煤層氣封閉體系及其與煤層氣富集的關系

歐陽永林 孫 斌 王 勃 田文廣 趙 洋 曹海霄

煤層氣封閉體系及其與煤層氣富集的關系

歐陽永林1孫 斌1王 勃1田文廣1趙 洋1曹海霄2

歐陽永林等.煤層氣封閉體系及其與煤層氣富集的關系.天然氣工業(yè)，2016, 36(10): 19-27.

研究封閉體系對煤層氣富集的控制作用對于指導煤層氣勘探開發(fā)具有重要的意義。為此，分析了煤層氣富集與封隔層（包括區(qū)域蓋層、區(qū)域底板和直接頂?shù)装澹⒑笃跇嬙煺{(diào)整、地層產(chǎn)狀等地質(zhì)要素的關系，結果發(fā)現(xiàn)具有區(qū)域性泥巖蓋層及底板分布穩(wěn)定、成藏期后構造抬升—回返幅度小，地層平緩且處于均勢狀態(tài)的地區(qū)煤層氣易于富集。進一步結合多年來國內(nèi)外煤層氣的勘探開發(fā)實踐，提出了封閉體系的概念，即具有阻止氣體向上、下運移的封蓋層和側向穩(wěn)定帶組成的地質(zhì)單元，在封閉體系環(huán)境中不僅煤層氣富集，而且煤系氣也可以富集成藏。最后根據(jù)煤層（系）氣的封閉體系要素配置關系，劃分了“三明治”式煤層氣藏、煤層氣—砂巖氣共生氣藏及煤成砂巖氣藏等3種氣藏類型，提出了煤層氣勘探思路應由單純的煤層氣勘探向煤層氣與煤系氣立體勘探的方向轉變，同時建立了煤層（系）氣地質(zhì)選區(qū)評價指標體系，指出在準噶爾盆地與鄂爾多斯盆地東緣開展煤層氣與煤系氣立體勘探有可能取得良好的應用效果。

煤層氣 煤系氣 富集 封閉體系 封隔層 區(qū)域蓋層 頂?shù)装?斷層 平緩地層 立體勘探

煤層既是烴源巖，又是儲集層，煤層生烴并以吸附態(tài)賦存于煤層中則形成煤層氣，煤層生烴運移至煤層附近的砂巖層中則形成煤系氣。前人針對煤層氣富集開展了卓有成效的研究：通過煤層氣成藏過程的分析，認為回返抬升和后期演化控制著現(xiàn)今煤層氣的富集程度[1]；通過對微觀構造形態(tài)的分析，提出構造未調(diào)整或調(diào)整弱區(qū)域利于煤層氣富集[2]；通過儲蓋特征、成因類型及組合關系的分析，認為封蓋層控制含氣量，進而控制煤層氣富集[3-7]；通過對煤層直接頂?shù)装鍘r性與封閉性的研究，提出泥巖、膏鹽層等細粒巖封蓋層的封蓋性能最優(yōu)等[8-10]。

盡管這些成果在一定程度完善了煤層氣地質(zhì)理論，推動了我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但是對控制煤層氣富集的影響因素考慮不全面，并且未對煤系氣的富集控制因素進行探討。為此，筆者基于前人的研究成果，從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，提出了封閉體系的概念，論證封閉體系對煤層（系）氣富集的控制作用，建立控制煤層（系）氣富集的封閉體系組合類型及模式，以期更好地指導煤層（系）氣勘探及富集區(qū)優(yōu)選。

封閉體系是指由上蓋層、下底板及側向穩(wěn)定帶組成的，具有一定煤層（系）氣富集規(guī)模的地質(zhì)單元。其具有以下特點：①煤層或煤系上、下具有良好的封蓋層，即上蓋層和下底板，能夠阻止煤層氣向上、下運移；②體系內(nèi)地層勢能低、勢差小、流體壓力差別不顯著、地層能量相對穩(wěn)定，能夠氣藏側向穩(wěn)定；③體系邊界多為超低儲層物性、煤層（系）尖滅帶或巖性變化帶等。

