耿燕飛，韓校鋒，周慧敏

(1.中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450006；2.中石化經(jīng)緯有限公司華北測控公司，河南鄭州 450042；3.中國石化華北油氣分公司采氣一廠，河南鄭州 410000)

沁水盆地與鄂爾多斯盆地石炭紀(jì)-二疊紀(jì)沉積時期均屬華北地臺型盆地，沉積環(huán)境類似，石炭系-二疊系煤系地層廣泛發(fā)育，蘊(yùn)藏著豐富的天然氣資源[1-5]。目前，盆地南部1 000 m以淺的淺層煤層氣已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模開采。沁水盆地晉中地區(qū)煤層埋深1 800～2 500 m，屬于深層高階煤，已鉆井發(fā)現(xiàn)上古生界石炭系-二疊系多套致密砂巖中均見良好的含氣顯示，證實(shí)了該區(qū)具備致密砂巖氣成藏地質(zhì)條件。晉中地區(qū)面積1 374.80 km2，利用類比法估算致密砂巖氣資源量為1 275×108m3，勘探潛力可觀。

前人對沁水盆地致密砂巖氣的研究，大多集中在盆地南部勘探較為成熟的地區(qū)，并取得了許多重要認(rèn)識：沿太原西山、陽城-晉城、左權(quán)-和順和榆次-平遙一帶地區(qū)可達(dá)到較好-好的氣源巖；盆地中部沁源地區(qū)砂巖儲層致密且呈現(xiàn)單層薄、層數(shù)多、總厚度大的特點(diǎn)；新生代喜山期發(fā)育的走滑斷層為游離氣成藏的主控因素[6-12]等。而晉中地區(qū)位于沁水盆地北部，勘探程度低，對油氣的成藏條件仍缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識，很大程度上制約了該區(qū)致密砂巖氣的勘探進(jìn)程。本文根據(jù)最新的地震、測井及地質(zhì)資料，深入分析研究區(qū)上古生界的成藏條件、主控因素和資源潛力，明確該區(qū)致密砂巖氣的勘探前景，預(yù)測下一步的勘探有利目標(biāo)。

1 區(qū)域構(gòu)造及地層特征

1.1 區(qū)域構(gòu)造特征

沁水盆地是山西隆起上的一個次級大型向斜盆地，是印支晚期-喜山期形成的構(gòu)造盆地[13-17]。盆地內(nèi)不同地區(qū)構(gòu)造特點(diǎn)有所差異，由于燕山運(yùn)動形成北西-南東向擠壓應(yīng)力，研究區(qū)內(nèi)褶皺變形，發(fā)育北東-南西向逆沖斷裂體系。依據(jù)穿越沁水盆地東西向的地震資料刻畫的構(gòu)造特征，盆地自西向東可劃分為晉中斷陷、來遠(yuǎn)凸起、榆社緩坡、武鄉(xiāng)背斜等4個二級構(gòu)造單元(圖1)。晉中地區(qū)主要位于榆社緩坡和武鄉(xiāng)背斜兩個區(qū)帶，其中，榆社緩坡帶構(gòu)造平緩、斷裂不發(fā)育；武鄉(xiāng)背斜帶發(fā)育多個背斜及斷背斜局部構(gòu)造。

圖1 晉中地區(qū)構(gòu)造單元劃分

1.2 地層特征

中生代之前，沁水盆地與鄂爾多斯盆沉積構(gòu)造演化類似[6]，盆地的地層屬華北地層區(qū)劃，盆地內(nèi)部地層分布具有向斜盆地的典型特征[18]。晉中地區(qū)位于沁水盆地北部，石炭系-二疊系地層沉積穩(wěn)定，自下而上分為本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組，缺失泥盆系和下石炭統(tǒng)，經(jīng)歷了由海相、海陸過渡相到陸相沉積體系的演化過程，石炭系中上統(tǒng)及二疊系下統(tǒng)沉積了一套砂巖、泥巖、煤巖互層的煤系地層，發(fā)育多套生儲蓋組合類型，具備良好的致密砂巖氣成藏地質(zhì)條件(圖2)。

圖2 晉中地區(qū)綜合柱狀圖

2 油氣成藏地質(zhì)條件

與常規(guī)天然氣藏相比，致密氣在成藏及分布規(guī)律方面有特殊之處，致密氣一般儲層致密，源儲共生，圈閉界限及水動力效應(yīng)不明顯，具有“低豐度、大面積連續(xù)”等特點(diǎn)[11]。沁水盆地沼澤相煤系形成“源內(nèi)/近源”致密氣，且連續(xù)聚集在緩坡區(qū)、背斜區(qū)。本次研究在對已鉆探井上古生界巖樣進(jìn)行分析化驗(yàn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了研究區(qū)上古生界的成藏條件。

