临兴地区致密气 “多层系准连续”成藏模式与大气田勘探实践

杜 佳 朱光辉 吴洛菲 张政和 高计县 喻玉洁 马遵敬 张 明

中联煤层气有限责任公司

0 引言

近日，从中国海洋石油集团有限公司（以下简称中国海油）获悉，经国家自然资源部审定，山西临兴气田探明天然气地质储量超过1 010×108m3，中国海油在陆上成功发现千亿立方米大气田。目前该气田正进一步加快勘探开发，建成后将大大增强华北地区清洁能源的供应能力，可以为实施新时代西部大开发战略和雄安新区建设提供绿色清洁的能源保障。临兴地区构造活动异常复杂、岩层普遍致密化，前期的研究结论普遍认为气藏保存条件差、天然气逸散严重、难以形成规模性气田。近年来，许多学者针对临兴致密气作了详细研究，在构造、沉积、储层、成藏方面取得了明显的进展[1-21]，研究结果表明，临兴气田致密气具备含气层系多、断裂体系发育、天然气运移距离远、成藏期次多等典型特征，但是截至目前尚未明确油气成藏的模式。为此，笔者基于地质背景调查、构造演化解剖、钻井地质分析、岩心取样及实验等手段，对该区致密砂岩气的成藏条件、成藏模式及富集规律等开展了研究，总结出“多层系准连续”成藏模式，明确了致密气成藏的主控因素，以期指导临兴气田致密气藏的大规模勘探及开发实践。

1 致密砂岩气成藏条件

临兴气田位于山西省吕梁市，地处鄂尔多斯盆地东缘，位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡与晋西挠褶带过渡位置，离石断裂带以西，发育中浅层埋深、特低丰度、特低孔隙度、特低渗透率、中—低产能的大型气田[22-25]。研究区上古生界地层为连续沉积呈整合接触关系，沉积期主要为海陆过渡相—陆相沉积环境，含气层系纵向大范围分布，在石炭系本溪组，二叠系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组均有发现（图1），形成了多套含气层系和成藏组合[25-33]。含煤层系或泥质烃源岩主要分布在本溪组、太原组和山西组中，储集砂体在各层段均有发育，纵向上可识别为本溪组—山西组源内成藏含气层系，下石盒子组近源成藏含气层系，上石盒子组和石千峰组远源成藏含气层系[34-36]。

图1 临兴气田构造位置及综合地层柱状图

1.1 烃源岩条件

临兴气田上古生界烃源岩属于海陆交互沉积的含煤层系，主要发育在石炭—二叠系的本溪组、太原组和山西组的煤层和暗色泥岩中，烃源岩厚度及分布面积较大，有机质丰度高，具有广覆式沉积的特点。太原组、山西组煤层厚度一般介于6 ～10 m，总有机碳含量（TOC）分布介于55%～80%，最大热解温度（Tmax）平均超过470 ℃，有机质热演化成熟度（Ro）平均值为1.32%（图2-a），整体处于成熟—高成熟阶段；暗色泥岩总厚度介于50 ～80 m，TOC主要分布在1%～10%之间，Tmax平均为470 ℃，Ro平均为1.17%，（图2-b）也显示出成熟—高成熟阶段特征。此外，因位于东南部的紫金山火山活动时间处于区域成藏期内，火山活动促进了区域生烃作用，加速了火成岩周边气源岩的成熟和生烃作用，生气强度高达20×108～25×108m3/km2。总体看来，临兴气田具有良好的生烃条件。

