胡小林, 尹書岑, 劉蘇瑤, 陳家琳, 楊曉盈, 吳 圣
( 1. 貴州天然氣能源投資股份有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081; 2. 重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 107地質(zhì)隊(duì),重慶 401120; 3. 貴州省天然氣工程技術(shù)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081 )
近年來,隨致密砂巖氣、頁(yè)巖氣和煤層氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)技術(shù)的突破,貴州地區(qū)油氣勘探開發(fā)進(jìn)入全新局面。根據(jù)資源評(píng)價(jià)結(jié)果,貴州省煤層氣資源豐富,上二疊統(tǒng)煤層氣地質(zhì)資源量達(dá)3.056×1012m3,居全國(guó)第三,平均資源豐度為1.120×108m3/km2[1],具有巨大的勘探開發(fā)潛力。
煤層氣為一種自生自儲(chǔ)型非常規(guī)天然氣資源,主要以吸附狀態(tài)賦存在煤基質(zhì)內(nèi)的大量微納米孔隙中[2-3],儲(chǔ)層具有雙重介質(zhì)特征[4-6]。煤層的比表面積決定吸附能力和含氣性[7],熱演化程度影響煤儲(chǔ)層吸附性。湯達(dá)禎等*湯達(dá)禎,桑樹勛。煤儲(chǔ)層物性非均質(zhì)性及控制機(jī)理。重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目研究報(bào)告(編號(hào):2002CB211702)。、王蒙等[8]通過測(cè)試分析發(fā)現(xiàn),隨煤儲(chǔ)層變質(zhì)程度增高,比表面積(吸附能力)先減小再增大,最小值在Ro為2.5%~2.7%處;宋巖等[9]分析平衡水煤樣蘭氏體積與變質(zhì)程度的關(guān)系,隨Ro增大,煤層蘭氏體積先增大后減小,拐點(diǎn)在Ro為4.0%處;丁安徐等[10]研究織金地區(qū)煤儲(chǔ)層吸附特性,當(dāng)Ro為3.0%~4.0%時(shí),蘭氏壓力隨Ro增加而增大,兩者呈正相關(guān)關(guān)系。由于受地質(zhì)構(gòu)造、水動(dòng)力條件和封閉條件的綜合作用,大多數(shù)煤層氣藏具有明顯的向斜控氣規(guī)律,即從向斜邊緣往向斜核部,隨埋深增大,煤層含氣量逐漸增高[11-15]。
人們研究貴州含煤盆地控氣地質(zhì)規(guī)律,認(rèn)為煤層含氣量與有機(jī)質(zhì)含量、煤化程度、灰分產(chǎn)率、顯微組分和頂?shù)装宓扔嘘P(guān)[14,16-18]。顧成亮等[19]認(rèn)為,構(gòu)造轉(zhuǎn)折端或次級(jí)褶曲構(gòu)造發(fā)育部位有利于煤層氣保存;徐會(huì)軍等[20]認(rèn)為煤層氣在寬緩平坦的向斜翼部更為富集。貴州西部煤層氣勘探程度較低且地質(zhì)條件復(fù)雜,有關(guān)煤層氣富集規(guī)律和機(jī)理研究較為薄弱,構(gòu)造條件、位置和熱演化程度等對(duì)煤層氣的影響存在爭(zhēng)議,不能有效指導(dǎo)煤層氣的勘探開發(fā)。
在JP區(qū)塊前期煤層氣地質(zhì)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上,利用區(qū)塊地質(zhì)勘查資料,包括37口地質(zhì)勘探鉆孔資料及497項(xiàng)次取心樣品分析化驗(yàn)結(jié)果(顯微組分、工業(yè)組分、高位熱量、煤層氣組分及其含量、煤層鏡質(zhì)體最大反射率等),分析煤儲(chǔ)層物化特征,研究JP區(qū)塊構(gòu)造條件(斷層和構(gòu)造改造強(qiáng)度等)、煤層埋深、煤層的工業(yè)組分、煤體的熱演化程度等要素對(duì)煤層含氣性的控制機(jī)理。同時(shí),將煤層產(chǎn)狀與含氣規(guī)律結(jié)合,分析圍巖組合類型和構(gòu)造應(yīng)力釋放方式對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的影響,為黔北地區(qū)煤層氣的下一步勘探及區(qū)域煤層氣“甜點(diǎn)”優(yōu)選提供指導(dǎo)。
