川東南南川區(qū)塊龍?zhí)督M深部煤層氣成藏特征及勘探前景

郭 濤，金曉波，武迪迪，解 飛，劉盡賢

(1.中石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇 南京 210011；2.中國石化煤層氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210011)

國內(nèi)已建成沁水盆地、鄂爾多斯盆地東南緣兩大煤層氣產(chǎn)業(yè)基地，2021 年產(chǎn)量占全國煤層氣產(chǎn)量98%，且集中在1 000 m 以淺區(qū)域。隨著有效支撐壓裂工藝技術(shù)成熟，鄂爾多斯盆地東緣延川南、大寧-吉縣、臨興等區(qū)塊深部煤層氣獲得突破并實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，深部煤層氣逐漸引起業(yè)界重視[1-3]。據(jù)“十三五”全國煤層氣資源評價，中國煤層埋深1 500～3 000 m 深部煤層氣資源量為30.4×1012m3，展現(xiàn)了我國深部煤層氣巨大的勘探開發(fā)潛力[4]。

受構(gòu)造演化和保存條件差異影響，煤層氣存在過飽和干煤系統(tǒng)、飽和-近飽和濕煤系統(tǒng)和欠飽和濕煤系統(tǒng)等，不同含氣系統(tǒng)需要采用不同的開發(fā)策略[2]。前人對深部煤層氣做了大量的研究工作[3-6]，闡述了深度對煤層氣賦存狀態(tài)、可壓性等的影響及控制作用，對甜點(diǎn)評價也做了較為系統(tǒng)的研究，認(rèn)為深部煤層氣具有“高含氣量、高飽和度”的賦存特征，寬緩背斜及平緩單斜構(gòu)造是深部煤層氣勘探有利區(qū)。但前期深部煤層氣勘探突破、商業(yè)開發(fā)及相關(guān)研究工作基本集中在鄂爾多斯盆地東緣(準(zhǔn)噶爾盆地白家海地區(qū)侏羅系煤層氣源主要來自石炭系高-過成熟天然氣，屬于煤巖氣的范疇[7])，其他盆地鮮有相關(guān)報道。

近年來，中國石化華東油氣分公司在四川盆地東南緣南川區(qū)塊實(shí)施煤層氣直井4 口，其中NY1 井常規(guī)壓裂下試獲日產(chǎn)氣量3 000 m3[8]，另外3 口井采用有效支撐壓裂技術(shù)[1]，試獲日產(chǎn)氣量(0.65～1.30)×104m3，Y2 井埋深1 976 m，直井實(shí)現(xiàn)自噴生產(chǎn)1.3×104m3/d，穩(wěn)產(chǎn)效果良好，目前正在開展井組試驗(yàn)，有望建成四川盆地第一個深部煤層氣田。筆者以南川區(qū)塊為例，基于鉆井及分析化驗(yàn)資料，以主力煤層1 號煤為研究對象，從儲層特征、含氣性、可壓性等方面入手，開展二疊系龍?zhí)督M煤層氣成藏特征研究及勘探潛力評價，為四川盆地東南緣深部煤層氣勘探開發(fā)提供借鑒。

1 區(qū)塊概況

研究區(qū)位于重慶市南川區(qū)，構(gòu)造上位于四川盆地東南緣，川東高陡構(gòu)造帶萬縣復(fù)向斜內(nèi)。龍?zhí)督M沉積時期，四川盆地及其周緣整體處于海陸過渡相，由西南往東北方向依次發(fā)育河流三角洲、濱岸沼澤、潮坪-潟湖、碳酸鹽巖臺地、淺水陸棚、深水陸棚沉積(圖1)，受沉積控制，四川盆地東南緣龍?zhí)督M煤層廣泛分布。研究區(qū)龍?zhí)镀谥黧w處于潮坪-潟湖-碳酸鹽巖臺地沉積體系，發(fā)育一套灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾煤層、灰?guī)r沉積，與下伏茅口組呈平行不整合接觸，與上覆長興組呈整合接觸。

