【论文】刘新社，等：鄂尔多斯盆地奥陶系盐下马四段高含硫天然气成藏特征与勘探潜力

刘新社¹　杨   智¹　魏柳斌^2,3　张才利^2,3

师平平^2,3　王前平^2,3　武春英^2,3

1. 中国石油长庆油田公司勘探事业部

2. 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院

3. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室

鄂尔多斯盆地是发育在太古宙—古元古代结晶基底之上的一个多旋回叠合克拉通盆地，油气资源极其丰富。2023 年鄂尔多斯盆地生产原油3 775.6×10⁴ t、天然气742.4×10⁸ m³，油气当量 9 837.7×10⁴ t，目前是中国最大的致密砂岩油气（以下简称致密油气） 生产基地^[1]。中生界三叠系主要以生产致密油、页岩油等为主，上古生界的二叠系、石炭系以生产致密气、煤层气等为主^[2-6]。下古生界奥陶系马家沟组发育碳酸盐岩、膏岩、盐岩共生沉积体系，目前发现的气藏主要集中在马家沟组顶部风化壳，具有上生下储的源储匹配关系，上覆二叠系—石炭系海陆过渡相的煤系是其主力烃源岩^[7-9]。而远离奥陶系风化壳的盐下整体勘探程度低，前期针对奥陶系盐下烃源岩评价研究发现，有机碳含量平均不足0.3%，按照传统的烃源岩评价标准为差等级烃源岩或无效烃源岩。因此，奥陶系盐下能否形成规模油气聚集受到普遍质疑^[10-14]。

近年来，在全球油气勘探不断向深层拓展的背景下^[15]，鄂尔多斯盆地油气勘探也不断向深层挺进。通过持续深化地质研究和勘探实践，重新认识奥陶系盐下成盆、成源、成储、成盖、成藏地质条件，盆地中东部奥陶系盐下的马家沟组四段（以下简称马四段）天然气勘探取得历史性突破^[16-18]。在盆地中东部马四段古构造格局、烃源岩、储集层、盖层等基本成藏条件认识的基础上，详细探讨了马四段天然气成藏特征及勘探潜力。综合研究认为，盆地中东部奥陶系盐下的马四段为一套发育在低丰度海相烃源岩背景下的准连续型致密碳酸盐岩气藏，该类气藏有望成为鄂尔多斯盆地除了中生界致密油、上古生界致密气之外的第三套致密气含油气系统，值得业界重视。

鄂尔多斯盆地是中国陆上第二大沉积盆地，面积约25×10⁴ km²，盆地的现今构造面貌在晚白垩世末期基本定型，盆地现今划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、西缘冲断带、伊陕斜坡和天环坳陷6 个构造单元，其中伊陕斜坡是油气聚集的主要构造单元（图1-a）。

鄂尔多斯盆地早古生代属于华北克拉通的西南一隅，但是其沉积特征与整个华北克拉通已表现出较大的差异性，如奥陶纪马家沟组沉积时期华北克拉通西南地区发育了大规模膏岩、盐岩，形成了一套碳酸盐岩—膏岩、盐岩交替发育的沉积层，厚度为400 ～ 900 m^[19]。盆地中东部奥陶系马家沟组按照沉积旋回和岩性特征自下而上划分了马家沟组一段、马家沟组二段、马家沟组三段、马家沟组四段、马家沟组五段、马家沟组六段（以下分别简称马一段、马二段、马三段、马四段、马五段、马六段）（图1-b）。马一段、马三段、马五段为海退蒸发岩层，岩性以硬石膏岩、盐岩沉积为主，间夹碳酸盐岩；马二段、马四段、马六段为海侵碳酸盐岩层，岩性以石灰岩、白云岩沉积为主^[20-21]。其中，马四段是马家沟组沉积时期持续时间最长海侵形成的碳酸盐岩层，其为一套陆表海台地沉积背景下的碳酸盐岩沉积建造，普遍受生物扰动作用影响，具有豹斑状结构，岩性以豹皮石灰岩、豹斑状云质石灰岩、灰质白云岩为主， 间夹薄层白云岩^[22]。

2 　高含硫气藏基本特征

2.1 　天然气组分

根据天然气样品分析资料，马四段天然气组分构成中甲烷占绝对优势，其甲烷含量（甲烷占烃类组分的比例）多在94% 以上，平均98.00%，以干气为主；一般乙烷含量为0.01% ～ 3.46%，平均含量1.08% ；丙烷、丁烷等含量则不足1%，戊烷、己烷等较高分子量的烃类含量在0.01% 以内。天然气普遍具有高含硫化氢气体的特征，天然气样品检测硫化氢含量为38.5 ～ 261.8 g/m³。天然气中硫化氢的硫同位素值为－20.05‰～－24.56‰，平均值－22.66‰， 硬石膏岩的硫同位素值为－21.78‰～－27.09‰，平均值－23.90‰，天然气中硫化氢的硫同位素与硬石膏岩的硫同位素值接近，证实天然气藏中的硫化氢气体主要与TSR 反应有关^[23]。