研究區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)的南西端,主體構(gòu)造為JP向斜,區(qū)劃上位于黔北煤田西南部。區(qū)塊構(gòu)造為一個(gè)北北東—南北向不對(duì)稱向斜,其南北兩翼構(gòu)造特征差異明顯,西北翼緩、東南翼陡(見圖1)。西北翼巖層傾角為15°~31°,平均為20°,構(gòu)造簡(jiǎn)單,斷層及次級(jí)褶皺構(gòu)造不發(fā)育,僅發(fā)育一小型正斷層;東南翼巖層傾角為25°~80°,多在40°以上,沿煤系露頭斷層發(fā)育,以走向正斷層為主,規(guī)模較大。西北翼埋深變化平穩(wěn),埋深多在400.00~1 000.00 m之間;東南翼埋深向核部急劇加深,向斜核部埋深多大于1 500.00 m。
圖1 JP區(qū)塊構(gòu)造形態(tài)及鉆孔位置Fig.1 The structure shape and geological drilling location of JP block
龍?zhí)督M為研究區(qū)目的含煤地層,為一套海陸交互相含煤沉積,由灰、深灰色粉—細(xì)砂巖、粉砂—泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤及少量灰?guī)r等組成,厚度為196.00~366.00 m,平均為230.00 m。含煤層(線)17~39層,煤層(線)總厚度為10.23~28.02 m,平均為17.13 m,厚度大,東北部偏高,西南部偏低。含煤因數(shù)為4.51%~10.47%,平均為7.32%。下伏地層為峨眉山玄武巖組,發(fā)育黑灰色玄武巖;上覆長(zhǎng)興—大隆組和飛仙關(guān)組地層(見圖2)。根據(jù)貴州省晚二疊世沉積格局[21],龍?zhí)?吳家坪)早期為海侵期,龍?zhí)?吳家坪)晚期為海退期(也是煤層主要沉積時(shí)期和主力煤層發(fā)育階段),長(zhǎng)興期為新一輪海侵。
圖2 研究區(qū)地層綜合柱狀圖Fig.2 The schematic diagram of stratigraphic column of research area
根據(jù)各巖性段煤層分布集中程度,將煤系地層劃分為上、中、下三套開發(fā)層系,與沉積演化對(duì)應(yīng),其中上煤組(M1—M10)含煤性和煤層集中程度最高,下煤組次之,中煤組含煤性差且煤層分散,多呈煤線產(chǎn)出(見表1)。上煤組的M5、M6、M6下煤層分布最為穩(wěn)定,厚度最大,平均厚度分別為2.31、2.79、1.28 m。
表1 研究區(qū)主要煤層發(fā)育特征
在煤層氣的開采過程中,需要對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂,如果煤層破碎或?yàn)榉勖?,則對(duì)孔隙、裂縫等造成堵塞,影響煤層氣產(chǎn)量。貴州西北部地區(qū)地史上經(jīng)歷高構(gòu)造應(yīng)力作用,煤層具有性脆質(zhì)軟的特征,易被構(gòu)造破壞原生結(jié)構(gòu)。煤層及圍巖的組合形式、構(gòu)造應(yīng)力的釋放方式?jīng)Q定煤儲(chǔ)層原生結(jié)構(gòu)的保存程度。
