2. 中国地质大学 构造与油气资源教育部重点实验室, 武汉 430074
2. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, Ministry of Education, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区上古生界地层具有良好的生储盖组合[1]。其中,石炭系太原组和二叠系山西组的煤层为主力烃源岩层[2],山西组和下石盒子组含砾粗砂岩和粗砂岩层为良好的储层,上石盒子组和石千峰组泥岩层为区域盖层,种种有利条件使得杭锦旗东部地区具备了形成大型天然气藏的可能性。
近年来在杭锦旗地区的油气勘探实践表明,该区天然气成藏条件差异较大,成藏类型不一致,存在多种类型天然气藏。薛会等[3]认为构造演化与上古生界油气关系密切。古隆起及其演化控制了上古生界烃源岩的展布和演化,构造运动导致上古生界储层普遍致密化,基底形态及构造活动控制了区内构造圈闭的形成,构造演化控制了上古生界油气的运移和聚集。在经历了中—晚侏罗世和早白垩世至今2期油气运聚后,最终在研究区南部斜坡发育根缘气藏,北部发育常规气藏。朱宗良等[4]研究发现,研究区以北仍为隆起剥蚀区,缺失太原组,二叠系与元古界、太古界基底直接接触。整个地貌形态为斜坡,走向与泊尔江海子断裂趋于一致。基底古地貌地形总体为向南倾的缓坡,坡降平均为6~7 m/km。受古隆起和凹陷的控制,上古生界厚度变化较大,最大差值大于300 m。薛会等[5]认为,研究区上古生界发育石炭系、二叠系2套烃源岩,其中煤层是最好的烃源岩,泥岩是较差烃源岩。赵林等[6]研究发现,控制上古生界天然气富集的因素主要有气源、砂岩体、局部构造的发育程度及源岩生烃期与圈闭形成期的匹配。聂海宽等[7]认为研究区主要受烃源岩分布范围、生烃史、储层砂体展布规律、圈闭发育情况、断裂活动期次及储层最终致密化时间的影响,发育2种不同的天然气成藏模式,即连续聚集成藏模式和非连续聚集成藏模式。
由于对根源气成藏类型理解不同,识别标准不统一,导致前人对杭锦旗东部地区天然气成藏类型划分方式及成藏模式研究方法存在较大差异。针对上述问题,利用三维地震、测井及试气资料,对杭锦旗东部地区上古生界烃源岩分布、天然气运移及圈闭分布类型展开研究,查明天然气运移和聚集方式[8-9],并落实砂体、断裂和构造圈闭对气藏的影响,提出鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区上古生界天然气成藏模式,进而认清天然气成藏模式间的差异,以期为该区进一步油气勘探提供参考。
1 区域地质概况杭锦旗东部地区位于鄂尔多斯盆地北部,横跨伊盟隆起和伊陕斜坡2个构造单元[10][图 1(a)—(b)]。研究区中部发育泊尔江海子断裂,东南部发育李家渠—苏布尔嘎断裂,西北部为什股壕地区,西南部为十里加汗地区,东南部为阿镇地区。股壕地区断裂和背斜圈闭发育,断裂以南地区构造平缓,仅局部地区发育断裂。
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下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地构造分区(a)、杭锦旗东部地区区域划分(b)和上古生界地层综合柱状图(c) Fig. 1 Structural units of Ordos Basin(a), structural division(b)and Upper Paleozoic sratigraphic column(c)of eastern Hangjinqi area |
研究区目的层段自下而上为太原组、山西组、下石盒子组以及上石盒子组[11-12] [图 1(c)],其中,上石炭统太原组沉积了一套以扇三角洲平原亚相为主的沉积,下二叠统山西组沉积了一套三角洲平原亚相沉积,与太原组类似均发育有煤层、暗色泥岩及炭质泥岩,形成了研究区良好的烃源岩,主要分布在泊尔江海子断裂以南地区;下石盒子组沉积了一套河道亚相和泛滥平原亚相互层的辫状河道沉积;上石盒子组沉积的一套河流相地层与石千峰组沉积的辫状河三角洲相地层,为研究区天然气成藏提供了良好的盖层[13]。在断裂、砂体和圈闭分布的共同影响下,研究区泊尔江海子断裂以北地区天然气主要分布在盒2段和盒3段,泊尔江海子断裂以南地区天然气主要分布在盒1段。
