鄂爾多斯盆地上古生界與四川盆地須家河組天然氣成藏地質(zhì)條件對(duì)比

1聚煤時(shí)代地質(zhì)環(huán)境及盆地煤成氣資源量從廣義上講，天然氣是指與天然氣系統(tǒng)有關(guān)的所有天然氣。在這項(xiàng)工作中，天然氣部門的天然氣僅指天然氣存儲(chǔ)在天然氣系統(tǒng)砂巖中的天然氣。中國(guó)煤成氣資源量非常豐富,隨著勘探程度的不斷加深和氣源研究的不斷深入,煤成氣的探明儲(chǔ)量及其在天然氣中所占比例不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2005年底全國(guó)探明天然氣儲(chǔ)量為4.95×1012m3,其中煤成氣為3.47×1012m3,占70.07%。煤成氣的儲(chǔ)量與煤資源量和聚煤作用的關(guān)系非常密切。中國(guó)煤炭資源量非常豐富,聚煤量有5.57×1012t。和世界其他地區(qū)一樣,中國(guó)的聚煤作用總是發(fā)生在全球海平面下降期。根據(jù)聚煤作用的特點(diǎn)和演化規(guī)律,中國(guó)的聚煤時(shí)期可以劃分為晚古生代、中生代和新生代3個(gè)時(shí)期。晚古生代發(fā)育大陸型陸表海盆地聚煤作用,華北地區(qū)以鄂爾多斯盆地石炭-二疊系煤系為代表,華南地區(qū)則以上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和長(zhǎng)興組煤系為代表;中生代印支運(yùn)動(dòng)以后,中國(guó)的聚煤環(huán)境從陸表海環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)陸湖盆環(huán)境,華南地區(qū)以四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組煤系為代表,華北地區(qū)以中下侏羅統(tǒng)延安組為代表,下白堊統(tǒng)營(yíng)城組則代表東部斷陷盆地的含煤巖系;新生代聚煤盆地主要沿太平洋西岸和新特提斯分布。古近紀(jì)東北、廣西盆地群,新近紀(jì)云南、臺(tái)灣等盆地群都聚集了較重要的煤炭資源。表1是中國(guó)各地質(zhì)時(shí)期煤炭聚集量及其在總聚煤量中的比例關(guān)系,以及各套煤系煤成氣探明儲(chǔ)量在總探明儲(chǔ)量中的比例關(guān)系。從表中可以發(fā)現(xiàn):煤成氣的儲(chǔ)量與聚煤量并非呈正相關(guān)關(guān)系。中國(guó)已發(fā)現(xiàn)的煤成氣儲(chǔ)量較大的盆地在各省區(qū)都有分布,但以中西部為主(見圖1)。不同盆地煤成氣資源量差別非常大,除了與勘探程度有關(guān)外,主要與烴源巖組成、烴源巖演化程度、成藏條件、成藏過(guò)程等多種因素有關(guān)。本文以四川盆地三疊系須家河組與鄂爾多斯盆地上古生界氣藏為例,探討中國(guó)煤系天然氣的聚集和成藏過(guò)程。2儲(chǔ)集層和互層組合位于中國(guó)中西部的四川盆地與鄂爾多斯盆地是中國(guó)陸上兩個(gè)重要的含油氣盆地。截至2007年底,四川盆地與鄂爾多斯盆地天然氣探明儲(chǔ)量分別達(dá)到1.024×1012m3和1.533×1012m3。鄂爾多斯盆地上古生界天然氣探明儲(chǔ)量已接近該盆地天然氣總探明儲(chǔ)量的80%;四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組天然氣探明儲(chǔ)量接近全盆地天然氣探明儲(chǔ)量的三分之一,已超過(guò)石炭系、飛仙關(guān)組的天然氣儲(chǔ)量,位居各層系探明儲(chǔ)量之首。