黄陵矿区一号煤矿中侏罗统延安组2号煤层“三史”演化过程单井数值模拟

唐佳阳，唐胜利

(1.西安科技大学地质与环境学院，煤炭绿色开采地质研究院，西安 710054；2.中煤西安设计工程有限责任公司，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

成煤原始物质经泥炭化和煤化作用过程可演化为不同变质程度的煤岩并在不同演化阶段生成不同成因类型的煤层气[1]。研究含煤地层在不同地质历史时期的埋藏史、受热演化史和成熟史(简称 “三史”)，可为揭示煤系气的成因机制、成藏条件及成藏动力学系统提供理论依据。国内外学者通过对剥蚀量的恢复计算及地质演化过程的数值模拟技术，研究了不同含煤盆地的构造-埋藏演化过程[2-4]。例如，韩载华[2]采用声波时差和镜质组反射率两种方法对西湖凹陷8口井三个主要剥蚀面上的剥蚀量进行计算，并对不同次级构造单元的埋藏史进行恢复，认为该地区剥蚀厚度小于500m，其中中央反转构造带剥蚀量最大；李兴伟[3]通过Petromod 1D软件对松辽盆地北部大庆长垣地区埋藏史和热演化史和生烃史进行了模拟，认为该区埋藏过程为“两升三降”型，并且青一段烃源岩在明水末期埋深最大，已达排烃门限，为成藏关键时期；罗寿兵等人[4]通过地层回剥技术，结合地层接触关系、构造运动期次、钻井地层厚度和岩性资料的分析，得到5种不同地质意义的沉降类型，并认为四川复合型前陆盆地的沉降机制主要为挠曲负载，即由于造山带载荷与沉积载荷不同导致了自晚三叠世以来两次大的沉降量。因此，针对不同地区开展主要目的层的“三史”地质演化过程研究可为分析盆地形成机制、烃源岩生排烃阶段及油气资源潜力评价提供基础信息[5-6]。

黄陵矿区是我国西部典型的煤油气共生的盆地之一。近年来，国内学者主要集中对该区成煤环境、煤层围岩油气、煤层气富集规律等进行了详细研究[7-9]，但对于该区的受热演化史、烃源岩成熟、生烃、排烃和演化阶段研究还不够详尽。本文以黄陵矿区一号煤矿中侏罗统延安组2号煤层为研究对象，运用Petromod 1D 模拟软件对该区含煤地层的埋藏史、受热演化史和生烃史进行模拟研究，研究结果对认识该区地质演化及煤层气资源的成藏过程具有重要的现实意义。

1 地质概况

1.1 区域地质概况

黄陵矿区位于鄂尔多斯盆地东南部，构造上位于华北板块西部陕北斜坡带庆阳单斜的东南角，南与彬长坳褶带毗邻，北与延安单斜和榆林单斜接壤(图1)，其地表受流水、风化剥蚀等外动力地质作用改造而切割强烈。中生代以来构造活动及岩石变形较为发育，西侧发育为隆起带，东侧发育为平缓褶皱带。一号煤矿中侏罗统延安组为一套陆相碎屑煤系沉积，延安组沉积相为河流相与湖泊相[9]，该煤系经历了多期次构造运动的叠加与改造，具有复杂的地质演化过程[11-14]。

图1 黄陵矿区区域图[10]Figure 1 Regional geological map of Huangling mining area(after reference [10])

晚三叠世末到早侏罗世，盆地受印支运动影响整体表现为东强西弱的不均匀抬升，盆地上三叠统地层遭受长时间不均匀剥蚀，区域上延安组与上覆侏罗统之间存在平行不整合或角度不整合接触，局部可能发生了褶皱变形。侏罗世早期，侵蚀谷中发育的以中颗粒为主的河流砂岩，并形成了相对较好的储集层。至中侏罗世，构造活动相对较弱，盆地整体下沉，为聚煤作用提供了适宜的环境，并形成了一套以滨湖三角洲和河流冲积平原的为主的含煤地层；晚白垩世的燕山运动，使得地层抬升，遭受剥蚀，地层的缺失多处晚侏罗世沉积，下白垩统直接不整合接触于中侏罗统直罗组之上。至始新世，地层又有少量的沉降，新近纪又经历了喜马拉雅山运动，使地层继续遭受抬升和剥蚀。

