鄂爾多斯盆地東緣上古生界煤系氣共生組合模式

劉 闖

（1.中國石化上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院，上海 200120；2.中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院，山東 青島 266580）

煤系氣是基于天然氣儲層成因類型提出的概念，泛指儲存在含煤地層中的多種天然氣，近年來受到廣泛的關(guān)注［1-3］。對于煤系氣所涵蓋的范圍，大多數(shù)學者認為主要包括煤系致密砂巖氣、煤系頁巖氣和煤系煤層氣，也有學者將煤系天然氣水合物、碳酸鹽巖氣劃分到其中［4-5］。為了界定研究范圍，前人提出了更為精確的定義，即煤系“三氣”，特定指代煤系致密砂巖氣、煤系頁巖氣和煤系煤層氣［6-7］，本文也是針對這三種煤系非常規(guī)天然氣開展討論的。通過對臨興地區(qū)烴源巖的分析，對煤系氣共生組合模式進行精細分類，解析典型鉆井實例，以期指導后續(xù)的勘探開發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

臨興地區(qū)位于山西臨縣和興縣境內(nèi)，構(gòu)造位置上處于鄂爾多斯盆地東緣的伊陜斜坡和晉西撓褶帶上，面積約2 500 km2，總體呈現(xiàn)為單斜構(gòu)造（圖1）。研究區(qū)周邊的河東煤田保德礦區(qū)、三交礦區(qū)、大寧—吉縣區(qū)塊、渭北煤田韓城礦區(qū)、陜北煤田府谷礦區(qū)、延川南區(qū)塊煤層氣儲量豐富，周緣的大牛地、榆林、神木、子洲、米脂氣田致密砂巖氣探明儲量接近千億方［8-11］。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及臨興地區(qū)位置［12］

上古生界地層自下而上發(fā)育上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組和山西組、中二疊統(tǒng)石盒子組、上二疊統(tǒng)石千峰組。下伏下古生界中奧陶統(tǒng)馬家溝組與上古生界底部本溪組呈平行不整合接觸，標志層為本溪組底部的鐵鋁土層風化殼，兩者之間的上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)缺失，為加里東時期地層抬升遭受剝蝕所致［13］，上覆三疊系劉家溝組與上古生界頂部石千峰組呈整合接觸。研究區(qū)整個上古生界地層內(nèi)部連續(xù)沉積，相鄰層段間整合接觸（圖2）。臨興地區(qū)整體地勢相對平緩，地層傾斜角度小，呈現(xiàn)為北部地勢相對較高、南部地勢略低的單斜構(gòu)造，從底部本溪組到頂部石千峰組，地層呈繼承性發(fā)育。臨興地區(qū)中部受控于紫金山隆起的影響，發(fā)育環(huán)形展布的斷層，呈放射狀［14］。

圖2 鄂爾多斯盆地臨興及周緣地區(qū)地層發(fā)育特征

2 烴源巖條件

對于含煤地層而言，煤和暗色泥巖都可以成為致密砂巖氣的來源［15-16］。臨興地區(qū)上古生界發(fā)育廣覆式分布的海陸交互相煤系烴源巖，煤和暗色泥巖作為主力烴源巖在盆地內(nèi)廣泛發(fā)育［17］。本溪組、太原組和山西組均有煤層發(fā)育和暗色泥巖發(fā)育，煤以半亮煤和半暗煤為主，表現(xiàn)為質(zhì)輕、易碎、污手等特征，具有玻璃光澤，斷口參差狀或階梯狀，暗色泥巖致密，可見炭屑、植物碎屑等。山西組為三角洲相沉積，發(fā)育分流河道、分流間灣、沼澤等沉積微相；本溪組、太原組主要為障壁海岸沉積環(huán)境，沉積亞相包括障壁島、潟湖、潮坪，發(fā)育障壁砂壩、潟湖、潮道、砂坪、混合坪、灰坪、泥炭沼澤等7種微相。根據(jù)L-20 井測井曲線與煤、暗色泥巖的對比關(guān)系可知，煤層在測井曲線上一般表現(xiàn)為低自然伽馬、低電阻率、低密度、高聲波的特點，暗色泥巖在測井曲線上一般表現(xiàn)為高自然伽馬、高密度、低聲波的特征。

