焦作礦區(qū)山西組含氣系統(tǒng)儲(chǔ)層特征及成藏過(guò)程研究

姬玉平，康宇博，張和偉，汪躍躍，文稔東，郭云慶，徐 影

(1.河南豫中地質(zhì)勘查工程有限公司，河南 鄭州 450016；2.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450016；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

0 引 言

煤系含氣系統(tǒng)是盆地中一個(gè)自然的烴類流體系統(tǒng)，其中包含一套有效烴源巖，與該源巖有關(guān)的煤系氣，氣藏形成所必需的儲(chǔ)集巖、烴源巖、蓋層，上覆巖層這些靜態(tài)地質(zhì)因素以及其烴類的生成、運(yùn)移、聚集等地質(zhì)作用過(guò)程。煤系氣含氣系統(tǒng)具有層位相鄰、重復(fù)疊置、多旋回性、氣水分布復(fù)雜、總體致密等特點(diǎn)，存在多氣藏組合類型和共生模式[1-2]。袁照威等[3]基于馬爾科夫概率模型研究了儲(chǔ)層組合關(guān)系，通過(guò)與測(cè)井和錄井儲(chǔ)集層巖性對(duì)比，識(shí)別正確率達(dá)到85.34%；呂紅華等[4]以柴達(dá)木盆地砂巖儲(chǔ)層為例，通過(guò)馬爾科夫鏈劃分了5種韻律類型。就煤系含氣系統(tǒng)的控制因素研究而言，層序地層格架奠定煤系含氣系統(tǒng)的物性基礎(chǔ)，流體能量垂向分布特點(diǎn)決定含氣系統(tǒng)發(fā)育特征[5]。秦勇等[6]指出多層疊置獨(dú)立含氣系統(tǒng)是沉積-水文-構(gòu)造條件耦合控氣作用的產(chǎn)物；湯達(dá)禎等[7]認(rèn)為煤系氣含氣系統(tǒng)受控于物質(zhì)能量動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。

為研究煤系成藏過(guò)程，確定關(guān)鍵成藏期，學(xué)者采用地質(zhì)分析、地球化學(xué)、數(shù)學(xué)建模與數(shù)值模擬等多種手段開(kāi)展了深入研究。蘇鵬等[8]基于生烴動(dòng)力學(xué)模型采用PetroMod盆地模擬軟件模擬了烴源巖生烴-熱演化史，明確了南黃海盆地?zé)N源巖在漸新世末期以氣液兩相共存的形式存在，至今轉(zhuǎn)化率仍處于50%～60%；鄧曉暉[9]運(yùn)用油源對(duì)比以及流體包裹體方法分析蠡縣斜坡北段成藏過(guò)程認(rèn)為在靠近生烴帶的構(gòu)造部位第一期和第二期形成的油氣藏都保存較好；閆高原[10]運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究煤系氣復(fù)合成藏過(guò)程，構(gòu)建了描述甲烷在地質(zhì)歷史中的生、運(yùn)、聚、散等過(guò)程的地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型，將沁水盆地榆社東成藏過(guò)程分為5個(gè)階段。

綜上所述，前人對(duì)于焦作礦區(qū)煤層及煤層氣賦存特征研究較為深入，但是對(duì)于煤系氣含氣系統(tǒng)及其成藏過(guò)程尚認(rèn)識(shí)不清，制約了煤系氣綜合勘探開(kāi)發(fā)。因此，本文在分析焦作礦區(qū)煤系氣形成地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，全面梳理焦作礦區(qū)的勘探新發(fā)現(xiàn)、新資料和新認(rèn)識(shí)，以期通過(guò)對(duì)重點(diǎn)含氣系統(tǒng)成藏條件和成藏過(guò)程分析，指明煤系氣有利勘探方向。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

焦作礦區(qū)位于河南省北部，東西長(zhǎng)60 km，南北寬20～25 km，含煤面積971 km2。構(gòu)造位置位于太行山復(fù)背斜隆起的南側(cè)，地層走向一般為北東向、北東東向，傾向南東向，傾角8°～15°，局部?jī)A角較大。其中，峪河斷層將焦作礦區(qū)分成兩個(gè)大斷塊，根據(jù)兩大斷塊將該區(qū)劃分為兩個(gè)單元，Ⅰ為西部單元，Ⅱ?yàn)闁|部單元(圖1)。