2 天然气地质特征 2.1 烃源岩特征鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区太原组和山西组煤系地层为有效烃源岩层段,据研究区煤层累计厚度图[图 2(a)]显示,泊尔江海子断裂以南地区煤层厚度大[14],普遍为10~20 m,最厚处在研究区最南端,厚度接近25 m;泊尔江海子断裂以北地区(什股壕地区)煤层厚度普遍较南部地区小[15],厚度普遍小于5 m,仅J28—J27—J41—J82—J81井区内煤层厚度为5~10 m。整个研究区煤层厚度由南向北呈逐渐减小的趋势。
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下载原图 图 2 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区太原组—山西组烃源岩累计厚度(a)和Ro(b)分布 Fig. 2 Cumulative thickness(a)and Ro(b)contour maps of source rock of Taiyuan-Shanxi Formation in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
受地层埋深的影响,泊尔江海子断裂以南地区有机质成熟度较高,Ro均大于1.3%,达到了生气门限,可以产气。最高值出现在研究区西南边界处,Ro可达1.9%以上。泊尔江海子断裂以北地区有机质成熟度较低,Ro均小于1.3%,其中大部分区域Ro为1.0%~1.3%,属于中成熟阶段,无法产气。总体来看,研究区有机质成熟度呈南部高、北部低,由南西至北东呈阶梯状减小的分布规律[图 2(b)]。
综上所述,研究区烃源岩普遍进入了成熟阶段,泊尔江海子断裂以南地区烃源岩厚度大、成熟度高,属于生气阶段,可大量产气;以北地区烃源岩厚度小、成熟度低,还未达到生气门限,无法产气。
2.2 储层特征杭锦旗地区自中元古代开始隆起,直到二叠纪东部地区才自北而南接受了一套陆相扇三角洲及湖泊体系的碎屑岩沉积[16-17],这使得研究区上古生界地层由下部太原组海陆交互相的含炭碎屑岩及上部二叠系山西组—上石盒子组的扇三角洲相和以辫状河相为主的陆相碎屑岩组成。通过对800多个物性分析数据的统计,研究区上古生界储集层孔隙度为5.0%~22.5%,平均为11.88%,主要为8%~16%,渗透率为0.1~39.1 mD,平均为3.73 mD,主要为0.2~5.0 mD(表 1),可见研究区上古生界地层为中孔、低渗储层,其中石炭系太原组分布局限,山西组储层物性最好,下石盒子组储层物性次之。
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下载CSV 表 1 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区各组地层物性统计 Table 1 Physical properties of each straum in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
由于在实际地层中岩性往往是过渡的、厚薄不一的,故选取相近的主要生油层、储集层和盖层划分为一个生储盖组合。鄂尔多斯盆地上古生界山西组和太原组的煤系是天然气源岩,高成熟度、高有机碳含量的厚层煤层为天然气的生成提供了较好的物质基础。研究区的砂体主要发育在山西组和下石盒子组中,其中山西组煤系地层发育,多形成砂、泥、煤的薄互层,这使得砂岩成分成熟度和结构成熟度均低,长石、岩屑富集,在经历2次大规模沉降压实及成岩晚期胶结作用后,储层物性大幅度降低,形成了低孔、低渗储层[18]。上石盒子组地层广泛发育湖相沉积中心的泥岩,其厚度约占地层总厚度的80%,展布可达20~30 km,成为研究区上古生界理想的区域性盖层[19]。因煤系地层作为烃源岩层,泥岩既是区域盖层又是直接盖层,故研究区太原组和山西组为自生自储组合,下石盒子组为下生上储组合,上石盒子组泥岩为区域盖层(图 3)。
