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鄂尔多斯盆地上古生界沉积体系及油气富集规律研究

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鄂尔多斯 盆地 上古 沉积 体系 油气 富集 规律 研究
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分类号:——密级:——单位代码: !鳗2: 2!缎西北大学博士学位论文题目: 郢巫玺蚯坌地土直生昼沉塑住丕及浊氢宣塞趣徨班塞指导教师: 奎塞厘 专业技术职务: 数援学科(专业): 浊氢圈地厦皇珏筮答辩日期: 星位授予日期:二0 在综合前人研究成果和已有勘探资料的基础上,综合运用了沉积学、层序地层学、储层沉积学、石油地质学等最新理论和进展,立足全盆地上古生界区域地质大背景,系统地分析了盆地上古生界层序地层、沉积体系及其成煤环境的特点。在此基础上,以基本成藏条件分析为手段,以高效储层分布及运聚成藏为线索,以气层分布及天然气富集规律为重点,系统地分析了盆地上古生界气藏成藏地质条件、成藏模式,高效储层形成机理及分布、天然气分布规律及有利勘探目标的预测与选择。在地层划分和对比基础上,把盆地石炭一二叠系上古生界划分为2个长期基准面旋回)、8个Ⅱ级层序(相当于长期基准面旋回),22个Ⅲ级层序。并根据不同层序的沉积特点,划分出3个沉积体系组、8个沉积体系(相)、22个亚相和40多个微相,深入详细地讨论了各类相、亚相、微相的特征和时空分布。在区域地质背景、古流向、轻、重矿物及微量元素分析的基础上,认为盆地北部可分3个主要物源区、盆地南部分为4个主要物源区,同时提出西部物源在盒8期以后开始补给的新认识。而且,首次从岩石地球化学特征上分析了南北物源区构造特征,认为其构造属性特征明显不同.在此基础上,揭示了各时期的古地理及其演化特征,提出了盆地在早二叠世发育扇三角洲及盒8期发育高建设性辫状河三角洲体系的新认识。认为早二叠世主要形成了障壁海岸、河流(或三角洲平原)及潮控三角洲这三种成煤模式。上古生界烃源岩在盆地东西各有相对生气中心,天然气属广覆型煤成气,具有连续生气,生气高峰东早西晚的特征。储集体呈“高填隙物含量、高成分成熟度和低结构成熟度”的岩石学特征。储层的储集性能明显受控于物源及沉积相。主要储层类型有I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类,并以Ⅱ,Ⅲ类储层为主.认为高效储层多出现在由快速海(湖)侵一振荡性进退(砂体进积)一低位相对平静期构成的准层序旋回中的高能水道沉积的粗粒、含砾租粒、中一租粒石英砂岩中.孔隙组合主要为粒问孔型、粒闻孔+溶孔型及溶孔+粒间孔型。在区域分布上高效储层受沉积相、构造、物源及成岩作用控制.以有效烃源岩评价为起点,以油气的运移聚集为枢纽,以天然气成藏和分布为目标,提出了上古生界天然气以就近、择优、多层段聚集成藏模式为主,主要形成有三种成藏组合类型,而且不同成藏组合的成藏过程和主控因素不同。油气富集的主控因素是:①丰富的气源是岩性气藏富集的物质基础;@优质的三角洲储集体是天然气主要富集区;@受一定纬度控制的多期构造裂隙交汇部位是天然气高产的重要因素。盆地内上古生界天然气产区均具有多层含气的特点,但主要分布在靠近气源的山2、山且产气层由盆地中心向东、北、西部逐渐抬升。综合分析认为盆地中部陕北斜坡大型岩性气藏分布区仍是目前天然气勘探的主攻方向,西部的西缘逆冲带、天环坳陷是构造气藏勘探的重要领域,北部伊盟隆起和南部渭北隆起是天然气勘探的战略接替区。