黃陵礦區(qū)一號煤礦中侏羅統(tǒng)延安組2號煤層“三史”演化過程單井?dāng)?shù)值模擬

唐佳陽，唐勝利

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，西安 710054；2.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，西安 710054)

Single Well Numerical Simulation of Middle JurassicYan’an Formation Coal No.2 Buried,Thermal and Hydrocarbon Generation History Evolution Process in Coalmine No.1,Huangling Mining Area

Tang Jiayang1，2, Tang Shengli1

1.College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054;2.China Coal Xi’an Design Engineering Co., Ltd. Xi’an 710054)

Abstract：To study coal measures source rock hydrocarbon generation and expulsion stages, hydrocarbon generation potential and coalbed methane reservoiring evolution features have to carry out recovery simulation study on coal seam “three histories” (i.e. buried history, thermal evolution history and hydrocarbon generation history) evolution process. According to strata lithologic characters, residual strata buried depths today, porosity and vitrinite reflectance etc data or geological information, using PetroMod 1D simulation software carried out reestablishment of “three histories” evolution process in the coalmine No.1, Huangling mining area. The result has shown that the Jurassic coal-bearing strata in the coalmine belong to “early stage subsidence, later stage uplift” type, and experienced two “subsidence-uplift” stages. The first “subsidence-uplift” stage happened during middle Jurassic up to Paleocene, buried depth of coal measures strata fast increasing first (up to the end of Jurassic), then tardily increasing (up to the end of Cretaceous), with maximum depth 1576m, during Paleocene, crust uplift and denuded 190m; during middle Jurassic to earlier early Cretaceous, coal and rock heating temperature and vitrinite reflectance “tardily first then fast and then tardily” increasing. Up to the end of Cretaceous, differential differentiation had been happed, coal No.2 bottom coal and rock heating temperature 79℃～126℃,vitrinite reflectance from 0.50% evolved to 0.70%, coal No.2 top coal and rock heating temperature 78℃～108℃, vitrinite reflectance from 0.50% evolved to 0.67%; during Paleocene, coal and rock heating temperature lowering down, coalification stopped. The second “subsidence-uplift” stage happened during Eocene up to present,coal measures strata subsidence 100m first,then happened maximum uplift under 85.4m/Ma

rate, coal heating temperature further lowering down up to present 22℃. Coal organic matter pyrogenic decomposition hydrocarbon generation (thermogenic gas) has stopped, but microbiological deterioration organic matter hydrocarbon generation (secondary biogenic gas) is underway.

Keywords：buried history; thermal history; hydrocarbon generation history; Yan’an Formation; Huangling mining area

0 引言

成煤原始物質(zhì)經(jīng)泥炭化和煤化作用過程可演化為不同變質(zhì)程度的煤巖并在不同演化階段生成不同成因類型的煤層氣[1]。研究含煤地層在不同地質(zhì)歷史時期的埋藏史、受熱演化史和成熟史(簡稱 “三史”)，可為揭示煤系氣的成因機制、成藏條件及成藏動力學(xué)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者通過對剝蝕量的恢復(fù)計算及地質(zhì)演化過程的數(shù)值模擬技術(shù)，研究了不同含煤盆地的構(gòu)造-埋藏演化過程[2-4]。例如，韓載華[2]采用聲波時差和鏡質(zhì)組反射率兩種方法對西湖凹陷8口井三個主要剝蝕面上的剝蝕量進行計算，并對不同次級構(gòu)造單元的埋藏史進行恢復(fù)，認(rèn)為該地區(qū)剝蝕厚度小于500m，其中中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶剝蝕量最大；李興偉[3]通過Petromod 1D軟件對松遼盆地北部大慶長垣地區(qū)埋藏史和熱演化史和生烴史進行了模擬，認(rèn)為該區(qū)埋藏過程為“兩升三降”型，并且青一段烴源巖在明水末期埋深最大，已達排烴門限，為成藏關(guān)鍵時期；羅壽兵等人[4]通過地層回剝技術(shù)，結(jié)合地層接觸關(guān)系、構(gòu)造運動期次、鉆井地層厚度和巖性資料的分析，得到5種不同地質(zhì)意義的沉降類型，并認(rèn)為四川復(fù)合型前陸盆地的沉降機制主要為撓曲負(fù)載，即由于造山帶載荷與沉積載荷不同導(dǎo)致了自晚三疊世以來兩次大的沉降量。因此，針對不同地區(qū)開展主要目的層的“三史”地質(zhì)演化過程研究可為分析盆地形成機制、烴源巖生排烴階段及油氣資源潛力評價提供基礎(chǔ)信息[5-6]。

