0 引言

随着常规油气资源的不断消耗，非常规煤系致密砂岩油气成为当前新的、最为现实的油气勘探、开发领域^[1]。世界各国均十分重视对煤系致密砂岩油气资源的勘探和开发。沁水盆地南部上古生界煤系地层蕴含着丰富的天然气资源，该地区无烟煤分布区已成为我国煤层气勘探开发的热点地区之一。沁水盆地煤系地层与临近的鄂尔多斯盆地具有类似的地质特征，具备形成致密砂岩气田（藏）的基本地质条件^[2]。如果能够在沁水盆地煤系地层实现煤层气和致密砂岩气共采，将会增加单井的天然气产能，加速天然气工业发展，同时带动区域经济。因此，该研究具有极为重要的理论意义和现实意义。

古构造对致密油气的聚集成藏具有明显的控制作用，如张凤奇等^[3]对鄂尔多斯盆地陕北W地区延长组油气成藏模式进行了研究，认为长1油气藏主要分布在古构造高点及有利相带部位；王延章等^[4]对断陷湖盆滩坝储层的研究表明，古构造对不同类型滩坝沉积体具有明显的控制作用；张银德等^[5]对鄂尔多斯盆地高桥平缓构造地区前石炭纪的岩溶古地貌进行了恢复，将该地区岩溶划分为岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶潜台3个二级古地貌单元，发现岩溶斜坡的成藏条件最好；郭正权等^[6]对鄂尔多斯盆地南部地区前侏罗系古构造进行了恢复，研究结果表明，古构造斜坡带上的坡嘴、阶地及潜丘地貌均是延长组下部油气藏聚集的有利场所。

沁水盆地上古生界煤系致密砂岩储层具有单层砂体厚度较小、储层非均质性强及天然气富集程度差异大的特点，这些因素使致密砂岩气的勘探难度加大。同时，对于该地区的古构造格局，目前尚未开展系统研究。由于古构造的高点通常为油气长期运移和聚集的有利低势区，因此，通过对关键构造演化时期的古构造进行恢复，可以为油气勘探工作的深入开展指明方向。本文以沁水盆地南部地区为例，基于该地区丰富的钻井、录井、测井等资料，主要采用声波时差法对该地区几个关键构造演化期的剥蚀量进行计算，利用回剥技术对单井埋藏史进行恢复，最终对该地区关键构造演化期的古构造进行恢复，并对各时期的古构造单元进行划分，指明该地区上古生界煤系致密砂岩气在未来的勘探方向。

1 研究区概况

沁水盆地是一个残留型盆地，位于山西省南部，四周被隆起所限，其东部为太行山隆起，西部为吕梁山隆起，南部为中条山隆起，北部为五台山隆起，面积约为3.6万km²。地层从下到上依次为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系及第四系。其中，下二叠统太原组、山西组及下石盒子组共发育多套煤系地层。研究区位于沁水盆地南部地区，主要涵盖郑庄区块及樊庄区块（图 1）。

区内有煤层气评价井55口，其井位平面分布较为均匀，覆盖全区。各单井的钻井、录井及测井等方面资料齐全。同时，主要采用的测井曲线有自然伽马（GR）、密度（DEN）及声波时差（AC）。这些资料能够代表古构造恢复的整体情况。气测录井及老井复查结果显示，煤系地层中致密砂岩段的气测异常现象极为普遍，该地区煤系具有巨大的致密砂岩气勘探潜力。

2 不整合面剥蚀量计算方法

古构造恢复首先应进行地层剥蚀量计算，常用的计算方法有镜质体反射率方法、声波时差方法、地震法、沉积速率法、包裹体法及宇宙成因核素法等^[7]。不同方法在具体应用过程中，具有不同的适用条件。沁水盆地南部地区上古生界地层经历了多期次强剥蚀及强改造，累积剥蚀厚度大，这是该地区最为显著的地质特征。基于研究区特殊的构造演化特征及大量钻井分布，发现镜质体反射率法和声波时差法最适用于该地区地层剥蚀量的计算。

2.1 镜质体反射率（R_o）法

地层R_o值除了受地层埋藏时间及有机质类型的影响，同时与地层埋藏温度也具有密切的联系。因此，利用地层R_o数据获取其在地质历史时期的最大温度（T_peak），通过与现今地层温度进行对比，进而计算地层的剥蚀量。

林玉祥等^[7]利用镜质体反射率法计算了该地区的地层剥蚀量。该数据显示，沁水盆地南部地区自三叠纪以来剥蚀量较大，累计剥蚀厚度为2 004.8~ 2 524.7 m，主要剥蚀时期为晚白垩世至新近纪，累积剥蚀厚度可达2 000 m，而晚三叠世至早侏罗世，地层剥蚀量一般小于1 000 m（表 1）。