統(tǒng)計(jì)研究區(qū)205個(gè)煤層樣品的煤體結(jié)構(gòu)(見表2),上、中、下煤組煤體結(jié)構(gòu)以塊狀為主,塊煤和粉煤分布約占總數(shù)的90%和10%,煤層原生結(jié)構(gòu)被構(gòu)造破壞不大。主力煤層宏觀上以半暗—半亮型為主,為參差狀斷口,似金屬光澤,內(nèi)生裂隙發(fā)育。上煤組原生結(jié)構(gòu)保存程度不及下煤組的,前者塊煤占比在90%以下,后者塊煤占比在95%以上,原生性更好。作為主力煤層段的上煤組,東南翼塊煤發(fā)育率為89.8%,粉煤發(fā)育率為9.1%;西北翼塊煤發(fā)育率為70.6%,粉煤發(fā)育率為29.4%。東南翼上煤組煤層煤體結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于西北翼的,由于東南翼發(fā)育邊界斷層,為研究區(qū)的構(gòu)造高應(yīng)力提供釋放條件,減緩內(nèi)部煤層受到的擠壓(見圖1);西北翼缺少應(yīng)力釋放條件,受構(gòu)造作用破壞更強(qiáng),順層的構(gòu)造應(yīng)力得不到釋放而在局部集中,引起煤層內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的破碎和蠕動(dòng),形成構(gòu)造煤。
表2 研究區(qū)煤層煤體結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)
垂向上,上煤組原生結(jié)構(gòu)保存程度明顯不及中、下煤組的,與其煤層發(fā)育組合特征有關(guān)。上煤組煤層總厚度為2.54~23.06 m,平均厚度為8.97 m,含煤率為9.65%;中、下煤組煤層總厚度為0.65~11.84 m,平均厚度為3.24 m,含煤率為2.49%。與中、下煤組相比,上煤組煤層單層厚度和總厚度更大,煤層發(fā)育相對(duì)更集中(見表1),總體含煤性更高。根據(jù)各煤組巖性組合及應(yīng)力(見圖3),由于煤層塑性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤系地層的碎屑類巖石(圍巖)的,相對(duì)更富煤的上煤組抗構(gòu)造應(yīng)力破壞能力低于相對(duì)貧煤的下煤組的,因此煤巖結(jié)構(gòu)更差。在貴州西部多個(gè)含煤向斜中,如比德—三塘向斜、大河邊向斜、以支塘向斜等,不同巖性組合煤層的煤巖受同一順層構(gòu)造應(yīng)力破壞程度往往不同,厚煤層或厚煤層組一般發(fā)育或部分發(fā)育粉煤,而薄煤層往往煤體結(jié)構(gòu)保存完整。
圖3 研究區(qū)上、中、下煤組巖性組合模型和應(yīng)力示意
根據(jù)煤巖鑒定資料,研究區(qū)煤顯微有機(jī)組分分為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組兩類,各主力煤層有機(jī)組分在顯微組分中占69.77%~88.80%,平均為79.29%。其中鏡質(zhì)組占顯微有機(jī)組分總量的14.40%~79.37%,平均為61.45%,惰質(zhì)組占顯微有機(jī)組分總量的20.63%~60.00%,平均為35.98%。無機(jī)組分占顯微組分總量的11.20%~30.23%,平均為20.71%。無機(jī)組分主要以黏土礦物為主(平均為16%),黃鐵礦次之,含少量碳酸鹽巖礦物??傮w上,煤儲(chǔ)層鏡質(zhì)組含量中等,屬于中等生氣類型。根據(jù)煤層生烴模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果[22],JP區(qū)塊的煤巖組分按照演化至現(xiàn)今的無煙煤三號(hào)的生烴強(qiáng)度可達(dá)288~366 m3/t,具備煤層氣成藏的物質(zhì)條件。
煤層鏡質(zhì)體最大反射率(Romax)為2.79%~3.88%,平均為3.08%,屬于無煙煤三號(hào)。根據(jù)有機(jī)質(zhì)生烴理論,Romax可顯示煤層的熱演化程度,且具有不可逆特征,反映煤層地史的最高地溫和最大埋深。根據(jù)煤層鏡質(zhì)體最大反射率垂向分布(見圖4),隨埋深加大,Romax穩(wěn)定增大,相關(guān)關(guān)系很好。自燕山運(yùn)動(dòng)以來,研究區(qū)處于持續(xù)抬升階段,熱演化基本停止,即Romax不再增大。這說明向斜構(gòu)造形態(tài)在燕山運(yùn)動(dòng)大規(guī)模褶皺抬升前就已經(jīng)形成雛形,引起Romax隨向斜構(gòu)造位置和埋深的規(guī)律性變化。
