地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (2): 215-222
引用本文
胡洪瑾, 蒋有录, 刘景东, 赵凯, 幕小水. 东濮凹陷文留地区煤成气运聚机理及成藏过程[J]. 地质力学学报, 2019, 25(2): 215-222.
HU Hongjin, JIANG Youlu, LIU Jingdong, ZHAO Kai, MU Xiaoshui. DYNAMIC ACCUMULATION PROCESS OF COAL-FORMED GAS IN WENLIU AREA, DONGPU DEPRESSION[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(2): 215-222.
东濮凹陷文留地区煤成气运聚机理及成藏过程
胡洪瑾1 , 蒋有录1 , 刘景东1 , 赵凯1 , 幕小水2     
1. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580;
2. 中石化中原油田分公司勘探开发科学研究院, 河南 濮阳 457001
摘要:文留地区是渤海湾盆地典型的煤成气区之一,随着勘探认识的不断深入,研究区煤成气运聚成藏过程的精细刻画仍需完善。运用流体包裹体技术分析文留地区煤成气成藏时间,基于断层活动特征明确研究区输导体系演化特征,根据断—盖组合关系及烃类流体包裹体丰度(GOI)测试结果分析气藏保存条件,最终明确文留地区煤成气成藏过程。研究表明,文东断层为研究区气源断层,其输导供烃条件可用断层输导效率系数(FTEC)进行量化表征,评价结果表明研究区具有优越的气源供给条件;文留地区煤成气来源于临近的洼陷带,煤成气在东营组沉积时期沿文东断层垂向运移至石炭—二叠系和沙四段储层聚集成藏,东营末构造抬升期气藏受构造运动影响而发生少量天然气散失。
关键词成藏期次    断层输导供烃条件    成藏过程    文留地区    东濮凹陷    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.02.020     文章编号:1006-6616(2019)02-0215-08
DYNAMIC ACCUMULATION PROCESS OF COAL-FORMED GAS IN WENLIU AREA, DONGPU DEPRESSION
HU Hongjin1 , JIANG Youlu1 , LIU Jingdong1 , ZHAO Kai1 , MU Xiaoshui2     
1. School of Geosciences, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580, Shandong, China;
2. Exploration & Development Research Institute, Zhongyuan Oilfield Company, Puyang 457001, Henan, China
Abstract: The Wenliu area is one of the typical coal-formed gas accumulation zones in the Bohai Bay Basin. With the deepening of exploration, the fine characterization of the coal-forming gas accumulation process in this area still needs to be improved. The fluid inclusion technology was used to analyze the coal-formed gas accumulation date in Wenliu area. Based on the analysis of fault activity, the evolution characteristics of the transport system in the study area were determined. The gas-fluid inclusion abundance (GOI) test were used to analyze the gas preservation conditions, and finally the process of coal-formed gas accumulation in Wenliu area was carried out. The results show that the Wendong fault is a gas source fault in the study area, and its hydrocarbon supply conditions can be characterized by the Fault Transport Efficiency Coefficient (FTEC). The study area has superior gas supply conditions; the coal-formed gas in Wenliu area originates from the adjacent deep sag zone, and vertically transports along the Wendong fault to the Carboniferous-Permian and the Es4 sandstone reservoirs in the trap during the sedimentary period of the Dongying Formation. Small amount of the coal-formed gas loss occurred during the tectonic uplifting movements in the late sedimentary period of the Dongying Formation.
Key words: accumulation period    fault transport and gas supply condition    accumulation process    Wenliu area    Dongpu Depression    

东濮凹陷是渤海湾盆地典型的既富油又富气凹陷,天然气资源丰富。目前已发现的煤成气田包括白庙、户部寨、马厂、文留气田等,其中文留气田是凹陷内发现最早、迄今最大的煤成气田[1],其煤成气探明储量占东濮凹陷煤成气总探明储量的60%。文留气田在1974年首次发现盐下沙四段“古生新储”型煤成气田,随后于2005年又再次发现石炭—二叠系“自生自储”型文古2煤成气藏[2]。以往对该气田的研究主要围绕沙四段“古生新储”和石炭—二叠系“自生自储”两类煤成气藏形成过程进行分别论述[1~2],但目前针对于研究区整体的煤成气运、聚成藏过程精细解剖尚不深入。随着文留气田勘探程度及认识的不断加深,亟需对该方面研究进一步完善。此外,作为渤海湾盆地内典型断控型煤成气藏,文留地区煤成气的成藏过程很大程度上代表了整个东濮凹陷甚至整个盆地的煤成气成藏过程。因此,文章在文留地区天然气来源与成藏期次认识的基础上,综合研究输导体系演化特征和天然气保存条件,明确文留地区成藏过程,对研究区煤成气的深化勘探具有重要的理论指导和实际意义。