1.2 含煤地层

该区含煤地层为中侏罗统延安组，是由灰白色砂岩、粉砂岩、深灰色粉砂质泥岩以及泥岩夹煤层组成。含煤地层产状沿走向和倾向变化不大，整体呈一向北西西缓倾斜的单斜构造，斜角1°～5°。研究区内侏罗系一共发育有4层煤层，自上而下分别为0、1、2、3号煤层，其中2号煤层为区内主采煤层，煤层厚度约为2.8m，煤变质程度相对较低，属低中灰、特低硫、高发热量、富油的弱黏气煤[14]。煤镜质体最大反射率为0.67%～0.79%。黄陵矿区一号煤矿侏罗系含煤地层自上而下可分为直罗组和延安组，根据岩性与地层接触关系又将直罗组和延安组各分为四段，即J2z4、J2z3、J2z2、J2z1和J2y4、J2y3、J2y2、J2y1。各层埋藏深度、岩性及沉积特征如图2所示。

图2 黄陵矿区一号煤矿含煤地层综合柱状图Figure 2 Comprehensive stratigraphic column of coal-bearingstrata in coalmine No.1, Huangling mining area

2 “三史”恢复模拟研究方法

盆地埋藏史恢复通常分为正演法和反演法两大类，本文采取反演法中的回剥法进行地层恢复模拟，即主要利用沉积压实原理 (孔隙度较少，但骨架厚度不变)，按照地质年代由新到老层层剥去， 直至地层全部剥完为止，最终得到单井剥蚀厚度与埋深的关系。其中，需要考虑沉积压实、地层剥蚀、断层等事件[15-16]。

在正常压实过程中，地层孔隙度和深度存在指数关系[17]：

β=β0eZC

(1)

式中，β为埋深Z时孔隙度，%；β0地表孔隙度，%；Z深度，m；C为压实常数。

骨架厚度与埋深关系式如下[16]：

(2)

式中：Hs为骨架厚度，m；Z1、Z2为某层深度(Z2>Z1)，m。

地层剥蚀厚度可通过公式(3)计算[17]：

(3)

式中：各参数的含义同上。

本文受热史恢复采取反演法，生烃史采用Petromod软件系统中的EASY%Ro法，即在其他地质条件不变的基础下，参照地温梯度(2.6℃/100m)、古热流值(66.04mW/m2)、地表温度(10.45℃)以及钻孔数据，设定边界条件，使其符合已知的镜质组反射率和古地温梯度条件[18]。

3“三史模拟”结果与分析

3.1 埋藏史演化过程与结果分析

通过查阅黄陵矿区一号煤矿勘探地质报告资料显示，该区地表的岩石中砂岩孔隙度为44.37%。当深度为240m时，地层孔隙度为2.39%。将其带入公式(1)，可求得压实常数为6.49×10-3。再由公式(2)及地表孔隙度、压实常数等参数可求得不同地层岩石的骨架厚度(表1)。

表1 黄陵矿区一号煤矿L60井现今2号煤层信息

根据地层沉积由老至新以及地层剥蚀由新到老的顺序，通过公式(3)可求得各层位埋深恢复结果(表2)。

表2 黄陵矿区一号煤矿L60井地层历史时期各层位埋深恢复结果

黄陵矿区一号煤矿中侏罗世主要含有直罗组(J2z1、J2z2、J2z3、J2z4)、延安组(J2y1、J2y2、J2y3、J2y4)等地层。根据钻孔L60各地层埋深数据，通过回剥法逐层剥去，结合剥蚀厚度，对其中侏罗世煤层进行埋藏史恢复，得到该井中侏罗世含煤地层回剥柱状剖面图(图3)，采用Petromod模拟方法[19]对该地区进行盆地模拟，最终得到该井的埋藏史图(图4)。

图3 黄陵矿区一号煤矿L60井侏罗纪回剥柱状剖面图Figure 3 Well L60 Jurassic stripped columnar sectionin coalmine No.1, Huangling mining area

图4 黄陵矿区一号煤矿地层构造埋藏演化史图Figure 4 Stratigraphic buried depth historical evolutionin coalmine No.1 Huangling mining area

根据该井埋藏史恢复结果可知，黄陵矿区一号煤矿煤层属于“早期沉降、晚期抬升”型，共经历了两次“沉降-抬升”阶段。煤层从中侏罗世到早白垩世，煤层埋深速率有差异，但总体表现为随时间的增大煤层埋深不断增大，到早白垩世末期达到最大埋深1 576m，其最大沉降速率发生在晚侏罗世，大约为74.46m/Ma(图5)；到白垩纪末期，煤层又开始抬升；始新世至今，煤层经历了第二次的“沉降-抬升”过程，即缓慢沉积-快速抬升-缓慢抬升的过程。

燕山期构造运动使该区地层产生不均匀抬升，遭受剥蚀，剥蚀厚度大约为190m；古近纪始新世又沉降了100m，之后受强烈的喜马拉雅期构造运动影响，使本区地层遭受强烈的剥蚀，累计剥蚀厚度达到1 467m，造成在新近纪发生了该区最大的抬升，抬升速率约为85.4m/Ma(图5)。

