鄂爾多斯盆地中東部奧陶系鹽下天然氣富集規律與氣藏主控因素

任軍峰，黃正良，魏柳斌，任德生

(1.中國石油長慶油田公司勘探開發研究院，陜西 西安 710018；2.北京油谷科技發展有限公司，北京 102208)

0 引 言

隨著鄂爾多斯盆地中東部奧陶系鹽下天然氣勘探不斷取得新突破。鹽下馬五7亞段和馬五9亞段白云巖儲層中相繼鉆遇了多口工業氣流井，其中統74井獲無阻流量127.98×104m3/d。由于該區經歷了加里東、印支、燕山、喜山幾次大的構造運動，造成鹽下地層發生構造反轉及氣藏的復雜改造。鉆探證實，該區氣藏分布復雜，主要表現為不同層位、不同構造部位含氣性具有極大的差異性，尤其是鹽上與鹽下白云巖儲集層的含氣性差異性極大，給下一步勘探部署的決策帶來了困擾。雖然前人對鹽下地層沉積特征、烴源巖、儲層及天然氣成藏組合進行過綜合研究，但針對天然氣的分布規律及氣藏主控因素，尤其是結合現今構造應力場、流體勢能、構造曲率對氣藏分布控制作用的研究在本區尚屬首次。地應力場是天然氣運移聚集的主要動力之一[1]，尤其是成藏期構造應力場直接控制天然氣聚集和分布[2]。地殼在構造應力場作用下，發生構造運動和巖石變形，巖石的變形產生體積變化，使巖層內孔隙流體壓力增加或減少，產生壓力梯度或勢差，推動流體在巖石中流動，在流動過程中，遇到適宜的構造部位，天然氣就會聚集成藏。巖石的變形也會導致孔隙度、滲透率的改變，從而影響滲流的速度和方向。本文立足這一生產實際問題的需要，以前人成果及常規地質研究手段為基礎，引入現今構造應力場、流體勢模擬及構造曲率計算技術，進一步研究鹽下天然氣的空間分布規律與這些因素的相互關系，找到天然氣藏的控制因素，為今后勘探部署決策提供地質依據。

1 區域地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北陸塊西部，劃分為伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、西緣逆沖帶、伊陜斜坡和天環坳陷6個構造單元，其中伊陜斜坡是油氣聚集的最主要構造單元(圖1)。

鄂爾多斯盆地中東部奧陶系鹽下構造特征總體上發育向西緩傾的單斜構造[1]，高點海拔-1 700 m，低點海拔-2 650 m，落差950 m；在單斜構造的區域背景上發育局部背斜、向斜、鼻隆等微幅構造，形成二級構造帶(圖2)。鹽下地層縱向上分為六個巖性段：由下至上依次為馬一段、馬二段、馬三段、馬四段、馬五段和馬六段，其中,馬一段、馬三段、馬五段主要巖性以晶粒白云巖、含膏白云巖、膏質白云巖、鹽巖、灰巖為主，夾泥質白云巖、凝灰巖夾層;馬二段、馬四段、馬六段巖性以灰巖為主。馬五段從上到下又可以細分為馬五1～馬五10十個亞段。其中,馬五6亞段膏鹽巖分布最廣，面積約5×104km2(圖1)，最大厚度超過160 m，為該區的主力蓋層。馬五7亞段、馬五9亞段主要發育白云巖，為本區的主力儲層。

奧陶系沉積相帶發育具有圍繞盆地東部洼陷區呈環帶狀展布的特點，即自內而外依次發育鹽洼→盆緣膏質斜坡→含膏云坪內帶→含膏云坪外帶沉積。自西向東依次發育潮上云坪、潮間含膏云坪、盆緣膏云坪和膏鹽洼地微相。

圖1 鄂爾多斯盆地構造分區圖Fig.1 The structural division map of Ordos basin

圖2 鄂爾多斯盆地東部鹽下馬五7頂界構造Fig.2 The top boundary structure of subsalt of Mawu7 in eastern Ordos basin

2 天然氣富集規律

2.1 剖面分布特征

鄂爾多斯盆地東部奧陶系鹽下白云巖儲層馬五7亞段～馬五9亞段，目前共有試氣井30口，其中工業氣流井6口，低產氣流井24口，統74井試氣產量最高，達到127.9805×104m3/d(AOF)。剖面上平均單井日產氣量馬五7亞段最高，達到5.5193×104m3/d，其次為馬五9亞段，為2.0098×104m3/d。馬五7亞段單試井數為7口，合試井數為6口，是鹽下白云巖儲層的主力產氣層，有5口井獲得工業氣流，統74井單試馬五7亞段獲得127.9805×104m3/d(AOF)的高產，高產氣井主要分布在顆粒灘沉積微相及鼻隆發育區。馬五9亞段單試井數為5口，合試井數為4口，其中合試馬五7亞段+馬五9亞段的桃38井獲得了12.9129×104m3/d(AOF)的高產。

