鄂尔多斯盆地东北缘上古生界构造演化及裂缝耦合控气作用

2022-10-27尹帅孙晓光邬忠虎王应斌赵靖舟孙伟豪闫浩霖

中南大学学报(自然科学版) 2022年9期

尹帅，孙晓光，邬忠虎，王应斌，赵靖舟，孙伟豪，闫浩霖

(1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安，710065；2.西安石油大学陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西西安，710065；3.中石油煤层气有限责任公司忻州分公司，山西太原，030000；4.贵州大学土木工程学院，贵州贵阳，550025；5.中海石油(中国) 有限公司非常规油气分公司，北京，100016)

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部，是一个中、新生代内陆多旋回叠合盆地[1-3]。鄂尔多斯盆地东北缘上古生界石炭—二叠煤系发育纵向叠置的致密砂岩气藏，天然气纵横向分布具有强非均质性[2-3]。以往对于致密砂岩气的勘探主要集中于沉积和构造环境均相对稳定的盆地内部。而盆地边缘地带的沉积-构造特征相对复杂，地壳活动较为活跃，这类区域的油气资源勘探程度相对较低，油气分布规律复杂[3-4]。目前，该地区在临兴和神府区块发现并确定了储量超过1 000×108m3的大型气田，随着临兴及神府气田在上古生界气藏的突破，扩宽了向盆地边缘精细勘探的新思路。

煤系致密砂岩储层具有单砂体厚度小、储层非均质性强、天然气富集差异大的特点[2-4]。这些因素使得致密砂岩气的勘探难度加大。鄂东北地区处于不同板块的交接部位。该地区经历了地壳减薄、多期次构造挤压、松弛及岩浆岩的侵入作用，构造特征较为复杂[3-4]。该地区发育大量低幅度构造及紫金山岩体，中新生代多期变向的构造应力场演化和叠加在上古生界地层中形成了大量构造裂缝。构造对油气成藏具有一定控制作用[5-12]，一方面，在良好保存条件下，所形成的构造圈闭可以促进油气聚集；另一方面，构造活动还会形成大量裂缝，裂缝对致密砂岩储层物性的改善及油气富集均有重要意义[13-19]。

针对鄂尔多斯盆地东北缘临兴地区上古生界煤系气藏分布规律，前人从烃源岩、沉积相类型及展布、低幅度构造精细刻画及储层物性等方面进行了系统的研究[20-22]。基于这些研究，前人总结出“构造控区、微相控储、物性控藏”的油气富集规律[20-22]。构造及沉积属于气藏发育的高阶控制因素，而物性，特别是裂缝，是气藏发育的低阶控制因素，直接影响钻遇气藏或富气甜点概率。因此，构造及裂缝密切关联，其耦合控藏机制是一个亟待解决的问题。本文作者以鄂尔多斯盆地东北缘临兴地区上古生界为例，以煤系含气系统中相对薄弱的构造演化及裂缝发育规律为切入点，利用该地区丰富的岩心、测试、测井、地震及产能数据，对上古生界古、今构造及裂缝进行精细刻画，阐明构造演化及裂缝对古生界气藏的控制作用。该研究可为鄂尔多斯盆地边缘地带上古生界气藏勘探的扩边和高效开发提供理论依据。

1 鄂尔多斯盆地东北缘沉积-构造特征

研究区临兴区块位于鄂尔多斯盆地东北缘，总体为一平缓的西倾单斜(图1(a))，其构造位置位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡和晋西挠摺带交接的区域，地势上东高西低、北高南低(图1(b))。研究区内构造以东南部紫金山岩体穿刺构造为中心，由内向外依次被划分为底辟构造隆起带、环形凹槽带、低幅度平缓构造带3个次级构造单元。紫金山隆起带深部地层的地震结构成像差，岩浆底辟作用造成地层倾角可达45°，代表这些区域的岩石破碎严重。地壳减薄及软流圈活跃造成大量岩浆岩上涌，随着大量高温物质的注入，上古生界煤系烃源岩加速成熟，并伴随出现古超压[2-3]。

图1 研究区位置、平面构造及井位分布.Fig.1 Location,plane structure and well location distribution of study area