1 封閉體系控制煤層（系）氣富集

封閉體系對煤層氣的控制作用貫穿于煤層（系）氣生成、聚散、富集及成藏等全過程。筆者在調(diào)研了大量文獻的基礎上，分析了國內(nèi)外大規(guī)模商業(yè)開發(fā)煤層氣富集區(qū)[11-13]的地質(zhì)條件，認為煤層氣富集區(qū)都具有蓋層條件好、后期構造改造弱、構造簡單、地層平緩等共同特點。具備這一特點的煤層（系）氣典型盆地包括沁水盆地、鄂爾多斯盆地、鮑恩盆地、蘇拉特盆地、圣胡安、阿爾伯達和粉河盆地等（表1）。

煤層氣藏以沁水盆地為例，該盆地3號煤層頂?shù)装逭w以封蓋能力強的泥巖為主，其次為砂質(zhì)泥巖，砂巖只在部分地區(qū)零星分布。直接頂?shù)装迥鄮r最發(fā)育的馬必北—鄭莊區(qū)塊、樊莊—潘莊區(qū)塊以及沁南—夏店區(qū)塊，整體以三角洲平原分流間灣環(huán)境為主，3號煤層含氣量一般都大于15 m3/t，最高可達30 m3/t；位于沁水一帶的馬必南區(qū)塊3號煤層底板中三角洲前緣河口壩砂巖比較發(fā)育，含氣量較低，一般介于6～20 m3/t；北部沁源區(qū)塊以三角洲平原分流河道間漫灘環(huán)境為主，3號煤層頂板以砂質(zhì)泥巖最為發(fā)育，分流河道砂巖零星分布，整體上封蓋能力較好，煤層含氣量介于12～22 m3/t[2]（圖1）。

煤系氣藏是以煤系中砂巖與煤層作為儲層而形成的氣藏。以美國皮申思盆地為例，該盆地煤層最大厚度為37 m，直接蓋層和底板均為致密砂巖，間接頂?shù)装鍨槟囗搸r[14-15]；2001年在皮申思盆地白河隆起進行了深部煤層氣與蓋層低滲砂巖氣合采，合采深度1 560～2 560 m，儲層壓力梯度為0.906 MPa/100 m；65口井單井日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在10 890 m3左右，最高達14 375 m3；采出氣中70%～90%來自煤層生成的氣。

表1 國內(nèi)外主要煤層氣盆地地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計表

2 封閉體系要素

封閉體系分為上封隔層和下封隔層。上封隔層要素包括區(qū)域性蓋層、直接頂板巖性、后期構造運動的改造強度及地層傾角等；下封隔層要素包括區(qū)域性底板、直接底板巖性等。由于區(qū)域性蓋層及底板、直接頂?shù)装鍘r性組合對于煤層（系）氣藏的控制作用相同，故作統(tǒng)一論述。

2.1 區(qū)域性蓋層及底板

區(qū)域性蓋層是指位于煤系地層上方對煤層（系）氣起到整體保護的上覆巖層，區(qū)域性底板是指位于煤系地層下方對煤層（系）氣起到整體保護的下伏巖層。區(qū)域性蓋層及底板的巖性、厚度、分布范圍及穩(wěn)定性控制著封閉體系的好壞，也是決定直接蓋層及底板好壞的根本。借鑒常規(guī)油氣蓋層封閉能力標準，結合煤層（系）氣的區(qū)域性蓋層及底板特點，筆者建立了煤層（系）氣區(qū)域性蓋層及底板封閉能力評價表[16-18]（表2），認為良好的區(qū)域性蓋層需具備以下幾個條件：①良好的巖性組合；②泥質(zhì)含量大于50%；③上覆地層有效厚度大于150 m；④橫向分布連續(xù)，分布面積大于50 km2；⑤與儲層壓力系數(shù)差大于0.1 MPa/100 m。只要存在良好的區(qū)域性蓋層及底板，即使儲層物性及直接頂?shù)装褰M合具有一定的差異，也不會導致大量氣體散失[19-20]，既可形成煤層氣藏，也可形成煤系氣藏。

