劉 闖

（1.中國石化上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院，上海 200120；2.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

煤系氣是基于天然氣儲(chǔ)層成因類型提出的概念，泛指儲(chǔ)存在含煤地層中的多種天然氣，近年來受到廣泛的關(guān)注［1-3］。對(duì)于煤系氣所涵蓋的范圍，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為主要包括煤系致密砂巖氣、煤系頁巖氣和煤系煤層氣，也有學(xué)者將煤系天然氣水合物、碳酸鹽巖氣劃分到其中［4-5］。為了界定研究范圍，前人提出了更為精確的定義，即煤系“三氣”，特定指代煤系致密砂巖氣、煤系頁巖氣和煤系煤層氣［6-7］，本文也是針對(duì)這三種煤系非常規(guī)天然氣開展討論的。通過對(duì)臨興地區(qū)烴源巖的分析，對(duì)煤系氣共生組合模式進(jìn)行精細(xì)分類，解析典型鉆井實(shí)例，以期指導(dǎo)后續(xù)的勘探開發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

臨興地區(qū)位于山西臨縣和興縣境內(nèi)，構(gòu)造位置上處于鄂爾多斯盆地東緣的伊陜斜坡和晉西撓褶帶上，面積約2 500 km2，總體呈現(xiàn)為單斜構(gòu)造（圖1）。研究區(qū)周邊的河?xùn)|煤田保德礦區(qū)、三交礦區(qū)、大寧—吉縣區(qū)塊、渭北煤田韓城礦區(qū)、陜北煤田府谷礦區(qū)、延川南區(qū)塊煤層氣儲(chǔ)量豐富，周緣的大牛地、榆林、神木、子洲、米脂氣田致密砂巖氣探明儲(chǔ)量接近千億方［8-11］。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及臨興地區(qū)位置［12］

上古生界地層自下而上發(fā)育上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組和山西組、中二疊統(tǒng)石盒子組、上二疊統(tǒng)石千峰組。下伏下古生界中奧陶統(tǒng)馬家溝組與上古生界底部本溪組呈平行不整合接觸，標(biāo)志層為本溪組底部的鐵鋁土層風(fēng)化殼，兩者之間的上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和下石炭統(tǒng)缺失，為加里東時(shí)期地層抬升遭受剝蝕所致［13］，上覆三疊系劉家溝組與上古生界頂部石千峰組呈整合接觸。研究區(qū)整個(gè)上古生界地層內(nèi)部連續(xù)沉積，相鄰層段間整合接觸（圖2）。臨興地區(qū)整體地勢相對(duì)平緩，地層傾斜角度小，呈現(xiàn)為北部地勢相對(duì)較高、南部地勢略低的單斜構(gòu)造，從底部本溪組到頂部石千峰組，地層呈繼承性發(fā)育。臨興地區(qū)中部受控于紫金山隆起的影響，發(fā)育環(huán)形展布的斷層，呈放射狀［14］。

圖2 鄂爾多斯盆地臨興及周緣地區(qū)地層發(fā)育特征

2 烴源巖條件

對(duì)于含煤地層而言，煤和暗色泥巖都可以成為致密砂巖氣的來源［15-16］。臨興地區(qū)上古生界發(fā)育廣覆式分布的海陸交互相煤系烴源巖，煤和暗色泥巖作為主力烴源巖在盆地內(nèi)廣泛發(fā)育［17］。本溪組、太原組和山西組均有煤層發(fā)育和暗色泥巖發(fā)育，煤以半亮煤和半暗煤為主，表現(xiàn)為質(zhì)輕、易碎、污手等特征，具有玻璃光澤，斷口參差狀或階梯狀，暗色泥巖致密，可見炭屑、植物碎屑等。山西組為三角洲相沉積，發(fā)育分流河道、分流間灣、沼澤等沉積微相；本溪組、太原組主要為障壁海岸沉積環(huán)境，沉積亞相包括障壁島、潟湖、潮坪，發(fā)育障壁砂壩、潟湖、潮道、砂坪、混合坪、灰坪、泥炭沼澤等7種微相。根據(jù)L-20 井測井曲線與煤、暗色泥巖的對(duì)比關(guān)系可知，煤層在測井曲線上一般表現(xiàn)為低自然伽馬、低電阻率、低密度、高聲波的特點(diǎn)，暗色泥巖在測井曲線上一般表現(xiàn)為高自然伽馬、高密度、低聲波的特征。

