煤成气多层系富集机制与全含气系统模式——以鄂尔多斯盆地东缘临兴区块为例

李 勇 吴 鹏 高计县 杜 佳 吴 见 麻振涛 陈建奇

1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 2. 中联煤层气有限责任公司

0 引言

1978年，戴金星院士提出中国煤成气理论，先后准确地预测了多个特大型和大型气田，推动了中国天然气储量和产量快速增长[1]。在“碳达峰”和“碳中和”背景下，深刻认识煤系生烃特性及其对应的煤系含气序列，不仅有助于低碳天然气勘探开发，也有利于煤炭“能源”和“资源”属性开发利用。煤化作用是一个长期连续的生烃过程，较“门限深度”“门限温度”内生烃的腐泥质烃源岩在时间、空间和深度上具有更广泛和更有利的勘探条件[2]。以石炭系、二叠系煤系作为气源岩的鄂尔多斯盆地先后发现了苏里格、靖边、大牛地、榆林、子洲、乌审旗、临兴—神府等千亿立方米级大气田。同时，以这套煤层为储集层的煤层气在盆地东缘储量也超过千亿立方米[3-4]。除此之外，四川盆地广泛发育以上二叠统龙潭组和上三叠统须家河组煤系为烃源岩的煤成气田，塔里木盆地库车坳陷及其南缘等地区也发现以中下侏罗统煤系为烃源岩的煤成气田[1,5]。煤成气成为天然气勘探和增储上产的重要领域。

中国地质历史时期聚煤期次多，在早石炭世、晚石炭世、二叠纪、晚三叠世、早—中侏罗世、早白垩世、古近纪和新近纪都发育具有工业价值的煤炭[6]。煤层气作为一种在煤层中自生自储的非常规天然气，作为独立矿种在沁水和鄂尔多斯盆地东缘开展了规模化工业开发[7]。在煤层气勘探开发过程中，开发层系更多关注煤层本身，较少关注煤系其他层系，尚未实现与煤成气理论的有机结合。近年来，煤系“三气”（煤层气、页岩气和致密气）、煤系非常规天然气和煤系气的概念逐渐强化，发现煤系内部存在多套含气层系，但对煤系及其上下地层中丰富的天然气资源仍认识不足[8]。以煤成气为气源的多层系天然气，既有常规气藏（有利圈闭富集，浮力成藏为主），也有非常规气藏（气体连续聚集，非浮力成藏为主），重新审视由同一套烃源岩供烃的多类型、多层系含气系统，是油气地质理论创新和油气勘探效率提升的重要方向。

鄂尔多斯盆地上古生界煤系气、中新元古界—下古生界天然气[9]和三叠系浅层气都展现了勘探开发潜力。其中下古生界和三叠系天然气虽然在通常所说煤系（一般统称石炭系—二叠系为煤系）之外，但是煤成气仍然是全部或者重要贡献。基于此，笔者以鄂尔多斯盆地东北缘临兴区块为例，探讨了上古生界—三叠系沉积地层的含气序列，揭示了煤系及其上下邻近地层多层含气系统，系统解剖了煤成气在烃源岩层系滞留、源外层系富集的成藏过程，以期为鄂尔多斯盆地和其他类似含煤盆地天然气勘探提供参考。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地是多旋回叠合盆地，发育早古生代海相克拉通盆地、晚古生代海陆过渡相克拉通盆地和中生代陆相残延克拉通盆地，油气地质条件优越[10]。临兴区块位于鄂尔多斯盆地东缘北部，石炭纪、二叠纪沉积由海陆过渡相向陆相环境转变，发育多种泥炭沉积环境，形成了稳定连续的厚煤层[11]（图1）。临兴区块受盆地边缘离石断裂及紫金山岩体侵入影响，由东向西依次发育吕梁山隆起带、断阶带、宽缓背斜带和平缓斜坡带，由北向南在临兴区块主要为低幅构造区和环紫金山构造区（图2）。