1 天然气来源与成藏期次 1.1 天然气来源

东濮凹陷位于渤海湾盆地西南部,面积约5300 km2,为典型的新生代继承型凹陷。凹陷内断裂极为发育[3],受断裂构造的控制,凹陷自西向东形成“凹隆相间”的构造格局(图 1)。凹陷内发育有石炭—二叠系海陆过渡相煤系及沙河街组三段和一段湖相泥页岩两套烃源岩,分别为煤成气和油型气的气源岩[4]。研究区位于东濮凹陷中央隆起带文留构造中北部,东西两侧分别为前梨园洼陷和海通集洼陷(图 1),是基岩隆起背景上被断层复杂化的半背斜气田,天然气主要富集于沙四段[1],近年来文古1、文古2[2]等气藏的发现表明石炭—二叠系也有一定的勘探潜力。

图 1 文留地区位置及剖面图 Fig. 1 Location and profile of the Wenliu area

根据天然气组分同位素数据分析(表 1),研究区甲烷含量大于90%,干燥系数高达97%,甲烷碳同位素值为-29.6‰~-28‰,乙烷碳同位素值为-24.9‰~-24.5‰,丙烷碳同位素值为-26.0‰~-25.4‰,为典型的煤成气,来源于研究区石炭—二叠系烃源岩。根据戴金星提出的煤成气δ13C1-Ro关系式[5],得出沙四段天然气成熟度Ro值为2.8%,二叠系石盒子组天然气Ro值为2.2%(表 1),说明二叠系煤成气充注早于沙四段煤成气,或者二叠系煤成气藏存在有早期低成熟气的混合,导致甲烷碳同位素值降低[4]

表 1 文留地区天然气组分、碳同位素数据表[1~2] Table 1 Components and carbon isotope data of natural gas in the Wenliu area
1.2 天然气成藏期次

传统的成藏期分析方法包括烃源岩生排烃期法、圈闭发育史法及油藏饱和压力法等,20世纪90年代以来,流体包裹体法、储层沥青分析、成岩矿物定年等新方法得到了广泛的应用[6~7],特别是流体包裹体法已经成为确定油气成藏期的最常用、最重要的方法之一[8~10]。文章主要采用烃源岩生排烃期法与流体包裹体法相结合的方式,确定油气成藏时间。

1.2.1 烃源岩生排烃期法

利用Petromod2012的1D模块对前梨园—文留地区不同构造带石炭—二叠系烃源岩埋藏—受热史进行分析,结果表明,烃源岩整体经历海西—印支期、燕山期、喜马拉雅期3次受热演化。隆起带及斜坡带烃源岩Ro均未达到2.8%,仅洼陷带烃源岩Ro最高达到3.8%。因为研究区沙四段天然气Ro为2.8%,所以可以推断沙四段天然气主要来源于洼陷带内煤系烃源岩。此外,结合Ro随地质时间演化特征可知,源岩排烃时间(对应天然气Ro达到2.8%时)约为距今31 Ma,对应为东营组沉积初期(图 2)。由于文古2井二叠系内天然气Ro值为2.18%,超过了隆起带现今最高热演化程度(图 2),不具有隆起带下伏烃源岩供烃的特征,所以推测它是由洼陷带或斜坡带供烃所形成。

图 2 东濮凹陷前梨园—文留地区石炭—二叠系埋藏及热演化史 Fig. 2 Burial and thermal evolution history of Permo Carboniferous in Qianliyuan-Wenliu area of the Dongpu Depression
1.2.2 流体包裹体法

