冀中坳陷東北部石炭系—二疊系煤成氣保存條件評(píng)價(jià)

趙 威，丁文龍，錢(qián) 錚，藍(lán)寶鋒，趙金利，劉建軍，姚佳利，李瑞娜

（1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院；2 海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

（3 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)頁(yè)巖氣資源戰(zhàn)略評(píng)價(jià)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

（4 中國(guó)石油華北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院；5 中國(guó)石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司）

1 引 言

在過(guò)去十幾年間，多位學(xué)者開(kāi)展了一系列與冀中坳陷石炭系—二疊系煤巖相關(guān)的研究課題，對(duì)其構(gòu)造演化、油氣富集規(guī)律、勘探潛力以及勘探目標(biāo)優(yōu)選等進(jìn)行了大量的研究工作，取得了許多成果［1-5］。根據(jù)研究區(qū)的鉆井資料顯示，同一地區(qū)內(nèi)的不同鉆井，產(chǎn)氣情況差異較大，比如，蘇20井（鉆井位置見(jiàn)圖1）獲得工業(yè)油氣流，而蘇23、蘇29井卻只獲低產(chǎn)油氣流，蘇22井甚至沒(méi)有油氣流，這4口井的生儲(chǔ)蓋組合條件幾乎相同，但在蓋層質(zhì)量和地層壓力等方面卻差異明顯，因此，這四口井產(chǎn)氣情況的不同可能是由于保存條件的差異造成的。由于煤成氣的聚集具有明顯的時(shí)間性和有效性，它聚集以后會(huì)隨著時(shí)間慢慢散失，所以，要研究該地區(qū)的煤成氣勘探前景，就要求對(duì)蓋層的封閉能力和油氣的保存條件進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以確定現(xiàn)今油氣的豐度和工業(yè)價(jià)值。

前人對(duì)煤成氣保存條件的控制因素進(jìn)行過(guò)研究［6-14］，提出了影響煤成氣保存條件的因素包括蓋層的封閉能力、構(gòu)造抬升的剝蝕強(qiáng)度、斷裂的發(fā)育程度、地層水條件以及地層壓力的大小，但并沒(méi)有對(duì)這些單一因素進(jìn)行綜合分析和系統(tǒng)評(píng)價(jià)。本文依據(jù)鉆井、測(cè)井、地震和分析測(cè)試等資料，首先從蓋層質(zhì)量、地層水條件、異常地層壓力、構(gòu)造作用等四個(gè)方面，逐一進(jìn)行單因素的分析評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)之上，再采用多因素疊合分析方法，系統(tǒng)地對(duì)煤成氣的保存條件進(jìn)行綜合研究，旨在建立煤成氣保存條件綜合評(píng)價(jià)參數(shù)體系，以期為冀中坳陷東北部石炭系—二疊系煤成氣勘探提供一定的理論指導(dǎo)。

2 區(qū)域地質(zhì)概況

冀中坳陷位于渤海灣盆地西北部，北為燕山褶皺帶，南為邢衡隆起，西鄰太行山隆起，東到滄縣隆起，面積約為31 700 km2，它是發(fā)育在華北地臺(tái)上的一個(gè)中新生代斷陷盆地［15］（圖1）。冀中坳陷石炭系—二疊系煤系地層的分布具有殘留盆地性質(zhì)［16］，地層殘余厚度約為0~1 300 m。由于印支期、燕山期和喜馬拉雅期多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造，現(xiàn)今的石炭系—二疊系殘留地層主要分布在冀中坳陷東北部地區(qū)，包括霸縣凹陷的文安斜坡、廊固凹陷的河西務(wù)構(gòu)造帶、武清凹陷的全部、里坦凹陷和大城凸起（圖1），總面積約為5 000 km2。

圖1 冀中坳陷東北部石炭系—二疊系實(shí)際資料圖

研究區(qū)石炭系—二疊系煤系地層主要包括山西組和太原組（圖2），平面分布表現(xiàn)為西厚東薄的特征，巖性主要為煤巖、碳質(zhì)泥巖、暗色泥巖和海相石灰?guī)r等，煤層厚度約為0~63 m，具備良好的生烴能力，是本區(qū)的主力烴源巖。覆蓋于煤系地層之上的下石盒子組和上石盒子組下部地層發(fā)育河流—三角洲相砂體，是儲(chǔ)層發(fā)育的有利層段。上石盒子組上部和石千峰組大套泥巖是主要的區(qū)域封蓋層。這些地層在縱向上形成了良好的煤成氣生儲(chǔ)蓋組合，成藏條件良好。