图2 临兴气田煤及暗色泥岩的Ro 频率分布直方图

1.2 储盖条件

临兴气田上古生界各层段间有厚层泥岩分隔，为相互独立的含气单元，各单元内气层的发育程度和分布范围受砂体展布及储层物性控制。太原组太2 段气藏在平面上主要受障壁砂坝及潮汐水道沉积的砂岩控制，其紧邻煤系气源岩而普遍含气，主砂体向北微相变为潟湖相，向南微相变为浅海陆棚相，其侧向尖灭所形成的致密岩性遮挡可构成有效圈闭。纵向上，太原组太2 段顶部为厚层泥岩、碳质泥岩夹三套薄煤层，下部为区域稳定煤层8 号煤、9 号煤及泥岩、碳质泥岩，三者共同形成了“三明治式”的有利储盖组合。山西组1段气藏、下石盒子组8 段、7 段、6 段气藏、上石盒子组4 段、3 段、2 段、1 段及石千峰组5 段沉积期发育为陆相湖泊—三角洲沉积体系，近南北向分布的河道微相厚层砂体构成了主要的储集类型，横向上受分流间湾等沉积微相相变或物性致密化影响，形成侧向遮挡[35]；在纵向上，山西组、太原组的煤层、碳质泥岩及暗色泥岩，石盒子组及石千峰组各层系内部厚层砂质泥岩、泥岩构成了良好的区域性盖层。整体看来，临兴气田储盖组合特征明显，相互搭配，是大气田形成的重要基础。

临兴气田上古生界储集岩性主要为不同粒度的岩屑长石砂岩、长石砂岩等。纵向分布上总体表现为石英含量从上（石千峰组5 段）向下（太原组2 段）逐渐升高，而长石碎屑含量则逐渐降低的特征。岩屑组合以火成岩、变质岩为主。孔隙类型多样，通过铸体薄片、阴极发光、扫描电镜等观察分析，储层沉积期后压实作用强烈，原始的粒间空隙少有残余，主要发育深埋阶段形成的次生粒间或粒内溶孔。此外，受东南侧紫金山构造隆升影响，构造裂缝广泛分布（图3）。储层物性分析表明，孔隙度中值多低于10%。渗透率中值常在1 mD 以内，以特低孔、特低渗储层为主，致密化程度高。针对研究区致密砂岩储层孔隙类型多样、孔喉结构复杂的特点，可将储层分为四大类， I、II 类甜点储层是下一阶段油气勘探开发的重点，其主要受潮坪、砂坪微相以及分流河道主河道控制，以粗砂岩为主体，亚微米—微米级孔隙为主的裂缝孔隙型储集空间为主，具有较高的平均孔渗条件和较低的排驱压力（图4）。

图3 临兴气田致密气储层主要孔隙类型镜下照片

2 致密砂岩气 “多层系准连续”成藏模式

临兴气田气源充足，并且显示出先致密、后成藏的特点。研究表明，储层流体包裹体均一温度呈现连续分布特征，含气态烃包裹体伴生盐水包裹体均一温度分布在80 ～170 ℃，不同层位的均一温度差异不大，但自上而下均一温度略有增大。结合埋藏史—热史图和不同层位的流体包裹体均一温度，确定临兴区块的天然气主要充注成藏期为距今155 ～120 Ma（图5），成藏时间为晚侏罗—早白垩世。同步开展的成岩作用研究结果表明，砂岩表现为在强压实减孔的基础上，经多次胶结—黏土矿物充填的致密过程。砂岩储层具多次石英加大或胶结的特点，早成岩A 阶段发生早期石英次生加大，形成较干净的次生加大边，基本不见包裹体的捕获现象；第二期石英次生加大边具有“脏边缘—富包裹体”的特点，流体包裹的均一温度测试结果为94 ℃，埋藏热演化史模拟结果显示，该时期为晚三叠世末，还对流体包裹体进行了激光拉曼实验测试分析，获得了饱和烃类成分。可以看出，在第二期次生加大边形成初期，早期烃类物质流体已经进入砂岩储层，储集砂体进行了多次的有机酸溶蚀，多数次生孔隙被长石易溶矿物溶蚀之后的转化黏土矿物充填。这是储层致密化的主要原因，并且在主成藏期之前，黏土矿物对储层的致密化强度达到最大。因此，气田表现出先致密、后成藏的特点。

