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鄂尔多斯盆地构造沉积演化与下古生界天然气聚集关系研究

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鄂尔多斯 盆地 构造 沉积 演化 下古生界 天然气 聚集 关系 研究
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西北大学博士学位论文鄂尔多斯盆地构造沉积演化与下古生界天然气聚集关系研究姓名:党犇申请学位级别:博士专业:矿产普查与勘探指导教师:周立发20030601西北大学博士学位论文鄂尔多斯盆地构造沉积演化与下古生界天然气聚集关系研究摘 要鄂尔多斯盆地是一个多旋回叠合型盆地,其形成历史早、演化时间长。同时又是我国陆上第二大沉积盆地,油气资源非常丰富,油气勘探潜力很大。它已经成为我国未来油气勘探最重要的战略地区之一,其油气资源丰度及其探明程度直接影响着中国石油工业的发展,为了客观地总结鄂尔多斯盆地油气分布规律,有必要开展鄂尔多斯盆地构造沉积演化与天然气聚集研究。本文以板块构造理论为基础;以舍油气盆地整体、动态、综合分析研究为原则;以古亚洲、特提斯、滨太平洋三大构造域交切、叠合和复合,控制和影响着鄂尔多斯盆地在不同构造演化阶段的形成和发育为指导思想。采用野外地质调查与室内综合研究相结合,通过构造层序的划分及其相应盆地原型的确定、不同期次古构造应力场的分析、以297口探井数据为基础的相关构造图件的编制、奥陶系残余生烃坳陷及其迁移规律研究等的综合分析,开展了盆地基底以及盆地断裂系统、盆地及邻区构造与沉积演化、盆地原型及其形成的动力学背景、奥陶系产气层不同时期的古构造格局及其演化、不同期次构造应力场形成的不同世代盆地之间的叠置关系以及盆地改造与天然气藏的形成、重新分配和最终就位诸方面的研究。通过研究有以下成果及认识:鄂尔多斯盆地及其周缘地区沉积盖层可划分为五大构造层序,盆地的形成和演化分为六大构造阶段:太古代至古元古代基底形成阶段、中新元古代克拉通内裂陷槽或坳拉槽演化阶段、震旦纪一早古生代华北陆表海盆演化阶段、晚古生代一旱中生代华北克拉通坳陷演化阶段、中生代中晚期大鄂尔多斯内陆盆地演化阶段及独立鄂尔多斯盆地的形成、新生代周缘断陷盆地演化阶段。盆地不同的构造沉积演化阶段受不同的构造动力体系控制。中新元古代为大陆裂谷集中发育阶段;古生代主要受控于古亚洲构造动力学体系;中生代主要受控于中特提斯一古太平洋构造动力体系的联合作用和影响,其中早期(T)主要受特提斯动力体系影响,晚期(要受古太平洋动力体系影响;新生代主要受控于新特提斯~今太平洋构造动力体系的联合作用和影响。将鄂尔多斯盆地的断裂构造遣划分为盆地周缘断裂系统、盆地基底断裂系统、盆地盖层断裂系统和盆地盖层裂缝系统。盆地基底断裂最为发育,且主要发育中缝系统以发育垂直裂缝为主,可形成于不同时期,常成对出现共同纽成平叉摘要面今的裂缝性质是喜山期最终作用的结果。裂缝的发育极大地改善了鄂尔多斯盆地低渗储层的储集性能,是控制油气最终就位和聚集的主要因素。鄂尔多斯盆地中部气田地区存在一中部坳陷带一即乌审旗一靖边一安塞一甘泉坳陷带,该中部坳陷带并非沉积坳陷,而是加里东、早华力西运动构造改造后的残余地层分布坳陷带一即构造坳陷带。同时靖边一米脂地区又是马家沟组的一残余生烃坳陷,可视为中部坳陷带的一个次级构造单元,主生烃坳陷中心大致在陕参1井一带。中部坳陷带、残余生烃坳陷和中部气田分布范围的叠合,反映了它们之间内在的成生联系,表明中部气田的分布明显受控于中部坳陷带。不同期次的盆地构造应力场研究表明:盆地区域主压应力场方向在加里东期呈要是晚奥陶世以来秦岭洋盆向北俯冲并与华北板块碰撞的结果;印支期主要呈Nw—要受中特提新构造动力体系中羌塘地块与欧亚大陆碰撞拼贴产生的远程构造效应影响,西北缘呈Nw—山期主要呈要受古太平洋大陆板块与欧亚大陆板块碰撞远程构造效应影响,盆地西南缘呈NE—马拉雅期呈要受新特提斯构造动力体系和今太平洋构造动力体系联合作用影响,即今太平洋板块和印度板块与欧亚板块俯冲碰撞有关。