鄂尔多斯盆地上古生界自下而上可划分为上石炭统本溪组、下二叠统太原组和山西组、中二叠统下石盒子组以及上二叠统石千峰组，主要为一套海陆过渡相的含煤碎屑岩沉积地层。烃源岩为煤系发育的本溪组、太原组和山西组，工业气层在各组地层中都有分布，以下石盒子组和山西组为主。上古生界天然气资源丰富，已发现苏里格、榆林、大牛地、乌审旗和子洲-米脂等5个储量超过1000×108m3的大型气田。上古生界大面积致密砂岩储层以石英砂岩为主，平均孔隙度8%～10%，渗透率多小于1×10-3μm2，以低渗、低压、低丰度为特点，一般无自然产能，不经过压裂等工艺改造很难获得工业气流。
苏里格地区位于鄂尔多斯盆地西北部，横跨伊陕斜坡和伊盟隆起两个构造单元，勘探面积4×104km2。上古生界发育多套含气层系，主力层为二叠系下石盒子组盒8段和山西组山1段，目前已探明地质储量3.2×1012m3，具有勘探面积大、含气层系多、致密低压低丰度等典型特征，勘探开发潜力大(王道富等，2005；杨华等，2005；邹才能等，2006，2007；刘新社，2008；付金华等，2008)(图3.11)。
(1)致密岩气地质特征
1)含气层系多，分布面积大。鄂尔多斯盆地致密气主要分布在上古生界石炭系本溪组和二叠系太原组、山西组、石盒子组及石千峰组碎屑岩中，发育19个含气层组。自上而下，本溪组划分为本1、本2、本3三个含气层段，太原组划分为太1、太2两个含气层段，山西组划分为山1、山2两个含气层段，石盒子组划分为盒1至盒8八个含气层段，石千峰组划分为千1至千5五个含气层段。主力含气层段为下石盒子组盒8段、山西组山1段和太原组太1段，单井平均发育气层5～10段，单个气层厚3～8m(图3.12)。
在平缓的区域构造背景下，致密岩气主要分布在盆地中部斜坡部位，气藏埋深从西向东逐渐变浅，西部地区2800～4000m，东部地区1900～2600m。气层纵向上相互叠置，平面上叠合连片分布，大面积含气，钻井证实盆地含气范围达18×104km2。在大面积含气背景下，局部相对富集。如苏里格气田含气面积超过4×104km2。
2)煤系烃源岩发育，气藏甲烷含量高。上古生界致密岩气藏中δ13C1，值主要为-3.5%～-2.9%，δ13C2值基本大于-2.7%。伴生凝析油均呈姥鲛烷优势，Pr/Ph(姥鲛烷/植烷)值变化在1.64～2.41之间，具有典型的煤成气特征。上古生界煤系烃源岩大面积分布，西部最厚，东部次之，中部薄而稳定，煤岩厚6～20m、有机碳50%～90%，与煤岩伴生的暗色泥岩厚40～120m、有机碳1.0%～5.0%。烃源岩热演化程度已普遍进入高成熟阶段，RO值为1.3%～2.5%。计算总生烃量563.11×1012m3，生烃强度大于10×108m3/km2的区块占含气范围总面积的75%以上，具有广覆式生烃的特征，丰富的气源条件为大面积致密岩气藏的形成提供了物质基础。
图3.11 上古生界沉积综合剖面图
图3.12 苏里格气田苏20区块苏20-16-13～苏20-16-22井气藏剖面图
(据杨华等，2012)
由于上古生界天然气主要来源于高演化的煤系烃源岩，成烃以气为主。因此，天然气组分主要以高的甲烷含量为特征，甲烷含量为90.08%～96.78%.平均为94.10%；乙烷含量为1.29%～7.38%.平均为3.78%；天然气相对密度为0.565 9～0.624 7，平均为0.597 6；二氧化碳含量为0～2.48%，平均为0.43%；各致密岩气藏中无论是天然气组分，还是相对密度均有较好的一致性，天然气组分分析中未见H2S，属无硫干气。
