楊克兵，錢錚，劉歡，鄭扶軍 （中石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘062552）

郭增強(qiáng) （中石油華北油田分公司地球物理勘探研究院，河北 任丘062552）

沁水盆地位于山西省東南部，東依太行山隆起，南接中條山隆起，西鄰呂梁山隆起，北靠五臺(tái)山隆起，整體形態(tài)為一大的復(fù)式向斜構(gòu)造。面積36000km2，是華北地區(qū)石炭系－二疊系保存最完整、連片面積最大、埋藏深度適中的一個(gè)含煤區(qū)，具有豐富的煤層氣及煤系地層天然氣資源。該區(qū)域以油氣為目的的勘探工作始于1957年，到2012年底鉆至古生界的探井15口，其中有11口井見到了氣測(cè)異常或槽面顯示，除陽(yáng)1井于太原組灰?guī)r中獲工業(yè)氣流外，多年未獲突破。研究證實(shí)，該區(qū)有機(jī)質(zhì)演化程度較高，達(dá)到成熟晚期或過(guò)成熟早期，對(duì)于找油是不利的，對(duì)找氣可能較為有利[1]。目前，在該區(qū)提出了煤系地層游離氣勘探概念[2]，其實(shí)就是以煤層及煤系地層為主要烴源巖的天然氣勘探。經(jīng)過(guò)對(duì)鄭莊、樊莊區(qū)塊大量的煤層氣資料研究探索，認(rèn)為山西組 （P1s）、太原組 （C3t）具有巖性油氣藏的有利成藏條件。經(jīng)過(guò)優(yōu)選，提出了鄭試79井和鄭試31井P1s、C3t砂巖游離氣的試氣建議。經(jīng)測(cè)試，鄭試79井為低產(chǎn)氣水層，以產(chǎn)水為主，鄭試31井失利。試氣結(jié)果表明，儲(chǔ)層普遍低壓，含氣不飽滿，符合殘余氣藏特征，說(shuō)明原始古氣藏已遭到后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造破壞。筆者以此為基礎(chǔ)，重新對(duì)煤系地層游離氣成藏條件進(jìn)行深入研究，確立其成藏主控因素，不僅弄清楚了試氣失利的主要原因，而且對(duì)沁水盆地游離氣的有利成藏層位和區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測(cè)，對(duì)該區(qū)域的游離氣下步勘探具一定的指導(dǎo)意義。

1 成藏的地質(zhì)基礎(chǔ)

1.1 氣源條件

沁水盆地晚奧陶世至早石炭世，和整個(gè)華北板塊一樣處于抬升、受剝蝕狀態(tài)，直至晚石炭世再次開始接受沉積，形成上石炭統(tǒng)至上二疊統(tǒng)一套完整的煤系，至上二疊統(tǒng)石千峰組 （P2s）沉積期全部轉(zhuǎn)為干旱氣候下的河湖相沉積環(huán)境。石炭系－二疊系共含煤8～19層，總厚度5～23.6m，主要煤系含煤11～12層，可采煤3～8層，其中3＃和15＃煤，煤層厚度大、分布穩(wěn)定。同時(shí)期所沉積的暗色泥巖具有北厚南薄的特點(diǎn)，P1s在陽(yáng)泉－榆社一帶為90～100m以上，由北向南逐漸減薄，到陽(yáng)城－晉城一帶約為30～50m；C3t在陽(yáng)泉－榆社一帶厚度在60m以上，而陽(yáng)城－晉城一帶則為10～30m。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析，P1s、C3t煤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%～75%，暗色泥巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～4.2%，是主要?dú)庠磶r；中奧陶統(tǒng)峰峰組 （O2f）、馬家溝組 （O2m）灰?guī)r和白云巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%～0.33%，具有一定的生烴能力，為次要?dú)庠磶r。

存在2個(gè)主要排烴期[3]，一是三疊紀(jì)末排烴期，煤層埋深普遍超過(guò)2500m，最大深度約達(dá)4000m，所發(fā)生的煤化作用 （主要是正常地溫梯度3℃/100m條件下的深成變質(zhì)作用），煤層變?yōu)榈停凶冑|(zhì)煙煤，生成大量天然氣；二是侏羅紀(jì)－白堊紀(jì)生氣期，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使地幔隆起，大地?zé)崃髦瞪撸販卦鰷芈试黾拥?.5℃/100m，使得煤層變質(zhì)程度進(jìn)一步增高達(dá)到了無(wú)煙煤階段，從而形成大量天然氣。

