湖南漣源凹陷早石炭世煤系氣共生組合特征與有利層段優(yōu)選

朱文卿，郗兆棟，唐書恒，龔明輝，王克營

(1.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長沙 410014；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

隨著非常規(guī)能源的勘探開發(fā)不斷深入，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)非常規(guī)油氣的成藏機(jī)理、賦存條件以及勘探開發(fā)技術(shù)等方面都有了更深的認(rèn)識(shí)[1-5]。連續(xù)型油氣藏概念的提出將煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣三種非常規(guī)油氣資源從形成機(jī)理、聚集條件、分布特征及開發(fā)技術(shù)方法等方面系統(tǒng)地聯(lián)系起來[6-8]。近年來，學(xué)者們從不同的角度對(duì)煤層氣、頁巖氣以及致密砂巖氣成藏機(jī)理展開了較為深入的研究[9-14]。總的來說，針對(duì)海陸過渡相造成煤層、煤系頁巖及煤系砂巖頻繁疊置互層的特征，討論了煤系氣成藏共生的機(jī)理及其生-儲(chǔ)-蓋的組合關(guān)系，建立了煤系氣共生組合模式。根據(jù)不同的煤系氣組合的地質(zhì)成因，基于小波分析、巖相等手段劃分了含氣系統(tǒng)，研究了煤系三氣合探共采的理論基礎(chǔ)及技術(shù)方法。有部分學(xué)者在煤系氣有利層段優(yōu)選、有利區(qū)優(yōu)選及資源評(píng)價(jià)方面也做了一定的研究工作。

湖南漣源凹陷石炭-二疊系煤系地層廣泛發(fā)育，前人只是針對(duì)這套地層的單一氣藏(主要是煤層氣)在沉積環(huán)境、生烴潛力及儲(chǔ)層物性等方面做了大量的研究工作，尚缺乏以整體視角研究該區(qū)煤系三氣合探共采的前景。因此，本文以湖南漣源凹陷早石炭世煤系測水組為研究對(duì)象，基于漣源凹陷內(nèi)的大量煤系鉆孔資料，分析漣源凹陷煤系氣共生組合模式及潛在的有利煤系氣層段，以期為相似沉積背景下(如邵陽凹陷、零陵凹陷、湘東南凹陷等)煤系非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

漣源凹陷位于湘中地區(qū)的中北部(圖1)，凹陷內(nèi)發(fā)育石炭系測水組及二疊系龍?zhí)督M兩套含煤地層。石炭系測水組發(fā)育煤層1～7層，其中，3號(hào)煤層和5號(hào)煤層發(fā)育穩(wěn)定全區(qū)可采，主要位于測水組下段，巖性以黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主[15-16]。測水組上段幾乎不含煤，巖性主要以石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主。臨近煤層巖性以黑色、灰褐色泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，遠(yuǎn)離煤層的巖性以灰綠色細(xì)粒石英砂巖及長石石英砂巖為主[17-18]。

圖1 漣源凹陷構(gòu)造位置示意圖

根據(jù)前人的研究成果并結(jié)合本文的井?dāng)?shù)據(jù)資料繪制了漣源凹陷煤巖厚度、泥頁巖厚度及砂巖厚度等值線圖(圖2)。研究區(qū)測水組煤層厚度介于0～8 m，在漣源市至錫礦山、溫塘一帶厚度最大，達(dá)到5 m以上，凹陷邊緣處相對(duì)較薄(圖2(a))。泥頁巖厚度與煤層厚度分布具有相似的趨勢，錫礦山-溫塘一帶是厚度高值區(qū)(>50 m)，并向凹陷邊緣處厚度依次減小(圖2(b))。 測水組砂巖厚度介于0～100 m，砂巖厚度高值區(qū)位于漣源，厚度達(dá)到70 m以上，錫礦山-溫塘一帶砂巖厚度介于50～70 m，凹陷邊緣處砂巖厚度較小。總體來看，漣源凹陷具有平面上煤層、泥頁巖及煤系砂巖廣泛分布且相互疊合的特點(diǎn)，具備煤系氣成藏共生的基礎(chǔ)。

