新疆后峡盆地中-低阶煤煤层气成藏模式

2022-06-07涂志民车延前林文姬

煤田地质与勘探 2022年5期

涂志民，车延前，李鹏，林文姬

(1.中国石油煤层气有限责任公司，北京 100028；2.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京 100095)

低阶煤层气一般指赋存于褐煤−长焰煤中的天然气，其煤层镜质体反射率一般小于0.65%，通常形成于煤化作用的初期[1-3]。目前美国的粉河(Powder River)盆地以及澳大利亚的苏拉特(Surat)盆地针对低阶煤层气开发较为成功，实现了商业性开发。粉河盆地在2008 年达到产气高峰，年产气量达到556 亿m3[4]；苏拉特盆地截至2016 年底，年产气量达到210 亿m3[5]。这2 个盆地低阶煤层气的成功开发带动了世界范围内低阶煤层气的研究和发展。目前国内实现商业规模开发煤层气田，主要是位于山西沁水盆地以及鄂尔多斯盆地东缘，其主要是中−高阶煤层气藏，而针对低阶煤层气规模开发仍未实现。新疆煤层气资源十分丰富，煤层气预测总资源量达9.5 万亿m3，占全国预测资源量的25.8%，且多为低阶煤煤层气[6]，具有丰富的资源基础，但截至目前仍未建成规模开发的低阶煤层气田。新疆后峡盆地为位于天山山脉间的一个山间盆地，其煤层气赋存条件与准南缘具有相似的特征，前人仅仅针对该区煤层气资源条件进行了研究，而对成藏方面研究未有涉及[7]，总体该区煤层气勘探程度较低，煤层气富集规律认识不清。为此，笔者结合近些年在该区的煤层气勘探实践，结合地震、地质相关资料，并利用已钻探8 口井取心分析数据以及排采生产数据，对煤层气成藏规律开展研究，以期对该区及国内具有相同特征地区中-低阶煤煤层气勘探有一定借鉴作用。

1 地质概况

后峡盆地区域构造上处于天山地槽褶皱系与准噶尔盆地南缘的结合部，属于中生代山间盆地。从区域地质图可看出该盆地为一NW−SE 向，西宽东窄、SW 低NE 高的向斜构造，长约50 km，宽约15 km。向斜构造轴向呈NW−SE 向，由第四系、侏罗系构成。侏罗系南厚北薄，向西可延长至头屯河以西；向斜中心位于南部，靠近山前，南部为侏罗系沉积中心，地层较厚，向北地层逐渐减薄。表现为平缓的单斜构造，地层向SW、NW 方向倾斜，地层倾角10°～30°。盆地基底主要由海西期上泥盆统和石炭系组成。盆地形态轮廓均受其基底坳陷形态的控制，部分边缘受断裂控制，其西南部边界受大断裂控制，其余地段未发现大的断裂。

2 煤层气储层特征

2.1 构造

后峡盆地主要受燕山期−喜马拉雅期断裂影响，分别受两组NWW 逆冲断层及NE 向压扭断层控制，形成“三凹两凸”的构造格局；自东向西，区内主要发育东南沟、阿什里、雀洛皆特3 个凹陷以及特克阿苏、八号桥2 个凸起，构成了该区整体的构造面貌；局部发育的构造主要受区内发育的二、三级断裂控制，均为逆断层，在断裂上盘发育多个断块、断背斜构造(图1)。研究区整体上断裂较为发育，构造较为复杂。

图1 后峡盆地西山窑组底界构造Fig.1 Structural of the bottom boundary of Xishanyao Formation in Houxia Basin

2.2 煤层发育

煤层发育情况是煤层气资源丰富程度主要控制因素之一。研究区煤层主要发育在侏罗系西山窑组，已钻8 口探井揭示情况表明，西山窑组主要发育3 个主力煤层，分别为B7、B8、B9 煤层。B7 煤层厚度一般4.8～17.5 m，平均10.0 m；B8 煤层厚度一般4.8～24.3 m，平均10.6 m；B9 煤层厚度一般4.1～16.0 m，平均厚度9.8 m。煤层厚度均较大，厚度横向上有一定变化，但总体分布较为稳定，全盆地皆有分布，显示了研究区较好的煤层气赋存物质基础。

