臨清坳陷東部煤成氣成藏條件及富集主控因素

王東曄

(中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015)

0 引言

煤成氣是目前國內(nèi)外天然氣勘探開發(fā)的熱點類型和重要領(lǐng)域，煤成氣勘探理論的不斷發(fā)展，成功推動了中國天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，在鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、四川盆地和東海盆地等相繼發(fā)現(xiàn)了一批大中型煤成氣田[1-4]。相比而言，渤海灣盆地發(fā)現(xiàn)煤成氣田相對較少，煤成氣研究程度也相對較低。臨清坳陷位于渤海灣盆地的西南部，本文研究區(qū)臨清坳陷東部是指武城-館陶凸起以東、魯西隆起以西、寧津凸起以南、南樂凸起以北的坳陷區(qū)，呈北東向展布，總勘探面積約5 037km2。研究區(qū)內(nèi)部次級構(gòu)造凹凸相間，包括高唐—堂邑凸起、德州凹陷、莘縣凹陷等三個次級構(gòu)造單元，走向與坳陷基本一致[5-10]。臨清坳陷東部先后鉆探煤成氣專探井7口，其中高古4井在石炭—二疊系中獲工業(yè)煤成氣流，峰值日產(chǎn)煤成氣22 256m3/d，油30m3/d，實現(xiàn)了煤成氣勘探重大突破，預(yù)示著研究區(qū)良好的勘探前景。但是由于臨清坳陷東部勘探程度整體較低、成藏條件研究不夠深入，制約了該地區(qū)煤成氣勘探的進(jìn)一步發(fā)展。本文通過系統(tǒng)分析臨清坳陷東部煤成氣成藏條件，提出了煤成氣控藏新認(rèn)識，建立了煤成氣成藏模式，明確了有利勘探方向。

1 煤成氣成藏解剖

1.1 煤成氣成藏條件

臨清坳陷東部石炭—二疊系在剖面上呈現(xiàn)“平行”樣式展布，即無論在深部還是淺部，該套地層厚度變化不大，基本保持在800m左右，使得其中的煤系地層在深部得以保存，有利于煤成氣的生成。煤系地層是指發(fā)育在石炭—二疊系底部的煤和暗色泥巖，厚度基本穩(wěn)定在350m左右，在地震上呈現(xiàn)2～3個強(qiáng)軸反射特征，除寧津凸起之外在全區(qū)均有分布。煤系地層主要賦存于太原組，其次為山西組，本溪組一般為薄煤層或煤線，煤層厚度10～35m，主要集中在15m左右，暗色泥巖厚度100～350m。

研究區(qū)儲層主要為石炭—二疊系內(nèi)部的砂巖儲層，根據(jù)已鉆井統(tǒng)計結(jié)果顯示，測井解釋平均孔隙度為3%～9%，平均滲透率(0.1～3)×10-3μm2，屬低孔低滲儲層[8]。上石盒子組奎山—萬山段以河流相沉積為主，發(fā)育有河道亞相、河漫亞相的粗粒厚層砂巖，原生孔隙較為發(fā)育，加上受后期溶蝕改造作用較強(qiáng)，整體儲層物性較好。山西—太原組以三角洲、潮坪沉積體系為主，發(fā)育有三角洲平原、泥炭沼澤等亞相的薄層細(xì)粒砂巖，原生孔隙較差，但受后期生烴有機(jī)酸的溶蝕改造作用，亦具有一定的儲集能力，儲層物性相對上石盒子組奎山—萬山段略差。

研究區(qū)具有多套儲蓋組合，下石盒子組內(nèi)部儲蓋組合，上石盒子組奎山段內(nèi)部儲蓋組合，上石盒子組萬山段砂巖與孝婦河段泥巖組合，山西、太原組內(nèi)部多套薄層砂泥儲蓋組合，此外還有奧陶系灰?guī)r風(fēng)化殼與上部鋁土巖及煤系地層組成的儲蓋組合[7]。研究區(qū)獲工業(yè)和低產(chǎn)油氣流的井分別位于斜坡帶和洼陷帶，具有油氣顯示的井在凸起帶、斜坡帶、洼陷帶三個構(gòu)造帶均有分布。

