鸡西盆地下白垩统天然气地质条件

摘 要

摘要：鸡西盆地煤田开发历史较长，但油气地质条件研究尚处在起步阶段，对盆地油气地质条件和勘探前景进行系统分析，对大庆外围战略选区具有重要的意义。对盆地内煤岩和暗色泥岩烃源
摘要：鸡西盆地煤田开发历史较长，但油气地质条件研究尚处在起步阶段，对盆地油气地质条件和勘探前景进行系统分析，对大庆外围战略选区具有重要的意义。对盆地内煤岩和暗色泥岩烃源岩的显微有机组分、有机地化指标进行实验室测试分析，结果显示：煤层壳质组含量很低，镜质组含量普遍大于70%，有机质演化均达到“低-中成熟”阶段；暗色泥岩有机碳含量很高，但烃类转化率较低，有机质演化已经达到成熟阶段；两者的有机质类型以腐殖型为主。据此认为盆地生油条件差但生气条件好。盆地煤层平均孔隙度为2.5%，砂岩孔隙为中-低孔低渗细喉道型，可以作为较好的天然气储层。实验数据显示凝灰岩的突破压力平均为243.4×105Pa，穆棱组泥岩的突破压力为900×105Pa，可以作为较好的盖层。依据煤田探采资料编制了盆地烃源岩等厚图，结合鸡西盆地沉积、构造特征分析认为：盆地有较好的天然气勘探潜力和生储盖组合条件，最易形成地层和岩性圈闭；北部坳陷的西鸡西-东海深部区间带和南部坳陷的穆棱矿-荣华区间为勘探的首选有利区带。
关键词：鸡西盆地；早白垩世；煤层气；烃源岩；生储盖组合；圈闭；勘探方向
    鸡西盆地是大庆外围较重要的中新生代盆地，沉积了超过2000m的早白垩世海陆交互相和陆相富含煤和暗色泥岩地层。但油气勘探尚处在起步阶段[1]，对该盆地的含气性研究程度很低。笔者根据野外地质考察认识、样品分析数据并综合大量煤田钻探资料，对鸡西盆地的油气地质条件进行初步分析，希望能给相关研究提供借鉴。
1 地质概况
鸡西盆地位于黑龙江省东部，总面积约3380km2。盆地平面大致呈三角形，走向EW-NEE，主构造线和次级构造线也呈EW-NEE走向。盆地南部边界由郯庐断裂在东北地区的分支敦化-密山断裂形成控盆断层。西部和北部为超覆边界，东部为断层边界。盆内由南北两个不对称的单斜构造和中部恒山基底隆起构成两坳夹一隆的构造格局，南北两个向斜内部发育多个次级缓倾角短轴背向斜构造。盆地断裂系统多为正断层，由NE和NW向两组高角度正断层组成，断层数量多但规模不大，主要为各矿区边界和内部断裂。逆断层极少，主要分布于恒山隆起南北两侧，东西向的平阳-麻山逆断层组成盆地二级构造单元的分界线(图1)。
 
    盆地在太古代花岗岩和片麻岩基底之上沉积了早白垩世鸡西群和桦山群地层。鸡西群自下而上为滴道组、城子河组、穆棱组和东山组。滴道组为火山岩夹陆相河湖相沉积，厚50～300m，在盆缘局部分布。城子河组为断陷期沉积，不整合于滴道组或基底之上，为一套以陆相河流、三角洲和浅湖相为主的砂泥岩沉积，受早白垩世海侵影响，城子河组下部沉积了多层海相泥岩夹层。城子河组总厚600～800m，含煤40余层，可采煤层7～20层，可采煤层累计厚度为7.88～17.2m；暗色泥岩占城子河组地层总厚的18%～38%。穆棱组为盆地坳陷期沉积，整合于城子河组之上，主要以滨浅湖到半深湖暗色泥岩夹煤层沉积为主，上部有多层凝灰岩夹层。穆棱组地层总厚为700～1100m，含煤20余层，可采煤层1～7层，可采煤层累计总厚为1.94～6.02m，泥岩占穆棱组地层总厚的29%～42%。穆棱组之上是东山组火山岩和桦山群猴石沟组紫红色氧化环境河流相粗砂岩。城子河组和穆棱组是油气勘探的重点。
2 烃源岩分析
