金沙向斜龍?zhí)督M“三史”模擬與煤層氣富集規(guī)律

韓明輝 楊 雪

（貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081）

0 引言

貴州省煤層氣資源豐富，主要集中在上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M。過去對煤層氣的研究主要集中在煤層賦存條件、含氣性、煤組分、物性特征及有利區(qū)優(yōu)選方面，而對于煤層成熟生烴演化歷程方面的研究則較少。上二疊統(tǒng)煤系在經(jīng)歷了多期構造運動后，地層埋藏史、受熱史和成熟演化史（簡稱“三史”）較復雜，對其具體演化經(jīng)過還沒有達到共識［1-4］。筆者以煤層最大鏡質(zhì)組反射率（Ro）數(shù)據(jù)為基礎，收集區(qū)域構造演化資料，借鑒常規(guī)天然氣“三史”分析模擬技術，以XC-1 井為例，使用Petromod 軟件對金沙向斜龍?zhí)督M煤層埋藏史、受熱史、成熟生烴史進行恢復分析，探索龍?zhí)督M成熟演化經(jīng)過和煤層氣富集規(guī)律，分析煤層氣的保存條件，以期為煤層氣開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

金沙向斜是黔北地區(qū)典型的高煤階煤層氣富集區(qū)，煤炭勘查程度較高，但煤層氣開發(fā)進程相對滯后。2014 年后貴州省煤田地質(zhì)局聯(lián)合貴州盤江煤層氣開發(fā)利用有限責任公司在金沙向斜部署地面煤層氣井，并獲得單井最高1 200 m3／d 的產(chǎn)氣量，對金沙向斜煤層氣勘探和開發(fā)具有重要意義。

1.1 概述

金沙向斜位于黔北地區(qū)，地處上揚子板塊黔中隆起北端，夾持于巖孔背斜和安底背斜之間，向斜延伸長度約50 km，軸部走向近北東—南西向，東部地層傾角較陡，西部地層傾角較緩。該向斜經(jīng)歷了印支運動、燕山運動和喜馬拉雅構造運動［5］，是黔北煤田重要的富煤單元。上二疊統(tǒng)主要的含煤地層為龍?zhí)督M，地層厚約130 m，向斜核部埋深最深超過1 500 m（圖1），主要為潮坪—潟湖相沉積，巖性以細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖、泥質(zhì)石灰?guī)r、煤為主（圖2）。上覆地層長興組巖性以燧石灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r為主，地層厚約40 m，與龍?zhí)督M整合接觸。下伏地層茅口組巖性以燧石灰?guī)r為主，與龍?zhí)督M呈假整合接觸。龍?zhí)督M含煤共15 層，其中4、5、9、13、15 號煤層為主要可采煤層，煤類以無煙煤為主。

1.2 地質(zhì)演化史

圖1 金沙向斜龍?zhí)督M埋深等值線及富集有利區(qū)圖

圖2 金沙向斜上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M綜合柱狀簡圖

中、晚二疊世之交發(fā)生東吳運動，沉積了龍?zhí)督M海陸交互相含煤碎屑巖夾碳酸鹽巖地層，假整合覆蓋于中二疊世茅口組海相碳酸鹽巖地層之上。早—中三疊世海侵加大，本區(qū)處于碳酸鹽臺地環(huán)境，沉積碳酸鹽建造，夾潮坪相陸源碎屑。晚三疊世早—中期受印支運動影響，地殼持續(xù)穩(wěn)定上升，至晚期發(fā)生大規(guī)模海退。早侏羅世至早白堊世早期主要為內(nèi)陸盆地平原河湖沉積［6］。金沙地區(qū)在早白堊世受燕山運動影響形成向斜構造。

2 “三史”模擬與模擬結果

黔北地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M地層由于受到多期次構造運動的影響，因此煤層的生烴期次和保存條件也是煤層氣富集的重要控制因素。筆者在地質(zhì)演化的基礎上采用Easy%Ro模擬技術，通過設定地層沉積年代、沉積厚度、剝蝕時間、剝蝕厚度、生烴潛力和巖性等基本地質(zhì)參數(shù)，并調(diào)整古水深、古熱流和沉積水表面溫度3個邊界條件，將鉆孔實測的地溫和Ro數(shù)據(jù)作為標定數(shù)據(jù)，調(diào)整地質(zhì)參數(shù)和邊界條件使模擬結果的地溫數(shù)據(jù)和Ro與標定數(shù)據(jù)相符合，以使模擬過程接近真實地質(zhì)歷史過程（圖3、圖4）。

