车镇凹陷车西北带下古生界煤成气成藏差异及模式分析

徐 伟

（中国石化胜利油田分公司油气勘探管理中心，山东东营 257001）

济阳坳陷煤成气勘探已历经30余年，前人研究重点主要集中在济阳坳陷石炭系和二叠系煤系地层发育特征、煤成气生成模式、生烃潜力区带及可能的煤成气勘探有利区［1-2］，先后在孤北、惠民、车西等地区勘探获得突破，但均未形成规模储量，究其原因为对煤成气藏的成藏过程及主控因素的剖析欠深入。车西凹陷车西北带上古生界生成的煤成气易于运移至下古生界碳酸盐岩储层内形成煤成气藏［3-4］。2016 年12 月完钻车古27 井，对古生界埋深为4 940.23～5 505.00 m 井段进行裸眼中途测试，6 mm 油嘴，获得76 412 m3/d 的高产工业煤成气流，综合分析认为主要为下古生界产层的贡献。此后，在北部同一构造圈闭内钻探车古271 井，向东同一构造带继续钻探车古211 井，分别对车古271井埋深为5308.60～5785.00m、车古211井埋深为4141.50～4950.00m进行试气，获得日产气量分别为4297和3685 m3/d，均为低产气层。笔者选取车古27、车古271 和车古211 等典型井，结合钻井、测井、录井、试油等资料，探讨济阳坳陷车镇凹陷车西北带下古生界煤成气的成藏主控因素及差异，以期对研究区下步煤成气的勘探提供借鉴。

1 地质概况

车镇凹陷为渤海湾盆地济阳坳陷的一个中-新生代陆相断陷盆地，位于埕子口凸起、庆云凸起、无棣凸起和义和庄凸起之间，东部以义东断层与沾化凹陷相连。车西洼陷北部陡坡带（车西北带）是指车镇凹陷北部、埕南断层下降盘的陡坡断裂带，该带长度约为120 km，宽度为3～7 km。其上古生界（下石盒子组、山西组和太原组）发育煤系地层，埋深超过4 000 m，为主要的烃源岩层系；下古生界地层厚度为1 300～1 400 m，为一套浅海相碳酸盐岩沉积，是主要的含气层系［5-6］（图1）。

图1 车镇凹陷车西北带下古生界顶面构造特征Fig.1 Top structures of the Lower Paleozoic in northwest of Chezhen Sag

车西北带发育多套含油气层系，为典型的复式油气聚集区，具有多层系、多类型的特点，在区域上存在古潜山构造层和新生界构造层两大构造层。综合分析地震、钻井、测井等资料认为，研究区两大构造层的构造特征差异明显。古潜山构造层主要由前震旦系、下古生界寒武系—奥陶系和上古生界石炭系—二叠系组成，具有上、下两套独立的含油气系统［7-9］；其中，以下古生界油气成藏条件最为有利。新生界构造层以砂泥岩沉积为特征，主要由沙四段、沙三段及以上地层组成。

车古27、车古271 和车古211 井均位于车西北带埕南断层下降盘，其下古生界圈闭受南侧NE 向断层控制，断层上升盘地层呈东南高、西北低，与断层形成反向断块构造带，发育东、西2个断鼻构造圈闭（图1），车古27 和车古271 井位于西断鼻构造圈闭，车古211 井位于东断鼻构造圈闭。烃源岩同为上古生界煤系地层，下古生界上覆完整的石炭系—二叠系，盖层条件良好。同一构造带3 口井的油气成藏条件基本一致，但钻探效果却存在差异。

2 煤成气成藏地质条件

2.1 烃源岩条件

金强等对渤海湾盆地不同构造单元石炭系—二叠系烃源岩的埋藏演化史进行了分析，认为现今构造单元控制了二次生烃过程，渐新世以来车镇凹陷石炭系—二叠系烃源岩被埋藏至4 100 m 以下，进入二次生烃阶段［2］。车西北带石炭系—二叠系煤系地层烃源岩埋深多为4 100.0～5 534.5 m，普遍进入二次生烃期，具有较大的煤成气资源潜量［10-11］。

实际钻探资料表明，研究区西部的车古27井在下古生界见到多套气测异常段。气测录井和罐顶气录井在下古生界存在明显异常，全烃含量由3.32%上升为40.42%，罐顶气以C1至C4为主，ΣC1-C4为12 484.5～24 202.3，ΣC5-C7为0，后期测试日产气量为76 412 m3/d。根据戴金星天然气成因类型综合鉴别标准［12］，煤成气的鉴别标准为-43‰＜δ13C1＜-10‰，δ13C2＞-25.1‰，δ13C3＞-23.2‰；碳同位素和烃类组分分析结果（表1）及碳同位素识别天然气类型图版（图2）显示，研究区气体组分较齐全，气藏类型主要为煤成气藏［12-15］。

