水城—纳雍地区构造控制下的煤层气成藏特征

水城—纳雍地区构造控制下的煤层气成藏特征

窦新钊，俞显忠，胡广青，赵志义，易小会，朱建刚

(安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽合肥 230088)

摘要：贵州省煤层气资源丰富，水城—纳雍地区是研究煤层气成藏特征的有利区域。本文在系统分析煤层气成藏地质背景的基础上，结合构造埋藏史和生烃演化史数值模拟研究，探讨水城—纳雍地区煤层气成藏特征及构造对成藏的控制作用。结果表明，在煤田勘探资料约束下，数值模拟结果可信，过程合理，较好地反映了水城—纳雍地区上二叠统煤层的构造埋藏史和生烃演化史。在构造作用控制下，水城—纳雍地区具有如下煤层气成藏特征：向斜控气；中新生代构造抬升剧烈，气藏埋深小；多期生烃作用，煤层气含量高；成藏过程复杂且分异明显。

关键词：水城—纳雍地区；煤层气；成藏特征；构造控制；数值模拟

中图分类号：P618.11

基金项目：国家自然科学

作者简介：第一窦新钊(1985年生)，男，博士，工程师,2012年毕业于中国矿业大学，现从事构造地质及非常规天然气地质研究工作。邮箱：douxinzhao@163.com。

Characteristics of CBM Reservoir Formation under Tectonic

Control in Shuicheng-Nayong Area

Dou Xinzhao, Yu Xianzhong, Hu Guangqing, Zhao Zhiyi, Yi Xiaohui, Zhu Jiangang

(ExplorationandResearchInstitute,AnhuiBureauofCoalGeologicalExploration,Hefei,Anhui230088,China)

Abstract:There are rich coalbed methane (CBM) resources in Guizhou Province, and Shuicheng-Nayong area is favorable for study on CBM reservoir forming characteristics. So, based on the system analysis of geologic setting of CBM reservoir forming, combined with the modeling study of tectonic burial history and mature evolution history, the reservoir forming characteristics of CBM and its tectonic control of reservoir forming in Shuicheng-Nayong area were discussed. The research showed that the results of numerical simulation were reliable, and process was rational under the constraints of coal, exploration data, tectonic burial history and mature evolution history of upper Permian coal seams in Shuicheng-Nayong area were reflected well. CBM reservoir formation under tectonic control in Shuicheng-Nayong area has the following features: it is characterized by syncline-controlled gas; the scope of tectonic uplift is large in Mesozoic-Cenozoic, and the depth of CBM reservoir is small; CBM content is high for multiple phases of hydrocarbon generation; the process of CBM reservoir formation is complex and fractionation in different zone is clear.

Key words: Shuicheng-Nayong area; CBM; reservoir forming characteristics; tectonic control; numerical simulation

构造演化在煤层气成藏过程中具有根本性的控制作用[1-3]，在构造作用下，煤系地层遭受沉降埋藏和抬升剥蚀，从而控制着煤的受热—成熟—生烃—散失整个过程[4,5]。贵州省煤层气资源丰富，主要赋存于上二叠统煤系，但处于特提斯构造域和滨太平洋构造域的结合部位，构造演化过程极为复杂[6,7]，严重制约了煤层气的勘探开发进程。贵州省中西部的水城—纳雍地区构造变形强烈，煤层含气量高，是研究煤层气成藏过程和差异性的有利区域。因此，本文在构造埋藏史和生烃演化史数值模拟研究的基础上，探讨水城—纳雍地区煤层气成藏特征及其构造控制作用。

1 地质概况

水城—纳雍地区出露的地层主要有泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系及中—上侏罗统，新生界零星分布，以二叠系和三叠系分布最广。以北西向构造为主，包括威水背斜、格目底向斜、堕却背斜、比德向斜和蟠龙向斜及一些走向冲断裂，同时有一些近等轴状向斜，如大河边向斜、白泥菁向斜及水公河向斜等(图1)。上二叠统煤层主要赋存于向斜内部，含煤共8～84层，煤层总厚度一般为5～40m，可采煤层有1～24层，可采厚度为2～25m，主要可采煤层埋深一般小于1500m，在向斜核部超过2000m。现今煤层气含量很高，向斜核部一般为30～40m3/t，翼部煤层埋藏浅，含气量一般为10～15m3/t(图1)。

