2013.5.13-修出--杨克兵--沁水盆地煤系地层游离气成藏条件分析-改后.doc

沁水盆地煤系地层游离气成藏条件分析杨克兵，钱铮，刘欢，郑扶军 (中石油华北油田勘探开发研究院，河北 任丘 062552)郭增强 （中石油华北油田物探地质研究院，河北 任丘 062552）摘要 沁水盆地面积大，煤系地层游离气资源丰富，但多年勘探未获突破，主要原因是忽视了后期构造活动对游离气聚集成藏所产生的影响。经过对沁水盆地构造演化及煤系地层游离气的运移成藏进行深入研究分析，认为喜山期在沁水盆地产生了大量的走滑断层，对以前形成的大部分游离气藏进行了破坏，使得游离气进行了第三次运移，游离气藏发生了严重调整与改造，成藏关键取决于走滑断层控制。这些走滑断层是游离气运移和逸散通道，导致早期形成的山西、太原组古气藏向石盒子组迁移或逸散。以此为依据，对沁水盆地游离气的有利成藏层位和区域进行了预测。关键词 沁水盆地；石炭二叠系；游离气；成藏条件；主控因素中图分类号 文献标志码 文章编号 沁水盆地位于山西省东南部，东依太行山隆起，南接中条山隆起，西邻吕梁山隆起，北靠五台山隆起，整体形态为一大的复式向斜构造。面积36000km2，是华北地区石炭二叠系保存最完整、连片面积最大、埋藏深度适中的一个含煤区，具有丰富的煤层气及煤系地层天然气资源。该区域以油气为目的的勘探工作始于1957年，到2012年底钻至古生界石油探井15口，其中有11口井见到了气测异常或槽面显示，除阳1井于太原组灰岩中获工业气流外，多年未获突破。研究证实，本地区有机质演化程度较高，达到成熟晚期或过成熟早期，对于找油是不利的，对找气可能较为有利1。目前，在该区提出了煤系地层游离气勘探概念2，其实就是以煤层及煤系地层为主要烃源岩的天然气勘探。经过对郑庄、樊庄区块大量的煤层气资料研究探索，认为山西组（P1s）、太原组（C3t）具有岩性油气藏的有利成藏条件。经过优选，提出了郑试79井和郑试31井山西、太原组砂岩游离气的试气建议。经测试，郑试79井为低产气水层，以水为主，郑试31井失利。试气结果表明，储层普遍低压，含气不饱满，符合残余气藏特征，说明原始古气藏已遭到后期构造运动的改造破坏。笔者以此为基础，重新对煤系地层游离气成藏条件进行深入研究，确立其成藏主控因素，不仅弄清楚了试气失利的主要原因，而且对沁水盆地游离气的有利成藏层位和区域进行了预测，对该区域的游离气下步勘探具有较大的指导意义。1 成藏的地质基础1.1 气源条件沁水盆地晚奥陶世至早石炭世，和整个华北板块一样处于抬升、受剥蚀状态，直至晚石炭世再次开始下降转为连续接受沉积，形成晚石炭至晚二叠一套完整的煤系，至二叠世晚期的石千峰组（P2sh）沉积期全部转为干旱气候下的河湖相沉积环境。石炭二迭系共含煤819层，总厚度523.6m，主要煤系含煤1112层，可采煤38层，其中3#和15#煤，煤层厚度大、分布稳定。同时期所沉积的暗色泥岩具有北厚南薄的特点，山西组在阳泉榆社一带为90100m以上，由北向南逐渐减薄，到阳城晋城一带约为3050m；太原组在阳泉榆社一带厚度在60m以上，而阳城晋城一带则为1030m。 收稿日期2013-03-29基金项目 国家重大油气专项（2011ZX05033-04）.作者简介 杨克兵（1967-），男，1989江汉石油学院毕业，大学本科，高级工程师，主要从事测井及地质综合研究。经过试验分析，山西组、太原组煤有机碳含量为43%75%，暗色泥岩有机碳含量为2%4.2%，是主要气源岩；奥陶系中统峰峰组、上下马家沟组灰岩和白云岩有机碳含量为 0.10%0.33，具有一定的生烃能力，为次要气源岩。