20世纪70年代末至80年代初, 煤成气理论在中国出现。国内学者针对东濮凹陷已探明天然气藏的成因类型及分布规律展开研究^[1-3], 证实了石炭—二叠系煤系作为煤成气源岩的贡献及资源潜力^[4], 并明确了文23、户部寨、马厂、白庙等地区天然气的煤成气成因类型, 掀起了东濮凹陷煤成气勘探的高潮。至2005年, 东濮凹陷煤成气总探明储量为251×10⁸ m³, 但探明率仅22.59%^[5], 勘探逐步陷入低谷。直到近年来东濮凹陷胡古2井^[6]、方2井^[7]等煤成气井的相继出现, 使煤成气资源重新成为东濮凹陷的勘探热点和增储上产的重要领域。目前东濮凹陷煤成气的研究多局限于解剖典型煤成气藏形成过程等方面^[8-12], 但针对全区煤成气成藏主控因素定量评价及有利勘探区预测的研究尚不深入, 制约了下步勘探部署。笔者综合前人研究成果, 通过对比分析典型煤成气区成藏条件, 厘定煤成气成藏关键控制因素, 对成藏主控因素进行单一因素定量表征和多因素综合评价, 优选有利勘探区, 对东濮凹陷煤成气的深化勘探具有重要的理论和实践意义。

东濮凹陷位于渤海湾盆地东南部, 面积为5 300 km², 是一个勘探程度较高的新生代富油气凹陷。研究区发育地层从下到上主要包括奥陶系灰岩、石炭—二叠系海陆交互相地层和新生界河湖相含膏盐碎屑岩^[8]。凹陷经历了复杂的构造运动, 导致兰聊、文东、长垣等基底断层大量发育, 形成“垒嵌相间”的格局^[13](图 1)。

图 1

图 1 东濮凹陷构造单元划分及煤成气分布 Fig.1 Tectonic unit division and coal-formed gas distribution of Dongpu Depression

目前东濮凹陷已探明文23、户部寨、马厂、白庙地区等多个煤成气藏, 但煤成气整体分布规律及富集规模呈现不均一性。平面上, 煤成气均围绕生烃洼陷分布, 且受基底断层控制作用明显; 纵向上, 煤成气富集层位可大致分为两类, 一类富集于沙四段和石炭—二叠系等深部储层中, 如文23、户部寨、马厂地区; 另一类富集于沙二下亚段、沙三段等相对浅层系中, 如白庙地区。从探明储量上来看, 北部明显高于南部, 约占总储量的70%;各气藏规模之间也差异悬殊, 如文23气田的煤成气探明储量占比高达60%, 而卫城地区煤成气仅占总探明储量的1%。

为明确东濮凹陷煤成气藏形成及差异富集规律的控制因素, 结合前人研究, 通过对烃源岩、动力、输导、盖层等成藏要素及其时空配置关系进行系统对比分析, 将煤成气成藏关键控制因素总结为以下几个方面。

勘探实践表明, 优质的气源岩是形成天然气成藏的物质基础, 特别是对于源外富集的断控气藏, 气源灶只有生成并排出足够数量的天然气, 才能克服在运移过程中的各种耗散, 满足天然气运聚成藏的基本条件^[14]。气源岩供气条件的优劣既受到源岩品质(有机质丰度、类型及成熟度)影响, 又受源岩发育程度(厚度、分布面积)制约, 而两者对气源岩供气能力的影响又可集中反映在气源岩生气强度参数上^{[9, 12]}。气源岩生气强度越大, 供气条件越好, 天然气聚集效率越高; 反之不利于气藏形成^[15]。因此选取“生气强度”参数定量表征源岩供烃能力。

