劉顯陽 魏柳斌,3,4 劉寶憲 張 雷 郭 瑋 張建伍 鄭 杰

1.中國石油長慶油田公司 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室

3.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·成都理工大學 4. 成都理工大學沉積地質(zhì)研究院

0 引言

鄂爾多斯盆地是發(fā)育于太古代—元古代結(jié)晶基底之上的多旋回的克拉通盆地，下古生界寒武系—奧陶系是該盆地碳酸鹽巖主要的發(fā)育層系[1-3]。自20世紀末期在該盆地中部發(fā)現(xiàn)靖邊氣田以來，該盆地中東部下古生界天然氣勘探持續(xù)取得突破，天然氣探明儲量不斷攀升，證實下古生界碳酸鹽巖沉積層系具有巨大的天然氣勘探潛力。

回顧鄂爾多斯盆地下古生界整個勘探歷程，最早發(fā)現(xiàn)的靖邊氣田主力氣層是盆地中部中奧陶統(tǒng)馬家溝組頂部的馬五1+2小層，儲層類型以風化殼溶孔型儲層為主，圈閉類型是地層圈閉的一種特殊類型——巖溶古地貌圈閉[4-8]。經(jīng)歷20世紀90年代的快速探明和高效開發(fā)，靖邊氣田提交了天然氣探明儲量近2 000×108m3；進入21世紀以來，圍繞靖邊氣田的地質(zhì)研究和勘探不斷深入，提出“含膏云坪相帶控制儲層發(fā)育，風化殼巖溶古地貌控制圈閉成藏”的地質(zhì)認識[9-10]，靖邊氣田東側(cè)和西側(cè)油氣勘探取得了較大的進展，天然氣探明儲量實現(xiàn)跨越式增長，接近翻番。隨后針對馬家溝組碳酸鹽巖—膏鹽巖體系開展了細分小層沉積相及巖相古地理編圖研究[11]，認為中央古隆起東側(cè)是有利的巖性圈閉成藏的大區(qū)帶，并在2010年實現(xiàn)了古隆起東側(cè)中下組合的天然氣勘探新突破[12-13]。目前，中國石油長慶油田公司在鄂爾多斯盆地下古生界累計探明天然氣儲量達8 700×108m3，已近形成萬億立方米大氣區(qū)。

鄂爾多斯盆地下古生界風化殼近30年的勘探及研究發(fā)現(xiàn)，下古生界的古風化殼界面附近是最有利于天然氣成藏的區(qū)域[14]。這主要得益于上古生界煤系烴源巖的直接供烴及其與風化殼儲層良好的源儲配置關(guān)系。鄂爾多斯盆地西南部的中央古隆起周邊寒武系依次向中央古隆起剝蝕裸露，并與上古生界煤系地層直接接觸，該盆地西南部的寒武系風化殼是否具有油氣勘探潛力也成為關(guān)注的焦點。為了進一步落實該盆地古隆起及其周邊地區(qū)寒武系風化殼天然氣的基本成藏條件、明確該地區(qū)天然氣勘探的潛力，筆者在研究烴源巖條件、儲層特征、圈閉類型等的基礎上，構(gòu)建了寒武系風化殼天然氣成藏模式，明確了天然氣成藏主控因素和有利勘探方向，以期指導該區(qū)寒武系天然氣勘探、拓展該盆地下古生界碳酸鹽巖氣藏的勘探領(lǐng)域。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

鄂爾多斯盆地中央古隆起是早古生代最為顯著的正向構(gòu)造單元，位于盆地中部偏西南部。大體呈“L”字形展布，一翼向北部的定邊—鄂托克前旗延伸，一翼向東部的正寧—黃陵一帶延伸[15-19]。盆地西南部的鎮(zhèn)原—慶陽地區(qū)是“L”字形古隆起由南向北、由西向東的過渡部位，也是中央古隆起的核部隆起幅度最高、加里東末期—海西早期地層剝蝕量最大、前石炭紀地層出露年代最老的地區(qū)，導致奧陶系缺失面積約10 000 km2，以至中心部位的寒武系大面積剝露缺失（圖1）。