图4 临兴气田不同类型储层压汞特征、孔径结构以及T2 图谱

图5 临兴气田天然气主要成藏期次划分图

临兴气田上古生界储层在中侏罗世时期发生普遍的致密化，本溪组及太原组大量的煤系烃源岩在晚侏罗世时期开始大规模的排烃，在源内储层富集以后，在逐次扩散到近源下石盒子组致密砂岩储层中，其顶部受石盒子组中部区域性大盖层遮挡，发育为优质的源内及近源成藏体系。随后进入早白垩世阶段，紫金山侵入上古生界地层中，在上述地层中形成大量贯通的断裂体系，石盒子组中部区域性盖层遭受明显破坏，源内与近源天然气沿断裂向上石盒子组、石千峰组运移，形成远源成藏体系，白垩世中后期，紫金山火山活动逐渐消停，部分断裂体系闭合，下部的源内和近源天然气向上部浅层储层运移的速度和规模均大量减弱。但值得注意的是，后期紫金山发生了多期的火山大规模喷发，新的断裂体系大量形成，先期断裂体系再度活化，构成了深层天然气向浅层运移的第二个高峰阶段，直接导致紫金山顶部及周边大量气藏的天然气部分逸散（图6）。综上可知，早白垩世开始的紫金山区域性隆起事件形成的大量断裂疏导体系，是临兴地区源内、近源、远源多层系纵向大跨度富气的重要原因。与此同时，少量通天断层也使得浅层的天然气成藏规律更为复杂，加大了该区天然气勘探开发的难度。

由上可知，对于本溪组—山西组源内成藏组合和下石盒子组近源成藏组合来说，致密储层形成后，天然气向致密砂岩层运移的途径，除了传统的生烃增压驱动的快速超压流运移外，烃浓度梯度驱动的分子扩散流运移也是部分层系天然气运移的主要方式，天然气沿着孔隙、裂缝及断层以垂向和短距离侧向运移，弥漫式充注进入邻近岩性圈闭中聚集成藏。而对于上石盒子组含气层系和石千峰组远源成藏组合，紫金山隆起伴生的裂缝和小断距断层尤其重要，是源头或近源成藏组合中天然气向上运移进入上石盒子组、石千峰组的重要垂向输导通道（图7）。

整体看来，临兴气田气藏纵横向大范围分布，没有明显的气水边界，压力系统复杂。中下部天然气成藏系统以近源成藏和源内成藏为主，天然气运移动力主要为源储剩余压差，气层呈“砂条式”富集。中上部发育有远源气藏，断裂沟通下部气源，气层沿断裂呈条带式分布。临兴气田整体显示为“多层系准连续”的成藏模式。

3 致密砂岩气成藏主控因素

3.1 烃源岩条件控制了气藏的规模

图6 临兴气田输导体系构成与天然气充注历史配置关系图

图7 临兴气田致密砂岩气成藏模式图

临兴地区烃源岩优质的生烃能力和强度形成了良好的生烃增压作用，并且在烃源岩和储层中形成一定压差。这是临兴地区源内及近源天然气运移的主要动力。研究结果与勘探实践表明，生烃强度对天然气藏在宏观上的分布具有较为明显的控制作用，通过建立临兴区块内不同层位的生烃强度与无阻流量的相关关系，以及煤层厚度与无阻流量的相关关系得出，工业气流井的主要分布区多位于高煤层厚度（超过11×108m3/km2）、高生烃强度（超过11 m）的分布区。此外，进一步研究表明，煤层厚度、生烃强度与天然气的运移距离和持续时间具有明显的正相关关系，煤层厚度、生气强度大的区域，天然气垂向运移距离更远（图8）。

3.2 沉积储层条件奠定了气藏的物质基础

沉积相带控制有利储层的空间展布和发育规模，临兴地区物源区位于北部阴山古陆，碎屑物质供给充足，地表高差大水系极为发育，河道沉积占据了绝对优势地位。河道砂体岩性普遍较粗，以中—粗砂岩甚至含砾粗砂岩为主，细粒沉积占比少。砂体往往多期连片叠置，垂向上厚度大，横向上分布广，具有大面积多层系的优质储层发育基础。但值得注意的是，即使是同一期沉积的砂体，由于砂体类型的不同，其储集性也存在差异。一般来说，分流河道主河道砂体中，因其水动力能量最强，细碎屑含量相对较少，物性最好，而分支河道、河道侧翼、决口扇、废弃河道充填砂体、天然堤砂体等则由于沉积颗粒细，砂泥混杂程度高而岩性相对致密（图9）。

