鄂爾多斯盆地東緣煤層氣藏演化及其差異分析

李貴紅

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 710054)

1 構(gòu)造事件

鄂爾多斯盆地中生代古地溫梯度高于現(xiàn)今地溫梯度，說(shuō)明早白堊世以后盆地經(jīng)過(guò)了大幅度抬升，伴隨有強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖漿活動(dòng)，存在構(gòu)造熱事件。孫少華、任戰(zhàn)利等采用裂變徑跡分析方法、楊興科采用鋯石SHRIMP測(cè)年、劉德漢、汪本善、任戰(zhàn)利等采用流體包裹體研究的方法，對(duì)鄂爾多斯盆地構(gòu)造熱事件進(jìn)行過(guò)研究，證明上古生界煤系沉積之后鄂爾多斯盆地曾發(fā)生過(guò)5次主要構(gòu)造熱事件，分別是晚三疊世～早侏羅世(215Ma BP)、中侏羅世到晚侏羅世(161Ma BP)、晚侏羅世到早白堊世(158Ma～125Ma BP)、晚白堊世到古近紀(jì)(72Ma～60Ma BP)和古近紀(jì)到新近紀(jì)(23Ma～20Ma BP)。

2 沉降-埋藏史恢復(fù)

2.1 地層剝蝕厚度

本文在恢復(fù)研究區(qū)地層埋藏史時(shí)，采用了陳瑞銀應(yīng)用地層對(duì)比法與泥巖壓實(shí)趨勢(shì)外推法相結(jié)合恢復(fù)的地層剝蝕厚度值。鄂爾多斯盆地東緣北段府谷地區(qū)在三疊紀(jì)末、中侏羅世末、侏羅紀(jì)末、白堊紀(jì)末被剝蝕的地層厚度分別為100m、40m、240m和1400m；中段吳堡地區(qū)在相應(yīng)地質(zhì)時(shí)代被剝蝕地層厚度分別為0m、140m、300m和1700m；南段吉縣地區(qū)分別為50m、180m、260m和2000m。表明白堊紀(jì)末期為三疊紀(jì)以來(lái)最強(qiáng)烈的一次全盆地抬升剝蝕事件，而三疊紀(jì)末、中侏羅世和侏羅世末期這3期剝蝕事件相對(duì)較弱。筆者運(yùn)用Dow等提出、何生等、胡圣標(biāo)等、佟彥明等、曹強(qiáng)等改進(jìn)的鏡質(zhì)體反射率外推法對(duì)吳堡ZK17井晚白堊世末剝蝕厚度作了恢復(fù)，結(jié)果為1769m，證明采用陳瑞銀等恢復(fù)的剝蝕厚度來(lái)反演地層埋藏史是可信的。

2.2 煤層埋藏史

煤層埋藏史與煤層氣成藏過(guò)程有直接關(guān)系。鄂爾多斯盆地東緣石炭-二疊系含煤巖系沉積始于早石炭世Moscovian初期，大約在310Ma BP，在早二疊世Sakmarian期的280Ma BP結(jié)束，整個(gè)過(guò)程持續(xù)30Ma BP。

研究區(qū)上古生界煤層在中侏羅世末(154Ma BP)達(dá)到最大埋藏深度，此時(shí)北、中、南三段相比，北部埋深較淺、中部居中，南部達(dá)到的埋藏深度最大，區(qū)域上由北向南，煤層達(dá)到的最大埋藏深度呈增大趨勢(shì)。在早白堊世末(110Ma BP)，地殼急劇抬升，造成鄂爾多斯盆地全面隆起，煤層發(fā)生了大幅度的抬升，上覆巖層遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕，持續(xù)變薄，煤層埋深變淺。上新世以來(lái)(35Ma BP～至今)，煤層經(jīng)歷了小幅度的沉降與抬升，埋深與現(xiàn)今變化不大。

3 煤的熱演化

本文利用鏡質(zhì)體反射率古溫標(biāo)反演法，根據(jù)EASY%Ro模型，結(jié)合地層埋藏史和實(shí)測(cè)Ro數(shù)據(jù)，進(jìn)行了有機(jī)質(zhì)成熟度史正演模擬。結(jié)果表明，中侏羅世末(154Ma BP)太原組頂面古地溫達(dá)到最大，煤的熱成熟度演化基本達(dá)到現(xiàn)今大小。從晚三疊世末到早白堊世末地層沉降抬升幅度較小，地層溫度變化不大，僅略有增加或降低，煤的熱演化相應(yīng)變化甚小。從早白堊世末至古近紀(jì)末，地層發(fā)生大幅度抬升，太原組頂面溫度持續(xù)下降。

