鄂尔多斯盆地煤成气生储盖组合及时空分析.PDF

中国煤层气勘探开发利用技术进展 鄂尔多斯盆地煤成气生储盖组合及时空分析 李 增学， ，2 韩美 莲， 李江涛 ， 吕大炜 ， ，2 1 .山 东科技大学地科学院山 东青岛 2 6651 0 2山 东省油气 勘探开发工程技术 研究 中 心山 东青岛 2 6 65ro 3 .中国 科学院广州地球化 学研究所 广东广州 51以 讲 。 摘要煤是部尔多斯盆地主要犷产之一，是煤成气的主要源岩。分布于石炭一二叠系的本澳组、 太原组、山西组，三叠系的瓦窑坚组和休罗系的延安组及直罗组。上古生界烃源岩有机质丰度校高。部 尔多斯盆地上古生界烃源岩皆达到成熟以上演化程度，并且具有南高北低的演化特点。晚古生代海陆交 互相碎屑岩和 破酸盐岩储层体， 经过成岩作用和构造叠加改造成为十分复杂的地质体， 且被非渗 透性的 岩层所围限.从而形成各种形态和成因的低孔、低渗油气藏。研究表明，娜尔多斯盆地发育四种生储盖 组合关系自生自储型、混合运储型、上生下储型、下生上储型。 美扭词谈成气源岩生储盖组合时空分布郑尔多斯盆地 A n a ly s is o n A s s o c iat io n a n dS P r e a d in gofS o u rc er o c k ， R e s e rv o i r a n dC a PR o c k sof C o a l 一 d e r iv e dG a si no r d o sB a s i n L i z e n g x u e l ，2 ， H a n M e il ia n ， ， L I J i a n g t a 夕， L u D awe i ， 1 . C o lle g eo f G e o 一 S c ie n c e ， S h a n d o n gU n jvers ityotS c i e n Ce a n dT ech n o lo g y ， Q in g d a o 2 665 1 0 ; 2 . E n g i n e e r i n g T e c h n ic a l R e s e a rc h C e n te r ofP e t ro I e u ma n d G a s E x P lo ratio n a n d D eve l o P m e n t ofS h a n d o n g ， Q in g d a o 2 6 6 5 1 0 ; 3G u a n g Z h o u l n s t it u teofG e och e m is t ryofC h in e s e A c a d e m y ofScie n c e s ， G u a n g z h o u 5 1 0 640 Ab 劝 r a ‘ t C oal i s one ofth emo sti m 详.d . 1l l m in e 面 花50毗e . i no r d 阅 b 朋in ， 助d云 t 访th e如n 以 印e rockof印目 一南ed 脚.Thec 耐 悦ds击st ri b ut einBel画 F 明刀 a ti on， T a 妙 u 叨F 佣11 atio na r dskalmF o nnatlon of 几r ll li 即一a 击， n 血2 。 此， Wa y a o 1 刀即a tionofT r i a s si 。 田 1 dY an’an F o n 1坦 I ion andZ hiluo F 朋11 ati叨ofjurassi ‘ Theabu n d 阴c eof0 l g 日 山叨， i nthe卜 y d r 〔吧 肚 场11 代。