鄂尔多斯盆地宜川-黄龙地区上古生界储层特征及其对天然气成藏的影响

单俊峰，吴炳伟，金 科，董德胜，刘媛媛，崔晓磊，迟润龙，聂文彬

(中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

鄂尔多斯盆地富含油气及煤炭资源，其中，天然气资源量约为15.16×1012m3，主要分布在盆地中北部地区[1-2]。宜川-黄龙地区位于鄂尔多斯盆地东南部，构造上横跨伊陕斜坡和渭北隆起两大构造单元，东接晋西挠褶带(图1)，主要发育古生界含气系统，上古生界本溪组、山西组和石盒子组为主要勘探开发层系，目前已探明天然气地质储量为397×108m3，探明率为12%，勘探程度较低。宜川-黄龙地区的勘探始于20世纪90年代初，1994年完钻的宜探1井在盒8段和马五1段见含气显示，此后十余年间勘探始终未能取得实质性突破。2012年，在宜川地区实施4口井的风险井组(吉探井组)，在上古生界均获得工业气流，试气日产达0.588 3×104～2.695 8×104m3/d，鄂尔多斯盆地东南部天然气勘探取得突破，发现了宜川气田。2018年，天然气生产能力达5.86×108m3/a。勘探实践表明，宜川地区上古生界气藏为致密砂岩岩性气藏，具有埋藏浅、地层压力低、储量丰度低、含气面积大、多层复合含气等特征，天然气富集成藏主要受沉积相带和储层物性控制[3]。但由于研究区在晚古生代时期位于盆地东南缘，沉积体系演化更替快，沉积相类型不同，储层特征存在差异。虽然前人对鄂尔多斯盆地东南部上古生界沉积储层特征做过研究，但多以区域性或单一层系研究为主[4-10]，对研究区上古生界优质储层发育规律缺少系统认识，制约了天然气效益勘探和规模建产。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划及研究区位置Fig.1 The tectonic division of Ordos Basin and location of study area

在前人研究成果基础上，通过晚古生代沉积演化史分析，利用韩城和河津2条野外露头剖面、30口钻井岩心描述、141口井测井曲线、49口井分析测试等资料，对上古生界沉积储层特征进行综合研究，重新认识宜川-黄龙地区上古生界沉积相类型及展布特征，明确有利储集相带，探讨储层发育规律及天然气成藏控制因素，为勘探开发部署提供依据，支撑宜川-黄龙地区快速增储建产。

1 区域地质特征

鄂尔多斯盆地是在太古宇—古元古界结晶基底之上发育的多旋回叠合盆地，其构造演化主要经历了裂陷盆地、华北克拉通盆地、华北克拉通内坳陷盆地、鄂尔多斯内陆坳陷盆地和鄂尔多斯周缘断陷盆地5个阶段，形成了早古生代陆表海碳酸盐岩建造、晚古生代海陆过渡相煤系地层及中新生界内陆湖盆碎屑岩沉积的3层结构[11-14]。鄂尔多斯盆地宜川-黄龙地区自下而上发育中元古界—三叠系，缺失中上奥陶统—下石炭统、侏罗系—新近系，延长组与第四系直接接触，沉积地层厚度约为5 000 m(图2)。

图2 宜川-黄龙地区地层综合柱状图Fig.2 The comprehensive stratigraphic histogram of Yichuan-Huanglong Area