东濮凹陷石炭—二叠系煤系烃源岩具有累积厚度大、有机质丰度高、成熟度高的特点, 是一套优质气源岩。这套烃源岩具有阶段性成熟演化特征并发生多次生烃过程^[4], 其中古近纪的沙一—东营末期和新近纪的明化镇末期—现今是最主要的2个生烃期, 晚期成藏的特点可以避免或减轻多旋回构造运动对已形成气藏的破坏和长期散失, 有利于规模性煤成气藏的发育。通过对煤系烃源岩生气强度与煤成气分布关系进行分析, 发现研究区已探明煤成气藏均围绕生气强度大于20×10⁸ m³/km²的区域分布(图 2)。其中生气强度大于20×10⁸ m³/km²区域聚集的煤成气储量占凹陷探明总量的90%以上, 反映出煤成气分布范围受源岩生气强度控制的特征。

图 2

图 2 东濮凹陷石炭—二叠系烃源岩生气强度与煤成气分布关系 Fig.2 Relationship between coal-formed gas distribution and gas generation intensity of Carboniferous-Permian source rock, Dongpu Depression

东濮凹陷煤成气虽来自于洼陷带石炭—二叠系源岩, 但多富集于中央隆起带、斜坡带等构造高部位的沙河街组储层, 具有源-储分离的特点。凹陷内部发育的基底断裂及其正反向调节断层, 是沟通源-储的重要桥梁。在一定范围内, 断层的输导效率决定了能够实际运移至圈闭的天然气数量, 对气藏富集程度具有重要控制作用^[16-17]。

采用断层活动速率法^[16](断层古落差/断层活动时间)对典型煤成气分布区气源断层活动性进行定量评价。结果表明, 研究区各煤成气区均发育活动时间与烃源岩生烃期匹配较好的气源断层(图 3), 可以为煤成气源外成藏提供运移通道, 且现今已探明煤成气藏一般分布于有效气源断层的附近(图 1), 说明了断层输导对煤成气成藏的贡献。

图 3

图 3 东濮凹陷煤成气藏气源断层活动期与烃源岩主生气期匹配关系 Fig.3 Matching relationship between active stage of gas source fault and main gas generation of hydrocarbon source rocks

保存条件是气藏形成的关键, 盖层封闭能力的差异也是天然气藏形成及分布的控制因素之一^[18]。东濮凹陷沙河街组发育多套全区稳定分布的暗色泥岩段, 可作为天然气保存的区域盖层。除此之外, 北部还发育6套广泛分布的盐岩层, 主要分布在以文留、卫城构造为中心的区域, 累积厚度为1 200 m^[19], 使得北部地区的盖层保存条件优于南部。东濮凹陷约81.8%的煤成气分布于北部膏盐岩发育区, 且煤成气主要富集于膏盐岩层系, 可见优质盖层对煤成气富集规模和纵向富集层位的重要控制作用。

对于断陷盆地, 盖层的封盖保存能力不仅与自身性质有关, 而且较大程度上还受到后期断裂活动的影响。付广等^[20]提出断接厚度参数可用于有效表征断裂发育处盖层的实际有效厚度, 据文献[20]中公式(1)计算了典型煤成气富集区盖层的有效厚度。以白庙地区为例, 沙三上亚段顶部发育一套厚度约50~80 m的泥岩盖层, 其中断接厚度大于40 m的区域主要分布在该区北部和西部地区, 天然气仅在沙三上亚段聚集, 说明天然气不能穿过盖层, 即盖层能够实现有效封堵。研究区东南部沙三上亚段泥岩盖层的断接厚度小于40 m, 天然气在盖层上下层系均有聚集, 说明盖层封盖能力减弱, 成为相对不封闭区, 天然气能够穿过沙三上亚段盖层进入到上覆沙二下亚段储层中聚集(图 4)。因此盖层有效厚度对煤成气纵向富集层位具有明显控制作用, 可初步判断研究区泥质盖层封闭天然气所需有效厚度下限为40 m, 在有效厚度小于40 m的区域, 天然气会沿断裂向上发生散失(图 4)。

图 4

图 4 白庙地区沙三上亚段上部泥岩盖层断接厚度与天然气分布关系 Fig.4 Relationship between distribution of natural gas in different layers and effective thickness of upper cap rocks in Baimiao area

