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1、沁水盆地煤系非常规天然气共生聚集机制李 俊1，张定宇1，李大华2，唐书恒3，张松航3【摘要】摘 要:沁水盆地煤系非常规天然气(煤系“三气”)资源丰富，研究煤系 非常规天然气的共生聚集机制有助于天然气资源的综合利用。依托煤系有机地 化与储层物性相关测试数据，分析了煤系非常规天然气的生烃物质基础与储层 特征;基于典型钻孔的沉积序列、岩性组合和气测资料，建立了三类煤系非常规 天然气共生模式并探讨了其在层序格架内的分布特征;通过成藏过程和成藏动力 分析，评估了盆地内煤系非常规天然气的共采前景。研究认为 :沁水盆地煤系非 常规天然气生烃物质基础雄厚，天然气生成、运聚的宏观动力条件和储层条件 时空配置得当
2、，共生成藏条件良好;石炭-二叠系山西组与太原组发育 “三气” 共生和两种“二元”气藏共生组合，联合勘探开发前景较好，页岩气和致密砂 岩气单独开发风险较大。期刊名称】煤炭学报年(卷),期】2018(043)006总页数】14关键词】关键词:沁水盆地;煤系;非常规天然气;共生聚集;共采前景李俊，张定宇，李大华，等沁水盆地煤系非常规天然气共生聚集机制J.煤炭学报,2018,43(6):1533-1546.LI Jun,ZHANG Dingyu,LI Dahua,et al.Co-accumulating mechanisms of unconventional gas in the coal mea
3、sure of the Qinshui BasinJ.Journal of China Coal Society,2018,43(6):1533-1546.修回日期:2018-04-08责任编辑:常明然基金项目:国家科技重大专项资助项目(2017ZX05064)；国家自然基金海外及港 澳学者合作研究基金资助项目(41728005)广布型煤系广泛发育砂、泥和煤岩紧邻互层的生储组合 1-2。独特的成岩作用 特征和良好的成藏配置关系使得煤系成为了煤层气、致密砂岩气、乃至页岩气 等非常规天然气连续聚集的有利场所3。盆地中心含气系统4、“连续型”油 气藏5、含煤系统6等概念为煤系“三气”(煤层气、致密砂
4、岩气和煤系页岩 气，合称为煤系非常规天然气)连续成藏、共生合采提供了理论依据，煤系“三 气”综合开发是提高煤系矿产资源综合利用程度的有利途径。我国煤系非常规 天然气储量丰富，但资源利用率整体较低，现阶段主要以单一气源勘探开发为 主，已形成沁水盆地与鄂尔多斯东缘两大煤层气生产基地，致密砂岩气开发在 鄂尔多斯盆地等地区取得较大突破，而煤系页岩气尚处于评价和勘查起步阶段 7-8。近年来，一些学者开始关注我国含煤盆地煤系非常规天然气的共生成藏 特征和共采可行性9-1 1，个别地区开展了相应的煤系“三气”共采工程实践 12，揭示了良好的开发前景。沁水盆地煤层气资源丰富，资源量达3.97x1012m313
5、,是我国煤层气的主 产区。盆地内煤层气地质研究较为深入，但页岩气和致密砂岩气的资源潜力尚 存争议14-15 ，鲜有学者将煤系视作整体对待，研究天然气在不同岩性储层中 的连续性聚集潜力。因此，针对沁水盆地煤系储层开展系统评价，探讨煤系非 常规天然气的共生聚集机制，对指导盆地内天然气勘探开发战略布局有重要的 现实意义。1 构造演化与地层发育1.1 构造演化沁水盆地位于华北克拉通盆地中部，盆地东、西缘现今分别与太行山隆起和霍 山隆起相隔，北缘与南缘分别同五台山隆起和中条山隆起毗邻，是一个在古生 界基底上形成的克拉通内断陷盆地，现今呈现为一 NNE 向展布的大型向斜构 造，面积约4.2x104km2。
