中國低煤階煤層氣多元成藏特征及勘探方向

孫粉錦 田文廣 陳振宏 孫 斌 楊敏芳 孫欽平祁 靈 張勇雪 吳 蓓

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司油氣井測試分公司3.中國石油華北油田公司第四采油廠

低煤階煤層氣指賦存于褐煤—長煙煤及其圍巖中的煤層氣，一般鏡質(zhì)體反射率小于0.65%，通常形成于煤化作用的初期[1-3]。我國低煤階煤煤層氣資源量約為10.3×1012m3，占全國煤層氣總資源量的34.5%[4]，集中分布在西北、華北和東北地區(qū)，南方和青藏高原僅零星分布[5]。隨著沁水盆地高煤階（Ro,max＞1.9%）和鄂爾多斯盆地東緣中煤階（0.65%＜Ro,max＜1.9%）煤層氣相繼實現(xiàn)規(guī)模商業(yè)化后，我國煤層氣勘探重點逐漸向低煤階煤層氣轉(zhuǎn)移。近年來，在二連盆地，東北地區(qū)琿春、依蘭等礦區(qū)，鄂爾多斯盆地南部彬縣、焦坪，準噶爾盆地南緣、白家海凸起，塔里木盆地庫車—拜城等地區(qū)開展了低煤階煤層氣勘探實踐[4-14]，實施低煤階煤層氣探井百余口，多口井獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，呈現(xiàn)出多點開花之勢。

然而，與國外低煤階含煤盆地相比，我國低煤階含煤盆地地質(zhì)背景復雜，且多數(shù)盆地經(jīng)歷了不同期次、不同性質(zhì)的構(gòu)造改造，導致我國低煤階煤層氣富集成藏具有自身的特殊性，煤層氣勘探一直處于小型試驗階段，未形成大規(guī)模商業(yè)開發(fā)。筆者在系統(tǒng)分析、總結(jié)我國低煤階煤層氣成藏特征、富集機制基礎(chǔ)上，梳理了我國低煤階煤層氣勘探開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)與科技攻關(guān)目標，并對下一步的勘探方向進行了展望。

1 低煤階煤層氣多元成藏特征

1.1 含煤盆地類型多元

我國低煤階含煤盆地主要有三大類型，不同類型含煤盆地地質(zhì)特征差異明顯。

1）第一種類型是斷坳—前陸復合型中大型低煤階聚煤盆地，主要分布在西北準噶爾盆地、吐哈—三塘湖盆地、塔里木盆地等。以準噶爾盆地為代表，該盆地經(jīng)歷了4個構(gòu)造發(fā)展階段[15]，其中晚三疊世—中侏羅世西山窯期斷坳階段控制了該盆地的聚煤特征，沖積平原和濱湖三角洲平原是主要聚煤環(huán)境，煤層在全盆地發(fā)育，層數(shù)最多可超過60層，厚度變化大（最大單層厚度可超過40 m，表1）。晚期新生代強烈擠壓沖斷形成準噶爾盆地南緣山前沖斷帶，主要特點是強烈煤層抬升，地層傾角變陡。

2）第二種類型是大型穩(wěn)定克拉通型含煤盆地，主要分布在華北地區(qū)，以鄂爾多斯盆地侏羅系為典型代表，其聚煤期構(gòu)造穩(wěn)定，河流、三角洲聚煤環(huán)境穩(wěn)定發(fā)育，煤層在全盆地發(fā)育，一般煤層層數(shù)少，該區(qū)侏羅系主要發(fā)育4套主力煤層，單層厚度一般小于10 m，白堊紀晚期東部抬升使得盆地現(xiàn)今構(gòu)造格局為寬緩的西傾斜坡，地層傾角介于1°～2°。

3）第三種類型是小型斷陷型低煤階聚煤盆地群，主要分布在內(nèi)蒙東部及東北早白堊世二連盆地、海拉爾盆地、三江盆地群等，其中西部海拉爾、二連盆地聚煤期持續(xù)穩(wěn)定沉降，緩坡帶或凹陷中央形成巨厚煤層，煤層單層厚度可介于80～100 m，累計厚度可超過200 m，分布不穩(wěn)定。而東部三江盆地群聚煤期盆地頻繁升降，煤層層數(shù)多達幾十層，單層厚度一般不超過3 m，煤層與河流相砂體頻繁互層發(fā)育（表1）。

