晉西撓褶帶南部地區上古生界天然氣成藏特征

李 榕，米 磊，劉衛麗，李 虎

（1.陜西天成石油科技有限公司，陜西西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古鄂爾多斯 017000）

晉西撓褶帶位于陜北斜坡和呂梁隆起之間，是鄂爾多斯盆地主體和呂梁隆起之間的過渡區域（圖1），同時受到鄂爾多斯盆地和呂梁隆起構造發展的影響。

圖1 晉西撓褶帶南部地區構造位置

1 地質特征

1.1 地層特征

晉西撓褶帶南部地區的主要目的層系為上古生界。上古生界的下伏地層為下奧陶統馬家溝組碳酸鹽巖地層，巖性主要為厚層狀石灰巖、泥灰巖、白云質灰巖、白云巖及角礫狀灰巖。上古生界的上覆地層為中生界下三疊統劉家溝組、和尚溝組和中三疊統二馬營組及新近系。

早古生代早奧陶世，本區沉積了一套海相碳酸鹽地層，即馬家溝組。上古生界平行不整合于馬家溝組之上，自下而上依次為下石炭統本溪組、上石炭統太原組、下二疊統山西組和下石盒子組、上二疊統上石盒子組和石千峰組。

下石炭統本溪組為一套海陸過渡相碎屑巖地層，巖性主要為暗色泥巖、濱海沼澤相煤巖及炭質泥巖、石英砂巖及薄層灰巖。上石炭統太原組為一套海陸交互相碎屑巖地層，巖性主要為灰色石英砂巖、泥晶灰巖和炭質泥巖，上部夾薄層生物碎屑灰巖，中下部夾煤層。下二疊統山西組地層為一套碎屑巖含煤地層，上部地層巖性主要為深灰色、灰黑色泥巖及砂質泥巖夾薄層灰白色粉細砂巖，并含煤線，以泥巖夾煤線為特征；下部地層巖性主要為灰白色含礫粗砂巖、灰色細礫巖、灰色巖屑石英砂巖，底部礫巖發育。本溪組、太原組和山西組是本區上古生界的主要烴源巖。

下二疊統下石盒子組為一套河流–三角洲相碎屑巖地層，巖性主要以棕紅色、紫色、灰綠色等雜色泥巖為主，向下砂質含量增高。上二疊統上石盒子組為一套河流–湖泊相碎屑巖地層，頂部可見淺灰色泥巖，細膩具滑感，向下砂質含量增加、粒度變粗，底部為駱駝脖子砂巖，巖性以細礫巖、粗砂巖為主。石盒子組砂巖為本區的主要儲層，下石盒子組底部發育的駱駝脖子砂巖為本區天然氣勘探的重要層段。

上二疊統石千峰組為一套干燥氣候條件下近海內陸湖泊–河流相碎屑巖地層，底部沖積平原相的巖屑砂巖為儲層，往上變為棕紅色、紫紅色泥巖與含粉砂質泥巖互層，巖性主要以棕紅色砂泥巖為主，發育鈣質結核，局部可見燧石層。

石千峰組上覆中下三疊統劉家溝和和尚溝組地層，為一套干旱環境的河流–湖泊相沉積。

1.2 烴源巖特征

晉西撓褶帶南部地區的石炭系本溪組、太原組和下二疊統山西組普遍發育煤層、炭質泥巖和暗色泥巖，為本區的主要烴源巖層。

本區煤層主要發育于本溪組、太原組和山西組中下部；其中太原組、本溪組煤層形成于濱海、湖坪等環境，山西組煤層多形成于潮控三角洲環境。橫向上煤層分布穩定，層厚7.3～18.8 m，其中本溪組頂部發育的8號煤層厚度大且含氣量高，厚度3～6 m，山西組各煤層含氣量中等–好，厚度較薄。

本區的炭質泥巖和暗色泥巖主要分布于本溪組、太原組和山西組地層，形成于濱海沼澤環境和潮控三角洲環境，主要以泥坪、泥炭坪和瀉湖沉積為主，障壁島、砂坪及泥灰坪的厚度分布相對較薄。其中，本溪組的炭質泥巖和暗色泥巖自北向南逐漸變厚，厚12～15 m；太原組炭質泥巖和暗色泥巖厚度穩定，厚度36～42 m；山西組的炭質泥巖和暗色泥巖厚度在40 m以上，向北可達50 m。

