水城—納雍地區(qū)構(gòu)造控制下的煤層氣成藏特征

水城—納雍地區(qū)構(gòu)造控制下的煤層氣成藏特征

竇新釗，俞顯忠，胡廣青，趙志義，易小會，朱建剛

(安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，安徽合肥 230088)

摘要：貴州省煤層氣資源豐富，水城—納雍地區(qū)是研究煤層氣成藏特征的有利區(qū)域。本文在系統(tǒng)分析煤層氣成藏地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)造埋藏史和生烴演化史數(shù)值模擬研究，探討水城—納雍地區(qū)煤層氣成藏特征及構(gòu)造對成藏的控制作用。結(jié)果表明，在煤田勘探資料約束下，數(shù)值模擬結(jié)果可信，過程合理，較好地反映了水城—納雍地區(qū)上二疊統(tǒng)煤層的構(gòu)造埋藏史和生烴演化史。在構(gòu)造作用控制下，水城—納雍地區(qū)具有如下煤層氣成藏特征：向斜控氣；中新生代構(gòu)造抬升劇烈，氣藏埋深??；多期生烴作用，煤層氣含量高；成藏過程復(fù)雜且分異明顯。

關(guān)鍵詞：水城—納雍地區(qū)；煤層氣；成藏特征；構(gòu)造控制；數(shù)值模擬

中圖分類號：P618.11

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)

作者簡介：第一竇新釗(1985年生)，男，博士，工程師,2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，現(xiàn)從事構(gòu)造地質(zhì)及非常規(guī)天然氣地質(zhì)研究工作。郵箱：douxinzhao@163.com。

Characteristics of CBM Reservoir Formation under Tectonic

Control in Shuicheng-Nayong Area

Dou Xinzhao, Yu Xianzhong, Hu Guangqing, Zhao Zhiyi, Yi Xiaohui, Zhu Jiangang

(ExplorationandResearchInstitute,AnhuiBureauofCoalGeologicalExploration,Hefei,Anhui230088,China)

Abstract:There are rich coalbed methane (CBM) resources in Guizhou Province, and Shuicheng-Nayong area is favorable for study on CBM reservoir forming characteristics. So, based on the system analysis of geologic setting of CBM reservoir forming, combined with the modeling study of tectonic burial history and mature evolution history, the reservoir forming characteristics of CBM and its tectonic control of reservoir forming in Shuicheng-Nayong area were discussed. The research showed that the results of numerical simulation were reliable, and process was rational under the constraints of coal, exploration data, tectonic burial history and mature evolution history of upper Permian coal seams in Shuicheng-Nayong area were reflected well. CBM reservoir formation under tectonic control in Shuicheng-Nayong area has the following features: it is characterized by syncline-controlled gas; the scope of tectonic uplift is large in Mesozoic-Cenozoic, and the depth of CBM reservoir is small; CBM content is high for multiple phases of hydrocarbon generation; the process of CBM reservoir formation is complex and fractionation in different zone is clear.

Key words: Shuicheng-Nayong area; CBM; reservoir forming characteristics; tectonic control; numerical simulation

構(gòu)造演化在煤層氣成藏過程中具有根本性的控制作用[1-3]，在構(gòu)造作用下，煤系地層遭受沉降埋藏和抬升剝蝕，從而控制著煤的受熱—成熟—生烴—散失整個過程[4,5]。貴州省煤層氣資源豐富，主要賦存于上二疊統(tǒng)煤系，但處于特提斯構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域的結(jié)合部位，構(gòu)造演化過程極為復(fù)雜[6,7]，嚴(yán)重制約了煤層氣的勘探開發(fā)進(jìn)程。貴州省中西部的水城—納雍地區(qū)構(gòu)造變形強(qiáng)烈，煤層含氣量高，是研究煤層氣成藏過程和差異性的有利區(qū)域。因此，本文在構(gòu)造埋藏史和生烴演化史數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，探討水城—納雍地區(qū)煤層氣成藏特征及其構(gòu)造控制作用。