2.3 煤岩

煤岩煤质对煤层含气性及物性有较为重要的影响。不同煤阶、不同显微组分对煤层气吸附能力不同，并且其孔隙及裂隙发育程度也存在差异。研究区8 口井21 个样品煤的镜质体反射率一般0.59%～0.80%，平均0.68%，属于中-低阶长焰煤和气煤。宏观煤岩类型以暗淡煤为主，半亮煤、半暗煤次之；煤心呈块状和碎粒状，含少量粉状，煤体结构为原生结构煤和碎裂煤，割理不发育。研究区3 口井7 个样品显示不同煤层之间显微组分差异较小，镜质组含量较高，惰质组含量较低，含极少量壳质组(表1)，表明研究区煤体结构较好、镜质组含量较高，利于后期的压裂改造。

表1 后峡盆地主要煤层显微组分特征Table 1 Maceral characteristics of main coal seams in Houxia Basin

2.4 含气性

中-低阶煤含气性与中-高阶煤相比，整体含气量偏低。研究区6 口井25 个含气量取心测试样品测试结果显示，空气干燥基含气量一般为1.16～7.84 m3/t，平均3.0 m3/t，含气量总体较低，个别井点取心含气量较高，达到6.0～8.0 m3/t。另外，G3 和A1 井未取得目的煤层岩心，依据排采起套压时的临界解吸压力(分别为8.77、13.00 MPa)，结合邻井的等温吸附参数，按照Langmuir 等温吸附公式计算其含气量分别为11.7 m3/t和12.3 m3/t，显示较高的含气量。因各井未能取全3套目的煤层岩心，各煤层含气量平面分布样品点偏少，为此，整体按西山窑组目的煤层平均含气量进行分析，基本上也可以反映研究区含气量的平面展布特征，总体显示含气量在平面上呈现较大的差异性，由NE 至SW 向呈逐渐增大的趋势，靠近西南边界又逐渐降低(图2)。等温吸附实验测得空气干燥基Langmuir 体积12.57～26.23 m3/t，平均18.09 m3/t，显示研究区煤层吸附能力较强，而实际含气量较低，导致整体含气饱和度偏低；空气干燥基Langmuir 压力3.8～12.57 MPa，平均7.82 MPa，Langmuir 压力较高，易于煤层气解吸。

图2 研究区西山窑组含气量分布Fig.2 Gas content distribution of Xishanyao Formation in the study area

2.5 煤储层物性

储层物性条件是煤层气开发关键参数。研究区11 个样品，在实验室3.5 MPa 围压条件下，测试其孔隙率为1.45%～5.26%，平均2.6%；渗透率差异较大，为(0.012～76.500)×10−3μm2，一般(1.61～13.30)×10−3μm2，平均7.76×10−3μm2。因此，总体上研究区煤储层孔隙率较低，但是渗透率条件相对较好，个别样品测试渗透率较高的原因可能主要由外生裂隙所引起。从目前排采井产水情况间接得到了证实，普遍日产水较大，在见套压前阶段，流压日降幅控制在0.02～0.03 MPa 情况下，日产水量一般达到了10～30 m3。

3 煤层气成藏条件

3.1 煤层气成因

目前煤层气成因主要包括热成因、生物成因、混合成因3 大类型，国内外学者一般把低阶煤煤层气成因归结为以生物成因为主，或者是在前期热成因基础上后期生物气的补充[8-9]。对煤层气成因研究主要通过其C、H 同位素含量进行划分，生物气甲烷氢同位素(δDCH4)一般介于−400‰～−170‰，甲烷碳同位素(δ13CCH4)一般轻于−55‰[4,10-11]。研究区甲烷碳同位素值为−57.8‰～−45.3‰，甲烷δDCH4为−257.3‰～−218.7‰，甲烷与乙烷、丙烷总和的比值为62.47～555.54。将以上测试结果投到M.J.Whiticar 模板[12]，显示G5、T1 井为生物气成因，而其余3 口井均显示热成因特征。为进一步分辨其成因类型，使用M.J.Kotarba[8]建立的天然气成因判识图版，表明A1 井显示热成因气特征，G5 井显示生物气特征，T1 井显示混合成因气特征，而G2、G3 井显示次生热成因气特征(图3)。综合上述2 种煤层气气成因分类模板，认为研究区气成因呈现多种类型，包含热成因、次生热成因、生物成因和混合成因4 种类型。其中，生物成因与热成因气因其碳、氢同位素含量不同很容易加以区分，而热成因与次生热成因气之间的区别主要在于次生热成因气受到后期改造的作用，如构造抬升导致吸附态甲烷开始解吸，而煤层气在解吸过程中，气体解吸速度与分子大小及轻重成反比，重烃比甲烷难解吸，13CH4比12CH4难解吸，导致解吸-扩散-运移作用下次生热成因气会变干、变轻[13-14]。另外，结合各井的分布位置进行分析，显示其成因类型与构造位置有较强相关性。如埋深较大靠近凹陷中心的A1 井以热成因为主；凸起高部位的G5 井以生物成因为主，盆地边缘斜坡高部位的G1 和G4 未开展同位素分析，依据其构造位置推测其应为生物成因气；在斜坡中部位置的T1 井为混合成因；而在构造圈闭处的G2、G3 井为次生热成因。煤层气成因与构造位置的相关性在后文将加以深入分析。

