青海聚乎更矿区煤系气耦合成藏条件研究

发布时间：2020-07-09 05:53

【摘要】：煤系气是近年来非常规能源领域的一个前缘与热点研究内容,引起了国内外学者的广泛关注。煤系非常规气具有自生自储或短距运移、成烃物质类同、成藏时间有序、赋存空间关联等基本特点,表现出紧密的内在联系和统一的地球动力学背景。我国含煤盆地普遍经历了多期构造热演化事件,后期改造显著,使得我国煤系气富集成藏规律复杂化、多元化。多期构造作用的负面影响表现在破坏了煤系原有的完整性和连续性,因此,复杂构造区的煤系气耦合成藏成为了我国煤系气勘探开发的一个重要关隘。青海省木里煤田聚乎更矿区是煤系气成藏的典型地区,该地区受后期构造改造影响较大,煤系气富集条件复杂,对聚乎更矿区煤系气成藏条件的剖析,可以进一步加深我国构造复杂区煤系气勘探开发的理论认知。本文以聚乎更矿区中侏罗统含煤岩系为研究对象,以煤系气的生成、运移、储集与保存为主线,通过野外地质调查与采样,样品的室内测试,实验数据的分析处理,图件的编制,综合运用构造地质学、煤田地质学、非常规油气地质学等理论方法分析了聚乎更矿区中侏罗统煤层气、煤系页岩气和致密砂岩气的赋存特征及其组合类型。揭示了构造作用控制下的煤系烃源岩生烃(气)和煤系气运移过程,结合煤系储层及保存条件,建立了构造控制下的煤系气耦合成藏模式。(1)野外踏勘、钻孔手标本观测以及烃源岩地化实验表明,研究区中侏罗统煤系烃源岩主要有三种:煤、暗色泥岩、油页岩。其中,煤层全区分布于木里组上段,厚度为1.80m~83.65m,主要以巨厚煤层的状态成为了煤层气的载体;暗色泥岩也全区分布于中侏罗统煤系,厚度范围为0.79m~245.70m;而油页岩主要分布江仓组上段,只在矿区的中南部有分布,厚度范围为3.33m~362.00m。江仓组上段的暗色泥岩有机质丰度最好,其次为江仓组下段,有机质丰度中等,最次为木里组上段。煤系暗色泥岩和油页岩的有机质类型主要集中在II_1~II_2型之间,煤岩则几乎都为III型干酪根,所有烃源岩均正处于成熟阶段。选择煤系烃源岩相关标准对其进行等级判定,认为江仓组上段的暗色泥岩和油页岩其等级分别为好、较好—好,木里组上段中的煤岩等级为好—极好,较差的是木里组上段的暗色泥岩与江仓组下段的暗色泥岩。(2)根据煤和泥/页岩的生烃能力以及岩性组合特征,识别出研究区煤、泥/页岩和致密砂岩的生储盖性质,进而划分出研究区三大类六小类的煤系气组合类型,其中,三个大类主要是煤层气与页岩气(I类)、煤层气与页岩气与致密砂岩气(II类)、页岩气与致密砂岩气(III类)组合,然后根据泥/页岩的生烃能力对每一个大类进一步细分出两个小类,每种煤系气组合类型在纵向上有不同的分布层位:I类和II类耦合类型主要分布在木里组上段,而III类耦合类型主要分布于江仓组上、下段。各层序中的低位体系域往往是自生自储型的煤系气组合类型赋存的层位,而在研究区各层序中高位体系域中发育的良好的烃源岩较少,容易形成良好的致密砂岩储集层。而煤系后期改造对煤系气耦合类型的影响主要为含煤岩系的剥蚀、地层的增厚与减薄,逆冲断层对煤系的切割是其主要原因,使得重复出现的地层或被逆冲断层推走的部位的煤系气组合类型相互转变,即增加了或减少了相应的煤、泥/页岩和致密砂岩层,从而导致煤系气组合类型转变。(3)通过构造-热演化史模拟并结合磷灰石裂变径迹实验结果,恢复了研究区中生代以来的盆地构造-热史,并揭示了煤系生烃(气)史和运移史。研究区从中侏罗世至早白垩世时接受稳定沉积,并在早白垩世时期发生埋深超过2000m的沉降,最高古地温在100℃~130℃区间内,煤系烃源岩主体部分由低成熟向成熟阶段转变,产生了大量湿气。白垩纪晚期开始研究区处于构造抬升阶段,温度降至60℃以下,煤系烃源岩停止生烃。至古近纪早期,研究区有一次快速沉降,并沉积了一套紫红色或棕红色的泥岩和砂岩,煤系烃源岩大多数进入成熟阶段,此时部分烃源岩再次生烃,但生烃强度较低,至古近纪晚期由于构造抬升生烃再次终止。在中新世晚期研究区逆冲断层开始大规模发育,三叠系砂岩的磷灰石裂变径迹显示年龄为13Ma左右,印证了这一时期的逆冲构造运动,含煤岩系开始遭受大量破坏,中侏罗统煤系气在此时由于逆冲断层对煤系的切割而发生运移,流体包裹体实验发现断层的上盘和下盘均有发育有包裹体,且显示为一期包裹体,证实了煤系气的运移。