吳 疆,關蘊文, 蒲仁海, 高小平

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.西北大學 地質學系/大陸動力學國家重點實驗室,陜西 西安,710069;3.延長石油集團油氣勘探公司,陜西 延安,716000)

鄂爾多斯盆地是一個大型聚煤盆地,全盆主要發(fā)育兩套含煤巖系,分別是上古生界石炭—二疊系與中生界侏羅系[1-2],煤炭資源量巨大。盆地內賦存的煤炭資源總量(小于2 000 m)約4萬億噸,1 000 m以內的埋藏資源量約1萬億噸[3],是中國重要的煤炭生產基地。盆地內煤系地層的共生、伴生礦產資源十分豐富,除煤層氣、煤系砂巖儲層氣之外,還伴有鍺、鈾、高嶺土等多種金屬或非金屬礦產[4-5]。因此,對研究區(qū)煤炭資源的勘探研究至關重要。

對鄂爾多斯盆地南部上古生界煤層的測試顯示,山西組煤巖的有機碳質量分數為40.37%～77.11%,平均值為54.94%;氯仿瀝青“A”質量分數為0.026 3%～0.359%,平均值為0.161 4%;總烴含量平均為1 140.64×10-6。太原組煤巖的有機碳質量分數為41.1%～91.32%,平均為66.96%,氯仿瀝青“A”質量分數為0.019 3%～0.108 0%,平均值為0.063 6%[6-7]。若將煤層作為烴源巖來評價[8-9],鄂爾多斯上古生界南部煤系有機質豐度整體處于較高水平,且大部分達到了干氣階段,RO值1.72%～2.28%,屬于瘦煤-貧煤-無煙煤[10-11],演化程度較高,生氣潛力大。

前人對鄂爾多斯盆地南部山西組和本溪-太原組的煤層研究多著重于煤層的地球化學特征,由于資料有限, 因而對其縱橫向分布規(guī)律并不十分清楚。 近年來, 隨著致密氣的勘探, 鉆穿上古生界的井顯著增多, 本研究收集了富縣以南、 旬邑縣以東的鄂爾多斯盆地東南部101口探井資料和4 km×4 km二維及一塊三維地震資料, 開展了煤層的地球物理識別、 厚度、 埋深、 沉積相、 古地貌等分析, 為該區(qū)煤層發(fā)育規(guī)律的研究和勘探評價提供參考。

研究區(qū)面積約14 610 km2,共有101口鉆入下古生界的探井,井距一般3～20 km,主要來自延長集團、中石化和中石油集團公司,包含常規(guī)綜合錄井、測井和部分取心資料(見圖1)。它們均鉆遇了奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系地層(見圖2)。另外,應用了中石化約4 km×4 km測網的二維地震和一塊約300 km2的三維疊后偏移地震資料,其地震垂向采樣間隔為2 ms,主頻25 Hz,記錄長度0～5 s,目的層主頻約25 Hz,黑波峰代表正反射系數。三維地震區(qū)內存在4口鉆井,分別為XY1、XY2、Yan626、Jian1。

為了研究煤層分布及其與沉積相和古地貌之間的關系,在測井標準化基礎上進行了不同巖性的測井交會圖分析,得出砂巖、灰?guī)r、煤層等不同巖性的測井識別閾值,用于砂巖、煤層、灰?guī)r厚度統(tǒng)計、含量計算和沉積相分析。通過印模法統(tǒng)計奧陶系灰?guī)r頂面和太原組灰?guī)r頂面兩個標志層之間的厚度制作古地貌圖[12],以此分析古地貌對沉積相和煤層的控制。通過制作合成記錄和地震層位標定,分析煤層的地震響應特征,應用一維正演模型和三維地震屬性、波阻抗和孔隙度反演等分析煤層、砂巖與地震振幅和波阻抗的變化的關系,繪制三維地震區(qū)煤層厚度圖和沉積相圖。最后,綜合以上煤層厚度、沉積相、古地貌信息分析煤層發(fā)育的控制因素和有利區(qū)展布。

露頭和淺層煤礦研究表明,鄂爾多斯盆地上古生界煤系的發(fā)育受控于穩(wěn)定的克拉通盆地陸表海海陸過渡相沉積背景[12-15]。本溪-太原組、山西組共發(fā)育10層煤,從上到下編號依次為1#～10#,其中1#～5#煤層位于山西組,6#～10#煤位于本溪-太原組。5#煤層和8#煤層相較其他煤層橫向上分布最為穩(wěn)定,且厚度較大,是盆地的兩大主要產煤層(見圖2)。其余煤層單層厚度普遍小于2 m,且分布極不穩(wěn)定,只在局部發(fā)育[11,16]。