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

對(duì)于臨興地區(qū)整個(gè)含煤地層而言，本溪組煤的有機(jī)碳含量主要集中在20%～40%和60%～90%兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，平均含量約為52.2%；太原組煤的有機(jī)碳含量分布在40%～80%之間的樣品占90%，平均含量約為56.2%；山西組煤的有機(jī)碳含量平均約為35.0%。相對(duì)而言，本溪組和太原組中的煤層有機(jī)碳含量較高，生烴潛力較大。暗色泥巖的有機(jī)碳含量絕大部分小于10%，約占總數(shù)的91.2%。本溪組暗色泥巖的有機(jī)碳含量分布范圍0.11%～9.1%，平均值為3.1%；太原組暗色泥巖的有機(jī)碳含量分布范圍0.37%～76.1%，平均值為11.4%；山西組暗色泥巖的有機(jī)碳含量分布范圍0.1%～3.97%，平均值為1.7%。值得注意的是，太原組部分暗色泥巖有機(jī)碳含量較高，最高可達(dá)76.1%，其共性在于這部分暗色泥巖中都含有較多的炭質(zhì)成分。

煤的生烴潛量明顯優(yōu)于暗色泥巖。本溪組煤的生烴潛量最低可至0.46 mg/g，最高可達(dá)250 mg/g，平均約為65.0 mg/g。太原組煤的生烴潛量分布范圍2.02～309.37 mg/g，平均約為119.2 mg/g，是臨興地區(qū)生烴潛量最好的層段。山西組煤的生烴潛量分布范圍5.06～97.4 mg/g，平均約為38.7 mg/g。

整體而言，縱向上隨著地層埋深的增加，煤的生烴潛量具有先大幅增加后略微降低的趨勢。本溪組暗色泥巖生烴潛量平均約為2.1 mg/g，太原組暗色泥巖生烴潛量平均約為19.0 mg/g，山西組暗色泥巖生烴潛量平均約為3.8 mg/g。隨著地層埋深的增加，暗色泥巖生烴潛量也具有先大幅增加后略微降低的趨勢。與有機(jī)碳類似，太原組部分暗色泥巖生烴潛量最高可達(dá)187.8 mg/g，高于煤的平均生烴潛量，也是由于這部分暗色泥巖中大量的炭質(zhì)成分導(dǎo)致的。

從臨興地區(qū)L-20 井上古生界烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度特征柱狀圖可以看出，本溪組和太原組有機(jī)碳含量高，生烴潛量大，屬于中等—好的烴源巖（圖3）。山西組烴源巖有機(jī)碳含量不高，生烴潛量相對(duì)較小，但是由于暗色泥巖厚度較大，故而也是臨興地區(qū)上古生界主力的烴源巖。

圖3 臨興地區(qū)L-20井上古生界烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度柱狀圖

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

臨興地區(qū)上古生界烴源巖中鏡質(zhì)體多為條帶狀、碎屑狀、絲狀，零散分布，部分鏡質(zhì)體中可見氣孔結(jié)構(gòu)。通過對(duì)37 塊煤和110 塊暗色泥巖樣品提取的干酪根進(jìn)行鑒定，計(jì)算各組分之間的相對(duì)百分含量。結(jié)果表明，臨興地區(qū)含煤地層干酪根以鏡質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組含量主要分布范圍60%～100%，平均約為73.1%；其次為惰質(zhì)組，主要分布范圍0～30%，平均約為13.4%；腐泥組含量分布跨度較大，最高可達(dá)80%，但整體平均含量不高，平均約為9.3%；殼質(zhì)組含量最少，平均含量僅4.3%。

根據(jù)干酪根各顯微組分的相對(duì)含量，采用類型指數(shù)T值，對(duì)干酪根的類型進(jìn)行劃分（圖4）。110 塊暗色泥巖干酪根顯微組分測試及計(jì)算T值結(jié)果顯示，臨興地區(qū)含煤地層干酪根T值分布范圍-88.9%～38.6%，其中超過91.8%的T值小于0，故而臨興地區(qū)含煤層段以Ⅲ型干酪根為主，含有少量的Ⅱ2型干酪根，不含Ⅱ1型干酪根和Ⅰ型干酪根。37 塊煤樣干酪根顯微組分測試及計(jì)算T值結(jié)果顯示，臨興地區(qū)含煤地層煤樣干酪根T值分布范圍-100%～61.3%，其中超過81.1%的T值小于0，故而臨興地區(qū)含煤層段的煤以Ⅲ型干酪根為主，含有少量的Ⅱ2型干酪根，極少的Ⅱ1型干酪根，不含Ⅰ型干酪根。