圖4 研究區(qū)煤層鏡質(zhì)體最大反射率與埋深關(guān)系Fig.4 The relationship between Romax and depth of coal of research area
研究區(qū)煤層氣體組分較好,以甲烷為主,甲烷(CH4)組分體積分?jǐn)?shù)最高為99.07%(M6),平均為78.25%;重?zé)N組分(C2+)體積分?jǐn)?shù)最高為1.00%(M8),最低為0.02%(M10),平均為0.15%;二氧化碳(CO2)組分體積分?jǐn)?shù)最高為6.31%(M6下),最低為0.01%(M33),平均為0.90%。
根據(jù)甲烷體積分?jǐn)?shù)與煤層埋深關(guān)系(見圖5(a)),煤層氣組分中甲烷體積分?jǐn)?shù)多在80%以上,屬于富甲烷帶,隨埋深的變化而變差。這主要有兩方面的原因:(1)煤層氣的保存條件受地質(zhì)構(gòu)造、水文、煤巖組分等因素影響;(2)與煤礦瓦斯分析精度和技術(shù)有關(guān)(如鉆孔巖心取氣樣操作不規(guī)范、混入空氣等),黔北地區(qū)煤層氣地面鉆井取心分析數(shù)據(jù)顯示,煤層氣組分中甲烷體積分?jǐn)?shù)在90%以上。
圖5 研究區(qū)煤層氣甲烷體積分?jǐn)?shù)、含氣量與埋深關(guān)系Fig.5 The relationship between methane volume percentage, gas content and depth of coal of research area
研究區(qū)煤層含氣量多在8.00 m3/t以上,屬于普遍含氣的高瓦斯煤層(符合黔北地區(qū)的總體特征)。主要煤層含氣量最大為25.32 m3/t,平均為12.17 m3/t。其中M5、M6為主力煤層,含氣量為8.00~25.00 m3/t,自東南向西北,研究區(qū)煤層含氣量呈增大趨勢(shì)。M6下煤層瓦斯含氣量一般大于8.00 m3/t,從兩翼往中部,瓦斯含氣量也呈增大趨勢(shì)。
煤層氣不同于常規(guī)油氣藏,氣體中絕大部分(90%以上)賦存狀態(tài)為吸附態(tài)。煤層氣埋深相對(duì)較淺,易散失,并受地表水及微生物破壞,相同構(gòu)造背景下,深部煤層具有相對(duì)更穩(wěn)定的水文條件。根據(jù)蘭繆爾方程[23],煤層吸附氣量隨地層壓力增大而增大,煤層氣藏一般具有向斜控氣的規(guī)律。
隨研究區(qū)煤層埋深增加,甲烷體積分?jǐn)?shù)和含氣量總體上逐漸增大(見圖5),西北翼、東南翼煤層埋深與含氣量呈正相關(guān)關(guān)系。由于煤層含氣量還受煤巖組分、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、熱演化程度等因素影響,關(guān)系較為發(fā)散。西北翼數(shù)據(jù)點(diǎn)較東南翼的右移,說明整體上西北翼甲烷含氣量更高。
根據(jù)各主要煤層的含氣量和甲烷含氣量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見圖6),上煤組各煤層平均含氣量總體上低于中、下煤組的(M30煤層灰分含氣量高除外),即下部層位的含氣量要高于上部層位的。甲烷含氣量具有相同規(guī)律,表明煤層的含氣量分布符合向斜控氣原理,水文封閉程度和煤層氣吸附能力控制煤層氣的分布。
通常情況下,煤層的工業(yè)組分對(duì)含氣量有控制作用[24]。根據(jù)研究區(qū)煤層含氣量與灰分產(chǎn)率的關(guān)系(見圖7),煤層的灰分產(chǎn)率分布范圍為12.0%~35.0%,受多種因素影響,灰分產(chǎn)率與煤層含氣量關(guān)系很差,無明顯相關(guān)關(guān)系。
圖6 研究區(qū)各主要煤層甲烷含氣量和總含氣量分布Fig.6 The distribution of gas and methane content in main coal seams of research area