2.2 声波时差曲线法 2.2.1 基本原理

在正常压实条件下，泥页岩沉积地层的岩石孔隙度会随着埋深的增加而呈现指数趋势递减，而对于固结地层，岩石孔隙度与声波时差之间具有正线性相关性。因此，声波时差与地层埋深在半对数坐标系中也具有线性相关关系，可用下式表征^[8]：

$ \Delta t=\Delta {{t}_{0}}{{\text{e}}^{-CH}} $

(1)

式中：H为埋深，m；Δt为泥岩声波时差，μs/m；Δt₀为外推至地表的地层岩石声波时差，μs/m；C为正常压实率，m^-1。

碎屑岩地层的Δt₀理论值为620~650 μs/m ^[9]，针对具体地区，可将正常压实曲线外推至地表求取。对于存在剥蚀的地区，不整合面之上沉积物的厚度小于剥蚀厚度时，由于地层沉积的不可逆性，不整合面之下泥岩的压实情况基本不发生变化。因此，可将不整合面之下泥岩地层的声波时差与深度数据进行拟合，构建一条标准指数型压实曲线，即 H = A ln(Δt) + B ^[9]，式中A、B通过拟合获得。将该曲线外延至Δt = Δt₀处（古地表），古地表与不整合面之间的距离即为地层剥蚀厚度（H）。

应用该方法需满足一定适用条件，具体可根据不整合面上下新老地层的压实规律归纳为以下几种情况^[9]：①如果新老地层的压实率（C）是相等的，新地层的沉积厚度需小于剥蚀厚度，该方法才适用。②如果新老地层的压实率存在差异，可细分为4种情况：①如果新地层的压实率小于老地层，此时不整合面以下（老）地层的压实规律未被改变，当新地层的沉积厚度小于剥蚀厚度时。②新地层的压实率同样小于老地层，当新地层的沉积厚度大于剥蚀厚度时。③如果新地层的压实率大于老地层，当新地层对老地层的压力小于被剥蚀地层对老地层的压力时，该方法适用以上3种情况。④新地层的压实率大于老地层，但当老地层存在欠压实时（即老地层压实曲线位于新地层压实曲线的右侧），这种情况该方法不适用。沁水盆地南部地区经历了多期次的强剥蚀，剥蚀厚度大，上覆沉积地层厚度远远小于地层剥蚀厚度，该方法的适用性好。

2.2.2 计算步骤及结果

提取各单井测井泥岩声波时差值并进行曲线拟合。在泥岩段的甄选过程中遵循以下原则：①尽量选取纯泥岩段，避免其它岩性的干扰^[10-11]；②单层泥岩厚度要大于2 m，避免薄泥岩层段，保证数据的可靠性；③泥岩段读值点在纵向上分布尽量均匀，尽量多选取数据点，以保证拟合曲线的代表性。

根据声波时差适用原则，做出不整合面上、下的声波时差和深度曲线，构建不整合面上下的声波时差-深度拟合曲线，求取地层剥蚀厚度。以ZS33井为例，计算晚三叠世地层剥蚀量为3 000 m（图 2），从拟合曲线的相关系数为0.93，拟合效果非常好，计算结果可靠。尽管该方法采用的测井声波时差为动态值，所计算的剥蚀量值也代表一种动态结果，但其剥蚀量变化趋势仍可判定该地区地层剥蚀量的相对大小。

2.3 主要不整合面剥蚀量（趋势）分布 2.3.1 燕山早期（J₁—J₂）地层剥蚀趋势

燕山早期，华北板块受太平洋板块及印度板块的联合俯冲作用，在区内形成以NW—SE向为主的挤压应力场环境^[12]，主要形成NE向断裂，如寺头断裂及后城腰断裂，褶皱的形迹也以NE向为主，这就造成区内强剥蚀中心也沿着NE—SW向展布[图 3（a1）]。该时期地层以整体隆升为主，隆升幅度受基底及挤压变形的综合影响。从剥蚀趋势恢复结果来看，受燕山早期运动的影响，区内剥蚀趋势在平面上分布不均，四周及中部局部地区的剥蚀量相对较大，具有多个强剥蚀中心，该时期地层剥蚀量在300 m以内[图 3（a1）]。

2.3.2 燕山晚期（J₃—K₁）地层剥蚀趋势

燕山晚期沁水盆地所处的挤压应力环境明显减弱，局部地区处于一种弱伸展应力环境，地层处于隆升剥蚀状态^[13]。研究区内的剥蚀量较小，在150 m以内[图 3（a2）]。剥蚀趋势与燕山早期基本类似，呈北东向，表明构造演化具有继承性。该时期盆地内部构造迹线以NE—NNE向为主，伴生一系列平行展布的雁列式褶皱和断层^[14]。

