依兰矿区煤层气成藏模式研究

康玉国 阎 伟 马立军

(黑龙江省煤田地质勘察设计研究院，黑龙江 150008)

依兰矿区位于依兰煤田南部坳陷区，有着较为丰富的煤层气资源基础，区内煤种为低煤阶长焰煤，自2000年～2008完成煤层气参数井4口 (YT－1井、T－1井、T－2井、YD－02井)，与此同时矿区深部也完成了煤炭精查工作，并开展了三维地震工作;2008年～2009年在矿区南部煤层气富集区完成生产试验井2口 (YD－03井、YD－04井)，经过3个月试采表明，单井气产量均在1500m3/d以上，取得了低煤阶煤层气研究开发的突破，本文通过分析盆地地质条件、构造条件、水文条件等来建立煤层气成藏模式，来解释该区低煤阶煤层气富集成藏机理，并以此来指导进一步生产工作。

1 煤层气富集成藏主控因素

1.1 构造控气作用

(1)构造史与生烃史配置与煤层气富集

有利的生烃史可为煤层气提供强大的气源条件，有利的构造演化史则为煤层气提供良好的保存条件，两者的有利配置是煤层气富集的前提条件。依兰煤田为一典型断陷型含煤盆地:白垩纪至古新世初，盆地形成;始新世，早期盆地拉张裂陷加强，形成泥炭沼泽－湖泊环境，并堆积含巨厚煤层的达连河组下含煤段，之后盆地拉张裂陷活动进一步加强，成为深水湖泊环境，形成中段油页岩层;始新世末期盆地拉张裂陷趋弱，相对缓慢回升，扇三角洲平原及淤浅湖泊转为湖泊－泥炭沼泽环境，形成以中细碎屑岩为主夹有煤层的上含煤段，断陷深部堆积宝泉岭组地层;渐新世，盆地拉张裂陷活动进一步减弱，急剧上升，堆积了道台桥组碎屑岩;中新世末，依兰－伊通断裂带受挤压形成对冲，盆地抬起、结束充填，经受剧烈剥蚀。

总体上看依兰煤田煤层气生成规律为整体下沉式，但从依兰矿区沉积演化与生烃历程关系图(图1)看，依兰矿区为起伏式减弱型。其生气阶段为一次生气阶段和后期稳定阶段。

一次生气阶段，喜山期构造运动后，依兰煤田内形成了800～1300m厚的达连河组含煤地层和1000余m厚的上覆沉积地层，该区平均地温梯度为2.23℃/100m，古地温可达50℃，在深成变质作用条件下，煤变质程度达到长焰煤阶段。在区域地温场恒定，煤层埋藏最深时达到生气高峰，这是该区煤层生气的主要阶段，生气高峰期发生在地壳抬升和改造之前。

后期稳定阶段，在依兰煤田的下第三系与上第三系之间的平行不整合，先期抬升，而后产生同沉积断裂，形成断陷盆地沉积。抬升过程中对煤田内的道台桥组以下地层宝泉岭组及达连河组上部部分地层进行了剥蚀，但剥蚀作用始终未能完全穿透第三系地层，为煤层气聚集创造了良好的埋藏条件和气源条件，从整个依兰盆地研究，具有南弱北强的剥蚀特点，剥蚀了道台桥组以下－达连河组地层，使盆地北部范围缩小，达连河组下部煤层出露于地表。从生聚气模式来看矿区北部地层剥蚀较严重，不利于煤层气保存，中－南部形成煤层气富集带可能性大。从煤炭勘探资料分析，矿区煤层埋深在1000m以内，并集中在500～1000m，且地层整体较为平缓、埋藏较为稳定，处于煤层气最佳开采深度之内 (如图1)。

图1 依兰矿区沉积演化与生烃历程关系图

(2)矿区构造条件

据应力场分析，在喜山晚期东北部应力主要方向近东西向 (北东东－南西西向)，所以呈NE与NW两组方向扭裂面发育，随着力矩的变动，在西部为北西－南东向的应力，所以呈NNW与NWW两组方向发育。最西部F13又呈现为北东东向应力，而使本区北东－南西向构造发育。

