黔北煤田林华矿煤系气成藏特征及开发方式

易同生，包书景，陈 捷，付 炜

(1.贵州省煤田地质局，贵州 贵阳 550009； 2.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳 550009；3.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029)

黔北煤田林华矿煤系气成藏特征及开发方式

易同生1,2，包书景3，陈 捷2，付 炜2

(1.贵州省煤田地质局，贵州 贵阳 550009； 2.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳 550009；3.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029)

基于煤系气共采试验，分析了林华矿龙潭组煤系气储层沉积组合、含气性、有机质类型及矿物组分等赋存特征。研究表明：煤系气赋存于多个沉积单元体中，除煤层及直接顶底板外，还存在多个独立的泥(页)岩、砂岩含气层段；研究区泥(页)岩、致密砂岩含气层沉积厚度大，占煤系总厚60%以上；含气量高，平均2.76m3/t以上，最高达4.46m3/t；有机成熟度高，镜质体反射率(Ro)平均2.46%，近90%泥页岩大于2%，处于过成熟早期生干气阶段；有机质含量高，TOC含量平均3.97%，68%样品大于2%，有机质类型均属于Ⅲ型；脆性指数较高，平均56%；研究区煤系气储层基本类型可划分为2类7型，煤系至少含有两套独立含气系统，即4#-10#煤层、11#-15#煤层段分别为同一含气系统；基于多煤层煤系储层组合类型和含煤系气系统探讨并划分了煤系气合层共采开发方式。

林华矿；煤系气；成藏特征；含气系统；开发方式

煤系气即指整个含煤岩系中赋存在煤层中的煤层气、泥(页)岩中的页岩气和砂岩层中的致密砂岩气的统称[1]。在煤层气勘探开发过程中，煤系非煤层含气显示异常现象受到广泛关注，尤其是滇东-黔西-黔北赋煤区典型薄至中厚煤层群发育特征和泥质粉砂岩、泥岩、煤层等多种岩相组合为煤系气成藏、富集提供物质基础和赋存空间，同时煤系气赋存具有普遍性和差异性[2]。

近年来，国内外学者通过对煤系气成藏机制、富集规律、储层条件等研究，认为煤系储层具有“岩石类型多元化、煤系气赋存形态多样、生储盖组合关系多变”典型特点[3-6]，煤系气具有同源共生、异源共存和兼探共采可行性[7-10]。但目前对煤系气共采兼容性及评价参数建立尚处于探索阶段，理论基础研究相对薄弱、资源落实程度欠佳、合理勘探开发技术匮乏，在煤系烃源岩生、排烃规律、评价指标及共探共采开发策略等方面研究还尚未成熟[11]。

本文基于黔北煤田林华矿龙潭组煤系气共探共采试验，从煤系沉积组合、含气特征、有机质含量及矿物组分垂向剖析整个煤系，分析了煤系气赋存特征及基本组合类型，探讨了煤系气合层共采开发方式，为多煤层条件下煤系气赋存特征研究和共采技术优化提供借鉴。

1 地质背景

林华矿位于黔北煤田中部金沙地区，出露地层由老至新为中二叠统茅口组(P2m)、上二叠统龙潭组(P3l)、长兴组(P3c)，下三叠统夜郎组(T1y)、茅草铺组(T1m)、松子坎组(T2s)和第四系(Q)。井田构造相对简单，断层稀见，地层走向NE∠70°，总体受金沙-黔西向斜北西翼的次一级褶曲(新华向斜)控制(图1)；自西向东，其轴线先后穿过上二叠统、三叠系；北西翼地层倾角较陡，为7°～35°，平均28°；南东翼地层倾角较缓，为4°～12°，平均9°，最小主应力方向为NE∠50°。

主要含煤地层为二叠系龙潭组，整体沿北东向分布于潮坪-泻湖环境，属海陆交互相含煤沉积体系，沉积岩性主要以黑色-深灰色的泥(页)岩、粉砂质泥岩、薄层泥灰岩、细砂岩、粉砂岩及煤层组成。煤系总厚91.54～126.91m，平均厚106.13m，含煤9～21层，煤层总厚度8.68～15.60m，平均12.11 m，含煤系数为11%，其中含可采煤层2～6层(主要为4#、5#、9#、13#、15#煤层)，可采总厚度3.01～12.13 m，平均6.39m，煤种为无烟煤三号。

