齊 榮 何發(fā)岐 王付斌 賈會沖 王 巍
( 中國石化華北油氣分公司)
鄂爾多斯盆地上古生界沉積由南北兩大物源供給形成,以固原、慶陽、宜君一線為界,北部體系勘探開發(fā)取得舉世矚目的成就,已發(fā)現(xiàn)包括蘇里格、米脂、子洲、神木、大牛地、延安及東勝等多個(gè)大型致密砂巖氣田,是我國目前儲量規(guī)模最大、產(chǎn)量最高的致密氣產(chǎn)區(qū)。盆地南部上古生界一直是勘探家高度關(guān)注而謹(jǐn)慎的領(lǐng)域,前期區(qū)域研究成果認(rèn)為盆地南部上古生界煤層厚度薄、物源規(guī)模小,并且南緣構(gòu)造復(fù)雜,黃土塬覆蓋,埋深大,資料條件差,導(dǎo)致既往形成了盆地資源分布呈“南油北氣”之說,因此,中國石化華北油氣分公司“十三五”之前在盆地南部一直以石油勘探為主。
直至2017年在鄰區(qū)隴東地區(qū)古生界取得了較大的突破和發(fā)現(xiàn)后,華北油氣分公司在中國石油化工股份有限公司風(fēng)險(xiǎn)勘探機(jī)制支持下,加大南部古生界天然氣的勘探力度。2020年為查明盆地南部古隆起及周緣古生界地質(zhì)特征,在彬長區(qū)塊部署風(fēng)險(xiǎn)探井長探1井,一方面要弄清下古生界展布特征及巖溶儲層發(fā)育狀況,另一方面要評價(jià)盆地南部上古生界煤系烴源巖發(fā)育情況和儲層發(fā)育狀況及含氣性,為華北油氣分公司尋找鄂爾多斯盆地天然氣勘探新的戰(zhàn)略接替陣地。長探1井在寒武系張夏組鉆遇鮞?;?guī)r,發(fā)育巖溶縫洞,認(rèn)為下古生界具有巖溶儲層條件,但成藏規(guī)律及成藏模式需進(jìn)一步探索;同時(shí)該井在上古生界上石盒子組盒7段試獲工業(yè)氣流2.6×104m3/d,標(biāo)志著鄂爾多斯盆地南部上古生界碎屑巖領(lǐng)域勘探取得新層系突破。隨后彬長區(qū)塊的B2井在山西組也試獲工業(yè)氣流,為進(jìn)一步評價(jià)上古生界勘探潛力,擴(kuò)大勘探成果,相繼部署多口井,均在山西組—上石盒子組鉆遇良好氣層,證實(shí)盆地南緣上古生界含氣系統(tǒng)也具有良好的致密氣成藏條件及勘探前景。
已有研究對上古生界南部物源沉積體系類型、烴源巖生氣潛力、致密砂巖展布特征、儲層特征與有利儲層主控因素等有了基本認(rèn)識[1-14],但對鄂爾多斯盆地南部成藏模式進(jìn)行的探討較少。本文基于盆地南緣構(gòu)造復(fù)雜區(qū)最新勘探進(jìn)展及相關(guān)資料,系統(tǒng)梳理、分析盆地南緣構(gòu)造特征、上古生界烴源巖、沉積—儲層及輸導(dǎo)特征,建立上古生界天然氣成藏模式,總結(jié)天然氣富集主控因素,為盆地南緣致密氣勘探提供理論支撐,以期豐富和完善盆地南緣天然氣勘探成藏認(rèn)識。
鄂爾多斯盆地是華北板塊的一部分,晚古生代華北克拉通南北兩側(cè)受到擠壓作用隆升,盆地類型變?yōu)榇笮蛢?nèi)克拉通盆地[15]。沉積環(huán)境由海相、海陸過渡相向陸相沉積轉(zhuǎn)變,后期受印支運(yùn)動(dòng)—燕山運(yùn)動(dòng)的影響,盆地北部、東部抬升,南部相對變低,整體向西傾[16],控制了油氣成藏格局。