存在两次主要排烃期3，一是三叠纪末排烃期，煤层埋深普遍超过2500m，最大深度约达4000m，所发生的煤化作用（主要是正常地温梯度3/100m条件下的深成变质作用），煤层变为低-中变质烟煤，生成大量天然气；二是侏罗纪-白垩纪生气期，由于构造运动使地幔隆起，大地热流值升高，地温增温率增加到5.5/100m，使得煤层变质程度进一步增高达到了无烟煤，从而形成大量天然气。据热模拟实验结果，煤岩由褐煤热演化至瘦煤阶段时，产气量已经达到140m3/t，至无烟煤号时，产气量高达280 m3/t4，表明了煤岩强大的生气能力。根据资源评价，沁水盆地常规天然气资源量为5533108m3。煤层甲烷资源量为44434108m3，大约为常规天然气资源量的八倍，有丰富的天然气资源。1.2 储层特征沁水盆地主要发育两种具有储集能力的岩类：灰岩和砂岩。石炭系灰岩发育于本溪组和太原组，多为致密的泥晶灰岩和含生物泥晶灰岩，亮晶内碎屑灰岩少见，其孔隙并不发育，孔渗条件差。而砂岩在石炭二叠系各层位均有发育，平面上广泛分布于全区，目前在沁水盆地已发现了石炭二叠系砂岩作为储集层的游离气显示。因此，砂岩是沁水盆地南部石炭二叠系最主要的储集岩类型。砂岩主要以细中粒长石石英砂岩、石英长石砂岩为主，部分岩屑砂岩，石英含量占绝对优势，次为岩屑、长石。由于处于成熟过成熟成岩阶段，原生孔隙基本全部消失，次生孔隙也不太发育，导致本区块砂岩储层物性一般较差。声波时差195240s/m之间，主要集中在210s/m左右，为致密砂岩。统计孔隙度样品74个，范围值在0.6%9.8%之间，平均值为2.8%；渗透率样品68个，范围值在0.042.5210-3m2，平均值为0.1310-3m2。从孔隙度和渗透率分布直方图中可以看出，孔隙度峰值集中在23，渗透率峰值集中在0.010.110-3m2（图1）。属中低孔、低渗、特低渗储层。砂岩储层物性主要受沉积相带及埋深控制，压实作用是原生孔隙损失的主要因素，胶结作用次之。纵向上，至下而上，本区石炭二叠系砂岩孔喉条件、孔渗条件、渗流能力均有变好的趋势。其中，石盒子组储层物性稍好，山西组次之，太原组稍次。平面上，分流河道砂体优于河口坝砂体，砂岩主体沉积中心优于边部沉积。 图1 沁水盆地山西、太原组砂岩孔、渗直方图1.3 储盖组合沁水盆地下古生界及前寒武系地层与华北地区类似，其中前寒武系包括太古界和元古界，是华北地台沉积盖层的古老基底，厚度巨大。寒武系为一套海相碳酸岩沉积，厚215415m，奥陶系仅发育下统和中统下部地层，地层厚度380660m。石炭系发育本溪、太原组，本溪组地层厚度035m，与下伏奥陶系呈不整合接触，太原组厚度117173m，与本溪组呈整合接触。二叠系发育山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，山西组厚度3978m，下石盒子组厚度60100 m，上石盒子组厚度270570 m，石千峰组厚度20210m，均呈整合接触关系。三叠系主要发育刘家沟组与和尚沟组，与石千峰组整合接触。厚度0760m。第三系、第四系分布厚度不一，其中第三系厚度为0180m，第四系厚度为0240m。根据区域地层发育情况，可以看出，二叠系普遍发育的泥岩层当具有一定的厚度（10m）且连片性广时，可作为区域盖层。因此，能够形成多套储盖组合（图2）。主要的有四套储盖组合：一是上、下石盒子组砂岩为储层，上石盒子组顶部的泥岩及其它泥岩为盖层；二是山西组自生自储组合，即煤层、暗色泥岩生，砂岩、生物碎屑灰岩为储层、上覆山西组顶部泥岩为盖层；三是太原组自生自储组合，即煤层、暗色泥岩生，砂岩、生物碎屑灰岩为储层，上覆泥岩为盖层；四是奥陶系顶面岩溶体为储层，本溪组铝土岩、泥岩为盖层。 