刚kofu P 卿 P a }e 。 叨ic叨 朗h l 目 le r .T h elll e t a n l呷 h ic 邵 冠 d e ofallofh 外 1欣日 r 】洲 现 吟 . 阴ks成u p l犯 r Paleozol c inth e o r lk 粗L 朋 i n 榔 in翻es 日 ofth e e xtentof mat uritya l ld h asth ech arac te 血tic th atth e 明thishi ghert h a nth o n o 汕二r 卜 e 似 1招ofcl as血概ksa ll d 沈d 洲 Il la le恻k . ofp a r 日 】i e砚1洲 浦 its ofuPperPal icw ere 恤 日 肠m记in tothe c o lll l〕 lex 脚 10 目 cl 别 侧 L esafte r 阮 di 卿 n 图isa ll d比e， tl p e 月 ， 拍 i li on of奴t 呻 5 .Even they峨 鱿 .前Lln d e db yth enon 一 p e rnl e a b le耽 k . ， thu， ，t he 山 瓜r e n t low 训阴ity a 盯 d】0 叨 一 伴栩le abili tyoil 即u 溉 似k ; 朋咖iati onofk ， 跳e rvoirandc a p砚k 叭 s p r e adi邺; 0 记此 b a s in 鄂尔多斯盆地是 我国 西部地区巨大的能源盆地， 从 古生界到中 新生界沉积了大 套的含 油 气和含煤地 层， 多 种能 源矿产共存富集规律研究 是当 今的 热点课题。 有关鄂尔多 斯盆地 煤、 石油天然 气、 煤成气和煤层气、 铀矿等的研 究成果 不断提出。 煤的聚 积对多种能源矿 产共存富集 具有特 殊贡献. 而煤成气是该盆地重要的天 然气资料， 其聚集成藏是多 种能源 矿产共存富 集的主 要组合形式之一， 本文就鄂尔多 斯盆 地煤成气储、 盖组合特点及其时空 展布进行探讨。 1 鄂尔多斯盆煤成气源岩分布 煤是鄂 尔多斯盆地主 要矿产之一， 是煤成气的主要源岩。自 下而上有c一 P 、 T和J 三 套 含 煤 岩 系 〔 ’ 〕 ， 主 要 分 布 于 石炭 一 二叠 系的 本 溪组、 太 原 组、 山 西组 ， 三 叠系 的 瓦窑 堡组和侏罗系的延 安组及直罗组。石炭一二叠纪含煤地层形成于华北晚古生代聚煤盆地， 三叠纪含煤岩系 形成于 华北三叠系大型内陆坳陷盆 地， 侏罗纪含煤岩 系则形成于鄂尔多斯 侏罗纪聚煤盆 地。由 于三大聚煤期盆地的大地构 造背景 不同， 充填过程中 形成的含 煤岩系 和煤层的特 点各异[2J。 石炭、 二叠纪含煤岩系以太原组和山 西组为主 要含煤层段， 煤系和煤层在全盆地均有 分布， 但埋 深2 0 沁 m以浅者 仅局限于 盆地周缘。 太原组一般含煤2 一 9 层， 可采及局部可 采者2 一 5 层， 最大累 计厚度20 30m ， 主要可采 煤层位于中 下部。山西组一般含煤2 一 3 层， 可采及 局部可采1 2 层，累 计厚度和最大 单层厚度均低于太原组， 主要可采煤层位 于中下部。 三叠纪 含煤岩系以瓦窑堡组为主要含煤层段， 含煤范围仅局限于黄陵、 富县、 延安、 子长、子洲 一带， 其中只有子长 一带达可 采厚度， 共含煤7 一 巧层，可采者1 层，厚1 - Z m ， 位于 瓦窑堡组上部。 侏罗纪 含煤岩系主要以延安组为含煤 层段。 