构造裂缝系统控制着奥陶系储集层的发育和天然气的聚集。强度较大的加里东期和燕山期构造应力场决定了盆地内裂缝系统的形成和演化,喜马拉雅期构造应力场决定了古生界天然气藏的最终就位空闽,不同时期、不同性质、不同舰摸裂缝系统的交汇部位,通常都是天然气运移和聚集的主要场所,裂缝密集带及其相互交汇处通常又决定着天然气的高产部位。各时期构造应力场都程度不等的决定着天然气运移通道及其指向,决定着圈闭中天然气的聚集及其再分布。乌审旗一志丹南北一线为一构造转换枢纽带,是下古生界天然气主要聚集区。加里东一华力西期,它是整体西高东低构造背景上的一个次级开阔坳陷带;印支期基本构造面貌并未发生大的变化;燕山早中期,它作为一个独立完整的坳陷带存在;在燕山晚期区域构造反转,使东部抬升,西部下降,到早白垩世末转变成为靖边一志丹斜坡带。该构造转换抠纽带,在整个油气运聚史中,它是左右逢源、上下逢源,从而成为下古生界天然气聚集带并形成了世界级的中部大气田。关键词:鄂尔多斯盆地 构造沉积演化 断裂系统 构造应力场 古构造下古生界 奥陶系 天然气聚集———— 望些查兰堡主兰堡垒查 !!is a is in an a it is on t of al'in he of eS up it is n to is y to he on of in he jn y in 97 of in in by of of he me.as be he he in s∞to of i of by he in in )it in 3 英文摘要of by E W he up of by he is of he of of is a in is t is a a is a t is in t be a of is l is of t is of by he in N is of it to it it Sw‘he of he of of to is in Ⅳis is ne in it in in in it in t as to t is a on in o n。eo—of 我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得西北大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日——一苎二量竺至 :!:第一章 绪论地理上的鄂尔多斯是指河套以南、长城以北的内蒙古自治区伊克昭盟地区。地质上的鄂尔多斯则是指位于华北地台或中朝板块西部,东起吕梁山,西抵桌子山~贺兰山一六盘山一线,南到秦岭北坡,北达阴山南麓,跨越陕西、甘肃、宁夏、内蒙古、山西五个省或自治区,其范围为北纬34。30’~40。20’、东经105。30 7~111。30’,总面积约37×套地堑之南、渭河地堑之北、桌子山一银川地堑一六盘山以东和吕梁山以西范围系鄂尔多斯盆地区,面积约25X 104选题意义及依据鄂尔多斯盆地位于中国大陆中部,是我国陆上第二大沉积盆地和重要的能源基地,具有丰富的石油、天然气和煤炭资源。其油气分布格局具有中生界含油、古生界含气、浅部含油、深部含气,南部富(产)油、中北部富(产)气的特点。深部天然气分布于下古生界海相碳酸盐岩和上古生界海陆交互相碎屑岩为主的两套产气层系。其丰富的石油和天然气资源是我国石油天然气工业“稳定东部、发展西部”战略以及实施“西气东输”跨世纪工程的重要依据和保障之一。目前,鄂尔多斯盆地已经成为我国重要的石油、天然气生产基地之一。其石油资源量为21.08t~85.88X 10h,天然气资源量为4.6×10“~10.7x】o”发现的中部气田地质储量为2500俊杰,2002),是中国陆上第一个世界级大气田,它的扩大和开发对当代中国油气工业可持续发展具有重大战略意义。