黃陵礦區(qū)是我國西部典型的煤油氣共生的盆地之一。近年來，國內(nèi)學(xué)者主要集中對該區(qū)成煤環(huán)境、煤層圍巖油氣、煤層氣富集規(guī)律等進行了詳細(xì)研究[7-9]，但對于該區(qū)的受熱演化史、烴源巖成熟、生烴、排烴和演化階段研究還不夠詳盡。本文以黃陵礦區(qū)一號煤礦中侏羅統(tǒng)延安組2號煤層為研究對象，運用Petromod 1D 模擬軟件對該區(qū)含煤地層的埋藏史、受熱演化史和生烴史進行模擬研究，研究結(jié)果對認(rèn)識該區(qū)地質(zhì)演化及煤層氣資源的成藏過程具有重要的現(xiàn)實意義。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

黃陵礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部，構(gòu)造上位于華北板塊西部陜北斜坡帶慶陽單斜的東南角，南與彬長坳褶帶毗鄰，北與延安單斜和榆林單斜接壤(圖1)，其地表受流水、風(fēng)化剝蝕等外動力地質(zhì)作用改造而切割強烈。中生代以來構(gòu)造活動及巖石變形較為發(fā)育，西側(cè)發(fā)育為隆起帶，東側(cè)發(fā)育為平緩褶皺帶。一號煤礦中侏羅統(tǒng)延安組為一套陸相碎屑煤系沉積，延安組沉積相為河流相與湖泊相[9]，該煤系經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運動的疊加與改造，具有復(fù)雜的地質(zhì)演化過程[11-14]。

圖1 黃陵礦區(qū)區(qū)域圖[10]Figure 1 Regional geological map of Huangling mining area(after reference [10])

晚三疊世末到早侏羅世，盆地受印支運動影響整體表現(xiàn)為東強西弱的不均勻抬升，盆地上三疊統(tǒng)地層遭受長時間不均勻剝蝕，區(qū)域上延安組與上覆侏羅統(tǒng)之間存在平行不整合或角度不整合接觸，局部可能發(fā)生了褶皺變形。侏羅世早期，侵蝕谷中發(fā)育的以中顆粒為主的河流砂巖，并形成了相對較好的儲集層。至中侏羅世，構(gòu)造活動相對較弱，盆地整體下沉，為聚煤作用提供了適宜的環(huán)境，并形成了一套以濱湖三角洲和河流沖積平原的為主的含煤地層；晚白堊世的燕山運動，使得地層抬升，遭受剝蝕，地層的缺失多處晚侏羅世沉積，下白堊統(tǒng)直接不整合接觸于中侏羅統(tǒng)直羅組之上。至始新世，地層又有少量的沉降，新近紀(jì)又經(jīng)歷了喜馬拉雅山運動，使地層繼續(xù)遭受抬升和剝蝕。

1.2 含煤地層

該區(qū)含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組，是由灰白色砂巖、粉砂巖、深灰色粉砂質(zhì)泥巖以及泥巖夾煤層組成。含煤地層產(chǎn)狀沿走向和傾向變化不大，整體呈一向北西西緩傾斜的單斜構(gòu)造，斜角1°～5°。研究區(qū)內(nèi)侏羅系一共發(fā)育有4層煤層，自上而下分別為0、1、2、3號煤層，其中2號煤層為區(qū)內(nèi)主采煤層，煤層厚度約為2.8m，煤變質(zhì)程度相對較低，屬低中灰、特低硫、高發(fā)熱量、富油的弱黏氣煤[14]。煤鏡質(zhì)體最大反射率為0.67%～0.79%。黃陵礦區(qū)一號煤礦侏羅系含煤地層自上而下可分為直羅組和延安組，根據(jù)巖性與地層接觸關(guān)系又將直羅組和延安組各分為四段，即J2z4、J2z3、J2z2、J2z1和J2y4、J2y3、J2y2、J2y1。各層埋藏深度、巖性及沉積特征如圖2所示。

圖2 黃陵礦區(qū)一號煤礦含煤地層綜合柱狀圖Figure 2 Comprehensive stratigraphic column of coal-bearingstrata in coalmine No.1, Huangling mining area

2 “三史”恢復(fù)模擬研究方法

盆地埋藏史恢復(fù)通常分為正演法和反演法兩大類，本文采取反演法中的回剝法進行地層恢復(fù)模擬，即主要利用沉積壓實原理 (孔隙度較少，但骨架厚度不變)，按照地質(zhì)年代由新到老層層剝?nèi)ィ?直至地層全部剝完為止，最終得到單井剝蝕厚度與埋深的關(guān)系。其中，需要考慮沉積壓實、地層剝蝕、斷層等事件[15-16]。

在正常壓實過程中，地層孔隙度和深度存在指數(shù)關(guān)系[17]：

β=β0eZC

(1)