圖1 焦作礦區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨暗V區(qū)分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the division of structural units in Jiaozuo mining area and the distribution of mining areas

該區(qū)構(gòu)造背景與整個(gè)南華北盆地相似，上古生界主要發(fā)育了本溪組、太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組等。其中，山西組自下而上劃分為煤巖段、大占砂巖段、香碳砂巖段和小紫泥巖段(圖2)。山西組底部為灰黑色砂質(zhì)泥巖，夾薄層砂巖，平均厚8.80 m；底部向上依次為碳質(zhì)泥巖、二1煤層和黑色泥巖，平均厚8.64 m，其中，二1煤層全區(qū)發(fā)育，是整個(gè)南華北盆地分布連續(xù)穩(wěn)定的煤層，屬于潮上段沼澤沉積。二1煤層之上發(fā)育厚層中細(xì)粒砂巖，硅泥質(zhì)膠結(jié)，巖石堅(jiān)硬，斜層理發(fā)育，層面富含碳屑及白云母片，俗稱“大占砂巖”，為本組地層的主要標(biāo)志層之一，代表了物源供給突然增加后典型的三角洲平原-三角洲前緣的下切水道特征。其上為香碳砂巖段，主要發(fā)育深灰色砂質(zhì)泥巖與淺灰色細(xì)粒砂巖互層，上部偶夾煤層線，厚4.08～31.06 m，為短期海侵條件下三角洲退積形成的三角洲前緣沉積。小紫泥巖段位于山西組上段，由灰色泥巖、灰黃色泥巖，灰綠色泥巖、紫斑泥巖和粉砂質(zhì)泥巖組成，具紫斑及菱鐵質(zhì)鮞粒。

圖2 焦作礦區(qū)山西組柱狀圖Fig.2 Histogram of Shanxi formation in Jiaozuo mining area

2 山西組含氣系統(tǒng)成藏條件

2.1 烴源巖

烴源巖展布是含氣系統(tǒng)空間展布的基礎(chǔ)，研究區(qū)山西組烴源巖主要為發(fā)育穩(wěn)定且全區(qū)廣泛分布的二1煤層和富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。

二1煤層主要賦存于山西組底部二1煤段，煤層埋深介于408.6～1 156.3 m，平均埋深為658.7 m，煤層發(fā)育穩(wěn)定(圖3)。 煤層厚度介于3.90～10.37 m之間，平均為6.45 m，平面展布上表現(xiàn)為北西厚南西薄的趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 山西組泥頁(yè)巖主要賦存于山西組下段和上段，主要發(fā)育有碳質(zhì)泥巖、黑色泥巖等富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，全區(qū)發(fā)育穩(wěn)定，厚度介于28.54～65.73 m之間，平均為48.30 m，平面展布上表現(xiàn)為南東厚南西薄的趨勢(shì)(圖4)。

圖3 焦作礦區(qū)二1煤層厚度分布圖Fig.3 Thickness distribution map of Ⅱ-1 coal in Jiaozuo mining area

圖4 焦作礦區(qū)山西組富有機(jī)質(zhì)泥巖厚度分布圖Fig.4 Thickness distribution map of organic-rich mudstone in Shanxi formation in Jiaozuo mining area

二1煤層Romax介于3.39%～4.77%之間，平均為3.81%，變化幅度較小，屬于過(guò)成熟階段。煤層中有機(jī)組分含量為79.1%～99.6%，平均為93.17%，去礦物基鏡質(zhì)組含量介于42.50%～95.14%之間，平均為70.25%；惰質(zhì)組含量在4.86%～57.50%之間，平均為29.76%。無(wú)機(jī)組分含量為0.4%～20.9%，平均為6.83%，主要為黏土礦物，其含量為0.40%～13.40%，平均為4.71%，變化幅度相對(duì)較大。山西組富有機(jī)質(zhì)泥巖Tmax值均值為507.3 ℃，最低Ro為0.65%，最高達(dá)7%～8%，已進(jìn)入過(guò)成熟階段，以生氣為主[12]。有機(jī)質(zhì)豐度較高，平均為2.67%和2.35%，干酪根類型以Ⅲ型為主，部分為Ⅱ型，屬于有利生氣來(lái)源。

