李 劍 張春林 姜福杰 裴 煜 王靜怡 王夕榕 張嘉琪

1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司天然氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院

0 引言

鄂爾多斯盆地是我國(guó)重要的天然氣生產(chǎn)基地，2020年鄂爾多斯盆地天然氣產(chǎn)量突破500×108m3，油氣當(dāng)量突破6 000×104t，連續(xù)十年以上成為全國(guó)第一大產(chǎn)氣區(qū)[1]。在鄂爾多斯盆地天然氣總產(chǎn)量中，致密氣占其中的68%[2]，并且這一比例仍在不斷增加。從鄂爾多斯盆地致密砂巖氣勘探現(xiàn)狀來(lái)看，主要產(chǎn)層為下二疊統(tǒng)山西組和中二疊統(tǒng)下石盒子組八段，其他層位的勘探開發(fā)程度較低[3]。近年來(lái)，隨著勘探程度的不斷提高，上石炭統(tǒng)本溪組致密砂巖氣逐漸受到關(guān)注，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司已對(duì)本溪組165口井進(jìn)行了測(cè)試工作，其中65口井獲工業(yè)氣流，平均無(wú)阻流量為22.35×104m3/d且有4口測(cè)試井日產(chǎn)氣量超過(guò)50×104m3，表明本溪組具有較好的致密氣資源前景。但是較之于山西組和盒八段，對(duì)于本溪組致密砂巖氣成藏條件的研究較少、天然氣富集主控因素不清，給后者的勘探評(píng)價(jià)選區(qū)工作造成了困難。

為此，筆者針對(duì)該盆地本溪組致密砂巖氣的成藏機(jī)理開展了研究，分析致密氣的分布特征，揭示致密氣富集的主控因素，預(yù)測(cè)致密氣的有利勘探區(qū)帶，以期為本溪組致密砂巖氣的勘探提供依據(jù)和參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于華北陸塊西部，是典型的大型內(nèi)陸克拉通盆地，也是我國(guó)第二大沉積盆地，面積約為37×104km2[4]。鄂爾多斯盆地具有盆內(nèi)穩(wěn)定、盆緣活躍、南北隆升、西沖東抬的構(gòu)造特征，由6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元組成，為伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷和西緣沖斷帶（圖1）。盆地演化經(jīng)歷了呂梁、晉寧、加里東、海西以及喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[7]。筆者本次研究地區(qū)位于鄂爾多斯盆地中部，構(gòu)造位置位于伊陜斜坡。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃分、氣田位置分布與本溪組—太原組柱狀圖

鄂爾多斯盆地在古生界經(jīng)歷了海相—海陸過(guò)渡相—陸相的沉積環(huán)境演化[8]。下古生界奧陶系僅沉積馬家溝組海相石灰?guī)r。上古生界石炭系至二疊系為典型的海陸過(guò)渡相沉積，其中，本溪組和下二疊統(tǒng)太原組主要為三角洲和障壁海岸沉積；山西組發(fā)生海退，主要為淺水三角洲沉積（圖1）；中二疊統(tǒng)上石盒子組、下石盒子組和上二疊統(tǒng)石千峰組發(fā)育大套的河流沉積，其中上石盒子組主要為辮狀河三角洲沉積相，下石盒子組和石千峰組則主要為曲流河沉積相[9]。

2 本溪組氣水分布及氣井產(chǎn)能特征

對(duì)鉆遇鄂爾多斯盆地本溪組的165口井測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從平面分布特征、產(chǎn)能變化規(guī)律等方面總結(jié)測(cè)試井特征和變化規(guī)律。

2.1 氣水平面分布特征

2.1.1 氣井分布與沉積相疊合特征

鄂爾多斯盆地沉積構(gòu)造演化特征主要受北部興蒙海槽和南部的祁連海槽的控制[10]，研究區(qū)中南部本溪組發(fā)育潮坪—障壁島相帶，東北部發(fā)育三角洲前緣相帶。從單井測(cè)試結(jié)果看，研究區(qū)東北部工業(yè)氣井分布于三角洲前緣分支河道上；中南部工業(yè)氣井大多分布于潮汐砂壩之上，氣層分布大體與潮汐砂壩分布相吻合。東北部?jī)?chǔ)集體類型為三角洲前緣水下分流河道砂體，河口壩不發(fā)育；南部?jī)?chǔ)集體類型主要為障壁島砂壩和砂坪（圖2）。

