鄂爾多斯盆地西緣北段奧陶系天然氣成藏模式

李佐有，謝 非，胡天寶，陳 琳，車(chē)新凱

（1.寧夏回族自治區(qū)核地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川 750021；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十一采油廠，甘肅慶陽(yáng) 745000；3.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069）

鄂爾多斯盆地是中國(guó)陸上第二大沉積盆地，自古生界至中生界均發(fā)現(xiàn)了豐富的油氣資源，具有重要的能源戰(zhàn)略地位[1-2]。經(jīng)過(guò)多年的科研攻關(guān)和勘探、開(kāi)發(fā)實(shí)踐，在鄂爾多斯盆地中東部、中北部古生界，已發(fā)現(xiàn)了多個(gè)天然氣富集區(qū)，相繼建成了靖邊、榆林、蘇里格等大型氣田，為國(guó)家能源安全做出了卓越的貢獻(xiàn)。但是，隨著氣藏開(kāi)發(fā)的逐步深入，已探明優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量已基本動(dòng)用完畢。

鄂爾多斯盆地西緣地層構(gòu)造復(fù)雜，勘探程度較低。為了夯實(shí)油氣田穩(wěn)產(chǎn)資源基礎(chǔ)，近年來(lái)在該區(qū)域開(kāi)展了系統(tǒng)的油氣資源勘探工作，取得了良好的成果、顯示出廣闊的前景[3-4]。因此，本文針對(duì)鄂爾多斯盆地西緣下古生界奧陶系，在明確構(gòu)造沉積演化背景的基礎(chǔ)上，對(duì)油氣成藏地質(zhì)條件進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，并根據(jù)烴源巖、儲(chǔ)集層、蓋層的配置關(guān)系，明確了有利成藏組合模式。利用新完鉆井的鉆井、錄井、測(cè)井等資料，對(duì)文中提出的有利成藏組合模式進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 構(gòu)造沉積演化

1.1 構(gòu)造特征

以斷裂系統(tǒng)為界，可將鄂爾多斯盆地西緣及鄰區(qū)下古生界劃分為六個(gè)構(gòu)造單元。鄂爾多斯西緣構(gòu)造帶東起擺宴井-沙井子斷裂，黃河斷裂與青銅峽-固原斷裂為其西部邊界[4-6]。本次研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣北段，其中自西向東發(fā)育青龍山斷裂、惠安堡斷裂共兩條后期形成的次級(jí)斷裂，將研究區(qū)劃分為韋州構(gòu)造帶、石溝驛構(gòu)造帶、馬家灘構(gòu)造帶等次級(jí)構(gòu)造帶[6]。

1.2 地層特征

鄂爾多斯盆地西緣奧陶系自下而上可進(jìn)一步劃分為三道坎組、桌子山組、克里摩里組、烏拉力克組、拉什仲組[6-8]。三道坎組與下伏寒武系不整合接觸，與上覆桌子山組整合接觸，巖性以灰、深灰色中厚層結(jié)晶白云巖為主，夾灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。桌子山組與上覆克里摩里組整合接觸，是一套由角礫狀白云巖夾白云質(zhì)角礫狀灰?guī)r的巖石組合。克里摩里組與上覆烏拉力克組整合接觸，巖性以深灰色、灰黑色、淺灰色中薄層石灰?guī)r為主。烏拉力克組與上覆拉什仲組整合接觸，整體以灰質(zhì)泥巖及灰黑色筆石頁(yè)巖為主要特征。拉什仲組與上覆石炭系呈不整合接觸關(guān)系，整體為一套頁(yè)巖、泥巖、灰質(zhì)泥巖的巖性組合。此外，在惠安堡斷裂以西，因地層抬升導(dǎo)致局部區(qū)域奧陶系存在部分缺失。

1.3 沉積演化特征

鄂爾多斯盆地西緣地區(qū)奧陶系構(gòu)造沉積演化以烏拉力克組為界，其下是碳酸鹽臺(tái)地沉積體系，其上是大陸斜坡沉積體系，呈現(xiàn)出明顯的海平面升降旋回[7-10]。

