林玉祥+吳玉琛+趙承錦+朱傳真+李佳??

摘要：依據(jù)沁水盆地現(xiàn)有勘探資料及研究成果，從構造特征、地下水及天然氣分布等方面出發(fā)，綜合分析盆地內(nèi)天然氣封存箱成藏模式。盆地內(nèi)水動力條件復雜，地層水可依次劃分為補水帶、強徑流帶、弱徑流帶、交替阻滯帶及泄水帶5個區(qū)帶。根據(jù)地下水動力條件與地層水礦化度的關系，并結合地層水礦化度的變化趨勢與盆地內(nèi)地層含氣量的展布特征，提出了由煤巖、泥巖等致密巖層組成的頂、底板，形成了在盆地內(nèi)廣泛展布的近同心圓狀的“餅狀”箱體模式。同時，還進一步分析了盆地內(nèi)致密砂巖氣的成藏機理及封閉機理，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)“餅狀”箱體可分為上、下兩層，上層為3#煤層上部山西組致密砂巖段箱體，下層為3#煤層與15#煤層之間的致密砂巖段箱體。上、下封存箱封存機理雖然不同，但自盆地邊緣到盆地內(nèi)部，再到盆地邊緣，“餅狀”箱體穩(wěn)定展布。

關鍵詞：礦化度；封存箱；成藏機理；地層水；水動力條件；“餅狀”箱體；致密砂巖氣；沁水盆地

中圖分類號：P618.130.2文獻標志碼：A

Abstract： Based on the existing exploration data and research findings in Qinshui Basin， the accumulation model of natural gas compartment was set up by comprehensive analysis of structure characteristics， formation water composition and natural gas distribution. The hydrodynamic conditions are very complex， and the formation water can be divided into five zones in turn， including water supply zone， strong runoff zone， weak runoff zone， alternating block zone and discharge zone. According to the relationship between hydrodynamic and salinity of formation water， the change rules of formation water salinity and distribution of formation gas content were studied. Then， it is proposed that the roof and floor combined by tight formations （coal， mudstone， etc.） form the model of widely distributed and nearly concentric “discus” box. Meantime， the accumulation mechanism and sealing mechanism of tight sandstone gas in Qinshui Basin were analyzed. It is found that the “discus” box can be divided into the upper and lower layers. The upper layer is tight sandstone of Shanxi Formation above No.3 coal bed； the lower layer is tight sandstone between No.3 and No.15 coal beds. Although the sealing mechanism of upper and lower layers is different， the distribution of “discus” box is stable from the edge to the interior， then to the edge of Qinshui Basin.

Key words： salinity； compartment； accumulation mechanism； formation water； hydrodynamic condition； “discus” box； tight sandstone gas； Qinshui Basin

0引言

沁水盆地位于山西東南部，具有十分豐富的煤與天然氣資源，是重要的煤層氣富集區(qū)[1]。該盆地總體呈NNE向延伸、中間收縮的橢圓形，主要發(fā)育3#煤層及15#煤層兩套主力煤層，同時也是區(qū)內(nèi)主要的天然氣烴源巖[24]。池衛(wèi)國在天然氣勘探開發(fā)研究過程中發(fā)現(xiàn)該盆地內(nèi)水動力條件復雜[5]。通過分析地層水礦化度與含氣量的變化，結合前人研究成果，梁宏斌等發(fā)現(xiàn)地層水礦化度與含氣量有密切關系，高礦化度地層水與高含氣帶的分布范圍較為一致[610]。因此，認識到地層水礦化度的突變帶是天然氣封存箱側面屏障存在的位置，有助于將封存箱理論由單純的壓力箱體[11]擴展到地層水礦化度箱體（甚至地層水化學成分箱體），這對于常壓盆地封存箱的研究具有重要意義。結合構造條件、氣藏成藏條件及地層水礦化度等因素，本文提出了沁水盆地內(nèi)致密砂巖氣的“餅狀”箱體成藏模式。

