5.1.1 地质概况
图5-1 鄂尔多斯盆地古生界气藏分布图
（据长庆油田，2008）
靖边气田位于陕西省靖边—志丹—安塞一带，向北延伸至内蒙古自治区的乌审旗（图 5-1），位于盆地二级构造单元伊陕斜坡的中段，是我国目前发现的大型气田之一，探明含气面积 4129.9km2，地质储量4102.8×108m3。
靖边气田现今为一区域西倾大单斜，坡降1～10m/km，倾角小于30'。从区域地质分析，盆地西部是深坳斜坡区，中部是古隆起潮坪区，东部是浅坳陷盐洼带。奥陶纪潮坪区，发育准同生泥晶白云岩、膏白云岩、泥质白云岩、粉—细晶白云岩和角砾状泥晶白云岩。早奥陶世后，加里东运动使盆地全面抬升，缺失志留系至下石炭统，奥陶系顶部经历了近 1.5×108a的风化剥蚀，形成了对天然气聚集有重要意义的奥陶系风化壳。中、晚石炭世，海水从东、西两个方向侵入，沉积了一套海陆交替的石炭-二叠系含煤沉积，是靖边气田重要盖层，并使靖边气田混源气中煤型气的来源。
加里东期地貌以斜坡残丘发育为主；发育较多的溶孔、洞缝，且大多未充填或半充填，具有良好的孔渗条件。在岩溶水动力剖面上以径流区水平溶孔型储集亚相发育为主，因斜坡残丘发育面积大、古地貌切割较深，有类似承压区的垂直溶缝型储集岩亚相发育。风化壳残留厚度大，保留层位全。
5.1.2 气田和气层基本特征
靖边气田是受古构造、岩相古地理及岩溶古地貌制约的地层-岩性复合圈闭的隐蔽气藏。气藏分布与奥陶系顶部风化壳密切相关。已探明的天然气储量均分布在古岩溶发育的奥陶系顶部风化壳中（戴金星，1997）。目前发现的主要气层中奥陶统马家沟组马五段碳酸盐岩风化壳储层，风化壳一般厚度30～90m。据统计，靖边气田风化壳主体厚度为 40～65m，且从东向西明显增厚，至成川 1 井达195m。马 5 黑色泥晶灰岩是区域标志层，也是该区风化壳的隔水底板。
靖边气田具有含气层位相对稳定、有效厚度薄、埋藏较深（2800～3800m）和分布面积的大的特点（戴金星，1997）。气层平均孔隙度5.3%～5.9%，平均渗透率为3.15～5.852mD，属于中、低孔隙度裂缝溶洞式孔隙型气层。地层压力主要为 30～33MPa，略低于静水柱压力，属正常压力范围，气层温度介于 58～125℃，气层压力和温度由北向南缓慢增加。
靖边气田风化壳气层产能变化明显，主要表现在两个方面：①近距离内产能变化较大；②工业气井群中可以有非工业性气井。这些特征反映了奥陶系风化壳储层物性横向变化大，具有一定的非均质性。
5.1.3 天然气来源
通过多条剖面上的天然气甲烷实测值和模拟值的对比研究，可以得到以下认识：鄂尔多斯盆地北部气田的天然气以来自石炭-二叠系为主；靖边气田的东部、东北部天然气以来自石炭-二叠系为主；靖边气田的中心、南部和西部具有明显的油型气混源特征。这些结果和前人用其他手段得到的研究结果是一致的（刘文汇等，2001；李贤庆等，2005）。可见，有研究者认为以上古生界煤型气为主“倒灌”进入风化壳气藏的推测是经不住推敲的，因为支持这一观点的“天窗”（风化壳上部本溪组铁铝质泥岩缺失部位）主要位于靖边气田中心附近，假如上古生界煤型气是靖边气田成藏主力，风化壳中的油型气就不会逆气体充注的压力递减方向而充注到上古生界中，从而使气田中、南部上古生界气层具有油型气特征。相反，证明了下古生界来源的油气向上古生界气藏运聚的可能性。
5.1.4 成藏演化历史
盆地西南缘中奥陶统平凉组在中三叠世埋深超过3000m（图 5-2），开始进入生油窗，到中侏罗世末，南缘烃源岩成熟度达到R0值为1.30%，进入生气窗。晚侏罗世末以前南缘渭北地区生成石油0.1514×108t；西缘生成石油 1.9676×108t；共2.1190×108t。早白垩世末，平凉组最大埋深超过6000m，处于干气带。到现今南缘平凉组累计生成资源量 0.8820×108t 油气当量；西缘累计生成资源量3.4418×108t油气当量。
