金沙向斜龙潭组“三史”模拟与煤层气富集规律

韩明辉 杨 雪

（贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳 550081）

0 引言

贵州省煤层气资源丰富，主要集中在上二叠统龙潭组。过去对煤层气的研究主要集中在煤层赋存条件、含气性、煤组分、物性特征及有利区优选方面，而对于煤层成熟生烃演化历程方面的研究则较少。上二叠统煤系在经历了多期构造运动后，地层埋藏史、受热史和成熟演化史（简称“三史”）较复杂，对其具体演化经过还没有达到共识［1-4］。笔者以煤层最大镜质组反射率（Ro）数据为基础，收集区域构造演化资料，借鉴常规天然气“三史”分析模拟技术，以XC-1 井为例，使用Petromod 软件对金沙向斜龙潭组煤层埋藏史、受热史、成熟生烃史进行恢复分析，探索龙潭组成熟演化经过和煤层气富集规律，分析煤层气的保存条件，以期为煤层气开发提供依据。

1 地质背景

金沙向斜是黔北地区典型的高煤阶煤层气富集区，煤炭勘查程度较高，但煤层气开发进程相对滞后。2014 年后贵州省煤田地质局联合贵州盘江煤层气开发利用有限责任公司在金沙向斜部署地面煤层气井，并获得单井最高1 200 m3／d 的产气量，对金沙向斜煤层气勘探和开发具有重要意义。

1.1 概述

金沙向斜位于黔北地区，地处上扬子板块黔中隆起北端，夹持于岩孔背斜和安底背斜之间，向斜延伸长度约50 km，轴部走向近北东—南西向，东部地层倾角较陡，西部地层倾角较缓。该向斜经历了印支运动、燕山运动和喜马拉雅构造运动［5］，是黔北煤田重要的富煤单元。上二叠统主要的含煤地层为龙潭组，地层厚约130 m，向斜核部埋深最深超过1 500 m（图1），主要为潮坪—潟湖相沉积，岩性以细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、碳质泥岩、泥质石灰岩、煤为主（图2）。上覆地层长兴组岩性以燧石灰岩和生物碎屑灰岩为主，地层厚约40 m，与龙潭组整合接触。下伏地层茅口组岩性以燧石灰岩为主，与龙潭组呈假整合接触。龙潭组含煤共15 层，其中4、5、9、13、15 号煤层为主要可采煤层，煤类以无烟煤为主。

1.2 地质演化史

图1 金沙向斜龙潭组埋深等值线及富集有利区图

图2 金沙向斜上二叠统龙潭组综合柱状简图

中、晚二叠世之交发生东吴运动，沉积了龙潭组海陆交互相含煤碎屑岩夹碳酸盐岩地层，假整合覆盖于中二叠世茅口组海相碳酸盐岩地层之上。早—中三叠世海侵加大，本区处于碳酸盐台地环境，沉积碳酸盐建造，夹潮坪相陆源碎屑。晚三叠世早—中期受印支运动影响，地壳持续稳定上升，至晚期发生大规模海退。早侏罗世至早白垩世早期主要为内陆盆地平原河湖沉积［6］。金沙地区在早白垩世受燕山运动影响形成向斜构造。

2 “三史”模拟与模拟结果

黔北地区上二叠统龙潭组地层由于受到多期次构造运动的影响，因此煤层的生烃期次和保存条件也是煤层气富集的重要控制因素。笔者在地质演化的基础上采用Easy%Ro模拟技术，通过设定地层沉积年代、沉积厚度、剥蚀时间、剥蚀厚度、生烃潜力和岩性等基本地质参数，并调整古水深、古热流和沉积水表面温度3个边界条件，将钻孔实测的地温和Ro数据作为标定数据，调整地质参数和边界条件使模拟结果的地温数据和Ro与标定数据相符合，以使模拟过程接近真实地质历史过程（图3、图4）。

