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 （中石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北 任丘062552）

郭增强 （中石油华北油田分公司地球物理勘探研究院，河北 任丘062552）

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，是华北地区石炭系－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年底钻至古生界的探井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，该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P1s、C3t砂岩游离气的试气建议。经测试，郑试79井为低产气水层，以产水为主，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一定的指导意义。

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接受沉积，形成上石炭统至上二叠统一套完整的煤系，至上二叠统石千峰组 （P2s）沉积期全部转为干旱气候下的河湖相沉积环境。石炭系－二叠系共含煤8～19层，总厚度5～23.6m，主要煤系含煤11～12层，可采煤3～8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，P1s在阳泉－榆社一带为90～100m以上，由北向南逐渐减薄，到阳城－晋城一带约为30～50m；C3t在阳泉－榆社一带厚度在60m以上，而阳城－晋城一带则为10～30m。

经过试验分析，P1s、C3t煤有机碳质量分数为43%～75%，暗色泥岩有机碳质量分数为2%～4.2%，是主要气源岩；中奥陶统峰峰组 （O2f）、马家沟组 （O2m）灰岩和白云岩有机碳质量分数为0.10%～0.33%，具有一定的生烃能力，为次要气源岩。

存在2个主要排烃期[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阶段，从而形成大量天然气。

据热模拟试验结果，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Ⅲ号时，产气量高达280m3/t，表明了煤岩强大的生气能力[4]。资源评价结果表明，沁水盆地常规天然气资源量为5533×108m3；煤层甲烷资源量为44434×108m3，大约为常规天然气资源量的8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。灰岩发育于石炭系本溪组 （C3b）和C3t，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。而砂岩在石炭系－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系－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系－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，导致研究区砂岩储层物性一般较差。声波时差测井曲线值在195～240μs/m之间，主要集中在210μs/m左右，为致密砂岩。统计74个样品孔隙度在0.6%～9.8%之间，平均值为2.8%；68个样品渗透率在0.04～2.52mD，平均值为0.13mD。从孔隙度和渗透率分布直方图 （图1）中可以看出，孔隙度峰值集中在2%～3%，渗透率峰值集中在0.01～0.1mD，属中低孔、低渗－特低渗储层。

图1 沁水盆地P1s、C3t砂岩孔隙度、渗透率直方图

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。纵向上从下至上，石炭系－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 （P1－2sh）储层物性稍好，P1s次之，C3t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。

1.3 储盖组合

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 （大于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 （见图2）。主要有4套储盖组合：①P1－2sh砂岩为储层，其顶部的泥岩及其他泥岩为盖层；②P1s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，其顶部泥岩为盖层；③C3t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；④奥陶系顶面岩溶体为储层，C3b铝土岩、泥岩为盖层。其中①、③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，④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，其石炭系－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，两个地区的石炭系－二叠系地层具有许多相似的特征，鄂尔多斯盆地石炭系－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C3t砂岩气藏即为一岩性圈闭。

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3期以上的褶皱运动，分别发生于早、中、晚侏罗世末期，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1000～3000mg/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[6]认为喜山期发生了3期构造挤出运动，其中第2和第3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呈带状展布，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。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。

图2 沁南地区石炭系－二叠系地层综合柱状图

图3 沁水盆地郑庄区块二维地震测线上走滑断层形态

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2个主要排烃期。第1次排烃期为三叠纪末－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1次运移时期，由于在P1s、C3t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P1s、C3t形成一些古地层岩性天然气藏。第2次排烃期为晚侏罗世－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2次运移。此时，整个沁水盆地受燕山运动影响，在近SN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3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3次主要运移，并且第3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2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。参考鄂尔多斯盆地苏里格气田的标准，只有孔隙度大于9%、渗透率大于0.2mD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C3t、P1s到P1－2sh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 （泥岩厚度大于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P1－2sh、P1s、C3t、奥陶系4套勘探层系，相关目的层位均见到过气测异常。以前认为P1s、C3t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C3t砂岩及构造部位有利的郑试31井P1s砂岩进行试气。郑试79井日产气近500m3，日产水近10m3，为低产气水层，郑试31井为低产水层。试气结果说明，研究区块储层低孔、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 （P2sh）表明储层含气的有30口井，下石盒子组 （P1sh）有8口井，P1s有6口井，C3t有7口井。结果表明，含气层位主要集中在P2sh，并且P1s、C3t储层的中子密度重叠幅度略低于P2sh。说明游离气聚集的优势层位在P2sh，这与区域P2sh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，P1s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30×104m3左右，其中日产气大于10000m3的井有7口，5000～10000m3的10口，大于5000m3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C3t灰岩到P1s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

1）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。

2）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3次运移，最终形成现今的格局。

3）在勘探层系上，P2sh储层物性较好，处于有利的成藏部位，值得进一步深入研究。

4）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，是相对有利的勘探前景区。

[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）：337～344.

[4]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，2003，31（2）：23～26.