鄂尔多斯盆地东缘临兴中区煤系气富集地质条件及成藏模式

蔡益栋 高国森 刘大锰 邱 峰

1.中国地质大学（北京）能源学院 2.非常规天然气地质评价与开发北京市重点实验室

0 引言

近年来，随着中国能源建设的发展和勘探开发的需要，煤层气研究的重心逐步由单一煤层向煤系地层发展、由浅层向深层发展、由高阶煤向低阶煤发展，煤系气、深部煤层气与低阶煤层气成为研究的热点领域[1-3]。中国煤系气（煤层气、页岩气和致密砂岩气）资源十分丰富[4-8]，其中煤层气可采资源量为10.9×1012m3，页岩气可采资源量为15.0×1012～25.0×1012m3，致密砂岩气可采资源量为8.8×1012～12.1×1012m3，资源潜力巨大。当前，针对煤系气中特定类型气藏的研究较多，针对煤层气的研究则多侧重于煤层气储层物性、富集条件和成藏模式[9-11]；针对页岩气的研究则较集中于储层特征、孔隙结构和影响因素等方面[12-15]；针对致密砂岩气的研究多聚焦在储层特征、成藏特征及控制因素等方面[16-18]。但煤系气不是独立单一的非常规天然气的简单组合，因此，对煤系气进行综合成藏地质研究至关重要。

鄂尔多斯盆地东缘临兴区块是中国煤系非常规天然气勘探开发的重点区域，其煤系地层分布广泛、沉积厚度大、煤系旋回性强，煤系气资源潜力巨大，煤系生储盖层组合类型丰富[19-21]，形式多样，富集模式差异大，形成不同的含气系统，显示出良好的煤系气资源前景。笔者依据大量地质、岩心、测井和实验资料，系统分析了临兴区块中部（以下简称临兴中区）煤系气的分布特征及其共生关系，定性与定量相结合，明确了临兴中区煤系气的含气性特征及控制因素，重点剖析了该区煤系气的富集地质条件，揭示了该区煤系气主要成藏模式，深化了无井区煤系气展布规律的认识，以期助力煤系非常规天然气的共探共采，同时为该区块下一步天然气有利勘探区优选提供参考。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地东缘地跨伊盟隆起、晋西挠褶带和渭北隆起3个构造单元，整体为西倾的单斜构造，构造较简单，广泛发育石炭系—二叠系煤系地层[22]，烃源岩发育良好，下二叠统山西组煤层稳定发育，厚度介于1～15 m，上石炭统本溪组—下二叠统山西组页岩厚度较大、分布广泛。临兴区块位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带，总体为向西倾斜的单斜构造，地层倾角较小，构造发育。区内可分为临兴西、临兴中、临兴东3部分，临兴中区中部隆起区受紫金山构造岩浆作用影响较大，断裂发育且呈环形放射状展布，四周为环状分布的向斜区，北部受岩浆侵入的影响较弱，为平缓构造区[23-24]（图1）。

临兴中区上古生界自下而上依次发育石炭系本溪组，下二叠统太原组和山西组，中二叠统下石盒子组、上石盒子组和上二叠统石千峰组，主要含煤岩系为发育于海陆过渡相沉积环境的本溪组、太原组及山西组（图1），广泛发育了稳定的煤层、砂岩层及泥页岩层[24-25]。本溪组为潮坪—潟湖相沉积，岩性以石灰岩为主，夹杂少量砂岩，顶部发育8号+9号煤层，并自上而下细分为本一段和本二段；太原组为障壁海岸沉积，岩性以泥岩为主，夹杂部分砂岩，顶部发育两套煤层，自上而下细分为太一段和太二段；山西组为浅水三角洲沉积，岩性以砂岩及页岩为主，夹杂泥岩和石灰岩，自上而下细分为山一段和山二段，山二段顶部发育4号+5号煤层[25-26]；下石盒子组为辫状河三角洲沉积，与上石盒子组统一自上而下划分为8段，其中下石盒子组为盒五段—盒八段，盒八段岩性以砂岩及泥岩为主。本溪组—盒八段煤层、泥岩层、砂岩层平面上广泛分布，垂向上相互叠置，发育多套有效的生储盖配置，具备良好的煤系气富集成藏基础，是笔者本次研究的目的层段。