圖4 臨興地區(qū)含煤地層干酪根顯微組分特征

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

臨興地區(qū)含煤層段92 塊烴源巖樣品鏡質(zhì)體反射率Ro數(shù)值范圍0.8%～2.3%，平均值約為1.1%，處于成熟階段。其中，煤的Ro數(shù)值范圍0.9%～2.3%，平均值約為1.1%，而暗色泥巖的Ro分布相對(duì)集中，分布范圍0.8%～1.8%，平均值約為1.1%。臨興地區(qū)各含煤地層煤的Ro相差不大，對(duì)于暗色泥巖而言，本溪組有機(jī)質(zhì)成熟度最高，其次為太原組，最后為山西組。本溪組、太原組、山西組暗色泥巖的Ro平均值依次為1.3%、1.1%、0.9%。含煤層段146 塊烴源巖樣品最高熱解峰溫Tmax 檢測結(jié)果表明，Tmax最小值為312 °C，最大值可達(dá)591 °C，平均值約為472°C。綜上所述，臨興地區(qū)含煤地層烴源巖整體處于高成熟階段。

3 煤系氣共生基本單元

對(duì)于煤系致密砂巖氣藏而言，氣源巖為暗色泥巖和煤層，儲(chǔ)集層為致密砂巖；對(duì)于煤系頁巖氣而言，氣源巖既可以是煤層，也可以是自身暗色泥巖；對(duì)于煤系煤層氣而言，氣源巖和儲(chǔ)集層都為煤層本身［6］。不同學(xué)者根據(jù)各自臨興地區(qū)的巖性組合模式，對(duì)煤系非常規(guī)天然氣組合類型進(jìn)行了劃分，其劃分結(jié)果具有一定的區(qū)域適應(yīng)性。為了使組合模式更具有普遍適用性，從而指導(dǎo)后期的“三氣”合采，本文采取一定的簡化方式，構(gòu)建煤系氣共生組合的基本單元，在基本單元的基礎(chǔ)上，衍生適用于臨興地區(qū)的復(fù)雜組合模式。根據(jù)臨興地區(qū)上古生界致密砂巖、暗色泥頁巖和煤層的縱向分布情況，基于烴源巖、儲(chǔ)集層和蓋層的巖性差異及組合關(guān)系，將煤系氣的共生組合關(guān)系簡化為如下基本單元（圖5）：

圖5 煤系氣共生模式基本單元

（1）源儲(chǔ)一體型：烴源巖生成的天然氣以吸附態(tài)或游離態(tài)儲(chǔ)存在原烴源巖內(nèi)形成氣層，頁巖氣和煤層氣均屬于此種類型，暗色泥頁巖和煤層縱向疊置，形成頁巖氣和煤層氣的共生。由于煤層的產(chǎn)氣能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過暗色泥頁巖，當(dāng)煤層另一側(cè)的遮擋巖層具有足夠的封蓋能力時(shí)，若煤層所產(chǎn)氣體超過煤層本身儲(chǔ)氣能力，在烴濃度的驅(qū)使下，天然氣有可能從煤層向頁巖中進(jìn)行短距離的運(yùn)移，此時(shí)兩者組合類型便屬于源儲(chǔ)接觸型。根據(jù)煤層和頁巖的相對(duì)位置，可以分為2種模型。