2 煤系气开发地质条件

2.1 岩性组合特征

(1)垂向分布特征。研究区煤系发育岩性主要有粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥(页)岩、灰岩、泥质灰岩和煤等，总厚120.96m，其中，以泥质粉砂岩为主，厚45.68m，占总层厚35.01%(图2)；泥(页)岩总厚38.66m，占总厚的29.63%；煤层总厚16.55m，含煤系数12.68%，粉砂岩及粉砂质泥岩分别占7.99%、7.25%，其余细砂岩、泥灰岩含量不足5%。

(2)结构特征。通过对煤系不整合面、测井异常响应、沉积地球化学响应面等层序边界识别，煤系从老至新呈现出一系列典型的由煤/泥岩、粉砂质泥岩/泥质粉砂岩、粉砂岩和细砂岩组成的反粒序组合，组合类型多样(图3)。 15#煤层至13#煤层底板为煤→炭质页岩→灰岩→泥质粉砂岩→粉砂岩、13#煤层至上部10m处粉砂岩顶部，岩性组合为煤→粉砂质泥岩→泥质粉砂岩→粉砂岩等。

图1 林华矿区域构造纲要图Figure 1 Regional tectonic outline map of Linhua coalmine area

图2 林华矿龙潭组岩性频率分布Figure 2 Longtan Formation lithologic frequency distribution in Linhua coalmine

图3 龙潭煤系非煤层主要沉积岩性结构特征Figure 3 Longtan coal measures main non-coal sedimentary rock lithologic structural features

主要岩石粒径介于黏土粒级至细沙粒级。粉砂岩岩石颗粒呈次棱角状-次圆状，分选性中等-好，镜下主要为微晶-隐晶硅质，其次为炭质及粉砂碎屑，颗粒间属于孔隙胶结，分选性中等偏好，粒径d<0.03mm，为岩屑石英粉砂岩；泥质粉砂岩岩石颗粒多呈次棱角状-次圆状，分选性差-中等，镜下白云石属它形晶粒结构，粒径d<0.03～0.06mm，属粉晶，为含碳含岩屑粉晶白云岩；泥(页)岩为泥质胶结和菱铁质胶结，镜下成分中泥质呈灰色、灰黑色密集状隐晶质集合体，碳质呈微细粒状、团粒状或集合体状产出，为黑色含钙含粉砂含铁炭质泥(页)岩。

2.2 煤系含气性

(1)气测含气显示。从气测录井结果(图4)，整个煤系除煤层外，煤系砂岩层、泥页岩层也具有较高含气显示。其中，煤层气测全烃值为2.85%～14.48%，平均为8.55%，气测甲烷值为1.05%～11.33%，平均为6.26%；非煤层煤系气测全烃值为0.17%～12.04%，平均为5.18%，气测甲烷值为0.03%～10.06%，平均为3.08%，气测显示较好。

图4 林华矿煤系含气测试结果Figure 4 Linhua coalmine coal measuresgas-bearing tested results

(2)现场含气量测试。为进一步获取煤系非煤层含气性，对煤系含气砂岩层、泥(页)岩层及可采煤层进行现场解吸(图4)。其中，煤层(15件)含气量为8.19～18.82m3/t，平均值为16.13m3/t，主要煤层总含气量均超过14m3/t；泥页岩(10件)总含气量(现场解吸、损失气量及残余气之和)为2.30～4.21m3/t，平均达2.93m3/t，整体含气量较高，优于埋深较深的页岩层段含气量；砂岩层(29件)总含气量为1.73～4.46m3/t，平均达2.76m3/t，与页岩层相当。

(3)吸附性。通过13件泥(页)岩样等温吸附实验结果(图5)：4#-15#之间泥(页)岩兰氏体积VL为1.20～3.43m3/t，平均为2.02m3/t，PL为0.04～1.46MPa。其中4#-5#煤层VL为2.12m3/t；5#-9#煤层段VL为1.36～2.57m3/t，平均1.79m3/t；9#-13#煤段VL为3.28～3.35m3/t，平均3.31m3/t；13#-15#煤层段VL为1.38～2.94m3/t，平均2.56m3/t。综合分析，龙潭组泥(页)岩具有较好的吸附性能，尤其是煤系下煤组(13#-15#煤)VL平均大于2.5m3/t，层段之间基本随埋深增加吸附量增大，层段内随埋深增加吸附量增加变化趋势。