3 煤成氣保存條件單因素評(píng)價(jià)

影響到研究區(qū)煤成氣保存條件的，有四個(gè)主要因素：蓋層質(zhì)量、地層水條件、異常地層壓力和構(gòu)造作用，四個(gè)主要因素之間既有獨(dú)立性又相互關(guān)聯(lián)。四個(gè)主要因素可以從蓋層厚度、砂體含量、地層水類(lèi)型、地層水礦化度、地層壓力系數(shù)、抬升剝蝕程度、斷穿蓋層的斷裂數(shù)量等7個(gè)參數(shù)來(lái)分析評(píng)價(jià)。本文首先對(duì)研究區(qū)煤成氣保存條件進(jìn)行單因素成圖評(píng)價(jià)。

圖2 冀中坳陷石炭系—二疊系地層綜合柱狀圖

3.1 蓋層質(zhì)量

蓋層對(duì)盆地或坳陷中的煤成氣聚集和保存具有重要作用。蓋層的巖性、厚度、破壞程度等地質(zhì)要素都是保存條件評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。研究區(qū)的上石盒子組頂部和石千峰組，地層中的泥巖較發(fā)育，形成了區(qū)域性蓋層。但是由于部分地區(qū)的二疊系頂部剝蝕嚴(yán)重，使得古近系沙河街組四段直接覆蓋在石盒子組地層之上，從而形成了直接蓋層。所以本文進(jìn)行的蓋層評(píng)價(jià)指的是對(duì)石盒子組的上覆蓋層，即石千峰組和部分沙河街組四段的綜合評(píng)價(jià)分析。

石盒子組上覆蓋層的泥巖厚度約為100~200 m，單層厚度約為15~20 m，最大可達(dá)30 m，這不僅可以大大降低氣藏中氣體的擴(kuò)散速度，而且還可以阻擋水和烴類(lèi)的排出。但本區(qū)蓋層中含有砂層，砂地比約為0.2~0.6。宏觀上，當(dāng)砂層及其他巖性?shī)A層含量大于地層厚度的25%時(shí)，泥巖蓋層的封蓋性能就變差［10，17］，從而會(huì)影響煤成氣的保存。因此，評(píng)價(jià)蓋層的保存條件需要考慮蓋層厚度和砂地比等因素，蓋層厚度越大，砂地比越小，蓋層的質(zhì)量就越高。

通過(guò)對(duì)前人資料的整理分析［3，5，14］，結(jié)合本區(qū)蓋層的厚度分布特征（圖3a），以及蓋層的砂地比平面分布特征（圖3b），利用平面疊合分析的方法，繪制出研究區(qū)蓋層質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)圖（圖4）。在評(píng)價(jià)時(shí)認(rèn)為：蓋層厚度大于160 m、砂地比小于0.3的，為好蓋層；蓋層厚度在100～160 m、砂地比在0.3～0.5的，為較好蓋層；蓋層厚度小于100 m、砂地比大于0.5的，為較差蓋層。從圖3、圖4中可以看出，武清凹陷西南部、文安斜坡、大城凸起西部等地區(qū)的砂地比為0.2~0.3，且蓋層厚度為160~260 m，符合蓋層質(zhì)量好的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是煤成氣保存條件較好的區(qū)域。

圖3 冀中坳陷東北部石炭系—二疊系石盒子組儲(chǔ)層的蓋層質(zhì)量單因素圖

圖4 冀中坳陷東北部石炭系—二疊系石盒子組儲(chǔ)層的蓋層質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)圖

3.2 地層水條件

地層水作為煤成氣盆地中流體的一個(gè)主要組成部分，它的活動(dòng)和性質(zhì)直接或間接地影響著盆地流體系統(tǒng)的開(kāi)放性和封閉性，這與煤成氣的保存條件有著十分密切的關(guān)系［18-21］。地層水的水型和礦化度可以反映出煤成氣富集和保存的復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，因此可以用這些特征來(lái)反映地層水所處的環(huán)境，進(jìn)而來(lái)評(píng)價(jià)煤成氣的保存條件?，F(xiàn)據(jù)文獻(xiàn)［21］及前人研究成果①唐書(shū)恒，黃文輝，丁文龍，等.冀中坳陷東北部石炭—二疊系煤成氣成藏條件與勘探方向研究［R］.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2013.編制了表1，從表1 可以看出，地層水礦化度越高，且水型為CaCl2型的,地層水對(duì)煤成氣保存有利，該類(lèi)水型一般位于地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的煤成氣藏中，氣藏頂層的封閉性、隔層的分隔性均較好，屬于水文地質(zhì)停滯帶，有利于煤成氣的保存，因此，CaCl2型的地層水是含煤成氣的直接標(biāo)志。相反，礦化度低、NaHCO3型的地層水對(duì)煤成氣保存不利。

