鄂尔多斯盆地西南部寒武系风化壳天然气成藏特征

2021-05-11刘显阳魏柳斌刘宝宪张建伍

天然气工业 2021年4期

刘显阳魏柳斌,3,4 刘宝宪张雷郭玮张建伍郑杰

1.中国石油长庆油田公司 2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室

3.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学 4. 成都理工大学沉积地质研究院

0 引言

鄂尔多斯盆地是发育于太古代—元古代结晶基底之上的多旋回的克拉通盆地，下古生界寒武系—奥陶系是该盆地碳酸盐岩主要的发育层系[1-3]。自20世纪末期在该盆地中部发现靖边气田以来，该盆地中东部下古生界天然气勘探持续取得突破，天然气探明储量不断攀升，证实下古生界碳酸盐岩沉积层系具有巨大的天然气勘探潜力。

回顾鄂尔多斯盆地下古生界整个勘探历程，最早发现的靖边气田主力气层是盆地中部中奥陶统马家沟组顶部的马五1+2小层，储层类型以风化壳溶孔型储层为主，圈闭类型是地层圈闭的一种特殊类型——岩溶古地貌圈闭[4-8]。经历20世纪90年代的快速探明和高效开发，靖边气田提交了天然气探明储量近2 000×108m3；进入21世纪以来，围绕靖边气田的地质研究和勘探不断深入，提出“含膏云坪相带控制储层发育，风化壳岩溶古地貌控制圈闭成藏”的地质认识[9-10]，靖边气田东侧和西侧油气勘探取得了较大的进展，天然气探明储量实现跨越式增长，接近翻番。随后针对马家沟组碳酸盐岩—膏盐岩体系开展了细分小层沉积相及岩相古地理编图研究[11]，认为中央古隆起东侧是有利的岩性圈闭成藏的大区带，并在2010年实现了古隆起东侧中下组合的天然气勘探新突破[12-13]。目前，中国石油长庆油田公司在鄂尔多斯盆地下古生界累计探明天然气储量达8 700×108m3，已近形成万亿立方米大气区。

鄂尔多斯盆地下古生界风化壳近30年的勘探及研究发现，下古生界的古风化壳界面附近是最有利于天然气成藏的区域[14]。这主要得益于上古生界煤系烃源岩的直接供烃及其与风化壳储层良好的源储配置关系。鄂尔多斯盆地西南部的中央古隆起周边寒武系依次向中央古隆起剥蚀裸露，并与上古生界煤系地层直接接触，该盆地西南部的寒武系风化壳是否具有油气勘探潜力也成为关注的焦点。为了进一步落实该盆地古隆起及其周边地区寒武系风化壳天然气的基本成藏条件、明确该地区天然气勘探的潜力，笔者在研究烃源岩条件、储层特征、圈闭类型等的基础上，构建了寒武系风化壳天然气成藏模式，明确了天然气成藏主控因素和有利勘探方向，以期指导该区寒武系天然气勘探、拓展该盆地下古生界碳酸盐岩气藏的勘探领域。

1 区域构造背景

鄂尔多斯盆地中央古隆起是早古生代最为显著的正向构造单元，位于盆地中部偏西南部。大体呈“L”字形展布，一翼向北部的定边—鄂托克前旗延伸，一翼向东部的正宁—黄陵一带延伸[15-19]。盆地西南部的镇原—庆阳地区是“L”字形古隆起由南向北、由西向东的过渡部位，也是中央古隆起的核部隆起幅度最高、加里东末期—海西早期地层剥蚀量最大、前石炭纪地层出露年代最老的地区，导致奥陶系缺失面积约10 000 km2，以至中心部位的寒武系大面积剥露缺失（图1）。

中央古隆起的演化大体经历了两个构造旋回：①早奥陶世怀远运动，古隆起首次隆升，随着马家沟组的持续海侵，转变为间歇性暴露的水下古隆起；②晚奥陶世，鄂尔多斯多盆地由被动大陆边缘向活动大陆边缘转换，受秦祁海槽的挤压作用，古隆起再次大幅度隆升，经历了长期的风化剥蚀作用，直至二叠纪逐渐浸没水下消失。

