鄂尔多斯盆地古生代苏里格气田致密气的特征和成因

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鄂尔多斯盆地古生代苏里格气田致密气的特征和成因

摘要苏里格气田是鄂尔多斯盆地上古生界内发现的大型岩性气藏。本文在该地区地质构造的基础上，查询并总结前人对苏里格古生代致密气的研究，归纳了古生代该地区气田致密气的特征和形成机理并作出科学评论。主要得出以下结论。苏里格地区致密砂岩气的成藏特征为：1）垂直和横向的甜点重叠，形成广泛分布的有效储层；2）致密砂岩广泛含气，甜点富含自然气；3）在甜点和致密砂岩之间没有密封界面，形成开放的气藏。通过对苏里格气田非达西流，生、储、盖匹配条件的分析，以及对苏里格气田的生、排烃特征、运、储体系特征、自然气运聚特征及圈闭条件等成藏地质特征进行了综合分析研究，认为广覆式烃源岩生烃、低孔渗河流相储集砂体储气、源储压力差较小等因素综合作用造就了现今的苏里格大气田。

岩性致密，非均质性强，落实作用、胶结作用、交代作用、骨架颗粒的溶蚀作用，是形成低孔、低渗储层的主要原因[4]，盆地苏里格气田上古生界气藏含气面积大、资源总量大，但是丰度低、物性差，开发难度较大。其储层砂体多以透镜状、河道条带状或叠置形态不稳定发育，不同部位的物性具有差异性，加之烃源岩的分布、生排烃强度等在全区并不一致，导致气藏的含气特征十分繁杂[7]。产层为二叠系石盒子组盒8段和XX组山1段，气层压力为27～32MPa，气层埋深在3200～3410m，压力系数一般在0.83～0.89。对苏6井区进行的试采和开发前期评价初步结果说明，气层厚度较薄，平均气层厚度为8～20m；气层连续性差，单个含气砂体规模小，一般长为1000～2500m，宽为100～250m；单井产能变化较大，产量为(30～1)×104m3/d，在试气和试采过程中，地层压力下降快，后期压力恢复慢，这严重制约了该区致密气的规模开发[8]。1.5地质环境

鄂尔多斯盆地位于中国中部的黄土高原和荒漠草原地带，位于秦岭以北，阴山之麓，总面积约6为25×104平方公里。盆地内沉积岩厚度为5000-18000m，区域坡度为3-5m/km，盆地为大宽型西倾单斜构造，盆地构造大体形态显示为一东翼宽缓、西翼陡窄的不对称大向斜的南北向矩形盆地，盆地边缘摺皱发育，内部地层平缓，倾角一般不超过1°，这一稳定单斜构造为油气的聚集和保存提供了稳定条件。盆地内主要的产气层位上古生界二叠系发育的太原组、XX组、石盒子组及石千峰组，均有良好的工业气流[19]。

鄂尔多斯盆地内发育油、气、煤等大型矿产资源，是中国西北部地区重点勘探和开发的主要地区，该盆地是古生代华北地台西端剩余的克拉通盆地[9]，根据具体位置、现今构造形态和盆地构造演化史，可分为5个演化阶段，即前寒武纪拗拉原，早古生代古海，晚元古代沿海平原，中生代内陆盆地和新生代周缘断陷（图2）。

盆地上古生界为石炭系本溪组，太原组，上二叠系XX组，太原组，上石盒子组，二叠系组和石千峰组的过渡性和陆相相沉积。本溪组，太原组和XX组含煤地层为主要烃源岩，XX的河流三角洲砂岩和上石河子和石千峰组厚的湖相泥岩为区域盖层。苏里格，榆林，大牛地等大型气田已在鄂尔多斯盆地北部上古生界发现。其中，苏里格气田是中国目前发现的最典型致密砂岩气层，其东南地区含气层位为下石盒子组的盒８段和XX组山１、山２段，主力产气层位为盒８段，是目前中国最大的气田[9]。

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图2鄂尔多斯盆地的构造发展图（据LiuGuangdi，2023修改）