2.1.2 氣井分布與烴源巖熱演化程度疊合特征

從本溪組烴源巖鏡質(zhì)體反射率（Ro）平面分布和氣水井分布疊合關(guān)系來(lái)看，由北向南，鏡質(zhì)體反射率逐漸增大，東北部烴源巖處于高成熟階段（Ro＜2.0%），中南部處于過(guò)成熟階段（Ro＞2.0%），宜川—慶城一帶烴源巖的Ro可達(dá)3.0%?？傮w來(lái)看，氣井主要分布在Ro＞1.3%的區(qū)域，水井主要分布在Ro＜1.3%的北部區(qū)域（圖3），但也有個(gè)別水井分布在盆地中心烴源巖熱演化程度相對(duì)較高的地區(qū)，可能存在其他因素控制氣水分布關(guān)系。

圖3 鄂爾多斯盆地本溪組烴源巖Ro與測(cè)試井疊合圖

2.2 氣井產(chǎn)能變化特征

2.2.1 煤層厚度與氣井產(chǎn)能關(guān)系

本溪組發(fā)育鄂爾多斯盆地非常重要的一套源巖層，即8號(hào)煤層[11]，通過(guò)對(duì)產(chǎn)氣井產(chǎn)能與8號(hào)煤層厚度關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，縱向上工業(yè)氣井所處區(qū)域烴源巖（8號(hào)煤層）厚度普遍介于2～14 m，測(cè)試無(wú)阻流量與煤層厚度有一定正相關(guān)關(guān)系，在無(wú)阻流量與煤層厚度相關(guān)圖中可以看出，其中煤層厚度3～6 m有3口井的無(wú)阻流量介于25×104～30×104m3/d，此外其他散點(diǎn)數(shù)據(jù)間具有明顯正相關(guān)關(guān)系，分析認(rèn)為這3口井存在其他原因的影響（圖4-a）。

2.2.2 氣井產(chǎn)能隨深度變化關(guān)系

整體來(lái)看，鄂爾多斯盆地本溪組埋深從東北至西南逐漸變深，產(chǎn)氣層段埋深介于2 000～4 000 m，氣層跨度較大，表明含氣范圍較大，且不同深度和位置產(chǎn)能差異明顯，含氣層段深度超過(guò)3 000 m區(qū)域主要集中在盆地西南部，為潮坪相，深度小于3 000 m區(qū)域主要在盆地東北部的三角洲相，產(chǎn)氣量最高的井位集中分布在深度2 800 m附近的三角洲前緣相砂體上，間接證明沉積相對(duì)于產(chǎn)能的影響作用（圖2）。

2.2.3 氣井產(chǎn)能與儲(chǔ)層物性的關(guān)系

2.2.3.1 砂體厚度與產(chǎn)能的關(guān)系

鄂爾多斯盆地本溪組測(cè)試段工業(yè)氣井（日產(chǎn)氣量大于3×104m3）的無(wú)阻流量砂體厚度介于4～20 m，主要集中介于9～17 m?？梢?，單一砂體厚度與產(chǎn)能的關(guān)系并不明顯，單一砂體厚度不是決定產(chǎn)能的主控因素，但整體上呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系（圖4-b）。

圖4 鄂爾多斯盆地本溪組氣井無(wú)阻流量與8號(hào)煤層厚度、測(cè)試段砂巖厚度關(guān)系圖

2.2.3.2 儲(chǔ)層物性與產(chǎn)能的關(guān)系

對(duì)165口測(cè)試井的物性資料與產(chǎn)能關(guān)系做了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)氣層孔隙度介于3.7%～9.7%，滲透率介于0.1～1.6 mD。另外，將單井測(cè)試結(jié)果與孔隙度、基質(zhì)滲透率疊合發(fā)現(xiàn)，無(wú)阻流量高的井主要分布在孔隙度大于4%的區(qū)域，在一定的孔隙度范圍內(nèi)，無(wú)阻流量與孔隙度相關(guān)性不明顯（圖5-a），而滲透率與無(wú)阻流量的相關(guān)性相對(duì)更為明顯（圖5-b）。