图5-2 盆地西南缘中奥陶统生烃演化史
5.1.4.1 成藏历史
（1）古油藏的形成
鄂尔多斯地区中—晚奥陶世的沉积作用主要发生在现今盆地的西、南缘，中央古隆起及其以东的广大地区缺失上奥陶统至泥盆系地层，在长达 1.5×108a的时间里，中奥陶统马家沟组碳酸盐岩经历了长时间的改造和风化剥蚀，形成了优质风化壳储层。而西南缘的上奥陶统地层对中奥陶统平凉组烃源岩起到了重要的封盖和保护作用。自中石炭世开始，中央古隆起带隐伏在地下，是油气运移、聚集中心。
中三叠世，鄂尔多斯地区开始进入陆内大型坳陷发育阶段，平凉组烃源岩由于埋深增加进入生油窗。直至早侏罗世，中央隆起带轴部所处的定边—环县—志丹—黄陵一带，都是最早古油藏的发育区，平凉组烃源岩形成的石油沿中奥陶统马家沟组风化面向隆起高部位运移，到达风化壳储层形成古油藏（图 5-3，图 5-4）。
（2）古油藏向气藏转化
中侏罗世—早白垩世，古油藏的继续埋深，加上盆地进入高温演化阶段，古地温梯度高达 4.0～4.4℃/100m（郝石生等，1996），中央古隆起带奥陶系风化壳的温度环境由低于 100℃（T2）缓慢上升至 180℃以上（K1），有机质成熟度R0值由低于 1.30%逐步向 2.0%～4.0%爬升。古油藏原油伴随着盆地西倾大单斜形成（于早白垩世末成型）不断向北东方向运移，并逐渐完成了石油向天然气的转化。
（3）风化壳气田的形成
晚白垩世—古近纪，鄂尔多斯盆地主体形成西倾大型斜坡——陕北斜坡，中央古隆起带成为大型斜坡的一部分并位于斜坡低位处。自此，中央古隆起带聚集油气的优势被改造，油气继续向北东方向区域性运移，并在前进过程中受盐岩、膏岩及古潜沟等岩性封堵，群体性风化壳大气田——靖边气田定位。
图5-3 鄂尔多斯盆地构造-沉积演化及中部风化壳气田成藏过程
5.1.4.2 油气运聚模式
（1）一次运聚——古油藏的形成
马家沟碳酸盐岩沉积时期L型隆起就已经存在，在中侏罗世以前的平凉组烃源岩生油窗期，L型古隆起对油气分布起到控制作用。在中奥陶世以后的抬升剥蚀过程中，马家沟顶部经历了长时间的风化改造，古隆起最为强烈，马四白云岩与上古生界直接接触。盆地西南缘平凉组生成的原油沿上、下古生界之间的不整合面、侵蚀面向古隆起运移，在下古生界溶蚀白云岩储层中聚集成藏（图 5-5）。可见，古隆起的存在和侵蚀面、不整合面对油气的初次运聚起到了至关重要的作用。
（2）二次运聚——气藏的形成
中侏罗世开始的油窗向气窗过渡时期，正是构造运动使鄂尔多斯盆地主体在晚侏罗纪之后地层逐渐西倾的时期，西南缘平凉组烃源岩生成的天然气和古油藏中原油由热裂解形成的天然气在西倾单斜的控制下（此时的中央古隆起成为西倾大单斜的一部分，不再具有聚气作用），继续沿马家沟组古岩溶台地、古岩溶斜坡风化壳中的裂缝、溶孔、粒间微孔以游离相向东北方向迁移。达到靖边气田所在位置风化壳储层后，受封堵而聚集成藏，完成二次运聚成藏过程（图 5-6）。可见，二次运聚过程是与油藏向气藏的转化过程同步进行的，是在燕山中期盆地周缘强烈构造活动的背景下进行的已有油气藏的调整破坏和二次成藏的过程。二次运聚过程中，西倾单斜的形成和改造良好的马家沟组风化壳对天然气二次成藏起到了控制作用。
5.1.5 盖层特征
盖层是天然气藏形成和保存的重要条件之一，其质量的好坏直接影响着气藏能否形成、保存以及规模大小，长庆油田之所以能维持一个大型气田的关键因素就在于盖层条件好。
