王亞軍，高建平，趙軍輝

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

靖邊氣田是一個(gè)以下古生界奧陶系碳酸鹽巖氣藏為主，并疊合了上古生界二疊系砂巖氣藏的大氣田，是世界級(jí)的整裝大氣田。氣田位于鄂爾多斯盆地的中東部，也被稱為“中部大氣田”，以靖邊為中心，跨越陜蒙三地市，包括烏審旗、靖邊、橫山、志丹和安塞等縣，面積約為1萬 km2，是一個(gè)低豐度、低產(chǎn)的大型氣藏，馬五1+2為氣田的主力含氣層，埋深300～3 765 m，屬于中深 －深層氣藏［3］。

1989年6月，陜參1井的鉆探發(fā)現(xiàn)了高產(chǎn)氣流，之后榆3井的也發(fā)現(xiàn)了高產(chǎn)氣流，正式宣告了靖邊大氣田的發(fā)現(xiàn)，靖邊氣田的發(fā)現(xiàn)拉開了鄂爾多斯下古生界天然氣勘探的序幕。靖邊氣田的探明地質(zhì)儲(chǔ)量為 4 699.96億 m3，可采儲(chǔ)量為1 290.11億 m3，含氣面積達(dá)到了 4 314.12 km2，是國內(nèi)下古生界發(fā)現(xiàn)的最大氣田。截止目前，累計(jì)動(dòng)用探明儲(chǔ)量為2 912億 m3，鉆井共約450口，年生產(chǎn)能力為55億 m3，歷年采氣量約為 306 億 m3［4］。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地跨越陜、晉、甘、寧、蒙，三省兩區(qū)(圖 1)，是中國的第二大沉積盆地，面積約37萬 km2，構(gòu)造上屬于為華北古大陸的重要組成部分。古生代時(shí)，盆地為一個(gè)穩(wěn)定的克拉通盆地，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以升降為主，除了邊緣發(fā)育一些隆升和擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為，盆地的最大特征就是發(fā)育了一個(gè)巨大的西傾單斜構(gòu)造，傾角為1°～2°，即陜北斜坡。陜北斜坡的構(gòu)造較為穩(wěn)定，幾乎不發(fā)育大的區(qū)域的斷裂［5］。

靖邊氣田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡的中北部，總體為南北向延伸，研究區(qū)坡度降 3.9 km/km，無明顯的構(gòu)造圈閉存在，只有一些微構(gòu)造發(fā)育，一些小幅度的褶皺，北東向?yàn)橹?，北西向?yàn)檩o。對(duì)其分析后知:這是一系列的鼻褶，走向大多為北東向，雁列式排列，自北向南共18排，其中北區(qū)和中區(qū)幅度大，南區(qū)幅度較?。?，7］。

2 靖邊氣田特征

2.1 烴源巖特征

靖邊氣田發(fā)育了兩套烴源巖(圖2)，一套是下古生界奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖，厚度500～900 m，烴源巖厚406～649 m，平均厚度475 m，其殘余有機(jī)碳含量0.18% ～0.28%，所夾的云質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)含量更為豐富，一般為0.25% ～0.40%，個(gè)別高達(dá)0.71。氯仿瀝青“A”為 0.007% ～0.02%，平均烴含量為34.1～37.8ul/L，屬于較好的烴源巖。有機(jī)質(zhì)類型為腐泥型。Ro介于2.31% ～2.86%，處于過成熟干氣階段。盆地中部累計(jì)生烴強(qiáng)度達(dá)15億 ～25億 m3。［6］

另外一套烴源巖為石炭系－二疊系含煤碎屑巖及生物碎屑灰?guī)r，為海陸過渡相沉積。其中，煤層厚度10～20 m，暗色泥巖厚度100～210 m，生物碎屑灰?guī)r20～35 m，暗色泥巖有機(jī)碳含量1% ～5%，一般為2% ～4%，以 III型干酪根為主，灰?guī)r中的有機(jī)質(zhì)豐度為0.3% ～5%，平均1.42%，屬于好 －較好的烴源巖。煤和大部分的泥巖的干酪根屬于腐殖型，灰?guī)r和少部分泥巖為腐泥型 －腐殖型，Ro分布于 1.43% ～2.7%，表明有機(jī)質(zhì)演化處于高成熟濕氣－過成熟干氣階段。盆地中部地區(qū)至今累計(jì)生烴強(qiáng)度大24億 ～40億 m3，這充分說明了兩套烴源巖都具備豐富的氣源基礎(chǔ)［3，6］。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造圖及靖邊氣田位置圖和［2］南北過井剖面圖(據(jù) Li et al. 修改)

