湖南涟源凹陷早石炭世煤系气共生组合特征与有利层段优选

朱文卿，郗兆栋，唐书恒，龚明辉，王克营

(1.湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014；2.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083)

随着非常规能源的勘探开发不断深入，国内外学者对非常规油气的成藏机理、赋存条件以及勘探开发技术等方面都有了更深的认识[1-5]。连续型油气藏概念的提出将煤层气、致密砂岩气和页岩气三种非常规油气资源从形成机理、聚集条件、分布特征及开发技术方法等方面系统地联系起来[6-8]。近年来，学者们从不同的角度对煤层气、页岩气以及致密砂岩气成藏机理展开了较为深入的研究[9-14]。总的来说，针对海陆过渡相造成煤层、煤系页岩及煤系砂岩频繁叠置互层的特征，讨论了煤系气成藏共生的机理及其生-储-盖的组合关系，建立了煤系气共生组合模式。根据不同的煤系气组合的地质成因，基于小波分析、岩相等手段划分了含气系统，研究了煤系三气合探共采的理论基础及技术方法。有部分学者在煤系气有利层段优选、有利区优选及资源评价方面也做了一定的研究工作。

湖南涟源凹陷石炭-二叠系煤系地层广泛发育，前人只是针对这套地层的单一气藏(主要是煤层气)在沉积环境、生烃潜力及储层物性等方面做了大量的研究工作，尚缺乏以整体视角研究该区煤系三气合探共采的前景。因此，本文以湖南涟源凹陷早石炭世煤系测水组为研究对象，基于涟源凹陷内的大量煤系钻孔资料，分析涟源凹陷煤系气共生组合模式及潜在的有利煤系气层段，以期为相似沉积背景下(如邵阳凹陷、零陵凹陷、湘东南凹陷等)煤系非常规天然气勘探开发提供参考。

1 区域地质概况

涟源凹陷位于湘中地区的中北部(图1)，凹陷内发育石炭系测水组及二叠系龙潭组两套含煤地层。石炭系测水组发育煤层1～7层，其中，3号煤层和5号煤层发育稳定全区可采，主要位于测水组下段，岩性以黑色泥岩、粉砂质泥岩为主[15-16]。测水组上段几乎不含煤，岩性主要以石英砂岩、泥质粉砂岩为主。临近煤层岩性以黑色、灰褐色泥岩和粉砂质泥岩为主，远离煤层的岩性以灰绿色细粒石英砂岩及长石石英砂岩为主[17-18]。

图1 涟源凹陷构造位置示意图

根据前人的研究成果并结合本文的井数据资料绘制了涟源凹陷煤岩厚度、泥页岩厚度及砂岩厚度等值线图(图2)。研究区测水组煤层厚度介于0～8 m，在涟源市至锡矿山、温塘一带厚度最大，达到5 m以上，凹陷边缘处相对较薄(图2(a))。泥页岩厚度与煤层厚度分布具有相似的趋势，锡矿山-温塘一带是厚度高值区(>50 m)，并向凹陷边缘处厚度依次减小(图2(b))。 测水组砂岩厚度介于0～100 m，砂岩厚度高值区位于涟源，厚度达到70 m以上，锡矿山-温塘一带砂岩厚度介于50～70 m，凹陷边缘处砂岩厚度较小。总体来看，涟源凹陷具有平面上煤层、泥页岩及煤系砂岩广泛分布且相互叠合的特点，具备煤系气成藏共生的基础。

图2 涟源凹陷煤岩厚度、泥页岩厚度及砂岩厚度等值线图

2 煤系气共生组合模式

岩相组合变化不仅具有沉积环境与层序地层指示意义，而且是煤系气共生组合模式变化的重要参考依据[19-21]。通过对研究区钻孔资料的分析发现，研究区测水组煤系地层存在5种岩相组合类型(表1)。根据其岩性组合与生储关系，归纳出研究区存在3种煤系气共生组合模式(表2)。

表1 研究区测水组岩相组合类型

表2 研究区煤系气共生组合模式

岩相组合A：以灰岩与铝土质泥岩、钙质泥岩为主，中间夹细砂岩、石英砂岩。此类型岩相组合没有有效的烃源岩，且下伏地层多为砂岩与砂质泥岩的大段互层，没有气源补给，灰岩较厚，富含水，不利于煤系气的生成与富集。