綜合巖石熱解分析、鏡質體反射率測試和顯微組分鏡下鑒定等分析測試結果和前人研究成果[3–7]，太原組和山西組各類烴源巖殘余有機碳含量普遍較高，其中煤巖殘余有機碳：太原組為51.89%，山西組為74.00%；暗色泥巖有機碳：太原組為1.05%，山西組為1.77%。山西組和太原組烴源巖的最大熱解溫度均為600～608 ℃，表明本區烴源巖處于高–過成熟演化階段。煤巖鏡質體反射率為1.70%～2.17%，處于高–過成熟階段，說明已進入大量生氣和排氣階段。

2 沉積儲層特征

2.1 沉積特征

華北地臺在早古生代末遭受風化剝蝕后，晚石炭世下降遭受海侵，上石炭統發育海陸交互相煤系地層。二疊系以陸相沉積為主。石炭系–二疊系各組巖性主要為陸相及過渡相的砂泥巖互層間夾煤層。過渡相沉積及海相灰巖主要發育于下部的本溪組和太原組，上部以陸相砂泥巖為主，自北向南逐漸增厚?？v向上，自下而上海相或過渡相的暗色沉積逐漸過渡為陸相灰綠色或雜色砂泥質沉積，粒度變粗，砂質沉積增多。晉西撓褶帶南部地區上古生界的碎屑巖儲層主要發育于下二疊統山西組、下石盒子組、上二疊統上石盒子組和石千峰組底部。

上古生界地層的下伏地層為下古生界奧陶統馬家溝組地層，主要發育碳酸鹽巖與蒸發巖互層沉積，馬家溝組頂部受加里東末期風化剝蝕作用的影響，僅有部分殘留。

下石炭統本溪組地層上覆于馬家溝組地層之上，呈平行不整合關系。本溪組瀉湖相、潮坪相及障壁島相發育。早期瀉湖相發育灰黑色泥巖，中期為灰色灘壩砂體和薄層石灰巖沉積，晚期發育區域性泥炭層，頂部發育厚層煤，為研究區烴源巖。北部本溪組砂體發育，由北向南砂體逐漸消失，反映了向南部海水逐漸變深的特征。上石炭統太原組地層，晉西撓褶帶以濱岸的潮坪相–淺海陸棚相沉積為主，巖性具有陸源碎屑與碳酸鹽巖的混合沉積的特點，主要為微晶灰巖、生物屑灰巖和煤層。

下二疊統山西組儲層屬于三角洲前緣水下分流河道沉積砂體。山西組中下段期為障壁海岸沉積，泥坪、煤發育，砂體不發育，只在中部、底部發育10 m左右的細砂巖，為灰褐色含礫粗砂巖。山西組上部主要發育三角洲前緣、前三角洲亞相沉積，整體表現為退積沉積特征。

晉西撓褶帶南部地區下二疊統下石盒子組主要發育三角洲前緣亞相、濱淺湖亞相沉積，總體表現為海退特征。下部巖性為灰白色含礫粗砂巖、灰色中砂巖發育，其中，水下分流河道砂體為本區的主要含氣儲層。上部為濱淺湖亞相沉積，泥巖較發育，為本區下石盒子組主要含氣儲層的蓋層。

晉西撓褶帶南部地區上二疊統上石盒子期表現為水體逐漸變淺的沉積過程，主要發育三角洲前緣亞相沉積，總體上泥巖較發育，水下分流河道微相相對不發育。下部發育三角洲前緣亞相沉積，主要微相為水下分流河道，巖性為厚層灰白色含礫粗砂巖，為本區的次要含氣儲層。

本區上二疊系統石千峰組主要發育干旱氣候條件下的三角洲平原亞相沉積為主。下部砂質泥巖為棕色、灰綠色、淺灰色，為泛濫平原沼澤泥沉積，植物碎屑發育；分流河道為淺紅色細砂巖沉積，為本區石千峰組內主要的儲層。上部泥巖較發育，整體表現為海退沉積過程。

2.2 儲層特征

晉西撓褶帶南部地區上古生界自下而上劃分為6個層段，即本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組，總體表現為海退式旋回性沉積，儲層以河道砂體為主?？v向上發育多套儲層，與泥質源巖和煤系源巖在垂向上呈疊置關系，具有良好的生儲蓋配置，具備形成構造和巖性氣藏的條件。其中，山西組中下部、下石盒子組下部、上石盒子組下部及石千峰組下部為有利的含氣層系。