2.2 氣源特征

對(duì)于下古生界奧陶系風(fēng)化殼氣藏氣源問題一直存在爭議。前人［8－12］作了不少的研究，主要觀點(diǎn)有以下兩種:一種觀點(diǎn)認(rèn)為下古生界氣田的氣主要來自上古生界煤成氣，關(guān)德師等［13］靖邊氣田的天然氣主要為上古生界煤系源巖的產(chǎn)物，可能有少量奧陶系烴源巖裂解氣混入;張士亞［14］認(rèn)為奧陶系產(chǎn)層的天然氣主要來自上古生界;戴金星等［8］認(rèn)為靖邊氣田的烷烴氣的δ13C1與上古生界相似，且有機(jī)化學(xué)特征顯示其為煤型氣為主，油型氣為輔的天然氣，不是來自下古生界的。

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為下古生界氣源是以下古生界奧陶系和上古生界石炭系、二疊系混合氣源，如楊俊杰［5］提出奧陶系風(fēng)化殼氣藏氣是上古生界煤成氣和下古生界油型氣的混源氣;黃第藩等［10］、陳安定［15］根據(jù)乙烷碳同位素判源認(rèn)為鄂爾多斯盆地中部大氣田的主要?dú)庠磳酉凳窍聤W陶統(tǒng)，但東部有少部分來自石炭 －二疊系煤系源巖;Cai等［16］分析了天然氣的組分及同位素特征，結(jié)合硫酸鹽熱還原反應(yīng)的影響，認(rèn)為鄂爾多斯盆地下古生界風(fēng)化殼天然氣是來自石炭二疊煤系的煤成氣和來自奧陶系碳酸鹽巖的油型氣的混合。

圖2 靖邊氣田下古生界地層厚度及生儲(chǔ)蓋組合(據(jù)Liu et al.修改［1］)

2.3 沉積特征

眾多研究者［6，17，18］對(duì)鄂爾多斯奧陶紀(jì)馬家溝期巖相古地理的特征及其演化歷史做過大量的研究，馬家溝組為一套淺水碳酸鹽沉積體系，從馬一期至馬六期，是奧陶紀(jì)的統(tǒng)一的鄂爾多斯陸解體并變小的時(shí)期，是海域?yàn)橹?、陸地為輔的海進(jìn)的時(shí)期。馬家溝期鄂爾多斯海域碳酸鹽潮坪沉積發(fā)育，形成了馬家溝組的“三云三灰”組成結(jié)構(gòu)，即馬一段，馬三段，馬五段為白云巖、石膏和石鹽為主的蒸發(fā)巖，馬二段，馬四段，馬六段以灰?guī)r為主夾白云巖，局部夾石膏和石鹽有廣泛的石膏、硬石膏沉積。這一時(shí)期可以劃分為三個(gè)次級(jí)海侵海退旋回，即馬一期和馬二期旋回，馬三期和馬四期旋回，馬五期和馬六期旋回。奧陶系馬家溝組馬五段的沉積環(huán)境是一個(gè)海水咸化，水體很淺，經(jīng)常暴露的低能沉積環(huán)境，即蒸發(fā)潮坪環(huán)境。

2.4 儲(chǔ)層特征

靖邊氣田的儲(chǔ)層屬于古風(fēng)化殼儲(chǔ)層，主要有次生孔隙和裂縫，儲(chǔ)集類型以裂縫－溶蝕孔洞型為主，是以成層分布的溶蝕孔洞和晶間溶孔為主要儲(chǔ)集空間，伴有雞籠狀微細(xì)裂縫及零星構(gòu)造縫為滲濾通道的復(fù)合型儲(chǔ)集網(wǎng)絡(luò)。儲(chǔ)層壓汞曲線具有較寬緩的平臺(tái)段圖，排驅(qū)壓力較低，進(jìn)汞飽和度60%～90%，較粗歪度，雙峰型。平均喉道寬度 0.9～2.08μm。此類儲(chǔ)層物性較好，孔隙度3% ～8%，滲透率一般為0.5～1510－3μm2。分布廣泛，約占風(fēng)化殼儲(chǔ)層的2/3。