研究区上古生界目的层自下而上发育上石炭统本溪组(C2b)、下二叠统太原组(P1t)和山西组(P1s)、中二叠统石盒子组(P2sh)以及上二叠统石千峰组(P3s)。临兴区块含气层系多、本溪组到石千峰组均有气层发现。上古生界目的层可识别出辫状河或曲流河三角洲平原沉积、障壁海岸沉积类型，发育多套砂体[2-3]。辫状河三角洲平原发育辫状河道和越岸(或泛滥平原)微相；曲流河三角洲平原发育分支(或分流)河道和河泛平原(或天然堤、决口扇、沼泽)微相。由下至上，本溪组和太原组为一套障壁海岸沉积；山西组沉积时发生海退并进积为曲流河三角洲平原亚相；上覆下石盒子组、上石盒子组及石千峰组分别为辫状河三角洲平原亚相、曲流河三角洲平原亚相及辫状河三角洲平原亚相(图2)。该套上古生界天然气主要来源于底部本溪组和太原组烃源岩。

研究区上古生界主要发育曲流河三角洲平原分支河道及辫状河三角洲平原辫状河道砂体。主力产层盒8段发育辫状河道砂体，包括河床滞流和心滩，其岩性以岩屑砂岩为主，其次为岩屑石英砂岩和长石岩屑砂岩。由于靠近物源，河道砂体规模较大，辫状河道宽度通常在几百米范围内。以鄂尔多斯盆地东缘黑岱沟太原组到盒8段剖面为例，同层的辫状河道、分支河道及砂坪等砂体多具有连续叠置的分布特征，其间无明显泥岩夹层和隔层(图3)。对于辫状河三角洲平原发育的辫状河道、心滩及曲流河三角洲发育的分支河道沉积，其储集砂体中以高能环境下形成的粗砂岩和含砾中粗砂岩为优质储层。此外，上古生界致密砂岩储层中广泛发育各类构造裂缝，且主要为剪切缝 (图2)。

图2 鄂尔多斯盆地东缘黑岱沟上古生界地层剖面Fig.2 Stratigraphic profile of Upper Paleozoic in Heidaigou,Eastern Margin of Ordos Basin

图3 LX-4井剥蚀量拟合曲线(红色线段的深度段长度代表剥蚀量)Fig.3 Fitting curve of denudation amount of well LX-4 (the length of depth section of red line segment represents the amount of denudation)

2 鄂尔多斯盆地东北缘构造演化

2.1 紫金山岩体隆起时限

研究区发育大型宽缓褶皱，宽缓褶皱以南北向构造迹线为主[12-13]。研究区东南部为紫金山隆起，自紫金山隆起向外分别为隆起带、斜坡带、凹陷带和平缓构造带。研究区侏罗系—白垩系地层被全部剥蚀，断裂主要分布在紫金山隆起带附近，且断层没有明显的垂向断距。

紫金山岩体的侵入为上古生界构造演化提供了重要驱动力，其抬升时间对该区构造演化分析至关重要。大量研究表明，紫金山岩体的隆升时间处于早白垩世中期[12-15]，对应的地质年代为136 Ma(表1)。紫金山岩体强烈的纵向构造活动为上古生界岩体变形提供了主要驱动力。紫金山岩体的物质来源至少达到了壳幔过渡带，或者更深的深度，其构造环境属于板内张力环境[12]。

表1 紫金山隆起时限的统计结果Table 1 Statistical results of time limit of the Zijinshan Pluton

紫金山岩体的隆升时间与华北板块地层急剧减薄和软流圈冲上地表的时间一致。紫金山岩体的隆升导致上古生界地层发生构造缩短[12-15]。此后，研究区处于弱拉张环境，其构造形态基本定型[12-15]。

2.2 构造演化史

临兴地区上古生界地层经历多期强烈剥蚀，累计剥蚀厚度大，上三叠统延长组到第四系(T3y-Q)之间发育叠合不整合[23]，声波时差法是计算剥蚀量的有效方法。声波时差法的应用必须满足一定的适用条件，根据新旧地层在不整合面上的压实规律，可归纳为以下几种情况：1) 若新老地层的压实率(C)相等，则新地层的厚度应小于侵蚀厚度，此时该方法适用。2) 若新旧地层的压实率不同，则可以细分为4 种情况(表2)。研究区经历多期强烈侵蚀，T3y-Q不整合面以上沉积层厚度远小于侵蚀地层厚度，因此声波时差法的适用性较好。

