临清坳陷东部煤成气成藏条件及富集主控因素

王东晔

(中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015)

0 引言

煤成气是目前国内外天然气勘探开发的热点类型和重要领域，煤成气勘探理论的不断发展，成功推动了中国天然气工业的快速发展，在鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地、四川盆地和东海盆地等相继发现了一批大中型煤成气田[1-4]。相比而言，渤海湾盆地发现煤成气田相对较少，煤成气研究程度也相对较低。临清坳陷位于渤海湾盆地的西南部，本文研究区临清坳陷东部是指武城-馆陶凸起以东、鲁西隆起以西、宁津凸起以南、南乐凸起以北的坳陷区，呈北东向展布，总勘探面积约5 037km2。研究区内部次级构造凹凸相间，包括高唐—堂邑凸起、德州凹陷、莘县凹陷等三个次级构造单元，走向与坳陷基本一致[5-10]。临清坳陷东部先后钻探煤成气专探井7口，其中高古4井在石炭—二叠系中获工业煤成气流，峰值日产煤成气22 256m3/d，油30m3/d，实现了煤成气勘探重大突破，预示着研究区良好的勘探前景。但是由于临清坳陷东部勘探程度整体较低、成藏条件研究不够深入，制约了该地区煤成气勘探的进一步发展。本文通过系统分析临清坳陷东部煤成气成藏条件，提出了煤成气控藏新认识，建立了煤成气成藏模式，明确了有利勘探方向。

1 煤成气成藏解剖

1.1 煤成气成藏条件

临清坳陷东部石炭—二叠系在剖面上呈现“平行”样式展布，即无论在深部还是浅部，该套地层厚度变化不大，基本保持在800m左右，使得其中的煤系地层在深部得以保存，有利于煤成气的生成。煤系地层是指发育在石炭—二叠系底部的煤和暗色泥岩，厚度基本稳定在350m左右，在地震上呈现2～3个强轴反射特征，除宁津凸起之外在全区均有分布。煤系地层主要赋存于太原组，其次为山西组，本溪组一般为薄煤层或煤线，煤层厚度10～35m，主要集中在15m左右，暗色泥岩厚度100～350m。

研究区储层主要为石炭—二叠系内部的砂岩储层，根据已钻井统计结果显示，测井解释平均孔隙度为3%～9%，平均渗透率(0.1～3)×10-3μm2，属低孔低渗储层[8]。上石盒子组奎山—万山段以河流相沉积为主，发育有河道亚相、河漫亚相的粗粒厚层砂岩，原生孔隙较为发育，加上受后期溶蚀改造作用较强，整体储层物性较好。山西—太原组以三角洲、潮坪沉积体系为主，发育有三角洲平原、泥炭沼泽等亚相的薄层细粒砂岩，原生孔隙较差，但受后期生烃有机酸的溶蚀改造作用，亦具有一定的储集能力，储层物性相对上石盒子组奎山—万山段略差。

研究区具有多套储盖组合，下石盒子组内部储盖组合，上石盒子组奎山段内部储盖组合，上石盒子组万山段砂岩与孝妇河段泥岩组合，山西、太原组内部多套薄层砂泥储盖组合，此外还有奥陶系灰岩风化壳与上部铝土岩及煤系地层组成的储盖组合[7]。研究区获工业和低产油气流的井分别位于斜坡带和洼陷带，具有油气显示的井在凸起带、斜坡带、洼陷带三个构造带均有分布。

1.2 煤成气成藏期次

临清坳陷由于处在强裂陷的过渡部位而使其变换构造发育，自晚古生代以来，经历了两期挤压反转和两期拉张，是一个典型的多旋回叠合盆地，发育古、新两套断裂系统[5-6]。不同构造带抬升-埋藏历史差异较大，由此造成临清坳陷“三期生气”的生烃过程，其油气成藏历史亦极为复杂。运用单井埋藏史-储层与烃类包裹体同期盐水包裹体均一温度投影法，可以获得各个充注期次的充注年龄[9-12](图1)。

图1 利用流体包裹体均一温度确定临清坳陷东部油气充注时期

1)第一期充注年龄141.9～95.7Ma，晚侏罗世—白垩世(J3+K)，充注温度93.9～114.7℃。

2)第二期充注年龄51.0～33.1Ma，古近纪(E)，充注温度114.4～145.8℃。

3)第三期充注年龄19.7～2.5Ma，新近纪—第四纪(N—Q)，充注温度120.7～156.4℃。

通过不同构造位置井的成藏期次分析，处于凸起带的井只在印支期、燕山期有过成藏过程，而处于洼陷带、斜坡带的井在印支期、燕山期、喜马拉雅期都有过成藏过程。

2 煤成气成藏主控因素

2.1 二次生烃是煤成气成藏的根本

受复杂的构造运动影响，临清坳陷东部煤系地层具有“二次生烃”的演化过程[7，13-17]。三叠纪末随着地层抬升剥蚀一次生烃结束，此时煤系地层演化程度Ro为0.6%左右；侏罗纪和白垩纪初期煤系进入二次生烃早期，白垩纪末随着地层抬升剥蚀二次生烃早期过程结束，此时煤系地层演化程度Ro为0.8%左右；新生代以来煤系进入二次生烃晚期，二次生烃门限为4 500m。中生代生成的煤成气已散失殆尽，新生代以来生成的煤成气对聚集成藏有重要意义，是否具有“有利的二次生烃中心”是控制构造带是否成藏的根本因素。