2 盆地西南部寒武系天然气勘探新发现

鄂尔多斯盆地（以下简称盆地）西南部下古生界天然气勘探由来已久。20世纪70年末—80年代初，盆地西南部华池—环县部署了庆深1、庆深2两口探井，钻探揭示上古生界地层直接与马家沟组三段接触，虽然未发现明显的含气显示，但是证实该区存在古隆起构造，即“中央古隆起”[20-22]。该区上、下古生界之间存在不整合面，具备形成风化壳储层的条件[23-25]。

1995年，盆地西南部宁县地区部署实施了宁探1井，钻探揭示上古生界与中寒武统张夏组直接接触，张夏组岩性以鲕粒云岩为主，发育晶间（溶）孔型白云岩储层，说明寒武系也发育白云岩储集体[26-27]；2004年，部署的镇探1井发现上古生界与蓟县系直接接触，证实镇原地区是中央古隆起的核部隆起幅度最高的地区，并基本明确了盆地西南部古隆起周边地区前石炭系剥露缺失及分布范围。综合分析认为，盆地西南部中央古隆起周边寒武系储层与上古生界煤系烃源岩直接接触，可作为寒武系白云岩储集体成藏的有效气源岩，初步认为盆地西南部寒武系地层剥蚀裸露区具备天然气成藏的有利条件[28]。

进入21世纪，在盆地西南部上古生界致密砂岩气藏的勘探中，继续坚持兼探下古生界。2015年，围绕盆地西南部寒武系风化壳勘探部署的陇18井钻探中取得重大突破，在上寒武统三山子组钻遇岩溶缝洞型白云岩储层，气显示较好，测井解释气层厚度为10.8 m，测试获得日产量为10.65×104m3的天然气流。通过对盆地西南部古隆起周边寒武系成藏地质条件综合研究发现，尽管盆地西南部寒武系风化壳储层明显有别于盆地中东部马家沟组的风化壳储层，但是它们具有相同的源储匹配关系及成藏地质条件，形成了盆地西南部寒武系风化壳存在地层—岩性圈闭成藏的新认识。近期钻探的数十口探井相继在三山子组、张夏组测试获得天然气流，盆地西南部寒武系风化壳勘探获得突破，盆地下古生界风化壳的勘探层系由奥陶系向寒武系扩展，盆地西南部形成上、下古生界复合含气新格局，更为重要的是发现了中央古隆起区下古生界风化壳气藏勘探新区带，有望成为新的千亿立方米规模的天然气储量接替区。

3 盆地西南部寒武系天然气成藏特征

3.1 上古生界煤系烃源岩是主要的气源岩

3.1.1 上古生界煤系烃源岩与寒武系风化壳储层源储配置关系良好

加里东末期开始的构造抬升使鄂尔多斯盆地遭受长达1.5亿年的风化剥蚀，盆地西南部中央古隆起周缘抬升剥蚀最为强烈，古隆起主体区域残留地层相对于盆地中东部的马家沟组时代更老，主要出露寒武系；从古隆起周缘向核部依次出露上寒武统三山子组，中寒武统张夏组、徐庄组和毛庄组，其中张夏组主要以鲕粒云岩、灰质云岩为主，三山子组发育泥粉晶云岩，是该区寒武系主要的储层发育层段。随着后期石炭纪—二叠纪早期的海侵，二叠系煤系地层直接披覆于寒武系风化壳储层之上，寒武系风化壳储层与上古生界煤系烃源岩直接接触，形成“上生下储”的源储匹配关系，有利于天然气近源充注，聚集成藏（图2）。

