車鎮凹陷車西北帶下古生界煤成氣成藏差異及模式分析

徐 偉

（中國石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心，山東東營 257001）

濟陽坳陷煤成氣勘探已歷經30余年，前人研究重點主要集中在濟陽坳陷石炭系和二疊系煤系地層發育特征、煤成氣生成模式、生烴潛力區帶及可能的煤成氣勘探有利區［1-2］，先后在孤北、惠民、車西等地區勘探獲得突破，但均未形成規模儲量，究其原因為對煤成氣藏的成藏過程及主控因素的剖析欠深入。車西凹陷車西北帶上古生界生成的煤成氣易于運移至下古生界碳酸鹽巖儲層內形成煤成氣藏［3-4］。2016 年12 月完鉆車古27 井，對古生界埋深為4 940.23～5 505.00 m 井段進行裸眼中途測試，6 mm 油嘴，獲得76 412 m3/d 的高產工業煤成氣流，綜合分析認為主要為下古生界產層的貢獻。此后，在北部同一構造圈閉內鉆探車古271 井，向東同一構造帶繼續鉆探車古211 井，分別對車古271井埋深為5308.60～5785.00m、車古211井埋深為4141.50～4950.00m進行試氣，獲得日產氣量分別為4297和3685 m3/d，均為低產氣層。筆者選取車古27、車古271 和車古211 等典型井，結合鉆井、測井、錄井、試油等資料，探討濟陽坳陷車鎮凹陷車西北帶下古生界煤成氣的成藏主控因素及差異，以期對研究區下步煤成氣的勘探提供借鑒。

1 地質概況

車鎮凹陷為渤海灣盆地濟陽坳陷的一個中-新生代陸相斷陷盆地，位于埕子口凸起、慶云凸起、無棣凸起和義和莊凸起之間，東部以義東斷層與沾化凹陷相連。車西洼陷北部陡坡帶（車西北帶）是指車鎮凹陷北部、埕南斷層下降盤的陡坡斷裂帶，該帶長度約為120 km，寬度為3～7 km。其上古生界（下石盒子組、山西組和太原組）發育煤系地層，埋深超過4 000 m，為主要的烴源巖層系；下古生界地層厚度為1 300～1 400 m，為一套淺海相碳酸鹽巖沉積，是主要的含氣層系［5-6］（圖1）。

圖1 車鎮凹陷車西北帶下古生界頂面構造特征Fig.1 Top structures of the Lower Paleozoic in northwest of Chezhen Sag

車西北帶發育多套含油氣層系，為典型的復式油氣聚集區，具有多層系、多類型的特點，在區域上存在古潛山構造層和新生界構造層兩大構造層。綜合分析地震、鉆井、測井等資料認為，研究區兩大構造層的構造特征差異明顯。古潛山構造層主要由前震旦系、下古生界寒武系—奧陶系和上古生界石炭系—二疊系組成，具有上、下兩套獨立的含油氣系統［7-9］；其中，以下古生界油氣成藏條件最為有利。新生界構造層以砂泥巖沉積為特征，主要由沙四段、沙三段及以上地層組成。

車古27、車古271 和車古211 井均位于車西北帶埕南斷層下降盤，其下古生界圈閉受南側NE 向斷層控制，斷層上升盤地層呈東南高、西北低，與斷層形成反向斷塊構造帶，發育東、西2個斷鼻構造圈閉（圖1），車古27 和車古271 井位于西斷鼻構造圈閉，車古211 井位于東斷鼻構造圈閉。烴源巖同為上古生界煤系地層，下古生界上覆完整的石炭系—二疊系，蓋層條件良好。同一構造帶3 口井的油氣成藏條件基本一致，但鉆探效果卻存在差異。

2 煤成氣成藏地質條件

2.1 烴源巖條件

金強等對渤海灣盆地不同構造單元石炭系—二疊系烴源巖的埋藏演化史進行了分析，認為現今構造單元控制了二次生烴過程，漸新世以來車鎮凹陷石炭系—二疊系烴源巖被埋藏至4 100 m 以下，進入二次生烴階段［2］。車西北帶石炭系—二疊系煤系地層烴源巖埋深多為4 100.0～5 534.5 m，普遍進入二次生烴期，具有較大的煤成氣資源潛量［10-11］。