2苏里格气田致密砂岩气的特征和成因

2.1成藏基本条件2.1.1气源岩

苏里格气田属上古生界含气系统，致密气主要来源于本溪-XX组的广覆型煤系烃源岩，来源较为单一。煤层累计厚度一般10~20m，最厚达25m，有机碳含量70.8%~83.2%，氯仿沥青“A〞0.61%~0.8%，总烃1757.1~2539.8ppm；暗色泥岩一般厚度100~150m，有机碳含量2.25%~3.33%，氯仿沥青“A〞0.037~0.12，总烃163.76~361.6ppm，具有III型干酪根特征。已有研究说明，在生气高峰时苏里格气田及其附近的烃源岩生气强度分布于18×108~40×108m3/km2之间（如图3），具备形成大中型气田的烃源岩条件[9]。2.1.2储集层

苏里格气田主力储层为下石盒子组底部的盒8砂体和XX组上部的山1砂体。盒8段低位体系域的下切河道充填砂体，该砂体厚度大，一般为10~50m；砂层多期叠置，砂体宽度为10~20km，南北可延伸200km以上。山1低位体系域的三角洲平原分流河道砂体相对较窄，一般宽度为3~5km，砂岩厚度为5~15m。从储层微观特征看，盒8山1段储层主要为中粗粒、含砾粗粒石英砂岩，储集空间以各种类型次生溶孔为主。2.1.3盖层

上石盒子组发育一套分布稳定的河漫湖相泥质岩，厚100m以上，构成上古

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气藏的区域盖层。此外，气藏上覆泥岩及上倾方向致密泥岩提供了气藏良好的直接盖层及侧向封堵条件。对盖层评价说明，上古生界泥质岩类在埋藏深度超过1900m时，其渗透率为0.01×10-3?m2，饱和水突破压力达到10MPa，即形成较强的封盖能力。从盆地分析中可知，盆地内不同地区的上石盒子组埋深在早中侏罗世已达到2000m，因此侏罗纪，即形成了良好的盖层[9]。

丰富的烃源岩、区域上近南北展布的带状砂岩体、广厚的区域盖层加之侧向(上倾方向)的分流间湾、支间凹地、河漫相泥岩以及致密砂岩的遮挡，在空间上构成了理想的生、储、盖组合，也是构成苏里格气田大型岩性圈闭(气藏)体系的根本地质条件[9]。

图3上古生界烃源岩生气强度图(据刘圣志，2023修改)

2.1.4沉积构造特征

鄂尔多斯地区属华北板块西部构造的次级构造单元，受北侧兴蒙海槽、南缘秦祁海槽、西缘贺兰拗拉槽及东缘濒太平洋构造带俯冲、消减的影响，先后经历了晚古生代-早中生代地台盖层稳定沉积和印支后地台活化两个发展阶段，形成了一个多期构造应力叠加、多沉积体系、周缘活动、内部相对稳定、地层结构完整、接触整合、变形幅度小的复合克拉通盆地。苏里格气田上古生界气藏类型主要属于地层圈闭型、岩性圈闭型，形成于克拉通背景下，后期又经历了差异性隆升改造[19]。研究区地处内蒙古自治区伊克昭盟境内，区域构造上属于伊陕斜坡西北部，西起内蒙古自治区鄂托克前旗，东到陕西省靖边县，北起内蒙古自治区鄂托克旗，南至陕西省吴旗县。该区北部地表为草原、沙丘，南部为黄土塬地貌。2.2致密砂岩气成藏的基本特征

鄂尔多斯盆地上古生界自然气主要来自石炭系本溪组和下二叠统XX组煤

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层，主要储集在二叠系XX组和下石盒子组致密砂岩中，其中河流—三角洲砂岩发育在XX组的其次个构造和下石盒子组的第八个构造是主要的储集层，上部的石盒子组泥岩是主要的盖层岩石。烃源岩和储集岩直接接触的面积很大。这种源和储层组合模式寻常会产生含气致密砂岩。甜点具有较高的含气饱和度和较高的产量，但广泛分布的致密砂岩气饱和度低，自然气产量低，这是鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气成藏特征[9]。2.2.1上古生界自然气成藏特征