图2 鄂尔多斯盆地西南部寒武系气藏源储配置关系图

3.1.2 煤系烃源岩大面积分布、广覆式生烃是主要的气源岩

晚石炭世盆地整体沉降后，鄂尔多斯盆地又开始接受沉积，但盆地西南部中央古隆起的隆起幅度较高，仍然为水上古隆起；随着海侵范围的逐渐扩大，太原期中央古隆起逐渐浸没，并发育海陆过渡相及陆相煤系沉积层，使上古生界煤系地层与寒武系直接接触；晚侏罗世—早白垩世，上古生界煤系烃源岩成熟并进入大量生气阶段后，向下伏的寒武系风化壳储层提供充足的气源。

对盆地西南部煤系烃源岩的分析结果表明，该区上古生界煤系烃源岩主要为煤层、碳质泥岩及暗色泥岩等。煤层厚度介于2～6 m，总有机碳含量介于73.6%～83.2%；碳质泥岩及暗色泥岩厚度介于30～60 m，总有机碳含量介于0.5%～2.7%，生烃强度介于8×108～24×108m3/km2。有机质热演化已达到过成熟阶段，热演化成熟度（Ro）介于2.0%～3.0%，气源条件较为有利，具备向寒武系储层大量供烃的基本条件。从目前已发现的寒武系风化壳气藏分布来看，天然气藏主要发育于上古生界煤系烃源岩生烃强度大于12×108m3/km2的地区。说明煤系烃源岩对该区寒武系天然气成藏具有一定的控制作用。

3.1.3 天然气碳同位素进一步证实具有过熟煤成气特征

通过对盆地西南部寒武系风化壳、奥陶系风化壳及上古生界煤成气的天然气碳同位素对比研究发现，不论寒武系、奥陶系风化壳气藏中的天然气还是石炭系、二叠系的煤成气的碳同位素均存在倒转现象：13δC1＞13δC2，甚至有的完全倒转：13δC1＞13δC2＞13δC3，反映了过成熟气的特征[29]。这也与前文所述盆地西南部上古生界煤系烃源岩已进入过成熟度演化阶段相符合。从天然气甲烷碳同位素来看，寒武系、奥陶系风化壳气藏的天然气甲烷碳同位素与石炭系、二叠系致密砂岩气中的煤成气接近。其中，寒武系风化壳天然气13δC1平均值为－32.34‰，奥陶系风化壳天然气13δC1平均值为－31.33‰；石炭系—二叠系煤成气13δC1平均值为－29.65‰。表明寒武系风化壳与奥陶系风化壳气源一致，可能均来自石炭系—二叠系的煤系烃源岩。

3.2 储集空间以晶间（溶）孔和岩溶缝洞为主

盆地西南部寒武系发育两种储层类型：①白云岩晶间（溶）孔型储层，主要发育于张夏组的鲕粒滩相白云岩中，岩石薄片观察可见鲕粒的幻影结构。成岩作用较为强烈，鲕粒边缘可见粗晶白云石胶结物，导致鲕粒云岩原始孔隙度大大减低，由原始的鲕粒粒间孔转变为残余白云石晶间孔；后期经历风化壳期构造抬升，遭受大气淡水淋滤改造，局部溶蚀亦可形成晶间溶孔（图3-a～c）。②风化壳型储层，孔隙类型以岩溶缝洞为主，主要发育于三山子组白云岩中。岩心裂缝较为发育，见有高角度裂缝、水平裂缝、网状裂缝等，局部裂缝交汇部位发育较大的溶蚀孔洞，直径可达1～2 cm（图3-d～f）。部分井钻至三山子组发生钻井液失返性漏失，进一步证实地层中缝洞较为发育，裂缝的发育能够连通孤立的溶蚀孔洞，提高储层的渗透性能。对盆地西南部三山子组、张夏组共288个样品物性分析结果表明，储层基质孔隙度介于0.05%～6.76%，平均值为0.68%；渗透率介于0.004～41.400 mD，平均值为1.160 mD，属低孔低渗储层。

