焦作矿区山西组含气系统储层特征及成藏过程研究

姬玉平，康宇博，张和伟，汪跃跃，文稔东，郭云庆，徐 影

(1.河南豫中地质勘查工程有限公司，河南 郑州 450016；2.河南省能源钻井工程技术研究中心，河南 郑州 450016；3.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008)

0 引 言

煤系含气系统是盆地中一个自然的烃类流体系统，其中包含一套有效烃源岩，与该源岩有关的煤系气，气藏形成所必需的储集岩、烃源岩、盖层，上覆岩层这些静态地质因素以及其烃类的生成、运移、聚集等地质作用过程。煤系气含气系统具有层位相邻、重复叠置、多旋回性、气水分布复杂、总体致密等特点，存在多气藏组合类型和共生模式[1-2]。袁照威等[3]基于马尔科夫概率模型研究了储层组合关系，通过与测井和录井储集层岩性对比，识别正确率达到85.34%；吕红华等[4]以柴达木盆地砂岩储层为例，通过马尔科夫链划分了5种韵律类型。就煤系含气系统的控制因素研究而言，层序地层格架奠定煤系含气系统的物性基础，流体能量垂向分布特点决定含气系统发育特征[5]。秦勇等[6]指出多层叠置独立含气系统是沉积-水文-构造条件耦合控气作用的产物；汤达祯等[7]认为煤系气含气系统受控于物质能量动态平衡过程。

为研究煤系成藏过程，确定关键成藏期，学者采用地质分析、地球化学、数学建模与数值模拟等多种手段开展了深入研究。苏鹏等[8]基于生烃动力学模型采用PetroMod盆地模拟软件模拟了烃源岩生烃-热演化史，明确了南黄海盆地烃源岩在渐新世末期以气液两相共存的形式存在，至今转化率仍处于50%～60%；邓晓晖[9]运用油源对比以及流体包裹体方法分析蠡县斜坡北段成藏过程认为在靠近生烃带的构造部位第一期和第二期形成的油气藏都保存较好；闫高原[10]运用数值模拟方法研究煤系气复合成藏过程，构建了描述甲烷在地质历史中的生、运、聚、散等过程的地质模型和数学模型，将沁水盆地榆社东成藏过程分为5个阶段。

综上所述，前人对于焦作矿区煤层及煤层气赋存特征研究较为深入，但是对于煤系气含气系统及其成藏过程尚认识不清，制约了煤系气综合勘探开发。因此，本文在分析焦作矿区煤系气形成地质条件的基础上，全面梳理焦作矿区的勘探新发现、新资料和新认识，以期通过对重点含气系统成藏条件和成藏过程分析，指明煤系气有利勘探方向。

1 区域地质概况

焦作矿区位于河南省北部，东西长60 km，南北宽20～25 km，含煤面积971 km2。构造位置位于太行山复背斜隆起的南侧，地层走向一般为北东向、北东东向，倾向南东向，倾角8°～15°，局部倾角较大。其中，峪河断层将焦作矿区分成两个大断块，根据两大断块将该区划分为两个单元，Ⅰ为西部单元，Ⅱ为东部单元(图1)。

图1 焦作矿区构造单元划分及矿区分布示意图Fig.1 Schematic diagram of the division of structural units in Jiaozuo mining area and the distribution of mining areas

该区构造背景与整个南华北盆地相似，上古生界主要发育了本溪组、太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组等。其中，山西组自下而上划分为煤岩段、大占砂岩段、香碳砂岩段和小紫泥岩段(图2)。山西组底部为灰黑色砂质泥岩，夹薄层砂岩，平均厚8.80 m；底部向上依次为碳质泥岩、二1煤层和黑色泥岩，平均厚8.64 m，其中，二1煤层全区发育，是整个南华北盆地分布连续稳定的煤层，属于潮上段沼泽沉积。二1煤层之上发育厚层中细粒砂岩，硅泥质胶结，岩石坚硬，斜层理发育，层面富含碳屑及白云母片，俗称“大占砂岩”，为本组地层的主要标志层之一，代表了物源供给突然增加后典型的三角洲平原-三角洲前缘的下切水道特征。其上为香碳砂岩段，主要发育深灰色砂质泥岩与浅灰色细粒砂岩互层，上部偶夹煤层线，厚4.08～31.06 m，为短期海侵条件下三角洲退积形成的三角洲前缘沉积。小紫泥岩段位于山西组上段，由灰色泥岩、灰黄色泥岩，灰绿色泥岩、紫斑泥岩和粉砂质泥岩组成，具紫斑及菱铁质鲕粒。