2.1 烴源巖

沁水盆地太原組及山西組發(fā)育煤巖和暗色泥巖兩種烴源巖[12]，為致密砂巖氣提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究區(qū)已鉆井揭示太原組和山西組含煤4～7層，累計厚度8～15 m，太原組煤巖有機(jī)碳含量為60.5%、山西組為78.3%；太原組和山西組暗色泥巖發(fā)育，平均厚度為185 m，所含有機(jī)質(zhì)豐富，太原組泥巖有機(jī)碳含量為2.9%、山西組為3.2%(表1)。

研究區(qū)煤巖氯仿瀝青“A”和烴含量與煤的變質(zhì)程度和煤巖組分有關(guān)，本區(qū)為高變質(zhì)煤，氯仿瀝青“A”和烴含量較低，山西組煤巖氯仿瀝青“A”為468.0×10-6～612.0×10-6，平均為540.0×10-6，總烴為138.5×10-6～230.1×10-6，平均為184.3×10-6。暗色泥巖的氯仿瀝青“A”和烴含量也很低，例如太原組氯仿瀝青“A”為50.0×10-6～180.0×10-6，平均為155.0×10-6，總烴為12.4×10-6～41.6×10-6，平均為28.8×10-6(表1)。兩種烴源巖均以Ⅲ型干酪根為主，演化程度高，利于生氣。

表1 晉中地區(qū)上古生界烴源巖樣品有機(jī)質(zhì)豐度

2.2 儲集巖

晉中地區(qū)石炭系-二疊系屬于一套海陸過渡相-三角洲相沉積，主要發(fā)育砂巖儲層，其次為裂隙儲層。受區(qū)域沉積環(huán)境控制[19-20]，研究區(qū)致密砂巖儲層主要發(fā)育于山西組和下石盒子組。山西組以分流河道砂體為主，巖性主要為巖屑砂巖。單砂體厚度為1.0～4.1 m，平均為2.9 m。砂巖累計厚1.5～9.9 m，平均為5.9 m，占地層總厚度的0.9%～6.6%，平均為3.9%，砂巖主要為巖屑砂巖；下石盒子組以泛濫-分流平原相河間砂體為主，巖性主要為巖屑石英砂巖，單層砂巖厚度為1.6～10.0 m，平均為7.1 m。砂巖累計厚度為12.9～25.1 m，平均為18.2 m，占地層總厚度的11.8%～19.2%，平均為15.4%?？傮w上，主要目的層砂巖單層厚度均較薄。

山西組3口井45個砂巖樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，石英含量61.0%～69.0%，平均66.5%；長石含量3.0%～8.0%，平均5.0%；巖屑含量26.0%～30.0%，平均27.5%。粒徑0.07～0.60 mm，平均0.45 mm，以細(xì)粒為主，中粒次之，部分粗粒；風(fēng)化程度中等，分選性中等；磨圓度為次棱-次圓狀、顆粒支撐、點(diǎn)-線接觸。膠結(jié)物以泥質(zhì)為主(3%～6%)，其次為炭質(zhì)(0～3%)、方解石(1%～7%)、白云石(0～7%)，此外還含有少量黃鐵礦和自生綠泥石。砂巖含有較高的雜基組分(15%～18%)，膠結(jié)類型以孔隙式為主，部分為孔隙鑲嵌式或孔隙再生式。常規(guī)物性測定表明，孔隙度為2.86%～4.50%，平均為3.60%，滲透率為0.10×10-3～0.27×10-3μm2，平均為0.20×10-3μm2。3個樣品的壓汞測定結(jié)果顯示，平均孔喉半徑為0.105 μm，平均排驅(qū)壓力為7.13 MPa。薄片分析表明，晉中地區(qū)主要目的層山西組-下石盒子組砂巖普遍膠結(jié)致密、壓實(shí)作用強(qiáng)烈、非均質(zhì)性較強(qiáng)，整體上屬于特低孔特低滲砂巖儲層(圖3)。

此外，研究區(qū)發(fā)育裂隙型儲層，裂隙發(fā)育的泥巖、灰?guī)r、砂巖均可作為儲層(表2、圖4)，煤巖是生氣層，但裂隙、微裂隙發(fā)育的煤層也可作為儲層[21]。

收入：丈夫每月收入3美元并積攢下來。每月除了留下30個銅板外都交給妻子。長子每月收入4-5美元，也都上繳給自己的母親。次子沒有收入，但也不需家里花錢供養(yǎng)。

