河北省邯邢地區(qū)煤系氣成藏特征及其共生組合模式

張啟賢， 李 澎， 牛 飛， 李學文， 楊 彪， 閆海渠

(1.河北省煤田地質局， 石家莊 050085； 2.河北省煤田地質勘查院， 邢臺 054000； 3.河北省煤田地質局水文地質隊, 邯鄲 056000)

煤系非常規(guī)天然氣也稱煤系綜合氣，是煤系中煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣的總稱，其成因上具有同源共生的特點[1-3]。近年來，隨著世界能源結構的調(diào)整和能源消費中的環(huán)保要求，中國逐步加大非常規(guī)天然氣的勘探和開發(fā)，煤層氣、頁巖氣等相繼取得一定成果，但對煤系“三氣”的勘探和開發(fā)仍處于起步階段，尚未實現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；_發(fā)[4-6]。目前針對煤系氣的研究仍以煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣獨立研究為主，煤層氣研究以成因機理、成藏類型和儲層特征為主[7-8]；頁巖氣研究以儲層類型、儲層改造和資源評價為主[9-12]；致密砂巖氣以儲層特征、氣藏條件、儲層改造為主[13]。而將煤系氣作為一個整體研究相對較少，曹代勇[14]等通過鄂爾多斯盆地西緣煤系氣共生組合研究，確定了3種煤系氣共生組合模式；鐘建華[15]等通過鄂爾多斯盆地東緣臨興地區(qū)煤系氣共生成藏特征研究，確定了4種煤系氣共生組合模式，沉積作用和成巖作用均對煤系氣成藏具有明顯的影響；朱炎銘[16]等基于共生調(diào)節(jié)機制和空間疊置關系，將煤系氣源儲組合分為遠源型、自源型和自源+他源型3種類型。因此，地區(qū)分布、沉積環(huán)境、構造作用以及組合條件的差異導致煤系氣成藏特征和組合模式的差異。

圖1 研究區(qū)構造位置及煤系柱狀圖Fig.1 The tectonic location and coal measures histogram

河北省邯邢地區(qū)煤系具有巖性多樣、沉積相變快和互層頻繁的特點，煤系地層分布范圍廣、厚度大，煤系氣資源豐富，其內(nèi)部發(fā)育的煤層、泥巖、致密砂巖和灰?guī)r往往能夠組合起來，形成多種組合模式，構成不同的含氣系統(tǒng)，顯示了巨大的煤系氣資源潛力。迄今為止，中外學者對邯邢地區(qū)研究主要以單一氣勘探開發(fā)為主，煤系氣研究較少，優(yōu)選煤系氣有利區(qū)的工作尚未開展。故在前人研究基礎上，綜合中外最新的研究成果，對邯邢地區(qū)煤系氣成藏特征及其組合關系開展研究。不僅有助于煤炭資源的綜合利用和利益最大化，而且將有利于緩解中國天然氣資源緊缺現(xiàn)狀，對于指導中國類似井田煤系氣成藏評價具有重要的現(xiàn)實意義，因此針對該地區(qū)煤系氣成藏特征及組合模式開展具有重要的意義。

1 地質概況

1.1 構造

邯邢地區(qū)處于中朝準地臺(Ⅰ級)上的山西斷隆和華北斷拗兩個Ⅱ級構造單元，Ⅲ級構造單元分屬太行山拱斷束(Ⅲ211)和臨清臺陷(Ⅲ216)。受擴張作用與斷裂活動影響，區(qū)內(nèi)構造發(fā)育、形態(tài)復雜、縱橫交錯。Ⅳ級構造單元多呈NE向展布，規(guī)模不一，凸凹相間排列，Ⅳ級構造單元的分布控制著本區(qū)蓋層厚度分布[17](圖1)。

1.2 地層

邯邢地區(qū)地表完全為第四系覆蓋，基巖多出露在西部山區(qū)和丘陵地區(qū)的沖溝內(nèi)，主要發(fā)育寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和第四系地層[18-19]。其中石炭系本溪組、太原組和二疊系山西組為主要的含煤地層，屬海陸交互相含煤沉積建造，共含煤8～16層，煤層總厚10.3～18.67 m(圖1)。

