澳大利亞Bowen與Surat盆地煤層氣特征研究

王 磊 樊太亮 杜云星, 孫濱斌

(1.中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083 3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

Bowen盆地和Surat盆地位于昆士蘭州東南部，近南北走向。Bowen盆地為早二疊世-中三疊世的前陸盆地，面積約20萬km2，盆地東部以一系列南北向發(fā)育的逆沖斷層為界。Surat盆地為早侏羅至早白堊世穩(wěn)定地塊上發(fā)育的克拉通內(nèi)坳陷盆地，面積約27萬km2，盆地整體位于Bowen盆地南部，其北部不整合疊置于Bowen盆地南部之上，基底為下古生界變質(zhì)巖。Bowen盆地最大沉積厚度約9000m，其早二疊世為淺海、邊緣海沉積，主要煤層均為河流三角洲沉積環(huán)境；Surat盆地下部為陸相侏羅系沉積，盆地部分區(qū)域沉積厚度達(dá)3000m。

前人對(duì)Bowen和Surat盆地進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)兩個(gè)盆地的煤層氣特征，尤其是盆地生烴(煤層氣)潛力和煤層氣開發(fā)潛力及選區(qū)評(píng)價(jià)等仍然缺乏認(rèn)識(shí)。本次在Bowen盆地采集了6口井67個(gè)煤巖樣品和在Surat盆地采集了7口井211個(gè)煤巖樣品，對(duì)這些煤層樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的煤層氣特征研究。

圖1 Bowen盆地煤層樣品顯微組分及最大鏡質(zhì)體反射率

1 主要含煤層系

Bowen盆地主要含煤層系為二疊系Bandanna組CRB1、CRB2和CRB3層，本次采集樣品埋深321～739m，分布穩(wěn)定，單層厚度大，煤層少。CRB1和CRB3層為區(qū)域連續(xù)穩(wěn)定分布的厚度最大的煤層，單層厚度2～3m，CRB2層相對(duì)較薄，單層厚度為0.5～0.8m，煤層累計(jì)平均厚度約8m。樣品厚度如表1。

表1 Bowen盆地煤層樣品厚度表

Surat盆地主要含煤層系為中侏羅世Walloon亞群的Upper Juandah、Lower Juandah和Taroom煤組。Walloon亞群煤層樣品埋深98～1116m，具有層多、層薄的特征。本次采集樣品有19～39層，單煤層厚度0.28～1.78m，以0.3～0.8m薄層為主，累計(jì)厚度10～28m。

2 煤的顯微組分

Bowen盆地煤層顯微組分相對(duì)百分含量具有鏡質(zhì)組>惰質(zhì)組>殼質(zhì)組的特點(diǎn)(圖1)。鏡質(zhì)組含量離散分布于38%～91%，淺層(321～401m)樣品的鏡質(zhì)組含量(38%～70%)明顯低于中層(50%～91%)。 殼質(zhì)組含量低， 主要分布于1.8%～3.8%。惰質(zhì)組含量高，離散分布于6.1%～58%，淺層(321～401m)樣品的惰質(zhì)組含量(28%～58%)明顯高于中層(6.1%～47%)。煤層樣品最大鏡質(zhì)體反射率范圍0.69%～0.97%，屬于中等成熟度，為Ⅱ型與Ⅲ型中煤級(jí)煤。

Surat盆地煤層顯微組分相對(duì)百分含量鏡質(zhì)組>殼質(zhì)組>惰質(zhì)組(圖2)。鏡質(zhì)組主要分布于70%～90%。殼質(zhì)組含量5%～35%，主要分布于8%～22%。惰質(zhì)組含量0～23%，大多數(shù)樣品惰質(zhì)組含量<5%。煤層樣品最大鏡質(zhì)體反射率值位于0.4%～0.65%之間，屬于低成熟度，為低煤級(jí)煤和Ⅰ型中煤級(jí)煤。

圖2 Surat盆地煤層樣品顯微組分及最大鏡質(zhì)體反射率

3 煤層氣成分及含氣量

煤層氣的根據(jù)成因分為生物成因氣和熱成因氣。生物成因氣為低變質(zhì)煤(泥炭至亞煙煤)中有機(jī)質(zhì)在低溫條件下(<50℃)經(jīng)過微生物的分解，發(fā)生生物化學(xué)降解作用，生成以甲烷為主的氣體。熱成因氣是當(dāng)溫度超過50℃，煤化作用增強(qiáng)，煤中碳含量豐富起來，而大量富氫和富氧的揮發(fā)分釋放出來，其主要成分是甲烷、二氧化碳和水等。實(shí)驗(yàn)得到煤層氣的主要成分為甲烷，含量 >88.2%，其次為二氧化碳，Bowen盆地含量0.23%～1.53%，Surat盆地含量0.03%～11.8%，再次為乙烷，含量0.01%～3.1%，含微量丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷及己烷。Bowen盆地煤層氣為熱成因氣。Surat盆地淺煤層為生物成因氣，中-深煤層為生物-熱過渡帶成因氣。