宜川-黄龙地区位于伊陕斜坡和渭北隆起的交汇部位，南以韩城-彬县断裂与渭河盆地分界，向西北过渡到盆地主体。南部的渭北隆起燕山期发育冲断构造，北部的伊陕斜坡则以平缓的西倾单斜为主，构造活动较弱。研究区在晚元古代及寒武纪早期未接受沉积，在中晚寒武世—早奥陶世，自南向北沉积了厚度约为800 m左右的海相地层[4，11-14]。加里东运动使华北地台整体抬升，遭受风化剥蚀，形成了奥陶系广泛发育的碳酸盐岩岩溶地貌和缝洞型储层。晚石炭世—二叠纪，华北地台整体下沉，伴随海侵—海退多个旋回，形成海陆过渡相及陆相含煤碎屑岩建造[4，11-14]。石炭系—二叠系本溪组、太原组、山西组煤系为优质烃源岩，煤岩总厚度为4～20 m，暗色泥岩厚度为30～60 m。煤岩层数多，主力煤层(5、8号)厚度为2～10 m，分布稳定，连续性较好。镜质体反射率值为1.45%～2.70%，已达高—过成熟演化阶段，具有广覆式生烃特征。石千峰组和石盒子组上段是一套以河湖相为主的砂泥岩沉积，其中，石盒子组上部泥质岩厚度为80～120 m，最大单层厚度为34 m，石千峰组泥质岩厚度为120～200 m，最大单层厚度为50 m，封盖能力强，为上古生界天然气藏的区域性盖层。研究区发育3种类型生储盖组合：①下生上储型。烃源岩为石炭系—二叠系煤系烃源岩，储层为石盒子组下部砂岩，盖层为石盒子组内部广泛分布的泥岩。②自生自储型。烃源岩为石炭系—二叠系煤系烃源岩，储层为本溪组、山西组砂岩，盖层为本溪组、山西组内部广泛分布的泥岩。③上生下储型。烃源岩为石炭系—二叠系煤系烃源岩，储层为马家沟组碳酸盐岩风化壳，盖层为本溪组广泛分布的泥岩。围绕石炭系—二叠系煤系烃源岩，宜川-黄龙地区古生界具备多层系复合含气、大规模聚集成藏的有利条件[15-17]。

2 沉积特征

在区域沉积演化史分析基础上，根据岩心观察描述、沉积构造、岩石成分，结合野外露头、测井响应特征、录井信息等，将鄂尔多斯盆地宜川-黄龙地区上古生界本溪组—太原组划分为潮坪—浅海陆棚沉积体系，山西组划分为曲流河三角洲沉积体系，石盒子组盒8段划分为辫状河三角洲沉积体系(图3)。

图3 宜川-黄龙地区上古生界沉积演化史剖面Fig.3 The evolution profile of Upper Paleozoic sediment in Yichuan-Huanglong Area

2.1 沉积演化史

自加里东运动抬升为陆并遭受长期风化剥蚀后，晚古生代石炭纪、二叠纪鄂尔多斯盆地整体下沉接受沉积，盆地古地理环境由海相渐变为陆相，古气候由潮湿转变为干旱，地壳处于小幅振荡阶段，形成海陆过渡相和陆相含煤的碎屑岩建造。本溪期—太原期，盆地北部伊盟隆起为主要物源区，南部北秦岭褶皱带为次要物源区，自北向南形成冲积扇—三角洲—浅海陆棚—潮坪沉积体系。本溪期，研究区在加里东期岩溶地貌背景下，受相对海平面周期性变化的影响，发育潮坪—浅海陆棚沉积体系。本溪末期，发生大范围海退，以泥坪沼泽沉积为主，发育区域上广泛分布的8号煤层。太原期，盆地海侵范围扩大，总体为浅海—潮坪沉积环境，经历多期海进—海退旋回变化，海进期发育潮下带泥晶灰岩、生物灰岩沉积，海退期则发育潮间—潮上带混合坪和泥坪沉积。太原末期，发生区域性海退，为山西期三角洲沉积体系发育奠定了古地理背景。

山西期，华北地块再次抬升，海水向东西两侧逐渐退出，伴随着温暖潮湿的气候条件，沉积环境由陆表海演变为湖泊，地表准平原环境特征明显。盆地主要发育滨浅湖—曲流河三角洲沉积体系，由于南北物源区供源能力的差异，研究区受东南物源控制，曲流河三角洲沉积体系发育规模较小，砂岩粒度变细，砂体变薄。随着盆地逐渐抬升，砂体逐步向湖盆进积，湖盆范围缩小，形成一套陆源碎屑含煤沉积建造，煤层及炭质泥岩发育。

石盒子早期，受兴蒙海槽逐渐关闭的影响，盆地差异沉降幅度增大，随着气候逐渐炎热干燥，植被大量减少，出现洪水的频率加大，坡面水流的侵蚀作用加强，盆地南北物源区物源供给充足，带来大量粗粒物质充填河床，主要发育辫状河三角洲沉积体系。石盒子晚期，受河流夷平作用的影响，陆源碎屑物质减少，辫状河三角洲沉积逐渐萎缩，滨浅湖沉积发育。

