石灰溝地區上石炭統煤系氣源巖生氣潛力分析

徐江濤，李 靖，侯文剛，孫新銘，何乃祥

（1．中國石油新疆油田分公司開發公司，新疆克拉瑪依 834000；2．長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；3．山西能源學院，山西晉中 030600；4．克拉瑪依職業技術學院，新疆克拉瑪依 834000）

青海省柴達木盆地作為重要的鹽湖和石油聚集盆地，盆地內部已經開展了眾多的研究工作[1-5]。西北地區石炭系地層主要從常規油氣烴源巖的角度進行研究，以油氣評價作為該地層段的研究重點。通過重磁電震資料重新處理與解釋，初步明確盆地中新生界至下石炭系廣泛發育，石炭系分布范圍達10.00×104km2，厚度大于1000.00 m的范圍達5.71×104km2。結合野外調查、巖心觀察和烴源巖地球化學分析等手段，證實柴達木盆地石炭系發育良好，具有很好的生烴能力[6]。隨著凍土區天然氣水合物的發現以及頁巖氣勘探研究的深入，針對西北地區主要產煤層位侏羅系含煤巖系地層的非常規氣開展了大量的研究工作[7-11]，而針對西北地區含煤性較差的石炭系開展的非常規氣研究目前相對較少。本文對石炭系含煤巖系地層非常規氣開展研究，對于拓展柴達木盆地乃至整個西北地區的能源類型，具有一定的科學意義和實用價值。

1 區域地質背景

石灰溝位于青海省柴達木盆地東北邊緣的海西州大柴旦行政區以東（圖1），礦區交通便利，海拔3350.00～4050.00 m，常年多風，屬干旱盆地氣候；西部地勢平坦開闊，東部為侵蝕低山區，起伏較大。

圖1 石灰溝研究區區域構造位置

石灰溝地區及周緣地區出露地層由老至新依次為：震旦系達肯大坂群（Z1dk）、奧陶系大頭羊組（O1h）、下石炭統懷頭他拉組（C1h）、上石炭統克魯克組（C2k）、上石炭統扎布薩尕秀組（C2z）及第四系（Q）。礦區南部地層均向北傾，傾角集中在40°～70°，礦區北部地層產狀極不穩定。 區域內共經歷了印支、燕山、喜山三期構造作用，區內應力形成由北向南的擠壓作用，形成近東西向逆沖斷層為主的構造形態，并伴生一系列淺層褶曲。構造作用對地層有重要的控制作用，導致礦區北部的煤層遭到較為嚴重的破壞[12-13]。

2 含煤巖系地層發育特征

2.1 含煤巖系地層沉積演化

克魯克組按照巖性組合特征至下而上可以分為克1、克2、克3、克4段（圖2），巖性發育特征具有以下特點（表1）：克1段巖性以細-較細的碎屑巖巖性為主，主要為泥頁巖，最粗為細粉砂巖，夾煤線，整體反映出潮坪瀉湖相沉積環境；克2段的典型巖性特征為泥巖-砂巖-泥巖-灰巖的旋回，具有典型陸表海沉積特征，從克1段向克2段總體顯示為海平面有所上升并頻繁變化，另外本段受到陸源碎屑的影響有增加趨勢，碎屑巖粒度顯著增加；克3段陸源碎屑影響程度達到最大，巖性以中細砂巖為主，最粗達到礫巖，夾泥巖、灰巖；克4段與克2段有相似的沉積模式，但是水體深度較克2段淺，灰巖厚度占比略有增高。

表1 鉆孔分段巖性特征

2.2 含煤巖系地層分布特征

上石炭統克魯克組屬于海陸交互相含煤建造，主要分布于石灰溝地區的中部地區，與下伏的下石炭統懷頭他拉組整合接觸?？唆斂私M地層頂界埋深0～300.00 m，底界埋深 500.00～900.00 m，地層視厚度在CY井處超過1000.00 m，地層真厚度在礦區西南部ZK1-1位置達到了最大（圖2）。

圖2 克魯克組地層真厚度等值線與CY井綜合柱狀圖

3 煤系氣烴源巖的分布特征

石灰溝地區的克魯克組地層中煤層、暗色泥頁巖、灰巖這三種巖性均有發育，均可作為有效烴源巖層。煤層主要發育在克1段和克2段，克2段煤層分布更普遍?？?段有三個鉆孔有煤層顯示，平均厚度為2.30 m；克4段有5個鉆孔有煤層顯示，平均厚度0.97 m。煤層在礦區內發育厚度較小，對整個地區煤系氣的生烴貢獻有限。泥巖包括暗色泥巖、炭質泥巖、灰黑色粉砂質泥巖等。泥質烴源巖在研究區中心位置的CY井處厚度最大（圖3），向四周遞減，克魯克組各個層段中泥巖均有發育，除克3段外，其余各段中泥頁巖累計厚度平均值均達到100.00 m，泥頁巖最大單層厚度為40.70 m。演化過程中泥地比呈現變小趨勢，克1段泥巖發育最好。