本区含煤地层分布受区域深断裂控制，其东南缘被北东向F2控制，矿区西部边缘松花江也有断裂显示，呈三角形断陷地带。北东向断裂构造规模大，一般多为长期活动断裂，尤其是F2为控盆断裂，断距一般几百米～上千米。本区查明断层42条，主要有北东向、北西向两组断层，①其中正断层40条，除控盆断裂F2断层外普遍规模较小，落差均大于30m，多呈北东向展布，由于断层倾角平缓且水平错距较大，使依兰矿区呈现出地垒与地堑相间的构造模式，这种构造模式对煤层气连续性产生了一定影响，但煤层厚度影响较小，目前未见因正断层发育而出现煤层减薄、歼灭的现象;②本区查明断层中仅有2条为逆断层，且均发育在矿区的中南部，DF35逆断层呈近东西向展布，将矿区深部分割为南北部，根据含气量测试显示，该断层具有封闭性，利于煤层气的富集与保存。

1.2 沉积体系和储盖组合与煤层气富集

下第三系达连河组，依据岩性及沉积特征自上而下划分为四段:含煤段、砂砾岩段、油页岩段、砂泥岩段，厚度约500～1200m，含煤三个层组:上煤层组、中煤层组、下煤层组;五个煤层:上1、上1－上2、上2、中、下。发育煤层大致为东西向展布，且在走向上形成明显的分带性，东部盆地边缘(F2)冲积扇发育，形成无煤带;上游辫状河由于河身不固定，泥炭沼泽环境受破坏，形成不稳定薄煤层，为贫煤带;河流冲积平原，其岸后沼泽和泛滥盆地沼泽较发育，形成薄煤带。中部扇三角洲平原，泥炭沼泽条件持续较长，形成的煤体连续为富煤带。

煤储层空间组合形态:上1－上2煤间，主要由高灰煤、炭页岩、油页岩薄互层组成;上2－中煤间，即上2煤层底板及中煤层顶板，以油页岩和砂岩为主;中－下煤间，以油页岩为主，底部普遍存在一层砂岩。

煤层群封盖条件:依兰煤田在煤层群沉积之后由于盆地内大部复水较深致静水湖泊保持较长时期，形成了100m左右的巨厚层油页岩且发育稳定、连续性好，以往研究认为该区油页岩致密坚硬，裂隙不发育，渗透率小，具有极好的封盖能力，对于煤层气的保存意义重大。

1.3 水文地质条件

本区垂向上可分3个含水层，3个隔水层，含水层为别第四系砂砾层孔隙含水层，承压;下第三系始新统上部砂、泥岩段裂隙含水层，承压;下第三系始新统下部砂、砾岩段裂隙弱含水层，承压。3个含水层的厚度、含水性、水质类型特征如表1。

表1 依兰矿区含水层水文地质参数

含水层特点分析:①厚度大，下第三系始新统上部砂、泥岩段裂隙含水层平均厚度406.45m，下第三系始新统下部砂、砾岩段裂隙弱含水层平均厚度70m。②含水层均为复合型，层间夹杂泥岩、粉砂岩等岩层，起局部隔水作用。③含水层垂向上分带较为明显，从浅部第四系含水层至深部第三系下部弱含水层，渗透系数及单位涌水量逐渐减小，地下水径流由强变弱。④地下水直接从露头接受补给，由北东向矿区西南部流动。

本区垂向上共含3个隔水层，其中煤系地层含有2层隔水层。第三系始新统达连河组煤系顶部油页岩段隔水层，位于上煤层顶板之上，平均厚度123.32m以上，岩性由粉砂岩及油页岩组成，全区发育，全面隔断煤层段与上部砂泥岩段水力联系;第三系始新统达连河组煤系下煤层顶部油页岩段隔水层，位于下煤层顶部，中煤层底部，一般厚3～5m，矿区煤系顶部和底部隔水层隔绝了含水层之间的水力联系，对主力煤层中煤层与上煤层的煤层气富集和运移起到良好封闭作用。

2 煤层气赋存规律

煤层厚度大且分布稳定是煤层气藏形成的物质基础，煤层厚度大不仅生气量大而且资源丰度高，利于煤层气赋存及开采，依兰矿区上煤层气组(上1、上2)厚1.07～3.74m，平均厚1.24m，简单－复杂结构煤层，宏观煤岩类型以半亮煤为主;中煤层厚1.18～16.28m，平均厚6.06m，简单结构煤层，宏观煤岩类型以镜亮煤为主，是依兰矿区煤层气开发的主力煤层;下煤层厚0.35～3.37m，平均厚度为1.28m，简单结构煤层，宏观煤岩类型为半暗半亮型。中煤层为特低至低灰份煤层而明显区别于其它煤层，灰分一般在4%～8%之间，发热量大;下煤层及上煤层为中灰至高灰分煤，灰分在15%以上。煤中的有机显微组分中煤层含量最高，超过90%，其次为上2煤层，上1煤层含量最低。有机显微组分主要以镜质组为主，其次为壳质组，半镜质组及惰质组则较少;镜质组+壳质组含量＞95%，本区煤的显微煤岩类为微镜煤。因可采煤层以煤层群形式出现，煤层间距小，镜质组反射率数值无明显差别。YD－03井含气量测试结果显示 (图2):含气量在纵向上呈现上煤低，中煤高，下煤低的特点，显然煤储层含气量纵向上的不均一性主要受煤层厚度及煤质影响。

