孫　曉

(中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450001)

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什股壕地區(qū)上古生界天然氣運聚特征與成藏機理探討

孫曉

(中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450001)

經(jīng)過對大量天然氣的組分特征、同位素特征及成藏條件的研究，認為什股壕地區(qū)下石盒子組確實存在天然氣的長距離側(cè)向運移事件，同時，也存在與該區(qū)域南部泊爾江海子斷裂以南相似的氣藏特征，應(yīng)該是長距離側(cè)向運移+原地運移的混合氣藏。天然氣成藏機理應(yīng)該存在地層抬升減壓降溫脫溶成藏與水溶氣順層側(cè)向運移減壓脫溶成藏兩種形式，水溶氣的脫溶成藏是什股壕地區(qū)盒2+3段大面積巖性氣藏發(fā)育及天然氣規(guī)模聚集的重要成藏機理，也解釋了什股壕地區(qū)下石盒子組盒1氣藏普遍含水且氣水關(guān)系復(fù)雜的現(xiàn)象，以及北部烴源巖發(fā)育差、盒2+3段卻能形成大規(guī)模天然氣聚集的重要原因。

鄂爾多斯盆地；杭錦旗區(qū)塊；什股壕地區(qū)；天然氣；運聚特征；成藏機理

什股壕地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部杭錦旗探區(qū)泊爾江海子斷裂的北部，構(gòu)造位置上位于伊盟隆起杭錦旗斷階東部(圖1)。晚古生代沉積前，什股壕地區(qū)一直處于長期隆起狀態(tài)， 基底主要由太古-元古界混合化變質(zhì)巖系組成。至晚石炭世接受沉積以來，先后沉積了石炭系太原組和二疊系山西組、上下石盒子組及石千峰組地層。其中，斷裂帶附近局部發(fā)育的太原組和山西組的暗色泥巖、煤層是本區(qū)的烴源巖，山西組、下石盒子組發(fā)育的砂巖構(gòu)成本區(qū)上古生界天然氣主要儲集層，上石盒子組及石千峰組厚層泥巖形成區(qū)域封蓋層[1]，現(xiàn)今構(gòu)造輪廓呈東北翹，西南傾的單斜形態(tài)，是天然氣長期運移的有利指向區(qū)[2]。自1977年在什股壕構(gòu)造的伊深1井下石盒子組獲得天然氣突破之后，近年來又相繼發(fā)現(xiàn)了錦11井區(qū)、錦33井區(qū)、錦66井區(qū)等大中型巖性氣藏疊合發(fā)育區(qū)，主要產(chǎn)氣層為下石盒子組盒2+3段，其次是盒1段、山1段，天然氣藏類型主要為巖性氣藏與構(gòu)造-巖性氣藏，盒2+3段具有氣藏豐度低、氣層薄、低產(chǎn)天然氣井廣泛分布、含氣面積大、不含水等特征，盒1、山1段氣藏具有含水較普遍、氣水關(guān)系復(fù)雜等特征。目前，普遍認為下石盒子組天然氣的成藏機理仍是常規(guī)天然氣的運聚[3-4]，只是盒1段砂巖厚度太大，天然氣的供給不足故而普遍含水，但本次研究認為，什股壕地區(qū)氣藏還存在另一個重要成藏機理，即水溶氣的脫溶成藏。水溶氣脫溶為天然氣成藏提供了大量天然氣源，成為什股壕地區(qū)盒2+3段天然氣大面積成藏的重要機理。