垂向上高產氣井主要分布在馬五7亞段，平均單井產氣為5.5193×104m3/d，馬五9亞段的平均單井產氣產量為2.0098×104m3/d，相對次之。

2.2 平面分布特征

馬五6亞段是鄂爾多斯盆地東部地區分布最為廣泛的鹽巖層，其下伏的馬五7亞段、馬五9亞段是發育粉晶-細晶白云巖及泥晶-細粉晶白云巖，這兩類巖性常發育在顆粒灘相、生物擾動沉積相帶及蒸發巖旋回的準同生白云巖環境。其儲層孔隙特征主要表現為白云巖、白云巖化形成晶間孔、溶蝕孔、構造裂縫及溶蝕縫。儲層巖性分布與該區古地理沉積環境密切相關，在研究區表現為近南北向帶狀展布，分布較為連續；東西方向上由西部白云巖相向東相變為石灰巖類及巖鹽沉積，因此導致東西向的物性變化及儲集性能的變化。正是由于大范圍分布的鹽巖沉積，區域上具有對天然氣良好的封蓋性。平面上天然氣主要分布在工區中西部白云巖相對較厚的顆粒灘沉積微相中，如統74井區、桃38井區等，且高產氣井平面上分布不均，未形成連片分布。

3 氣藏主控因素

3.1 沉積相帶影響儲層的儲集性

研究區馬五7亞段、馬五9亞段沉積時期由西向東依次發育云坪→含灰云坪→灰質洼地。由于本區盆地沉積期水體自西向東逐漸加深，地層有增厚的趨勢，整體上向東鹽巖更加發育，從西部的白云巖膏鹽組合逐步過渡成白云巖膏鹽鹽巖組合。

由西向東相變為石灰巖類沉積，物性也隨之變化。馬五7亞段、馬五9亞段晶間孔型白云巖分布范圍廣，儲層非均質性相對較弱，分布于連續性較好的顆粒灘微相，是鹽下天然氣勘探的有利沉積相帶。由圖3可知，顆粒灘相巖芯孔滲測試數據均好于臺坪相白云巖，表現為相對較高的孔隙度、滲透率，二者具有較好的相關性，臺坪相的白云巖孔隙度與滲透率相對較小，且二者的相關性較差。室內試驗證實，鹽下白云巖儲層各類孔的面孔率占比97.22%，裂縫面孔率占比2.78%。垂向上馬五7亞段孔隙及裂縫最發育，其次為馬五9亞段。在26口井取芯樣品中，孔隙發育的井大部分分布在顆粒灘中。

圖3 鄂爾多斯盆地東部鹽下白云巖儲層孔滲與沉積微相交匯圖Fig.3 Intersection diagram of pore and infiltration and sedimentary microfacies of subsalt dolomite reservoir in eastern Ordos basin

3.2 天然裂縫影響氣藏的分布

加里東末期，華北地臺區經歷了大范圍整體抬升，鄂爾多斯盆地下古生界也同樣遭受了這一構造作用，使其抬升與剝蝕。之后又經歷了印支、燕山與喜山運動，多期構造運動的結果導致地層中形成各種構造裂縫[2-3]。通過觀察描述本區馬五7亞段、馬五9亞段26口探井巖芯及薄片顯微構造鑒定證實，有22口井共計見有233條裂縫，其中構造裂縫占84.6%，在這些構造裂隙中高角度縫為主占60%，低角度縫占27.5%，斜交縫占12.5%；鏡下微觀孔隙類型以溶孔及晶間孔為主，其次為膏模孔、鹽模孔。面孔率以晶間孔及溶孔最大，分別為6.17%及5.16%。孔隙貢獻度以溶孔最大，達到86.1%，其次為晶間孔5.76%。構造裂縫系統是天然氣發生垂向及側向運移的主要運輸通道，對天然氣藏的運移具有重要影響[4]。高角度構造裂縫的發育，容易使烴源巖與儲層得以貫通，在垂向上大大增加了裂縫的輸導性，通過天然裂縫系統的輸導，天然氣由烴源層運移至儲集層。

巖芯觀察證實，構造裂縫系統主要發育在顆粒灘沉積微相中。例如：統74井，該井馬五7亞段組合酸酸壓：試氣獲127.9805×104m3/d(AOF)，高產的主要原因是儲層發育晶間縫、溶蝕孔，通過天然構造裂縫的有效溝通與輸導，致使天然氣在此富集成藏。本區鹽下馬五7亞段、馬五9亞段氣藏從宏觀特征上來說屬于馬五6亞段厚層的膏鹽巖之下的奧陶系內幕氣藏，其與以靖邊氣田為代表的奧陶系頂部的風化殼氣藏本身屬于兩個不同的體系。綜合分析認為馬家溝組是在有機質豐度相對低的背景下，又不乏高有機質含量的層段出現，其中泥質含量高的暗色巖層有機碳含量也相對較高，它們為奧陶系天然氣提供了來源，是有利的烴源巖。由圖4可知，高產氣井統74井、桃38井等井的試氣產量不完全依賴孔隙度與滲透率的大小。統74井、桃38井的孔隙度與滲透率小于靳探1井等井的孔隙度與滲透率數值，但試氣產量好于靳探1井、桃65井等井，其原因主要與天然裂縫系統改善了儲層的儲集性有關。

