沈 霞，公海濤，邵明禮，楊敏芳，霍萬國

(1.吉林油田勘探開發(fā)研究院，吉林 松原 131200；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4.中國石油渤海鉆探井下作業(yè)公司，河北 廊坊 065007)

我國深部煤層氣資源豐富，全國第四輪煤層氣資源評價(jià)結(jié)果顯示，我國埋深在2 000 m 以淺的煤層氣資源量29.82×1012m3[1-2]，2 000 m 以深煤層氣資源量40.47×1012m3[3-4]。近年來，國內(nèi)2 000 m 以深煤層氣勘探開發(fā)不斷取得突破，2005 年，新疆油田在2 500 m深層煤層段試氣，日產(chǎn)氣量達(dá)7 000 m3。2018 年，華北地區(qū)大城凸起大平7 井煤層埋深超過1 900 m，日產(chǎn)氣量超過1.2×104m3，為我國第一口深部煤層氣水平井。2019 年以來，鄂爾多斯盆地東緣大寧-吉縣區(qū)塊吉深6-7 平01 水平井，日產(chǎn)氣量達(dá)10×104m3[5-7]，成為我國首個(gè)突破10×104m3的煤層氣井，目前29 口先導(dǎo)試驗(yàn)水平井前3 個(gè)月平均單井日產(chǎn)氣量超過8×104m3。鄂爾多斯盆地佳縣南區(qū)塊JN1H 井和JM2H 井相繼獲得最高日產(chǎn)氣量8×104m3和12.5×104m3，盆地腹部納林河地區(qū)NL1H 井煤層埋深3 250 m，初期日產(chǎn)氣量突破5×104m3，是首口煤層埋深超過3 000 m 的高產(chǎn)井。準(zhǔn)噶爾盆地東部白家海凸起彩探1H 水平井最高日產(chǎn)氣量超過5×104m3，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量2×104m3，深部煤層氣勘探均取得突破[8-9]，以上表明我國深部煤層氣勘探開發(fā)呈現(xiàn)可喜的發(fā)展形勢。

松遼盆地南部王府?dāng)嘞莅l(fā)育有白堊系火石嶺組、沙河子組、營城組3 套含煤地層，厚煤層主要發(fā)育于火石嶺組頂部，煤層埋深普遍大于2 000 m，是目前深部煤層氣的有利勘探區(qū)帶。但前期主要針對中淺層致密氣和火山巖氣藏開展研究[10-12]，深部煤層氣勘探程度較低，無含氣量實(shí)測資料，在煤層氣地質(zhì)特征、富集成藏主控因素及有利區(qū)優(yōu)選等方面缺乏系統(tǒng)研究，有利勘探方向不明，制約了該區(qū)煤層氣勘探進(jìn)程。為此，在梳理松遼盆地南部王府?dāng)嘞菝簩託獾刭|(zhì)特征的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)評價(jià)煤層分布、蓋層特征、斷層封閉性等關(guān)鍵地質(zhì)條件，明確深部煤層氣成藏主控因素，建立有利區(qū)優(yōu)選指標(biāo)體系，優(yōu)選深部煤層氣富集有利區(qū)，優(yōu)選勘探有利區(qū)，以促進(jìn)研究區(qū)深部煤層氣的勘探開發(fā)進(jìn)程。

1 煤層氣地質(zhì)特征

1.1 含煤地層特征

1.1.1 充填演化史

白堊紀(jì)初期，松遼盆地發(fā)生大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)和斷裂活動，形成諸多小型的地塹或半地塹，這些地塹中沉積了以火山巖、火山碎屑巖、碎屑巖為主的火石嶺組，此后受燕山運(yùn)動第Ⅱ、第Ⅲ幕影響，強(qiáng)烈的隆起作用造成區(qū)域性拉張破裂，派生出一系列NNW 向的張性斷裂，形成“東斷西超”的箕狀斷陷構(gòu)造格局，斷陷內(nèi)沉積了多套沉積旋回的碎屑巖層系，構(gòu)成了巨厚的沙河子組與營城組[13]。其中，王府?dāng)嘞莼鹗瘞X組巖性主要為下部大套中性火山巖，中部大套泥巖和砂礫巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r互層，上部為泥巖、流紋質(zhì)火山巖，頂部煤層。沙河子組時(shí)期由于盆地快速沉降，水體快速變深，早期火山巖在風(fēng)化作用下轉(zhuǎn)而成為沉積物質(zhì)重要來源，加上新噴出火山物質(zhì)的不斷加入，沉積了一套深湖－半深湖相背景下的扇三角洲、火山沉積相地層[14]，其巖性主要為底部泥巖，局部地區(qū)為沉火山角礫巖，中部為深灰色、黑色泥巖，上部為灰色砂礫巖與深灰色泥巖互層。營城組沉積組合特征對沙河子組有較強(qiáng)的繼承性，主要發(fā)育濱淺湖相沉積[15]，巖性主要為灰色礫巖、砂礫巖夾灰色泥巖。研究區(qū)白堊系為主要煤層氣賦存層位。