根據(jù)煤巖有機(jī)組分體積分?jǐn)?shù)與甲烷含氣量關(guān)系(見圖8),鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)(去礦物基)與煤層含氣量關(guān)系較差,基本無對(duì)應(yīng)關(guān)系,與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)有差別;惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)(去礦物基)與煤層含氣量有較好的正相關(guān)關(guān)系。因此,惰質(zhì)組在煤層的生氣過程中具有重要作用,一定程度上有利于煤層氣的吸附和保存。
圖7 研究區(qū)煤層灰分產(chǎn)率與總含氣量關(guān)系Fig.7 The corresponding relationship between ash yield and gas content of coal of research area
圖8 研究區(qū)煤層有機(jī)組分體積分?jǐn)?shù)與甲烷含氣量關(guān)系
Fig.8 The relationship between vitrinite, inertinite and gas content of coal of research area
高位熱量(Qgr)表示單位質(zhì)量煤巖燃燒的熱值,取決于煤層有機(jī)質(zhì)含量和煤體質(zhì)量。根據(jù)高位熱量與煤層甲烷含氣量、總含氣量的關(guān)系(見圖9),甲烷含氣量和總含氣量隨高位熱量和總有機(jī)質(zhì)的增多而逐漸增大。由于煤層的可燃燒物也是煤層的生烴物質(zhì),因此高位熱量也間接反映煤層生成甲烷和烴類氣體的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量基礎(chǔ)。
圖9 研究區(qū)煤巖高位熱量與甲烷含氣量、總含氣量關(guān)系Fig.9 The relationship between high quantity of heat and gas, methane content of coal of research area
研究區(qū)煤層鏡質(zhì)組最大反射率在4.00%(蘭氏體積演化拐點(diǎn))以下,多為2.17% ~3.49%,其含氣量受煤階的控制明顯。根據(jù)鏡質(zhì)組最大反射率與甲烷含氣量、總含氣量的關(guān)系(見圖10),在瓦斯帶內(nèi),上煤組各煤層的含氣量與熱演化程度呈正相關(guān)關(guān)系,即隨熱演化程度增高,煤層甲烷含氣量和總含氣量逐漸增大。在演化過程中,煤層割理和基質(zhì)納米孔增多,總孔容和比表面積逐漸增大,導(dǎo)致煤層吸附能力增加,與宋巖的研究成果[9]基本一致。
圖10 研究區(qū)鏡質(zhì)組最大反射率與甲烷含氣量、總含氣量關(guān)系Fig.10 The relationship between Romax and methane, gas content of coal of research area
揮發(fā)分產(chǎn)率與煤層含氣量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(見圖11),即隨煤層揮發(fā)分產(chǎn)率的增加,煤層有機(jī)質(zhì)熱演化程度逐漸降低,其含氣量也逐漸減少。
圖11 研究區(qū)煤層揮發(fā)分產(chǎn)率與鏡質(zhì)組最大反射率、含氣量關(guān)系Fig.11 The relationship between volatile yield and gas content of coal of research area
JP區(qū)塊為貴州西北部高地應(yīng)力區(qū)的一個(gè)隔擋式向斜,構(gòu)造形態(tài)不對(duì)稱,西北翼寬緩,東南翼窄陡。這種構(gòu)造發(fā)育特征造成研究區(qū)煤層氣保存條件和水文地質(zhì)的平面不均衡性,形成煤層氣含量的南北分布差異。
