鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气田成因及其成藏过程探讨.docx

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鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气田成因及其成藏过程探讨

鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气田

成因及其成藏过程探讨

飞，丽萍2

摘要：

鄂尔多斯盆地大气田主要赋存于上古生界致密砂岩储层中，且广泛分布于上古生界中下组合特别是二叠系组与下石盒子组。

其主要特点是：

天然气大面积连续分布，无明确气藏边界；圈闭介于常规圈闭与无圈闭之间，主要由非常规岩性圈闭和动力圈闭组成；气水分布复杂，无明显边、底水；天然气运移为非浮力驱动，近距离成藏。

鄂尔多斯致密砂岩的形成与分布与其热演化史、沉积作用、埋藏深度、成岩作用等多种因素有关，并且对其成藏模式的认识，还存在很多分歧。

本文通过阅读前人文献对这些观点进行了整理总结，并对鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气田成因及其成藏过程做了初步的探讨。

关键字：

鄂尔多斯盆地致密砂岩气成因成藏过程

Abstract:

LargegasfieldsinOrdosBasinaremostlyhostedinthetightsandstonereservoiroftheUpperPaleozoic,andarewidelydistributedinthelowerandmiddleformationoftheUpperPaleozoic,especiallyinShanxiFormationandXiashiheziFormationofPermian.Thetypeofaccumulationsfeaturesarethatthenaturalgasisoceurredinlarge-areaandquasi-continuousindistributionwithoutdefinedboundary;thetrappingisbetweenconventionaltrappingandactuallynotrapandmainlyposedofunconventionallithologictrapsanddynamictraps;gasandwaterdistributionalisplexandthereisnoobviousedge-bottomwater;gasmigrationissubjecttonon-buoyancydrivingandproximalaccumulation.TheformationanddistributionoftightsandstonereservoirsinOrdosBasinarerelatedtoavarietyoffactors,suchasitsthermalevolution,sedimentation,burieddepth,diagenesisandsoon.Inaddition,therearestillsomedifferencesaroundthereservoirmodeling.Inthispaper,IsortoutandanalyzetheaccountofdifferentviewpointsaboutthegenesisandaccumulationprocessoftightsandgasintheOrdosBasin.

Keywords:

OrdosBasintightsandstonegasgenesisaccumulationprocess

引言：

致密砂岩气最原始的定义可以追溯到1978年，美国天然气政策法案将其定义为砂岩储层天然气的渗透率小于或等于0.1×10-3um2的气藏[1]。

如今，已发现的致密砂岩气储量十分丰富。

世界上利用现有勘探开发手段可开采的致密砂岩气储量为（10.5~24.0）×1012m3，居非常规气之首[2]。

其中鄂尔多斯盆地是中国中部一个重要的含油盆地，其石炭纪和二叠纪过渡沉积相和大陆沉积相是北部盆地主要的气层的一部分。

在鄂尔多斯盆地北部石炭纪和二叠纪天然气储层主要是低孔隙度、低渗透率地层发育大量相对高孔隙度和渗透率的“甜点”式的致密砂岩储层[3]。

鄂尔多斯盆地上古生界储集层属于河流—三角洲沉积体系，热演化程度高，碎屑组分复杂，成岩作用强烈，岩性致密，属于典型的低渗特低渗非常规天然气藏，孔隙度一般在10%以下，渗透率一般小于3×10-3um2（付等，2000;惠宽洋等，2002;等，2006;席胜利等;2009;付锁堂等，2010）。

目前，鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏的勘探已取得了重大的突破，探明储量数万亿立方米。

其中神木气田、气田和里格气田为鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏的3个典型气田（图1）。

图1鄂尔多斯盆地气田位置（改自付，2013）

1地质概况

鄂尔多斯盆地北部系指纬度在38°线以北、乌兰格尔以南、贺兰山以东、吕梁山以西的地区，主体位于伊陕斜坡中[4]。

1.1盆地构造特征

据鄂尔多斯盆地构造发展演化史可将其划分为西缘断褶带、天环向斜、伊陕斜坡、晋西挠褶带、伊盟隆起、渭北隆起等六个一级构造单元，盆地总体形态呈巨型，现今构造特征表现为盆地边部构造发育，盆地部为一西倾的大型平缓斜坡，平均坡降一般在5-8m/km，为致密砂岩气藏的聚集提供了良好的构造条件。

1.2沉积特征

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西部，是一个稳定的沉降和坳陷的交替位于古老结晶变质基地之上。