平面上，根据依兰矿区中煤层含气量等值线图(图3)可知，中煤层含气量在总体上呈现出南高北低的特征，逆断层DF35北部含气量基本在1～8m3/t，含气量受埋深控制显著，随深度增加含气量增高;逆断层DF35南部含气量基本在3～10m3/t，呈现出东高西低，南高北低的特点，主要是由于沉积演化过程中，下煤层在西南部向隆起高处及边缘早期沉积物超覆关系，对同期洪积～冲积层则是交错相，在洪积扇后缘呈大片无煤区，之后中煤层沉积时在西南部边缘也超覆其泥砂洪积～冲积层上而变薄，并出现小部分分叉、变薄以至尖灭，煤层厚度的变化与煤储层几何形态的变化导致了西南部煤层气保存条件差而使逸散加强，出现含气量在西南部又急剧下降的现象;富气带位于逆断层南部次一级背斜轴部，并向东南最大埋深区延伸，而以该断层为中心向北部及西南部，煤层气含量逐渐降低。

图2 YD－03井煤层平均含气量直方图

图3 中煤层含气量等值线图

3 煤层气成藏模式建立

综上所述，依兰矿区为一向南倾斜的单斜构造，中部煤层厚度大，层数多，间距小，煤级较低，几乎全部为长焰煤，极少量气煤，镜煤反射率0.616%～2.103%，含气性较好，根据其构造形态和动力学特征，依兰矿区为逆冲－推覆控气构造，并共生于单斜构造背景，逆冲断层面由于煤及煤系的碎裂化作用形成断层泥及断层带，成为阻隔煤层气逸散的良好构造界面，同时次级背斜的发育因其幅度小，两翼产状缓，裂隙不甚发育，利于形成小构造“封闭”，因而富气带位于逆断层DF35次级背斜轴部，向东南有增加趋势。

第三系始新统达连河组煤系顶部油页岩段隔水层，既隔绝了达连河组上下两含水层之间的水力联系，更对煤层气的运移和富集起到封闭、保存作用。下第三系始新统上部砂、泥岩段裂隙含水层厚度巨大，其顶部与第四系底部含水层呈不整合接触，垂向补给，浅部富水性，水动力强，承压，西北部有松花江进行补给，地下水由浅部流向深部，即由西北部向东南部径流。中部由于逆断层隔水作用及次一级背斜发育而处于滞流状态，地下水矿化度高，因此含水层在浅部接受补给，地下水径流方向与煤层气顺层运移方向相反，且由于上层巨厚油页岩的隔水作用使得煤层本身也不存在地下水的垂向补给，形成良好的水里封堵。

矿区煤级虽然仅为长焰煤阶段，但存在有利的构造条件和煤层埋藏条件，含气量较高，水文地质条件良好，即煤系顶部和底部发育稳定分布的隔水层，地下水滞留区煤层发育好，以及深部盆缘断裂附近存在煤层分叉尖灭带等不渗透边界，使得煤层在中部滞留区聚积，构成了依兰矿区典型的水力封堵－断层型气藏模式。

图4 依兰矿区煤层气成藏模式图

4 结论

依兰矿区的水力封堵－断层型煤层气成藏模式代表了一种能够获得较高产能煤层气井的模式，有利的地质构造条件和水文地质条件的匹配是依兰矿区低煤阶煤层气开发成功的关键:煤层厚度大、埋深适中，封闭性断层发育，封闭条件优越;煤系顶部和底部发育稳定分布的隔水层，地下水由浅部的径流，向深部的相对滞流，在次级背斜轴部高点附近煤层气富集成藏，由此我们根据该区的成藏模式特点，在YD－03井附近继续施工煤层气井，形成小井网规模开发是依兰矿区煤层气步入商业化发展的第一步。

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