上新世至更新世阶段祁连山地区持续抬升,至第四纪时,祁连山地区构造活动减弱,木里盆地也形成了现今的以逆冲推覆构造为主的格局。(4)通过显微镜下鉴定、扫描电镜观测、压汞实验、低温液氮实验、覆压孔渗实验、等温吸附实验等测试手段,对煤系储层特征进行了精细刻画,并揭示了沉积环境与构造作用对煤系储层的控制作用。发现研究区煤储层主要发育原生孔,包括胞腔孔和屑间孔,孔隙类型主要为一端封闭型和两端开口型,部分样品也有一定的瓶颈型孔。煤储层主要以巨厚煤层为主要特点,巨厚煤层在各分层深度之间的孔隙度、比表面积以及孔容均存在着一定的差异,渗透率分布范围为0.005×10~(-3)μm~2~5.523×10~(-3)μm~2,垂向上非均质性较强。从吸附性来看,研究区煤储层兰氏体积较高,有利于煤层气的储集。此外,对巨厚煤储层的水进、水退的旋回性与储层参数的匹配关系进行了探讨,发现水进旋回使得中孔含量降低,也使得微孔含量、比表面积、孔容增大,而水退旋回则表现出相反的规律,这是因为水进、水退控制了煤岩显微组分的比例,而煤岩显微组分与煤储层参数有直接的关系。煤系泥/页岩孔隙类型主要以粒间孔为主,江仓组泥/页岩的总孔体积变化较大,木里组泥/页岩的总孔体积变化较小,而比表面积则是江仓组泥/页岩较木里组变化大,且均值要高。研究区煤系泥/页岩孔径分布规律为微孔小孔中孔=大孔,而渗透率不足0.3mD,可以算作超低渗透储层,而泥/页的兰氏体积均值不算大,但最大值但仍旧可以达到4.95m~3/t,可以认为具有较强的吸附能力。在探讨形变特征对孔渗的影响后发现,脆性变形对页岩孔隙的形变影响不大,而韧性变形对孔隙的影响较大,且孔径在100-1000nm范围内的孔隙受到压缩的强度最强,而孔径在100-500nm之间的孔受到压缩变形的孔隙量最大。覆压孔渗实验则表明,黏土矿物含量与孔隙度最大变化率或渗透率最大变化率成正比,石英矿物含量与孔隙度最大变化率或渗透率最大变化率成反比,表明了黏土矿物中的孔隙极易被压缩,而石英矿物构成的孔隙不易被压缩。煤系致密砂岩中脆性矿物含量最多,其次为黏土矿物,而碳酸盐类矿物最少,孔隙类型则以粒间孔为主。江仓组上段、江仓组下段、木里组上段致密砂岩的孔隙度从上往下有着增大的趋势。孔隙主要以小于100nm的小孔、微孔为主,且有着较高的孔隙连通程度。致密砂岩渗透率分布主要集中在小于0.05mD范围内,渗透率极低,而16nm~63nm的孔对渗透率的贡献最大。在对孔隙分形维数计算后发现,石英含量越高,大孔的孔隙结构的复杂程度有增大的趋势,而微、小孔的孔隙结构复杂程度有减小的趋势,随着黏土矿物含量越大,微、小孔孔隙结构有变复杂的趋势。(5)研究区煤系气的保存主要受控于构造、岩性封堵、永久冻土带以及水文地质条件。向斜南翼逆冲带煤系受破坏程度较高,断层对浅层煤系的破坏最为严重,向斜北翼宽缓带受断层破坏的程度相对较低,向斜核部区埋深大,受断层切割作用小,叠瓦扇式逆冲区煤系的完整性受到了巨大的破坏,但也形成了诸多构造应力圈闭‖。在纵向上岩性封堵强度依次为江仓组上段江仓组下段木里组上段,从平面上看,岩性封堵强度顺序为三露天一井田三井田二露天四井田二井田一露天。研究区多年冻土连续分布,有效地阻止了煤系气的逸散,可作为全区良好的区域性的煤系气盖层。研究区中侏罗统煤系均属弱富水性的含水地层,且含水层位岩性主要为砂岩,冻土带与下1、下2煤层构成了煤系主要隔水层。(6)综合分析煤系气耦合成藏规律,建立了聚乎更矿区三种典型煤系气成藏模式。分别为冲断向斜与水力封堵型、对冲断层与岩性封堵型、叠瓦扇式构造与冻土带封堵型:(1)冲断向斜与水力封堵型的煤系气有利成藏部位在向斜核部以及煤系顶部;(2)对冲断层与岩性封堵型中,煤系在纵向上的厚度增大,使得煤系气的封堵条件良好,且往往是煤系地下水滞留区,利于煤系气的成藏;(3)叠瓦扇式构造与冻土带封堵型中,两个逆冲断层之间以及江仓组顶部容易形成受冻土带影响的煤系气有利赋存位置。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P618.13
【图文】：