2 含煤地層展布特征

太原組全區(qū)分布，與下伏本溪組整合接觸，含煤5～15層，可采6層，平均煤厚2～10 m，是邯邢地區(qū)主要含煤地層之一，厚度50～150 m，平均厚度100 m，可分為上下兩段。上段以山青灰?guī)r頂部為下界，巖性主要為灰黑色或深灰色細砂巖、粉砂巖夾灰?guī)r；下段底部與本溪組接觸，以山青灰?guī)r底部為上界，巖性主要為深灰色或灰黑色粉砂巖、中細砂巖和泥巖夾6～8層薄層海相灰?guī)r。山西組與太原組整合接觸，含煤3～6層，平均煤厚1～5 m，地層厚度50～95 m，平均厚度60 m，其中2號煤為全區(qū)主要開采煤層，厚度3～8 m。

研究區(qū)內(nèi)太原組和山西組巖性以灰色或灰黑色粉-細砂巖、黑色泥巖和煤為主，其中砂巖厚度由四周向中部逐漸減薄，東部最大累計厚度可達 135 m(圖2)；泥頁巖厚度由南北向中部逐漸增厚，東部最大累計厚度可達81 m(圖3)。

圖2 太原組-山西組砂巖累計厚度等值線圖Fig.2 Cumulative thickness isoline map of sandstone in Taiyuan-Shanxi Formation

圖3 太原組-山西組泥頁巖累計厚度等值線圖Fig.3 Cumulative thickness isoline map of mud shale in Taiyuan-Shanxi Formation

研究區(qū)內(nèi)灰?guī)r自上而下為野青、山青、伏青、小青、大青灰?guī)r，分別構成煤層的直、間接頂板，厚度分布較穩(wěn)定，由東北向西南逐漸增厚，最大累計厚度可達42 m(圖4)。

圖4 太原組-山西組灰?guī)r累計厚度等值線圖Fig.4 Cumulative thickness isoline map of limestone in Taiyuan-Shanxi Formation

1號煤層位于山西組下部，厚度0.30～3.32 m，平均厚度1.25 m，頂板巖性以粉砂巖、泥巖為主，底板巖性為富含植物根部化石的粉砂巖；2號煤層位于山西組下部，厚度0.80～7.71 m，平均厚度 3.53 m，為中厚-厚煤層，煤層結構簡單，頂?shù)装鍘r性多為粉砂巖、泥巖等；4號煤層的頂板為野青灰?guī)r，厚度0.30～3.21 m，平均1.98 m；6號煤層位于太原組中部，煤層厚度0.35～4.77 m，平均0.92 m，為薄煤層，結構簡單，局部可采，頂板為山青灰?guī)r，底板為伏青灰?guī)r；7號煤層厚度1.06～3.80 m，平均2.12 m，頂板為小青灰?guī)r，底板為細砂巖或粉砂巖；8號煤層位于太原組底部，煤層厚度0.30～1.89 m，平均厚度0.98 m，頂板為大青灰?guī)r，底板為粉砂巖或泥巖；9號煤層為太原組主要可采煤層，位于太原組底部，煤厚0.67～3.64 m，平均2.37 m，頂板巖性為泥巖、粉砂巖，底板巖性為粉砂巖且含植物化石，區(qū)內(nèi)煤層厚度由中部向兩側逐漸減薄，最大累計厚度可達15 m(圖5)。

圖5 太原組-山西組煤層累計厚度等值線圖Fig.5 Cumulative thickness isoline map of coal seam in Taiyuan-Shanxi Formation

3 煤系氣生儲蓋特征

3.1 烴源巖特征

邯邢地區(qū)主要可采煤層1、2、4、6、7、8、9號煤具有較高的有機碳(totalorganic carbon,TOC)含量，一般為60%～90%；泥頁巖TOC含量差異較大，煤層段附近泥頁巖厚度大，TOC含量1.5%～9%，平均為3. 5%，其中大于2%的泥頁巖樣品達到50%(圖6)，遠離煤層附近泥頁巖厚度較小，TOC含量平均為1. 01%，其中小于1%的泥頁巖樣品60%。

圖6 泥頁巖TOC含量分布直方圖(N=37)Fig.6 Histogram of TOC content distribution in mud shale (N=37)