1.2 成因類型多元

統(tǒng)計我國主要低煤階含煤盆地實測煤層氣氣組分與同位素數(shù)據(jù)（表2），氣體組分和穩(wěn)定同位素值測試方法同本文文獻[8]。其中，彬縣、焦坪、黃陵、合水—寧縣數(shù)據(jù)來源于本文文獻[8]。通過煤層氣成因判別圖版判別，顯示低煤階煤層氣有3種成因類型：生物氣、自身熱成因氣和次生熱成因氣（圖1），這與前人認識基本一致[5,7,16]。生物氣生氣途徑以二氧化碳還原型和混合型為主，未發(fā)現(xiàn)乙酸發(fā)酵型（圖2，圖中海拉爾數(shù)據(jù)來源于本文文獻[17]）。

表1 中國主要低煤階區(qū)煤層氣地質(zhì)條件統(tǒng)計表

表2 我國低煤階含煤盆地實測煤層氣氣組分與同位素數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖 1 基于CH4/(C2H6+C3H8)—δ13CCH4低煤階煤層氣成因判識圖（模板來自Kotarba[18]）

圖2 基于δ13CCH4—δDCH4低煤階煤層氣成因判識圖（模板來自Whiticar[19]）

從區(qū)域分布來看，準噶爾盆地南緣主要為晚期生物氣與自身熱成因氣混合成因，并有次生熱成因氣的特征，顯示具備多種氣源補充。而準噶爾大井和吐哈沙爾湖地區(qū)為生物成因氣，推測為早期原生生物氣[20]，含氣量一般低于1 m3/t；鄂爾多斯盆地南部侏羅系淺部彬縣地區(qū)煤層氣主要以晚期二氧化碳還原型生物成因氣為主（圖2），而深部合水—寧縣以自身熱成因氣為主，烏審旗地區(qū)以次生熱成因氣和混合成因氣為主；海拉爾、二連盆地以生物成因氣為主，具有二氧化碳還原成因和混合成因特征（圖2）。

1.3 賦存狀態(tài)多元

低煤階煤層氣賦存狀態(tài)包括吸附態(tài)、游離態(tài)和水溶態(tài)，以吸附態(tài)和游離態(tài)為主[21]。低煤階煤層大孔、中孔占較大比例，孔隙發(fā)育，存在大量游離氣，如美國粉河盆地低煤階煤層存在大量游離氣已經(jīng)得到廣泛共識，有些地區(qū)煤層氣產(chǎn)量已經(jīng)超過其原地資源的2倍，其原因在于這些區(qū)域多位于構(gòu)造高點，存在游離氣運移補給[17]。秦勇等[22]研究認為，游離氣對于深部低煤階煤層含氣量的貢獻十分重要，并通過模擬發(fā)現(xiàn)，隨著深度加大，低煤階煤層游離氣所占比例逐漸加大，當達到一定深度，低煤階煤層游離氣氣含量超過吸附氣，此時煤層氣勘探應(yīng)以游離氣勘探為主。

準噶爾盆地準東斜坡帶白家海凸起彩504井西山窯組煤層埋深介于2 567～2 583 m，Ro約為0.65%，煤層直接頂?shù)装寰鶠楹駥幽鄮r，厚度可超過30 m，單獨針對該井煤層段進行壓裂試氣，壓裂后自噴產(chǎn)氣，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在7 300 m3左右（圖3），產(chǎn)氣特征類似常規(guī)天然氣，證實在深部超壓煤儲層中存在大量游離氣。

圖3 準噶爾盆地白家海凸起彩504井試產(chǎn)曲線圖

1.4 富集類型多元

低煤階煤層氣處于生氣早期，總體上生氣量不足，加之我國大部分含煤盆地形成后，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動和反復抬升沉降，早期生成的烴類氣體基本散失殆盡。因此，晚期多種氣源的補充對低煤階煤層氣富集成藏非常重要，特別是次生生物氣的補給。而水文地質(zhì)條件一方面影響著低煤階煤層氣的保存，另一方面在合適條件下還能促進次生生物氣的生成[23-25]。另外，低煤階煤層氣賦存狀態(tài)多元，煤層氣易散失，因此需要良好的封蓋條件。