2.2 儲(chǔ)集層

研究表明，焦作礦區(qū)山西組砂巖富水貧烴，主要煤系氣儲(chǔ)集層為煤層和泥頁(yè)巖。二1煤層孔隙度介于3.72%～8.78%之間，平均為5.43%，孔隙度差異較小，平面展布規(guī)律表現(xiàn)為西部高，東南部次高，南部ECC-001井、ECC-002井附近低的特征。二1煤層的大孔所占比例較小，而微孔所占比例較大，孔隙表面積以微孔占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。滲透率介于0.02～0.59 mD，平均為0.32 mD，滲透率相對(duì)較低，平面展布為北部高、西部和東南部低的特征，可作為良好的儲(chǔ)集層。

泥頁(yè)巖的礦物成分主要包括黏土礦物、脆性礦物以及碳酸鹽、鐵礦物、石膏。脆性礦物含量較高時(shí)，頁(yè)巖儲(chǔ)層易形成天然裂縫和人工誘導(dǎo)裂縫，有利于頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)。黏土礦物組成以伊利石/蒙脫石間層礦物(57.1%)和高嶺石礦物(23.5%)為主[13]。低溫液氮吸附試驗(yàn)顯示泥頁(yè)巖比表面積和總孔體積都較高，泥頁(yè)巖孔隙率為1.0%～4.5%，平均為1.48%，滲透率為0.014～0.246 mD，平均為0.051 mD，有利于頁(yè)巖氣富集。

2.3 蓋層及上覆巖層

蓋層是覆蓋在儲(chǔ)集層之上，能夠阻止烴類氣體向上運(yùn)移及擴(kuò)散的巖層，即對(duì)煤系氣運(yùn)移起到封閉作用的致密低滲巖層，包括內(nèi)部蓋層、外部蓋層和上覆巖層。該區(qū)內(nèi)部蓋層主要為二1煤層和泥頁(yè)巖，兩者具有致密低滲的特點(diǎn)，滿足蓋層的物性條件，且二1煤層、富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖作為該區(qū)主要烴源巖，為自生自儲(chǔ)提供良好條件。當(dāng)煤層作為泥頁(yè)巖的內(nèi)部蓋層時(shí)，因煤層具有較高生烴能力，以較高的烴濃度阻滯下伏泥頁(yè)巖中的烴類氣體向上擴(kuò)散運(yùn)移，即發(fā)生烴濃度封閉，可有效儲(chǔ)集煤系氣。下石盒子組巖性主要為砂質(zhì)泥巖、黑色泥巖，部分為砂巖。總泥頁(yè)巖厚度平均為116.89 m，下石盒子組泥巖累計(jì)厚度與下石盒子組地層總厚的比值為72.58%。總體而言，泥巖層厚度較大且致密，是山西組煤系氣有效封蓋層。山西組上覆巖層包括下石盒子組、上石盒子組、古近系、新近系、第四系所有巖層。

3 山西組煤系氣儲(chǔ)層組合

山西組儲(chǔ)層巖性具有多樣性，且煤層、泥巖、砂巖互層多，旋回性強(qiáng)。結(jié)合該區(qū)氣測(cè)資料，通過(guò)馬爾科夫鏈分析了焦作礦區(qū)恩村、古漢山、九里山、馬廠、位村和中馬村合計(jì)30口井含煤巖系柱狀，識(shí)別了8種主要儲(chǔ)層組合類型(圖5)。其中，Ⅰ型為砂質(zhì)泥巖-煤層-砂質(zhì)泥巖組合儲(chǔ)層，占該區(qū)山西組總儲(chǔ)層組合類型的9.27%；Ⅱ型為泥巖-煤層-泥巖組合儲(chǔ)層，占比為17.52%；Ⅲ型為碳質(zhì)泥巖-煤層-碳質(zhì)泥巖組合儲(chǔ)層，占比為9.27%；Ⅳ型為煤層-泥巖-砂質(zhì)泥巖組合儲(chǔ)層，占比為8.24%；Ⅴ型為粉砂巖-泥巖-砂質(zhì)泥巖組合儲(chǔ)層，占比為15.46%；Ⅵ型為粉砂巖-砂質(zhì)泥巖-泥巖組合儲(chǔ)層，占比為13.40%；Ⅶ型為泥巖-砂質(zhì)泥巖-泥巖組合儲(chǔ)層，占比為6.18%；Ⅷ型為細(xì)砂巖-砂質(zhì)泥巖-粉砂巖組合儲(chǔ)層，占比為10.31%。