實際鉆探資料表明，研究區西部的車古27井在下古生界見到多套氣測異常段。氣測錄井和罐頂氣錄井在下古生界存在明顯異常，全烴含量由3.32%上升為40.42%，罐頂氣以C1至C4為主，ΣC1-C4為12 484.5～24 202.3，ΣC5-C7為0，后期測試日產氣量為76 412 m3/d。根據戴金星天然氣成因類型綜合鑒別標準［12］，煤成氣的鑒別標準為-43‰＜δ13C1＜-10‰，δ13C2＞-25.1‰，δ13C3＞-23.2‰；碳同位素和烴類組分分析結果（表1）及碳同位素識別天然氣類型圖版（圖2）顯示，研究區氣體組分較齊全，氣藏類型主要為煤成氣藏［12-15］。

圖2 車古27井碳同位素識別天然氣類型圖版Fig.2 Natural gas types identified by carbon isotope analysis for Well Chegu27

油氣藏中油氣的成熟度可以直接反映生烴母質的成熟度，進而推斷其可能的油氣來源。利用天然氣的甲烷碳同位素可以計算生烴母質的成熟度［16-17］。根據研究區車古27 井已發現煤成氣藏天然氣的甲烷碳同位素分析結果（表1），依據戴金星等提出的煤成氣回歸方程［1］，將主要參數δ13C1值（平均值為-37.4‰）代入計算，得到平均鏡質組反射率為1.63%，車古27 井煤系地層（埋深為4 970～5 230 m）的鏡質組反射率為1.45%～1.32%。而根據勝利油區古生界烴源巖與成熟度關系的研究成果［2］，推算下古生界煤成氣烴源巖的埋深約為4 940～5 505 m，說明研究區天然氣應主要來自比該井產層埋藏略深的相鄰斷塊。

表1 車古27井碳同位素及烴類組分分析結果Table1 Analysis results of carbon isotopes and hydrocarbon compositions for Well Chegu27

2.2 儲蓋組合條件

分析區域地質及實際鉆探資料認為，研究區自下而上發育4 套較好的儲蓋組合：①以上古生界泥質巖類、煤系地層及下古生界頂部致密碳酸鹽巖為蓋層，下古生界大套縫洞型碳酸鹽巖為儲層，為研究區重點儲蓋組合。②以上古生界砂巖及裂縫發育的碳酸鹽巖為儲層，泥巖隔層發育，沙四段泥巖為蓋層的儲蓋組合。③以沙四段—沙三段下亞段上部砂巖為儲層，泥巖隔層發育，沙三段中亞段上部泥巖為蓋層組成的儲蓋組合［18-19］。④以沙二段砂巖為儲層，泥巖隔層發育，其上部沙一段泥巖區域上分布穩定、厚度大，可作為良好的區域性蓋層組成的儲蓋組合。

對于研究區下古生界的蓋層，不僅要考慮下古生界與上古生界的巖性組合關系，還要考慮由于下古生界內部非均質性形成的儲蓋組合。下古生界儲層垂向分帶現象明顯，成像測井顯示下古生界潛山內部非均質性較強，頂部致密、物性差，頂部以下有利儲集空間為裂縫、溶蝕孔洞，儲層與非滲透層在縱向上的組合也可以形成良好的儲蓋組合，有利于形成油氣藏（表2，圖3）。

圖3 車古27井下古生界錄井及成像測井分析結果Fig.3 Mud logging and image logging analysis of the Lower Paleozoic in Well Chegu27

表2 車古27、車古271和車古211井古生界氣源巖及蓋層統計Table2 Statistics of Paleozoic gas source rocks and cap rocks for Well Chegu27，Well Chegu271，and Well Chegu211 m