1研究區(qū)地質概況

沁水盆地為一向斜構造盆地，古構造上屬于華北地臺中帶，是在燕山期不斷增強的剪切擠壓作用下不斷隆升擴大的殘余型構造盆地[12]。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為山西組和太原組，平均厚度約為150 m，其主力煤層具有厚度大、分布廣、結構簡單、發(fā)育穩(wěn)定的特點，既是天然氣的源巖，又可作為天然氣良好的儲層。沁水盆地周邊分布有太行山、王屋山、中條山及太岳山等山脈，環(huán)繞著出露地表的寒武系、奧陶系高山和高地，西部霍山地區(qū)為區(qū)域性高勢能區(qū)[5]。盆地內(nèi)平原區(qū)較為局限，大部分為上古生界、中生界及新生界構成的低山、丘陵。西部的霍山分水嶺是盆地內(nèi)地下水的主要補給來源，年降雨量為500～650 mm；而位于東北部的太行山西翼和北部高地是盆地內(nèi)局部地區(qū)的地下水補給區(qū)。其次，地表河流尤其是地表切割較深的地區(qū)（如斷裂帶或有陷落柱發(fā)育的地區(qū)）也是地下水的重要補給來源[5]。

地下水排泄區(qū)位于沁水盆地周緣低地勢區(qū)。較大的排泄區(qū)為巖溶泉區(qū)，主要有陽泉地區(qū)娘子關泉域、長治地區(qū)辛安泉域、陽城地區(qū)馬山泉域和太原地區(qū)晉祠泉域等（圖1）。盆地大部分地區(qū)為地下水徑流區(qū)，徑流的強弱主要取決于構造條件以及地層變化狀況。基于構造盆地的特點，地下水流動的驅動力主要為重力，因此，相對較陡的西部單斜地層徑流條件強于向斜軸部平緩區(qū)。

區(qū)內(nèi)水文地質條件可從地表水、煤系基底地下水及煤系地下水等3個方面進行分析。區(qū)內(nèi)地表河流大部分發(fā)育于盆地內(nèi)部，自西向東流出盆地，地表水既是地下水的排泄通道，也是巖溶地下水的補給來源；作為獨立的水文地質單元，區(qū)內(nèi)發(fā)育有6個相對獨立的泉域，不同層位的煤系基底地下水含水層有不同的補、徑、排系統(tǒng)，而同一泉域內(nèi)基底寒武系—奧陶系巖溶含水層則控制著該泉域內(nèi)不同含水層系統(tǒng)；盆地以沁源—古縣一線南部的小型隆起為界，劃分為南、北兩套煤系地下水系統(tǒng)，其中北部地下水流向相對簡單，而南部則比較復雜。

本文主要研究主力煤層（3#、15#煤層）水動力條件及化學特征。最上部的新生界松散孔隙水及上石盒子組砂巖裂隙含水層分別由于新生界底部的黏土層及下石盒子組多層厚層泥巖的阻隔作用，均不會對山西組3#煤層產(chǎn)生影響，因此，影響3#煤層的含水層主要是其上部圍巖中的裂隙含水層，該層徑流條件不強導致3#煤層水特征相對穩(wěn)定。影響15#煤層水的因素主要是其圍巖裂縫中的含水層，其水動力條件也比較穩(wěn)定；但部分地區(qū)奧陶系地層水的水頭標高高于15#煤層的底板標高，除西部外，這種逆向關系越向盆地中部越明顯，只是被15#煤層之下的地層阻隔，但不排除部分地區(qū)下部奧灰水會突入到15#煤層中，從而對煤層水產(chǎn)生影響。

2封存箱特征

判斷封存箱是否存在，可以從以下幾點進行分析：①是否存在封隔體；②箱體內(nèi)是否有天然氣成藏；③封存箱的封隔機理是否存在。本文提出沁水盆地有封存箱存在正是基于以上幾點，并從地層水化學條件、含氣飽和度變化、測井數(shù)據(jù)及理論研究等方面綜合分析，探討了沁水盆地封存箱封隔機制以及氣藏形成機理。