圖5 鄂爾多斯盆地本溪組物性與氣井無(wú)阻流量關(guān)系圖

3 本溪組致密砂巖氣富集主控因素

從前述分析可知，鄂爾多斯盆地本溪組致密氣分布受多種因素控制，與烴源巖、沉積環(huán)境、儲(chǔ)層物性等都有著一定的關(guān)系。

因此，筆者從致密氣成藏機(jī)理的角度，重點(diǎn)圍繞天然氣能否向致密儲(chǔ)層充注、致密儲(chǔ)層儲(chǔ)集天然氣能力和天然氣能否有效保存3個(gè)方面，對(duì)致密氣富集控制因素進(jìn)行了分析，并確定了致密氣富集主控地質(zhì)因素。

3.1 烴源巖充注能力對(duì)氣層聚集范圍的控制

3.1.1 基本原理

天然氣向致密儲(chǔ)層中的充注動(dòng)力為氣體膨脹力，阻力為上覆地層中的靜水柱壓力和毛細(xì)管阻力[12]。當(dāng)充注動(dòng)力小于阻力時(shí)，天然氣無(wú)法排驅(qū)孔隙中的水充注到儲(chǔ)層中；當(dāng)充注動(dòng)力大于阻力時(shí)，天然氣可以克服阻力以氣驅(qū)水的方式向儲(chǔ)層充注。由此，可以依據(jù)動(dòng)力和阻力的平衡方程計(jì)算天然氣充注臨界條件，即充注門限[13]。

3.1.2 物理模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)利用中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)裝置模擬。通過(guò)氮?dú)獬渥柡膸r心樣品，記錄不同壓力條件下的流體流量和時(shí)間，計(jì)算流體流速。實(shí)驗(yàn)中選擇3塊物性不同的樣品進(jìn)行了實(shí)測(cè)（表1），測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

表1 充注實(shí)驗(yàn)樣品信息表

流體在低滲透致密儲(chǔ)層中的流動(dòng)屬低速非達(dá)西流。其與達(dá)西流不同的是，只有當(dāng)壓力梯度達(dá)到能克服這些阻力后才可能開始低速滲流，即存在啟動(dòng)壓力梯度[14]。對(duì)比不同樣品的滲透速度和壓力梯度關(guān)系可知，物性差異導(dǎo)致流體的流速差異明顯，其中孔隙度小于10%、有效滲透率小于0.1 mD，屬于致密砂巖的3號(hào)樣品，其滲透速度與壓力梯度相對(duì)于兩個(gè)非致密砂巖樣品的線性關(guān)系相對(duì)較弱，說(shuō)明流體在致密砂巖儲(chǔ)層中的流動(dòng)過(guò)程更為復(fù)雜（圖6-a）。但總體來(lái)看，啟動(dòng)壓力和物性成反向關(guān)系，物性越好，啟動(dòng)壓力越?。▓D6-b），與前人觀點(diǎn)一致。

圖6 天然氣充注致密砂巖啟動(dòng)壓力與流速變化特征圖

3.1.3 數(shù)值模擬計(jì)算

利用致密儲(chǔ)層中天然氣充注動(dòng)力和阻力平衡方程，可推導(dǎo)出以排烴強(qiáng)度、烴源巖厚度和靜水柱高度為變量的求取孔喉半徑的公式，其余參數(shù)均可通過(guò)對(duì)區(qū)域地質(zhì)特征和天然氣物理特征分析獲得[15]。相關(guān)公式如下：

式中F2表示氣體膨脹力，Pa；Z表示壓縮系數(shù)，無(wú)量綱；表示天然氣密度，kg/m3；R表示氣體常數(shù)，J/（mol·K）；T表示熱力學(xué)溫度，K；qe表示排烴強(qiáng)度，m3/km2；M表示摩爾質(zhì)量，g/mol；Hs表示烴源巖厚度，m；φ表示源巖孔隙度。

式中f1表示毛細(xì)管力，Pa；σ表示界面張力，N/m；r表示孔喉半徑，m。

式中f2表示靜液柱壓力，Pa；ρw表示水的密度，kg/m3；g表示重力加速度，m/s2；h表示水柱高度，m。

假設(shè)動(dòng)力和阻力相等，即式（1）等于式（2）與式（3）之和，即

由式（4）可推導(dǎo)出關(guān)于孔喉半徑的計(jì)算公式，即

利用高壓壓汞數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并擬合了孔喉半徑與孔隙度對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立孔隙度計(jì)算方程，即