圖2是鄂爾多斯與四川盆地上古生界及以上地層巖性及油氣分布特征。鄂爾多斯盆地上古生界氣藏主要有4套儲(chǔ)蓋組合。①太原組灰?guī)r及泥灰?guī)r組合,主要分布在盆地東部,油氣來(lái)源于共生的煤及暗色泥巖;②山西組砂巖與泥巖互層,主要分布在盆地中北部地區(qū),物性向北部有變好的趨勢(shì);③下石盒子組砂巖與上石盒子組泥質(zhì)巖組合,儲(chǔ)集層與山西組相似,為一套致密砂巖;④石千峰組砂巖與泥巖互層,主要分布在盆地東北部。其中②、③組合為上古生界的主要儲(chǔ)氣組合。四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組自下向上一般可細(xì)分為6段,須一、須三、須五段以泥巖、頁(yè)巖為主,夾薄層粉砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖和煤線,須二、須四、須六段以灰色、灰白色細(xì)—中砂巖為主,夾薄層泥巖。須二、須四、須六段為儲(chǔ)集層,須一、須三、須五段為烴源巖和蓋層,共形成3套儲(chǔ)蓋組合。其中前兩套組合在全盆地都有發(fā)育,第3套組合只在盆地東部發(fā)育。構(gòu)造特征上兩盆地有明顯差別。鄂爾多斯盆地呈現(xiàn)東高西低、北高南低的地理格局,天然氣主要成藏區(qū)構(gòu)造非常穩(wěn)定,幾乎無(wú)斷層發(fā)育(見圖3)。四川盆地受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,天然氣不同分布區(qū)域呈現(xiàn)不同的構(gòu)造格局,川東為北北東向的高陡背斜褶皺區(qū),川中為近東西向平緩構(gòu)造區(qū),川西為平緩凹陷區(qū)。在各區(qū)域須家河組都有天然氣藏發(fā)現(xiàn),但以川中和川西為主。目前川西—川中地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的中壩、老關(guān)廟、八角場(chǎng)、龍女寺及合川等幾個(gè)較大的氣田都分布在與斷層相關(guān)的構(gòu)造圈閉中(見圖4)。鄂爾多斯盆地上古生界與四川盆地三疊系須家河組天然氣藏成藏地質(zhì)條件存在許多相似之處,但成藏特征和氣藏特征存在一定差異[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33](見表2),這種差異主要是由盆地構(gòu)造和成藏過(guò)程的不同造成的。3盆地三疊系須家河組烴源巖的ro-等值線鄂爾多斯盆地上古生界天然氣藏與四川盆地三疊系須家河組天然氣藏的烴源巖都是煤系,但是烴源巖的演化有一定差別。鄂爾多斯盆地上古生界煤層展布西北部最厚,東部次之,中部薄且穩(wěn)定(見圖5)。圖6是鄂爾多斯盆地上古生界Ro等值線圖,上古生界有機(jī)質(zhì)成熟度以盆地南部最高,處于過(guò)成熟干氣階段,并向邊緣呈環(huán)帶狀降低,依次過(guò)渡為過(guò)成熟干—濕氣過(guò)渡帶、濕氣帶和凝析油—濕氣帶。總體而言,盆地南部有機(jī)質(zhì)的成熟度高于盆地北部。四川盆地三疊系須家河組烴源巖展布東、西厚,中間薄。圖7是四川盆地須家河組烴源巖Ro等值線圖,從圖中可以看出:四川盆地三疊系烴源巖演化特征更復(fù)雜一些,川西烴源巖成熟度最高,川西和川北地區(qū)的部分烴源巖達(dá)到了過(guò)成熟干氣階段。