沈玉林等:鄂尔多斯盆地东缘上古生界煤系叠置含气系统发育的沉积控制机理

发表于 讨论求助 2020-03-12 23:48:00

沈玉林 1,2  秦 勇 1,2  申 建 1,2  顾娇杨 3

1. 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 

2. 中国矿业大学资源与地球科学学院 

3. 中联煤层气有限责任公司

摘 要 鄂尔多斯盆地东缘煤层气、致密砂岩气及页岩气“三气”共存,该区上古生界煤系储层垂向上存在着多个独立的含气系统,目前对该类煤系叠置含气系统发育的沉积控制机理尚缺乏系统深入的研究。为此,基于该区临兴区块上石炭统本溪组—下二叠统山西组钻井岩心观察及钻井、测井资料分析结果,探讨了上述问题。研究结果表明 :①该区煤系叠置含气系统的发育受控于层序格架内具低孔隙度、低渗透率和高突破压力的含菱铁矿层(关键层)的空间展布 ;②关键层的发育受控于区域海侵事件层的空间分布,主要发育于最大海泛面附近并构成叠置含气系统隔水阻气的边界 ;③二级层序内最大海泛面附近广泛发育的关键层,构成了全区稳定发育的含气系统边界,三级层序最大海泛面附近发育的关键层常因后期(水下)分流河道冲刷切割而保存不全,促使相邻层序的煤系储层组合成统一的含气系统,为该区煤层气与致密砂岩气的共采创造了有利的地质条件。

关键词 鄂尔多斯盆地东缘 晚古生代 煤系叠置含气系统 含菱铁矿层 最大海泛面 煤层气 页岩气 致密砂岩气


煤系“三气”(即煤系地层中的煤层气、页岩气、致密砂岩气)作为一类潜力可观的非常规天然气资源已被纳入勘探、开发与研究的视野,国家已设置“十三五”科技重大专项进行工程示范,力争实现规模性共采[1]。国内外煤系气勘探开发均有成功的先例,例如美国皮森斯盆地白河隆起,其煤层气 / 砂岩气共采先导性试验的煤层,目的层埋深 1 560 ~ 2 560m,煤层直接顶板为致密砂岩,单井平均日产气量为1.09×1043,最高达 1.44×1043,60% 的气产量来自煤层[2-3]。近年来我国在鄂尔多斯盆地东缘进行了煤层气、致密砂岩气及页岩气综合勘探和开发尝试[1, 4-14],该区临兴区块煤系地层埋深 700 ~ 2 100 m,前期 7 口以致密砂岩为主要目的层的生产试验井,单井产气量介于 0.48×104~ 5.28×104m3/d[1, 6, 13];延川南区块煤系地层埋深 600 ~ 1 500 m,该区的天然气开发以煤层气为主,不排除相当一部分天然气来自于致密砂岩储层[1] ,产气效果较好的产层埋深均在1 000 m 以深[1,7];大宁—吉县区块吉探 1 井下二叠统山西组 1 段埋深 2 180 ~ 2 184 m,致密砂岩产气量达 2.1×104m3[6],此外,这套海陆过渡相煤系中页岩气亦展现出一定的勘探前景[10,12]

鄂尔多斯盆地东缘上古生界气藏各产气层段并非同一个压力系统[15-16],其垂向上存在多个独立的含气系统,但其中的显现特征和控制机理尚未得到系统深入的阐释。叠置含气系统表现为垂向上 2 套及 2套以上相互独立的含气系统发育于同一煤系内部,地层流体压力系统相互独立[17] ,研究发现,造成流体压力系统相对独立的根本原因在于煤系中作为常规隔水阻气层的泥岩层,其是界定叠置含气系统上下边界的关键层[1, 18-21] 。笔者基于该区上古生界煤系地层沉积学和层序地层学研究成果,探讨煤系叠置含气系统形成的沉积控制机理,以期为该区煤系“三气”共采提供地质依据。