圖1 研究區(qū)位置、構(gòu)造綱要及地層綜合柱狀圖Fig.1 The location and structural outline maps and the composite stratigraphic column of the study area on Southeastern mowgin of the Sichuan Basin

2 煤儲層特征

2.1 煤層分布及埋深

龍?zhí)督M縱向具有三分性，潭一段、潭三段發(fā)育泥巖、炭質(zhì)泥巖夾煤層、灰?guī)r沉積，潭二段為一套厚層狀灰?guī)r，厚15～30 m，全區(qū)分布穩(wěn)定。煤層主要位于潭一段、潭三段，發(fā)育2～4 層煤層，潭一段1 號、2 號煤層全區(qū)分布穩(wěn)定，潭三段3 號、4 號煤分布局限(圖1)。1 號煤是在茅口組碳酸鹽巖緩坡臺地沉積后[9]，海水東退形成的一套煤層，沉積環(huán)境穩(wěn)定，形成的1 號煤全區(qū)穩(wěn)定分布，厚度1.5～4.2 m，是研究區(qū)主力煤層，其頂板主要為灰黑色泥巖、灰質(zhì)泥巖，部分地區(qū)發(fā)育灰?guī)r，底板為鋁土質(zhì)泥巖。受多期構(gòu)造作用影響，形成NE 向構(gòu)造及斷層，呈現(xiàn)出由斷層控制的背斜、向斜相間分布的特征。受構(gòu)造控制，研究區(qū)煤層埋深變化大，主體區(qū)埋深1 000～3 000 m，背斜區(qū)埋深一般1 000～2 500 m，向斜區(qū)埋深均超過2 500 m，最深達(dá)4 500 m。

2.2 煤巖煤質(zhì)特征

通過煤心觀察，工業(yè)分析、顯微組分、氬電鏡等分析化驗(yàn)資料分析，確定煤的宏觀煤巖類型主要為半亮型煤，原生結(jié)構(gòu)煤，顯微組分以鏡質(zhì)組為主，其次為惰質(zhì)組，鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)65.0%～87.6%，平均78.2%，惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)8.6%～21.8%，平均15.4%，未見殼質(zhì)組，礦物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)1.8%～14.6%，平均6.4%，礦物主要成分為黏土礦物、黃鐵礦、碳酸鹽等礦物。煤層鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率1.6%～2.2%，變質(zhì)程度中等，屬于瘦煤-貧煤，整體上隨埋深增大而增大。研究區(qū)煤層灰分產(chǎn)率4.3%～21.6%，平均11.2%，為低灰煤。煤層高鏡質(zhì)組含量、低灰分、中高演化特征，利于煤層的生烴、吸附，是煤層氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 孔裂隙發(fā)育特征

孔裂隙結(jié)構(gòu)測定方法主要包含流體注入法和圖像分析法兩大類[10-11]。本文通過宏觀煤巖描述、掃描電鏡、光片及CO2吸附法、低溫氮?dú)馕椒ā汗?lián)測的方式開展南川區(qū)塊深部煤層孔裂隙發(fā)育特征研究。

煤巖宏觀描述及掃描電鏡結(jié)果表明(圖2)，研究區(qū)煤巖裂隙類型主要為張性裂隙、剪性裂隙、收縮縫，可見割理規(guī)律性排列，其中張性裂隙寬度為2～5 μm；剪性裂隙寬度較小，一般小于1 μm；割理為原生裂隙，寬度約為1 μm，大部分被碳酸鹽巖礦物充填，部分由于后期改造再次張裂而得以保存。不同成因的孔隙特征是反映煤層氣富集、擴(kuò)散的直接體現(xiàn)[12]，研究區(qū)煤樣在掃描電鏡下能夠觀察到胞腔孔、氣孔和溶蝕孔的發(fā)育，胞腔孔均勻分布，孔徑大小為1～5 μm，部分被黏土礦物填充；鏡下可以觀察到氣孔密集分布，呈不規(guī)則圓形，具有一定方向性；溶蝕孔大小和形態(tài)各異，彼此連通性較差。

