鄂尔多斯盆地上古生界气藏特征与成因

【摘要】地层水分布与矿化度特征、煤层Ro测试资料证明，晚侏罗-早白垩世鄂尔多斯盆地自南而北发生过构造热事件，最高温度可达160℃-280℃，不仅导致了甲烷的生成，还导致了地层水的汽化和异常高压的形成。异常高压促使地层产生裂缝，岩石产生微裂隙，储集层（砂岩）与盖层（泥岩）之间的分割性被破坏，甲烷和蒸汽水在高温高压作用下一起运移和成藏，并扩散温度和压力，导致大型封存箱内流体势能逐渐统一，高压岩性气藏逐渐转化为特高压深盆气藏。晚白垩～古新世盆地区域性抬升剥蚀导致煤系埋藏变浅，地温梯度降低，高温高压深盆气藏中的液态水在释放能量的过程中逐渐气化，形成只有气（汽）态流体的深盆气藏。当压力降至30Mpa以下、温度降至120℃以下时，气藏中的水蒸气开始液化，气体比重下降，形成负压深盆气藏。

【关键词】鄂尔多斯盆地 上古生界 地层水相态 地层水矿化度 封存箱 压力异常 深盆气

鄂尔多斯盆地上古生界在近六万平方公里的伊陕斜坡上钻井只见气而很少钻遇地层水，现有苏里格、神木、榆林等气田的气层温度低、压力系数低，均无边低水。巨量的地层水哪里去了？难道都被天然气排驱到盆地边缘地区了吗？这是无法认同和无法想像的事情，毕竟地层中的含水量远比有机质要丰富的多。本文依据气水分布倒置、立体含气、区域性流体压力负异常和区域性地层水矿化度低等特征，认为该盆地具有形成特大气藏的特殊地质背景，经历了特殊的成藏过程。

1 气藏特征

1.1 天然气分布特征

图1为鄂尔多斯盆地陕北斜坡上古生界煤层Ro等值线与气、水分布示意图，图中黄-红色为现今含气领域（Ro=1.4%～3.0%），它们占据了构造下倾方向的绝大部分，流体压力表现为负压（黄色，压力系数0.95～0.85）和超负压（橘黄色，压力系数0.85～0.76）；浅黄色为气-水过渡带（Ro=1.4%～1.2%，压力系数0.95～1.0），这里的井气、水同出；浅蓝色为含水区（Ro

含气区域内上石盒子组厚层泥岩之下的石炭-二叠系剖面钻井只见气而不见水，各种岩性都是含气的，既包括孔隙性砂岩的层状含气，也包括泥页岩、灰岩的裂隙含气，以及煤层颗粒的吸附气和裂隙气，只不过不同岩性因空隙率不等含气密度不同罢了。由各种岩性组成的立体式含气共同体依靠发育的网状裂隙沟通，实现生产井孔隙型砂岩体的产气和围岩的补充气。含气范围内气藏没有边界，储盖层不分，不见边底水，广义上可称作深盆气藏，局部可看作为“甜点”气藏或致密气藏。

图1中紫红色为构造变动区，包括米脂和镇川堡气田，因发育较多直立断层和低幅度构造，发育与构造有关的构造-岩性气藏，气层分布不连续， 具有压力系数紊乱（0.95-1.2）、地层水矿化度高（>50000mg/L）等特征，与榆林气田及其以西各大型气田有区图1 鄂尔多斯盆地北部上古生界煤系演化程度（Ro）与地层水矿化度等值线图

1.2 地层水分布特征[1]

图1大型气田位于构造下倾方向，钻井只见气而不见水层的事实说明，这里的地层水因经历异常高温而汽化了，汽化形成的蒸汽水与煤系有机质生成的甲烷一起参与了成藏过程，它们无孔不入地渗透到岩石的各类空隙中，集中储集的层状水变成了相态各异的分散水。

图2为苏里格气田盒八段气―水相渗透率曲线，可看出气田地层水有三种存在形式：

（1）束缚水饱和度高，18块样品的束缚水饱和度分布在18.6-39.8%之间，平均为32.1%。

（2）烃气饱和度相对较低，其分布区间仅为8.2-24.5%，平均18%，个别为35%，气、水两相相渗曲线交点处的含水饱和度达65.0%，远远超过常规的50%，说明气体中含有一定比例的水蒸气。

