煤層氣藏邊界類型、成藏主控因素及富集區(qū)預測

摘 要

摘要：如何定義煤層氣藏、如何界定氣藏邊界是認識煤層氣藏的關(guān)鍵，要評價煤層氣富集區(qū)首先要找出控制其成藏的主要因素。為此，結(jié)合我國含煤盆地的典型煤層氣藏特征，圍繞煤層氣藏邊
摘要：如何定義煤層氣藏、如何界定氣藏邊界是認識煤層氣藏的關(guān)鍵，要評價煤層氣富集區(qū)首先要找出控制其成藏的主要因素。為此，結(jié)合我國含煤盆地的典型煤層氣藏特征，圍繞煤層氣藏邊界類型、成藏主控因素進行了探討，并預測了沁水、鄂爾多斯、準噶爾盆地的煤層氣富集區(qū)。結(jié)論認為：①煤層氣藏的邊界是煤層氣藏劃分的前提，煤層氣藏主要有5種地質(zhì)邊界類型：水動力邊界、風氧化帶邊界、物性邊界、斷層邊界和巖性邊界；②煤層氣藏的形成經(jīng)歷了煤層氣的生成和吸附、煤層的吸附能力增加和煤層氣的解吸-擴散和保存階段；③保存階段是成藏的關(guān)鍵，區(qū)域構(gòu)造演化、水動力條件和封閉條件是主要的成藏控制因素。進而在沁水盆地、鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地優(yōu)選出9個煤層氣有利富集區(qū)：晉城、陽城、安澤、陽泉、大寧-吉縣、韓城、吳堡、準南、阜康。
關(guān)鍵詞：煤層氣藏；邊界類型；成藏主控因素；構(gòu)造；水動力；封閉；富集區(qū)；預測
    煤層氣藏是一種非常規(guī)天然氣藏，無論其氣藏類型還是成藏機理，都與常規(guī)氣藏有著較大差異，因而富集因素也有其自身特點。煤層中的氣體以吸附、游離、水溶3種相態(tài)賦存，其中吸附態(tài)最為重要。因此，如何定義煤層氣藏、如何界定氣藏邊界就成了認識煤層氣藏的關(guān)鍵。煤層氣成藏貫穿了煤層氣從生成、儲集、運移到保存和改造的整個過程，其成藏過程十分復雜，只有找出其中的主要控制因素，才可能為煤層氣富集區(qū)評價提供地質(zhì)依據(jù)，進而確定勘探目標。為此結(jié)合我國含煤盆地的典型煤層氣藏特征，圍繞煤層氣藏邊界類型、成藏主控因素進行了探討，并預測了沁水、鄂爾多斯、準噶爾盆地的煤層氣富集區(qū)。
1 煤層氣藏邊界類型
1.1 煤層氣藏的涵義
    鑒于煤層氣藏的非常規(guī)性，不少學者在煤層氣地質(zhì)研究中都對煤層氣藏賦予了一定涵義和定義。李明潮等認為煤層氣藏是煤中甲烷在具備適當外界條件時相對集中在一定的圍限內(nèi)，圍限內(nèi)的氣體富集程度、壓力一般都高于圍限之外，也就是說一個煤層氣田也可形成一個或多個煤層氣藏[1]。錢凱等[2]指出，煤層甲烷氣藏是指在壓力(主要是水壓)作用下“圈閉”著一定數(shù)量氣體的煤巖體。同時對廣義的煤層甲烷氣藏概念加以限制，提出了有效煤層甲烷氣藏或經(jīng)濟煤層甲烷氣藏的概念，即指具有商業(yè)開采價值的煤層氣藏。盡管一些學者用各種術(shù)語來描述煤層氣藏，但人們還是認為對于煤層氣藏不僅難以給出確切的定義，而且在地質(zhì)空間上也難以界定。根據(jù)煤層氣的特點及其與常規(guī)天然氣藏的差異性，筆者給出的定義為：受相似地質(zhì)因素控制、含有一定資源規(guī)模以吸附狀態(tài)為主的煤層氣、具有相對獨立流體系統(tǒng)的煤巖體基本地質(zhì)單元稱為煤層氣藏。煤層氣藏應具備以下條件：①煤層氣藏是煤層氣聚集的基本單元，具有明顯的邊界與周圍地質(zhì)體分隔；②獨立的流體系統(tǒng)是指經(jīng)歷了相同的演化過程和相似的地質(zhì)作用下的基本流體單元；③煤巖體是受頂、底板控制、連續(xù)分布的煤層。