石千峰期，华北地块整体抬升，研究区已演变为内陆湖盆，发育湖泊—三角洲—河流沉积体系，特别是早期北部物源区的抬升，提供丰富的陆源碎屑，导致了湖平面迅速下降，三角洲快速向湖中推进[18-19]，滨浅湖沉积仅局限于盆地中部，其他广大地区被三角洲平原所占据。由于气候干旱炎热，形成了一套紫红色砂泥岩沉积。

2.2 沉积体系类型及特征

2.2.1 潮坪沉积体系

潮坪沉积体系发育于本溪组和太原组，主要发育潮坪和潮汐水道亚相，按潮汐水动力条件和沉积物粒度，潮坪可划分为砂坪(潮下带)、混合坪(潮间带)和泥坪—沼泽(潮上带)。

潮汐水道主要发育在潮下带的高能环境中，其沉积物主要为各种粒级的砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩等，水道底部具有冲刷面，并伴有滞留沉积，可见泥砾；主要沉积构造以大型槽状交错层理、羽状交错层理为标志。砂坪岩性主要为中、粗粒石英砂岩，具有正旋回特征；常见槽状交错层理、板状交错层理和沙纹层理等。混合坪岩性通常为粉细砂岩、粉砂岩和泥岩薄互层，自下而上泥质含量逐渐增多，沉积构造以波状复合层理、脉状层理和透镜状层理为主要标志。泥坪—沼泽岩性主要为夹薄层粉砂岩的灰黑色厚层泥岩，可见水平纹层，并常发育煤层[2]。研究区本溪组以潮坪沉积为主，宜川地区潮汐作用强烈，发育北西向延展的潮汐水道，潮汐水道形态呈条带状近垂直于古海岸线分布；黄龙地区潮汐水道不甚发育，以混合坪和泥坪沉积为主。潮汐水道砂体受古地貌控制明显，经受潮汐和波浪作用的改造，易破碎和溶解的岩屑组分被带走，石英颗粒含量增高，形成较纯净的石英砂岩储层(图4)。

图4 宜川-黄龙地区本溪组沉积相Fig.4 The sedimentary facies of Benxi Formation in Yichuan-Huanglong Area

2.2.2 曲流河三角洲沉积体系

曲流河三角洲沉积体系主要分布在山西组，以三角洲前缘亚相和三角洲平原亚相为主[5]。

三角洲前缘亚相主要发育水下分流河道，河道底部常有冲刷面，向上含有泥砾，其沉积物主要为中、细砂岩，粒度总体向上变细。主要发育槽状交错层理、波状层理和平行层理。其次为水下分流间湾沉积，其主要岩性为泥岩和粉砂质泥岩，常见水平层理和透镜状层理。三角洲平原亚相主要发育分流河道和泛滥平原，分流河道岩性比水下分流河道粒度粗，底部砂岩常含泥砾，向上变为中、细砂岩，发育大型槽状和板状交错层理。泛滥平原主要由泥岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩与煤层组成，富含植物化石。

研究区山西组处于三角洲平原和三角洲前缘的过渡部位，北部宜川地区为三角洲前缘沉积。由于距物源区较近，河流的下切作用明显，携带物质充分，(水下)分流河道沉积最为典型，构成曲流河三角洲沉积体系的骨架砂体。受古地貌和东南物源控制，河道呈北西—南东向带状展布。三角洲前缘水下分流河道砂体储集性较好，是山西组主要储层(图5)。

图5 宜川-黄龙地区山西组沉积相Fig.5 The sedimentary facies of Shanxi Formation in Yichuan-Huanglong Area

2.2.3 辫状河三角洲沉积体系

辫状河三角洲沉积体系主要分布于石盒子组盒8段，发育辫状河三角洲前缘和辫状河三角洲平原沉积[3]。

辫状河三角洲前缘亚相主要发育水下分流河道，其沉积物主要为含砾不等粒砂岩、粗砂岩，具有向上变细的正旋回特征。河道底部具有冲刷面，河道砂岩中发育大型槽状、板状交错层理及平行层理。其次为水下分流间湾，其岩性以泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，发育小型交错层理和波状层理。辫状河三角洲平原亚相主要发育分流河道和泛滥平原，分流河道沉积物由颗粒支撑的砂、砾岩组成，底部见冲刷面，具有槽状和板状交错层理。泛滥平原岩性主要为泥岩夹粉、细砂岩，发育水平层理和波状层理，植物化石丰富[5]。