图2 焦作矿区山西组柱状图Fig.2 Histogram of Shanxi formation in Jiaozuo mining area

2 山西组含气系统成藏条件

2.1 烃源岩

烃源岩展布是含气系统空间展布的基础，研究区山西组烃源岩主要为发育稳定且全区广泛分布的二1煤层和富有机质泥页岩。

二1煤层主要赋存于山西组底部二1煤段，煤层埋深介于408.6～1 156.3 m，平均埋深为658.7 m，煤层发育稳定(图3)。 煤层厚度介于3.90～10.37 m之间，平均为6.45 m，平面展布上表现为北西厚南西薄的趋势，结构简单。 山西组泥页岩主要赋存于山西组下段和上段，主要发育有碳质泥岩、黑色泥岩等富有机质泥页岩，全区发育稳定，厚度介于28.54～65.73 m之间，平均为48.30 m，平面展布上表现为南东厚南西薄的趋势(图4)。

图3 焦作矿区二1煤层厚度分布图Fig.3 Thickness distribution map of Ⅱ-1 coal in Jiaozuo mining area

图4 焦作矿区山西组富有机质泥岩厚度分布图Fig.4 Thickness distribution map of organic-rich mudstone in Shanxi formation in Jiaozuo mining area

二1煤层Romax介于3.39%～4.77%之间，平均为3.81%，变化幅度较小，属于过成熟阶段。煤层中有机组分含量为79.1%～99.6%，平均为93.17%，去矿物基镜质组含量介于42.50%～95.14%之间，平均为70.25%；惰质组含量在4.86%～57.50%之间，平均为29.76%。无机组分含量为0.4%～20.9%，平均为6.83%，主要为黏土矿物，其含量为0.40%～13.40%，平均为4.71%，变化幅度相对较大。山西组富有机质泥岩Tmax值均值为507.3 ℃，最低Ro为0.65%，最高达7%～8%，已进入过成熟阶段，以生气为主[12]。有机质丰度较高，平均为2.67%和2.35%，干酪根类型以Ⅲ型为主，部分为Ⅱ型，属于有利生气来源。

2.2 储集层

研究表明，焦作矿区山西组砂岩富水贫烃，主要煤系气储集层为煤层和泥页岩。二1煤层孔隙度介于3.72%～8.78%之间，平均为5.43%，孔隙度差异较小，平面展布规律表现为西部高，东南部次高，南部ECC-001井、ECC-002井附近低的特征。二1煤层的大孔所占比例较小，而微孔所占比例较大，孔隙表面积以微孔占绝对优势。渗透率介于0.02～0.59 mD，平均为0.32 mD，渗透率相对较低，平面展布为北部高、西部和东南部低的特征，可作为良好的储集层。

泥页岩的矿物成分主要包括黏土矿物、脆性矿物以及碳酸盐、铁矿物、石膏。脆性矿物含量较高时，页岩储层易形成天然裂缝和人工诱导裂缝，有利于页岩气的勘探开发。黏土矿物组成以伊利石/蒙脱石间层矿物(57.1%)和高岭石矿物(23.5%)为主[13]。低温液氮吸附试验显示泥页岩比表面积和总孔体积都较高，泥页岩孔隙率为1.0%～4.5%，平均为1.48%，渗透率为0.014～0.246 mD，平均为0.051 mD，有利于页岩气富集。

2.3 盖层及上覆岩层

盖层是覆盖在储集层之上，能够阻止烃类气体向上运移及扩散的岩层，即对煤系气运移起到封闭作用的致密低渗岩层，包括内部盖层、外部盖层和上覆岩层。该区内部盖层主要为二1煤层和泥页岩，两者具有致密低渗的特点，满足盖层的物性条件，且二1煤层、富有机质泥页岩作为该区主要烃源岩，为自生自储提供良好条件。当煤层作为泥页岩的内部盖层时，因煤层具有较高生烃能力，以较高的烃浓度阻滞下伏泥页岩中的烃类气体向上扩散运移，即发生烃浓度封闭，可有效储集煤系气。下石盒子组岩性主要为砂质泥岩、黑色泥岩，部分为砂岩。总泥页岩厚度平均为116.89 m，下石盒子组泥岩累计厚度与下石盒子组地层总厚的比值为72.58%。总体而言，泥岩层厚度较大且致密，是山西组煤系气有效封盖层。山西组上覆岩层包括下石盒子组、上石盒子组、古近系、新近系、第四系所有岩层。