3)储层物性差，非均质性强。上古生界致密岩气储层岩性主要为石英砂岩、岩屑石英砂岩及岩屑砂岩，以中—粗粒结构为主，主要粒径区间分布在0.3～1.0mm范围内，结构成熟度和成分成熟度较低。孔隙类型以次生溶孔和晶间孔为主，原生粒间孔在孔隙构成中居于次要地位，含少量收缩孔和微裂隙。地表条件下砂岩孔隙度小于8%的样品占50.01%.孔隙度为8%～12%的样品占41.12%，孔隙度大于12%的样品只占8.87%；储层渗透率小于1×10-3μm2的占88.6%，其中小于0.1×10-3μm2的占 28：4%。覆压条件下，基质渗透率小于 0.1×10-3μm2的储层占89%，具有典型致密岩气储层特征。
上古生界储层主要形成于陆相沉积环境，由于物源区岩性复杂，河流—三角洲水动力能量多变，决定了沉积物成分、粒度变化快，后期成岩作用复杂，储层在三维空间表现出了强的非均质性。作为多期叠置的砂体规模很大，但作为连续的储集体却有限。如石盒子组盒8段储层，叠合砂体南北向延伸可超过300km以上，东西向宽10～20km，砂体厚度20～30m；连续储集砂体南北长2～3km，东西向宽1～1.6km，有效砂层厚度3～10m。
4)非浮力聚集成藏，圈闭界限不清。鄂尔多斯盆地上古生界砂岩储层致密化时间为晚三叠世—中侏罗世，而天然气的大规模生、排烃时间为晚侏罗世—早白垩世末，储层致密时间要早于天然气运聚成藏期，在区域构造非常平缓的背景下，天然气浮力克服不了储层毛管阻力，天然气难以沿构造上倾方向发生大规模的侧向运移，以一次运移或短距离的二次运移为主，构造对气藏的控制作用不明显，天然气就近运移聚集成藏。在强的储层非均质性控制下，渗透率级差影响了天然气的富集程度，相对高渗透储层天然气充注起始压力低，运移阻力小，气容易驱替水，而渗透率较低的储层天然气充注起始压力高，运移阻力大，气较难进入，储层非均质性控制下的差异充注成藏造成天然气主要富集于相对高渗砂岩储层中。
在近距离运聚成藏条件下，一方面，天然气主要富集于紧邻烃源岩的储集层中，本溪组、山西组源储共生，含气饱和度平均为70%；石盒子组盒8段紧邻烃源岩，含气饱和度为65%；石盒子组上部及石千峰组远离烃源岩，含气饱和度平均为50%。另一方面，由于浮力不起控制作用，油气水分异差，气藏无边、底水，无统一的气、水界限，在不同期次砂体中，存在上气下水、气水倒置以及气水同层等多类型气水赋存状态，气藏圈闭边界不清晰。
5)气藏具有典型三低特征，单井产量低。上古生界致密岩气藏具有典型的“低渗、低压、低丰度”特征。地层条件下，89%的储层基质渗透率小于1×10-3μm2，同时，在开发过程中发现，储层渗透性随着气藏压力降低而下降，并具有不可逆性。渗透率越低，应力敏感性越强，渗透率下降得越快；地层压力系数0.62～0.9，自然能量不足；气藏储量丰度低，含气面积大，储量丰度一般为(0.8～1.5)×108m3/km2，含气范围呈大面积连片分布。
天然气井一般无自然产能，经储层压裂改造后，直井平均日生产量(1～2)×104m3，水平井平均日生产量5×104m3，气井在生产动态中表现为初期递减快，中后期递减慢，在较低井底流压下，表现出一定的稳产能力。
6)气水性质与分布。以高甲烷含量为特征，重烃(C2+)组分含量一般小于10%，凝析油含量低一极低。大部分天然气样品的甲烷含量大干93%，反映了以“干气”为主、“湿气”为辅的特征。纵向上，烃气含量从太原组到石盒子组逐渐增大，从97.55%→97.87%→98.23%，显示出垂向运移过程中非烃气逐渐被过滤、烃气相对富集的特点。天然气中非烃组分主要为CO2和N2，氢气、氦气等组分的含量极低，一般小于0.1%，未检测到硫化氢。
天然气的稳定碳同位素分析结果显示，绝大部分样品的甲烷及重同系物具有相对富稳定同位素13C的煤成气特征。苏里格地区石盒子组和山西组2个含气层位的烷烃气碳同位素都较重，具有煤成气的特点。对应分子的C2～C4碳同位素值，山西组普遍高于石盒子组，也表明天然气来源于下部地层，显示近源的同位素重、远源运移来的天然气轻的特点。