2.3 有机成熟度

(1)有机质类型及含量。通过透射光-荧光干酪根显微组分鉴定及类型划分测定，煤系泥(页)岩显微组分以镜质组为主，占32%～82%，其次为惰质组，占12%～55%，腐泥组及壳质组亦均小于15%；随层位及埋深差异显微组分及占比不同，上煤组(4#-9#煤) 泥(页)岩镜质组含量高于下煤组(13#-15#煤)。利用干酪根类型指数计算及干酪根类型判别标准，有机质类型均属于Ⅲ型，即以生气为主，与《贵州省页岩气资源评价》中上二叠统龙潭组煤系页岩评价结果一致。

基于42件泥(页)岩样品总有机碳测定结果(图6)，其TOC含量为0.56%～9.58%，平均3.97%，其中TOC大于2%占68%，有36%的样品TOC大于5.0%，随埋深增加总体呈增加的趋势，尤其在下煤组13#-15#煤之间泥页岩TOC含量为1.36%～9.58%，平均达到5.2%。

(2)有机成熟度。林华矿煤系泥页岩镜质体反射率(Ro)为1.988%～2.879%，平均2.4564%，近90%泥页岩大于2%，处于过成熟早期生干气阶段，生烃能力强，有机质成熟度随埋深无明显变化规律。

图5 泥(页)岩样等温吸附实验结果Figure 5 Mudstone (shale) samples isothermal adsorption tested results

图6 煤系泥(页)岩TOC含量区间分布Figure 6 Coal measures mudstone (shale) TOCcontent interval distribution

2.4 矿物组成特征

(1)矿物成分。全岩分析中，硅质矿物和黏土矿物含量是页岩气层段优选、压裂选层、射孔选点的关键指标，脆性矿物含量的提高有利于实现体积压裂改造。由煤系4#-15#之间泥(页)岩、粉砂岩全岩X-射线衍射分析(图7)，矿物成分总体上以石英、长石和黏土矿物为主，其次为碳酸盐矿物(主要为方解石和白云石)、菱铁矿和黄铁矿等；黏土矿物以伊/蒙间层矿物、伊利石为主，其次为绿泥石，含少量的高岭石和蒙皂石。4#-5#煤段的石英含量为18.65%～36.96%，平均30.94%；黏土矿物含量为29.00%～42.25%，平均为34.19%；5#-13#煤段石英含量为4.34%～47.05%，平均为25.59%；黏土矿物含量为18.20%～77.78%，平均为46.65%；13#-15#煤上段石英含量为25.54%～38.19%，平均为32.77%；黏土矿物含量为25.94%～52.43%，平均为38.43%，其下段石英含量为22.27%～29.12%，平均为25.87%；黏土矿物含量为19.52%～47.85%，平均为39.30%。

图7 煤系泥(页)岩、砂岩矿物组分分布Figure 7 Coal measures mudstone (shale), sandstonemineral component distribution

(2)脆性评价。以复杂矿物组成的煤系页岩脆性指数计算方法，将硅质矿物、长石、方解石、白云石及碳酸盐岩作为脆性矿物，计算的井田煤系泥页岩储层4#-5#煤层段脆性指数为57.75%～76.72%，平均为65.81%，脆性指数高；5#-13#煤层段脆性指数为13.84%～81.81%，平均为51.27%；13#-15#间灰岩层上段脆性指数为38.66%～59.53%，平均为52.26%，灰岩下段脆性指数为24.41%～62.03%，平均为34.29%，整体脆性较好。

2.5 煤系气储层组合类型

煤系气具有典型“赋存形态多样、沉积岩性差异大、旋迴性极强、水动力条件弱、多层叠置、成藏类型多样、动态平衡关系弱”赋存特征。滇东-黔西-黔北煤系“单层厚度薄、煤层群、岩性多样、互层频繁”的沉积特征表现出同一岩性(如煤层、泥页岩层)既是烃源岩，又兼具储层和盖层功能，而致密砂岩层为煤系气运移储集提供场所，导致煤系气成藏既有自生自储，又有它生它储类型。

