海拉爾盆地呼和湖凹陷大二段低煤階煤層氣成藏條件及有利勘探區(qū)預(yù)測

馬文娟

（中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712）

0 引 言

低煤階煤層氣開發(fā)已成為目前世界各國發(fā)展新能源的趨勢之一［1‐4］。美國汾河和澳大利亞蘇拉特等盆地煤層氣的成功開發(fā)表明［5］，低煤階煤層氣多以生物成因?yàn)橹?，早期熱成因?yàn)檩o。由于低煤階煤成巖作用差、煤層總厚度大、原始孔隙發(fā)育，所以大多無需進(jìn)行壓裂改造就可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此低煤階煤層氣具有巨大的開發(fā)潛力。中國煤層氣地質(zhì)資源量達(dá)36.80×1012m3［6］，低煤階煤層氣資源量約占煤層氣總資源量的40%，這些低階煤儲(chǔ)層分布廣泛，在東北地區(qū)的海拉爾、二連和阜新等盆地都含有豐富的低階煤資源。特別是海拉爾盆地大二段，具有煤層厚度大、平面分布范圍廣、有機(jī)質(zhì)成熟度低的特點(diǎn)［7］。由于目前尚未對(duì)海拉爾盆地大二段開展低煤階煤層氣富集規(guī)律的針對(duì)性研究，所以煤層氣的富集主控因素尚不清楚，認(rèn)識(shí)主要停留在煤層分布研究上，因此通過深化海拉爾盆地大二段低煤階煤層氣成藏條件和有利區(qū)帶研究，有助于解決海拉爾大二段低階煤層氣勘探選區(qū)的瓶頸問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)海拉爾盆地煤層氣資源的規(guī)模發(fā)現(xiàn)，具有重大意義。

本文主要通過對(duì)呼和湖凹陷大二段低階煤煤層氣分布特點(diǎn)、沉積環(huán)境、構(gòu)造特征和水文地質(zhì)特征等方面的分析，探討凹陷低煤階煤層氣成藏條件，初步建立了凹陷邊緣斜坡帶成藏模式和凹陷邊部局部構(gòu)造高點(diǎn)的局部構(gòu)造成藏模式。并依據(jù)這兩種成藏模式的各自優(yōu)點(diǎn)及特性，對(duì)呼和湖凹陷低煤階煤層氣有利勘探區(qū)帶和下一步勘探方向進(jìn)行了深入研究，劃分的有利勘探區(qū)帶，可對(duì)海拉爾盆地未來低煤階煤層氣勘探提供一定的理論支持。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

呼和湖凹陷在構(gòu)造上為海拉爾盆地東南部的次一級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元［8］。具有東西分帶的構(gòu)造格局，從西向東總體上發(fā)育西部緩坡帶、中部斷階帶、中部凹陷帶、東部陡坡帶（圖1（a））。沉積地層以白堊系為主，地層由老到新為：塔木蘭溝組、銅缽廟組、南屯組、大磨拐河組、伊敏組、青元崗組［9］（圖1（b））。

圖1 呼和湖凹陷構(gòu)造及地層綜合柱狀圖Fig.1 Stratigraphic column of Huhehu Sag

海拉爾盆地低煤階煤在呼和湖凹陷大二段最為發(fā)育，其鏡質(zhì)體反射率大多小于0.5%，以褐煤為主，還有極少量的長煙煤。煤層氣成因類型以生物成因氣為主。煤層總體具有單層厚度大、資源豐度高、滲透性較好的特點(diǎn)［10］。

2 煤層發(fā)育及含氣性特征

呼和湖凹陷煤層十分發(fā)育（表1），煤層累計(jì)厚度最高可達(dá)231.8 m，其中大二段煤層最為發(fā)育，幾乎遍布全盆地，其中南部累計(jì)厚度較大，煤層累計(jì)厚度均在50 m 以上，大二段單層厚度最小為22 m（圖2），從厚度規(guī)模上看，呼和湖凹陷大二段具備了形成規(guī)模性煤層氣資源的有利條件。呼和湖凹陷大二段埋深為800~1 500 m，目前，國內(nèi)外煤層氣經(jīng)濟(jì)開發(fā)深度一般在1 200 m 以上，所以大二段是呼和湖凹陷煤層氣勘探重點(diǎn)層位。

