石灰沟地区上石炭统煤系气源岩生气潜力分析

徐江涛，李 靖，侯文刚，孙新铭，何乃祥

（1．中国石油新疆油田分公司开发公司，新疆克拉玛依 834000；2．长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；3．山西能源学院，山西晋中 030600；4．克拉玛依职业技术学院，新疆克拉玛依 834000）

青海省柴达木盆地作为重要的盐湖和石油聚集盆地，盆地内部已经开展了众多的研究工作[1-5]。西北地区石炭系地层主要从常规油气烃源岩的角度进行研究，以油气评价作为该地层段的研究重点。通过重磁电震资料重新处理与解释，初步明确盆地中新生界至下石炭系广泛发育，石炭系分布范围达10.00×104km2，厚度大于1000.00 m的范围达5.71×104km2。结合野外调查、岩心观察和烃源岩地球化学分析等手段，证实柴达木盆地石炭系发育良好，具有很好的生烃能力[6]。随着冻土区天然气水合物的发现以及页岩气勘探研究的深入，针对西北地区主要产煤层位侏罗系含煤岩系地层的非常规气开展了大量的研究工作[7-11]，而针对西北地区含煤性较差的石炭系开展的非常规气研究目前相对较少。本文对石炭系含煤岩系地层非常规气开展研究，对于拓展柴达木盆地乃至整个西北地区的能源类型，具有一定的科学意义和实用价值。

1 区域地质背景

石灰沟位于青海省柴达木盆地东北边缘的海西州大柴旦行政区以东（图1），矿区交通便利，海拔3350.00～4050.00 m，常年多风，属干旱盆地气候；西部地势平坦开阔，东部为侵蚀低山区，起伏较大。

图1 石灰沟研究区区域构造位置

石灰沟地区及周缘地区出露地层由老至新依次为：震旦系达肯大坂群（Z1dk）、奥陶系大头羊组（O1h）、下石炭统怀头他拉组（C1h）、上石炭统克鲁克组（C2k）、上石炭统扎布萨尕秀组（C2z）及第四系（Q）。矿区南部地层均向北倾，倾角集中在40°～70°，矿区北部地层产状极不稳定。 区域内共经历了印支、燕山、喜山三期构造作用，区内应力形成由北向南的挤压作用，形成近东西向逆冲断层为主的构造形态，并伴生一系列浅层褶曲。构造作用对地层有重要的控制作用，导致矿区北部的煤层遭到较为严重的破坏[12-13]。

2 含煤岩系地层发育特征

2.1 含煤岩系地层沉积演化

克鲁克组按照岩性组合特征至下而上可以分为克1、克2、克3、克4段（图2），岩性发育特征具有以下特点（表1）：克1段岩性以细-较细的碎屑岩岩性为主，主要为泥页岩，最粗为细粉砂岩，夹煤线，整体反映出潮坪泻湖相沉积环境；克2段的典型岩性特征为泥岩-砂岩-泥岩-灰岩的旋回，具有典型陆表海沉积特征，从克1段向克2段总体显示为海平面有所上升并频繁变化，另外本段受到陆源碎屑的影响有增加趋势，碎屑岩粒度显著增加；克3段陆源碎屑影响程度达到最大，岩性以中细砂岩为主，最粗达到砾岩，夹泥岩、灰岩；克4段与克2段有相似的沉积模式，但是水体深度较克2段浅，灰岩厚度占比略有增高。

表1 钻孔分段岩性特征

2.2 含煤岩系地层分布特征

上石炭统克鲁克组属于海陆交互相含煤建造，主要分布于石灰沟地区的中部地区，与下伏的下石炭统怀头他拉组整合接触。克鲁克组地层顶界埋深0～300.00 m，底界埋深 500.00～900.00 m，地层视厚度在CY井处超过1000.00 m，地层真厚度在矿区西南部ZK1-1位置达到了最大（图2）。

图2 克鲁克组地层真厚度等值线与CY井综合柱状图

3 煤系气烃源岩的分布特征

石灰沟地区的克鲁克组地层中煤层、暗色泥页岩、灰岩这三种岩性均有发育，均可作为有效烃源岩层。煤层主要发育在克1段和克2段，克2段煤层分布更普遍。克1段有三个钻孔有煤层显示，平均厚度为2.30 m；克4段有5个钻孔有煤层显示，平均厚度0.97 m。煤层在矿区内发育厚度较小，对整个地区煤系气的生烃贡献有限。泥岩包括暗色泥岩、炭质泥岩、灰黑色粉砂质泥岩等。泥质烃源岩在研究区中心位置的CY井处厚度最大（图3），向四周递减，克鲁克组各个层段中泥岩均有发育，除克3段外，其余各段中泥页岩累计厚度平均值均达到100.00 m，泥页岩最大单层厚度为40.70 m。演化过程中泥地比呈现变小趋势，克1段泥岩发育最好。