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下载原图 图 3 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区上古生界生储盖组合模式 Fig. 3 Source-reservoir-cap assemblage pattern of Upper Paleozoic in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区受燕山运动影响,发育多级逆断层及构造圈闭。依据三维地震资料解释的断裂与层序界面,编制了目的层段盒一段顶界面(T9e)、盒三段顶界面(T9f)构造图,并识别了构造圈闭。研究区构造圈闭以小型、低幅度为主要特点,主要发育于泊尔江海子断裂以北地区(什股壕地区),其平面上呈串珠状展布,整体分布面积不大,约为2 510 km2[20]。泊尔江海子断裂以南地区,构造圈闭主要分布在J104—J51井区,发育类型包括披覆背斜圈闭、断背斜圈闭及背斜圈闭(图 4)。
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下载原图 图 4 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区地震解释剖面 Fig. 4 Interpreted seismic sections in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
披覆背斜圈闭平面上主要分布在泊尔江海子断裂以北的什股豪地区,而在泊尔江海子断裂以南除李家渠断裂伴生的披覆背斜区以外,其他地区鲜有披覆背斜圈闭发育(图 5)。这是由于加里东和印支运动后,泊尔江海子断裂以北发育近北东、北西及东西走向的小断裂及其伴生褶皱,多具有逆断层性质,而泊尔江海子断裂以南地区相对稳定,仅发育少量小型基底断裂;基底小断裂及其伴生褶皱形成于晚石炭世接受沉积之前,致使大面积基底地形遭到改造变形,因此,在泊尔江海子断裂以北地区更易发育紧邻基底的披覆背斜构造。受控于基底的定向构造运动和构造脊线的定向性后,披覆背斜圈闭便成带分布,组成长垣或大隆起,整体上呈近东西向网格状排列。纵向上,披覆背斜圈闭由下部层位至上部层位(T9c—T9f)发育数量逐渐减少,主要发育于山西组与盒1段地层。形成这一特征的原因是,直接覆盖于基底之上的地层在古地貌或基底断裂控制的继承性影响下,断裂弯曲显著,而随地层深度变浅,差异压实效应逐渐减小,地层弯曲渐趋平缓[21]。
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下载原图 图 5 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区构造圈闭平面分布 Fig. 5 Planar distribution of structural traps in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
断背斜圈闭的分布受控于研究区内断裂的发育规模和展布特征,因此,该类圈闭主要发育在泊尔江海子断裂以北地区。断背斜圈闭主要与小型断裂伴生,特别是在J45—J82—J66井区、J45—J97— J65井区以及J11—J83—J12井区断裂均密集,断背斜圈闭十分发育。从全区来看,单个断背斜圈闭发育规模不大,由于继承小型断裂定向发育(北东向或近东西向)的特征,在平面上该类圈闭主要成带分布或呈串珠状沿北东向展布(图 5)。纵向上,从研究区T9c,T9d,T9e和T9f等4个界面相干切片(图 6)对比看出,全区由深至浅断裂密度逐渐减小。除极少具基底性质或长期活动的断裂继续错断地层并向上生长外,其余大多数断裂已消失在下石盒子组,基底断裂向上延伸错断上古生界地层,目的层内发育的断裂具有上疏下密的特点。
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下载原图 图 6 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区相干切片 Fig. 6 Coherent slices in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
背斜圈闭平面上主要集中发育在研究区的泊尔江海子断裂以南地区,北部地区的背斜圈闭大多发育在J12和J26井区,单个圈闭的规模不大,各层段的展布范围具有差异性。南部地区的背斜圈闭主要集中在J51—J77—J76井区,其中发育有一大型背斜圈闭,呈椭圆—圆状,闭合面积大;其余背斜圈闭分布规模小,如J73,J56和J54井区。纵向上,背斜圈闭呈继承性发育,其下部地层发育数量远大于上部地层发育数量,其中太原组和山西组(T9c— T9d)背斜圈闭分布范围较广,面积较大(图 5)。
