鄂尔多斯盆地煤成气生储盖组合及时空分析

李增学^1，2　韩美莲¹　李江涛³　吕大炜^1，2

（1.山东科技大学地科学院 山东青岛 266510 2.山东省油气勘探开发工程技术研究中心 山东青岛 266510 3.中国科学院广州地球化学研究所 广东广州 510640）

作者简介：李增学，1954年生，男，山东沾化人，教授，博士生导师，主要从事煤地质学及能源盆地分析（lizengxue@263.net）。

基金项目：国家重点基础研究发展规划项目“多种能源矿产共存成藏（矿）机理与富集分布规律（项目编号：2003CB214608）”

摘要 煤是鄂尔多斯盆地主要矿产之一，是煤成气的主要源岩。分布于石炭—二叠系的本溪组、太原组、山西组，三叠系的瓦窑堡组和侏罗系的延安组及直罗组。上古生界烃源岩有机质丰度较高。鄂尔多斯盆地上古生界烃源岩皆达到成熟以上演化程度，并且具有南高北低的演化特点。晚古生代海陆交互相碎屑岩和碳酸盐岩储层体，经过成岩作用和构造叠加改造成为十分复杂的地质体，且被非渗透性的岩层所围限，从而形成各种形态和成因的低孔、低渗油气藏。研究表明，鄂尔多斯盆地发育四种生储盖组合关系：自生自储型、混合运储型、上生下储型、下生上储型。

关键词 煤成气 源岩 生储盖组合 时空分布 鄂尔多斯盆地

Analysis on Association and Spreading of Source rock，Reservoir and Cap Rocks of Coal-derived Gas in Ordos Basin

Li Zengxue^1，2，Han Meilian¹，Li Jiangtao³，Lu Dawei¹

（1.College of Geo-Science，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510；2.Engineering Technical Research Center of Petroleum and Gas Exploration and Development of Shandong，Qingdao 266510；3.Guangzhou Institute of Geochemistry of Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640）

Abstract：Coal is one of the most important mineral resources in Ordos basin，and it is the primary source rock of coal-derived gas.The coal beds distribute in Benxi Formation，Taiyuan Formation and Shanxi Formation of Permian-Carboniferous，Wayaobao Formation of Triassic and Yan'an Formation and Zhiluo Formation of Jurassic.The abundance of organism in the hydrocarbon resources rock of upper Paleozoic was higher.The metamorphic grade of all of hydrocarbon resources rocks of upper Paleozoic in the Ordos basin was in excess of the extent of maturity and has the characteristic that the south is higher than the north.The reservoirs of clastic rocks and carbonate rocks of paralic deposits of upper Paleozoic were transformed into the complex geologic bodies after the diagenesis and the superposition of tectonics.Even they are surrounded by the non-permeable rocks，thus，the different low-porosity and low-permeability oil ＆gas accumulations with various patterns and causes of formation were formed.Studies showed that four kinds of association pattern of source rocks，reservoirs and cap rocks developed in the Ordos basin，which is source and reservoir in the same bed，lower-source and upper-reservoir，upper-source and lower-reservoir.

Keywords：Coal-derived gas；source rock；association of source rock，reservoir and cap rocks；spreading；Ordos basin

鄂尔多斯盆地是我国西部地区巨大的能源盆地，从古生界到中新生界沉积了大套的含油气和含煤地层，多种能源矿产共存富集规律研究是当今的热点课题。有关鄂尔多斯盆地煤、石油天然气、煤成气和煤层气、铀矿等的研究成果不断提出。煤的聚积对多种能源矿产共存富集具有特殊贡献，而煤成气是该盆地重要的天然气资料，其聚集成藏是多种能源矿产共存富集的主要组合形式之一，本文就鄂尔多斯盆地煤成气储、盖组合特点及其时空展布进行探讨。

