晋西挠褶带南部地区上古生界天然气成藏特征

李 榕，米 磊，刘卫丽，李 虎

（1.陕西天成石油科技有限公司，陕西西安 710018；2.中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古鄂尔多斯 017000）

晋西挠褶带位于陕北斜坡和吕梁隆起之间，是鄂尔多斯盆地主体和吕梁隆起之间的过渡区域（图1），同时受到鄂尔多斯盆地和吕梁隆起构造发展的影响。

图1 晋西挠褶带南部地区构造位置

1 地质特征

1.1 地层特征

晋西挠褶带南部地区的主要目的层系为上古生界。上古生界的下伏地层为下奥陶统马家沟组碳酸盐岩地层，岩性主要为厚层状石灰岩、泥灰岩、白云质灰岩、白云岩及角砾状灰岩。上古生界的上覆地层为中生界下三叠统刘家沟组、和尚沟组和中三叠统二马营组及新近系。

早古生代早奥陶世，本区沉积了一套海相碳酸盐地层，即马家沟组。上古生界平行不整合于马家沟组之上，自下而上依次为下石炭统本溪组、上石炭统太原组、下二叠统山西组和下石盒子组、上二叠统上石盒子组和石千峰组。

下石炭统本溪组为一套海陆过渡相碎屑岩地层，岩性主要为暗色泥岩、滨海沼泽相煤岩及炭质泥岩、石英砂岩及薄层灰岩。上石炭统太原组为一套海陆交互相碎屑岩地层，岩性主要为灰色石英砂岩、泥晶灰岩和炭质泥岩，上部夹薄层生物碎屑灰岩，中下部夹煤层。下二叠统山西组地层为一套碎屑岩含煤地层，上部地层岩性主要为深灰色、灰黑色泥岩及砂质泥岩夹薄层灰白色粉细砂岩，并含煤线，以泥岩夹煤线为特征；下部地层岩性主要为灰白色含砾粗砂岩、灰色细砾岩、灰色岩屑石英砂岩，底部砾岩发育。本溪组、太原组和山西组是本区上古生界的主要烃源岩。

下二叠统下石盒子组为一套河流–三角洲相碎屑岩地层，岩性主要以棕红色、紫色、灰绿色等杂色泥岩为主，向下砂质含量增高。上二叠统上石盒子组为一套河流–湖泊相碎屑岩地层，顶部可见浅灰色泥岩，细腻具滑感，向下砂质含量增加、粒度变粗，底部为骆驼脖子砂岩，岩性以细砾岩、粗砂岩为主。石盒子组砂岩为本区的主要储层，下石盒子组底部发育的骆驼脖子砂岩为本区天然气勘探的重要层段。

上二叠统石千峰组为一套干燥气候条件下近海内陆湖泊–河流相碎屑岩地层，底部冲积平原相的岩屑砂岩为储层，往上变为棕红色、紫红色泥岩与含粉砂质泥岩互层，岩性主要以棕红色砂泥岩为主，发育钙质结核，局部可见燧石层。

石千峰组上覆中下三叠统刘家沟和和尚沟组地层，为一套干旱环境的河流–湖泊相沉积。

1.2 烃源岩特征

晋西挠褶带南部地区的石炭系本溪组、太原组和下二叠统山西组普遍发育煤层、炭质泥岩和暗色泥岩，为本区的主要烃源岩层。

本区煤层主要发育于本溪组、太原组和山西组中下部；其中太原组、本溪组煤层形成于滨海、湖坪等环境，山西组煤层多形成于潮控三角洲环境。横向上煤层分布稳定，层厚7.3～18.8 m，其中本溪组顶部发育的8号煤层厚度大且含气量高，厚度3～6 m，山西组各煤层含气量中等–好，厚度较薄。

本区的炭质泥岩和暗色泥岩主要分布于本溪组、太原组和山西组地层，形成于滨海沼泽环境和潮控三角洲环境，主要以泥坪、泥炭坪和泻湖沉积为主，障壁岛、砂坪及泥灰坪的厚度分布相对较薄。其中，本溪组的炭质泥岩和暗色泥岩自北向南逐渐变厚，厚12～15 m；太原组炭质泥岩和暗色泥岩厚度稳定，厚度36～42 m；山西组的炭质泥岩和暗色泥岩厚度在40 m以上，向北可达50 m。