表1 天然氣藏地層水保存環(huán)境類(lèi)型的劃分及其水化學(xué)指標(biāo)（據(jù)文獻(xiàn)［21］和①編制）

根據(jù)表1中的參數(shù)，結(jié)合實(shí)際資料以及研究區(qū)內(nèi)近20口井的地層水測(cè)試分析數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)石炭系—二疊系地層水化學(xué)性質(zhì)所反映的保存條件進(jìn)行了評(píng)價(jià)：地層水型為CaCl2型、地層水礦化度大于10000mg/L的地區(qū)為煤成氣保存有利區(qū)；地層水型為Na2SO4+NaHCO3型、地層水礦化度5000~10000mg/L的地區(qū)為煤成氣保存條件較有利地區(qū)；地層水型為Na2SO4+NaHCO3型、地層水礦化度小于5 000 mg/L的地區(qū)為煤成氣保存條件較差地區(qū)。如圖5所示，武清凹陷、楊村斜坡以及里坦凹陷等區(qū)的地層水型為CaCl2型，地層水礦化度約為10 000~30 000 mg/L，為地層水條件好的區(qū)域，反映出這些區(qū)域煤成氣藏的地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，頂層的封閉好，隔層的分隔也好，有利于煤成氣的保存。

圖5 冀中坳陷東北部石炭系—二疊系地層水化學(xué)性質(zhì)與保存條件評(píng)價(jià)圖

3.3 異常地層壓力

異常地層壓力是驅(qū)動(dòng)煤成氣運(yùn)移、制約煤成氣藏形成與分布、影響煤成氣勘探成效的一個(gè)重要因素，它對(duì)煤成氣的保存條件起著關(guān)鍵性作用。本文將利用鉆井聲波時(shí)差測(cè)井資料，建立ln(Δt)—H正常趨勢(shì)線(xiàn)，采用等效深度法，來(lái)計(jì)算地層孔隙流體壓力。

等效深度法是國(guó)內(nèi)外油田定量分析地層壓力最常用的方法，其理論依據(jù)是：在地下不同深度、具有相同聲波時(shí)差的地層，所受的骨架應(yīng)力理論上是相等的，即在不考慮溫度等其他因素影響的情況下，如果地層中正常層段A點(diǎn)與異常層段B點(diǎn)的聲波時(shí)差值相等，那么這兩點(diǎn)地層所具有的骨架應(yīng)力應(yīng)該相等，HA即可視為HB的等效深度［22］（圖6）。B點(diǎn)的地層壓力則可以用公式(1)表示：

式中：PB——B點(diǎn)的地層壓力，MPa；

GN——靜水柱壓力梯度，MPa/m；

GO——上覆巖層壓力梯度，MPa/m；

HA——等效深度，m；

HB——超壓地層深度，m。

由于實(shí)際中的HA一般較難確定，所以需引入正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)，并假定其按指數(shù)規(guī)律變化，此時(shí)，由正常情況下的泥巖聲波時(shí)差和埋深關(guān)系可得公式(2):

式中：c——地層壓縮因子，數(shù)值上等于正常壓實(shí)

趨勢(shì)線(xiàn)的斜率；

Δt——泥巖埋深為HA時(shí)的聲波時(shí)差值，μs/m；

Δt0——泥巖埋深H=0時(shí)的聲波時(shí)差值，μs/m。將公式(2)代入公式(1)，可得公式(3)：

這里，上覆地層壓力梯度資料可根據(jù)密度測(cè)井資料求取，靜水壓力梯度可根據(jù)地層水資料確定。

依據(jù)公式(3)，共選取研究區(qū)內(nèi)32口井進(jìn)行了蓋層地層壓力系數(shù)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，據(jù)此對(duì)石炭系—二疊系煤成氣的保存條件進(jìn)行了評(píng)價(jià)：地層壓力系數(shù)大于1.3的地區(qū)為高異常地層壓力區(qū)，對(duì)煤成氣的保存有利；地層壓力系數(shù)在1~1.3之間的地區(qū)為較高異常地層壓力區(qū)，對(duì)煤成氣的保存較為有利；地層壓力系數(shù)小于1的地區(qū)為低異常地層壓力區(qū)，對(duì)煤成氣的保存不利。如圖7所示，武清凹陷西南部等地區(qū)的地層壓力系數(shù)約為1.36~1.53，是煤成氣保存條件較好的區(qū)域。