早古生代，中国古陆解体，分裂成塔里木隆台、华北隆台和子台地。

晚古生代，华北盆地逐渐缩小，侏罗纪开始了燕山运动，使华北盆地西缘发生大规模的推覆冲断，形成了前缘凹陷。

至白垩纪，华北盆地东部边缘大幅度隆起，使鄂尔多斯台地与华北隆起分离。

形成独立的盆地。

盆地由上至下发育地层较为完整，目前发现的致密砂岩气藏发育于上古生界地层中。

鄂尔多斯盆地上古生界以陆相、海相交互项碎屑岩为主。

煤层和暗色泥岩、石灰岩是烃源岩的基本类型。

其中组、组、石盒子组源岩与砂岩多为互层（图2），二叠系组和石盒子组砂岩最发育,物性较差，孔隙度平均约6%-14%；渗透率一般都在0.3×10-3Lm2以上，是典型的低孔、低渗致密储层，在这种低孔低渗的背景下发育相对优质的储集层[5]。

2鄂尔多斯盆地致密砂岩储层特征

2.1储层物性

丁晓琪[6]通过对鄂尔多斯盆地北部上古生5091个样品的分析，结果表明，孔隙度低于12%的样品占总样品数的94.7%，渗透率主要集中在0～0.4×10-3um2（图3）。

属于典型的低孔低渗致密砂岩储层。

致密砂岩不仅渗透率低，而且渗透率对应力极为敏感，并且致密砂岩具有相当高的束缚水饱和度和低的含气饱和度。

鄂尔多斯盆地北部上古生界储层的主要储集空间有次生粒间孔、粒间微孔、粒溶孔、剩余原生粒间孔和少量破裂缝；主要发育高角度的垂直缝，裂缝缝面一般比较平直，成组出现，偶见方解石充填，裂缝发育向下或向上延伸常受泥岩限制。

2.2烃源岩特征

鄂尔多斯上古生界烃源岩是一套海陆交互相含煤岩层，煤层、暗色泥岩和生物灰岩是烃源岩的主要类型。

其中，煤层和暗色泥岩是研究区致密砂岩气田的主力产气层。

其分布面积广，富含有机质，干酪根类型为Ⅲ型，为该地区提供了丰富的物质基础，有利于成气的条件。

2.3储盖组合特征

整个上古生界砂体较发育，但物性较差，是典型的低空隙度、低渗透率的致密砂岩。

二叠系石盒子组上部的泥质岩石古生界气藏的区域盖层，广泛分布于整个盆地。

裂缝是石盒子组和石千峰组气藏形成的关键，形成的气沿着裂缝等通道向上运移聚集，在山岩发育的地区形成次生气藏。

2.4圈闭特征

鄂尔多斯盆地上古生界圈闭主要为岩性圈闭，只有局部发育不整合侵蚀谷充填的地层圈闭。

3致密砂岩气的成因

3.1国外研究现状

FredericLeder[7]认为影响砂岩孔隙度的重要变量依次是:

埋藏速率、形成时间、初始孔隙度、流体动力学、地温梯度等。

Scherer[8]将砂岩埋深、形成时间、分选和石英颗粒含量等4项作为影响孔隙度的一级参数，列出公式，并计算了不同深度、年龄的孔隙度。

3.2国研究现状

3.2.1网格状粘土矿物的演化

晓宁[9]认为砂岩发生机械压实作用，其孔隙及喉道被粘土矿物，自生矿物次生加大充填而形成网格状微细孔喉结构，具有较高的毛细管压力，由此演化成为低渗透致密砂岩。

在影响致密砂岩形成的诸多因素中，网格状粘土矿物的演化堵塞孔隙形成微细喉道是主要因素，也是前提条件。

在岩石沉积过程中和成岩作用早期，粘土矿物是以蒙脱石或蒙皂石颗粒无序分布于岩石颗粒之间的。

此时的粘土矿物只是存在于砂岩孔隙部分的空间，并不侵占孔喉通道，对岩石渗透率影响不大。

随着成岩作用的不断加强，粘土矿物从蒙皂石向伊利石、绿泥石转化。

当粘土矿物从以蒙皂石为主转化成伊蒙混层或绿蒙混层为主时，粘土矿物产状将发生较大变化，转化成有序结构，具有基质状、网格状、紊流状等微细结构。

并均匀地充填于砂岩的孔隙和孔喉之中，堵塞孔隙和孔喉，使普通砂岩演变成致密砂岩。

致密砂岩所具有的水锁现象增大了微细孔喉的毛细管压力。

当这种毛细管压力大于气体的运移力时，便构成了油气盖层。

水锁效应是致密砂岩成为油气盖层的关键，当孔隙中含有较高饱和度的地层水时，即可在该致密砂岩层的上部或上倾部位形成气藏的盖层。

当盆地中心发育大规模低渗透致密砂岩时，在其上倾部位，致密砂岩与地层水配合可以形成规模巨大的深盆气藏和盆地中心气藏。

3.2.2沉积作用-成岩作用-构造作用

晓萍、裘怿楠[10]认为从大的方面来讲，致密含气砂岩的成因主要有3个：

（1）沉积作用--低孔隙度、低渗透率储层一般发育在冲积扇、水下扇、扇三角洲平原亚相、三角洲前缘末端等相带中，这些相带中沉积物分选性差，泥质含量较高，压实作用强烈，在成岩早期就变为低孔隙度、低渗透率储层。

（2）成岩作用--一般成岩环境可以分为3种:

酸性成岩环境、碱性成岩环境和弱酸—弱碱成岩环境。

不同的成岩环境形成低孔隙度、低渗透率储层的机理不同。

酸性成岩环境：

主要发育在潮湿环境煤系地层或与煤系地层相邻的储层中，在早成岩早期，植物遗体在喜氧菌的作用下遭受氧化分解，形成大量腐殖酸，使地层水介质很快变为酸性，颗粒间缺乏胶结物的支撑，压实作用强烈，泥质或软岩屑呈假杂基状充填在原生孔隙中，孔隙度一般小于10%。

在中成岩早期，烃源岩中形成的有机酸性水只能有限地进入，改善部分储层的储集性能。

因此酸性成岩环境中压实作用是形成低孔隙度、低渗透率储层的主要原因。

碱性成岩环境：

指干旱环境中沉积的盐系地层，这种成岩环境与煤系酸性成岩环境正好相反，它们在埋藏成岩早期地层水为碱性条件。

因此，原生孔隙被大量方解石或石膏等强烈充填胶结，储层物性变差。

不仅如此，盐系地层常常缺乏烃源岩，形成的有机酸性水就很有限,酸性水的溶蚀作用弱，因此碱性成岩环境中胶结作用是形成低孔隙度、低渗透率储层的主要原因。

弱酸—弱碱成岩环境：

主要发育在淡水、半咸水湖泊的三角洲沉积中，它们在埋藏成岩早期为弱碱性成岩环境，方解石、石膏、浊沸石等在早成岩阶段胶结充填在原生粒间孔隙中，抑制了压实作用的进行。

在中成岩早期，湖相泥岩中生成的有机酸性水沿着层序界面、断层面以及三角洲叠置砂体，从烃源岩向砂岩的运移过程中溶蚀其中的胶结物及长石和岩屑颗粒，形成次生溶蚀孔隙。

这些次生孔隙发育带常常是优质储层的发育带。

（3）构造作用。

其中沉积作用是形成低渗透储层的最基本因素，它决定了后期成岩作用的类型和强度；成岩作用是形成低孔渗储层的关键；构造作用一般是将致密砂岩储层改造为低孔低渗透或低孔高渗透储层。

贺静、黄月明[11]认为机械压实、压溶作用、胶结作用、交代作用、溶蚀作用等成岩作用是形成鄂尔多斯盆地镇北地区致密砂岩的主要原因。

该地区刚性颗粒含量低、塑性岩屑含量较高,埋深大，受机械压实、压溶作用的影响较大。

另外由于方解石、高岭石、硅质、混层粘土等不易溶的矿物填充空隙，减少了储集空间，降低了渗流能力。

致密含气砂岩的成因是多方面的，起主导作用的是沉积作用和成岩作用。

致密砂岩形成的早期主要以沉积作用为主，而中、后期则主要以成岩作用为主。

3.2.4热演化程度-破坏性成岩作用-热液活动

丁晓琪[6]认为上古生界砂岩储层致密的主要原因为古埋藏深度大、热演化程度高、晚成岩阶段的破坏性成岩作用强,热液活动进一步使储层致密化。

（1）热演化程度--鄂尔多斯盆地北部石炭-二叠纪致密砂岩储层的现今埋深较最大埋深至少浅800m。

每百米古地温梯度取2.65℃，则白垩纪末期,其古地温超过130°C。

该区的镜质体反射率普遍为1.2%～1.8%，也表明其热演化程度已处于过成熟期。

（2）破坏性成岩作用

机械压实作用--机械压实作用主要是缩小、减少碎屑岩储层中的原生粒间孔隙，研究区最强的压实作用可使原生粒间孔隙减少为零,形成压实型致密层。

压溶作用--在压力作用下，碎屑接触点上所发生溶解作用，或在压应力作用下沿裂缝发生的溶蚀作用。

随上覆沉积物厚度不断增大，对下伏沉积物压溶作用亦随之增强。

胶结作用--胶结物的形成过程是缩小原生粒间孔隙的过程，对原生粒间孔隙起的是破坏作用，但早期形成的环边薄膜的胶结物将松散沉积物胶结成岩，则具抗上覆沉积物重压,起到保护剩余原生粒间孔隙的作用。