3.2 天然气运移通道研究区天然气运移通道主要有2种类型:断裂(包括裂缝)、砂体,其中断裂或裂缝主要起纵向输导作用,砂体主要起横向输导作用。山西组地震属性及砂体展布叠合图(图 7)反映出研究区砂体的分布特征:泊尔江海子断裂以北地区砂体分布广泛[22],泊尔江海子断裂以南地区发育有5套南北向展布的河道砂体与泊尔江海子断裂相连,分别在J88—J116—Y17—J102,J105—J65—J90—J71,J18—Y19—J55,J35—J36—J74—J77以及J106—J94—104井区。泊尔江海子断裂演化具有分期性,在加里东期初始发育,后经发展演化,逐渐形成现今依然存在彼此不连通展布特征的巨型断裂带[23]。太原组—下石盒子组沉积期,泊尔江海子断裂带内发育4个构造转换带,在北西高、南东低的古地貌控制下,古河流由北向南,将泊尔江海子断裂北部的河道砂体通过构造转换带带入断裂南部地区,沉积后的河道砂体间彼此连通,成为油气运移的通道。
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下载原图 图 7 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区山西组地震属性(a)及砂体展布叠合图(b) Fig. 7 Superposition map of seismic attributes(a)and sand distribution(b)in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
前文已述及,全区由深至浅断裂密度逐渐减小,其中,什股壕地区T9f界面较T9c界面断裂已大量减少,这说明该区天然气是由砂体经层间微断裂向上部地层运移,直至T9f界面断裂终止处所在层位(盒2段和盒3段)停止,并聚集成藏。由此可见,砂体和断裂均成为什股壕地区的天然气运移通道。
泥岩为塑性岩体,当断面所受正压力大于泥岩的变形强度时,因泥岩变形而导致断层裂缝愈合,由此造成断层垂向封闭,否则断层垂向开启[24]。选择含缝隙的泥岩样品,通过改变压力室的压力而依次设置不同测试压力,选取0 MPa,5 MPa,10 MPa,15 MPa,20 MPa,30 MPa,40 MPa,50 MPa,60 MPa等9个压力值,在施加不同压力的情况下,测试通过泥岩裂缝的渗透率,最后将样品的测试压力值与实测裂缝渗透率值投点到同一坐标系中,从而得到不同泥岩样品渗透率与上覆压力的关系曲线(图 8)。从图 8可以看出,15 MPa为临界压力值,当正应力大于15 MPa时,断裂为闭合状态;当正应力小于15 MPa时,断裂为开启状态。
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下载原图 图 8 泥岩裂缝渗透率与围压的关系 Fig. 8 Relationship between mud crack permeability and confining pressure |
以十里加汗地区J75—J76—J77连井剖面(图 9)为例。J75井处3条基底断层连接太原组—山西组与下石盒子组盒1段地层。据统计,断裂倾角均为80°,现今盒3段的埋深约为2 620 m,研究区油气充注时间为晚侏罗世晚期、早白垩世晚期和古近纪晚期,在3期油气充注时间内仅晚白垩世有一次大规模抬升剥蚀,剥蚀地层厚度约为600 m[23],经补偿地层厚度后计算,正应力约为13.14 MPa,小于实验测试得到的断裂和裂缝封闭所需要最小15 MPa的临界压力,故断裂在油气充注时期为开启状态。J75井处天然气可沿断层从太原组或山西组煤层烃源岩运移至盒1段,同理J77井油气沿断层运移至山2段、盒1段和盒3段地层,若有优质的圈闭便可在此聚集。J76井处由于没有基底断裂,故储层无油气显示。由此可见,该区断裂既影响着圈闭的展布,又在垂向上沟通了烃源岩与圈闭,并与圈闭共同组成了天然气运移通道。
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下载原图 图 9 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区J75—J76—J77井连井剖面 Fig. 9 Well-tie section across well J75-J76-J77 in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
