殷亮亮, 郭少斌*

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院,北京 100083；2.頁巖氣勘查與評(píng)價(jià)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

沁水盆地下二疊統(tǒng)廣泛發(fā)育煤系地層,含有豐富的天然氣資源,包括煤層氣、頁巖氣和致密氣[1-4]。前人關(guān)于沁水盆地的煤層氣和頁巖氣已做過大量的研究[5-7]。近年來,隨著沁水盆地煤層氣勘探進(jìn)程的深入,在沁水盆地下二疊統(tǒng)多套致密砂巖中見到良好的氣測(cè)顯示,這引起了中國(guó)學(xué)者對(duì)沁水盆地致密氣勘探潛力的重視[8-10]。當(dāng)前,前人關(guān)于沁水盆地致密氣的研究,大多是采用類比分析的方法,定性地評(píng)價(jià)沁水盆地致密氣的勘探潛力,很少有學(xué)者定量地評(píng)價(jià)沁水盆地致密氣的成藏條件。同時(shí),對(duì)于已經(jīng)成功勘探的許多大型致密氣田,之前的研究也只是籠統(tǒng)地認(rèn)為煤系是氣源巖[11-14],但煤系氣源巖包括泥巖和煤巖,究竟誰是主力氣源巖,這個(gè)問題卻很少有人提及,而這將直接影響致密氣的勘探選區(qū)工作[15]。

以沁水盆地下二疊統(tǒng)山西組為研究對(duì)象,在綜合分析山西組泥巖和煤巖的發(fā)育特征及地球化學(xué)特征的基礎(chǔ)上,定量計(jì)算了泥巖和煤巖的生、排烴量；利用稀有氣體He、Ar同位素測(cè)量結(jié)果,估算泥巖和煤巖生成的天然氣對(duì)致密氣資源的貢獻(xiàn)率,確定致密氣的主力氣源巖,計(jì)算致密氣的資源量；最后,根據(jù)盆地的埋藏-熱演化史,結(jié)合流體包裹體資料,確定致密氣的成藏期次及成藏時(shí)間。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地位于華北地臺(tái)的中部,與鄂爾多斯盆地相鄰,如圖1(a)所示[9,16]。在中生代以前,華北地臺(tái)處于構(gòu)造穩(wěn)定階段,沁水盆地與鄂爾多斯盆地同為華北地臺(tái)的一部分,兩者經(jīng)歷了相同的構(gòu)造演化階段,具有相似的沉積背景,發(fā)育相似的地層,在中-晚元古界變質(zhì)巖基底的基礎(chǔ)上,自下而上依次沉積了寒武系、奧陶系、石炭系和二疊系,如圖1(b)所示。同時(shí),受區(qū)域構(gòu)造沉積背景的控制,沁水盆地在早二疊世處于海陸變遷階段,廣泛發(fā)育近海的含煤沉積體系[17]。

沁水盆地整體具有為近南北向的復(fù)向斜結(jié)構(gòu)，盆地四周均為隆起所包圍,其中北部為五臺(tái)山隆起,南部為中條山隆起,東部為太行山隆起,西部為呂梁隆起和霍山凸起,如圖1(c)所示。沁水盆地下二疊統(tǒng)自下而上發(fā)育太原組、山西組和下石盒子組,以潮坪、碳酸鹽巖臺(tái)地、沼澤和三角洲沉積為主(圖2)。山西組以三角洲前緣和沼澤沉積為主,地層垂向上表現(xiàn)為砂巖、泥巖和煤巖成薄互層疊置的特征,發(fā)育多套生儲(chǔ)蓋組合,具有良好的致密氣成藏條件。

圖1 沁水盆地基礎(chǔ)地質(zhì)特征Fig.1 The basic geological characteristics of Qinshui Basin

圖2 沁水盆地下二疊統(tǒng)地層綜合柱狀圖Fig.2 The stratigraphic column of the Lower Permian in Qinshui Basin

2 烴源巖特征

2.1 烴源巖發(fā)育特征

沁水盆地山西組廣泛發(fā)育煤系地層,為致密氣的成藏提供了良好的烴源巖條件。山西組泥巖的厚度為10～70 m,在盆地的中部和東南部,厚度較大,普遍大于50 m,最大可達(dá)70 m；而在盆地的北部和西南部,泥巖的厚度較小,一般小于30 m(圖3)。山西組發(fā)育多套煤層,其中以3號(hào)煤為主,全區(qū)分布穩(wěn)定。煤巖的厚度介于1～8 m,在盆地的東部,煤巖厚度較大,普遍大于5 m,特別是在盆地的東南部,煤巖的最大厚度可達(dá)8 m(圖4)。