（3）残余气饱和度下水相相对渗透率低，平均值为0.09，说明水相连通性差，气体中含有游离型水珠。

“次生水”可从地层中重新获得盐离子，或因形成时间不同，或因运移距离不等，矿化度可在3000-760mg/L之间变动。图1中自北而南“次生水”矿化度逐步降低，可解释为北部抬升剥蚀时间早、幅度大，“次生水”矿化度偏高；而往南，气层埋深至今仍在3300m以下，“次生水”形成时间晚且运移距离短，矿化度低。

上述事实证明，上古生界封存箱内曾经历过一段异常高古地温过程，不仅导致有机质大量生气，还导致了地层水的汽化，二者一起参与了气藏的形成，并在漫长的地温升降过程中发生过地层水相态、能量（压力）和气藏储存环境的复杂变化，最终导致气藏特有的地质特点。

2 古地温与古压力求取2.1 利用Ro求取古地温

Hood等[3] （1975）研究了有机质标尺（Lom）、最高古地温（Tmax）和有效受热时间的关系，并制作了相应图版（图3、4），依次可求取地史中最高古地温。

首先从实测纵向剖面中选出煤层最高Ro，作为剖面所在区Ro最大代表值。将此代表值代入图3，求出相应的Lom（有机质标尺）。晚侏罗―早白垩世为构造热事件持续期，煤层有效受热时间（Tt）约为40Ma。

将上述Lom值与受热时间（Tt）代入图版4，即可求出该Ro剖面历史最高温度。如Ro=1.5%时，最高古地温为180℃；Ro=2.0%时，最高古地温为200℃；Ro=2.5%时，最高古地温为240℃。

2.2 古高压存在证据及压力求取

（1）微裂隙不仅借助仪器在岩石薄片中看到，在气测、电测录井曲线的“跳跃”现象中感悟到，岩心观察时甚至可看到泥浆污染的裂隙面、解理面、岩性界面和小型剥蚀面。如陕99井、苏16井岩心观察，裂隙长达4～5.9m，缝壁平直如劈，显微镜下常见毫米级的斜交微裂隙。

（2）将前述求出的最高古地温和古埋深代入盆地模拟公式，即可求出晚侏罗―早白垩世生排气高峰期的古压力（86～103Mpa）和压力系数（2.0～2.4）。

3 气藏的形成与演化

自晚侏罗世上古生界煤系开始大量生气，至晚白垩世负压深盆气形成，在约100万年的地质年代里，上古生界经过了由常温（J2，100-120℃）―高温（J3+K1，160-280℃）―常温（现今，95-110℃）的历程。地层温度的演变历史不仅导致煤层Ro高达2.0%-3.0%的深度变质和大量生气，还导致地层水的相态变化[4]、流体压力的升降、流体能量的积累和扩散，以及流体储集环境的改变，从而影响天然气富集成藏和气藏特征的相应改变，大致经历了四个阶段：

3.1 高压岩性气藏形成阶段

这一阶段发生在侏罗纪晚期（J3），煤系埋深在4000m左右。自南而北的地幔上隆导致鄂尔多斯盆地区域性升温，地温梯度逐渐由3.12℃/100m上升至4.15℃/100m（上古生界地层温度140℃-180℃），流体压力系数逐渐由1.0Mpa/100m上升至1.5Mpa/100m（上古生界地层压力40-60 Mpa）。

煤层Ro逐渐由1.2%升高至1.6%，煤系有机质大量生气，部分地层水汽化，甲烷与水蒸汽互溶并一起向上部地层运移，并一起排驱岩性圈闭中的液态水，形成水蒸汽含量较高且具底水的岩性气藏，岩性圈闭内气（汽）在上，水在下，不同气藏间温度、压力不等，势场不统一。

3.2 高压深盆气形成阶段

这一阶段发生在白垩纪早期（K1），煤系埋深在4300-4500m之间。地幔上隆导致地温梯度逐渐由4.15℃/100m上升至5.5℃/100m，流体压力系数逐渐由1.5Mpa/100m上升至2.4Mpa/100m，上古生界煤系相应的地层温度和压力分别是160-280℃与60-103Mpa。

地温升高导致煤层Ro逐渐由1.5%升高至2.0%-3.0%，继续大量生气。但受致密储层孔隙容积（压力）限制，地层水汽化终止。不可压缩的孔隙水不断将热能转化为活化能，对孔隙壁、裂隙面产生极大压强。如同不断被加热的高压釜，流体动能逐渐积聚，极具穿透力。随着液态水压力、能量的不断积累，并超过了岩石的破裂强度时，岩层与岩石的薄弱环节将依次产生裂隙。与大型水力压裂的人工造缝一样，遍布封存箱内的液态水、水蒸气、甲烷在其强大的突破压力作用下，或使常态下不易沟通的细小吼道沟通，或使脆性岩石碎裂（如煤层、炭质页岩等），或使砂岩矿物接触面产生微裂隙，或使不同岩石接触面、层理面、解理面、小型侵蚀面、微断裂面等薄弱环节扩张。