2.2 　天然气同位素

天然气同位素组成分析结果显示，马四段天然气中甲烷碳同位素组成为－44.80‰～－36.40‰，平均值－40.30‰；乙烷碳同位素组成为－27.70‰～ －19.10‰，平均值－24.30‰ ；丙烷碳同位素组成为－25.10‰～－15.00‰，平均值－21.50‰。马四段天然气中甲烷氢同位素组成为－172.00‰～－140.00‰， 平均值为－ 162.00 ‰ ；乙烷氢同位素组成为－140.00‰～－112.00‰，平均值为－119.00‰；丙烷氢同位素组成为－111.00‰～－102.00‰，平均值为－108.00‰。研究发现，马四段甲烷碳同位素较上古生界煤成气偏轻，甲烷氢同位素较上古生界煤成气偏重，指示油型气特征。乙烷等重烃碳、氢同位素与上古生界煤成气相当，这主要与热硫酸盐还原反应消耗烃类气体有关，导致重烃组成含量快速减少， 促使天然气干燥系数变大，从而导致重烃同位素变重^[24]。

2.3 　气藏温度、压力

鄂尔多斯盆地奥陶系盐下马四段气藏现今构造具有东北高、西南低的特征，气层现今埋深 2 500 ～ 4 000 m，温度为80 ～ 100℃。气藏的压力系统较为复杂，根据多口井实测压力结果表明，马四段压力系统完全不同于上古生界致密气。上古生界致密气气藏以负压为主，常压为辅，而奥陶系盐下马四段以高压为主，常压为辅，压力系数为0.92 ～ 1.80。压力系数与气层现今埋深深度没有明显的相关性， 特别是神木—米脂地区浅层气藏压力系数反而较高， 该现象可能主要与燕山期盆地东部抬升，构造挤压变形，地层压缩，气藏压力升高等作用密切相关。

3 　高含硫气藏成藏要素

3.1 　大型陆表海缓坡背景

传统的观点认为，鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组具有“三隆两坳一古陆”的古构造格局，但通过细分小层构造—沉积分异研究发现，马家沟组各层段的古构造格局存在显著差异，依据马四段厚度重新厘定了其古构造格局。钻井揭示，盆地中东部马四段岩性组合特征相似，均以豹斑状云质石灰岩、灰质白云岩为主、间夹豹斑白云岩，由此判断其沉积速率大致相当，地层厚度可以间接反映其沉积期的古构造格局（图2）。盆地中东部马四段厚度具有东薄西厚特征，中部地区鄂托克前旗、乌审旗一带地层厚度大，为200 ～ 240 m，岩性主体以豹皮石灰岩为主，向东至榆林—神木—大宁一带厚度逐渐减薄至100 ～ 140 m，岩性以豹斑状含云、云质石灰岩为主， 顶部普遍发育多套硬石膏层。向南至富县、宜川地区地层逐渐减薄至60 ～ 80 m，由于该区临近庆阳古隆起马四段普遍发生了白云岩化作用。综合分析认为， 盆地中东部马四段具有东高西低的沉积古构造格局， 整个古构造格局主要受北部伊盟古陆、南部庆阳古隆起制约，形成一个向西呈喇叭状开口、向东逐渐收缩缓慢翘升的簸箕状陆表海碳酸盐岩缓坡^[25]。

3.2 　低丰度海相烃源岩供烃

依据取心地化资料分析，奥陶系盐下烃源岩丰度整体偏低，以马一段、马三段为代表的海退蒸发岩层段烃源岩类型以泥质白云岩、云质泥岩、含膏泥岩等为主，并与硬石膏岩、盐岩、泥晶白云岩互层， 其形成于局限海台地环境，单层厚度约数十厘米到几米不等，累计厚度可达30 ～ 60 m，平均有机碳含量约0.3%^[26-28]。近期研究发现，除了马一段、马三段发育泥质碳酸盐岩烃源岩之外，首次在马四段碳酸盐岩层发现了较好烃源岩，马四段烃源岩主要分布在靖边、乌审旗以东、神木、佳县以西的地区，该套烃源岩单层厚度为0.2 ～ 1 m，累计厚度2 ～ 6 m（图3）。岩性以藻纹层石灰岩、白云岩为主，岩心及显微薄片可见明、暗相间的纹层，亮层以碳酸盐岩为主，暗层富含有机质。有机碳含量为0.5 ～ 2.9%， 平均有机碳含量可达1%（图4-a ～ c）。该套烃源岩与砂屑滩共生发育，由于砂屑滩的障壁作用，导致滩后（间）潟湖形成相对局限的沉积环境，从而抑制了狭盐性后生生物的发育，导致生物扰动作用较弱。因此，滩后（间）潟湖有利于广盐性蓝细菌等微生物的发育和保存，为微生物碳酸盐岩型烃源岩的形成奠定了基础^[29-30]。空间上该套烃源岩与滩相白云岩储层共生，古地貌高部位利于砂屑滩发育，滩间潟湖则以形成藻纹层石灰岩为主，形成了源储共生的有利成藏地质条件。