2.1砂巖氣藏

沁水盆地已發(fā)現(xiàn)的天然氣主要分布在3#煤層之上山西組砂巖以及3#煤層與15#煤層之間的砂巖。由測井分析可以看出，3#煤層上部以及3#煤層與15#煤層之間的砂巖均含氣，結合上、下地層巖性，推測該部位存在氣藏成藏的封存箱（圖2）。

2.2封隔體

封隔體是封存箱存在的關鍵因素。正是由于封隔體的阻隔作用，才使得天然氣可以在封存箱箱體中聚集成藏而不會向外逸散。對于封隔體（即封存箱的頂、底板和邊板），周興熙等主要通過分析地層壓力異常、巖性封閉性及測井響應異常等來確定封隔體及其所處位置[1315]。這主要是針對存在異常壓力地區(qū)采取的方法，而沁水盆地在漫長的地質歷史時期經(jīng)受了長期的抬升剝蝕作用，盆地內(nèi)并不存在異常高壓，因此，關于異常高壓地區(qū)封隔體的確定方法在本區(qū)并不適用。

針對沁水盆地封隔體，本文以其構造演化、巖性保存條件及水動力條件為基礎，主要從地層水礦化度及巖性分析等角度綜合研究。

對沁水盆地地下水水文地質條件分析可知，太原組、山西組地層受上覆地層水影響作用較小，水動力條件及水化學成分穩(wěn)定。根據(jù)含水層之間的水力聯(lián)系，地層水礦化度自上而下分為明顯的3層（表1），經(jīng)歷了低礦化度到高礦化度，再到低礦化度的變化；在此過程中，到山西組3#煤層和太原組15#煤層時，礦化度達到峰值。地層水礦化度越高，說明地下水運動停滯，天然氣溶解度減小，氣藏保存條件較好。

3#煤層水與15#煤層水為承壓水，對天然氣的運移起到了封堵作用。沁水盆地煤系地層石炭系—二疊系為一套獨立的承壓系統(tǒng)，系統(tǒng)上部二疊系發(fā)育的泥巖層段封隔了地層水向下的網(wǎng)絡狀滲濾，系統(tǒng)下部本溪組穩(wěn)定發(fā)育的泥巖、鋁土質泥巖分隔了煤系地層與奧陶系風化殼地層水的溝通[16]。地層水礦化度分析說明煤系地層水為一獨立系統(tǒng)，除部分地區(qū)被斷層或陷落柱切穿，導致煤系地層水與上部地下水發(fā)生水力聯(lián)系，其余煤系地層水礦化度高于淺層地表水（300～700 mg·L-1）和深部奧陶系地層水（表1）。煤系地層含水層砂巖致密、灰?guī)r裂縫不太發(fā)育導致含水層含水性、滲透性及可流動性都很弱，為弱徑流交替阻滯區(qū)。沁河兩岸的鉆孔在煤田勘探過程中曾多次發(fā)生涌水現(xiàn)象。上述現(xiàn)象都表明本區(qū)為承壓水封堵型煤層氣藏，有利于煤層氣的保存[17]。

由地層含氣飽和度變化分析可知，上、下主力煤層部位含氣飽和度較高，氣藏含量較大，對其上、下地層中天然氣箱外運移起到了良好的阻隔作用。因此，上、下主力煤層（即3#煤層與15#煤層）可作為良好的封隔體，其間砂巖中的天然氣在向外運移過程中受地層水阻隔及煤巖含氣層的抑制作用，從而在砂巖中聚集成藏。而山西組之上，下石盒子組地層因發(fā)育多套較厚泥巖，成為較好的蓋層，對其下部3#煤層頂部山西組砂巖中天然氣的向上逸散起到極好的阻隔作用。沁水盆地內(nèi)廣泛分布的斷層封閉段（如寺頭斷層等）對砂巖中天然氣運移也起到一定的阻隔作用。