1 煤層的識別方法

煤層在測井曲線上容易識別。根據取心、巖屑錄井和測井綜合柱狀圖,統(tǒng)計研究區(qū)目的層不同巖性與測井的響應關系,制作山西組和本溪-太原組不同巖性的聲波時差值AC與自然伽馬GR交會圖〔見圖3(a)〕,密度和電阻率交會圖〔見圖3(b)〕。從交會圖上可以看出,碳質泥巖和煤層的AC值范圍為280～420 μs/m,二者自然伽馬GR值差異顯著。當AC>280 μs/m, GR <90 API時為煤層,GR介于90～120API時為碳質泥巖。若GR值>110 API,AC <248 μs/m則屬于速度相對偏高的含粉砂或含鈣質泥巖。

圖3 山西組-太原組測井交會圖Fig.3 Crossplot of different lithology of Taiyuan to Shanxi Formation

研究區(qū)煤層的密度測井和深感應電阻率測井響應與其他巖性也有較明顯的差異。研究區(qū)煤層的密度一般小于2.0 g/cm3,電阻率介于10～2 000 Ω/m〔見圖3(b)〕。由于富含有機質,煤層一般具有低波阻抗特征。根據煤層的聲波時差280 μs/m和密度值2 g/cm3識別界線,可以計算出研究區(qū)上古生界煤層的波阻抗上限為7 143 (m/s)·(g/cm3),據此可在無巖心段根據測井定量統(tǒng)計煤層。需要注意的是,當煤層厚度小于0.5 m時,測井響應特征包含了薄煤層上下圍巖巖性的貢獻,使煤層測井異常與上下圍巖巖性之間的界線變得模糊,因此測井識別薄煤層的能力有限[17-18]。根據以上不同巖性測井識別閾值,可用Eexplorer軟件統(tǒng)計出研究區(qū)不同層位煤層、碳質泥巖和其他各種巖性的厚度。

截止2022年,中石化在鄂東南地區(qū)主要完成了4 km×4 km測網密度的二維地震勘探,并在旬宜地區(qū)完成了約300 km2的三維地震。由于三維地震具有很高的橫向分辨率,可以獲得每25 m變化的巖性和巖相信息,可表征煤層和砂體的平面形態(tài)、面積等直觀信息,所以,本研究關于地震資料上煤層的識別,重點解剖了旬宜三維地震。從三維區(qū)所鉆的旬宜1井、旬宜2井及建1井合成地震記錄可以看出,山西組-太原組的煤系大致標定在一套上峰下谷、極強振幅半周期反射中,太原組頂底面分別在極強振幅的波谷和波峰上。這種上谷下峰、極強振幅的形成是由于極低速的煤層與極高速的太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r之間存在的大波阻抗差異及干涉所造成,而奧陶系灰?guī)r的頂面距上煤層頂面的厚度50～80 m(見圖2),大致對應地震半個周期。所以,煤層地震反射是一個連續(xù)性極好的半周期強振幅標志層,可在盆地大區(qū)域內進行對比和追蹤(見圖4)。

圖4 過旬宜1井和延626井地震剖面Fig.4 Seismic section across wells XY1 and Y626 in NW direction

通過一維正演分析,發(fā)現煤層厚度與振幅呈正比關系,煤層厚度越大,振幅越強,煤層厚度變薄或者尖滅,則振幅相對減弱。太原組灰?guī)r和砂巖厚度與地震振幅也呈正相關關系,砂巖或灰?guī)r越厚,振幅也越強。但是,從波阻抗角度來看,煤層對強振幅的貢獻為低波阻抗引起,砂巖和灰?guī)r對強振幅的貢獻是由高波阻抗所引起,通過波阻抗反演可以將這兩類巖性區(qū)分開。

圖5為三維區(qū)煤層地震層性和厚度圖。圖5顯示,較強振幅的區(qū)域呈“V”型從南向北分叉延伸,對應于煤層和砂巖相對較厚的區(qū)域。通過測井約束的三維地震波阻抗和孔隙度反演,可以識別太原組的低波阻抗煤層和高孔隙砂巖的平面分布。根據圖4計算的煤層波阻抗為7 143 (m/s)·(g/cm3),提取太原組波阻抗小于這一閾值的時間厚度,經時深轉換即可得到太原組煤層厚度〔見圖5(b)〕。同理,太原組砂巖有效孔隙度6%～11%,提取太原組反演孔隙度大于6%的時間厚度則可得到砂巖儲層厚度〔見圖5(c)〕。