圖6 等效深度法示意圖（據(jù)文獻(xiàn)［22］，略改）

3.4 構(gòu)造作用

冀中坳陷東北部的石炭系—二疊系煤系地層經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史，現(xiàn)今的構(gòu)造格局是不同期次、不同類(lèi)型和不同方向的構(gòu)造相疊合的結(jié)果。前人研究表明，印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)造成了研究區(qū)的石炭紀(jì)—二疊紀(jì)地層先東傾、后西傾，發(fā)生了類(lèi)似于“翹翹板”式的變化［23］。在這些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期間，一方面，石炭系—二疊系經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化淋濾，為潛山油氣藏的形成創(chuàng)造了有利的儲(chǔ)集條件；另一方面，多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了不同期次的斷層組合，從而造成了研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造帶被嚴(yán)重復(fù)雜化。本次研究的構(gòu)造作用主要考慮了由于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的抬升剝蝕情況以及斷層的發(fā)育程度等。

3.4.1 抬升剝蝕程度

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的地殼抬升剝蝕，既可以使含氣層段之上的巖層和區(qū)域蓋層減薄或剝蝕，從而導(dǎo)致殘余蓋層的孔隙度和滲透率的提高，同時(shí)也容易使蓋層發(fā)生脆性破裂而導(dǎo)致地層垂向封閉性減弱、甚至開(kāi)啟，從而降低蓋層的烴濃度封閉能力。地殼抬升

作用可以分為兩類(lèi)：整體性抬升和差異性抬升。不同類(lèi)型的抬升作用，對(duì)煤成氣藏產(chǎn)生的破壞作用也不同：整體性抬升具有抬升區(qū)域范圍大、抬升幅度小和地區(qū)間的抬升差異性小等特點(diǎn)，比較有利于氣藏的保存；而差異性抬升會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)集巖層埋深變得很小，甚至出露地表遭受剝蝕，不利于煤成氣的保存。

表2 冀中坳陷東北部32口井石炭系—二疊系煤成氣蓋層地層壓力系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

圖7 冀中坳陷東北部石炭系—二疊系煤成氣蓋層地層壓力系數(shù)分布與保存條件評(píng)價(jià)圖

研究區(qū)的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了二疊系及中生界部分地層被剝蝕，根據(jù)石盒子組上覆蓋層的斷裂分布情況，以及通過(guò)研究區(qū)地震資料的解釋所判斷的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)范圍，綜合分析認(rèn)為：武清凹陷東部、楊村斜坡西南部、里坦凹陷以及文安斜坡等地區(qū)發(fā)生了整體性抬升（圖8），因而比較有利于煤成氣藏的保存；而大城凸起以及楊村斜坡東部等地區(qū)，由于石千峰組被剝蝕，故不利于煤成氣藏的保存。

圖8 冀中坳陷東北部石炭系—二疊系后期構(gòu)造抬升剝蝕強(qiáng)度分布圖

3.4.2 斷裂發(fā)育程度

斷裂既可能是煤成氣垂向運(yùn)移的有利輸導(dǎo)體系，也可能是影響煤成氣散失或封堵的主要因素［24-26］。本文研究的斷裂系統(tǒng)主要是指可形成局部煤成氣逸散、從而導(dǎo)致圈閉的有效性被破壞的通天斷層，以及延伸端與地表巖溶淡水層下延部位相交的隱伏斷層。若斷裂發(fā)育比較密集，則不利于煤成氣的保存。

本文利用研究區(qū)二維、三維地震資料，對(duì)斷裂系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)解釋?zhuān)幹屏藬嗔寻l(fā)育程度評(píng)價(jià)圖（圖9）。根據(jù)斷裂分布的密集程度，將研究區(qū)劃分為斷裂較少、中等、較多三個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。冀中坳陷東北部處于伸展構(gòu)造背景之下，規(guī)模不等的正斷層十分發(fā)育，但研究區(qū)的南部地區(qū)與北部地區(qū)的斷層發(fā)育特點(diǎn)存在著顯著差異［5］。在北部的武清凹陷和文安斜坡，斷層比較發(fā)育，而靠南部的大城凸起南端以及里坦凹陷，斷層則不發(fā)育，呈零星分布，是煤成氣保存條件較好的地區(qū)。