1 地質(zhì)概況

水城—納雍地區(qū)出露的地層主要有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系及中—上侏羅統(tǒng)，新生界零星分布，以二疊系和三疊系分布最廣。以北西向構(gòu)造為主，包括威水背斜、格目底向斜、墮卻背斜、比德向斜和蟠龍向斜及一些走向沖斷裂，同時有一些近等軸狀向斜，如大河邊向斜、白泥菁向斜及水公河向斜等(圖1)。上二疊統(tǒng)煤層主要賦存于向斜內(nèi)部，含煤共8～84層，煤層總厚度一般為5～40m，可采煤層有1～24層，可采厚度為2～25m，主要可采煤層埋深一般小于1500m，在向斜核部超過2000m?，F(xiàn)今煤層氣含量很高，向斜核部一般為30～40m3/t，翼部煤層埋藏淺，含氣量一般為10～15m3/t(圖1)。

水城—納雍地區(qū)構(gòu)造演化對二疊系煤系地層現(xiàn)今賦存狀態(tài)起到重要的控制作用，海西期的構(gòu)造沉降造成了晚二疊世大規(guī)模的聚煤作用，成煤期后的印支、燕山和喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動相互疊加改造，控制著水城—納雍地區(qū)煤層氣的生成、運(yùn)移、聚集、散失和保存的整個過程。

圖1　水城—納雍地區(qū)上二疊統(tǒng)分布范圍及含氣量等值線圖 Fig.1　Distribution and contours of gas content in upper Permian of Shuicheng-Nayong area

2 數(shù)值模擬方法及結(jié)果

為了更好地說明煤層氣的演化歷史，本文選取格目底向斜南翼、大河邊向斜南部和水公河向斜東翼3個構(gòu)造帶，采用BasinMod-1D盆地模擬軟件對水城—納雍地區(qū)上二疊統(tǒng)煤儲層埋藏史和成熟度演化史進(jìn)行恢復(fù)，具體方法及結(jié)果如下。

2.1 模擬方法

水城—納雍地區(qū)地層分層厚度和剝蝕量數(shù)據(jù)借鑒前人研究成果[9-13]。古地溫方面，燕山中期受構(gòu)造—熱事件影響，古地溫梯度急劇增高，其他時間古地溫梯度正常[8，14]。本次研究采用龍?zhí)督M煤系包裹體測溫?cái)?shù)據(jù)推算燕山中期古地溫梯度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，上二疊統(tǒng)煤層在采用最大埋深計(jì)算的情況下，燕山中期古地溫梯度為4～5℃/100m(表1)，考慮到燕山中期的構(gòu)造抬升，實(shí)際埋深普遍小于最大埋深，可以估算古地溫梯度可能會達(dá)到5.5℃/100m左右。在模擬過程中，古地溫梯度可采用表2中數(shù)據(jù)，有機(jī)質(zhì)成熟度計(jì)算采用美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)開發(fā)的EASY%Ro動力學(xué)模型。為了保證模擬重建的煤層埋藏—熱演化史盡可能地符合實(shí)際地質(zhì)過程，還要把模擬結(jié)果與煤田勘探資料進(jìn)行對比分析。

表1　龍?zhí)督M煤系包裹體測溫及燕山中期古地溫梯度估算表

表2　BasinMod-1D中古地溫梯度設(shè)置情況一覽表

2.2 模擬結(jié)果

大河邊向斜南部上二疊統(tǒng)煤層共經(jīng)歷了兩期沉降埋藏、兩期抬升剝蝕和兩期生烴作用(圖2a)。結(jié)合煤田勘探資料分析，大河邊向斜南部上二疊統(tǒng)煤的鏡質(zhì)組反射率Ro一般為0.65%～0.75%，與模擬結(jié)果基本一致。

圖2　水城—納雍地區(qū)上二疊統(tǒng)煤層埋藏史及成熟度演化史圖 Fig.2　Coal seam burial history and maturity evolution history of upper Permian in Shuicheng-Nayong area

