沁水盆地煤系地層游離氣的運移途徑分析

趙黎明，劉建軍 （中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘062552）

劉曉貴 （中石油華北油田分公司油田基建工程部，河北 任丘062552）

魏寧 （中石油華北油田分公司勘探開發研究院，河北 任丘062552）

林玉祥，吳玉琛 （山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島266590）

沁水盆地從1957年投入勘探至今，鉆至古生界石油探井15口，有11口井在古生界的多套地層中發現了含氣顯示［1］，涉及的層位有奧陶系峰峰組、石炭系太原組（C3t）、二疊系山西組（P1s）及石盒子組（P1sh），縱向上層位連續，平面上覆蓋廣泛，幾乎覆蓋了盆地的主體部分。埋藏深度從最淺的幾十米到1300多米，巖性以煤系砂巖、粉砂巖和灰巖為主，氣顯示主要為槽面氣泡和氣測異常。

自2005年，沁水盆地南部開始進入煤層氣規模開發階段，形成千億立方米規模儲量區，實現煤層氣的商業開發，開發過程中，多口煤層氣井的鉆錄試采也揭示了該區游離氣與煤層氣可能共存。成莊區塊多口煤層氣井自噴產氣，日產量上萬立方米，證實P1s煤巖型煤系地層游離氣的存在；鄭莊區塊的鄭試79井試采產氣，證實C3t致密砂巖型煤系地層游離氣的存在；樊莊區塊的加密井在駱駝脖子砂巖見到鉆井氣泡顯示，則揭示P1sh含氣的可能性。與沁水盆地相鄰的鄂東三交地區，中石油煤層氣有限責任公司所鉆的TB02井，C3t和石盒子組八段（P1sh8）砂巖壓裂后產量穩定，C3t無阻流量為7500m3／t；P1sh8無阻流量為6000m3／t，顯示出致密砂巖氣良好的潛力。勘探實踐證實沁水盆地游離氣普遍存在于煤系地層中，研究其氣源及運移途徑，可為該區煤系地層天然氣資源落實及兩氣合采提供依據。

1 氣源分析

多年的研究成果表明，沁水盆地天然氣的烴源巖層主要為石炭紀－二疊紀煤系地層［2］。煤系地層游離氣的供烴方式主要有2種，一是烴源巖生烴直接供烴，二是古煤層氣藏吸附氣的解吸供烴。

烴源巖的直接供烴發生在早白堊世末期～晚白堊世早期（圖1），溫度達到熱裂解生氣的門限溫度，液態烴開始裂解生氣，進入熱裂解氣階段，由于溫度高、壓力低，天然氣主要以游離氣和溶解氣的形式存在。

古煤層氣藏的解吸供烴主要發生在2個地質時期。早侏羅世，地層整體抬升，地層壓力減小，而溫度維持在100～130℃左右，該時期煤巖微孔隙中一次生烴時生成的吸附氣開始解吸，轉化為游離氣；晚侏羅世，由于燕山期巖漿熱液活動，地層溫度繼續增加，煤層進入二次生烴階段并大規模產氣，烴源巖中的滯留吸附氣進一步大量解吸轉化為游離氣，溶解氣因壓力降低也部分析離成為游離氣［3～6］。

圖1 沁水盆地南部煤巖埋藏史及熱演化史圖

2 宏觀輸導體系

2.1 斷層

沁水盆地內的大斷層傾角大，在氣源巖層與儲層間形成溝通，可能成為油氣運移的有利通道。眾多垂向上遠離深部源巖層的淺層游離氣藏形成，均以斷層為重要運移通道。周期性活動的斷層，會導致游離氣多次運移，改變氣藏分布格局。

以泥巖涂抹機理為例［7，8］（圖2），寺頭斷層的不同部位泥巖涂抹勢（PCS）和斷層泥比率（RSG）差異較大，斷層走滑作用引起了封閉性，在空間上具有較強的非均質性。圖中剖面Ⅲ處，P1s的3＃煤層下盤與C3t的15＃煤層下盤的PCS、RSG分別為2.152、10.52和0.166、1.91，顯示封閉性較差，由此分析該處的天然氣容易散失，即可能成為油氣向別處運移的通道。