圖4 晉中地區(qū)上古生界砂巖巖心照片

研究區(qū)太原組灰?guī)r發(fā)育，一般為3層，厚11.0～13.8 m，平均為12.3 m，占地層總厚度10.9%～13.3%，平均為12.4%，巖性多為致密的泥晶灰?guī)r和含生物泥晶灰?guī)r，儲集性能差，但燕山運(yùn)動在構(gòu)造高部位形成的微裂縫能較好地改善儲集性能。

2.3 封蓋條件

蓋層的封蓋性能直接影響致密砂巖氣的保存[22-23]。晉中地區(qū)石炭系-二疊系的泥巖發(fā)育，且單層厚度較大，全區(qū)分布穩(wěn)定，可作為區(qū)域蓋層或直接蓋層。

太原組和山西組以含煤的灰黑色泥巖為主，泥巖累計厚度73.9～132.3 m，占地層總厚度73.8%～86.0%，暗色泥巖除了可以形成物性封閉外，本身作為烴源巖也具有烴濃度封閉能力，強(qiáng)化了泥巖的封蓋性能，具備良好的直接蓋層條件。下石盒子組、上石盒子組、石千峰組均發(fā)育了厚度較大的泥巖，其泥巖累計厚度分別為71.9，93.5，172.8 m，分別占地層厚度的64.2%、84.8%、67.7%，是良好的區(qū)域性蓋層(表2)。

表2 晉中地區(qū)上古生界泥巖厚度統(tǒng)計

2.4 生儲蓋組合

從上述基本地質(zhì)條件及鉆井分析可知，晉中地區(qū)的上古生界有源內(nèi)的自生自儲和近源的下生上儲兩類生儲蓋組合類型(圖5)。

圖5 晉中地區(qū)不同區(qū)帶上古生界油氣地質(zhì)條件對比

太原組、山西組發(fā)育多層煤巖及暗色泥巖，縱向上與分流河道砂體或障壁砂壩砂體上下疊置，橫向上儲層呈透鏡狀，被烴源巖包圍，形成源內(nèi)式自生自儲的生儲蓋組合，已鉆井JZ1井，在太原組和山西組鉆遇多套煤層，主煤層厚度15.4 m，與煤層緊鄰的砂巖段全烴含量凈增7.9%～22.1%，形成了源內(nèi)式自生自儲的生儲蓋組合類型。同時，太原組、山西組煤系地層烴源巖有上覆石盒子組和石千峰組構(gòu)成近源式下生上儲式的生儲蓋組合，已鉆井WX1井的太原組、山西組煤層厚度21.9 m，鉆遇二疊系下石盒子組、石千峰組多層砂巖均有含氣顯示，證實(shí)了晉中地區(qū)也具有近源式的下生上儲組合類型的發(fā)育條件。

2.5 圈閉條件

在武鄉(xiāng)背斜帶，由于受燕山期構(gòu)造運(yùn)動的影響，沿北東-南西向斷層形成一系列背斜及斷背斜，發(fā)育構(gòu)造圈閉，2020年在背斜局部構(gòu)造上部署的WX1井，分別在石盒子組和石千峰組鉆遇6套含氣砂巖，累計顯示厚度73.0 m，證實(shí)了構(gòu)造圈閉的存在。

3 油氣成藏主控因素

前期的研究表明，對于沁水盆地晉中地區(qū)而言，儲層和保存條件是尋找有效氣藏的關(guān)鍵。

儲層的發(fā)育狀況與當(dāng)時的沉積環(huán)境密切相關(guān)，沁水盆地晉中地區(qū)在整個華北沉積格局的控制之下，上古生界的沉積特征與鄂爾多斯盆地基本一致，主要目的層沉積相為三角洲前緣-前三角洲沉積，砂巖厚度相對較薄。平面上，儲層以呈近南北向展布的三角洲前緣分流河道砂體為主；縱向上，太原組、山西組及石盒子組砂巖與泥巖相間分布，砂體垂向疊置，平面及層間非均質(zhì)性強(qiáng)。通過井震標(biāo)定，認(rèn)為地震剖面上T9d(石盒子組底)和T9f(石千峰組底)反射軸能量強(qiáng)且連續(xù)的地方砂體較為發(fā)育，已鉆的WX1井證實(shí)了利用井震資料尋找砂體的可靠性。另外，研究區(qū)還發(fā)育裂縫型儲層，由構(gòu)造應(yīng)力作用形成的微裂縫有效改善了儲集性能，使得裂縫段全烴凈增值高，含氣性良好，在鉆井中已得到驗(yàn)證。