图3 后峡盆地煤层气成因类型判别Fig.3 Genetic type discrimination of coalbed methane in Houxia Basin

研究区不仅不同构造位置成因类型不一，而且其含气性也存在一定差异。热成因类型含气量较高，而生物成因类型含气量较低。排采实践也证实了该结论。如具有热成因气特征的A1、G2、G3 井临储比分别为0.77、0.67、0.99，而且日产气量均接近或超过1 000 m3，而生物成因和混合成因气井临储比小于0.45，日产气量小于500 m3(表2)。表明研究区以热成因气成藏占有优势，而生物气成藏含气量偏低。

表2 研究区气样分析、含气量及生产数据Table 2 Gas sample analysis,gas content and production data in the study area

3.2 构造演化

构造演化过程不仅影响煤层生烃条件，也影响生烃后的保存状况，是决定煤层气成藏的关键性因素之一。在早−中侏罗世，整个天山地区处于造山运动后的松弛期，未发育明显的正地形构造，此时后峡盆地与准噶尔盆地连为一体，在稳定沉降的背景下，发育了一套厚度大、煤层展布稳定的煤系；而在晚侏罗−早白垩世期间发生了明显的整体隆升作用，天山及准噶尔南缘开始隆升遭受剥蚀，盆山格局发生了显著变化，此时，后峡盆地整体随着天山抬升并接受剥蚀，从此与准南缘分割开来，沉积演化开始分异，直至现今该区一直处于抬升剥蚀区，未接受沉积[15-16]。笔者以研究区G2 井为例加以说明，根据该井煤层镜质体反射率与其经历的最高温度之间的关系式[17]，可计算其热演化最高温度为125.24℃，依据该区的古地温梯度35℃/km[18]，可计算最大埋藏深度为3 580 m，而目前煤层埋深为939 m，剥蚀地层厚度为2 641 m。而在白垩纪及古−新近纪，地层剥蚀厚度的确定主要依据相邻准南缘地区地层发育较为完整钻井在白垩纪及古−新近纪所沉积的地层厚度，根据物质平衡原则依据其比例近似加以确定，最后模拟该井的地层埋藏史曲线，结果可能不是非常准确，但可以近似反映研究区地层的埋藏演化过程(图4)。因此，根据研究区煤层沉积后的埋藏演化过程可以看出，在晚侏罗及早白垩世埋深达到最深时开始生成热成因煤层气，尤其是在盆地沉积中心位置，但随着后期的持续抬升导致前期生成的煤层气大量散失，对该区煤层气的破坏起到决定性作用。

图4 后峡盆地G2 井地层埋藏史曲线Fig.4 Stratigraphic burial history curves of well G2 in Houxia Basin

3.3 水文地质条件

水文地质条件对煤层气富集具有多样性影响，主要体现在对煤层气的逸散、封闭、封堵作用以及次生生物气的生成，其中逸散作用导致煤层气藏的破坏，而封闭、封堵作用对煤层气保存有重要影响[19-20]。研究区紧邻乌鲁木齐河及一号冰川，雨季多雨、植物茂盛，山水交错期间，总体上水文补给条件较好[21]。研究区西南边界为一条走向NW、南倾北冲的逆冲断层，总体上呈向NE 方向抬升的斜坡构造，煤层在斜坡上倾顶部出露地表，直接接受大气降水及山顶冰雪融水的补给，形成了在斜坡上倾浅部位的水动力活跃径流区，而沿着斜坡下倾方向逐渐过渡到滞流区，形成了煤层气的侧向封堵。目前该区8 口生产井排采水矿化度呈现了上述特征，在离煤层剥蚀边界较近、煤层埋深相对较浅的G4 及G1 井排采水矿化度较低，分别为2 068、2 910 mg/L，而随着深度逐渐增大，在斜坡中深部，G2、G3 井排采水矿化度分别为6 282、6 719 mg/L，在凹陷处的A1 井矿化度达到了15 351 mg/L。较好反映了水动力活跃程度从盆地边界沿斜坡往凹陷深处逐渐降低，保存条件逐渐趋好。另外，由于该区较好的水文补给条件给次生生物气的生成也创造了条件。一般有利于生物气的生成地层水水温为0～75℃，pH 值6～8，地层水矿化度小于10 000 mg/L，而研究区在斜坡的浅中部均具备次生生物气生成的条件，验证前文煤层气成因分析结论，即研究区主要在煤层中浅部具有生物气特征。