圖3 石灰溝地區克魯克組泥巖累計厚度分布

灰巖烴源巖厚度累計等值線圖顯示灰巖厚度最大的地區分布于東西兩側，向中間遞減（圖4），克2段和克4段的灰巖最為發育，灰巖最大單層厚度為33.73 m，普遍發育厚度為10.00～20.00 m。

圖4 石灰溝地區克魯克組灰巖累計厚度分布

4 烴源巖地球化學特征

有機地球化學理論在勘探實踐中得到了越來越廣泛的應用，評價烴源巖的有機地球化學特征包括研究沉積巖中的有機質豐度、有機質類型和有機質的演化程度，這三者之間相互關系共同決定著烴源巖的生烴潛力。

4.1 有機質豐度

利用總有機碳（TOC）和生烴潛率對有機質豐度進行判斷，克魯克組的泥巖樣品按照含煤地層泥巖和碳質泥巖有機碳含量評價標準進行判別，結果表明，中等類型最多，克2段到克4段樣品無明顯差異?；規r樣品利用TOC參數判定，結果表明，克4段、克2段較克3段烴源巖質量偏好，以好-較好類型為主（表2）。

表2 研究區煤系烴源巖有機質豐度

4.2 有機質類型

利用最高熱解峰溫（Tmax）與氫指數（IH）關系圖判定泥巖和灰巖的干酪根類型，總體反映了混合類型干酪根的源巖特點?？唆斂私M泥巖樣品以Ⅱ型干酪根為主，部分樣品為Ⅲ型干酪根，克2段泥巖樣品存在Ⅱ型和Ⅲ型兩種干酪根類型，克 3和克 4段泥巖樣品均為Ⅱ型干酪根?；規r樣品均為Ⅱ型干酪根（圖5、圖6）。

圖5 泥巖干酪根類型

圖6 灰巖干酪根類型

4.3 有機質演化程度

通常有機質演化處于成熟-高成熟階段是最有利的生氣階段，研究區絕大部分泥巖和灰巖樣品熱解實驗的最高熱解峰溫大于455 ℃，處于高成熟階段，并有部分樣品處于過成熟階段，恰好處于高效生烴的演化階段，各層段間無明顯差異（圖7）。

5 煤系氣有利區預測

石灰溝地區內鉆孔的TOC均值均大于1.50%，達到中等級別烴源巖，鏡質組反射率（Ro）均值均大于1.01%，達到成熟演化階段。通過對石灰溝地區煤系氣有利遠景區進行了分析，結果表明，確定煤系氣有利區的主要條件為：地層埋深大于800.00 m的區域，上覆地層對氣體的保存條件較好；泥巖累計厚度大于200.00 m或灰巖累計厚度大于100.00 m的區域累計生成的氣體數量較大。此條件約束下，CY井及以西范圍是本區石炭系煤系氣發育最為有利區域（圖8）。

圖7 干酪根熱演化程度

圖8 石灰溝地區克魯克組煤系氣有利區優選

6 結束語

柴東緣石灰溝地區含煤巖系地層克魯克組地層厚度大，泥巖和灰巖較厚。暗色泥巖在各個層段均有發育，并且單層厚度較大。烴源巖有機地化特征顯示：TOC以中等為主，有機質類型以Ⅱ型為主，表現出混合源巖的特征；Ro多數大于0.7%，達到了成熟-高成熟演化階段。泥頁巖、灰巖烴源巖均屬于中等-較好類型。后期逆沖推覆構造作用導致地層抬升，石灰溝地區內克魯克組地層整體埋深較淺，而且其上覆地層缺乏厚度巨大的致密巖性地層，缺乏區域性蓋層對氣體的保存作用，導致了氣體的逸散。整個石灰溝地區含氣性較差，現場解析得到最大含氣量只有0.034 m3/t，如此低的含氣性可能與地層埋深淺、缺乏蓋層有密切關系。

基于以上分析，石灰溝地區范圍內烴源巖條件不是判定煤系氣優選的首要條件，更為重要的是構造變化導致的地層埋深和圈閉及保存條件的優劣情況。地層埋深較大的克1段和克2段，其上覆地層厚度較大，并且這兩段的煤層以及碳質泥巖發育良好，具有較好的自生自儲、短距離運移條件，所以更為容易成為煤系氣氣藏儲集層段。

柴達木盆地石炭系地層，乃至整個西北地區石炭系含煤巖系地層發育的區域，從烴源巖發育情況來看，無論是發育的厚度還是有機地球化學條件，均能滿足生烴要求；但是從氣體保存條件來看，后期的構造運動對氣藏圈閉條件可能更多具有消極作用。在西北地區針對石炭系非常規氣體的研究，有利區應該選擇構造條件相對簡單、埋深適中、圈閉完整、蓋層條件較好的區域。