為對(duì)比西北翼和東南翼煤層含氣量與地層傾角的關(guān)系,統(tǒng)計(jì)研究區(qū)37個(gè)鉆孔的實(shí)測(cè)地層傾角(其中20個(gè)鉆孔具有瓦斯解吸數(shù)據(jù)),煤層甲烷含氣量與鉆孔處的地層傾角有較好負(fù)相關(guān)關(guān)系,即隨地層傾角的增大,煤層的甲烷含氣量逐漸降低。西北翼地層傾角明顯小于東南翼的,甲烷體積分?jǐn)?shù)也比東南翼的高10%左右(見圖12(a))。說明隨地層傾角的增大,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)更強(qiáng),煤層的保存條件和封閉性相對(duì)更差,煤層氣相對(duì)更易散失。由于受大氣水的作用,煤層氣中易混入非烴組分,其甲烷含氣量相對(duì)更低。研究區(qū)煤層甲烷含氣量與平均傾角之間也存在相同關(guān)系(見圖12(b)),即隨地層傾角的增大,煤層保存條件變差,甲烷含氣量明顯降低。西北翼地層傾角更緩,甲烷含氣量明顯高于傾角較陡的東南翼的,平均比東南翼的高5.00~10.00 m3/t。
圖12 研究區(qū)煤層平均傾角與甲烷體積分?jǐn)?shù)、甲烷含氣量關(guān)系Fig.12 The relationship between methane volume percentage, methane content and average stratigraphic dip of coal of research area
平面上,兩翼煤層甲烷含氣量出現(xiàn)差異原因是西北翼地層傾角緩,基本小于30°(見圖13),幾乎無明顯斷層發(fā)育,構(gòu)造十分穩(wěn)定,有利于煤層氣的保存。西北翼甲烷含氣量相對(duì)較高,基本在8.00 m3/t以上,且多大于12.00 m3/t。東南翼平均傾角陡,除東部中段一帶傾角小于30°外,其他大部分地區(qū)傾角大于40°。此外,南東邊界處發(fā)育一系列斷層,構(gòu)造穩(wěn)定性整體上不如西北翼的,東南翼甲烷含氣量相對(duì)較低,
圖13 JP區(qū)塊煤層平均傾角和平均含氣量平面分布
幾乎都小于8.00 m3/t,僅在相對(duì)穩(wěn)定的中部邊緣一帶大于8.00 m3/t。由此可見,構(gòu)造穩(wěn)定性是研究區(qū)煤層含氣量和煤層氣開發(fā)潛力的主控因素,構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定、煤層氣資源豐度更高的西北翼地區(qū)應(yīng)為主力勘探區(qū)。
(1)黔北煤田JP區(qū)塊上二疊統(tǒng)煤層及圍巖組合形式、構(gòu)造應(yīng)力釋放方式?jīng)Q定煤儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)完整性,下煤組煤體結(jié)構(gòu)優(yōu)于上煤組的,東南翼煤體結(jié)構(gòu)好于西北翼的。
(2)煤巖顯微有機(jī)組分平均為79.29%,其中鏡質(zhì)組平均占顯微有機(jī)組分的61.45%;煤層鏡質(zhì)體最大反射率平均為3.08%,屬于無煙煤三號(hào),進(jìn)入熱裂解階段晚期。
(3)煤層氣體組分以甲烷為主,儲(chǔ)層平均含氣量為12.17 m3/t。煤層含氣量與煤層埋深、熱演化程度、高位熱量等呈正相關(guān)關(guān)系;與煤層揮發(fā)分產(chǎn)率、地層傾角等呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;與煤層灰分產(chǎn)率和顯微組分關(guān)系不大。三大主要控氣要素——煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性和熱演化程度決定煤層氣的成藏潛力和分布特征,相對(duì)寬緩的向斜西北翼為有利含氣區(qū)。
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