依蘭礦區(qū)煤層氣成藏模式研究

康玉國 閻 偉 馬立軍

(黑龍江省煤田地質勘察設計研究院，黑龍江 150008)

依蘭礦區(qū)位于依蘭煤田南部坳陷區(qū)，有著較為豐富的煤層氣資源基礎，區(qū)內煤種為低煤階長焰煤，自2000年～2008完成煤層氣參數(shù)井4口 (YT－1井、T－1井、T－2井、YD－02井)，與此同時礦區(qū)深部也完成了煤炭精查工作，并開展了三維地震工作;2008年～2009年在礦區(qū)南部煤層氣富集區(qū)完成生產試驗井2口 (YD－03井、YD－04井)，經(jīng)過3個月試采表明，單井氣產量均在1500m3/d以上，取得了低煤階煤層氣研究開發(fā)的突破，本文通過分析盆地地質條件、構造條件、水文條件等來建立煤層氣成藏模式，來解釋該區(qū)低煤階煤層氣富集成藏機理，并以此來指導進一步生產工作。

1 煤層氣富集成藏主控因素

1.1 構造控氣作用

(1)構造史與生烴史配置與煤層氣富集

有利的生烴史可為煤層氣提供強大的氣源條件，有利的構造演化史則為煤層氣提供良好的保存條件，兩者的有利配置是煤層氣富集的前提條件。依蘭煤田為一典型斷陷型含煤盆地:白堊紀至古新世初，盆地形成;始新世，早期盆地拉張裂陷加強，形成泥炭沼澤－湖泊環(huán)境，并堆積含巨厚煤層的達連河組下含煤段，之后盆地拉張裂陷活動進一步加強，成為深水湖泊環(huán)境，形成中段油頁巖層;始新世末期盆地拉張裂陷趨弱，相對緩慢回升，扇三角洲平原及淤淺湖泊轉為湖泊－泥炭沼澤環(huán)境，形成以中細碎屑巖為主夾有煤層的上含煤段，斷陷深部堆積寶泉嶺組地層;漸新世，盆地拉張裂陷活動進一步減弱，急劇上升，堆積了道臺橋組碎屑巖;中新世末，依蘭－伊通斷裂帶受擠壓形成對沖，盆地抬起、結束充填，經(jīng)受劇烈剝蝕。

總體上看依蘭煤田煤層氣生成規(guī)律為整體下沉式，但從依蘭礦區(qū)沉積演化與生烴歷程關系圖(圖1)看，依蘭礦區(qū)為起伏式減弱型。其生氣階段為一次生氣階段和后期穩(wěn)定階段。

一次生氣階段，喜山期構造運動后，依蘭煤田內形成了800～1300m厚的達連河組含煤地層和1000余m厚的上覆沉積地層，該區(qū)平均地溫梯度為2.23℃/100m，古地溫可達50℃，在深成變質作用條件下，煤變質程度達到長焰煤階段。在區(qū)域地溫場恒定，煤層埋藏最深時達到生氣高峰，這是該區(qū)煤層生氣的主要階段，生氣高峰期發(fā)生在地殼抬升和改造之前。

后期穩(wěn)定階段，在依蘭煤田的下第三系與上第三系之間的平行不整合，先期抬升，而后產生同沉積斷裂，形成斷陷盆地沉積。抬升過程中對煤田內的道臺橋組以下地層寶泉嶺組及達連河組上部部分地層進行了剝蝕，但剝蝕作用始終未能完全穿透第三系地層，為煤層氣聚集創(chuàng)造了良好的埋藏條件和氣源條件，從整個依蘭盆地研究，具有南弱北強的剝蝕特點，剝蝕了道臺橋組以下－達連河組地層，使盆地北部范圍縮小，達連河組下部煤層出露于地表。從生聚氣模式來看礦區(qū)北部地層剝蝕較嚴重，不利于煤層氣保存，中－南部形成煤層氣富集帶可能性大。從煤炭勘探資料分析，礦區(qū)煤層埋深在1000m以內，并集中在500～1000m，且地層整體較為平緩、埋藏較為穩(wěn)定，處于煤層氣最佳開采深度之內 (如圖1)。