圖3 山西組泥巖厚度平面分布Fig.3 The planar graph of shale thickness of Shanxi Formation

圖4 山西組煤巖厚度平面分布Fig.4 The planar graph of coal thickness of shanxi Formation

2.2 烴源巖地球化學(xué)特征

沁水盆地山西組烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)如表1所示。山西組泥巖的總有機(jī)碳(total organic carbon, TOC)介于0.67%～16.48%,平均值為3.06%；熱解生烴潛量(S1+S2)介于0.031～0.361 mg/g,平均值為0.476 mg/g。山西組煤巖的TOC介于37.59%～82.42%,平均值為67.43%。泥巖和煤巖干酪根的顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主,兩者的總含量基本在80%以上(圖5)。前人基于元素分析法、碳同位素方法和熱解方法,明確了沁水盆地煤系烴源巖以Ⅲ型干酪根為主[18-19]。泥巖和煤巖的顯微組成及干酪根類型決定其以生氣為主[20]。泥巖的Ro介于1.32%～3.21%,平均為2.23%；煤巖的Ro介于1.15%～4.35%,平均值為2.4%。綜上所述,沁水盆地山西組泥巖和煤巖的TOC較高,干酪根以Ⅲ型為主,處于高-過成熟演化階段,生氣潛力巨大。

表1 沁水盆地山西組烴源巖地球化學(xué)特征Table 1 Geochemical characteristics of source rocks in Shanxi Formation, Qinshui Basin

圖5 山西組泥巖和煤巖有機(jī)質(zhì)的顯微組成Fig.5 Maceral composition of source rocks of Shanxi Formation

2.3 烴源巖生、排烴特征

2.3.1 烴源巖生、排烴模型

為了分析沁水盆地山西組烴源巖的生、排烴特征,此次研究采用生烴潛力法來定量計(jì)算烴源巖的生、排烴量和排烴效率。Pang等[21]、龐雄奇等[22]將巖石熱解參數(shù)S1、S2之和與TOC的比值[(S1+S2)/TOC]定義為生烴潛力指數(shù),可用于表征烴源巖的生烴潛力。當(dāng)生烴潛力指數(shù)開始減小時(shí),烴源巖有烴類排出,與之對(duì)應(yīng)的地質(zhì)條件(深度或成熟度)被稱為排烴門限,如圖6所示。當(dāng)烴源巖沒有烴類排出時(shí),此時(shí)的生烴潛力指數(shù)被稱為原始生烴潛力指數(shù); 當(dāng)烴源巖的地質(zhì)條件達(dá)到排烴門限時(shí),由于烴類的排出,此時(shí)的生烴潛力指數(shù)被稱為殘留生烴潛力指數(shù),小于烴源巖的原始生烴潛力指數(shù),兩者之間的差異則為烴源巖的排烴潛力指數(shù)。然而,巖石熱解實(shí)驗(yàn)只能得到烴源巖的殘留生烴潛力指數(shù),而不是原始生烴潛力指數(shù)。因此,為了評(píng)價(jià)烴源巖的生烴潛力,首先應(yīng)該恢復(fù)出烴源巖的原始生烴潛力指數(shù)。具體的恢復(fù)方法如下所示[23]:

圖6 烴源巖生、排烴概念模型[21]Fig.6 Hydrocarbon generation and expulsion conceptual model[21]

Hgp(Ro)o=μHgp(Ro)r(1)

式中：Hgp(Ro)r為殘留生烴潛力指數(shù),mgHC/g(TOC);Hgp(Ro)o為原始生烴潛力指數(shù),mgHC/g(TOC);μ為恢復(fù)系數(shù)；Hgp(Ro)°為排烴門限處對(duì)應(yīng)的生烴潛力指數(shù),mgHC/(gTOC)。

根據(jù)物質(zhì)平衡原理,在得到烴源巖的原始生烴潛力指數(shù)和殘留生烴潛力指數(shù)后,利用式(3)可得到排烴潛力指數(shù):

Hep(Ro)=Hgp(Ro)o-Hgp(Ro)r(3)

式(3)中：Hep(Ro)為排烴潛力指數(shù),mgHC/g(TOC),代表單位有機(jī)碳的排烴量。

根據(jù)生、排烴潛力指數(shù)以及研究區(qū)的地質(zhì)參數(shù),可計(jì)算研究區(qū)烴源巖的生烴量和排烴量:

式中：Ihg為生烴強(qiáng)度,t/km2；Ihe為排烴強(qiáng)度,t/km2；Qg為生烴量,t；Qe為排烴量,t；Ro1和Ro2分別為生烴門限和排烴門限,%；h為烴源巖厚度,m；ρ為烴源巖的密度,g/cm3；TOC為總有機(jī)碳含量,%；S(n)為烴源巖面積,km2；n為網(wǎng)絡(luò)數(shù)目。

2.3.2 烴源巖生、排烴量

建立了山西組泥巖的生烴潛力指數(shù)剖面,如圖7(a)所示。此次研究以0.5% (Ro)作為泥巖的生烴門限[24-25],并根據(jù)排烴門限的定義,確定了泥巖的排烴門限在1.9%(Ro)。恢復(fù)的原始生烴潛力指數(shù)和計(jì)算的排烴潛力指數(shù),如圖7(b)所示。泥巖的最大生烴強(qiáng)度為50.5×104t/km2,生烴中心位于沁水盆地的中-東部；泥巖的最大排烴強(qiáng)度為25.5×104t/km2,排烴中心位于沁水盆地的中部和東南部。泥巖的生、排烴量分別為91.18×108t (11.44×1012m3)和25.26×108t (3.17×1012m3),綜合排烴效率為27.71%。

圖7 山西組泥巖的生、排烴模型Fig.7 Operational model for the quantification of hydrocarbon generation and expulsion of shale in Shanxi Formation

段毅等[26]利用生烴動(dòng)力學(xué)理論恢復(fù)了沁水盆地山西組煤巖的甲烷生氣史,得到煤巖的甲烷累積產(chǎn)率為156 mL/gTOC。利用該值,根據(jù)式(8),估算出山西組煤巖的累積產(chǎn)氣量為39.33×1012m3。

式(8)中：Qg為煤巖的生氣量,m3；V為煤巖的甲烷累積產(chǎn)率,mL/(gTOC)；h為煤巖的厚度,m；ρ為煤巖的密度,g/cm3；TOC為煤巖的總有機(jī)碳含量, %；S(n)為煤巖面積,km2；n為網(wǎng)格數(shù)目。

根據(jù)前人提出的生排烴概念模型與煤巖的甲烷生氣史,將其應(yīng)用于沁水盆地煤系烴源巖的生烴量估算,定量計(jì)算了山西組泥巖和煤巖的生氣量。綜合煤系烴源巖的地球化學(xué)特征以及生烴量計(jì)算,從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度,均證明了沁水盆地山西組泥巖和煤巖的生氣潛力巨大。

3 儲(chǔ)層特征

山西組砂巖的厚度介于10～45 m,具有全盆分布的特征,如圖8所示。在盆地的西南部和北部,砂巖厚度較大,最大可達(dá)45 m；而在盆地的中部和東南部,砂巖厚度較小,一般小于30 m。山西組砂巖的孔隙度介于0.18%～4.7%,平均值為2.7%,滲透率介于0.007～0.104 mD,平均值為0.024 mD,為典型的致密儲(chǔ)層。

圖8 山西組砂巖厚度平面分布Fig.8 The planar graph of sandstone thickness of Shanxi Formation

4 致密氣成藏特征

4.1 致密氣主力氣源巖

前文已經(jīng)表明沁水盆地山西組泥巖和煤巖均具有較大的生氣能力,都可作為致密氣的氣源巖。然而,對(duì)于致密氣的主力氣源巖是泥巖還是煤巖這一問題,前人的研究很少涉及。稀有氣體以其較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性,可用于天然氣的氣源對(duì)比,定量評(píng)價(jià)不同氣源巖在天然氣成藏中所發(fā)揮的作用[15,27]。

砂巖樣品中稀有氣體的測(cè)量結(jié)果如表2所示。3He/4He比值(R)為1.01×10-7,Ra代表大氣氦的3He/4He比值,為1.4×10-6[28]。Lupton[28]的研究認(rèn)為,典型地殼來源He的R/Ra介于0.01～0.1；地幔來源He的R/Ra大于0.1。由于砂巖樣品中的R/Ra為0.072,小于0.1,所以推斷砂巖樣品中的He是典型地殼成因的,即是由地殼中的放射性元素Th和U衰變所產(chǎn)生的。據(jù)此可以認(rèn)為,沁水盆地不存在深大斷裂且?guī)r漿作用比較微弱,不受幔源稀有氣體的污染。因此推斷砂巖樣品中的Ar也是典型地殼成因的。