從三道坎期到烏拉力克期是研究區(qū)大規(guī)模海侵時(shí)期，其沉積體系經(jīng)歷了從碳酸鹽臺(tái)地到深海平原的沉積演化過(guò)程，呈現(xiàn)為海平面持續(xù)上升過(guò)程中的沉積物堆積特點(diǎn)。從烏拉力克期到拉什仲期是研究區(qū)大規(guī)模海退期，其沉積體系經(jīng)歷了從深海平原到大陸斜坡的沉積演化過(guò)程，呈現(xiàn)為海平面下降過(guò)程中的沉積物堆積特點(diǎn)。因此，研究區(qū)的奧陶紀(jì)經(jīng)歷了一個(gè)不完整的海平面上升-下降旋回，最大水深在烏拉力克組的黑色筆石頁(yè)巖段沉積期。

鄂爾多斯盆地西緣及鄰區(qū)奧陶紀(jì)的古地勢(shì)呈現(xiàn)南低北高，西低東高，秦嶺海自南向北海侵，祁連海自西向東海侵。研究區(qū)內(nèi)地層厚度的變化規(guī)律受水侵方向的控制，在惠安堡斷裂以東，奧陶系各期地層厚度均呈現(xiàn)為自東向西、自北向南依次增加的趨勢(shì)（圖1）。中奧陶世末期發(fā)生了中加里東運(yùn)動(dòng)第Ⅱ幕，華北地臺(tái)因大幅抬升而大面積海退，整體出露地表成為剝蝕區(qū)，導(dǎo)致了華北地臺(tái)在晚奧陶世至早石炭世的地層缺失。

2 成藏地質(zhì)條件

根據(jù)鄂爾多斯盆地西緣及其鄰區(qū)完鉆井資料，在奧陶系發(fā)現(xiàn)含氣顯示，說(shuō)明該地區(qū)奧陶系可能已經(jīng)發(fā)生過(guò)天然氣生成、運(yùn)移、聚集等成藏過(guò)程，具備天然氣成藏的基本必要條件。下面從烴源巖、儲(chǔ)集層、蓋層三個(gè)方面進(jìn)行天然氣成藏地質(zhì)條件分析。

2.1 烴源巖

研究區(qū)內(nèi)下古生界奧陶系烴源巖以碳酸鹽巖型和泥質(zhì)巖型為主，碳酸鹽巖型烴源巖主要發(fā)育在三道坎組、桌子山組、克里摩里組，泥質(zhì)巖型烴源巖主要發(fā)育在烏拉力克組、拉什仲組。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)奧陶系烴源巖樣品測(cè)試結(jié)果，有機(jī)質(zhì)顯微組分中腐泥組含量在73.7%～92.2%，平均值84.3%，鏡質(zhì)組含量在8.5%～25.9%，平均值15.1%，惰質(zhì)組含量在0.2%～1.3%，平均值0.6%，無(wú)殼質(zhì)組。根據(jù)有機(jī)質(zhì)顯微組分，研究區(qū)內(nèi)奧陶系干酪根類(lèi)型主要為Ⅰ型、Ⅱ1型和Ⅱ2型。瀝青反射率Ro 分布在2.06%～2.99%，其等效鏡質(zhì)體反射率分布在1.67%～2.25%，等效最高熱解溫度Tmax值在471～532 ℃。有機(jī)質(zhì)的熱演化階段總體處于高成熟-過(guò)成熟階段。

三道坎組、桌子山組、克里摩里組碳酸鹽巖樣品總有機(jī)碳含量TOC 的最小值為0.03%、最大值為0.20%、平均值為0.08%。根據(jù)TOC 數(shù)據(jù)分布特征，在0.04～0.12 數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)，累計(jì)分布頻率為57.58%，整體以差烴源巖為主（圖2）。烏拉力克組、拉什仲組泥質(zhì)巖樣品TOC 的最小值為0.01%、最大值為0.75%、平均值為0.21%。根據(jù)TOC 數(shù)據(jù)分布特征，在0.16～0.24 數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)，累計(jì)分布頻率為76.32%，整體以差烴源巖為主（圖2）?？傮w而言，研究區(qū)內(nèi)泥質(zhì)巖型烴源巖優(yōu)于碳酸鹽巖型。