表2 新旧地层压实率不同条件下声波时差法的适用性Table 2 Applicability of sonic time difference method under different conditions of compaction rate of new and old formations

在正常压实条件下，泥岩的孔隙度会随着埋深增加呈指数下降。对于小孔隙固结地层，岩石孔隙度与声波时差呈线性正相关[12-13]。因此，声波时差与地层埋深在半对数坐标系中也呈线性相关，可用下式表示：

式中：H为埋深；Δt为目的层泥岩声波时差；Δt0为地表泥岩声波时差；C为正常压实率。

本文中碎屑岩地层的Δt0为620 μs/m。对于强烈侵蚀的区域，不整合面上方的沉积物厚度小于侵蚀厚度。此时，由于地层沉积过程的不可逆性，不整合面下泥岩的压实作用基本不变。因此，可以拟合不整合面以下泥岩地层的声波时差和深度结果，构建标准指数压实曲线，即H=Aln(Δt)+B。其中A和B分别为所拟合直线的斜率和截距。将曲线延伸至Δt=Δt0(地表)，地表与不整合面的垂直距离即为地层侵蚀厚度(H)。

在提取泥岩层段声波时差(表3)过程中，应遵循以下原则：1) 选择纯泥岩层段，避免其他岩性干扰；2) 避免选择薄泥岩层段，单层泥岩厚度应大于2 m，以保证数据可靠性；3) 不同泥岩层段的读数点应沿纵向均匀划分。此外，拟合相关系数要大于0.9以保证拟合曲线的准确性。

表3 LX-4井三叠系剥蚀量计算数据提取结果Table 3 Extraction results of calculation data of denudation amount of Triassic in Well LX-4

由LX-4井剥蚀量拟合线(图3)可以看出：相关系数R2较高，拟合效果较好，因而剥蚀量的计算结果可靠。

研究区T3y-Q 不整合面侵蚀厚度主要分布在1 000～2 500 m 之间，侵蚀趋势由东北地区向西南地区逐渐减小。侵蚀量计算结果与该地区盆地位置的侵蚀趋势一致[3-4]。同时，利用反剥离技术恢复了单井埋藏史，单井埋藏史结果显示，研究区在三叠纪发生快速沉积，在白垩世早期开始发生整体抬升(图4)。

图4 研究区LX-4井单井埋藏史Fig.4 Burial history of well LX-4 in study area

根据上述构造演化分析，制作贯穿研究区南北方向的骨干地震测线平衡剖面(图5)。根据恢复结果可知，自三叠纪以来，研究区沉积了较厚的三叠纪沉积，侏罗纪以来，生古生界发生构造缩短，反映出区域挤压构造背景。侏罗纪中晚期，华北地区形成大量的挤压褶皱[3-4]。侏罗纪晚期(J3)，西伯利亚板块向南移动，太平洋板块向西移动，印度板块向北移动。在三向汇聚背景下，研究区上古生界地层发生较大程度变形，低幅度隆起及断裂发育[12-13]。早白垩世中期，紫金山带隆升，上古生界地层发生较大程度的缩短。此后，上古生界处于弱拉伸构造环境，其构造面貌基本定型[14-15]。

图5 基于平衡剖面的上古生界地层构造演化(过LX-35～LX-12 井)Fig.5 Stratigraphic evolution of the Upper Paleozoic based on balanced profile (through wells LX-35～LX-12)

2.3 晚侏罗世末古构造恢复

根据构造演化、剥蚀量计算、平衡剖面及上古生界残余厚度综合研究，恢复了研究上古生界顶面在晚侏罗世末期古构造(图6(a))。晚侏罗世末，紫金山岩体尚未隆起，图6(b)所示为该时期隆起分布区。该时期，研究区西南部为相对隆起区，中部LX34井到LX22井一线为另一个相对隆起区。中部LX34 井到LX22 井一线同时为现今构造高部位，说明该区域为继承性隆起区。

图6 研究区晚侏罗世末期古构造及单元划分Fig.6 Paleostructure and unit division of study area at the end of Late Jurassic