正如羅圖昌、王雙明等的研究結(jié)果：鄂爾多斯盆地東緣煤化作用主要受深成變質(zhì)作用控制。對(duì)比現(xiàn)今的鏡質(zhì)體反射率值分布可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)現(xiàn)今煤的熱成熟度與中侏羅世末期達(dá)到的最大埋藏深度有很好的正相關(guān)關(guān)系(表1)，北部府谷SF1井、中部吳堡ZK17孔、南部吉縣JS3井煤層現(xiàn)今最大鏡質(zhì)體反射率為0.62%、1.13%和1.91%，煤層經(jīng)歷的最大古埋深分別為1800m、2600m和3200m。古埋深每增大100m，鏡質(zhì)體反射率平均增大0.11%。煤層達(dá)到的最大埋藏深度奠定了本區(qū)煤化作用的基本格局，由此也確定了煤層生烴強(qiáng)度的基本格局。

表1 北、中、南部煤成熟度與最大古埋深對(duì)比

4 煤層氣成因

鄂爾多斯盆地東緣煤層氣甲烷碳同位素(δ13CPDB)分布在-70.5‰～-36.19‰，呈現(xiàn)由北向南、由東向西逐漸偏重的趨勢(shì)。北部臨縣一帶δ13CPDB為-67.2‰～-55.4‰，吳堡一帶δ13CPDB為-43.79‰～-39.68‰，柳林地區(qū)δ13CPDB為-62.08‰～-50.58‰，吉縣一帶δ13CPDB在-48.48‰～-37.8‰，韓城礦區(qū)δ13CPDB在-70.5‰～-39.3‰。

從研究區(qū)現(xiàn)有甲烷δ13C分布特征看，北部臨縣為次生生物氣，中部吳堡、吉縣為熱成因氣，而柳林、韓城為熱成因和次生生物混和氣。換句話說(shuō)，靠近煤層露頭邊淺部存在次生生物氣及次生生物氣與熱成因混合氣，中深部氣體類(lèi)型主要為熱成因氣。

5 煤層氣藏演化過(guò)程分析

根據(jù)煤層埋藏史、構(gòu)造熱演化史及原生生物氣、熱成因氣、次生生物氣生成的特點(diǎn)，鄂爾多斯盆地東緣煤層氣成藏演化過(guò)程大致分為4個(gè)階段(圖1)，分別是泥炭淺埋和原生生物氣生成階段、煤層深埋和熱成因氣生成階段、煤系抬升卸載和氣體逸散階段、煤層再埋藏和次生生物氣補(bǔ)充階段?，F(xiàn)分述如下。

注：A.泥炭淺埋和原生生物氣階段 B.煤層深埋和熱成因氣階段 C.煤系抬升卸載和吸附氣逸散階段 D.煤層再埋藏和次生生物氣補(bǔ)充階段圖1 鄂爾多斯盆地東緣煤層氣藏演化階段劃分

5.1 泥炭淺埋和原生生物氣生成階段(310Ma～250Ma BP)

運(yùn)用沉積盆地?zé)崾坊謴?fù)模擬系統(tǒng)(Thermodel for Windows 2008)軟件做的埋藏史和熱史模擬顯示，鄂爾多斯盆地東緣石炭-二疊紀(jì)煤層沉積之后到晚二疊世末(310Ma～250Ma BP)，盆地處于拗陷沉降階段，沉積作用增強(qiáng)，煤層埋深不斷增加，到晚二疊世末，太原組頂面古埋深變化范圍200～1200m(圖2(a))，由北向南埋藏深度增加，府谷300m，吳堡630m，吉縣1000m。該階段煤層緩慢沉降，地層溫度增幅較慢，由地表溫度增至60℃，煤層均處于未成熟階段，Ro<0.5%，埋藏淺、溫度低，微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解作用形成了原生生物氣。但是，由于各區(qū)段煤熱演化程度不同，其原生生物氣生成階段結(jié)束時(shí)間并不完全相同，中段為250Ma BP；北段埋深淺，有機(jī)質(zhì)熱演化慢，到230Ma BP結(jié)束；南段埋藏深度大，有機(jī)質(zhì)演化速度快，該階段比北區(qū)提前了45Ma。由于缺乏保存條件，現(xiàn)今煤層中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)原生生物氣。

5.2 煤層深埋和熱成因氣生成階段(250Ma～83Ma BP)