圖2 漣源凹陷煤巖厚度、泥頁巖厚度及砂巖厚度等值線圖

2 煤系氣共生組合模式

巖相組合變化不僅具有沉積環(huán)境與層序地層指示意義，而且是煤系氣共生組合模式變化的重要參考依據(jù)[19-21]。通過對(duì)研究區(qū)鉆孔資料的分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)測水組煤系地層存在5種巖相組合類型(表1)。根據(jù)其巖性組合與生儲(chǔ)關(guān)系，歸納出研究區(qū)存在3種煤系氣共生組合模式(表2)。

表1 研究區(qū)測水組巖相組合類型

表2 研究區(qū)煤系氣共生組合模式

巖相組合A：以灰?guī)r與鋁土質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖為主，中間夾細(xì)砂巖、石英砂巖。此類型巖相組合沒有有效的烴源巖，且下伏地層多為砂巖與砂質(zhì)泥巖的大段互層，沒有氣源補(bǔ)給，灰?guī)r較厚，富含水，不利于煤系氣的生成與富集。

巖相組合B1：巖性以砂巖與砂質(zhì)泥巖為主。泥巖與砂巖互層且具有一定的累積厚度，泥頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)到高至過成熟。當(dāng)泥巖具有一定的有機(jī)質(zhì)豐度時(shí)，排出的烴類氣體橫向運(yùn)移的同時(shí)可垂向運(yùn)移至砂巖儲(chǔ)層中，從而可以形成煤系氣藏。

巖相組合B2：發(fā)育于在測水組下段下部，巖性以砂巖與炭質(zhì)泥巖為主。 炭質(zhì)泥巖為良好的烴源巖，砂巖為良好的儲(chǔ)集層，從而有利于煤系氣的生成。

巖相組合C：巖性以砂巖與泥巖為主，中間夾數(shù)層薄煤層。其中，泥巖與砂巖具有一定的單層厚度，靠近煤層的泥巖有機(jī)質(zhì)含量較高，巖性一般為炭質(zhì)泥巖，能夠?yàn)榕R近的砂巖層提供豐富的氣源。此類巖相組合中煤層往往較薄，但相比于泥巖，煤層具有較高的生烴強(qiáng)度，可以作為一定的氣源補(bǔ)給。該巖相組合有利于煤系氣的形成。

巖相組合D：巖性以泥巖與煤層為主。其中，泥巖多為炭質(zhì)泥巖或富有機(jī)質(zhì)黑色粉砂質(zhì)泥巖，煤層具有一定的單層與累積厚度。泥巖層與煤層具有自生自儲(chǔ)的特征，且可為上下儲(chǔ)集性較好的砂巖層提供氣源補(bǔ)給。該巖相組合最有利于煤系氣的形成。

巖性組合E：巖性以砂巖與煤巖為主。其中，煤層具有一定的單層與累積厚度，一般夾于砂巖層之中。煤的生烴強(qiáng)度與生烴總量較大，除滿足煤層自身的生儲(chǔ)之外，還可以向上運(yùn)移至砂巖中。當(dāng)砂巖厚度不大時(shí)，還可為其他巖性組合做氣源補(bǔ)給。該類巖相組合也是測水組的重要煤系氣組成模式。

3 煤系氣共生組合評(píng)價(jià)

本文采用了選用分級(jí)加權(quán)法對(duì)研究區(qū)煤系氣有利層段進(jìn)行評(píng)價(jià)(表3)。煤系氣具有自生自儲(chǔ)的特征，因此氣源條件和儲(chǔ)集能力是評(píng)價(jià)煤系氣有利層段的兩個(gè)重要方面。在研究區(qū)漣源凹陷內(nèi)選取了4口鉆孔進(jìn)行測水組地層對(duì)比(圖4)，并重點(diǎn)對(duì)2015H-D6鉆孔進(jìn)行了層序地層、地化、孔滲、含氣性等特征的綜合分析，評(píng)價(jià)了早石炭世測水組煤系氣共生組合特征及有利的勘探層段(圖3)。