此外，还需要重视的是，储层成岩溶蚀作用对砂岩物性好坏起决定作用，研究表明临兴地区上古生界目的层段已进入中期成岩阶段A 期和B 期。生烃作用形成的有机酸大量进入到油气储层中，对长石、岩屑等易溶颗粒，碳酸盐岩胶结物等易溶填隙物产生了大规模的溶蚀作用。导致本区的溶蚀作用异常强烈，大幅度地改善了部分深埋储层的物性，发育为致密气储层中的优质甜点。

3.3 紫金山隆起构造对致密气成藏的重要意义

图8 临兴气田气源条件对气藏的控制作用图

图9 临兴气田LZL-110 井上石盒子组盒1 段—盒2 段沉积相综合柱状图

临兴气田可以形成探明储量超过千亿立方米的大气田，其东南部发育的紫金山隆起构造具有重要意义[36]。紫金山隆起带平面分布面积大约23 km2，整体呈不规则的椭圆状，地表分布的围岩主要为中三叠世砂泥岩地层，上覆第四系近现代沉积。以紫金山高点为中心，不同的岩性带呈不规则的环带状分布，位于北东向与近东西向两组断裂的叠合区域，是燕山期岩溶作用的典型代表，属于中深成侵入穹隆型热力构造，其侵入方向明显，多期爆发，常可以侵入到奥陶系甚至三叠系地层中，局部喷出地表造成多次火山爆发（图10）。研究认为，紫金山岩体的形成对临兴气田的生烃、储层改造、天然气疏导等成藏过程具有明显的影响：

1）紫金山对源岩生烃的促进作用：紫金山岩浆的侵入带来了大量热源，有利围岩有机质的加速成熟，使得有机质镜质体反射率上升，热演化成熟度远高于常规正常沉积盆地。临兴气田的煤系烃源岩多处于成熟—过成熟阶段。平面上，相同埋深条件下，离紫金山更近的临兴气田成熟度大于位于其北部的神府气田，且部分离火山岩脉较近的临兴样品（LZL11-1、LZL-15、LZL-18、LZL-17）成熟度较高，属于过成熟样品，其Ro均高于2.0%，说明煤层因火山岩体烘烤而使煤系烃源岩成熟度升高，促进生烃作用（图11）。纵向上，山西组煤层样品的Ro在1.00%左右，随着埋深增加，成熟度略有增大，太原组煤层的样品成熟度介于1.00 ～1.20%，本溪组煤层样品成熟度介于1.00%～2.13%，但离紫金山火山岩脉最近的LZL-18 井样品Ro最高，说明紫金山火山活动对煤层烘烤作用明显，促使成熟度增大，有利于天然气成藏。

图10 临兴气田紫金山岩体形成示意图及相带分布图

2）紫金山活动对储层改造影响：紫金山隆起形成了大量的破裂体系，隆起区周缘尤其发育，储层渗透率得到较大改善。统计临兴气田下石盒子组盒8段储层物性与距紫金山岩体距离的结果发现：储层砂岩的渗透率值与火山岩距离具有明显的规律，在离火山岩较近的地方，受熔岩高温变质影响，储层渗透率变低。在离火山岩3 ～15 km 的范围，火山岩伴生的大量缝网体系有效改造储层，砂体渗透较好（平均渗透率超过0.5 mD）。在距离火山15 km 以上的范围，紫金山隆起影响减弱，裂缝发育程度变弱，储层渗透率再次降低。统计结果表明，裂缝指数与产能具有一定的正相关关系（图12）。据临兴地区各目的层的裂缝指数与气井无阻流量的交汇关系分析，裂缝指数大于0.6 时多为商业气井，而Ⅳ类低产井的裂缝指数多小于0.6。