中央古隆起的演化大體經(jīng)歷了兩個構(gòu)造旋回：①早奧陶世懷遠運動，古隆起首次隆升，隨著馬家溝組的持續(xù)海侵，轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇性暴露的水下古隆起；②晚奧陶世，鄂爾多斯多盆地由被動大陸邊緣向活動大陸邊緣轉(zhuǎn)換，受秦祁海槽的擠壓作用，古隆起再次大幅度隆升，經(jīng)歷了長期的風化剝蝕作用，直至二疊紀逐漸浸沒水下消失。

2 盆地西南部寒武系天然氣勘探新發(fā)現(xiàn)

鄂爾多斯盆地（以下簡稱盆地）西南部下古生界天然氣勘探由來已久。20世紀70年末—80年代初，盆地西南部華池—環(huán)縣部署了慶深1、慶深2兩口探井，鉆探揭示上古生界地層直接與馬家溝組三段接觸，雖然未發(fā)現(xiàn)明顯的含氣顯示，但是證實該區(qū)存在古隆起構(gòu)造，即“中央古隆起”[20-22]。該區(qū)上、下古生界之間存在不整合面，具備形成風化殼儲層的條件[23-25]。

1995年，盆地西南部寧縣地區(qū)部署實施了寧探1井，鉆探揭示上古生界與中寒武統(tǒng)張夏組直接接觸，張夏組巖性以鮞粒云巖為主，發(fā)育晶間（溶）孔型白云巖儲層，說明寒武系也發(fā)育白云巖儲集體[26-27]；2004年，部署的鎮(zhèn)探1井發(fā)現(xiàn)上古生界與薊縣系直接接觸，證實鎮(zhèn)原地區(qū)是中央古隆起的核部隆起幅度最高的地區(qū)，并基本明確了盆地西南部古隆起周邊地區(qū)前石炭系剝露缺失及分布范圍。綜合分析認為，盆地西南部中央古隆起周邊寒武系儲層與上古生界煤系烴源巖直接接觸，可作為寒武系白云巖儲集體成藏的有效氣源巖，初步認為盆地西南部寒武系地層剝蝕裸露區(qū)具備天然氣成藏的有利條件[28]。

進入21世紀，在盆地西南部上古生界致密砂巖氣藏的勘探中，繼續(xù)堅持兼探下古生界。2015年，圍繞盆地西南部寒武系風化殼勘探部署的隴18井鉆探中取得重大突破，在上寒武統(tǒng)三山子組鉆遇巖溶縫洞型白云巖儲層，氣顯示較好，測井解釋氣層厚度為10.8 m，測試獲得日產(chǎn)量為10.65×104m3的天然氣流。通過對盆地西南部古隆起周邊寒武系成藏地質(zhì)條件綜合研究發(fā)現(xiàn)，盡管盆地西南部寒武系風化殼儲層明顯有別于盆地中東部馬家溝組的風化殼儲層，但是它們具有相同的源儲匹配關(guān)系及成藏地質(zhì)條件，形成了盆地西南部寒武系風化殼存在地層—巖性圈閉成藏的新認識。近期鉆探的數(shù)十口探井相繼在三山子組、張夏組測試獲得天然氣流，盆地西南部寒武系風化殼勘探獲得突破，盆地下古生界風化殼的勘探層系由奧陶系向寒武系擴展，盆地西南部形成上、下古生界復合含氣新格局，更為重要的是發(fā)現(xiàn)了中央古隆起區(qū)下古生界風化殼氣藏勘探新區(qū)帶，有望成為新的千億立方米規(guī)模的天然氣儲量接替區(qū)。