鄂尔多新盆地2001年产油836.47X 104t,产天然气33.67X 1扩国玉等,2002),其油气当量总和己达1173.18X 1∥t,居全国第五位。鄂尔多斯盆地的石油地质调查始于上世纪初,迄今已有一个世纪的油气勘探史,但真正油气勘探获重大突破仅是近十几年的事情,除了与勘探技术手段的改进和提高有关外,更主要的是对盆地油气她质特征的不断深入认识和对油气勘探新理论的应用,这充分反映了盆地基础地质研究的重要性。另外,作为含有多种类型、多套生烃层系的我国第二大沉积盆地,鄂尔多斯盆地目前的油气资源量和产、储蠡与盆地规模和沉积体积明显不符,全盆地的天然气藏分布规律仍不清楚,这表明鄂尔多斯盆地的油气资源仍大有潜力可挖。同时,作为“西气东输”工程的主要气源基地之~,目前鄂尔多斯盆地的资源保证程度并不高。要解决制约鄂尔多斯盆地油气资源勘探的理论与实践问题,有必要突破盆地范围对鄂尔多斯盆地及邻区的构造沉积演化及天然气聚集特点诸方面系统的开展深入研究,从而为战略基地的资源保证提供理论依据和翔实资料。开展《鄂尔多斯盆地构造沉积演化与下古生界天然气聚集关系研究》的首要任务是进一步做好扎实细致的盆地基础地质研究,包括盆地的原型、盆地的叠加和改造、盆地形成的动力学背景、断裂体系诸方面。也即从盆地的构造沉积演化着手,为在面上寻找油气远景区提供基础地质资料;同时。通过对已知下古生界气田进行重点解削,在盆地构造沉积演化及其相关地质问题研究基础上,研究中部气田区形成的地质背景、中部气田天然气分布特征,从理论上探讨鄂尔多斯盆地构造沉积演化与下古生界天然气聚集特征之间的相互关系。进一步总结下古生界天然气的聚集规律。为盆地内其它地区下古生界天然气成藏条件及分布规律提供依据和范例。·2一 西北大学博士学位论文2研究现状及存在问题鄂尔多斯盆地一百年来的油气、煤田地质及其基础地质研究工作,已积累了大量的资料和取得了丰硕成果。这些成果集中体现在《中国石油地质志(卷十二:长庆油田)》(李克勤主编,1992)、《鄂尔多斯断块构造和资源》(张抗,1989)、《中国天然气地质学(卷四:鄂尔多斯盆地)》(杨俊杰、裴锡古主编,1996)、《鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价》(王双明主编,1996)、《鄂尔多瓤盆地天然气地质》(张福礼等,1994)、《鄂尔多斯盆地构造演化与油气分布规律》(杨俊杰,2002)、《鄂尔多斯盆地西南缘地质特征及其与秦岭造山带的关系》(周鼎武,1994)、《鄂尔多斯盆地西缘掩冲带构造与油气》(杨俊杰主编。1990)、《鄂尔多斯盆地西缘地区石油地质论文集》(1983)、《陕甘宁盆地西缘逆冲推覆构造及油气勘探》(汤锡元等,1992)、《鄂尔多斯地区早古生代岩相古地理》(冯增昭,1991)等著作中;“六五”、“七五”、“八五”、“九五”等国家科技攻关项目《鄂尔多斯盆地北部上古生界煤层气形成分布规律及远景评价》(65一18~《鄂尔多斯地区天然气富集条件》(75—54一《鄂尔多斯盆地天然气形成条件及找气领域研究》(75~54一9)、《陕甘宁盆地中央古隆起及周缘地区大中型气田分布规律及勘探技术》(85~102《鄂尔多斯盆地北部、南部天然气评价与勘探方向研究》(85~102《鄂尔多斯盆地古生界天然气富集规律与勘探方法研究》(96—110一03)、《鄂尔多斯盆地吉生界天然气成藏系统及勘探目标选择》(96一】】0课题及其相关专题研究成果报告,使鄂尔多斯盆地的基础地质研究程度大为提高,它们已经成为研究鄂尔多斯盆地及其油气地质的最基础资料,同时也是最具代表性的研究成果;另外还有大量的相关文献散见于诸多公开发行的国内外学术刊物上。总结研究以往成果,主要集中在以下几个方面的研究:一是对盆地诬缘冲断构造带及其与油气关系的研究;二是对古生界天然气的富集规律、条件及气区构造演化与天然气聚集的研究,尤其侧重于中央古艟起的形成和演化研究;三是对中生界油气富集规律的研究;四是对鄂尔多斯盆地聚煤规律的研究。