將三維區(qū)太原組煤層厚度和砂巖含量等值線疊合,可以做出本溪-太原組沉積相平面圖〔見圖5(d)〕。圖5(d)表明,三維區(qū)整體以瀉湖沼澤沉積為主,砂巖質量分數較低,小于5%。“V”字型強振幅區(qū)的煤層稍厚,一般5～8 m,其以北的弱振幅區(qū)煤層減薄為2～3 m。

2 煤層分布特征

從鉆井山西-太原組剖面對比圖可以看出(見圖2), 山西組上段僅偶含1～2層薄煤, 平均厚度約1 m, 橫向分布極不穩(wěn)定。 山西組下段發(fā)育3#、 4#、 5#煤層, 其中5#煤層橫向分布最穩(wěn)定, 單煤層最大的延伸距離可達31.7 km, 平均厚度約2 m, 3#、 4#煤層在本區(qū)幾乎不發(fā)育。 本溪-太原組8#煤層較6#、 7#、 9#、 10#煤層平面分布廣泛, 橫向延伸較遠,厚度平均大于2 m, 是該區(qū)的主力煤層之一。

在鉆井統(tǒng)計的煤層層數及厚度基礎上,利用雙狐軟件繪制了山西組、本溪-太原組煤層厚度圖(見圖6,7)。由圖6,7可知,本溪-太原組累積煤層最厚7 m(見圖6),南厚北薄,主要在旬邑、富縣和黃龍之間形成5個單層厚度超過2 m、累計厚度超過6 m的聚煤卵圓形小凹陷,每個凹陷的面積200～300 km2,凹陷較孤立,沿一個直角三角洲形的兩個直角邊排列。單層煤厚大于2 m的區(qū)域面積約2 610 km2,分布在研究區(qū)東部和西南部9個部位,其中5個部位與累計煤厚較大區(qū)域重合,4個則位于累厚煤較薄區(qū)。本溪-太原組煤層整體西北薄、東南厚。

圖6 鄂爾多斯盆地東南部本溪-太原組煤層累厚圖Fig.6 Coal seam isopach map of Taiyuan Formation and Benxi Formation in the southeast margin of Ordos Basin

山西組煤層在研究區(qū)廣泛分布,累積厚度最大8 m,3 m以上的區(qū)域在平面上大致呈北東凸出的半圓弧展布,具東厚西薄特征(見圖7)。 單層煤厚大于2 m的區(qū)域分布在9個位置, 與累厚較大區(qū)分布基本一致,總面積約2 460 km2。 西部煤層最大累計厚度小于4 m。 聚煤凹陷略呈北東和北西延伸的花生形, 單個凹陷面積比太原組變大, 300～500 km2,鄂東南地區(qū)共約10個山西組的小型聚煤凹陷,煤層最厚的兩個凹陷位于富縣至黃龍西附近。

比較本溪-太原組和山西組的煤層厚度圖可以看,由于對奧陶系頂面不整合填平補齊,山西組的單個聚煤小凹陷的面積稍大于太原組,凹陷形態(tài)從近卵圓形朝橢圓形變化(見圖6,7);從本溪-太原組到山西組,較厚煤層向北和北西方向有所遷移,最大累計厚度,山西組比本溪-太原組只大了1 m。

3 煤層分布與古地貌的關系

為了研究不整合面古巖溶地貌對沉積相和煤層發(fā)育的控制,分別制作了研究區(qū)前上古生界的古地質圖(見圖8)和本溪-太原組厚度圖(見圖9)。圖9也可以大致看成是用“印模法”制作的充填奧陶系頂面巖溶凹地的古地貌圖[19]。

圖9 鄂爾多斯盆地東南部本溪-太原組厚度圖Fig.9 Stratigraphic isopach map of Taiyuan Formation and Benxi Formation in southeast Ordos Basin

由圖8可知,研究區(qū)不整合面下伏地層自北東朝南西逐漸變老,不整合向下剝蝕強度逐漸變大,整體呈北東傾的巖溶斜坡或階地[20];在研究區(qū)西南形成兩個剝蝕量較大的局部古巖溶凹地,在古巖溶凹地出露的最老地層為上寒武統(tǒng)三山子組,兩個巖溶凹地分別從正寧縣朝北北東和北東東延伸了約30和50 km。研究區(qū)北東緣出露的最新地層為下奧陶統(tǒng)馬家溝組馬六段(O1m6)。馬六段分布在研究區(qū)北東角、北緣中間和西緣中間3個位置,相當于3個不整合對下伏地層剝蝕量較小的地區(qū),其中,北東向的巖溶凹地局部還殘留中奧陶統(tǒng)平涼組。