图1 临兴中区构造位置及地层综合柱状图

2 煤系气生储盖特征

2.1 烃源岩特征

临兴中区煤系烃源岩广覆式分布，有机质演化程度较高，为煤系气的富集成藏提供了充足的物质基础。煤系烃源岩主要包括本溪组—山西组广泛发育的煤层、暗色泥岩和页岩，煤层累计厚度介于15～35 m，平均厚度为24 m，北部及西南部煤层较厚，自北向南呈现先变薄再变厚的趋势（图2-a）；泥页岩累计厚度介于35～94 m，平均厚度为54 m，南部及东北部厚度较大，呈中间薄南北厚的分布趋势（图2-b）；暗色泥岩厚度大，分布稳定，累计厚度介于80～130 m，平均厚度为105 m。煤层为煤系气的主要烃源岩，主力煤层为4号+5号煤层和8号+9号煤层，两套煤层全区基本稳定发育。临兴中区煤岩总有机碳含量较高，平均值63.63%，暗色泥岩和页岩总有机碳含量较低，平均值分别为3.21%和2.90%，有机质丰度整体为中等—好，相对较高；有机质成熟度受紫金山岩浆活动的热作用影响明显，烃源岩镜质体反射率主要介于0.7%～1.4%，处于成熟阶段中期，而在紫金山岩体附近有机质热演化程度异常增高，最高可达4.0%，处于过成熟阶段；有机质类型以腐殖型和偏腐殖混合型为主，含少量偏腐泥混合型，具有较好的生气潜力[27-28]。

图2 临兴中区本溪组—山西组煤系地层不同岩性厚度分布图

2.2 储层特征

临兴中区煤系气储集层包括砂岩、泥页岩及煤层，其中泥页岩和煤层不仅可作为储层还是烃源岩，各类储集层与烃源岩叠置共生，地质条件配置较为有利。砂岩储层岩石类型以岩屑砂岩、岩屑长石砂岩及长石岩屑砂岩为主，受压实胶结作用和后期溶蚀作用影响，孔隙类型多样，以粒间溶蚀孔与粒内溶蚀孔为主，砂岩储层孔隙度介于4.0%～12.8%[29]，渗透率介于0.01～0.28 mD，属于低孔、低渗的致密砂岩储层且非均质性强。泥页岩储层以黏土矿物为主，含量介于25.0%～73.0%，平均含量为52.7%，导致泥页岩储层具有低孔、低渗的特征，脆性矿物含量变化范围较大，随着埋深增大而递减，孔隙度介于0.4%～2.9%，平均值为1.9%，渗透率整体小于0.40 mD[30-31]。4号+5号、8号+9号煤层以半暗煤和半亮煤为主，显微组分以镜质组为主，含少量惰质组和壳质组，煤储层微孔较为发育，割理发育较少，孔渗变化范围较大，孔隙度介于4.6%～6.5%[32]，渗透率介于0.03～0.75 mD，属于低孔、低渗。

2.3 盖层特征

盖层的封盖能力主要反映在宏观平面展布特征的好坏及微观封闭能力的强弱，宏观上和微观上会受到沉积环境、成岩作用和断裂活动的影响[33-34]。研究区广泛发育的盒八段泥岩作为煤系地层的区域性盖层，厚度较大分布稳定，总厚度介于15～35 m，平均排替压力为8.17 MPa，孔隙度低于3.0%，对下伏煤系储集层起到良好的封闭作用。煤系地层内部盖层主要以泥质岩为主，山西组泥岩厚度介于55～105 m，平均排替压力超过7.41 MPa，太原组泥岩厚度介于12～54 m，平均排替压力超过6.55 MPa[35]，较大的厚度和较高的排替压力使其具备很好的封闭能力。此外，煤层成熟度高，生烃能力强，对下伏储集层起到很好的烃浓度封闭作用；泥页岩生烃能力弱，孔渗条件差，也可以作为盖层；致密砂岩厚度大、分布广泛，结合较低的孔渗也可以有效阻止气体的逸散。泥岩、煤层、页岩和砂岩在纵向上交互叠置且互层频繁，基于由下到上为生储盖层的原则，将临兴中区煤系地层划分为3种类型共计9种生储盖组合模式（图3），各类生储盖组合为煤系气的富集保存提供了基础条件。