烴源巖的成熟度決定其生烴能力，在一定范圍內(nèi)，埋藏深度越大，受火山活動越明顯，烴源巖成熟度就越高，生烴能力就越強[14-16]。通過對研究區(qū)202.96～1550.65 m深度之間采取的37個泥頁巖樣和25個煤巖樣進行最大鏡質體反射率(Rmax)測試，得出泥頁巖Rmax位于0.61%～1.91%，平均值為1.18%；煤的Rmax位于0.73%～2.85%，平均值為1.9%，二者均處于成熟-高成熟生氣階段，為優(yōu)質烴源巖。

通過對25個煤巖樣品顯微組分分析，得出鏡質組含量59.3%～91%，平均值74.12%，惰質組含量6.5%～36.35%，平均值21.33%，殼質組含量1.8%～5.71%，平均值3.56%[圖7(a)]；泥頁巖中鏡質組含量29.13%～81.5%，平均值61.32%，惰質組含量11.5%～61.65%，平均值33.53%，殼質組含量0.8%～9.71%，平均值4.16%，有機質類型以III型干酪根為主，有利于煤系氣生成[圖7(b)]。

綜上，含煤層及其附近的厚層泥頁巖有機質豐度較高，生烴能力較好，為煤系氣主要的烴源巖。

圖7 煤樣顯微組分鏡下圖片F(xiàn)ig.7 Microscopic image of coal samples

3.2 儲層特征

3.2.1 物性特征

儲層孔隙度和滲透率決定其儲集能力的大小，一般孔隙度越高，滲透性越好，儲集能力就越強，反之就越弱[4-6]。研究區(qū)泥頁巖孔隙類型以有機質孔隙和微裂縫為主，孔隙度位于1.07%～8.14%，平均值3.11%，總孔隙面積位于0.56～11.28 m2/g，平均值5.17 m2/g；滲透率平均值為0.036 mD，滲透率極低；煤孔徑分布兩級分化，以微、小孔隙為主，占總孔隙的52.67%，孔隙度位于3.14%～10.42%，平均值5.25%(圖8、圖9)；滲透率位于0.025～0.058 mD，平均值為0.038 mD；致密砂巖孔隙度為1.5%～12.4%，平均值5.14%，砂巖滲透率位于0.038～0.41 mD。

綜上，研究區(qū)煤系氣儲層屬于特低孔、超低滲類型，具備一定的儲集能力，煤層和泥頁巖以吸附儲氣為主，致密砂巖以游離儲氣為主。

圖8 煤樣進/退汞曲線Fig.8 Mercury inlet and withdrawal curves of coal samples

圖9 煤樣階段孔徑分布Fig.9 Coal sample stage pore size distribution

3.2.2 儲層類型

根據(jù)煤層、泥頁巖和致密砂巖占比進行投點形成三角圖，可將研究區(qū)儲層分為7種類型(表1)，包括單煤儲層、單泥頁巖儲層、單致密砂巖儲層、煤-泥混合儲層、煤-砂混合儲層、砂-泥混合儲層、煤-泥-砂混合儲層。

從三角圖實際投點分布可以發(fā)現(xiàn)，邯邢地區(qū)煤系氣儲層以砂-泥混合儲層為主，單煤儲層、單泥頁巖儲層、單致密砂巖儲層、泥-煤混合儲層、煤-砂混合儲層、煤-泥-砂混合儲層少量發(fā)育[圖10(a)]。其中2號煤層段以煤-泥-砂混合儲層，基本不發(fā)育單一巖性的儲層，其他混合儲層少量發(fā)育，顯示該時期沉積環(huán)境動蕩，煤系頻繁交錯、互層發(fā)育的特征，為煤系綜合氣的形成奠定了條件[圖10(b)]。8號煤層段以泥-煤混合儲層為主，少量發(fā)育單一巖性儲層，顯示該時期沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，煤層和泥頁巖發(fā)育，為煤系氣的形成提供很好的烴源巖[圖10(c)]。

表1 邯邢地區(qū)煤系氣儲層分類表

圖10 研究區(qū)煤層-泥頁巖-致密砂巖三角分布圖Fig.10 Triangular distribution of coal seam and mud shale and tight sandstone in the study area