2.2 直接頂?shù)装鍘r性

煤層頂?shù)装宀煌瑤r性的組合關系具有不同的封閉能力[21]，進而直接影響著煤層氣的富集。參考常規(guī)天然氣蓋層的評價指標[22-23]，可將頂?shù)装宸馍w層劃分為屏障層、半屏障層和透氣層3類（表3）。

表2 區(qū)域性蓋層及底板的宏觀封閉能力評價標準表

表3 頂?shù)装宸馍w性能分類表

按表3中的分類，如果直接頂?shù)装鍘r性為泥巖則是良好的屏障層，利于煤層氣的保存。以沁水盆地北部山西組3號煤層為例，該煤層頂板為厚層泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，局部為中粗粒砂巖，厚度介于5～25 m，泥巖在橫向上連續(xù)性較好。泥巖中黏土礦物高嶺石含量高于太原組底板，含有少量伊利石和伊蒙混層礦物。實測的泥巖中值孔徑為220 ?（1 ?=10-10m，下同），總孔容為0.276 cm3/g，排驅(qū)壓力為24.7 MPa，基巖滲透率為8.97×10-4mD，封蓋能力強。3號煤層底板為厚層的砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，厚度介于2～15 m，黏土礦物幾乎全部為高嶺石。砂質(zhì)泥巖實測中值孔徑為524 ?，總孔容為0.009 3 cm3/g，排驅(qū)壓力為11.0 MPa，封蓋性強[24]。

如果直接頂?shù)装鍘r性為砂巖，在良好區(qū)域性蓋層良好發(fā)育的基礎上，該砂巖層可成為良好的煤系氣儲層，在合適的圈閉條件下，則易形成煤系氣藏。在沁水盆地南部鄭莊區(qū)塊，太原組、山西組和下石盒子組均發(fā)育數(shù)層區(qū)域性分布的泥質(zhì)巖石，具有“內(nèi)幕”的區(qū)域性封蓋特征。根據(jù)儲蓋組合特征，可將該區(qū)的煤系氣藏可分為獨立砂巖氣藏及煤—砂巖互層型氣藏等2種類型[25]?？碧綄嵺`表明，鄭莊區(qū)塊石炭—二疊系的砂巖以次生孔隙、粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔及微裂縫為主，孔隙度峰值介于2%～3%，滲透率峰值介于0.01～0.1 mD，屬于致密砂巖氣藏，如圖2所示，鄭試31井的3號煤層直接頂板為砂巖，砂巖氣測顯示為含氣層，分析含氣量為8.7 m3/t[26]。

圖2 鄭試31井測井響應特征圖

2.3 后期構造改造

無論是煤層氣還是煤系氣，都存在成藏的關鍵時期，成藏關鍵時期后的構造改造強度則是影響氣藏是否富集的關鍵。

煤層氣成藏（尤其是煤層經(jīng)歷生氣高峰）以后，多數(shù)聚煤盆地會經(jīng)歷回返抬升和后期演化，從而控制現(xiàn)今煤層氣藏的富集程度[27]。以沁水盆地的煤層氣藏為例，該盆地屬于構造活動較弱的克拉通內(nèi)斷陷盆地[28-29]，其構造改造強度介于其西側的鄂爾多斯盆地與其東側太行山以東后期構造運動強烈改造的華北東部斷塊含煤區(qū)之間，燕山期—喜馬拉雅期中期煤層抬升至逸散帶時間介于距今0～27 Ma，抬升回返時間晚且短，有利于煤層氣的保存[30]。

