鄂尔多斯盆地塔巴庙地区断层对上古生界天然气富集成藏的控制

李潍莲，刘 震，张宏光，纪文明，雷 婷

（1．中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249；

2．中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

0 引 言

传统认为鄂尔多斯盆地内部断裂不发育，但近年来有很多研究者发现盆地内部断裂存在的大量证据。在重、磁、电等地球物理资料中，可清晰地发现鄂尔多斯盆地内部发育规模巨大的基底断裂，基底断裂中、新生代“隐性”活动对古生界天然气和中生界石油的富集成藏甚至地表元素地球化学场的分布特征都有明显的控制作用［1－11］。基底断裂及后期构造活动衍生的一系列剪切变形所产生的储集层物性断裂对油气的控制不容忽视［12］。野外地质调查和钻井岩芯观察中，发现盆地中部古生界、中生界地层均发育大量的高角度雁行状、“X”共轭状节理及局部断裂，岩芯可见许多清晰的断层擦痕和阶步［1，12－16］。但是，鄂 尔 多 斯 盆 地 内 部 沉 积 盖 层 中 的断层断距小，在常规二维地震剖面上难以识别，因此往往难以刻画断层的分布。

航磁与地热异常等资料反映鄂尔多斯盆地塔巴庙附近存在北东向基底断裂带，其北端伊金霍洛旗附近存在近东西向基底断裂［1］；岩芯中受构造应力作用产生的高角度破裂缝较发育［15－18］。但前人并未在该区域进行断层的识别，断层对天然气成藏和分布的控制也尚未研究。笔者利用塔巴庙地区2 000km2高精度三维地震资料，进行断层的精细解释及山西组、太原组煤系地层均方根振幅地震属性的提取，分析断层的分布、成因及形成期，结合塔巴庙地区地质特征和油气勘探成果，对断层在天然气输导、富集成藏中的重要作用进行了探讨，建立了塔巴庙气田天然气成藏模式。

1 研究区概况

塔巴庙地区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北东部，北邻伊盟北部隆起，东邻晋西挠曲带（图1）。区域构造为一平缓的西倾单斜，地层倾角小于1°，局部构造不发育，上古生界主要发育岩性气藏。上古生界自石炭系太原组向上到二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组—石千峰组为一个完整的成藏组合。气源岩主要为太原组、山西组的煤及暗色泥岩；主要储集层为下石盒子组辫状河砂体、山西组三角洲平原分流河道砂体、太原组局限海岸环境的障壁砂坝，储层总体具备低孔、低渗的特征；区域盖层为上石盒子组—石千峰组河漫湖相泥质岩，泥岩厚度200～300m。

图1 鄂尔多斯盆地塔巴庙地区位置Fig．1 Location of Tabamiao Area in Ordos Basin

2 断裂特征及成因

2．1 断层剖面反射特征

从高精度三维地震剖面可观察到同相轴的扭曲现象，太原组、山西组煤层产生的地震强反射同相轴T9b、T9c反射层扭曲更明显，断点较清晰，多为高角度的小断距逆断层，断距为20～60m（10～30ms），以断开奥陶系风化壳和太原组、山西组煤层等地震反射层波组为主，上覆反射层亦可见明显断点，多断穿侏罗系延安组地层（图2、3）。其中，T9f、T9d、T9c、T9b为反射层编号。

图2 Crossline700测线地震解释剖面Fig．2 Seismic Interpretation Section of Crossline700

图3 Crossline950测线地震解释剖面Fig．3 Seismic Interpretation Section of Crossline950

2．2 断层地震属性特征

在塔巴庙地区叠后时间偏移纯波数据的山西组、太原组煤系地层均方根振幅地震属性平面图上，可观察到煤层发育的强反射区内存在清晰的、极细的线状弱反射带，西南区域主要呈北东—南西向，北部呈近东西向（图4），这些线状异常无法用沉积现象解释，推测这些异常与断裂有关。

2．3 断层平面分布特征

在塔巴庙地区三维地震剖面分析解释的基础上，仔细追踪各剖面的断层，对比各个断裂带的断距、形态等特征，结合区域应力背景，进行了断点平面组合。塔巴庙地区西南区域主要发育4条北东向断层，并伴有几条次级断层，而在北部和东北部区域则发育3条近东西向断层（图5）。其中F1～F5这5条断层与煤系地层均方根振幅地震属性平面图所显示的线状异常吻合性较好（图4）。有的断层未显示明显的地震属性异常，主要是因为在煤层发生变化以及反射变弱、变杂乱的区域，断层的弱反射被混淆，地震属性特征变得模糊。