1.1.2 主力煤層特征

鉆井揭示，王府?dāng)嘞轄I城組煤層不發(fā)育，沙河子組不發(fā)育厚煤層，火石嶺組頂部煤層在研究區(qū)廣泛分布，發(fā)育穩(wěn)定，煤層埋深普遍大于2 000 m，為典型的深部煤層，煤層單層厚度大且分布穩(wěn)定，以單層煤為主。厚煤層主要發(fā)育在斷陷中部，變化均勻，單層厚度1～12 m，平均厚度6 m，整體上呈現(xiàn)出中部厚、南北薄的特征(圖1)。

圖1 王府?dāng)嘞莼鹗瘞X組煤層厚度分布與地層綜合柱狀圖Fig.1 Isopach map of coal seams and composite stratigraphic column of the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression

1.2 煤儲層特征

1.2.1 煤質(zhì)特征

王府?dāng)嘞莼鹗瘞X組煤的宏觀煤巖類型以光亮煤、半亮煤為主，煤體結(jié)構(gòu)好。煤的有機(jī)顯微組分具有高鏡質(zhì)組、低惰質(zhì)組、未見殼質(zhì)組的特征。鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)一般可達(dá)90%及以上，惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)一般低于10%。斷陷內(nèi)煤層埋深普遍大于2 000 m，煤的鏡質(zhì)體最大反射率(Rmax) 介于1.97%～2.29%，處于瘦煤-貧煤階段。當(dāng)Rmax≤3%時(shí)，煤的熱演化程度越高，煤層生成甲烷量及吸附量就越大[16]，預(yù)示著王府?dāng)嘞萆畈棵簩討?yīng)具備較大生烴潛力。煤中水分(Mad) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.82%～0.99%，平均0.92%，屬特低水分煤；揮發(fā)分(Vdaf) 產(chǎn)率為3.89%～19.03%，平均11.05%，屬特低揮發(fā)分-低揮發(fā)分煤，少量中等揮發(fā)分煤；灰分(Ad)質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于3.85%～18.85%，平均10.94%，屬于特低灰-低灰煤，少量中灰煤(表1)。在通常情況下，低水分、低揮發(fā)分、低灰分的煤，其吸附能力相對較強(qiáng)[17]。

表1 松遼盆地王府?dāng)嘞莼鹗瘞X組煤層地質(zhì)特征Table 1 Geological characteristics of coal seams in the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression,Songliao Basin

1.2.2 物性特征

煤層作為一種特殊的儲層，其儲集性能不僅決定著吸附氣和游離氣的比例，而且也決定著煤層氣的富集及產(chǎn)能[18]。按照SY/T 5336-2006《巖心分析方法》，測定王府?dāng)嘞菝嚎紫堵式橛?.06%～5.71%，平均5.01%，屬于低孔隙率儲層。本文采用霍多特提出的煤孔隙劃分方法[19]，將煤孔徑劃分為微孔(<10 nm)、小孔(10～100 nm)、中孔(100～1 000 nm) 和大孔(>1 000 nm)。對研究區(qū)樣品進(jìn)行低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)，根據(jù)研究區(qū)煤吸附、脫附曲線特征，將研究區(qū)煤孔隙結(jié)構(gòu)分為2 種類型。類型Ⅰ如圖2a 所示，吸附曲線與脫附曲線基本重合，脫附曲線無拐點(diǎn)，沒有明顯吸附回環(huán)，此種曲線對應(yīng)的孔隙主要為一端封閉的不透氣孔，如一端封閉的圓柱形孔，一段封閉的平板形孔；類型Ⅱ如圖2b 所示，脫附曲線存在明顯拐點(diǎn)(“G”點(diǎn))，在相對壓力(p/p0)0.53 處存在明顯滯后環(huán)，此種曲線對應(yīng)的孔隙主要為細(xì)頸瓶狀孔，如一端開口的墨水瓶形孔。低溫CO2吸附實(shí)驗(yàn)表明(圖2c，圖2d)，研究區(qū)煤主要孔容貢獻(xiàn)的孔徑范圍是0.6～1.4 nm。