1.2 煤成氣成藏期次

臨清坳陷由于處在強(qiáng)裂陷的過渡部位而使其變換構(gòu)造發(fā)育，自晚古生代以來，經(jīng)歷了兩期擠壓反轉(zhuǎn)和兩期拉張，是一個典型的多旋回疊合盆地，發(fā)育古、新兩套斷裂系統(tǒng)[5-6]。不同構(gòu)造帶抬升-埋藏歷史差異較大，由此造成臨清坳陷“三期生氣”的生烴過程，其油氣成藏歷史亦極為復(fù)雜。運(yùn)用單井埋藏史-儲層與烴類包裹體同期鹽水包裹體均一溫度投影法，可以獲得各個充注期次的充注年齡[9-12](圖1)。

圖1 利用流體包裹體均一溫度確定臨清坳陷東部油氣充注時期

1)第一期充注年齡141.9～95.7Ma，晚侏羅世—白堊世(J3+K)，充注溫度93.9～114.7℃。

2)第二期充注年齡51.0～33.1Ma，古近紀(jì)(E)，充注溫度114.4～145.8℃。

3)第三期充注年齡19.7～2.5Ma，新近紀(jì)—第四紀(jì)(N—Q)，充注溫度120.7～156.4℃。

通過不同構(gòu)造位置井的成藏期次分析，處于凸起帶的井只在印支期、燕山期有過成藏過程，而處于洼陷帶、斜坡帶的井在印支期、燕山期、喜馬拉雅期都有過成藏過程。

2 煤成氣成藏主控因素

2.1 二次生烴是煤成氣成藏的根本

受復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動影響，臨清坳陷東部煤系地層具有“二次生烴”的演化過程[7，13-17]。三疊紀(jì)末隨著地層抬升剝蝕一次生烴結(jié)束，此時煤系地層演化程度Ro為0.6%左右；侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)初期煤系進(jìn)入二次生烴早期，白堊紀(jì)末隨著地層抬升剝蝕二次生烴早期過程結(jié)束，此時煤系地層演化程度Ro為0.8%左右；新生代以來煤系進(jìn)入二次生烴晚期，二次生烴門限為4 500m。中生代生成的煤成氣已散失殆盡，新生代以來生成的煤成氣對聚集成藏有重要意義，是否具有“有利的二次生烴中心”是控制構(gòu)造帶是否成藏的根本因素。

由于研究區(qū)現(xiàn)今地溫梯度整體偏低2.85℃/100m，使得煤系地層演化程度整體偏低，4 500mRo值在1.1%左右，根據(jù)生烴模擬累積氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化率曲線可知(圖2)，此時氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化率為15%左右，剛剛開始進(jìn)入二次生烴。當(dāng)累積氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化率為50%～80%時，煤系地層進(jìn)入二次生烴高峰期，對應(yīng)Ro為2.1%～3.4%，相應(yīng)深度值為6 000～7 500m。根據(jù)以上分析，可以確定有利二次生烴中心，即首先結(jié)合區(qū)帶構(gòu)造演化史，確定“中復(fù)新沉”型等有利構(gòu)造疊合單元；其次結(jié)合中生界原始厚度，確定中生代沉積厚度較小的構(gòu)造單元；最后結(jié)合煤系地層現(xiàn)今埋深，確定埋深大于二次生烴門限4 500m的區(qū)域。以上三個條件進(jìn)行疊合，就可以得到現(xiàn)今有利二次生烴中心，即該區(qū)目前具有堂邑西、堂邑東、禹城、恩城、避雪店5個有利二次生烴中心。現(xiàn)今煤系烴源巖頂面埋深普遍在4 500～8 000m，分布面積較大，生烴時期主要為“Ng—現(xiàn)今”，具有“晚期生烴、晚期成藏”的特點。

圖2 臨清坳陷東部煤系烴源巖氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化率-Ro關(guān)系

2.2 近源輸導(dǎo)是煤成氣成藏的基礎(chǔ)