图1 临兴区块构造位置和地层综合柱状图

图2 临兴区块构造分区与本溪组顶面断层分布图

临兴区块发育多套含气层系。其中，在本溪组、太原组、山西组、下石盒子组等地层发育煤系源控含气层系，包括煤层气、过渡相页岩气、致密砂岩气和铝土岩天然气。在距离煤系烃源岩较远的上石盒子组、石千峰组、和尚沟组和马家沟组等地层可见源外致密砂岩气和常规天然气富集（图1）。

2 煤系源控含气层系

煤系源控含气层系与烃源岩层系紧密关联，发育受烃源岩直接或者明显间接影响的天然气藏，既包括煤系源内煤层气和页岩气，也包括与煤系烃源岩紧密关联的致密砂岩气，即通常所说的近源致密气和远源致密气[12]。

2.1 煤层气

2.2 煤系页岩气

根据临兴区块5口取心井现场解吸数据，页岩含气量介于 0.48 ～ 2.49 m3/t，平均值为 1.08 m3/t。其中，山西组页岩解吸含气量介于0.58～2.49 m3/t，平均值为1.14 m3/t；太原组页岩解吸含气量介于0.48 ～ 2.46 m3/t，平均值为 1.05 m3/t；本溪组页岩解吸含气量介于 0.61 ～ 2.28 m3/t，平均值为 1.06 m3/t。研究区页岩可见黏土、硅质、混合和钙质等岩相类型，总有机碳含量（TOC）介于2%～6%，普遍进入成熟阶段，具有良好的生烃潜力[14]。

2.3 铝土岩天然气

鄂尔多斯盆地煤系铝土岩天然气在多个地区取得勘探突破。2020年，宁古-3井太原组（直接上覆于马家沟组）铝土岩测试日产气量为13.44×104m3[15]；2021年，陇-47井太原组铝土岩测试获得天然气无阻流量为67×104m3/d[16]，表明鄂尔多斯盆地煤系铝土岩具有广阔的天然气勘探前景。2015年，研究区临兴-2s井在本溪组底部钻遇铝土岩，厚度为4.8 m，气测全烃显示良好，且与邻近泥岩等呈现整段含气特征（图3）；2021年，临兴区块南部的临兴-41-3D井本2段解释铝土层厚度为14.9 m，完井测试火焰高0.5 m，该井于2021年12月22日投产，初期日产气量为3 731 m3，目前日产气量为 5 013 m3，已累计产气34.92×104m3。可见临兴区块铝土岩天然气也具有良好的勘探开发前景。

图3 临兴区块临兴-2s井本溪组产层测井解释图

2.4 致密砂岩气

近年来，临兴区块建成了“多层准连续型”致密砂岩气千亿立方米级大气田[17]。上古生界致密气产层多，在本溪组、太原组、山西组、下石盒子组和石千峰组等均有良好气层。其中，盒2段、盒4段、盒6段和太2段气层厚度大，开发效果好，盒3段、盒5段和本溪组气层相对较薄。

临兴区块上古生界气层数量明显多于盆地内部的苏里格、大牛地和神木等气田，具有多层叠置含气的特点。相对盆地内部的气田，研究区地层埋深较浅，对应储层压力和含气饱和度低。盆地中部的苏里格气田构造简单，断裂系统规模较小，天然气藏集中发育于源内和近源储层，储层厚度大，含气饱和度高。临兴区块西南部的榆林气田山西组、太原组和下石盒子组也发育优质气层。值得注意的是，榆林气田下古生界奥陶系马家沟组发育白云岩气藏。大牛地、神木等气田主力气层集中发育，单层厚度小，层系变大，小规模断裂发育，发育有远源调整气藏。临兴区块过渡为盆缘致密气，主力气层纵向多层叠置，气层数量进一步增多，环紫金山断裂带发育的垂向断裂具有良好的油气输导作用，天然气运移距离远，可远距离成藏。再往东部和北部地区纵向大断裂发育，部分气层含水饱和度较高，水层逐步增多（图4）。