综合岩石热解分析、镜质体反射率测试和显微组分镜下鉴定等分析测试结果和前人研究成果[3–7]，太原组和山西组各类烃源岩残余有机碳含量普遍较高，其中煤岩残余有机碳：太原组为51.89%，山西组为74.00%；暗色泥岩有机碳：太原组为1.05%，山西组为1.77%。山西组和太原组烃源岩的最大热解温度均为600～608 ℃，表明本区烃源岩处于高–过成熟演化阶段。煤岩镜质体反射率为1.70%～2.17%，处于高–过成熟阶段，说明已进入大量生气和排气阶段。

2 沉积储层特征

2.1 沉积特征

华北地台在早古生代末遭受风化剥蚀后，晚石炭世下降遭受海侵，上石炭统发育海陆交互相煤系地层。二叠系以陆相沉积为主。石炭系–二叠系各组岩性主要为陆相及过渡相的砂泥岩互层间夹煤层。过渡相沉积及海相灰岩主要发育于下部的本溪组和太原组，上部以陆相砂泥岩为主，自北向南逐渐增厚。纵向上，自下而上海相或过渡相的暗色沉积逐渐过渡为陆相灰绿色或杂色砂泥质沉积，粒度变粗，砂质沉积增多。晋西挠褶带南部地区上古生界的碎屑岩储层主要发育于下二叠统山西组、下石盒子组、上二叠统上石盒子组和石千峰组底部。

上古生界地层的下伏地层为下古生界奥陶统马家沟组地层，主要发育碳酸盐岩与蒸发岩互层沉积，马家沟组顶部受加里东末期风化剥蚀作用的影响，仅有部分残留。

下石炭统本溪组地层上覆于马家沟组地层之上，呈平行不整合关系。本溪组泻湖相、潮坪相及障壁岛相发育。早期泻湖相发育灰黑色泥岩，中期为灰色滩坝砂体和薄层石灰岩沉积，晚期发育区域性泥炭层，顶部发育厚层煤，为研究区烃源岩。北部本溪组砂体发育，由北向南砂体逐渐消失，反映了向南部海水逐渐变深的特征。上石炭统太原组地层，晋西挠褶带以滨岸的潮坪相–浅海陆棚相沉积为主，岩性具有陆源碎屑与碳酸盐岩的混合沉积的特点，主要为微晶灰岩、生物屑灰岩和煤层。

下二叠统山西组储层属于三角洲前缘水下分流河道沉积砂体。山西组中下段期为障壁海岸沉积，泥坪、煤发育，砂体不发育，只在中部、底部发育10 m左右的细砂岩，为灰褐色含砾粗砂岩。山西组上部主要发育三角洲前缘、前三角洲亚相沉积，整体表现为退积沉积特征。

晋西挠褶带南部地区下二叠统下石盒子组主要发育三角洲前缘亚相、滨浅湖亚相沉积，总体表现为海退特征。下部岩性为灰白色含砾粗砂岩、灰色中砂岩发育，其中，水下分流河道砂体为本区的主要含气储层。上部为滨浅湖亚相沉积，泥岩较发育，为本区下石盒子组主要含气储层的盖层。

晋西挠褶带南部地区上二叠统上石盒子期表现为水体逐渐变浅的沉积过程，主要发育三角洲前缘亚相沉积，总体上泥岩较发育，水下分流河道微相相对不发育。下部发育三角洲前缘亚相沉积，主要微相为水下分流河道，岩性为厚层灰白色含砾粗砂岩，为本区的次要含气储层。

本区上二叠系统石千峰组主要发育干旱气候条件下的三角洲平原亚相沉积为主。下部砂质泥岩为棕色、灰绿色、浅灰色，为泛滥平原沼泽泥沉积，植物碎屑发育；分流河道为浅红色细砂岩沉积，为本区石千峰组内主要的储层。上部泥岩较发育，整体表现为海退沉积过程。

2.2 储层特征

晋西挠褶带南部地区上古生界自下而上划分为6个层段，即本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组，总体表现为海退式旋回性沉积，储层以河道砂体为主。纵向上发育多套储层，与泥质源岩和煤系源岩在垂向上呈叠置关系，具有良好的生储盖配置，具备形成构造和岩性气藏的条件。其中，山西组中下部、下石盒子组下部、上石盒子组下部及石千峰组下部为有利的含气层系。

