木里盆地侏罗系煤层气主控因素及成藏模式

2019-08-30田亚杜治利张文龙陈夷

中国地质调查 2019年4期

田亚，杜治利，张文龙，陈夷

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083； 2.青海煤炭地质一〇五勘探队，西宁 810001)

0 引言

随着我国天然气对外依存度的逐渐攀升，各类型非常规天然气的勘探开发已刻不容缓。目前我国已探明的煤层气资源丰富，可作为常规天然气的有利补充[1-9]。木里盆地位于青海省东部，煤炭资源丰富，查明煤炭资源量约42.2亿t，煤层气资源潜力巨大。盆地呈NWW-SEE向展布，东西长约190 km，南北平均宽约40 km，面积约7 600 km2，包括聚乎更、哆嗦公马、江仓等11个矿区[10]。但木里盆地煤层气研究仍属空白区，对煤层气的资源潜力认识不清。因此，本文通过对木里盆地煤层发育情况、煤体结构、变质程度及含气性等研究，初步探讨了该区煤层气的富集模式，为下一步煤层气勘探开发提供了依据。

1 研究区概况

1.1 煤层赋存特征

煤层气资源的丰富程度与煤系地层的分布、煤层埋深及煤层厚度关系密切，煤层厚度越大且稳定性越好，就越有利于煤层气藏的形成[11-12]。木里盆地侏罗系煤层主要赋存于下侏罗统热水组及中侏罗统木里组和江仓组，其中木里组成煤环境最好，分布范围较大。

木里盆地自西向东存在3个煤层富集区，分别为西部的聚乎更地区、中部的江仓地区和东部的热水地区，各区煤层厚度变化较大。以聚乎更矿区为例(图1)，木里组为主要含煤层段，含下1、下2煤层。下1煤层厚度为0.34～25.49 m，平均厚度12.27 m，含夹矸1～4层，煤层结构以简单—较复杂为主；下2煤层厚度为1.71～20.94 m，平均厚度7.91 m，含夹矸1～3层，煤层结构一般较简单。赋煤面积约80 km2，埋深400～1 500 m，由北向南埋深逐渐增加。

木里盆地整体煤层分布稳定，连续性好，厚度较大(图2)，为煤层气的形成提供了丰富的物质基础。同时,聚乎更矿区内的南向斜似单斜的构造形态及江仓矿区的向斜核部,为煤层气的生成提供了有利的埋深条件(图3)。

图1 木里盆地聚乎更矿区地层综合柱状图

Fig.1 Comprehensive stratigraphic column of Juhugeng area in Muli Basin

图2 木里盆地侏罗系煤层累计厚度

Fig.2 Cumulative thickness contour of Jurassic coal seams in Muli Basin

图3 木里盆地侏罗系煤层顶板埋深Fig.3 Depth contour of Jurassic coalbed top barrier in Muli Basin

1.2 煤体结构和煤层割理

煤体结构和煤层割理对煤层气聚集、运移及压裂有重要影响[13-14]。木里盆地聚乎更矿区木里组下1、下2煤层的煤体结构多为原生结构，以亮煤—半亮煤为主，夹有少量镜煤条带(图4)。木里盆地煤层割理较发育，聚乎更矿区木里组下1煤层割理平均密度为11条/5 cm，下2煤层割理平均密度为17条/5 cm,割理延伸距离较长。从割理几何形态看，以发育孤立网状组合为主，发育面割理和端割理，有利于增加煤中裂隙，改善煤层渗透性。

图4 木里盆地聚乎更矿区下2煤标本Fig.4 Lower 2 coal samples in Juhugeng area of Muli Basin

1.3 变质程度

判断煤层的变质程度一般选取镜质体反射率(Ro)作为评价手段。聚乎更矿区木里组下1煤层的Ro为0.66%～2.26%，均值为1.04%，下2煤层的Ro为0.65%～2.19%，均值为1.05%，以Ⅲ变质阶段为主。据此判断聚乎更矿区木里组下1煤层以弱黏煤、气煤和焦煤为主，下2煤层以弱黏煤、黏煤、气煤和焦煤为主。聚乎更矿区木里组下1、下2煤层的壳质组含量占有机组分比例均较小，表明煤的变质程度均已达到中、高煤化阶段(表1)。