东濮凹陷煤成气藏均为断控型常规气藏, 天然气沿断裂发生幕式运移的过程具有突发性、周期性的特征, 且垂向运移距离一般大于2 km, 因此充足的成藏动力是保证深部石炭—二叠系生成的煤成气能够进入浅部圈闭成藏的必要条件。油气成藏动力的类型较多, 柳广弟等^[15]指出成藏期源储剩余压力差是天然气从烃源岩通过输导通道进入圈闭最主要的动力, 控制着天然气的成藏效率^[15]。因此选取“成藏期源储剩余压差”参数来定量表征煤成气成藏动力, 源储压差越大, 煤成气越容易经历快速长距离运移而形成高效气藏。研究表明, 具有较高煤成气探明储量的文23地区, 其源储剩余压差为41.6 MPa, 而相对低探明储量的卫城地区剩余压差仅为8.3 MPa, 两者成藏动力的明显差异是造成煤成气富集差异的重要原因之一。

东濮凹陷内煤成气成藏主要受源岩供烃能力、通源断层输导有效性、盖层保存条件、成藏动力等地质要素的共同制约。选取合适的参数进行单一因素与成藏规模相关性的定量分析, 综合多因素进行成藏主控因素定量评价。其中源岩供烃能力和成藏动力选取源岩生气强度、成藏期源储压差进行表征, 针对通源断层输导性能和盖层保存条件分别提出“断层输导效率系数”和“保存条件系数”进行表征。

断层输导效率受到较多地质因素影响, 具体可归纳为断-源接触关系、断层输导能力和断层输导距离3个方面。提出以断层与源岩的接触面积来表征断-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, 这与源内砂岩透镜体油气藏中“砂岩体与源岩接触面积控制透镜体油气富集”的概念相似。对于断层输导能力, 主要与成藏期断层活动速率和断裂倾角有关。断层活动速率越大, 断面开启程度越高; 断层倾角越大, 天然气浮力沿断面向上的分力越大, 断层输导能力越强。前人通过地质统计和物理模拟等手段指出, 在一定范围内运移距离越大, 天然气在运移过程中耗损越大, 天然气藏的富集程度越小^[17]。提出“断层输导效率系数”(fault transport efficiency coefficient)的概念, 并定义断层输导效率系数(I_FTEC)计算公式为

式中, V为成藏期断层活动速率, m/Ma, 即某一地质时期内的断层落差与时间跨度的比值, 其中断层落差可基于地震解释的剖面数据获得, 时间跨度可查阅研究区对应的地质年代表获取; S为断层与源岩接触面积, m³, 为源岩-断层平面接触长度L₁与纵向接触长度L₂的乘积, 表示供烃窗口尺寸, 其中L₁和L₂通过地震解释的平剖面数据获得; H为煤成气纵向运移距离, m, 同样通过地震解释资料获得; θ为断层倾角, (°), 通过地震剖面读取。

封盖保存作用主要取决于盖层中泥岩(或盐膏岩)的保存条件参数, 例如岩性、厚度、排驱压力等。通常认为, 气藏的盖层厚度越大, 封闭的气柱高度越大, 则气藏储量也越大^[18]。前人指出以盐岩、泥质岩、铝土岩为主的封盖层突破压力明显高于以泥质岩、粉砂质泥岩为主的封盖层^[21], 且平均突破压力约为后者的2倍^[22]。选取2作为盐膏岩相对泥岩的等效厚度均一化参数, 按照直接盖层有效厚度对盖层进行分类, 即A类(盖层有效厚度h≥500 m)、B类(300 m≤h < 500 m)、C类(100 m≤h<300 m)、D类(40 m≤h < 100 m)、E类(h < 40 m)。为了便于定量表征保存条件, 提出保存条件系数(preservation condition coefficient)的概念, 基于等效泥岩厚度对煤成气成藏规模的贡献差异^[23], 采用模糊评价法分别对A~E类盖层的保存条件系数(I_PCC)赋值为4、3、2、1、0。