圖3 XC-1井實測地溫與理論地溫關系圖

圖4 XC-1井實測Ro與理論Ro關系圖

對XC-1井龍?zhí)督M的成熟演化歷程進行模擬，揭示了煤層的主要生烴時期，從模擬結果可知，龍?zhí)督M的成熟演化主要經(jīng)歷了深成變質(zhì)、巖漿受熱和抬升冷卻3 個階段：①階段1。晚二疊世至侏羅紀末，地層自龍?zhí)督M開始沉積，上覆地層持續(xù)沉積變厚，地層主要熱源為深成變質(zhì)作用。晚三疊世末埋藏深度迅速增加至4 165 m，煤層受熱溫度達130.91 ℃，地溫梯度為3.14 ℃／100 m。在侏羅紀末煤層埋藏深度達到最大，為5 290 m（圖5），此時煤層溫度達到172.73 ℃（圖6），地溫梯度為3.26 ℃／100 m，此時煤層最大Ro達到1.75%（圖7），煤層煤級由褐煤演化至瘦煤（圖8）［7］，有機質(zhì)由未成熟階段進入成熟階段。在此階段中，距今225～145 Ma的時間內(nèi)，即在晚三疊世至侏羅紀末，煤層最大Ro為0.7%～1.8%，是煤層氣的生烴高峰期。②階段2。侏羅紀末至早白堊世末，地層受到燕山運動影響抬升受到剝蝕，地層累計剝蝕厚度達1 750 m，深成變質(zhì)作用減弱，地層主要熱源為深成變質(zhì)作用和區(qū)域巖漿作用。龍?zhí)督M地層在早白堊世中期達到最高古熱流（75～78 mW／m2），地溫為210 ℃（圖6），地溫 梯度為4.37 ℃／100 m。劉彥良等［8］也認為在燕山期時的地層溫度為200～210 ℃。煤層最大Ro演化至2.64%（圖7），煤層由瘦煤演化為無煙煤（圖8），有機質(zhì)由成熟階段進入過成熟階段，進入了生干氣階段。③階段3。早白堊世末至今，受到燕山運動和喜馬拉雅運動影響，地層埋深總體上進一步變淺，地層不斷抬升，受到剝蝕，剝蝕厚度達3 529 m，僅在古近紀和第四紀接受少量沉積，煤層在此期間隨著抬升不斷冷卻，地層溫度降至現(xiàn)今的30.91 ℃，成熟演化作用在此期間停止，煤層保持無煙煤煤級。

圖5 XC-1井“三史”綜合模擬圖

圖6 金沙向斜龍?zhí)督M地層溫度與時間關系圖

圖7 金沙向斜龍?zhí)督M煤層最大Ro與時間關系圖

圖8 煤級與Ro及氣體生成關系示意圖

已有前人對本地區(qū)地層隆升剝蝕量做過研究。羅開平等［6］63通過對本區(qū)取樣進行裂變徑跡熱史模擬認為，晚白堊世以來的隆升剝蝕量達2 800 m。鮑園等［9］對水公河向斜進行“三史”模擬分析認為，燕山期地層抬升幅度達2 720 m，喜馬拉雅期地層抬升剝蝕厚度達3 000 m。晚二疊世至侏羅紀末，隨著龍?zhí)督M上覆地層沉積變厚，煤層在正常地溫和上覆巖系靜壓力的影響下發(fā)生變質(zhì)作用，即深成變質(zhì)作用。侏羅紀末至早白堊世末，地層抬升受到剝蝕，剝蝕厚度達1 750 m，地層主要熱源為深成變質(zhì)作用和區(qū)域巖漿作用。劉進等［4］103認為燕山期的小型隱伏巖體是龍?zhí)督M局部煤變質(zhì)程度高的主要原因。陶樹等［1］19認為本區(qū)龍?zhí)督M地層的煤層在煤化作用過程中受深成變質(zhì)作用時，也受到了區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用。早白堊世末至今，地層不斷抬升，剝蝕厚度達3 529 m，煤層溫度不斷降低。本次模擬的剝蝕厚度和地質(zhì)演化過程與前人研究成果基本相符。