表2 砂巖樣品中的He、Ar同位素比值Table 2 The isotope ratios of He and Ar from sandstone sample

劉文匯等[29]根據(jù)中國(guó)主要含油氣盆地泥巖生成的天然氣中40Ar/36Ar比值,建立了40Ar/36Ar比值與地質(zhì)年代之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中表明二疊紀(jì)泥巖生成的天然氣中40Ar/36Ar比值的平均值為894。即以該值(894)作為沁水盆地山西組泥巖生成的天然氣中的40Ar/36Ar比值。張殿偉等[15]在分析40Ar的成因機(jī)理后,認(rèn)為同一年代地層內(nèi)不同氣源巖生成的天然氣中的40Ar/36Ar比值與氣源巖中的K含量成正比例線性關(guān)系。根據(jù)上述研究成果,得到沁水盆地山西組泥巖和煤巖生成的天然氣中的40Ar/36Ar比值分別為894、335.4。砂巖樣品的40Ar/36Ar比值為727,按照二端元混合模型,計(jì)算出泥巖和煤巖中的Ar對(duì)砂巖樣品中Ar的貢獻(xiàn)率分別為70.1%、29.9%。由于稀有氣體是與有機(jī)質(zhì)生成的天然氣一起進(jìn)入天然氣藏中[30-31],因此可以認(rèn)為泥巖和煤巖生成的天然氣對(duì)致密氣的貢獻(xiàn)率分別為70.1%、29.9%。

因此,認(rèn)為沁水盆地山西組致密氣的主力氣源巖是泥巖,煤巖對(duì)致密氣的貢獻(xiàn)率較小,不足泥巖貢獻(xiàn)率的1/2。盡管生烴量計(jì)算結(jié)果表明煤巖比泥巖有更大的生烴能力,但是由于煤巖的TOC含量高,導(dǎo)致其對(duì)天然氣有很強(qiáng)的吸附性,天然氣不易排出。泥巖的TOC遠(yuǎn)小于煤巖,其對(duì)天然氣的吸附性較弱,生成的天然氣可以相對(duì)容易地排出并聚集在致密砂巖中。該認(rèn)識(shí)將有助于中國(guó)的致密氣的勘探選區(qū),在評(píng)價(jià)致密氣的氣源巖時(shí),應(yīng)以煤系泥巖作為重點(diǎn)對(duì)象來研究。

4.2 致密氣成藏時(shí)間

沁水盆地下二疊統(tǒng)的埋藏-熱演化史可以分為4個(gè)階段[32-34](圖9):第一階段從二疊紀(jì)到三疊紀(jì)末期,地層剛開始緩慢沉降,之后快速埋藏,地層的最大埋深達(dá)到4 000 m；該階段為正常的古地溫場(chǎng),古地溫梯度為2～3 ℃/100 m,地層的最大古地溫達(dá)到140～150 ℃。第二階段處于早-中侏羅世,該階段受早期燕山運(yùn)動(dòng)的影響,地層剛開始緩慢上升,之后又緩慢下降,古地溫也處于波動(dòng)狀態(tài)。第三階段處于晚侏羅世-早白堊世,該階段地層緩慢上升,但受燕山中期巖漿作用的影響,古地溫梯度高達(dá)6 ℃/100 m,地層的古溫度達(dá)到160～260 ℃。第四階段從晚白堊世到第四紀(jì),受晚期燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響,地層持續(xù)上升遭受剝蝕,古地溫梯度不斷減小,恢復(fù)到正常古地溫梯度2～3 ℃/100 m。

圖9 沁水盆地下二疊統(tǒng)的埋藏-熱演化史曲線Fig.9 Burial-thermal history of the lower Permianin Qinshui Basin

根據(jù)山西組砂巖樣品的流體包裹體均一溫度統(tǒng)計(jì)直方圖(圖10),可將均一溫度劃分為3個(gè)階段,分別為80～110 ℃、110～140 ℃和140～170 ℃,且這3個(gè)階段對(duì)應(yīng)的峰值溫度分別為90～100 ℃、120～130 ℃和150～160 ℃。由于流體包裹體均一溫度可代表天然氣被捕獲時(shí)的古地層溫度,將其投影到盆地的埋藏-熱演化曲線上(五角星),可以得到天然氣的成藏時(shí)間和成藏期次。均一溫度的前兩個(gè)峰值溫度對(duì)應(yīng)的地質(zhì)年代為中-晚三疊世。該階段為正常的古地溫場(chǎng),有機(jī)質(zhì)受深成變質(zhì)作用的控制,Ro從0.5%不斷增大到1.3%,有機(jī)質(zhì)處于連續(xù)的生氣過程,生成的天然氣不斷運(yùn)移并聚集在致密砂巖中。均一溫度的第3個(gè)峰值溫度對(duì)應(yīng)的地質(zhì)年代為晚侏羅世,該階段有機(jī)質(zhì)受燕山中期巖漿作用的控制,地層的古溫度達(dá)到160～260 ℃。有機(jī)質(zhì)的熱成熟度快速增大,Ro最大達(dá)到4.2%,有機(jī)質(zhì)大量生成天然氣,并不斷充注到致密砂巖中。該階段是有機(jī)質(zhì)的主力生氣階段,同時(shí)也是致密氣的主要成藏時(shí)期。