研究表明：

组硅质胶结作用强，组碳酸盐胶结作用强，下石盒子组环边绿泥石-硅质-含铁方解石胶结强。

次生加大作用--仅见石英碎屑的加大，无长石加大现象。

石英加大在组中最强，组中等，下石盒子组较弱，石英加大强度呈递减趋势。

自生矿物的形成--狭义的自生矿物是表征成岩微物化环境的标志，研究区具有这种指示作用的自生矿物有两类：

自生粘土矿物与非粘土矿物（图4、图5）。

（3）热液活动

异形白云石化；

绿帘石化；

地开石化；

4成藏过程

4鄂尔多斯盆地大气田成藏模式

4.1鄂尔多斯盆地大气田成藏特点:

具有稳定的大型斜坡背景。

鄂尔多斯盆地上古生界具有克拉通基底，构造稳定，大型褶皱和断裂不发育；大型斜坡背景分布面积大，约占盆地面积的80%；斜坡带地层平缓，长距离垂向运移的条件也很差。

这种很差的纵横向运移条件，决定了鄂尔多斯盆地上古生界天然气藏的形成以近源聚集成藏为主，长距离侧向和垂向运移的可能性不大（图6）。

发育广覆式高生烃强度的煤系烃源岩。

鄂尔多斯盆地上古生代有效烃源岩广覆式分布，占盆地面积80%以上；热演化程度适中，Ro值在1.0%～2.0%；具有高丰度、高生气强度特征，鄂尔多斯盆地上古生界生烃强度10亿～40亿m3/km2。

）

浅水三角洲砂体大面积分布。

鄂尔多斯盆地上古生界储层沉积相主要为浅水三角洲砂体，砂体叠加厚度与分布面积大。

砂体叠加厚度150～200m，面积约10万km2。

图6鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏分布特征与地质模型（改自茜，2012）

具有源储一体、面状排烃、超压驱替、近距离聚集的特征。

国外致密砂岩气藏成藏机理研究和勘探实践表明，致密砂岩气具有源储紧密相邻、近源垂向运移成藏的显著特点。

鄂尔多斯盆地上古生界继承性河流、三角洲沉积体系发育，砂体分布围广，多层砂体叠置连片，并且砂体与煤系烃源岩构成互层、源储紧邻，形成良好的储盖组合。

气藏类型以岩性气藏为主。

斜坡岩性型致密砂岩气藏大面积分布，不受局部构造控制，通常河道砂体和裂缝发育程度是气藏分布和富集高产的主控因素。

总体上该类气藏具有储层物性非均值性强、气水关系复杂、单井产量变化大等岩性气藏特征[12]。

5结论

（1）本文将致密气藏定义为储层致密、只有经过大型压裂改造等措施才可以获得经济产量的烃源岩外气藏，其孔隙度一般小于10％，地面绝对渗透率一般小于1mD。

（2）鄂尔多斯盆地上古生界大气田主要赋存于致密砂岩储层。

其主要特点是：

天然气大面积准连续分布，无明确气藏边界；圈闭介于常规圈闭与无圈闭之间，主要由非常规岩性圈闭和动力圈闭组成；气水分布复杂，无明显边、底水；天然气运移为非浮力驱动，近距离成藏。

（3）鄂尔多斯致密砂岩的形成与分布与其热演化史、形成时间、埋深速率、埋藏深度、沉积作用、成岩作用和构造作用等多种因素有关，虽然前人对其成因存在分歧，但都认为沉积作用和成岩作用在鄂尔多斯致密砂岩的形成过程中起了主要作用。

（4）鄂尔多斯盆地上古生界构造稳定，烃源岩成熟度由北向南逐渐增高，储集物性由南向北逐渐变好，南部烃源岩生成的大量气体推动着地层水沿南北向条带状砂体向北迁移，气水密度差是气藏低压异常的主要原因。

其气藏整体具有“先致密后成藏”的成藏特征。

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