圖2 呼和湖凹陷大二段煤層厚度Fig.2 Coal seam thickness of Member K1d2in Huhehu Sag

表1 呼和湖凹陷鉆井煤層厚度Table 1 Drilled coal seam thickness in Huhehu sag

由于呼和湖凹陷在大二段沉積后期構(gòu)造演化中被持續(xù)抬升并剝蝕，致使煤巖的有機(jī)質(zhì)演化程度低。HM1 井、HM2 井煤巖均以半暗煤為主，含少量亮煤，煤體結(jié)構(gòu)以塊狀為主，割理不發(fā)育。從HM2 井取心的煤巖樣品看出，煤質(zhì)疏松、易碎、成巖變質(zhì)強(qiáng)度差（圖3）。從煤巖鏡下照片（圖4）上看，煤層多發(fā)育中—大孔，以胞腔孔為主，且非均質(zhì)性較強(qiáng)。

圖3 HM2井煤巖巖心照片（934.11~934.37 m）Fig.3 Core photo of coal rock of Well HM2（934.11~934.37 m）

圖4 HM1井K1d2石墨晶間縫照片(943.02 m)Fig.4 Photo of K1d2 graphite intercrystalline fractures in Well HM1(943.02 m)

目前從呼和湖凹陷僅有的2 口煤層氣井鉆井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看（表2），HM1 井空氣干燥基含氣量為1.03~3.17 m3/t，平均為2.12 m3/t；HM2 井空氣干燥基含氣量為1.50~4.29 m3/t，平均為3.19 m3/t。2 口井含氣量都具有一定范圍內(nèi)隨著煤層埋深增加而增大的趨勢，整體含氣量低，屬于低含氣量煤層。HM1 井吸附飽和度為31.87%~58.19%，平均為44.59%；HM2 井吸附飽和度為40.56%~80.12%，平均為53.77%?？傮w上來看，HM1井的吸附飽和度偏低，而HM2 井的含氣飽和度相對(duì)高，部分煤樣達(dá)到了中等飽和度。HM1 井臨界解吸壓力為1.42~3.09 MPa，平均值為2.11 MPa；HM2 井臨界解吸壓力為1.80~4.75 MPa，平均值為2.85 MPa。HM1 井理論含氣量為3.23~6.29 m3/t，蘭氏體積為5.26~9.30 m3/t；HM2 井理論含氣量為2.47~6.12 m3/t，蘭氏體積為3.68~9.54 m3/t?？偟膩碚f，HM2 井的吸附能力好于HM1井。

表2 呼和湖凹陷煤層含氣特征Table 2 Gas-bearing characteristics of coal seams in Huhehu sag

通常情況下，煤巖吸附能力與孔隙大小關(guān)系密切，變質(zhì)程度較高的煤巖多發(fā)育小孔和微孔，吸附能力較強(qiáng)。低煤階以中—大孔為主，吸附能力較弱，大孔隙為游離氣提供了存儲(chǔ)空間。因此呼和湖凹陷煤層雖然物性好，但是吸附能力較差（圖5），這也是吸附氣含量低的主要原因［11］。

圖5 呼和湖凹陷大二段煤層吸附氣量平面分布Fig.5 Areal distribution of adsorbed gas amount in Member K1d2 coal seam of Huhehu Sag

3 煤層氣成藏條件

3.1 沉積環(huán)境

沉積環(huán)境主要影響煤巖的原始基礎(chǔ)特性，控制煤層厚度、煤層分布和煤巖頂?shù)装鍘r性等多方面，為煤層氣生成提供物質(zhì)來源和煤層氣生成后的保存條件。

一般情況，三角洲相等水陸交互沉積環(huán)境中煤層的厚度較大，煤層分布也較穩(wěn)定；淺海環(huán)境下一般成煤厚度小，面積較大。就煤層氣成藏的沉積環(huán)境而言，通常是三角洲相、長期穩(wěn)定的斷陷和坳陷盆地等湖泊充填環(huán)境最有利于煤層氣的成藏［12］。鉆井和三維地震資料揭示，呼和湖凹陷大二段無論是高位域還是低位域，其沉積除了沖積平原外，其余皆以濱淺湖和三角洲沉積為主（圖6），均有利于煤層形成與發(fā)育，這也是目前大二段鉆遇到較大厚度的根本原因，為煤層氣形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖6 呼和湖凹陷大二段沉積相平面Fig.6 Areal distribution of sedimentary facies in K1d2 of Huhehu Sag