1 鄂尔多斯盆煤成气源岩分布

煤是鄂尔多斯盆地主要矿产之一，是煤成气的主要源岩。自下而上有C-P、T和J三套含煤岩系^[1]，主要分布于石炭—二叠系的本溪组、太原组、山西组，三叠系的瓦窑堡组和侏罗系的延安组及直罗组。石炭—二叠纪含煤地层形成于华北晚古生代聚煤盆地，三叠纪含煤岩系形成于华北三叠系大型内陆坳陷盆地，侏罗纪含煤岩系则形成于鄂尔多斯侏罗纪聚煤盆地。由于三大聚煤期盆地的大地构造背景不同，充填过程中形成的含煤岩系和煤层的特点各异^[2]。

石炭、二叠纪含煤岩系以太原组和山西组为主要含煤层段，煤系和煤层在全盆地均有分布，但埋深2000m以浅者仅局限于盆地周缘。太原组一般含煤2～9层，可采及局部可采者2～5层，最大累计厚度20～30m，主要可采煤层位于中下部。山西组一般含煤2～3层，可采及局部可采1～2层，累计厚度和最大单层厚度均低于太原组，主要可采煤层位于中下部。

三叠纪含煤岩系以瓦窑堡组为主要含煤层段，含煤范围仅局限于黄陵、富县、延安、子长、子洲一带，其中只有子长一带达可采厚度，共含煤7～15层，可采者1层，厚1～2m，位于瓦窑堡组上部。

侏罗纪含煤岩系主要以延安组为含煤层段。煤层除在盆地中部延安、延川、延长一带不发育外，其他地区均有分布。该组共含煤10～15层。煤层在平面上的分布具有明显的规律性，盆地南部主要可采煤层单层最大厚度可达40～60m。盆地中部仅有煤线发育。盆地北部主要可采煤层位于延安组上部，最大单层厚度可达10m以上。

1.1 上古生界煤的时空分布特征

在鄂尔多斯盆地不同部位，石炭—二叠系煤的煤类是不同的，在北部主要为长焰煤、气煤，中部为焦煤，南部为瘦煤、贫煤和无烟煤。煤属于中—富灰、低—高硫煤，其中山西组以低—中硫煤为主，太原组以高硫煤为多。除北部准格尔地区为长焰煤外，其他煤产地均为烟煤。东带煤级由北向南变质程度增高：河东煤田北段（府谷—离石）为气煤，南段（离石—乡宁）为肥、焦、瘦煤，渭北煤田为瘦、贫煤（深部为无烟煤）。西带煤多属于气、肥、焦煤。河东煤田南段的离石、柳林、乡宁一带是中国主要炼焦煤基地。晚古生代共含煤11层，煤层的分布主要集中在盆地东西两侧，其中西部横山堡和环井一带厚度为12～26m，东北部的府谷和北部的伊9井区厚度为18～26m，榆林—蒲县一带厚度为10～14m，惟有鄂托克旗—吴旗一带厚度为4～6m；正宁以南厚度不足2m。总的来看，石炭—二叠系煤系在区内的分布，具有东西部厚、中部薄而稳定的特点，其中西部煤层累计厚度15～35m，中部煤层累计厚度4～8m。上述煤层，后期受构造运动抬升影响，盆地中东部保存较好，而盆地西部和南部保存相对较差（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地上古生界煤层等厚图

