鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系含铝岩系比较发育、分布广泛，不同层位含铝岩系均发育在下古生界碳酸盐岩风化壳之上。加里东运动之后，受中石炭世海侵自东南向西北逐步侵进影响，含铝岩系的层位自东向西由老变新，在盆地东北部主要发育在上石炭统本溪组，在盆地西南部主要发育在下二叠统太原组^[1]。含铝岩系具有特定的沉积环境和形成阶段，在岩石组合序列上自下而上通常为铁质黏土岩、铝土矿、铝土质泥岩、砂岩、碳质泥页岩、煤层、石灰岩等^[2-3]。由于含铝岩系整体具有密度大、相对致密的特点，在油气勘探中，一直被当做风化壳气藏的区域盖层^[4-5]，虽然在一些探井中有气测异常显示，但常被认为是上覆煤层的气测后效而被忽视。2015年，刘文辉等针对鄂尔多斯盆地东北部大牛地气田本溪组铝土质泥岩的储集性能开展测井评价，认为铝土质泥岩微裂缝和溶孔发育，具有较好的孔隙网络，可成为潜在储层^[6]，但并未引起过多关注和重视。2020年，为了探索新领域，寻找新的气藏类型，通过对鄂尔多斯盆地西南缘太原组老井复查，开展了太原组含铝岩系成藏条件研究，部署实施区域探井宁古3井，该井于2020年4月15日开钻，2020年5月27日在寒武系崮山组—长山组—凤山组完钻，完钻井深为3750m，2020年9月12日，在太原组含铝岩系试气，8mm油嘴自喷求产，获日产气13.44×10⁴m³。宁古3井的成功勘探，改变了含铝岩系不能形成有效储层的传统地质认识，发现了新的气藏类型，拓展了油气勘探领域，展示了含铝岩系具有较大勘探潜力和良好勘探前景。

本文以宁古3井勘探发现为契机，利用录井、测井和分析测试资料，开展含铝岩系储层微观特征研究，评价其储集性和含气性，分析成藏控制因素，探讨天然气成藏模式，为鄂尔多斯盆地本溪组、太原组广泛发育的含铝岩系勘探提供借鉴。

华北地台前石炭系碳酸盐岩风化壳之上广泛发育一套含铝岩系，赋存于这套含铝岩系中的铝土矿是喀斯特型（碳酸盐岩岩溶型）铝土矿床的典型代表^{[1, 3, 7-9]}。自20世纪50年代以来，诸多学者对华北地台石炭系—二叠系含铝岩系的物质来源和富集成矿规律进行研究，在成矿物质来源方面主要有3种不同观点：第一种观点认为来源于古陆（岛）的铝硅酸盐岩；第二种观点认为来源于下伏的寒武系—奥陶系碳酸盐岩及泥质岩；第三种观点为混合来源，认为来自古陆的铝硅酸盐岩和下伏寒武系—奥陶系的碳酸盐岩，不排除岩浆活动带来的火山物质^{[2-3, 8-12]}，目前多数人持第三种观点。在形成机理方面观点基本一致，认为加里东运动使华北陆表海抬升为陆，造成中奥陶世—早石炭世约130Ma的沉积间断，古陆（岛）的铝硅酸盐岩和基底碳酸盐岩遭受强烈物理—化学风化作用，形成巨厚红土层，红土化作用使岩石中的K、Na、Ca、Mg等可溶性元素不断被带走，不溶组分Al₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂等逐步聚敛。至中石炭世，伴随广泛海侵，富含铝质的红土层经搬运或原地沉积于潟湖和海湾中，形成铝土矿层。再经历表生风化淋滤作用，Fe、Si等杂质元素大量流失，Al元素逐渐富集，形成铝土矿床^{[2-3, 8-12]}。石炭系—二叠系含铝岩系的形成和发育程度主要受沉积古地貌和古环境控制。