1.2 煤層氣藏的邊界類型
    煤層氣藏是基于具有明顯的邊界與周圍地質(zhì)體分隔而被體現(xiàn)。因此，煤層氣藏的邊界是煤層氣藏劃分的前提。通過國內(nèi)外煤層氣藏分析，筆者認為煤層氣藏主要具有5種地質(zhì)邊界類型。
1.2.1水動力邊界
    水動力邊界可區(qū)分為地下水分水嶺和水動力封堵兩類。地下水分水嶺邊界的存在使其兩側(cè)的煤層氣藏處于不同的流體單元。水動力封堵邊界是最常見的煤層氣藏邊界，幾乎所有的煤層氣藏都存在。水動力封堵的機理為：要使儲層內(nèi)保存一定量的煤層氣，就必須具備一定的儲層壓力，即地下水靜水位面(對應于儲層壓力)具有一定的高程。這一高程可通過經(jīng)濟邊界對應的含氣量和蘭氏方程計算的儲層壓力換算。
1.2.2風氧化帶邊界
    由于煤層氣沿露頭散失和空氣混入使得煤層氣中甲烷含量降低，二氧化碳、氮氣等增加。水動力條件變化，如地下水不斷的下降、上升可以引起風氧化帶的深度也不斷的變化。
    一般取甲烷濃度80%為風氧化帶的底界。用不同埋深或不同煤層上覆有效厚度的鉆孔、煤層氣井或煤礦抽放出得煤層氣進行氣體組分分析，得出風氧化帶的深度。如沁水盆地南部煤層氣藏甲烷組分含量隨煤層埋藏深度的加大而增加，甲烷組分含量大于80%對應的煤層埋深為180m，即可確定風氧化帶的深度為180m左右(圖1)。
 
1.2.3物性邊界
在美國圣胡安盆地北部地區(qū)由于煤體物性變差，形成低滲帶，使淺層地下水運移而來的煤層氣在此聚集，形成煤層氣儲層異常高壓，是典型的物性封閉(圖2)[3]。
 
1.2.4斷層邊界
    斷層邊界可以分為封閉性斷層邊界和開放性斷層邊界兩類。
    封閉性斷層是煤層氣藏的重要邊界，Sand Wash盆地、沁水盆地、阜新盆地都存在封閉性斷層作為煤層氣藏重要邊界的情形。
開放性斷層邊界有兩種情形：位于地下水補給區(qū)的開放性斷層和位于地下水排泄區(qū)的開放性斷層。地下水沿位于補給區(qū)的開放性斷層帶補給，分別向斷層兩側(cè)的煤層與含水層運移，對煤層氣的散失起到阻止作用，同時斷層兩側(cè)的含水層和煤層為不同的流體流動單元。因此起到分割不同煤層氣藏的作用。這類斷層邊界有利于煤層氣的保存。而地下水沿位于排泄區(qū)的開放性斷層排泄，造成煤層氣的散失。典型實例見圖3[4]。
 
1.2.5巖性邊界
    巖性邊界是指位于煤層尖滅帶的邊界，也有兩種情形：①位于煤層尖滅帶的巖性具有較大的滲透率，排驅(qū)壓力低，煤層氣將難以在煤層內(nèi)聚集，容易逸散，不利于煤層氣的保存；②位于煤層尖滅帶的巖性具有較低的滲透率，邊界具有較高的排驅(qū)壓力，有利于煤層氣的保存。后一種情形常見，如在我國的鐵法盆地，地下水由淺部的徑流，向深部的滯流，在深部盆緣斷裂附近存在煤層分叉尖滅帶、巖性相變帶等不滲透邊界，致使煤層氣在深部聚集，構(gòu)成了典型的鐵法盆地煤層氣藏。美國粉河盆地內(nèi)部的這類邊界也比較典型。