3.4 顶底板封盖条件

顶底板的封盖能力主要取决于顶底板的岩性、厚度和韧性，相比于结构松散、孔隙率大、渗透性好的砂岩，泥岩结构相对致密、孔隙率小、渗透性较差，对煤层气的保存较好[22]。研究区煤层沉积时期为盆地的伸展扩张期，沉积地层主要以灰色、深灰色泥岩为主，砂岩较少发育，3 套目的煤层顶底板均由泥岩组成。钻探井显示，B7 煤层顶板泥岩厚度11.5～49 m，底板5.5～30.28 m，B8 顶板泥岩厚度5.5～40.85 m，底板11.63～49 m，B9 顶板泥岩厚度21.38～41.13 m，底板4.75～27.84 m。通过对比现今研究区不同构造位置井位顶底板泥岩封盖厚度，可以发现无论是更靠近盆地边缘的G4 井，还是在凹陷处的A1 井，其各煤层顶底板泥岩厚度差异不明显，G4 井B7、B8、B9 煤层顶/底板泥岩厚度分别为11.5 m/17.11 m、7 m/28.13 m、41.13 m/15.38 m，而A1 井分别为12.38 m/6.73 m、6.25 m/23.37 m、13.75 m/9.63 m。这可能与前人研究认为在侏罗纪沉积时期后峡盆地不是单独的盆地，而是与准噶尔盆地南缘侏罗纪盆地相连，在现今研究区以南仍然沉积了侏罗系，其物源补给区至少与现今研究区的南部区域有关[16]。因此，研究区各煤层顶底板均由泥岩组成，且厚度差异不大，具备较好的煤层气封盖条件。

4 成藏模式

成藏模式是煤层气富集规律的高度概况，能够有力指导勘探实践。研究区煤层气成因有多种类型，结合前文煤层气富集特征及成藏条件分析，可划分为深层热成因气、常规圈闭次生热成因气以及中浅斜坡生物气3 种典型成藏模式(图5)。每一种成藏模式代表了研究区不同的煤层气成藏富集过程及特点。深层热成因气成藏主要位于埋深较大的盆地凹陷处，是在地质历史演化过程中煤层沉积埋藏深度最大时生成的热成因气，在后期整体抬升过程中，由于现今煤层埋深依然较大，有一部分残余热成因气得以保存而富集成藏。在研究区如A1 井所钻探位置，煤层埋深达到了1 700 m，含气量相对较高，日产气量也相对较高，碳氢同位素显示热成因特征。常规圈闭次生热成因气成藏是在盆地整体抬升过程中，前期生成的热成因气由于地层压力降低前期吸附的煤层气开始解吸，在浮力作用下沿着斜坡上倾方向运移，而在合适的圈闭位置聚集成藏[23-24]。研究区目前G2、G3 井钻探的断块圈闭构造就是该模式成藏类型，含气量在所钻井中测试最高，排采后临界解吸压力较高，产气效果也较好。斜坡生物气成因模式是在前期热成因气残余基础上，浅部由于外来水源的补给，通过甲烷菌的作用生成生物气，随着地表水的补给不断地“溶解−运移−再溶解−再运移”这种方式富集于斜坡的浅中部位置[25]。而且生成的次生生物气能够与原位置的残余热成因气混合，呈现混合成因气特点。从目前的勘探实践来看，常规圈闭次生热成因气成藏模式含气性最好，能够捕获多种成因气圈闭成藏，综合勘探效果最好；次之为深部热成因成藏模式，煤层埋深相对较大，抬升过程中损失气相对较少，含气量相对较高；而中浅斜坡生物气成藏虽然有后期次生生物气的补充，可能由于后期持续抬升，埋藏较浅，保存条件最差，含气性普遍较差，其勘探效果不理想。