據(jù)熱模擬試驗(yàn)結(jié)果，煤巖由褐煤熱演化至瘦煤階段時(shí)，產(chǎn)氣量已經(jīng)達(dá)到140m3/t，至無(wú)煙煤Ⅲ號(hào)時(shí)，產(chǎn)氣量高達(dá)280m3/t，表明了煤巖強(qiáng)大的生氣能力[4]。資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明，沁水盆地常規(guī)天然氣資源量為5533×108m3；煤層甲烷資源量為44434×108m3，大約為常規(guī)天然氣資源量的8倍，有豐富的天然氣資源。

1.2 儲(chǔ)層特征

沁水盆地主要發(fā)育兩種具有儲(chǔ)集能力的巖類：灰?guī)r和砂巖?；?guī)r發(fā)育于石炭系本溪組 （C3b）和C3t，多為致密的泥晶灰?guī)r和含生物泥晶灰?guī)r，亮晶內(nèi)碎屑灰?guī)r少見，其孔隙并不發(fā)育，孔滲條件差。而砂巖在石炭系－二疊系各層位均有發(fā)育，平面上廣泛分布于全區(qū)，目前在沁水盆地已發(fā)現(xiàn)了石炭系－二疊系砂巖作為儲(chǔ)集層的游離氣顯示。因此，砂巖是沁水盆地南部石炭系－二疊系最主要的儲(chǔ)集巖類型。

砂巖主要以細(xì)－中粒長(zhǎng)石石英砂巖、石英長(zhǎng)石砂巖為主，部分巖屑砂巖，石英含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，次為巖屑、長(zhǎng)石。由于處于成熟－過(guò)成熟成巖階段，原生孔隙基本全部消失，次生孔隙也不太發(fā)育，導(dǎo)致研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層物性一般較差。聲波時(shí)差測(cè)井曲線值在195～240μs/m之間，主要集中在210μs/m左右，為致密砂巖。統(tǒng)計(jì)74個(gè)樣品孔隙度在0.6%～9.8%之間，平均值為2.8%；68個(gè)樣品滲透率在0.04～2.52mD，平均值為0.13mD。從孔隙度和滲透率分布直方圖 （圖1）中可以看出，孔隙度峰值集中在2%～3%，滲透率峰值集中在0.01～0.1mD，屬中低孔、低滲－特低滲儲(chǔ)層。

圖1 沁水盆地P1s、C3t砂巖孔隙度、滲透率直方圖

砂巖儲(chǔ)層物性主要受沉積相帶及埋深控制，壓實(shí)作用是原生孔隙損失的主要因素，膠結(jié)作用次之?？v向上從下至上，石炭系－二疊系砂巖孔喉?xiàng)l件、孔滲條件、滲流能力均有變好的趨勢(shì)。其中，石盒子組 （P1－2sh）儲(chǔ)層物性稍好，P1s次之，C3t稍次。平面上，分流河道砂體優(yōu)于河口壩砂體，砂巖主體沉積中心優(yōu)于邊部沉積。

1.3 儲(chǔ)蓋組合

根據(jù)區(qū)域地層發(fā)育情況，可以看出，二疊系普遍發(fā)育的泥巖層當(dāng)具有一定的厚度 （大于10m）且連片性廣時(shí)，可作為區(qū)域蓋層。因此，能夠形成多套儲(chǔ)蓋組合 （見圖2）。主要有4套儲(chǔ)蓋組合：①P1－2sh砂巖為儲(chǔ)層，其頂部的泥巖及其他泥巖為蓋層；②P1s自生自儲(chǔ)組合，即煤層、暗色泥巖生，砂巖、生物碎屑灰?guī)r為儲(chǔ)層，其頂部泥巖為蓋層；③C3t自生自儲(chǔ)組合，即煤層、暗色泥巖生，砂巖、生物碎屑灰?guī)r為儲(chǔ)層，上覆泥巖為蓋層；④奧陶系頂面巖溶體為儲(chǔ)層，C3b鋁土巖、泥巖為蓋層。其中①、③組合已于鄂爾多斯盆地劉家莊、勝利井、子洲等地發(fā)現(xiàn)工業(yè)氣田，④組合已在靖邊地區(qū)找到大氣田。