由于研究区现今地温梯度整体偏低2.85℃/100m，使得煤系地层演化程度整体偏低，4 500mRo值在1.1%左右，根据生烃模拟累积气态烃转化率曲线可知(图2)，此时气态烃转化率为15%左右，刚刚开始进入二次生烃。当累积气态烃转化率为50%～80%时，煤系地层进入二次生烃高峰期，对应Ro为2.1%～3.4%，相应深度值为6 000～7 500m。根据以上分析，可以确定有利二次生烃中心，即首先结合区带构造演化史，确定“中复新沉”型等有利构造叠合单元；其次结合中生界原始厚度，确定中生代沉积厚度较小的构造单元；最后结合煤系地层现今埋深，确定埋深大于二次生烃门限4 500m的区域。以上三个条件进行叠合，就可以得到现今有利二次生烃中心，即该区目前具有堂邑西、堂邑东、禹城、恩城、避雪店5个有利二次生烃中心。现今煤系烃源岩顶面埋深普遍在4 500～8 000m，分布面积较大，生烃时期主要为“Ng—现今”，具有“晚期生烃、晚期成藏”的特点。

图2 临清坳陷东部煤系烃源岩气态烃转化率-Ro关系

2.2 近源输导是煤成气成藏的基础

临清坳陷东部高古7井、德古4井分别位于堂邑潜山带和武城凸起，圈闭均位于隆起构造带，但是从钻探结果来看，二者均在古生界中见到荧光显示却没有成藏，究其原因在于堂邑潜山带、武城凸起的煤系地层由于整体埋深较浅，没有进入二次生烃门限，不能成为有效生烃中心，煤成气应该由深部的堂邑东斜坡带、武城斜坡带的煤系地层生成，向高部位运移聚集成藏。但是煤成气运移过程中一方面需要克服煤系地层的吸附，另一方面因为地层成岩作用较强，煤成气在石炭—二叠系中的横向运移阻力较大，层间运移不畅[7]，因此高古7井、德古4井未成藏的主要原因是圈闭距离生烃中心距离太远，煤成气运移不畅所致。此外，研究区虽然存在多期生气，但是由于强烈的抬升剥蚀，古近纪以前生成的煤成气已经基本散失，之后内部断层活动较弱，油气纵向运移动力不足，主要在二次生烃深度附近的圈闭中聚集成藏，“近源输导”是控制临清坳陷东部煤成气成藏的重要因素之一。

2.3 有效保存是煤成气成藏的关键

评价圈闭的保存条件主要从以下三个方面考虑：圈闭的垂直封盖能力、断层的侧向封堵能力、断层的活动性与成藏期的匹配关系。

临清坳陷东部二叠系上石盒子组顶部广泛分布的孝妇河段，厚度稳定在200m左右，主要为砂泥互层，泥岩比例达68%～86%，是研究区一套良好的区域性盖层，为煤成气在深部成藏提供了有利条件[7，18-21]。一般而言,古生界圈闭由于成岩作用强，在没有裂缝的情况下，泥岩地层条件下突破压力为9～14MPa，每米泥岩可封盖住近百米气藏高度，因此圈闭的泥岩盖层普遍具有较好的垂直封盖能力。

断层的侧向封堵能力主要通过两侧的岩性对置关系进行定量计算，针对临清坳陷东部的顺向断层来说，圈闭位于断层的下降盘，断距大于煤系地层的厚度(200～250m)，上石盒子组奎山段和万山段砂岩储层与上升盘石炭系煤系地层对置，下古生界风化壳与中奥陶统八陡组底部膏质白云岩段对置，便可以形成良好的封堵；对于研究区反向断层而言，圈闭位于断层的上升盘，断距小于上部孝妇河段厚度(150～200m)，上石盒子组奎山段和万山段砂岩与下降盘孝妇河段泥岩对置，下古生界风化壳与下降盘石炭系煤系地层对置，均可以形成良好的封堵(图3)。