在250Ma～210Ma BP，三疊紀(jì)地層沉積速率加大，煤層快速沉降。經(jīng)歷了晚三疊世、中侏羅世及中侏羅與晚白堊世的沉積間斷及小幅度沉降抬升后，研究區(qū)在154Ma BP太原組頂面古埋深變化1600～3600m，府谷達(dá)1800m，吳堡2600m，南部吉縣最深達(dá)3200m(圖2(b))；從早三疊世到晚三疊世末(250Ma～210Ma BP)，煤層進(jìn)入快速埋藏階段，上覆地層厚度急劇增加，煤層古溫度增加較快(圖3(b))。府谷太原組頂面古溫度從40℃增加至95℃；吳堡增加到152℃；吉縣增加至175℃。煤儲(chǔ)層達(dá)到的最大埋藏深度由北向南增大，煤層經(jīng)歷的古地溫由北向南增高，南北相差達(dá)80℃，高地溫促使煤經(jīng)歷更高的熱變質(zhì)作用，北、中、南部煤級(jí)依次增高。燕山運(yùn)動(dòng)中期(154Ma～110Ma BP)，煤層埋深改變幅度不大，到早白堊世中晚期煤層基本維系了中侏羅世末的埋藏深度和變質(zhì)程度。

注：1.黃河；2.煤層露頭；3.古埋深等值線；4.用于熱史恢復(fù)的井；(a)250Ma BP、(b)154Ma BP和(c)35Ma BP(單位：℃)圖3 研究區(qū)太原組頂面古地溫場(chǎng)圖

該階段經(jīng)歷了210Ma～180Ma BP、165Ma～163Ma BP和154Ma～135Ma BP三次主要的構(gòu)造熱事件，熱成因氣的生成過(guò)程持續(xù)進(jìn)行。北段府谷地區(qū)承受的最大古地溫為90℃，煤層處于低熟階段，Ro為0.5%～0.7%，北部煤層氣的生成以早期熱成因氣為主；中段吳堡地區(qū)煤系承受的最大古地溫超過(guò)150℃，煤層達(dá)到了成熟晚期，Ro為1.0%～1.3%，比北段煤層多經(jīng)歷了最大量濕氣生成、強(qiáng)熱成因甲烷開(kāi)始產(chǎn)生等階段，凝析油開(kāi)始裂解成甲烷，比北區(qū)多生成了大量的氣體，現(xiàn)今含氣量明顯高于北區(qū)；而吉縣地區(qū)煤系承受的最大古地溫超過(guò)170℃，煤層達(dá)到了高成熟，Ro為1.3%～2.0%，部分達(dá)到過(guò)成熟階段(Ro>2.0%)，除上述生氣過(guò)程外，另外經(jīng)歷了最大量熱成因甲烷生成、大量濕氣生成的最后階段，部分煤層甚至經(jīng)歷了大量熱成因甲烷生成的最后階段，南段的現(xiàn)今含氣量高具有一定的生氣基礎(chǔ)。

5.3 煤系抬升卸載和吸附氣逸散階段(83Ma～35Ma BP)

燕山運(yùn)動(dòng)晚期(110Ma～35Ma BP)，地殼急劇抬升，造成鄂爾多斯盆地全面隆起，結(jié)束了大型坳陷盆地沉積歷史；盆地邊緣抬升幅度較大，煤層上覆巖層遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕，持續(xù)變薄，煤層埋深變淺，氣體大量逸散。在35Ma BP，研究區(qū)太原組頂面古埋深0～1200m，府谷200m，吳堡800m，吉縣1100m(圖2(c))。早白堊世末至古近紀(jì)末(110Ma～35Ma BP)，煤層抬升速度較快，溫度急劇下降(圖3(c))，煤化作用進(jìn)程幾近終止，北部府谷地區(qū)從90℃降至30℃，中部吳堡從150℃降至50℃，南部吉縣從170℃降至58℃。該階段溫度、壓力條件變化引發(fā)了煤層氣藏的動(dòng)態(tài)平衡，煤層含氣量一直在變化。

研究區(qū)煤儲(chǔ)層經(jīng)歷了晚白堊至古近紀(jì)長(zhǎng)達(dá)70Ma的大幅度抬升，中部地層剝蝕厚度達(dá)到1700m，氣體在此期間發(fā)生了大規(guī)模逸散，盆地晚古生代煤源巖的排烴系數(shù)為81%～91%。絕大部分烴類(lèi)氣體在生成之后，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)間運(yùn)移到圍巖中。

5.4 煤層再埋藏和次生生物氣補(bǔ)充階段(35Ma BP ～至今)