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部，是在太古宇—古元古界结晶基底之上发育起来的多旋回叠合盆地，面积约为32×10⁴km²。沉积地层厚度大于5000m，自下而上为中元古界—下白垩统，缺失志留系—下石炭统。盆地可划分为西缘冲断带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、伊盟隆起和渭北隆起6个一级构造单元，油气主要分布于伊陕斜坡^[13-16]，宁古3井位于伊陕斜坡西南部（图 1）。

图 1

图 1 鄂尔多斯盆地构造区划与宁古3井位置图 Fig. 1 Structural division of Ordos Basin and location of Well Ninggu 3

鄂尔多斯盆地构造演化主要经历了裂陷盆地（中—新元古代）、华北克拉通盆地（早古生代）、华北克拉通内坳陷盆地（晚古生代—中三叠世）、鄂尔多斯内陆坳陷盆地（晚三叠世—白垩纪）和鄂尔多斯周缘断陷盆地（新生代）5个阶段^{[13-14, 17]}，其中，古生代是稳定的克拉通盆地演化阶段。早古生代，受早期区域伸展和晚期挤压作用控制，在盆地西缘、南缘形成“L”形中央古隆起，盆地古地理格局呈现“一隆三坳”，沉积格局东西分异明显，东侧华北海以陆表海碳酸盐岩沉积为主，南侧、西侧秦祁海以陆缘海碳酸盐岩和泥质岩沉积为主。奥陶纪末，受加里东运动影响，鄂尔多斯盆地整体抬升，遭受强烈剥蚀^[13]。晚石炭世开始，在拉张构造背景下，鄂尔多斯盆地发生区域性沉降，本溪组沉积期，盆地继承了早古生代的古地理格局，随着海水自东向西侵入，中央古隆起范围逐步缩小，本溪组自盆地中心向西南及东北方向超覆，沉积环境主要为浅海陆棚、潟湖、潮坪，沉积了一套由铁铝岩层、泥岩、砂岩、石灰岩和煤层构成的地层，其中潟湖相发育灰黑色铁铝质泥岩、铝土岩、凝灰质砂泥岩等含铝岩系，主要分布在盆地东北部。此时宁古3井所在的盆地西南部地区尚未接受沉积。下二叠统太原组沉积期，海侵进一步加强，中央古隆起逐步向南退缩，并沉没于水下，开始接受沉积。盆地中东部主要为浅海陆棚和滨岸环境的石灰岩、生物灰岩和煤层沉积；中北部主要发育冲积平原和潮坪相的煤系沉积；西南部主要发育潮坪和潟湖沉积，在潟湖环境中沉积一套含铝岩系（图 2）。下二叠统山西组沉积期，受南北两侧大洋相向俯冲影响，华北地台抬升，海水退出，盆地演变为内陆湖盆，以河流—三角洲—湖泊沉积为主，沉积格局呈现南北分异^{[14, 17-20]}。

图 2

图 2 鄂尔多斯盆地西南部太原组沉积时期古地貌图 Fig. 2 Paleogeomorphic map during the deposition period of Taiyuan Formation in the southwestern Ordos Basin

宁古3井揭示古生界地层608.0m（未穿），自下而上为寒武系崮山组—长山组—凤山组、奥陶系马家沟组、二叠系太原组、山西组、石盒子组、石千峰组。其中二叠系太原组（3598.0~3633.0m）厚度为35.0m，与上覆山西组整合接触，与下伏奥陶系马家沟组呈角度不整合接触。通过岩石薄片、铸体薄片、X-衍射全岩、扫描电镜分析，太原组岩性主要为灰色铝土质泥岩、灰色铝土岩、浅灰色砂岩（含凝灰质、铝土质）、灰色凝灰岩、灰黑色泥岩及煤层。