水城—纳雍地区构造演化对二叠系煤系地层现今赋存状态起到重要的控制作用，海西期的构造沉降造成了晚二叠世大规模的聚煤作用，成煤期后的印支、燕山和喜马拉雅等多期构造运动相互叠加改造，控制着水城—纳雍地区煤层气的生成、运移、聚集、散失和保存的整个过程。

图1　水城—纳雍地区上二叠统分布范围及含气量等值线图 Fig.1　Distribution and contours of gas content in upper Permian of Shuicheng-Nayong area

2 数值模拟方法及结果

为了更好地说明煤层气的演化历史，本文选取格目底向斜南翼、大河边向斜南部和水公河向斜东翼3个构造带，采用BasinMod-1D盆地模拟软件对水城—纳雍地区上二叠统煤储层埋藏史和成熟度演化史进行恢复，具体方法及结果如下。

2.1 模拟方法

水城—纳雍地区地层分层厚度和剥蚀量数据借鉴前人研究成果[9-13]。古地温方面，燕山中期受构造—热事件影响，古地温梯度急剧增高，其他时间古地温梯度正常[8，14]。本次研究采用龙潭组煤系包裹体测温数据推算燕山中期古地温梯度。根据实验结果，上二叠统煤层在采用最大埋深计算的情况下，燕山中期古地温梯度为4～5℃/100m(表1)，考虑到燕山中期的构造抬升，实际埋深普遍小于最大埋深，可以估算古地温梯度可能会达到5.5℃/100m左右。在模拟过程中，古地温梯度可采用表2中数据，有机质成熟度计算采用美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)开发的EASY%Ro动力学模型。为了保证模拟重建的煤层埋藏—热演化史尽可能地符合实际地质过程，还要把模拟结果与煤田勘探资料进行对比分析。

表1　龙潭组煤系包裹体测温及燕山中期古地温梯度估算表

表2　BasinMod-1D中古地温梯度设置情况一览表

2.2 模拟结果

大河边向斜南部上二叠统煤层共经历了两期沉降埋藏、两期抬升剥蚀和两期生烃作用(图2a)。结合煤田勘探资料分析，大河边向斜南部上二叠统煤的镜质组反射率Ro一般为0.65%～0.75%，与模拟结果基本一致。

图2　水城—纳雍地区上二叠统煤层埋藏史及成熟度演化史图 Fig.2　Coal seam burial history and maturity evolution history of upper Permian in Shuicheng-Nayong area

格目底向斜南翼上二叠统煤层共经历了两期沉降埋藏、两期抬升剥蚀和三期生烃作用(图2b)。结合煤田勘探资料分析，该区检材沟煤矿(Ro为1.42%)、潘家寨煤矿(Ro为1.49%)和格目底煤矿(Ro为1.70%，1.76%)上二叠统煤层的变质程度与模拟结果基本一致。

水公河向斜东翼共经历了两期沉降埋藏、两期抬升剥蚀和三期生烃作用(图2c)。结合煤田勘探资料分析，该区金发煤矿上二叠统煤层的Ro达到了3.41%，符合本次模拟成果。

3 上二叠统煤层构造埋藏史与生烃演化史

在上述盆地模拟的基础上，结合区域地质背景分析，本文对水城—纳雍地区格目底向斜南翼、大河边向斜南部和水公河向斜东翼3个构造部位的构造埋藏史和生烃演化史作系统阐述。

3.1 大河边向斜南部

大河边向斜南部晚二叠世成煤期后共经历了两期沉降埋藏、两期抬升剥蚀和两期生烃作用(图2a)。第一期沉降埋藏发生在早—中三叠世(T1-2)，中—下三叠统厚约3300m；第一期生烃作用同样发生在T1-2期间，T2末最大古地温约为100℃，Ro值达到0.6%～0.65%，对应长烟煤阶段，原生生物成因气大量生成，同时初步产生热成因气；第一期抬升剥蚀发生在晚三叠世(T3)，抬升幅度较小，估计约300m，致使第一期生烃作用终止；第二期沉降埋藏发生在早—中侏罗世(J1-2)，上二叠统煤层上覆地层厚度接近3800m，超过了印支期最大埋深，从而产生了第二期生烃作用； J2末上二叠统最大古地温达到110℃左右，Ro值为0.65%～0.75%，对应气煤早期阶段，开始生成大量湿气；第二期抬升剥蚀开始于晚侏罗世(J3)，持续至今，燕山中期抬升幅度达到2300m以上，燕山晚期和喜马拉雅期又抬升了500～600m。