研究區(qū)局部及區(qū)域蓋層條件良好，保存條件主要受圈閉成藏期構(gòu)造運(yùn)動的影響[23]。晉中地區(qū)主要有兩次生烴期，分別對應(yīng)晚三疊世的第一次生烴和晚侏羅世-早白堊世的第二次生烴，其中一半以上的天然氣在二次生烴期排出[24]。第一次生烴期，海西-印支期構(gòu)造運(yùn)動較弱，石炭紀(jì)-二疊紀(jì)煤層受構(gòu)造運(yùn)動破壞較小，極少見東西向構(gòu)造，盆地接受沉降，儲層隨埋深增加而致密化，在深成變質(zhì)作用下煤變質(zhì)程度增大，煤系氣生成并賦存其中；第二次生烴期，受到燕山期北西西-南東東向構(gòu)造應(yīng)力擠壓，地層抬升，煤層受到巖漿熱接觸作用，煤巖熱演化程度增加，形成第二次生烴，與此同時，在武鄉(xiāng)背斜帶形成了多條北東-南西向的中小型斷裂及一系列背斜及斷背斜構(gòu)造，天然氣部分順斷層逸散，部分運(yùn)移至圈閉中被保存。之后，喜山運(yùn)動期應(yīng)力反轉(zhuǎn)，圈閉內(nèi)保存的天然氣進(jìn)一步運(yùn)移聚集或逸散?；诖?，后期勘探應(yīng)側(cè)重于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)及背斜構(gòu)造發(fā)育區(qū)。

4 勘探潛力與有利目標(biāo)優(yōu)選

榆社緩坡構(gòu)造單元面積947 km2，區(qū)內(nèi)構(gòu)造穩(wěn)定，斷層不發(fā)育，保存條件較好；該區(qū)石炭系-二疊系殘余地層厚度大，煤系烴源巖全區(qū)發(fā)育，生儲蓋組合關(guān)系好，具有有利的成藏條件，巖性圈閉面積616.6 km2，圈閉天然氣資源量765×108m3。

武鄉(xiāng)背斜帶構(gòu)造單元面積427 km2，區(qū)內(nèi)由于燕山運(yùn)動期構(gòu)造應(yīng)力擠壓形成一系列北北東走向的小型長軸背斜及斷背斜，內(nèi)部地層較為陡峭，斷裂發(fā)育，在構(gòu)造高部位保存條件較好，且應(yīng)力作用形成的微裂縫有效改善了儲層物性。例如區(qū)內(nèi)JZ3井在太原組灰?guī)r裂縫發(fā)育段全烴顯示高達(dá)8.6%，顯示了良好的含氣性。

與鄂爾多斯盆地大牛地氣田基本成藏條件相比，晉中地區(qū)兩個區(qū)帶與之具有相同的目的層，相似的構(gòu)造條件及沉積環(huán)境，且生烴條件更好，主要目的層砂巖物性相當(dāng)或略差，但能夠形成有效儲層。其中，武鄉(xiāng)背斜帶發(fā)育構(gòu)造圈閉，與構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)相比，其背斜構(gòu)造內(nèi)保存條件也較好。綜合分析認(rèn)為，該區(qū)顯示了良好的致密砂巖氣勘探潛力(表3)。

表3 晉中地區(qū)榆社區(qū)帶與武鄉(xiāng)區(qū)帶基本成藏條件對比

5 結(jié)論

(1)沁水盆地晉中地區(qū)太原組-山西組煤系烴源巖全區(qū)廣泛發(fā)育且品質(zhì)良好，石炭系-二疊系至三疊系發(fā)育約500 m的泥巖蓋層，但三疊紀(jì)末至新生代的隆起抬升、長期遭受風(fēng)化剝蝕，斷層發(fā)育的地區(qū)封蓋能力弱、保存條件差。因此，后期勘探應(yīng)尋找保存條件較好的榆社緩坡帶的構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)及武鄉(xiāng)背斜帶的背斜構(gòu)造發(fā)育區(qū)。

(2)沁水盆地晉中地區(qū)上古生界發(fā)育80～100 m的砂巖，但砂巖儲層物性普遍較差，屬于特低滲致密儲層。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造高部位形成的微裂縫能有效改善儲層的儲集性能，裂隙發(fā)育的泥巖、灰?guī)r、砂巖及煤巖均可作為儲層。

(3)晚三疊世第一次生烴期，砂巖滲透性相對較好，天然氣主要存儲于煤系地層中；晚侏羅世-早白堊世第二次生烴期，儲層熱演化程度增加使孔滲性能變差，但盆地抬升、構(gòu)造應(yīng)力增強(qiáng)引起裂隙的產(chǎn)生發(fā)育，有利于天然氣運(yùn)移聚集，因此，裂隙氣藏是沁水盆地晉中地區(qū)下一步的勘探方向。