煤系氣成藏受后期構造改造，發(fā)生一定的抬升、剝蝕，使得儲、蓋層組合及成藏過程實現(xiàn)最佳配置組合，以蘇里格氣田為例，該氣田成藏關鍵時期為晚侏羅紀—早白堊紀[31]，在白堊紀末期，鄂爾多斯盆地發(fā)生大規(guī)模抬升和剝蝕，地層壓力下降，導致煤系天然氣發(fā)生解吸膨脹、運移至成藏[32]，實現(xiàn)了成藏耦合與源儲共生的緊密結合[33]。

另外，改造后期的斷層發(fā)育對煤層氣的富集具有一定的控制作用，距離斷層越近，煤層含氣量越低。蜀南地區(qū)沐愛區(qū)塊地震解釋表明，白色區(qū)域為斷層發(fā)育區(qū)，煤層含氣量普遍較低，紅色區(qū)域遠離斷層，煤層含氣量普遍較高。結合含氣量測試結果分析，距離斷層發(fā)育1個井距附近，煤層含氣量低，多小于8.7 m3/t，區(qū)塊內(nèi)的小斷層對含氣量的影響范圍較?。▓D3）。

2.4 地層傾角

地層傾角越小，說明構造改造程度越低，流體壓力差別不顯著、地層能量相對穩(wěn)定，即處于均勢狀態(tài)，能夠氣藏側向穩(wěn)定越利于煤層（系）氣藏的資源規(guī)模發(fā)育。如果地層傾角較大，一般不利于煤層（系）氣藏的形成，即使形成氣藏，其資源規(guī)模也較小，不易形成大氣藏。國內(nèi)外勘探開發(fā)實踐表明，資源規(guī)模大的煤層（系）氣藏地層傾角大多小于5°，地層傾角大，區(qū)域性封蓋條件好的地區(qū)，盡管含氣量較高，但整體規(guī)模較小。以準噶爾盆地南緣阜康水磨溝—四工河區(qū)塊為例，該區(qū)塊為一個不對稱向斜，兩翼地層傾角大，南翼傾角60°～74°，北翼傾角40°～60°。南翼除43號煤層，其余煤層直接與地表連通，煤層中裂隙發(fā)育，形成對外開放體系，靠近地

表煤層露頭部位的氣體向外逸散，形成甲烷風化帶，煤層氣資源量僅有120×108m3[34]。

圖3 基于地震解釋的蜀南地區(qū)沐愛區(qū)塊斷層分布及煤層氣井含氣量數(shù)據(jù)圖

3 封閉體系要素組合類型及模式

通過對區(qū)域性蓋層的穩(wěn)定性、直接蓋層頂?shù)装鍘r性的組合關系、后期構造運動的改造強度及地層傾角等封閉體系要素進行組合分析，認為以下3種組合類型可形成3種富集模式：“三明治”式煤層氣藏、煤層氣—砂巖氣共生氣藏及煤成砂巖氣藏（表4）。

3.1 “三明治”式煤層氣藏富集模式

區(qū)域性泥巖蓋層及泥巖底板發(fā)育穩(wěn)定、連續(xù)，直接頂、底板巖性致密，突破壓力高，后期構造抬升—回返幅度小。煤層既是儲層又是烴源巖層，從結構上看，煤層位于致密巖性之間的“夾層”，儲蓋組合呈現(xiàn)出“三明治”式結構，上、下封蓋層均為區(qū)域性泥巖，形成了良好的封閉體系，利于氣藏大面積分布，呈廣覆式分布的特征（圖4-a）。

3.2 煤層氣—砂巖氣共生氣藏富集模式

區(qū)域性泥巖蓋層及泥巖底板發(fā)育穩(wěn)定、連續(xù)，直接頂、底板巖性為砂巖，煤層是烴源巖層，煤層和砂巖層是共生儲層，兼有“自生自儲”及“內(nèi)生外儲”的特點[35]。構造抬升、剝蝕引起壓力降低，煤層及直接頂、底板砂巖層產(chǎn)生一定的裂隙，為煤層吸附氣解吸、擴散及運移至砂巖層提供了儲集空間，上、下封蓋層均為區(qū)域性泥巖，形成了良好的封閉體系。具有煤層吸附氣連續(xù)分布、砂巖游離氣藏局部發(fā)育的特點（圖4-b）。