上新世以來(lái)(35Ma BP ～至今)，煤層首先經(jīng)歷了小幅度的沉降與抬升，在5Ma BP以后，又進(jìn)入緩慢沉降狀態(tài)，現(xiàn)今由東北部向西南部埋深增大，府谷為300m，吳堡為880m，吉縣為1200m。古近紀(jì)至今(35Ma～0Ma BP)，煤層古溫度比白堊紀(jì)末略有下降，府谷為30℃，吳堡40℃，吉縣下降到50℃左右。

次生生物氣樣品采自盆地邊緣煤層埋深較淺部位，臨縣、柳林和韓城均發(fā)現(xiàn)了次生生物氣存在。煤層經(jīng)埋藏、煤化作用和盆緣抬升剝蝕后，攜帶細(xì)菌的大氣降水及其它地表水補(bǔ)給流經(jīng)可滲透煤層時(shí)，在相對(duì)低的溫度下，通常不大于56℃，使?jié)駳獬煞?、烷烴等煤化作用過(guò)程中生成的有機(jī)化合物發(fā)生新陳代謝作用生成了甲烷和二氧化碳。

次生生物氣的生成需要具備兩個(gè)條件：一是煤的鏡質(zhì)體反射率應(yīng)低于2%，對(duì)全國(guó)99組煤的熱成熟度和甲烷碳同位素關(guān)系做了統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，Ro大于2%以后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)次生生物氣存在；其二，并非所有Ro小于2%的煤中均存在次生生物氣，還需具備次生生物氣生成的地下水動(dòng)力條件，例如，研究區(qū)只有在靠近露頭邊淺部煤層中發(fā)現(xiàn)次生生物氣存在。

前人研究同樣表明，次生生物氣的生成是對(duì)煤層氣藏一個(gè)很好補(bǔ)充。鄂爾多斯盆地東緣煤層露頭普遍發(fā)育，埋藏淺，變質(zhì)程度低，在水動(dòng)力條件具備的煤層中可能產(chǎn)生次生生物氣，進(jìn)一步提高儲(chǔ)層含氣量，增大飽和度。但是，如果盆地邊淺部不具備好的保存條件，現(xiàn)今含氣量同樣不會(huì)高。

6 成藏演化事件

鄂爾多斯盆地東緣煤層氣成藏事件主要包括烴源巖、儲(chǔ)集巖、蓋層、上覆巖層的形成演化、原生生物氣生成、熱成因氣生成、氣體逸散、次生生物氣補(bǔ)充、生成-運(yùn)移-聚集、保存時(shí)間及關(guān)鍵時(shí)刻等幾個(gè)方面(圖4)。

圖4 鄂爾多斯盆地東緣煤層氣系統(tǒng)成藏事件圖

烴源巖即煤層形成于晚石炭世到早二疊世，煤既是烴源巖又是儲(chǔ)集巖，故儲(chǔ)集巖與烴源巖同時(shí)形成；早二疊世之后煤層及儲(chǔ)集巖持續(xù)深埋，至晚二疊世250Ma BP為原生生物氣生成階段；250Ma～83Ma BP發(fā)生三次構(gòu)造熱事件，煤層持續(xù)深埋，為熱成因氣生成階段；83Ma～35Ma BP煤層經(jīng)歷了早白堊世的大幅度抬升，為氣體逸散階段；35Ma BP～至今，盆地邊緣煤層抬升至近地表，地表水?dāng)y帶細(xì)菌補(bǔ)給煤層，在熱成熟度小于2.0%的淺部區(qū)域生成了次生生物氣，即氣源補(bǔ)充階段。

煤層中氣體以吸附氣為主，關(guān)鍵時(shí)刻和有效地層沉積厚度決定著現(xiàn)今含氣量的大小。關(guān)鍵時(shí)刻是指煤層氣藏演化過(guò)程中經(jīng)歷溫度最高、生烴強(qiáng)度最大的時(shí)刻。在中侏羅世末(154Ma BP)，煤層達(dá)到最大埋深，即研究區(qū)煤層氣系統(tǒng)演化的關(guān)鍵時(shí)刻，這一階段也是有效蓋層持續(xù)沉積階段。煤層經(jīng)歷了印支晚期、燕山期、喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，發(fā)生6次抬升、沉降及沉積間斷，上覆巖層斷續(xù)沉積，分別在202Ma～180Ma BP、165Ma～163Ma BP、154Ma～135Ma BP、112Ma～35Ma BP發(fā)生間斷。在烴源巖及儲(chǔ)集巖沉積之后，受構(gòu)造作用，氣體發(fā)生運(yùn)移、聚集保存及次生生物氣的再補(bǔ)充，局部形成地層及構(gòu)造圈閉，這種演化運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)至今。