苏里格地区天然岩性气中存在有不同程度的产水现象，无连片水体和明显的边底水，多数井以气水共存为特点，水夹在气田内或气层中。平面上主要分布在两部和东部地区，西部地区探井产水量(约9m3/d)高于东部地区的产水量(小于5m3/d)，纵向上主要分布在盒8段，其次是山1段，盒8段产水量比山1段高。
苏里格地区盒8段、山1段地层水基本都为CaCl2型，总矿化度为1.61～114.27g/L。，平均矿化度为40～58g/L之间，高于海水的盐度35g/L，表明矿化度较高。其中，石盒子组(主要为盒8段)总矿化度在1.61～114.27g/L之间，平均矿化度为43.13g/L.；山西组(主要是山1段)总矿化度在4.03～101.72g/L之间，平均矿化度为47.27g/L；太原组的平均矿化度最高，达57.62g/L。
依据矿化度、水化学特征系数和苏林水型综合判别标准，将水型分为3类，即正常地层水、淡化地层水和凝析水，统计发现本区地层水主要为正常地层水和淡化地层水，少部分为凝析水。
苏里格气田位于鄂尔多斯盆地西北部，主要含气层位为上古生界石盒子组盒8、山西组山1，气层埋深3200～3900m，储层平均孔隙度8.68%，平均渗透率0.91mD。2007年开始进入二次整体勘探，在深化储层精细评价和成藏富集规律研究的基础上，以提高单井产量为突破口，地震勘探实现了由常规地震勘探转向全数字地震勘探，叠后储层预测转变为叠前有效储层与流体预测储层改造实现了不动管柱一次分压四层以上的技术突破。苏里格地区致密岩气勘探取得重大进展，连续5年新增天然气储量超5000×108m3，目前该区天然气储量累计达到3.17×1012m3，成为我国第一大气田。
7)资源潜力大。截至2011年年底，鄂尔多斯盆地累计完钻古生界天然气探井1367口，进尺451×104m，其中工业气流井664口，平均探井密度0.55口/100km2。靖边、榆林、苏里格等地区探井密度最高，达到了2.4口/100km2。环县、吴起、宜川等地区探井密度最低，为0.1口/100km2。根据国际通用标准，预探井密度大于0.1口/km2为高勘探程度区，0.1～0.01口/km2为中等勘探程度区，小于0.01口/km2为低勘探程度区，鄂尔多斯盆地仍具有较大的勘探潜力。从已探明地质储量的分布来看，在层系上90%的探明储量分布在石盒子组盒8段和山西组山1段，而紧邻烃源岩层的本溪组和太原组勘探还未取得大的突破；在区域上致密岩气含气范围达18×104km2。而目前探明储量的98%分布在苏里格、榆林、镇川堡等不足6×104km2的区域范围内，资源发现不均，勘探潜力较大。
苏里格致密气田成功开发主要体现在两个方面：一是相对高效井的比例由评价初期的60%提高到规模开发阶段的80%以上，并持续保持；二是通过气田开发方式的转变，在提高单井产量方面取得重大突破。2009年以来，气田开发大力推动水平井规模开发，单井平均产气量达到5×104m3/d，为直井产量的3-5倍。目前投产水平井192口，日产水平910×104m3，占总井数4%的水平井产量达到总产量的20%左右。
(2)技术集成创新，形成一套适用的勘探开发技术
鄂尔多斯盆地在致密岩气勘探开发过程中，经过长期探索和技术攻关，形成了适合致密岩气勘探开发的配套技术系列，主要技术如下。
1)全数字地震技术。鄂尔多斯盆地地表主要为沙漠和黄土区，地震波能量衰减强烈，目的层反射信息弱，气层厚度相对较薄，常规二维地震预测可以找到砂体，但预测含气性效果一般，全数字地震由于采集资料品质的提高，满足了用叠前地震资料直接预测气层的条件，实现了储层预测由砂体预测转为含气砂体预测，使直井的有效储层预测成功率由初期的50%提高到80%以上。全数字三维地震不但可以满足叠前地震弹性波反演和含气性预测，而且可以精细刻画和预测储层岩性、物性、含气性以及小幅度构造的空间展布，克服了二维地震不能满足储层空间变化的预测，实现丛式井、水平井的规模化开发。