2.3 圈閉條件

研究區發育中—古生界斷裂體系，下古生界構造層主要形成于燕山運動后期，且經歷多期構造運動改造，在車西洼陷北部形成潛山帶。下古生界地層整體向東南部抬升，南部發育近東西向次級南掉正斷層，且斷距自下而上逐漸減小，至上古生界上部逐漸消失，未發育活動至古近系和新近系的斷層，下古生界潛山與南部斷層匹配形成良好的構造巖性圈閉，圈閉定型時間在前古近系，其后多期構造運動未對圈閉造成破壞。分析渤海灣盆地石炭系—二疊系埋藏生烴史曲線認為，漸新世以來車鎮洼陷石炭系—二疊系烴源巖再次埋藏進入二次生烴階段，圈閉形成和定型時間遠早于大量生排烴期。

車西北帶車古27 井下古生界地層四周被斷層切割，位于2條斷層夾角處的高部位，上傾方向被斷層遮擋。車古271井在南北向地震剖面上位于構造高部位，在東西向地震剖面上位于鼻狀構造高點，上傾方向被斷層遮擋。車古211井位于背斜構造高部位，其南北方向均被斷層遮擋。這3 口井均位于由斷層控制形成的反向屋脊構造，圈閉條件較為有利（圖1）。

2.4 運移及保存條件

車西地區發育中—古生界和古近系2套獨立的斷裂體系，研究區發育的不同規模斷層均為油氣藏的形成提供了運移通道（圖4）。車西北帶中—古生界斷裂體系主要形成于燕山運動后期，其斷層發育，且斷距大、斷面陡、延伸遠、活動時間長，不但形成了控盆的埕南大斷層，也在埕南斷層下降盤形成次級的二臺階斷層及潛山內部斷層；這些次級的潛山內幕斷層自燕山運動后期開始活動，雖經歷多期構造運動改造，但多數于新生界沉積之前停止活動。車西北帶古近系斷裂體系發育于埕南斷層及下部古生界潛山構造背景之上，僅見少量重力作用產生的正斷層，其斷距小、延伸近、斷面較緩、活動時間短，多于沙一段沉積時期停止活動。雖經歷了喜馬拉雅運動Ⅲ幕及新構造運動，但對研究區形成的圈閉影響較小，早期形成的中—古生界潛山構造巖性圈閉后期并未遭受破壞，整體保存條件較好［20-22］（圖4）。

圖4 車古27井南北向地震剖面Fig.4 South-north seismic profile of Well Chegu27

3 煤成氣成藏差異

一般來說，同一區帶油氣藏的成藏差異是構造、斷層及儲層等多因素耦合作用的結果。車西北帶發育的斷層與煤成氣的成藏具有較大關系，其不僅控制形成有利的構造圈閉，還可以作為煤成氣的運移通道，且對碳酸鹽巖的儲層物性產生影響［23-24］。分析認為車古27、車古271 和車古211 井位于同一構造區帶，具有相似的煤成氣成藏地質條件，但實鉆資料顯示這3 口井在斷層斷距、儲層物性及生烴量等方面具有一定的差異。煤系地層的埋深和厚度決定了生烴量的差異，鄰近斷層的斷距具有至關重要的控制作用，其不僅決定圈-源對接程度，也決定下古生界儲層發育帶的寬度，直接決定圈閉的有效性，導致位于同一區帶的3 口井的含油氣性截然不同。

3.1 斷層斷距控制圈-源對接程度的差異

研究區上古生界太原組和山西組烴源巖煤系地層的總厚度為200～250 m，與下部下古生界碳酸鹽巖儲層以本溪組相隔，因此油氣需通過垂向運移才能進入下古生界源外儲層圈閉中聚集成藏。顯然，煤系烴源巖生成的油氣要進入源外儲層，斷層是重要的運移通道。