3.3 储层发育类型受沉积微相及岩溶作用控制

3.3.1 沉积微相控制张夏组白云岩晶间（溶）孔型储层

张夏期是寒武纪最大海侵期，具有缓坡型碳酸盐岩台地的特征，最为显著的特点是发育以鲕粒为主的颗粒沉积。鲕粒类型多样，有放射鲕、同心鲕等，虽然鲕粒大面积分布，但不同成因的鲕粒所代表的沉积环境却迥异，同心鲕多以生屑或者方解石为核心，形成同心圆状的圈层，多个鲕粒胶结可进一步转变为复鲕（图3-a、b），主要形成于古地貌较高，水循环较畅通、动力较强的台内鲕粒滩相沉积环境，且多发生了强烈的白云岩化作用，是晶间孔型白云岩储层发育的有利沉积微相类型；放射鲕主要围绕核心呈放射状生长，多以鲕粒灰岩为主（图3-c），一般形成于滩间洼地等相对低能的沉积环境，未发生明显的白云岩化迹象。通过盆地西南部张夏组岩相古地理编图研究发现，盆地西南部张夏组沉积期主要为碳酸盐岩台地沉积，台地内部多以白云岩沉积为主。在盆地西南部宁县、华池等地发育多个鲕粒滩体，总体呈北西—南东向展布。受古地貌控制，鲕粒滩与灰质洼地相间分布，单个滩体面积介于600～1 200 km2，呈大面积毯式分布（图4），经成岩演化后形成晶间孔及晶间溶孔型白云岩储层。

图3 鄂尔多斯盆地西南部寒武系储层特征照片

图4 鄂尔多斯盆地西南部张夏组岩相古地理图

3.3.2 岩溶作用控制岩溶缝洞型储层

前文已述，盆地西南部前石炭系风化壳储层至少经历了两期岩溶作用：①早奥陶世怀远运动构造抬升，导致该区寒武系顶面发育岩溶不整合面；②加里东末期构造抬升，导致下古生界与上古生界之间存在一个巨大的不整合面。由于加里东末期盆地西南部中央古隆起的强烈隆升，导致寒武系剥蚀裸露。该区寒武系经历了两期岩溶作用的叠加改造，为岩溶储层的发育奠定了良好的基础。钻井取心证实，风化壳顶部普遍发育岩溶角砾岩（图3-f），岩溶作用影响深度介于10～50 m，但是寒武系风化壳储层与盆地中东部马家沟组的风化壳储层存在明显的差异性。盆地中东部马家沟组发育碳酸盐岩—膏盐岩共生体系，海退旋回期发育横向分布稳定的含硬石膏结核白云岩坪微相沉积，硬石膏结核发生选择性溶蚀，形成横向分布稳定的层控性的溶孔型白云岩储层；中央古隆起寒武系虽然经历了长时间表生期岩溶作用，但岩性主要以泥、粉晶云岩为主，缺乏盆地中东部奥陶系膏盐等易溶性矿物。因此、寒武系风化壳型储层分布连片性差，总体发育程度也相对较低。

利用测井—地震相结合的手段，精细刻画了盆地西南部前石炭纪岩溶古地貌图（图5）。研究结果发现，盆地西南部陇县—镇原地区为岩溶高地，古地貌平坦，岩溶作用相对较弱，以剥蚀风化为主，岩溶缝洞型储层发育程度相对较低；东侧的华池—正宁一带处于岩溶斜坡带，有利于岩溶作用的发生，岩溶水流动性较强，受岩溶水的长期侵蚀形成侵蚀沟谷与岩溶残丘等次级古地貌单元，利于岩溶缝洞型储层的发育，是寒武系风化壳储层的有利发育区。