圖2 奧陶系烴源巖TOC 分布頻率直方圖

2.2 儲(chǔ)集層

研究區(qū)內(nèi)下古生界奧陶系儲(chǔ)集層以白云巖儲(chǔ)集層、石灰?guī)r儲(chǔ)集層、頁(yè)巖儲(chǔ)集層為主。白云巖儲(chǔ)集層主要發(fā)育在三道坎組、桌子山組，石灰?guī)r儲(chǔ)集層主要發(fā)育在克里摩里組，頁(yè)巖儲(chǔ)集層主要發(fā)育在烏拉力克組、拉什仲組。

白云巖儲(chǔ)集層主要為泥晶、粉細(xì)晶結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)殘余生物碎屑（圖3）；石灰?guī)r儲(chǔ)集層主要為泥晶、粉細(xì)晶結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)云化泥晶及生物碎屑（圖3）；頁(yè)巖儲(chǔ)集層巖性組合主要為灰質(zhì)泥巖或頁(yè)巖與粉砂質(zhì)泥晶灰?guī)r呈韻律互層（圖3），其中頁(yè)巖頁(yè)理發(fā)育，主要由伊利石組成，定向-半定向排列（圖3）。碳酸鹽巖經(jīng)過(guò)反復(fù)的成巖改造，最終形成的儲(chǔ)集空間主要有溶洞、溶縫、溶孔、晶間孔、微裂縫等。研究區(qū)內(nèi)所能觀測(cè)到的儲(chǔ)集空間主要有晶間孔、溶孔和微裂縫，未見(jiàn)原生孔隙（圖3）。頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育微-納米孔隙，類(lèi)型主要包括溶孔、粒間孔和少量的微裂縫，其中以溶孔最為發(fā)育（圖3）。

研究區(qū)內(nèi)三道坎組發(fā)育白云巖儲(chǔ)集層，孔隙度最小值0.16%、最大值8.47%、平均值2.21%，滲透率最小值0.01×10-3μm2、最大值6.33×10-3μm2、平均值0.86×10-3μm2。桌子山組發(fā)育白云巖儲(chǔ)集層，孔隙度最小值0.18%、最大值7.81%、平均值2.57%，滲透率最小值0.01×10-3μm2、最大值8.74×10-3μm2、平均值0.97×10-3μm2。克里摩里組發(fā)育石灰?guī)r儲(chǔ)集層，孔隙度最小值0.11%、最大值6.85%、平均值3.87%，滲透率最小值0.01×10-3μm2、最大值4.39×10-3μm2、平均值0.67×10-3μm2。烏拉力克組發(fā)育頁(yè)巖儲(chǔ)集層，孔隙度最小值0.08%、最大值3.15%、平均值1.26%，滲透率最小值0.01×10-3μm2、最大值0.92×10-3μm2、平均值0.07×10-3μm2。拉什仲組發(fā)育頁(yè)巖儲(chǔ)集層，孔隙度最小值0.10%、最大值3.34%、平均值1.19%，滲透率最小值0.01×10-3μm2、最大值0.81×10-3μm2、平均值0.09×10-3μm2。整體而言，研究區(qū)奧陶系儲(chǔ)集層較為致密。

2.3 蓋層

研究區(qū)內(nèi)奧陶系頂部與上覆石炭系羊虎溝組呈不整合接觸，上覆地層中發(fā)育的大段泥巖、粉砂質(zhì)泥巖滲透率一般小于10-7μm2，飽和空氣突破壓力一般小于2 MPa，封蓋物性中等。此外，奧陶系自身的致密碳酸鹽巖滲透率一般小于10-9μm2，飽和空氣突破壓力一般大于15 MPa，具有良好的物性封閉。研究區(qū)內(nèi)桌子山組、克里摩里組廣泛發(fā)育的致密碳酸鹽巖和烏拉力克組發(fā)育的泥頁(yè)巖具有較強(qiáng)的封蓋能力，可以構(gòu)成下古生界奧陶系氣藏的蓋層。