1.2 三叠系煤层的时空分布特征

瓦窑堡煤系属于大陆盆地型沉积，含煤6 组共8～22层，最多30余层，煤厚一般0.05～0.40m，煤层总厚达11.00m左右，主要出露于铜川、宜君、富县、子长、榆林至神木一线，吴旗、志丹、安塞等地也有少量分布。岩性变化极大，以佳县—横山为界，瓦窑堡煤系具有沉积厚度北薄南厚、沉积粒度北粗南细的宏观沉积特征，北部主要为辫状河沉积的灰绿、黄绿、灰白色中细粒砂岩夹砂质泥岩、粉砂岩及煤线，南部西段主要为湖泊三角洲—浅湖—次深湖相沉积，尤其以清涧河、大理河一带最为发育，厚度为380m，铜川柳林沟厚200m左右，横山地区厚约190m，神木地区厚约180m。煤系主要发育于瓦窑堡组的上部，含煤性较好，含煤面积大，煤厚较稳定，是瓦窑堡煤系的主要可采煤层。瓦窑堡组沉积时，地壳升降十分频繁，导致湖水进退频繁，而且进退的时间较短，从而造成煤层层数多，但缺少厚煤层。所有煤层中，除5号煤层为主要可采煤层外，其余煤层极少见可采点。富煤中心分布于子长—蟠龙一带，陕北子长县和子洲县之间的三角洲平原聚煤中心煤层变化极有规律，厚度累计大于4m，从上三角洲平原—下三角洲平原—湖湾区，煤层厚度由薄变厚再变薄直至浅湖区尖灭（图2）。

图2 瓦窑堡煤系煤层累计等厚图

图3 中侏罗世早期延安组煤层累计厚度图

1—含煤岩系保存边界；2—煤层等厚线；3—厚度＞10m的区；4—厚度5～10m的区；5—厚度5～0.8m的区

1.3 侏罗系煤层的时空分布特征

侏罗纪含煤岩系是鄂尔多斯盆地中最重要的含煤岩系之一，由于其分布面积广，各地沉积环境不同，因而各地含煤性及聚煤作用的时空变化较大。盆地北缘和西缘含煤层层数多、分布面积广、横向较稳定、累计厚度大。而盆地南缘主要煤层厚度变化大，含煤性次于盆地北、西缘地区。其中延安组为主要含煤地层，富县组在局部地区有煤线或薄煤层。

延安组在盆地内最发育、分布最广、含煤性较好。在盆地北部横山、榆林、乌审旗、鄂托克旗、杭锦旗、东胜等地含煤3～27层，煤层总厚度达6～33m，局部可达40m以上。在盆地西部如马家滩、碎石井、磁窑堡、周家沟、王洼等地，延安组含煤6～26层，煤层平均总厚度18～33m，含煤系数为6%～12%。盆地南部，如华亭、彬县、焦坪等地含煤特点是煤层较少，一般1～10层，但煤层较厚，煤层总厚一般10～20m，最厚可达34m（图3）。

2 上古生界煤成气源岩演化与生气强度特征

2.1 气源岩地球化学特征

石炭—二叠系烃源岩主要是下二叠统山西组、太原组和上石炭统太原组一段及本溪组中所含的煤层、暗色泥岩和灰岩。

上古生界烃源岩有机质丰度较高。暗色泥岩有机碳含量一般为1%～2%，其中海陆交替沉积的上石炭统优于陆相沉积的下二叠统（表1）；氯仿沥青含 量 平 均 值 在 0.0378%～0.0964%之间；总烃含量为136.1～381.8g/t。煤的有机碳、氯仿沥青和总烃含量都较泥岩高的多（表1）。暗色泥岩和煤的烃/有机碳值都较低，小于2%，其中煤的更低，说明有机质向烃类的转化率较低，这是含煤地层所具有的特点。全盆地上古生界的暗色泥岩和煤所含有机质绝大多数为腐殖型，元素分析结果H/C 值一般＜0.8，平均值在0.6～0.7左右。鄂尔多斯盆地上古生界烃源岩皆达到成熟以上演化程度^[3]，并且具有南高北低的演化特点，其总体规律是：盆地南部吴旗、庆阳、延安、黄陵一带有机质演化程度最高，R_o＞2.5%，以这一地区为中心，向盆地边缘呈环带状逐渐降低（图4）。总体上盆地东部已经处于高-过成熟阶段，产干气为主。