研究区盒8段处于辫状河三角洲前缘和辫状河三角洲平原的过渡部位，北部宜川地区为辫状河三角洲前缘沉积。盒8段继承了山西组的古地貌背景和物源体系，由于盆地差异沉降幅度增大，河流以垂直下切侵蚀作用为主，发育一系列北西—南东延展的分流河道，纵向上多期叠置、横向上复合连片，河道砂体大面积呈“毯式”分布，是盒8段的主要储层(图6)。

图6 宜川-黄龙地区石盒子组盒8段沉积相Fig.6 The sedimentary facies of He8 Member of Shihezi Formation in Yichuan-Huanglong Area

3 储层特征

3.1 岩石学特征

研究区上古生界主要有石英砂岩、岩屑石英砂岩、岩屑砂岩3种类型砂岩。其中，本溪组以石英砂岩为主；山西组和盒8段以岩屑石英砂岩为主，岩屑砂岩和石英砂岩较少[7-9](图7)。

图7 宜川-黄龙地区上古生界砂岩碎屑组分三角图Fig.7 The triangular plot of detrital composition of Upper Paleozoic sandstone in Yichuan-Huanglong Area

3.1.1 碎屑组分特征

鄂尔多斯盆地宜川-黄龙地区上古生界砂岩储层的碎屑组分主要为石英类，岩屑组分次之，长石颗粒局部少见，平均含量小于1.00%。其中，本溪组石英类含量最高，平均为98.12%，山2段平均为87.68%，山1段平均为79.29%，盒8段平均为77.72%，自下而上呈递减趋势。岩屑组分主要为火成岩、千枚岩和板岩岩屑，其中，岩屑含量本溪组最低，平均为1.88%，山2段平均为10.26%，山1段平均为19.83%，盒8段平均为18.72%，自下而上有增高趋势。

3.1.2 填隙物组分特征

上古生界砂岩储层的填隙物以黏土矿物、硅质和碳酸盐胶结物为主。黏土矿物主要为高岭石、水云母和绿泥石，其中，本溪组平均为9.32%，山2段平均为8.13%，山1段平均为8.62%，盒8段平均为9.91%。碳酸盐类胶结物主要为铁白云石、铁方解石和菱铁矿，零星见白云石。硅质胶结在研究区上古生界砂岩储层中普遍存在，本溪组平均含量为1.58%，山2段平均含量为3.45%，山1段平均含量为3.97%，盒8段平均为2.81%。具有孔隙式充填、环边加大等不同形态和产状。硅质胶结物难以溶解产生次生孔隙，使储层的物性变差。总体上，本溪组填隙物含量最低，平均为17.30%，山2段平均为17.32%，山1段平均为17.58%，盒8段平均为19.78%，自下而上有增高趋势。

3.2 岩石结构

上古生界砂岩储层粒度以中-粗粒结构为主，粒径主要为0.3～1.0 mm。其中，本溪组石英砂岩颗粒分选中等—好，磨圆呈次棱角—次圆、次圆状，碎屑主要为颗粒支撑，颗粒间主要为线接触和凹凸接触，胶结类型主要为孔隙式胶结。山2段、山1段和盒8段岩屑石英砂岩颗粒分选中等—好，磨圆主要为次棱角状，其次为次棱—次圆及棱角状，碎屑主要为颗粒支撑，颗粒间主要为线接触或凹凸状接触，胶结类型主要为孔隙式胶结。表明研究区在晚古生代有一个相对稳定的沉积环境，沉积物呈现较高成熟度的分布特征。

3.3 孔隙特征

上古生界砂岩储层主要发育溶孔、粒间孔、晶间孔和微裂隙4类孔隙[7-9]。其中，本溪组以次生溶孔和晶间孔为主，原生粒间孔次之，含少量微裂隙，储层总面孔率为1.60%。山2段以溶孔为主，其次为粒间孔、晶间孔，储层总面孔率为1.97%。山1段以岩屑溶孔、晶间孔为主，储层总面孔率为1.88%。盒8段以溶孔为主，其次为粒间孔、晶间孔，储层总面孔率为1.56%(表1)。

表1 宜川-黄龙地区上古生界孔隙类型统计Table 1 The statistics of pore types of Upper Paleozoic in Yichuan-Huanglong Area