1 地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地东缘,在现今的构造格局中位于晋西挠褶带。其晚古生代地层自老而新依次可划分为上石炭统本溪组、晋祠组,下二叠统太原组、山西组,中二叠统石盒子组和上二叠统石千峰组(表 1)。其中本溪组—山西组是研究区上古生界主要含煤岩系。本溪组—太原组形成于碳酸盐潮坪—障壁—潟湖—浅水三角洲沉积背景,山西组则以河控浅水三角洲沉积为主,共同构建了陆源碎屑岩夹碳酸盐岩的含煤混合沉积。该区晚古生代含煤地层中存在的古土壤层(测井响应为高的自然伽马值正异常,指示了沉积间断和暴露)、沉积体系转换面及沉积地球化学响应面等特征界面可作为层序界面,结合以石灰岩及海相泥岩为标志的海侵事件层,将临兴地区本溪组—山西组划分为 4 个二级层序(与各组大体对应)、12 个三级层序(图 1)。

表 1  鄂尔多斯盆地东缘晚古生代地层表

(据本文参考文献 [ 22 ] 修改)

图 1  临兴区块 A 1 井本溪组—山西组煤系叠置含气系统分析柱状图

2 含气系统特征

2.1 单井含气系统划分

造成叠置含气系统垂向非连续性现象的地质原因是多方面的,如储层物理性质和物质组成[23-24]、储层厚度、含煤段沉积组合[1, 8, 14, 17-21, 25]、构造控制、水文地质条件[26-27]等。该区上古生界煤系储层(致密砂岩与煤层)含气量随层位呈现“波动式”变化,并且这种变化与层序地层格架之间存在一定的耦合关系(图 1),层序内部储层含气量似乎随着海平面的升高而降低,即在层序界面附近储层含气量相对较高,在最大海侵面附近储层含气量降至最低。鄂尔多斯东缘上古生界煤系存在多套含菱铁矿泥岩层[28] ,具相对低孔渗和高异常突破压力,且泥岩层突破压力垂向波动与含气量波动互为消长关系(图 1),可作为界定叠置含气系统上下边界的关键层。因此,笔者以此关键层作为含气单元划分的边界,依据叠置含气系统内关键层的发育规律,选取区域连续性好、厚度大的关键层作为高级别(二级)含气系统边界,并在此限定的格架内追索局部稳定发育、区域连续性相对较差的关键层作为次级(三级)含气系统的隔水阻气边界,综合考虑含气量及压力系数垂向变化特征,将上古生界本溪组—山西组划分为 4 个二级含气系统和多个三级含气系统。

2.2 含气系统连井对比

从研究区的连井剖面中可以看出(图 2),由二级层序最大海泛面附近发育的关键层限定的 4 个二级含气系统在全区稳定发育,其中第Ⅰ含气系统的储层主要由本溪组砂岩及煤层组成,含气性相对较差 ;第Ⅱ含气系统的储层以 8、9 号煤和桥头砂岩为主,构成该区的主力煤系气产层;第Ⅲ含气系统的储层以 4、5 号煤为主,伴有少量的致密砂岩气储层 ;第Ⅳ含气系统的储层以致密砂岩为主,含气性相对较差。垂向含气系统的发育空间分布规律明显,且与沉积相带展布存在较好的相关性(图 2),即三角洲平原相区及三角洲前缘水下分流河道相区含气系统相对简单,图2中本溪组—山2段垂向表现为4个二级含气系统,其中 A1、A2 和 A3 井可进一步划分出 7 个三级含气系统 ;而三角洲前缘—潟湖—潮坪沉积相区含气系统则相对复杂,如 A4 井本溪组—山 2 段垂向表现为8 个三级含气系统。

图 2  临兴区块本溪组—山西组含气系统连井对比图

3 含气系统发育的沉积控制

3.1 沉积体系的周期性演替造就了煤系物质组成的韵律性

研究区晚石炭世—早二叠世受构造沉降、海平面变化及沉积物供给影响,形成了碳酸盐潮坪—障壁—潟湖—浅水三角洲沉积,三角洲以河控浅水三角洲为主,在这种特定的沉积背景下,造就了叠置含气系统的物质组成主要为陆源碎屑岩夹碳酸盐岩的含煤混合沉积。受区域海平面变化影响,该区晚古生代经历了多次海侵—海退旋回,垂向上表现为碎屑岩、煤层及碳酸盐岩的韵律性。