2.1 有機質(zhì)豐度

對于臨興地區(qū)整個含煤地層而言，本溪組煤的有機碳含量主要集中在20%～40%和60%～90%兩個區(qū)間內(nèi)，平均含量約為52.2%；太原組煤的有機碳含量分布在40%～80%之間的樣品占90%，平均含量約為56.2%；山西組煤的有機碳含量平均約為35.0%。相對而言，本溪組和太原組中的煤層有機碳含量較高，生烴潛力較大。暗色泥巖的有機碳含量絕大部分小于10%，約占總數(shù)的91.2%。本溪組暗色泥巖的有機碳含量分布范圍0.11%～9.1%，平均值為3.1%；太原組暗色泥巖的有機碳含量分布范圍0.37%～76.1%，平均值為11.4%；山西組暗色泥巖的有機碳含量分布范圍0.1%～3.97%，平均值為1.7%。值得注意的是，太原組部分暗色泥巖有機碳含量較高，最高可達76.1%，其共性在于這部分暗色泥巖中都含有較多的炭質(zhì)成分。

煤的生烴潛量明顯優(yōu)于暗色泥巖。本溪組煤的生烴潛量最低可至0.46 mg/g，最高可達250 mg/g，平均約為65.0 mg/g。太原組煤的生烴潛量分布范圍2.02～309.37 mg/g，平均約為119.2 mg/g，是臨興地區(qū)生烴潛量最好的層段。山西組煤的生烴潛量分布范圍5.06～97.4 mg/g，平均約為38.7 mg/g。

整體而言，縱向上隨著地層埋深的增加，煤的生烴潛量具有先大幅增加后略微降低的趨勢。本溪組暗色泥巖生烴潛量平均約為2.1 mg/g，太原組暗色泥巖生烴潛量平均約為19.0 mg/g，山西組暗色泥巖生烴潛量平均約為3.8 mg/g。隨著地層埋深的增加，暗色泥巖生烴潛量也具有先大幅增加后略微降低的趨勢。與有機碳類似，太原組部分暗色泥巖生烴潛量最高可達187.8 mg/g，高于煤的平均生烴潛量，也是由于這部分暗色泥巖中大量的炭質(zhì)成分導致的。

從臨興地區(qū)L-20 井上古生界烴源巖有機質(zhì)豐度特征柱狀圖可以看出，本溪組和太原組有機碳含量高，生烴潛量大，屬于中等—好的烴源巖（圖3）。山西組烴源巖有機碳含量不高，生烴潛量相對較小，但是由于暗色泥巖厚度較大，故而也是臨興地區(qū)上古生界主力的烴源巖。

圖3 臨興地區(qū)L-20井上古生界烴源巖有機質(zhì)豐度柱狀圖

2.2 有機質(zhì)類型

臨興地區(qū)上古生界烴源巖中鏡質(zhì)體多為條帶狀、碎屑狀、絲狀，零散分布，部分鏡質(zhì)體中可見氣孔結(jié)構(gòu)。通過對37 塊煤和110 塊暗色泥巖樣品提取的干酪根進行鑒定，計算各組分之間的相對百分含量。結(jié)果表明，臨興地區(qū)含煤地層干酪根以鏡質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組含量主要分布范圍60%～100%，平均約為73.1%；其次為惰質(zhì)組，主要分布范圍0～30%，平均約為13.4%；腐泥組含量分布跨度較大，最高可達80%，但整體平均含量不高，平均約為9.3%；殼質(zhì)組含量最少，平均含量僅4.3%。