總之，充足的氣源補給和良好的封蓋條件是低煤階煤層氣富集的關(guān)鍵，富集區(qū)內(nèi)裂縫發(fā)育帶或局部構(gòu)造圈閉是煤層氣高產(chǎn)有利“甜點區(qū)”已經(jīng)成為共識。根據(jù)前面所述我國低煤階煤層氣多元成藏特征，提出4種低煤階煤層氣富集類型。

1.4.1 小型斷陷盆地富煤區(qū)生物氣＋承壓水封堵煤層氣富集模式

我國內(nèi)蒙古東部及東北地區(qū)斷陷盆地煤層含氣量普遍較低，主要與該區(qū)以褐煤為主，吸附能力弱有關(guān)，巨厚煤層一般發(fā)育在緩坡帶—凹陷帶的三角洲以及湖泊淤淺沼澤相，同時富煤區(qū)往往頂板泥巖發(fā)育，封蓋條件有利，配合水文條件處于弱徑流—滯留區(qū)，利于生物氣生成，承壓區(qū)利于煤層氣側(cè)向封堵（圖4）。

以二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷為例，該區(qū)富煤區(qū)位于凹陷中部，煤層單層厚度可達100 m左右，有效彌補了含氣量的不足，同時處于匯水承壓區(qū)，地層壓力處于常壓—超壓狀態(tài)，水文地質(zhì)條件適合生物氣生成，進而形成高飽和煤層氣藏[26]。

1.4.2 華北大型穩(wěn)定克拉通盆地寬緩斜坡帶水動力弱徑流區(qū)富集模式

圖4 斷陷盆地富煤區(qū)生物氣＋承壓水封堵煤層氣富集模式圖（以半地塹型為例）

穩(wěn)定的克拉通型盆地邊緣斜坡帶地層平緩，傾角一般小于2°，構(gòu)造格局相對穩(wěn)定，大氣降水的滲入帶來甲烷菌并改善地層水條件使之適合甲烷菌繁殖，利于次生生物氣的生成，配合良好的封蓋條件利于煤層氣富集，同時，局部構(gòu)造圈閉為氣體運移指向區(qū)，易形成高飽和煤層氣藏（圖5）。

圖5 穩(wěn)定克拉通盆地寬緩斜坡帶水動力弱徑流區(qū)煤層氣富集模式圖

以鄂爾多斯盆地南部侏羅系為例，該區(qū)淺部煤層含氣量明顯高于深部，同位素分析結(jié)果表明，彬縣、焦坪、黃陵等地區(qū)低煤階煤層氣為晚期生物氣，而深部合水、寧縣地區(qū)為熱成因氣， 主要由于淺部受大氣降水補給，礦化度降低，適合甲烷菌繁殖，而深部地層水礦化度過高導致甲烷菌難以生存，從而缺乏次生生物氣補充[8]。

1.4.3 西北斷坳—前陸復合型盆地前陸沖斷帶多氣源補給富集模式

如圖6所示，該類盆地前陸沖斷帶緊鄰生烴凹陷，通過斷層溝通，使得深部熱成因氣運移至淺部煤層再吸附成藏，煤巖熱演化程度達到熱成因氣生成階段，同時山前大量冰雪溶水滲入煤層，一方面有利于次生生物氣生成，另一方面為高陡煤層提供了側(cè)向封堵，使得煤層氣得以保存[12]，具備多種氣源補充形成高含氣帶，局部構(gòu)造高點形成煤層氣富集區(qū)，裂縫發(fā)育帶利于高產(chǎn)[13]。

圖6 準噶爾盆地南緣山前沖斷帶和北部斜坡帶侏羅系煤系氣富集模式圖

1.4.4 深部煤系氣多源供氣、砂煤共儲＋游離氣局部圈閉富集模式

深部煤系地層應(yīng)將煤層和附近砂巖統(tǒng)一考慮，綜合開發(fā)[27]，應(yīng)用煤層氣和常規(guī)氣相結(jié)合的勘探思路，才能取得較好的開發(fā)效果。深部煤層除自身熱成因氣外，深部熱成因氣或附近生烴凹陷外源氣沿斷層或不整合面運移至煤系地層煤層和砂巖中，形成多氣源供氣，煤層與砂巖雙儲層共儲，局部構(gòu)造或巖性圈閉富集的煤系氣富集模式（圖6）。

以準噶爾盆地白家海凸起為例，該區(qū)八道灣組煤系地層天然氣除煤層自身生成的天然氣外，深部、二疊系烴源巖生成的氣體沿斷層或不整合面運移至八道灣組煤層和砂巖中成藏（圖6）[28-29]。

