沁水盆地晋中地区上古生界致密砂岩气勘探潜力

耿燕飞，韩校锋，周慧敏

(1.中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，河南郑州 450006；2.中石化经纬有限公司华北测控公司，河南郑州 450042；3.中国石化华北油气分公司采气一厂，河南郑州 410000)

沁水盆地与鄂尔多斯盆地石炭纪-二叠纪沉积时期均属华北地台型盆地，沉积环境类似，石炭系-二叠系煤系地层广泛发育，蕴藏着丰富的天然气资源[1-5]。目前，盆地南部1 000 m以浅的浅层煤层气已经实现了规模开采。沁水盆地晋中地区煤层埋深1 800～2 500 m，属于深层高阶煤，已钻井发现上古生界石炭系-二叠系多套致密砂岩中均见良好的含气显示，证实了该区具备致密砂岩气成藏地质条件。晋中地区面积1 374.80 km2，利用类比法估算致密砂岩气资源量为1 275×108m3，勘探潜力可观。

前人对沁水盆地致密砂岩气的研究，大多集中在盆地南部勘探较为成熟的地区，并取得了许多重要认识：沿太原西山、阳城-晋城、左权-和顺和榆次-平遥一带地区可达到较好-好的气源岩；盆地中部沁源地区砂岩储层致密且呈现单层薄、层数多、总厚度大的特点；新生代喜山期发育的走滑断层为游离气成藏的主控因素[6-12]等。而晋中地区位于沁水盆地北部，勘探程度低，对油气的成藏条件仍缺乏系统的认识，很大程度上制约了该区致密砂岩气的勘探进程。本文根据最新的地震、测井及地质资料，深入分析研究区上古生界的成藏条件、主控因素和资源潜力，明确该区致密砂岩气的勘探前景，预测下一步的勘探有利目标。

1 区域构造及地层特征

1.1 区域构造特征

沁水盆地是山西隆起上的一个次级大型向斜盆地，是印支晚期-喜山期形成的构造盆地[13-17]。盆地内不同地区构造特点有所差异，由于燕山运动形成北西-南东向挤压应力，研究区内褶皱变形，发育北东-南西向逆冲断裂体系。依据穿越沁水盆地东西向的地震资料刻画的构造特征，盆地自西向东可划分为晋中断陷、来远凸起、榆社缓坡、武乡背斜等4个二级构造单元(图1)。晋中地区主要位于榆社缓坡和武乡背斜两个区带，其中，榆社缓坡带构造平缓、断裂不发育；武乡背斜带发育多个背斜及断背斜局部构造。

图1 晋中地区构造单元划分

1.2 地层特征

中生代之前，沁水盆地与鄂尔多斯盆沉积构造演化类似[6]，盆地的地层属华北地层区划，盆地内部地层分布具有向斜盆地的典型特征[18]。晋中地区位于沁水盆地北部，石炭系-二叠系地层沉积稳定，自下而上分为本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组，缺失泥盆系和下石炭统，经历了由海相、海陆过渡相到陆相沉积体系的演化过程，石炭系中上统及二叠系下统沉积了一套砂岩、泥岩、煤岩互层的煤系地层，发育多套生储盖组合类型，具备良好的致密砂岩气成藏地质条件(图2)。

图2 晋中地区综合柱状图

2 油气成藏地质条件

与常规天然气藏相比，致密气在成藏及分布规律方面有特殊之处，致密气一般储层致密，源储共生，圈闭界限及水动力效应不明显，具有“低丰度、大面积连续”等特点[11]。沁水盆地沼泽相煤系形成“源内/近源”致密气，且连续聚集在缓坡区、背斜区。本次研究在对已钻探井上古生界岩样进行分析化验的基础上，详细分析了研究区上古生界的成藏条件。

2.1 烃源岩

沁水盆地太原组及山西组发育煤岩和暗色泥岩两种烃源岩[12]，为致密砂岩气提供了丰富的物质基础。研究区已钻井揭示太原组和山西组含煤4～7层，累计厚度8～15 m，太原组煤岩有机碳含量为60.5%、山西组为78.3%；太原组和山西组暗色泥岩发育，平均厚度为185 m，所含有机质丰富，太原组泥岩有机碳含量为2.9%、山西组为3.2%(表1)。

研究区煤岩氯仿沥青“A”和烃含量与煤的变质程度和煤岩组分有关，本区为高变质煤，氯仿沥青“A”和烃含量较低，山西组煤岩氯仿沥青“A”为468.0×10-6～612.0×10-6，平均为540.0×10-6，总烃为138.5×10-6～230.1×10-6，平均为184.3×10-6。暗色泥岩的氯仿沥青“A”和烃含量也很低，例如太原组氯仿沥青“A”为50.0×10-6～180.0×10-6，平均为155.0×10-6，总烃为12.4×10-6～41.6×10-6，平均为28.8×10-6(表1)。两种烃源岩均以Ⅲ型干酪根为主，演化程度高，利于生气。