根據大量砂巖鑄體薄片的觀察與描述，本區主要發育四類孔隙類型，即：原生粒間孔隙、次生溶蝕孔、高嶺石晶間微孔和微裂隙。

原生孔隙為碎屑顆粒被綠泥石、伊利石薄膜或襯邊所包裹后剩余的原生粒間孔隙，該類孔隙形態不規則，多呈三角形、四邊形及長條形。次生溶蝕孔包括粒間溶孔、粒內溶孔（包括鑄膜孔）以及填隙物內溶孔。本區砂巖總體呈高石英、貧長石特征，長石普遍遭受溶解形成形態較規則的長石粒內次生溶蝕孔。在溶解作用下，石英顆粒表面也發生溶解而形成小的次生溶蝕孔，石英顆粒表面呈現凹凸不平狀，邊緣呈現不規則狀和港灣狀。

根據本區巖心常規分析和測井解釋結果表明，總體表現為低孔低滲的特點（表1），與鄂爾多斯盆地一致，屬于致密砂巖儲層。儲層的孔隙度和滲透率具有良好的相關性。

表1 晉西撓褶帶南部地區儲層孔隙度和滲透率統計結果

3 成藏條件

3.1 成藏動力

烴類氣體在烴源巖生成之后，構造運動使地層中的溫壓條件發生變化而形成不同的勢場，烴類氣體在勢能的作用下，沿斷裂、裂縫、微裂隙等通道發生運移。晉西撓褶帶南部地區主要表現為垂向勢場和橫向勢場兩方面。晉西撓褶帶南部地區在三疊系二馬營組地層沉積之后，受呂梁隆起影響抬升暴露于水面之上，遭受剝蝕，地層上部異常壓力趨于消失，在垂向上形成地層間的異常壓力差，為烴類氣體提供了自下而上垂向運移的動力。本文利用平衡深度法計算了本地區典型井的異常壓力，從典型井的異常壓力計算結果圖上看（圖2），在縱向上，本地區的下部層段（太原組、山西組、本溪組）存在較高的異常壓力，而上部層段（上石盒子組、石千峰組）異常壓力不明顯，表明本區存在明顯的自下而上的勢場，烴類氣體具備由下部烴源層段向上部層段運移的動力。

圖2 典型井異常壓力與深度關系計算結果

由于受印支運動和燕山運動的影響，晉西撓褶帶以東地區開始隆升，其南部地區也隨之隆升，使得鄂爾多斯盆地主體的沉積中心西移，逐漸形成了東高西低的構造特征，晉西撓褶帶橫向上位于盆地構造的高部位，處于流體勢場的低勢區（圖3），流體勢場的低勢區是鄂爾多斯盆地天然氣運移的主要指向區之一[8–10]。

圖3 晉西撓褶帶南部地區流體勢分布

晉西撓褶帶是鄂爾多斯盆地與呂梁隆起兩個構造單元之間過渡帶，受燕山構造動動的影響，發育逆沖斷裂和少量走滑斷裂。以北北東向、北東向斷裂為主，較大的斷裂之間，往往發育小斷裂，巖層內也發育裂縫和微裂隙，斷裂、裂縫和微裂隙為天然氣的運移提供了良好的運移通道。天然氣在烴源巖內生成后，在勢場內沿通道在垂向和橫向兩個方向發生運移，并在合適的條件下聚集形成天然氣藏。

3.2 源儲關系

晉西撓褶帶南部地區上古生界的目的層系，砂巖的發育非常普遍，但并不是所有砂巖層都含天然氣，也并不是所有含氣砂巖層都是有效的天然氣儲層。各目的層段主要含氣層和有效天然氣儲層在空間的分布上具有一定的規律性；本文分析了本區的儲層空間分布規律，同時，結合儲層與烴源巖的配置關系，將儲層與烴源巖的空間配置關系劃分為三種類型：互層型、上覆層型和間層型（圖4）。

圖4 晉西撓褶帶南部地區上古生界源儲關系示意圖

本區上古生界烴源巖主要分布于本溪組、太原組和山西組的海陸交互相的煤層、炭質泥巖和暗色泥巖中。本溪組、太原組和山西組除烴源巖外，還發育部分儲層，尤其是山2段的儲層尤為發育；本溪組、太原組和山西組地層中的儲層與烴源巖呈互層關系，因此，把這種源儲空間配置關系稱為互層型。上、下石盒子組砂巖儲層為河道砂巖儲層，厚度較大、分布穩定、物性好；尤以下石盒子組下部底部最為發育；上、下石盒子組儲層所在地層上覆于烴源巖之上，把這種源儲空間配置關系稱為上覆層型。石千峰組下部儲層發育于石盒子組之上，距烴源巖所在本溪組、太原組和山西組地層較遠，中間間隔了石盒子組地層，將這種源儲空間配置關系劃分為間層型源儲配置關系。