3.2 構(gòu)造

構(gòu)造特征對(duì)于煤層氣成藏的各個(gè)環(huán)節(jié)、含煤盆地的形成及演化等方面有著至關(guān)重要的控制作用。從理論上來說，凹陷帶是煤層氣成藏的主要構(gòu)造單元，其發(fā)育的煤層厚度一般較大［13‐14］。通過呼和湖凹陷構(gòu)造格局和大二段已發(fā)現(xiàn)煤層的分布（圖2）可看出，中部凹陷帶煤層厚度大，有利于煤層氣成藏，而緩坡帶與斷階帶煤層不發(fā)育，不利于煤層氣成藏。

斷裂對(duì)煤層氣成藏的影響是多方面的。斷層對(duì)煤層氣成藏的影響程度與斷層規(guī)模及性質(zhì)有關(guān)。從斷層規(guī)模來看，斷層規(guī)模小，構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定，則有利于煤層氣成藏；反之?dāng)鄬右?guī)模大，則不利于煤層氣成藏。從斷層性質(zhì)來看，正斷層、拉張走滑斷層等張性斷層的斷層面為開放性，是煤層氣運(yùn)移逸散的有利通道，雖不利于煤層氣保存，但會(huì)使煤層的滲透性變好，便于開采；而逆斷層、壓性走滑斷層等壓性斷層的斷層面為封閉性，雖然可以通過增大煤層氣壓力，使煤層含氣量大大增加，并有利于煤層氣保存，但不利于煤層氣的運(yùn)移，并導(dǎo)致開采難度增加。

呼和湖凹陷大二段整體上呈現(xiàn)出向邊部地層逐漸抬升的凸凹相間的構(gòu)造面貌，凹陷兩側(cè)形成兩條北東走向的緩坡帶。在構(gòu)造帶的轉(zhuǎn)折部位發(fā)育一些小型的正斷層（圖7），發(fā)育規(guī)模較小。這些緩坡帶通常在伊敏組沉積后基本定型。正斷層也基本消失在伊敏組末期，因此對(duì)煤層氣的富集成藏影響較小。由于伊敏組主要巖性是泥巖，因此斷層封閉性較好。相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境有利于呼和湖凹陷大二段煤層氣成藏。

圖7 過HM2井地震剖面Fig.7 Seismic section through Well HM2

3.3 水文地質(zhì)

由于低煤階煤層氣主要為次生生物氣，那么充足的淡水作為補(bǔ)充是煤層氣成藏必不可少的條件之一。呼和湖凹陷大二段鏡質(zhì)體反射率只有0.3%~0.5%，尚未達(dá)到熱成因氣的生成階段，但凹陷周邊地層抬升甚至直接出露，有利于地表水的侵入，所以在凹陷兩側(cè)有利于含有甲烷菌地下水的滲入。

淡水的快速補(bǔ)充加上煤層埋深較淺，促進(jìn)次生生物氣的生成，使煤層具有高含氣性，有利于促進(jìn)淺部的煤層氣富集成藏。

鉆井?dāng)?shù)據(jù)表明，呼和湖凹陷大二段地層水總礦化度為3 000~8 000 mg/L，這種礦化度的地層水有利甲烷菌活動(dòng)，利于形成生物成因氣。在斜坡部位地表水與地下水交融的區(qū)帶，生物成因氣占主導(dǎo)地位，說明煤層氣中以生物成因氣為主。水動(dòng)力活躍，對(duì)煤層氣的富集起到一定的促進(jìn)作用。

目前大二段地層水資料有限，特別是凹陷斜坡部位的地層水礦化度和壓力資料較少，以目前掌握資料分析，硫酸根離子質(zhì)量濃度為50~1 000 mg/L，有利于甲烷菌活動(dòng)和生物成因氣生成，說明呼和湖凹陷大二段具有較好的煤層氣成藏水文條件。

4 煤層氣成藏模式

4.1 局部高點(diǎn)富集

局部高點(diǎn)富集成藏模式主要針對(duì)于淺埋低煤階煤層，低煤階煤層氣主要以生物成因氣為主。低煤階煤層孔隙度相對(duì)較大，水動(dòng)力作用相對(duì)較強(qiáng)。在水動(dòng)力作用下，甲烷菌由高勢區(qū)向低勢區(qū)運(yùn)移，使得低勢區(qū)的甲烷菌不斷得到補(bǔ)充。在低壓的作用下，一些煤層氣往往會(huì)發(fā)生解吸作用而變?yōu)橛坞x氣，呈游離狀態(tài)的煤層氣一部分沿煤層運(yùn)移，在浮力的作用下富集于常規(guī)背斜圈閉形成煤層氣藏。