3.3 蓋層特征

一般而言，蓋層的封閉性需要從2方面考慮，一方面是蓋層本身不具備生烴能力，那么其封閉性主要取決于孔滲條件和排替壓力，高排替壓力、差孔滲條件下促使蓋層封閉能力越強，反之則越弱；另一方面是蓋層具備生烴能力，生烴能力越強，形成的壓力越大，蓋層的封閉性就越好，反之則越差[16]。

邯邢地區(qū)煤層成熟度好，生烴能力強，孔隙度和滲透率均較低，可以作為蓋層；泥頁巖生烴能力相對較差，但其厚度優(yōu)勢和低孔低滲條件可以很好地阻止氣體逸散轉移，也是很好的蓋層；灰?guī)r雖然裂隙發(fā)育，但是其作為富水性含水層，厚度分布穩(wěn)定，可以有效阻止氣體的逸散，也可以作為煤系氣蓋層。

4 煤系氣共生組合模式

針對煤系生-儲-蓋組合和煤系氣共生模式研究，普遍認為煤和泥頁巖都可作為烴源巖和儲蓋層，而致密砂巖可作為儲層和蓋層，三者多層疊置互為蓋層[2-6]。

4.1 巖相組合類型

基于上部為儲層和蓋層，下部為烴源巖的原則，邯邢地區(qū)致密砂巖、泥頁巖、煤層和灰?guī)r主要存在7種巖相組合關系：①上砂下煤；②上砂下煤和泥；③上砂下泥；④煤泥互層；⑤上灰下煤；⑥上灰下泥；⑦上灰下泥和煤。不同的巖相組合類型為形成煤系氣藏及其不同的共生組合模式奠定了基礎條件(圖11)。

圖11 邯邢地區(qū)太原組-山西組巖相組合類型Fig.11 Lithofacies combination types of Taiyuan-Shanxi Formation in Hanxing area

4.2 煤系氣共生模式

煤系天然氣藏具有層位相鄰、重復疊置、多旋回性特點，存在多類型氣藏組合[15]。煤生烴能力強，裂隙發(fā)育，生氣過程中產(chǎn)生高壓，氣體容易發(fā)生運移；泥頁巖中具有一定生烴能力，致密性較好；砂巖發(fā)育一定的裂隙，孔隙度較高，主要作為煤層氣和頁巖氣的儲存空間；灰?guī)r裂隙發(fā)育，含水量大，可作為良好的蓋層。基于生-儲-蓋空間組合特征，將煤系氣共生組合劃分為3種類型和6種組合模式(圖12)。

(1)自生共儲型：煤層或泥頁巖層作為烴源巖和儲層，生烴能力強，能夠形成異?？紫读黧w壓力，易于發(fā)生垂向作用，通過擴散、滲流等方式向鄰近致密砂巖層提供氣源，易于形成頁巖氣-煤層氣-致密砂巖氣組合(①)、煤層氣-致密砂巖氣組合(②)、頁巖氣-致密砂巖氣組合(③)類型，多見于山西組頂部和底部，此類型由于巖相組合復雜，盡管成藏條件較好，但是巖相的差異對混層壓裂工藝有很高的要求，是未來發(fā)展的方向。

(2)自生自儲型：砂巖儲層不發(fā)育，煤層或泥頁巖層生成氣體后，受上覆灰?guī)r含水層高壓影響，形成封閉蓋層，避免煤系氣垂向運移發(fā)生大幅逸散，形成獨立頁巖氣(④)、獨立煤層氣(⑤)氣藏類型，多見于太原組中部和下部，此類型含氣資源有限，需要具備厚度優(yōu)勢，但巖相單一，對壓裂十分有利。

(3)共生共儲型：泥頁巖和煤層互層發(fā)育，煤層和泥頁巖互為烴源巖層、儲集層和蓋層，二者互相產(chǎn)氣、互相儲存、互相封閉，形成頁巖氣-煤層氣(⑥)氣藏類型，多見于山西組下部和太原組中下部，此類型成藏條件較好，巖相相對單一，利于壓裂，是目前易于突破的方向。