圖2 王府?dāng)嘞軨S38 井煤低溫液氮與二氧化碳吸附曲線Fig.2 Curves from low-temperature liquid-nitrogen and carbon dioxide adsorption experiments of coals in well CS38 in the Wangfu fault depression

1.3 煤層含氣特征

1.3.1 等溫吸附特征

Langmuir 體積與Langmuir 壓力是評價(jià)儲層吸附能力的重要參數(shù)，Langmuir 體積越大，說明煤儲層吸附能力越強(qiáng)。按照原位地層條件開展等吸附實(shí)驗(yàn)，溫度為70℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1 和圖3。

圖3 王府?dāng)嘞菝旱葴匚角€Fig.3 Isothermal adsorption curves of coals in the Wangfu fault depression

1.3.2 氣測值分布特征

氣測錄井?dāng)?shù)據(jù)是目前錄井綜合解釋的主要基礎(chǔ)資料，可較好反映儲層真實(shí)含氣量[20]。王府?dāng)嘞輾鉁y全烴值介于1.47%～37.53%，平均10.36%，高值區(qū)主要分布于斷陷中部(圖4)。

圖4 王府?dāng)嘞輾鉁y全烴平面分布Fig.4 Planar distribution of gas logging-derived total hydrocarbon values of the Wangfu fault depression

1.3.3 含氣量預(yù)測

王府?dāng)嘞萆畈棵簩託饪碧匠潭容^低，目前僅有少量等溫吸附實(shí)驗(yàn)資料。為評估煤層含氣性，假定煤層處于飽和吸附狀態(tài)，并存在游離氣，利用Langmuir 方程可以估算煤理論飽和吸附氣量，再利用實(shí)驗(yàn)測得的孔隙率和含氣飽和度，結(jié)合儲層溫度、壓力，利用游離氣計(jì)算模型[21]估算游離氣含量，吸附氣和游離氣相加得到總含氣量。

經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)CS38 井煤層總含氣量介于18.820～23.676 m3/t，平均21.80 m3/t (表1)，游離氣含量介于3.05～4.77 m3/t，平均4.05 m3/t。

2 煤層氣富集主控因素

2.1 火山巖分布

盆地的聚煤作用或煤層發(fā)育受沉積相控制，而沉積相則受構(gòu)造控制，這一點(diǎn)在斷陷盆地尤為明顯?？v向上，王府?dāng)嘞莸拿簩蛹邪l(fā)育在火石嶺組頂部，平面上，煤層主要分布在斷陷的中部及中東部。由火石嶺組聚煤期沉積相分布顯示(圖5)，斷陷的東西兩側(cè)都因?yàn)檫吔鐢鄬拥陌l(fā)育，出現(xiàn)了半深湖-深湖的相對深水環(huán)境，因水體深而沒有聚煤作用發(fā)生。而斷陷的雙陡坡帶之間為淺湖相和淺水三角洲相，是本區(qū)煤層發(fā)育的主要沉積環(huán)境。

圖5 王府?dāng)嘞莼鹗瘞X組聚煤期沉積相Fig.5 Sedimentary facies of the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression during coal accumulation

王府?dāng)嘞莼鹗瘞X組較厚煤層的分布與其下的火山巖的分布密切相關(guān)(圖5、圖6)，斷陷中部及東部由于火山噴發(fā)的充填效應(yīng)加速了淺湖區(qū)的填平補(bǔ)齊，環(huán)境水體因此淤淺有利于聚煤作用發(fā)生(圖5)。在王府?dāng)嘞?，聚煤期沉積相的配置除了斷陷湖常見的沉積相配置以外，火山巖的發(fā)育是其重要的典型沉積特征。

圖6 王府?dāng)嘞莼鹗瘞X組聚煤模式Fig.6 Coal accumulation mode of the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression

在上述認(rèn)識的基礎(chǔ)上，本文提出了針對王府?dāng)嘞莼鹗瘞X組的成煤模式即“填平補(bǔ)齊成煤模式”(圖6)：聚煤作用發(fā)生之前，斷陷湖區(qū)除了常見三角洲-扇三角洲、半深湖-深湖、淺湖、淺湖三角洲碎屑巖沉積外，斷陷中部與東部的大量火山噴發(fā)造成對盆地的充填作用，加速了斷陷湖區(qū)的填平補(bǔ)齊、水體變淺，有利于聚煤作用發(fā)生。按照斷陷盆地演化規(guī)律，煤層所在的火石嶺組頂部即火石嶺組末期，構(gòu)造趨于穩(wěn)定，有利于泥炭沼澤的持續(xù)發(fā)育，最終形成了分布范圍廣、厚度較穩(wěn)定的厚煤層，厚煤層的分布特征與火山巖的分布呈相關(guān)性的獨(dú)特現(xiàn)象，即王府?dāng)嘞莸木勖鹤饔迷谝欢ǔ潭壬鲜艿交鹕絿姲l(fā)的“正面”影響。