對(duì)于川中和川東地區(qū)來(lái)說(shuō),Ro值從川中向川東逐漸降低。四川盆地?zé)N源巖的這種演化特征與鄂爾多斯盆地完全不同。從上述分析可以看出:鄂爾多斯盆地上古生界與四川盆地三疊系須家河組烴源巖成熟度都很高。鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖成熟度相對(duì)更高,主體部分1.0%≤Ro≤2.8%,烴源巖成熟度從南向北逐漸降低;四川盆地三疊系須家河組烴源巖成熟度相對(duì)較低,大部分地區(qū)1.0%≤Ro≤2.0%,烴源巖演化更為復(fù)雜,川西高于川中。4儲(chǔ)集層致密組因分析關(guān)于鄂爾多斯盆地上古生界與四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組天然氣儲(chǔ)集層特征已有大量研究[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29],二者儲(chǔ)集層物性非常相似,滲透率一般均小于1×10-3μm2,屬于致密型儲(chǔ)集層。關(guān)于這兩個(gè)盆地儲(chǔ)集層致密的原因也有許多研究[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22],觀點(diǎn)也不完全相同,但比較一致的觀點(diǎn)是儲(chǔ)集層致密是沉積碎屑物質(zhì)本身的組成特征、強(qiáng)烈的壓實(shí)作用和膠結(jié)作用共同影響的結(jié)果。應(yīng)鳳祥等認(rèn)為煤系砂巖儲(chǔ)集層致密的另一個(gè)重要原因是與有機(jī)酸密切相關(guān),他通過(guò)酸性水介質(zhì)湖盆(含煤盆地)與堿性水介質(zhì)湖盆(鹽湖盆地)砂巖儲(chǔ)集層中自生礦物的對(duì)比發(fā)現(xiàn):煤系砂巖儲(chǔ)集層成巖早期的自生礦物主要為黏土礦物,成巖中期和晚期儲(chǔ)集層自生礦物才出現(xiàn)白云石、重晶石、石英和長(zhǎng)石等易溶顆粒型自生礦物;而在堿性水介質(zhì)湖盆,在成巖早期階段就可以形成石膏、方解石、白云石等易溶顆粒型自生礦物。他們認(rèn)為由于煤系砂巖與烴源巖緊鄰,烴源巖生烴早期生成的大量有機(jī)酸可以很容易地進(jìn)入儲(chǔ)集層,使得早期地層水性質(zhì)為弱酸性,因而成巖早期顆粒型膠結(jié)物很難形成。由于早期的膠結(jié)作用弱,巖石中的碎屑物質(zhì)可以被壓縮得更加緊密。在成巖階段后期,由于溫度和壓力的升高,形成了硅質(zhì)膠結(jié)物(包括次生加大)。硅質(zhì)膠結(jié)物非常穩(wěn)定,加上早期易溶鹽類自生礦物較少,因而后期儲(chǔ)集層的溶蝕作用也非常有限,所以煤系儲(chǔ)集層比較致密。鄂爾多斯盆地上古生界與四川盆地三疊系須家河組儲(chǔ)集層致密的原因應(yīng)與它們同為煤系砂巖、生烴早期大量有機(jī)酸進(jìn)入儲(chǔ)集層有很大關(guān)系。雖然四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組與鄂爾多斯盆地上古生界天然氣儲(chǔ)集層物性特征相似,均為致密砂巖,但儲(chǔ)集層的分布特征卻有比較大的差別(見圖8,圖9)。鄂爾多斯盆地上古生界氣田儲(chǔ)集層砂體為河流—三角洲沉積體系,砂體呈南北條帶狀分布,其物源位于盆地北部;而四川盆地三疊系儲(chǔ)集層雖然也呈條帶狀分布,但砂體的延伸方向不一致,具有多個(gè)物源。