1　天然氣運移特征

正常條件下天然氣的運移以垂向運移為主，溶于地層水的天然氣則可以隨地層水的流動長距離側(cè)向運移，并在運移途徑中隨地層流體溫度、壓力降低或鹽度加大而脫溶[5]。通過開展流體性質(zhì)與特征研究，發(fā)現(xiàn)了水溶氣脫溶成藏的天然氣組分變化依據(jù)與碳同位素特征變化依據(jù)：遠離氣源區(qū)的氣藏具有運移距離越遠、天然氣相對密度越小、天然氣越干、異構(gòu)烷烴與正構(gòu)烷烴比值變大、成藏越晚，重同位素13C越富集等特征[6-8]。這一變化規(guī)律從杭錦旗地區(qū)天然氣性質(zhì)的變化與天然氣甲、乙烷碳同位素值變化得到了證明，從而證實了什股壕地區(qū)下石盒子組氣藏存在天然氣的長距離側(cè)向運聚特征。

1.1天然氣組分特征

杭錦旗地區(qū)構(gòu)造形態(tài)為北東高西南低的單斜， 斷裂以北山西組、太原組烴源巖較發(fā)育，煤層厚度10～18 m，埋藏深，熱演化程度也相對較高，Ro值多在1.2%以上；什股壕地區(qū)源巖不發(fā)育，煤層普遍小于6 m，僅靠近斷裂附近局部地區(qū)發(fā)育，煤層厚度6～10 m，埋藏較淺，烴源巖的熱演化程度也較低，Ro值小于1.0%[9]，處于煤系熱演化生排濕氣階段，其天然氣應(yīng)該偏濕，應(yīng)存在甲烷含量偏低的天然氣組分特征。按照源巖熱演化的整體趨勢，其天然氣性質(zhì)的變化應(yīng)該存在斷裂以南地區(qū)甲烷含量高、天然氣較干、天然氣密度低的特征，而斷裂以北地區(qū)，則應(yīng)該呈現(xiàn)與之相反的特征。然而在斷裂帶以北的地區(qū)，天然氣性質(zhì)的上述參數(shù)卻出現(xiàn)了相反的情況，即存在向北呈現(xiàn)出甲烷含量變高、天然氣變干、相對密度變小的特征(圖2)。這一現(xiàn)象不僅很難用烴源巖熱演化程度差異來解釋，而且也很難用外來氣源來解釋，而用天然氣的側(cè)向運移與脫溶成藏則可以很好地對這一現(xiàn)象進行解釋。甲烷分子小，擴散速度快，在地層水中的溶解度也大于其他烴類氣體[10]，即天然氣的側(cè)向運移受分子擴散速度差的影響，具有運移越遠、天然氣氣質(zhì)越干、相對密度越小、成藏越晚等特征。另外，氣源特征也表明該區(qū)天然氣應(yīng)該來自斷裂帶以南烴源巖，甲烷含量的異常變化很可能是天然氣脫溶成藏引起的，遠離氣源區(qū)的天然氣脫溶氣藏具有甲烷含量高、相對密度小、干燥系數(shù)較大的特征。另外，也存在與斷裂以南重疊的區(qū)域，說明應(yīng)該也存在部分原地的近源氣。

圖1　什股壕地區(qū)位置及構(gòu)造背景

1.2異構(gòu)烷烴與正構(gòu)烷烴比值

圖2　杭錦旗地區(qū)下石盒子組天然氣組分特征

天然氣中iC4/nC4、iC5/nC5值分布特征也證明了側(cè)向運移過程的存在。通常，異構(gòu)烷烴在水中的溶解度大于同碳數(shù)的正構(gòu)烷烴，異構(gòu)烷烴隨地層水運移能力稍強于同碳數(shù)的正構(gòu)烷烴；另外，異構(gòu)烷烴的擴散系數(shù)大于同碳數(shù)的正構(gòu)烷烴，因此，異構(gòu)烷烴的運移速度要稍大于同碳數(shù)的正構(gòu)烷烴；隨著運移距離的加大，異構(gòu)烷烴會相對富集，出現(xiàn)異構(gòu)烷烴與正構(gòu)烷烴比值加大的現(xiàn)象(圖3)。如斷裂帶以南地區(qū)天然氣iC4/nC4與iC5/nC5值較小，分別為0.58～1.63與0.39～2.25；而氣源中心相對較遠的斷裂帶以北氣藏，其天然氣iC4/nC4與iC5/nC5值則相對較大，分別為0.48～0.92與0.8～2.08，顯示出側(cè)向運移特征。