鄂尔多斯盆地上古生界从下向上划分为上石炭统本溪组、下二叠统太原组和XX组、中二叠统下石盒子组和上石盒子组及上二叠统石千峰组。烃源岩发育在本溪组、太原组和XX组，工业气层在各组地层中都有分布，但以下石盒子组和XX组为主含气层系，其自然气探明储量占上古生界的95%以上[20]。

1）致密砂岩油藏开发出甜点

根据目前我国碎屑岩储层的分类，孔隙度低于10％，渗透率低于0.1×10-3?m2

的储层属于低孔低渗储层。渗透率低于0.1×10-3?m2的储层属于最低渗透率储层。鄂尔多斯盆地北部上古生界气藏的孔隙度和渗透率统计说明，该气藏是一个典型的低孔低渗储集层，由于其孔隙度介于2％和10％之间，最大值为18％，渗透率在0.01×10-3?m2?0.5×10-3?m2之间。对于主产气储层，即最正确采场，孔隙度一般大于6％，渗透率一般在1×10-3?m2以上，这意味着在低孔隙度和低渗透率背景下局部发育甜点。因此，鄂尔多斯盆地北部气藏的第一个特征是储集层为致密砂岩，孔隙度低，渗透率低，但孔隙度较高，渗透率较高[9]。

2）垂直和横向的甜点重叠，形成广泛分布的有效储层

鄂尔多斯盆地苏里格气田主要储集层为河流—三角洲沉积。单个河道砂体的分布范围有限，并且其透镜形状分布的连续性差。单层砂层的总厚度为2-5m（图4）。剖面中显示的是在单个通道中形成的单个甜点。在苏里格气田的单个沙床中，甜点分散在致密砂岩中。

在重叠每个单层的甜点之后，发现最初分开的甜点变得重叠并连通。在每个单层的平面重叠之后，甜点的面积比从每个单层的15％-35％增加到整个床的96％。由于河流的迁移，不同时期的甜点可以垂直重叠，也可以形成一个大面积分布且连通的有效储层。

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图4鄂尔多斯盆地苏里格气田苏6砂体横截面图（引自LiuGuangdi，2023）

3）致密砂岩广泛含气，甜点富含自然气

自然气田含气饱和度统计说明，上古生界广泛分布的致密砂岩均为含气砂岩，甜点具有较高的含气饱和度。

利用测井资料，对苏里格气田116口井致密砂岩和甜点的孔隙度，渗透率和含气饱和度进行了解释和统计分析。结果说明，甜点的含气饱和度高于致密砂岩，盒8段中最正确点的气体饱和度较高，主要介于60％?70％之间，平均为59％，致密砂岩的含气饱和度较低，主要在40％?50％之间，平均为46％；山1段储层中甜点的平均气体饱和度为63％，致密砂岩的平均气体饱和度为46％。

4）在甜点和致密砂岩之间没有密封界面，形成开放的气藏

沉积相分析说明，苏里格气田上古生界储层发育主要受沉积微相控制。甜点主要为粗砂岩，沉积于辫状河流的河道坝中，致密砂岩主要为细砂岩，沉积于辫状河道中，甜点呈透镜状分开，分布在广泛致密的砂岩中，甜点和周缘致密砂岩具有沉积过渡关系（图5）。

图5上古生界苏里格气田甜点和致密砂岩的沉积模式图（据XiaoWei，2023修改）

鄂尔多斯盆地压力系统的计算结果也说明[9]，甜点与致密砂岩之间没有明显的密封界面。鄂尔多斯盆地上古生界地层压力测试结果说明，异常压力地层最大负压为11.4MPa，等于气体密度为0.835kg/m3时气柱高度为1363m。在地层倾角4°处，这个气柱高度等于沿地层倾角19.5km的最大气体，这与上古生界三角洲

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封盖的微观参数如突破压力一般可达17MPa，渗透率一般小于10-8?m2，形成较强的封盖能力，这个阶段称为晚成藏期；之后至今苏里格地区构造运动表现平稳而使得气藏较完整的保存下来。