本溪-太原組厚度圖也顯示,該期地層沉積時,研究區(qū)整體呈北東傾斜坡背景(見圖9),其上疊加了兩個巖溶高地和4個巖溶凹地。兩個巖溶高地位于研究區(qū)西南和西北角,北東延伸,本溪-太原組厚度較薄,5～20 m。4個形態(tài)不規(guī)則的巖溶凹地,厚度40～60 m,其中兩個位于工區(qū)北東角和北緣中部,兩個分別位于研究區(qū)南緣中部和西緣中部,呈北東和北西延伸的橢圓形態(tài)。

比較圖8和圖9可以看出,研究區(qū)存在兩種類型的巖溶凹地,它們的共同特點是,本溪-太原組厚度加大,不同點則是分布位置、不整合下切強度和下伏地層時代不同:一種是下切型古巖溶凹地,位于上游的研究區(qū)西南部,奧陶紀沉積末發(fā)生了較強烈的侵蝕下切,不整合面下伏較老的地層(寒武系馬二段),如研究區(qū)西緣中部和南緣中部的兩個北東向和近東西向的本溪-太原組加厚帶;另一種是充填型古巖溶凹地,其位于下游的研究區(qū)北東部,不整合面侵蝕下切較弱,下伏較新地層馬六段,如研究區(qū)北東角和北緣中部本溪-太原組較厚帶(40～65 m)。

研究區(qū)本溪-太原組煤層的加厚帶與上游的下切型巖溶凹地位置存在一定的吻合關系,如旬宜1井區(qū)的凹地本溪-太原組的煤層較厚(見圖6,9);下游的充填型巖溶凹地煤層也具有增厚趨勢(見圖6,8,9)。

太原組上部普遍含1～3層、數米厚的開闊臺地泥晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r。縱向上其煤層常與灰?guī)r層緊鄰,二者沉積時均具有準平原化古地形特點。但是,在平面上它們之間存在什么關系并不清楚。為了分析二者與古地貌的關系,制作了研究區(qū)太原組灰?guī)r厚度圖(見圖10)。由圖10可以看出,灰?guī)r主要分布在研究區(qū)北東部、相對遠源的巖溶凹地區(qū),屬于無三角洲影響的、遠源的清水型沉積。比較太原組的灰?guī)r與煤層厚度圖可以看出,煤層和灰?guī)r均在巖溶凹地區(qū)加厚,但煤層主要在上、下游巖溶凹地均加厚,而灰?guī)r則主要在遠源的清水型非下切型巖溶凹地加厚。

圖10 鄂爾多斯盆地東南部太原組灰?guī)r厚度圖Fig.10 Limestone isopach map of Taiyuan Formation in southeastern Ordos Basin

所以,古巖溶凹地對同時代的煤層和灰?guī)r厚度具一定的控制作用。煤層在近源和遠源的巖溶凹地均加厚,而灰?guī)r只在遠源的凹地加厚。

與太原組不同的是,山西組沉積時奧陶系巖溶凹地已經被填平,煤層發(fā)育不再受古地貌控制,煤層厚度與巖溶古地貌之間沒有明顯關系(見圖7),完全受河道間沼澤控制。

4 煤層與沉積相的關系

根據本溪-太原組和山西組砂巖含量、測井相和地震屬性等繪制了鄂東南地區(qū)含煤的本溪-太原組、山西組的沉積相平面圖(見圖11,12)。由圖11,12可以看出,本溪-太原組為淺水三角洲瀉湖沼澤沉積,4個分流河道自南西流向北東,沼澤煤層發(fā)育在三角洲平原分流河道之間。碳酸鹽巖分布在三角洲前方的遠源清水瀉湖環(huán)境。

山西組下段為交織型河道沉積,多支河道同時發(fā)育,相互合并分叉,砂厚體積分數大于20%。河道邊部砂巖質量分數20%～10%。泥炭沼澤和漫灘區(qū)砂巖質量分數小于10 %(見圖12),碎屑物質來自南部隆起。厚煤層與河道帶的平面分布具互補關系,即砂巖含量高的地區(qū),煤層薄,砂巖含量少的地區(qū)煤層厚。

5 討論

5.1 煤層對氣藏的控制

煤層是鄂爾多斯盆地上古生界氣藏重要的烴源巖[21-22],但盆地南部的上古生界氣藏的發(fā)育條件總體不如中北部[23]。除南部砂巖儲層分布局限和物性差外(如隴東地區(qū)僅發(fā)現了山一段薄砂巖氣藏和鋁土巖氣層[24-25],鄂東南地區(qū)也只有巖溶凹槽內寒武系發(fā)現天然氣),煤層厚度總體不大也是重要原因之一。根據山西組、本溪-太原組煤層累計厚度圖與產氣井的關系來看,盆地東南部出現工業(yè)氣井的煤層累厚最小為2 m(見圖13),累厚超過2 m的煤層分布較廣,累厚4～8 m的煤層面積占總面積約40%,加厚帶呈“U”字型展布。累厚2～4 m的煤層面積約占總面積的40%,小于2 m的煤層面積約占總面積的20%,所以,從生烴條件來看,鄂東南地區(qū)總體仍具有較好的天然氣成藏的煤源巖條件。