图11 临兴气田与神府气田烃源岩热演化成熟度与埋深交会图

图12 临兴气田裂缝发育程度与气井产能分布交汇图

3）对天然气运移的输导影响：砂体的储渗网络，构造形成的断裂体系是临兴气田天然气运移的两个主要途径，而紫金山隆起又是区域断裂体系发育的最重要诱因。紫金山发育附近断裂呈高密度弧形和放射状展布，剖面上断裂样式简单，大部分呈近90°倾角，垂向断距小（图13），而远离紫金山构造的平缓区断裂发育密度低。这些断裂虽然规模不大，但在纵向上部分切穿整个上古生界气藏。因此，底部生成的天然气可以沿着断裂向上发生垂向运移并选择具有良好物性的砂体就近聚集成藏。这是造成该地区上古生界气藏多层系分布的重要原因，并且浅层气藏中甲烷和乙烷的碳同位素值异常高，可以推断发生过源内向浅层的快速成藏过程。

图13 临兴气田本溪组断裂体系分布图

4 大气田勘探实践

临兴气田的天然气勘探随着对该区致密气成藏认识的不断深入而发展。

1）第一阶段为紫金山构造有利于气藏形成的新认识建立阶段。2013—2014 年，临兴气田共完成三维地震勘探约700 km2，基本实现临兴气田三维地震全覆盖。中国海油中联煤层气有限责任公司（以下简称中联公司）基于三维地震资料，在借鉴邻区勘探成果的基础上，重点对气藏的控制因素和富集条件进行研究，查明了紫金山隆起构造的典型特征，开展了构造对气藏分布规律的专题研究，取得了创新性突破，认识到紫金山构造对临兴气田天然气成藏具有重要的促进作用，改变了鄂尔多斯盆地东缘因构造破坏而无法发育大型气藏的根本性观点，优选出多个相对富集区，部署的LZL-15 井在上石盒子组盒4 段试气获得天然气无阻流量4.8×104m3/d，后续又在LZL-6 井太原组太2 段测试获得天然气无阻流量13.27×104m3/d，陆续发现了石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组、本溪组等多套含气层段，天然气勘探取得重大突破，揭开了临兴气田大规模勘探的序幕。

2）第二阶段为“多层系准连续气藏”成藏模式建立阶段。2015—2017 年，中联公司在总结以往勘探成果的基础上，进一步对气藏的控制因素和富集条件进行研究，建立了“多层系准连续”成藏模式，紫金山形成重要断裂疏导系统的认识突破了固定勘探层位限制，多层系一体化选区取得了重大突破，首次优选了下石盒子组盒8 段及太原组太2 段气层相对富集区近30 km2，建立先导性试验区，部署开发试验井24 口（其中水平井7 口），摸索合适的工艺技术体系，区块产气量保持在20×104m3/d 左右。

3）第三阶段为临兴大气田成功探明阶段（2018年至今）。2018 年以来，临兴气田陆续围绕高产井部署开发试验井，落实最优产能及储量可动用性。在充分应用实用技术的同时，积极开展多种先进技术的实验和推广，加强现场管理，采用新的市场开发机制，走管理和技术创新、低成本开发之路。2019 年4 月，中联公司向国家能源局备案了临兴气田多层系总体开发方案，预备建立5 个开发区。截至2020 年6 月，结合地质综合研究成果，在临兴气田上古生界二叠系石千峰组千5 段，上石盒子组盒1 段、盒2 段、盒3 段、盒4 段，下石盒子组盒6 段、盒7 段、盒8段，山西组山1 段及太原组太2 段共计10 个含气层段，探明天然气储量超过1 000×108m3，完成测试200 余口井400 余层次，试气获得天然气无阻流量0.3×104～55.8×104m3/d，主要采用多层合采模式，基本建成天然气产能近 10×108m3/a。

上述勘探实践过程展示了成藏认识的突破对临兴大气田发现的重要作用，为鄂尔多斯盆地东缘上古生界的油气资源评价和预测提供了必要的理论支撑。由此不难看出，要在鄂尔多斯盆地东缘找到新的“临兴大气田”，就必须深入研究盆地东缘特殊构造条件下形成的特殊成藏机制。这对我国乃至世界范围复杂构造区的天然气勘探都具有显著的示范作用，对整个国民经济中的意义也是不言而喻的。

致谢：本文为中联煤层气有限责任公司、中海油研究总院等单位联合攻关成果，得到了中海石油（中国）有限公司勘探部等的关怀和大力支持，中联煤层气有限责任公司米洪刚、李忠城等对本文给予了精心指导与审查修改，在此一并致谢。