2 圈閉與保存條件

2.1 巖性圈閉

中新元古代至三疊紀(jì)，沁水盆地與鄂爾多斯盆地同屬華北古地臺(tái)克拉通內(nèi)盆地的一個(gè)組成部分，具有大致相同的構(gòu)造演化歷程、相近的沉積環(huán)境和相似的沉積建造。沁水盆地與鄂爾多斯盆地最主要的共同點(diǎn)是，其石炭系－二疊系沉積時(shí)兩個(gè)地區(qū)均屬華北地臺(tái)型盆地，形成了海陸交互相含煤地層。此外，兩者早古生代沉積也有很多相似之處，在早中三疊世，兩個(gè)地區(qū)也是一個(gè)統(tǒng)一的大型陸相河湖盆地。所以，兩個(gè)地區(qū)的石炭系－二疊系地層具有許多相似的特征，鄂爾多斯盆地石炭系－二疊系發(fā)育的巖性圈閉，按照地質(zhì)條件，在沁水盆地也應(yīng)同樣發(fā)育。例如，鄭試79井C3t砂巖氣藏即為一巖性圈閉。

2.2 背斜構(gòu)造圈閉

燕山期侏羅紀(jì)開始，沁水盆地進(jìn)入了以較強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)為特征的地臺(tái)活化階段，至少有過(guò)3期以上的褶皺運(yùn)動(dòng)，分別發(fā)生于早、中、晚侏羅世末期，中侏羅世末的褶皺運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈，產(chǎn)生了大量的以北東向?yàn)橹鞯谋承睒?gòu)造。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，沁水盆地已發(fā)現(xiàn)圈閉面積大于1km2的背斜構(gòu)造有247個(gè)。其中，優(yōu)選盆地不同構(gòu)造部位的10余個(gè)背斜構(gòu)造進(jìn)行鉆探，僅見到氣測(cè)異?；虿勖骘@示，證實(shí)沒(méi)有游離氣藏[5]。失利主要原因：一是主要目的層埋藏淺，所鉆探的圈閉大部分位于盆地邊緣古生界出露或埋深小于700m的地區(qū)，保存條件不好；二是盡管目的層埋藏深，如北斗溝大型背斜 （沁參1井），但圈閉已遭到新生界斷層破壞。

2.3 保存條件

沁水盆地內(nèi)地層水礦化度普遍較低，最大不超過(guò)6000mg/L，主要在1000～3000mg/L范圍內(nèi)。而鄂爾多斯盆地古生界地層水礦化度均在10000mg/L以上，最高近100000mg/L，與鄂爾多斯盆地相比，沁水盆地的保存條件較差，不利于游離氣藏的保存。它反映了全區(qū)地下水交替活動(dòng)強(qiáng)，這是煤系地層游離氣資源逸散的主要途徑。

根據(jù)區(qū)域構(gòu)造演化情況，能夠?qū)τ坞x氣藏保存產(chǎn)生影響的有燕山期侏羅紀(jì)的褶皺運(yùn)動(dòng)，喜山期強(qiáng)烈的抬升及剝蝕活動(dòng)。張?jiān)罉虻萚6]認(rèn)為喜山期發(fā)生了3期構(gòu)造擠出運(yùn)動(dòng)，其中第2和第3期構(gòu)造擠出運(yùn)動(dòng)對(duì)華北地區(qū)的陸內(nèi)變形具有重要意義。導(dǎo)致喜山期在沁水盆地形成了大量的走滑斷層，這些斷層在平面上呈線形延伸，圖3沁水盆地鄭莊區(qū)塊二維地震測(cè)線上走滑斷層形態(tài)呈帶狀展布，在剖面上陡直向下直插基底，單條斷層產(chǎn)狀穩(wěn)定，以上緩下陡的半花狀構(gòu)造樣式為主，發(fā)育少量負(fù)花狀構(gòu)造，表現(xiàn)出扭張構(gòu)造應(yīng)力作用下走滑構(gòu)造變形特征。這些新生代斷層對(duì)沁水盆地燕山期形成的圈閉破壞性是嚴(yán)重的，對(duì)煤系地層游離氣的保存影響巨大，也是導(dǎo)致全區(qū)地下水交替活動(dòng)強(qiáng)、地層水礦化度低的主要因素。

圖2 沁南地區(qū)石炭系－二疊系地層綜合柱狀圖

圖3 沁水盆地鄭莊區(qū)塊二維地震測(cè)線上走滑斷層形態(tài)