圖3　杭錦旗地區(qū)氣藏iC4/nC4、iC5/nC5值分析

因此，從天然氣的組分特征來看，什股壕地區(qū)存在天然氣長距離側(cè)向運移，天然氣在運移路徑上脫溶成藏。由圖3還可以看出，斷裂帶以北氣藏iC4/nC4與iC5/nC5值較分散，說明該氣藏可能既有遠距離運移來的天然氣，也有部分近源氣。

1.3天然氣同位素特征

根據(jù)碳同位素在地層中的分餾原理，地層水中溶解氣脫溶時，早期脫溶氣的碳同位素較輕、晚期脫溶氣的碳同位素較重[8，11]。

基本處于同一運移方向上的十里加汗氣藏與什股壕氣藏相距45～60 km，相對靠近氣源中心的十里加汗地區(qū)氣藏甲烷與乙烷碳同位素較輕，分別為-36.20‰與-24.80‰；而相對遠離氣源中心的什股壕地區(qū)氣藏具有較重的甲烷與乙烷碳同位素特征，分別為-32.21‰～-24.20‰(表1)。碳同位素分布特征從另一角度證明杭錦旗地區(qū)天然氣長距離側(cè)向運移并大量脫溶聚集成藏是可能的。

表1　杭錦旗地區(qū)天然氣樣品同位素分析結(jié)果

因此，斷裂以北什股壕地區(qū)下石盒子組氣藏存在長距離側(cè)向運移特征，而且其具有越向北，氣藏形成越晚，甲烷越富集重同位素13C的規(guī)律。

從甲烷-乙烷碳同位素交會圖(圖4)可以看出，蘇里格地區(qū)數(shù)據(jù)點分布范圍較大，這與其氣田范圍大、氣層埋深變化大和烴源巖成熟度跨度大有關(guān)。有意義的是大牛地氣田、什股壕和浩繞召三區(qū)數(shù)據(jù)點具有各自相對獨立的分區(qū)。

圖4　鄂北古生界天然氣甲烷-乙烷碳同位素交會圖

根據(jù)產(chǎn)氣井與烴源巖分布以及所處的構(gòu)造位置來分析，可以初步得出以下認識：大牛地氣田數(shù)據(jù)點的位置代表了近源成藏的特征，天然氣運移范圍不大；浩繞召數(shù)據(jù)點的位置代表了天然氣異地運移成藏的特征；而什股壕數(shù)據(jù)點可能代表了原地+異地運移天然氣混合成藏的特征，異地運移應(yīng)該是主要因素。

2　天然氣成藏機理探討

沉積盆地的有機質(zhì)在生物改造和熱化學(xué)動力學(xué)作用下生成的油氣，從源巖排出和在儲集層運移過程中，其中一部分會溶解在地層水中，隨著地層水的流動而發(fā)生運移，成為水溶氣。在地質(zhì)條件發(fā)生改變的情況下(如溫度、壓力的降低等)，水溶氣從地層水中脫溶聚集形成天然氣藏。水溶氣的區(qū)域性脫溶成藏，要有富含天然氣水體的廣泛分布，而且還必須有區(qū)域性的地層隆升與剝蝕，并造成區(qū)域性的地層壓力降低。杭錦旗區(qū)塊下石盒子組盒1段普遍含水，斷裂南部源巖發(fā)育，燕山中晚期發(fā)生區(qū)域強烈抬升等都表明該區(qū)具有水溶氣富集和脫溶成藏的的良好條件。

依據(jù)杭錦旗區(qū)塊構(gòu)造特征、源巖特征、圈閉特征、氣藏特征等，什股壕地區(qū)下石盒子組天然氣脫溶成藏主要存在地層抬升減壓脫溶成藏與水溶氣順層側(cè)向運移減壓脫溶成藏兩種機理形式。原地抬升減壓脫溶氣主要是近源氣，而順層側(cè)向運移減壓脫溶氣則是異地運移來的天然氣與近源氣的混合氣。