車古27 井南部順向斷層在奧陶系頂部的垂直斷距為200 m，而下古生界有利碳酸鹽巖儲層與上古生界主要煤系地層在縱向上相隔100～300 m，斷層使得車古27 井所在上升盤的下古生界碳酸鹽巖儲層與下降盤太原組和山西組烴源巖層系完整對接。根據勝利油區古生界烴源巖成熟度關系計算得到的鏡質組反射率分析結果認為，研究區下古生界煤成氣烴源巖主要來源于鄰近斷塊的山西組和太原組煤系地層，說明煤成氣藏具有近源供烴的特點，即車古27井相鄰南側順向斷塊為供烴斷塊。車古211 和車古271 井受控斷層的垂直斷距分別為50和80 m，斷距小，僅本溪組下部（烴源巖條件極差）與下古生界潛山儲層對接，而太原組和山西組主力烴源巖層系位于下古生界潛山之上，烴源條件不利，且缺乏斷層溝通圈閉與烴源巖層，下古生界碳酸鹽巖儲層位于源下圈閉之中，烴源巖層生成的煤成氣無法進入儲層，造成圈閉無效。

鑒于研究區下古生界儲層與上古生界煤系地層在縱向上的分布差距，分析認為當鄰近受控斷層的斷距小于150 m 時，斷層上升盤的下古生界有利碳酸鹽巖儲層與下降盤的上古生界烴源巖縱向錯開幅度小，不能形成有效氣藏；當鄰近受控斷層的斷距大于150 m 時，斷層上升盤的下古生界有利碳酸鹽巖儲層與下降盤烴源巖可以對接，使下古生界圈閉成為有效圈閉。

3.2 斷層活動控制儲層物性差異

一般來說，斷層的活動性對碳酸鹽巖儲層具有一定的改造作用，可以產生構造裂縫，其裂縫帶的寬度可達3～10 km，或更寬。斷距越大、距斷層越近，研究區下古生界碳酸鹽巖儲層的裂縫發育程度越高，越有利于裂縫性儲層的形成［25-27］，且油氣儲存和輸導條件也得到極大改善。前人對鄰區義和莊潛山斷層與裂縫的關系進行研究［28］發現：一方面斷裂作用的強弱影響裂縫的發育程度，當受控斷層的垂直斷距為600 m 時，裂縫密度高達170 條/m；當垂直斷距為450 m 時，裂縫密度為80 條/m 左右；當垂直斷距為70 m 時，裂縫密度僅為37 條/m。另一方面，與受控斷層的距離也同樣對裂縫的發育具有較大影響；義和莊潛山義古991 井鉆遇義古991 斷層面，其裂縫較為發育，密度達47 條/m，而義古27-1井距義古991 斷層約為700 m，其裂縫不發育。因此，斷層活動性越強、斷距越大、距斷層越近，儲層裂縫越發育（圖5）。

圖5 義和莊潛山義古991井區地質剖面Fig.5 Geological section of Well Yigu991 in Yihezhuang Buried Hill

基于地震屬性、成像測井及生產數據，探究與研究區構造位置相近、井網較密、斷裂較發育、生產資料齊全的車古20 區塊斷層與下古生界潛山裂縫發育程度的關系（圖6）發現，車古20 區塊下古生界八陡組對應斷層發育部位，裂縫發育程度較周圍有明顯變化，且靠近斷層位置的裂縫密度較大。對比車古201 和車古202 井（圖6）可以看出，距離斷層相對較近的車古201井自上而下見較多高角度層間裂縫，單位長度內裂縫條數多、密度大，而距離斷層相對較遠的車古202井僅在埋深為4 150.0～4 250.0 m發育中高角度裂縫，單位長度內裂縫條數少、密度小。

圖6 車古20區塊下古生界八陡組裂縫密度及車古201、車古202井成像測井顯示Fig.6 Fracture density and imaging logs of Wells Chegu201 and Chegu202 in Lower Paleozoic Badou Formation of Block Chegu20

車西北帶車古27井區的斷距較大、距斷層距離較近，因此儲層裂縫發育，物性較好，油氣儲存和輸導條件亦較好。車古271 和車古211 井區的斷距較小、距斷層距離較遠，因此儲層裂縫發育較少，物性較差，油氣儲存和輸導條件較差（表3）。