馬家溝組碳酸鹽巖儲(chǔ)集層屬風(fēng)化殼巖溶類型［19］，其中:含硬石膏結(jié)核溶?？追劬О自茙r，主要分布于盆地中東部的馬五1

2層、馬五13層，主要儲(chǔ)集空間為石膏結(jié)核溶膜孔、溶縫和裂縫。巖心分析面孔率為3% ～10%(最高30%)，測井解釋基質(zhì)孔隙度一般為2% ～8%，孔徑為0.01～0.1 mm，屬裂縫－孔隙型或孔洞型。靖邊氣田的有利儲(chǔ)集層主要分布在馬四段和馬五段，主要產(chǎn)層是馬五12層和馬五13 層［17，19，20］。

2.5 蓋層特征

奧陶系古風(fēng)化殼氣藏的直接蓋層是石炭系本溪組的鋁土質(zhì)泥巖、鋁土巖及暗色泥巖，厚 10～40 m，滲透率 1.45×10－7～8.3 ×10－9μm2，突破壓力大于 5 MPa，按蓋層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)屬好的封蓋層，構(gòu)成下古生界天然氣儲(chǔ)集層上覆的區(qū)域性致密封蓋頂板。因此它是奧陶系古風(fēng)化殼氣藏良好的直接蓋層。再者，盆地現(xiàn)今中東部的復(fù)式向斜東翼早古生代曾為內(nèi)陸架拗陷之膏鹽湖沉積中心，同時(shí)又是加里東期末差異風(fēng)化溶蝕時(shí)期的古巖溶洼地，大量膏鹽及其由此促成的強(qiáng)烈膠結(jié)作用使這里的巖石更加致密，至少在復(fù)式向斜東翼榆林－綏德－延長以東呈近南北向一帶已漸變?yōu)橹旅軒r層一邊側(cè)封堵。它與上述區(qū)域石炭系致密封蓋頂板聯(lián)合作用，構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立而完整的下古生界天然氣封存系統(tǒng)［3］。

上古生界發(fā)育多套封蓋層，其中上石盒子組泥巖是上下古生界多套生儲(chǔ)蓋組合的區(qū)域性封蓋層。該組湖相泥巖在盆地廣泛分布，單層厚度5～20 m，累計(jì)厚度100～140 m，具有自西向東厚度增大封蓋能力增強(qiáng)的特點(diǎn)，滲透率一般為1.0 ×10－7～1.0 ×10－9μm2，突破壓力 1.5 ～6.0 MPa，宏觀封蓋指數(shù)達(dá)50～70，屬于中等～較好，局部為好～極好蓋層。該組泥巖普遍存在高壓異常，具有兩種封閉作用，故有更強(qiáng)的封閉效果，它復(fù)蓋了全盆地的古生界儲(chǔ)層，成為盆地古生界含氣系統(tǒng)的大型區(qū)域蓋層［3］。

2.6 運(yùn)移特征

本區(qū)奧陶系天然氣開始運(yùn)移時(shí)間在上石炭世，上古生界天然氣在晚三疊世開始運(yùn)移。以早白堊世末期燕山運(yùn)動(dòng)后幕為界，運(yùn)移期大體上可分為兩個(gè)階段［20，21］。

第一階段的主要運(yùn)移期從侏羅紀(jì)早期至早白堊世末期。此時(shí)期內(nèi)麒參1井為高勢區(qū)，天然氣勢大于26×104m2/S2，其西側(cè)的陜參1井和林1井為低勢區(qū)，只有15～17×104m2/S2，東側(cè)的洲2井為18～19×104m2/S2。東部榆9井為低勢區(qū)，天然氣勢為17×104m2/S2，其西側(cè)鋪1和鋪2井為相對(duì)高勢區(qū)，其值為17～18×104m2/S2。天然氣由高勢區(qū)向鄰近低勢區(qū)運(yùn)移，因此，陜參1井、林1井、洲2井和榆9井為天然氣運(yùn)移指向。

