鄂爾多斯盆地東南部氣田上古生界致密砂巖氣藏氣源對比

聶萬才, 白玉奇, 馮 敏, 張 晨, 張 波, 王銘偉

(1. 西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室, 四川 成都 610500; 2. 中國石油長慶油田分公司宜黃天然氣項目部, 陜西 西安 710021; 3. 中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院, 陜西 西安 710021)

研究區位于鄂爾多斯盆地南東部延安、宣川等地區,勘探面積33162 平方千米。 前人對鄂爾多斯盆地開展了大量的研究,但研究對象主要為盆地北部的蘇里格、烏審旗、榆林、靖邊、米脂及大牛地等氣田,對鄂爾多斯盆地東南部氣田的研究較少。 近幾年,隨著對致密砂巖氣認識的逐漸加深及開發工藝的不斷改進,大量之前被認為“貧氣區”、“無氣區”的區域被重新認識。 鄂爾多斯盆地東南部氣田自2007 年開始勘探至今,目前已鉆探氣井上千口,探明天然氣儲量超過5000 億方,成為繼蘇里格氣田后又一個超千億級大氣田。

大量研究已經證實,鄂爾多斯盆地上古生界主力烴源巖為下二疊統太原組和山西組、上石炭統本溪組的暗色泥巖和煤[1-4]。 晚三疊世末,烴源巖開始生烴,至早白堊世末,伴隨著地層達到最大埋深,區內烴源巖生烴能力亦達到最強。 早白堊世末后,因鄂爾多斯盆地整體抬升,地層溫度下降,區內烴源巖生烴能力減弱。 趙林等[5]和單秀琴等[6]運用流體勢的概念對盆地上古生界天然氣運移進行了研究,認為三疊世—早白堊世末天然氣主要向盆地北部和中部靖邊氣田運移,早白堊世末后主要為就近運移成藏。 閔琪等[7]和李仲東等[8]通過對盆地過剩壓力研究,推斷了天然氣的運移方向。 米敬奎[9]利用包裹體中氣體的含量、捕獲溫度、捕獲壓力、流體鹽度分布特點,認為天然氣的運移方向為由南向北。 已有的研究成果對盆地上古生界天然氣運移有了初步認識,但前人的研究普遍忽略了砂巖致密時間與成藏時間的先后性及由此導致的運移動力的區別。

本次研究通過分析天然氣的地球化學特征,運用數值分析及相關圖版確定了鄂爾多斯盆地東南部氣田的天然氣成因及其類型,通過對CH4、CO2、iC4/nC4等多種地化指標綜合對比,對天然氣運移方向進行分析研究,確定天然氣聚集的有利區域,最終為研究區天然氣勘探提供依據。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地東南部氣田構造上位于伊陜斜坡東南側,緊鄰東部的晉西撓褶帶(圖1)。 地勢上呈東高西低,北高南低[10]。 受控于整個盆地的構造演化,區內經歷了加里東期至海西中期的碰撞抬升、海西晚期至燕山期的持續沉降、喜山期的再次抬升。 受構造抬升影響,上古生界奧陶系及石炭系部分地層遭受了剝蝕。 目前,石炭系僅存在上統的本溪組,二疊系因未遭受剝蝕,自下而上分別發育了下統的太原組和山西組、中統的上、下石盒子組以及上統的石千峰組(圖1)。 其中,烴源巖層位于石炭系本溪組、二疊系太原組和山西組,巖性以煤為主,其次為暗色泥巖。 巖石的Ro值普遍大于2%,指示烴源巖已完成大規模生氣。 主力含氣層位為石炭系的本溪組、二疊系的山西組2 段和1 段以及石盒子組8 段[11-12]。 四個層位的含氣性以本溪組和山2 段最好,山1 段和盒8 段次之。 天然氣中CH4含量分布在87% ～99%之間,大多高于95%,為干氣。 本溪組發育障壁島-潮坪沉積相[13],而二疊系則以海陸過渡相沉積為主,與盆地北部河流或三角洲平原沉積環境有明顯的區別。 氣層埋藏深度多在1970 ～3500m 之間,沒有明顯的邊底水,孔隙度大多小于10%,基質滲透率普遍低于1 ×10-3μm2,是典型的致密砂巖氣藏[14-17]。

2 樣品采集與分析

圖1 鄂爾多斯盆地東南部氣田區域位置及地層綜合柱狀圖Fig.1 Location of Yan'an Gasfield and comprehensive stratigraphic histogram