2 低煤階煤層氣勘探面臨的挑戰(zhàn)與攻關(guān)方向

低煤階煤層氣具有見氣快、單井產(chǎn)量高等優(yōu)點，是我國煤層氣主要接替領(lǐng)域。但與國外相比，我國低煤階煤層具有埋藏深度大（一般大于500 m）、滲透率偏低（一般低于5 mD）、煤層氣吸附飽和度偏低（介于40%～80%）等特點，要實現(xiàn)規(guī)模效益開發(fā)，面臨以下3個方面的挑戰(zhàn)。

2.1 多元成藏特點加大了煤層氣目標區(qū)優(yōu)選的難度

低煤階煤層氣盆地類型多元，不同的構(gòu)造演化背景導致煤層氣成藏過程復雜，富集機制差異大，加大了評價的難度。以往的研究局限于典型區(qū)塊煤層氣現(xiàn)今地質(zhì)特征的靜態(tài)描述，缺乏地質(zhì)歷史時期的演化過程，以及煤層氣生成—吸附—儲集—逸散—賦存動力學機制的解剖研究。因此，需要開展不同類型盆地煤層氣成藏演化過程及動力學機制研究，包括構(gòu)造演化史、沉積埋藏史、煤化作用史、有機質(zhì)生烴史以及地下水活動史的配合關(guān)系研究，地應(yīng)力場、地熱場、流體化學場和流體動力場互動過程研究，從動態(tài)的角度確定不同地質(zhì)背景條件下煤層氣成藏的主控因素，指導富集區(qū)優(yōu)選。

低煤階煤層氣成因類型多元，導致勘探評價容易出現(xiàn)偏差。不同成因的低煤階煤層氣資源勘探思路迥異，應(yīng)采用不同的評價方法。如果以生物成因為主，則盆地邊緣水動力弱徑流—滯留區(qū)的局部圈閉是低煤階煤層氣有利勘探目標；如果以外源熱成因氣補充為主，則需要結(jié)合常規(guī)天然氣評價方法，在以煤層為主要勘探目標的同時注重多目的層立體勘探。因此，需要加強氣源類型研究，明確氣源成因及其資源貢獻，包括次生生物氣生氣潛力、 生物氣轉(zhuǎn)化速率和效率主控因素、生氣途徑以及匹配地質(zhì)條件等，外源熱成因氣源、運移路徑、成藏模式以及主控因素等。

低煤階煤層氣賦存狀態(tài)多元，以哪個相態(tài)為主決定了不同的勘探思路，也是研究的難點。因此，需要加大低煤階煤層氣賦存狀態(tài)構(gòu)成及其具體控氣模式研究、不同賦存狀態(tài)空間分布規(guī)律及地質(zhì)控制因素的研究，以及不同賦存狀態(tài)轉(zhuǎn)換深度研究。

低煤階煤層氣富集類型多元，加大了目標優(yōu)選和甜點區(qū)預(yù)測的難度。因此，需要根據(jù)不同富集類型開展關(guān)鍵參數(shù)指標優(yōu)化及綜合選區(qū)指標體系研究，完善地質(zhì)選區(qū)評價體系和方法，開展低煤階煤層氣資源的有效性和可采性評價，在此基礎(chǔ)上預(yù)測有利區(qū)和甜點區(qū)分布。

2.2 深部煤系氣共探方法和共采有效性需要系統(tǒng)評價

我國煤層埋深介于1 000～2 000 m的煤層氣資源量占總資源量的56%（據(jù)中石油第四次油氣資源評價結(jié)果），對2 000 m以深煤層氣資源量尚缺乏系統(tǒng)評價。深部煤層氣資源需要通過煤系氣綜合勘探開發(fā)的思路加以有效開發(fā)。對于煤系氣共生成藏特征、富集模式的研究僅處于起步階段[30-31]，對深部煤系地層煤系氣資源、煤系氣共探方法和共采有效性缺乏系統(tǒng)評價?？傊枰_發(fā)出一套適合我國深部煤系地層條件的煤系氣勘探開發(fā)評價方法。

2.3 煤層鉆完井及增產(chǎn)改造工藝需要加強攻關(guān)