晚白堊世燕山運(yùn)動(dòng)后幕和第三紀(jì)喜山運(yùn)動(dòng)使本區(qū)整體抬升，各井區(qū)地層遭受不同程度剝蝕，陜參1和林1井地區(qū)白堊系以上地層被剝蝕，麒參1等五井區(qū)缺失侏羅系及其以上地層。由于地層抬升剝蝕，造成地層壓力減小，因而各井區(qū)天然氣勢隨之降低，其相對(duì)高低也起變化，從而引起天然氣運(yùn)移指向的變化，進(jìn)入第二階段運(yùn)移期。目前陜參1和林1井上古生界和奧陶系處于高勢區(qū)，其值大于15×104m2/S2，奧陶系馬家溝組風(fēng)化殼(O1m51－4)為低勢區(qū)，其值小于 13×104m2/S2。麒參1等五口井處于低勢區(qū)(13～15×104m2/S2)。

圖3 侏羅紀(jì)末奧陶系儲(chǔ)層氣勢剖面圖

2.7 圈閉特征

由于奧陶系頂部經(jīng)歷了風(fēng)化剝蝕和古巖溶作用，形成了大型的古潛臺(tái)、古潛溝和古潛坑。在長約300 km的橫山－靖邊－杏河古潛臺(tái)東側(cè)，分布著大體等間距的北東和南東方向的古潛溝。在溝槽中缺失主力產(chǎn)層馬五1亞段，馬五2、馬五3亞段也不同程度地受到侵蝕。古溝槽內(nèi)被石炭系鋁土質(zhì)泥巖和暗色泥巖充填，構(gòu)成了“上傾方向”的地層遮檔。奧陶系頂部白云巖在成巖作用過程中，孔隙的充填作用是導(dǎo)致致密帶形成的決定因素。在氣田東側(cè)，因位于古巖溶洼地，先期形成的溶蝕孔洞縫常被方解石、石膏等沉淀礦物充填堵塞，使孔洞儲(chǔ)集層物性變差，構(gòu)成了東部區(qū)域性大型巖性致密遮擋帶(圖3)。如氣田東部的魚1－陜171－陜114井一線存在一個(gè)馬五1～2亞段巖性致密帶。白云巖孔隙度多為1.0% ～1.5% ，滲透率小于 0.1 × 10－3μm2。溶孔不發(fā)育，且已被方解石、泥質(zhì)全充填。這一區(qū)域性的巖性圈閉對(duì)馬五1 氣藏的形成具有重大作用［5，22］(圖 4)。

圖4 靖邊氣田古地貌－巖性復(fù)合圈閉

這種大型的古地貌－巖性復(fù)合圈閉(圖4)，位于西傾大單斜的上傾方向，呈南北向展布，長約200 km。它的形成是聚集大量天然氣的重要條件，是大氣田形成的關(guān)鍵因素之一。

3 結(jié)語

鄂爾多斯盆地中部的靖邊氣田發(fā)育了下古生界、上古生界兩套烴源巖，但是氣源是以哪一套烴源巖為主還存在爭議。馬家溝期為為早古生代一次重要的海進(jìn)期，沉積了厚層的碳酸鹽巖，氣田的有利儲(chǔ)集層主要分布在分布穩(wěn)定的馬四段和馬五段，主要產(chǎn)層是馬五1

2層和馬五13層。靖邊氣田的奧陶系古風(fēng)化殼氣藏的直接蓋層是石炭系本溪組的鋁土質(zhì)泥巖、鋁土巖及暗色泥巖，其上還發(fā)育了多套上古生界蓋層。靖邊氣田的天然氣發(fā)生了兩次運(yùn)移，最終聚集在在奧陶系的古巖溶地貌和巖性組合的圈閉中，現(xiàn)今靖邊氣田可見2種成藏模式:一種為上古生界天然氣穿層運(yùn)移至奧陶系頂風(fēng)化殼聚集模式，另一種為下古生界天然氣自生自儲(chǔ)型。

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