图5 鄂尔多斯盆地西南部前石炭纪岩溶古地貌图

3.4 燕山期构造抬升形成了有效的地层—岩性圈闭

3.4.1 燕山期盆地东部抬升中央古隆起东侧存在有效遮挡

燕山期盆地东部整体大幅度抬升，形成东高西低的单斜缓坡构造，导致整个古生界整体转变为向东上倾的相对简单的构造样式，也基本奠定了盆地现今构造格局。盆地西南部中央古隆起东侧地层也发生了这种“跷跷板”式构造反转，由早期的西高东低转变为东高西低（图6、7）。构造反转后对盆地西南部寒武系天然气成藏产生了重要影响：①张夏组储层主要发育台内鲕粒滩相带，周围岩性虽然也发育白云岩，但总体致密，上倾方向存在区域岩性相变，从而对古隆起周边张夏组白云岩储集体构成了有效的岩性遮挡条件。②整个寒武系风化壳顶界面的岩溶古地貌凸凹不平，岩溶洼地沉积充填了上古生界煤系地层，寒武系风化壳储集层上倾方向岩性突变，同样存在有效的地层遮挡条件。③由于盆地东部抬升，使得上古生界煤系烃源岩层与寒武系储层由原来的“上生下储”关系变成一定程度的“侧生侧储”或者“下生上储”的接触关系。从而使得中央古隆起东侧寒武系剥蚀裸露区整体处于煤系烃源岩的上倾部位，形成了上古生界煤系烃源岩的有利供烃窗口区，利于煤系烃源岩生成的烃类气体向中央古隆起东侧寒武系白云岩储集体充注成藏（图7）。

图6 鄂尔多斯盆地西南部前石炭纪岩溶模式图

图7 鄂尔多斯盆地西南部寒武系成藏模式图

3.4.2 地层—岩性圈闭是盆地西南部寒武系的主要圈闭类型

综合对盆地西南部寒武系风化壳源储配置及圈闭条件的分析，再结合盆地西南部中央古隆起区周边古生界古今构造格局，认为地层—岩性圈闭是盆地西南部中央古隆起周边寒武系天然气成藏的主要圈闭类型。精细刻画中央古隆起区前石炭纪岩溶古地貌及张夏组沉积微相是寻找地层—岩性圈闭的关键。结合盆地西南部寒武系阶段勘探成果，构建了盆地西南部中央古隆起周边寒武系天然气的成藏模式（图7）：盆地西南部中央古隆起区寒武系天然气成藏主要受控于沉积相变及岩溶古地貌，张夏组是寒武系的海侵高峰期，台地内部发育鲕粒滩相白云岩储层；在经历了早奥陶世怀远运动及加里东末期抬升剥蚀岩溶作用，寒武系顶部形成大面积分布的风化壳储层；石炭纪—二叠纪沉积后，寒武系风化壳储层与上古生界煤系烃源岩构成良好的源储配置；再经历了海西—印支期的连续埋藏，至晚侏罗世—早白垩世进入生烃高峰开始排烃；燕山期盆地东部整体抬升后形成东高西低的构造格局，天然气向上倾方面运移聚集成藏，最终形成地层—岩性圈闭气藏。

4 天然气勘探潜力

基于上述分析，鄂尔多斯盆地西南部中央古隆起周边地区寒武系作为下古生界碳酸盐岩天然气勘探的新领域，具有以下有利的成藏地质条件：①上古生界煤系烃源岩与寒武系风化壳储层直接接触，煤系烃源岩具有大面积分布、广覆式生烃的特征，与寒武系风化壳储层形成“上生下储”的源储匹配关系；②晶间（溶）孔型及岩溶缝洞是寒武系的主要储集空间类型，储层发育条件好；③上倾方面存在岩性相变及古地貌遮挡条件，可以形成较好的地层—岩性圈闭；④天然气聚集主要与上倾方向煤系烃源岩的“供烃窗口”密切相关，主要分布于中央古隆起东侧张夏组和三山子组，具有一定的含气规模。截至目前，盆地西南部寒武系勘探已经取得重要进展，区内寒武系已有数十口井测试获得天然气流，展现了良好的勘探前景。综合研究认为，盆地西南部中央古隆起东侧环县—正宁一带处于有效的“供烃窗口区”，张夏组及三山子组地层剥露与上古生界煤系烃源岩形成良好的源储匹配关系，有利于煤系烃源岩生成的天然气直接向寒武系风化壳近距离运移聚集成藏，是寒武系风化壳气藏勘探的有利区带（图8）。