二連盆地霍林河地區(qū)低煤階煤層氣成藏條件及主控因素

摘 要

摘要：我國(guó)越來(lái)越重視對(duì)低煤階煤層氣的勘探，但已有的資料表明，目前對(duì)低煤階煤層氣藏的認(rèn)識(shí)還不夠深入。為此，以我國(guó)典型的低煤階煤層氣區(qū)——二連盆地霍林河地區(qū)為例，對(duì)
摘要：我國(guó)越來(lái)越重視對(duì)低煤階煤層氣的勘探，但已有的資料表明，目前對(duì)低煤階煤層氣藏的認(rèn)識(shí)還不夠深入。為此，以我國(guó)典型的低煤階煤層氣區(qū)——二連盆地霍林河地區(qū)為例，對(duì)該區(qū)煤層氣地質(zhì)特征和煤巖煤質(zhì)及煤巖演化程度、煤儲(chǔ)層滲透性、煤層含氣性等煤儲(chǔ)層特征進(jìn)行了分析，從構(gòu)造條件、封蓋條件及水文地質(zhì)條件3個(gè)方面研究了煤層氣藏主控因素及保存條件。結(jié)論認(rèn)為：霍林河地區(qū)煤層氣成藏條件有利，具有煤層厚度大、煤層埋深較淺、煤儲(chǔ)層滲透性好、含氣量較高、封閉保存條件好等特點(diǎn)；保存條件是該區(qū)煤層氣成藏的主控因素，且封閉條件好的淺部是煤層氣富集的有利區(qū)。
關(guān)鍵詞：二連盆地；霍林河地區(qū)；低煤階；煤層氣；成藏條件；主控因素；儲(chǔ)層特征；蓋層；封閉
    國(guó)外低煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了巨大的成功，近幾年在美國(guó)粉河盆地、加拿大阿爾伯達(dá)盆地、澳大利亞蘇拉特盆地等低煤階區(qū)實(shí)現(xiàn)了煤層氣商業(yè)性開(kāi)發(fā)，表明低煤階煤層氣勘探具有很大潛力[1～2]。我國(guó)低煤階煤層氣資源量約占煤層氣總資源量的40%，資源潛力大，我國(guó)越來(lái)越重視低煤階的勘探，但是對(duì)低煤階煤層氣藏的認(rèn)識(shí)還不夠[3～6]。
    二連盆地群是我國(guó)重要的低煤階聚煤區(qū)，煤層氣勘探前景好[7～8]?；袅趾拥貐^(qū)是二連盆地群典型的聚煤盆地，研究該區(qū)煤層氣成藏條件，對(duì)于二連盆地群其他含煤凹陷的煤層氣勘探有較好的借鑒作用。
1 研究區(qū)概況
    霍林河盆地位于大興安嶺南段，距通遼市西北400km，為一北東向展布的半地塹型斷陷盆地，面積540km2(圖1)。區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，以低煤階褐煤為主。構(gòu)造總體為一不對(duì)稱的寬緩向斜，兩翼傾角比較平緩，東翼傾角小于10°，西翼傾角12°～15°。盆地發(fā)育次級(jí)褶皺，自北往南依次為：西林保拉向斜、珠斯花背斜、翁能花向斜、“三湖”背斜、西南向斜，盆地呈“三洼二隆”的格局(圖2)。該區(qū)主要發(fā)育北東和北西向高角度正斷層，其中盆地西緣F1為同生斷層，控制盆內(nèi)煤層的發(fā)育，構(gòu)造總體屬簡(jiǎn)單中等。自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，在該區(qū)主要進(jìn)行了煤炭的勘探與開(kāi)發(fā)工作，2007年中國(guó)石油天然氣股份有限公司在中部洼陷鉆探一口煤層氣井，排采試驗(yàn)獲得工業(yè)氣流。