图4 鄂尔多斯盆地上古生界煤系镜质组反射率（R_O）等值线图

（李克勤，1992）

表1 上古生界烃源岩地球化学特征表

2.2 生气强度分析

从气量上分析，上古生界烃源岩存在三个生气中心^[4]（图5、图6）。

（1）南部富县-延安-庆阳生气中心。形成时间早，印支早期开始成为有效供气区，印支-燕山期该地区沉降幅度大，有机质热演化速度快，是天然气的主要生成期。

（2）北部乌审旗生气中心。燕山早期逐步形成，燕山中晚期为天然气主要生成期，至今仍具有生气能力，是一个晚期形成、持续供气的地区。

（3）西缘生气中心。分布面积小，燕山晚期开始成为有效供气中心，晚白垩世末，源岩抬升幅度大，终止生气。

图5 侏罗系沉积后上古生界生气丰度及天然气运移方向图

1—生气中心；2—剥蚀区；3—等深线；4—断层；5—天然气运移方向

图6 现今上古生界生气丰度及天然气运移方向图

1—生气中心；2—剥蚀区；3—等深线；4—断层；5—天然气运移方向

3 储集层特征

鄂尔多斯盆地演化各阶段诸原型盆地于不同沉积环境下，形成了早古生代海相碳酸岩储集体、晚古生代海陆过渡相碎屑岩和碳酸盐岩储层体，它们经过成岩作用和构造叠加改造成为十分复杂的地质体，其四周被非渗透性的岩层所围限，从而形成各种形态和成因的低孔、低渗油气藏。

3.1 上古生界砂岩储层特征

鄂尔多斯盆地晚古生代经历了由晚石炭世—早二叠世早期的澙湖、障壁、潮坪和三角洲的陆表海盆地到早二叠世晚期开始的河流—三角洲发育的内陆湖泊的演变过程，形成了多类、良好的储集体，主要以孔隙型砂岩为主。主力产气层位于二叠系下石盒子组、山西组。气层、含气层主要分布在靠近气源的山₂、山₁及盒₉、盒₈段。

山西组和下石盒子组储集层的基本特征是一套低孔隙度、低渗透率的致密砂岩，岩性主要有石英砂岩、岩屑石英砂岩和岩屑砂岩。孔隙类型以粒间孔、晶间孔和粒间微孔为主，岩石缝和粒间缝是主要运移通道。按照盆地砂岩储集层类型和分类标准，上古生界储集层以Ⅲ、Ⅳ类为主，Ⅰ、Ⅱ类仅发育于盆地北缘和西缘。其中，北缘溶孔发育，而西缘则溶孔、粒间残余孔兼具，总体上来说上古生界储集层是以低孔渗、细喉道、非均质性强为特点。

3.2 鄂尔多斯盆地古生代生储盖组合

3.2.1 主要封盖层

（1）下古生界封盖层

①古风化壳封盖层。主要是以泥质岩为主，按其与古风化壳的配置关系可以分为区域封盖层、间接封盖层和直接封盖层。

区域封盖层：上古生界上石盒子组和石千峰组是一套横向稳定以湖泊相为主的砂泥岩沉积，其中上石盒子组泥质岩厚度为100～140m，石千峰组泥质厚度141～205m。两套地层的泥质岩分布广泛，横向连续，不仅是古风化壳气藏区域盖层，亦是上古生界气藏的理想盖层。

间接封盖层：指古风化壳上覆石炭系与山西组含煤碎屑岩和海相碳酸盐岩沉积，在盆地分布广泛，主要岩性为泥质岩、煤层和泥晶灰岩，是好的封盖层。

直接盖层：是石炭系下部的铁铝泥质岩、暗色泥岩和泥质粉砂岩。

②内幕封盖层。指奥陶系碳酸盐岩内部，由于海侵—海退引起的沉积层序变化或沉积相变化而导致储集岩上覆形成的致密碳酸盐岩和海相泥质岩、蒸发岩组成的封盖层。

（2）上古生界封盖层

上古生界封盖条件主要是前面提及的上石盒子组和石千峰组湖泊相泥岩作为区域封盖层，此外山西组、太原组和下石盒子组内部广泛发育的三角洲平原分流河间洼地、沼泽相泥质岩，亦是很好的局域封盖层。