格目底向斜南翼上二疊統(tǒng)煤層共經(jīng)歷了兩期沉降埋藏、兩期抬升剝蝕和三期生烴作用(圖2b)。結(jié)合煤田勘探資料分析，該區(qū)檢材溝煤礦(Ro為1.42%)、潘家寨煤礦(Ro為1.49%)和格目底煤礦(Ro為1.70%，1.76%)上二疊統(tǒng)煤層的變質(zhì)程度與模擬結(jié)果基本一致。

水公河向斜東翼共經(jīng)歷了兩期沉降埋藏、兩期抬升剝蝕和三期生烴作用(圖2c)。結(jié)合煤田勘探資料分析，該區(qū)金發(fā)煤礦上二疊統(tǒng)煤層的Ro達(dá)到了3.41%，符合本次模擬成果。

3 上二疊統(tǒng)煤層構(gòu)造埋藏史與生烴演化史

在上述盆地模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景分析，本文對水城—納雍地區(qū)格目底向斜南翼、大河邊向斜南部和水公河向斜東翼3個構(gòu)造部位的構(gòu)造埋藏史和生烴演化史作系統(tǒng)闡述。

3.1 大河邊向斜南部

大河邊向斜南部晚二疊世成煤期后共經(jīng)歷了兩期沉降埋藏、兩期抬升剝蝕和兩期生烴作用(圖2a)。第一期沉降埋藏發(fā)生在早—中三疊世(T1-2)，中—下三疊統(tǒng)厚約3300m；第一期生烴作用同樣發(fā)生在T1-2期間，T2末最大古地溫約為100℃，Ro值達(dá)到0.6%～0.65%，對應(yīng)長煙煤階段，原生生物成因氣大量生成，同時初步產(chǎn)生熱成因氣；第一期抬升剝蝕發(fā)生在晚三疊世(T3)，抬升幅度較小，估計(jì)約300m，致使第一期生烴作用終止；第二期沉降埋藏發(fā)生在早—中侏羅世(J1-2)，上二疊統(tǒng)煤層上覆地層厚度接近3800m，超過了印支期最大埋深，從而產(chǎn)生了第二期生烴作用； J2末上二疊統(tǒng)最大古地溫達(dá)到110℃左右，Ro值為0.65%～0.75%，對應(yīng)氣煤早期階段，開始生成大量濕氣；第二期抬升剝蝕開始于晚侏羅世(J3)，持續(xù)至今，燕山中期抬升幅度達(dá)到2300m以上，燕山晚期和喜馬拉雅期又抬升了500～600m。

3.2 格目底向斜南翼

格目底向斜南翼上二疊統(tǒng)煤層共經(jīng)歷了兩期沉降埋藏、兩期抬升剝蝕和三期生烴作用(圖2b)第一期沉降埋藏發(fā)生在T1-2期間，中—下三疊統(tǒng)厚約3200m； T2末上二疊統(tǒng)最大古地溫約100℃，Ro值達(dá)到0.6%左右，對應(yīng)長煙煤階段，發(fā)生了第一期生烴作用，以原生生物成因氣為主，熱成因氣開始生成；第一期抬升剝蝕發(fā)生在T3期間，剝蝕厚度約400m，第一期生烴作用終止；第二期沉降埋藏發(fā)生在J1-2期間，上二疊統(tǒng)煤層上覆地層厚度接近3800m，超過了印支期最大埋深；J2末上二疊統(tǒng)最大古地溫達(dá)到110℃左右，Ro值為0.65%～0.75%，對應(yīng)氣煤早期階段，第二期生烴作用發(fā)生，開始生成大量濕氣；第二期抬升剝蝕開始于J3，持續(xù)至今，該區(qū)燕山中期抬升幅度估計(jì)為1000m，燕山晚期和喜馬拉雅期又抬升了2000m左右；第三期生烴作用發(fā)生在燕山中期，構(gòu)造—熱事件使得上二疊統(tǒng)古地溫一度達(dá)到160℃左右，Ro演化至1.4%～1.8%，對應(yīng)焦煤晚期和瘦煤早期階段，生成大量的熱成因甲烷。由于喜馬拉雅期抬升幅度巨大，該區(qū)上二疊統(tǒng)主采煤層現(xiàn)今埋深一般小于1000m，煤層氣大量散失。