此外从地球化学指标看，苏里格气田自然气轻烃分布特点是环烷烃含量高，占绝对优势，轻烃化合物碳同位素组成很相像，且较重，均表现为煤系来源的特征，并且这些气体在甲烷、乙烷碳同位素组成上十分相像，很难区别其差异性，说明该区自然气在成熟度和来源上表现为单一特征。另外，在其它指标相像的状况下，在轻芳烃含量上却表现出明显区别，位于气田南部的苏1井轻芳烃相对含量较高，苯/正已烷值为21.1，甲苯/正庚烷值为22.6，但位于气田中部的苏6井和苏40—16井轻芳烃相对含量逐渐降低、苯/正已烷值分布在3.2~11.7之间，甲苯/正庚烷分布在8.3~2.8之间[1]。分析认为苏里格庙地区储层的吸附作用及水的作用均有可能使苏里格庙气藏自然气轻芳烃含量从南至北呈规律性的变化，这两种作用均证明自然气具有从南向北运移的特征：自然气在由南向北的运移过程中，由于储层的吸附作用，自然气轻芳烃含量低；或者可能的另外一种解释为，在自然气由南向北的运移过程中，自然气由南向北运移发生气排水作用使自然气轻芳烃含量降低。2.4苏里格气田成藏模式

晚三叠世为快速成藏期，这一时期烃源岩刚进入生烃门限，主要生成含烃的CO2气体。侏罗纪缓慢埋藏期，由于地温梯度较高，烃源岩进一步埋藏升温，达到成熟阶段，C—P煤和暗色泥岩生成极少量的液态烃和少量的自然气，未进入生气高峰。这一时期，是煤生成大量有机酸的时期，早期发育的构造裂缝沟通地下流体系统使凝灰质填隙物溶蚀成次生孔隙；早白垩世快速埋藏期,烃源岩迅速达到高过成熟阶段，开始大量生气，这一时期为苏里格自然气的主要成藏期；晚白垩世以后，有大量的方解石脉充填，使得地下岩石的连通性变差，形成低孔渗自然气藏。总的来说，苏里格气田自然气藏具有溶蚀孔隙成藏为主，晚期成藏特点，为下生上储源顶成藏组合模式（图8）。

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图8鄂尔多斯盆地苏里格气田成藏模式图(引自刘圣志，2023)

3总结

鄂尔多斯盆地上古生界自然气成藏以“广覆式〞生气为特色，三角洲分流河道中粗粒石英砂岩是高效储层的主要岩石类型，圈闭以大型岩性圈闭为主。下古生界自然气成藏具有上下古混源气来源，白云岩是主要储集岩类型，圈闭以古地貌—岩性复合圈闭为主，以及以下特征：1）鄂尔多斯盆地上古生界苏里格气田为广泛含气致密储集层背景中的甜点地区开放气藏，上古生界以低孔低渗为主，发育较高孔隙度和高渗透性甜点，紧凑的储层是含气的，甜点含有丰富的气体，甜点和致密砂岩相连，它们之间没有密封界面，甜点砂体垂直和侧向重叠，形成广泛分布的储层组，事实上，由单个甜点砂体形成的储集层是一个开放的气藏；2）由于鄂尔多斯盆地上古生界苏里格地区烃源岩和储集层之间的微弱侵蚀和广泛的直接接触，源—储层超压差驱动的非达西滚动充注和源—储集气驱动驱动的扩散流充注差异在自然气的聚集中起着重要作用，气源岩向储集层的扩散是致密砂岩储集层自然气成藏的重要机制。总之，鄂尔多斯盆地具有上下古生界复合含气的特征，储层以低孔低渗为特征，稳定的构造背景有利于自然气的形成和保存，地层岩性气藏依旧是盆地重点勘探对象，盆地勘探潜力较大[20]。

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通过对苏里格气田非达西流，生、储、盖匹配条件的分析，以及对苏里格气田的生、排烃特征，运、储体系特征，自然气运聚特征及圈闭条件等成藏地质特征进行了综合分析研究，认为广覆式烃源岩生烃、低孔渗河流相储集砂体储气、源储压力差较小等因素综合作用造就了现今的苏里格大气田。