式中，β為埋深Z時孔隙度，%；β0地表孔隙度，%；Z深度，m；C為壓實常數(shù)。

骨架厚度與埋深關(guān)系式如下[16]：

(2)

式中：Hs為骨架厚度，m；Z1、Z2為某層深度(Z2>Z1)，m。

地層剝蝕厚度可通過公式(3)計算[17]：

(3)

式中：各參數(shù)的含義同上。

本文受熱史恢復(fù)采取反演法，生烴史采用Petromod軟件系統(tǒng)中的EASY%Ro法，即在其他地質(zhì)條件不變的基礎(chǔ)下，參照地溫梯度(2.6℃/100m)、古熱流值(66.04mW/m2)、地表溫度(10.45℃)以及鉆孔數(shù)據(jù)，設(shè)定邊界條件，使其符合已知的鏡質(zhì)組反射率和古地溫梯度條件[18]。

3“三史模擬”結(jié)果與分析

3.1 埋藏史演化過程與結(jié)果分析

通過查閱黃陵礦區(qū)一號煤礦勘探地質(zhì)報告資料顯示，該區(qū)地表的巖石中砂巖孔隙度為44.37%。當(dāng)深度為240m時，地層孔隙度為2.39%。將其帶入公式(1)，可求得壓實常數(shù)為6.49×10-3。再由公式(2)及地表孔隙度、壓實常數(shù)等參數(shù)可求得不同地層巖石的骨架厚度(表1)。

表1 黃陵礦區(qū)一號煤礦L60井現(xiàn)今2號煤層信息

根據(jù)地層沉積由老至新以及地層剝蝕由新到老的順序，通過公式(3)可求得各層位埋深恢復(fù)結(jié)果(表2)。

表2 黃陵礦區(qū)一號煤礦L60井地層歷史時期各層位埋深恢復(fù)結(jié)果

黃陵礦區(qū)一號煤礦中侏羅世主要含有直羅組(J2z1、J2z2、J2z3、J2z4)、延安組(J2y1、J2y2、J2y3、J2y4)等地層。根據(jù)鉆孔L60各地層埋深數(shù)據(jù)，通過回剝法逐層剝?nèi)?，結(jié)合剝蝕厚度，對其中侏羅世煤層進行埋藏史恢復(fù)，得到該井中侏羅世含煤地層回剝柱狀剖面圖(圖3)，采用Petromod模擬方法[19]對該地區(qū)進行盆地模擬，最終得到該井的埋藏史圖(圖4)。

圖3 黃陵礦區(qū)一號煤礦L60井侏羅紀(jì)回剝柱狀剖面圖Figure 3 Well L60 Jurassic stripped columnar sectionin coalmine No.1, Huangling mining area

圖4 黃陵礦區(qū)一號煤礦地層構(gòu)造埋藏演化史圖Figure 4 Stratigraphic buried depth historical evolutionin coalmine No.1 Huangling mining area

根據(jù)該井埋藏史恢復(fù)結(jié)果可知，黃陵礦區(qū)一號煤礦煤層屬于“早期沉降、晚期抬升”型，共經(jīng)歷了兩次“沉降-抬升”階段。煤層從中侏羅世到早白堊世，煤層埋深速率有差異，但總體表現(xiàn)為隨時間的增大煤層埋深不斷增大，到早白堊世末期達到最大埋深1 576m，其最大沉降速率發(fā)生在晚侏羅世，大約為74.46m/Ma(圖5)；到白堊紀(jì)末期，煤層又開始抬升；始新世至今，煤層經(jīng)歷了第二次的“沉降-抬升”過程，即緩慢沉積-快速抬升-緩慢抬升的過程。

燕山期構(gòu)造運動使該區(qū)地層產(chǎn)生不均勻抬升，遭受剝蝕，剝蝕厚度大約為190m；古近紀(jì)始新世又沉降了100m，之后受強烈的喜馬拉雅期構(gòu)造運動影響，使本區(qū)地層遭受強烈的剝蝕，累計剝蝕厚度達到1 467m，造成在新近紀(jì)發(fā)生了該區(qū)最大的抬升，抬升速率約為85.4m/Ma(圖5)。

圖5 沉積速率與抬升速率直方圖Figure 5 Histogram of deposition rate and uplift rate

3.2 受熱史演化過程與結(jié)果分析

圖6為黃陵礦區(qū)2號煤層上頂部(Ro=0.67%)與煤層下底部(Ro=0.79%)的受熱史模擬結(jié)果，由圖可知，中侏羅世至白堊世，溫度總體表現(xiàn)為持續(xù)上升的規(guī)律，即緩慢增加-快速增加-緩慢增加-快速增加過程，到晚白堊世溫度達到最大；晚白堊世至今，由于強烈的燕山運動和喜馬拉雅運動抬升影響，使溫度持續(xù)不斷降低，最終達到22℃，此模擬結(jié)果和黃志剛認(rèn)為晚白堊世溫度最大一致[19]。晚白堊世末期，煤層頂板的最高溫度為108℃，煤層底板的最高溫度為127℃。