本文的數據采自區內的249 口井,覆蓋了整個研究區,數據具有較好的代表性,對于本文的研究起到了較好的支撐作用。 其中,天然氣組分測定采用氣相色譜法,使用的儀器為Agilent7890A 氣相色譜儀, 色 譜 柱 為 PONA 柱 (50m × 0.20mm ×0.50μm);天然氣分析條件起始溫度為35℃(恒溫5min), 升溫速率為2℃/min,至100℃,再以升溫速率 6℃/min 升至 290℃,恒溫 30min。 載氣流速:0.9mL/min,線速度:40cm/s。 因研究區內部分天然氣井采用液氮氣舉的方式反排,N2指標收到污染,對采集的數據進行了篩選,確定114 口井的149 個樣品數據有效。 碳同位素數值則是通過Isoprime100 同位素質譜儀測定獲得,實驗質量數范圍1 ～82amu;連續流靈敏度優于1200M/I(CO2);分辨率為100; H3+因子小于 <10 ×10-6/nA。

3 天然氣成因類型

3.1 天然氣成因

數據分析結果表明,研究區天然氣中的甲烷含量較高,主要分布在86% ～98% 之間,大多高于95%,以干氣為主。 甲烷碳同位素值主要分布在-37.5‰～-30‰之間,并呈現隨著甲烷含量增加而變重的趨勢(圖2a)。 氣體中各組分含量及碳同位素值分布在一定的范圍之內,各數據之間沒有明顯的參數區別,表明其成因相似。

目前國內外普遍采用Bernard 圖版對天然氣成因類型分類[18-19],該圖版主要依據不同成因類型的天然氣在同位素比值和化學組成上存在區別而設計。 圖版將C1/(C2+C3)比值和甲烷中δ13C1數值作為參數,在綜合考慮有機質類型和成熟度這兩個參數的影響后,將C1/(C2+C3)比值小于50 且δ13C1介于-35‰～-50‰的區域定義為熱成因區。 根據鄂爾多斯盆地東南部氣田相關數值分布,可以看出研究區C1/(C2+C3)比值大多大于10(圖2b);δ13C1介于-30‰ ～-35‰之間,碳同位素較重。 數據表明,研究區天然氣碳同位素數值主要分布在Ⅲ型有機質演化程度高的區域,數據分布區域集中,指示各層位天然氣的熱演化程度變化不大。

3.2 天然氣類型

目前,國內外學者普遍認為有兩種原因導致碳同位素發生倒轉,一是油型氣和煤型氣的混合,二是同源不同期或同型不同源氣的混合[20]。 從天然氣碳同位素連線特征來看,鄂爾多斯盆地東南部氣田各氣層表現出碳同位素單項性倒轉,即δ13C1>δ13C2(圖2c)。 戴金星[21]在綜合國內外氣田的基礎上,編制了烷烴氣成因的圖版(圖2d)。 圖版中,鄂爾多斯盆地東南部氣田上古生界天然氣樣品數值主要分布在Ⅲ1和Ⅲ2區域。 其中,含氣層本溪組和山西組的數據點主要分布在以煤型氣和油型氣混合為主的Ⅲ1區域,盒8 段天然氣主要分布在同源不同期的煤型氣混合為主的Ⅲ2區域,以上兩種類型是導致碳同位素出現倒轉的主要原因。 與圖2b 的分析結果相結合,可以推斷鄂爾多斯盆地東南部氣田主要以熱演化程度高的煤型氣為主,混入少量油型氣。

總之,鄂爾多斯盆地東南部氣田天然氣主要來源于本地區的煤層,天然氣類型主要為煤型氣。 部分油型氣為早期生成的原油伴隨著地層埋深加大和地層溫度升高裂解而成,但此類氣體多分布于山西組和本溪組。 山1 和盒8 段雖然遠離生烴層,含氣性不如近源的山西組和本溪組,但從碳同位素倒轉原因推測,它們在地質歷史中亦受到過多次充注,因此也呈現出較好的含氣性。

4 天然氣運移特征

目前國內外用于天然氣運移示蹤的地球化學指標多達十余種,這些指標可進一步歸納為4 大類,即“常規組分指標”、“輕烴組分指標”、“稀有氣體指標”和“碳同位素指標”[22]。 本文從常規組分和碳同位素入手,對延安氣田上古生界天然氣運移的規律有了初步的認識。

鄂爾多斯盆地東南部氣田已發現的4 個主要產氣層是物性較低的致密砂巖儲層,它們的運移動力主要為持續生烴產生的異常壓力,浮力在天然氣的運移中發揮的作用較小[5,7,8]。 受儲層物性和運移動力的影響,本地區天然氣多呈游離相態運移。 在運移相態的影響下,CH4和iC4/nC4兩個指標隨著運移距離增大而增大,由近源層位(山2 段和本溪組)向遠源層位(山1 段和盒8 段)其含量或者比值總體呈現增高的趨勢(圖3a、b),而CO2含量則呈現與之相反的趨勢(圖3c)。