3 盆地西南部寒武系天然氣成藏特征

3.1 上古生界煤系烴源巖是主要的氣源巖

3.1.1 上古生界煤系烴源巖與寒武系風化殼儲層源儲配置關(guān)系良好

加里東末期開始的構(gòu)造抬升使鄂爾多斯盆地遭受長達1.5億年的風化剝蝕，盆地西南部中央古隆起周緣抬升剝蝕最為強烈，古隆起主體區(qū)域殘留地層相對于盆地中東部的馬家溝組時代更老，主要出露寒武系；從古隆起周緣向核部依次出露上寒武統(tǒng)三山子組，中寒武統(tǒng)張夏組、徐莊組和毛莊組，其中張夏組主要以鮞粒云巖、灰質(zhì)云巖為主，三山子組發(fā)育泥粉晶云巖，是該區(qū)寒武系主要的儲層發(fā)育層段。隨著后期石炭紀—二疊紀早期的海侵，二疊系煤系地層直接披覆于寒武系風化殼儲層之上，寒武系風化殼儲層與上古生界煤系烴源巖直接接觸，形成“上生下儲”的源儲匹配關(guān)系，有利于天然氣近源充注，聚集成藏（圖2）。

圖2 鄂爾多斯盆地西南部寒武系氣藏源儲配置關(guān)系圖

3.1.2 煤系烴源巖大面積分布、廣覆式生烴是主要的氣源巖

晚石炭世盆地整體沉降后，鄂爾多斯盆地又開始接受沉積，但盆地西南部中央古隆起的隆起幅度較高，仍然為水上古隆起；隨著海侵范圍的逐漸擴大，太原期中央古隆起逐漸浸沒，并發(fā)育海陸過渡相及陸相煤系沉積層，使上古生界煤系地層與寒武系直接接觸；晚侏羅世—早白堊世，上古生界煤系烴源巖成熟并進入大量生氣階段后，向下伏的寒武系風化殼儲層提供充足的氣源。

對盆地西南部煤系烴源巖的分析結(jié)果表明，該區(qū)上古生界煤系烴源巖主要為煤層、碳質(zhì)泥巖及暗色泥巖等。煤層厚度介于2～6 m，總有機碳含量介于73.6%～83.2%；碳質(zhì)泥巖及暗色泥巖厚度介于30～60 m，總有機碳含量介于0.5%～2.7%，生烴強度介于8×108～24×108m3/km2。有機質(zhì)熱演化已達到過成熟階段，熱演化成熟度（Ro）介于2.0%～3.0%，氣源條件較為有利，具備向寒武系儲層大量供烴的基本條件。從目前已發(fā)現(xiàn)的寒武系風化殼氣藏分布來看，天然氣藏主要發(fā)育于上古生界煤系烴源巖生烴強度大于12×108m3/km2的地區(qū)。說明煤系烴源巖對該區(qū)寒武系天然氣成藏具有一定的控制作用。

3.1.3 天然氣碳同位素進一步證實具有過熟煤成氣特征

通過對盆地西南部寒武系風化殼、奧陶系風化殼及上古生界煤成氣的天然氣碳同位素對比研究發(fā)現(xiàn)，不論寒武系、奧陶系風化殼氣藏中的天然氣還是石炭系、二疊系的煤成氣的碳同位素均存在倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象 ：13δC1＞13δC2，甚至有的完全倒轉(zhuǎn) ：13δC1＞13δC2＞13δC3，反映了過成熟氣的特征[29]。這也與前文所述盆地西南部上古生界煤系烴源巖已進入過成熟度演化階段相符合。從天然氣甲烷碳同位素來看，寒武系、奧陶系風化殼氣藏的天然氣甲烷碳同位素與石炭系、二疊系致密砂巖氣中的煤成氣接近。其中，寒武系風化殼天然氣13δC1平均值為－32.34‰，奧陶系風化殼天然氣13δC1平均值為－31.33‰；石炭系—二疊系煤成氣13δC1平均值為－29.65‰。表明寒武系風化殼與奧陶系風化殼氣源一致，可能均來自石炭系—二疊系的煤系烴源巖。