限于以往勘探和认识程度以及勘探目的,关于鄂尔多斯盆地构造沉积演化以及下古生界天然气勘探,尚存在以下有待深化研究和解决的理论与实践问题:在盆地基础地质研究方面,包括盆地形成和演化的动力学背景、盆地的类型和原型的深入系统研究;断裂系统的分布特征、形成期次、活动特征及其对油气藏形成与分布的控制作用;盆地内隐伏基底断裂的证据及其活动性研究,盆内裂缝系统的发育分布规律;构造应力场特征及其转换对油气藏形成与改造的控制作用,包括对烃源岩、储集层和盖层的控制和影响:奥陶系产气层的古构造特征和演化的精细研究。这些问题都直接或闯接的制约和影响着鄂尔多斯盆地下古生晃天然气运移和聚集,也制约着鄂尔多斯盆地下古生界天然气的勘探。3研究愚路与方法(1)指导思想自上世纪50年代以来,国内外学者相继从含油气盆地的角度,分析、研究油气的形成和富集规律,并用以指导油气勘探实践(布罗得953:在艺,1960;朱夏,1965:973;李国玉,1978;980;赵重远。1988、1990、1993;赵锡奎。1991)。980)曾明确指出“没有盆地就没有石油”·李国玉(1978)在国内首先提出“沉积盆地论”作为油气勘探的思想,并在1990年考察了云南的面积仅93大胆的将其“沉积盆地论”总结为“天生盆地必有油”(李国玉等.2002)。尽管未必“天生盆地必有油”,但关于含油气盆地论的思想是无可置疑的。因此,评价、预测油气远景和寻找油气资源,就必须从研究盆地入手。牢固树立完整的沉积盆地的箜二主 堡堡 :!:概念。鄂尔多斯地块作为统一的华北克拉通盆地的一部分,经历了从古生代到早中生代的长期发展。晚印支期到早中燕山期,华北盆地开始从东向西渐次退缩,形成了所谓大鄂尔多斯盆地。晚燕山期(早自垩世)变成了鄂尔多斯地块上的~个残余盆地一即独立的鄂尔多斯盆地,与现今的盆地范围大体一致。现今的鄂尔多斯盆地实际上是喜马拉雅期以来所形成的一个四周被断裂所限的构造盆地,除历时较短的早自垩世外,之前从来曾成为一个独立的沉积盆地。因此,分析鄂尔多斯盆地的构造沉积演化,不能仅局限于盆地内,也不能仅局限于盆地现今的构造形态,必须坚持楚体、动态和综合的原则(赵重远,1990;1993),对其进行全面的分析和解剖。组成中国大陆的各地块(块体、板块)在地质历史上曾处于劳亚大陆与冈瓦纳大陆之间,是古皿洲、特提斯、滨太平洋三大构造域交切、叠加和复合的地区,这些块体是华北、塔里木、扬子、华夏、羌塘、拉萨、准噶尔和松辽等地块,它们构成了沉积盆地发育的必要基础。这些块体的最基本特点是多而小,彼此相隔不远,所以地质演化过程中经历了多次分合与升降,与世界上几大克拉通块体相比,具有鲜明的不稳定和“多动症”特征,这可能是发育其上的沉积盆地具有多旋回叠台型发育特点的根源之~。鄂尔多斯盆地便是发育在华北克拉通之上并位于其西部的一个多旋回叠合型盆地(孙肇才等,1980;张恺等,1980;孙圉凡,1981:孙国凡等,1986),其形成历史早、演化时间长。在不同的构造演化阶段,其形成和演化明显的受到古亚洲、特提斯、滨太平洋三大构造动力体系的控制和相互影响。为了深入探讨控制鄂尔多斯盆地形成演化的地球动力学背景,研究盆地构造沉积演化的主控因素,本次研究突破以往就盆地研究盆地的老思路,从更大区域范围探讨鄂尔多斯盆地的构造沉积演化,即研究古亚洲、特提斯、滨太平洋三大构造域的演化特点及其对鄂尔多斯盆地形成演化的制约作用。这是本文进行盆地构造沉积演化研究的总体指导思想。(2)研究思路本文在分析盆地基底以及盆地断裂系统的基础上,通过盆地及邻区构造与沉积演化的研究、奥陶系产气层古构造格局及其演化的研究、盆地构造应力场及其转换对盆地建造和改造以及与下古生界天然气聚集关系的研究,着重解决三个关键性的科学问题:一是盆地的性质、原型及其形成的动力学背景;=是不同期次构造应力场下形成的不同世代盆地之间的叠置关系;三是盆地改造与天然气藏的形成、重新分配和最终就位。