圖5 焦作礦區(qū)山西組儲(chǔ)層組合類型Fig.5 Reservoir combination types of Shanxi formation in Jiaozuo mining area

焦作礦區(qū)Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型組合儲(chǔ)層的二1煤層頂?shù)装逡阅鄮r、碳質(zhì)泥巖為主，部分砂質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，泥巖厚度較大，封蓋性好。根據(jù)該區(qū)山西組巖性組合氣測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知Ⅲ類碳質(zhì)泥巖-煤層-碳質(zhì)泥巖組合儲(chǔ)層全烴含量較高，儲(chǔ)集能力較強(qiáng)。該區(qū)二1煤層吸附能力強(qiáng)，煤系氣主要以原地吸附的形式保存，且頂?shù)装迥鄮r厚度較大。根據(jù)泥巖具有低孔低滲、裂隙不發(fā)育等特征，對(duì)煤系氣體封儲(chǔ)能力較強(qiáng)，有利于形成原生煤系氣藏。該類型儲(chǔ)層下煤系天然氣易于保存，儲(chǔ)層含氣量較高，屬于生烴能力強(qiáng)，儲(chǔ)集性好的儲(chǔ)層類型。

焦作礦區(qū)Ⅳ型、Ⅶ型組合類型主要為泥巖-砂質(zhì)泥巖-碳質(zhì)泥巖組合儲(chǔ)層， 部分為煤層作為頂板。由于本區(qū)泥頁(yè)巖儲(chǔ)集性較好，當(dāng)泥頁(yè)巖厚度較大，埋藏深度較深，圍巖封閉條件較好時(shí)，即成藏“自源”頁(yè)巖氣。自生自儲(chǔ)型頁(yè)巖氣中砂巖儲(chǔ)層不發(fā)育，較為獨(dú)立，其生烴期大量頁(yè)巖氣通過(guò)頁(yè)巖層橫向運(yùn)輸向生烴能力較弱區(qū)域補(bǔ)給氣源，以此保持層間能力系統(tǒng)平衡，當(dāng)上覆巖層封閉能力差，會(huì)造成頁(yè)巖氣在垂向上大量逸散，則不利于煤系氣體成藏。該類型屬于生烴能力較強(qiáng)，儲(chǔ)集性較好的儲(chǔ)層類型。

圖6 焦作礦區(qū)巖性組合類型分布圖Fig.6 Distribution map of lithological combination types in Jiaozuo mining area

焦作礦區(qū)Ⅴ型、Ⅵ型、Ⅷ型組合儲(chǔ)層的泥頁(yè)巖多以富有機(jī)質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖為烴源巖兼儲(chǔ)集層，頂板為細(xì)砂巖-粉砂巖封閉的組合儲(chǔ)層，該類型儲(chǔ)層下烴源巖在生烴過(guò)程中大量生成烴類氣體，因頂板巖層為砂巖，通常砂巖直接作為泥頁(yè)巖蓋層，因砂巖自身孔滲條件較好，封閉性較差，生成的烴類氣體會(huì)在垂向上大量逸散[1]。

但高泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的砂巖提供了致密砂巖形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，由于該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，可使砂巖滲透率大幅下降形成致密砂巖蓋層。尤其在該區(qū)頂?shù)装搴穸容^大的九里山、恩村附近，當(dāng)致密砂巖蓋層平面展布連續(xù)，儲(chǔ)層和蓋層匹配性較好，同時(shí)發(fā)育構(gòu)造圈閉，可作為有利勘探區(qū)[14]。因此，該類型屬于生烴能力較強(qiáng)，儲(chǔ)集性差的儲(chǔ)層類型。

4 煤系含氣系統(tǒng)成藏過(guò)程

結(jié)合研究區(qū)實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率和測(cè)井資料，采用PetroMod軟件分析了研究區(qū)沉積-埋藏-受熱-生烴過(guò)程(圖7和圖8)，將其過(guò)程劃分為如下階段。

圖7 焦作礦區(qū)山西組沉積埋藏史和熱演化史示意圖Fig.7 Schematic diagram of sedimentary burial history and thermal evolution history of Shanxi formation in Jiaozuo mining area

圖8 焦作礦區(qū)山西組烴源巖生烴史圖Fig.8 Hydrocarbon generation history map of source rocks of Shanxi formation in Jiaozuo mining area