根據(jù)干酪根各顯微組分的相對含量，采用類型指數(shù)T值，對干酪根的類型進行劃分（圖4）。110 塊暗色泥巖干酪根顯微組分測試及計算T值結(jié)果顯示，臨興地區(qū)含煤地層干酪根T值分布范圍-88.9%～38.6%，其中超過91.8%的T值小于0，故而臨興地區(qū)含煤層段以Ⅲ型干酪根為主，含有少量的Ⅱ2型干酪根，不含Ⅱ1型干酪根和Ⅰ型干酪根。37 塊煤樣干酪根顯微組分測試及計算T值結(jié)果顯示，臨興地區(qū)含煤地層煤樣干酪根T值分布范圍-100%～61.3%，其中超過81.1%的T值小于0，故而臨興地區(qū)含煤層段的煤以Ⅲ型干酪根為主，含有少量的Ⅱ2型干酪根，極少的Ⅱ1型干酪根，不含Ⅰ型干酪根。

圖4 臨興地區(qū)含煤地層干酪根顯微組分特征

2.3 有機質(zhì)成熟度

臨興地區(qū)含煤層段92 塊烴源巖樣品鏡質(zhì)體反射率Ro數(shù)值范圍0.8%～2.3%，平均值約為1.1%，處于成熟階段。其中，煤的Ro數(shù)值范圍0.9%～2.3%，平均值約為1.1%，而暗色泥巖的Ro分布相對集中，分布范圍0.8%～1.8%，平均值約為1.1%。臨興地區(qū)各含煤地層煤的Ro相差不大，對于暗色泥巖而言，本溪組有機質(zhì)成熟度最高，其次為太原組，最后為山西組。本溪組、太原組、山西組暗色泥巖的Ro平均值依次為1.3%、1.1%、0.9%。含煤層段146 塊烴源巖樣品最高熱解峰溫Tmax 檢測結(jié)果表明，Tmax最小值為312 °C，最大值可達591 °C，平均值約為472°C。綜上所述，臨興地區(qū)含煤地層烴源巖整體處于高成熟階段。

3 煤系氣共生基本單元

對于煤系致密砂巖氣藏而言，氣源巖為暗色泥巖和煤層，儲集層為致密砂巖；對于煤系頁巖氣而言，氣源巖既可以是煤層，也可以是自身暗色泥巖；對于煤系煤層氣而言，氣源巖和儲集層都為煤層本身［6］。不同學者根據(jù)各自臨興地區(qū)的巖性組合模式，對煤系非常規(guī)天然氣組合類型進行了劃分，其劃分結(jié)果具有一定的區(qū)域適應性。為了使組合模式更具有普遍適用性，從而指導后期的“三氣”合采，本文采取一定的簡化方式，構(gòu)建煤系氣共生組合的基本單元，在基本單元的基礎上，衍生適用于臨興地區(qū)的復雜組合模式。根據(jù)臨興地區(qū)上古生界致密砂巖、暗色泥頁巖和煤層的縱向分布情況，基于烴源巖、儲集層和蓋層的巖性差異及組合關(guān)系，將煤系氣的共生組合關(guān)系簡化為如下基本單元（圖5）：

圖5 煤系氣共生模式基本單元

（1）源儲一體型：烴源巖生成的天然氣以吸附態(tài)或游離態(tài)儲存在原烴源巖內(nèi)形成氣層，頁巖氣和煤層氣均屬于此種類型，暗色泥頁巖和煤層縱向疊置，形成頁巖氣和煤層氣的共生。由于煤層的產(chǎn)氣能力遠遠超過暗色泥頁巖，當煤層另一側(cè)的遮擋巖層具有足夠的封蓋能力時，若煤層所產(chǎn)氣體超過煤層本身儲氣能力，在烴濃度的驅(qū)使下，天然氣有可能從煤層向頁巖中進行短距離的運移，此時兩者組合類型便屬于源儲接觸型。根據(jù)煤層和頁巖的相對位置，可以分為2種模型。