3 鄂尔多斯盆地东北缘上古生界裂缝发育特征

本文对研究区20 余口井上古生界目的层进行岩心裂缝观察描述及FMI 测井裂缝统计。目的层裂缝线密度通常小于2条/m。根据力学性质分类方案，目的层致密砂岩的裂缝类型主要包含张性缝及剪切缝(图7(a)～(c))。张性缝通常是由于局部构造拉张而形成，此外，局部构造挤压也可以形成扩张缝。目的层中张性缝主要为未充填缝，其所占比例为25.13%(图7(a))；张性缝产状以近垂直缝为主，且会伴随产生一些水平或低角度次级裂缝。剪切缝是目的层最主要的裂缝类型，通常由构造剪切应力条件下形成，其所占的比例为74.87%(图7(b)和7(c))。水平缝通常是由于高上覆载荷条件下，地层沿着薄弱面发生水平剪切滑移形成的[16-17]，属于剪切缝(图7(c))。从裂缝产状角度来看，目的层致密砂岩主要发育高角度近垂直缝(＞70°)及近水平缝(＜20°)，这两类裂缝的比例接近90%。

从FMI 成像测井上看，未充填或半充填的天然裂缝通常具有暗色正弦影像，同时，裂缝孔、渗参数具有高异常显示；而被矿物全充填的裂缝则通常显示为亮色正弦影像(图7(d))。本研究在计算裂缝发育程度时所统计的裂缝均为有效裂缝。根据研究区目的层11 口成像井290 条裂缝观察结果，下覆太原组和本溪组裂缝最为发育，平均裂缝线密度均超过了1.5条/m；而上覆山西组到石千峰组的裂缝发育程度较低，平均裂缝线密度均小于0.5条/m(图8)。

图7 研究区上古生界裂缝发育特征Fig.7 Characteristics of fracture development in the Upper Paleozoic in study area

图8 研究区上古生界系统各小层裂缝发育程度对比Fig.8 Comparison of development degree of fractures in the upper Paleozoic system in study area

分析认为，紫金山隆起区裂缝最为发育，这主要是由于紫金山岩体为单纯的构造型隆起，且该隆起的坡度非常陡，构造活动强烈，造成了地层的严重破裂；而凹槽带裂缝相对欠发育。其他区域为低幅度构造区，每千米水平延伸距离内地层起伏度通常在20 m 以内。北部LXDG-04 井、LX-27井、LX-102井、LX-22井一线区域发育规模较大的低幅度隆起，隆起范围约为200 km2(图1)，其隆起区及斜坡部位裂缝发育程度较高。

4 构造演化及裂缝耦合控气规律

4.1 古、今构造对气藏的控制作用

研究区上古生界气藏烃源岩为本溪组和太原组煤和富有机质泥岩。流体包裹体测试显示，太原组和山西组的流体包裹体均一温度主峰温度为120～150 ℃，下石盒子组和上石盒子组温度为100～130 ℃，石千峰组温度为100～120 ℃。地层从下到上，其流体包裹体均一温度具有连续分布特征。结合埋藏史恢复结果确定了研究区天然气主要充注成藏期为155～120 Ma，即晚侏罗—早白垩世(J3-K1)。

晚侏罗世末期或早白垩世早期古构造格局对上古生界致密砂岩气藏的形成具有重要影响。对比研究区晚侏罗世末古构造与商业气井分布关系(图9(a))，可以看出，研究区西南部商业气井主要分布在古构造高部位。北部部分气井位于古构造高部位，但也有部分井位于相对低部位。但是，通过对比气井与现今构造形态可知，这部分井位于现今构造的高部位(图9(b))。基于37口工业气井的试气结果，84.4%的工业气井均位于古、今构造的高部位(图9(b))。因此，研究认为古构造高部位是致密砂岩气大规模聚集的有利场所，现今构造对致密砂岩气的分布具有一定调节作用。整个紫金山岩体区几乎没有发现工业气井，这主要与该区强烈的构造活动造成的地层破碎严重有关，其保存条件很差。

图9 研究区晚侏罗世末古构造及现今构造对上古生界气藏的控制作用Fig.9 Control effect of the late Jurassic and present structures on the Upper Paleozoic gas reservoirs in study area