圖1 依蘭礦區(qū)沉積演化與生烴歷程關系圖

(2)礦區(qū)構造條件

據(jù)應力場分析，在喜山晚期東北部應力主要方向近東西向 (北東東－南西西向)，所以呈NE與NW兩組方向扭裂面發(fā)育，隨著力矩的變動，在西部為北西－南東向的應力，所以呈NNW與NWW兩組方向發(fā)育。最西部F13又呈現(xiàn)為北東東向應力，而使本區(qū)北東－南西向構造發(fā)育。

本區(qū)含煤地層分布受區(qū)域深斷裂控制，其東南緣被北東向F2控制，礦區(qū)西部邊緣松花江也有斷裂顯示，呈三角形斷陷地帶。北東向斷裂構造規(guī)模大，一般多為長期活動斷裂，尤其是F2為控盆斷裂，斷距一般幾百米～上千米。本區(qū)查明斷層42條，主要有北東向、北西向兩組斷層，①其中正斷層40條，除控盆斷裂F2斷層外普遍規(guī)模較小，落差均大于30m，多呈北東向展布，由于斷層傾角平緩且水平錯距較大，使依蘭礦區(qū)呈現(xiàn)出地壘與地塹相間的構造模式，這種構造模式對煤層氣連續(xù)性產生了一定影響，但煤層厚度影響較小，目前未見因正斷層發(fā)育而出現(xiàn)煤層減薄、殲滅的現(xiàn)象;②本區(qū)查明斷層中僅有2條為逆斷層，且均發(fā)育在礦區(qū)的中南部，DF35逆斷層呈近東西向展布，將礦區(qū)深部分割為南北部，根據(jù)含氣量測試顯示，該斷層具有封閉性，利于煤層氣的富集與保存。

1.2 沉積體系和儲蓋組合與煤層氣富集

下第三系達連河組，依據(jù)巖性及沉積特征自上而下劃分為四段:含煤段、砂礫巖段、油頁巖段、砂泥巖段，厚度約500～1200m，含煤三個層組:上煤層組、中煤層組、下煤層組;五個煤層:上1、上1－上2、上2、中、下。發(fā)育煤層大致為東西向展布，且在走向上形成明顯的分帶性，東部盆地邊緣(F2)沖積扇發(fā)育，形成無煤帶;上游辮狀河由于河身不固定，泥炭沼澤環(huán)境受破壞，形成不穩(wěn)定薄煤層，為貧煤帶;河流沖積平原，其岸后沼澤和泛濫盆地沼澤較發(fā)育，形成薄煤帶。中部扇三角洲平原，泥炭沼澤條件持續(xù)較長，形成的煤體連續(xù)為富煤帶。

煤儲層空間組合形態(tài):上1－上2煤間，主要由高灰煤、炭頁巖、油頁巖薄互層組成;上2－中煤間，即上2煤層底板及中煤層頂板，以油頁巖和砂巖為主;中－下煤間，以油頁巖為主，底部普遍存在一層砂巖。

煤層群封蓋條件:依蘭煤田在煤層群沉積之后由于盆地內大部復水較深致靜水湖泊保持較長時期，形成了100m左右的巨厚層油頁巖且發(fā)育穩(wěn)定、連續(xù)性好，以往研究認為該區(qū)油頁巖致密堅硬，裂隙不發(fā)育，滲透率小，具有極好的封蓋能力，對于煤層氣的保存意義重大。

1.3 水文地質條件

本區(qū)垂向上可分3個含水層，3個隔水層，含水層為別第四系砂礫層孔隙含水層，承壓;下第三系始新統(tǒng)上部砂、泥巖段裂隙含水層，承壓;下第三系始新統(tǒng)下部砂、礫巖段裂隙弱含水層，承壓。3個含水層的厚度、含水性、水質類型特征如表1。