图2 车古27井碳同位素识别天然气类型图版Fig.2 Natural gas types identified by carbon isotope analysis for Well Chegu27

油气藏中油气的成熟度可以直接反映生烃母质的成熟度，进而推断其可能的油气来源。利用天然气的甲烷碳同位素可以计算生烃母质的成熟度［16-17］。根据研究区车古27 井已发现煤成气藏天然气的甲烷碳同位素分析结果（表1），依据戴金星等提出的煤成气回归方程［1］，将主要参数δ13C1值（平均值为-37.4‰）代入计算，得到平均镜质组反射率为1.63%，车古27 井煤系地层（埋深为4 970～5 230 m）的镜质组反射率为1.45%～1.32%。而根据胜利油区古生界烃源岩与成熟度关系的研究成果［2］，推算下古生界煤成气烃源岩的埋深约为4 940～5 505 m，说明研究区天然气应主要来自比该井产层埋藏略深的相邻断块。

表1 车古27井碳同位素及烃类组分分析结果Table1 Analysis results of carbon isotopes and hydrocarbon compositions for Well Chegu27

2.2 储盖组合条件

分析区域地质及实际钻探资料认为，研究区自下而上发育4 套较好的储盖组合：①以上古生界泥质岩类、煤系地层及下古生界顶部致密碳酸盐岩为盖层，下古生界大套缝洞型碳酸盐岩为储层，为研究区重点储盖组合。②以上古生界砂岩及裂缝发育的碳酸盐岩为储层，泥岩隔层发育，沙四段泥岩为盖层的储盖组合。③以沙四段—沙三段下亚段上部砂岩为储层，泥岩隔层发育，沙三段中亚段上部泥岩为盖层组成的储盖组合［18-19］。④以沙二段砂岩为储层，泥岩隔层发育，其上部沙一段泥岩区域上分布稳定、厚度大，可作为良好的区域性盖层组成的储盖组合。

对于研究区下古生界的盖层，不仅要考虑下古生界与上古生界的岩性组合关系，还要考虑由于下古生界内部非均质性形成的储盖组合。下古生界储层垂向分带现象明显，成像测井显示下古生界潜山内部非均质性较强，顶部致密、物性差，顶部以下有利储集空间为裂缝、溶蚀孔洞，储层与非渗透层在纵向上的组合也可以形成良好的储盖组合，有利于形成油气藏（表2，图3）。

图3 车古27井下古生界录井及成像测井分析结果Fig.3 Mud logging and image logging analysis of the Lower Paleozoic in Well Chegu27

表2 车古27、车古271和车古211井古生界气源岩及盖层统计Table2 Statistics of Paleozoic gas source rocks and cap rocks for Well Chegu27，Well Chegu271，and Well Chegu211 m

2.3 圈闭条件

研究区发育中—古生界断裂体系，下古生界构造层主要形成于燕山运动后期，且经历多期构造运动改造，在车西洼陷北部形成潜山带。下古生界地层整体向东南部抬升，南部发育近东西向次级南掉正断层，且断距自下而上逐渐减小，至上古生界上部逐渐消失，未发育活动至古近系和新近系的断层，下古生界潜山与南部断层匹配形成良好的构造岩性圈闭，圈闭定型时间在前古近系，其后多期构造运动未对圈闭造成破坏。分析渤海湾盆地石炭系—二叠系埋藏生烃史曲线认为，渐新世以来车镇洼陷石炭系—二叠系烃源岩再次埋藏进入二次生烃阶段，圈闭形成和定型时间远早于大量生排烃期。

车西北带车古27 井下古生界地层四周被断层切割，位于2条断层夹角处的高部位，上倾方向被断层遮挡。车古271井在南北向地震剖面上位于构造高部位，在东西向地震剖面上位于鼻状构造高点，上倾方向被断层遮挡。车古211井位于背斜构造高部位，其南北方向均被断层遮挡。这3 口井均位于由断层控制形成的反向屋脊构造，圈闭条件较为有利（图1）。

2.4 运移及保存条件

车西地区发育中—古生界和古近系2套独立的断裂体系，研究区发育的不同规模断层均为油气藏的形成提供了运移通道（图4）。车西北带中—古生界断裂体系主要形成于燕山运动后期，其断层发育，且断距大、断面陡、延伸远、活动时间长，不但形成了控盆的埕南大断层，也在埕南断层下降盘形成次级的二台阶断层及潜山内部断层；这些次级的潜山内幕断层自燕山运动后期开始活动，虽经历多期构造运动改造，但多数于新生界沉积之前停止活动。车西北带古近系断裂体系发育于埕南断层及下部古生界潜山构造背景之上，仅见少量重力作用产生的正断层，其断距小、延伸近、断面较缓、活动时间短，多于沙一段沉积时期停止活动。虽经历了喜马拉雅运动Ⅲ幕及新构造运动，但对研究区形成的圈闭影响较小，早期形成的中—古生界潜山构造岩性圈闭后期并未遭受破坏，整体保存条件较好［20-22］（图4）。