2.1 煤岩烃源岩分析
   通常把煤中各种复杂的显微有机组分按其性质和成因划归3个组，即镜质组、壳质组和惰质组，以镜质组为主的腐殖煤形成的干酪根为腐殖型干酪根，通常是主要的生气成分[2]。对鸡西盆地8个矿区共40个样本进行煤岩显微组分分析(分析结果见表1)，壳质组含量很低，城子河组范围值为0.15%～6.69%，均值为2.68%；穆棱组范围值为0.40%～5.65%，平均值为2.47%；镜质组含量普遍大于70%，城子河组平均值为81.33%，穆棱组平均值为79.12%，所以煤层不具备生油的物质基础但具备良好的生气条件。镜质组反射率(Ro)是确定有机质成熟度的重要指标。城子河组煤岩样本镜质体反射率的范围为0.65%～1.91%之间，平均为1.18%，基本属于肥、焦煤阶段，穆棱组镜质体反射率的范围为0.64%～1.23%之间，平均为0.77%，基本属于气、肥煤阶段。两个组有机质演化均达到“低-中成熟”阶段，处于“石油窗”内，可以大量生气。
   煤田探采也已证明鸡西煤层的生气能力。在煤田的15对矿井中，高瓦斯矿井有11对，瓦斯突出矿井1对。鸡西矿务局对张新矿瓦斯成分分析：CH4(87.7983%)，N2(11.6878%)，C02(0.4267%)，He(0.0872%)，瓦斯成分主要为煤成气[3]。鸡西煤田瓦斯涌出量为10～100m3/t，平均为32.7m3/t，煤炭资源地质储量为99.3×108t，根据矿井瓦斯涌出量推算煤层气含量，瓦斯涌出量按照10m3/t计算，整个盆地煤层气资源量为993×108m3，数量相当可观。
2.2 泥岩烃源岩分析
    从盆地内共采集14块穆棱组和15块城子河组暗色泥岩样本进行地化分析，从表2中可见：暗色泥岩的有机碳含量普遍较高，穆棱组4个矿区为0.436%～3.652%，平均为1.620%。远高于0.4%的生油岩标准，属于中-好的烃源岩。城子河组烃源岩总有机碳含量平均比穆棱组略低，但也达1.597%。氯仿沥青“A”含量穆棱组平均为0.0267%，城子河组为0.0325%，均属于较差的生油岩。总烃含量穆棱组平均为0.0219%，城子河组为0.0396%，绝大部分属于较差的生油岩。暗色泥岩的Ro为0.56%～1.79%，有机质演化达到成熟阶段，可以大量排烃。综合以上数据可以看出，鸡西盆地暗色泥岩有机碳含量很高，但烃类转化率较小，而且氯仿沥青“A”和总烃含量均达不到好的生油岩标准，有机质演化已经达到成熟阶段，可以作为较好的生气源岩。
干酪根元素是划分有机质类型的重要指标，对鸡西泥岩和煤岩进行元素分析，原子比值统计暗色泥岩H/C为0.30～0.9，O/C为0.04～0.34；煤H/C为0.52～0.79，O/C为0.05～0.09；在范氏图解中反映主要为腐殖型干酪根，部分为含腐泥的腐殖型，也反映主要以生气为主[4](图2)。
 
表2 鸡西盆地暗色泥岩样品有机地化分析结果表    %
层位
有机碳含量
氯仿沥青“A”含量
总烃含量
Ro
K1m
样品数
14个
7个
5个
4个
范围值
0.436～3.652
0.007～0.649
0.0086～0.0425
0.56～1.24
平均
1.62
0.0267
0.0219
0.87
K1ch
样品数
15个
9个
5个
5个
范围值
0.3010～4.759
0.0086～0.0568
0.0043～0.0914
0.84～1.79
平均
1.60
0.0325
0.0396
1.26