（2）源儲緊鄰型：烴源巖和儲集層直接接觸，烴源巖生成的天然氣從烴源巖層短距離運移到相鄰儲集層中聚集成藏。當致密砂巖與暗色泥頁巖直接接觸、且暗色泥頁巖具有足夠的產(chǎn)氣能力時，暗色泥頁巖排出的部分天然氣進入致密砂巖儲集層中，形成致密砂巖氣和頁巖氣的共生；當致密砂巖與煤層直接接觸，且煤層具有足夠的產(chǎn)氣能力時，煤層排出的部分天然氣進入致密砂巖儲集層中，形成致密砂巖氣和煤層氣的共生；當致密砂巖、暗色泥頁巖、煤層同時存在時，致密砂巖中的天然氣可能來自泥頁巖，也可能來自煤層，也可能兩者兼有，從而在縱向上疊置形成致密砂巖氣、頁巖氣和煤層氣的三者共生。對于“兩氣”共生模式而言，根據(jù)烴源巖和儲層的相對位置，可以進一步劃分為下生上儲型和上生下儲型。下生上儲型代表致密砂巖層位于暗色泥巖層或煤層上方，天然氣由下往上運移，砂巖層上部被其它致密巖層封堵，其封堵機理為物性封閉。上生下儲型代表致密砂巖層位于暗色泥巖層或煤層下方，烴源巖生成的天然氣發(fā)生倒灌，由上往下運移，上部暗色泥巖層或煤層被其它更為致密的巖層封堵，致密砂巖氣藏封堵機理為烴濃度封閉。對于“三氣”共存的源儲接觸型煤系氣組合，同樣可以形成下生上儲型和上生下儲型。當煤層位于頁巖層和致密砂巖層之間時，煤層產(chǎn)生的天然氣可能向兩側(cè)的頁巖和致密砂巖運移，形成中生邊儲的源儲結(jié)構(gòu)。當致密砂巖層位于煤層和頁巖層之間時，煤層和頁巖層產(chǎn)生的天然氣可能由兩側(cè)向中間的致密砂巖層運聚，形成邊生中儲的源儲結(jié)構(gòu)。根據(jù)致密砂巖、頁巖和煤層的相對位置，中生邊儲和邊生中儲結(jié)構(gòu)分別可以劃分為2 種模式。

（3）源儲分離型：烴源巖和儲集層未直接接觸，通過砂巖、裂縫、斷層或多元素輸導體系，烴源巖排烴生成的天然氣從烴源巖層運移到儲集層中聚集成藏。同樣，根據(jù)烴源巖和儲層的相對位置，也可以進一步劃分為下生上儲型和上生下儲型。由于運移距離相對較長，天然氣從上部往下運移所需要的烴濃度會非常高，所以上生下儲型可能會比較少見甚至難以存在。根據(jù)輸導體系的差異，可以劃分為砂體輸導型、裂縫輸導型和斷層輸導型。根據(jù)烴源巖的差異，每一種輸導型可以進一步劃分為煤層氣源型和泥頁巖氣源型。

綜上所述，源儲一體型具有2種類型，源儲緊鄰型分為12 種類型，源儲分離型包括6 種類型，因而煤系氣共生組合的基本單元可以劃分為3 個大類，細分為20種小類。

在以上三個基本單元的基礎上，可以形成多種衍生模式。如，在源儲一體型煤層氣和頁巖氣共生模式中，受控于沉積環(huán)境的影響，煤層和暗色泥頁巖層出現(xiàn)頻繁互層，衍生為煤層氣-頁巖氣-煤層氣-頁巖氣或頁巖氣-煤層氣-頁巖氣-煤層氣等互層型共生模式。再如，在源儲接觸型致密砂巖氣-煤層氣共生模式中，如果煤層底板仍為具有一定儲集能力的致密砂巖，在煤層產(chǎn)氣能力充足的情況下，天然氣由煤層氣向上下頂?shù)装迳皫r都進行短距離運移，形成致密砂巖氣-煤層氣-致密砂巖氣的共生組合模式?；蛑旅軐由舷戮幻簩铀鶌A持，致密砂巖氣來源于上、下煤層中，組合成煤層氣-致密砂巖氣-煤層氣模式，形成類似于“三明治”結(jié)構(gòu)的共生模式。