圖2 煤層孔裂隙發(fā)育掃描電鏡圖Fig.2 SEM images showing the pores and fractures in coal seams

壓汞實(shí)驗(yàn)用于煤孔隙特征研究，一般表征小于10 μm 孔徑范圍，大于10 μm 部分主要受裂縫影響[13-14]。研究區(qū)壓汞實(shí)驗(yàn)同樣揭示煤微裂隙發(fā)育，具備游離氣賦存的微觀儲層條件，排驅(qū)壓力0.02 MPa，表明汞注入初期主要受微裂縫影響，孔徑分布呈現(xiàn)出微小孔及裂隙發(fā)育這種“兩邊大、中間小”的特征，滲透率貢獻(xiàn)幾乎全部來自裂縫(圖3)。

圖3 Y2 井壓汞孔、裂隙分布頻率Fig.3 Mercury injection experiments-derived distribution frequencies of pores and fractures in well Y2

CO2吸附法、低溫氮?dú)馕椒?、壓汞法?lián)合測試(去除壓汞法孔徑大于10 μm 表征裂縫部分)，揭示了煤全尺度孔徑分布特征，結(jié)果表明，研究區(qū)煤層為“微孔、微裂隙”型(圖4、圖5)，孔徑分布以微孔為主，占比達(dá)78.4%，比表面積主要貢獻(xiàn)來自微孔，貢獻(xiàn)達(dá)到95%。甲烷分子主要吸附于10 nm 以下孔隙中，微孔發(fā)育利于煤層氣吸附，微裂隙發(fā)育改善滲透率，利于后期壓裂改造及滲流，對煤層氣開采過程中解吸、擴(kuò)展、滲流過程具有重要作用。

圖4 Y1 井煤層全尺度孔徑、比表面積分布特征Fig.4 Distributions of full-scale pore sizes and specific surface area of coal seams in well Y1

圖5 Y1 井煤層不同尺度孔徑、比表面積分布Fig.5 Distributions of the specific surface area of pores with varying sizes in coal seams in well Y1

3 含氣性及賦存特征

煤層含氣性受煤巖煤質(zhì)、演化程度、保存條件、埋深等綜合控制，研究區(qū)煤層鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率1.6%～2.2%，處于瘦煤-貧煤演化階段，具有較強(qiáng)的生烴能力。煤層微孔發(fā)育，占比達(dá)78.4%，具有較強(qiáng)的吸附能力，利于煤層氣的富集。鉆井揭示逆斷層具有較強(qiáng)的封閉性，NY1 井距離斷層78 m，埋深1 900 m，煤層水礦化度43 000 mg/L，水質(zhì)類型為Ca-Cl2型，測井解釋含氣量23 m3/t，常規(guī)壓裂下穩(wěn)定日產(chǎn)氣量3 000 m3[8]。煤田鉆孔、鉆井含氣量測試揭示煤層含氣量12～37 m3/t，具有較好的含氣性。

煤層氣賦存狀態(tài)是深部煤層氣評價的關(guān)鍵指標(biāo)，隨埋深增大，溫度升高、壓力增大，煤層吸附能力存在臨界轉(zhuǎn)換深度[5-6]。臨界轉(zhuǎn)換深度以淺以溫度為主導(dǎo)，隨埋深增大，煤層吸附能力逐漸增強(qiáng)，含氣量增大；臨界轉(zhuǎn)換深度以深以壓力為主導(dǎo)，隨埋深增大，煤層吸附能力降低，吸附氣量降低，在良好保存條件下，解吸出來的氣體將以游離氣的狀態(tài)賦存于煤儲層中。