图3 临兴中区生储盖组合类型图

3 煤系气分布特征

采用测井参数与录井资料相结合的方法对煤系地层含气性进行预测分析[36-37]，临兴中区煤层含气量介于6.1～24.6 m3/t，由于紫金山岩体的侵入，整体表现为环紫金山岩体带显示异常高值且向四周降低的特性（图4-a、b）。泥页岩储层孔隙发育程度较低，含气性较弱，整体上不如煤层气和砂岩气含量高，介于0.2～2.6 m3/t，分布规律同煤层含气量相反，环紫金山岩体带处含气量较低，沿四周含气量较高（图4-c～d）。砂岩气含气量介于0.4～4.5 m3/t，含气量分布不均匀，以蔡家会为界，北部含气量较高，南部含气量较低，表现为北高南低的特性（图4-e～h）。

基于煤系地层构造特征（图1）、含气性（图4）、储层累计厚度（图2-c）、岩性组合及生储盖关系，将研究区煤系气分布划分为紫金山隆起区、环紫金山向斜区和平缓构造区3个带（图1）。紫金山隆起区内构造复杂，煤系储层发育较薄，岩浆侵入有利于烃源岩的成熟，提供了充足的气源供应，煤层作为烃源岩和储层具有较高的含气量，煤系气组合类型以煤层气自生自储为主；环紫金山向斜区内构造较复杂，煤层气、砂岩气、页岩气三气共生，含气量均较为可观，煤系气在北部较为集中，煤系储层发育，泥页岩和煤层互层频繁，煤层和泥页岩互为生储盖层，二者共同产气、共同储存、互相封闭，厚层砂岩也提供了充足的储存空间，煤系气组合类型以三气自生共储为主；平缓构造区内构造简单，煤层气与砂岩气含量较高，煤层砂层发育，煤层及泥页岩作为烃源岩，生烃能力强，天然气在源储压差作用下向邻近巨厚砂岩层运移成藏，煤系气组合类型以两气自生共储为主。

图4 临兴中区本溪组—山西组煤系地层含气量分布图

4 煤系气富集地质条件

4.1 构造

临兴中区受紫金山岩浆侵入抬升地层的影响，总体可分为3个区，分别是紫金山隆起区、环紫金山向斜区和平缓构造区，采用断层相似维及褶皱平面变形系数量化评价研究区构造的复杂程度[38-39]。

断层相似维（Ds）可以定量表征临兴中区断层的发育程度，断层相似维值越大，断层越发育。其计算公式为：

式中Ds表示断层相似维；N(r)表示同一等级含有断层迹线的单元数；r表示单元相似比。

将临兴中区划分为5 000 m×5 000 m网格，逐个标记，再按照相似比r取0.500 0、0.250 0、0.125 0、0.062 5分别划分出边长为2 500.0 m、1 250.0 m、625.0 m、312.5 m的不同级别的单元格，统计每一等级下含有断层迹线的单元格数N(r)，在lg(1/r)—lgN(r)所得回归拟合直线的斜率即为该网格的断层相似维。

褶皱平面变形系数（KP）可以定量表征临兴中区褶皱的变形程度的大小，其计算公式为：

式中KP表示褶皱平面变形系数；h、L1分别表示边长250 m的单元格中心相邻两条等高线的标高差和水平距离，m；L0、L2分别表示单元格中心附近等高线在单元格内的实际长度和割线长度，m。

如图5所示，断层相似维介于0.3～1.5，褶皱平面变形系数介于0.01～0.52，变化范围较大，受紫金山岩体的影响，分布趋势整体为在紫金山隆起区最高，紫金山隆起区到平缓构造区，断层发育程度越差，岩层褶皱变形程度越小，整体构造越简单。紫金山隆起区受紫金山岩体侵入影响明显，断层褶皱最为发育，隆起核部发育大量高陡正断层，断距大，断开层位多，天然气沿断层向上运移，导致源内、近源发育的煤系气藏遭受破坏，在上部上石盒子组远源成藏更为普遍；环紫金山向斜区在挤压作用下围绕紫金山岩体发育弧形断层及小型层间断裂，主要为逆断层，规模较小，断距介于10～50 m，起到沟通相邻储层的作用，有利于煤系地层中天然气运移；平缓构造区受紫金山岩体影响较小，地层倾角小，断层不发育，微裂缝发育较好，有利于煤系气藏的保存[40]。

图5 临兴中区断层相似维与褶皱平面变形系数图

4.2 热动力作用

临兴中区埋藏—热演化史表明，晚石炭世至中三叠世，地层逐渐沉降，随着埋深增大，有机质成熟度缓慢升高，晚三叠世进入早期生烃阶段，晚三叠世至中侏罗世，地层发生两期抬升剥蚀事件，埋深及有机质成熟度变化不大，晚侏罗世至早白垩世，岩浆活动强烈，为临兴中区主要的岩浆活动期，紫金山侵入烘烤地层，加之地层快速沉降，导致有机质成熟度急剧升高，进入大量生烃阶段，中侏罗世至新生代，地层抬升，温度下降，有机质成熟度基本不变，生烃逐渐停止[41]。