该区煤层和泥岩在南北2个坳陷呈东西向分布，统计盆地76口煤田钻孔和各矿区探采数据，编制了盆地可采煤层和暗色泥岩等直线图(图3、4)。从图3、4中可见，煤和泥岩厚度稳定，分布连续且在在南北各有几个沉积中心，有利于天然气的大量生成。
3 下一步勘探方向
3.1 储层特征
    鸡西盆地的储层主要有煤层本身和砂岩储层。煤本身是一种高孔隙的天然气吸着剂，其吸附能力比一般岩石吸附能力强。鸡西煤层中显微原生孔隙非常发育，主要有植物残余组织孔、原生粒间孔、晶间孔和内生裂隙孔。鸡西盆地煤层平均孔隙度为2.5%，孔穴一般为2～4nm，连通喉道直径一般为0.5～0.8nm，而气态烃中甲烷的有效直径为0.38nm，足以实现气态烃的连续运移，煤层气可以吸附和游离状态存储于孔隙之中。因此煤层本身可以作为良好的储集层。
砂岩储层有城子河组和穆棱组砂岩。砂岩主要为含岩屑长石砂岩，颗粒支撑为主，石英、长石次生加大现象少见，部分发生长石蚀变现象，结构成熟度和成分成熟度均较低，孔隙类型以粒间孔及构造裂隙为主。样品测试孔隙度平均为9.8%～13.88%，属于较差孔隙度；渗透率平均小于0.968×10-3μm2，对气层来说属于低渗到致密储层；喉道平均半径小于3.21μm。整体分析鸡西盆地孔隙性储层为中-低孔低渗细喉谱型。
3.2 盖层特征
鸡西盆地城子河组和穆棱组发育多层泥岩。穆棱组顶部发育多层凝灰岩。泥岩岩性致密，主要矿物成分为高岭石、蒙脱石，可作为下部层位的盖层。穆棱组凝灰岩主要有岩屑晶屑凝灰岩、晶玻屑凝灰岩、晶屑凝灰岩。顶部层位凝灰岩经后期东山组火山岩高温烘烤结构致密，可作为区域盖层。
    对穆棱组凝灰岩和泥岩进行测试(表3)，凝灰岩和泥岩的渗透率基本为1×10-6μm2，在Ⅳ级范围内，属一般级别，凝灰岩的突破压力平均为243.4×105Pa，评价为Ⅱ级，有较好遮蔽能力，泥岩的突破压力为900×105Pa，遮蔽能力最强。综合对比样品测试结果反映穆棱组泥岩和凝灰岩为较好的盖层
表3 穆棱组泥岩凝灰岩性能数据表
岩性
渗透率/10-3μm2
孔隙半径中值/nm
孔隙集中范围
分选系数/%
突破压力/105MPa
粉砂质泥岩
9.5×10-2
16
10～20
1.15
215
泥岩
1×10-3
5
4～10
0.45
900
凝灰岩
1×10-3
9
4～25
0.90
350
凝灰岩
1×10-3
9
6～40
1.11
270
凝灰岩
1×10-3
10
6～25
0.98
255
凝灰岩
8×10-3
9
6～40
1.31
192
凝灰岩
1×10-3
15
10～40
1.49
150
    煤田钻孔统计城子河组泥岩单层最大厚度为25m。穆棱组泥岩单层最大厚度为70m。穆棱组凝灰岩占地层平均厚度的6%～15%，单层最大厚度可达40m，且有5层作为煤层对比的标志凝灰岩在全盆东西向稳定分布，可以作为区域上的重要盖层。
3.3 生储盖组合和圈闭
    鸡西盆地的生储盖组合主要为自生自储。以暗色泥岩和煤层为气源岩、河流、三角洲砂体为储集层、湖相泥岩和凝灰岩为盖层构成生储盖组合。沉积地层自上而下发育多套砂泥岩互层可以形成多套生储盖组合。
    鸡西盆地的圈闭根据煤田勘探资料分析有构造圈闭、岩性圈闭和地层圈闭。猴石沟组后期受区域挤压影响，早白垩世沉积地层多发生褶皱和断裂，在盆内形成多级宽缓的背、向斜构造，有利于油气运移聚集形成构造圈闭。城子河组和穆棱组三角洲水上分流河道、水下分流河道、三角洲前缘席状砂砂体均比较发育，滨浅湖砂体也较发育。地层内部的砂泥岩交替旋回使纵向上形成多个岩性圈闭，同时横向上岩性变化大，很容易形成岩性圈闭。鸡西盆地多处城子河组直接不整合于基底麻山群之上，古基底在盆地沉积前遭受风化剥蚀，形成古风化壳，上覆地层生成的油气可就近迁移，储集在风化壳内，形成地层圈闭。