一、三组合已于鄂尔多斯盆地刘家庄、胜利井、子洲等地发现工业气田，四组合已在靖边地区找到大气田。 2 圈闭与保存条件2.1 岩性圈闭中新元古代至三叠纪，沁水盆地与鄂尔多斯盆地同属华北古地台克拉通内盆地的一个组成部分，具有大致相同的构造演化历程、相近的沉积环境和相似的沉积建造。沁水盆地与鄂尔多斯盆地最主要的共同点是，其石炭-二叠系沉积时两个地区均属华北地台型盆地，形成了海陆交互相含煤地层。此外，两者早古生代沉积也有很多相似之处，在早中三叠世，两个地区也是一个统一的大型陆相河湖盆地。所以，两个地区的石炭-二叠系地层具有许多相似的特征，鄂尔多斯盆地石炭-二叠系发育的岩性圈闭，按照地质条件，在沁水盆地也应同样发育。例如，郑试79井太原组砂岩即为一岩性圈闭。 图2 沁南地区石炭-二叠系地层综合柱状图2.2 背斜构造圈闭燕山期侏罗纪开始，沁水盆地进入了以较强烈构造活动为特征的地台活化阶段，至少有过三期以上的褶皱运动，即J1末、J2末和J3末，中侏罗世末的褶皱运动最为强烈，产生了大量的以北东向为主的背斜构造。经过统计，沁水盆地已发现圈闭面积大于1km2的背斜构造有247个。其中，优选盆地不同构造部位的10余个背斜构造进行钻探，仅见到气测异常或槽面显示，证实没有游离气藏5。失利主要原因，一是主要目的层埋藏浅，所钻探的圈闭大部分位于盆地边缘古生界出露或埋深小于700m的地区，保存条件不好。二是尽管目的层埋藏深，如北斗沟大型背斜（沁参1井），但圈闭已遭到新生界断层破坏。2.3 保存条件沁水盆地内地层水矿化度普遍较低，最大不超过6000mg/L，主要在10003000mg/L范围内。而鄂尔多斯盆地古生界地层水矿化度均在10000mg/L以上，最高近100000mg/L，与鄂尔多斯盆地相比，沁水盆地的保存条件较差，不利于游离气藏的保存。它反映了全区地下水交替活动强，这是煤系地层游离气资源逸散的主要途径。根据区域构造演化情况，能够对游离气藏保存产生影响的有燕山期侏罗纪的褶皱运动，喜山期强烈的抬升及剥蚀活动。张岳桥等认为喜山期发生了三期构造挤出运动6，其中第二和第三期构造挤出运动对华北地区的陆内变形具有重要意义。导致喜山期在沁水盆地形成了大量的走滑断层，这些断层在平面上呈线形延伸 图3 沁水盆地郑庄区块二维地震测线上走滑断层形态或带状展布，在剖面上陡直向下直插基底，单条断层产状稳定，以上缓下陡的半花状构造样式为主，发育少量负花状构造，表现出扭张构造应力作用下走滑构造变形特征（图3）。这些新生代断层对沁水盆地燕山期形成的圈闭破坏性是严重的，对煤系地层游离气的保存影响巨大，也是导致全区地下水交替活动强、地层水矿化度低的主要因素。 3 成藏主控因素及有利区分析3.1 游离气运移期次沁水盆地煤系地层有两次主要排烃期，第1次排烃期发生三叠纪末早侏罗世。此时，沁水盆地没有形成，东西两端太行山、吕梁山尚未隆起，南北两端保持原貌7。游离气开始了第一次运移时期，由于在山西、太原组泥岩盖层具有良好的封盖性，与鄂尔多斯盆地具有相似的成藏条件，煤系地层生成的天然气开始向物性好的砂岩顶板及有运移通道的砂岩、灰岩储层运移，主要在山西、太原组形成一些古地层岩性天然气藏；第2次排烃期发生在晚侏罗世早白垩世，为主要的游离气成藏期。受燕山晚期区域构造热事件影响，第2次排烃是煤层气大量生成阶段，游离气进行了第二次运移。此时，整个沁水盆受燕山运动影响，在近南北方向强烈挤压应力作用下整体隆起，沁水盆地南部形成中条隆起，构成了沁水盆地的雏形，产生了大量的背斜圈闭8，游离气开始向物性好的顶板砂岩及有运移通道的构造圈闭运移成藏。