图5-4 鄂尔多斯盆地奥陶系油、气运聚成藏路径示意图
图5-5 古油藏形成期油气运聚模式
图5-6 天然气二次成藏运聚模式
5.1.5.1 直接盖层
盆地中东部奥陶系风化壳气藏的直接盖层包括太原组底部和本溪组的泥质岩类，风化壳气藏下部气层的直接盖层还包括奥陶系自身的碳酸盐岩和膏质岩。
本溪组受前石炭纪古地貌的影响，自东向西以填平补齐的方式超覆沉积，在中央古隆起东侧尖灭，中央古隆起古岩溶高地上直接是太原组的超覆沉积，缺失本溪组沉积。除了本溪组铁铝质泥岩之外，太原组二段和本溪组泥质岩主要形成于海陆交互相的潮坪、潟湖及三角洲前缘等环境，在全区范围内均有分布，一般厚 12m左右，最厚可达 22m。本身又是良好的烃源岩，对下伏气藏能够形成烃浓度封闭（周树勋等，1998）。
太原组二段和本溪组泥质岩类地层压力大于理论的静水压力值。在平面上过剩压力略呈南高北低、东高西低的趋势。据统计在 67%的井中该段泥岩的过剩压力介于 1.0～2.0MPa 之间，压力系数为 1.03～1.08。而下伏奥陶系古风化壳储层绝大部分井的压力系数都小于 1.0，平均为 0.94。压力系数表明太原组二段—本溪组盖层对下伏储层具有压力封闭的作用。经历了长期成岩作用后，石炭系中、上统部泥岩已经进入了晚成岩阶段，岩性致密、渗透率低、突破压力高。从实测渗透率来看，纯泥岩封盖物性最佳（实验条件下渗透率小至测不出）；当泥岩中含有黄铁矿条带、团块或结核时次之；铝土岩、铝土质泥岩和含砂泥岩相对纯泥岩略显逊色（表 5-1），但以传统标准 10～5MPa作为封盖层渗透率的下限，它们仍能达到中等—好封盖层标准。
表5-1 鄂尔多斯盆地奥陶系气藏直接盖层物性特征
奥陶系古风化壳气藏底部的马
根据以上分析，可以认为，奥陶系风化壳气藏的直接盖层都具有良好的物性封闭的性能。
5.1.5.2 间接盖层
奥陶系风化壳气藏上方的间接盖层是太原组中上部泥质岩夹石灰岩和山西组泥质岩。其中暗色泥岩、碳质泥岩、粉砂质泥岩和煤层的厚度大于 100m，沉积环境为三角洲支流间湾、湖泊和滨海沼泽，渗透率一般为 10-7～10-8μm2，饱和空气突破压力一般小于 2.0MPa，封盖物性中等。石炭系发育多层海相碳酸盐岩沉积，石灰岩一般厚6～10m，石炭系灰岩孔隙度为0.53%，渗透率为 1.7×10-7μm2，饱和空气突破压力大于 15MPa，扩散系数为2.292×10-8cm2/s，可见具有良好的物性封闭。
此外，石炭-二叠系暗色泥岩厚 100m 左右，煤层厚 4～30m，生烃强度大，石炭系中、上统泥岩的含烃浓度明显高于下伏奥陶系古风化壳储层的含烃浓度，这种浓度差能够屏蔽奥陶系的烃类扩散，形成烃浓度封闭。
5.1.6 成藏主控因素
在长期稳定的克拉通盆地内，古构造、古沉积体系、古侵蚀面、古岩溶以及多期多种类型的成岩作用控制着盆地下古生界天然气的生成、运移和聚集。
5.1.6.1 丰富优质的平凉组海相烃源岩是成藏基础
盆地西、南缘广布的台缘深水斜坡相平凉组烃源岩有机质类型好、有机质丰度高，生烃潜力大，自晚三叠世末开始进入生油窗，晚侏罗世—早白垩世达到生烃高峰阶段，为形成古油藏和气藏以及晚期次生气藏提供了物质基础。
5.1.6.2 古构造格局及其演化长期控制着天然气的汇聚
早白垩世以前，鄂尔多斯盆地中央古隆起具有长期的稳定性，为盆地西、南缘平凉组烃源岩生成的原油向古隆起及其周围运聚形成古油藏创造了条件，在J2～K1期间，随着古地温的增加，在古油藏内，逐步完成了古油藏向古气藏的转化。早白垩世末至今，随着盆地西倾大单斜的形成和中央古隆起的渐趋消失，古油藏内的热裂解气逐渐向盆地的东北方向实现二次运移，最终到达了靖边风化壳而聚集成藏，甚至部分天然气继续向北东方向运移而到达塔巴庙地区风化壳中成藏，自早白垩世末以来盆地主体呈现的西倾大单斜具有长期性和稳定性，构造活动微弱，控制了天然气的汇聚成藏。