3.2 儲集空間以晶間（溶）孔和巖溶縫洞為主

盆地西南部寒武系發(fā)育兩種儲層類型：①白云巖晶間（溶）孔型儲層，主要發(fā)育于張夏組的鮞粒灘相白云巖中，巖石薄片觀察可見鮞粒的幻影結(jié)構(gòu)。成巖作用較為強烈，鮞粒邊緣可見粗晶白云石膠結(jié)物，導致鮞粒云巖原始孔隙度大大減低，由原始的鮞粒粒間孔轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄喟自剖чg孔；后期經(jīng)歷風化殼期構(gòu)造抬升，遭受大氣淡水淋濾改造，局部溶蝕亦可形成晶間溶孔（圖3-a～c）。②風化殼型儲層，孔隙類型以巖溶縫洞為主，主要發(fā)育于三山子組白云巖中。巖心裂縫較為發(fā)育，見有高角度裂縫、水平裂縫、網(wǎng)狀裂縫等，局部裂縫交匯部位發(fā)育較大的溶蝕孔洞，直徑可達1～2 cm（圖3-d～f）。部分井鉆至三山子組發(fā)生鉆井液失返性漏失，進一步證實地層中縫洞較為發(fā)育，裂縫的發(fā)育能夠連通孤立的溶蝕孔洞，提高儲層的滲透性能。對盆地西南部三山子組、張夏組共288個樣品物性分析結(jié)果表明，儲層基質(zhì)孔隙度介于0.05%～6.76%，平均值為0.68%；滲透率介于0.004～41.400 mD，平均值為1.160 mD，屬低孔低滲儲層。

3.3 儲層發(fā)育類型受沉積微相及巖溶作用控制

3.3.1 沉積微相控制張夏組白云巖晶間（溶）孔型儲層

張夏期是寒武紀最大海侵期，具有緩坡型碳酸鹽巖臺地的特征，最為顯著的特點是發(fā)育以鮞粒為主的顆粒沉積。鮞粒類型多樣，有放射鮞、同心鮞等，雖然鮞粒大面積分布，但不同成因的鮞粒所代表的沉積環(huán)境卻迥異，同心鮞多以生屑或者方解石為核心，形成同心圓狀的圈層，多個鮞粒膠結(jié)可進一步轉(zhuǎn)變?yōu)閺王b（圖3-a、b），主要形成于古地貌較高，水循環(huán)較暢通、動力較強的臺內(nèi)鮞粒灘相沉積環(huán)境，且多發(fā)生了強烈的白云巖化作用，是晶間孔型白云巖儲層發(fā)育的有利沉積微相類型；放射鮞主要圍繞核心呈放射狀生長，多以鮞?；?guī)r為主（圖3-c），一般形成于灘間洼地等相對低能的沉積環(huán)境，未發(fā)生明顯的白云巖化跡象。通過盆地西南部張夏組巖相古地理編圖研究發(fā)現(xiàn)，盆地西南部張夏組沉積期主要為碳酸鹽巖臺地沉積，臺地內(nèi)部多以白云巖沉積為主。在盆地西南部寧縣、華池等地發(fā)育多個鮞粒灘體，總體呈北西—南東向展布。受古地貌控制，鮞粒灘與灰質(zhì)洼地相間分布，單個灘體面積介于600～1 200 km2，呈大面積毯式分布（圖4），經(jīng)成巖演化后形成晶間孔及晶間溶孔型白云巖儲層。