3.2 层序格架内具高突破压力、低孔渗的关键层构成含气系统边界

3.2.1 菱铁质泥岩层具低孔渗、高突破压力的特征

层序格架内因沉积体系的周期性演替,叠置含气系统的物质组成韵律性变化,并在层序格架内形成了边界层(关键层)控制煤系渗流能力的垂向变化[1] ,尤其是最大海泛面附近发育的区域稳定分布的海相含菱铁矿层具有低孔、低渗[18-21]和高突破压力的特征,构成叠置含气系统隔水阻气的边界(即关键层)。

3.2.2 区域海侵事件层的空间分布制约了关键层的展布规律

研究区晚古生代经历多次海侵作用,其中对应二级层序最大海泛面的海侵事件分别为二级层序 S1内的本溪组张家沟石灰岩(Lb)、S2 内的晋祠组畔沟石灰岩(L0)、S3 内的太原组斜道石灰岩(L4)及 S4山西组 3 号煤顶部海相层。

区域单井分析及连井对比研究结果表明,二级层序最大海泛面附近广泛发育厚度稳定的含菱铁矿泥岩层,且具有低孔渗和高突破压力的特征,构成区内稳定发育的二级含气系统的上、下边界。三级层序最大海泛面附近也发育较稳定分布的含菱铁矿泥岩层,厚度较二级含气系统的隔水阻气层薄,且常因后期(水下)分流河道冲刷切割而保存不全,造成相邻层序的煤系储层构成统一的含气系统(如 A1、A2和 A3 井的 SQ3—SQ4,图 2)。究其原因,太原组桥头砂岩为陆表海背景下的低位河道下切充填,桥头砂岩发育井区该套砂岩常造成 8、9 号煤顶板泥岩冲刷缺失,甚至切割 8、9 煤上覆的以 L 1 石灰岩为代表的海相沉积,致使三级含气系统Ⅱ 2 (储层以桥头砂岩为主,是区内主力的致密砂岩气产层)与Ⅱ 1 (储层以 8、9 号煤为主,是区内主力煤层气产层)彼此连通,为煤层气与致密砂岩气共采创造了有利的地质条件。

3.3 关键层与高自然伽马正异常事件层有序组合并构建了叠置含气系统

此外,晚古生代是全球火山活动最频繁的地质历史时期之一,鄂尔多斯盆地晚古生代煤系中保存了大量的同沉积火山作用的产物[29-31] ,测井响应表现为 U、Th 富集的高自然伽马正异常[32] 。铀元素在烃源岩生烃过程中会产生积极作用[33-34] ,尤其对腐殖型烃源岩可显著促进其有机质的热解成烃过程,增加气态烃产率[34] 。区域稳定分布的伽马异常事件层主要位于二级层序界面附近(图 2),关键层与高自然伽马正异常的事件层时空上构成了有序匹配(图 3)。二者均形成于准同生成岩作用或早成岩阶段,且放射性异常事件层沉积早于关键层,具 U、Th 放射性异常的事件层对煤系烃源岩的生烃可能起到促进和催化作用,生成的气态烃运移过程中受关键层的封堵得以保存成藏,这种有序的时空配置可能是构筑上古生界叠置含气系统的基础。

图 3  临兴区块本溪组—山西组含气系统配置示意图

4 结论

1)沉积体系的周期性演替造就了煤系物质组成的韵律性,并在层序格架内最大海泛面附近形成了边界层(关键层)控制了煤系渗流能力的垂向变化,构成叠置含气系统隔水阻气的边界。

2)叠置含气系统中关键层的发育受控于区域海侵事件层的空间分布,其中二级层序最大海泛面附近广泛发育厚度稳定的菱铁质泥岩,构成了区内稳定发育的二级含气系统的上、下边界,三级层序最大海泛面一般也发育稳定分布的菱铁质泥岩,但厚度较二级含气系统的隔水阻气层薄,同时常因后期(水下)分流河道冲刷切割而保存不全,造成相邻层序的煤系储层构成统一的含气系统。


(修改回稿日期 2017-10-09 编辑 罗冬梅)

参考文献

基金项目:国家科技重大专项(编号 :2016ZX05044-002-001、2016ZX05066-001-004)、国家自然科学基金项目(编号 :41672146、

41541046)。

作者简介 :沈玉林,1981 年生,副教授,博士 ;主要从事含煤岩系沉积学教学和科研工作。地址 :(221116)江苏省徐州市中国矿业大学资源与地球科学学院。ORCID: 0000-0003-3770-0660。

E-mail: yulinsh@163.com

发表