选取研究区文109、文22、文古1、文22等4口井共14个包裹体样品,样品主要取自沙四段及石炭—二叠系储层。通过荧光显微观察和岩相学观察分析发现,流体包裹体类型以气烃包裹体和盐水包裹体为主,偶见CO2包裹体;气烃包裹体主要分布于石英早期溶蚀缝和穿石英裂缝中,少量分布于石英加大边中(图 3)。

a—气烃包裹体分布于石英早期溶蚀缝中,文22井,3028.4 m;b—气烃包裹体分布于穿石英裂缝中,文109井,3029.19 m 图 3 文留地区煤成气储层流体包裹体发育特征 Fig. 3 Development characteristics of fluid inclusions in coal-formed gas reservoir in the Wenliu area

在包裹体岩相学特征观察的基础上,进一步利用均一温度结合储层埋藏受热史的方法厘定天然气成藏时间。以文109井沙四段3014.87 m含气砂岩样品为例,赋存于石英早期溶蚀缝及石英加大边中伴生盐水包裹体的均一温度介于150~160 ℃,结合储层埋藏受热史,确定其成藏时间为距今29.5~28 Ma,相当于东营组沉积中后期,对应研究区第一期煤成气充注;穿石英裂缝中包裹体均一温度分布在165~175 ℃范围内,成藏时间为距今27~25.5 Ma,相当于东营构造抬升初期,对应第二期煤成气充注(图 4)。以文古1井上古生界3931.90 m储层砂岩样品为例,其内部气烃包裹体主要分布于石英早期溶蚀缝中,气烃包裹体伴生盐水包裹体均一温度分布在160~180 ℃之间,代表一期充注,结合储层埋藏受热史,确定上古生界储层天然气充注时间为距今30~28 Ma,对应东营组沉积中期。由此可知,研究区上古生界储层天然气充注略早于沙四段。此外,沙四段发生东营组沉积中后期及构造抬升初期两期成藏,推测东营运动时期断裂活动对早期石炭—二叠系内部的煤成气藏存在破坏作用,使其内部煤成气沿断层运移至沙四段,形成沙四段的第二期充注(图 4)。

图 4 流体包裹体均一温度结合储层埋藏史确定成藏时间 Fig. 4 Dating of coal-formed gas accumulation using homogenization temperature combined with geothermal and burial history
2 输导体系及其输导能力

文留地区内部断层发育,煤成气来自洼陷及斜坡区石炭—二叠系烃源岩,源、储分离,形成“下生上储”的成藏组合。断层是沟通“源—储”的重要纽带,是研究区煤成气运聚的主要输导要素,断层的活动与开启是煤成气运、聚的关键[11~13]

文留地区主要发育文西、文东两条边界断层,研究区内部发育有西倾、东倾的两组次级断层,分别为文西、文东断层的派生断层。已有研究结果表明,文西、文东断层在沙三沉积时期开始活动,在沙三沉积末期至沙二沉积期强烈活动,沙一段沉积期活动逐渐减弱,至新近系沉积时期,断层活动逐渐停止[13]。综合分析断层活动时间与煤成气成藏期匹配性发现,研究区主干断层活动时间与煤成气的充注时期相匹配,二者相关性较好。从断层切割层位来看,文东断层沟通了洼陷带石炭—二叠系烃源岩与隆起带石炭—二叠系、沙四段储层,因此是研究区的油源断层,为煤成气的垂向运移提供了通道条件。相关学者基于天然气的C1/C2+iC7/nC7、苯指数、庚指数等地化参数进行的沙四段煤成气运移路径示踪结果同样证实了煤成气沿文东断层垂向运移的推测[1]

断层输导效率除了受断层活动性影响外,还与断—源接触关系有关。文章提出以断层—源岩的接触面积与断—源接触处生气强度来表征断—源接触关系,其对天然气从烃源岩向断层内部充注的效率具有重要影响。接触面积越大,相当于供烃窗口越大,越有利于天然气沿断层运移;烃源岩生气强度越大,天然气运移动力越足,同样也越有利天然气沿断层的输导。因此,文章提出断层输导效率系数FTEC(Fault Transport Efficiency Coefficient)的概念,以定量表征断层输导天然气能力的大小。

$ FTEC = I \times S $ (1)