中國石化華北油氣分公司登記的彬長區(qū)塊位于陜西省彬縣、長武縣,向西與甘肅省正寧縣、寧縣相連,構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地西南緣伊陜斜坡、渭北隆起、天環(huán)坳陷構(gòu)造單元結(jié)合部位,構(gòu)造特征相對復(fù)雜[17](圖1)。從已有成果認(rèn)識看[18-19],彬長區(qū)塊構(gòu)造沉積演化與北秦嶺構(gòu)造帶及六盤山弧形構(gòu)造帶的演化發(fā)展較為密切。早古生代晚期,加里東運(yùn)動(dòng)使北秦嶺褶皺隆起拼接在華北克拉通南緣,物源區(qū)開始形成,這為盆地西南部晚古生代沉積和古水系的發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。海西運(yùn)動(dòng)過程中由于區(qū)域性的地殼拉張使早石炭世形成賀蘭—祁連海盆,晚石炭世形成祁連海與華北海。早二疊世晚期,華北克拉通南北緣海槽封閉,海盆發(fā)育結(jié)束,進(jìn)入陸相盆地演化階段。此時(shí),秦嶺造山帶進(jìn)入全面碰撞階段,擠壓構(gòu)造作用不斷加劇,北秦嶺構(gòu)造帶開始全面隆升,物源區(qū)不斷擴(kuò)大。到二疊紀(jì)晚期,海西晚期運(yùn)動(dòng)使得祁連—秦嶺形成統(tǒng)一的物源區(qū)。晚古生代北秦嶺地區(qū)為研究區(qū)的重要物源區(qū)。
圖1 鄂爾多斯盆地南緣彬長區(qū)塊位置及下石盒子組沉積相與頂面構(gòu)造疊合圖Fig.1 Regional location and superimposed map of sedimentary facies and top structure of Lower Shihezi Formation in the Binchang block in the southern margin of Ordos Basin Ct1井為長探1井
彬長區(qū)塊上古生界主要位于受西南物源控制的咸陽—銅川三角洲沉積范圍內(nèi)[19],缺失石炭系,自下而上主要發(fā)育下二疊統(tǒng)太原組(P1t)、山西組(P1s),中二疊統(tǒng)下石盒子組(P2x)、上石盒子組(P2s),上二疊統(tǒng)石千峰組(P3sh)。其中山西組又可分為兩段,自下而上分別為山1段和山2段,石盒子組又可分為8段,自下而上分別為盒1段—盒8段(圖2),目前含氣層位有盒7段、盒4段、盒5段、盒1段、山2段和山1段(圖3)。彬長區(qū)塊下古生界受中央古隆起和加里東末期構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)影響,遭受不同程度剝蝕,自西向東地層逐漸變新,長探1井張夏組與上古生界直接接觸,B1井三山子組與上古生界直接接觸,B2井奧陶系與上古生界直接接觸。
圖2 鄂爾多斯盆地南緣彬長區(qū)塊長探1井綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of Well Changtan 1 in the Binchang block
圖3 彬長區(qū)塊上古生界氣藏剖面(上)及地震反射特征(下)(剖面位置見圖1)Fig.3 Gas accumulation profile (up) and seismic reflection characteristics (low) of Upper Paleozoic in the Binchang block (profile location is in Fig.1)