6、受多期构造运动的改造和叠加作用，沁水盆地经历 了克拉通演化、盆地形成和盆地改造三大演化阶段，对应构造稳定、分异与定 型三期演化过程16（图 1）。吕梁晋宁运动阶段，随着不同性质、时代和走向的基底地块逐渐融合、固结， 华北古大陆板块的主体陆壳形成 ;早古生代早期，华北克拉通进入了构造稳定发 育时期，以陆表海碳酸盐岩沉积为主 ;加里东运动使得华北克拉通整体抬升，造 成了晚奥陶世-早石炭世长时间沉积间断 ;晚古生代期间，华北克拉通盆地再次 下降接受沉积，进入新的构造演化序幕和沉积建造阶段。三叠纪末期-早侏罗世 开始，沁水盆地所在地区经受了强烈的 NWSE 向挤压作用，两侧的太行山和 吕梁山强烈隆起，
7、形成了整体呈 NNE 向的大型复式向斜的盆地雏形，以及一 系列平行展布、呈雁列式的褶皱和逆冲断层，西北部狐偃山至祁县一带岩浆活 动强烈;喜山期是盆地改造和构造定型的主体阶段，构造应力场发生多次转化， 伴随着多期次的拉张、挤压和抬升，沁水盆地现今构造格局逐渐定型18-20。1.2 沉积地层 受区域构造与沉积条件控制，晚石炭世早二叠世是华北克拉通盆地的主成煤 期，发生过多期次区域性海侵事件，形成了一套区域性分布的海陆交互相和陆 相含煤沉积21（图 2）。石炭纪本溪期开始，华北盆地开始缓慢下沉接受沉积， 海水整体由 NEE 向侵入，形成陆表海环境，在奥陶系风化面上发育了一套填平 补齐式的局限浅海相沉
8、积 ;太原期是主成煤期，发生了多期次海侵 -海退事件， 海水改由 SE 向侵入，沁水盆地形成了以局限碳酸盐台地、障壁岛-潟湖、潮坪 和泥炭沼泽为主的复合环境（图3（a），沉积地层平均厚约105 m，煤层与灰岩、暗色泥岩和砂岩交替沉积、旋回明显;山西组沉积期，古地势北陡南缓，海岸线 不断向南迁移，整体呈海退环境，以浅水三角洲沉积为主 （图 3（b） ，中晚期泥 炭沼泽化在三角洲平原上广泛发生，形成了盆地内广泛分布的 2 号和 3 号煤层，该期是另一个主成煤期，煤层与碎屑岩伴生发育，沉积地层厚20 150 m;进 入中晚二叠世，沉积环境演变为以河流及湖泊为主的陆相环境，气候由潮湿转 为干旱，沉积物
9、以浅色砂岩和杂色泥岩为主;进入三叠纪，沁水盆地快速沉降， 沉积了巨厚的河湖相碎屑岩，石炭二叠纪煤系深埋，开始接受深成变质作用 22-23。可见，太原组和山西组是本区主要含煤地层，煤层与碳酸盐岩、暗色泥岩和砂 岩垂向上紧邻共生、互层发育，特殊的“源-储”伴生组合关系为天然气的连续 性聚集提供了良好基础。2 煤系非常规天然气物质基础 煤与煤系暗色泥岩有机质含量高、生气能力强、具有持续生烃和充注的能力， 是良好的气源岩25。沁水盆地山西组与太原组煤层较为发育，煤层平均厚度分别为4.6和7.19 m，可采煤层可达10层以上，总厚1.2 23.6 m，含煤系 数4.7%9.2%,表现为“北东向厚薄相间”
10、的带状分布特点13（图4）。除煤 层外，沁水盆地煤系暗色泥岩广泛发育，受控于沉积环境，泥岩多与煤层、灰 岩或砂岩互层，单层厚度较小（5 m）、累积厚度大（100 m）。区内主要矿区 钻井资料揭示，山西组与太原组暗色泥岩厚度分别为27.6 58.0 m与46.6 63.4 m26;泥岩所占比例较高，山西组多高于60%，太原组平均54%（表1）。 有机质类型、丰度和成熟度是衡量烃源岩质量与生气能力的重要指标。沁水盆 地石炭一二叠系（C-P）煤与暗色泥岩显微组成均以镜质组为主、惰质组次之，含 少量壳质组与腐泥组等稳定组分（图5（a）;此外，煤与暗色泥岩的有机质H/C原 子比分别为0.200.85与0
11、.250.75 , O/C原子比分别为0.020.10与 0.03 -0.20,指示高演化的III型和II型有机质。测试显示，沁水盆地煤与暗色 泥岩稳定碳同位素（613C）普遍偏重（26%），饱和烃质量分数多小于25%（图 5（b），表明有机质以陆源输入为主，进一步证实了本区煤系烃源岩有机质类型 以 III 型为主27。现今有机碳含量（TOC）是表征烃源岩生气潜力的有效参数28，沁水盆地山西组 和太原组煤岩 TOC 含量平均为 73.84% 和 70.86%;同时，228 个暗色泥岩（含 碳质泥岩）样品 TOC 测试结果表明，山西组与太原组泥岩 TOC 介于 0.19%- 24.97%，平均分