热动力主要通过影响有机质成熟度来达到控气作用，研究区地温梯度介于2.8～5.8 ℃/100 m，紫金山隆起区附近为地温梯度异常高值区，自紫金山隆起区至平缓构造区，地温梯度逐渐降低（图6-a），本溪组有机质成熟度也呈现出紫金山隆起区异常增大的特征。临兴中区整体较高的有机质成熟度保证了全区充足的气源供应，同时岩浆热事件加快了紫金山隆起区煤系有机质的演化程度，异常增温导致烃源岩再次产气形成叠加生烃效果，即大埋深条件下已有较高成熟度的烃源岩又叠加了区域岩浆热变质作用，导致煤系烃源岩快速成熟，生成大量天然气。而岩浆侵入伴随的热动力作用兼之动力挤压作用会产生异常高压，产生贯穿多套地层的断裂体系，兼之后期发生的多次大规模岩浆喷发活动，断裂体系反复扩张，致使地层已有裂隙变宽并产生大量次生裂缝[44]，导致紫金山隆起区附近的煤系气部分逸散，而生烃增压作用在扩宽裂隙的同时形成大量微裂缝，使煤层具有较好的储集条件和运移条件（图6-b、c）。

图6 临兴中区地温梯度、本溪组有机质成熟度与主力煤层渗透率分布图

4.3 沉积相

沉积相带通过含煤岩系的岩性、岩相及空间组合等控制着煤系储层的规模与物性，优质储层的规模和分布直接决定了煤系气能否富集成藏[45]。临兴中区山西组为浅水三角洲沉积（图7-a），太原组为障壁海岸沉积（图7-b），本溪组为潮坪—潟湖沉积（图7-c）。沉积微相中水下分流河道、砂坪、障壁岛有利于发育优质砂体，在水动力条件影响下，砂体厚度大，孔渗条件较好。煤系砂岩厚度显示，厚层砂岩主要集中于环紫金山向斜区，砂地比可以判断砂岩储层的发育情况，山西组、本溪组砂地比显示优质砂岩储层在研究区全区都有分布，主要集中在环紫金山向斜区及平缓构造区（图8-a、b），渗透率分布规律与砂地比相似，环紫金山向斜区西北部较其他两区高，平缓构造区次之（图8-c、d），两区优质砂岩储层分布更为广泛。沉积微相中分流间湾、潟湖—潮坪水体深度较大，水动力作用较弱，有利于发育厚层煤及泥页岩，泥页岩厚度全区整体较大，在西南角厚度最大，煤层全区均匀分布，受紫金山岩浆活动的影响，紫金山隆起区煤层厚度稍薄。整体上全区广泛分布的煤层提供了充足的气源基础，优质砂岩储层主要沉积于环紫金山向斜区及平缓构造区，导致致密砂岩气在两区分布更为集中，环紫金山向斜区厚层泥页岩的分布也为泥页岩气的富集提供了有利条件。

图7 临兴中区山西组—本溪组沉积微相分布图

图8 临兴中区砂岩砂地比与渗透率分布图

4.4 水动力作用

临兴中区煤系地下水补给主要来源于鄂尔多斯盆地东缘，紫金山岩体东侧存在一个较大的补给源，同时煤系地层中多套厚度稳定、裂隙不发育的泥岩作为主要隔水层，阻断了煤系地层间的水动力联系，导致地下水径流方向为自东南向西北，在西北部形成滞留区，有利于煤系天然气的保存。地层水矿化度可以反映地下水的活跃程度，通常在滞留区地下水矿化度较高，封闭性较强，有利于煤系气的保存[47]，环紫金山向斜区北部及平缓构造区内山西组地下水矿化度较高（图9-a），为煤系气富集的有利区。

图9 临兴中区山西组地下水矿化度与8号+9号煤层折算水位分布图

折算水位（S）可以定量评价地下水的水势大小[48-49]，折算水位计算公式为：

式中S表示折算水位，m；H1、H2分别表示压力测试点及基准平面的绝对高程，m；pc、p分别表示折算压力及实测地层压力，Pa；rrw表示地下水密度，kg/m3；rrw(H)表示rrw随深度变化的函数。