鄂爾多斯地塊與祁連—秦嶺活動(dòng)造山帶之間的關(guān)系復(fù)雜,經(jīng)歷了多期次、不同性質(zhì)的構(gòu)造變形,使得鄂爾多斯盆地西南緣斷裂經(jīng)歷多期次疊加[20-21]。結(jié)合盆地演化背景和研究區(qū)地震解釋剖面反映的斷裂構(gòu)造特征,在該區(qū)共識別出5期斷裂。5期斷裂繼承性發(fā)育(圖4),加里東期斷裂在下部寒武系—奧陶系主要表現(xiàn)為高角度正斷裂,大多斷至奧陶系頂面。志留系—泥盆系在盆地普遍缺失,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響表現(xiàn)在奧陶系不整合面地貌形態(tài)上,斷裂對地層的破壞導(dǎo)致巖溶溝槽呈規(guī)律性展布,受該階段構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,鄂爾多斯盆地整體抬升,遭受近1.5億年的暴露剝蝕[22],此時(shí)形成的斷裂有利于大氣降水及地表水沿著斷層向下滲流,從而有利于奧陶系巖溶儲層的發(fā)育,后期山西組—太原組煤層生成的天然氣可沿加里東期—海西期斷裂向下運(yùn)移至奧陶系碳酸鹽巖中成藏。海西晚期的構(gòu)造擠壓使盆地下二疊統(tǒng)主要發(fā)育逆斷裂,大多斷穿奧陶系頂部至二疊系頂部,油氣向上運(yùn)移至上石盒子組致密砂巖中成藏。受印支運(yùn)動(dòng)影響,中—下三疊統(tǒng)發(fā)育走滑斷裂,產(chǎn)狀近直立,走向以北西—南東向?yàn)橹?,大多?shù)斷裂可斷至二疊系。受燕山早期運(yùn)動(dòng)影響,上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)發(fā)育走滑斷裂,產(chǎn)狀陡立,走向呈北東東向,這個(gè)時(shí)期是以南部物源體系內(nèi)煤系地層為烴源巖的含油氣系統(tǒng)的關(guān)鍵時(shí)期。從盒7段氣層的形成看,斷裂的發(fā)育構(gòu)成該區(qū)縱向成藏的運(yùn)移通道。受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)影響,白堊系—第四系發(fā)育正斷裂。
圖4 彬長區(qū)塊斷裂期次圖Fig.4 Faults of different tectonic movements in the Bingchang block
鄂爾多斯盆地古生界存在兩套現(xiàn)實(shí)的烴源巖[23]:一是石炭系—二疊系煤系地層,為濱海至內(nèi)陸沼澤沉積的暗色泥質(zhì)巖、煤層等,鄂爾多斯全盆地廣泛分布;二是上奧陶統(tǒng)斜坡—盆地相烏拉力克組/平?jīng)鼋M暗色泥頁巖,僅在鄂爾多斯盆地西南緣局部發(fā)育。對盆地南緣上古生界目的層而言,石炭系—二疊系煤系烴源巖是主力烴源巖[24-26]。
鉆井揭示,盆地南緣彬長區(qū)塊上古生界煤系地層發(fā)育煤巖、碳質(zhì)泥巖及暗色泥巖3類烴源巖,總體為“煤薄泥厚”特征。就煤巖而言,鄂爾多斯盆地上古生界煤巖整體呈現(xiàn)為北厚南薄,盆地南緣中國石化探區(qū)已有鉆井揭示,除東部富縣地區(qū)外,盆地南緣煤巖厚度多小于6m,其中彬長區(qū)塊上古生界煤巖也較薄,平面上具東厚西薄的展布特征;上古生界煤巖厚度雖薄但在南緣廣泛分布,且煤巖現(xiàn)今主體處于高成熟演化階段,生烴強(qiáng)度可達(dá)(6~8)×108m3/km2。此外,最新完鉆的長探1井與B2井在上古生界都獲得了高產(chǎn)工業(yè)氣流,證實(shí)上古生界高熱演化薄層煤系烴源巖具備優(yōu)越的供烴條件(圖5)。
圖5 彬長區(qū)塊上古生界煤巖厚度與生烴強(qiáng)度圖Fig.5 Isopach map and hydrocarbon generation intensity of Upper Paleozoic coal bed in the Binchang block