1) 海西期(P1～P3)。海西期分為兩個(gè)階段，第一階段發(fā)生在早二疊世，該地區(qū)地層開(kāi)始緩慢下降，到早二疊世末，山西組最大埋深近300 m，由于埋深較淺，受熱溫度在26.2 ℃左右，烴源巖成熟度很低，Romax一般為0.22%左右；第二階段發(fā)生在中二疊世，該地區(qū)經(jīng)歷區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層發(fā)生沉降，到晚二疊世山西組埋深在1 500 m左右，受熱溫度在60.2 ℃左右，Romax演化為0.37%左右，處于未成熟階段，僅少量原生生物氣生成。

2) 印支期(T1～T3)。自早三疊世開(kāi)始，該區(qū)從緩慢沉降到快速沉降時(shí)期，至印支期末，隨著地層繼續(xù)沉降，山西組最大埋深達(dá)到4 657 m，受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和深成變質(zhì)作用的影響，煤層受熱溫度在104.2 ℃左右，烴源巖成熟度快速增大，Romax為1.2%～2.0%，為山西組烴源巖第一次熱成因生烴階段。

3) 燕山期(J1～K2)。在燕山早期，早侏羅世快速沉降階段終止，地層開(kāi)始緩慢沉降，期間沉積作用和巖漿活動(dòng)較弱，地層剝蝕，地層溫度下降，熱演化停止，山西組烴源巖一次生烴結(jié)束。到早侏羅世末，山西組最大埋深約5 100 m左右，受熱溫度在94 ℃左右，Romax保持不變。至中侏羅世時(shí)期，山西組上覆地層最大厚度達(dá)5 500 m，燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致巖石圈變薄和軟流圈的物質(zhì)及能量涌入巖石圈，巖漿活動(dòng)頻繁[15]，地層溫度于晚侏羅世升溫至210 ℃，出現(xiàn)高變質(zhì)無(wú)煙煤，Romax從2.00%演化至3.21%，最高可達(dá)4.82%，處于過(guò)成熟生干氣階段和濕氣生成的最后階段，烴源巖第二次生烴開(kāi)始，大量烴類氣體生成，理論生成煤系氣可達(dá)300～350 m3/t。

4) 喜馬拉雅期(E1～Q2)。從晚侏羅世末二次生烴結(jié)束至漸新世，地層抬升，燕山期巖漿活動(dòng)停止，地層溫度逐漸下降，沉積作用減弱，主要以強(qiáng)烈剝蝕為主。煤系及上覆地層遭受嚴(yán)重剝蝕，致使缺失三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)地層。直到新近紀(jì)末開(kāi)始進(jìn)入埋藏低溫回升階段接受新生代以來(lái)的沉積，Romax不變。

5) 新構(gòu)造時(shí)期(Q2～)。喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)后期，隨著華北盆地發(fā)生整體沉降，該區(qū)受到沉積作用影響，山西組地層最大埋深在1 000 m左右，Romax保持不變。

5 結(jié) 論

1) 研究區(qū)烴源巖主要為煤層和富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。煤層發(fā)育穩(wěn)定且全區(qū)廣泛分布，厚度平均為6.45 m，Romax平均為3.81%；泥頁(yè)巖厚度平均為48.30 m、有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主且成熟度已進(jìn)入過(guò)成熟階段；煤層和富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖均為優(yōu)質(zhì)的生氣源巖。儲(chǔ)集層以煤層和泥巖為主，內(nèi)部蓋層主要為二1煤層和泥巖，外部蓋層為下石盒子組泥巖、砂質(zhì)泥巖。

2) 山西組儲(chǔ)層組合類型有8種。Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型含煤巖性組合中Ⅲ型碳質(zhì)泥巖-煤層-碳質(zhì)泥巖組合儲(chǔ)層全烴含量較高，儲(chǔ)集能力較強(qiáng)；Ⅴ型、Ⅵ型、Ⅷ型組合儲(chǔ)層因砂巖自身孔滲條件較好，封閉性較差；Ⅳ型、Ⅶ型組合儲(chǔ)層圍巖封閉條件較好時(shí)，即成藏“自源”頁(yè)巖氣。

3) 焦作礦區(qū)山西組煤系氣二期成藏。第一期生烴成藏主要發(fā)生在早三疊世-晚三疊世，Romax為1.2%～2.0%；第二期生烴成藏在中侏羅世-晚侏羅世，Romax達(dá)3.21%～4.82%。山西組煤系氣關(guān)鍵成藏時(shí)期為燕山中期。