4.2 岩浆岩体侵入对气藏的控制作用

紫金山岩体对上古生界天然气成藏具有重要影响。紫金山岩体的侵入岩性以碱性杂岩为主，其剖面形态如图10所示[24]，其在平面上呈“半环状”分布。此外，岩浆岩在向上侵入过程中会刺穿上覆地层，有些岩浆岩刺穿至地表而出露(图11(a))。小规模岩浆岩侵入体无法利用地震数据进行识别，测井资料成为识别这些岩浆岩侵入体的有效方法。

图10 研究区过紫金山岩体地震剖面[24]Fig.10 Seismic profile through the Zijinshan Pluton in study area[24]

紫金山岩体周围深成侵入岩浆岩在测井上具有一定响应，其主要表现为高密度(3.1 g/cm3)、高GR、中高电阻及低孔隙度特征。根据其测井响应特征，统计了侵入岩体的分布范围(图11(b))。可以观察到，小规模岩浆岩体整体沿着紫金山岩体带呈环状分布；其次，发现小规模岩浆岩体的单井中储层物性通常较差，这是由于所侵入岩体基本上为非渗透层，其在与砂体接触过程中使砂体物性变差；同时，小规模岩浆岩体带之外的区域分布有大量工业气井，其与岩浆岩体冷凝形成烃类向上输运通道有关[18-19]。岩浆岩体的刺穿作用可以穿透多个层位，其是造成研究区气藏从下部本溪组到顶部石千峰组均有分布的重要原因。

图11 临兴区块深成侵入岩浆岩分布Fig.11 Distribution of plutonic intrusive magmatic rocks in Linxing Block

4.3 裂缝对气藏的控制作用

紫金山岩体的隆起与东亚汇聚背景(约136 Ma)在时间上一致的，该时期也是公认的华北板块内部最强的一次板内挤压活动[20-21]。强构造运动为上古生界储层中区域裂缝的形成创造了条件，形成NE 及NW 这2 组共轭剪切裂缝，此外，鄂尔多斯盆地古生界成藏事件主要就是发生在这一时期。研究区自早白垩世以来一直处于弱拉张应力环境，不具备形成大规模区域剪切裂缝的构造背景[12-15]。

因此，研究区上古生界储层裂缝形成、紫金山隆起及油气充注在时间上是匹配的。结合大量岩心及成像裂缝观察结果，发现目的层中的裂缝通常为未充填及半充填缝，裂缝有效性好。此外，本文研究的裂缝为岩心尺度的裂缝，其主要起渗流的作用。裂缝的存在能使储层的渗透率提高1～2个数量级，因而其能显著改善储层物性。

考虑到研究区上古生界储层主要发育垂直缝，本研究引入裂缝段厚度来表征裂缝的发育程度。裂缝指数IF为裂缝段地层的累积厚度与砂体累积厚度的比值，其表达式如下[23-24]：

式中：HC为裂缝段砂岩的累积厚度；HF为砂体累积厚度，m。

该裂缝指标又可称为等效裂缝密度。该裂缝指标可以定量表征目标地层中裂缝的整体发育程度。从裂缝的平面分布特征(图12)来看，下覆本溪组和太原组裂缝最为发育且分布广泛，其表现出区域性裂缝的特征，而上覆山西组到石千峰组的裂缝发育程度要相对低一些，裂缝仅在局部富集。

图12 上古生界各小层裂缝及气藏的耦合关系Fig.12 Coupling relationship between small fractures and gas reservoirs in the Upper Paleozoic

从纵向上看，裂缝的分布范围也较为类似。这主要是由于，对于同一套沉积系统，在类似的构造运动背景条件下，裂缝的形成受控于同一套应力体系[25-26]。因此，储层中所发育的裂缝在裂缝性质及其走向方面具有相似性。上古生界气藏中的裂缝通常具有剪切性质，且裂缝走向较为固定。主裂缝走向为45°～85°之间，该组裂缝发育程度高，裂缝有效性好；而另外一组次级裂缝走向为340°～350°之间，裂缝发育程度低，有效性相对较差。45°～85°裂缝与上古生界地层现今最大主应力方向是一致的，因而该组裂缝的渗透性好，对气藏形成起到重要的疏导作用[27]。