碳質(zhì)泥巖在鄂爾多斯盆地南緣富縣北部、彬長—旬宜區(qū)塊(厚度為10~60m)及隴東地區(qū)(厚度為10~30m)都有分布,目前富縣、彬長及隴東已實(shí)現(xiàn)勘探突破,說明盆地南緣上古生界碳質(zhì)泥巖是區(qū)內(nèi)另一類重要烴源巖,可作為煤巖的有效補(bǔ)充。由于彬長區(qū)塊尚未開展煤巖樣品的有機(jī)地球化學(xué)測試分析,參考鄂爾多斯盆地其他地區(qū)上古生界煤巖有機(jī)質(zhì)豐度測試成果發(fā)現(xiàn),煤巖有機(jī)質(zhì)豐度在不同地區(qū)、不同層位差異不甚明顯,均表現(xiàn)為高有機(jī)碳、氯仿瀝青“A”和總烴。有機(jī)碳含量為73.6%~83.2%,氯仿瀝青“A”為 0.61%~0.8%,總 烴 為 1757.1~2539.8μg/g,生烴潛量S1+S2為72.8~78.1mg/g(HC/TOC),烴轉(zhuǎn)化率為6.9%~7.7%(表1),顯示烴源巖品質(zhì)好;同時(shí),B2井甾烷、萜烷參數(shù)表明山西組烴源巖樣品均處于高成熟演化階段,具備優(yōu)越的供氣條件(圖6)。
表1 鄂爾多斯盆地上古生界煤巖有機(jī)質(zhì)豐度表Table 1 Organic abundance of the Upper Paleozoic coal beds in the Ordos Basin
圖6 彬長區(qū)塊B2井山1段烴源巖抽提物甾烷、萜烷交會圖Fig.6 Crossplot of steroids and terpanes extracted from Shan 1 member source rocks in Well B2 in the Binchang block
2.3.1 下石盒子組—上石盒子組沉積相類型及特征
下石盒子組沉積時(shí)期盆地物源區(qū)抬升強(qiáng)烈,尤其是盒1段沉積時(shí)期盆地呈現(xiàn)“滿盆砂”特征。盆地南部主體為辮狀河三角洲平原—三角洲前緣沉積[28],巖心可見多期分流河道砂體疊置發(fā)育,河道底部常見滯留沉積,巖性以砂礫巖、含礫粗砂巖為主,礫石多為石英礫,主要發(fā)育塊狀層理、板狀交錯(cuò)層理和平行層理,表明該時(shí)期水動(dòng)力較大且穩(wěn)定。自然伽馬曲線多為厚層疊置砂體所對應(yīng)的箱形或齒化箱形,底部突變,上部可見薄層指形曲線特征(圖2)。
上石盒子組沉積期,盆地內(nèi)南北地形差異逐漸減小,盆地南部主體為三角洲平原—三角洲前緣沉積[28],但砂體規(guī)模較下石盒子組沉積期有所減小,主要表現(xiàn)在砂體厚度減小、河道平面分布范圍減小。在巖心上可以看到盒7段砂巖以灰白色含礫粗砂巖、粗砂巖為主,分選較盒1段好,主要發(fā)育塊狀層理。自然伽馬曲線多為箱形或齒化箱形,底部突變。
2.3.2 下石盒子組—上石盒子組儲層特征與分布預(yù)測
優(yōu)質(zhì)儲層是下石盒子組—上石盒子組天然氣成藏的關(guān)鍵因素之一。上石盒子組盒7段砂體在彬長區(qū)塊較為發(fā)育,已鉆井均鉆遇盒7段砂體,最厚的砂體達(dá)到18m,最薄的砂體為3m。盒7段整體實(shí)測物性較好,孔隙度為2.3%~11%,滲透率為0.06~14.5mD。地震屬性與單井鉆遇砂體厚度交會圖分析認(rèn)為,最大波峰振幅與盒7段砂體厚度具有較好的正相關(guān)性(圖7);盒7段砂體厚度大時(shí),表現(xiàn)為強(qiáng)波峰振幅(長探1井盒7段砂體厚度為10m,B2井盒7段砂體厚度為11m;圖8),盒7段砂體厚度小時(shí),表現(xiàn)為弱波峰振幅(B1井盒7段砂體厚度為3m;圖8)。盒7段振幅屬性顯示,紅色、黃色和綠色為砂體發(fā)育區(qū)(圖9a),盒7段砂體整體上呈北東—南西向展布特征(圖9b),共發(fā)育4條河道,河道寬度為3~6km,主要發(fā)育在研究區(qū)的西部和中部,估算有利區(qū)面積為160km2,天然氣地質(zhì)資源量為285×108m3。