表1 聚乎更矿区主要目标煤层变质程度Tab.1 Metamorphic degree of the main target coal seams in Juhugeng area

1.4 含气性

木里盆地侏罗系煤层属于气煤—瘦煤阶，对于该阶煤的煤层气资源含气量下限是4.0 m3/t。聚乎更矿区7-4号钻孔下1煤层含气量最高值为12.13 m3/t，最低值为1.03 m3/t，平均值为6.57 m3/t; 下2煤层含气量最高值为11.72 m3/t，最低值为5.08 m3/t，平均值为7.83 m3/t。

煤炭钻孔现场解吸结果显示，聚乎更矿区下1煤层含气量变化为0.22～5.52 m3/t，下2煤层含气量变化为0.12～11.14 m3/t(表2)，江仓矿区木里组含气量变化为0.03～2.82 m3/t。整个木里盆地煤层气含量不同地区差异较大，聚乎更、江仓、外力哈达、热水矿区的煤层气含量远高于默勒和海德尔矿区。

表2 聚乎更矿区钻孔煤层含气量(空气干燥基)和成分Tab.2 Gas content (air dried basis) and composition of drilled coal seams in Juhugeng area

1.5 物性及吸附性

煤的孔隙度主要与煤的变质程度有关，总体来看，随煤阶升高，孔隙度逐渐降低，到焦煤后就不再增加[15]。之后，随煤阶升高，孔隙度又开始有所回升。木里盆地煤变质程度处于长焰煤到焦煤阶段，煤储层孔隙度普遍较高，介于2.7%～13.7%之间。木里盆地聚乎更矿区、江仓矿区、热水矿区及默勒矿区的煤储层渗透率变化较大，范围为(0.03～10.6)×10-3μm2，利于煤层气的储集和运移，而且对煤层气的开采也较有利。木里盆地煤储层渗透率并非与孔隙度完全呈正相关关系，受构造影响，煤体结构破坏严重，连通性变差，造成渗透率普遍较低。

煤层中的甲烷主要以吸附在煤体内表面上的吸附气为主构成，在一定储层压力条件下，煤的吸附能力决定煤层单位含气量的高低[16]。木里盆地聚乎更矿区、江仓矿区、热水矿区及默勒矿区等煤储层11个样品平衡水兰氏体积介于17.25～24.04 m3/t之间，平均为20.94 m3/t，干燥无灰基兰氏体积介于18.94～26.64 m3/t之间，平均为23.10 m3/t，表明木里盆地具有较强的储气能力。兰氏压力中等—较高，变化范围为1.99～13.33 MPa，表明木里盆地煤层气产能较高。

2 煤层气主控因素

2.1 生气条件

不同的煤岩组分生烃能力不同：壳质组生烃能力最强，其次为镜质组，惰质组最差[17]。木里盆地煤的镜质组含量普遍较高，平均为60%～80%，镜质组的生气能力相对较好，对煤层气生成的贡献较大，由此为盆地煤层气的生成奠定了良好的物质基础。

煤阶是衡量煤化作用程度或煤变质程度的参数，常用煤的镜质体反射率指标来划分煤阶[18]。从煤层气成烃机理上来讲，镜质体反射率越高，煤的变质程度也愈高。煤阶直接影响煤的生气多少及煤储层孔隙、裂隙发育和吸附特性等，所以煤阶对煤层气藏的形成起重要作用。

整体来看，木里盆地变质程度较低，还未达到大规模生气阶段。盆地东部默勒、海德尔等地区主采煤层多数变质程度很低，不利于煤层气的大量生成，而盆地中西部地区的煤变质程度相对较高，生气条件较好。

2.2 保存条件

煤层顶、底板即围岩的物性特征包括围岩的孔隙性、渗透性和节理发育程度等，这些直接决定着盖层突破压力这一重要物性，从而影响围岩对煤储层的封盖性能，决定煤层气的保存和逸散条件[19]。