从测井曲线分析，太原组铝土岩层的自然伽马异常高，一般在450API左右，局部超过600API。从自然伽马能谱测井测量的地层铀、钍、钾含量可以看出，在铝土岩层中铀、钍含量比围岩明显升高、钾含量变化不大，分析认为铀和钍含量升高是产生高自然伽马的主要原因。铝土岩的主要化学成分Al₂O₃具有吸附作用，容易吸附母岩风化的产物钍和可溶于水的六价铀。而放射性元素钾则主要存在于长石、云母中，所以整体变化不大。因此，铝土质含量越多，自然伽马越高^[6]。铝土岩、铝土质泥岩电阻率高于泥岩，一般为35Ω·m左右，最大值为58Ω·m，在铝土质泥岩下部电阻率降低；补偿中子孔隙度呈高值，一般在60%左右，最高值为68%；密度为高值，普遍在2.74g/cm³左右；声波时差为低值，普遍在63μs/ft左右（图 3）。

图 3

图 3 宁古3井二叠系太原组综合柱状图 Fig. 3 Comprehensive stratigraphic column of Permian Taiyuan Formation of Well Ninggu 3

根据宁古3井太原组铸体薄片、扫描电镜、氮气吸附法孔隙结构分析等测试数据分析，太原组含铝岩系属于孔隙—裂缝复合型储层，储集空间类型多样，储层物性较好。

太原组含铝岩系岩性复杂，其中可形成有效储集空间的岩性主要为砂岩及脆性较大的铝土岩、铝土质泥岩等，储集空间类型存在差异。砂岩储集空间类型包括残余粒间孔、粒间溶孔、长石蚀变产生的晶间孔等；铝土岩、铝土质泥岩储集空间类型包括一水硬铝石的晶间孔（孔径最大可达938.0nm）、层间微裂缝、收缩微裂缝、构造微裂缝等（图 4）。多种岩性频繁互层使含铝岩系在成岩过程中极易形成层间裂缝，并在后期构造作用改造下，形成立体网络式沟通的孔隙—裂缝复合型储层。

图 4

图 4 宁古3井太原组含铝岩系储集空间类型显微照片 Fig. 4 Photomicrograph of reservoir space of aluminiferous rock series of Taiyuan Formation in Well Ninggu 3 （a）3611.0m，岩屑石英砂岩，残余粒间孔，×268；（b）3615.0m，岩屑石英砂岩，粒间溶孔，×268；（c）3615.0m，岩屑石英砂岩，长石蚀变晶间孔，×955；（d）3621.0m，铝土岩，收缩微裂缝，单偏光，×25；（e）3621.0m，碎屑泥晶铝土岩，层间微裂缝，正交光，×25；（f）3623.0m，铝土岩，晶间孔，×8720

氮气吸附法孔隙结构分析表明，太原组含铝岩系孔隙以介孔（孔径为2~50nm）、大孔（孔径大于50nm）为主，分别占总孔隙的59.1%和34.5%，微孔（孔径小于2nm）仅占总孔隙的6.4%，孔隙结构较好，可形成有效储层。从测井曲线分析，含铝岩系核磁共振长等待时间T₂谱明显滞后，主峰主要在100ms左右，说明该段存在大孔。电成像动态图像显示，含铝岩系中存在粒间孔、溶蚀孔、裂缝等，测井解释孔隙度平均为9.5%（图 5）。

图 5

图 5 宁古3井太原组含铝岩系核磁共振与电成像测井解释成果图 Fig. 5 NMR and electrical imaging logging interpretation result of aluminiferous rock series of Taiyuan Formation in Well Ninggu 3

宁古3井在钻进过程中太原组含铝岩系见良好油气显示，从3597.68m开始气测数据发生变化，钻进至3622.13m时发生气侵，全烃含量由18.75%上升至75.56%，C₁含量由17.31%上升至73.87%，C₂含量由0.40%上升至1.94%，C₃含量由0.02%上升至0.22%，且上升迅速，出口钻井液密度由1.18g/cm³下降到1.12g/cm³。结合核磁共振测井数据对长等待时间T₂谱和短等待时间T₂谱进行差谱，由差谱图可以看出，烃类信号显示明显，综合解释气层23.9m/1层。