2)优化钻井技术。根据致密气田地层特点和低成本开发要求，形成了以井身结构优化、国产油套管应用、PDC钻头复合钻井提高钻速、优化泥浆体系等技术集成的快速钻井技术，机械钻速不断提高，钻井周期不断缩短，PDC钻头的钻速是同井段牙轮钻头机械钻速的2～3倍，大幅度缩短了钻井周期，直井由平均45d缩短到l5d左右，丛式井由平均35d降低到20d左右，水平井钻井周期由202d缩短到71d左右。
3)压裂改造技术。通过直井多层、水平井多段的体积压裂改造，实现了致密储层改造的重大突破，为致密岩气有效开发提供了技术手段。直井改造工艺技术形成了以不动管柱机械分层压裂工艺为主体的增产工艺体系，实现了直井6层及以上的连续分压合求，有效节约了施工周期，减小了储层的伤害程度，直井单井产量较早期增产2～3倍。水平井改造技术中自主研发了水力喷射分段压裂改造工具和裸眼封隔器分段压裂改造工具，实现了10段以上改造。改造后水平井平均无阻流量62.4×104m3/d，生产井日产气量平均达到5.4×104m3/d，与直井相比，增产3～5倍。
4)井下节流技术。井下节流工艺是依靠井下节流器实现井筒节流降压。充分利用地层热能加热，使节流后气流温度基本能恢复到节流前温度，取代了传统的集气站或井口加热装置，有效抑制了水合物的生成。井下节流与井口加热节流开采方式对比，一是有效降低了地面集输管线压力等级，节流后平均油压3.88MPa，不到节流前的20%，为中低压集输模式的建立、降低地面建设投资夯实了基础；二是有效防止水合物生成堵塞，气井开井时率由67.0%提高到97.2%；三是不加热、不注醇，有利于节能减排，目前已累计推广应用4000余口井，每年减少甲醇消耗1.8×104t标准煤、加热炉燃气消耗28.8×104t标准煤。
5)排水采气技术。致密砂岩气藏气井产能低，携液能力差，尤其是生产后期，井筒积液明显，影响气井的正常生产，针对局部含水生产井“低压、低产、含凝析油”的特点，从开发初期就开展了大量的排水采气技术攻关试验，初步形成了以泡沫排水采气为主体，速度管柱、柱塞气举、压缩机气举、合理工作制度为辅的排水采气工艺技术系列，确保了气田平稳生产。
6)数字管理技术的适用技术系列。致密岩气田由于单井产量低，大规模开发后，必然面临井数多、面积大的管理难题。数字化管理采用现代成熟的信息、通信、自控技术，实现数据源头自动采集，自动加载到生产企业的指挥中心数据库，为各级管理部门应用提供开放的数据平台。一是通过建立地质专家系统、工艺专家系统、气田管网管理系统，实现气田配产自动化；二是利用井下节流技术和远程可控开关截断装置，实现开、关井远程控制；三是建立电子巡井系统，对井场进行不间断的图像和工况分析，实现对气井运行的安全监控。
(3)管理创新，建立了致密岩气田开发模式
苏里格气田作为致密岩气低成本开发的试验田，充分运用市场机制条件下的合作开发，建立了既不同于国内的边际效益油田合作开发的模式，也不同于国际合作P SC产品分成合同模式，是以“六统一、三共享、一集中”为核心的管理模式和以“标准化设计、模块化建设，数字化管理，市场化运作”的建设模式。“六统一”是指各开发生产单位“统一规划部署、统一组织机构、统一技术政策、统一外部协调、统一生产调度、统一后勤支持”；“三共享”是“资源共享、技术共享、信息共享”；“一集中”是“集中管理”。
1)标准化设计。根据井站的功能和流程，设计了一套通用的、标准的、相对稳定的、适用于地面建设的指导性和操作性文件。管理方按照“统一、简化、协调、最优化”的标准化原理全面开展厂、站标准化设计及与之相适应的物资采购、施工建设、工程管理、造价预算等方面的标准化工作。标准化设计的实施使设计效率显著提高，例如，单座集气站的设计周期由原来的30～45d，缩短到10d以内；50亿处理厂设计周期由原来的5个多月缩短到2个月。