因此，上、下主力煤層及下石盒子組泥巖段均可作為沁水盆地內(nèi)封存箱的封隔體。

2.3箱體成藏機理

由于受沁水盆地整體構造形態(tài)的影響，根據(jù)區(qū)域水動力條件，從盆地邊緣到盆地內(nèi)可將其依次分為補水帶、強徑流帶、弱徑流帶、交替阻滯帶和泄水帶[18]。不同水動力帶指示的構造部位不同，對氣藏的控制作用也不盡相同。由于受地下水活動影響，不同水動力帶地下水化學場變化明顯，由強徑流帶向泄水帶，地層水礦化度經(jīng)歷了低→高→低的變化過程，而地層水礦化度的高低與氣藏的保存條件密切相關，高礦化度中心與高含氣帶中心保持一致[19]，所以可從礦化度的變化來推測地層內(nèi)氣藏富集的變化。

沁水盆地內(nèi)地層水礦化度分析表明（圖3），盆地內(nèi)地層水礦化度變化明顯，由盆地邊緣到盆地內(nèi)部，補水帶、強徑流帶、弱徑流帶、交替阻滯帶及泄水帶等從宏觀上指示出了地層水礦化度的變化過程，由地層水礦化度高低劃分出的不同區(qū)帶呈同心圓狀分布，即“餅狀”形態(tài)。高的部位（如盆地內(nèi)部的QC1井）礦化度高達14 387 mg·L-1，低的部位（如盆地邊緣）礦化度每升只有幾百甚至幾十毫克。與盆地內(nèi)3#煤層與15#煤層含氣量（圖4）相比，盆地內(nèi)高礦化度中心與高含氣帶中心有保持一致的趨勢[7]，因此，筆者提出了按地層水礦化度高低呈同心圓狀的游離氣“餅狀”箱體成藏模式。

3箱體成藏模式

3.1天然氣藏類型

沁水盆地煤巖生氣量大，在煤層頂、底板以及區(qū)域性的3#煤層和15#煤層之間的其他類型儲層中普遍存在天然氣，同時煤巖裂縫中的游離氣與其頂、底板巖石中游離氣有明顯的氣體交換現(xiàn)象，煤巖中的吸附氣與其他類型儲層中的游離氣之間存在明顯的動態(tài)平衡關系。

沁水盆地內(nèi)的天然氣主要分為3種類型：吸附氣、游離氣和溶解氣。吸附氣主要呈吸附態(tài)吸附于煤巖表面，游離氣以游離態(tài)存在于砂巖儲層、灰?guī)r儲層及煤巖儲層中，溶解氣則是溶解于地層水中的天然氣。3種狀態(tài)的天然氣關系密切，特別是游離氣與吸附氣，二者具有同源共生的特點，一定溫壓條件下二者可以相互轉化，處于一個動態(tài)平衡系統(tǒng)之中。吸附氣主要存在于上、下主力煤層中，游離氣一般發(fā)育在上、下主力煤層頂、底圍巖及二者之間的儲層巖石中[4]。本文主要研究賦存于砂巖中的游離氣，即3#煤層上部以及3#煤層與15#煤層之間的砂巖游離氣藏。

3.2砂巖游離氣成藏模式

本文所研究的砂巖段主要是指沁水盆地內(nèi)3#煤層之上山西組砂巖以及3#煤層與15#煤層之間的砂巖段。煤巖、泥巖中產(chǎn)生的天然氣經(jīng)過運移在砂巖中聚集成藏。

在盆地內(nèi)部褶皺斷裂未破壞地層，地層水礦化度較高的部位（如弱徑流帶及交替阻滯帶）煤層吸附氣與砂巖游離氣達到動態(tài)平衡階段，即地下水活動性較弱，溶解氣由于地下水礦化度較高而含量較少，構造穩(wěn)定；在天然氣聚集的山西組砂巖段，頂部受下石盒子組砂泥巖封蓋作用，底部與3#煤層接觸的部位由于煤層中含氣飽和度較高，氣藏含量較高而起到封閉作用；由于上、下主力煤層氣藏含量較高，3#煤層與15#煤層之間的致密砂巖段同時有數(shù)層灰?guī)r的阻隔而封閉成藏。在盆地邊緣，地層水礦化度較低以及地下水活動性較強的部位（如補水帶、強徑流帶及泄水帶）通常受斷裂褶皺影響，地層落差大或與地表相通，導致地下水及氣藏活動性較強，不利于氣藏保存。