图4 鄂尔多斯盆地中东部主力气田产层分布图

总体来看，苏里格气田致密气主力产层为盒8段和山1段，埋深介于3 200～3 600 m，地层压力介于30～33 MPa，地层温度较高，介于90～110 ℃，含气饱和度介于60%～70%[18]；大牛地气田主力产层为太原组、山西组和下石盒子组下部3个层段，埋深较浅，埋深介于2 500～3 000 m，地层压力介于25～28 MPa，地层温度介于76～91 ℃，含气饱和度介于60%～70%[19]；临兴区块主力产层进一步变多，包括盒2段、盒4段、盒6段和太2段，储层埋深更浅，埋深介于1 300～2 000 m，地层压力介于13～18 MPa，地层温度低，介于39～59 ℃，含气饱和度较低，介于45%～55%（图4）。

3 源外聚集含气层系

3.1 圈闭主控型天然气

临兴区块在中三叠统纸坊组和下三叠统和尚沟组发现浅层气，气层埋深浅于500 m。临兴-11井和尚沟组和临兴-24井纸坊组测试分别获得日产气量为 12 064 m3和 4 000 m3，临兴 -27 井也有气层发现，初步确定浅层气有利面积为24 km2。该区块受局部贯穿断层影响，上部储层与下部烃源岩层系连通（图4）。气体碳同位素数据表明，临兴区块浅层气来源于石炭系、二叠系煤系[20]。因此，对于本区浅层天然气成藏，沟通石炭系二叠系煤系烃源岩与三叠系纸坊组、和尚沟组圈闭的垂向运移通道十分重要。

3.2 输导主控型天然气

在鄂尔多斯盆地东部，奥陶系顶部不整合面、侵蚀沟槽、断裂（裂缝）是重要天然气输导体系，碳酸盐岩储层与煤系烃源岩直接接触，形成条带状展布的供烃窗口（图4）。这一输导体系形成了规模化的奥陶系白云岩气藏，其中，靖边气田奥陶系中组合天然气探明储量约为 1 600×108m3；大牛地气田大48井区产能建设井大1-522井、大1-516井在下古生界奥陶系马家沟组马五5亚段试气获得天然气无阻流量均超过3×104m3/d，证实了马五段白云岩具有良好的天然气勘探开发潜力[21]。

临兴区块临兴-30井马家沟组井段1 980～2 000 m和2 103～2 121 m钻遇石灰岩、白云质石灰岩和泥质石灰岩，测井解释为气层、含气层。临兴区块局部发育岩溶残丘，具备形成古风化壳气藏的条件。同时，混合水白云石化作用控制的白云岩储层也是重要的天然气勘探目标，马五段沉积期后古隆起间歇暴露，形成大气淡水与富镁卤水混合的浅埋藏成岩作用环境，导致藻屑滩相沉积白云石化形成晶间孔储层，具备形成岩性气藏的条件。

为了弄明白突触的多样性是否有助于信息处理，研究小组使用计算机模拟来观察突触是如何对海马体内——大脑中海马形状的区域，对学习和记忆至关重要——常见的电模式做出应答的。海马体是突触亚型表现出显著多样性的区域之一，每个亚型都以惊人的模式在大脑结构中延伸开来。

4 煤成气多层系富集特征

4.1 多层气藏叠置特征

临兴区块本溪组和太原组主要为障壁海岸沉积，砂体主要发育在障壁岛和潮下砂坪环境，潮上泥坪沉积厚层泥岩或泥灰岩，砂体横向连通差，厚砂体相对孤立（图5-a，图6-a、b）。太原组陆源碎屑较本溪组有所增加，砂体横向连通性较本溪组更好。煤层区域展布稳定，同时，形成了一定厚度的潟湖相页岩，两套烃源岩气层在平面稳定分布，上下叠置的致密砂岩气层相对孤立分布。山西组为曲流河—三角洲平原亚相沉积，山2段平均砂岩厚度大于山1段，发育分流河道及其间湾沉积，河道呈由北向南的展布形态，砂体以孤立河道为主（图5-b，6-a、b）。