煤层除在盆地中 部延安、 延川、 延长一带 不发育外， 其他地区 均有分布。 该组共含 煤 10 15层。 煤层在平面上的分布具有明显的 规律性， 盆 地南部主要可采煤 层单层最大 厚度可达40一 60m 。 盆地中部 仅有煤线发育。盆 地北部主要 可采煤层位于延安 组上部， 最大单层厚度可达10 m以 上。 1 . 1 上古生界 煤的时空 分布特征 在 部 尔 多 斯 盆 地 不同 部 位， 石炭 一二 叠系 煤 的 煤 类 是 不同 的， 在 北 部主 要 为 长 焰煤 、 气煤， 中部 为焦煤， 南部为瘦煤、贫煤和 无烟煤。 煤属于中 一富灰、 低一高硫煤， 其中山 西组以低一中 硫煤为主， 太原 组以高硫煤 为多。 除北部准格尔地区为长焰煤外， 其他煤产 地均为烟煤。 东带煤级由北向南变质程度增高河东煤田北段 府谷一离石为气煤， 南段 离 石一乡宁为肥、 焦、 瘦煤， 渭北煤田为瘦、贫 煤 深部为无烟煤 。 西带煤多 属于气、 肥、焦煤。 河东煤田 南段的离石、 柳林、乡宁 一带是中国 主要炼焦煤基地。 晚古 2 2 7 中国煤层气勘探开发利用技术进展 生 代 共 含 煤1 飞 层， 煤 层的 分 布主 要集 中 在 盆 地东 西 两 侧， 其中 西 部横 山 堡 和 环 井 一 带厚 度为1 2 26m ， 东北 部的府谷和北部的 伊9 井区 厚度为1 8 26m， 榆林一蒲县一带厚度为 10 14m ， 惟有鄂托克旗一吴旗一带厚度为4 一 6 明 正宁以南厚度不足Z m 。总的来看， 石炭一二叠系 煤系 在区内的 分布， 具有东西部厚、中 部薄而稳定的 特点， 其中 西部煤层累 计厚度巧 35m ， 中部煤层累计厚度4 一 s m 。 上述煤层， 后期受构造运动抬升影响，盆地 中 东部保存较好， 而盆地西 部和 南部保存相对较差 图1 。 图 1 鄂尔多斯盆地上古生界煤层等厚图 1 . 2 三 扭系 煤层的时空 分布特征 瓦窑堡煤系属于大陆盆地型沉积， 含煤6 组共 8 一 22层， 最多30余层， 煤厚一般 0 . 0 5 0 . 40m， 煤层总厚达n . oom左右， 主要出露于铜川、宜君、富县、子长、 榆林至 神木一线， 吴旗、 志丹、 安塞等地也有少量分布。岩性变 化极大， 以佳县一横山为 界，瓦 窑堡煤系具有沉积厚度北薄南厚、沉积粒度北粗南细的宏观沉积特征，北部主要为辫状河 沉积的灰绿、 黄绿、 灰白 色中 细粒砂岩夹砂质泥岩、 粉砂岩 及煤线， 南部西段主要为 湖泊 三角洲一浅湖一次深湖相沉积， 尤其以清涧河、 大理河一带最为发育， 厚度为3 80m ， 铜 川柳林沟厚2 加m左右， 横山 地区 厚约1 90m ， 神木地区 厚约 1 80m 。 煤系主要发育于瓦窑 堡组的 上部， 含煤性较好， 含煤面积大， 煤厚较稳定， 是瓦 窑堡煤系的 主要可采煤 层。瓦 窑堡组沉积时，地 壳升降十 分频繁， 导致湖水进退频繁， 而 且进退的 时间 较短， 从 而造成 煤层层数多， 但缺 少厚煤层。 所有煤层中， 除5 号煤层为主 要可采煤层外， 其余煤 层极少 见可采点。富煤中心分布于子长一蟠龙一带，陕北子长县和子洲县之间的三角洲平原聚煤 中心 煤层变化极有规律， 厚度累计大于4 m ， 从上三角洲平原一下三角洲平原一湖湾区， 2 2 8 鄂尔多斯盆地煤成气生储盖组合及时空分析 煤层 厚度由薄 变厚再变薄直至浅湖区尖灭 图2。 霎 图2 瓦窑堡煤系煤层累计等厚图 图3 中侏罗世早期延安组煤层累计厚度图 1 一含煤岩系保存边界‘ 2 一煤层等厚线;3 一厚度 10m的区‘ 4 一 厚度 5一 10。