.4 输导体系

研究区以低角度单斜构造形态为主，大的断层不发育，以小型正断层为主，且自下而上断层数量减少。下部本溪组、太原组和山西组发育层间小断层，因此下部主要发育源内气藏和近源气藏。上石盒子组和石千峰组仅在局部井区（X-19 井区）发育断层，断裂系统成为天然气运移的优势通道［31-35］，因此神府区块上部远源气藏仅在局部井区发育，如X-19 井在盒3 段和千5 段钻遇气层。神府区块地震资料和区域构造背景显示，在剖面上C—P—T（三叠系）断层逐渐减少，逐渐不发育，断层自下而上具有一定的继承性；平面上断裂展布分为3 个方向：北东向、北西向和近南北向，以北东向为主，C—P 断裂延伸短，方向多变。

3 成藏模式

3.1 成藏期次

根据鄂尔多斯盆地东缘埋藏-热演化史［34］，可知区内上古生界烃源岩自晚三叠世（T3）达到生烃门限，Ro，max大于0.5%开始生烃；于晚侏罗世—早白垩世达到生、排烃高峰，晚侏罗世—早白垩世末期为该区天然气重要的成藏期；晚白垩世至今，由于地层整体抬升，烃源岩演化趋于停滞，气藏于距今50 Ma 前形成［25-31］。研究区流体包裹体形状呈不规则状、椭圆形或圆形串珠状，个体相对较小，颜色呈浅灰色或无色。统计115 个流体包裹体数据，其均一温度为73.2～162.3 ℃，平均值为110.4 ℃，表明区间均有烃类流体活动，煤层生烃成藏是相对连续的过程，130 ℃以上占比为7.9%。均一温度变化明显，峰值出现在110 ℃左右，呈典型单峰型（图7），说明该区仅发生过1 期随埋藏深度增加而持续生烃成藏的过程。

3.2 成藏模式

鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏发育源内、近源和远源等3 种成藏模式［36-41］。依据研究区的生储盖组合特征，结合输导体系的不同划分成藏模式，其中源内成藏是指天然气来自山西组、太原组和本溪组烃源岩，本溪组障壁砂坝、太原组和山西组三角洲砂岩为主要储集体。天然气直接进入煤层顶底板附近的砂岩中，以太1 段和山1 段泥岩作为盖层，天然气原位或就近成藏。近源成藏主体以盒3 段泥岩为区域性盖层，盒5 段泥岩为直接盖层，下石盒子组三角洲平原分流河道作为储集体。天然气主要来自于下部煤层，通过断层或在源储压差作用下进入储集体近距离成藏。远源成藏气源也主要来自于下部煤层，天然气通过断层、裂缝运移至上石盒子组、石千峰组砂体，石千峰组厚层泥岩作为区域性盖层。受烃源岩成熟度、储层物性和运移输导体系等因素影响，神府区块以源内和近源成藏模式为主，局部断裂系统发育区发育远源成藏模式（图8）。不同成藏模式由于生储盖的空间配置不同，其成藏条件和含气特征相应具有不同的特征，这对于致密砂岩气的勘探和高效开发具有指导意义。