2)模块化建设。以场站的标准化设计文件为基础，以功能区模块为生产单元，在工厂内完成模块预制，最后将预制模块、设备在建设现场进行组合装配。模块化施工内容主要包括“组件工厂预制、工序流水作业、过程程序控制、模块成品出厂、现场组件安装、施工管理可控”6个方面。模块化建设加快了致密岩气田大规模建设的速度，如集气站安装施工工期由原来的30d降低到10d，总体有效工期由原来的111d降低到30d。处理厂建设周期由14个月降低到9个月。
3)数字化管理。将数字化与劳动组织架构、生产工艺流程优化相结合，按生产流程设置劳动组织架构，实现生产组织方式和劳动组织架构的深刻变革。以基本生产单元(井、站、集输干线)为核心的数字化生产管理系统降低了劳动强度、提高了生产效率，大幅度减少了一线用工总量，同时数字化管理系统改善了员工工作方式，满足了一线员工的心理需求。如苏里格气田按照数字化集气站管理模式，较常规集气站定员减少56.25%。适应了气田大规模、快速建设和管理的需要。
4)市场化运作的创新型管理体系。市场化运作培育了市场主体，强化了市场管理，完善了工程服务标准，提供了低成本、高质量、高速度的发展模式，解决了致密岩气大规模开发中钻井、材料等配套资源短缺的问题，实现了资源优化配置。同时市场化加强了竞争机制，对钻井队伍实施“甲乙丙”分级管理制度，业绩不好的队伍予以清退，推进工程队伍管理由“数量型”向“质量型”转变，有效保障了生产建设的安全平稳运行。
(4)勘探新领域与资源潜力
1)苏里格南部。勘探面积约1.3×104km2，目的层主要为石盒子组盒8和山西组山l，气层埋深3700～4000m。发育三角洲平原分流河道及前缘水下分流河道砂体，是苏里格气田向南的延伸，砂体纵向上叠置厚度大，平面上复合连片，砂体厚15～30m。储层岩性以中一粗粒石英砂岩为主，孔隙类型以溶孔为主，晶间孔及粒间孔次之，平均孔隙度8.7%，平均渗透率0.83×10-3μm2。钻井均见含气显示，气层厚14.6m，气藏呈大面积复合连片，未见边、底水。该区预计可新增储量7000×108m3。
2)靖边-高桥.勘探面积1.1×104km2，主要目的层为石盒子组盒8和山西组山l、山2，气层埋深3300～3900m，三角洲前缘水下分流河道砂体发育，岩性为中一粗粒石英砂岩、岩屑石英砂岩，孔隙类型以岩屑溶孔、晶间孔为主。石盒子组盒8段气层厚8.8m，平均孔隙度8.9%，平均渗透率0.85×10-3μm2；山西组山l段气层厚5.3m，平均孔隙度8.1%，平均渗透率0.68×10-3μm2；山西组山2段气层厚5.6m.平均孔隙度6.8%，平均渗透率0.79×10-3μm2。以盒8、山l、山2为重点层系，预计该区可新增储量5000×108m3以上.。
3)神木-米脂。勘探面积1.5×104km2，具有多层系复合含气特征，勘探目的层主要为石盒子组盒8、山西组山2和太原组，气层埋深1800～2600m。该区处于上古生界生烃中心，生烃强度达40×10850×108m3/km2，气源充足。石盒子组盒8段气层平均厚13m，平均孔隙度8.4%，平均渗透率0.51×10-3μm2；山西组山2段气层平均厚7.5m，平均孔隙度7.4%，平均渗透率0.65×10-3μm2；太原组气层平均厚10m，平均孔隙度8.0%.平均渗透率0.64×10-3μm2。预计该区可新增储量6000×108m3以上。
4)盆地西南部。该区处于盆地南部沉积体系，勘探面积1×104km2，主要目的层为石盒子组盒8和山西组山l，气层埋深3800～4600m。石盒子组盒8气层平均厚度7.5m，平均孔隙度9.2%，平均渗透率为0.71×10-3μm2；山西组山l 气层平均厚度6.3m，平均孔隙度8.1%，平均渗透率0.54×10-3μm2。镇探l井山西组试气获5.46×104m3/km2的工业气流，庆探l、莲1、合探2井在盒8、山l均钻遇石英砂岩气层，展示了该区良好的勘探前景。
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