臨清坳陷東部高古7井、德古4井分別位于堂邑潛山帶和武城凸起，圈閉均位于隆起構(gòu)造帶，但是從鉆探結(jié)果來看，二者均在古生界中見到熒光顯示卻沒有成藏，究其原因在于堂邑潛山帶、武城凸起的煤系地層由于整體埋深較淺，沒有進(jìn)入二次生烴門限，不能成為有效生烴中心，煤成氣應(yīng)該由深部的堂邑東斜坡帶、武城斜坡帶的煤系地層生成，向高部位運(yùn)移聚集成藏。但是煤成氣運(yùn)移過程中一方面需要克服煤系地層的吸附，另一方面因為地層成巖作用較強(qiáng)，煤成氣在石炭—二疊系中的橫向運(yùn)移阻力較大，層間運(yùn)移不暢[7]，因此高古7井、德古4井未成藏的主要原因是圈閉距離生烴中心距離太遠(yuǎn)，煤成氣運(yùn)移不暢所致。此外，研究區(qū)雖然存在多期生氣，但是由于強(qiáng)烈的抬升剝蝕，古近紀(jì)以前生成的煤成氣已經(jīng)基本散失，之后內(nèi)部斷層活動較弱，油氣縱向運(yùn)移動力不足，主要在二次生烴深度附近的圈閉中聚集成藏，“近源輸導(dǎo)”是控制臨清坳陷東部煤成氣成藏的重要因素之一。

2.3 有效保存是煤成氣成藏的關(guān)鍵

評價圈閉的保存條件主要從以下三個方面考慮：圈閉的垂直封蓋能力、斷層的側(cè)向封堵能力、斷層的活動性與成藏期的匹配關(guān)系。

臨清坳陷東部二疊系上石盒子組頂部廣泛分布的孝婦河段，厚度穩(wěn)定在200m左右，主要為砂泥互層，泥巖比例達(dá)68%～86%，是研究區(qū)一套良好的區(qū)域性蓋層，為煤成氣在深部成藏提供了有利條件[7，18-21]。一般而言,古生界圈閉由于成巖作用強(qiáng)，在沒有裂縫的情況下，泥巖地層條件下突破壓力為9～14MPa，每米泥巖可封蓋住近百米氣藏高度，因此圈閉的泥巖蓋層普遍具有較好的垂直封蓋能力。

斷層的側(cè)向封堵能力主要通過兩側(cè)的巖性對置關(guān)系進(jìn)行定量計算，針對臨清坳陷東部的順向斷層來說，圈閉位于斷層的下降盤，斷距大于煤系地層的厚度(200～250m)，上石盒子組奎山段和萬山段砂巖儲層與上升盤石炭系煤系地層對置，下古生界風(fēng)化殼與中奧陶統(tǒng)八陡組底部膏質(zhì)白云巖段對置，便可以形成良好的封堵；對于研究區(qū)反向斷層而言，圈閉位于斷層的上升盤，斷距小于上部孝婦河段厚度(150～200m)，上石盒子組奎山段和萬山段砂巖與下降盤孝婦河段泥巖對置，下古生界風(fēng)化殼與下降盤石炭系煤系地層對置，均可以形成良好的封堵(圖3)。

圖3 臨清坳陷東部煤成氣反向斷層側(cè)向封堵模式

通常情況下，控制圈閉的斷層在活動時期對圈閉的聚集成藏是不利的，因此斷層的活動時期早于煤成氣的成藏期時，斷層一般是具有封堵作用，相反如果斷層的活動時期晚于煤成氣的成藏期時，斷層一般是不封閉的。由于蘭聊斷層等邊界斷層在臨清坳陷東部的持續(xù)活動， 因此選區(qū)定帶時應(yīng)該避開這些長期活動的斷層，選擇新生代以來活動性較弱的斷層。

3 煤成氣成藏模式

3.1 洼陷帶成藏模式

洼陷帶是指石炭—二疊系現(xiàn)今埋深最深的構(gòu)造部位，該帶煤系源巖進(jìn)入二次生烴并開始大量生氣，具有良好的油氣源條件，距離生烴中心最近的洼陷帶中的圈閉具有優(yōu)先成藏的優(yōu)勢。位于該構(gòu)造帶的圈閉往往定型于中生代-古近紀(jì)時期，形成時間較早；煤成氣以層間運(yùn)移為主，層間運(yùn)移的主要機(jī)理靠油氣自身浮力；縱向上受到上石盒子組孝婦河段泥巖封蓋，往往在近源的石炭—二疊系內(nèi)部聚集成藏，形成以生烴中心的石炭—二疊系煤系地層為烴源巖，以石炭—二疊系砂巖為儲層，以石炭—二疊系泥巖為蓋層的自生自儲類型。該類成藏模式以高古5等井為代表，主要發(fā)育巖性或構(gòu)造-巖性油氣藏(圖4)。