的区 ; 5 一 厚度 5 一 08 .的 区 1 . 3 株罗系煤层的时空分布特征 侏罗纪含煤岩系是鄂尔多 斯盆地中 最重要的含 煤岩系之 一，由 于其分布面 积广， 各地 沉积环境不同， 因而各地含 煤性及聚煤作用的时空 变化较大。 盆地北缘和西缘含煤层层数 多、 分布面 积广、 横向 较稳 定、 累计厚度大。 而盆地南缘主要煤层厚度变化大， 含煤性次 于盆地北、 西缘地区。 其中 延安组为主要含煤地层， 富县组在局部地区有煤线或薄煤层。 延安组在 盆地内 最发育、 分布最广、 含煤性较好。 在盆 地北部横山、 榆林、 乌审旗、 鄂 托 克旗、 杭锦旗、 东胜等 地含煤3 一 27层， 煤层总厚度达6 一 33m ， 局部可达40m以上。在 盆地西部 如马 家滩、 碎 石井、 磁窑堡、 周家沟、 王洼等地， 延安组 含煤6 、 26层， 煤层平 均 总 厚度18 33m ， 含 煤系数为6 一 12 。 盆地南部， 如华亭、 彬县、 焦坪等地含煤特 点是 煤层较少，一般1 一 10层，但煤层较厚，煤层总厚一般10一 ZDm，最厚可达34m 图 3。 2 上古生界煤成气源岩演化与生气强度特征 2 . 1 气源岩地球化学特征 石炭一二叠系烃源岩主 要是下二叠统山 西组、 太原组和上石炭统太原组一段及本溪组 中所含的煤层、暗色泥岩和灰岩。 上古生界 烃源岩有机质丰 度较高。暗色泥岩有机碳含量一般为1 一 2 ， 其中海陆 2 2 9 中国煤层气勘探开发利用技术进展 地层 例面 断 层 巴 交替沉积的上石炭统优于陆相沉 积的 下二叠统 表1 ; 氯仿沥青 含 量 平 均 值 在 。 . o 3 75 - 0 . 09 64之间; 总烃含量为1 36. 1 一 38L8 留t 。 煤的有机碳、 氯仿沥 青和总烃含量都较泥岩高的多 表 1 。暗色泥岩和煤的烃/ 有机 碳值都较低，小于2 ，其中煤的 更低， 说明有机质向烃类的转化 率较低，这是含煤地层所具有的 特点。全盆地上古生界的暗色泥 岩和煤所含有机质绝大多数为腐 殖型， 元素分析结果 珍C值一般 2 . 5 ，以这一地区为 中 心，向 盆地边缘呈环带状逐渐 降低 图4 。 总体上盆地东部已 经处于高一 过成熟阶段， 产干气 为主。 口四口困 图4 鄂尔多斯盆地上古生界煤系镜质组反射率 Ro等 值线图 李克勤. 1 9 9 2 表1 上古生界烃源岩地球化学特征表 项 目 有 机碳 抓仿沥育 总烃 叻 烃2 有机碳‘ 1 卜C0尹 C 暗色 龙 宕 Pl 1 3 7 0 ， 0 3 8 1 361 0 . 940 5 9O t 08 C 2 2 . 070 . 07 3 83 8 1 91 . 6 5O 67O oo 煤 P 1 65 . 2 0 8 2 以 铭 5 3 0 3 70 . 70欣 1 拓 q 7 2 _ 51 . 2 8 473 9 8 8众 4 7众 石 9众 又 2 . 2 生气强度分析 从 气 量 上 分 析， 上 古 生 界 烃 源 岩 存在 三 个 生 气 中 心 川 图， 、 图6。 1 南部富县一 延安一 庆阳 生气中 心。形成时间早，印 支早期开始成为有效供气区， 印支一 燕山 期该地区 沉降幅度大， 有机质热演化速度快， 是天 然气的主要生成期。 2 北部乌审旗生气中心。燕山早期逐步形成， 燕山中晚期为天然气主要生成期， 至今仍具有生气能 力， 是一个晚期形成、持续供气的地区。 3 西缘生气中 心。分布面积小，燕山晚期开始成为有效供气中心，晚白噩世末， 源岩抬升幅度大，终止生气。 