2.2 奧陶系頂部不整合面

沁水盆地受多期構造運動的影響，縱向上有多套地層存在不同程度的剝蝕，地層之間表現為不整合接觸，如中奧陶統與下伏地層之間的不整合、奧陶系頂部與石炭系之間的平行不整合、侏羅系各套地層之間的角度不整合、新生界與下伏地層之間的不整合。其中，以奧陶系頂部與石炭系本溪組之間發育的區域性碳酸鹽巖平行不整合與天然氣的運聚關系最為密切。

不整合對油氣運移具有封堵和輸導的雙重作用，其對油氣的輸導性能取決于不整合空間結構的巖性配置關系和風化黏土層的發育情況。研究區奧陶系頂部不整合面的結構決定了其在天然氣運移過程中的作用。由于地表水的淋濾作用，在不整合面之下形成了高孔、高滲帶，同時頂部廣泛發育的鋁土質泥巖為天然氣運移提供了良好的蓋層，因此下伏奧陶系頂部灰巖可以成為天然氣側向運移的通道。現今鄭莊區塊處于構造低部位的晉試6井區和斜坡部位的晉試5、晉試10井區奧陶系頂部灰巖中均有氣測響應，由此說明了不整合面可以作為天然氣運移的通道。奧陶系海相烴源巖形成的天然氣通過裂縫，進入不整合面結構層以后，沿著風化的碳酸鹽巖層進行側向運移，在合適的地方聚集成藏。

2.3 陷落柱

從沁水盆地乃至整個華北區域來看，多數學者［9］認為陷落柱開始形成于晉冀魯豫運動，發育及成熟于燕山－喜山期運動。部分學者通過鈾系定年法，確定喜山期古近紀為華北區域巖溶陷落柱形成的主要時期。

圖2 寺頭斷層封閉性分析平面（a）、剖面（b）圖

在陷落柱形成之前，煤層氣藏是一個相對封閉的系統，并且煤系地層和相鄰的含水層之間并無直接的水動力聯系。當陷落柱（切穿煤層）形成以后，一方面封閉條件發生變化，煤系地層壓力降低，為柱內及周圍的煤層氣解吸提供了動力；另一方面陷落柱周圍的巖體因柱體向下塌陷，產生了大量的張節理，提高了圍巖的透氣性；同時由于柱體內部巖石成分混雜，未膠結或弱膠結，孔隙、縫洞發育［10］，為解吸出來的煤層氣提供了良好的運移通道。此外，柱體還溝通了煤層上下相鄰的含水層，垂向上各層之間發生了水動力聯系。解吸的煤層氣呈游離態直接擴散或者伴隨地下水的循環運移到上覆地層中。

在眾多類型的陷落柱中（圖3），對研究區煤層含氣性有影響的是通天柱和半截柱。其中通天柱直接導致了氣體的垂向逸散；而半截柱會使煤層的頂、底板溝通，發生直接的水動力聯系，煤層氣隨地下水的循環而散失，改變了煤層氣的原始組成，使得CH4含量降低，N2、CO2含量增高，但也不排除半截柱有封閉成藏的可能；下伏柱對煤層氣逸散沒有直接影響。

圖3 陷落柱剖面示意圖

3 微觀輸導體系

多年的鉆探成果表明，沁水盆地內煤系地層吸附氣和游離氣之間普遍存在同源共生的特點，石炭系－二疊系的3＃與15＃煤層是主要的吸附氣含氣層，而煤層裂隙、煤層頂底板的圍巖、P1s上部的P1sh砂巖、C3t下部的奧陶系灰巖則是游離氣的賦存儲層［7］。

鑒于對煤層氣藏和頂板砂巖氣藏共生成藏的研究，提出了共生成藏微觀輸導體系。即煤巖和頂板致密砂巖中的微孔隙及微裂隙為輸導要素，構造抬升導致的源儲壓差和氣體膨脹力為主要排烴動力［11］（圖4），煤巖頂板砂體主要捕獲下伏古煤層氣藏解吸的吸附氣，以致密儲層底部烴源巖面式充注為主，主要發生垂向運移。