图3 XC-1井实测地温与理论地温关系图

图4 XC-1井实测Ro与理论Ro关系图

对XC-1井龙潭组的成熟演化历程进行模拟，揭示了煤层的主要生烃时期，从模拟结果可知，龙潭组的成熟演化主要经历了深成变质、岩浆受热和抬升冷却3 个阶段：①阶段1。晚二叠世至侏罗纪末，地层自龙潭组开始沉积，上覆地层持续沉积变厚，地层主要热源为深成变质作用。晚三叠世末埋藏深度迅速增加至4 165 m，煤层受热温度达130.91 ℃，地温梯度为3.14 ℃／100 m。在侏罗纪末煤层埋藏深度达到最大，为5 290 m（图5），此时煤层温度达到172.73 ℃（图6），地温梯度为3.26 ℃／100 m，此时煤层最大Ro达到1.75%（图7），煤层煤级由褐煤演化至瘦煤（图8）［7］，有机质由未成熟阶段进入成熟阶段。在此阶段中，距今225～145 Ma的时间内，即在晚三叠世至侏罗纪末，煤层最大Ro为0.7%～1.8%，是煤层气的生烃高峰期。②阶段2。侏罗纪末至早白垩世末，地层受到燕山运动影响抬升受到剥蚀，地层累计剥蚀厚度达1 750 m，深成变质作用减弱，地层主要热源为深成变质作用和区域岩浆作用。龙潭组地层在早白垩世中期达到最高古热流（75～78 mW／m2），地温为210 ℃（图6），地温 梯度为4.37 ℃／100 m。刘彦良等［8］也认为在燕山期时的地层温度为200～210 ℃。煤层最大Ro演化至2.64%（图7），煤层由瘦煤演化为无烟煤（图8），有机质由成熟阶段进入过成熟阶段，进入了生干气阶段。③阶段3。早白垩世末至今，受到燕山运动和喜马拉雅运动影响，地层埋深总体上进一步变浅，地层不断抬升，受到剥蚀，剥蚀厚度达3 529 m，仅在古近纪和第四纪接受少量沉积，煤层在此期间随着抬升不断冷却，地层温度降至现今的30.91 ℃，成熟演化作用在此期间停止，煤层保持无烟煤煤级。

图5 XC-1井“三史”综合模拟图

图6 金沙向斜龙潭组地层温度与时间关系图

图7 金沙向斜龙潭组煤层最大Ro与时间关系图

图8 煤级与Ro及气体生成关系示意图

已有前人对本地区地层隆升剥蚀量做过研究。罗开平等［6］63通过对本区取样进行裂变径迹热史模拟认为，晚白垩世以来的隆升剥蚀量达2 800 m。鲍园等［9］对水公河向斜进行“三史”模拟分析认为，燕山期地层抬升幅度达2 720 m，喜马拉雅期地层抬升剥蚀厚度达3 000 m。晚二叠世至侏罗纪末，随着龙潭组上覆地层沉积变厚，煤层在正常地温和上覆岩系静压力的影响下发生变质作用，即深成变质作用。侏罗纪末至早白垩世末，地层抬升受到剥蚀，剥蚀厚度达1 750 m，地层主要热源为深成变质作用和区域岩浆作用。刘进等［4］103认为燕山期的小型隐伏岩体是龙潭组局部煤变质程度高的主要原因。陶树等［1］19认为本区龙潭组地层的煤层在煤化作用过程中受深成变质作用时，也受到了区域岩浆热变质作用。早白垩世末至今，地层不断抬升，剥蚀厚度达3 529 m，煤层温度不断降低。本次模拟的剥蚀厚度和地质演化过程与前人研究成果基本相符。

3 保存条件与富集规律分析

基于前述对金沙向斜龙潭组煤层的埋藏—受热—演化—生烃过程的模拟和分析，该组煤层具有一定的生气潜力，但经历了多期次的构造运动。因此，保存条件是影响煤层气富集的重要因素。

3.1 保存条件分析

龙潭组的4、5、9、13 和15 号煤层在金沙向斜发育稳定，单层厚度一般小于3.0 m，可采煤层总煤厚平均为10.4 m，煤层间距横向展布较稳定，向斜核部埋深最深超过1 500 m，金沙地区埋深可达1 000 m（图9），展布形态总体表现为核部深、两翼浅、南缓北陡的特征。

对煤层气而言，煤系地层本身既是煤层气的生气层又是储气层，煤层附近的围岩亦是盖层，岩性以粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩和泥灰岩为主，且具有薄层、互层、岩性致密、弱含水性等特点，非均质性强。根据XC-1井煤层顶底板取样分析结果表明，围岩的突破压力较大，为9.2～31.7 MPa，煤系地层自身封闭性较好。对于常规盖层，上覆地层为长兴组，与龙潭组平行整合接触，岩性以泥质灰岩和燧石灰岩为主，厚度约45 m，岩性致密，区域内发育稳定，具有良好的盖层条件。

图9 金沙向斜A-B剖面示意图（剖面位置见图1）

构造运动造成的地层抬升和断裂对煤层气的保存条件具有重大影响。构造抬升导致向斜周围龙潭组上覆盖层剥蚀变薄甚至其自身被剥蚀裸露，不利于煤层气保存。在向斜核部地区上覆岩层保存条件较好，有利于煤层气的保存。断裂可使煤层气沿断层逸散，降低了富集程度，不利于保存。金沙向斜西部总体为宽缓向斜，地层倾角小，构造简单，断层较不发育，有利于煤层气保存。向斜东部地层倾角大，发育大型断裂，不利于煤层气保存。