岩相组合B1：岩性以砂岩与砂质泥岩为主。泥岩与砂岩互层且具有一定的累积厚度，泥页岩有机质成熟度达到高至过成熟。当泥岩具有一定的有机质丰度时，排出的烃类气体横向运移的同时可垂向运移至砂岩储层中，从而可以形成煤系气藏。

岩相组合B2：发育于在测水组下段下部，岩性以砂岩与炭质泥岩为主。 炭质泥岩为良好的烃源岩，砂岩为良好的储集层，从而有利于煤系气的生成。

岩相组合C：岩性以砂岩与泥岩为主，中间夹数层薄煤层。其中，泥岩与砂岩具有一定的单层厚度，靠近煤层的泥岩有机质含量较高，岩性一般为炭质泥岩，能够为临近的砂岩层提供丰富的气源。此类岩相组合中煤层往往较薄，但相比于泥岩，煤层具有较高的生烃强度，可以作为一定的气源补给。该岩相组合有利于煤系气的形成。

岩相组合D：岩性以泥岩与煤层为主。其中，泥岩多为炭质泥岩或富有机质黑色粉砂质泥岩，煤层具有一定的单层与累积厚度。泥岩层与煤层具有自生自储的特征，且可为上下储集性较好的砂岩层提供气源补给。该岩相组合最有利于煤系气的形成。

岩性组合E：岩性以砂岩与煤岩为主。其中，煤层具有一定的单层与累积厚度，一般夹于砂岩层之中。煤的生烃强度与生烃总量较大，除满足煤层自身的生储之外，还可以向上运移至砂岩中。当砂岩厚度不大时，还可为其他岩性组合做气源补给。该类岩相组合也是测水组的重要煤系气组成模式。

3 煤系气共生组合评价

本文采用了选用分级加权法对研究区煤系气有利层段进行评价(表3)。煤系气具有自生自储的特征，因此气源条件和储集能力是评价煤系气有利层段的两个重要方面。在研究区涟源凹陷内选取了4口钻孔进行测水组地层对比(图4)，并重点对2015H-D6钻孔进行了层序地层、地化、孔渗、含气性等特征的综合分析，评价了早石炭世测水组煤系气共生组合特征及有利的勘探层段(图3)。

表3 研究区煤系气有利层段评价参数

图3 2015H-D6井煤系气综合柱状图

3.1 典型井评价

2015H-D6钻孔显示测水组具有煤层、页岩及砂岩垂向相互叠合的特征。测水组下段下部(深度介于1 296～1 340 m)以灰黑色潟湖相泥页岩和障壁岛砂岩为主，属岩相组合B类。泥页岩厚度达到30 m，其中，深度介于1 314～1 318 m的泥页岩TOC含量介于2.12%～9.19%，平均为4.62%，具有较好的生烃潜力，可以作为煤系气藏的烃源岩。岩相组合中的砂岩厚度约为12 m，临近于富有机质页岩，孔隙度平均为1.80%，含气饱和度为36.3%，表明其具有一定的储集能力。此类岩相组合的大部分泥页岩的TOC含量均低于2%，但具有较大的连续厚度，可以作为煤系气藏的补充气源和盖层。总体来看，测水组下段下部的这类岩相组合以炭质页岩为主要的烃源岩，砂岩层为主要的储集层，可以形成页岩气-砂岩气的煤系气藏组合模式。但该类煤系气藏烃源岩累计厚度相对较小，且含气量较低，砂岩层的孔隙度较低，储集性相对较差，因此不能视其为有利的煤系气层段(表4)。

表4 研究区煤系气有利层段评价分数

测水组下段上部(深度1 270～1 296 m)以沼泽相煤层和潮坪-潟湖相砂岩为主，属岩相组合E类。煤层累计厚度达到7 m以上且含气量平均高于15 m3/t，具有较大的生烃潜力，可视为该岩相组合的烃源岩。此外，该岩相组合顶部发育多层薄层的炭质页岩，TOC含量平均大于4%，可以作为补充气源。砂岩累计厚度达到13 m，与煤层互层，具有相对较高的孔隙度(平均>2%)和含气饱和度(平均>42%)。该类岩相组合以煤层为主要的烃源岩，砂岩层作为主要的储集层，形成煤层气-砂岩气的煤系气共生组合模式。该类煤系气组合模式烃源岩具有较大的累计厚度及较强的生烃能力，砂岩层具有较好的储集能力和累计厚度，因此可以视为研究区有利的煤系气勘探层段。测水组上段厚112.2 m，岩性主要为石英细砂岩(总厚83.2 m)，其次为泥灰岩与灰质泥岩(总厚22.8 m)，泥岩厚5.2 m。测水组上段泥岩较薄，且以薄夹层的形式分布于厚段砂岩之间，无法形成有效烃源岩，不利于煤系气的形成。