表1 依蘭礦區(qū)含水層水文地質參數(shù)

含水層特點分析:①厚度大，下第三系始新統(tǒng)上部砂、泥巖段裂隙含水層平均厚度406.45m，下第三系始新統(tǒng)下部砂、礫巖段裂隙弱含水層平均厚度70m。②含水層均為復合型，層間夾雜泥巖、粉砂巖等巖層，起局部隔水作用。③含水層垂向上分帶較為明顯，從淺部第四系含水層至深部第三系下部弱含水層，滲透系數(shù)及單位涌水量逐漸減小，地下水徑流由強變弱。④地下水直接從露頭接受補給，由北東向礦區(qū)西南部流動。

本區(qū)垂向上共含3個隔水層，其中煤系地層含有2層隔水層。第三系始新統(tǒng)達連河組煤系頂部油頁巖段隔水層，位于上煤層頂板之上，平均厚度123.32m以上，巖性由粉砂巖及油頁巖組成，全區(qū)發(fā)育，全面隔斷煤層段與上部砂泥巖段水力聯(lián)系;第三系始新統(tǒng)達連河組煤系下煤層頂部油頁巖段隔水層，位于下煤層頂部，中煤層底部，一般厚3～5m，礦區(qū)煤系頂部和底部隔水層隔絕了含水層之間的水力聯(lián)系，對主力煤層中煤層與上煤層的煤層氣富集和運移起到良好封閉作用。

2 煤層氣賦存規(guī)律

煤層厚度大且分布穩(wěn)定是煤層氣藏形成的物質基礎，煤層厚度大不僅生氣量大而且資源豐度高，利于煤層氣賦存及開采，依蘭礦區(qū)上煤層氣組(上1、上2)厚1.07～3.74m，平均厚1.24m，簡單－復雜結構煤層，宏觀煤巖類型以半亮煤為主;中煤層厚1.18～16.28m，平均厚6.06m，簡單結構煤層，宏觀煤巖類型以鏡亮煤為主，是依蘭礦區(qū)煤層氣開發(fā)的主力煤層;下煤層厚0.35～3.37m，平均厚度為1.28m，簡單結構煤層，宏觀煤巖類型為半暗半亮型。中煤層為特低至低灰份煤層而明顯區(qū)別于其它煤層，灰分一般在4%～8%之間，發(fā)熱量大;下煤層及上煤層為中灰至高灰分煤，灰分在15%以上。煤中的有機顯微組分中煤層含量最高，超過90%，其次為上2煤層，上1煤層含量最低。有機顯微組分主要以鏡質組為主，其次為殼質組，半鏡質組及惰質組則較少;鏡質組+殼質組含量＞95%，本區(qū)煤的顯微煤巖類為微鏡煤。因可采煤層以煤層群形式出現(xiàn)，煤層間距小，鏡質組反射率數(shù)值無明顯差別。YD－03井含氣量測試結果顯示 (圖2):含氣量在縱向上呈現(xiàn)上煤低，中煤高，下煤低的特點，顯然煤儲層含氣量縱向上的不均一性主要受煤層厚度及煤質影響。