具體來(lái)看，武清凹陷發(fā)育不同級(jí)次的正斷層，以規(guī)模較大的邊界同沉積基底斷層為主，其次是在沉積蓋層中與局部構(gòu)造伴生發(fā)育的小斷層，斷層總體走向與盆地軸向一致，以北北東向?yàn)橹?，也有少量北東向和北西向的。在文安斜坡，斷層密集分布，主要由兩組斷層以及因巖漿上侵而形成的一系列張性斷層和大裂縫構(gòu)成：一組斷層的走向基本平行于文安斜坡的展布方向，即北北東—北東向，另一組斷層的走向則與文安斜坡的展布方向近似垂直，兩組斷層相互切割而形成窗格狀；而張性斷層和大裂縫是由于文安斜坡東南部在45 Ma時(shí)期有巖漿活動(dòng)，隨著地下高溫高壓的巖漿有規(guī)律地沿?cái)嗔亚秩?，?dǎo)致其兩側(cè)已形成煤成氣的氣源物質(zhì)遭受烘烤而產(chǎn)生的。

4 煤成氣保存條件綜合評(píng)價(jià)及有利區(qū)預(yù)測(cè)

在煤成氣保存條件評(píng)價(jià)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合具體問(wèn)題具體分析，不能僅以一個(gè)指標(biāo)的好壞來(lái)肯定或否定一個(gè)地區(qū)或領(lǐng)域。因此本文結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)情況以及與保存條件相關(guān)的資料，建立了冀中坳陷東北部地區(qū)石炭系—二疊系煤成氣保存條件多因素綜合評(píng)價(jià)參數(shù)體系（表3），將煤成氣保存條件劃分成好、較好和較差三個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。

現(xiàn)依據(jù)評(píng)價(jià)體系，采用多因素疊合法，將圖4、圖5、圖7、圖8、圖9 等五張單因素評(píng)價(jià)圖進(jìn)行疊合，編制出了冀中坳陷東北部石炭系—二疊系煤成氣保存條件綜合評(píng)價(jià)圖（圖10）。綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，保存條件好的區(qū)域主要包括武清凹陷中南部、里坦凹陷西南部、文安斜坡北部的信安地區(qū)和西部的蘇橋以南地區(qū)；保存條件相對(duì)較好的區(qū)域主要包括饒陽(yáng)凹陷北部和里坦凹陷的大部分地區(qū)；保存條件差的區(qū)域主要包括河西務(wù)構(gòu)造帶、武清凹陷北部、楊村斜坡北部、文安斜坡東部以及大城凸起的大部分地區(qū)。

圖9 冀中坳陷東北部石炭系—二疊系斷穿蓋層的斷裂發(fā)育程度評(píng)價(jià)圖

表3 冀中坳陷東北部地區(qū)石炭系—二疊系煤成氣保存條件多因素綜合評(píng)價(jià)參數(shù)體系

前人研究表明［3-4，16，23］，冀中坳陷東北部文安、信安、葛漁城等地區(qū)為煤系游離氣勘探的有利區(qū)域，已發(fā)現(xiàn)的煤成氣藏主要分布在楊村斜坡南部—信安東部—蘇橋、文安東部等地，這與本文的評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合，同時(shí)這也可以解釋本文開(kāi)頭提到的4 口鉆井產(chǎn)氣有差異的問(wèn)題。根據(jù)本次預(yù)測(cè)，冀中坳陷東北部武清凹陷中部地區(qū)、里坦凹陷西南部地區(qū)有一定的煤成氣勘探潛力，饒陽(yáng)凹陷北部地區(qū)和里坦凹陷的大部分地區(qū)勘探潛力較好，但有一定的勘探風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 冀中坳陷東北部石炭系—二疊系煤成氣保存條件綜合評(píng)價(jià)圖

5 結(jié) 論

（1）影響冀中坳陷東北部石炭系—二疊系煤成氣保存條件的主要有四個(gè)因素：蓋層質(zhì)量、地層水條件、異常地層壓力以及構(gòu)造作用。

（2）確定了研究區(qū)煤成氣保存條件的7 個(gè)單因素評(píng)價(jià)參數(shù)，并建立了多因素綜合評(píng)價(jià)參數(shù)體系，劃分出好、較好、較差三個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了單因素及多因素保存條件的評(píng)價(jià)。

（3）綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，冀中坳陷東北部石炭系—二疊系煤成氣保存條件好的區(qū)域主要包括武清凹陷中南部、里坦凹陷西南部、文安斜坡北部的信安地區(qū)和西部的蘇橋以南地區(qū)；保存條件較好的區(qū)域主要包括饒陽(yáng)凹陷北部和里坦凹陷的大部分地區(qū)；保存條件差的區(qū)域主要包括河西務(wù)構(gòu)造帶、武清凹陷北部、楊村斜坡北部、文安斜坡東部以及大城凸起的大部分地區(qū)。

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