2 煤層氣成藏主控因素及富集區(qū)預測
2.1 成藏主控因素
    我國含煤盆地絕大多數(shù)盆地都經(jīng)歷了沉降和回返抬升演化階段，有的盆地甚至經(jīng)歷了多次的旋回，煤層也經(jīng)歷了埋藏-抬升的構(gòu)造演化過程。煤層的埋藏-抬升決定了煤層氣的成藏演化過程。一般來說，高變質(zhì)煤盆地，隨著煤層的埋藏和抬升，煤層氣藏形成過程主要經(jīng)歷了煤層氣的生成和吸附階段、煤層的吸附能力增加階段和煤層氣的解吸-擴散和保存階段。其中煤層氣藏的解吸-擴散和保存階段中主要包括蓋層擴散機制和地下水溶解機制，是煤層氣成藏的關(guān)鍵階段。因此，煤層氣成藏的主控因素體現(xiàn)于構(gòu)造、地下水和封閉條件的控制作用。
2.1.1構(gòu)造演化對煤層氣成藏的控制作用
    聚煤盆地回返抬升的時間早晚和長短、抬升程度均控制著煤層氣藏的富集程度。抬升回返時間晚而短，煤層氣散失的時間就短，對煤層氣藏的保存有利，如華北東部和西部地區(qū)抬升回返時間不同，煤層氣富集程度具有明顯差異[5]。抬升程度在煤層的上覆地層有效厚度得到反映，盆地回返抬升后，煤層停止生氣，在沒有構(gòu)造熱事件等特殊地質(zhì)因素發(fā)生的情況下，煤層抬升后的上覆有效地層厚度直接影響著現(xiàn)今煤層的含氣量[6]。我們把煤層停止生氣之后上覆“有效厚度”在地史上埋藏最小的時刻稱為煤層氣藏形成關(guān)鍵時刻，此時煤層上覆“有效厚度”的壓力、溫度決定了現(xiàn)今煤層的含氣量。因此，在煤層氣勘探選區(qū)時，不僅要看現(xiàn)今的煤層厚度、煤階、孔滲性、割理、蓋層、水動力等地質(zhì)條件，更重要的還要看在地質(zhì)歷史時期煤層停止生氣之后抬升的最小埋深是否有利于煤層氣的保存。假如兩個現(xiàn)今地質(zhì)條件基本相同的地區(qū)，盡管現(xiàn)今埋藏深度相同，但在地質(zhì)歷史時期抬升后的埋深不同，一個在風化面之下，保存條件較好；而另一個在風化面之上，煤層氣則基本散失。河北省大城地區(qū)由于燕山后期構(gòu)造活動頻繁，長期抬升剝蝕，上覆有效厚度變薄，保存條件欠佳，使大部分地區(qū)的煤層氣散失[7]，鉆探結(jié)果表明，該區(qū)煤層氣產(chǎn)量低，含氣飽和度和解吸壓力低，不利
于煤層氣的開采。又如沁水盆地南部晉城煤層氣藏，煤層經(jīng)過構(gòu)造演化后，新近紀區(qū)域回返抬升至風化帶之下，之后的再沉降但未超過抬升前的深度，后接受沉積對煤層氣具有較好的保存條件，對煤層氣富集非常有利；沁水盆地西部的霍州地區(qū)，在古近紀末煤層在區(qū)域回返抬升至風化帶內(nèi)，后來沉降幅度也很小。因此，煤層氣大量散失、含氣量與飽和度顯著降低，后期又沒有充足的氣源補給，不利于煤層氣藏的富集。
    由此可見，現(xiàn)今煤層氣藏的富集程度是聚煤盆地回返抬升和后期演化對煤層氣保持和破壞的綜合疊加結(jié)果。因此，構(gòu)造對煤層氣藏的控藏作用機制主要表現(xiàn)為在煤層抬升回返過程中所經(jīng)歷的上覆地層厚度的變化，上覆地層厚度的變化下的溫度、壓力的變化控制了煤層含氣量的變化。
2.1.2地下水對煤層氣成藏的控制作用