图5 临兴区块太原组和山西组沉积模式图

下石盒子组发育辫状河三角洲平原亚相，砂体厚度最大，横向连通性好，河道砂体以堆叠型为主，侧叠型为辅。上石盒子组发育曲流河三角洲，河道厚砂体较为分散，横向连通差，下部河道砂体以孤立型为主，上部以侧叠型砂体为主。石千峰组主体为辫状河三角洲平原沉积，分流河道发育，河道间湾较少，砂体以堆叠型为主，侧叠型为辅（图6-a、b）。

图6 临兴区块不同层段储层构型模式图

纸坊组、和尚沟组为辫状河和湖泊相沉积，砂体以孤立型为主[22]；砂体受贯穿古生代和中生代地层的断裂输导，含气区域相对分散，在良好圈闭内可成藏（图6-a、b）。

本溪组底部铝土矿和马家沟组气藏受输导体系影响明显，在相对高渗储层成藏，含气层段受岩性差异和裂缝发育位置影响，气藏以不连续型为主（图6-a、b）。

综上表明，煤成气藏在煤系内部以连续型—准连续型为主，在其上下地层受气体充注程度和圈闭条件影响，过渡为不连续型的常规气藏。

4.2 优质气层分布规律

煤系沉积可见障壁、潮坪、曲流河、曲流河三角洲、辫状河三角洲和浅水三角洲等多类型沉积相。致密砂岩储层质量受沉积环境和成岩作用的双重影响，沉积背景在很大程度上影响储层原始孔隙度[23]。临兴区块强水动力沉积砂体储层物性普遍较好，包括障壁岛、砂坪、三角洲分流河道和曲流河边滩等。成岩作用影响储层物性的后期变化，特别是次生溶蚀孔隙对储层孔隙度和渗透率具有决定性作用，研究区上/下石盒子组、太原组和本溪组均发育明显的次生溶蚀孔隙，改善了储层物性[23]。

沉积微相是影响气层的核心要素。分流河道主干、边滩易形成高含气层和高产气层，分流河道边部、天然堤等微相容易产水，影响合采效果。储层物性直接影响气层产气量，高渗区对应高产，气层甜点常见于不同沉积微相物性好的区域。在气藏形成过程中，储层早期压实致密，后期近源充注，压差驱动，非浮力成藏为主（图7-a）。浅层的构造—岩性圈闭受控于裂缝输导，气体在生烃高峰或者调整改造中充注成藏，部分由于后期地层抬升、温度降低形成异常高压（图7-b）。烃源岩滞留的煤层气和过渡相页岩气（图7-c）主要受分子吸附力和毛细管力影响，甜点位置受控于高含气、高渗透性和储层可改造性等影响。

图7 临兴区块不同类型气藏富集模式图

铝土岩储层主要发育在潮坪、潟湖环境，以溶蚀孔为主，与煤系烃源岩直接或间接接触。同时，断层和裂缝改善了输导能力，“源岩—储层—裂缝”三者耦合共同控制铝土岩天然气成藏（图7-d）。马家沟组碳酸盐岩气藏受地层抬升时期风化剥蚀影响，天然气在剥蚀面附近聚集，输导体系直接控制气藏分布范围，以岩性气藏和地层—岩性气藏为主，优质气层主要发育在高渗区[24]（图7-e）。

5 全含气系统形成模式

5.1 富集成藏动力

临兴区块现今压力系统较为复杂。中生界三叠系发育超压和欠压气藏，其中和尚沟组—纸坊组地层压力系数介于0.69～1.87。上古生界地层压力系数介于0.60～1.12，总体上属于常压和欠压压力系统。其中，石千峰组以常压系统为主，地层压力系数介于0.73～1.06（平均值为0.95），随埋深增加地层压力系数略有降低；上石盒子和下石盒子组以常压—欠压系统为主，地层压力系数相近，分别为0.53～1.11（平均值为0.88）、0.55～1.09（平均值为0.87）；山西组以常压—微欠压系统为主，地层压力系数介于0.76～1.09（平均值为0.90），山2段地层压力系数略低于山1段；太原组、本溪组以常压—微欠压系统为主，地层压力系数分别为0.62～1.12（平均值为0.88）、0.58～1.11（平均值为0.90），地层压力系数随埋深增加而增大。