呼和湖凹陷邊部的局部構(gòu)造高點(diǎn)成為有利的煤層氣聚集圈閉，位于構(gòu)造高部位的HM2 井鉆探見到較好的顯示，說明局部構(gòu)造高點(diǎn)是低煤階煤層氣聚集成藏的有利部位（圖8）。

圖8 呼和湖凹陷大二段低階煤層氣成藏模式Fig.8 Accumulation patterns of low-rank coalbed meth‐ane in K1d2 of Huhehu Sag

4.2 凹陷邊緣斜坡帶富集

由于低煤階煤以基質(zhì)孔隙為主，游離氣在低煤階煤層氣中占據(jù)一定的比例。另外低煤階煤層氣的生成條件和保存條件對(duì)于其富集成藏至關(guān)重要，凹陷邊緣斜坡帶成藏主要是由于構(gòu)造翼端上部接受地表融水的補(bǔ)給，核部地下水滯留區(qū)又為水動(dòng)力圈閉提供必要條件，在構(gòu)造斜坡地下水和地表水交融的部位，有利于水溶氣脫氣和游離氣的相對(duì)富集。所以在構(gòu)造斜坡部位，通常也是煤層氣有利聚集部位（圖8）。

5 有利區(qū)帶預(yù)測

綜合上述分析，認(rèn)為呼和湖凹陷大二段低煤階煤層氣具有較好的勘探前景。將煤層厚度、埋深和含氣性特征等因素以及沉積環(huán)境、構(gòu)造、水文地質(zhì)等煤層氣成藏條件，將大二段劃分了Ⅰ類、Ⅱ類有利區(qū)（圖9）。

圖9 呼和湖凹陷大二段煤層氣成藏有利區(qū)預(yù)測Fig.9 Prediction of favorable areas for coalbed methane accumulation in K1d2 of Huhehu Sag

I 類有利區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)為煤層累計(jì)厚度大于40 m，埋深小于1 200 m，含氣量大于3 m3/t，位于構(gòu)造高部位或者斜坡部位，面積為251.97 km2。II類有利區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)為煤層累計(jì)厚度大于30 m，埋深1 200~1 500 m，含氣量大于3 m3/t，位于凹陷邊緣部位，面積為199.06 km2。

6 結(jié) 論

（1）海拉爾盆地的呼和湖凹陷煤層在大二段最為發(fā)育，最大累計(jì)厚度可達(dá)到100 m 以上，幾乎全盆地發(fā)育，是呼和湖凹陷煤層氣勘探重點(diǎn)層位。

（2）呼和湖凹陷大二段無論是高位域還是低位域，其沉積除了四周沖積平原外其余皆以有利于煤層氣成藏的濱淺湖相和三角洲相沉積為主。呼和湖凹陷大二段具有斷層發(fā)育規(guī)模較小、構(gòu)造環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造特征，其中部凹陷帶是有利于煤層氣成藏的主要構(gòu)造單元。凹陷中大二段地層水總礦化度為3 000~8 000 mg/L，有利于形成生物成因氣。呼和湖凹陷大二段的沉積環(huán)境、構(gòu)造特征和水文地質(zhì)是呼和湖凹陷大二段煤層氣形成所需的主要條件。

（3）初步建立了呼和湖凹陷大二段的2 種煤層氣成藏模式，分別是呼和湖凹陷大二段邊部的局部構(gòu)造高點(diǎn)富集成藏模式和凹陷邊緣斜坡帶附近存在的富集成藏模式。

（4）基煤層厚度、埋深和含氣性特征等因素和沉積環(huán)境、構(gòu)造、水文地質(zhì)等煤層氣成藏條件，將呼和湖凹陷大二段劃分了Ⅰ類、Ⅱ類有利區(qū)。其中Ⅰ類有利區(qū)埋深小于1 200 m，含氣量大于3 m3/t，面積為251.97 km2，位于構(gòu)造高部位或斜坡部位；Ⅱ類有利區(qū)埋深為1 200~1 500 m，含氣量大于3 m3/t，面積為199.06 km2，位于凹陷部位。