从典型钻孔煤系气测录井及含气解吸特征显示(图8)，基于煤系含气性、厚度及岩性均一性组合特点，将林华矿煤系气储层基本类型划分为2类7型，即独立成藏类和共生组合类。独立成藏类分为2种类型：①泥页岩层；②泥质粉砂岩层；共生组合类分为5种类型：①泥灰岩-泥页岩气-砂岩层；②泥(页)岩-煤层-致密砂岩-煤层；③泥页岩-煤层-灰岩层；④泥质粉砂岩-煤层-泥质粉砂岩；⑤泥(页)岩层-煤层。

S-泥(页)岩层；C-煤层；T-泥质粉砂岩层；L-泥灰岩层图8 林华矿煤系气储层组合基本类型Figure 8 Linhua coalmine coal measures gasreservoir association basic types

总体而言，从林华矿煤系垂向剖面物性特征分析，煤系气赋存于多个沉积单元体中，除煤层及直接顶底板外，仍存在多个独立的泥(页)岩、砂岩层气藏；煤系泥(页)岩层、泥质粉砂具有“沉积厚度大、含气量高、有机成熟度高、有机质含量高、脆性矿物含量高”沉积赋存特点，薄至中厚煤层、砂泥岩层互层沉积特点为煤系气运移、聚集成藏提供良好保存条件，下煤组泥(页)岩层、砂岩层赋存条件优于上煤组，合层共采开发潜力大。

3 煤系气开发方式

3.1 叠置含气系统成藏作用

煤系受控于其内在物性特征及化学特性的吸附势能和外部沉积、构造、水文等因素的动力场条件，打破煤储层压力系统的动态平衡，使煤层群甚至单一煤层的压力系统及其控制下的含气性相对独立[12]，是多个煤系气藏垂向叠置分布的根本原因。受区域构造分异作用，一个含煤盆地在平面上往往可存在多个煤系气藏，此外，煤系受垂向上多类型极低渗透性岩层导致的隔水或隔气层的发育，导致多个煤系含气系统叠置成藏，尤其在泥(页)岩、致密砂岩互层的海陆交互相沉积地层。

3.2 合采兼容性分析

基于西南地区薄至中厚煤层群普遍发育条件，单一煤层地面开发难以获得理想的产能，合层开发是实现经济效益最大化的有效途径。但合层开发时因流体压力系统、供液能力、临界解吸压力、渗透率等因素的差异，容易造成层间能量干扰和气液倒灌，因此并非改造层越多越好。在多个含气系统、煤系气赋存形态多样及多种组合类型普遍发育的背景下，哪些层段合排的干扰较低或兼容性较高，哪种组合类型利于煤系气共采是决定能否多系统、多类型煤系气合层开发或递进开发的根本条件。

基于研究区煤层气参数井资料(表1)，依据含气量、地层供液能力、临界解吸压力、渗透率、储层压力等参数分析研究区合采可行性。研究区主要可采煤层其含气量、临界解吸压力随埋深呈先减小后增大的变化趋势，以10#煤层为转折点呈两段式分布；压力系数其下煤组(11#-15#煤层)较上煤组低，上煤组为常压储层，下煤组为欠压储层；从地层供液能力来看，单位涌水量均远远小于0.1 L/(s·m)，富水性极弱，且上煤组远低于下煤组；各评价参数分布差异性表现出分布趋势一致性，以此表明研究区煤系储层至少含有两套独立含气系统，即4#-10#煤层、11#-15#煤层段分别为同一含气系统，至于两个独立含气系统内是否还存在次级系统，由于资料缺乏，尚需进一步研究。