以海平面为基准平面，H2=0，忽略水密度的变化，可以将计算公式简化为S=100p+H1。研究区8号+9号煤层的折算水位如图9-b所示，临兴中区南部为水势的高值区，环紫金山向斜区北部及平缓构造区为水势的低值区，地下水由高势区流向低势区。根据矿化度及折算水位特征，北部环紫金山向斜区及平缓构造区形成相对滞留区或弱径流区，矿化度高，水势较小，水体环境稳定，水的流动性弱，为煤系气的富集提供了有利条件。

5 煤系气成藏模式

5.1 岩浆热侵—断层逸散型

紫金山隆起区煤系气富集特征主要表现为受构造和热动力影响明显，形成岩浆热侵—断层逸散型煤系气成藏模式（图10），煤系气以煤层气自生自储为主。岩浆活动加快了烃源岩的变质作用，导致烃源岩在快速增温作用下大量产气，然而岩浆侵入上拱作用产生大量正断层和裂缝，在增加储层渗透率改善储运条件的同时连通上部地层，导致游离气运移到上部远源成藏，同时砂岩和泥页岩受制于储层物性、规模的发育，限制了此区域煤系气的富集，因此，紫金山隆起区砂岩气及泥页岩气含量较少。此外，紫金山隆起区属于相对径流区，水的流动性强，对煤系气的保存较为不利。

图10 临兴中区煤系气富集成藏模式图

5.2 向斜—水动力封堵型

环紫金山向斜区煤系气富集特征主要表现为受控于构造和水动力条件，形成向斜—水动力封堵型煤系气成藏模式（图10），煤系气以煤层气、致密砂岩气、泥页岩气三气自生共储为主。环紫金山向斜区受到岩浆侵入影响较小，但在挤压作用下发育的弧形断层及小型层间断裂的断距较小，在沟通上下储集层的同时提高了生储层的渗透率和导流能力。此外，向斜核部埋深较大，上覆区域性盖层较厚，保存条件较好，大规模物性较好的砂岩和泥页岩储层的发育也有利于煤系气富集成藏，相对滞留区的地下水环境阻碍了地下水的交互，导致地下水流动性弱，有利于煤系气的保存。

5.3 岩性—水动力封堵型

平缓构造区煤系气富集特征主要表现为受控于沉积环境和水动力条件，形成岩性—水动力封堵型煤系气成藏模式（图10），煤系气以煤层气、致密砂岩气两气自生共储为主。平缓构造区基本不受岩浆侵入的影响，地层稳定发育，断层发育程度差，但微裂缝发育良好，煤层和砂岩相对厚度大、分布广，总体上有利于煤系气的储存富集。同时，此区域发育的厚层泥岩为下覆砂岩储层和煤层提供了优质盖层，相对滞留水的环境也保证了较弱的地下水流动性，二者叠加为煤系气的富集提供了有利条件。

6 结论

1）临兴中区煤系烃源岩分布广泛，生烃潜力及热演化程度较高，为煤系气富集成藏提供了气源基础；煤系储层相对致密，但分布面积广，累计厚度大，各类储层与烃源岩叠置共生，空间配置关系有利；煤系地层上部盒八段区域性泥岩盖层广泛发育且封盖性强，煤系旋回性强，煤系地层内部泥岩、煤岩、致密砂岩和页岩可以互为盖层，形成多套生储盖组合，为研究区煤系气提供了较为有利的成藏条件。

2）临兴中区煤系储层存在多种岩性组合配置关系，基于构造特征、含气性、储层累计厚度、岩性组合及生储盖关系将煤系气分布划分为3个带。其中紫金山隆起区以煤层气自生自储为主，发育独立煤层气藏；环紫金山向斜区以三气自生共储为主，发育煤系三气组合气藏；平缓构造区以煤层气、致密砂岩气两气自生共储为主，发育煤层气和致密砂岩气组合气藏。

3）煤系气的富集成藏受到构造、热动力、沉积和水动力条件等多因素影响，从定性、定量的角度出发综合分析控气地质因素。紫金山隆起区煤系气富集主要受控于构造、热动力条件，形成岩浆热侵—断层逸散型煤系气成藏模式；环紫金山向斜区煤系气富集主要受控于构造、水动力条件，形成向斜—水动力封堵型煤系气成藏模式；平缓构造区煤系气富集主要受控于沉积、水动力条件，形成岩性—水动力封堵型煤系气成藏模式。