3 成藏主控因素及有利區(qū)分析

3.1 游離氣運(yùn)移期次

沁水盆地煤系地層有2個(gè)主要排烴期。第1次排烴期為三疊紀(jì)末－早侏羅世。此時(shí)，沁水盆地沒(méi)有形成，東西兩端太行山、呂梁山尚未隆起，南北兩端保持原貌[7]。游離氣開始了第1次運(yùn)移時(shí)期，由于在P1s、C3t泥巖蓋層具有良好的封蓋性，與鄂爾多斯盆地具有相似的成藏條件，煤系地層生成的天然氣開始向物性好的砂巖頂板及有運(yùn)移通道的砂巖、灰?guī)r儲(chǔ)層運(yùn)移，主要在P1s、C3t形成一些古地層巖性天然氣藏。第2次排烴期為晚侏羅世－早白堊世，為主要的游離氣成藏期。受燕山晚期區(qū)域構(gòu)造熱事件影響，第2次排烴是煤層氣大量生成階段，游離氣進(jìn)行了第2次運(yùn)移。此時(shí)，整個(gè)沁水盆地受燕山運(yùn)動(dòng)影響，在近SN向強(qiáng)烈擠壓應(yīng)力作用下整體隆起，沁水盆地南部形成中條隆起，構(gòu)成了沁水盆地的雛形，產(chǎn)生了大量的背斜圈閉[8]，游離氣開始向物性好的頂板砂巖及有運(yùn)移通道的構(gòu)造圈閉運(yùn)移成藏。同時(shí)，強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也導(dǎo)致了部分游離氣的逸散；喜山期，在近SN和EW向應(yīng)力場(chǎng) （印度板塊和太平洋板塊）強(qiáng)烈作用下，煤系地層褶皺加劇，發(fā)育了大量呈現(xiàn)NE－NEE走向具有走滑性的張性斷層，對(duì)以前形成的大部分游離氣藏進(jìn)行了破壞，使得游離氣進(jìn)行了第3次運(yùn)移，游離氣藏發(fā)生了嚴(yán)重調(diào)整與改造，部分游離氣藏變成殘余氣藏?？梢钥闯觯咚璧孛合档貙铀a(chǎn)生的游離氣大致發(fā)生了3次主要運(yùn)移，并且第3次運(yùn)移是破壞性的。

3.2 成藏主控因素

根據(jù)沁水盆地煤系地層游離氣的成藏條件，沁水盆地煤系地層游離氣的成藏主要受2方面控制：一是儲(chǔ)層物性，當(dāng)儲(chǔ)層物性較差時(shí)，不具備成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。參考鄂爾多斯盆地蘇里格氣田的標(biāo)準(zhǔn)，只有孔隙度大于9%、滲透率大于0.2mD的砂巖才具備成藏的儲(chǔ)層條件。二是保存條件，沁水盆地后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致沁水盆地總體保存條件較差，對(duì)已存在的古游離氣藏具有較大的破壞作用。可以看出，盡管沁水盆地儲(chǔ)層物性普遍較差，但仍有大量滿足游離氣成藏的儲(chǔ)層，并不影響游離氣的成藏。從C3t、P1s到P1－2sh都見到氣測(cè)異常，表明運(yùn)移渠道是暢通的。因此，保存條件才是沁水盆地煤系地層游離氣成藏的主控因素。通過(guò)構(gòu)造、沉積演化分析，對(duì)沁水盆地保存條件產(chǎn)生決定性影響的主要是喜山期發(fā)育的走滑斷層，當(dāng)印支、燕山期發(fā)育的巖性圈閉及背斜構(gòu)造圈閉在喜山期再發(fā)育走滑斷層時(shí)，圈閉基本被破壞，游離氣逸散。同時(shí)，游離氣在向上運(yùn)移逸散過(guò)程中，如上部通道上有合適的圈閉，也可繼續(xù)聚集成藏。

綜上所述，沁水盆地煤系地層游離氣成藏關(guān)鍵是喜山期的走滑斷層控制，只有在走滑斷層不發(fā)育或較少發(fā)育的區(qū)域，才具備有利的游離氣成藏條件。此外，當(dāng)區(qū)域蓋層厚度較大時(shí) （泥巖厚度大于40m），能降低走滑斷層對(duì)圈閉的破壞作用，具有較好的保存條件，也是游離氣的有利成藏區(qū)。