3.2 富集规律分析

3.2.1 沉积相的时空展布控制了煤层发育程度

金沙向斜二叠纪以海相和海陆交互相为主，纵向上以龙潭组海陆交互相煤层发育最好。金沙向斜内龙潭组发育稳定的主要可采煤层以潟湖—泥炭沼泽亚相为主。因此龙潭组平面上以潟湖—泥炭沼泽亚相煤层发育稳定。

3.2.2 成藏演化阶段决定了煤层气富集的关键时期

通过对金沙向斜煤层气富集过程的分析，结合保存条件的综合研究，金沙向斜煤层气的成藏经历了以下3 个阶段：①沉积深成变质快速生气期。晚二叠世至侏罗纪末，龙潭组自沉积开始，地层埋深快速增加，煤层主要热源为深成变质作用，Ro演化至1.75%～1.80%，煤级演化至瘦煤，此阶段后期快速大量生气。②抬升岩浆受热持续生气期。侏罗纪末至早白垩世末，地层开始抬升，埋深逐渐变浅，主要热源为区域岩浆作用，Ro演化至2.60%～2.64%，煤级演化至无烟煤，此阶段煤层持续生气，储层未被岩浆破坏。③抬升定型保存期。早白垩世末至今，地层继续抬升，埋深变浅，煤层温度降低，停止演化，生气作用停止。沉积深成变质快速生气期和抬升岩浆受热持续生气期是煤层气富集的关键时期。

3.2.3 动态保存条件是煤层气后期保存的关键

晚三叠世至侏罗纪末，煤层埋深变深，受深成变质作用演化至瘦煤，是生气高峰期。此阶段上覆岩层变厚，断裂不发育，保存条件好。侏罗纪末至早白垩世末，煤层埋深变浅，但受区域岩浆作用继续演化至无烟煤，持续生气。此时，储层未被岩浆破坏，上覆岩层虽被剥蚀但仍较厚，处于一个富集程度较高的阶段。早白垩世末至今，受燕山运动和喜马拉雅运动影响，煤层持续变浅，温度降低，演化和生气停止，煤层气藏的保存条件主要受此阶段影响。向斜边缘地区盖层被剥蚀变薄甚至煤层出露，致使煤层气逸散。向斜南翼东部发育断裂，不利于煤层气保存。

3.2.4 构造样式决定煤层气富集规模

向斜构造比背斜构造更有利于煤层气富集。向斜核部一般煤层埋藏较深，具有天然维持地层压力的机制，向斜核部一般断裂、裂隙不发育，水动力影响弱［10］。背斜核部一般断裂、裂隙发育，且埋深相对较浅，不利于煤层气保存。向斜构造中的平缓构造带比高陡构造带更有利于煤层气赋存。向斜两翼地层倾角越大，张性断裂易发育，不利于煤层气保存。反之，向斜两翼地层倾角越缓，张性断裂不易发育，有利于煤层气保存［11］。

3.3 煤层气富集有利区优选

根据富集过程、保存条件和富集规律的综合分析，优选出金沙向斜的煤层气富集有利区（图1）。金沙—安洛—禹谟Ⅰ类富集有利区位于金沙向斜西部，构造形态宽缓，构造简单，断层发育少，煤层发育稳定，上覆盖层长兴组、夜郎组厚度大，封闭性好，生烃过程富集条件好，生烃后保存条件好。遵义—枫香Ⅱ类富集区位于金沙向斜东部北翼和核部，为一条带状，地层倾角大，周边发育断层，煤层发育稳定，上覆盖层长兴组和夜郎组地层未被剥蚀破坏，保存良好，生烃过程富集条件较好，生烃后保存条件较好。

4 结论

1）金沙向斜的煤层埋藏—受热—演化—生烃史主要划分为3个阶段，可简述为受到深成变质作用开始煤化至瘦煤，后叠加岩浆热变质作用演化至无烟煤，最后抬升冷却的过程。在早白垩世中期，地层达到最高温度（210 ℃）。距今225～145 Ma 是煤层气生烃高峰期。

2）从龙潭组的煤层展布情况、盖层条件和构造运动影响分析，认为金沙向斜整体保存条件较好。

3）金沙向斜煤层气的成藏经历了沉积深成变质快速生气期、抬升岩浆受热持续生气期、抬升定型保存期3个阶段的演化过程，其中沉积深成变质快速生气期为煤层气富集的主要阶段。

4）沉积相以海陆交互相龙潭组的潟湖—泥炭沼泽亚相煤层发育最稳定。沉积深成变质快速生气期和抬升岩浆受热持续生气期是煤层气富集的关键时期。抬升定型保存期决定了煤层气的最终保存条件。向斜构造中的平缓构造带更有利于煤层气保存。

5）根据金沙向斜龙潭组煤层气富集过程、保存条件和富集规律的综合分析，优选了金沙向斜煤层气的富集有利区。