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1 引言气的多源性、储层特征、封盖和圈闭、渗透和原位地层压力等构成了煤层气系统‖的关键要素。Milici（2005）以含煤系统‖的学术思想对 Appalachian 煤盆地进行了系统研究，引起了国内外煤地质学者的关注[10]，同时，Warwick 等（2005）提出煤系统分析的概念，把煤的聚集、保存-埋藏、成岩-煤化作用、煤生烃等视为一个连续过程中密切相关环节[11]，秦勇等（2008）在研究贵州织纳煤田时，提出了多层叠置独立含煤层气系统‖，指出其是沉积-水文-构造条件耦合控气的作用[12]；李增学（2011）对含煤系统‖理论作出进一步的阐述，构建了六个子系统‖：煤系地层格式、煤层（群）形态、煤变质及煤类、赋煤区块、煤层气（非常规）成藏、煤系游离气成藏[13]。曹代勇等（2014，2016）提出煤系气系统，并在研究煤系综合矿产资源的过程中将煤系非常规天然气‖纳入煤系地层矿产资源系统中[3-4]，并详细论述了其基本特征及评价内容，提出了煤系气赋存模式，至此，煤系气系统经历多年发展（图 1.1），至近几年，其学术思想基本成型。

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论述了煤系气成藏的关键时间点[27]。勇等（2016）认为沉积环境和构造-热演化共同控制煤系矿产资源了煤系矿产资源的物质基础，控制富集中心，而后者控制煤系藏、最终定位和开采条件[4]，并建立了 3 种煤系气耦合成藏模堂等（2016）以煤系气系统研究作为出发点，将煤系储层特征层气及煤系页岩气的评价的基础，并提出了煤系地质综合勘铭等（2016）在研究河北省煤系气资源时指出，煤和富有机质天然气藏起决定和关键作用，泥页岩的厚度优势可以弥补有机二次生烃作用是煤系天然气成藏的关键。基于共生和空间关系划分为远源‖致密砂岩气藏、自源‖页岩气/煤层气藏和自源类[29]（图 1.2）。等（2016）指出煤系三气‖具有很好的成藏共存的基础，煤系砂岩层的生烃、储层、盖层作用可以相互之间进行转变，从而盖组合‖是煤系气藏形成的关键[30]（图 1.3）。

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图 1.3 煤系岩层间的相互作用[30]. 1.3 The interaction of each stratum in coal measur，2018）认为煤系气含气系统的叠置性是不同含气系统的储层特征、流体与压力参气合采过程中出现系统间干扰、限制煤系认为是煤系气勘探开发研究的前缘内容之状源量巨大，其中煤层气地质资源量为 36.8×海陆过渡相和陆相页岩气资源量为 16.8×1（17.4-25.1）×1012m3[34]，煤系天然气水合量为 3000 多亿 m3[35]。整体来看，煤系气层位为石炭-二叠以及侏罗系，资源量较地、准噶尔盆地、海拉尔盆地等[36]。气资源量巨大，但业内将煤系气作为整体界上越来越多的非常规天然气采取多层合

【参考文献】