    水動力條件對煤層氣的保存關(guān)系很大[8]。甲烷等氣體微量溶解于地下水，并隨水的流動發(fā)生散失。煤層地下水滯流或流動緩慢減少了氣體溶解流失，較高的水力壓力有利于煤層壓力的保持，阻止氣體解吸。如我國主要煤層氣盆地煤系水動力條件強的地區(qū)，不僅煤的含氣量相對較低，煤層氣甲烷碳同位素變輕的程度也較大；水動力較弱的地區(qū)或滯流水區(qū)，煤層氣的含量相對較高，甲烷碳同位素變輕的程度也相對較小。滯流區(qū)和徑流區(qū)具有不同的水動力條件，決定了滯流區(qū)煤層氣的富集和徑流區(qū)煤層氣的破壞。
    在滯流水區(qū)，有利于煤層氣的保存，主要是因為：①水的承壓作用，使煤層氣的解吸作用不易發(fā)生；②由于地下水的循環(huán)交替較弱，水溶解帶走煤層氣甲烷的數(shù)量很少；③水流引起的煤層壓力變化較小，煤層氣的解吸量也小。煤層水主要包括基質(zhì)孔隙中的束縛水和裂隙系統(tǒng)中的游離水。束縛水難以流動，游離水始終處在不斷的交替循環(huán)之中，導致煤層裂隙系統(tǒng)中的水頭和壓力發(fā)生變化，使煤層中甲烷的三種賦存相態(tài)，即吸附相、溶解相和游離相的平衡發(fā)生變化，引起煤層中甲烷的溶解、運移。煤系中的游離水溶解了煤基質(zhì)割理面上的甲烷，導致了割理面上甲烷的濃度降低，使基質(zhì)中的甲烷通過擴散由吸附氣轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x氣。隨地下水的循環(huán)交替將再溶解、再擴散，在漫長的地質(zhì)歷史過程中，由于水動力作用，這個溶解量對煤層甲烷含氣量的變化起到重要的作用。滯流水環(huán)境有利于煤層氣的富集，沁水盆地可作為典型例子，該盆地發(fā)育石炭系太原組的下煤組15#煤層和二疊系山西組的上煤組3#煤層。該盆地為復式向斜，呈單斜向盆地內(nèi)部延伸，斷層不發(fā)育，地下水呈匯流狀態(tài)：東部和南部大氣降水補給，北部和西部有分水嶺的水源補給。東、南、西、北四面水體向水位低等勢面部位匯流。3#煤層和15#煤層均隨著水流指向匯水區(qū)方向，煤層氣的含量明顯增加。沁水盆地南部的這種匯水的水文地質(zhì)條件，水流趨于停滯，含氣量很高，為煤層氣的富氣區(qū)。
    徑流水區(qū)地下水對煤層氣破壞的現(xiàn)象除了使含氣量降低以外，主要表現(xiàn)在流動的地下水可使煤層甲烷碳同位素變輕，變輕的程度受水動力強度影響。在我國的華北地區(qū)，下部太原組煤系直接覆蓋在奧陶系灰?guī)r之上，煤系與下伏奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層強徑流帶容易產(chǎn)生水力聯(lián)系，所以太原組下主煤層的煤系水動力條件往往強于山西組上主煤層煤系。在煤層甲烷碳同位素值方面，下煤組煤層甲烷碳同位素輕于上煤組的現(xiàn)象十分普遍。例如鄂爾多斯盆地吳堡地區(qū)，上煤組的3#煤層中的甲烷碳同位素值為-38.25‰，下煤組的10#煤層的甲烷碳同位素值為-46.26‰；沁水盆地試A-2井3#煤層和15#煤層甲烷碳同位素值分別為-31.8‰和-32.1‰；試A-3井甲烷碳同位素值分別為-33.56‰和-35.39‰(圖4)。
 
