煤成气多层系富集机制与全含气系统模式——以鄂尔多斯盆地东缘临兴区块为例

鄂尔多斯盆地发育以煤成气为主要气源的多层系常规和非常规含气系统，不断在新区、新层系、新类型和新领域中取得勘探突破。为了进一步提升盆地油气勘探效率，重新认识油气地质理论，在系统剖析盆地东缘临兴区块下古生界、上古生界和中生界含气层系分布规律基础上，探讨奥陶系—三叠系的含气序列，刻画了多层含气系统形成条件及富集特征，揭示了煤成气在源岩层系滞留、源外层系富集的成藏过程，并建立了全含气系统模式。

研究结果表明：①研究区发育煤系烃源岩主控的石炭系—二叠系连续型煤层气、页岩气、铝土岩天然气和准连续型致密砂岩气，圈闭条件主控的不连续型三叠系岩性—构造气藏，输导条件主控的奥陶系马家沟组碳酸盐岩气藏 ；②多层系气藏垂向叠置分布，形成煤系及其上覆下伏层系全含气系统，该系统受沉积、储层和输导体系等综合控制，发育连续型、堆叠型、侧叠型、孤立型等含气层 ；③全含气系统形成的基础是煤系生烃持续充注，核心是天然气“生—运—聚—散”动态变化，体现为常规构造—岩性气藏和非常规连续型气藏有序共生、垂向叠置，需要立体勘探开发。

Ⅰ

鄂尔多斯盆地是多旋回叠合盆地，发育早古生代海相克拉通盆地、晚古生代海陆过渡相克拉通盆地和中生代陆相残延克拉通盆地，油气地质条件优越 。临兴区块位于鄂尔多斯盆地东缘北部，石炭纪、二叠纪沉积由海陆过渡相向陆相环境转变，发育多种泥炭沉积环境，形成了稳定连续的厚煤层 （图 1）。临兴区块受盆地边缘离石断裂及紫金山岩体侵入影响，由东向西依次发育吕梁山隆起带、断阶带、宽缓背斜带和平缓斜坡带，由北向南在临兴区块主要为低幅构造区和环紫金山构造区（图 2）。

图1  临兴区块构造位置和地层综合柱状图

图2  临兴区块构造分区与本溪组顶面断层分布图

Ⅱ

煤系源控含气层系与烃源岩层系紧密关联，发育受烃源岩直接或者明显间接影响的天然气藏，既包括煤系源内煤层气和页岩气，也包括与煤系烃源岩紧密关联的致密砂岩气，即通常所说的近源致密气和远源致密气 。

Ⅲ

一、圈闭主控型天然气

临兴区块在中三叠统纸坊组和下三叠统和尚沟组发现浅层气，气层埋深浅于 500 m。临兴 -11 井和尚沟组和临兴 -24 井纸坊组测试分别获得日产气量为 12 064 m³ 和 4 000 m³，临兴 -27 井也有气层发现，初步确定浅层气有利面积为 24 km²。该区块受局部贯穿断层影响，上部储层与下部烃源岩层系连通（图 3）。气体碳同位素数据表明，临兴区块浅层气来源于石炭系、二叠系煤系 。

二、输导主控型天然气

在鄂尔多斯盆地东部，奥陶系顶部不整合面、侵蚀沟槽、断裂（裂缝）是重要天然气输导体系，碳酸盐岩储层与煤系烃源岩直接接触，形成条带状展布的供烃窗口（图 3）。这一输导体系形成了规模化的奥陶系白云岩气藏，其中，靖边气田奥陶系中组合天然气探明储量约为 1 600×108 m³ ；大牛地气田大48 井区产能建设井大 1-522 井、大 1-516 井在下古生界奥陶系马家沟组马五 5 亚段试气获得天然气无阻流量均超过 3×104 m³/d，证实了马五段白云岩具有良好的天然气勘探开发潜力 。

图3  鄂尔多斯盆地中东部主力气田产层分布图

Ⅳ

一、多层气藏叠置特征

临兴区块本溪组和太原组主要为障壁海岸沉积，砂体主要发育在障壁岛和潮下砂坪环境，潮上泥坪沉积厚层泥岩或泥灰岩，砂体横向连通差，厚砂体相对孤立（图 4-a，图 5-a、b）。太原组陆源碎屑较本溪组有所增加，砂体横向连通性较本溪组更好。煤层区域展布稳定，同时，形成了一定厚度的潟湖相页岩，两套烃源岩气层在平面稳定分布，上下叠置的致密砂岩气层相对孤立分布。山西组为曲流河—三角洲平原亚相沉积，山 2 段平均砂岩厚度大于山 1 段，发育分流河道及其间湾沉积，河道呈由北向南的展布形态，砂体以孤立河道为主（图 4-b，5-a、b）。