图3 石灰沟地区克鲁克组泥岩累计厚度分布

灰岩烃源岩厚度累计等值线图显示灰岩厚度最大的地区分布于东西两侧，向中间递减（图4），克2段和克4段的灰岩最为发育，灰岩最大单层厚度为33.73 m，普遍发育厚度为10.00～20.00 m。

图4 石灰沟地区克鲁克组灰岩累计厚度分布

4 烃源岩地球化学特征

有机地球化学理论在勘探实践中得到了越来越广泛的应用，评价烃源岩的有机地球化学特征包括研究沉积岩中的有机质丰度、有机质类型和有机质的演化程度，这三者之间相互关系共同决定着烃源岩的生烃潜力。

4.1 有机质丰度

利用总有机碳（TOC）和生烃潜率对有机质丰度进行判断，克鲁克组的泥岩样品按照含煤地层泥岩和碳质泥岩有机碳含量评价标准进行判别，结果表明，中等类型最多，克2段到克4段样品无明显差异。灰岩样品利用TOC参数判定，结果表明，克4段、克2段较克3段烃源岩质量偏好，以好-较好类型为主（表2）。

表2 研究区煤系烃源岩有机质丰度

4.2 有机质类型

利用最高热解峰温（Tmax）与氢指数（IH）关系图判定泥岩和灰岩的干酪根类型，总体反映了混合类型干酪根的源岩特点。克鲁克组泥岩样品以Ⅱ型干酪根为主，部分样品为Ⅲ型干酪根，克2段泥岩样品存在Ⅱ型和Ⅲ型两种干酪根类型，克 3和克 4段泥岩样品均为Ⅱ型干酪根。灰岩样品均为Ⅱ型干酪根（图5、图6）。

图5 泥岩干酪根类型

图6 灰岩干酪根类型

4.3 有机质演化程度

通常有机质演化处于成熟-高成熟阶段是最有利的生气阶段，研究区绝大部分泥岩和灰岩样品热解实验的最高热解峰温大于455 ℃，处于高成熟阶段，并有部分样品处于过成熟阶段，恰好处于高效生烃的演化阶段，各层段间无明显差异（图7）。

5 煤系气有利区预测

石灰沟地区内钻孔的TOC均值均大于1.50%，达到中等级别烃源岩，镜质组反射率（Ro）均值均大于1.01%，达到成熟演化阶段。通过对石灰沟地区煤系气有利远景区进行了分析，结果表明，确定煤系气有利区的主要条件为：地层埋深大于800.00 m的区域，上覆地层对气体的保存条件较好；泥岩累计厚度大于200.00 m或灰岩累计厚度大于100.00 m的区域累计生成的气体数量较大。此条件约束下，CY井及以西范围是本区石炭系煤系气发育最为有利区域（图8）。

图7 干酪根热演化程度

图8 石灰沟地区克鲁克组煤系气有利区优选

6 结束语

柴东缘石灰沟地区含煤岩系地层克鲁克组地层厚度大，泥岩和灰岩较厚。暗色泥岩在各个层段均有发育，并且单层厚度较大。烃源岩有机地化特征显示：TOC以中等为主，有机质类型以Ⅱ型为主，表现出混合源岩的特征；Ro多数大于0.7%，达到了成熟-高成熟演化阶段。泥页岩、灰岩烃源岩均属于中等-较好类型。后期逆冲推覆构造作用导致地层抬升，石灰沟地区内克鲁克组地层整体埋深较浅，而且其上覆地层缺乏厚度巨大的致密岩性地层，缺乏区域性盖层对气体的保存作用，导致了气体的逸散。整个石灰沟地区含气性较差，现场解析得到最大含气量只有0.034 m3/t，如此低的含气性可能与地层埋深浅、缺乏盖层有密切关系。

基于以上分析，石灰沟地区范围内烃源岩条件不是判定煤系气优选的首要条件，更为重要的是构造变化导致的地层埋深和圈闭及保存条件的优劣情况。地层埋深较大的克1段和克2段，其上覆地层厚度较大，并且这两段的煤层以及碳质泥岩发育良好，具有较好的自生自储、短距离运移条件，所以更为容易成为煤系气气藏储集层段。

柴达木盆地石炭系地层，乃至整个西北地区石炭系含煤岩系地层发育的区域，从烃源岩发育情况来看，无论是发育的厚度还是有机地球化学条件，均能满足生烃要求；但是从气体保存条件来看，后期的构造运动对气藏圈闭条件可能更多具有消极作用。在西北地区针对石炭系非常规气体的研究，有利区应该选择构造条件相对简单、埋深适中、圈闭完整、盖层条件较好的区域。