    可見，水動力條件對煤層氣含量影響顯著，水動力條件越強，含氣量越低；含氣量越低，則對應煤層甲烷碳同位素就越輕。因為只有水溶作用可以使煤層甲烷碳同位素發(fā)生分餾作用，所以，水動力對煤層氣破壞途徑主要是水溶作用，而不是水驅(qū)作用。
2.1.3封閉條件對煤層氣成藏的控制作用
    由于煤層氣以吸附氣為主這一特殊賦存形式，人們往往認為蓋層對煤層氣聚集沒有太大的影響。實際上煤層富氣與頂、底板和上覆地層的封蓋有較大的關(guān)系[2，9～10]。致密低滲的頂、底板減少煤層氣散失，保持較高的儲層壓力，維持吸附氣體量最大，利于煤層氣的富集。理論上煤層要有足夠大的含氣量，最理想的保存條件是煤層處于一個封閉體系中。可見，煤層的頂、底板及其上覆層對煤層氣的富集具有重要的控制作用。
    針對煤層頂、底板對煤層氣富集的控制作用，筆者進行了統(tǒng)計分析。如鄂爾多斯大寧地區(qū)吉試1、吉試3、吉試2、吉試6井5#煤層埋深分別為635m、1194m、1027m、920m，含氣量則是20m3/t、18.5m3/t、12m3/t、14m3/t，吉試1和吉試3井是泥巖作為頂、底板，具有較高的含氣量，而吉試2和吉試6井頂板是砂質(zhì)巖，含氣量卻明顯偏低[11]。對沁水盆地南部3#煤層和15#煤層相近深度條件下不同頂、底板巖性煤層的含氣量統(tǒng)計分析也表明。3#煤層泥質(zhì)巖頂?shù)装宓拿簩雍瑲饬科毡楸壬百|(zhì)巖頂、底板含氣量要高，具有泥巖頂板的煤層平均含氣量約18m3/t，粉砂巖的則只有5m3/t；泥巖底板的煤層平均含氣量約19m3/t，砂巖的為9m3/t，粉砂巖的1.7m3/t；15#煤層泥巖、石灰?guī)r和砂巖頂板的煤層平均含氣量依次為18.87m3/t、15.33m3/t和12.7m3/t，同樣顯示泥巖頂板含氣量大于石灰?guī)r和砂巖類頂板。
    上覆地層有效厚度對煤層氣富集的控制，在我國含煤盆地并不鮮見。如華北大城凸起，在含煤地層沉積后，開始下沉，達到生氣高峰，接著在三疊紀的后構(gòu)造抬升，地層遭受剝蝕，在大試1井區(qū)主力煤層頂部連續(xù)沉積的二疊系厚度(上覆地層有效厚度)僅為100m，含氣量小于2m3/t，處于瓦斯風化帶，而大1-1井區(qū)主力煤層頂部連續(xù)沉積厚度為200m，其含氣量較高，一般大于10m3/t。開平澗河地區(qū)，雖然煤層埋深較大(大于1000m)，但是該區(qū)尤其是西河凸起煤層上覆有效厚度較小，僅為100m左右。因此測井解釋結(jié)果是西2井含氣性較差；而開平向斜，煤層上覆地層連續(xù)沉積厚度較大，一般在200～2000m范圍，故其保存條件在這種意義下是良好的。此外，河南焦作恩村井田和沈南紅陽井田煤層氣含氣量與上覆地層有效厚度也成正比。
2.2 煤層氣富集區(qū)預測