基于上述分析, 选取断层与源岩接触处烃源岩平均生烃强度、断层输导效率系数(I_FTEC)、成藏期源-储剩余压力差以及保存条件系数(I_PCC)4个参数作为气藏规模定量评价参数。针对目前已探明的文23、户部寨、白庙等6个已探明煤成气区, 分别获取各地区的断层-源岩接触处源岩平均生气强度、成藏期源-储剩余压力差、断层-源岩接触面积、成藏期气源断层活动速率、气源断层倾角余弦值、从源到藏煤成气纵向运移距离、气藏直接盖层有效厚度范围(图 5、表 1), 结合统计结果厘定单因素源岩-断层接触处烃源岩平均生烃强度、断层输导效率系数(I_FTEC)、成藏期源-储剩余压力差以及保存条件系数(I_PCC)与煤成气探明储量的相关关系。分析步骤如下:针对单一因素依次建立与煤成气探明储量的线性、指数、对数及幂数等相关性拟合模型, 从中优选拟合度最高的模型作为单因素相关性定量表征模型(图 6), 最终获得单因素相关性公式为

表 1

表 1 东濮凹陷已探明煤成气区富集程度影响因素数据统计 Table 1 Data of influencing factors of coal forming gas enrichment degree of proven coal-formed gas area in Dongpu Depression 煤成气区 气源断层 源岩-断层接触处平均生气强度I/(108 m3·km-2) 断层-源岩平面接触长度L1/km 断层-源岩纵向接触长度L2/km 气源断层接触面积s/km2 接触面积总计S/km2 成藏期源储剩余压力差/MPa 断层活动速率V/(m·Ma-1) 纵向运移距离H/km 断层倾角θ/(°) 盖层层位 直接盖层等效断接厚度/m 盖层类型 保存条件参数IPCC 煤成气储量/108 m3 文23 文东北段 文东派生 33 15.96 11.67 2.52 1.52 40.22 17.74 57.96 41.60 43 4.52 42 Es4s盐岩、泥岩 500~ 1 000 A 4 149.40 户部 寨 文西北段 文西派生1 文西派生2 28 9.58 8.11 3.76 0.72 1.12 1.16 6.90 9.08 4.36 20.34 6.66 35 2.23 30 Es4s盐岩、泥岩 100~240 C 2 43.91 白庙 马厂 兰聊 马东1号 马东2号 35 25 11.54 8.40 7.28 2.67 1.37 1.12 30.80 11.51 8.15 30.81 43.10 38 7.93 37 Es1+Es2s 300~450 B 3 35.11 19.66 20.34 28 5.45 31 Es3x泥岩 40~70 D 1 10.47 卫城 卫西 8 15.38 1.87 28.76 28.76 8.30 31 2.67 31 Es4s泥岩 50~100 D 1 3.21 濮城 濮城 20 24.42 1.50 36.63 36.63 11.10 40 4.10 13 Es4s泥岩 40~70 D 1 7.56

表 1 东濮凹陷已探明煤成气区富集程度影响因素数据统计 Table 1 Data of influencing factors of coal forming gas enrichment degree of proven coal-formed gas area in Dongpu Depression

图 5

图 5 预测模型参数数据统计示意图 Fig.5 Statistical diagram of parameter data in prediction model

图 6

图 6 东濮凹陷煤成气藏富集程度单一因素分析 Fig.6 Single factor analysis of enrichment degree of coal-formed gas reservoir in Dongpu Depression

式中, F₁为源岩-断层接触处平均生气强度单因素预测的煤成气储量; F₂为成藏期源-储剩余压力差单因素预测的煤成气储量; F₃为断层输导效率参数单因素预测的煤成气储量; F₄为保存条件参数单因素预测的煤成气储量; x₁为源岩-断层接触处平均生气强度, 10⁸ m³/km²; x₂为成藏期源-储剩余压力差, MPa, 其中烃源岩剩余压力由排烃压力替代表征, 成藏期的储层压力可以通过流体包裹体分析和欠压实研究等多种方法综合确定; x₃为断层输导效率参数; x₄为保存条件参数。

R²可以反映出不同控制因素对凹陷煤成气藏形成规模影响的强弱顺序, 其中气源条件相关性最好、保存条件次之、动力相对较差、输导条件相关性最差, 表明研究区煤成气藏形成规模的首要控制因素为气源和保存条件, 动力条件次之, 而输导条件对其控制作用相对较弱。