因此，沁水盆地致密砂巖氣的“餅狀”箱體可分為上、下兩層箱體（圖5）：一是山西組砂巖段的箱體，以3#煤層為底板，下石盒子組泥巖為頂板，縱向上穩(wěn)定展布；二是3#煤層與15#煤層之間砂巖段的箱體，以3#煤層為頂板，15#煤層為底板。上述兩層箱體的封隔機理不同，自盆地邊緣到盆地內(nèi)部，再到盆地邊緣，“餅狀”箱體穩(wěn)定展布（圖6）。從強交替區(qū)→弱交替區(qū)→強交替區(qū)，地層水礦化度變化呈低→高→低趨勢，箱體內(nèi)致密砂巖氣資源量同地層水礦化度變化趨勢一致。

4“餅狀”箱體特征及實例

根據(jù)地層水礦化度高低所劃分的“餅狀”箱體有很明顯的特征：橫向上，自沁水盆地邊緣至盆地內(nèi)部，呈同心圓狀的水動力帶與地層水礦化度變化趨勢基本一致；由地層水礦化度變化所圈限出的“餅狀”箱體在盆地大范圍內(nèi)存在大的“餅狀”箱體，在小范圍內(nèi)則存在很多小規(guī)模的“餅狀”箱體；盆地內(nèi)致密砂巖氣成藏呈同心圓狀的“餅狀”箱體可分為上、下兩層，上、下箱體封存機理不同。

以沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊為例，由地層水礦化度等值線（圖7）可以看出：寺頭斷層及其附近的一系列小斷層地下水活動性較強，所處的部位正是東、西兩個“餅狀”箱體邊緣相接的部位，為低礦化度中心，其中ZS49井實測含氣量為1564 m3·t-1，ZS32井實測含氣量為1174 m3·t-1；而左、右“餅狀”箱體中礦化度較高部位的ZS58井實測含氣量為3004 m3·t-1，JS3井實測含氣量為2548 m3·t-1。

5結語

（1）提出了由地層水礦化度高低所圈限出的呈同心圓狀的“餅狀”箱體成藏模式。由沁水盆地邊緣到盆地內(nèi)部，根據(jù)地下水動力條件，地層水分為補水帶、強徑流帶、弱徑流帶、交替阻滯帶及泄水帶5個區(qū)帶，呈同心圓狀展布在盆地內(nèi)，同時也指示了地層水礦化度的整體變化趨勢。地層水礦化度的高低可指示地層內(nèi)含氣量的多少，高礦化度中心與高含氣帶區(qū)域基本一致，由地層水礦化度高低所劃分的區(qū)帶即為呈同心圓狀的“餅狀”箱體。

（2）綜合測井曲線，地層巖性及上、下主力煤層地層水礦化度特征，提出沁水盆地內(nèi)存在上、下相連的兩套封存箱系統(tǒng)：上部以下石盒子組泥巖為頂板，3#煤層為底板，中間致密砂巖為箱體的封存箱；下部以3#煤層為頂板，15#煤層為底板，其間致密砂巖為箱體的封存箱。3#煤層既是上面封存箱的底板，也是下面封存箱的頂板。

（3）沁水盆地內(nèi)致密砂巖氣的“餅狀”箱體可分為上、下兩個箱體。兩個箱體封隔機理不同：上部封存箱頂板為巖性封閉，底板是由3#煤層內(nèi)較高的天然氣含量及其內(nèi)地層水的阻隔綜合作用起封閉作用；而下部封存箱的頂、底板分別為3#煤層和15#煤層，它們對中間致密砂巖中天然氣的封隔作用與上部封存箱底板（3#煤層）封存機理相同。

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收稿日期：20160711

基金項目：國家自然科學基金項目（41172108）；國家科技重大專項項目（2016ZX05041005，2016ZX05001003）

作者簡介：林玉祥（1963），男，山東臨清人，教授，博士研究生導師，工學博士，Email：sdkdlyx@126.com。