3 成藏模式

根據(jù)鄂爾多斯盆地西緣及其鄰區(qū)下古生界奧陶系烴源巖、儲(chǔ)集層和蓋層的時(shí)空結(jié)構(gòu)，可將研究區(qū)內(nèi)奧陶系含油氣系統(tǒng)劃分為不同類(lèi)型的成藏模式。根據(jù)烴源巖、儲(chǔ)集層、蓋層的空間配置關(guān)系，源內(nèi)自生自儲(chǔ)式成藏組合優(yōu)于近源上生下儲(chǔ)式成藏組合，而近源上生下儲(chǔ)式成藏組合又優(yōu)于遠(yuǎn)源上生下儲(chǔ)式成藏組合。

3.1 源內(nèi)自生自儲(chǔ)式

源內(nèi)自生自儲(chǔ)式成藏模式可進(jìn)一步細(xì)分為深海平原頁(yè)巖型、大陸斜坡濁積灰?guī)r型成藏組合（圖4）。深海平原頁(yè)巖型成藏組合主要發(fā)育在烏拉力克組上段和拉什仲組下段，以深海平原相的頁(yè)巖為烴源巖、儲(chǔ)集層和蓋層。大陸斜坡濁積灰?guī)r型成藏組合主要發(fā)育在拉什仲組底部，以下伏烏拉力克組和上覆拉什仲組深海平原頁(yè)巖為主力烴源巖，上覆頁(yè)巖同時(shí)作為該成藏組合中的蓋層，儲(chǔ)集層為碎屑巖或碳酸鹽巖濁積巖。濁積灰?guī)r是否發(fā)育裂縫及溶蝕孔隙是該成藏組合成藏的關(guān)鍵要素。碳酸鹽臺(tái)地灰?guī)r型成藏組合主要發(fā)育在烏拉力克組下段，以烏拉力克組深海平原相的泥巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為烴源巖和蓋層，以其間所夾灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為儲(chǔ)集層。碳酸鹽臺(tái)地灰?guī)r發(fā)育裂縫及溶蝕孔隙是該成藏組合成藏的關(guān)鍵要素。

圖4 奧陶系天然氣成藏組合示意圖

3.2 近源上生下儲(chǔ)式

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)特征，可將近源上生下儲(chǔ)式成藏組合進(jìn)一步細(xì)化為碳酸鹽臺(tái)地灰?guī)r型成藏模式（圖4）。該成藏組合主要發(fā)育在克里摩里組，以克里摩里組石灰?guī)r為儲(chǔ)集層，以上覆烏拉力克組、拉什仲組烴源巖為其主力烴源巖和蓋層。碳酸鹽臺(tái)地灰?guī)r發(fā)育裂縫及溶蝕孔隙是該成藏組合成藏的關(guān)鍵要素。

3.3 遠(yuǎn)源上生下儲(chǔ)式

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)特征，可將遠(yuǎn)源上生下儲(chǔ)式成藏組合進(jìn)一步細(xì)化為碳酸鹽臺(tái)地白云巖型成藏模式（圖4）。該成藏組合主要發(fā)育在桌子山組、三道坎組，以上覆烏拉力克組、拉什仲組烴源巖為其主力烴源巖和蓋層，以桌子山組、三道坎組白云巖為儲(chǔ)集層。碳酸鹽臺(tái)地白云巖發(fā)育裂縫及溶蝕孔隙是該成藏組合成藏的關(guān)鍵要素。

4 勘探實(shí)例

MJ1 井位于研究區(qū)內(nèi)馬家灘構(gòu)造帶，為近期完鉆的一口探井。根據(jù)鉆井、錄井、測(cè)井資料的驗(yàn)證，該井地層鉆遇情況與天然氣顯示情況均符合文中的相關(guān)認(rèn)識(shí)。