12、别为 2.69%和 2.34%，且均有超过 60%的泥岩 TOC 值大于 1.5%，生气潜力较好（图6）。值得指出的是，泥岩生烃潜量（S1+S2）整体较低 （表 2），这是有机质热演化程度较高的结果。沁水盆地煤系热演化程度整体较高， 煤岩镜质体反射率主体为 2.0%-4.0%，盆地中部受深成作用控制，南北两端 受岩浆活动影响大，热成熟度相对更高，晋城、翼城一带可达 4.0%（图 7），高 热演化程度使得源岩有机质大量裂解生气，导致现今生烃潜力普遍偏低。总体上，沁水盆地上古生界煤系烃源岩十分发育，集中分布于山西组和太原组， 有机质类型以 III 型为主，热演化程度整体达到过成熟阶段，生烃物质基础
13、雄厚， 平面上具有“广布式分布、大面积生烃”的特点 16，为盆地内煤系非常规天 然气富集成藏提供了有力的气源保障。3 煤系非常规天然气储层地质特征3.1 煤层气 沁水盆地山西组与太原组含煤性好，分别含煤13和510层30，山西组 3号煤与太原组15 号煤在全区分布稳定、厚度大、含气量高、埋深适中，是本 区煤层气的主要储集层和开发目的层。其中，3号煤层厚0 7.8 m，东南部厚 度较大，主体在4 m以上，北部寿阳、阳泉等局部地区大于2 m，其余地区多 在2 m以下(图8(a);15号煤层厚08 m,主体介于2.0-6.0 m ,厚度高值 区(5 m)分布于盆地北部阳泉、中部榆社-左权以及南部沁水
14、一带(图8(b)。煤 层埋深表现为从周缘向盆地中央逐渐增大的特点，东南部煤层整体埋深较浅 (1 000 m)，是目前盆地内煤层气开发效果最好的地区;盆地向斜轴部地区埋深 普遍大于1 500 m;西北部晋中断陷埋深最大，祁县、太谷一带接近3 000 m , 以西更深至4 000 m以上(图8(c)。沁水盆地3号煤层与15号煤层平均相距80 m，煤级相当，镜质体反射率主体 均大于 2%，盆地西部较低，煤种以变质烟煤和无烟煤为主;灰分产率为 3%- 23%，平均约11%；煤层现今含气量介于0 40 m3/t，高值区均分布于复向斜 轴部方向和盆地南北两翼，表现为自盆地周缘煤层露头线向盆地腹地逐渐增大
15、的特点，且变化梯度从浅部到深部逐渐变小。其中， 3 号煤层含气量主体为 7-26 m3/t，平均11.94 m3/t，以中部榆社地区和南部含气量较高;15号煤含 气量整体稍高于3号煤，平均12.45 m3/t ，含气量分布与3号煤大致相当31 煤层气组成以甲烷为主(91.5%98.6%),含少量二氧化碳和氮气；CH4碳、氢 同位素分别介于-29.63%-35.39%o和-195.34%。-160.21%。，为典型的热 成因气30。由于煤体变形和外生裂隙发育程度不同，沁水盆地煤储层渗透率不均一性较强（图9）。试井资料显示，3号煤层与15号煤层渗透率介于0.01x10-15-6x10-15m2，一
16、般小于2x10-15m2，盆地南部和中西部渗透率相对较好（1x 10-15m2） ，北部其次，中东部最低。此外，由于喜山期构造分异造成的 压力重建，沁水盆地煤储层表现出异常低压、正常压力和异常高压共存的特点。 储层压力整体随埋深而增加，区内低压区广泛分布，异常高压分布于盆地中央 和西部一带32。3.2 页岩气暗色泥页岩作为煤系烃源岩的一部分，同时也是煤系页岩气的储集层。沁水盆 地石炭二叠系暗色泥页岩主要发育于山西组与太原组（图 10），分布广泛，盆 地中北部地区累积厚度可超过100 m，整体稍高于南部。煤系页岩有机质富集、 成熟度高，并且在垂向上与煤层、致密砂岩或碳酸盐岩紧邻共生，旋回明显。XRD 测试显示（表 3），山西组与太原组泥页岩矿物组成均以石英和黏土矿物为 主，