圖3 鄂爾多斯盆地西南部寒武系儲層特征照片

圖4 鄂爾多斯盆地西南部張夏組巖相古地理圖

3.3.2 巖溶作用控制巖溶縫洞型儲層

前文已述，盆地西南部前石炭系風化殼儲層至少經(jīng)歷了兩期巖溶作用：①早奧陶世懷遠運動構(gòu)造抬升，導致該區(qū)寒武系頂面發(fā)育巖溶不整合面；②加里東末期構(gòu)造抬升，導致下古生界與上古生界之間存在一個巨大的不整合面。由于加里東末期盆地西南部中央古隆起的強烈隆升，導致寒武系剝蝕裸露。該區(qū)寒武系經(jīng)歷了兩期巖溶作用的疊加改造，為巖溶儲層的發(fā)育奠定了良好的基礎。鉆井取心證實，風化殼頂部普遍發(fā)育巖溶角礫巖（圖3-f），巖溶作用影響深度介于10～50 m，但是寒武系風化殼儲層與盆地中東部馬家溝組的風化殼儲層存在明顯的差異性。盆地中東部馬家溝組發(fā)育碳酸鹽巖—膏鹽巖共生體系，海退旋回期發(fā)育橫向分布穩(wěn)定的含硬石膏結(jié)核白云巖坪微相沉積，硬石膏結(jié)核發(fā)生選擇性溶蝕，形成橫向分布穩(wěn)定的層控性的溶孔型白云巖儲層；中央古隆起寒武系雖然經(jīng)歷了長時間表生期巖溶作用，但巖性主要以泥、粉晶云巖為主，缺乏盆地中東部奧陶系膏鹽等易溶性礦物。因此、寒武系風化殼型儲層分布連片性差，總體發(fā)育程度也相對較低。

利用測井—地震相結(jié)合的手段，精細刻畫了盆地西南部前石炭紀巖溶古地貌圖（圖5）。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盆地西南部隴縣—鎮(zhèn)原地區(qū)為巖溶高地，古地貌平坦，巖溶作用相對較弱，以剝蝕風化為主，巖溶縫洞型儲層發(fā)育程度相對較低；東側(cè)的華池—正寧一帶處于巖溶斜坡帶，有利于巖溶作用的發(fā)生，巖溶水流動性較強，受巖溶水的長期侵蝕形成侵蝕溝谷與巖溶殘丘等次級古地貌單元，利于巖溶縫洞型儲層的發(fā)育，是寒武系風化殼儲層的有利發(fā)育區(qū)。

圖5 鄂爾多斯盆地西南部前石炭紀巖溶古地貌圖

3.4 燕山期構(gòu)造抬升形成了有效的地層—巖性圈閉

3.4.1 燕山期盆地東部抬升中央古隆起東側(cè)存在有效遮擋

燕山期盆地東部整體大幅度抬升，形成東高西低的單斜緩坡構(gòu)造，導致整個古生界整體轉(zhuǎn)變?yōu)橄驏|上傾的相對簡單的構(gòu)造樣式，也基本奠定了盆地現(xiàn)今構(gòu)造格局。盆地西南部中央古隆起東側(cè)地層也發(fā)生了這種“蹺蹺板”式構(gòu)造反轉(zhuǎn)，由早期的西高東低轉(zhuǎn)變?yōu)闁|高西低（圖6、7）。構(gòu)造反轉(zhuǎn)后對盆地西南部寒武系天然氣成藏產(chǎn)生了重要影響：①張夏組儲層主要發(fā)育臺內(nèi)鮞粒灘相帶，周圍巖性雖然也發(fā)育白云巖，但總體致密，上傾方向存在區(qū)域巖性相變，從而對古隆起周邊張夏組白云巖儲集體構(gòu)成了有效的巖性遮擋條件。②整個寒武系風化殼頂界面的巖溶古地貌凸凹不平，巖溶洼地沉積充填了上古生界煤系地層，寒武系風化殼儲集層上傾方向巖性突變，同樣存在有效的地層遮擋條件。③由于盆地東部抬升，使得上古生界煤系烴源巖層與寒武系儲層由原來的“上生下儲”關(guān)系變成一定程度的“側(cè)生側(cè)儲”或者“下生上儲”的接觸關(guān)系。從而使得中央古隆起東側(cè)寒武系剝蝕裸露區(qū)整體處于煤系烴源巖的上傾部位，形成了上古生界煤系烴源巖的有利供烴窗口區(qū)，利于煤系烴源巖生成的烴類氣體向中央古隆起東側(cè)寒武系白云巖儲集體充注成藏（圖7）。