煤成气储量是多个因素互相影响、互相制约的参数, 每一个影响因素(参数)都不可能完全起控制作用, 即单因素与煤成气藏探明储量的拟合程度不会很高。但将这些互相影响的单因素公式(2)~(5)带入综合预测模型中, 就会产生良好的效果。以单因素分析为基础, 通过多元线性回归的方法, 建立各控制因素与煤成气储量(反映煤成气藏规模)的定量表征模型:

式中, F为综合模型预测煤成气储量; F′为实际煤成气储量。

拟合的公式具有较高的相关性, 实际值与计算值的误差相对较小, 相对误差一般小于10%(表 2、图 7), 整体上误差在允许范围之内, 证明模型建立合理、可靠, 表明煤成气富集规模主要受“供烃-动力-输导-保存”多元耦合共同控制, 且生气供给、封盖保存为主要控制因素。

表 2

表 2 东濮凹陷煤成气藏富集程度预测模型误差分析数据 Table 2 Data for error analysis of enrichment degree prediction model of coal-formed gas reservoir in Dongpu Depression 地区 实际探明储量/ 108 m3 预测探明储量/ 108 m3 误差/% 文23 149.40 161.35 -8.00 户部寨 43.91 39.66 9.68 白庙 35.11 33.37 4.96 马厂 10.47 11.33 -8.21 卫城 3.21 2.96 7.79 濮城 7.56 6.99 7.54

表 2 东濮凹陷煤成气藏富集程度预测模型误差分析数据 Table 2 Data for error analysis of enrichment degree prediction model of coal-formed gas reservoir in Dongpu Depression

图 7

图 7 东濮凹陷煤成气藏富集程度预测模型误差分析 Fig.7 Error analysis of enrichment degree prediction model of coal-formed gas reservoir in Dongpu Depression

针对煤成气成藏关键控制因素、结合“源岩-有效断裂输导通道-圈闭”有效耦合关系对全区16个地区进行煤成气成藏有效性分析(表 3), 优选出桥口、方里集、文中等6个成藏有效性较高的地区作为煤成气可疑潜力区, 分别统计各潜力区源岩-断层接触处平面及纵向接触长度、接触处源岩平均生气强度、从源到藏煤成气纵向运移距离、气源断层倾角及活动速率、气藏直接盖层等效断接厚度范围等, 结合研究区各控制因素与煤成气储量的定量表征模型进行潜力区煤成气储量预测, 预测结果显示中央隆起带文中地区、西南洼方里集地区预测煤成气储量相对较高, 分别为74.807×10⁸和55.147×10⁸ m³, 中央隆起带文西、刘庄、桥口地区次之, 预测储量分别为34.577×10⁸、27.087×10⁸和15.847×10⁸ m³, 南部徐集地区最小, 预测探明储量仅为8.847×10⁸ m³(表 4)。2013年, 在方里集地区部署方2和方3井, 于沙二及沙三段勘探发现高产煤成气流^[24], 验证了有利区预测结果的可靠性^[25-26]。

表 3

表 3 东濮凹陷不同地区煤成气成藏要素分析及有效性评价 Table 3 Factor analysis and effectiveness evaluation of coal formed gas accumulation in different areas of Dongpu Depression 序号 地区 源岩生烃 强度 基底断裂 构造位置 是否发育有 效储盖组合 生排烃期 是否活动 圈闭是否位于断面 优势运移通道上 成藏有效性 1 桥口 20~30 黄河断层 断层上升盘 是 是 是 高 2 方里集 20~30 长垣断层 断层下降盘 是 是 是 高 3 文中 80~120 文东断层 断层上升盘 是 是 是 高 4 文西 100~120 文东断层 断层上升盘 是 是 是 高 5 刘庄 100~120 文东断层 断层上升盘 是 是 是 高 6 徐集 20~40 黄河断层 断层上升盘 是 是 是 高 7 观城 0~10 观城断层 断层上升盘 是 是 低 8 范县 0~10 是 是 低 9 文明寨 5~15 卫西断层 断层上升盘 是 是 低 10 古云集 10~20 是 是 低 11 毛岗 0~50 兰聊断层 断层下降盘 是 是 否 低 12 庆祖集 10~20 长垣断层 断层上升盘 是 是 是 低 13 高平集 0~10 是 是 低 14 桑村集 20~30 长垣断层 断层下降盘 是 是 否 中 15 三春集 5~50 三春集断层 断层上升盘 是 是 中 16 东明集 0~15 兰聊断层 断层下降盘 是 是 是 低