圖6 黃陵礦區(qū)一號煤礦受熱溫度與演化時間關(guān)系Figure 6 Relationship between heating temperature andevolutional time in coalmine No.1, Huangling mining area

3.3 生烴史演化過程與結(jié)果分析

通過前文分析并結(jié)合模擬結(jié)果得到黃陵礦區(qū)井2號煤層的上頂部(Ro, max=0.67%)與下底部(Ro, max=0.79%)有機質(zhì)成熟度隨時間的演化過程(圖7)。由模擬結(jié)果可知：從中侏羅世到早白堊世，隨著煤系地層的埋深快速增加， 2號煤層鏡質(zhì)組反射率先緩

圖7 黃陵礦區(qū)一號煤層有機質(zhì)成熟度與演化時間關(guān)系Figure 7 Relationship between organic matter maturity andevolutional time of coal No.1, Huangling mining area

慢后快速增加，演化至0.41%，從早白堊世到晚白堊系末期，隨著煤層埋深進一步增加，2號煤層鏡質(zhì)組反射率先緩慢后快速增加，演化至0.5%后由于煤層底部受到巖漿熱液接觸變質(zhì)作用影響，煤層底部和頂部出現(xiàn)成熟度差異分化，煤層下底部鏡質(zhì)組反射率演化至0.79%，煤層上頂部鏡質(zhì)組反射率演化至0.67%；古新世，始新世至今，煤層埋深雖然有少量增加，但是由于后期喜馬拉雅期構(gòu)造運動快速抬升影響，使該區(qū)上覆巖層遭受剝蝕，受熱溫度及壓力降低，煤化作用停止，有機質(zhì)熱解生烴也停止。

國內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)果已表明，Ro<0.5%為未成熟階段；Ro為0.5%～0.7%為低成熟生油階段；Ro為0.7%～1.3%，為成熟生油氣階段[20]。2號煤層上頂部烴源巖的生烴演化過程，從175Ma到92Ma期間，烴源巖的成熟度“先平緩-后快速-再平緩”增加，鏡質(zhì)組反射率達到0.5%，處于未成熟階段，生成煤層氣為原生生物氣；從92Ma至今，烴源巖成熟度先快速增加，后趨于穩(wěn)定，鏡質(zhì)組反射率達到0.67%，對應(yīng)低成熟生油階段，生成少量熱成因氣。2號煤層下底部烴源巖的成熟度演化過程，自175Ma到92Ma期間，與上頂部烴源巖的演化過程相同，均處于未成熟階段，生成煤層氣為原生生物氣；自92Ma至72Ma期間，烴源巖成熟度快速增加，鏡質(zhì)組反射率達到0.7%，為低成熟生油階段；自72Ma至今，烴源巖成熟度緩慢增加至0.79%，對應(yīng)烴源巖的成熟生油氣階段，同時也生成少量熱成因氣。

4 結(jié)論

1)黃陵礦區(qū)煤礦2號煤層屬于“早期沉降、晚期抬升”型，共經(jīng)歷了二次“沉降-抬升”階段。從中侏羅世到早白堊世，煤層埋深隨時間的增大而增大，到早白堊世末期達到最大埋深深度1 576m；到白堊紀(jì)末期，燕山期構(gòu)造運動使煤層開始抬升；始新世至今，由于受強烈的喜馬拉雅期構(gòu)造運動，煤層經(jīng)歷了緩慢沉積-快速抬升-緩慢抬升的過程。

2)中侏羅世至晚白堊世，煤層溫度總體表現(xiàn)為持續(xù)上升；晚白堊紀(jì)至今，煤層溫度持續(xù)降低，最終達到22℃。

3)從中侏羅世到早白堊世，隨著煤系地層的埋深快速增加，2號煤層鏡質(zhì)組反射率先緩慢后快速增加；從早白堊世到晚白堊系末期，隨著煤層埋深進一步增加，2號煤層鏡質(zhì)組反射率先緩慢后快速增加，演化至0.5%后煤層底部和頂部出現(xiàn)成熟度差異分化，煤層下底部鏡質(zhì)組反射率演化至0.79%，煤層上頂部鏡質(zhì)組反射率演化至0.67%；古新世，始新世至今，煤層埋深雖然有少量增加，但煤化作用停止，有機質(zhì)裂解生烴也停止。2號煤層上頂部烴源巖的生烴演化過程為未成熟階段-低成熟生油階段，而2號煤層下底部烴源巖的成熟度演化過程為未成熟階段-低成熟生油階段-成熟生油氣階段。