根据大量砂岩铸体薄片的观察与描述，本区主要发育四类孔隙类型，即：原生粒间孔隙、次生溶蚀孔、高岭石晶间微孔和微裂隙。

原生孔隙为碎屑颗粒被绿泥石、伊利石薄膜或衬边所包裹后剩余的原生粒间孔隙，该类孔隙形态不规则，多呈三角形、四边形及长条形。次生溶蚀孔包括粒间溶孔、粒内溶孔（包括铸膜孔）以及填隙物内溶孔。本区砂岩总体呈高石英、贫长石特征，长石普遍遭受溶解形成形态较规则的长石粒内次生溶蚀孔。在溶解作用下，石英颗粒表面也发生溶解而形成小的次生溶蚀孔，石英颗粒表面呈现凹凸不平状，边缘呈现不规则状和港湾状。

根据本区岩心常规分析和测井解释结果表明，总体表现为低孔低渗的特点（表1），与鄂尔多斯盆地一致，属于致密砂岩储层。储层的孔隙度和渗透率具有良好的相关性。

表1 晋西挠褶带南部地区储层孔隙度和渗透率统计结果

3 成藏条件

3.1 成藏动力

烃类气体在烃源岩生成之后，构造运动使地层中的温压条件发生变化而形成不同的势场，烃类气体在势能的作用下，沿断裂、裂缝、微裂隙等通道发生运移。晋西挠褶带南部地区主要表现为垂向势场和横向势场两方面。晋西挠褶带南部地区在三叠系二马营组地层沉积之后，受吕梁隆起影响抬升暴露于水面之上，遭受剥蚀，地层上部异常压力趋于消失，在垂向上形成地层间的异常压力差，为烃类气体提供了自下而上垂向运移的动力。本文利用平衡深度法计算了本地区典型井的异常压力，从典型井的异常压力计算结果图上看（图2），在纵向上，本地区的下部层段（太原组、山西组、本溪组）存在较高的异常压力，而上部层段（上石盒子组、石千峰组）异常压力不明显，表明本区存在明显的自下而上的势场，烃类气体具备由下部烃源层段向上部层段运移的动力。

图2 典型井异常压力与深度关系计算结果

由于受印支运动和燕山运动的影响，晋西挠褶带以东地区开始隆升，其南部地区也随之隆升，使得鄂尔多斯盆地主体的沉积中心西移，逐渐形成了东高西低的构造特征，晋西挠褶带横向上位于盆地构造的高部位，处于流体势场的低势区（图3），流体势场的低势区是鄂尔多斯盆地天然气运移的主要指向区之一[8–10]。

图3 晋西挠褶带南部地区流体势分布

晋西挠褶带是鄂尔多斯盆地与吕梁隆起两个构造单元之间过渡带，受燕山构造动动的影响，发育逆冲断裂和少量走滑断裂。以北北东向、北东向断裂为主，较大的断裂之间，往往发育小断裂，岩层内也发育裂缝和微裂隙，断裂、裂缝和微裂隙为天然气的运移提供了良好的运移通道。天然气在烃源岩内生成后，在势场内沿通道在垂向和横向两个方向发生运移，并在合适的条件下聚集形成天然气藏。

3.2 源储关系

晋西挠褶带南部地区上古生界的目的层系，砂岩的发育非常普遍，但并不是所有砂岩层都含天然气，也并不是所有含气砂岩层都是有效的天然气储层。各目的层段主要含气层和有效天然气储层在空间的分布上具有一定的规律性；本文分析了本区的储层空间分布规律，同时，结合储层与烃源岩的配置关系，将储层与烃源岩的空间配置关系划分为三种类型：互层型、上覆层型和间层型（图4）。

图4 晋西挠褶带南部地区上古生界源储关系示意图

本区上古生界烃源岩主要分布于本溪组、太原组和山西组的海陆交互相的煤层、炭质泥岩和暗色泥岩中。本溪组、太原组和山西组除烃源岩外，还发育部分储层，尤其是山2段的储层尤为发育；本溪组、太原组和山西组地层中的储层与烃源岩呈互层关系，因此，把这种源储空间配置关系称为互层型。上、下石盒子组砂岩储层为河道砂岩储层，厚度较大、分布稳定、物性好；尤以下石盒子组下部底部最为发育；上、下石盒子组储层所在地层上覆于烃源岩之上，把这种源储空间配置关系称为上覆层型。石千峰组下部储层发育于石盒子组之上，距烃源岩所在本溪组、太原组和山西组地层较远，中间间隔了石盒子组地层，将这种源储空间配置关系划分为间层型源储配置关系。