    煤層氣富集受多種地質(zhì)因素控制，主要取決于含煤盆地區(qū)域構(gòu)造演化、水動力作用和封閉條件等3大控藏地質(zhì)因素。因此，對煤層氣富集區(qū)的評價，除了以這3大因素為重點外，還要考慮含氣性因素、煤儲層因素等單因素。根據(jù)上述特點，對煤層氣富集區(qū)的評價與優(yōu)選就不能沿用常規(guī)氣藏的方法，煤層氣富集區(qū)的優(yōu)選排序應該是多層次的，即不可能按照統(tǒng)一標準來進行全部煤層氣富集區(qū)的優(yōu)選排序工作。對于全部富集區(qū)，應采用能夠獲得的因素來進行；對于研究程度較高的富集區(qū)，可采用更多的因素。這里筆者提出了多層次綜合遞進優(yōu)選法這一思路，即隨著優(yōu)選層次的上升，優(yōu)選結(jié)果越來越接近實際情況，可分3個層次進行優(yōu)選：第一層次，利用評價面積-資源豐度組合進行篩選；第二層次，利用含氣量這一關(guān)鍵因素采用“一票否決”進行篩選；第三層次，關(guān)鍵因素組合排序優(yōu)選，即考慮的關(guān)鍵因素包括富集區(qū)面積、資源豐度、含氣量、吸附飽和度、煤階、臨界解吸壓力、滲透率。由此建立了我國煤層氣富集區(qū)多層次綜合遞進評價系統(tǒng)，以常用地理信息系統(tǒng)軟件MAPGIS作為二次開發(fā)平臺，高級語言VC++作為二次開發(fā)語言，以煤層氣富集區(qū)作為優(yōu)選對象，實現(xiàn)煤層氣富集區(qū)優(yōu)選方法。應用這一評價系統(tǒng)對我國典型含煤盆地沁水盆地、鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地進行了優(yōu)選，優(yōu)選出9個勘探開發(fā)的煤層氣有利富集區(qū)，分別是沁水盆地的晉城、陽城、安澤、陽泉；鄂爾多斯盆地的大寧-吉縣、韓城、吳堡；準噶爾盆地的準南、阜康(見表1)。
表1 典型盆地煤層氣有利富集區(qū)優(yōu)選分級結(jié)果表
盆地
優(yōu)
良
中
沁水
晉城、陽城、安澤、陽泉
屯留、屯留西、沁源、西山
武鄉(xiāng)、霍西、沁源西
鄂爾多斯
大寧-吉縣、韓城、吳堡
烏審旗、杭錦旗、府谷
澄城、西峰南
準噶爾
淮南、阜康
吉木薩爾、沙丘河
夏子街、石西
3 結(jié)論
    1) 煤層氣的賦存狀態(tài)不同于常規(guī)氣藏，可通過邊界條件確定氣藏。煤層氣藏的邊界是煤層氣藏劃分的前提，也是煤層氣勘探開發(fā)工藝選擇的依據(jù)。水動力邊界、風氧化帶邊界、物性邊界、斷層邊界和巖性邊界這5種邊界類型，對確定煤層氣藏范圍具有重要指導意義。
    2) 煤層氣成藏的主要控制因素為區(qū)域構(gòu)造演化、水動力條件和封閉條件，這3大控制因素決定煤層氣的富集程度，為總結(jié)煤層氣富集規(guī)律提供重要依據(jù)。
    3) 考慮煤層氣成藏主要控制因素和煤層含氣性、儲層因素等因素，采用多層次綜合遞進優(yōu)選法，在煤層氣富集區(qū)評價中提供新思路和新方法，有助于煤層氣富集區(qū)的評價和勘探方向的選擇。
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(本文作者：宋巖1，2 柳少波1 趙孟軍1 蘇現(xiàn)波3 李貴中4 洪峰1 秦勝飛1 1.中國石油勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)實驗研究中心；2.長江大學；3.河南理工大學資源與環(huán)境工程學院；4.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院)