公式中,I为接触处源岩平均生气强度,×108 m3/km2S为接触面积,km2。断层输导效率系数FTEC越大,说明气源供给条件越好,越有利于煤成气的富集。

选择文23、户部寨、马厂、白庙4个典型煤成气田,分别统计各地区气源断层与源岩接触长度、宽度及接触处生气强度,使用气源断层与源岩平面接触长度和垂向接触宽度的乘积近似表征接触面积,利用公式(1)计算得到各地区相应的烃源岩供烃参数。计算结果表明,文留地区断层输导效率系数为1912.68,明显高于户部寨、白庙、马厂等地区(表 2),说明文留地区气源断层输导能力最强、具有更为优越的气源供给条件。相应地,文留地区煤成气探明储量也高于其它三个地区,反映出文留地区优越的输导供烃条件对气田的大规模天然气富集具有重要控制作用。

表 2 气源断层与源岩静态配置关系数据表 Table 2 Static configuration data of gas source fault and source rocks
3 天然气保存条件

文留地区煤成气主要受沙三下盐岩盖层遮挡成藏,为典型的盐下气藏[14]。对于断陷盆地而言,断层对盖层具有一定的破坏作用。选取“断接厚度”参数[15],对研究区起实际封盖作用的盖层厚度展布特征进行了评价。结果表明,研究区盐岩盖层断接厚度为80~400 m,具有从中间向四周厚度减薄的趋势,边界断层附近的有效盖层厚度相对较薄(图 5)。

图 5 文留地区地层水矿化度与断接厚度叠合图 Fig. 5 The relationship between the reservoir water salinity and the faulted thickness of salt caprock

结合地层水矿化度特征分析发现,在断接厚度低值区地层水矿化度相对较低,据此推测此处可能存在天然气散失(图 5)。根据流体包裹体GOI分析测试,文109井古气柱底界面位于3040 m左右,古水层顶界面大致在3060 m左右;气田开发资料显示,现今气柱底界面位于2997 m,水层顶界面位于3021 m。对比发现,古气水界面比现今气水界面低40 m左右,表明文留地区成藏后煤成气发生了逸散(图 6)。根据以往研究,文22井古气水界面比现今气水界面低10 m左右[1],发现靠近边界断层、断接厚度较小的文109井附近天然气逸散比远离气源断层、断接厚度较大的文22井附近天然气发生逸散的程度更大。因此说明,断接厚度越大,封盖条件越好,越有利于天然气的保存。

图 6 文109井GOI法追溯气水界面变化规律 Fig. 6 Tracing the changes of gas-water interface by GOI method in Wen well 109
4 成藏过程分析

通过对文留地区天然气来源、成藏期次、输导体系、运移路径和保存条件等方面的综合研究,对文留地区煤成气成藏过程进行了恢复。沙一段沉积前,研究区石炭—二叠系煤系烃源岩已经开始生烃,但生成的烃类较少,经运移聚集的油气量较少(图 7a)。沙一段至东营组沉积末期,研究区石炭—二叠系煤系烃源岩生成大量煤成气并排出,文东断层及其派生断层构成气源断层,不断输导煤成气向上运移。在沙三中、下亚段盐岩盖层的遮挡下,煤成气主要向沙四段储层充注。当煤成气运移至沙四段砂体后,受构造高低的影响,整体发生由东向西的运移(图 7b)。

图 7 文留地区煤成气成藏过程(剖面位置见图 1) Fig. 7 Accumulation process of coal-formed gas in the Wenliu area (The section position is shown in figure 1)

东营组剥蚀期,煤系烃源岩热演化受到一定的抑制,但由于温度、压力的降低,煤系烃源岩自身吸附或游离的天然气较多地从烃源岩层系排出,沿断层继续向沙四段砂体中充注,同时由于东营运动,断层强烈活动,沙四段砂体中的煤成气不断散失,且散失量略多于充注量,造成原来气藏的气水界面发生一定上升(图 7c)。

馆陶组沉积时期—现今,煤系烃源岩再次被深埋,煤成气继续生成并排出,但此时气源断层不再活动,煤成气主要在石炭—二叠系内部砂体中发生聚集,沙四段气藏基本稳定(图 7d)。

5 结论

文留地区煤成气来源于临近洼陷带石炭—二叠系烃源岩,主要沿断层垂向输导至沙四段和石炭—二叠系储层成藏,具有“断层输导—纵向分流充注”的成藏特征。断层与源岩的接触面积和接触处源岩生烃强度共同控制断层输导供烃能力,决定了研究区优越的气源供给条件。区内发育盐岩盖层,煤成气运聚过程主要发生于东营组沉积中后期,东营末期构造抬升导致煤成气沿断层发生少量逸散。

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