圖10 流體包裹體均一溫度統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.10 The histogram of homogenization temperatures

4.3 致密氣資源量

山西組泥巖、煤巖和砂巖具有薄互層疊置、全盆分布的特征,且泥巖和煤巖的生氣能力較強(qiáng),都可向致密砂巖供氣。另外,泥巖的脆性礦物含量較高,煤巖的塑性較強(qiáng),還發(fā)育割理系統(tǒng),兩者在構(gòu)造應(yīng)力作用下易于形成微裂縫。一旦裂縫網(wǎng)絡(luò)形成,在泥巖和煤巖雙氣源巖的控制下及山西組頂部厚層泥巖的封蓋下,兩者生成的天然氣經(jīng)過短距離的運(yùn)移即可在致密砂巖中聚集,形成致密氣藏,如圖11所示。

圖11 沁水盆地山西組致密氣成藏模式Fig.11 Accumulation model of tight gas in Shanxi Formation, Qinshui Basin

由此可見,沁水盆地山西組致密氣的成藏條件優(yōu)越,有利于形成致密氣藏。前文計(jì)算出泥巖排出的天然氣量為3.17×1012m3,如果按照天然氣的聚集系數(shù)為3%,那么泥巖排出并最終聚集在致密砂巖中的天然氣量為0.095×1012m3。由于泥巖和煤巖生成的天然氣對(duì)致密氣的貢獻(xiàn)率分別為70.1%、29.9%,那么煤巖排出并最終聚集在致密砂巖中的天然氣量為0.041×1012m3。因此,沁水盆地山西組致密氣的資源量為0.14×1012m3。假設(shè)煤巖排出天然氣的聚集系數(shù)也為3%,那么煤巖排出的天然氣量即為1.37×1012m3,進(jìn)而可以得到煤巖的綜合排烴效率為3.5%,如表3所示。表3也同時(shí)表明,沁水盆地山西組泥巖和煤巖中還含有大量的殘留氣,可形成豐富的頁巖氣和煤層氣資源。

表3 山西組烴源巖的生、排烴特征Table 3 The hydrocarbon generation and expulsion characteristics of source rocks in Shanxi Formation

5 結(jié)論

(1)沁水盆地山西組泥巖和煤巖的TOC較高,平均值分別為3.06%、67.43%；泥巖和煤巖的有機(jī)質(zhì)為Ⅲ型干酪根,Ro普遍大于2%,處于高-過成熟階段,生氣潛力巨大。泥巖和煤巖具有厚度大、分布廣的特點(diǎn),與致密砂巖成薄互層疊置分布,有利于致密氣的生成、運(yùn)移和聚集。

(2)稀有氣體Ar同位素比值表明泥巖和煤巖生成的天然氣對(duì)致密氣的貢獻(xiàn)率分別為70.1%和 29.9%,泥巖是致密氣的主力氣源巖。泥巖和煤巖的生氣量分別為11.44×1012、39.33×1012m3,綜合排氣效率分別為27.71%、3.5%,山西組致密氣的資源量為0.14×1012m3。

(3)山西組致密氣具有2期充注特征。在中-晚三疊世,烴源巖受深成變質(zhì)作用的控制,有機(jī)質(zhì)緩慢生氣充注到致密砂巖中；到晚侏羅世-早白堊世,烴源巖受燕山中期巖漿作用的控制,有機(jī)質(zhì)熱成熟度快速增大,生成大量的天然氣并快速充注到致密砂巖中,是致密氣的主要成藏時(shí)期。

(4)定量評(píng)價(jià)了沁水盆地山西組致密氣的成藏地質(zhì)條件,充分肯定了山西組致密氣的勘探潛力。另外,首次應(yīng)用稀有氣體確定了煤系地層中致密氣的主力氣源巖,并同時(shí)計(jì)算了不同氣源巖對(duì)致密氣資源量的貢獻(xiàn)率,定量評(píng)價(jià)了不同氣源巖在致密氣成藏中所發(fā)揮的作用,對(duì)致密氣的評(píng)價(jià)選區(qū)具有重要的指導(dǎo)意義。