①盆地性质和原型及其反映的构造应力场特征主要是通过盆地内构造层序、沉积型式、沉积相带、成盆期改造特征以及区域动力学背景等系统研究来实现的。它以恢复未经叠加改造前的盆地原貌及其充填体的展布特征为重点,实际上就是对盆地单元、沉积体系和成盆动力学系统的恢复。对于有多个不同世代原型盆地叠加组合雨成的叠合盆地来讲,就是要分期次的恢复不同时期的盆地原型及沉积格局或沉积体系的空间展布,从而可总结不同构造期原始生油坳陷的分布及其迁移规律。②对于盆地的叠加,实际上就是一种构造、沉积作用的多旋回表现。当一个盆地原型叠加在先期盆地之上,这时不仅有沉积体的叠加,也还有运动与构造的叠加,这是由于运动体制和构造应力场发生了转换,实际上体现了盆地动力学背景的变化。这种叠加通常导致盆地构造系统的转变与盆地内新的油气聚集关系的形成。③盆地改造和各种构造形迹的形成是构造应力场转换及构造运动的直接结果(反映)展,同时也在不断地改造或消亡,所有这些都体现在构造应力场的转换及构造运动的强度上。褶皱、冲断层、不整合是构造应力场及其转换的标志,坳陷及其沉积则是构造应力场的另一种表现形式。这里所说的盆地改造是指由于构造应力场的转换对盆地原型及其先期构造系统的改造。通常情况,伸展与坳陷作用多表现为长期的、渐进式的发展过程,而挤压与剪切构造作用则多表现为短期的幕式发展(改造)过程。。4. 西北大学博士学位论文不同形式的构造作用导致了鄂尔多斯盆地不同的改造形式:幕式改造、边缘改造和全面改造。改造程度的强弱和断裂系统的发育程度及分布特点直接控制了奥陶系天然气藏的形成与分布。(3)研究方法:①本着实事求是的原则,采取严谨的态度,广泛收集和学习前人的研究成果与资料,根据资料拥有情况和存在的问题,进行野外地质调研,补充和收集第一手资料,并将野外地质调查和室内综合研究结合起来。②将区域构造背景与地层层序或地层样式有机的结合起来,引用构造层序的概念,遵循建造与改造相结合的原则,确定和划分构造层序及其反映的盆地演化阶段。根据鄂尔多斯盆地及周缘地区的鼹头、钻井岩心、测井和地震等资料,遵循建造与改造相结合的原则一即根据各种不整合面、沉积建造、构造变形和应力场转换等特征,将鄂尔多斯盆地及周缘地区沉积盏层划分为若干构造层序。每个构造层序代表了盆地的一个演化阶段,分析各构造层序所代表的地质构造期的盆地原型及其古构造格局。为分析盆地形成和发育过程中的动力学体制及其转变提供理论依据和实际资料。③开展不同期次古构造应力场的分析。地壳变形和构造运动是在地壳应力场及其演化严格控制下进行的。其在岩石中所留下的构造形迹是研究地壳应力场特征及其演化历史的“化石”。地质历史时期的应力场已不复存在,必须充分利用各种地质体中保留的不同期次的各种构造形迹(如不同规模的褶皱和断层、节理、小型变形地质体、各种变形线理构造、显微构造和超显微构造等),来反推其形变作用发生时的构造应力场状态。通过构造形成序列或期次的重新确定,系统分析并编制不同期次构造应力场。并探讨应力场转换与天然气的运聚关系。另外,由于区域最大主压应力方向基本上就是地块的相向运动方向、板块内部的缩短方向以及裂谷的走向,最小主压应力方向就是板块内部的拉张方向,因此在盆地构造应力场研究中可采用沉积相带、沉积等厚线、同沉积构造等来协助确定区域应力方向(万天丰等,1988、1995;w.1989,991)。④进行相关构造图件的编制。a.通过奥陶系产气层马家沟马五上段小层划分与对比,编制马五上段各小层厚度图、奥陶系顶面和马五顶面古、今构造图,并编制C、1、l、析奥陶系项面和马55顶面的古构造演化史,探讨它们的构造演化与天然气成藏关系:b.利用钻井资料,编制盆地中部地区东西向和南北向两条区域构造演
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