（2）源儲(chǔ)緊鄰型：烴源巖和儲(chǔ)集層直接接觸，烴源巖生成的天然氣從烴源巖層短距離運(yùn)移到相鄰儲(chǔ)集層中聚集成藏。當(dāng)致密砂巖與暗色泥頁巖直接接觸、且暗色泥頁巖具有足夠的產(chǎn)氣能力時(shí)，暗色泥頁巖排出的部分天然氣進(jìn)入致密砂巖儲(chǔ)集層中，形成致密砂巖氣和頁巖氣的共生；當(dāng)致密砂巖與煤層直接接觸，且煤層具有足夠的產(chǎn)氣能力時(shí)，煤層排出的部分天然氣進(jìn)入致密砂巖儲(chǔ)集層中，形成致密砂巖氣和煤層氣的共生；當(dāng)致密砂巖、暗色泥頁巖、煤層同時(shí)存在時(shí)，致密砂巖中的天然氣可能來自泥頁巖，也可能來自煤層，也可能兩者兼有，從而在縱向上疊置形成致密砂巖氣、頁巖氣和煤層氣的三者共生。對(duì)于“兩氣”共生模式而言，根據(jù)烴源巖和儲(chǔ)層的相對(duì)位置，可以進(jìn)一步劃分為下生上儲(chǔ)型和上生下儲(chǔ)型。下生上儲(chǔ)型代表致密砂巖層位于暗色泥巖層或煤層上方，天然氣由下往上運(yùn)移，砂巖層上部被其它致密巖層封堵，其封堵機(jī)理為物性封閉。上生下儲(chǔ)型代表致密砂巖層位于暗色泥巖層或煤層下方，烴源巖生成的天然氣發(fā)生倒灌，由上往下運(yùn)移，上部暗色泥巖層或煤層被其它更為致密的巖層封堵，致密砂巖氣藏封堵機(jī)理為烴濃度封閉。對(duì)于“三氣”共存的源儲(chǔ)接觸型煤系氣組合，同樣可以形成下生上儲(chǔ)型和上生下儲(chǔ)型。當(dāng)煤層位于頁巖層和致密砂巖層之間時(shí)，煤層產(chǎn)生的天然氣可能向兩側(cè)的頁巖和致密砂巖運(yùn)移，形成中生邊儲(chǔ)的源儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。當(dāng)致密砂巖層位于煤層和頁巖層之間時(shí)，煤層和頁巖層產(chǎn)生的天然氣可能由兩側(cè)向中間的致密砂巖層運(yùn)聚，形成邊生中儲(chǔ)的源儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。根據(jù)致密砂巖、頁巖和煤層的相對(duì)位置，中生邊儲(chǔ)和邊生中儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分別可以劃分為2 種模式。

（3）源儲(chǔ)分離型：烴源巖和儲(chǔ)集層未直接接觸，通過砂巖、裂縫、斷層或多元素輸導(dǎo)體系，烴源巖排烴生成的天然氣從烴源巖層運(yùn)移到儲(chǔ)集層中聚集成藏。同樣，根據(jù)烴源巖和儲(chǔ)層的相對(duì)位置，也可以進(jìn)一步劃分為下生上儲(chǔ)型和上生下儲(chǔ)型。由于運(yùn)移距離相對(duì)較長，天然氣從上部往下運(yùn)移所需要的烴濃度會(huì)非常高，所以上生下儲(chǔ)型可能會(huì)比較少見甚至難以存在。根據(jù)輸導(dǎo)體系的差異，可以劃分為砂體輸導(dǎo)型、裂縫輸導(dǎo)型和斷層輸導(dǎo)型。根據(jù)烴源巖的差異，每一種輸導(dǎo)型可以進(jìn)一步劃分為煤層氣源型和泥頁巖氣源型。

綜上所述，源儲(chǔ)一體型具有2種類型，源儲(chǔ)緊鄰型分為12 種類型，源儲(chǔ)分離型包括6 種類型，因而煤系氣共生組合的基本單元可以劃分為3 個(gè)大類，細(xì)分為20種小類。

在以上三個(gè)基本單元的基礎(chǔ)上，可以形成多種衍生模式。如，在源儲(chǔ)一體型煤層氣和頁巖氣共生模式中，受控于沉積環(huán)境的影響，煤層和暗色泥頁巖層出現(xiàn)頻繁互層，衍生為煤層氣-頁巖氣-煤層氣-頁巖氣或頁巖氣-煤層氣-頁巖氣-煤層氣等互層型共生模式。再如，在源儲(chǔ)接觸型致密砂巖氣-煤層氣共生模式中，如果煤層底板仍為具有一定儲(chǔ)集能力的致密砂巖，在煤層產(chǎn)氣能力充足的情況下，天然氣由煤層氣向上下頂?shù)装迳皫r都進(jìn)行短距離運(yùn)移，形成致密砂巖氣-煤層氣-致密砂巖氣的共生組合模式?；蛑旅軐由舷戮幻簩铀鶌A持，致密砂巖氣來源于上、下煤層中，組合成煤層氣-致密砂巖氣-煤層氣模式，形成類似于“三明治”結(jié)構(gòu)的共生模式。