3.3 煤成砂巖氣藏富集模式

煤系地層區(qū)域性泥巖蓋層及泥巖底板發(fā)育穩(wěn)定、連續(xù)，但是煤層薄，資源規(guī)模小，不具備煤層氣經(jīng)濟開發(fā)價值。構造抬升剝蝕產(chǎn)生構造裂隙和小規(guī)模的開放性斷層形成良好的運移通道，又使得煤層產(chǎn)生的氣體運移、聚集在煤層附近上下的砂巖，砂巖含氣性好，物性好，在以泥巖為圍巖的巖性圈閉條件下形成砂巖氣藏（圖4-c）。

4 我國煤層（系）氣勘探新思路

目前我國煤層氣商業(yè)開發(fā)主要集中在煤層埋深1 000 m以淺的有利區(qū)，多為“三明治”式煤層氣藏富集模式，而我國煤層埋藏1 000 m以深煤層氣資源量巨大，特別是鄂爾多斯盆地東部和準噶爾盆地，最新的評價結果顯示，鄂爾多斯盆地東部煤層埋深介于1 200～2 000 m的煤層氣資源量為2.749×1012m3，2 000 m以深煤層氣資源量為7.97×1012m3。準噶爾盆地彩南地區(qū)埋深3 000 m以淺煤層氣資源量為1.658 7×1012m3，砂巖氣資源量為4 580×108m3[36]。要實現(xiàn)深部煤層氣規(guī)模效益開發(fā)，需要轉變思路，將煤系地層看作一個整體，開展封閉體系的評價，根

據(jù)封閉條件要素組合類型及模式（表4），優(yōu)選煤系氣共生成藏的有利目標區(qū)。

表4 封閉體系要素組合類型及模式表

圖4 煤層（系）氣藏富集模式圖

鄂爾多斯盆地東部下石盒子組7段區(qū)域泥巖蓋層廣泛發(fā)育，構成區(qū)域頂板，本溪組泥巖廣泛發(fā)育構成區(qū)域底板，后期構造回返幅度小，斷層不發(fā)育、地層平緩（一般小于5o），形成良好的封閉體系。石炭系—二疊系發(fā)育2套主力煤層和多套主力砂巖，煤系氣富集，形成煤層氣—砂巖氣共生氣藏富集模式，神木、臨縣—興縣、石樓西、大寧—吉縣等地區(qū)在二疊系深部（1 200～3 000 m）盒8段、山2段、太原組等煤系地層勘探陸續(xù)獲得突破。

準噶爾盆地目前是西北地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)熱點地區(qū)，目前煤層氣開發(fā)集中在盆地東南緣，而盆地腹部彩南地區(qū)煤系氣勘探也獲得較好的效果，該區(qū)西山窯組煤層頂?shù)装迥鄮r發(fā)育，煤層厚度介于5～20 m，屬于“三明治”式煤層氣藏富集模式；八道灣組上段煤層與砂巖互層發(fā)育，煤層厚度介于2～16 m，砂巖厚度介于10～50 m，侏羅系煤系上部三工河組湖相泥巖區(qū)域發(fā)育，厚度超過30 m，下部八道灣組底部湖相泥巖發(fā)育，厚度大于20 m，二者對煤系氣形成了良好的封堵，形成煤層氣—砂巖氣共生氣藏（圖5）。該區(qū)斷層不發(fā)育且規(guī)模較小，后期構造穩(wěn)定，地層傾角小于5o，多口井獲得高產(chǎn)氣流。淺部尋找“三明治”式煤層氣富集目標以及深部尋找“三明治”