（3）中生界封盖条件

河间洼地、平原湖沼相泥岩为主的岩层是中生界最好的盖层，自下而上依次有长₄₊₅浅湖相、湖沼相泥岩盖层、长₃顶—长₂下部的湖沼相、河间洼地相泥岩、砂质泥岩及延安组上部地层的平原河沼相泥岩、砂质泥岩和炭质泥岩为本区最佳盖层。

3.2.2 主要的储盖组合形式

根据生油层、储层与直接盖层的岩性组合关系可以将鄂尔多斯盆地油气藏划分为以下四种生储盖组合关系：

（1）自生自储型。自生自储型主要包括奥陶系碳酸盐岩自生自储组合，上古生界山西组、太原组、本溪组自生自储以及中生界延长组（尤以长₂、长₆为特征）的自生自储组合（图7a）。

（2）上生下储型。上古生界煤系烃源岩生成的天然气，向下穿层运聚，在其下方的古风化壳聚集的组合类型。在中生界含油组合中则主要是指以长₇泥岩为主力生油岩，以长₁₀-长₈三角洲分流河道砂岩为储集层的组合形式（图7 c）。

（3）下生上储型。主要反映石油、天然气由下部烃源岩生成，向上运移聚集的组合类型，例如马家沟组生成的天然气在古风化壳中的聚集，上古生界煤系生成的煤成气在顶部石盒子组的储集以及以延长组为主力烃源岩，最终运聚到侏罗系延安组的油气聚集类型（图7d）。

（4）混合运储型。以上几种的组合。

4 结论

（1）通过鄂尔多斯盆地三个重要成煤期煤的时空分布特点的研究，认为晚古生代聚煤盆地为大型陆表海盆地、大型稳定背景下的陆相盆地，煤的聚积主要发生在盆地的东北部、东部和西部，而盆地中部和南部煤层厚度薄、分布不稳定；三叠纪瓦窑堡煤系属于大陆盆地型沉积，沉积厚度北薄南厚、沉积粒度北粗南细，由于该时期地壳升降十分频繁，导致湖水进退频繁，而且进退的时间较短，从而造成煤层层数多，但缺少厚煤层；侏罗纪含煤岩系是鄂尔多斯盆地中最重要的含煤岩系之一，但盆地内部含煤性及聚煤作用的时空变化较大：盆地北缘和西缘含煤层层数多、分布面积广、横向较稳定、累计厚度大，而盆地南缘主要煤层厚度变化很大。三个时期的聚煤作用为煤成气源岩发育奠定了物质基础。

图7 奥陶系生储盖组合类型示意

（a）自生自储型；（b）混合运储型；（c）上生下储型；（d）下生上储型

（2）通过对煤成气源岩气源岩地球化学特征、生气能力研究，认为鄂尔多斯盆地具有三个生气中心：南部富县-延安-庆阳生气中心、北部乌审旗生气中心和西缘生气中心。

（3）研究了鄂尔多斯盆地煤成气成藏的地层封盖条件，在此基础上，得出了该盆地的封盖层的三种组合形式“自生自储型、上生下储型和下生上储型”的认识。

参考文献

[1]中国煤田地质总局著.1996.鄂尔多斯盆地聚煤规律及煤炭资源评价[M].北京：煤炭工业出版杜

[2]王双明，张玉平.1999.鄂尔多斯侏罗纪盆地形成演化和聚煤规律[J].地学前缘，Vol.6增刊：147～155

[3]李克勤主编.1992.中国石油地质志（卷十二）.北京：石油工业出版杜

[4]付少英，彭平安，张文正等.2002.鄂尔多斯盆地上古生界煤的生烃动力学研究[J].中国科学（D辑），32（10）：812～818