3.1.4 本溪組臨界孔隙度下限的確定

依據(jù)生烴潛力法公式（7）[16]，計(jì)算獲得本溪組煤層的排烴強(qiáng)度。

式中TOC表示總有機(jī)質(zhì)含量；ρs表示煤層密度，g/cm3；q表示排烴率，mg/g。

根據(jù)單井統(tǒng)計(jì)編制的本溪組煤層厚度分布圖、有機(jī)地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、鄂爾多斯盆地上古生界排烴模式圖[16]以及煤層密度，計(jì)算得出鄂爾多斯盆地本溪組在埋深小于3 000 m時(shí)，排烴強(qiáng)度介于1.5×108～6.0×108m3/km2；埋深大于3 000 m時(shí)，排烴強(qiáng)度介于3.0×108～6.0×108m3/km2。

因此，在孔喉半徑與孔隙度對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用臨界充注條件式（5）即可計(jì)算出臨界孔隙度。在埋深小于3 000 m時(shí)，臨界孔隙度介于4.0%～10.2%，埋深大于3 000 m時(shí)，臨界孔隙度介于4.2%～5.2%。

總體而言，本溪組烴源巖排氣強(qiáng)度為1.5×108m3/km2時(shí)，臨界孔隙度下限為10.2%；當(dāng)排氣強(qiáng)度為6×108m3/km2，對(duì)應(yīng)的臨界孔隙度下限為4.0%。根據(jù)孔隙度與測(cè)試量關(guān)系圖（圖5）可見，臨界孔隙度與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，測(cè)試量較高的井的實(shí)測(cè)孔隙度均大于臨界孔隙度下限4.0%。

3.2 儲(chǔ)能系數(shù)對(duì)氣層富集的影響

3.2.1 基本原理

對(duì)于致密儲(chǔ)層而言，當(dāng)天然氣供氣量有限的情況下，天然氣不足以充滿儲(chǔ)層的全部孔隙空間，進(jìn)而在儲(chǔ)層厚度較大、孔隙度也較大的情況下，會(huì)表現(xiàn)出氣水同產(chǎn)的特征[17-18]。基于這一原理，筆者采用儲(chǔ)能系數(shù)概念，用式（8）計(jì)算。

式中Q表示儲(chǔ)能系數(shù)，m；H表示儲(chǔ)層砂體厚度，m；φc表示儲(chǔ)層孔隙度。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果

從本溪組測(cè)試井儲(chǔ)能系數(shù)的計(jì)算得知（圖7），當(dāng)儲(chǔ)能系數(shù)介于100～150時(shí)，天然氣測(cè)試日產(chǎn)量最高。由此可知，并不是儲(chǔ)能系數(shù)越高越有利于天然氣聚集，只有當(dāng)儲(chǔ)能系數(shù)處于適當(dāng)范圍內(nèi)，天然氣才能有效聚集，形成較高的含氣飽和度。

圖7 儲(chǔ)能系數(shù)與氣井無(wú)阻流量關(guān)系圖

對(duì)于本溪組致密砂巖氣來(lái)說(shuō)，煤層作為源巖，生烴能力和排烴條件在同區(qū)域內(nèi)變化不大，致密砂巖作為儲(chǔ)層，均為低孔低滲儲(chǔ)層。因此影響儲(chǔ)能系數(shù)的主要因素是儲(chǔ)層的砂體厚度。但是，當(dāng)儲(chǔ)層砂體厚度過(guò)大時(shí)，源巖生成的天然氣并不能完全充滿整套儲(chǔ)層，導(dǎo)致單位儲(chǔ)層的產(chǎn)能下降，出現(xiàn)氣水同出的特征。因此，儲(chǔ)能系數(shù)與無(wú)阻流量呈現(xiàn)先減小后增大的關(guān)系，在60左右為分界線，當(dāng)儲(chǔ)能系數(shù)超過(guò)60時(shí)，無(wú)阻流量增加明顯，低于60時(shí)，則表現(xiàn)為遞減趨勢(shì)；而當(dāng)儲(chǔ)能系數(shù)達(dá)到200以上時(shí)，無(wú)阻流量反而又降低了（圖7），分析認(rèn)為，儲(chǔ)能系數(shù)表征儲(chǔ)集空間能力，但影響產(chǎn)量的因素很多，如氣源的供給能力、天然氣的充滿程度等。