建议将苏里格庙以西和西南地区的三角洲平原及前缘砂体作为下一步研究和勘探的重点,对盆地南缘的三角洲砂体亦应加强研究和勘探.关键词:鄂尔多斯盆地;上古生界:沉积体系;成煤模式:物源分析;成藏条件;富集规律on at of s /in in on of is on of n of 2 on of 22 0of of on in in to of by to in in in in in of 1砖e in 1聆of in is m 、Ⅱ、ⅢI li he in c∞怫by in of to to 卿1舱by 血of he in .as .s .on of in of as at e of as he as a“娜ey as 北大学学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时,本人保证,毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北大学。 篡纛篡霎蕴…獬:么盈学位论文作者签名:瀣!笠渔 指导教师签名:么乏垒:箜2007年6月弘日 2007年6月二日西北大学学位论文独创性声明本人声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,本论文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它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:敝参乳2007年6月够日第一章绪 论第一节选题来源、依据、目的和意义一、选题来源及依据本论文的选题基于作者近6年来所参加及部分负责的13项鄂尔多斯盆地古生界科研课题,分别是‘苏里格庙地区上古生界沉积相与储层研究》(2000);鄂尔多斯盆地西北部上古生界砂体展布研究(2001);鄂尔多斯盆地东部古生界沉积相与储层研究(2001);鄂尔多斯盆地东北部山西组沉积相研究(2003);鄂尔多斯盆地中南部沉积储层特征及选区评价(2003);陕北富县探区古生界储层与沉积相研究及有利目标区预测(2003);鄂尔多斯东北部山西组沉积相研究(2004);镇探004);鄂尔多斯西缘前陆盆地上古生界沉积体系研究(2004);鄂尔多斯盆地西南部山西组沉积相研究(2005);鄂尔多斯盆地北部杭锦旗地区上古生界油气成藏规律研究(20003;鄂尔多斯盆地北部伊盟地区上古生界储层及气层发育特征研究(2006);延长油田中生代侏罗纪及古生代层序地层学研究(2006~2007).鄂尔多斯盆地为我国第二大含油气盆地,是一个稳定沉降、坳陷迁移,扭动明显的多旋回内陆克拉通含油气盆地(赵重远,1990;田在艺,1997;任纪舜,1999;杨俊杰,2000,2002;张福礼,2004)。整个盆地上古生界地层分布广,含油气层位多,具有丰富的天然气资源和巨大的潜力。自1994年盆地天然气勘探重点从下古生界转向上古生界以来,在长庆气田北部的榆林区和乌审旗区上古生界天然气勘探获得了重大成果,探明和控制天然气地质储量超过2X 10”一(赵林,2000).上古生界已经成为盆地大幅度增加储量和提高储量丰度的主要层系.受构造运动、海平面升降、沉积物供给等他生旋回因素和沉积过程中自旋回机制的双重影响,盆地晚古生代沉积体系类型多样(魏红红,2002),而且,其构造格局、沉积格架和相带分布及其在时间上相互联系和发展及在空问上的位移分布、叠置关系和演化机制使其沉积体系分布更复杂。因此,长期以来,由于涉及的区域较大,而且好多勘探矿区隶属于不同的勘探实体.对整个盆地上古生界沉积相的全面研究很少,认识也不尽统一.