表 3 东濮凹陷不同地区煤成气成藏要素分析及有效性评价 Table 3 Factor analysis and effectiveness evaluation of coal formed gas accumulation in different areas of Dongpu Depression

表 4

表 4 东濮凹陷煤成气有利勘探区富集程度影响因素数据统计 Table 4 Data of influencing factors of coal forming gas enrichment degree of coal-formed gas favorable exploration area in Dongpu Depression 有利勘探区 气源断层 源岩-断层接触处平均生气强度I/ (108 m3·km-2) 断层-源岩平面接触长度L1/km 断层-源岩纵向接触长度L2/km 接触面积总计S/km2 成藏期源-储剩余压力差/MPa 断层活动速率V/(m·Ma-1) 纵向运移距离H/km 断层倾角θ/(°) 盖层层位 直接盖层等效断接厚度/m 盖层类型 保存条件参数IPCC 预测煤成气储量/108 m3 Ⅰ 桥口 黄河 25 7.69 1.55 11.92 25.11 45 4.83 33.0 Es4s泥岩 40~60 D 1 15.84 Ⅱ 方里集 长垣 45 17.31 0.87 15.06 28.02 78 4.78 60.0 Es1+Es2s 300~500 B 3 55.14 Ⅲ 文中 文东 100 11.54 1.21 13.96 22.33 46 2.50 77.5 Es4s盐岩 280~440 B 3 74.80 Ⅳ 文西 文东 110 5.13 1.43 7.34 32.12 33 5.26 35.0 Es4s泥岩 40~80 D 1 34.57 Ⅴ 刘庄 文东 110 4.49 1.43 6.42 18.69 51 5.31 47.3 Es4s泥岩 40~80 D 1 27.08 Ⅵ 徐集 黄河 30 19.23 2.36 45.38 30.10 23 8.44 35.0 Es4s泥岩 40~60 D 1 8.84

表 4 东濮凹陷煤成气有利勘探区富集程度影响因素数据统计 Table 4 Data of influencing factors of coal forming gas enrichment degree of coal-formed gas favorable exploration area in Dongpu Depression

(1) 东濮凹陷煤成气宏观展布规律主要受控于成熟气源岩的生烃能力, 煤成气藏均围绕生气强度大于20×10⁸ m³/km²的区域分布; 通源断层活动时间与源岩主生烃期的有效配置是煤成气发生有效运聚的关键; 煤成气藏保存条件主要受断-盖组合关系的控制, 泥岩盖层断接厚度大于40 m是煤成气有效遮挡的门限条件; 充足的源-储剩余压力差是煤成气高效成藏的必要因素。

(2) 东濮凹陷煤成气藏形成规模受烃源岩生烃强度、成藏期源-储剩余压力差、断层输导效率以及盖层封盖保存作用等因素的影响, 具有“供烃-动力-输导-保存”多元耦合控藏的特征, 其中生气供给、封盖保存为首要控制因素, 成藏动力条件和断层输导条件次之。基于主控因素定量分析, 建立东濮凹陷煤成气藏富集程度的多因素预测模型, 评价结果与实际值误差较小, 证明了该定量评价方法的可行性。

(3) 中央隆起带文中、文西-刘庄、桥口、徐集东地区以及西斜坡方里集地区位于通源断裂优势运移通道上, 且具有优越的供烃条件, 为潜力勘探区; 结合综合预测模型的定量评价结果表明, 文中地区和方里集地区预测储量最大, 为最有利的煤成气成藏区域, 文西、刘庄、桥口地区次之, 徐集地区相对较差。