4.1 地層鉆遇情況

該井三道坎組位于4 840～4 916 m 深度范圍內(nèi)、地層厚度76 m，其中白云巖累計(jì)厚度占比70%、石灰?guī)r27%、泥質(zhì)巖3%。桌子山組位于4 579～4 840 m 深度范圍內(nèi)、地層厚度261 m，其中白云巖累計(jì)厚度占比94%、石灰?guī)r5%、泥質(zhì)巖1%?？死锬锝M位于4 457～4 579 m 深度范圍內(nèi)、地層厚度122 m，其中石灰?guī)r累計(jì)厚度占比97%、白云巖2%、泥質(zhì)巖1%。烏拉力克組位于4 337～4 457 m 深度范圍內(nèi)、地層厚度120 m，其中泥質(zhì)巖累計(jì)厚度占比72%、石灰?guī)r28%。拉什仲組位于3 933～4 337 m 深度范圍內(nèi)、地層厚度404 m，其中泥質(zhì)巖累計(jì)厚度占比97%、石灰?guī)r3%。

4.2 天然氣顯示情況

克里摩里組4 486.2～4 488.7 m、厚度2.5 m，巖性為褐灰色細(xì)粉晶石灰?guī)r，氣測(cè)錄井全烴峰值為2.749 3%、基值0.255 0%，電阻率為432.89 Ω·m、聲波時(shí)差181.71 μs/m，綜合解釋為含氣水層，屬于近源上生下儲(chǔ)式成藏組合。克里摩里組4 461.9～4 462.8 m、厚度0.9 m，巖性為褐灰色細(xì)粉晶石灰?guī)r，氣測(cè)錄井全烴峰值為2.177 9%、基值1.122 5%，電阻率為884.01 Ω·m、聲波時(shí)差184.63 μs/m，綜合解釋為差氣層，屬于近源上生下儲(chǔ)式成藏組合。烏拉力克組4 407.3～4 412.7 m、厚度5.4 m，巖性為黑色灰質(zhì)頁(yè)巖，氣測(cè)錄井全烴峰值為1.520 7%、基值0.285 0%，電阻率為72.03 Ω·m、聲波時(shí)差224.94 μs/m，綜合解釋為含氣水層，屬于源內(nèi)自生自儲(chǔ)式成藏組合。烏拉力克組4 402.2～4 405.7 m、厚度3.5 m，巖性為黑灰色灰質(zhì)頁(yè)巖，氣測(cè)錄井全烴峰值為0.591 5%、基值0.285 0%，電阻率為74.01 Ω·m、聲波時(shí)差216.40 μs/m，綜合解釋為含氣水層，屬于源內(nèi)自生自儲(chǔ)式成藏組合。拉什仲組3 934.3～3 940.9 m、厚度6.6 m，巖性為灰色灰質(zhì)頁(yè)巖，氣測(cè)錄井全烴峰值為4.715 0%、基值1.596 0%，電阻率為69.38 Ω·m、聲波時(shí)差199.79 μs/m，綜合解釋為含氣水層，屬于源內(nèi)自生自儲(chǔ)式成藏組合。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)內(nèi)地層構(gòu)造復(fù)雜，斷裂系統(tǒng)發(fā)育。在惠安堡斷裂以東下古生界奧陶系各期地層發(fā)育完整，厚度均呈現(xiàn)為自東向西、自北向南依次增加的趨勢(shì)?；莅脖嗔岩晕饕驑?gòu)造抬升導(dǎo)致部分地層缺失。

（2）研究區(qū)內(nèi)奧陶系烴源巖以碳酸鹽巖型和泥質(zhì)巖型為主，泥質(zhì)巖型烴源巖優(yōu)于碳酸鹽巖型。三道坎組、桌子山組發(fā)育白云巖儲(chǔ)集層，克里摩里組發(fā)育石灰?guī)r儲(chǔ)集層，烏拉力克組、拉什仲組發(fā)育頁(yè)巖儲(chǔ)集層。

（3）研究區(qū)內(nèi)奧陶系含油氣系統(tǒng)可根據(jù)烴源巖、儲(chǔ)集層和蓋層的空間配置關(guān)系劃分為源內(nèi)自生自儲(chǔ)式、近源上生下儲(chǔ)式、遠(yuǎn)源上生下儲(chǔ)式共三種不同類(lèi)型的成藏模式。根據(jù)完鉆井實(shí)例，源內(nèi)自生自儲(chǔ)式成藏模式更為常見(jiàn)。