圖7 最大波峰振幅與砂體厚度交會圖Fig.7 Crossplot of maximum peak amplitude and sand thickness
圖8 已鉆井地震反射波組特征圖Fig.8 Seismic reflection wave features cross wells
圖9 最大波峰振幅屬性與砂體厚度等值線圖Fig.9 Attributes of maximum peak amplitude and sand body thickness contour map
盒4段砂體也較為發(fā)育,彬長區(qū)塊已鉆井均鉆遇,最厚的砂體達(dá)到17m,最薄的砂體為6.5m。最大波峰振幅與盒4段砂體厚度具有較好的正相關(guān)性(圖7、圖8)。盒4段砂體在彬長區(qū)塊整體上呈北東—南西向展布特征,共發(fā)育5條河道,河道寬度為2~7km(圖9c、d),估算有利區(qū)面積為150km2,天然氣地質(zhì)資源量為300×108m3。
盒1段砂體規(guī)模較盒7段和盒4段大,孔隙度為1.4%~7.6%,滲透率為0.08~1.1mD。由于山西組—太原組厚度較小,其煤層對盒1段砂體有效地震反射具有干擾影響。利用地震反射特征(中強(qiáng)波峰振幅)進(jìn)行屬性提取與儲層預(yù)測(圖8),其結(jié)果與已鉆井符合率為100%??傮w認(rèn)為,盒1段水下分流河道橫向擺動(dòng)頻繁,砂體廣泛分布(圖1),估算有利區(qū)面積為300km2,天然氣地質(zhì)資源量為660×108m3。
上古生界致密砂巖氣以二疊系太原組、山西組煤系地層為烴源巖,太原組、山西組及下石盒子組三角洲砂體和河道砂體為主力含氣層段[12,19],中二疊統(tǒng)上石盒子組與石千峰組發(fā)育干旱—半干旱氣候條件下的內(nèi)陸湖泊、洪泛平原厚層泥質(zhì)巖,在全盆地廣泛分布,是整個(gè)古生界含氣系統(tǒng)的大型區(qū)域封蓋層。就盆地南部地區(qū)而言,石千峰組作為區(qū)域性蓋層發(fā)育穩(wěn)定,鉆井揭示彬長區(qū)塊內(nèi)區(qū)域性蓋層厚度為200~300m,封蓋能力強(qiáng)。此外,盆地南部山西組、下石盒子組、上石盒子組內(nèi)發(fā)育的淺湖泥巖作為局部蓋層也可形成有效封堵條件。
就彬長區(qū)塊來講,區(qū)內(nèi)太原組—山西組高成熟煤系烴源巖生烴強(qiáng)度高,供烴充足(圖5);下石盒子組盒1段、上石盒子組盒4段與盒7段、山西組等多套三角洲平原—三角洲前緣相砂體垂向疊置形成優(yōu)質(zhì)儲集體;山西組和下石盒子組—上石盒子組的三角洲沉積體與下伏太原組—山西組煤系烴源巖層形成“下生上儲”的源儲配置。天然氣運(yùn)移主體以近源垂向輸導(dǎo)為主,斷裂為主要垂向輸導(dǎo)通道,具體包括兩種輸導(dǎo)類型:一是高角度穿層斷裂輸導(dǎo)控藏,代表實(shí)例為長探1井盒7段氣層。長探1井在盒7段鉆遇氣層6.8m,并試獲日產(chǎn)天然氣2.6×104m3,該井附近高角度穿層斷裂向上斷穿至上石盒子組盒4段—盒7段儲層,斷層有效溝通下部太原組—山西組煤系烴源巖與上部上石盒子組優(yōu)質(zhì)儲層,形成高效天然氣垂向輸導(dǎo)通道。二是層間/層內(nèi)裂縫輸導(dǎo)控藏[30],代表實(shí)例為B2井山2段及盒1段氣層。B2井在山2段試獲日產(chǎn)氣1.12×104m3,盒1段試獲日產(chǎn)氣0.58×104m3。三維地震資料顯示,向東B2井區(qū)附近高角度穿層斷裂不甚發(fā)育,下伏太原組—山西組煤系烴源巖生成的天然氣不能有效運(yùn)移至上石盒子組儲層,其成藏主要受控于層間/層內(nèi)裂縫分布,天然氣成藏層系集中于下石盒子組及山2段儲層內(nèi)(圖10)。