2.1地層抬升減壓脫溶成藏機理

泊爾江海子斷裂在印支-燕山運動活動加劇，燕山中晚期杭錦旗地區(qū)強烈抬升[1]，此時，杭錦旗地區(qū)構(gòu)造格局也由北西高南東低轉(zhuǎn)變?yōu)楸睎|高南西低，什股壕地區(qū)地層抬升更為明顯(圖5)。天然氣在地層中主要以吸附、溶解與游離3種形式存在。天然氣的溶解度主要與溫度、壓力及鹽度有關(guān)，正常條件下天然氣的溶解度隨壓力升高而增大，而隨鹽度的升高而減小。所以，在地層溫度與壓力降低、鹽度增大的條件下，天然氣就會從地層水中脫溶出來，脫溶氣與分散的游離氣及吸附氣結(jié)合，形成氣泡并不斷增大成氣團，在浮力的作用下，向地層高部位的圈閉中運聚。因此，天然氣的抬升減壓脫溶成藏不只是簡單的水溶性天然氣脫溶成藏，而是水溶氣脫溶后不斷結(jié)合分散游離氣及吸附氣，并聚集成藏的過程(圖6)。在地層抬升前，儲集層中存在一定游離氣與吸附氣，抬升過程中，原分散的游離氣與脫溶氣匯聚，并逐漸使氣團變大，在浮力作用下在構(gòu)造高部位聚集成藏，且具有干燥系數(shù)較大的特點。如斷裂以北什股壕地區(qū)盒1氣藏，天然氣干燥系數(shù)一般大于0.95，而位于斷裂以南盒1氣藏的天然氣干燥系數(shù)普遍小于0.95(見圖2a、2b)。

圖5　杭錦旗地區(qū)錦6井上古生界埋藏史

2.2水溶氣側(cè)向運移減壓脫溶成藏機理

水溶氣的順層側(cè)向運移減壓脫溶成藏過程非常復(fù)雜，且主要發(fā)育于以壓差驅(qū)動為主的致密砂巖發(fā)育地區(qū)。這一天然氣脫溶成藏機理，在杭錦旗地區(qū)實際上經(jīng)歷了超高壓帶側(cè)向壓差驅(qū)動運移、高壓帶側(cè)向壓差驅(qū)動與浮力驅(qū)動共同作用運移及常壓-低壓帶浮力驅(qū)動運聚等3個不同動力機制作用階段(圖7)，即：①在斷裂南側(cè)源巖發(fā)育，烴源巖生烴作用可以形成巨大的壓力能量，經(jīng)計算大牛地氣田山西組源巖的生烴排驅(qū)壓力是64～73 MPa，杭錦旗地區(qū)源巖埋藏更深，推測生烴膨脹產(chǎn)生異常高壓會更高，在高剩余地層壓力的順層側(cè)向壓差驅(qū)動下，超高壓與高壓致密砂巖中的天然氣隨盒1段地層水在致密儲集層中作幕式運移，即由于儲集層的非均質(zhì)性，層狀儲集體致密區(qū)下傾高壓一側(cè)的壓力不斷聚集，當聚集到能突破阻力時，便推動流體越過致密區(qū)向上傾方向運移，如此反復(fù)不斷，同時致密儲集層的壓力逐漸降低，在這個過程中水溶氣逐漸減壓脫溶；②越過泊爾江海子斷裂后，盒1段含水量逐漸增大，構(gòu)造位置變高，浮力驅(qū)動作用慢慢增加，在側(cè)向壓差驅(qū)動與浮力驅(qū)動的共同作用下，脫溶氣與先前存在的游離氣結(jié)合、運移并聚集成局部氣團；③越向什股壕地區(qū)東北方向，構(gòu)造位置越高，地層抬升越快，浮力作用更加明顯，局部聚集氣團在以浮力為主的作用下在盒1段構(gòu)造高部位或者向上繼續(xù)運移至盒2+3段聚集成藏。