2 煤層氣成藏條件分析
2.1 煤層分布
    上侏羅-下白堊統(tǒng)霍林河組是霍林河地區(qū)的含煤層段，其中上侏羅統(tǒng)的下含煤層段為該區(qū)煤層氣勘探的重點(diǎn)目標(biāo)層位。
    下含煤段分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個(gè)煤組，煤層厚度巨大，可采煤層平均總厚度76.91m。該區(qū)存在2個(gè)富煤中心，分別位于煤盆北部的翁能花向斜和南部的西南向斜。煤層層數(shù)多，但煤層沿走向、傾向的分岔(變薄、尖滅)明顯(圖3)，該區(qū)煤層氣勘探的主力層位為ⅡB、ⅢA、ⅢB、ⅣC?；袅趾拥貐^(qū)煤層的埋藏深度大多淺于1000m，只在向斜軸部煤層埋藏深度大，煤層總體沿盆地東南邊緣向盆地中心，其埋深逐漸增大。滕玉洪等根據(jù)煤田做的瓦斯含量解析資料的計(jì)算結(jié)果，霍林河地區(qū)甲烷風(fēng)化帶的埋藏深度為416.8m[9]。因此煤層氣勘探的深度為400～1000m。
2.2煤儲(chǔ)層特征
2.2.1煤巖煤質(zhì)及煤巖演化程度
    該區(qū)煤層的鏡質(zhì)組反射率為0.370%～0.603%，一般低于0.5%，以褐煤為主。該區(qū)煤的演化受深成變質(zhì)作用控制，煤的變質(zhì)程度與煤層埋藏深度規(guī)律明顯，Ro值隨深度的增加逐漸變大。煤巖類(lèi)型屬半暗-半亮型，各主力煤層的有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組分為主，含量大部分超過(guò)80%，惰質(zhì)組及殼質(zhì)組含量很低。煤的工業(yè)分析顯示該區(qū)水分含量較高，平均17.0%?；曳趾恐械?，平均為23.9%。各主力煤層灰分含量變化具規(guī)律性，邊、淺部煤層灰分高，中深部含量較低，總體屬于中灰煤。
霍林河地區(qū)煤熱演化程度低，還沒(méi)有達(dá)到大量生烴階段，煤層氣組分以生物氣為主，含少量煤熱解氣(圖4)。從煤巖煤質(zhì)上看，霍林河地區(qū)煤層鏡質(zhì)組含量高，對(duì)煤層氣成藏有利。金振奎等通過(guò)沁水盆地分析了灰分產(chǎn)率對(duì)煤儲(chǔ)層性能的影響，認(rèn)為無(wú)機(jī)物一般充填于煤孔隙及裂隙[10]，占據(jù)孔裂隙空間。并根據(jù)之間的關(guān)系統(tǒng)計(jì)，得出灰分產(chǎn)率與孔隙度之間呈線性負(fù)相關(guān)。本次研究用低煤階樣品也得出同樣的關(guān)系(圖5)：即灰分產(chǎn)率越高，孔隙度越低。低煤階煤層氣氣運(yùn)移通道主要以孔隙型為主。因此對(duì)于低煤階煤儲(chǔ)層，灰分含量對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性有較大影響，灰分越大，煤儲(chǔ)層滲透性越差。
 

2.2.2 煤儲(chǔ)層滲透性
    由于煤層變質(zhì)程度較低，內(nèi)生裂隙不發(fā)育，煤層氣的滲流通道主要以孔隙為主。本區(qū)的煤巖孔隙度，由上向下隨著深度的增大而降低，但降低幅度不大，下含煤段的平均孔隙度為17.9%。總的看來(lái)，本區(qū)煤層的孔隙度較高，對(duì)于煤層氣的解吸、滲濾比較有利。
煤層氣勘探試驗(yàn)注入、壓降測(cè)試煤層埋深900m，煤層滲透率為0.91mD。對(duì)煤層進(jìn)行壓實(shí)曲線分析表明(圖6)：煤層埋深100～500m，每增加100m，滲透率降低2.1mD；而在埋深500～900m，埋深每增加100m，滲透率降低0.1mD。說(shuō)明埋藏早期以大孔隙壓實(shí)為主，后期以微孔隙壓實(shí)為主。總體本區(qū)煤儲(chǔ)層物性好，滲透性較高，淺部煤層滲透率將更高。
 

2.2.3煤層含氣性
本區(qū)煤層含氣量的資料不多，從部分煤炭鉆孔中取樣測(cè)試得到的含氣量最高達(dá)到了7.7m3/t(如表1)。煤層氣井H1井煤樣測(cè)試含氣量為2.08～6.53m3/t，煤層甲烷平均含量為91.47%，總體隨埋藏深度的增加，煤層含氣量與甲烷含量均增加。
煤的等溫吸附實(shí)驗(yàn)顯示，霍林河地區(qū)煤層的吸附性能較差，蘭氏體積及壓力較小，蘭氏體積為1.7～7.74m3，蘭氏壓力為0.9～3.68MPa(圖7)。測(cè)定甲烷δ13C1值為-62%，顯示有生物氣的特點(diǎn)，說(shuō)明該區(qū)煤層氣主要為生物成因氣。因此，雖然該區(qū)煤層熱解氣量小，煤層吸附能力較低，但生物氣的補(bǔ)充與良好的保存條件保證了該區(qū)仍有較高的含氣量與含氣飽和度，對(duì)煤層氣成藏有利。
 