5盆地西部—?dú)獠貕毫μ卣骷捌湫纬蓹C(jī)制四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組天然氣藏與鄂爾多斯盆地上古生界天然氣藏的另外一個(gè)特征就是氣藏壓力異常。鄂爾多斯盆地上古生界天然氣藏以低壓氣藏為主,局部常壓;而四川盆地三疊系須家河組氣藏除常壓外,多數(shù)呈現(xiàn)高壓特征(見圖10)。四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組天然氣藏與鄂爾多斯盆地上古生界天然氣藏許多成藏地質(zhì)特征相似,氣藏特征差異的原因與這兩個(gè)盆地的構(gòu)造特征與成藏過(guò)程差異有關(guān)。前人對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界氣藏異常壓力形成機(jī)理進(jìn)行過(guò)不少探索[23,24,25,26,27,28,29]。關(guān)于該盆地低壓異常形成的主控因素總結(jié)起來(lái)有以下幾種觀點(diǎn):①盆地后期抬升,造成氣藏溫度下降,壓力降低;②盆地后期抬升,造成孔隙膨脹,壓力降低;③盆地后期抬升,氣體散失,壓力降低;④氣水密度差引起。上述觀點(diǎn)可以歸結(jié)為兩類:第1類,氣藏負(fù)壓是由于盆地的抬升剝蝕引起(包括前3個(gè)觀點(diǎn));第2類,氣藏負(fù)壓是由于氣水密度差引起。從盆地沉積和構(gòu)造歷史來(lái)看,鄂爾多斯盆地在晚白堊世隆起,遭受剝蝕,但盆地不同區(qū)域遭受的剝蝕程度不同。盆地東部遭受的剝蝕程度大于盆地西部,盆地東部最大剝蝕厚度達(dá)1400m,而盆地西部剝蝕厚度一般不超過(guò)800m,因此,由盆地抬升造成的溫度下降、儲(chǔ)集層孔隙膨脹以及氣體散失等引起的氣藏壓力降低在盆地東部應(yīng)該大于盆地西部,即盆地東部氣藏壓力系數(shù)應(yīng)小于盆地的西部。但實(shí)際結(jié)果(見圖11)卻正好相反,東部氣藏壓力系數(shù)高于西部。所以,盆地抬升引起的氣藏溫度降低、儲(chǔ)集層孔隙增大以及氣體散失不是氣藏壓力降低的原因。氣水倒置才是形成氣層低壓異常的主要原因。鄂爾多斯盆地上古生界天然氣藏的一個(gè)重要特征是區(qū)域上的氣水倒置。米敬奎等將一個(gè)開放生氣模擬設(shè)備與一個(gè)裝有沙子的玻璃管連接,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了氣水倒置的模擬實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(見表3):①氣水倒置過(guò)程完全可以在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn);②加熱時(shí)間相同時(shí),玻璃管中沙子的粒徑愈小,液面上升高度愈大;沙子的粒徑愈大,氣體從沙柱中驅(qū)出的液體愈少;③生烴速度快,烴源巖生氣量大于氣體散失量,氣水倒置過(guò)程更容易發(fā)生。結(jié)合地質(zhì)特征總結(jié)出氣水倒置的形成必須有3個(gè)條件:儲(chǔ)集層致密;烴源巖緊鄰儲(chǔ)集層或離儲(chǔ)集層很近;烴源巖生氣能力強(qiáng)且在地質(zhì)歷史中曾快速生氣。烴源巖離儲(chǔ)集層近,可以使烴源巖生成的氣體迅速到達(dá)儲(chǔ)集層,減少了氣體散失;儲(chǔ)集層致密能使氣體壓力達(dá)到儲(chǔ)集層的排驅(qū)壓力,從而使氣體推動(dòng)地層水向高位運(yùn)移;烴源巖的快速生氣過(guò)程同樣也會(huì)使氣體壓力在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高值,不致在成藏過(guò)程中散失大量氣體。