3.3 勘探有利區(qū)分析

3.3.1 游離氣成藏的優(yōu)勢(shì)層位

區(qū)內(nèi)發(fā)育了P1－2sh、P1s、C3t、奧陶系4套勘探層系，相關(guān)目的層位均見到過(guò)氣測(cè)異常。以前認(rèn)為P1s、C3t有優(yōu)質(zhì)的烴源巖和封蓋層，能夠形成良好的生儲(chǔ)蓋組合，是游離氣富集的優(yōu)勢(shì)層位。以此為依據(jù)，以中子密度重疊方法判斷儲(chǔ)層含氣性為基礎(chǔ)，優(yōu)選了鄭莊區(qū)塊含氣特征比較好的鄭試79井C3t砂巖及構(gòu)造部位有利的鄭試31井P1s砂巖進(jìn)行試氣。鄭試79井日產(chǎn)氣近500m3，日產(chǎn)水近10m3，為低產(chǎn)氣水層，鄭試31井為低產(chǎn)水層。試氣結(jié)果說(shuō)明，研究區(qū)塊儲(chǔ)層低孔、低滲、低壓，且含氣不飽滿，表明氣藏已遭到破壞，為殘余氣藏。進(jìn)一步研究認(rèn)為，是井周邊發(fā)育的新生代斷層破壞了原有的游離氣藏，導(dǎo)致游離氣散失。

通過(guò)試氣，建立了中子密度重疊評(píng)價(jià)游離氣層的新標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)新的重疊標(biāo)準(zhǔn)，重新對(duì)鄭莊區(qū)塊評(píng)價(jià)井進(jìn)行了全井段解釋，取得了一些效果。鄭莊區(qū)塊上石盒子組 （P2sh）表明儲(chǔ)層含氣的有30口井，下石盒子組 （P1sh）有8口井，P1s有6口井，C3t有7口井。結(jié)果表明，含氣層位主要集中在P2sh，并且P1s、C3t儲(chǔ)層的中子密度重疊幅度略低于P2sh。說(shuō)明游離氣聚集的優(yōu)勢(shì)層位在P2sh，這與區(qū)域P2sh儲(chǔ)層物性最好，在喜山期的調(diào)整與改造中，處于有利的成藏部位有關(guān)，與區(qū)域構(gòu)造演化具有良好的一致性。

3.3.2 有利區(qū)分析

通過(guò)綜合研究分析，盡管沁水盆地煤系地層游離氣成藏環(huán)境具有保存性差的特點(diǎn)，但并不排除局部具有保存條件好的區(qū)域。從平面上看，新生代斷層不發(fā)育，P1s泥巖厚度大的區(qū)域保存條件相對(duì)較好。該區(qū)域不僅具有較好的游離氣成藏條件，而且也是煤層氣成藏條件最好的區(qū)域，煤層物性好，單井產(chǎn)量高。例如沁水盆地成莊、潘莊地區(qū)，成莊井區(qū)日產(chǎn)氣30×104m3左右，其中日產(chǎn)氣大于10000m3的井有7口，5000～10000m3的10口，大于5000m3的井占總開井?dāng)?shù)20%，是目前華北油田沁南煤層氣田開發(fā)效益最好的井區(qū)。在該區(qū)域進(jìn)行游離氣勘探，能夠取得一定效果。

從縱向上看，盆地腹部古生界埋藏較深的區(qū)域具有較好的保存條件，有利于游離氣聚集成藏。例如沁水盆地鄭莊區(qū)塊北部及沁南區(qū)塊南部，該區(qū)塊處于盆地主體斜坡部位，目的層埋藏深，水動(dòng)力交替活動(dòng)弱，大的斷裂不發(fā)育，具有有利的游離氣保存條件。周圍鉆探結(jié)果顯示，從C3t灰?guī)r到P1s砂巖，均見到氣測(cè)異常，是下一步進(jìn)行游離氣勘探的有利區(qū)。

4 結(jié)論

1）沁水盆地煤系地層盡管游離氣資源量大，儲(chǔ)層、圈閉發(fā)育，儲(chǔ)蓋組合多，具有有利游離氣成藏條件。但后期改造活動(dòng)強(qiáng)，保存條件差，導(dǎo)致古游離氣藏遭到破壞，變成殘余氣藏。

2）構(gòu)造演化確立了新生代喜山期發(fā)育的走滑斷層成為游離氣成藏的主控因素，這些走滑斷層也是游離氣運(yùn)移和逸散通道，使得游離氣進(jìn)行了第3次運(yùn)移，最終形成現(xiàn)今的格局。

3）在勘探層系上，P2sh儲(chǔ)層物性較好，處于有利的成藏部位，值得進(jìn)一步深入研究。

4）平面上，新生代走滑斷層不發(fā)育區(qū)的巖性圈閉、低幅度背斜圈閉以及盆地腹部古生界埋深大于700m的深陷區(qū)圈閉，保存條件較好，具備有利的游離氣成藏條件，是相對(duì)有利的勘探前景區(qū)。

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