图4  临兴区块太原组和山西组沉积模式图

图5  临兴区块不同层段储层构型模式图

二、优质气层分布规律

沉积微相是影响气层的核心要素。分流河道主干、边滩易形成高含气层和高产气层，分流河道边部、天然堤等微相容易产水，影响合采效果。储层物性直接影响气层产气量，高渗区对应高产，气层甜点常见于不同沉积微相物性好的区域。在气藏形成过程中，储层早期压实致密，后期近源充注，压差驱动，非浮力成藏为主（图 6-a）。浅层的构造—岩性圈闭受控于裂缝输导，气体在生烃高峰或者调整改造中充注成藏，部分由于后期地层抬升、温度降低形成异常高压（图 6-b）。烃源岩滞留的煤层气和过渡相页岩气（图 6-c）主要受分子吸附力和毛细管力影响，甜点位置受控于高含气、高渗透性和储层可改造性等影响。

铝土岩储层主要发育在潮坪、潟湖环境，以溶蚀孔为主，与煤系烃源岩直接或间接接触。同时，断层和裂缝改善了输导能力，“源岩—储层—裂缝”三者耦合共同控制铝土岩天然气成藏（图 6-d）。马家沟组碳酸盐岩气藏受地层抬升时期风化剥蚀影响，天然气在剥蚀面附近聚集，输导体系直接控制气藏分布范围，以岩性气藏和地层—岩性气藏为主，优质气层主要发育在高渗区 （图 6-e）。

图6  临兴区块不同类型气藏富集模式图

Ⅴ

一、富集成藏动力

地质演化历史中地层抬升导致的温度降低和天然气逸散是现今气藏欠压的主因 。临兴区块上古生界普遍常压和微欠压也主要是由于地层温度降低和裂缝体系中天然气散失所致。致密砂岩储层孔渗低具有自封闭性，加上良好的区域保存条件，孔隙流体压力与外界交换能力较差，普遍具有一定的压力封存效应。三叠系浅层和尚沟组、纸坊组为超压，受良好封闭条件的压力封存效应影响，同时地层埋深浅，静水压力低，相对更容易形成超压。临兴区块典型井煤层生烃强度、累计厚度与无阻流量关系（图 7）表明，生烃强度大于 10×108 m³/km²，煤层厚度大于 10 m 的区域为工业气流井主要分布区，这说明充足的气源条件是多层天然气富集的重要因素。

图 7  临兴区块气井无阻流量与煤层厚度和生烃强度关系图

二、煤成气全含气系统

煤成气全含气系统呈现各类型储集层，受控于煤化作用全过程生烃及贯通性输导体系，发育连续型煤层气和页岩气、准连续型致密气和单体型 / 集群型天然气藏（图 8）。其核心是煤成气的“生—运—聚—散”过程变化，储层不局限于煤系本身，寻找煤系及其上覆下伏整套地层的滞留烃、近距离运移烃和远距离运移烃，从“源储耦合、有序聚集”的视角来开展勘探工作（图 9）。煤系烃源岩包括有煤层和煤系泥页岩，其中厚煤层本身可以独立开发煤层气，合适条件的煤系页岩气也可以单独开发。对于很多盆地发育的多薄煤层，为了提升开发效益，需要将薄煤层及其邻近砂岩、泥页岩等当作统一储层进行开发，笔者称之为多薄煤系气。煤系烃源岩生成的天然气除了一部分滞留外，多数向邻近地层扩散、运移，在压差驱动下依次形成近源致密气和远源致密气。烃源岩生成气的运移也受断裂、不整合、砂体等输导体系影响，运移聚集形成常规天然气藏。除此之外，在盆地演化过程中，受断裂开闭等影响，先期形成的连续型和准连续型天然气也会扩散运移，进入常规圈闭中再次富集成藏。

图8  临兴区块多层含气系统模式图

图9  煤成气全含气系统源输储匹配关系图

Ⅵ

1）临兴区块发育石炭系—二叠系源内连续型煤层气和页岩气，准连续型致密砂岩气，不连续型的三叠系岩性—构造气藏、石炭系铝土岩气藏和奥陶系马家沟组碳酸盐岩气藏，形成煤系全含气系统。三角洲平原和滨海平原形成的大面积稳定分布煤系是天然气聚集的物质基础和有利区段。

2）受沉积、储层和输导体系等联合控制，临兴区块发育连续型、堆叠型、侧叠型、孤立型等含气层。源内煤层气和页岩气、近源 / 远源致密气和源外圈闭气藏的甜点区段形成机制存在差异，但总体受“源岩—储层—输导体”三者耦合共同控制。生烃强度和煤层厚度大的地方易形成工业气流，需要考虑立体开发模式。

3）煤系全含气系统形成的基础是煤系生烃持续充注，核心是煤系天然气“生—运—聚—散”动态变化。在勘探工作中应当以煤系沉积演化为主线，储层不局限于煤系本身，解决“煤系沉积演化及其源储组合特征”和“煤系生烃演化及其有序聚集过程”两大关键问题，寻找煤系及其上下整套地层的滞留烃、近距离运移烃和远距离运移烃，围绕“源储耦合、有序聚集”勘探有利气藏。