從區(qū)域成藏史分析,早白堊世末為盆地南部主要天然氣聚集成藏時(shí)間[31-32],盆地南部天然氣成藏晚于海西期層間/層內(nèi)裂縫與印支期近直立走滑斷裂兩類輸導(dǎo)通道的形成,早白堊世末山西組—太原組煤系烴源巖達(dá)到最大埋深[30],天然氣達(dá)到生烴高峰并規(guī)模排出后,通過先存的層內(nèi)及穿層斷裂系統(tǒng)持續(xù)輸導(dǎo)油氣至山西組及下石盒子組—上石盒子組儲層中聚集成藏。
圖10 彬長區(qū)塊上古生界天然氣成藏模式(剖面位置見圖1)Fig.10 Gas accumulation pattern of Upper Paleozoic in the Binchang block (section location is in Fig.1)
基于長探1井及B2井等井上古生界下石盒子組—上石盒子組天然氣成藏條件分析,建立了以盆地南緣彬長區(qū)塊為代表的復(fù)雜過渡帶天然氣成藏模式,即“多層疊置、斷裂輸導(dǎo)、下生上儲、立體成藏”。優(yōu)質(zhì)儲層分布及高角度斷層兩個(gè)關(guān)鍵因素共同決定了盆地南緣上古生界勘探選區(qū)的下步方向和依據(jù),其中,對于上古生界山西組及下石盒子組目的層而言,下步勘探評價(jià)重點(diǎn)為沉積相帶展布及有利儲集體預(yù)測,而對于上古生界上石盒子組目的層,除以河道控藏模式進(jìn)一步落實(shí)資源潛力外,同時(shí)注重穿層斷層精細(xì)地震解釋,重點(diǎn)分析斷層控制下天然氣輸導(dǎo)、調(diào)整的動(dòng)態(tài)過程研究,最終落腳到優(yōu)質(zhì)儲集體與斷裂輸導(dǎo)控藏綜合評價(jià)及選區(qū)。
(1)鄂爾多斯盆地南緣具有天然氣富集的成藏地質(zhì)條件。主要烴源巖為上古生界太原組—山西組煤巖,碳質(zhì)泥巖也為重要補(bǔ)充,煤巖厚度不大但分布廣泛,在成熟—高成熟背景下表現(xiàn)為廣覆式持續(xù)生氣特征,具有優(yōu)越的供烴條件。上古生界山西組—上石盒子組發(fā)育大型三角洲,北東向展布,河道砂體疊置發(fā)育,為天然氣聚集成藏的有利儲集相帶。上石盒子組泥巖和石千峰組泥巖是盆地南緣有效區(qū)域封蓋層。盆地南部共經(jīng)歷5期構(gòu)造演化,發(fā)育5期斷裂,印支期近直立走滑斷裂與海西期層間/層內(nèi)裂縫為主要垂向輸導(dǎo)通道。
(2)盆地南部復(fù)雜構(gòu)造過渡帶天然氣成藏呈“多層疊置、斷裂輸導(dǎo)、下生上儲、立體成藏”模式。盆地南部彬長區(qū)塊盒1段—盒7段多套三角洲平原—三角洲前緣相砂體垂向疊置形成優(yōu)質(zhì)儲集體,在優(yōu)質(zhì)儲層分布控藏基礎(chǔ)上,印支期近直立走滑斷裂與海西期斷裂深部溝通至太原組—山西組煤系烴源巖,向上穿過多套上古生界目的層,控制天然氣垂向運(yùn)移輸導(dǎo),聚集則表現(xiàn)為多層疊置成藏特征。
(3)優(yōu)質(zhì)儲層分布及高角度斷層輸導(dǎo)兩個(gè)關(guān)鍵因素共同決定了盆地南緣天然氣富集及下步勘探選區(qū)方向。對于山西組及下石盒子組目的層而言,有利區(qū)帶預(yù)測主要依據(jù)為沉積相帶展布及有利儲集體預(yù)測;對于上石盒子組目的層而言,有利區(qū)帶預(yù)測主要依據(jù)優(yōu)質(zhì)儲層預(yù)測、高角度氣源斷層分布及兩者配置關(guān)系,盆地南緣上古生界致密砂巖氣是下一步重要且現(xiàn)實(shí)的勘探領(lǐng)域。