式煤層氣和煤層氣—砂巖氣共生氣藏富集目標是準噶爾盆地主要勘探方向。

圖5 準噶爾盆地彩南地區(qū)八道灣組三一段成藏組合圖

5 結論

1）封閉體系控制煤層（系）氣富集成藏全過程，封閉條件好，煤層含氣量高，煤系砂巖天然氣富集；反之，封閉條件差，煤層含氣量低，煤系砂巖含氣性差。

2）封閉體系分為上封隔層和下封隔層，上封隔層要素包括區(qū)域性蓋層、直接頂板巖性、后期構造運動的改造強度及地層傾角等；下封隔層要素包括區(qū)域性底板、直接底板巖性等。煤系地層具備展布穩(wěn)定的區(qū)域蓋層、區(qū)域底板，成藏期后構造抬升—回返幅度小，斷層封閉性好且規(guī)模小、地層平緩的地區(qū)具備煤層（系）氣富集條件。

3）根據(jù)封閉體系要素組合類型及成藏特點，可劃分出3種煤層（系）氣富集模式：“三明治”式煤層氣藏、煤層氣—砂巖氣共生氣藏及煤成砂巖氣藏.

4）指出鄂爾多斯盆地東緣、準噶爾盆地淺部尋找“三明治”式煤層氣富集目標以及深部尋找“三明治”式煤層氣和煤層氣—砂巖氣共生氣藏富集目標是準噶爾盆地主要勘探方向。

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（修改回稿日期 2016-07-08 編 輯 羅冬梅）

CBM sealing system and its relationship with CBM enrichment

Ouyang Yonglin1, Sun Bin1, Wang Bo1, Tian Wenguang1, Zhao Yang1, Cao Haixiao2
(1. Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Langfang, Hebei 065007, China; 2. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum , Qingdao, Shandong 266580, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.19-27, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

It is of great significance to study the controlling effect of sealing systems on CBM enrichment in coalbed methane (CBM) exploration and development. In this paper, the relationships between CBM enrichment and geological elements were analyzed. The geological elements include sealing layers (e.g. regional cap rock, regional floor, and immediate roof and floor), later structural adjustment and strata production status. It is shown that CBM tends to enrich in the areas where regional mudstone cap rocks and floors are distributed stably, structures are uplifted and inversed slightly after the hydrocarbon accumulation period and the strata is gentle in a balanced state. Then, the concept of sealing system was put forward based on the worldwide CBM exploration and development practices over the years. A sealing system refers to a geological unit composed of a lateral stable zone and cap rock which prevents gas from migrating upward and downward. In a sealing system, CBM can get enriched and coal-measure gas can also be accumulated. Finally, three gas reservoir types (i.e., sandwich-type CBM reservoir, associated CBM-sandstone gas reservoir and coal-derived sandstone gas reservoir) were identified based on the configuration relationships between elements of the CBM (or coal-measure gas) sealing system. It is recommended to change the exploration ideas from simple CBM exploration to 3D CBM and coal-measure gas exploration. In addition, an evaluation index system of CBM (or coal-measure gas) geological selection was established. It is pointed out that good application effects may be realized if the stereoscopic CBM and coal-measure gas exploration is applied in the Junggar Basin and the eastern margin of the Ordos Basin.

Coalbed methane (CBM); Coal-measure gas (CMG); Enrichment; Sealing system; Sealing layer; Regional cap rocks; Roof and floor; Fault; Gentle formation; Stereoscopic exploration

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.003

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（編號：2016ZX05041-002、2016ZX05041-005）。

歐陽永林，1958年生，教授級高級工程師，碩士；現(xiàn)任中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院副院長，主要從事油氣地球物理和煤層氣勘探等方面的研究工作。地址：（065007）河北省廊坊市萬莊44號信箱。ORCID: 0000-0001-9240-4966。E-mail: ylinoy@ petrochina.com.cn

孫斌，1969 年生，高級工程師，博士；主要從事煤層氣勘探部署等方面的研究工作。地址：（065007）河北省廊坊市萬莊44號信箱。E-mail: s-bin@petrochina.com.cn