適合國外高滲儲層的裸眼洞穴完井技術(shù)已經(jīng)證實不適用于我國低煤階低滲儲層。目前的開發(fā)方式主要沿用中高煤階直井加砂壓裂的傳統(tǒng)鉆完井工藝，在厚度適中（3～20 m）、少煤層（一般不超過3層）、埋深適中（小于1 000 m）的地區(qū)取得了一定效果，如彬縣大佛寺、準噶爾盆地南緣阜康等地區(qū)。另外，彬縣大佛寺地區(qū)試驗“U”形水平井和多分支水平井取得一定效果，最高單井產(chǎn)氣量超過2.0×104m3/d。阜康地區(qū)試驗多分支水平井單井最高產(chǎn)氣量達到3.0×104m3/d，“U”形和“L”形水平井試驗單井產(chǎn)氣量介于2 000～3 000 m3/d。而針對二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷巨厚煤層（單層厚度超過80 m），分兩段壓裂，獲得一定的效果，但存在厚煤層煤層氣資源無法全部有效動用的問題，如果增加壓裂層數(shù)，則會大大增加改造成本。

總體而言，關(guān)于低煤階煤層氣開發(fā)工藝技術(shù)尚處于試驗階段，需要針對我國不同地質(zhì)條件如西北斷坳—前陸復合型盆地山前復雜構(gòu)造區(qū)高陡煤層、斷陷盆地巨厚煤層、多薄煤層以及深部煤系三氣（煤層氣、砂巖氣、頁巖氣）開展鉆完井及增產(chǎn)改造工藝技術(shù)攻關(guān)。

3 低煤階煤層氣勘探方向

隨著二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷低煤階褐煤勘探獲得突破[4]，打開了東北斷陷盆地低煤階褐煤煤層氣勘探新領(lǐng)域。二連盆地吉爾嘎朗圖、霍林河、白彥花等凹陷以及海拉爾盆地伊敏、呼和湖、陳旗等凹陷淺部地質(zhì)條件類似，為近期東北地區(qū)淺部煤層氣勘探開發(fā)重點；華北大型穩(wěn)定克拉通型盆地低煤階煤層氣資源主要分布在鄂爾多斯盆地侏羅系（表1），該盆地延安組煤層處于寬緩斜坡帶，淺部水動力弱徑流區(qū)為煤層氣富集區(qū)，彬縣、焦坪、黃陵等地區(qū)以及中部烏審旗東部為有利勘探目標區(qū)；西北斷坳—前陸復合型盆地前陸沖斷帶淺部煤層氣有利目標主要分布在準噶爾盆地南緣。

深部煤層氣資源主要分布在準噶爾盆地、吐哈盆地、三塘湖盆地、海拉爾盆地、三江盆地群等（表1）。其中，準噶爾盆地白家海凸起開展了深部八道灣組煤層與砂巖合層壓裂，獲得了一定的產(chǎn)氣效果。另外，美國Piceance盆地白河凸起深部煤層氣開發(fā)先導性試驗取得成功，煤層頂板為致密砂巖，煤層埋深介于1 560～2 560 m，65口井單井日均產(chǎn)氣量約為10 890 m3，其中60%來自煤層[32-33]，為我國開發(fā)深部煤層氣資源提供了很好的啟示。

4 結(jié)論

1）我國低煤階煤層氣具有盆地類型多元、煤層氣成因類型多元、賦存狀態(tài)多元、富集類型多元的成藏特征。

2）我國低煤階煤層氣開發(fā)面臨目標區(qū)優(yōu)選、深層煤系氣共探共采系統(tǒng)評價、鉆完井及增產(chǎn)改造工藝等3方面挑戰(zhàn)，應(yīng)加強煤層氣成藏過程及動力學機制、氣源成因及其資源貢獻、吸附態(tài)和游離態(tài)煤層氣空間分布規(guī)律及地質(zhì)控制因素研究等攻關(guān)，開展煤層氣資源有效性和可采性評價，形成一套深部煤系氣勘探開發(fā)評價方法。

3）淺部應(yīng)重點勘探二連盆地吉爾嘎朗圖、霍林河、白彥花等凹陷，海拉爾盆地伊敏、呼和湖、陳旗等凹陷，鄂爾多斯盆地彬縣、焦坪、黃陵、烏審旗東部等地區(qū)，以及準噶爾盆地南緣地區(qū)；深部煤層氣資源主要分布在準噶爾、吐哈、三塘湖、海拉爾和三江盆地或盆地群等。

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