3.3 超壓發(fā)育對(duì)氣井產(chǎn)能的影響

剩余壓力反映了地層沉積演化過(guò)程，同時(shí)也能夠反映地層的保存能力。一般情況下，壓力越大的區(qū)域，地層保存能力越強(qiáng)[19]。筆者選擇了3條剖面，并利用聲波時(shí)差對(duì)剩余壓力進(jìn)行了模擬（剖面位置如圖1所示）。

從東西向展布的連井剖面蘇135井—陜295井—雙136井—米51井（圖8-a）可以看出，剖面位于本溪組發(fā)育區(qū)的中部，剖面地勢(shì)是向東部逐漸升高的。超壓在煤層中十分發(fā)育，在煤層及其下部的泥巖之間，形成兩側(cè)超壓，中間低壓的地質(zhì)特征，中間的儲(chǔ)層發(fā)育位置恰好是泄壓區(qū)，既有利于天然氣的富集也有利于保存，因此位于超壓帶之間的陜295井和雙136井砂巖儲(chǔ)層天然氣無(wú)阻流量超過(guò)50×104m3/d。

東西向展布的蘇271井—蘇215井—陜435井—陜340井連井剖面（圖8-b）位于本溪組分布范圍的南部，沉積相帶屬淺海砂壩相。陜435井和陜340井的產(chǎn)能并不高，測(cè)試結(jié)論為低產(chǎn)氣層，相比于蘇135井—陜295井—雙136井—米51井剖面，該剖面上剩余壓力要低得多。

圖8 鄂爾多斯盆地剩余壓力連井剖面圖

南北向展布的雙142井—陜295井—陜435井—陜336井連井剖面（圖8-c）中，陜435井—陜295井之間異常壓力十分發(fā)育，該區(qū)氣產(chǎn)量高。尤其是在陜295井附近，異常高壓可達(dá)到60 MPa，其產(chǎn)能最高，天然氣無(wú)阻流量高達(dá)80.45×104m3/d。

4 本溪組致密砂巖氣有利富集區(qū)

通過(guò)前述分析可知，鄂爾多斯盆地本溪組致密氣主控因素為源巖供氣能力（排烴強(qiáng)度與臨界孔隙度）、儲(chǔ)層儲(chǔ)集能力（儲(chǔ)層系數(shù)）和超壓發(fā)育3方面。因此，利用沉積相帶、排烴強(qiáng)度與孔隙度耦合關(guān)系、超壓分布作為主要地質(zhì)因素，采用疊合法[20]對(duì)本溪組致密氣有利富集區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。對(duì)于4個(gè)要素均具備的區(qū)域，確定為Ⅰ類有利區(qū)；具備3個(gè)要素者，作為Ⅱ類有利區(qū)；有2個(gè)要素者作為Ⅲ類有利區(qū)。結(jié)果表明，本溪組Ⅰ類有利區(qū)主要發(fā)育在淺海砂壩及海陸過(guò)渡帶；Ⅱ類有利區(qū)多以淺海砂壩為主，Ⅲ類有利區(qū)為三角洲平原相帶（圖9）。

圖9 鄂爾多斯盆地本溪組致密氣有利富集區(qū)帶預(yù)測(cè)圖

5 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地本溪組致密氣層平面主要分布在三角洲前緣分支河道相帶和潮坪砂壩相帶上，縱向上主要在埋深2 800 m附近。

2）鄂爾多斯盆地本溪組致密氣富集主要受充注門限、儲(chǔ)能系數(shù)和超壓發(fā)育3個(gè)因素控制。其中，充注門限控制了致密氣富集范圍，儲(chǔ)能系數(shù)控制了致密氣富集層位，超壓分布控制了致密氣產(chǎn)能。

3）鄂爾多斯盆地本溪組致密氣有利勘探范圍主要位于生氣強(qiáng)度大于3×108m3/km2的潮控三角洲與淺海過(guò)渡帶及淺海砂壩區(qū)。