木里盆地地区煤层顶、底板岩性以泥岩、粉砂岩为主，整体条件较好。以聚乎更矿区为例，煤层的顶板一般以泥岩、粉砂岩为主，局部为砂质泥岩和细砂岩，厚度不大，多数在1～10 m之间，渗透率较低，形成了矿区的区域性盖层(图5)。整体来看，盆地西部聚乎更、江仓、哆嗦公马矿区的顶、底板岩性以泥岩、粉砂岩为主，封盖能力较强。盆地东部海德尔、默勒矿区的顶、底板岩性也以泥岩、粉砂岩为主，整体封盖能力较好。而外力哈达、柴达尔井田的顶、底板虽以细粒岩性为主，但受后期构造影响，节理、裂隙发育，封盖能力较弱。木里盆地聚乎更、江仓、海德尔和默勒矿区煤层顶、底板封盖性较好，对煤层气的富集和保存较有利。

图5 聚乎更矿区下1煤层顶板岩性分布Fig.5 Lithofacies distribution of top barrier of Lower 1 coalbed in Juhugeng area

3 煤层气成藏模式

煤层气藏是一种非常规天然气藏，无论其气藏类型还是成藏机理，都与常规气藏有着较大差异。其主要特征为： ①煤层气藏是煤层气聚集的基本单元，具有明显的边界，与周围地质体分隔； ②独立的流体系统是指经历了相同的演化过程和相似的地质作用下的基本流体单元； ③煤岩体是受顶、底板控制，连续分布的煤层[20-22]。通过对木里盆地煤层气富集主控因素及边界条件进行分析，认为构造特征为本区煤层气富集最主要的因素，其次为煤系条件和围岩条件。分析认为木里盆地成藏模式有2种：第1种是受逆冲断层控制的倾角较小的大型单斜构造，断层封闭性好，埋深相对较大，对煤层气的富集与保存极为有利，如聚乎更矿区的四井田和一井田；第2种是在江仓矿区发育的大型向斜，虽然倾角较大，但是储层压力也较大，埋深适中，同样是煤层气发育的有利位置。

3.1 宽缓向斜富集

宽缓向斜煤层气成藏模式主要发育于江仓矿区，两翼倾角较小，埋深较大，煤层的顶、底板主要为泥岩和粉砂岩等，煤层(煤层组)厚度大，储层压力大，有利于煤层气的富集成藏，因此可作为煤层气勘探的有利目标区(图6)。

木里盆地煤层气富集成藏受煤层的埋深、储层所在构造位置、水文地质条件、煤岩组成、热演化程度等众多因素影响。如图6所示，向斜构造是煤层气藏形成的有利构造位置。由于向斜两翼煤系地层出露，煤层气很容易发生逸散，两翼地区煤层气保存条件比向斜腹部地区差，从向斜两翼向向斜腹部，煤储层的上覆岩层厚度不断增大，使得煤层气在纵向上逸散更加困难，保存条件变好，煤层气含量增大。同时，盆地两翼的煤系露头地区接受降水和地表水(冰雪融水)入渗补给，当地下水通过补给区和径流区时，溶解了一部分煤层气，一定程度上降低了补给区和径流区的煤层气含量。但地下水会携带溶解的煤层气到滞流区，使滞流区的地下水溶解煤层气不断聚集，地下水饱和之后煤层气析出，使滞流区的含气量增高。而且区内的冻土层对于煤层气的保存也起到了一定的积极作用。此外，水流方向和煤层气的横向逸散方向相反，阻止了煤层气向上运移，起到水力封堵作用。向斜的腹部地区，地下水滞留，矿化度高，煤层气的保存条件较好，有利于煤层气富集成藏。并且向斜腹部的煤层Ro高于向斜两翼，煤岩的生气量和吸附量均高于盆地两翼。

图6 木里盆地江仓矿区煤层气成藏模式Fig.6 Coalbed methane accumulation model in Muli Basin (Jiangcang area)

3.2 大型单斜构造富集

聚乎更矿区内部的南向斜就是逆冲断层控制下的单斜构造，倾角较小，单斜层上部的压性封闭断层阻止了煤层气向上运移，利于煤层气的富集。矿区内的四井田和一井田就是典型的逆冲断层控制下的单斜构造。根据实测的一井田ZK-37孔含气量数据，下1煤层的含气量高达5.52 m3/t，然而此孔的下1煤层埋深仅有155.8 m，埋深很浅，说明封闭性的压性逆冲断层对煤层气的富集起着决定性的影响(图7)。