煤層和頂板砂巖（源儲）距離較近，二者同處一個暫時相對封閉的體系。在一定溫壓條件下，煤層顆粒表面吸附氣與煤層孔（裂）隙間游離氣、煤層孔（裂）隙間游離氣與煤巖頂板游離氣之間可相互轉化，處于一個動態平衡中。當地質歷史時期溫壓條件發生改變，吸附氣和游離氣之間發生不對稱遷移，即吸附氣解吸過程中形成的部分游離氣會脫離煤巖－頂板砂巖體系，形成不可逆的遷移。

圖4 煤巖頂板氣藏形成示意圖

盆地構造抬升過程中，往往伴隨著大范圍的降溫與降壓，直接導致了煤巖吸附氣的解吸和地層水溶氣的脫溶，在一定程度上均可促進天然氣的成藏。國內有學者［12，13］曾以四川盆地須家河組氣藏為例，分別研究了后期構造抬升導致的煤系烴源巖解吸量和砂巖地層水脫溶量，這2種類型“候補”資源均有利于須家河組致密氣的大面積成藏。研究認為，沁水盆地南部3＃煤層氣藏和頂板砂巖氣藏具有共生性也是基于這一排烴效應。

根據研究區域埋藏史及熱演化史（圖1），選取以下2個狀態點進行了分析：

1）狀態1 古近紀末期（約30Ma），3＃煤層埋深約為1500m，地層壓力為15MPa，地層溫度為60℃（地表溫度為15℃，按照正常的地溫梯度和壓力梯度計算）。該狀態下氣藏以煤層氣藏為主，煤層吸附氣含量達到最大，但含氣飽和度最低，為欠飽和煤層氣藏，而對于頂板砂巖，烴源巖二次生烴注入的天然氣大部分已經散失，孔隙中以含水為主。

2）狀態2 現今，沁南樊莊區塊3＃煤層埋深介于500～600m之間，儲層壓力梯度平均為0.67 MPa／100m，壓力為2.77～4.20MPa，平均3.48MPa；地溫梯度約為1.5℃／100m，煤儲層溫度為22.72～26.48℃，平均為25℃。研究區地層水試驗分析測試總礦化度為1815～2975mg／L，平均為2496mg／L，水型為NaHCO3型。

假設地層水礦化度地質歷史時期保持不變，結合樊莊區塊部分井3＃煤層實測的等溫吸附數據，分別采用吸附勢求取吸附量的研究方法和前人建立的甲烷溶解度回歸公式［14］，估算了2個狀態下的煤巖吸附量和地層水溶解度（表1）。

從表中可以看出，從狀態1（60℃、15MPa）向狀態2（25℃、3.48MPa）的構造抬升過程中，壓力綜合效果大于溫度作用效果，每噸煤會解吸出14.29m3的甲烷，同時每立方米的地層水會釋放1.15m3的甲烷，其中煤巖解吸量的貢獻率為92.6%。由此可見，后期構造抬升過程中，煤巖頂板砂巖氣藏的氣源主要以古煤層氣藏解吸氣為主。解吸或脫溶的游離氣可以通過微孔隙及裂隙發生運移，在與煤巖近距離接觸的致密砂巖中聚集成藏，是抬升期成藏的重要氣源。

表1 吸附量和溶解度計算成果表

4 有利成藏區分析

游離氣二次運移的主要方向與距離，一方面取決于可滲透性地層的產狀，即受運移通道類型和性質限制，另一方面取決于地層水動力和浮力的大小和方向，上述因素與區域構造背景有著密切聯系。

儲集層的孔隙和裂縫是游離氣二次運移的基本通道，正是由于儲集層具有孔隙空間和裂縫空間，游離氣才能進入其中，并通過它們而運移，至于運移的數量和速度，則決定于孔隙、裂縫的大小和連通情況。