而且,随着天然气勘探的不断深入,许多新的地质问题也不断出现,如上古生界气层在区域和层系上的分布差异问题:平面上,从天环地区向东部地区,气层层位增多,并有向浅部层位延伸的趋势,苏里格地区主力产层为盒8,山I,榆林地区为山2,东部神木—米脂地区为山西组、石盒子组、石千峰组;纵向上,山西—太原组、石盒子组、石千峰组三个储盖组合成藏规模也有明显的差异。上述地质现象的存在已无法简单的用“上石盒子组和石千峰组为区域盖层”而建立的天然气成藏模式来解释,同时也使我们联想到,其它层系是否也能形成工业性气藏?成藏规模有多大?主要聚集在什么地方?油气富集的规律是什么?等等类似的问题。而这些问题的解决都与沉积体系及油气富集规律密切相关,因此,为了扩大探明储量规模,加快盆地天然气勘探步伐,很有必要对上古生进一步勘探提供依据。二、研究的目的及意义回顾鄂尔多斯盆地上古生界勘探历程,历经盆地“边缘勘探、小气田发现、大气田发现”的历程,曾经创造了举世闻名的“苏里格庙大型岩性气藏”富集高产的辉煌,也探明了盆地西缘的一些构造油气藏,为中国油气的发展做出了重要贡献。但进入2着勘探程度的不断提高,规模较大、较易识别的气藏大多已被发现,构造油气藏规模探难度越来越大,增储上产日趋困难,勘探形势面临严峻的挑战。但天然气在国民经济中越来越重要(李景明,2004),油气储量、产量不足与需求之间的矛盾,可能成为制约我国快速发展的一个重要因素。面对天然气勘探开发对象日趋复杂,急需加大勘探研究力度,增加后备油气储量,预测优质储层分布,才是解决问题的根本。而鄂尔多斯盆地的天然气主要受岩性岩相控制,寻找新的岩性气藏为今后储量的主要增长点。而鄂尔多斯盆地上古生界具有很大的天然气资源潜力,资源转化率还较低。据2001年统计,盆地探明天然气地质储量1.1831 X 101留,可采储量8274.58 X 10'制地质储量3363.57升级控制储量3363.57×to"测地质储量6042.62然气资源转化率仅为11.1%。根据国内外油气勘探的经验,在含油气盆地油气勘探的中后期,岩性气藏的数量和储量将大幅度地增加,因此上古生界仍有较大的岩性气藏勘探潜力。但应该看到,盆地上古生界岩性油气藏勘探仍面临着许多难点和挑战,突出地表现在对岩性油气藏的形成条件、分布特征、成藏模式等方面的地质认识尚不够全面,岩性油气藏的勘探配套技术也还不成熟等诸多方面.研究表明,盆地上古生界气藏的分布显示了与沉积相带具有密不可分的关系。气藏富集主要受岩相和岩性的控制。因此本文在前述科研项目的基础上,并结合近几年来前人的研究成果,对盆地上古生界沉积时的沉积体系及物源分布、有利储集体的时空分布、形成煤成气的煤的聚煤环境与成煤模式,揭示盆地在晚二叠世各个时期的沉积环境格局、沉积和有利储集体分布的关系,为确定渗透性砂体的形态及其展布提供了有益的帮助,并进行地质评价及天然气成藏条件及富集规律研究,以期更好地为盆地天然气探开发工作服务。第二节国内外研究现状及存在的问题一、研究的手段、方法及发展趋势鄂尔多斯盆地中部上古生界砂岩气层的形成受控于不同沉积体系的相互配置(张晓莉,2005),多期分流河道砂体在侧向上相互连通为形成横向上分布稳定、规模较大的工业气藏提供了条件(王怀厂,2005)。平面上,由南向北,距物源愈近,砂岩粒度越粗,杂基含量越低,成岩压实作用和晚成岩期胶结作用越弱,物性条件逐渐变好。纵向上,随地层变新,其沉积相从三角洲前缘亚相至三角洲平原亚相再到河流相,物2性呈变好趋势。储层物性北好南差的特征,主要是由于沉积相和成岩作用差异所致(朱宏权,2005)。这种特征决定了上古生界的研究手段及方法主要是围绕沉积相和储层展开的.