4 成藏模式

源储配置关系不仅代表了烃源岩和储层的空间配置关系，而且代表了天然气从烃源层排烃后的运移和储集模式。综合晋西挠褶带南部地的区域盖层、主要烃源岩和含气层系的分布特点，晋西挠褶带南部地区可归为互层型、上覆层型和间层型三种成藏模式，每种成藏模式具有不同的生储盖配置特点、不同控制因素和不同的资源潜力（图5）。

图5 晋西挠褶带南部地区上古生界成藏模式

互层式成藏模式：二叠系太原组、山西组暗色泥岩及煤层，既是烃源岩，又是盖层，暗色泥岩及煤层生成的天然气短距离就近运移至山西组的河流三角洲砂体、太原组灰岩内部的溶蚀孔和微裂缝中，其中山西组下部为主要海相石英砂岩储层；直接盖层为山西组上部泥岩和太原组发育的泥岩、泥灰岩。因此天然气来自山西组、太原组生气源岩，生储盖组合为源储一致的互层式。

上覆层式成藏模式：二叠系太原组、山西组暗色泥岩及煤层排出的天然气沿运移通道向上运移至上覆的石盒子组地层岩性圈闭中，储层为下石盒子组三角洲平原分流河道砂体及三角洲前缘朵状砂体，盖层为广泛分布的湖相泥岩，其中，石盒子上部的桃花页岩段是区域盖层，石盒子下部间隔于分流河道砂体之间的泥岩为局部直接盖层。

间层式成藏模式：随着下石盒子组上部桃花页岩段形成的区域性异常压力逐渐减弱，二叠系太原组、山西组煤系泥质岩生成的天然气沿裂缝穿越下石盒子组，间隔分布在上石盒子组及石千峰组砂岩储集体中，以石千峰组底部储集层圈闭的气藏为主，同时也包括上石盒子组内部局部的岩性圈闭气藏。

综合分析晋西挠褶带南部地区的勘探开发成果，本区上古生界气藏具有一定的规律性，主要表现在平面分布和垂向分带两个方面。平面上，上古生界气藏有利区主要分布于柳林–石楼–大宁–永和–吉县以西地区，随着鄂尔多斯盆地主体的沉积中心西移，柳林–石楼–大宁–永和–吉县以西地区处于流体势场的低势区，是天然气横向运移并聚集的有利地区。垂向上，由于受地层异常压力差和运移、储集条件的控制，上古生界气藏主要分布于山西组下部、石盒子组下部和石千峰组下部的储层孔渗较好的水下分流河道中。

5 结论

（1）晋西挠褶带南部地区的生烃和成藏同时受鄂尔多斯盆地的沉积作用和吕梁隆起控制。本区的主要烃源岩层为下石炭统本溪组、上石炭统太原组和下二叠统山西组普遍发育的煤层、炭质泥岩和暗色泥岩，具有一定的规模和良好的生排烃条件。上古生界沉积总体表现为海退式沉积旋回，较好储层主要发育在山西组、石盒子组和石千峰组水下分流河道中。储层的孔渗均较低，属于致密砂岩储层，孔渗具有良好的相关性。

（2）纵向上，上古生界目的层系下部的异常压力明显高于上部，为天然气垂直向上的运移提供了动力。中侏罗世以后，随着吕梁隆起的隆升，形成东高西低的构造格局，所形成的势场为天然气从西部向东部的横向运移提供了运聚动力。

（3）在烃源条件和成藏动力研究的基础上，对研究区上古生界目标层系的烃源岩和储集层的空间配置关系进行分析，将本区的源储组合关系归纳为互层型、上覆层型和间层型；综合生储盖组合、天然气运移特点，结合储层沉积和分布特征，总结出晋西挠褶带南部地区的成藏模式为互层式、上覆层式和间层式三种模式。

（4）平面上，上古生界气藏成藏有利区主要分布于柳林–石楼–大宁–永和–吉县以西地区；垂向上，本区上古生界气藏成藏有利储层主要分布于山西组下部、石盒子组下部和石千峰组下部孔渗较好的水下分流河道中。