尽管当前临兴区块现今主体发育欠压和常压致密气藏，但是致密气在成藏期多为超压或异常高压。舒永[25]、李剑等[26]利用流体包裹体和盆地模拟研究认为，鄂尔多斯盆地上古生界在早白垩世末期普遍存在不同程度超压。其中，烃源岩层段古超压为烃源岩生烃压力所致，致密砂岩古超压是在源储压差驱动下天然气向储层运移充注过程中的压力传递所致。流体包裹体捕获压力计算结果显示，临兴区块受岩体侵入影响的区域，上古生界煤系在晚侏罗世的储层压力为22～25 MPa，在早白垩世天然气大规模充注期间储层压力可达40 MPa，局部热异常地区的储层压力最高可达 57 MPa[27]。

地质演化历史中地层抬升导致的温度降低和天然气逸散是现今气藏欠压的主因[28]。临兴区块上古生界普遍常压和微欠压也主要是由于地层温度降低和裂缝体系中天然气散失所致。致密砂岩储层孔渗低具有自封闭性，加上良好的区域保存条件，孔隙流体压力与外界交换能力较差，普遍具有一定的压力封存效应。三叠系浅层和尚沟组、纸坊组为超压，受良好封闭条件的压力封存效应影响，同时地层埋深浅，静水压力低，相对更容易形成超压。临兴区块典型井煤层生烃强度、累计厚度与无阻流量关系（图8）表明，生烃强度大于10×108m3/km2，煤层厚度大于10 m的区域为工业气流井主要分布区，这说明充足的气源条件是多层天然气富集的重要因素。

图8 临兴区块气井无阻流量与煤层厚度和生烃强度关系图

5.2 富集成藏模式

源岩—储层—输导系统联合控制煤系天然气富集成藏[29]。临兴区块上古生界致密砂岩气藏为准连续型[30]，浅层三叠系为岩性—构造气藏。甲烷碳同位素数据分析结果表明，浅层气来自于煤系烃源岩生成的煤型气，存在沟通煤系烃源岩与三叠系纸坊组、和尚沟组圈闭的垂向运移通道。三维地震解释结果表明，刘家沟组、石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组及本溪组7个层系发育的断裂均为高角度逆断层，沿着紫金山隆起带的断裂呈环带状分布（图2）。这些断裂的断距不大，断裂延伸长度介于1～7 km，主要形成于燕山中晚期，即晚侏罗世—早白垩世。这些断裂在纵向上多切穿整个上古生界，因此，下伏煤系烃源岩生成的天然气可以沿着断裂向上垂向运移，在具有良好物性的砂体就近聚集成藏。其中，沟通煤系烃源岩与三叠系的断层是浅层气运聚成藏的关键。

临兴区块下古生界马家沟组发育不连续型气藏，以奥陶系风化壳和白云石化储集层为典型特征，受控于上古生界气源输导补给。上古生界煤系内幕发育多套连续—准连续型天然气聚集带，包括连续型的煤层气和过渡相页岩气，以及准连续型的致密气，同时，本溪组铝土岩也展现了良好的天然气勘探潜力[15]。上、下石盒子组和石千峰组发育准连续型为主的致密气层系。三叠系和尚沟组和刘家沟组发育典型的岩性—构造圈闭天然气藏。因此，临兴区块多层含气系统以煤系生烃、运移、聚集、逸散为主线，涵盖3套层系：①下古生界奥陶系岩性和地层—岩性气藏，受断裂和地层输导控制，在高渗区成藏，为不连续天然气聚集带；②石炭系、二叠系连续—准连续型气藏，既有煤层气、过渡相页岩气和铝土岩天然气，又有多层系的致密气；③三叠系岩性和构造—岩性气藏，气藏埋深浅，不连续聚集，受沟通储层的断裂和良好的封闭体系综合影响。