图3 临清坳陷东部煤成气反向断层侧向封堵模式

通常情况下，控制圈闭的断层在活动时期对圈闭的聚集成藏是不利的，因此断层的活动时期早于煤成气的成藏期时，断层一般是具有封堵作用，相反如果断层的活动时期晚于煤成气的成藏期时，断层一般是不封闭的。由于兰聊断层等边界断层在临清坳陷东部的持续活动， 因此选区定带时应该避开这些长期活动的断层，选择新生代以来活动性较弱的断层。

3 煤成气成藏模式

3.1 洼陷带成藏模式

洼陷带是指石炭—二叠系现今埋深最深的构造部位，该带煤系源岩进入二次生烃并开始大量生气，具有良好的油气源条件，距离生烃中心最近的洼陷带中的圈闭具有优先成藏的优势。位于该构造带的圈闭往往定型于中生代-古近纪时期，形成时间较早；煤成气以层间运移为主，层间运移的主要机理靠油气自身浮力；纵向上受到上石盒子组孝妇河段泥岩封盖，往往在近源的石炭—二叠系内部聚集成藏，形成以生烃中心的石炭—二叠系煤系地层为烃源岩，以石炭—二叠系砂岩为储层，以石炭—二叠系泥岩为盖层的自生自储类型。该类成藏模式以高古5等井为代表，主要发育岩性或构造-岩性油气藏(图4)。

图4 临清坳陷东部煤成气成藏模式

3.2 斜坡带成藏模式

斜坡带是指构造带的斜坡部位、石炭—二叠系现今埋深较深的构造部位，该带煤系源岩大部分开始进入二次生烃，油气源条件较好。位于该构造带的圈闭成藏机理与洼陷带成藏机理具有高度相似性，只是由于圈闭所处构造位置不同，其输导运移条件略有差异性。该带煤成气来自于斜坡构造带或更深的洼陷生烃中心，或者斜坡带达到生烃门限的煤系地层亦有一定的生烃能力；该种类型圈闭一般也定型于中生代-古近纪时期，形成时间较早；煤成气除了自身浮力沿层间横向运移外， 还要借助于一定的沟通烃源岩与圈闭的断层纵向输导条件；盖层为孝妇河段泥岩、本溪组铝土岩区域盖层，或石炭—二叠系内部泥岩盖层；煤成气易在石炭—二叠系内部或奥陶系风化壳内部聚集成藏，形成以石炭—二叠系煤系地层为烃源岩，以石炭—二叠系砂岩或奥陶系灰岩为储层， 以石炭—二叠系泥岩、铝土岩、 奥陶系灰岩为盖层的自生自储或上古生下古储类型。该类成藏模式以高古4等井为代表，主要以构造或岩性-构造油气藏为主。

3.3 凸起带成藏模式

凸起带是指构造带的凸起部位，一般而言石炭—二叠系隆起较高，上部缺失古近系。由于处于整个区带的最高部位，石炭—二叠系煤系由于埋藏较浅而没有生烃能力，若要成藏就一定要有良好的输导运移体系，关键要有切割烃源岩的主控大断层，空间上使煤系烃源岩与凸起带圈闭形成良好沟通，时间上使圈闭形成时间与烃源岩主排烃期匹配，纵向上要有良好的古生界区域封盖条件。只有满足以上条件之后，煤成气从生烃中心运移至凸起带圈闭在下古生界灰岩风化壳中聚集成藏，形成以洼陷带石炭—二叠系煤系为烃源岩，以凸起带石炭—二叠系砂岩、奥陶系灰岩为储层，以石炭—二叠系泥岩为盖层的上古生下古储类型。同时由于主控大断层的长期活动，引发其下降盘的砂泥岩剖面中发育了诸多逆牵引滚动背斜或构造圈闭，在良好的断层输导运移条件下，该圈闭聚集成藏可能性较大，形成以洼陷带石炭—二叠系煤系地层为烃源岩，新生界砂岩为储层，新生界泥岩为盖层的古生新储类型，主要以构造油气藏为主。整体而言凸起带圈闭油气成藏是在诸多成藏条件相互耦合的结果，成藏需要的条件较多，成藏机率较小。该类成藏模式以高古7等井为代表，目前钻探该种类型也仅是见到油气显示，没有获得工业油气藏，说明该类油气藏富集程度偏低。

4 结论

1)煤成气是否成藏受控于源岩、储层、盖层、圈闭等多种条件的相互匹配，通过深入剖析各成藏条件，认为临清坳陷东部煤成气成藏主要受控于“二次生烃、近源输导、有效保存”三个因素，三者的耦合关系是煤成气富集成藏的关键。

2)根据圈闭距离生烃中心的远近、圈闭位于构造带的位置，建立了临清坳陷东部煤成气差异成藏模式，下一步部署思路由以往主探凸起带转向低部位的洼陷带和斜坡带，主要围绕有利二次生烃周缘，寻找断层活动弱、断层两侧地层对置关系好的自生自储型和上古生下古储型有利圈闭。