近年来,高分辨率三维地震的采集和处理技术、层序地层学分析技术、储层评价,各种地震资料的反演、正演等新技术与传统研究方法的结合,为沉积学研究提供了丰富的手段。随着现代科技的不断进步,新理论和新技术的开发应用正显示出极大的经济和社会效益。首先,随着地震资料分辨率的不断提高,预测古地形、古地貌、基底、地层超覆线、剥蚀线、最大湖泛面、不整合面、断面和顶底面等在平面上变化也更加容易,更加准确,而且为物源分析,沉积体系研究也提供了构造,沉积背景等方面的基础资料.其次,不同学派的层序地层学(包括P.R )湖泛面为层序界面的成因层序地层学、论和分析技术为在等时地层格架内预测地下有利砂体的展布规律提供了最有利的依据,与层序界面及层序内部的最大海(湖)泛面等晃面相结合可以最大限度地预测岩性、地层,准确预测砂体及砂体展布提供了可能,也为沉积体系研究提供了得力的工具。再者就是随着现代测试技术及手段的不断提高,地球化学方面的研究逐渐更多应用到沉积环境的研究中.利用元素的地球化学特征来识别构造环境、沉积微环境及分析物源的研究也目趋成熟.总之,在以新理论、新技术的不断推广应用下,只有根据不同的勘探阶段做到理论和技术的不断创新、做到基础研究与新技术的一体化和集成化,进一步的勘探才会不断有新的发现和突破. 一目前这些研究手段、方法的发展趋势是多学科理论、多现代测试技术方法相结合,而且研究也逐渐向从宏观到微观、从二维到三维、从定性到定量的方向发展。二、国内外研究现状及存在的问题近几年来,随着勘探开发工作的不断深入,鄂尔多斯盆地勘探面临的对象越来越复杂,勘探难度逐渐加大,尤其是上古生界这套低渗透致密岩性气藏的勘探存在下面的地质问题。(一)上古界勘探及油气成藏理论研究现状及存在的问题鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地,也是目前中国发现101期以来,鄂尔多斯盆地天然气勘探的过程是一个地质认识不断深化和勘探技术不断发展的过程,同时也是勘探不断逼近目标,直至取得突破的过程。整个盆地天然气勘探经历了三个阶段(盆地边缘勘探、小气田发现、大气田发现)的历程和四个方面(勘探层系、储层类型、勘探地域、圈闭类型)的勘探战略重点转移。①上个世纪50年代一70年代初,按油气苗钻探。在盆地北部地区油气苗的下倾方向构造圈闭钻探油气井,并钻少量参数井。②70年代初煤成气理论和构造圈闭成藏理论为指导(987),在横山堡北背斜断褶带的勘探历经3年多,完钻43口井,仅探明含气面积3块6.5时,探明天然气地质储量20.5x 10留,盆地西部在西缘断褶带仅钻探环14井、龙1井、庆深1井、龙2并、庆深2井等井,其中环14井见到了不同程度产量的天然气和油苗,南部的石楼、古驿和窑渠构造钻探了楼1、蒲1和吉1井,石盒子组和山西组均产水。③1985构造圈闭为指导,勘探的战略重点由盆地边缘向盆地内部转移.在盆地西部由西缘断褶带向天环向斜发展,在天环向斜钻探了天深1、天1、天2、李1、李华1和布1,未取得突破。在盆地东部由晋西挠褶带向陕北斜坡的镇川堡一带转移。发现了构造岩性圈闭的镇川堡气田,提交控制储量38X 1喃f。④1989古生界中部大气田的发现。在西有天深1井,东有洲1井、麒参1井在奥陶系获得工业气流的启示下,南部在庆阳一黄陵隆起段西南翼缓坡带钻探宁探一步了解到渭北到古隆起之间的地层变化、储集性能、构造关系,以及榆9井钻穿奥陶系3层膏盐层,这些都深化了对奥陶系沉积相的认识。1989年在盆地中部部署科学探索井一陕参下古生界奥陶系风化壳获得日产28.34×lO'后甩开钻探的榆3井也获得成功,证实了风化壳的大面积连片,从而取得了奥陶系风化壳勘探的重大突破,至1999年底在下古生界已探明天然气地质储量2384.85×lO'1995古生界大型岩性天然气藏的勘探。