地面工程取心含氣量測試及不同溫度下的等溫吸附實(shí)驗(yàn)揭示，研究區(qū)煤層具有“高含氣、富含游離氣”的特征，含氣量12～37 m3/t，隨深度增大而升高。通過煤樣在30、40、50、60、70℃等溫吸附實(shí)驗(yàn)(圖6)，計算5 個溫度對應(yīng)埋深及壓力下吸附量，揭示區(qū)塊煤層吸附臨界轉(zhuǎn)換深度在1 500 m 左右，1 500 m 以深煤層在地層條件下的吸附性能開始下降(圖7)。通過實(shí)測含氣量與理論含氣量差值計算游離氣量，游離氣占比一般在24%～36%(表1)。Y2 井埋深1 976 m，煤層現(xiàn)場解吸氣量16.0 m3/t，總含氣量31.6 m3/t，理論含氣量23.9 m3/t，游離氣占比24.4%。Y1 井埋深2 700 m，現(xiàn)場解吸氣量18.0 m3/t，總含氣量37.6 m3/t，理論含氣量24.2 m3/t，游離氣占比35.6%。隨埋深增大，游離氣占比逐漸升高。

表1 南川區(qū)塊龍?zhí)督M煤層含氣量及游離氣占比統(tǒng)計Table 1 Statistics of gas content and free gas proportions in coal seams in the Longtan Formation within the Nanchuan block

圖6 Y1 井煤層不同溫度下等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of isothermal adsorption experiments of coal seams in well Y1 under different temperatures

圖7 煤層吸附能力隨埋深變化關(guān)系Fig.7 Adsorption capacity of coal seams vs.burial depth

現(xiàn)場含氣量測試解吸速率呈先上升后下降的特征，這一特征有別于淺層、中深部煤層解吸速率逐漸減低的規(guī)律，Y1、Y2 井解吸速率前期上升階段主要為游離氣、吸附氣同時貢獻(xiàn)的結(jié)果(圖8)，解吸速率降低階段主要為吸附氣解吸的結(jié)果，解吸規(guī)律也證實(shí)研究區(qū)深部煤層游離氣的存在。另外，Y2 井煤層埋深1 976 m，放噴即產(chǎn)氣，穩(wěn)定日產(chǎn)氣量1.3×104m3，目前已穩(wěn)產(chǎn)6 個月，Y2 直井自噴生產(chǎn)這一生產(chǎn)特征也證實(shí)區(qū)塊富含游離氣。

圖8 解吸速率變化趨勢Fig.8 Trends in desorption rates of wells

4 地應(yīng)力及可壓性

地應(yīng)力是控制儲層天然裂縫分布及水力壓裂裂縫形態(tài)的重要因素，影響煤儲層原始滲透率及壓裂改造效果[15-17]，水平應(yīng)力差異系數(shù)影響著縫網(wǎng)復(fù)雜程度[18]。研究區(qū)三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)及特殊測井揭示，區(qū)塊最小水平應(yīng)力梯度1.5～2.1 MPa/hm，隨埋深增大，水平應(yīng)力梯度增大，水平應(yīng)力差異系數(shù)逐漸減小，泊松比增大，彈性模量降低，符合深部煤層氣非均質(zhì)性隨深度增大趨于收斂的特征(圖9)，深部煤層較淺部煤層壓裂改造難度更大。但深部煤層與淺部相比，存在兩個優(yōu)勢，一是水平應(yīng)力差異系數(shù)隨埋深增大逐漸減小，研究區(qū)埋深超過2 000 m，最小水平主應(yīng)力大于30 MPa，但水平應(yīng)力差異系數(shù)小于0.1，有利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)[19]。二是同一地質(zhì)條件下，深部煤層較淺部煤層遭受構(gòu)造作用影響更小，煤體結(jié)構(gòu)一般以原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)為主，煤體結(jié)構(gòu)是影響煤層壓裂的重要因素，目前碎粒煤、糜棱煤仍然是煤層氣開發(fā)禁區(qū)，其不僅影響煤層氣井鉆完井質(zhì)量，且嚴(yán)重影響煤層氣井壓裂改造效果[20]，深部煤層原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)煤為壓裂改造提供了良好先決條件。