含氣量是煤層氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，受煤層氣成因、煤化程度、煤層埋深、割理發(fā)育程度、含氣飽和度等因素影響。通過解吸實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品進(jìn)行了含氣量測量。樣品經(jīng)過45～60天的等溫解吸實(shí)驗(yàn)得到了損失氣與解吸氣量，取200g解吸后的樣品研磨后進(jìn)行殘余氣解吸測量，求和得到總含氣量。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示Bowen盆地煤層含氣量為4.32～11.55m3/t(圖3)，顯示Bowen盆地煤層氣開發(fā)潛力大。其中埋深淺層(321～356m)和深層(621～739m)樣品含氣量低，約為5m3/t，埋深中等的樣品含氣量相對(duì)較高，分布范圍6～11m3/t。分析其原因，淺層煤層樣品的保存條件相對(duì)較差，可能導(dǎo)致部分氣體溢散，含氣量降低。深部樣品由于壓實(shí)作用導(dǎo)致煤層割理閉合，降低了割理密度，減小了煤層氣吸附表面，導(dǎo)致含氣量下降，壓實(shí)作用同時(shí)導(dǎo)致煤層滲透率降低。因此淺煤層和深煤層含氣量比埋深中等含氣量低，不利于煤層氣保存和開發(fā)。

圖3 Bowen盆地煤層樣品總含氣量

Surat盆地樣品經(jīng)過56～182天的等溫解吸實(shí)驗(yàn)及殘余氣解吸測量得到總含氣量。Surat盆地的含氣量離散分布于2.28～13.89m3/t(圖4)，90%樣品含氣量>4m3/t，揭示Surat盆地具有巨大開發(fā)潛力。Hoffmann等(2009)認(rèn)為Surat盆地侏羅系煤層根據(jù)最大鏡質(zhì)體反射率值為不成熟到低成熟度，生烴潛力有限，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不支持Hoffmann的結(jié)論，顯示煤的生烴能力與鏡質(zhì)體反射率(煤階)沒有直接關(guān)系。Surat盆地煤層含氣量從淺層(<393m)到中層(393～871m)與深度成近似的線性關(guān)系，埋深越深，含氣量越大。分析其原因，首先因?yàn)闇\層地層溫度低，達(dá)不到熱成因氣的生成條件，為單一的生物成因氣，其次淺層保存條件差，因此淺層含氣量小。隨著深度增加，地溫升高，逐漸有熱成因氣生成，煤層氣由單一的生物成因氣逐漸過渡到生物-熱過渡帶成因氣，含氣量逐漸增大。深層(>871m)具有和Bowen盆地煤層相似的特征，即含氣量下降，原因與Bowen盆地相同。綜合兩個(gè)盆地含氣量數(shù)據(jù)，中等埋深煤層地質(zhì)條件相比較淺層和深層更好，因此含氣量最大，有利于煤層氣開發(fā)。

圖4 Surat盆地煤層樣品總含氣量

對(duì)比Bowen盆地與Surat盆地煤層氣特征，Bowen盆地含氣量中等，Surat盆地含氣量低-中等，但其最大含氣量高于Bowen盆地。根據(jù)煤巖有機(jī)顯微組分中殼質(zhì)組生烴能力最強(qiáng)，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組最差，Surat盆地的鏡質(zhì)組與殼質(zhì)組含量之和高于Bowen盆地，所以Surat盆地煤層生烴能力高于Bowen盆地煤層。因此在澳大利亞煤層氣開發(fā)中建議選取Surat盆地中等埋深的煤層進(jìn)行。

4 結(jié)論

Bowen盆地煤層顯微組分含量鏡質(zhì)組>惰質(zhì)組>殼質(zhì)組，最大鏡質(zhì)體反射率0.69%～0.97%，為Ⅱ型與Ⅲ型中煤級(jí)煤。Surat盆地煤層顯微組分含量鏡質(zhì)組>殼質(zhì)組>惰質(zhì)組，最大鏡質(zhì)體反射率0.4%～0.65%，為低煤級(jí)煤和Ⅰ型中煤級(jí)煤。

煤層氣的主要成分為甲烷，含量大于88.2%，其它成分為二氧化碳、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷及己烷。

Bowen盆地煤層含氣量為4.32～11.55m3/t，為中等含氣量。Surat盆地的含氣量2.28～13.89m3/t，為低-中等含氣量。兩個(gè)盆地都具有煤層氣開發(fā)潛力。

淺煤層地層溫度低、保存條件差，深煤層壓實(shí)作用使割理閉合降低了含氣量，同時(shí)導(dǎo)致滲透率降低，不利于煤層氣開發(fā)。中等埋深煤層地質(zhì)條件相比淺、深煤層更好，含氣量最大，有利于煤層氣開發(fā)。

Surat盆地煤層生烴能力高于Bowen盆地煤層，建議選取Surat盆地中等埋深煤層進(jìn)行煤層氣開發(fā)。