在下古生界勘探的基础上,进一步认识到上古生界存在较大的勘探潜力,开始逐渐向上古生界勘探转入.@2000年以来,由以下古生界为主的勘探转入以上古生界为主,通过老井试气、地震目标处理等砂层预测技术,重新认识上古生界砂岩气层,使上古生界石炭一二叠系天然气勘探也取得了突破,于2000年发现了苏里格大气田。随后又在鄂尔多斯盆地北部的天然气勘探上也先后获得许多重要发现。对上古生界砂岩气藏也形成了共性认识:具有满盆生气、煤层为主,到处有气、一大四低(面积大、低孔、低渗、低压、低储量丰度)的特点.长庆油田公司经过多年的艰苦努力,探明了鄂尔多斯盆地上古生界万亿方大气区,发现了苏里格、榆林,乌审旗、子洲和米脂等大型砂岩岩性圈闭气藏。纵观这些气田的勘探及发现过程,可以认为,近十年来,科研人员对鄂尔多斯上古生界从生烃、沉积、储层、构造及成藏等方面曾进行过较为系统的研究,显示了这套地层具有较强的生烃能力,完好的保存条件,有利储层主要发育于上古生界分流河道砂体及水下分流河道砂体;沉积格局受古构造背景控制;构造控制沉积相带,沉积相带控制着气藏分布,气田主要是大型的岩性气藏等(何自新,2003;王少昌,2005;赵林,2000;张金亮,2005:李景明,2002;王怀厂,2005;朱宏权,2005;林雄,2005;汪泽成,2005;赵国泉,2005;杨华,2005;付金华。2005)。但是,随着勘探工作的不断深入和发展,盆地内上古生界天然气勘探面临的对象越来越复杂,主要存在以下特征:①含气砂岩储层横向剧变:②80%—90%的气层分布在山2段及下石盒子组下部;@含气砂层呈条带状展布;盆地边缘构造复杂;@高效储层主要控制因素不明确。截至2005年底,在盆地古生界共发现八个气田,累计探明地质储量13097.73×10留。上古生界储量达万亿立方米,已发现气田主要分布在盆地伊陕斜坡的北部,而盆地西部、南部及东部勘探程度较低,有些地区多年来一直没有开展过工作,油气地质条件还认识不深,多没有发现规模的气田。如盆地东部,在“六五”煤成气研究成果指导下,于1984年在晋西挠褶带部署3口探井(楼1、吉1、蒲1井),仅蒲1升获少量天然气。1985年转入陕北斜坡,首先在麒参1井获得工业气流,到1990年共完钻各类探井36口,其中日产大于1万方的探井有19口21层。1999年在受深盆气理论4(1979;袁政文,1996;张金亮,2005;闵琪,2000)的影响下东部地区再次成为勘探的热点地区,在老井中首先取得突破性进展,在石千峰组首次发现气层、上石盒子组首次试出工业气流。神3、榆17井上石盒子组和石千峰组气层的发现,为上古生界区域成藏条件的认识提出了新的挑战(杨华,2004;张清,2004;李振宏.2005;张清,2005)。再者,太原组灰岩气藏勘探取得新进展(蒋继辉,2004;魏新善,2005)。自1989年、1990年镇川11、洲3井在太原组灰岩裂缝性储层中获得12.2眼初产)、14.2×m'/d(裸眼初产)工业气流以来,由于种种原因,盆地东部上古生界天然气勘探一度暂缓。2000年钻探的麒2井在太原组又发现了生物体腔孔溶蚀孔隙性储层,经试气获得了2.0593X lO'mS/口产能).通过与邻井对比,太1灰岩孔隙—裂缝型储层在盆地东部该气层具有一定的分布范围。位于麒2井西南方向30麒参1井测井解释为可疑裂缝层,陕16、69井该层测井解释为裂隙层.初步预测该区具有较好的勘探前景,但对太次,山西组山2气层见到良好气显示,有望成为盆地东部地区重要的勘探目的层。麒2井在山2底部气测异常明显,压裂后日产气2.0319×lO'4井在山2底部砂岩测井解释气层及含气层厚6.6Ⅲ,岩心分析平均孔隙度6.9~9%,平均渗透率(0.7~2.13)测全烃最大9.65%,基值0.79%,属较好的储层,可望获得工业气流。