圖9 Y1 井煤層三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)Fig.9 Triaxial stress experiments of coal seams in well Y1

另外，頂?shù)装迮c煤巖力學(xué)性質(zhì)差異、天然裂縫發(fā)育情況也是影響深部煤層壓裂改造的重要因素。良好的應(yīng)力隔檔可以防止煤層壓裂突破頂?shù)装?，保障壓裂縫在煤層擴(kuò)展，一般認(rèn)為，灰?guī)r與煤層力學(xué)性質(zhì)差異較大，應(yīng)力隔檔強(qiáng)，利于煤層壓裂，泥巖頂板次之，砂巖頂板較差[3]。研究區(qū)煤層頂板主要為含灰泥巖、泥巖、灰?guī)r，三維應(yīng)力實(shí)驗(yàn)揭示，泥巖頂板在不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度均顯著高于煤層，壓裂縫難以突破頂?shù)装?圖10)。天然裂縫一般與地應(yīng)力共同作用，影響壓裂縫的起裂及裂縫走向。陳守雨等[21]認(rèn)為，復(fù)雜縫網(wǎng)的形成主要受到水平應(yīng)力差的大小和水力裂縫與天然裂縫之間的夾角兩因素的影響。當(dāng)水力裂縫與天然裂縫的夾角小于30°時，若水平應(yīng)力差異系數(shù)較小時，壓裂后能夠形成復(fù)雜縫網(wǎng)，若水平應(yīng)力差異系數(shù)較大時，水力壓裂后將不易形成縫網(wǎng)。當(dāng)天然裂縫與水力裂縫的夾角較小時，無論水平應(yīng)力差大小，天然裂縫都將張開，從而形成縫網(wǎng)；當(dāng)水力裂縫與天然裂縫夾角較大時，無論水平應(yīng)力差多大，天然裂縫都不會張開[22]。以Y2 井區(qū)為例，特殊測井揭示井區(qū)最大主應(yīng)力方向50°，天然裂縫主方向55°，水平應(yīng)力差異系數(shù)0.07，微地震監(jiān)測結(jié)果顯示，水力裂縫方向40°～46°，與最大主應(yīng)力方向及裂縫方向基本一致。Y2 井壓裂施工順利，施工壓力平穩(wěn)，獲得了高產(chǎn)，說明天然裂縫的發(fā)育有利于壓裂縫網(wǎng)的擴(kuò)展，天然裂縫與最大主應(yīng)力方向夾角越小，越有利于天然裂縫的開啟及長距離縫網(wǎng)的形成。

圖10 Y1 井泥巖頂板與煤層抗壓強(qiáng)度對比Fig.10 Comparison of compressive strength between the mudstone roof and coal seams in well Y1