4 成藏模式

源儲配置關系不僅代表了烴源巖和儲層的空間配置關系，而且代表了天然氣從烴源層排烴后的運移和儲集模式。綜合晉西撓褶帶南部地的區域蓋層、主要烴源巖和含氣層系的分布特點，晉西撓褶帶南部地區可歸為互層型、上覆層型和間層型三種成藏模式，每種成藏模式具有不同的生儲蓋配置特點、不同控制因素和不同的資源潛力（圖5）。

圖5 晉西撓褶帶南部地區上古生界成藏模式

互層式成藏模式：二疊系太原組、山西組暗色泥巖及煤層，既是烴源巖，又是蓋層，暗色泥巖及煤層生成的天然氣短距離就近運移至山西組的河流三角洲砂體、太原組灰巖內部的溶蝕孔和微裂縫中，其中山西組下部為主要海相石英砂巖儲層；直接蓋層為山西組上部泥巖和太原組發育的泥巖、泥灰巖。因此天然氣來自山西組、太原組生氣源巖，生儲蓋組合為源儲一致的互層式。

上覆層式成藏模式：二疊系太原組、山西組暗色泥巖及煤層排出的天然氣沿運移通道向上運移至上覆的石盒子組地層巖性圈閉中，儲層為下石盒子組三角洲平原分流河道砂體及三角洲前緣朵狀砂體，蓋層為廣泛分布的湖相泥巖，其中，石盒子上部的桃花頁巖段是區域蓋層，石盒子下部間隔于分流河道砂體之間的泥巖為局部直接蓋層。

間層式成藏模式：隨著下石盒子組上部桃花頁巖段形成的區域性異常壓力逐漸減弱，二疊系太原組、山西組煤系泥質巖生成的天然氣沿裂縫穿越下石盒子組，間隔分布在上石盒子組及石千峰組砂巖儲集體中，以石千峰組底部儲集層圈閉的氣藏為主，同時也包括上石盒子組內部局部的巖性圈閉氣藏。

綜合分析晉西撓褶帶南部地區的勘探開發成果，本區上古生界氣藏具有一定的規律性，主要表現在平面分布和垂向分帶兩個方面。平面上，上古生界氣藏有利區主要分布于柳林–石樓–大寧–永和–吉縣以西地區，隨著鄂爾多斯盆地主體的沉積中心西移，柳林–石樓–大寧–永和–吉縣以西地區處于流體勢場的低勢區，是天然氣橫向運移并聚集的有利地區。垂向上，由于受地層異常壓力差和運移、儲集條件的控制，上古生界氣藏主要分布于山西組下部、石盒子組下部和石千峰組下部的儲層孔滲較好的水下分流河道中。

5 結論

（1）晉西撓褶帶南部地區的生烴和成藏同時受鄂爾多斯盆地的沉積作用和呂梁隆起控制。本區的主要烴源巖層為下石炭統本溪組、上石炭統太原組和下二疊統山西組普遍發育的煤層、炭質泥巖和暗色泥巖，具有一定的規模和良好的生排烴條件。上古生界沉積總體表現為海退式沉積旋回，較好儲層主要發育在山西組、石盒子組和石千峰組水下分流河道中。儲層的孔滲均較低，屬于致密砂巖儲層，孔滲具有良好的相關性。

（2）縱向上，上古生界目的層系下部的異常壓力明顯高于上部，為天然氣垂直向上的運移提供了動力。中侏羅世以后，隨著呂梁隆起的隆升，形成東高西低的構造格局，所形成的勢場為天然氣從西部向東部的橫向運移提供了運聚動力。

（3）在烴源條件和成藏動力研究的基礎上，對研究區上古生界目標層系的烴源巖和儲集層的空間配置關系進行分析，將本區的源儲組合關系歸納為互層型、上覆層型和間層型；綜合生儲蓋組合、天然氣運移特點，結合儲層沉積和分布特征，總結出晉西撓褶帶南部地區的成藏模式為互層式、上覆層式和間層式三種模式。

（4）平面上，上古生界氣藏成藏有利區主要分布于柳林–石樓–大寧–永和–吉縣以西地區；垂向上，本區上古生界氣藏成藏有利儲層主要分布于山西組下部、石盒子組下部和石千峰組下部孔滲較好的水下分流河道中。