3 保存條件與富集規(guī)律分析

基于前述對金沙向斜龍?zhí)督M煤層的埋藏—受熱—演化—生烴過程的模擬和分析，該組煤層具有一定的生氣潛力，但經(jīng)歷了多期次的構造運動。因此，保存條件是影響煤層氣富集的重要因素。

3.1 保存條件分析

龍?zhí)督M的4、5、9、13 和15 號煤層在金沙向斜發(fā)育穩(wěn)定，單層厚度一般小于3.0 m，可采煤層總煤厚平均為10.4 m，煤層間距橫向展布較穩(wěn)定，向斜核部埋深最深超過1 500 m，金沙地區(qū)埋深可達1 000 m（圖9），展布形態(tài)總體表現(xiàn)為核部深、兩翼淺、南緩北陡的特征。

對煤層氣而言，煤系地層本身既是煤層氣的生氣層又是儲氣層，煤層附近的圍巖亦是蓋層，巖性以粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和泥灰?guī)r為主，且具有薄層、互層、巖性致密、弱含水性等特點，非均質(zhì)性強。根據(jù)XC-1井煤層頂?shù)装迦臃治鼋Y果表明，圍巖的突破壓力較大，為9.2～31.7 MPa，煤系地層自身封閉性較好。對于常規(guī)蓋層，上覆地層為長興組，與龍?zhí)督M平行整合接觸，巖性以泥質(zhì)灰?guī)r和燧石灰?guī)r為主，厚度約45 m，巖性致密，區(qū)域內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定，具有良好的蓋層條件。

圖9 金沙向斜A-B剖面示意圖（剖面位置見圖1）

構造運動造成的地層抬升和斷裂對煤層氣的保存條件具有重大影響。構造抬升導致向斜周圍龍?zhí)督M上覆蓋層剝蝕變薄甚至其自身被剝蝕裸露，不利于煤層氣保存。在向斜核部地區(qū)上覆巖層保存條件較好，有利于煤層氣的保存。斷裂可使煤層氣沿斷層逸散，降低了富集程度，不利于保存。金沙向斜西部總體為寬緩向斜，地層傾角小，構造簡單，斷層較不發(fā)育，有利于煤層氣保存。向斜東部地層傾角大，發(fā)育大型斷裂，不利于煤層氣保存。

3.2 富集規(guī)律分析

3.2.1 沉積相的時空展布控制了煤層發(fā)育程度

金沙向斜二疊紀以海相和海陸交互相為主，縱向上以龍?zhí)督M海陸交互相煤層發(fā)育最好。金沙向斜內(nèi)龍?zhí)督M發(fā)育穩(wěn)定的主要可采煤層以潟湖—泥炭沼澤亞相為主。因此龍?zhí)督M平面上以潟湖—泥炭沼澤亞相煤層發(fā)育穩(wěn)定。

3.2.2 成藏演化階段決定了煤層氣富集的關鍵時期

通過對金沙向斜煤層氣富集過程的分析，結合保存條件的綜合研究，金沙向斜煤層氣的成藏經(jīng)歷了以下3 個階段：①沉積深成變質(zhì)快速生氣期。晚二疊世至侏羅紀末，龍?zhí)督M自沉積開始，地層埋深快速增加，煤層主要熱源為深成變質(zhì)作用，Ro演化至1.75%～1.80%，煤級演化至瘦煤，此階段后期快速大量生氣。②抬升巖漿受熱持續(xù)生氣期。侏羅紀末至早白堊世末，地層開始抬升，埋深逐漸變淺，主要熱源為區(qū)域巖漿作用，Ro演化至2.60%～2.64%，煤級演化至無煙煤，此階段煤層持續(xù)生氣，儲層未被巖漿破壞。③抬升定型保存期。早白堊世末至今，地層繼續(xù)抬升，埋深變淺，煤層溫度降低，停止演化，生氣作用停止。沉積深成變質(zhì)快速生氣期和抬升巖漿受熱持續(xù)生氣期是煤層氣富集的關鍵時期。