晚三疊世,由于盆地的快速沉降,區內烴源巖層進入生烴期。 晚侏羅世至早白堊世,主力烴源巖進入了生氣高峰,此時上古生界儲層進入儲層致密化演化階段[23]。 鄂爾多斯盆地東南部氣田位于伊陜斜坡中部,區內的構造運動主要以整體抬升和沉降為主,缺乏縱向斷層等垂向輸導系統,因此,區內天然氣的運移呈現出近距離幕式充注的特征。 趙文智等認為集群式成藏是天然氣大型化成藏的主要樣式[25],鄂爾多斯盆地上古生界天然氣成藏具備此特征且其充注方式呈現多組分集群式快速充注的特點,而初次運移方式也多以近源充注為主,這與高孔滲氣層的充注持續時間長和運移距離遠的特征有很大的區別。 受此影響,致密砂巖氣層內的天然氣很難發生因長距離運移而產生分餾效應,因此,近源層內各項常規組分指標分異性不強。

早白堊世末,受燕山運動的影響,盆地整體抬升。 近源氣層因前期天然氣持續充注累積了足夠的地層壓力而突破泥巖隔層,一部分氣體向上運移至遠源的山1 段和盒8 段儲層。 此時,烴源巖層—近源氣層—遠源氣層進入一個動態平衡模式,即烴源巖多次充注,近源氣層壓力不斷升高,當近源氣層壓力足夠突破泥巖隔層時,天然氣在近源和遠源氣層之間進行一次運移,伴隨著充注,近源氣層壓力下降,充注停止,如此循環,直至烴源巖供烴能力減弱或者停止供烴。 總體上,氣體對遠源氣層的充注呈現類似于近源氣層的“準幕式”充注。 二者主要的區別在于遠源的“準幕式”充注需要經歷一段運移距離,而近源的幕式充注距離卻很短。 因此,遠源層位和近源層位之間常規組分指標分餾效應明顯,但遠源層位之間的分異卻不是很明顯。

圖2 鄂爾多斯盆地東南部氣田上古生界天然氣成因圖版Fig.2 Genesis charts of natural gas of the Upper Paleozoic in Yan'an Gasfield

圖3 鄂爾多斯盆地東南部氣田上古生界天然氣組分垂向分布圖Fig.3 Vertical distribution of gas composition of the Upper Paleozoic in Yan'an Gasfield

鄂爾多斯盆地東南部氣田天然氣的C1～C4烷烴碳同位素總體上呈現下輕上重的特征。 其中,石盒子組最重,山1 段居中,本溪組和山2 段最輕(圖2d),而這種現象的出現與鄂爾多斯盆地東南部氣田天然氣擴散運移有一定關系[24]。

5 天然氣聚集有利區

鄂爾多斯盆地東南部氣田上古生界發育了本溪組、山西組、石盒子組和石千峰組等多套砂體,但僅在本溪組、山西組2 段和1 段以及石盒子組8 段發現工業氣藏(圖1),石千峰組砂體雖有天然氣顯示,但總體上含氣性很差,不具備開發價值。 這主要是因為本地區斷層構造不發育,砂體大多為致密砂巖,天然氣不可能大規模長距離運移,天然氣主要以近源成藏為主。 因此,靠近煤層的山2 段和本溪組是天然氣聚集的優選區域,山1 段和盒8 段雖有天然氣充注,但由于遠離煤層,其含氣性遠不如近源的層位。 因此,在鄂爾多斯盆地上石盒子組區域蓋層普遍存在,氣藏保存條件較好的背景下,優質煤層和近源厚層砂體疊合的區域是本地區未來開發的優選區域;而山1 段和盒8 段除了尋找靠近煤層的區域外,與烴源巖層之間微裂縫發育的區域、泥巖隔層較少的區域也是未來本地區勘探和開發的后備區。

6 結論

(1)鄂爾多斯盆地東南部氣田天然氣主要來源于本地區的煤層,為煤型氣。 山2 段和本溪組及山1 段和盒8 段分別因為混入油型氣和同源多期充注而出現碳同位素倒轉現象。

(2)受致密砂巖運移動力和運移相態的影響,天然氣中CH4和iC4/nC4指標隨著運移距離增大而增大,C1～C4烷烴碳同位素總體上呈現下輕上重的變化趨勢。 區內天然氣的運移以近距離的幕式充注和遠源的“準幕式”充注為主。

(3)靠近煤層的山2 段和本溪組是天然氣聚集的優選區域,而在微裂縫發育或泥巖隔層較少的區域,山1 段和盒8 段是未來勘探開發的備選區域。