2.3 煤層氣藏保存條件
2.3.1構(gòu)造條件
霍林河煤盆已發(fā)現(xiàn)的斷層主要為北東和北西向高角度正斷層，主要分布在背斜及煤層埋藏較淺的盆緣煤層露頭區(qū)。在煤層埋藏較深的區(qū)域地層厚度較大，斷層較少。埋藏深度400m之下的厚煤層主要分布于兩個(gè)向斜區(qū)，受斷層的影響很小。另外，根據(jù)煤田的鉆孔抽水試驗(yàn)，本區(qū)斷層的導(dǎo)水性很小。本區(qū)斷層的斷距小，大部分?jǐn)鄬釉阢@孔中見(jiàn)不到明顯的破碎帶，巖性多為細(xì)、粉砂巖或泥巖，致使斷層導(dǎo)水性均較差，密封性較好。因此本區(qū)斷層對(duì)煤層氣藏保存影響較小。
2.3.2水文地質(zhì)條件
煤系含水層處于承壓水封閉環(huán)境，對(duì)煤層氣的封閉保存較為有利[6、11]。本區(qū)含水層主要有第四系松散含水層、煤系地層砂巖裂隙風(fēng)化帶含水層和煤系基底火山巖裂隙含水層。第四系含水層與煤系風(fēng)化帶含水層直接接觸，無(wú)隔水層相隔，二者存在密切的水力聯(lián)系。下含煤段風(fēng)化帶水在本區(qū)為潛水，無(wú)承壓性，煤層大部分埋藏在地下水位之下。地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水直接或通過(guò)第四系砂礫石層垂直滲入補(bǔ)給，水型主要為HC03-Ca型和HC03-Na-Ca型，礦化度低，有利于次生生物氣的生成。因此本區(qū)地下水對(duì)煤層氣保存不起作用，而主要是生物氣的生成。
2.3.3 封蓋條件
    煤層氣封蓋層包括煤層的上覆巖層(即煤層頂板)、煤層的下伏巖層(即煤層底板)和厚煤層分岔、尖滅處的側(cè)畔巖層，其中鄰近煤層的圍巖最為重要?；袅趾咏M發(fā)育3個(gè)泥巖段，其中下含煤段之上的上泥巖段全區(qū)穩(wěn)定分布，厚度多在100m以上，是煤層氣藏良好的區(qū)域蓋層。主煤層直接頂?shù)装鍘r性多為泥巖和泥質(zhì)膠結(jié)或凝灰質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖，封蓋性較好。鉆探結(jié)果也顯示主力煤層ⅣC直接頂?shù)装鍨槟鄮r，對(duì)煤層氣的保存有利。
3 煤層氣成藏主控因素分析
    低煤階煤層氣藏成藏過(guò)程一般經(jīng)歷一次沉降物氣為其主要?dú)庠?，基質(zhì)孔隙發(fā)育滲透性好，氣源供給和保存條件是低煤階煤層氣成藏的關(guān)鍵。霍林河地區(qū)煤巖熱演化程度低，煤層含氣量不高，而煤儲(chǔ)層物性比較好，因此保存條件是該區(qū)煤層氣成藏的主控因素，且主要為良好的蓋層封閉。
    霍林河地區(qū)地下水環(huán)境較好，地下水為HCO3-Ca型和HCO3-Na-Ca型，礦化度低，淺層單斜緩坡容易形成生物氣補(bǔ)給；淺層孔滲性好，深部煤層氣向上運(yùn)移，淺部如蓋層條件好則在高部位富集成藏形成游離氣與吸附氣復(fù)式氣藏(圖8)。
4 結(jié)論
    1) 霍林河地區(qū)煤層發(fā)育，層數(shù)多，可采煤層總厚度大；煤層含氣量較高，煤儲(chǔ)層孔隙度大，滲透性較高，成藏條件較好。
    2) 煤層氣藏保存條件較好，蓋層封閉是該區(qū)煤層氣成藏的主控因素。
    3) 淺層封閉條件較好的區(qū)域是該區(qū)煤層氣富集的有利區(qū)。
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(本文作者：雷懷玉1，2 孫欽平3 孫斌3 李五忠3 陳剛3 田文廣3 1.北京大學(xué)工學(xué)院；2.中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)公司；3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院)