2.3.3 喜马拉雅中期（E—N）地层剥蚀趋势

喜马拉雅中期之后，盆地持续隆升，地层遭受强烈剥蚀。该区地层剥蚀量明显增加，在1 500 m以内，剥蚀范围进一步扩大，蚀趋势线呈北东向[图 3（a3）]。

3 古构造恢复 3.1 埋藏史恢复

古构造恢复首先要建立正常压实状态下不同岩性岩石孔隙度与深度之间的关系，在计算过程中要消除特殊地质事件的影响，如剥蚀及断层等因素^[15]。砂岩和泥岩地层的原始孔隙度存在差异，在埋藏过程中的压实系数也不同，因此，每口井都以泥岩所在深度和对应的声波时差进行划分，建立沁水盆地南部地区泥岩埋深-声波时差关系。根据威利公式^[16] [式（2）]将各个深度的泥岩声波时差值换算成孔隙度值，求取泥岩地层孔隙度与埋深之间的关系。研究区砂岩骨架的声波时差为182.1 μs/m，泥岩骨架的声波时差为197.8 μs/m。

$ \varphi =(\Delta t-\text{ }\Delta {{t}_{\text{ma}}})/(\Delta {{t}_{\text{f}}}-\Delta {{t}_{\text{ma}}}) $

(2)

式中：φ为岩石孔隙度，%；Δt为泥岩声波时差，μs/m；Δt_ma为岩石骨架声波时差，μs/m；Δt_f为流体声波时差，μs/m。

古埋深的恢复采用回剥技术，它是一种采用反演方法来定量恢复地层沉降史的分析方法，随着地层埋深的增加，相应地层负荷逐渐增加，岩石孔隙度逐渐降低。通过逐次回剥，恢复出地层在各个时期的古厚度及古埋深。该方法遵循质量守恒法则及沉积压实原理^[17]。

采用回剥技术对图 1中各评价井均进行了埋藏史恢复，研究区不同区域单井的埋藏史具有类似的变化特征，主要表现为三叠系的快速沉积和随后的多次强烈剥蚀^[18]（图 4）。同一区域在不同构造活动期的活动强度差异较大；同时，同一构造运动在盆地内部不同部位也表现出构造活动强度的差异性^[19-20]。

3.2 古构造特征及分布

通过恢复研究区在不同时期的剥蚀量，同时对地层进行了去压实校正，结合研究区的构造演化史，利用Petromod 10软件进行多次模拟，最优最佳模拟结果。最终分别恢复了研究区下二叠统山西组顶面在燕山早期、燕山晚期以及喜马拉雅中期的古构造。

燕山早期时下二叠统山西组具有“多隆多坳”的古地貌特征。该时期研究区主要受来自于NW—SE方向为主的强挤压应力影响，上二叠统地层挤压变形强烈，形成一些逆冲断层，隆坳格局十分显著（图 5）。

研究区以整体隆升剥蚀为典型特征。山西组顶面在各个时期的古构造面貌格局变化较小，古隆起多具有继承性发育及分布范围广的特征[图 3（b）]。在燕山早期，受强挤压应力环境的影响，区内隆坳格局较为显著；在燕山晚期及喜马拉雅期，随着应力环境的减弱，古隆起形态逐渐变得宽缓，向斜变得窄闭。这与该地区上古生界地层现今构造特征类似。

3.2.1 燕山早期（J₁—J₂）山西组顶面古构造

寺头断裂是研究区内最大的一条边界断裂（二级断裂），形成于燕山早期。将该断层标记到山西组在各关键构造演化时期的顶面上，可以看出，寺头断裂穿过多个不同类型构造单元的交接部位，断裂两侧构造单元组合为隆起-坳陷、坳陷-坳陷及隆起-斜坡（图 6），这些部位断裂最为发育，这也从侧面反映出古构造恢复结果的可信度较高。

在燕山早期，燕山运动的挤压应力强烈，古隆起多比较尖锐，逆冲断裂大量形成；燕山晚期古隆起形态与早期差别不大；在喜马拉雅中期，部分古隆起逐渐开始变得宽缓，出现“平夷化”现象。

受燕山运动的影响，沁水盆地南部在燕山早期表现为整体抬升。根据古构造恢复结果，研究区南部的隆升幅度较大，断裂活动较强[图 6（a）]。中部和南部地区为隆起区，则主要分布在研究区的北部和西部地区为坳陷区，二者之间为斜坡区。