圖6　抬升減壓型天然氣脫溶成藏演化機理與模式

這一脫溶成藏條件與機理主要發(fā)生在杭錦旗地區(qū)的致密砂巖中，該區(qū)致密砂巖的單層厚度為20～45 m，孔隙度為8%～10%，滲透率多為(0.1～1.0)×10-3μm2，以非達西流為主。斷裂以南埋深大地區(qū)，由于地層壓力達25～30 MPa，遠大于天然氣浮力，因此該區(qū)帶的天然氣在高壓下溶于地層水，在壓差驅(qū)動下，隨地層水沿地層上傾方向運移，隨壓力的降低，部分水溶氣脫溶，少部分與先前分散游離氣匯聚成局部氣團，賦存于致密砂巖儲集層中。斷裂帶附近，地層壓力為21～22MPa，仍遠大于天然氣浮力，隨著局部氣團的變大，浮力在致密砂巖中也起一定作用，因此這一區(qū)帶是側(cè)向壓差與浮力共同驅(qū)動的區(qū)帶，既有水溶氣隨水的側(cè)向運移，也有游離氣在浮力作用下的局部聚集。在斷裂以北什股壕區(qū)帶，地層壓力為16～17 MPa，仍然大于天然氣浮力，但是由于局部聚集的氣團數(shù)量增多、規(guī)模加大，浮力對天然氣脫溶聚集成藏的作用更加明顯。該區(qū)天然氣的運移動力機制雖然還存在側(cè)向壓差驅(qū)動，但因較多天然氣團的聚集而轉(zhuǎn)化為以浮力驅(qū)動為主，在盒1構(gòu)造高部位或向上繼續(xù)運移至盒2+3段聚集成藏，天然氣聚集規(guī)模較大、面積較廣。常壓-低壓帶水溶氣的運移與脫溶成藏，不僅促進了該區(qū)帶大面積的天然氣聚集成藏，而且也解釋了什股壕地區(qū)烴源巖不發(fā)育但盒2+3段天然氣卻大規(guī)模聚集的原因。

圖7　杭錦旗地區(qū)下石盒子組盒1段致密砂巖中水溶氣運移與脫溶成藏演化模式

3　結(jié)論

(1) 斷裂以北什股壕地區(qū)下石盒子組氣藏具有運移距離遠、成藏晚、甲烷含量高、干燥系數(shù)較大、相對密度小、異構(gòu)烷烴與正構(gòu)烷烴比值大、甲烷與乙烷碳同位素較重等異地運聚特征，同時，也存在與斷裂以南相似的特征，表明什股壕地區(qū)下石盒子組氣藏具有長距離側(cè)向+原地運移特征，從源巖分布來看，長距離側(cè)向運移天然氣應(yīng)該是什股壕地區(qū)主要氣源。

(2)天然氣性質(zhì)與碳同位素特征等證明杭錦旗區(qū)塊什股壕地區(qū)有大量脫溶氣的存在與聚集。水溶氣的脫溶成藏主要存在地層抬升減壓脫溶與水溶氣側(cè)向運移減壓脫溶兩種機理。天然氣的脫溶成藏是什股壕地區(qū)下石盒子組盒2+3段巖性氣藏大面積發(fā)育的重要機理之一，天然氣脫溶成藏很可能是抬升減壓脫溶與側(cè)向運移減壓脫溶共同作用的結(jié)果。

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編輯：王金旗

1673-8217(2016)05-0017-05

2016-05-25

孫曉，工程師，碩士，1980年生，2008年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，現(xiàn)從事油氣勘探綜合地質(zhì)研究及管理工作。

國家科技重大專項“鄂爾多斯盆地碎屑巖層系大中型油氣田富集規(guī)律與勘探方向”項目(2011ZX05002)。

TE112.111

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