3.2.3 動態(tài)保存條件是煤層氣后期保存的關鍵

晚三疊世至侏羅紀末，煤層埋深變深，受深成變質(zhì)作用演化至瘦煤，是生氣高峰期。此階段上覆巖層變厚，斷裂不發(fā)育，保存條件好。侏羅紀末至早白堊世末，煤層埋深變淺，但受區(qū)域巖漿作用繼續(xù)演化至無煙煤，持續(xù)生氣。此時，儲層未被巖漿破壞，上覆巖層雖被剝蝕但仍較厚，處于一個富集程度較高的階段。早白堊世末至今，受燕山運動和喜馬拉雅運動影響，煤層持續(xù)變淺，溫度降低，演化和生氣停止，煤層氣藏的保存條件主要受此階段影響。向斜邊緣地區(qū)蓋層被剝蝕變薄甚至煤層出露，致使煤層氣逸散。向斜南翼東部發(fā)育斷裂，不利于煤層氣保存。

3.2.4 構造樣式?jīng)Q定煤層氣富集規(guī)模

向斜構造比背斜構造更有利于煤層氣富集。向斜核部一般煤層埋藏較深，具有天然維持地層壓力的機制，向斜核部一般斷裂、裂隙不發(fā)育，水動力影響弱［10］。背斜核部一般斷裂、裂隙發(fā)育，且埋深相對較淺，不利于煤層氣保存。向斜構造中的平緩構造帶比高陡構造帶更有利于煤層氣賦存。向斜兩翼地層傾角越大，張性斷裂易發(fā)育，不利于煤層氣保存。反之，向斜兩翼地層傾角越緩，張性斷裂不易發(fā)育，有利于煤層氣保存［11］。

3.3 煤層氣富集有利區(qū)優(yōu)選

根據(jù)富集過程、保存條件和富集規(guī)律的綜合分析，優(yōu)選出金沙向斜的煤層氣富集有利區(qū)（圖1）。金沙—安洛—禹謨Ⅰ類富集有利區(qū)位于金沙向斜西部，構造形態(tài)寬緩，構造簡單，斷層發(fā)育少，煤層發(fā)育穩(wěn)定，上覆蓋層長興組、夜郎組厚度大，封閉性好，生烴過程富集條件好，生烴后保存條件好。遵義—楓香Ⅱ類富集區(qū)位于金沙向斜東部北翼和核部，為一條帶狀，地層傾角大，周邊發(fā)育斷層，煤層發(fā)育穩(wěn)定，上覆蓋層長興組和夜郎組地層未被剝蝕破壞，保存良好，生烴過程富集條件較好，生烴后保存條件較好。

4 結論

1）金沙向斜的煤層埋藏—受熱—演化—生烴史主要劃分為3個階段，可簡述為受到深成變質(zhì)作用開始煤化至瘦煤，后疊加巖漿熱變質(zhì)作用演化至無煙煤，最后抬升冷卻的過程。在早白堊世中期，地層達到最高溫度（210 ℃）。距今225～145 Ma 是煤層氣生烴高峰期。

2）從龍?zhí)督M的煤層展布情況、蓋層條件和構造運動影響分析，認為金沙向斜整體保存條件較好。

3）金沙向斜煤層氣的成藏經(jīng)歷了沉積深成變質(zhì)快速生氣期、抬升巖漿受熱持續(xù)生氣期、抬升定型保存期3個階段的演化過程，其中沉積深成變質(zhì)快速生氣期為煤層氣富集的主要階段。

4）沉積相以海陸交互相龍?zhí)督M的潟湖—泥炭沼澤亞相煤層發(fā)育最穩(wěn)定。沉積深成變質(zhì)快速生氣期和抬升巖漿受熱持續(xù)生氣期是煤層氣富集的關鍵時期。抬升定型保存期決定了煤層氣的最終保存條件。向斜構造中的平緩構造帶更有利于煤層氣保存。

5）根據(jù)金沙向斜龍?zhí)督M煤層氣富集過程、保存條件和富集規(guī)律的綜合分析，優(yōu)選了金沙向斜煤層氣的富集有利區(qū)。