根据钻井天然气显示,整个研究区天然气具有分布范围广、南北地区富集层位差异大、局部地区富集程度高的特点(图 10)。泊尔江海子断裂以北的什股壕地区,天然气主要分布在盒2段和盒3段地层,其中J66—J44—Y26—J33井区为天然气最富集区域[图 11(a)]。泊尔江海子断裂以南地区天然气主要富集在盒1段和山西组中,其中阿镇地区天然气主要分布在盒1段的J51—J24—J20井区[图 11(b)]和山西组的J51—J77井区[图 11(c)],并以盒1段天然气富集为主。十里加汗地区位于泊尔江海子断裂以南,则天然气也主要分布在盒1段和山西组,并以盒1段J72井区及山西组J55井区为主要富集区域。研究区天然气富集表现出明显的非均质性。
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下载原图 图 10 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区上古生界盒1段(a)、盒2段—盒3段(b)油气显示平面分布 Fig. 10 Gas wells of He 1(a), He 2 and He 3(b) in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
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下载原图 图 11 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区油气运移过井地震剖面 Fig. 11 Oil and gas migration seismic sections in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
(1)天然气密度分布
天然气密度是指单位体积下气体的质量。当天然气运移时,天然气组分会发生分异,致使天然气密度随天然气运移距离增大而逐渐减小,从而认为天然气密度减小指示了天然气的运移方向。
杭锦旗东部地区天然气密度主要为0.57~ 0.70 g/cm3[图 12(a)],其中泊尔江海子断裂以北地区天然气密度比泊尔江海子断裂以南地区低,并呈由南向北逐渐减小的趋势,什股壕地区天然气密度最低,再依据泊尔江海子断裂带以北地区山西组—太原组烃源岩厚度薄,成熟度主要为1.0%~1.3%,及无法产气等认识,可以判定什股壕地区天然气是由泊尔江海子断裂以南地区运移而来。阿镇地区及十里加汗地区天然气密度均呈南高北低状分布,其中阿镇地区天然气密度最高出现在J24井区域,可达0.9 g/cm3,而十里加汗地区地区天然气密度最高出现在J55—J73井区,为0.76 g/cm3左右,明显小于阿镇南部地区天然气密度。这种天然气分异不明显的现象说明了阿镇地区和十里加汗地区在盒1段和盒2段成藏的天然气是由原地太原组和山西组烃源岩产生的。
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下载原图 图 12 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区上古生界天然气密度(a)和干燥系数(b)分布 Fig. 12 Contour maps of Upper Paleozoic natural gas density(a)and drying coefficient(b) in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
(2)天然气干燥系数分布
天然气干燥系数是指天然气中C1与C1—n的比值。随着天然气运移距离增大,C1与C1—n的比值逐渐增大,那么,干燥系数由小到大的变化趋势与天然气运移方向一致的特性可指示研究区天然气运移的方向[25]。