3.2 煤系气地质剖面

基于上述对研究区测水组典型钻孔2015H-D6煤系气共生组合特征的综合分析，采用同样的分析方法对研究区ZK1003钻孔、涟页二井钻孔、ZK6603钻孔、涟页一井钻孔、ZK5401钻孔与ZK2010钻孔等进行了煤系气综合分析，进而建立了研究区煤系气地质连井剖面。由于受构造运动和沉积环境的影响，涟源凹陷测水组煤系地层的岩相组合特征存在明显的相变，在涟源凹陷中部一带的测水组下段主要发育3类煤系气组合模式。

在涟源凹陷温塘-锡矿山一带，由于煤层和泥页岩厚度相对较为发育而砂岩相对较薄，因此主要发育煤层气-页岩气的煤系气组合模式，其主要沉积环境为潟湖-沼泽相，以富有机质泥岩为主并夹多套煤层。煤岩与泥页岩可作为主要的烃源岩及储集层，同时泥页岩可充当盖层。这类煤系气组合模式可能是温塘-锡矿山一带有利的煤系气组合模式(如ZK1003钻孔，图2和图4)。

图4 研究区测水组煤系气地质剖面

涟源凹陷中部煤层和砂岩相对发育而泥岩厚度相对较薄，且泥页岩有机质丰度相对偏低，因此主要形成以煤层气-砂岩气为主的煤系气组合模式(如2015H-D6钻孔，图2和图4)。其主要的沉积环境为潮坪-沼泽相，以砂岩为主并夹多套煤层，煤层为主要的气源岩。这类煤系气组合模式可能是涟源凹陷中部一带有利的煤系气组合模式。

涟源一带主要以砂岩发育为主，泥页岩和煤层厚度较薄，由于缺少烃源岩，难以形成有利的煤系气组合模式(如涟页二井钻孔，图2和图4)。部分地区可能存在相变，以及煤层气-页岩气-致密砂岩气的煤系气组合模式(如ZK6603钻孔，图4)。其沉积环境主要为障壁岛-潮坪相，以泥岩与砂岩为主并夹煤线，泥岩为主要气源岩，砂岩为良好的储集层。

煤层对涟源凹陷煤系气藏起关键作用，相比于泥页岩，煤层具有明显较高的含气性。尽管研究区泥页岩具有较大的累计厚度，但富有机质页岩(TOC>2%)连续厚度较小，因此生烃潜力远小于煤层。此外，研究区煤层也具有相当的累计厚度，因此煤层既可以作为烃源岩为上覆储集层提供气源也可以作为储集层，泥页岩则多视为盖层。研究区砂岩多与煤层互层分布，且具有一定的孔渗性，可以作为良好的储集层。因此研究区有利的煤系气组合模式可能主要以煤层气-砂岩气为主，位于涟源凹陷中部一带。有一点值得注意，由于研究区存在较为明显的相变，部分地区可能以煤层气-页岩气的煤系气组合模式为主。

4 结 语

湖南涟源凹陷早石炭世测水组煤层、煤系页岩及煤系砂岩广泛分布且相互叠置，可划分为5种岩相组合类型。根据岩相组合类型建立了单源双储、双源双储及双源三储3种煤系气共生组合模式。基于煤层、煤系页岩及煤系砂岩的生烃潜力、物性特征、含气性及潜在的开发潜力，建立了研究区煤系气地质剖面。以典型钻孔为例，选用分级加权法对研究区煤系气有利层段进行评价。涟源凹陷煤系气有利层段位于测水组下段上部，存在以煤层为主要烃源岩、砂岩为主要储集层的最为有利的煤层气-砂岩气有利煤系气组合模式，主要分布于涟源凹陷中部。