2．4 断层成因及形成期

塔巴庙地区的断层主要是基底断裂在燕山运动中、晚期重新活动造成上覆沉积盖层撕裂形成的。鄂尔多斯盆地早古生代—中三叠世为克拉通拗陷盆地，晚三叠世—白垩纪为扭动型的大型内陆拗陷盆地，新生代为扭张型周缘断陷盆地［19］。燕山期构造应力活跃，区域应力场作用在鄂尔多斯刚性地块上，除地块周缘构造变形强烈外，地块内部构造运动整体性强（以旋转与扭动作用为主）、构造活动分异小（基底和盖层构造变形微弱）。在旋转与扭动作用过程中，刚性强度不同的块体之间产生扭裂和走滑，使基底断裂重新活动，但并没有造成规模较大的断层落差以及盖层显著变形，有人称之为“隐性”活动［1－2］。从而在盆地内部造成了上古生界沿着风化壳和太原组、山西组煤系地层的滑动缩短，导致断开T9b、T9c、T9d反射层的几组逆冲断裂和局部构造变形。喜马拉雅运动期间，盆地周缘受挤压和拉张，对盆地内部构造有一定改造作用，并使断裂构造最终定型［20］。鄂尔多斯盆地在晚侏罗世—早白垩世出现的异常高地温亦与北东向基底断裂活动密切相关［1］。

图4 T9c反射层均方根振幅地震属性及断层分布Fig．4 Root Mean Square Amplitude Seismic Attributes and Fault Distribution of Reflecting Layer T9c

3 断层对天然气富集成藏的控制

在大面积“低孔、低渗、低丰度、低产”的背景下，寻找高产层系及富集区是鄂尔多斯盆地上古生界天然气勘探亟待解决的关键问题。塔巴庙地区二叠系下石盒子组盒1段砂体厚度最大，横向分布稳定，且与下伏源岩紧密接触，含气显示普遍，在勘探前期一直被视为重点层位，但一直未取得好的勘探成果；盒1段上部的盒2段与盒3段砂体厚度最小、分布最不稳定，曾被视为最差的气层，却取得了天然气勘探的重大突破，成为该区的主力气藏，目前已提交探明储量为586．00×108m3。统计表明，塔巴庙地区88．24%的高产层分布于下石盒子组盒2＋3段，其次为山西组山1段和太原组太2段，下石盒子组盒1段高产层则最少［21］。研究表明，断层对塔巴庙地区上古生界天然气高产层的分布有重要控制作用。

图5 下石盒子组盒3段砂体、断裂与天然气富集区分布关系Fig．5 Relationship Among Sandstone Bodies，Faults and Gas Accumulation Areas in He3Member of Lower Shihezi Formation

3．1 沟通气源和圈闭

塔巴庙地区气源岩主要为太原组、山西组的煤及暗色泥岩，其高产层段下石盒子组盒3段、盒2段辫状河砂体与源岩的距离为100～250m，烃源岩和储集层没有直接接触，其间发育太原组、山西组、下石盒子组泥岩隔层。断层沟通了烃源岩和盒2段、盒3段的岩性圈闭，且断裂形成期与烃源岩生排烃期在时间上有效匹配；断层形成期主要是在燕山运动中、晚期，太原组、山西组煤系烃源岩的生排烃高峰期为中侏罗世至早白垩世末期［22］，从而使断层成为天然气垂向运移至盒2段、盒3段岩性圈闭的优势通道。

3．2 汇流及改善储层物性

对于鄂尔多斯盆地上古生界岩性气藏，天然气多以近源成藏为主，油气一般通过初次运移或短距离二次运移可直接成藏，即使没有断层存在也可以成藏，但断层的存在却对油气富集起到了垂向汇流的作用，易形成高产气藏。塔巴庙地区下石盒子组盒1段砂体虽然与下伏源岩紧密接触，气源充足，易于成藏，但由于盒1段辫状河道砂体非常发育，造成其上泥岩较薄，砂体成藏后其气藏顶部的盖层易被断层破坏，天然气再次向上运移，导致气藏气量和能量损失，从而使得盒1段含气显示普遍，但气藏产能低。对于盒2段、盒3段气藏，一方面，断层沟通了烃源岩和圈闭，另一方面，断层降低了太原组、山西组、盒1段局部盖层的有效性，促使下伏天然气沿断裂通道向盒2段、盒3段汇流富集；同时盒2段、盒3段上覆大面积稳定分布的上石盒子组—石千峰组区域泥岩盖层厚度大且发育超压，高角度小断距断层不影响其连续性和封闭能力，因此天然气沿断层垂向汇流运移至盒3段顶界即被封盖，从而形成了塔巴庙地区盒2段、盒3段的主力高产层段和富集区。