杭锦旗东部地区天然气干燥系数为0.86~1.00 [图 12(b)],其中十里加汗地区J55—J56—J75— J76—J77井区干燥系数最低,小于0.87;什股壕地区的J27—J28—J97及J50井区干燥系数均大,大于0.97。研究区总体上呈现出由十里加汗和阿镇南部地区至什股壕地区天然气干燥系数逐渐增大的趋势,说明什股壕地区天然气由泊尔江海子断裂以南地区运移而来,而阿镇地区和十里加汗地区天然气干燥系数均较小,分异现象不明显,说明阿镇地区和十里加汗地区成藏的天然气均来源于近源地区。研究区南部地区山西组和太原组均是烃源岩发育层位,通过比较J53等多口钻井山1段和盒1段干燥系数,均显示盒1段数值大于山1段数值,这证实了阿镇地区和十里加汗地区在盒1段和盒2段成藏的天然气是由原地太原组和山西组烃源岩产生的。
4 天然气成藏模式根据烃源岩和构造圈闭分布特征、油气运移指示信息以及油气运移通道的解剖分析,总结并归纳了杭锦旗东部地区上古生界天然气3种成藏模式:横向远距离运移异地成藏模式、垂向近距离运移原地成藏模式和准连续致密砂岩气成藏模式。
4.1 横向远距离运移异地成藏模式在由南向北天然气密度逐渐减小,天然气干燥系数逐渐增大以及地震资料所展现的以砂体为主、断裂为辅的输导体系下,确定什股壕地区为横向远距离异地成藏模式区。该区天然气由泊尔江海子断裂以南地区太原组—山西组中的煤层、暗色泥岩及炭质泥岩产生,通过太原组—山西组、下石盒子组的砂体和断裂构成的输导系统运移,再经过开启状态的泊尔江海子断裂带后,在泊尔江海子断裂以北地区盒2段及盒3段圈闭内聚集成藏,形成源储不一致的成藏模式,故为横向远距离运移异地成藏模式[图 13(a)]。
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下载原图 图 13 鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区天然气成藏模式 Fig. 13 Natural gas accumulation patterns in eastern Hangjinqi area, Ordos Basin |
阿镇地区依托泊尔江海子断裂以南地区上古生界烃源岩发育较厚且生烃潜力足等生气优势,形成天然气垂向近距离运移原地成藏区。根据上覆地层压力计算结果,该区大断裂处于封闭状态,小断裂处于开启状态[26],山西组和太原组烃源岩产生的天然气可沿开启状态的小断裂向浅部地层运移并在近源发育的盒1段圈闭内聚集成藏,从而形成了以断裂为主导的具有天然气纵向输导系统特点的垂向近距离原地天然气成藏模式[图 13(b)]。
4.3 准连续致密砂岩气成藏模式十里加汗地区依托泊尔江海子断裂以南地区上古生界烃源岩发育较厚且生烃潜力足等生气优势,形成天然气准连续成藏区。该区域以断裂不发育为特征[27],形成了一种天然气从山西组和太原组中产出沿不发育的断层向浅部地层运移,并在近源的盒1段地层中储藏的天然气成藏模式,该模式为准连续致密砂岩气成藏模式[图 13(c)]。准连续致密砂岩气成藏模式区受控于烃源岩的分布状况及断裂发育程度2个因素[28],具有天然气大面积准连续分布、气藏中无明确气水边界的特点。
5 结论(1)鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区烃源岩呈南厚北薄分布,Ro呈由南向北逐渐减小的趋势,生烃能力也呈由南向北逐渐降低的趋势。天然气密度整体由南向北逐渐降低,而干燥系数由南向北逐渐增大。泊尔江海子断裂以北地区(什股壕地区)以及阿镇地区断裂较为发育,其余地区断裂发育较少。
(2)鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区天然气成藏具有明显的分区性和分层性特点。在泊尔江海子断裂以北地区,优质的天然气聚集在盒2段和盒3段中,而在泊尔江海子断裂以南地区,天然气主要分布在盒1段的近源圈闭内。
(3)以鄂尔多斯盆地杭锦旗地区砂体、断裂、烃源岩及圈闭分布状况为依据,基于该区天然气密度及干燥系数分布特征,将该区天然气成藏模式划分为3类,即横向远距离运移异地成藏模式、垂向近距离运移原地成藏模式以及准连续致密砂岩气成藏模式。
(4)鄂尔多斯盆地杭锦旗东部地区3种天然气成藏模式及控制因素各不相同。横向远距离运移异地成藏模式受控于砂体和断裂构成的输导体系及成藏区圈闭发育状况,是一种以砂体横向输导为特点,天然气由泊尔江海子断裂以南地区向以北地区运移的成藏模式;垂向近距离运移原地成藏模式输导体系以断裂发育为主,近源圈闭为辅,是一种深部烃源岩生气运聚至浅部地层的成藏模式;准连续致密砂岩气成藏是一种具有天然气近源岩、准连续分布、气水界面分布不清、分布范围广等特点的天然气成藏模式。
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