鄂爾多斯盆地東緣煤層氣藏演化及其差異分析

李貴紅

(中煤科工集團西安研究院，陜西 710054)

1 構造事件

鄂爾多斯盆地中生代古地溫梯度高于現(xiàn)今地溫梯度，說明早白堊世以后盆地經(jīng)過了大幅度抬升，伴隨有強烈的構造運動及巖漿活動，存在構造熱事件。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，對鄂爾多斯盆地構造熱事件進行過研究，證明上古生界煤系沉積之后鄂爾多斯盆地曾發(fā)生過5次主要構造熱事件，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(72Ma～60Ma BP)和古近紀到新近紀(23Ma～20Ma BP)。

2 沉降-埋藏史恢復

2.1 地層剝蝕厚度

本文在恢復研究區(qū)地層埋藏史時，采用了陳瑞銀應用地層對比法與泥巖壓實趨勢外推法相結合恢復的地層剝蝕厚度值。鄂爾多斯盆地東緣北段府谷地區(qū)在三疊紀末、中侏羅世末、侏羅紀末、白堊紀末被剝蝕的地層厚度分別為100m、40m、240m和1400m；中段吳堡地區(qū)在相應地質(zhì)時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。表明白堊紀末期為三疊紀以來最強烈的一次全盆地抬升剝蝕事件，而三疊紀末、中侏羅世和侏羅世末期這3期剝蝕事件相對較弱。筆者運用Dow等提出、何生等、胡圣標等、佟彥明等、曹強等改進的鏡質(zhì)體反射率外推法對吳堡ZK17井晚白堊世末剝蝕厚度作了恢復，結果為1769m，證明采用陳瑞銀等恢復的剝蝕厚度來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程有直接關系。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結束，整個過程持續(xù)30Ma BP。

研究區(qū)上古生界煤層在中侏羅世末(154Ma BP)達到最大埋藏深度，此時北、中、南三段相比，北部埋深較淺、中部居中，南部達到的埋藏深度最大，區(qū)域上由北向南，煤層達到的最大埋藏深度呈增大趨勢。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，上覆巖層遭受強烈的風化剝蝕，持續(xù)變薄，煤層埋深變淺。上新世以來(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)體反射率古溫標反演法，根據(jù)EASY%Ro模型，結合地層埋藏史和實測Ro數(shù)據(jù)，進行了有機質(zhì)成熟度史正演模擬。結果表明，中侏羅世末(154Ma BP)太原組頂面古地溫達到最大，煤的熱成熟度演化基本達到現(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，煤的熱演化相應變化甚小。從早白堊世末至古近紀末，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到的最大埋藏深度有很好的正相關關系(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度的基本格局。

表1 北、中、南部煤成熟度與最大古埋深對比

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。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，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，中深部氣體類型主要為熱成因氣。

5 煤層氣藏演化過程分析

根據(jù)煤層埋藏史、構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，鄂爾多斯盆地東緣煤層氣成藏演化過程大致分為4個階段(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充階段。現(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)

運用沉積盆地熱史恢復模擬系統(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，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，微生物對有機質(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束時間并不完全相同，中段為250Ma BP；北段埋深淺，有機質(zhì)熱演化慢，到230Ma BP結束；南段埋藏深度大，有機質(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1800m，吳堡2600m，南部吉縣最深達3200m(圖2(b))；從早三疊世到晚三疊世末(250Ma～210Ma BP)，煤層進入快速埋藏階段，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℃。煤儲層達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、南部煤級依次增高。燕山運動中期(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圖

該階段經(jīng)歷了210Ma～180Ma BP、165Ma～163Ma BP和154Ma～135Ma BP三次主要的構造熱事件，熱成因氣的生成過程持續(xù)進行。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150℃，煤層達到了成熟晚期，Ro為1.0%～1.3%，比北段煤層多經(jīng)歷了最大量濕氣生成、強熱成因甲烷開始產(chǎn)生等階段，凝析油開始裂解成甲烷，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170℃，煤層達到了高成熟，Ro為1.3%～2.0%，部分達到過成熟階段(Ro>2.0%)，除上述生氣過程外，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。

5.3 煤系抬升卸載和吸附氣逸散階段(83Ma～35Ma BP)

燕山運動晚期(110Ma～35Ma BP)，地殼急劇抬升，造成鄂爾多斯盆地全面隆起，結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烈的風化剝蝕，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)了煤層氣藏的動態(tài)平衡，煤層含氣量一直在變化。

研究區(qū)煤儲層經(jīng)歷了晚白堊至古近紀長達70Ma的大幅度抬升，中部地層剝蝕厚度達到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%。絕大部分烴類氣體在生成之后，經(jīng)過漫長地質(zhì)時間運移到圍巖中。

5.4 煤層再埋藏和次生生物氣補充階段(35Ma BP ～至今)

上新世以來(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。古近紀至今(35Ma～0Ma BP)，煤層古溫度比白堊紀末略有下降，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，攜帶細菌的大氣降水及其它地表水補給流經(jīng)可滲透煤層時，在相對低的溫度下，通常不大于56℃，使?jié)駳獬煞帧⑼闊N等煤化作用過程中生成的有機化合物發(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條件：一是煤的鏡質(zhì)體反射率應低于2%，對全國99組煤的熱成熟度和甲烷碳同位素關系做了統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，Ro大于2%以后，沒有發(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煤層氣藏一個很好補充。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，在水動力條件具備的煤層中可能產(chǎn)生次生生物氣，進一步提高儲層含氣量，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、次生生物氣補充、生成-運移-聚集、保存時間及關鍵時刻等幾個方面(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集巖，故儲集巖與烴源巖同時形成；早二疊世之后煤層及儲集巖持續(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，地表水攜帶細菌補給煤層，在熱成熟度小于2.0%的淺部區(qū)域生成了次生生物氣，即氣源補充階段。

煤層中氣體以吸附氣為主，關鍵時刻和有效地層沉積厚度決定著現(xiàn)今含氣量的大小。關鍵時刻是指煤層氣藏演化過程中經(jīng)歷溫度最高、生烴強度最大的時刻。在中侏羅世末(154Ma BP)，煤層達到最大埋深，即研究區(qū)煤層氣系統(tǒng)演化的關鍵時刻，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、喜馬拉雅期構造運動，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。在烴源巖及儲集巖沉積之后，受構造作用，氣體發(fā)生運移、聚集保存及次生生物氣的再補充，局部形成地層及構造圈閉，這種演化運動一直持續(xù)至今。