表3 研究區(qū)煤系氣有利層段評(píng)價(jià)參數(shù)

圖3 2015H-D6井煤系氣綜合柱狀圖

3.1 典型井評(píng)價(jià)

2015H-D6鉆孔顯示測水組具有煤層、頁巖及砂巖垂向相互疊合的特征。測水組下段下部(深度介于1 296～1 340 m)以灰黑色潟湖相泥頁巖和障壁島砂巖為主，屬巖相組合B類。泥頁巖厚度達(dá)到30 m，其中，深度介于1 314～1 318 m的泥頁巖TOC含量介于2.12%～9.19%，平均為4.62%，具有較好的生烴潛力，可以作為煤系氣藏的烴源巖。巖相組合中的砂巖厚度約為12 m，臨近于富有機(jī)質(zhì)頁巖，孔隙度平均為1.80%，含氣飽和度為36.3%，表明其具有一定的儲(chǔ)集能力。此類巖相組合的大部分泥頁巖的TOC含量均低于2%，但具有較大的連續(xù)厚度，可以作為煤系氣藏的補(bǔ)充氣源和蓋層?？傮w來看，測水組下段下部的這類巖相組合以炭質(zhì)頁巖為主要的烴源巖，砂巖層為主要的儲(chǔ)集層，可以形成頁巖氣-砂巖氣的煤系氣藏組合模式。但該類煤系氣藏?zé)N源巖累計(jì)厚度相對(duì)較小，且含氣量較低，砂巖層的孔隙度較低，儲(chǔ)集性相對(duì)較差，因此不能視其為有利的煤系氣層段(表4)。

表4 研究區(qū)煤系氣有利層段評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)

測水組下段上部(深度1 270～1 296 m)以沼澤相煤層和潮坪-潟湖相砂巖為主，屬巖相組合E類。煤層累計(jì)厚度達(dá)到7 m以上且含氣量平均高于15 m3/t，具有較大的生烴潛力，可視為該巖相組合的烴源巖。此外，該巖相組合頂部發(fā)育多層薄層的炭質(zhì)頁巖，TOC含量平均大于4%，可以作為補(bǔ)充氣源。砂巖累計(jì)厚度達(dá)到13 m，與煤層互層，具有相對(duì)較高的孔隙度(平均>2%)和含氣飽和度(平均>42%)。該類巖相組合以煤層為主要的烴源巖，砂巖層作為主要的儲(chǔ)集層，形成煤層氣-砂巖氣的煤系氣共生組合模式。該類煤系氣組合模式烴源巖具有較大的累計(jì)厚度及較強(qiáng)的生烴能力，砂巖層具有較好的儲(chǔ)集能力和累計(jì)厚度，因此可以視為研究區(qū)有利的煤系氣勘探層段。測水組上段厚112.2 m，巖性主要為石英細(xì)砂巖(總厚83.2 m)，其次為泥灰?guī)r與灰質(zhì)泥巖(總厚22.8 m)，泥巖厚5.2 m。測水組上段泥巖較薄，且以薄夾層的形式分布于厚段砂巖之間，無法形成有效烴源巖，不利于煤系氣的形成。

3.2 煤系氣地質(zhì)剖面

基于上述對(duì)研究區(qū)測水組典型鉆孔2015H-D6煤系氣共生組合特征的綜合分析，采用同樣的分析方法對(duì)研究區(qū)ZK1003鉆孔、漣頁二井鉆孔、ZK6603鉆孔、漣頁一井鉆孔、ZK5401鉆孔與ZK2010鉆孔等進(jìn)行了煤系氣綜合分析，進(jìn)而建立了研究區(qū)煤系氣地質(zhì)連井剖面。由于受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積環(huán)境的影響，漣源凹陷測水組煤系地層的巖相組合特征存在明顯的相變，在漣源凹陷中部一帶的測水組下段主要發(fā)育3類煤系氣組合模式。