4.3 煤系氣分布特征

邯邢地區(qū)太原組主要發(fā)育障壁島-瀉湖-潮坪沉積，巖性主要為泥頁巖、炭質泥巖、粉砂巖和灰?guī)r，具有多個沉積旋回，地層沿NE-SW向穩(wěn)定發(fā)育，泥地比較大，泥頁巖類、灰?guī)r、煤層橫向對比性較好；太原組下部8號煤和9號煤沿NE-SW向分布穩(wěn)定，厚度整體較穩(wěn)定，煤系氣類型以共生共儲型(頁巖氣-煤層氣組合)為主；中上部由于聚煤期較短，煤層表現(xiàn)為分布不均、厚度薄，灰?guī)r廣泛發(fā)育，煤系氣類型自生自儲型(獨立頁巖氣、獨立煤層氣)為主。

山西組以河控淺水三角洲沉積為主，巖性主要為細砂巖和泥巖，砂泥疊置發(fā)育頻繁。其中底部的2號煤上部沉積一定厚度的泥頁巖，但受河道沖刷作用影響，多處直接與砂體直接接觸，形成自生共儲型(煤層氣-致密砂巖氣組合、頁巖氣-煤層氣-致密砂巖氣組合)氣藏，上部聚煤作用較弱，僅發(fā)育薄煤層或煤線，煤系氣類型以自生共儲型(頁巖氣-致密砂巖氣)(圖13)。

圖12 典型井太原-山西組煤系氣組合模式綜合柱狀圖Fig.12 Comprehensive histogram of coal measures gases combination model of typical wells in Taiyuan-Shanxi Formation

圖13 邯邢地區(qū)煤系氣縱向分布特征Fig.13 The vertical distribution characteristics of coal measures gas in Hanxing area

基于煤系中煤層、泥頁巖、致密砂巖和灰?guī)r累計厚度分布(圖2～圖5)、巖性組合、地層埋深以及構造特征，邯邢地區(qū)煤系氣分布主要劃分為3個區(qū)域(圖14)。

(1)區(qū)域一：主要分布在邢臺東部，構造相對簡單(圖14)，煤層厚度最大可達12 m，泥頁巖最大厚度70 m，致密砂巖最大厚度90 m，灰?guī)r最大厚度 9 m，太原組底部埋深最大為1 693.77 m。大埋深有利于烴源巖的成熟，厚層煤和泥頁巖提供了充足的氣源，厚層砂巖提供了充足的儲存空間，煤系氣組合類型以自生共儲型為主。

(2)區(qū)域二：主要分布在邯鄲地區(qū)，構造相對簡單(圖14)，煤層厚度最大可達12 m，泥頁巖最大厚度49 m，致密砂巖最大厚度105 m，灰?guī)r最大厚度36 m，太原組底部埋深最大可達1 358.2 m。該區(qū)域煤和泥頁巖頂部的厚層灰?guī)r為其提供了很好的蓋層，煤系氣組合類型主要以自生自儲和共生共儲為主。

(3)區(qū)域三：主要分布在邢臺中西部，地層抬升，太原組底部埋深最大為218.82 m，不利于烴源巖的成熟；構造復雜(圖14)，不利于煤系氣的保存，因此該區(qū)域不具備煤系氣成藏條件。

綜上，區(qū)內(nèi)太原組-山西組煤系的聚煤特征、巖相組合類型及展布主要受沉積環(huán)境和構造運動控制，不同地區(qū)煤系氣組合模式及其展布特征具有明顯差異。

圖14 邯邢地區(qū)煤系氣橫向分布特征Fig.14 Lateral distribution characteristics of coal measures gas in Hanxing area

5 結論

(1)煤層和泥頁巖為烴源巖，有機質類型為Ⅲ型，處于成熟-過成熟生氣階段；煤系氣儲層為特低孔、超低滲類型，富水性灰?guī)r層可以作為很好的蓋層。

(2)山西組底部和太原組底部為煤系氣主要發(fā)育層段；煤系氣儲層總體以砂-泥混合儲層為主，灰?guī)r發(fā)育層段以單煤儲層或單泥頁巖儲層為主。

(3)邯邢地區(qū)含煤地層中的致密砂巖、泥頁巖、煤層和灰?guī)r存在7種巖相組合關系，基于生-儲-蓋空間組合特征，將煤系氣共生組合劃分為自生共儲型、自生自儲型、共生共儲型3大類，6種組合模式。

(4)研究區(qū)東部和南部構造相對簡單，埋深較大，利于煤系氣的成藏；西北部構造復雜，地層抬升，不利于煤系氣的成藏。