2 了 0 鄂 尔多斯盆地煤成 气生储 盖组合及时空分析 即 银川 甲甲甲甲甲 西 安 。 蒲城 铜 川 甲甲甲甲甲 西 安 图5 侏罗系沉积后上古生界生气丰度 及天然气运移方向图 图6 现今上古生界生气丰度及天然气 运移方向图 1 一生气中心; 2 一剥蚀区;3 一等深线; 4 一断 层 5 一天然 气运移方向 1 一生气中心;2 一剥蚀区;3 一等深线; 4 一 断层 5 一 天然 气运移方 向 3 储集层特征 鄂尔多斯盆地演化各阶段诸原型盆地于不同沉积环境下，形成了早古生代海相碳酸岩 储集体、晚古生代海陆 过渡相碎屑岩和 碳酸 盐岩储层体， 它们经过 成岩 作用和构造叠加改 造成为十分复杂的地质 体， 其四周被非渗 透性的岩层所围限， 从而 形成 各种形态和成因的 低孔、低渗油气藏。 3 . 1 上古生界砂岩储层 特征 鄂尔多斯盆地晚古 生代经历了由晚 石炭世一早 二叠世早期的渴 湖、障 壁、 潮坪和三角 洲的陆表海盆地到早二 叠世晚期开 始的 河流一三角洲发育的内陆湖 泊的 演变 过程， 形成了 多类、良 好的储集体，主 要以 孔隙型砂 岩为主。主力产气层 位于二 叠系 下石盒子组、山西 组。气层、含气层主要 分布在靠近气源的山 、 山1 及岛 、盒 8 段。 山西组和下石盒子 组储集层的基本 特征是一套低 孔隙度、低渗 透率的 致密砂岩，岩性 主要有石英砂岩、岩屑石英砂岩和岩屑砂岩。孔隙类型以粒间孔、晶间孔和粒间微孔为 主， 岩石缝和粒间缝是主 要运移通道。 按照 盆地砂岩储集层类型和 分类标准， 上古生界储 集层以111、W类为主， 1 、11类仅发育于盆地北缘和西缘。其中，北缘溶孔发育，而西缘 则溶孔、粒间残余孔兼具，总体上来说上古生界储集层是以低孔渗、细喉道、非均质性强 刀 1 。 中国煤层气勘探开发利用技术进展 为特点。 3.2 哪尔多斯盆地古生代生储盖组合 3 . 2 . 1 主要封盖层 1 下古生界封盖层 ①古风化壳封盖层。主要是以 泥质岩为主， 按其与古风 化壳的配 置关系 可以 分为区域 封盖层、间接封盖层和直接封盖层。 区 域封盖层 上古生界上石盒子组和石千峰组是一套横向 稳定以 湖泊相为主的 砂泥岩 沉积， 其中 上石盒子组泥质岩厚度为1 00一 1 40m ， 石千 峰组泥质厚度1 41一 2 05m 。两套地 层的泥质岩分布广泛， 横向连续， 不仅是古风化壳气藏区域 盖层， 亦是上古生界气藏的理 想盖层。 间接封盖层指古风化壳上覆石炭系与山西组含煤碎屑岩和海相碳酸盐岩沉积，在盆 地分布广泛， 主要岩性为泥质岩、 煤层和泥晶 灰岩， 是好的 封盖 层。 直接盖层是石炭系下部的铁铝泥质岩、暗色泥岩和泥质粉砂岩。 ②内 幕封盖层。指奥陶系碳酸盐岩内 部，由 于海侵一 海退引 起的 沉积层序变化或沉积 相变化而导致储集岩上覆形成的致密碳酸盐岩和海相泥质岩、蒸发岩组成的封盖层。 2 上古生界封盖层 上古生界封盖条件主要是前面提及的上石盒子组和石千峰组湖泊相泥岩作为区域封盖 层， 此外山 西组、 太原组和下石盒子组内 部广泛发育的三角 洲平原分流河间 洼地、 沼泽相 泥质岩，亦是很好的局域封盖层。 3 中 生界封盖条件 河间 洼地、 平原湖沼相泥岩为主的岩层是中生界最好的盖层，自 下而上依次有长‘ 十 5 浅 湖 相、 湖 沼 相 泥 岩 盖 层 、 长 3 顶 一 长 2 下 部 的 湖 沼 相、 河 间 洼 地 相 泥 岩， 砂 质泥 岩 及 延 安 组上部地层的平原河沼相泥岩、砂质泥岩和炭质泥岩为本区最佳盖层。 32 . 2 主要的储盖组合形式 根据生油层、储层与直接盖层的岩性组合关系可以将鄂尔多斯盆地油气藏划分为以下 四种生储盖组合关系 1 自 生自 储型。