图4 车古27井南北向地震剖面Fig.4 South-north seismic profile of Well Chegu27

3 煤成气成藏差异

一般来说，同一区带油气藏的成藏差异是构造、断层及储层等多因素耦合作用的结果。车西北带发育的断层与煤成气的成藏具有较大关系，其不仅控制形成有利的构造圈闭，还可以作为煤成气的运移通道，且对碳酸盐岩的储层物性产生影响［23-24］。分析认为车古27、车古271 和车古211 井位于同一构造区带，具有相似的煤成气成藏地质条件，但实钻资料显示这3 口井在断层断距、储层物性及生烃量等方面具有一定的差异。煤系地层的埋深和厚度决定了生烃量的差异，邻近断层的断距具有至关重要的控制作用，其不仅决定圈-源对接程度，也决定下古生界储层发育带的宽度，直接决定圈闭的有效性，导致位于同一区带的3 口井的含油气性截然不同。

3.1 断层断距控制圈-源对接程度的差异

研究区上古生界太原组和山西组烃源岩煤系地层的总厚度为200～250 m，与下部下古生界碳酸盐岩储层以本溪组相隔，因此油气需通过垂向运移才能进入下古生界源外储层圈闭中聚集成藏。显然，煤系烃源岩生成的油气要进入源外储层，断层是重要的运移通道。

车古27 井南部顺向断层在奥陶系顶部的垂直断距为200 m，而下古生界有利碳酸盐岩储层与上古生界主要煤系地层在纵向上相隔100～300 m，断层使得车古27 井所在上升盘的下古生界碳酸盐岩储层与下降盘太原组和山西组烃源岩层系完整对接。根据胜利油区古生界烃源岩成熟度关系计算得到的镜质组反射率分析结果认为，研究区下古生界煤成气烃源岩主要来源于邻近断块的山西组和太原组煤系地层，说明煤成气藏具有近源供烃的特点，即车古27井相邻南侧顺向断块为供烃断块。车古211 和车古271 井受控断层的垂直断距分别为50和80 m，断距小，仅本溪组下部（烃源岩条件极差）与下古生界潜山储层对接，而太原组和山西组主力烃源岩层系位于下古生界潜山之上，烃源条件不利，且缺乏断层沟通圈闭与烃源岩层，下古生界碳酸盐岩储层位于源下圈闭之中，烃源岩层生成的煤成气无法进入储层，造成圈闭无效。

鉴于研究区下古生界储层与上古生界煤系地层在纵向上的分布差距，分析认为当邻近受控断层的断距小于150 m 时，断层上升盘的下古生界有利碳酸盐岩储层与下降盘的上古生界烃源岩纵向错开幅度小，不能形成有效气藏；当邻近受控断层的断距大于150 m 时，断层上升盘的下古生界有利碳酸盐岩储层与下降盘烃源岩可以对接，使下古生界圈闭成为有效圈闭。

3.2 断层活动控制储层物性差异

一般来说，断层的活动性对碳酸盐岩储层具有一定的改造作用，可以产生构造裂缝，其裂缝带的宽度可达3～10 km，或更宽。断距越大、距断层越近，研究区下古生界碳酸盐岩储层的裂缝发育程度越高，越有利于裂缝性储层的形成［25-27］，且油气储存和输导条件也得到极大改善。前人对邻区义和庄潜山断层与裂缝的关系进行研究［28］发现：一方面断裂作用的强弱影响裂缝的发育程度，当受控断层的垂直断距为600 m 时，裂缝密度高达170 条/m；当垂直断距为450 m 时，裂缝密度为80 条/m 左右；当垂直断距为70 m 时，裂缝密度仅为37 条/m。另一方面，与受控断层的距离也同样对裂缝的发育具有较大影响；义和庄潜山义古991 井钻遇义古991 断层面，其裂缝较为发育，密度达47 条/m，而义古27-1井距义古991 断层约为700 m，其裂缝不发育。因此，断层活动性越强、断距越大、距断层越近，储层裂缝越发育（图5）。

图5 义和庄潜山义古991井区地质剖面Fig.5 Geological section of Well Yigu991 in Yihezhuang Buried Hill