5.3 煤成气全含气系统

非常规油气地质理论的发展，突破了传统圈闭成藏和区带富集、储层物性下限和传统生储盖组合的概念[31-32]。贾承造等[30-31]提出全油气系统概念，包括油气系统中烃类生成演化全过程、常规油气运移成藏及调整破坏、非常规油气原地或运移成藏及调整，统一的常规与非常规油气分布富集规律，以及温压等地球动力学环境，以指导含油气盆地各类型储层与各种类油气资源高效开发。煤系生成的天然气，在临兴区块发育常规天然气藏和非常规天然气藏，以煤系生烃运移为主线，在不同层段差异富集，构成全含气系统。

煤成气全含气系统呈现各类型储集层，受控于煤化作用全过程生烃及贯通性输导体系，发育连续型煤层气和页岩气、准连续型致密气和单体型/集群型天然气藏（图9）。其核心是煤成气的“生—运—聚—散”过程变化，储层不局限于煤系本身，寻找煤系及其上覆下伏整套地层的滞留烃、近距离运移烃和远距离运移烃，从“源储耦合、有序聚集”的视角来开展勘探工作（图10）。煤系烃源岩包括有煤层和煤系泥页岩，其中厚煤层本身可以独立开发煤层气，合适条件的煤系页岩气也可以单独开发。对于很多盆地发育的多薄煤层，为了提升开发效益，需要将薄煤层及其邻近砂岩、泥页岩等当作统一储层进行开发，笔者称之为多薄煤系气。煤系烃源岩生成的天然气除了一部分滞留外，多数向邻近地层扩散、运移，在压差驱动下依次形成近源致密气和远源致密气。烃源岩生成气的运移也受断裂、不整合、砂体等输导体系影响，运移聚集形成常规天然气藏。除此之外，在盆地演化过程中，受断裂开闭等影响，先期形成的连续型和准连续型天然气也会扩散运移，进入常规圈闭中再次富集成藏。

图9 临兴区块多层含气系统模式图

图10 煤成气全含气系统源输储匹配关系图

鄂尔多斯盆地上古生界和下古生界气藏在盆地内广泛分布，与煤系烃源岩直接或间接关联[32-33]。除了鄂尔多斯盆地上古生界，四川盆地和准噶尔盆地侏罗系、塔里木盆地白垩系等含煤层系均发现大中型天然气田[34]。同时，南海海域大气田主体也为煤成气田，储量规模大于300×108m3的37个气田主要为煤型气，煤系烃源岩呈现长时间、多阶段连续生烃特征[35-36]。煤系气层系广泛分布，可围绕煤系沉积演化及其对应的源储组合特征和煤系生烃演化及其对应的有序聚集过程等方面系统解剖，揭示含气系统分布规律。在全含气系统开发中，采用多层合采有利于提高地下资源动用率和单井产气量，需要结合地面条件和地下储层分布，考虑直井/定向井组、直井/水平井组、多台阶水平井组等多井型大井组优化布井技术，实现气藏立体开发（图6-c）。

6 结论

1）临兴区块发育石炭系—二叠系源内连续型煤层气和页岩气，准连续型致密砂岩气，不连续型的三叠系岩性—构造气藏、石炭系铝土岩气藏和奥陶系马家沟组碳酸盐岩气藏，形成煤系全含气系统。三角洲平原和滨海平原形成的大面积稳定分布煤系是天然气聚集的物质基础和有利区段。

2）受沉积、储层和输导体系等联合控制，临兴区块发育连续型、堆叠型、侧叠型、孤立型等含气层。源内煤层气和页岩气、近源/远源致密气和源外圈闭气藏的甜点区段形成机制存在差异，但总体受“源岩—储层—输导体”三者耦合共同控制。生烃强度和煤层厚度大的地方易形成工业气流，需要考虑立体开发模式。

3）煤系全含气系统形成的基础是煤系生烃持续充注，核心是煤系天然气“生—运—聚—散”动态变化。在勘探工作中应当以煤系沉积演化为主线，储层不局限于煤系本身，解决“煤系沉积演化及其源储组合特征”和“煤系生烃演化及其有序聚集过程”两大关键问题，寻找煤系及其上下整套地层的滞留烃、近距离运移烃和远距离运移烃，围绕“源储耦合、有序聚集”勘探有利气藏。