图5 沉积速率与抬升速率直方图Figure 5 Histogram of deposition rate and uplift rate

3.2 受热史演化过程与结果分析

图6为黄陵矿区2号煤层上顶部(Ro=0.67%)与煤层下底部(Ro=0.79%)的受热史模拟结果，由图可知，中侏罗世至白垩世，温度总体表现为持续上升的规律，即缓慢增加-快速增加-缓慢增加-快速增加过程，到晚白垩世温度达到最大；晚白垩世至今，由于强烈的燕山运动和喜马拉雅运动抬升影响，使温度持续不断降低，最终达到22℃，此模拟结果和黄志刚认为晚白垩世温度最大一致[19]。晚白垩世末期，煤层顶板的最高温度为108℃，煤层底板的最高温度为127℃。

图6 黄陵矿区一号煤矿受热温度与演化时间关系Figure 6 Relationship between heating temperature andevolutional time in coalmine No.1, Huangling mining area

3.3 生烃史演化过程与结果分析

通过前文分析并结合模拟结果得到黄陵矿区井2号煤层的上顶部(Ro, max=0.67%)与下底部(Ro, max=0.79%)有机质成熟度随时间的演化过程(图7)。由模拟结果可知：从中侏罗世到早白垩世，随着煤系地层的埋深快速增加， 2号煤层镜质组反射率先缓

图7 黄陵矿区一号煤层有机质成熟度与演化时间关系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%，从早白垩世到晚白垩系末期，随着煤层埋深进一步增加，2号煤层镜质组反射率先缓慢后快速增加，演化至0.5%后由于煤层底部受到岩浆热液接触变质作用影响，煤层底部和顶部出现成熟度差异分化，煤层下底部镜质组反射率演化至0.79%，煤层上顶部镜质组反射率演化至0.67%；古新世，始新世至今，煤层埋深虽然有少量增加，但是由于后期喜马拉雅期构造运动快速抬升影响，使该区上覆岩层遭受剥蚀，受热温度及压力降低，煤化作用停止，有机质热解生烃也停止。

国内外学者研究结果已表明，Ro<0.5%为未成熟阶段；Ro为0.5%～0.7%为低成熟生油阶段；Ro为0.7%～1.3%，为成熟生油气阶段[20]。2号煤层上顶部烃源岩的生烃演化过程，从175Ma到92Ma期间，烃源岩的成熟度“先平缓-后快速-再平缓”增加，镜质组反射率达到0.5%，处于未成熟阶段，生成煤层气为原生生物气；从92Ma至今，烃源岩成熟度先快速增加，后趋于稳定，镜质组反射率达到0.67%，对应低成熟生油阶段，生成少量热成因气。2号煤层下底部烃源岩的成熟度演化过程，自175Ma到92Ma期间，与上顶部烃源岩的演化过程相同，均处于未成熟阶段，生成煤层气为原生生物气；自92Ma至72Ma期间，烃源岩成熟度快速增加，镜质组反射率达到0.7%，为低成熟生油阶段；自72Ma至今，烃源岩成熟度缓慢增加至0.79%，对应烃源岩的成熟生油气阶段，同时也生成少量热成因气。

4 结论

1)黄陵矿区煤矿2号煤层属于“早期沉降、晚期抬升”型，共经历了二次“沉降-抬升”阶段。从中侏罗世到早白垩世，煤层埋深随时间的增大而增大，到早白垩世末期达到最大埋深深度1 576m；到白垩纪末期，燕山期构造运动使煤层开始抬升；始新世至今，由于受强烈的喜马拉雅期构造运动，煤层经历了缓慢沉积-快速抬升-缓慢抬升的过程。

2)中侏罗世至晚白垩世，煤层温度总体表现为持续上升；晚白垩纪至今，煤层温度持续降低，最终达到22℃。

3)从中侏罗世到早白垩世，随着煤系地层的埋深快速增加，2号煤层镜质组反射率先缓慢后快速增加；从早白垩世到晚白垩系末期，随着煤层埋深进一步增加，2号煤层镜质组反射率先缓慢后快速增加，演化至0.5%后煤层底部和顶部出现成熟度差异分化，煤层下底部镜质组反射率演化至0.79%，煤层上顶部镜质组反射率演化至0.67%；古新世，始新世至今，煤层埋深虽然有少量增加，但煤化作用停止，有机质裂解生烃也停止。2号煤层上顶部烃源岩的生烃演化过程为未成熟阶段-低成熟生油阶段，而2号煤层下底部烃源岩的成熟度演化过程为未成熟阶段-低成熟生油阶段-成熟生油气阶段。