表1 研究区合采可行性分析参数统计

3.3 煤系气合层开发方式

煤系泥(页)岩层、致密砂岩层含气显示在滇东-黔西地区多煤层条件煤系普遍存在，部分层段平均含气量达到2.5m3/t，开发潜力较大，但基于煤系气“多层系、多储层、单储层薄、非均质性强、叠置气藏共生共存”赋存特点，制约其合层共采开发进程。近年来，国内就煤系气共探共采的研究主要集中在从含气特征、赋存特征、成藏要素、富集模式及叠置含气系统等地质评价上对煤系的纵向解剖，而对兼容性评价、开采方式及开发工艺上相对较少，仅在共采贡献率综合评价模型、分隔合采技术等方面零星报道[13-15]。

基于多煤层煤系气储层和煤系储层组合基本类型，从以煤层气为主兼顾泥(页)岩气、致密砂岩气和独立泥(页)岩气、致密砂岩气两类，针对同一含气系统不同煤系组合类型、不同含气系统不同煤系组合类型初步提出并划分其开发方式及途径(表2)。尤其针对同一含气系统组合型煤系气藏， 地面原位开采进一步分为3种方式：①以煤层为载体，通过上、下变密度扩射，打开泥(页)岩、致密砂岩含气层；②煤层间距小于3m，采用多煤层连射打开多个储层实现整体改造；③煤层间距为3～10m， 岩性较均一的砂岩含气层，采用水平井煤层间成井，定向射孔沟通上、下煤层，实现整体改造。

表2 煤系气合层共采开发方式

4 结论

(1)煤系气在滇东-黔西地区多煤层、泥(页)岩、致密砂岩互层的海陆交互相沉积地层普遍存在，赋存于多个沉积单元体中，除煤层及直接顶底板外，还存在多个独立的泥(页)岩、砂岩层含气藏。

(2)黔北煤田林华矿煤系泥(页)岩、泥质粉砂岩具有“沉积厚度大、含气量高、有机成熟度高、有机质含量高、脆性矿物含量较高”沉积赋存特点，煤系气富集成藏度高，开采潜力大，其下煤组储层条件优于上煤组煤系。

(3)对研究区煤系垂向剖析，煤系气储层基本类型划分为2类7型；基于储层评价参数，研究区煤系至少含有两套独立含气系统，即4#-10#煤层、11#-15#煤层段分别为同一含气系统；初步划分了煤系气合层共采开发方式。

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CoalMeasuresGasReservoiringFeaturesandExploitationPatterninLinhuaCoalmine,QianbeiCoalfield

Yi Tongsheng1,2，Bao Shujing3，Chen Jie2，Fu Wei2

(1.Guizhou Research Center of Shale Gas and CBM Engineering Technology，Guiyang 550009，China； 2.Coal Mine Explorationof Guizhou Province，Guiyang 550009，China； 3.Oil & Gas Survey, China Geological Survey, Beijing 10029, China)

On the basis of coal measures gas multi-layer production test, analyzed hosting features of the Longtan Formation coal measures gas reservoir sedimentary association, gas-bearing property, organic matter types and mineral components. The study has shown that the coal measures gas is hosted in multiple sedimentary units, besides coal seam and immediate roof and floor, still have multiple individual mudstone (shale) and sandstone gas-bearing sectors. Study area mudstone (shale), compact sandstone gas-bearing strata have features of large depositional thickness, account for more than 60% in coal measures; high gas content, average above 2.76m3/t, maximum 4.46m3/t; high organic matter maturity, vitrinite reflectance (Ro) average 2.46%, about 90% mudstone (shale) above 2%, in early over mature dry gas generation stage; high organic matter content, average TOC content 3.97%, 68% samples >2%, organic matter type III; higher brittleness index, average 56%. Study area coal measures gas basically can be partitioned into 2 categories and 7 types. Coal measures at least have two sets of individual gas-bearing systems, which is coal seam Nos.4 to 10 and Nos.11 to 15. Based on multi-layer coal measures reservoir association type and coal measures gas system discussion, partitioned coal measures multi-layer production exploitation pattern.

Linhua coalmine; coal measures gas; reservoiring features; gas-bearing system; exploitation pattern

贵州省科技重大专项资助项目(黔科合重大专项字[2014]6002号)；中国地质调查局资助项目(12120114020201-05)；

易同生(1964—)，男，贵州遵义人，研究员。

2017-08-06

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.05

1674-1803(2017)09-0023-08

A

责任编辑：宋博辇