各个层位的裂缝指数的对比见图13。从图13可知：太原组和本溪组裂缝最为发育，其裂缝指数分别为0.68和0.72，而其他层位的裂缝指数通常低于0.63。由于太原组和本溪组裂缝发育程度高，且在区域上具有大片连续分布的特征，这可能造成天然气向上大量溢散。因此，太原组和本溪组目前勘探的工业气井较少，而上覆地层勘探发现了大量工业气井(图11)。

图13 研究区上古生界各小层裂缝指数对比Fig.13 Comparison of fracture indexes of the Upper Paleozoic strata in study area

从目前单井裂缝识别结果与气藏耦合特征来看，剪切缝延伸规模更大，更利于形成气藏。而张性缝仅在局部发育，且裂缝延伸规模较小，对气藏的控制作用十分有限。砂体厚度对裂缝发育程度有一定影响，随着单砂体厚度增加，裂缝线密度逐渐降低，当单砂体厚度大于5 m时，裂缝线密度通常低于0.5条/m。

不同地层裂缝发育程度的差异与砂体中脆性矿物组分质量分数有关。裂缝的发育程度与石英矿物组分及脆性矿物(石英+长石)组分质量分数之间均有良好的正相关性(图14)。太原组和本溪组砂体的脆性矿物组分质量分数非常高，特别是石英组分，太原组平均石英矿物组分质量分数大于65%，而本溪组平均石英矿物组分质量分数接近80%。脆性矿物组分质量分数越高，在构造活动条件下，岩石越容易发生破裂。因此，脆性矿物质量分数高是太原组和本溪组致密砂岩的裂缝发育程度明显高于上覆地层的重要原因。

图14 研究区上古生界各层位矿物组分分布及与裂缝发育程度的关系Fig.14 Distribution of mineral components in each layer of the Upper Paleozoic and its relationship with degree of fracture development

从目前气井产能情况来看，紫金山隆起带的气藏被严重破坏。而对于其他区域的平缓构造带，本溪组和太原组过度发育的裂缝对天然气的保存不利；而上覆山西组到石千峰组裂缝对天然气的富集是有利的。研究区各地层的裂缝指数与气井无阻流量的交汇关系如图15所示。两者整体具有一定弱正相关性。可以发现，工业气井的裂缝指数通常大于0.55，而低产井及非工业气井的裂缝指数通常小于0.55。

图15 目的层中压裂层段的裂缝指数与无阻流量的关系Fig.15 Relationship between fracture index and open flow rate in target zone

4.4 构造及裂缝对气藏的耦合控制作用

本文系统讨论构造(古、今构造及岩浆岩侵入体)控气作用及裂缝控气作用。研究认为，在晚侏罗—早白垩世，即燕山末期构造活动影响下，研究区上古生界发生了强烈的构造汇聚、板块减薄及岩浆岩侵入，这些构造活动造成上古生界低幅度构造区的脆性砂体中形成了大量区域性剪切缝。此外，紫金山带岩体则出现强烈上拱，上古生界地层发生微小程度减薄，强烈的横弯作用造成上古生界致密储层中裂缝极为发育。

基于晚侏罗世末古构造分析，识别出了工区西南部平缓构造带及北部LX34 井到LX22 井一线的古构造高部位。古构造高部位与裂缝发育区及试气(图9及图12)耦合结果显示，商业气井位于古构造高部位及裂缝发育区的叠合部位。对于现今构造而言，研究区可被划分为紫金山岩体区(包括隆起带、斜坡带及凹槽带)、西部平缓构造带、北部隆起带和东北部平缓带(图1)。紫金山岩体区地层变形强烈，整体裂缝极为发育，过度发育的裂缝对油气的保存不利。西部平缓构造带及东北部平缓带为简单的平缓单斜构造，地层每千米的起伏度只有10 m，裂缝带及小规模岩浆岩体的刺穿作用对气藏的形成就有至关重要的作用。对于北部隆起带(图1)，它是一个继承性古隆起构造，长期接受天然气运移及聚集。该区域在上、下石盒子组裂缝均较为发育，因而该区域也是目前工区内气藏开发效果最好的区域。整体而言，构造及裂缝对鄂尔多斯盆地东北缘上古生界气藏的控制作用主要表现为“古构造控带、现今构造控圈、小规模岩浆岩体及断裂控运、裂缝控藏”。