4 典型鉆井實(shí)例

（1）頁巖和煤層組合。L-1 井太原組底部和本溪組頂部過渡區(qū)域，深度2 064～2 092 m，地層厚度28 m，為泥炭沼澤相沉積。頂部致密的頁巖可作為封蓋層，下部四層炭質(zhì)泥巖和三層煤層互相疊置。最厚的炭質(zhì)泥巖層為上部第一套炭質(zhì)泥巖層，深度2 066～2 077 m，厚度11 m，位于太原組最底部。最主力的煤層為上部第一套煤層，深度2 077～2 081 m，厚度4 m，位于本溪組最頂部，也是含煤層段中的下煤組8 號(hào)和9 號(hào)煤層（圖6a）。炭質(zhì)泥巖層和煤層既可以作為烴源巖，也可以作為儲(chǔ)層，均具有一定的產(chǎn)氣和儲(chǔ)層能力，加上頂部致密泥巖層的封蓋，可以形成頁巖氣和煤層氣的多層交互疊置。

（2）致密砂巖和頁巖組合。L-7 井太原組地層深度1 954～1 977 m，地層厚度23 m，頂部致密泥巖層為封蓋層，三套炭質(zhì)泥頁巖層中間夾有兩套砂巖層（圖6b）。炭質(zhì)泥頁巖層為該套地層的烴源巖層和儲(chǔ)集層，自身儲(chǔ)氣的同時(shí)也為中間兩層砂巖提供氣源，形成頁巖氣-致密氣-頁巖氣-致密氣-頁巖氣的縱向疊置。

（3）致密砂巖和煤層組合。L-8 井本溪組地層深度1 961～1 985 m，地層厚度24 m。上部為中砂巖，中部為細(xì)砂巖，底部為煤層（圖6c）。底部煤層作為氣源巖，為上部兩套砂巖提供天然氣，形成源儲(chǔ)緊鄰型致密砂巖氣藏，同時(shí)煤層自生自儲(chǔ)形成煤層氣，頂部致密泥巖層為封蓋層，縱向上形成致密砂巖氣-煤層氣的疊置。

（4）致密砂巖、頁巖和煤層組合。L-10 井本溪—太原組過渡區(qū)域，深度范圍1 700～1 739 m，地層厚度39 m。頂部為太原組致密泥巖層，為該套地層的封蓋層。1 704～1 723 m發(fā)育19 m厚的細(xì)砂巖，氣測顯示為較好的致密砂巖氣藏，其氣源巖為下部的暗色泥頁巖和煤層。深度1 725.5～1 733.5 m 為下煤組8 號(hào)和9 號(hào)煤層，厚度8 m。上部砂巖和下煤組8 號(hào)和9 號(hào)煤層之間夾有炭質(zhì)泥巖層和薄煤層（圖6d）。該套地層形成致密砂巖氣-煤層氣-頁巖氣-煤層氣的疊置組合。

圖6 臨興地區(qū)致密砂巖、頁巖和煤層組合

5 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地東緣上古生界煤和暗色泥巖均為主力烴源巖，以Ⅲ型干酪根為主，含有少量的Ⅱ2型干酪根，鏡質(zhì)體反射率Ro均大于0.8%，整體處于高成熟階段；

（2）根據(jù)致密砂巖、暗色泥頁巖和煤層的縱向分布情況，基于烴源巖、儲(chǔ)集層和蓋層的巖性差異及組合關(guān)系，將煤系氣的共生組合關(guān)系簡化為源儲(chǔ)一體型、源儲(chǔ)緊鄰型和源儲(chǔ)分離型3個(gè)大類；

（3）根據(jù)巖性組合的相對(duì)位置、烴源巖及輸導(dǎo)體系的差異，可以進(jìn)一步細(xì)分為20 種小類，其中源儲(chǔ)一體型具有2 種類型，源儲(chǔ)緊鄰型分為12 種類型，源儲(chǔ)分離型包括6種類型，形成多種衍生組合模式。