斷裂可以作為游離氣二次運移的良好通道。由于斷裂不像孔隙大小不一、迂回曲折，故游離氣沿斷裂通道運移比在巖石孔隙中運移更為容易。

從盆地整體上看，游離氣運移的方向，總是由盆地中心向盆地邊緣運移，因為一般情況下，盆地中心的烴源巖埋深較大。游離氣總是沿著阻力最小的方向運移，在凹陷附近的凸起帶及斜坡帶常成為游離氣運移的主要指向，特別是其中長期繼承性的凸起帶最為有利。結合沁水盆地構造演化史及現今構造，南馬會背斜構造帶和北斗溝背斜帶等區帶鄰近生氣中心，發育有利的2類疏導體系，為游離氣聚集的優勢區帶。與此同時，游離氣運移的方向還受儲集層的巖性巖相變化、地層不整合、斷層分布及其性質、水動力條件等因素的影響。

5 結論

1）沁水盆地古生界烴源巖層經歷了2次生烴過程，其中二次生烴是主要的生氣期，煤系地層游離氣主要是來自該時期的吸附氣解吸及熱裂解氣。

2）基于沁水盆地特殊的構造發育史及熱演化背景，煤系地層游離氣的二次運移主要通過2種輸導體系，其中宏觀輸導體系主要包括斷層、不整合面和陷落柱，微觀輸導體系主要是煤巖和頂板致密砂巖中的孔隙及裂隙，構造抬升導致的源儲壓差則是其動力所在。

3）根據沁水盆地構造發育及現今構造特點，認為鄰近盆地生氣中心的南馬會背斜及冀式構造等凸起帶為煤系地層游離氣聚集成藏的優勢圈閉。

［1］秦勇，梁建設，申建，等 .沁水盆地南部致密砂巖和頁巖的氣測顯示與氣藏類型 ［J］.煤炭學報，2014，39（8）：1559～1565.

［2］劉煥杰 .山西南部煤層氣地質 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1998.

［3］李偉，張枝煥，朱雷，等 .山西沁水盆地石炭－二疊系煤層生排烴史分析 ［J］.沉積學報，2005，23（2）：337～345.

［4］肖暉，任戰利，崔軍平 .沁水盆地石炭－二疊系煤層氣成藏期研究 ［J］.中國地質，2007，34（3）：490～497.

［5］趙孟軍，宋巖，蘇現波 .沁水盆地煤層氣藏演化的關鍵時期分析 ［J］.科學通報，2005，50（增刊Ⅰ）：110～117.

［6］陳剛 .沁水盆地燕山期構造熱事件及其油氣地質意義 ［J］.西北地質科學，1997，18（2）：63～67.

［7］梁宏斌，林玉祥，錢錚，等 .沁水盆地南部煤系地層吸附氣與游離氣共生成藏研究 ［J］.中國石油勘探，2011，16（2）：72～78.

［8］付曉飛，方德慶，呂延方，等 .從斷裂帶內部結構出發評價斷層垂向封閉性的方法 ［J］.地球科學（中國地質大學學報），2005，30（3）：328～336.

［9］王銳 .論華北地區巖溶陷落柱的形成 ［J］.水文地質工程地質，1982，26（1）：37～44.

［10］錢學溥 .石膏喀斯特陷落柱的形成及其水文地質意義 ［J］.中國巖溶，1988，7（4）：344～347.

［11］馬中良，鄭論舉，秦建中，等 .盆地沉降、抬升過程中源儲壓差的生排烴效應 ［J］.石油實驗地質，2011，33（4）：402～408.

［12］卞從勝，王紅軍，汪澤成，等 .四川盆地川中地區須家河組天然氣大面積成藏的主控因素 ［J］.石油與天然氣地質，2009，30（5）：548～557.

［13］李偉，秦勝飛，胡國藝，等 .水溶氣脫溶成藏——四川盆地須家河組天然氣大面積成藏的重要機理之一 ［J］.石油勘探與開發，2011，38（6）：662～670.

［14］崔永君，李育輝，張群，等 .煤吸附甲烷的特征曲線及其在煤層氣儲集研究中的作用 ［J］.科學通報，2005，50（增刊Ⅰ）：76～82.