2.2 煤層頂板巖性及厚度

煤層頂?shù)装宓姆忾]性取決于其巖性和厚度。砂巖類頂板相對疏松，透氣性較好，不利于煤層氣封閉；泥巖類頂板致密，空隙小，透氣性較差，對煤層氣封閉程度高[22]，此外，當(dāng)上覆泥巖蓋層存在進(jìn)入生烴門限的烴源巖時(shí)，可以起到烴濃度和壓力雙重封閉[23]。王府?dāng)嘞輧?nèi)煤層頂?shù)装褰M合類型以泥巖-煤層-泥巖為主，利用測井、地震雙重約束，讀取煤層頂部區(qū)域泥巖厚度作為蓋層厚度。研究區(qū)泥巖蓋層厚度7.00～195.72 m，平均69.50 m(圖7)。通過統(tǒng)計(jì)王府?dāng)嘞?0 口井，發(fā)現(xiàn)蓋層厚度與氣測值有良好的正相關(guān)關(guān)系，蓋層厚度<40 m，氣測值一般低于5%；蓋層厚度40～80 m，氣測值介于5%～15%；蓋層厚度>80 m，氣測值大于15%，此時(shí)蓋層封閉性能良好，利于煤層氣的保存。

圖7 王府?dāng)嘞萆w層厚度等值線Fig.7 Isopach map of covers in Wangfu fault depression

2.3 斷層垂向封閉性

斷層是否溝通，使深部煤層氣向淺部運(yùn)移是深部煤層氣富集保存的關(guān)鍵，因此氣源斷層的厘定尤為重要。王府?dāng)嘞輧?nèi)溝通煤層和淺部地層(登婁庫組)且在成藏期(泉頭組末-青山口組早期)活動的斷層是主要的氣源斷層(圖4)。王府?dāng)嘞莼鹗瘞X組頂部煤層在同種頂?shù)装孱愋拖?，煤層氣測值具有強(qiáng)烈非均質(zhì)性，說明除巖性組合和厚度分布外，煤層氣富集性還受到錯(cuò)斷蓋層的斷層的垂向封閉能力控制。斷層垂向封閉能力越強(qiáng)，油氣越難沿著斷層發(fā)生垂向運(yùn)移，越有利于煤層氣保存[24]。斷層在脆性蓋層段發(fā)生破裂作用[25]，在脆-韌性蓋層段發(fā)育泥巖涂抹結(jié)構(gòu)[26]，王府?dāng)嘞輧?nèi)煤層頂?shù)装迓裆钤? 500～3 000 m 內(nèi)，以脆-韌性變形為主，因此，采用泥巖涂抹系數(shù)(SSF)來表征斷層垂向封閉性[27]，SSF 即為斷層斷距與蓋層厚度的比值，SSF 值越小，垂向封閉能力越好。

采用三維地震數(shù)據(jù)計(jì)算王府?dāng)嘞?0 口氣測井相鄰斷層在T42 反射層(煤層頂界)上下盤垂向差值，經(jīng)過時(shí)深轉(zhuǎn)換得到斷層斷距，結(jié)合氣測值分布，以氣測值15%為分隔點(diǎn)，厘定煤層氣頂板斷層垂向封閉性臨界斷距為90 m，對應(yīng)SSF 值為1.1。利用煤層頂板垂向封閉SSF 臨界值評價(jià)煤層頂面含氣范圍內(nèi)氣源斷層封閉性。結(jié)果表明，中部和北部SSF 值均低于臨界值，斷層垂向封閉性強(qiáng)；西南地區(qū)局部斷層在中段SSF 值高于臨界值，封閉性差，存在煤層氣逸散風(fēng)險(xiǎn)。

3 煤層氣有利區(qū)評價(jià)

建立煤層氣物質(zhì)基礎(chǔ)、聚集空間與保存條件三項(xiàng)組合評價(jià)體系，優(yōu)選煤層厚度、氣測全烴值、蓋層厚度、斷層封閉性等四要素評價(jià)參數(shù)。參考鄂爾多斯盆地東緣大寧-吉縣區(qū)塊深部煤層氣先導(dǎo)試驗(yàn)效果，煤層厚度大于3 m 具有一定的開發(fā)效益，而煤層厚度大于5 m則具有較好的開發(fā)效益。此外，研究區(qū)煤層厚度和蓋層厚度與氣測全烴值均呈正相關(guān)關(guān)系(圖8a、圖8b)，斷層斷距與氣測全烴值呈負(fù)相關(guān)性(圖8c)。