表1 晋中地区上古生界烃源岩样品有机质丰度

2.2 储集岩

晋中地区石炭系-二叠系属于一套海陆过渡相-三角洲相沉积，主要发育砂岩储层，其次为裂隙储层。受区域沉积环境控制[19-20]，研究区致密砂岩储层主要发育于山西组和下石盒子组。山西组以分流河道砂体为主，岩性主要为岩屑砂岩。单砂体厚度为1.0～4.1 m，平均为2.9 m。砂岩累计厚1.5～9.9 m，平均为5.9 m，占地层总厚度的0.9%～6.6%，平均为3.9%，砂岩主要为岩屑砂岩；下石盒子组以泛滥-分流平原相河间砂体为主，岩性主要为岩屑石英砂岩，单层砂岩厚度为1.6～10.0 m，平均为7.1 m。砂岩累计厚度为12.9～25.1 m，平均为18.2 m，占地层总厚度的11.8%～19.2%，平均为15.4%。总体上，主要目的层砂岩单层厚度均较薄。

山西组3口井45个砂岩样品实验数据表明，石英含量61.0%～69.0%，平均66.5%；长石含量3.0%～8.0%，平均5.0%；岩屑含量26.0%～30.0%，平均27.5%。粒径0.07～0.60 mm，平均0.45 mm，以细粒为主，中粒次之，部分粗粒；风化程度中等，分选性中等；磨圆度为次棱-次圆状、颗粒支撑、点-线接触。胶结物以泥质为主(3%～6%)，其次为炭质(0～3%)、方解石(1%～7%)、白云石(0～7%)，此外还含有少量黄铁矿和自生绿泥石。砂岩含有较高的杂基组分(15%～18%)，胶结类型以孔隙式为主，部分为孔隙镶嵌式或孔隙再生式。常规物性测定表明，孔隙度为2.86%～4.50%，平均为3.60%，渗透率为0.10×10-3～0.27×10-3μm2，平均为0.20×10-3μm2。3个样品的压汞测定结果显示，平均孔喉半径为0.105 μm，平均排驱压力为7.13 MPa。薄片分析表明，晋中地区主要目的层山西组-下石盒子组砂岩普遍胶结致密、压实作用强烈、非均质性较强，整体上属于特低孔特低渗砂岩储层(图3)。

此外，研究区发育裂隙型储层，裂隙发育的泥岩、灰岩、砂岩均可作为储层(表2、图4)，煤岩是生气层，但裂隙、微裂隙发育的煤层也可作为储层[21]。

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图4 晋中地区上古生界砂岩岩心照片

研究区太原组灰岩发育，一般为3层，厚11.0～13.8 m，平均为12.3 m，占地层总厚度10.9%～13.3%，平均为12.4%，岩性多为致密的泥晶灰岩和含生物泥晶灰岩，储集性能差，但燕山运动在构造高部位形成的微裂缝能较好地改善储集性能。

2.3 封盖条件

盖层的封盖性能直接影响致密砂岩气的保存[22-23]。晋中地区石炭系-二叠系的泥岩发育，且单层厚度较大，全区分布稳定，可作为区域盖层或直接盖层。

太原组和山西组以含煤的灰黑色泥岩为主，泥岩累计厚度73.9～132.3 m，占地层总厚度73.8%～86.0%，暗色泥岩除了可以形成物性封闭外，本身作为烃源岩也具有烃浓度封闭能力，强化了泥岩的封盖性能，具备良好的直接盖层条件。下石盒子组、上石盒子组、石千峰组均发育了厚度较大的泥岩，其泥岩累计厚度分别为71.9，93.5，172.8 m，分别占地层厚度的64.2%、84.8%、67.7%，是良好的区域性盖层(表2)。

表2 晋中地区上古生界泥岩厚度统计

2.4 生储盖组合

从上述基本地质条件及钻井分析可知，晋中地区的上古生界有源内的自生自储和近源的下生上储两类生储盖组合类型(图5)。

图5 晋中地区不同区带上古生界油气地质条件对比

太原组、山西组发育多层煤岩及暗色泥岩，纵向上与分流河道砂体或障壁砂坝砂体上下叠置，横向上储层呈透镜状，被烃源岩包围，形成源内式自生自储的生储盖组合，已钻井JZ1井，在太原组和山西组钻遇多套煤层，主煤层厚度15.4 m，与煤层紧邻的砂岩段全烃含量净增7.9%～22.1%，形成了源内式自生自储的生储盖组合类型。同时，太原组、山西组煤系地层烃源岩有上覆石盒子组和石千峰组构成近源式下生上储式的生储盖组合，已钻井WX1井的太原组、山西组煤层厚度21.9 m，钻遇二叠系下石盒子组、石千峰组多层砂岩均有含气显示，证实了晋中地区也具有近源式的下生上储组合类型的发育条件。