4 典型鉆井實例

（1）頁巖和煤層組合。L-1 井太原組底部和本溪組頂部過渡區(qū)域，深度2 064～2 092 m，地層厚度28 m，為泥炭沼澤相沉積。頂部致密的頁巖可作為封蓋層，下部四層炭質(zhì)泥巖和三層煤層互相疊置。最厚的炭質(zhì)泥巖層為上部第一套炭質(zhì)泥巖層，深度2 066～2 077 m，厚度11 m，位于太原組最底部。最主力的煤層為上部第一套煤層，深度2 077～2 081 m，厚度4 m，位于本溪組最頂部，也是含煤層段中的下煤組8 號和9 號煤層（圖6a）。炭質(zhì)泥巖層和煤層既可以作為烴源巖，也可以作為儲層，均具有一定的產(chǎn)氣和儲層能力，加上頂部致密泥巖層的封蓋，可以形成頁巖氣和煤層氣的多層交互疊置。

（2）致密砂巖和頁巖組合。L-7 井太原組地層深度1 954～1 977 m，地層厚度23 m，頂部致密泥巖層為封蓋層，三套炭質(zhì)泥頁巖層中間夾有兩套砂巖層（圖6b）。炭質(zhì)泥頁巖層為該套地層的烴源巖層和儲集層，自身儲氣的同時也為中間兩層砂巖提供氣源，形成頁巖氣-致密氣-頁巖氣-致密氣-頁巖氣的縱向疊置。

（3）致密砂巖和煤層組合。L-8 井本溪組地層深度1 961～1 985 m，地層厚度24 m。上部為中砂巖，中部為細砂巖，底部為煤層（圖6c）。底部煤層作為氣源巖，為上部兩套砂巖提供天然氣，形成源儲緊鄰型致密砂巖氣藏，同時煤層自生自儲形成煤層氣，頂部致密泥巖層為封蓋層，縱向上形成致密砂巖氣-煤層氣的疊置。

（4）致密砂巖、頁巖和煤層組合。L-10 井本溪—太原組過渡區(qū)域，深度范圍1 700～1 739 m，地層厚度39 m。頂部為太原組致密泥巖層，為該套地層的封蓋層。1 704～1 723 m發(fā)育19 m厚的細砂巖，氣測顯示為較好的致密砂巖氣藏，其氣源巖為下部的暗色泥頁巖和煤層。深度1 725.5～1 733.5 m 為下煤組8 號和9 號煤層，厚度8 m。上部砂巖和下煤組8 號和9 號煤層之間夾有炭質(zhì)泥巖層和薄煤層（圖6d）。該套地層形成致密砂巖氣-煤層氣-頁巖氣-煤層氣的疊置組合。

圖6 臨興地區(qū)致密砂巖、頁巖和煤層組合

5 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地東緣上古生界煤和暗色泥巖均為主力烴源巖，以Ⅲ型干酪根為主，含有少量的Ⅱ2型干酪根，鏡質(zhì)體反射率Ro均大于0.8%，整體處于高成熟階段；

（2）根據(jù)致密砂巖、暗色泥頁巖和煤層的縱向分布情況，基于烴源巖、儲集層和蓋層的巖性差異及組合關(guān)系，將煤系氣的共生組合關(guān)系簡化為源儲一體型、源儲緊鄰型和源儲分離型3個大類；

（3）根據(jù)巖性組合的相對位置、烴源巖及輸導體系的差異，可以進一步細分為20 種小類，其中源儲一體型具有2 種類型，源儲緊鄰型分為12 種類型，源儲分離型包括6種類型，形成多種衍生組合模式。