圖4 孔隙度滲透率與氣井產量關系圖Fig.4 Relationship between porosity and permeability and gas well production

3.3 現今地應力場影響天然氣的運移與富集

古構造應力場控制天然裂縫的形成、分布及發育程度，在構造應力場作用下，天然氣從高壓低孔隙地帶向低壓高孔隙帶運移與富集。一般來說，處于張性或張剪性構造應力場環境，是天然氣富集的有利場所。流體運移勢場與地應力場基本是一致的規律，天然氣由高地應力區或高值流體勢區向低應力區或低勢區運移與聚集，處于這些區域的氣井大多高產(圖5)。有限單元法是一種近似求解一般連續問題的數值求解法，通過有限單元法來計算內應力和應變值，基本思路是：將一個地質體離散成有限個連續的單元，單元之間以節點相連，將實際的巖石力學參數賦給每個單元，把求解研究區域內的連續場函數轉化為求解有限個離散點(節點)處的場函數值，基本變量是應變、應力和位移；根據邊界受力條件和節點的平衡條件，建立并求解節點位移或單元內應力未知量，以總體剛度矩陣為系數的聯合方程組，用構造插值函數求得每個節點上的位移，進而計算每個單元內應力和應變值。本次研究依據研究區的主要地質構造特征，建立三維地質模型，結合巖芯地應力測試實驗結果，基于ANSYS有限元軟件平臺，采用有限元約束優化反演法，對鄂爾多斯中東部區鹽下儲層進行現今期應力場的線彈性計算，通過對現今構造應力場和現今流體勢場的數值模擬結果揭示：研究區最大水平主應力低值區位于工區中西部呈近似北東東—南西西向條帶狀展布，局部連片，高產氣井均位于最大主應力相對較小的區域，如統74井、統75井、桃38井、靳探1井等(圖5)。經統計證實，地應力值與試產氣產量具有負線性相關關系，隨著最大水平主應力的增大，試氣產量有減小的趨勢(圖5)，說明天然氣產能與構造應力的分布有直接關系。按地應力理論，油氣總是由地應力的高值應力區向低值應力區運移與富集。經構造應力場數值模擬計算，該區產氣井主要分布在最大主應力值38～60 MPa之間(圖5和圖6)。

3.4 微幅構造是天然氣富集的有利區

微幅構造對天然氣成藏及其分布也有較大影響，鄂爾多斯盆地東部奧陶系鹽下總體構造平緩，中西部微幅鼻隆構造發育或發育洼中之隆，鼻隆區為構造曲率的高值區。經對本區構造曲率的計算揭示，本區構造曲率相對高值區主要位于工區中西部的靖邊-志丹一帶，如統58井、統87井、統85井等井附近；大部分高產氣井如統74井、桃38井均分布在鼻隆構造高部位及其兩翼[5]，呈近似條帶狀展布；單獨的白云巖儲集體內天然氣主要富集在微幅構造的相對高部位，低部位表現為低產氣或產水。構造曲率與日產氣量也呈現較好的正線性關系。本區有6口試氣井處于鼻隆高部位，9口井處于鼻翼位置，3口井處于鼻洼位置，其中高產氣井均位于鼻隆及其兩側的鼻翼位置，可以看出微幅構造對氣藏富集的控制作用明顯(圖6)。

圖5 鹽下最大主應力與日產氣交匯圖Fig.5 The intersection of maximum principal stress and daily gas production subsalt

圖6 日產氣與成藏控制因素綜合圖Fig.6 Comprehensive map of daily gas production and accumulation control factors

4 結 論

1) 鄂爾多斯盆地鹽下白云巖儲層天然氣主要分布在鹽下馬五7亞段～馬五9亞段，以馬五7亞段為主，馬五9亞段次之。有利的沉積相帶、天然裂縫的發育、微幅構造、現今構造應力場是該區鹽下天然氣藏形成的主控因素。

2) 白云巖儲集體內天然氣主要富集在微幅構造的相對高部位，低部位表現為低產氣或產水，構造曲率與日產氣量也呈現較好的正線性關系。在裂縫發育區的儲層內天然氣藏發育，其原因主要與天然裂縫系統改善了儲層的儲集性有關。

3) 在構造應力場作用下，天然氣從高壓低孔隙地帶向低壓高孔隙帶運移與富集。一般來說，處于張性或張剪性構造應力場環境是天然氣富集的有利場所，本區產氣井主要分布在最大主應力值38～60 MPa之間。

4) 構造應力場的數值模擬及構造曲率的計算技術可以作為研究鹽下白云巖儲層天然氣運移與富集規律的一項有效的技術。