3 山西组煤系气储层组合

山西组储层岩性具有多样性，且煤层、泥岩、砂岩互层多，旋回性强。结合该区气测资料，通过马尔科夫链分析了焦作矿区恩村、古汉山、九里山、马厂、位村和中马村合计30口井含煤岩系柱状，识别了8种主要储层组合类型(图5)。其中，Ⅰ型为砂质泥岩-煤层-砂质泥岩组合储层，占该区山西组总储层组合类型的9.27%；Ⅱ型为泥岩-煤层-泥岩组合储层，占比为17.52%；Ⅲ型为碳质泥岩-煤层-碳质泥岩组合储层，占比为9.27%；Ⅳ型为煤层-泥岩-砂质泥岩组合储层，占比为8.24%；Ⅴ型为粉砂岩-泥岩-砂质泥岩组合储层，占比为15.46%；Ⅵ型为粉砂岩-砂质泥岩-泥岩组合储层，占比为13.40%；Ⅶ型为泥岩-砂质泥岩-泥岩组合储层，占比为6.18%；Ⅷ型为细砂岩-砂质泥岩-粉砂岩组合储层，占比为10.31%。

图5 焦作矿区山西组储层组合类型Fig.5 Reservoir combination types of Shanxi formation in Jiaozuo mining area

焦作矿区Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型组合储层的二1煤层顶底板以泥岩、碳质泥岩为主，部分砂质泥岩和粉砂质泥岩，泥岩厚度较大，封盖性好。根据该区山西组岩性组合气测数据对比可知Ⅲ类碳质泥岩-煤层-碳质泥岩组合储层全烃含量较高，储集能力较强。该区二1煤层吸附能力强，煤系气主要以原地吸附的形式保存，且顶底板泥岩厚度较大。根据泥岩具有低孔低渗、裂隙不发育等特征，对煤系气体封储能力较强，有利于形成原生煤系气藏。该类型储层下煤系天然气易于保存，储层含气量较高，属于生烃能力强，储集性好的储层类型。

焦作矿区Ⅳ型、Ⅶ型组合类型主要为泥岩-砂质泥岩-碳质泥岩组合储层， 部分为煤层作为顶板。由于本区泥页岩储集性较好，当泥页岩厚度较大，埋藏深度较深，围岩封闭条件较好时，即成藏“自源”页岩气。自生自储型页岩气中砂岩储层不发育，较为独立，其生烃期大量页岩气通过页岩层横向运输向生烃能力较弱区域补给气源，以此保持层间能力系统平衡，当上覆岩层封闭能力差，会造成页岩气在垂向上大量逸散，则不利于煤系气体成藏。该类型属于生烃能力较强，储集性较好的储层类型。

图6 焦作矿区岩性组合类型分布图Fig.6 Distribution map of lithological combination types in Jiaozuo mining area

焦作矿区Ⅴ型、Ⅵ型、Ⅷ型组合储层的泥页岩多以富有机质泥岩、碳质泥岩为烃源岩兼储集层，顶板为细砂岩-粉砂岩封闭的组合储层，该类型储层下烃源岩在生烃过程中大量生成烃类气体，因顶板岩层为砂岩，通常砂岩直接作为泥页岩盖层，因砂岩自身孔渗条件较好，封闭性较差，生成的烃类气体会在垂向上大量逸散[1]。

但高泥质体积分数的砂岩提供了致密砂岩形成的物质基础，由于该区构造活动强烈，可使砂岩渗透率大幅下降形成致密砂岩盖层。尤其在该区顶底板厚度较大的九里山、恩村附近，当致密砂岩盖层平面展布连续，储层和盖层匹配性较好，同时发育构造圈闭，可作为有利勘探区[14]。因此，该类型属于生烃能力较强，储集性差的储层类型。