对于盆地西部及西南地区,由于构造复杂及部分钻井天然气成果不甚理想,多年的研究程度也不高,从1978年以来也仅仅只钻探了环14井、龙1并、庆深1井,龙2井、庆深2井、旬探1井、宁探后近十年中。上古生界几乎没有再开展工作,就盆地西南部现有的认识程度(杨俊杰,1990;汤锡元,1992;蒲仁海,2000;赵林,2000;付金华,2000;汪泽成,2005;王少昌,2005)也很难满足勘探工作的需要。(二)全盆地上古生界沉积体系的研究现状及存在的问题盆地上古生界沉积环境及沉积体系研究开展较早,从上古生界早期勘探开始,长庆油田的沉积学专家们已经做了大量工作,对上古生界地层、沉积格局、沉积环境、沉积演化等诸多方面进行了较为细致的研究。而且国内许多专家、学者用不同的方法,以不同的尺度和规模对其进行了研究(魏红红,2002;付锁堂,2003;郭英海,1998,2000;何自新,2003;杨仁超,2004,张晓莉,2005赵培坤,2005,汪正江,2002何义中,2001等)。但是这些研究由于所依据的理论体系的不同和研究方法、手段的差异,对同一地区、同一层系的沉积体系所得出的结论也不尽一致,难于满足岩性油气藏勘探对沉积相研究的要求.尽管沉积相解释结果划分观点不一,但是,他们的研究成果为本次研究提供了很有意义的参考。详细研究各种版本的解释结果,可以看出其中仍有一些共识.这些共识为作者的沉积体系研究奠定了基础。20世纪70年代初,第八届世界石油大会就明确指出:“世界油气储量的巨大增长远景来自地层圈闭的勘探”.长庆油田近些年来加强了岩性油气藏的勘探,并取得了显著成效.并且,随着油气藏勘探的不断深入,要求沉积、储层,油气富集规律的研究向更深、更精发展。即以重点区带为研究对象,利用储层预测等新技术、新方法,细化到体系域或准层序组(砂层组)的沉积微相,提高有利岩相带和储集相带预测的准5确性和可操作性,分析油气藏的形成条件,指出形成油气藏形成的最有利沉积相带成为目前鄂尔多斯盆地上古生界岩性油气藏的重点研究方向。(三)上古生界物源分析的研究现状及存在的问题关于鄂尔多斯盆地晚古生代物源,许多学者从不同的侧重点进行了分析(汪正江,2001;席胜利,2002;刘锐娥,2003),为作者研究鄂尔多斯盆地盆地晚古生代早一中期物源提供了构造演化、古地理变迁、源区母岩性质、陆源碎屑组分标型特征等方面的参考及帮助。但是如何具体的分析盆地石炭一二叠纪的物源影响范围,限制物源区的类型,能否和祁连叫对应关系,还值得进一步研究。祁连一北秦岭造山带物源向北影响范围有多大,北秦岭的二叠系是否为盆地内二叠系的边缘沉积,尽管二者存在一定的对比性,但是还不能对南部物源作出中肯的判断。特别对盆地西部的物源几乎没有开展过研究。因此对于多物源的沉积地区,有必要分析其物源的特点.(四)成煤环境与模式研究现状及存在的问题近20年来,有不少学者对晚古生代聚煤盆地开展了大量深入、系统的研究工作,取得了丰硕成果,为认识成煤环境与成煤模式提供了条件和基础(葛宝勋,1985;杨起,1987:刘焕杰,1987;李宝芳,1989;程保洲,1992:陈钟惠,1993:尚冠雄,1997;桑树勋。2001)。但长期以来只重视阐述不同沉积相或沉积体系中,有利于泥炭形成与保存的沉积环境,对这些沉积体系的分布及其对聚煤作用的影响所进行的专门研究则相对少见.贺兰构造带上的晚古生代含煤沉积厚达千米,也明显区别于东侧华北地台区内的同期沉积,应对其成煤环境
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