对宁古3井太原组3617.0~3627.0m井段、9.8m/2层测试求产，射后点火可燃，最大火焰高度为17.0~18.0m。8mm油嘴自喷求产，油压由15.0MPa下降至13.0MPa，套压由17.0MPa下降至15.0MPa，测得日产气13.44×10⁴m³。

研究区二叠系太原组和山西组广泛发育滨岸沼泽相煤系烃源岩，具有广覆式生烃特征。据钻井揭示，二叠系煤层厚度为0~12.1m，平均厚度为4.35m，TOC含量为40.14%~91.32%，平均为60.35%，R_o为2.38%~2.66%，平均为2.53%；暗色泥岩厚度为0~94.7m，平均厚度为55.5m，TOC含量为0.14%~8.93%，平均为3.14%，R_o为2.07%~2.64%，平均为2.53%，有机质类型以Ⅲ型为主。与盆地主体相比，煤系烃源岩的有机质丰度相当、有机质类型相同，但厚度变薄（盆地主体煤层厚度为6~20m，暗色泥岩厚度为40~120m），热演化程度增高（盆地主体R_o为1.3%~2.0%）。据长庆油田对含煤地层低成熟烃源岩样品热模拟实验，二叠系煤系烃源岩以生成气态烃为主，R_o为2.0%时的气态烃产率为75m³/t，R_o为2.5%时的气态烃产率为110m³/t。随着演化程度增高，气态烃产率明显提高^{[13, 21-23]}。研究区煤系烃源岩热演化程度高，弥补了厚度减薄的劣势，能够为太原组含铝岩系天然气成藏提供充足气源^[24]。

加里东运动之后，受中央古隆起控制，鄂尔多斯盆地岩溶古地貌自西南向东北依次为岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶洼地^[13]。晚石炭世开始，伴随海水自东南向西北侵入，本溪组在盆地主体形成东厚西薄的楔状体，宁古3井所在的宁县—正宁地区处于岩溶高地剥蚀区，未接受本溪组沉积。下二叠统太原组沉积期，海侵进一步加强，研究区演变为潟湖环境，岩溶高地风化形成的含铝物质近距离搬运或原地沉积，在频繁振荡的海侵—海退旋回中，沉积了一套由铝土矿、铝土质泥岩、砂岩、凝灰岩、碳质泥页岩、煤层构成的含铝岩系，厚度约为25~40m（图 2、图 6）。从盆地中东部钻井和野外剖面太原组岩性、岩相分析来看，普遍发育4层稳定的海相石灰岩^[19]，表明太原组至少经历了4期海侵、海退过程，这种振荡性的海侵、海退对盆地西南部沉积环境控制明显，形成了太原组多种岩性互层叠置的特点。多种岩性（脆性、强度不同）薄互层组合易于产生层间缝和节理缝，在野外剖面和岩石薄片中均可见到。

图 6

图 6 鄂尔多斯盆地西南部太原组厚度图 Fig. 6 Isopach map of Taiyuan Formation in the southwestern Ordos Basin

研究区位于鄂尔多斯盆地西南缘，古生代时期，该区处于华北地台和秦岭海槽两个大地构造单元的结合部位，现今位于渭北隆起和伊陕斜坡的过渡区，在加里东期、印支期和燕山期都是应力释放区，构造活动活跃^[13]。研究区西侧的龙门岩体从元古宙—中生代长期活动，位于龙门岩体的香1井蓟县系—延长组钻遇41层599.8m侵入岩体，推测海西期火山活动是太原组凝灰岩的主要来源。研究区是中元古代晋陕裂陷槽发育部位，北东向基底断裂继承性活动。燕山期自南向北的逆冲推覆作用，在渭北隆起形成了一系列近东西向延展的南掉北冲逆断层。多期构造活动对研究区有明显影响，在地震剖面上显示断裂发育（图 7），岩心和成像测井显示高角度裂缝发育。沉积作用和构造作用叠加形成的层间缝、节理缝和构造缝与铝土岩、铝土质泥岩、砂岩中的孔隙共同组成了孔隙—裂缝网络系统^[25]，使太原组含铝岩系形成有效储集空间，具有良好储集性能。