3.3 　发育层控性白云岩储集体

盆地中东部马四段主要发育3 类白云岩储集体^[31-32]。Ⅰ类白云岩储集体主要发育在马四段底部，储层岩石类型为豹斑白云岩，以海生迹为主的生物扰动构造^[33-34]， 其白云岩储层成因主要与生物扰动作用的差异白云岩化以及后期准同生溶蚀作用有关^[35-36]，储集空间以晶间（溶）孔为主，粗粉晶结构，孔隙度为2% ～ 8%， 其中马四段底部储层平均孔隙度可达6% ；马四段上部相对较致密，平均孔隙度不足2%( 图4-d ～ g）。Ⅱ类白云岩储集体主要发育在马四段中部，岩性以砂屑白云岩、层纹石白云岩为主，属台内滩相沉积， 也以粗粉晶白云岩为主，孔隙度为2% ～ 10%，平均孔隙度可达5.4%（图4-e ～ h）。Ⅲ类白云岩储集体主要发育在马四段顶部，其主要与蒸发岩层共生发育，岩性为细粉晶白云岩，储集空间以晶间孔为主， 孔隙度最高可达13%，这主要得益于其临近蒸发岩层， 受准同生白云岩化作用影响，结晶速率快，晶粒较小， 导致孔隙喉道半径小，在中—晚成岩阶段充填程度低， 利于原始孔隙的保存（图4-f ～ i）。上述3 类白云岩储集体的渗透率整体较低，为0.01 ～ 0.1 mD，属于典型的致密碳酸盐岩储层。

盆地中东部马四段白云岩储层在靖边以东的地区大面积分布，白云岩储层夹于大套致密石灰岩中（图5）。进一步的沉积序列分析表明，马四段由多个向上变浅的旋回组成，白云岩储层发育在向上变浅的旋回顶部，纵向上发育多套薄层白云岩，单层白云岩储层厚度为2 ～ 8 m，累计厚度可达15 ～ 20 m。该套白云岩储层具有明显的层控性特征，单层白云岩储层岩石类型、储集类型特征相似，横向上均可追踪对比，大面积连片分布（图6）。

3.4 　连续分布厚层膏岩、盐岩封盖

马四段之上的马五段为海退蒸发岩旋回，发育多套膏盐岩沉积层，其中马五₆ 亚段厚30 ～ 150 m， 分布面积约6.5×10⁴ km²。盆地东部米脂—神木地区马五₆ 亚段以盐岩沉积为主，间夹硬石膏岩；靖边以西地区马五₆ 亚段以硬石膏岩沉积为主，夹间白云岩； 马五₆ 亚段的硬石膏岩、盐岩是盐下马四段天然气成藏的区域封盖层。对盆地东部马五₆ 亚段硬石膏岩样品的分析测试表明，其比表面积为 0.65 m²/g、孔隙流体能仅为0.04 J/g、突破压力达 20.78 MPa、封闭气柱高2078.40 m，反映这套硬石膏岩具有很强的封闭性。

除此之外，马五₈ 亚段、马五₁₀ 亚段以及马四段上部也发育膏盐岩沉积，马五₈ 亚段膏盐岩厚度为5 ～ 20 m，马五₁₀ 亚段膏盐岩厚度为5 ～ 25 m，马四段上部发育5 ～ 15 m 硬石膏岩层，该硬石膏岩层是下伏马四段气藏的直接封盖层，马四段气藏受多套膏盐岩的封盖作用，封闭性好，从而为高压气藏的形成奠定了基础（图7）。

3.5 　大面积准连续聚集成藏

通过马四段天然气甲烷同位素和盐下海相烃源岩的镜质体反射率对比分析表明，马四段天然气甲烷碳同位素与盐下海相烃源岩热成熟度具有正相关性。自靖边向神木地区烃源岩热演化程度逐渐降低， 天然气中甲烷碳同位素逐渐变轻，靖边地区马四段甲烷碳同位素在－36‰左右，至神木地区偏负至－45‰ 左右。其天然气中甲烷碳同位素分布特征与上古生界致密气类似，均与烃源岩热成熟度正相关，表明马四段气藏具有与上古生界致密砂岩气类似的成藏特征，以近源聚集成藏为主（图7）。由此可见，尽管盆地现今构造具有东高西低的构造格局，但并未导致天然气发生长距离的侧向运移，而是通过断层或者裂缝的疏导作用，以垂向运移为主，近源聚集成藏， 从而导致天然气中甲烷同位素发生明显的平面分异现象。