圖8 王府?dāng)嘞菝簩雍穸?、蓋層厚度、斷層斷距與氣測全烴關(guān)系Fig.8 Gas logging-derived total hydrocarbon values vs.coal seam thickness,cover thickness,and fault throw in the Wangfu fault depression

以氣測全烴值5%、15%為界，厘定蓋層臨界厚度為40、80 m，臨界斷距為50、90 m，以此建立深部煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)評價(jià)體系(表2)，評價(jià)出王府?dāng)嘞輧?nèi)深部煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)。

表2 王府?dāng)嘞萆畈棵簩託饪碧介_發(fā)有利區(qū)評價(jià)體系Table 2 Evaluation system of favorable areas for deep coalbed methane exploration and exploitation in the Wangfu fault depression

對研究區(qū)內(nèi)各井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)合表2，繪制了松遼盆地南部王府?dāng)嘞輩^(qū)塊深部煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)(圖9)，其中Ⅰ類有利區(qū)主要發(fā)育在王府?dāng)嘞葜胁?，煤層厚?5 m，斷層斷距50 m，蓋層厚度>80 m，氣測全烴值>15%，一方面厚煤層具有較好的生氣潛力，另一方面頂?shù)装褰M合類型與斷裂垂向封閉可確保生成的氣體有效富集在頂板蓋層下，不易散失。Ⅱ、Ⅲ類有利區(qū)主要發(fā)育在王府?dāng)嘞荼辈亢湍喜?，Ⅱ類有利區(qū)煤層厚度一般3～5 m，蓋層厚度40～80 m，氣測全烴值5%～15%，斷層封閉性弱。Ⅲ類有利區(qū)煤層厚度一般<3 m，蓋層厚度<40 m，氣測全烴值<5%，斷層不封閉。

圖9 王府?dāng)嘞萦欣麉^(qū)預(yù)測評價(jià)結(jié)果Fig.9 Prediction and evaluation results of favorable areas for deep coalbed methane exploration and exploitation in the Wangfu fault depression

4 結(jié)論

a.王府?dāng)嘞莼鹗瘞X組煤類型以光亮煤、半亮煤為主，具有低水分、低揮發(fā)分、低灰分的特征，鏡質(zhì)體最大反射率大于1.8%，孔隙率平均5.01%，CS38 井計(jì)算含氣量平均為21.80 m3/t。

b.王府?dāng)嘞菝簩影l(fā)育程度受古沉積環(huán)境控制，煤層主要發(fā)育于斷陷雙陡坡帶之間與斷陷中、東部的火山噴發(fā)的填平補(bǔ)齊效應(yīng)形成的淺水區(qū)，為火山巖“填平補(bǔ)齊成煤模式”。此外，區(qū)內(nèi)發(fā)育的大面積巨厚泥巖頂?shù)装迮c封閉斷層使得煤層氣得以富集、保存。

c.王府?dāng)嘞茛耦惷簩託飧患欣麉^(qū)主要發(fā)育在斷陷中部，煤層厚度>5 m，斷層斷距50 m，蓋層厚度>80 m，氣測全烴值>15%，具有較大勘探開發(fā)潛力；Ⅱ、Ⅲ類有利區(qū)主要發(fā)育在斷陷的北部和南部，煤層厚度一般<5 m，蓋層厚度<80 m，氣測全烴值<15%，斷層封閉性弱或不封閉，蓋層厚度差異大，勘探開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較大。

符號注釋

Bg為天然氣體積系數(shù)，m3/m3；M為甲烷摩爾質(zhì)量，g/mol；p為煤儲層壓力，MPa，基于壓力梯度計(jì)算；pL為Langmuir 壓力，MPa；Sg為含氣飽和度；Vf為游離氣含量，m3/t；VL為Langmuir 體積，m3/t；Vs為吸附氣含量，m3/t；ρb為甲烷標(biāo)況下密度，0.000 71 g/cm3；ρc為煤層視密度，g/cm3；ρd為地層條件甲烷密度，g/cm3，根據(jù)儲層溫壓條件查詢REFPROP 獲得；ρs為吸附相密度，根據(jù)前人模擬，取0.34 g/cm3；φ為孔隙率，%。