裂隙的形成改善了岩石的储集性能，促进了流体的运移，集中分布的层状水被分散储集到各类空隙中，并起着支撑裂隙的作用。高压流体在封存箱范围内扩散和运移，并传递温度、压力和成分，使之逐渐统一。在漫长的地质年代里，气（汽）化不断进行，温压不断传递，裂缝不断扩展，大型封存箱逐渐被气（汽）饱和，相互隔离的“岩性气藏”逐渐演化为温度、压力、流体成分和势场统一的“整装气藏”，高温高压深盆气藏就此形成。

3.3 深盆气降温降压-地层水汽化阶段

晚白垩世（K2），鄂尔多斯盆地发生了强度最大的一期构造事件，该事件以不均匀抬升剥蚀为主，剥蚀量自西向东逐渐增大。晋西挠褶带抬升幅度大、剥蚀速度快（剥蚀厚度达1400 m以上）；天环坳陷剥蚀厚度小（剥蚀厚度小于800 m）[5]。抬升剥蚀导致大型封存箱温度、压力降低，液态水随压力降低沸点相应降低，发生 “蒸发”汽化现象。在漫长的温度、压力下降过程中，液态水不断汽化，体系中水蒸气比例逐渐升高，直至封存箱内空隙全部为甲烷和水蒸气饱和，只见气（汽）而不见水的深盆气自此形成。3.4 负压深盆气形成阶段

抬升剥蚀继续进行，地层温度由120℃降至目前温度90-110℃（苏里格区），地层压力由 35Mpa降至目前压力22.5～31.5 Mpa。

在温度降至120℃以下、压力降至30Mpa以下后，温、压继续降低导致部分蒸汽水液化成为束缚水，空隙内甲烷比例升高，密度降低，流体压力相应下降，高温高压气藏逐渐向低温负压气藏转化。

流体中甲烷含量的高低，取决于煤层的成熟度（Ro）。随Ro增大，甲烷生成量增大，空隙中甲烷比例高，天然气比重低，这即是含气领域内普遍负压和随成熟度增高，压力系数越来越低的地质成因，也是纵向上距煤层越近，流体压力系数越来越偏离静水压力曲线的原因。

4 结语

与常规沉积盆地天然气成藏不同的是，鄂尔多斯盆地上古生界地层水在异常高温作用下汽化并参与了天然气的成藏。在近于封闭的大型封存箱内，流体压力的逐渐积累促其产生极大的破坏性，能使脆性岩石破碎，砂岩产生沟通残余空隙的网状缝，节理面、小型剥蚀面扩张，不同岩性接触面产生缝隙，水蒸气与甲烷一起进入其间。在漫长的地质年代里，上述过程逐步进行，范围逐步扩展，温度、压力、流体成分逐步均一，分散孤立的岩性气藏逐渐统一，大型整装气藏逐步形成。

鄂尔多斯盆地是一个难得的深盆气实例。难在其既走完了从常温常压到高温高压的一历程，又完成了从高温高压到低温负压的转化；难在其既具有厚度较大、广覆沉积的煤系，又经历了鲜见的高温炙烤；既具有性质极好的大型流体封存箱，又具有稳定的构造、致密岩性的配合。各项条件相辅相成，完美地塑造了我国第一个大型深盆气田。

参考文献

[1] 王运所，许化政，王传刚，鄂尔多斯盆地上古生界地层水分布与矿化度特征，石油学报，2010，31（5）：748-761

[2] 袁政文，许化政，王伯顺，等.1996.阿尔伯达深盆气研究.北京：石油工业出版社.

[3] Hood D，Cutjaher C C.M，Heacock R.L，Orgenic metamorphism and the genaration of petroleum .Bull AAPG，1975，59：986-996

[4] 周新科，许化政，高温高压环境中地层水的相态变化与深盆气形成机理，石油勘探与开发，2012， 39（4）：452-457

[5] 陈瑞银，罗晓容，陈占坤，等.鄂尔多斯盆地中生代地层剥蚀量估算及其地质意义[J].地质学报， 2006，80（5）：685-693