圖4 臨清坳陷東部煤成氣成藏模式

3.2 斜坡帶成藏模式

斜坡帶是指構(gòu)造帶的斜坡部位、石炭—二疊系現(xiàn)今埋深較深的構(gòu)造部位，該帶煤系源巖大部分開始進(jìn)入二次生烴，油氣源條件較好。位于該構(gòu)造帶的圈閉成藏機(jī)理與洼陷帶成藏機(jī)理具有高度相似性，只是由于圈閉所處構(gòu)造位置不同，其輸導(dǎo)運(yùn)移條件略有差異性。該帶煤成氣來自于斜坡構(gòu)造帶或更深的洼陷生烴中心，或者斜坡帶達(dá)到生烴門限的煤系地層亦有一定的生烴能力；該種類型圈閉一般也定型于中生代-古近紀(jì)時期，形成時間較早；煤成氣除了自身浮力沿層間橫向運(yùn)移外， 還要借助于一定的溝通烴源巖與圈閉的斷層縱向輸導(dǎo)條件；蓋層為孝婦河段泥巖、本溪組鋁土巖區(qū)域蓋層，或石炭—二疊系內(nèi)部泥巖蓋層；煤成氣易在石炭—二疊系內(nèi)部或奧陶系風(fēng)化殼內(nèi)部聚集成藏，形成以石炭—二疊系煤系地層為烴源巖，以石炭—二疊系砂巖或奧陶系灰?guī)r為儲層， 以石炭—二疊系泥巖、鋁土巖、 奧陶系灰?guī)r為蓋層的自生自儲或上古生下古儲類型。該類成藏模式以高古4等井為代表，主要以構(gòu)造或巖性-構(gòu)造油氣藏為主。

3.3 凸起帶成藏模式

凸起帶是指構(gòu)造帶的凸起部位，一般而言石炭—二疊系隆起較高，上部缺失古近系。由于處于整個區(qū)帶的最高部位，石炭—二疊系煤系由于埋藏較淺而沒有生烴能力，若要成藏就一定要有良好的輸導(dǎo)運(yùn)移體系，關(guān)鍵要有切割烴源巖的主控大斷層，空間上使煤系烴源巖與凸起帶圈閉形成良好溝通，時間上使圈閉形成時間與烴源巖主排烴期匹配，縱向上要有良好的古生界區(qū)域封蓋條件。只有滿足以上條件之后，煤成氣從生烴中心運(yùn)移至凸起帶圈閉在下古生界灰?guī)r風(fēng)化殼中聚集成藏，形成以洼陷帶石炭—二疊系煤系為烴源巖，以凸起帶石炭—二疊系砂巖、奧陶系灰?guī)r為儲層，以石炭—二疊系泥巖為蓋層的上古生下古儲類型。同時由于主控大斷層的長期活動，引發(fā)其下降盤的砂泥巖剖面中發(fā)育了諸多逆牽引滾動背斜或構(gòu)造圈閉，在良好的斷層輸導(dǎo)運(yùn)移條件下，該圈閉聚集成藏可能性較大，形成以洼陷帶石炭—二疊系煤系地層為烴源巖，新生界砂巖為儲層，新生界泥巖為蓋層的古生新儲類型，主要以構(gòu)造油氣藏為主。整體而言凸起帶圈閉油氣成藏是在諸多成藏條件相互耦合的結(jié)果，成藏需要的條件較多，成藏機(jī)率較小。該類成藏模式以高古7等井為代表，目前鉆探該種類型也僅是見到油氣顯示，沒有獲得工業(yè)油氣藏，說明該類油氣藏富集程度偏低。

4 結(jié)論

1)煤成氣是否成藏受控于源巖、儲層、蓋層、圈閉等多種條件的相互匹配，通過深入剖析各成藏條件，認(rèn)為臨清坳陷東部煤成氣成藏主要受控于“二次生烴、近源輸導(dǎo)、有效保存”三個因素，三者的耦合關(guān)系是煤成氣富集成藏的關(guān)鍵。

2)根據(jù)圈閉距離生烴中心的遠(yuǎn)近、圈閉位于構(gòu)造帶的位置，建立了臨清坳陷東部煤成氣差異成藏模式，下一步部署思路由以往主探凸起帶轉(zhuǎn)向低部位的洼陷帶和斜坡帶，主要圍繞有利二次生烴周緣，尋找斷層活動弱、斷層兩側(cè)地層對置關(guān)系好的自生自儲型和上古生下古儲型有利圈閉。