5.2 關于單層厚度大于2 m的煤層分布

盡管煤層無論單層厚度大小,對烴源的貢獻取決于累計厚度的大小,但單層厚度大于2 m的煤層意義更為特殊,在技術條件成熟時可成為開采煤層氣和煤資源的對象。所以,本研究對單層厚度大于2 m的煤層進行了單獨統(tǒng)計。

首先,研究區(qū)本溪-太原組和山西組均發(fā)育單層厚度大于2 m的煤層,且均在9個區(qū)域發(fā)育;這9個區(qū)域互不重疊,其中8個均位于鄂東南的旬邑縣以東的東部地區(qū),西部只有一個區(qū)域。單層厚度大于2 m的煤層單個面積100～300 km2,山西組和本溪-太原組的面積無明顯差異。

其次,從最大單層厚度來看,本溪-太原組的最大單煤層厚度為5.5 m(延730井),山西組的則為5.2 m(延561井)。

再次,從大于2 m的單煤層分布的面積大小來看,山西組的最大面積為402 km2,太原-本溪組的最大面積326 km2,前者略大于后者。

最后,從鄂東南地區(qū)單層厚度大于2 m的煤層總分布面積占總區(qū)域面積的比例來看,山西組和本溪-太原組差異不大,前者約13%,后者約15%。

總體上講,單層厚度大于2 m的煤層在鄂東南地區(qū)占有相當的比例。

5.3 關于海相煤與陸相煤的識別問題

鄂爾多斯盆地本溪-太原組以海相沉積為主,山西組以陸相沉積為主,二者總體上為海陸過渡相,所以,夾在這兩套地層中的煤雖然均為沼澤環(huán)境沉積,但也存在海岸沉積和湖泊沼澤沉積的區(qū)分。從露頭上觀察,二者的顏色和所含特殊礦物成分也有所差異。本溪-太原組的煤含一定數量的黃鐵礦,露頭上風化為硫磺,在黑色煤層中表現為顯眼的零散的黃褐色斑塊或斑點。但山西組的煤一般不含黃鐵礦和硫磺,不具備這一特征。

在井下,雖然山西組和本溪-太原組的煤層未經過風化,但含鐵元素差異導致了電阻率測井值的明顯不同。本溪-太原組的煤層含鐵元素高,電阻率一般10～100 Ω/m;山西組煤含鐵元素低,或不含鐵,電阻率明顯高出近一個數量級,達100～1 000 Ω/m(見圖2,3)。所以,井下依據電阻率差異可以區(qū)分海相和陸相環(huán)境有關的煤層。

6 結論

1) 鄂爾多斯盆地東南部上古生界發(fā)育兩套煤層, 分別位于本溪-太原組和山西組下段, 本溪-太原組煤層厚0.5～7 m,平均厚度約3 m,山西組純煤總厚度0.7～8.2 m,平均厚度約2.73 m。上古生界煤層累厚4～8 m的地區(qū)呈“U”字形分布,約占總面積的40%。

2)研究區(qū)上古生界煤層的聲波時差AC值小于280～420 μs/m,密度小于2 g/cm3,自然伽馬GR <90 API。在地震剖面上具有強振幅和低反演波阻抗特征,根據測井和三維地震反演可以識別研究區(qū)煤層厚度和含量變化。

3)鄂爾多斯盆地東南部存在兩種類型的古巖溶凹地,一種為研究區(qū)西南的近源下切型古巖溶凹地,另一類是研究區(qū)北東遠源的充填型巖溶凹地,本溪-太原組煤層在兩類洼地內均加厚,但山西組下段煤層厚度變化與該巖溶古地貌無明顯相關性。太原組沉積了與煤層同時代或近時代的一定厚度的灰?guī)r,雖然灰?guī)r與煤層的沉積環(huán)境均具有準平原化的平坦古地貌特點,但灰?guī)r只在下游遠源的充填型古巖溶洼地加厚,而在上游近源的下切型巖溶凹地沒有增厚。上古生界煤層均分布在三角洲平原沼澤環(huán)境,煤層和分流河道砂巖的加厚帶呈互補關系。