5 勘探前景分析

四川盆地東南緣龍?zhí)督M煤層處于潮坪-潟湖-碳酸鹽巖臺地沉積體系(圖1)，潮坪為有利的聚煤環(huán)境，龍?zhí)督M煤層具有分布廣、層數(shù)多、單層薄的特征。大量鉆孔及頁巖氣鉆井揭示，川東南地區(qū)龍?zhí)督M煤層總厚度4～12 m，局部達(dá)18 m，層數(shù)2～8 層，受沉積控制，往西南方向丁山、仁懷地區(qū)煤層厚度、層數(shù)逐漸增加。受峨眉山玄武巖區(qū)域熱事件影響，南川往仁懷方向，煤層演化程度逐漸增大，鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率最大達(dá)到3.0%，廣泛發(fā)育的煤層及中高演化程度為煤層氣成藏奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。除區(qū)內(nèi)鉆井揭示龍?zhí)督M煤層良好的含氣顯示外，大量煤田鉆孔揭示川東南地區(qū)龍?zhí)督M煤層良好的含氣性[23]。Y2 井的突破證實(shí)川東南地區(qū)龍?zhí)督M深層煤層氣良好的勘探潛力[24]，該井放噴階段開始產(chǎn)氣，套管8 mm 油嘴測試，測試壓力2.5 MPa，測試產(chǎn)量1×104m3/d，油管針型閥控制進(jìn)分離器測試，測試最高日產(chǎn)氣量1.8×104m3，目前日產(chǎn)氣量(1.1～1.3)×104m3近200 d，累產(chǎn)氣超過240 萬m3(圖11)。另外，往川東南盆地內(nèi)方向，隨著埋深增大、構(gòu)造破壞作用減弱，保存條件更加優(yōu)越。盆緣隔檔式褶皺構(gòu)造發(fā)育，地層產(chǎn)狀變化快，埋深變化大。丁山、林灘場等盆緣寬緩背斜及盆內(nèi)高陡背斜富集條件優(yōu)越，埋深適中，是川東南深部煤層氣勘探的重要方向，根據(jù)煤層厚度、埋深等初步預(yù)測，綦江、綦江南、南川、赤水等區(qū)塊1 000～3 000 m 埋深煤層氣有利區(qū)面積4 789 km2，資源量9 929 億m3。

圖11 Y2 井生產(chǎn)曲線Fig.11 Production curves of well Y2

6 結(jié)論

a.南川地區(qū)龍?zhí)督M煤層形成于潮坪-潟湖-碳酸鹽巖沉積體系，主力煤層1 號煤厚1.5～4.2 m，鏡質(zhì)體隨機(jī)反射率1.6%～2.2%，鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)平均78.2%，灰分含量平均11.2%，煤體結(jié)構(gòu)主要為原生結(jié)構(gòu)煤。儲層為“微孔-微裂隙”型儲層，煤巖孔徑分布以微孔為主，占比達(dá)78.4%，其比表面積貢獻(xiàn)達(dá)到95%，利于煤層氣吸附；同時，微裂隙發(fā)育，裂隙類型主要為張性裂隙、剪性裂隙、收縮縫，大部分裂縫保持開啟狀態(tài)，利于壓裂改造及氣體滲流。

b.研究區(qū)深部煤層具有“高含氣、富含游離氣”的賦存特征，煤層含氣量12～37 m3/t，隨深度增大而升高，臨界轉(zhuǎn)換深度在1 500 m 左右，游離氣占比一般在24%～36%。三維應(yīng)力實(shí)驗(yàn)及特殊測井揭示，隨埋深增大，煤層水平應(yīng)力梯度增大，水平應(yīng)力差異系數(shù)逐漸減小，泊松比增大，彈性模量降低。研究區(qū)1 號煤以原生結(jié)構(gòu)煤為主，煤層頂板主要為含灰泥巖、泥巖、灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度顯著高于煤層。埋深超過2 000 m，水平應(yīng)力差異系數(shù)小于0.1。天然裂縫與最大主應(yīng)力方向基本一致，有利于煤層壓裂改造。煤層地應(yīng)力、頂?shù)装逄卣?、天然裂縫等綜合評價認(rèn)為，區(qū)塊深部煤層具有較好的可壓性。

c.綜合川東南龍?zhí)督M煤層展布規(guī)律、含氣性、構(gòu)造及埋深變化，結(jié)合南川區(qū)塊深層煤層氣富集高產(chǎn)地質(zhì)認(rèn)識，認(rèn)為丁山、林灘場等盆緣寬緩背斜及盆內(nèi)高陡背斜是川東南深部煤層氣勘探的重要方向。