馬新華等曾對(duì)氣水倒置氣藏中負(fù)壓的形成進(jìn)行過(guò)詳細(xì)探討,認(rèn)為主要是由于氣體密度小于水的密度而導(dǎo)致氣藏壓力小于靜水壓力。一些研究者認(rèn)為氣水倒置是深盆氣的一個(gè)特征,雖然鄂爾多斯盆地上古生界天然氣藏在區(qū)域上有氣水倒置現(xiàn)象,但和阿爾伯達(dá)深盆氣藏具有一定的差異,至于它是否屬深盆氣藏還需要進(jìn)一步研究。關(guān)于四川盆地上三疊統(tǒng)異常高壓的成因前人做過(guò)不少研究。根據(jù)盆地沉積史、烴源巖演化史、儲(chǔ)集層特征及構(gòu)造演化等方面的研究,筆者認(rèn)為以下3個(gè)因素是四川盆地上三疊統(tǒng)異常高壓形成的主要原因。①欠壓實(shí)作用。一般認(rèn)為,當(dāng)沉積速率超過(guò)40～100m/Ma時(shí)屬快速沉積。川西地區(qū)受龍門山活動(dòng)的影響,物源豐富,快速沉積了巨厚的上三疊統(tǒng),沉積速率大于100m/Ma,如合川100井的沉積速率為156m/Ma,位于龍門山前緣的鴨子河構(gòu)造沉積速率更快,達(dá)到200m/Ma以上。上三疊統(tǒng)屬于河流—沼澤—湖相沉積,泥質(zhì)含量高。由于沉積速率快,泥巖中的流體排出受阻,沉積物不能進(jìn)行正常壓實(shí)或壓實(shí)變慢,其中的流體除承受靜水壓力外,還承受一部分上覆地層壓力,從而形成異常高壓。因此,快速的沉降作用和由此產(chǎn)生的流體排流不暢是造成超壓的最初動(dòng)力。②烴類生成作用。沉積物中的有機(jī)質(zhì)在熱演化達(dá)到成熟—高成熟階段時(shí)大量生烴(特別是生氣)的過(guò)程是引起超壓的重要因素。此過(guò)程形成超壓異常的基本機(jī)理有兩個(gè):一是烴類(主要是低分子烴類)生成所造成的體積膨脹;二是所生成的物質(zhì)和水共存,地層中單相流動(dòng)變?yōu)槎嘞嗔鲃?dòng),降低了流體的滲透率,使孔隙流體排出速率降低。川中、川西上三疊統(tǒng)煤系烴源巖在燕山期進(jìn)入成熟期—成熟高峰期,生成的大量氣體在向儲(chǔ)集層排出的過(guò)程中,由于儲(chǔ)集層致密化及上覆巨厚泥巖層的覆蓋,在斷層和裂縫溝通不暢的區(qū)域加強(qiáng)了異常高壓。Hunt也認(rèn)為,世界上大量油氣生成于被流體封存箱封閉的、埋深大于3000m的烴源巖中,干酪根的成分、數(shù)量及埋藏史決定了烴類生成的數(shù)量。③構(gòu)造作用。在構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用下,地層發(fā)生變形、位移等構(gòu)造變動(dòng),區(qū)域性抬升、褶皺、斷裂、刺穿(鹽巖或泥巖、頁(yè)巖)等均可造成異常高壓。這是由于低孔滲地層的水平擠壓應(yīng)力作用抑制孔隙流體流出,使孔隙流體壓力升高,形成異常高壓。川中、川西地區(qū)處于龍門山和龍泉山之間,尤其是在喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中,在川西、川西北地區(qū)特別是龍門山前地區(qū)形成了強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力場(chǎng),這種擠壓作用是促使巖石進(jìn)一步壓實(shí)的動(dòng)力,導(dǎo)致其側(cè)向壓實(shí)。