3.2 格目底向斜南翼

格目底向斜南翼上二叠统煤层共经历了两期沉降埋藏、两期抬升剥蚀和三期生烃作用(图2b)第一期沉降埋藏发生在T1-2期间，中—下三叠统厚约3200m； T2末上二叠统最大古地温约100℃，Ro值达到0.6%左右，对应长烟煤阶段，发生了第一期生烃作用，以原生生物成因气为主，热成因气开始生成；第一期抬升剥蚀发生在T3期间，剥蚀厚度约400m，第一期生烃作用终止；第二期沉降埋藏发生在J1-2期间，上二叠统煤层上覆地层厚度接近3800m，超过了印支期最大埋深；J2末上二叠统最大古地温达到110℃左右，Ro值为0.65%～0.75%，对应气煤早期阶段，第二期生烃作用发生，开始生成大量湿气；第二期抬升剥蚀开始于J3，持续至今，该区燕山中期抬升幅度估计为1000m，燕山晚期和喜马拉雅期又抬升了2000m左右；第三期生烃作用发生在燕山中期，构造—热事件使得上二叠统古地温一度达到160℃左右，Ro演化至1.4%～1.8%，对应焦煤晚期和瘦煤早期阶段，生成大量的热成因甲烷。由于喜马拉雅期抬升幅度巨大，该区上二叠统主采煤层现今埋深一般小于1000m，煤层气大量散失。

3.3 水公河向斜东翼

水公河向斜东翼上二叠统煤层共经历了两期沉降埋藏、两期抬升剥蚀和三期生烃作用(图2c)。第一期沉降埋藏发生在T1-2期间，中—下三叠统厚约5200m； T2末上二叠统最大古地温为140～150℃，Ro演化至1.0%～1.2%，对应肥煤阶段，开始第一期生烃作用，以原生生物成因气为主，开始生成热成因气；第一期抬升剥蚀发生在T3期间，抬升幅度估计在500m左右，导致第一期生烃作用终止；第二期沉降埋藏发生在J1-2期间，上二叠统煤层上覆地层厚度最大超过6500m，大于印支期最大埋深； J2末上二叠统最大古地温达到160℃左右，Ro为1.2%～1.5%，对应焦煤阶段，发生第二期生烃作用，大量的热成因甲烷开始聚集；第二期抬升剥蚀开始于J3，持续至今，该区燕山中期抬升幅度估计约为1500m，燕山晚期和喜马拉雅期又抬升了3000m以上；第三期生烃作用发生在燕山中期，构造—热事件作用下，上二叠统古地温快速升高至220℃左右，Ro值达到2.6%～3.5%，处于无烟煤阶段，大量的热成因气快速生成并聚集(图2c)。该区喜马拉雅期隆升幅度巨大，上二叠统主采煤层现今埋深一般小于1000m，煤层气大量散失。

4 构造控制下的煤层气成藏特征

在上述分析的基础上，将水城—纳雍地区构造控制下的煤层气成藏特征总结如下：

(1)具有向斜控气特征。经过燕山运动的强烈褶皱作用和喜马拉雅运动的间歇性抬升作用，研究区背斜部位上二叠统煤层大多被剥蚀，向斜内部构造简单，赋煤面积大，煤储层稳定，煤层气得到了很好的保存。

(2)中新生代构造抬升幅度大，气藏埋深小。水城—纳雍地区成煤期后，经历了印支早中期和燕山早期两次沉降埋藏，局部最大埋藏深度可达5000m以上。经过燕山中期和喜马拉雅期隆升后，主采煤层现今埋深一般小于1300m，在向斜核部大于2000m。

(3)多期生烃作用，含气量高。水城—纳雍地区上二叠统煤层经历两期或三期生烃作用，煤层生气量巨大，向斜核部可达到30～40m3/t，翼部一般为10～15m3/t。

(4)成藏过程复杂且分异明显。水城—纳雍地区晚二叠世成煤期后经历了两期沉降埋藏、两期抬升剥蚀和多期生烃演化，致使煤层气的成藏过程异常复杂，而且由于燕山中期剧烈的构造运动，不同地区成藏过程差异性明显。

5 结束语

(1)通过煤田勘探资料约束和验证，本文数值模拟结果可信，过程合理，较好地反映了水城—纳雍地区上二叠统煤层的构造埋藏史和生烃演化史。

(2)在上二叠统煤层的构造埋藏史和生烃演化史模拟研究的基础上，本文系统地揭示了水城—纳雍地区构造控制下的煤层气成藏特征，为贵州省煤层气勘探开发提供了一定的理论基础。

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