3.4 勘探方向讨论
    北部坳陷西部的麻山在古沉积时为盆缘地带，冲积扇较发育，城子河组和穆棱组沉积厚度较薄，在后期改造中靠近刚性的盆缘基底所以受挤压变形强烈，穆棱组大部分被抬升剥蚀，不利于气藏保存，不应作为勘探首选区域。北部坳陷北部滴道、大通沟、城子河浅部、正阳、到东海浅部也因后期改造抬升，穆棱组被部分或完全剥蚀，城子河组直接出露地表，盖层条件不好，也不应作为勘探首选靶区。北部条带西鸡西-城子河深部-杏花-东海深部一带，古沉积环境为滨浅湖到半深湖环境，城子河组和穆棱组地层和煤层均较厚且剥蚀较少，生储盖条件均较好。这一区域处于北部向斜的轴部，在后期改造中受到挤压作用，有利于煤层气的富集[5]，同时向斜南翼被平麻逆冲断层所封堵有利于气藏保存[6]，可作为勘探有利区带。中部恒山隆起在后期改造中以抬升为主，沉积地层被剥蚀殆尽，失去作为勘探靶区的意义。南部条带面积较大，靠近敦密断裂带后期火山活动强烈，沉积地层被破坏严重。南部向斜的北部矿区平岗、大恒山、二道河子、小恒山区虽然煤层和地层均发育较好但靠近中部恒山隆起，在后期改造中受到恒山隆起抬升影响，应力以张引为主，局部穆棱组抬升剥蚀，不利于气藏保存。南部向斜的邱家-合作-荣华一线，处于南部向斜北翼靠近轴部部位，虽然城子河组煤层发育不如北部有利区带好但在穆棱组沉积时靠近沉积中心，穆棱组泥岩和煤层发育厚，地层保存完整，且凝灰岩盖层发育连续完整。在后期改造中的受挤压作用，有利于天然气富集，在煤田地质勘探中多次发现天然气显示，可以作为勘探的首选有利区带。
4 结论
    鸡西盆地烃源岩为城子河组和穆棱组煤层和泥岩。煤岩显微组分分析和泥岩地化分析显示烃源岩以产气为主，生油能力很差，煤层产气能力较强，盆地油气勘探应以天然气为重点。鸡西盆地城子河组和穆棱组砂岩储层为中 低孔低渗细喉道型。穆棱组中上部泥岩和凝灰岩是区域的主要盖层。圈闭有构造圈闭、岩性圈闭和地层圈闭。根据生储盖条件分析认为北部坳陷的西鸡西到东海深部区间带、南部坳陷的穆棱矿到荣华区间为勘探首选有利区带。
参考文献
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[2] 黄第藩，秦匡宗，王铁冠，等.煤成油的形成和成烃机理[M].北京：石油工业出版社，1995：85-90.
[3] 戴金星，戚厚发，王少昌，等.我国煤系的气油地球化学特征、煤成气藏的形成条件及资源评价[M].北京：石油工业出版社，2001：20.
[4] 邬立言，顾信章，盛志纬，等.生油岩热解快速定量评价[M].北京：科学出版社，1986：2-5.
[5] 宋岩，秦胜飞，赵孟军.中国煤层气成藏的两大关键地质因素[J].石油与天然气地质，2007，18(4)：545-553.
[6] 桑树勋，范炳恒，秦勇.煤层气的封存与富集条件[J].石油与天然气地质，1999，20(2).105-108.
 
(本文作者：刘维亮1，2，3 夏斌1，3 蔡周荣1，2，3 万志峰1，2，3 梁正中1，2 余晓玲1，2 1.中国科学院广州地球化学研究所中国科学院边缘海地质重点实验室；2.中国科学院研究生院；3.中山大学海洋学院)