同时，强烈的构造运动也导致了部分游离气的逸散；喜山期，在近SN和EW向应力场（印度板块和太平洋板块）强烈作用下，煤系地层褶皱加剧，发育了大量呈现NE-NEE走向具有走滑性的张性断层，对以前形成的大部分游离气藏进行了破坏，使得游离气进行了第三次运移，游离气藏发生了严重调整与改造，部分游离气藏变成残余气藏。可以看出，沁水盆地煤系地层所产生的游离气大致发生了三次主要运移，并且第三次运移是破坏性的。3.2 成藏主控因素根据沁水盆地煤系地层游离气的成藏条件，沁水盆地煤系地层游离气的成藏主要受二方面控制：一是储层物性，当储层物性较差时，不具备成藏的物质基础。依据鄂尔多斯盆地苏里格气田的标准，只有孔隙度9%、渗透率0.210-3m2的砂岩才具备成藏的储层条件。二是保存条件，沁水盆地后期构造运动强烈，导致沁水盆地总体保存条件较差，对已存在的古游离气藏具有较大的破坏作用。可以看出，尽管沁水盆地储层物性普遍较差，但仍有大量满足游离气成藏的储层，并不影响游离气的成藏。从太原组、山西组到石盒子组都见到气测异常，表明运移渠道是畅通的。因此，保存条件才是沁水盆地煤系地层游离气成藏的主控因素。通过构造、沉积演化分析，对沁水盆地保存条件产生决定性影响的主要是喜山期发育的走滑断层，当印支、燕山期发育的岩性圈闭及背斜构造圈闭在喜山期再发育走滑断层时，圈闭基本被破坏，游离气逸散。同时，游离气在向上运移逸散过程中，如上部通道上有合适的圈闭，也可继续聚集成藏。综上所述，沁水盆地煤系地层游离气成藏关键是喜山期的走滑断层控制，只有在走滑断层不发育或较少发育的区域，才具备有利的游离气成藏条件。此外，当区域盖层厚度较大时（泥岩厚度40m），能降低走滑断层对圈闭的破坏作用，具有较好的保存条件，也是游离气的有利成藏区。3.3 勘探有利区分析3.3.1 游离气成藏的优势层位区内发育了石盒子组、山西组、太原组、奥陶系四套勘探层系，相关目的层位均见到过气测异常。以前认为山西、太原组有优质的烃源岩和封盖层，能够形成良好的生储盖组合，是游离气富集的优势层位。以此为依据，以中子密度重叠方法判断储层含气性为基础，优选了郑庄区块含气特征比较好的郑试79井太原组砂岩及构造部位有利的郑试31井山西组砂岩进行试气。郑试79井日产气近500方，日产水近10方，为低产气水层，郑试31井为低产水层。试气结果说明，本区块储层低孔、低渗、低压，且含气不饱满，表明气藏已遭到破坏，为残余气藏。进一步研究认为，是井周边发育的新生代断层破坏了原有的游离气藏，导致游离气散失。通过试气，建立了中子密度重叠评价游离气层的新标准，根据新的重叠标准，重新对郑庄区块评价井进行了全井段解释，取得了一些效果。郑庄区块上石盒子组表明储层含气的有30口井，下石盒子组有8口井，山西组有6口井，太原组7口井。结果表明，含气层位主要集中在上石盒子组，并且山西、太原组储层的中子密度重叠幅度略低于上石盒子组。说明游离气聚集的优势层位在上石盒子组，这与区域上上石盒子组储层物性最好，在喜山期的调整与改造中，处于有利的成藏部位有关，与区域构造演化具有良好的一致性。3.3.2 有利区分析通过综合研究分析，尽管沁水盆地煤系地层游离气成藏环境具有保存性差的特点，但并不排除局部具有保存条件好的区域。从平面上看，新生代断层不发育、或山西组泥岩厚度大的区域保存条件相对较好。该区域不仅具有较好的游离气成藏条件，而且也是煤层气成藏条件最好的区域，煤层物性好，单井产量高。例如沁水盆地成庄、潘庄地区，成庄井区日产气30万方左右，平均日产气4850方，其中日产气10000方井有7口，500010000方10口，5000方的井占总开井数20%，是目前华北油田沁南煤层气田开发效益最好的井区。