2.5 圈闭条件

在武乡背斜带，由于受燕山期构造运动的影响，沿北东-南西向断层形成一系列背斜及断背斜，发育构造圈闭，2020年在背斜局部构造上部署的WX1井，分别在石盒子组和石千峰组钻遇6套含气砂岩，累计显示厚度73.0 m，证实了构造圈闭的存在。

3 油气成藏主控因素

前期的研究表明，对于沁水盆地晋中地区而言，储层和保存条件是寻找有效气藏的关键。

储层的发育状况与当时的沉积环境密切相关，沁水盆地晋中地区在整个华北沉积格局的控制之下，上古生界的沉积特征与鄂尔多斯盆地基本一致，主要目的层沉积相为三角洲前缘-前三角洲沉积，砂岩厚度相对较薄。平面上，储层以呈近南北向展布的三角洲前缘分流河道砂体为主；纵向上，太原组、山西组及石盒子组砂岩与泥岩相间分布，砂体垂向叠置，平面及层间非均质性强。通过井震标定，认为地震剖面上T9d(石盒子组底)和T9f(石千峰组底)反射轴能量强且连续的地方砂体较为发育，已钻的WX1井证实了利用井震资料寻找砂体的可靠性。另外，研究区还发育裂缝型储层，由构造应力作用形成的微裂缝有效改善了储集性能，使得裂缝段全烃净增值高，含气性良好，在钻井中已得到验证。

研究区局部及区域盖层条件良好，保存条件主要受圈闭成藏期构造运动的影响[23]。晋中地区主要有两次生烃期，分别对应晚三叠世的第一次生烃和晚侏罗世-早白垩世的第二次生烃，其中一半以上的天然气在二次生烃期排出[24]。第一次生烃期，海西-印支期构造运动较弱，石炭纪-二叠纪煤层受构造运动破坏较小，极少见东西向构造，盆地接受沉降，储层随埋深增加而致密化，在深成变质作用下煤变质程度增大，煤系气生成并赋存其中；第二次生烃期，受到燕山期北西西-南东东向构造应力挤压，地层抬升，煤层受到岩浆热接触作用，煤岩热演化程度增加，形成第二次生烃，与此同时，在武乡背斜带形成了多条北东-南西向的中小型断裂及一系列背斜及断背斜构造，天然气部分顺断层逸散，部分运移至圈闭中被保存。之后，喜山运动期应力反转，圈闭内保存的天然气进一步运移聚集或逸散。基于此，后期勘探应侧重于构造稳定区及背斜构造发育区。

4 勘探潜力与有利目标优选

榆社缓坡构造单元面积947 km2，区内构造稳定，断层不发育，保存条件较好；该区石炭系-二叠系残余地层厚度大，煤系烃源岩全区发育，生储盖组合关系好，具有有利的成藏条件，岩性圈闭面积616.6 km2，圈闭天然气资源量765×108m3。

武乡背斜带构造单元面积427 km2，区内由于燕山运动期构造应力挤压形成一系列北北东走向的小型长轴背斜及断背斜，内部地层较为陡峭，断裂发育，在构造高部位保存条件较好，且应力作用形成的微裂缝有效改善了储层物性。例如区内JZ3井在太原组灰岩裂缝发育段全烃显示高达8.6%，显示了良好的含气性。

与鄂尔多斯盆地大牛地气田基本成藏条件相比，晋中地区两个区带与之具有相同的目的层，相似的构造条件及沉积环境，且生烃条件更好，主要目的层砂岩物性相当或略差，但能够形成有效储层。其中，武乡背斜带发育构造圈闭，与构造稳定区相比，其背斜构造内保存条件也较好。综合分析认为，该区显示了良好的致密砂岩气勘探潜力(表3)。

表3 晋中地区榆社区带与武乡区带基本成藏条件对比

5 结论

(1)沁水盆地晋中地区太原组-山西组煤系烃源岩全区广泛发育且品质良好，石炭系-二叠系至三叠系发育约500 m的泥岩盖层，但三叠纪末至新生代的隆起抬升、长期遭受风化剥蚀，断层发育的地区封盖能力弱、保存条件差。因此，后期勘探应寻找保存条件较好的榆社缓坡带的构造稳定区及武乡背斜带的背斜构造发育区。

(2)沁水盆地晋中地区上古生界发育80～100 m的砂岩，但砂岩储层物性普遍较差，属于特低渗致密储层。研究区内构造高部位形成的微裂缝能有效改善储层的储集性能，裂隙发育的泥岩、灰岩、砂岩及煤岩均可作为储层。

(3)晚三叠世第一次生烃期，砂岩渗透性相对较好，天然气主要存储于煤系地层中；晚侏罗世-早白垩世第二次生烃期，储层热演化程度增加使孔渗性能变差，但盆地抬升、构造应力增强引起裂隙的产生发育，有利于天然气运移聚集，因此，裂隙气藏是沁水盆地晋中地区下一步的勘探方向。