基于地震属性、成像测井及生产数据，探究与研究区构造位置相近、井网较密、断裂较发育、生产资料齐全的车古20 区块断层与下古生界潜山裂缝发育程度的关系（图6）发现，车古20 区块下古生界八陡组对应断层发育部位，裂缝发育程度较周围有明显变化，且靠近断层位置的裂缝密度较大。对比车古201 和车古202 井（图6）可以看出，距离断层相对较近的车古201井自上而下见较多高角度层间裂缝，单位长度内裂缝条数多、密度大，而距离断层相对较远的车古202井仅在埋深为4 150.0～4 250.0 m发育中高角度裂缝，单位长度内裂缝条数少、密度小。

图6 车古20区块下古生界八陡组裂缝密度及车古201、车古202井成像测井显示Fig.6 Fracture density and imaging logs of Wells Chegu201 and Chegu202 in Lower Paleozoic Badou Formation of Block Chegu20

车西北带车古27井区的断距较大、距断层距离较近，因此储层裂缝发育，物性较好，油气储存和输导条件亦较好。车古271 和车古211 井区的断距较小、距断层距离较远，因此储层裂缝发育较少，物性较差，油气储存和输导条件较差（表3）。

表3 车古27、车古271和车古211井区储层特征分析Table3 Analysis of reservoir characteristics in Wells Chegu27，Chegu271，and Chegu211

3.3 煤系地层埋深及厚度决定生烃量差异

据金强等的研究资料［2］表明，来源于石炭系—二叠系煤成气的成熟度与烃源岩的现今埋深具有对应关系，石炭系—二叠系的现今埋深控制了煤成气的生成和分布。通过模拟渤海湾盆地生烃动力学研究认为，车西北带石炭系—二叠系烃源岩的生气率高、煤成气勘探潜力大。车镇凹陷石炭系—二叠系煤系地层的埋深需大于4 100 m，才能过成熟进入二次生烃期，且随着煤系地层埋深及厚度的增加，烃源岩的生烃量增大，即煤系地层的埋深及厚度决定了生烃量的差异［2］（图2）。

研究区不同井区对比发现，车古211 井煤系地层的埋藏较浅，为3 750.0～4 046.5 m，未达到煤系地层过成熟进入二次生烃期所需的临界埋深。车古27 和车古271 井煤系地层的埋深分别大于4 970和5 331 m，均超过煤系地层过成熟进入二次生烃期所需的临界埋深。但相比车古271井区钻遇煤系地层厚度较小（9 m），车古27 井区煤系地层厚度较大（27 m），因此车古27 井煤成气的勘探潜力更大，具有更高的资源潜量（表2）。

4 煤成气成藏模式

对比车古27、车古271 和车古211 等井的钻探情况，剖析煤成气成藏要素，可以看出车镇凹陷车西北带潜山煤成气藏为上古生界生、下古生界储型气藏类型，为一个独立的古生界煤成气成藏体系。其具有良好的烃源岩、有利的储盖组合、较好的圈闭及保存和运移条件；煤系地层的埋深和厚度决定了生烃量差异，邻近断层的断距对煤成气成藏起到了至关重要的控制作用，其不仅控制圈-源对接程度，也控制下古生界储层发育带的宽度，直接决定圈闭的有效性。

研究区潜山煤成气成藏模式为：上古生界煤系烃源岩最大埋深超过4 100 m，煤系地层普遍进入二次生烃期，具有较大的煤成气资源潜量。上古生界泥岩、煤系地层以及下古生界顶部致密碳酸盐岩为盖层，被断层改造的下古生界潜山裂缝型碳酸盐岩为主要储层，发育有利的储盖组合；受控于中—古生界断裂体系，早期形成多个有利构造圈闭，上升盘的下古生界潜山有利构造圈闭通过断层与下降盘的上古生界太原组和山西组烃源岩对接，上古生界煤系地层生成的煤成气沿断层向地层上倾方向运移，就近富集于下古生界有利碳酸盐岩储层，形成油气藏，且后期保存条件较好，未遭受破坏，具有晚生晚成、就地就近成藏的特点（图7）。

图7 车镇凹陷车西北带煤成气成藏模式Fig.7 Coal gas accumulation modes in northwest of Chezhen Sag

5 结论

车镇凹陷车西北带上古生界生、下古生界储型气藏类型为潜山煤成气藏，是一个独立的古生界成藏体系，具有良好的烃源岩、有利的储盖组合、较好的圈闭以及保存和运移条件。车西北带上古生界煤系地层的埋深和厚度决定了生烃量差异，邻近断层的断距对车西北带煤成气成藏具有至关重要的控制作用，其不仅控制圈-源对接程度，也控制下古生界储层发育带的宽度，直接决定圈闭的有效性，为研究区煤成气的主要成藏差异因素。总结得出车西北带下古生界煤成气成藏模式，可以为研究区后续的煤成气勘探提供重要的借鉴意义。