另外不容忽視的是,構(gòu)造應(yīng)力的一部分通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)-流體壓力場(chǎng)的耦合轉(zhuǎn)化為流體壓力,從而造成流體壓力異常,在泥質(zhì)含量比較高的煤系中,這種作用更加明顯。因此,強(qiáng)烈、持續(xù)的近東西向擠壓應(yīng)力的存在對(duì)四川盆地超壓的形成具有一定作用。另外四川盆地晚期抬升后,由于氣藏蓋層條件比較好,原來(lái)形成的高壓體系得以保存,使氣藏壓力仍舊保持在高壓狀態(tài)。而在盆地邊緣及斷裂延伸可達(dá)地表附近的地區(qū),地層高壓會(huì)得到釋放,形成常壓氣藏。6川中、晚侏羅世地層油氣成藏模式及盆地沉積特征既然兩盆地的成藏條件有許多相似之處,兩盆地天然氣藏壓力特征產(chǎn)生如此大的差別則主要與盆地的構(gòu)造演化與成藏過(guò)程有關(guān)。結(jié)合區(qū)域埋藏史(見圖12)和區(qū)域沉積、構(gòu)造特征,建立鄂爾多斯盆地上古生界天然氣成藏模式(見圖13)。鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖首先從盆地南部開始成熟,烴源巖生成的天然氣首先進(jìn)入緊鄰烴源巖的儲(chǔ)集層,并在南部成藏(見圖13a),隨著烴源巖向北的進(jìn)一步成熟,與之相對(duì)應(yīng),烴源巖的生氣作用亦從南向北逐漸推進(jìn);儲(chǔ)集層特征方面,由于儲(chǔ)集層砂體也呈南北向條帶狀分布,儲(chǔ)集層物性由南向北逐漸變好,與烴源巖熱演化方向一致;由于鄂爾多斯盆地上古生界構(gòu)造穩(wěn)定,斷裂不發(fā)育,氣體一般不會(huì)通過(guò)斷層向儲(chǔ)集層以上區(qū)域運(yùn)移。首先成熟的南部烴源巖生成的大量氣體只能在南北向條帶狀砂體中推動(dòng)著水體由南部向北部構(gòu)造高位遷移(見圖13b),由此形成了氣水倒置現(xiàn)象。由于氣體密度小于水的密度,造成了氣藏壓力降低。氣藏開發(fā)上的“甜點(diǎn)”一般為儲(chǔ)集層物性好的區(qū)域,其實(shí)“甜點(diǎn)”周圍的致密區(qū)域也普遍含氣,但在目前的技術(shù)條件下還無(wú)法開發(fā)。圖14是川中廣安地區(qū)的埋藏和沉積熱演化史圖。結(jié)合烴源巖的演化特征,建立四川盆地天然氣成藏模式(見圖15)。晚侏羅世,上三疊統(tǒng)煤系烴源巖首先在川西地區(qū)成熟,由于川西地區(qū)上三疊統(tǒng)斷裂比較發(fā)育,天然氣首先在斷裂附近的圈閉中成藏(見圖15a)。隨著川中地區(qū)烴源巖逐漸成熟,天然氣在川中也開始成藏,同時(shí)來(lái)源于川西地區(qū)的天然氣在運(yùn)移過(guò)程中,也可在孔滲性好的區(qū)域形成巖性氣藏(見圖15b)。由于四川盆地儲(chǔ)集層具有多個(gè)物源,儲(chǔ)集砂體的延展方向和烴源巖的演化方向并不一致,加之?dāng)嗔驯容^發(fā)育,烴源巖生成的氣體先沿未通至地表的斷層向儲(chǔ)集層中運(yùn)移,在斷層附近的圈閉中形成氣藏,而不可能像鄂爾多斯盆地上古生界氣藏那樣,由氣體推動(dòng)著水體由構(gòu)造低位向高位整體運(yùn)移。從沉積埋藏史可以看出鄂爾多斯盆地和四川盆地在后期都經(jīng)歷了抬升剝蝕作用,但從構(gòu)造發(fā)展歷史來(lái)看,兩盆地抬升的方式有所不同,鄂爾多斯盆地后期為整體抬升,在抬升過(guò)程中