自 生自 储型主要包括奥陶系碳酸盐岩自 生自 储组合， 上古生界山 西组、 太原组、 本溪组自 生自 储以 及中 生界延长组 尤以 长2 、长 ‘ 为特征的自 生自 储组 合 图7 a 。 2 上生下储型。 上古生界煤系烃源岩生成的天然气， 向下穿层运聚， 在其下方的 古风化壳聚 集的 组合类型。在中 生界含油组合中则主要是指以长7 泥岩为主 力生油岩，以 长1 。 一 长。 三角洲分流河道 砂岩为储集层的 组合形 式 图7 。 。 3 下 生日 诸 型。 主要 反映 石油、 天然气由 下部烃源 岩生 成， 向 上运移聚 集的 组合类型， 例如马家沟 组 生成的 天 然气在 古风化 壳中的 聚集， 上 古生界 煤系 生成的 煤成气 在顶部 石盒子组 的 储集以 及以 延长 组为主 力烃 源岩， 最终运 聚到 侏罗系 延安 组的 油 气聚 集类型 图7 a。 4 混合运储型。以上几种的组合。 1 2 3 2 。 结论 通过鄂尔多斯盆地三个重要成煤期煤的时空分布特点的研究，认为晚古生代聚 鄂尔多斯盆地煤成气生储盖组合及时空分析 映3 石 井陕2 1 井 陕1 1 7 井 81 弋式 一5 _ 3 翻 拟 子， 灿 子3C ， . 2 月5 9 一 3竹 即 ， q ， ‘ . 」 2， 翻 A 对 灿 牡 1 炜A 暇以娜99 leseseseseses山甲直...........lesJ 溯 生烃层 .砂岩储层 图 7 习 自生自 储型; 的 囚 白云岩储 层 c d 昌团 盖层油气主要来源方向 奥陶系生储盖组合类型示意 馄合运储型; c 上生下储型 d 下生上储型 煤盆地为大型陆表海盆地、大型 稳定 背景下的 陆相盆地， 煤的聚积主 要发生 在盆地的 东北 部、 东部和西部， 而盆地中部和南部煤 层厚度薄、 分布不稳定; 三 叠纪瓦窑堡 煤系 属于大 陆 盆地型沉积， 沉积厚度北薄 南厚、 沉积粒度北粗南细，由于该时期地壳升降十分频繁， 导致湖水进退频繁，而且进退的时间较短，从而造成煤层层数多，但缺少厚煤层;侏罗纪 含煤岩系 是鄂尔多斯盆地中 最重 要的 含煤岩系之一， 但盆 地内部含 煤性及聚煤 作用的 时空 变化较大 盆地北缘和西缘含 煤层层 数多、 分布面 积广、 横向 较稳 定、累 计厚度大， 而盆 地南缘主要 煤层厚度变化很大。三个时 期的 聚煤作用为 煤成 气源岩发 育奠定了 物质基础。 2 通过对煤成 气源 岩气源岩地球化学特征、生气能力研究， 认为鄂尔多斯盆地具有 三个生 气中 心 南部富县一 延安一 庆阳 生气中 心、 北部乌审 旗生气中 心和 西缘生 气中 心。 3 研 究 了 鄂 尔 多 斯 盆 地 煤 成 气成 藏 的 地 层封 盖条 件 ， 在 此 基础 上， 得出 了 该盆 地 的封盖层的三种组合形式 “ 自生自储型、上生下储型和下生上储型”的认识。 参考文献 【 1 」中国 煤田 地质 总局著. 1 供 巧那尔多 斯 盆地聚 煤规津 及煤炭资源 评价 【 M 〕 ， 北 京 煤炭工业出 版社 【 2 」王双明，张玉平1 性 熟 构. 郑尔多斯休罗纪盆地形成演化和聚煤规律 【 JI地学前缘，v 司 . 6增 刊 1 47 一1 5 5 〔 3 」李克勒主编一 1 992 .中国石油地质志 卷十二.北京石油工业出版社 〔 4 ]付少 英，彭 平安，张 文正等. 2 佣2 . 部尔多 斯盆地 上古生界煤的生烃动力学研究 【 J 〕.中国科 学 D 辑 ， 3 2 1 0 5 1 2 一 8 1 5 Z J J