在该区域进行游离气勘探，能够取得一定效果。从纵向上看，盆地腹部古生界埋藏较深的区域具有较好的保存条件，有利于游离气聚集成藏。例如沁水盆地郑庄区块北部及沁南区块南部，该区块处于盆地主体斜坡部位，目的层埋藏深，水动力交替活动弱，大的断裂不发育，具有有利的游离气保存条件。周围钻探结果显示，从太原组灰岩到山西组砂岩，均见到气测异常，是下一步进行游离气勘探的有利区。4 结 论沁水盆地煤系地层尽管游离气资源量大，储层、圈闭发育，储盖组合多，具有有利游离气成藏条件。但后期改造活动强，保存条件差，导致古游离气藏遭到破坏，变成残余气藏。构造演化确立了新生代喜山期发育的走滑断层成为游离气成藏的主控因素，这些走滑断层也是游离气运移和逸散通道，使得游离气进行了第三次运移，最终形成现今的格局。在勘探层系上，上石盒子组储层物性较好，处于有利的成藏部位，值得进一步深入研究。平面上，新生代走滑断层不发育区的岩性圈闭、低幅度背斜圈闭以及盆地腹部古生界埋深大于700m的深陷区圈闭，保存条件较好，具备有利的游离气成藏条件，具有相对有利的勘探前景。参考文献1白玉宝.山西沁水盆地南缘奥陶石炭系油气远景评价J.西安地质学院学报,1995，6（2）：39-43.2李月，林玉祥，于腾飞.沁水盆地构造演化及其对游离气藏的控制作用J.桂林理工大学学报,2011,11（4）：481-487.3李伟，张枝焕，朱雷，等山西沁水盆地石炭二叠系煤层生排烃史分析J沉积学报，2005，23( 2)： 3373444王一兵、赵庆波.沁水盆地环状斜坡带煤层气高产富集条件及有利目标评价J.天然气工业，1997，7（4）：80-83.5陈刚,刘林玉.沁水盆地古生界天然气圈闭条件分析J.西北地质，1998，12(4)：34-38.6张岳桥.晚新生代青藏高原构造挤出及其对中国东部裂陷盆地晚期油气成藏的影响J.石油与天然气地质，2004，4（2）：162-168.7肖晖，任战利，崔军平.沁水盆地石炭二叠系煤层气成藏期研究J.中国地质，2007，34（3）：490-496.8李五忠，王一兵，崔思华，等沁水盆地南部煤层气田煤层气成藏条件分析J.煤田地质与勘探，2003，2004，31（2）：23-26.Analysis of Reservoir-forming Conditions about free Gas in Coal strata of Qinshui BasinYang Kebing1，Qian Zheng1，Ge Zengqiang2，Liu Huan1，Zheng Fujun1（1. Exploration and Development Research Institude of HuaBei Oilfield Company, Renqiu，Hebei 062552；2. Geophysical Prospecting Geologic Institude of HuaBei Oilfield Company, Renqiu，Hebei 062552）Abstract: The qinshui basin area is large, coal-bearing strata free gas resources are rich, but did not get a breakthrough in exploration for many years, the main reason is ignored the late tectonic activity of free gas accumulation effects. Of qinshui basin