表3 車古27、車古271和車古211井區儲層特征分析Table3 Analysis of reservoir characteristics in Wells Chegu27，Chegu271，and Chegu211

3.3 煤系地層埋深及厚度決定生烴量差異

據金強等的研究資料［2］表明，來源于石炭系—二疊系煤成氣的成熟度與烴源巖的現今埋深具有對應關系，石炭系—二疊系的現今埋深控制了煤成氣的生成和分布。通過模擬渤海灣盆地生烴動力學研究認為，車西北帶石炭系—二疊系烴源巖的生氣率高、煤成氣勘探潛力大。車鎮凹陷石炭系—二疊系煤系地層的埋深需大于4 100 m，才能過成熟進入二次生烴期，且隨著煤系地層埋深及厚度的增加，烴源巖的生烴量增大，即煤系地層的埋深及厚度決定了生烴量的差異［2］（圖2）。

研究區不同井區對比發現，車古211 井煤系地層的埋藏較淺，為3 750.0～4 046.5 m，未達到煤系地層過成熟進入二次生烴期所需的臨界埋深。車古27 和車古271 井煤系地層的埋深分別大于4 970和5 331 m，均超過煤系地層過成熟進入二次生烴期所需的臨界埋深。但相比車古271井區鉆遇煤系地層厚度較小（9 m），車古27 井區煤系地層厚度較大（27 m），因此車古27 井煤成氣的勘探潛力更大，具有更高的資源潛量（表2）。

4 煤成氣成藏模式

對比車古27、車古271 和車古211 等井的鉆探情況，剖析煤成氣成藏要素，可以看出車鎮凹陷車西北帶潛山煤成氣藏為上古生界生、下古生界儲型氣藏類型，為一個獨立的古生界煤成氣成藏體系。其具有良好的烴源巖、有利的儲蓋組合、較好的圈閉及保存和運移條件；煤系地層的埋深和厚度決定了生烴量差異，鄰近斷層的斷距對煤成氣成藏起到了至關重要的控制作用，其不僅控制圈-源對接程度，也控制下古生界儲層發育帶的寬度，直接決定圈閉的有效性。

研究區潛山煤成氣成藏模式為：上古生界煤系烴源巖最大埋深超過4 100 m，煤系地層普遍進入二次生烴期，具有較大的煤成氣資源潛量。上古生界泥巖、煤系地層以及下古生界頂部致密碳酸鹽巖為蓋層，被斷層改造的下古生界潛山裂縫型碳酸鹽巖為主要儲層，發育有利的儲蓋組合；受控于中—古生界斷裂體系，早期形成多個有利構造圈閉，上升盤的下古生界潛山有利構造圈閉通過斷層與下降盤的上古生界太原組和山西組烴源巖對接，上古生界煤系地層生成的煤成氣沿斷層向地層上傾方向運移，就近富集于下古生界有利碳酸鹽巖儲層，形成油氣藏，且后期保存條件較好，未遭受破壞，具有晚生晚成、就地就近成藏的特點（圖7）。

圖7 車鎮凹陷車西北帶煤成氣成藏模式Fig.7 Coal gas accumulation modes in northwest of Chezhen Sag

5 結論

車鎮凹陷車西北帶上古生界生、下古生界儲型氣藏類型為潛山煤成氣藏，是一個獨立的古生界成藏體系，具有良好的烴源巖、有利的儲蓋組合、較好的圈閉以及保存和運移條件。車西北帶上古生界煤系地層的埋深和厚度決定了生烴量差異，鄰近斷層的斷距對車西北帶煤成氣成藏具有至關重要的控制作用，其不僅控制圈-源對接程度，也控制下古生界儲層發育帶的寬度，直接決定圈閉的有效性，為研究區煤成氣的主要成藏差異因素。總結得出車西北帶下古生界煤成氣成藏模式，可以為研究區后續的煤成氣勘探提供重要的借鑒意義。