3.3 水公河向斜東翼

水公河向斜東翼上二疊統(tǒng)煤層共經(jīng)歷了兩期沉降埋藏、兩期抬升剝蝕和三期生烴作用(圖2c)。第一期沉降埋藏發(fā)生在T1-2期間，中—下三疊統(tǒng)厚約5200m； T2末上二疊統(tǒng)最大古地溫為140～150℃，Ro演化至1.0%～1.2%，對應(yīng)肥煤階段，開始第一期生烴作用，以原生生物成因氣為主，開始生成熱成因氣；第一期抬升剝蝕發(fā)生在T3期間，抬升幅度估計(jì)在500m左右，導(dǎo)致第一期生烴作用終止；第二期沉降埋藏發(fā)生在J1-2期間，上二疊統(tǒng)煤層上覆地層厚度最大超過6500m，大于印支期最大埋深； J2末上二疊統(tǒng)最大古地溫達(dá)到160℃左右，Ro為1.2%～1.5%，對應(yīng)焦煤階段，發(fā)生第二期生烴作用，大量的熱成因甲烷開始聚集；第二期抬升剝蝕開始于J3，持續(xù)至今，該區(qū)燕山中期抬升幅度估計(jì)約為1500m，燕山晚期和喜馬拉雅期又抬升了3000m以上；第三期生烴作用發(fā)生在燕山中期，構(gòu)造—熱事件作用下，上二疊統(tǒng)古地溫快速升高至220℃左右，Ro值達(dá)到2.6%～3.5%，處于無煙煤階段，大量的熱成因氣快速生成并聚集(圖2c)。該區(qū)喜馬拉雅期隆升幅度巨大，上二疊統(tǒng)主采煤層現(xiàn)今埋深一般小于1000m，煤層氣大量散失。

4 構(gòu)造控制下的煤層氣成藏特征

在上述分析的基礎(chǔ)上，將水城—納雍地區(qū)構(gòu)造控制下的煤層氣成藏特征總結(jié)如下：

(1)具有向斜控氣特征。經(jīng)過燕山運(yùn)動的強(qiáng)烈褶皺作用和喜馬拉雅運(yùn)動的間歇性抬升作用，研究區(qū)背斜部位上二疊統(tǒng)煤層大多被剝蝕，向斜內(nèi)部構(gòu)造簡單，賦煤面積大，煤儲層穩(wěn)定，煤層氣得到了很好的保存。

(2)中新生代構(gòu)造抬升幅度大，氣藏埋深小。水城—納雍地區(qū)成煤期后，經(jīng)歷了印支早中期和燕山早期兩次沉降埋藏，局部最大埋藏深度可達(dá)5000m以上。經(jīng)過燕山中期和喜馬拉雅期隆升后，主采煤層現(xiàn)今埋深一般小于1300m，在向斜核部大于2000m。

(3)多期生烴作用，含氣量高。水城—納雍地區(qū)上二疊統(tǒng)煤層經(jīng)歷兩期或三期生烴作用，煤層生氣量巨大，向斜核部可達(dá)到30～40m3/t，翼部一般為10～15m3/t。

(4)成藏過程復(fù)雜且分異明顯。水城—納雍地區(qū)晚二疊世成煤期后經(jīng)歷了兩期沉降埋藏、兩期抬升剝蝕和多期生烴演化，致使煤層氣的成藏過程異常復(fù)雜，而且由于燕山中期劇烈的構(gòu)造運(yùn)動，不同地區(qū)成藏過程差異性明顯。

5 結(jié)束語

(1)通過煤田勘探資料約束和驗(yàn)證，本文數(shù)值模擬結(jié)果可信，過程合理，較好地反映了水城—納雍地區(qū)上二疊統(tǒng)煤層的構(gòu)造埋藏史和生烴演化史。

(2)在上二疊統(tǒng)煤層的構(gòu)造埋藏史和生烴演化史模擬研究的基礎(chǔ)上，本文系統(tǒng)地揭示了水城—納雍地區(qū)構(gòu)造控制下的煤層氣成藏特征，為貴州省煤層氣勘探開發(fā)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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