平面上，根據(jù)依蘭礦區(qū)中煤層含氣量等值線圖(圖3)可知，中煤層含氣量在總體上呈現(xiàn)出南高北低的特征，逆斷層DF35北部含氣量基本在1～8m3/t，含氣量受埋深控制顯著，隨深度增加含氣量增高;逆斷層DF35南部含氣量基本在3～10m3/t，呈現(xiàn)出東高西低，南高北低的特點，主要是由于沉積演化過程中，下煤層在西南部向隆起高處及邊緣早期沉積物超覆關系，對同期洪積～沖積層則是交錯相，在洪積扇后緣呈大片無煤區(qū)，之后中煤層沉積時在西南部邊緣也超覆其泥砂洪積～沖積層上而變薄，并出現(xiàn)小部分分叉、變薄以至尖滅，煤層厚度的變化與煤儲層幾何形態(tài)的變化導致了西南部煤層氣保存條件差而使逸散加強，出現(xiàn)含氣量在西南部又急劇下降的現(xiàn)象;富氣帶位于逆斷層南部次一級背斜軸部，并向東南最大埋深區(qū)延伸，而以該斷層為中心向北部及西南部，煤層氣含量逐漸降低。

圖2 YD－03井煤層平均含氣量直方圖

圖3 中煤層含氣量等值線圖

3 煤層氣成藏模式建立

綜上所述，依蘭礦區(qū)為一向南傾斜的單斜構造，中部煤層厚度大，層數(shù)多，間距小，煤級較低，幾乎全部為長焰煤，極少量氣煤，鏡煤反射率0.616%～2.103%，含氣性較好，根據(jù)其構造形態(tài)和動力學特征，依蘭礦區(qū)為逆沖－推覆控氣構造，并共生于單斜構造背景，逆沖斷層面由于煤及煤系的碎裂化作用形成斷層泥及斷層帶，成為阻隔煤層氣逸散的良好構造界面，同時次級背斜的發(fā)育因其幅度小，兩翼產狀緩，裂隙不甚發(fā)育，利于形成小構造“封閉”，因而富氣帶位于逆斷層DF35次級背斜軸部，向東南有增加趨勢。

第三系始新統(tǒng)達連河組煤系頂部油頁巖段隔水層，既隔絕了達連河組上下兩含水層之間的水力聯(lián)系，更對煤層氣的運移和富集起到封閉、保存作用。下第三系始新統(tǒng)上部砂、泥巖段裂隙含水層厚度巨大，其頂部與第四系底部含水層呈不整合接觸，垂向補給，淺部富水性，水動力強，承壓，西北部有松花江進行補給，地下水由淺部流向深部，即由西北部向東南部徑流。中部由于逆斷層隔水作用及次一級背斜發(fā)育而處于滯流狀態(tài)，地下水礦化度高，因此含水層在淺部接受補給，地下水徑流方向與煤層氣順層運移方向相反，且由于上層巨厚油頁巖的隔水作用使得煤層本身也不存在地下水的垂向補給，形成良好的水里封堵。

礦區(qū)煤級雖然僅為長焰煤階段，但存在有利的構造條件和煤層埋藏條件，含氣量較高，水文地質條件良好，即煤系頂部和底部發(fā)育穩(wěn)定分布的隔水層，地下水滯留區(qū)煤層發(fā)育好，以及深部盆緣斷裂附近存在煤層分叉尖滅帶等不滲透邊界，使得煤層在中部滯留區(qū)聚積，構成了依蘭礦區(qū)典型的水力封堵－斷層型氣藏模式。

圖4 依蘭礦區(qū)煤層氣成藏模式圖

4 結論

依蘭礦區(qū)的水力封堵－斷層型煤層氣成藏模式代表了一種能夠獲得較高產能煤層氣井的模式，有利的地質構造條件和水文地質條件的匹配是依蘭礦區(qū)低煤階煤層氣開發(fā)成功的關鍵:煤層厚度大、埋深適中，封閉性斷層發(fā)育，封閉條件優(yōu)越;煤系頂部和底部發(fā)育穩(wěn)定分布的隔水層，地下水由淺部的徑流，向深部的相對滯流，在次級背斜軸部高點附近煤層氣富集成藏，由此我們根據(jù)該區(qū)的成藏模式特點，在YD－03井附近繼續(xù)施工煤層氣井，形成小井網(wǎng)規(guī)模開發(fā)是依蘭礦區(qū)煤層氣步入商業(yè)化發(fā)展的第一步。

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