综合前人研究成果[1~20]，对鄂尔多斯盆地古生界苏里格气田致密气成藏特征和形成机理进行了系统研究和总结。

致密砂岩气在致密气资源中占有重要地位，也将成为未来致密气勘探开发的重要目标。这些气藏十分紧凑，十分不均匀，气藏饱和度变化很大。致密气聚集机制，甜点分布及其它诸多方面仍不明白，这在很大程度上限制了致密砂岩气勘探开发。通过对国、内外致密砂岩气的研究调研发现：国、内外的研究人员已经强调了他们对致密砂岩气体积聚的密封机制的研究。他们提出了水动力封闭性，相对渗透性，缺乏浮力和地层成岩封闭性理论。致密砂岩气藏充注，运移和聚集机制的研究主要集中在深盆气，活塞推挤运移和动力积累但鄂尔多斯盆地北部上古生界致密砂岩气藏主要孔隙度低，渗透率大，源区—储集层重叠接触面积大，其成藏机理和条件与深部盆地致密气明显不同，因此，对鄂尔多斯盆地古生界苏里格气田致密砂岩气充注机理和富集作用的研究，对于这类气藏的勘探开发具有重要的理论和实际意义。

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4附件

课后作业

一、致密砂岩气的涵义和地质特征

1、致密砂岩气的涵义：不同的人对致密砂岩气的研究有不同的认识，Holditch（2023）认为致密砂岩气（又称致密气）是指低渗透—特低渗透砂岩储层中无自然产能，需通过大规模压裂或特别采气工艺技术才能产出具有经济价值的致密气，该定义同样适用于煤层气、页岩气、致密碳酸盐岩储层气。根据国家标准GB／T30501－2023《致密砂岩气地质评价方法》和前人的研究成果，定义采用储层孔隙度低于12％，覆压基质渗透率≤0.1×10-3μｍ２的砂岩气层作为致密砂岩气。邹才能认为，致密砂岩气是指覆压基质渗透率≤0.1×10-3μｍ的砂岩气层，单

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井一般无自然产能，或自然产能低于工业气流下限，但在一定经济条件和技术措施下，可以获得致密气产量。

2、致密砂岩气的地质特征：致密砂岩气往往是盖层、圈闭界限或者气藏边界不明确，大面积连续含气，主要的地质特征有：1）烃源岩多样，有进入正常热演化程度的含煤岩系列和湖相、海相烃源岩，主要为煤系气源岩；2）油气分布不受构造带控制，斜坡带、坳陷区均可以成为有利区，分布范围广，局部富集；3）储集层多为低孔渗—特低孔渗—致密砂岩储层，非均质性强，含水饱和度较高，储层大规模分布；4）以自生自储为主，源储紧凑接触；5）油气运移以一次运移或短距离二次运移为主，油气聚集主要靠扩散方式，浮力作用受限，油气渗流以非达西流为主，也可以依靠连通下部烃源层的断裂及其裂缝，作为烃类垂向运移的主要途径；6）油气具有多充注聚集的特点；7）流体分异差，无统一流体界面与压力系统，饱和度差异大，油、气、水易共存；8）资源丰度较低，平面上能形成油气区，但一般无自然产量或产量极低，需采用适合的技术措施才能形成工业产量，稳定时间较长。

二、“后成型〞和“先成型〞致密砂岩气藏成藏模式及分布规律的对比

致密砂岩气藏可划分为两种类型：即“先成型〞深盆气藏和“后成型〞致密气藏，两种类型的划分有利于从宏观整体的角度对已发现的致密气藏进行重新审视，以透露其相互联系和分布规律，有利于从新的角度来研究和预计致密砂岩气藏，指导致密气勘探工作。下面对两种类型的气藏成藏模式和类型的异同进行对比：

1、“后成型〞和“先成型〞致密砂岩气藏成藏模式对比：

通过对2类致密砂岩气藏成藏特征、成藏条件、成藏机理的详细总结，对它们的成藏模式进行了分类（如表1和表2）。

表1“后成型〞和“先成型〞致密砂岩气藏成