5.1.6.3 古风化壳岩溶作用及其改造程度是成藏的主控因素
在古风化壳的岩溶高地及斜坡部位，岩溶作用与物理风化作用并存，产生多种类型孔隙发育、物性良好的储渗体，为大中型气田的形成奠定了良好的储集和圈闭条件。同时由于物理风化剥蚀作用的不均一性，局部地区造成沟壑纵横，为天然气的运聚创造了良好的通道。其上区域性的铝土岩盖层及上古生界泥岩起到了良好的封盖作用。因此古岩溶高地及斜坡部位好的储渗体直接控制着下古生界气藏的分布，靖边气田就位于岩溶作用最为发育的岩溶斜坡地带。
5.1.6.4 成岩作用是成藏和高产的决定因素
对于鄂尔多斯盆地下古生界潮坪白云岩而言，多期、多种成岩作用使其形成多种类型孔隙发育的储渗体。同生期白云岩主要形成晶间孔，早同生期形成选择性溶蚀的铸模孔、膏溶角砾孔及晶间溶蚀孔，表生期加里东末大气淡水淋滤形成的发育大量溶蚀孔、洞、缝，是该区风化壳储层次生溶蚀孔、洞、缝发育的关键阶段；晚成岩期，多沿缝合线形成压溶缝和脱羧作用形成的溶蚀孔洞和角砾间缝。经过上述成岩和古岩溶作用，提高了储层的储集性能，形成了低孔背景下具有较高孔、渗层段的非均质储层。勘探实践证明：加里东期风化壳普遍含气，但产能差别较大，有的高产井产能很高（>100×104m3/d），而有的则产能微弱，表明成岩作用对下古生界奥陶系的成藏和高产起着决定性的作用。
5.1.6.5 上覆石炭系直接盖层与气层上倾方向膏盐岩性封堵是成藏关键
就靖边气田而言，不但有上覆石炭系底部的本溪组铁铝质泥岩提供封盖，也有顺层上倾方向的马家沟组膏岩提供的封堵作用，从气田探明和控制的含气面积来看，基本分布在本溪组地层尖灭线以东和马家沟组膏盐尖灭线以西所夹持的范围内。形象概括为“屋檐下”模型，本溪组泥岩是屋檐，马家沟组顺层膏盐是侧向封堵墙。
5.1.7 成藏模式
在广覆的潮坪白云岩发育区，由于加里东期构造抬升而经历了漫长的大气淡水淋滤溶解作用，在风化壳上部地层形成良好的储集层段，储渗体主要在岩溶斜坡的岩溶斜坡残丘、残台上发育；马五 5段泥微晶灰岩的白云岩化作用形成了粉晶白云岩或灰质白云岩，为储渗体发育创造了条件。石炭系泥岩、残积铝土岩和马家沟组膏盐共同对风化壳地层形成了上覆或上倾方向的区域盖层及局部盖层，形成了风化壳圈闭，为油气的聚集提供了储集、圈闭场所。
早白垩世，来源于盆地中央古隆起古油藏的原油裂解天然气在晚侏罗世开始的西倾大单斜的构造背景下向东北方向运移，到达靖边气田古岩溶斜坡马家沟组风化壳后，顺层上倾方向受膏盐以及侵蚀古沟中本溪组泥岩封阻，垂向上受风化壳顶面铁铝质泥岩和本溪组煤系泥岩等直接盖层的封盖，聚集成藏，成为群体性风化壳大气田，属于下古生界自生自储型气藏（图 5-7），成藏关键时刻在早白垩世末。可见，下古生界气田的形成主要与奥陶系烃源岩分布、古油藏的形成于改造、奥陶系顶风化壳型溶蚀孔洞储集层的分布、侵蚀沟壑的分布及上古生界底部铝土质泥岩盖层有密切关系。其中，长庆气田与塔巴庙地区相比更靠近西南缘平凉组烃源岩，更易于接受来自中央古隆起古油藏裂解气的充注，且本身处于岩溶古地貌的斜坡部位，马家沟组碳酸盐岩改造强烈，储集条件好，利于形成天然气聚集大场面。塔巴庙地区虽同处于岩溶斜坡地带，但风化壳储层改造相对要弱。关键是处于下古生界天然气充注下游，供烃条件相对差。同时可看出，下古生界气藏并非来源于上古生界烃源岩，从塔巴庙地区没有铁铝质泥岩风化壳、上古生界丰厚的烃源岩直接与下古生界储层接触，下古生界勘探却没有大的突破这一点可以证实。
图5-7 靖边气田风化壳气藏成藏模式