图 7

图 7 过宁古3井地震剖面图 Fig. 7 Seismic profile cross Well Ninggu 3

宁古3井太原组厚度为35m，是研究区沉积中心，向东、西两侧厚度变薄，岩性发生变化，易形成地层—岩性圈闭。太原组上部揭示煤层厚度为4.3m，与下伏含铝岩系互层共生或直接接触，山西组煤层及太原组内部暗色泥岩厚度达49.9m，也可以供烃，源储配置十分有利。据研究区8口探井太原组含铝岩系的气测显示分析，气测值与上覆煤系厚度具有明显正相关性。宁古3井位于断层—裂缝发育带上，断层—裂缝相对发育，能有效改善储层、输导油气，“源、储、缝”耦合关系是太原组含铝岩系天然气富集成藏的关键（图 8）。

图 8

图 8 太原组含铝岩系天然气成藏模式图 Fig. 8 Gas accumulation pattern of aluminiferous rock series of Taiyuan Formation

鄂尔多斯盆地本溪组和太原组含铝岩系普遍发育，作为一种新类型的储集体，具有较广阔的勘探前景。由于含铝岩系发育程度主要受古地貌和沉积相带控制，其厚度横向变化较大^[3]。结合石炭系—二叠系煤系烃源岩分布及源储配置条件，综合评价认为，本溪组含铝岩系勘探有利区主要分布在盆地东北部伊金霍洛旗—神木一带，以大牛地气田及周缘最为有利，面积约为2000km²（图 1）。大牛地气田本溪组铝土质泥岩厚度为2.0~21.6m，自西北向东南变厚。测井资料解释微裂缝、溶孔、粒间孔较发育，电成像图像显示微裂缝主要为高导缝，有利于输导油气^[6]。该区本溪组煤层不发育，但上覆太原组发育厚层层状煤层，厚度为10m左右，最厚可达17m^[19]，源储配置好，成藏条件有利。太原组含铝岩系勘探有利区主要分布在盆地西南部宁县—正宁、庆阳—合水一带，以宁县—正宁地区最为有利，面积约为1800km²。据区内9口钻井揭示，太原组含铝岩系厚度为2.3~23.9m，煤层厚度为0.9~7.5m，二者呈互层状或直接接触，源储配置十分有利。含铝岩系气测全烃含量为6.742%~82.264%，基质含量为0.207%~4.849%，具有气测峰值高、峰基比高的特征，其中陇45井气测峰值达82.264%，高于获得高产气流的宁古3井。通过对该区内9口钻井进行测井解释，其中6口井具有良好的含气性，表明太原组含铝岩系具有普遍含气、局部富集高产的特点，展示了该区太原组含铝岩系具有天然气规模成藏的条件和较大勘探潜力，再一次诠释了“勘探无禁区”的“找油哲学”^[26-27]。

（1）宁古3井太原组含铝岩系天然气勘探的突破，改变了含铝岩系不能形成有效储层的传统地质认识，发现了新的天然气藏类型，拓展了油气勘探领域。

（2）含铝岩系天然气藏的形成受多因素控制，与含铝岩系互层共生或直接接触的煤系烃源岩发育程度是成藏的基础；沉积作用和构造作用的叠加是形成孔隙—裂缝型有效储层的保障；“源、储、缝”耦合关系是成藏的关键。

（3）鄂尔多斯盆地本溪组和太原组含铝岩系广泛发育，具有普遍含气、局部富集高产的特征。展示了含铝岩系这一新领域具备规模储量发现的潜力，具有广阔的勘探前景，对发育含铝岩系的其他含油气盆地的勘探具有指导意义。