依据地震等资料解剖表明，构造、断裂对天然气富集高产具有明显的控制作用（图7）。①构造高部位是油气成藏的优势区带，利于天然气富集，尽管马四段气藏主体以岩性气藏为主，岩性气藏气层厚度一般为2.0 ～ 8.0 m，但是构造高部位气藏气层厚度较大，以MT1 井为例，测井解释气层厚度达44.3 m。②断裂是油气运移的重要通道，前文已述，奥陶系盐下烃源岩单层厚度薄，呈分散状分布在硬石膏岩、盐岩—碳酸盐岩体系中，断裂是油气运移的重要疏导体系，可大幅提升奥陶系盐下分散型烃源岩生成天然气的聚集效率；③马四段白云岩储集层渗透率低， 普遍小于0.1 mD，断裂、裂缝可改善致密白云岩储层的渗流能力，提升天然气的单井产能^[37-38]。

已有钻探成果表明，鄂尔多斯盆地奥陶系盐下马四段天然气主要分布在乌审旗—靖边—榆林—神木一带，具有大面积含气的特征，面积约1.8×10⁴ km²， 该区域钻井均见到含气显示，气层主要分布在马四段的中下部，且没有明确的气藏边界。含气区基本与烃源岩灶分布范围一致，位于乌审旗—靖边—榆林— 神木一带，含气区分布具有上古生界致密气类似的分布特征。即在大面积含气的背景下，由富集区众多小型的气藏群组成，气藏分布不连续，单个气藏面积可能达几百至上千平方千米^[39-41]。由于目前勘探程度较低，难以准确预测气藏群的实际大小及分布规律， 随着勘探程度的不断提高及储层改造工艺技术的提升，解放低品位资源，有望实现气田整体效益开发^[42]。

4 　勘探潜力

依据马四段成藏要素及地质特征的剖析，提出盆地奥陶系盐下马四段气藏具有典型准连续型致密碳酸盐岩气特征。马四段气藏烃源来自下伏低丰度海相烃源岩层，初步评价生烃强度约4×10⁸ ～ 8×10⁸ m³/km²，生烃中心位于乌审旗—榆林—神木一带。尽管奥陶系盐下低丰度海相烃源岩生烃潜力远远逊于上古生界的煤系烃源岩，但是鄂尔多斯盆地奥陶系盐下具有得天独厚的成藏条件：①盆地中东部奥陶系盐下马五段发育多套厚层硬石膏岩、盐岩封盖层， 保存条件极佳；②盆地中东部奥陶系盐下断裂以三级、四级的低级断裂为主，多数断裂在马五₆ 亚段厚层膏盐层终止，构成了油气运移的重要疏导体系。

综合分析认为，盆地中部奥陶系盐下马四段天然气具有常规—非常规有序聚集的特征。天然气主要围绕乌审旗—靖边—榆林—神木一带大面积准连续分布。该区正位于奥陶系盐下海相烃源岩的生烃中心，马四段碳酸盐岩中上缓坡带是白云岩储层发育区，上覆硬石膏岩、盐岩封盖性能好，构造高部位和断裂带附近富集天然气，构造高部位是油气运移的优势部位，断裂可提升天然气的聚集效率，局部鼻隆构造带气层厚度大（20 ～ 40 m）, 含气饱和度高； 而整体以大面积分布的致密碳酸盐岩气为主，气层厚度小（2 ～ 4 m），含气饱和度较低，多以气水同层为主。根据生储盖组合及含气显示情况确定有利含气面积约1.8×10⁴ km²，有利区主要分布在靖边—榆林—神木一带，预计资源潜力可达5 ×10¹¹ m³，资源潜力大，有望成为鄂尔多斯盆地除了中生界致密油、古生界致密气之外的第三套致密气勘探新领域。

5 　结论

1）鄂尔多斯盆地奥陶系盐下马四段发育高含硫气藏，硫化氢含量为38.5 ～ 261.8 g/cm³，主要与热硫酸盐还原反应有关；气藏温度为80 ～ 100℃ ；压力系数为0.92 ～ 1.80 ；天然气以干气为主，具有油型气特征。

2）马四段气藏形成于大型陆表海碳酸盐岩缓坡背景，低丰度海相烃源岩供烃，层控性白云岩成储， 厚层膏岩、盐岩封盖，形成大面积准连续聚集的致密碳酸盐岩气藏，在构造高部位和断裂带附近富集高产。

3）马四段是除了中生界致密油、上古生界致密气之外的第三套致密气含油气层系，初步圈定有利含气面积约1.8×10⁴ km²，主要分布在靖边—榆林— 神木一带，值得业内重视。