3.4 物性特征

上古生界砂岩储层具有特低孔、超低渗的特征，其中，本溪组孔隙度为3.5%～9.0%，平均为6.7%；渗透率为0.070～3.000 mD，平均为0.972 mD。山2段孔隙度为5.0%～9.0%，平均为7.0%；渗透率为0.070～0.400 mD，平均为0.381 mD。山1段孔隙度为5.0%～9.0%，平均为7.1%；渗透率为0.070～0.400 mD，平均为0.242 mD。盒8段孔隙度为5.0%～11.0%，平均为8.4%；渗透率为0.070～0.400 mD，平均为0.224 mD。上古生界砂岩储层孔隙度自下而上变小，而渗透率则呈增高趋势(表2)。

表2 宜川-黄龙地区上古生界储层物性统计Table 2 The statistics of physical properties of Upper Paleozoic reservoirs in Yichuan-Huanglong Area

4 沉积储层对天然气成藏的控制作用

地质、测井、测试和化验资料分析表明，研究区上古生界砂岩储层的岩性和孔隙结构是影响含气性的主要因素。储层物性与岩性密切相关，一般石英含量越高，岩性越纯，物性越好。不同类型的胶结物对储层物性的影响也不同：硅质胶结物能降低储层孔隙度，但对渗透率的影响不大；钙质胶结物主要为铁方解石，充填粒间孔和溶蚀孔，使储层的孔隙度、渗透率明显减小；泥质碎屑类胶结物(包括喷出岩、千枚岩、泥板岩和变质砂岩)会随着地层上覆压力的增加，被挤压变形呈假杂基状态充填在孔隙中，使储层的物性变差。粒度对储层物性的影响也较明显，有效储层主要为中粗粒以上砂岩，细粒、粉细粒砂岩物性差。含气性受孔隙结构的影响比较大，上古生界砂岩储层的储集性和含气性分析结果表明，孔隙类型为残余粒间孔、粒间溶孔的储层最优，其次为高岭石晶间孔、各类微溶孔及泥质微孔等。因此，受岩性和孔隙结构控制，石英砂岩比岩屑石英砂岩和岩屑砂岩的含气性明显增高。

综上所述，宜川-黄龙地区晚古生代受海相—海陆过渡相—陆相沉积环境更替的影响，沉积相带和碎屑岩岩石组分在纵向上发生变化，控制了储层物性的发育程度。本溪组潮汐水道为有利储集相带，受古地貌控制，潮汐水道砂体平面上呈孤立的岛状分布，纵向上常呈透镜状，分布局限。受物源和沉积相带控制，本溪组发育石英砂岩，岩石组分中石英含量高，填隙物含量低，孔隙连通性好。山西组曲流河三角洲分流河道为有利储集相带，主砂体呈条带状展布，多期河道迁移叠置，砂体横向连片分布，具有一定规模。山西组发育岩屑石英砂岩，岩石组分中石英含量较高，填隙物含量较低，孔隙连通性较好。盒8段辫状河三角洲分流河道为有利储集相带，受多期河道迁移、叠加，砂体纵向上叠置厚度大，平面上复合连片。盒8段发育岩屑石英砂岩，岩石组分中石英含量较低，填隙物含量较高，孔隙连通性一般。

总体而言，研究区的有利储集相带中，本溪组储层物性好，含气性好，但砂体规模较小；山西组和盒8段储层物性稍差，但砂体规模大。本溪组厚层状的潮汐水道和山西组、盒8段连续叠置型分流河道砂体，储层更为发育，物性好，含气丰度高，为优势储集体。

5 结 论

(1) 宜川-黄龙地区本溪组主要发育潮坪沉积体系，山西组和盒8段主要发育曲流河—辫状河三角洲沉积体系，本溪组潮汐水道、山西组和盒8段(水下)分流河道为最有利储集相带。

(2) 上古生界砂岩储层整体具有特低孔、超低渗特征，但自下而上岩石组分中石英含量逐渐降低，岩屑和填隙物含量逐渐升高，储层孔隙结构逐渐变差，本溪组优质孔隙相对更发育。

(3) 上古生界砂岩储层的岩性和孔隙结构是影响含气性的主要因素，具有岩性控制物性，物性控制含气性的基本特征。本溪组厚层状的潮汐水道和山西组、盒8段连续叠置型分流河道砂体，岩性纯、粒度粗、物性好、含气丰度高，为优势储集体。