3.2.2 燕山晚期（J₃—K₁）山西组顶面古构造

沁水盆地南部地区的隆升剥蚀具有同步性发展的特征，燕山晚期山西组顶面的古构造形态与燕山早期差别不大。在该时期，中部和南部山西组顶面埋深为1 000~1 600 m，北部和西部埋深均较大，为2 400~3 050 m[图 6（b）]。随着剥蚀作用的进行，上覆地层逐渐减薄，相对隆起区的范围逐渐扩大，表现为在前述隆起区逐渐向周围发展或扩散。

3.2.3 喜马拉雅中期（E—N）山西组顶面古构造

喜马拉雅中期，沁水盆地南部地区持续发生隆升剥蚀，山西组顶面古构造格局与前面几个时期类似，地势表现为中部和南部高，北部和西部低的变化趋势[图 6（c）]。到了喜马拉雅晚期，地层急剧减薄，隆起区分布范围进一步扩大。

4 古构造划分及油气意义

沁水盆地南部最典型的特征就是强剥蚀和强改造。在燕山期和喜山期多期次的构造演化过程中，古隆起具有继承发育的特征。

根据已有成果^[1-2]，在燕山早期（J₁—J₂），沁水盆地南部处于强生烃期（第一生烃期），该时期的排烃量占中生代总排烃量的35%。排烃中心位于紧邻研究区2个区块的南部广大区域（又称“晋城中心”）。因此，研究区内南部的古隆起对该地区下二叠统煤系致密砂岩气极为有利的的聚集区。

在燕山晚期（J₃—K₁），沁水盆地南部处于第二生烃期（主生烃期），该时期排烃量约占中生代总排烃量的65%，游离气主要来源于煤岩和泥岩，两者比例约为5:1。因此，沁水盆地南部地区以二次生气为主。研究区南部强生烃区持续生烃并源源不断的向外排出，在这种情况下，随着研究区范围内古隆起分布区域的扩大，中部和南部隆起区最有利于天然气的优先充注和富集。

在喜马拉雅期中期（E—N）古构造格架对研究区油气分布的影响程度最大，古隆起分布格局会影响之前形成的致密砂岩气藏的再调整，在古构造高点形成致密砂岩气的“甜点”分布区。

喜马拉雅中期（E—N）距离2次生烃期的时间最近是该地区古构造演化的一个关键时期。在此之后，盆地内部未再出现强烈的构造挤压变形作用，主要形成一些小规模的四级走滑断裂。在喜马拉雅中期，随着剥蚀的强烈进行，下二叠统煤系致密砂岩储层物性得到显著改善；同时，区域性张性裂缝（有效缝）系统得以最终形成，且裂缝的有效性好。因此，喜马拉雅中期古构造格局对研究区煤系致密砂岩储层甜点区预测具有最为重要的影响。

在上述基础上，对该地区下二叠统在喜马拉雅中期的古构造单元进行划分。由于研究区对于整个沁水盆地而言区域较小，因此，该古构造单元划分只是基于该地区的古构造格局及地层厚度变化。最终，将研究区古构造单位划分为相对隆起带、相对斜坡带及相对坳陷带（图 7）。相对隆起带的地层埋深较小，地层厚度通常大于地层平均厚度的一半；相对坳陷带的地层埋深较大，地层厚度通常小于地层的平均厚度；相对斜坡带则是介于相对隆起带和相对坳陷带的过渡地带。从地质背景来看，该地区具有从南向北逐渐隆升的趋势。相对隆起带对煤系致密砂岩气的聚集最为有利，相对斜坡带为天然气运聚的“必经之地”，对致密砂岩气的聚集较为有利。在该地区下二叠统煤系致密砂岩气勘探中，相对隆起带应成为下一步勘探的重点。

5 结论

（1）晚三叠世印支运动以来，沁水盆地南部表现为整体隆升剥蚀，强剥蚀中心多沿着NE—SW方向分布。同一区域在不同构造活动期的活动强度差异较大；同一构造运动在不同部位表现出构造活动强度的不同。

（2）燕山早期（J₁—J₂），沁水盆地南部上二叠统地层挤压变形强烈，古构造表现出“多隆多坳”特征；燕山晚期（J₃—K₁）的古隆起形态与燕山早期具有继承性；喜马拉雅中期（E—N），部分古隆起逐渐开始变得宽缓，出现“平夷化”现象，构造形态表现为“背斜宽缓，向斜紧闭”。

（3）沁水盆地南部在喜马拉雅中期（E—N）的古构造单元可划分为相对隆起带、相对斜坡带及相对坳陷带。下一步在对该地区下二叠统煤系致密砂岩气勘探时，应重点对相对隆起带进行勘探。