断层可为其附近的储层增孔作出贡献。断层及其派生的密集裂缝系统既是天然气垂向运移的重要通道，同时也为有机酸的运移溶蚀提供了通道，有效改善了邻近低渗砂体储层的孔渗性能，从而控制了天然气富集高产的“甜点”区带的分布。

由塔巴庙地区盒3段砂体、断裂与天然气富集区分布关系可以看出，断裂和大面积相对高孔渗砂体的叠合区域是天然气富集区。高产气井分布不仅仅受控于有利的储集相，还受控于断层，高产气井多位于断层发育区。如塔巴庙地区西南区域为高产井集中 分 布 的 区 域 （如 D1－1、D1－4、DK13、DK27、DK34等井区），同时北东向的断裂很发育，而中部和东部也发育厚层的辫状主河道砂体，但断层不发育，高产气流井少（图5）。另外，塔巴庙地区北部和东北部发育的近东西向断层附近也分布一些高产井，如D28井的盒2段、D57井的盒3段及太2段、D47井区及D35井区的太2段、D70井区的太1段。

4 成藏模式

结合区域沉积、构造特征以及前人的研究成果［15－18，21－34］，建立塔 巴 庙 地 区 层 状 复 式 天 然 气 成 藏模式（图6）。

图6 天然气成藏模式Fig．6 Accumulation Model of Gas

4．1 太原组—山西组自生自储源内成藏模式

太原组、山西组煤系烃源岩生成的天然气就近、择优充注到与其紧密接触的太原组局限海岸环境的障壁砂坝砂体和山西组三角洲平原分流河道砂体中，在其物性好的部位富集成藏，直接盖层和侧向的遮挡层为太原组、山西组自身发育的泥岩。由于源储之间的空间距离近、气源充足、排烃压力大，只需经过初次运移就可聚集成藏。气层的分布主要受沉积相带的控制，与断裂关系不大。

4．2 下石盒子组下生上储源上成藏模式

下石盒子组盒2段、盒3段砂体与源岩距离100～250m，而且下石盒子组辫状河道砂岩沉积从下到上由盒1段至盒3段砂岩逐渐减少，泥岩增加，砂层的叠置程度变低，因此只在盒1段、盒2段、盒3段3期砂体叠置连通性较好的局部区域才有天然气靠叠置砂体运移到达盒2段、盒3段储层中，更重要的是通过断层优势通道的垂向输导进行。上覆区域盖层使天然气沿断层垂向汇流运移至盒3段顶界即被封盖，形成了盒2段、盒3段的高产气藏。断裂和相对高孔渗砂体的叠合区域是天然气的有利富集区。

5 结 语

（1）通过高精度三维地震资料的精细解释及山西组、太原组煤系地层均方根振幅地震属性分析，在塔巴庙地区西南区域识别出4条北东向断层，北部和东北部区域识别出3条近东西向断层。断层多为高角度的小断距断层，断距20～60m。这些断层是基底断裂在燕山运动中、晚期重新活动造成上覆沉积盖层撕裂形成的。

（2）断层沟通了太原组、山西组煤系烃源岩和下石盒子组盒2段、盒3段岩性圈闭，而且断层活动期与烃源岩生排烃高峰期良好匹配，既促使下伏天然气向盒2段、盒3段垂向汇流运移，同时又为有机酸的运移溶蚀提供通道，有效改善了邻近低渗砂体储层的孔渗性能，控制了塔巴庙地区盒2段、盒3段天然气运聚成藏和富集高产。

（3）塔巴庙地区太原组—山西组自生自储源内成藏模式强调其高产气层分布主要受有利储集相带控制；而下石盒子组下生上储源上成藏模式认为在寻找盒2段、盒3段勘探靶区时不应仅重视砂体储层特征研究，还应重视断裂汇流通道，因为断裂和相对高孔渗砂体的叠合区域是天然气的有利富集区。

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