圖6 鄂爾多斯盆地西南部前石炭紀巖溶模式圖

圖7 鄂爾多斯盆地西南部寒武系成藏模式圖

3.4.2 地層—巖性圈閉是盆地西南部寒武系的主要圈閉類型

綜合對盆地西南部寒武系風化殼源儲配置及圈閉條件的分析，再結(jié)合盆地西南部中央古隆起區(qū)周邊古生界古今構(gòu)造格局，認為地層—巖性圈閉是盆地西南部中央古隆起周邊寒武系天然氣成藏的主要圈閉類型。精細刻畫中央古隆起區(qū)前石炭紀巖溶古地貌及張夏組沉積微相是尋找地層—巖性圈閉的關(guān)鍵。結(jié)合盆地西南部寒武系階段勘探成果，構(gòu)建了盆地西南部中央古隆起周邊寒武系天然氣的成藏模式（圖7）：盆地西南部中央古隆起區(qū)寒武系天然氣成藏主要受控于沉積相變及巖溶古地貌，張夏組是寒武系的海侵高峰期，臺地內(nèi)部發(fā)育鮞粒灘相白云巖儲層；在經(jīng)歷了早奧陶世懷遠運動及加里東末期抬升剝蝕巖溶作用，寒武系頂部形成大面積分布的風化殼儲層；石炭紀—二疊紀沉積后，寒武系風化殼儲層與上古生界煤系烴源巖構(gòu)成良好的源儲配置；再經(jīng)歷了海西—印支期的連續(xù)埋藏，至晚侏羅世—早白堊世進入生烴高峰開始排烴；燕山期盆地東部整體抬升后形成東高西低的構(gòu)造格局，天然氣向上傾方面運移聚集成藏，最終形成地層—巖性圈閉氣藏。

4 天然氣勘探潛力

基于上述分析，鄂爾多斯盆地西南部中央古隆起周邊地區(qū)寒武系作為下古生界碳酸鹽巖天然氣勘探的新領(lǐng)域，具有以下有利的成藏地質(zhì)條件：①上古生界煤系烴源巖與寒武系風化殼儲層直接接觸，煤系烴源巖具有大面積分布、廣覆式生烴的特征，與寒武系風化殼儲層形成“上生下儲”的源儲匹配關(guān)系；②晶間（溶）孔型及巖溶縫洞是寒武系的主要儲集空間類型，儲層發(fā)育條件好；③上傾方面存在巖性相變及古地貌遮擋條件，可以形成較好的地層—巖性圈閉；④天然氣聚集主要與上傾方向煤系烴源巖的“供烴窗口”密切相關(guān)，主要分布于中央古隆起東側(cè)張夏組和三山子組，具有一定的含氣規(guī)模。截至目前，盆地西南部寒武系勘探已經(jīng)取得重要進展，區(qū)內(nèi)寒武系已有數(shù)十口井測試獲得天然氣流，展現(xiàn)了良好的勘探前景。綜合研究認為，盆地西南部中央古隆起東側(cè)環(huán)縣—正寧一帶處于有效的“供烴窗口區(qū)”，張夏組及三山子組地層剝露與上古生界煤系烴源巖形成良好的源儲匹配關(guān)系，有利于煤系烴源巖生成的天然氣直接向寒武系風化殼近距離運移聚集成藏，是寒武系風化殼氣藏勘探的有利區(qū)帶（圖8）。

圖8 盆地西南部寒武系風化殼勘探有利區(qū)預測圖

5 結(jié)論

1）盆地西南部中央古隆起周邊寒武系由新到老依次向古隆起核部剝蝕裸露，與上古生界煤系烴源巖形成上生下儲的源儲配置關(guān)系，煤系烴源巖具有廣覆式生烴、大面積分布的特點，是寒武系風化殼的主要氣源巖。

2）晶間（溶）孔及巖溶縫洞是寒武系風化殼氣藏的主要儲集空間。張夏組的臺內(nèi)鮞粒灘微相有利于晶間（溶）孔型白云巖儲層的發(fā)育；風化殼期巖溶作用控制了寒武系風化殼頂面縫洞型儲層的發(fā)育。

3）地層—巖性圈閉是寒武系風化殼的主要圈閉類型，燕山期盆地東部抬升導致古隆起東側(cè)環(huán)縣—正寧一帶位于有效的供烴窗口區(qū)，上傾方向存在區(qū)域地層—巖性遮擋條件，有利于寒武系風化殼氣藏圈閉和成藏，是有利勘探區(qū)帶。