4 煤系含气系统成藏过程

结合研究区实测镜质体反射率和测井资料，采用PetroMod软件分析了研究区沉积-埋藏-受热-生烃过程(图7和图8)，将其过程划分为如下阶段。

图7 焦作矿区山西组沉积埋藏史和热演化史示意图Fig.7 Schematic diagram of sedimentary burial history and thermal evolution history of Shanxi formation in Jiaozuo mining area

图8 焦作矿区山西组烃源岩生烃史图Fig.8 Hydrocarbon generation history map of source rocks of Shanxi formation in Jiaozuo mining area

1) 海西期(P1～P3)。海西期分为两个阶段，第一阶段发生在早二叠世，该地区地层开始缓慢下降，到早二叠世末，山西组最大埋深近300 m，由于埋深较浅，受热温度在26.2 ℃左右，烃源岩成熟度很低，Romax一般为0.22%左右；第二阶段发生在中二叠世，该地区经历区域构造运动，地层发生沉降，到晚二叠世山西组埋深在1 500 m左右，受热温度在60.2 ℃左右，Romax演化为0.37%左右，处于未成熟阶段，仅少量原生生物气生成。

2) 印支期(T1～T3)。自早三叠世开始，该区从缓慢沉降到快速沉降时期，至印支期末，随着地层继续沉降，山西组最大埋深达到4 657 m，受区域构造运动和深成变质作用的影响，煤层受热温度在104.2 ℃左右，烃源岩成熟度快速增大，Romax为1.2%～2.0%，为山西组烃源岩第一次热成因生烃阶段。

3) 燕山期(J1～K2)。在燕山早期，早侏罗世快速沉降阶段终止，地层开始缓慢沉降，期间沉积作用和岩浆活动较弱，地层剥蚀，地层温度下降，热演化停止，山西组烃源岩一次生烃结束。到早侏罗世末，山西组最大埋深约5 100 m左右，受热温度在94 ℃左右，Romax保持不变。至中侏罗世时期，山西组上覆地层最大厚度达5 500 m，燕山构造运动导致岩石圈变薄和软流圈的物质及能量涌入岩石圈，岩浆活动频繁[15]，地层温度于晚侏罗世升温至210 ℃，出现高变质无烟煤，Romax从2.00%演化至3.21%，最高可达4.82%，处于过成熟生干气阶段和湿气生成的最后阶段，烃源岩第二次生烃开始，大量烃类气体生成，理论生成煤系气可达300～350 m3/t。

4) 喜马拉雅期(E1～Q2)。从晚侏罗世末二次生烃结束至渐新世，地层抬升，燕山期岩浆活动停止，地层温度逐渐下降，沉积作用减弱，主要以强烈剥蚀为主。煤系及上覆地层遭受严重剥蚀，致使缺失三叠纪、侏罗纪、白垩纪地层。直到新近纪末开始进入埋藏低温回升阶段接受新生代以来的沉积，Romax不变。

5) 新构造时期(Q2～)。喜马拉雅运动后期，随着华北盆地发生整体沉降，该区受到沉积作用影响，山西组地层最大埋深在1 000 m左右，Romax保持不变。

5 结 论

1) 研究区烃源岩主要为煤层和富有机质泥页岩。煤层发育稳定且全区广泛分布，厚度平均为6.45 m，Romax平均为3.81%；泥页岩厚度平均为48.30 m、有机质丰度较高，有机质类型以Ⅲ型为主且成熟度已进入过成熟阶段；煤层和富有机质泥页岩均为优质的生气源岩。储集层以煤层和泥岩为主，内部盖层主要为二1煤层和泥岩，外部盖层为下石盒子组泥岩、砂质泥岩。

2) 山西组储层组合类型有8种。Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型含煤岩性组合中Ⅲ型碳质泥岩-煤层-碳质泥岩组合储层全烃含量较高，储集能力较强；Ⅴ型、Ⅵ型、Ⅷ型组合储层因砂岩自身孔渗条件较好，封闭性较差；Ⅳ型、Ⅶ型组合储层围岩封闭条件较好时，即成藏“自源”页岩气。

3) 焦作矿区山西组煤系气二期成藏。第一期生烃成藏主要发生在早三叠世-晚三叠世，Romax为1.2%～2.0%；第二期生烃成藏在中侏罗世-晚侏罗世，Romax达3.21%～4.82%。山西组煤系气关键成藏时期为燕山中期。