在漣源凹陷溫塘-錫礦山一帶，由于煤層和泥頁巖厚度相對(duì)較為發(fā)育而砂巖相對(duì)較薄，因此主要發(fā)育煤層氣-頁巖氣的煤系氣組合模式，其主要沉積環(huán)境為潟湖-沼澤相，以富有機(jī)質(zhì)泥巖為主并夾多套煤層。煤巖與泥頁巖可作為主要的烴源巖及儲(chǔ)集層，同時(shí)泥頁巖可充當(dāng)蓋層。這類煤系氣組合模式可能是溫塘-錫礦山一帶有利的煤系氣組合模式(如ZK1003鉆孔，圖2和圖4)。

圖4 研究區(qū)測水組煤系氣地質(zhì)剖面

漣源凹陷中部煤層和砂巖相對(duì)發(fā)育而泥巖厚度相對(duì)較薄，且泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)偏低，因此主要形成以煤層氣-砂巖氣為主的煤系氣組合模式(如2015H-D6鉆孔，圖2和圖4)。其主要的沉積環(huán)境為潮坪-沼澤相，以砂巖為主并夾多套煤層，煤層為主要的氣源巖。這類煤系氣組合模式可能是漣源凹陷中部一帶有利的煤系氣組合模式。

漣源一帶主要以砂巖發(fā)育為主，泥頁巖和煤層厚度較薄，由于缺少烴源巖，難以形成有利的煤系氣組合模式(如漣頁二井鉆孔，圖2和圖4)。部分地區(qū)可能存在相變，以及煤層氣-頁巖氣-致密砂巖氣的煤系氣組合模式(如ZK6603鉆孔，圖4)。其沉積環(huán)境主要為障壁島-潮坪相，以泥巖與砂巖為主并夾煤線，泥巖為主要?dú)庠磶r，砂巖為良好的儲(chǔ)集層。

煤層對(duì)漣源凹陷煤系氣藏起關(guān)鍵作用，相比于泥頁巖，煤層具有明顯較高的含氣性。盡管研究區(qū)泥頁巖具有較大的累計(jì)厚度，但富有機(jī)質(zhì)頁巖(TOC>2%)連續(xù)厚度較小，因此生烴潛力遠(yuǎn)小于煤層。此外，研究區(qū)煤層也具有相當(dāng)?shù)睦塾?jì)厚度，因此煤層既可以作為烴源巖為上覆儲(chǔ)集層提供氣源也可以作為儲(chǔ)集層，泥頁巖則多視為蓋層。研究區(qū)砂巖多與煤層互層分布，且具有一定的孔滲性，可以作為良好的儲(chǔ)集層。因此研究區(qū)有利的煤系氣組合模式可能主要以煤層氣-砂巖氣為主，位于漣源凹陷中部一帶。有一點(diǎn)值得注意，由于研究區(qū)存在較為明顯的相變，部分地區(qū)可能以煤層氣-頁巖氣的煤系氣組合模式為主。

4 結(jié) 語

湖南漣源凹陷早石炭世測水組煤層、煤系頁巖及煤系砂巖廣泛分布且相互疊置，可劃分為5種巖相組合類型。根據(jù)巖相組合類型建立了單源雙儲(chǔ)、雙源雙儲(chǔ)及雙源三儲(chǔ)3種煤系氣共生組合模式。基于煤層、煤系頁巖及煤系砂巖的生烴潛力、物性特征、含氣性及潛在的開發(fā)潛力，建立了研究區(qū)煤系氣地質(zhì)剖面。以典型鉆孔為例，選用分級(jí)加權(quán)法對(duì)研究區(qū)煤系氣有利層段進(jìn)行評(píng)價(jià)。漣源凹陷煤系氣有利層段位于測水組下段上部，存在以煤層為主要烴源巖、砂巖為主要儲(chǔ)集層的最為有利的煤層氣-砂巖氣有利煤系氣組合模式，主要分布于漣源凹陷中部。