新疆低煤階煤層氣的特殊地質(zhì)條件及研究方向

王 剛 楊曙光 張 娜 舒 坤

(1.新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開發(fā)中心,新疆 830091;2.中國石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆 839009)

新疆低煤階煤層氣的特殊地質(zhì)條件及研究方向

王 剛1楊曙光1張 娜1舒 坤2

(1.新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開發(fā)中心,新疆 830091;2.中國石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆 839009)

國外煤層氣總產(chǎn)量中占比超過40%的低煤階煤層氣產(chǎn)業(yè)，在中國仍處于科研攻關(guān)、試驗性開發(fā)階段。新疆地區(qū)的五大沉積盆地(群)是中國低階煤的主要賦存區(qū)域，煤層氣資源豐富，勘探程度較低。新疆地區(qū)特殊的盆地構(gòu)造特征及演化歷史、煤系地層沉積特征及氣候環(huán)境等因素，造成低煤階煤層氣的成藏地質(zhì)規(guī)律不同于國內(nèi)外任何一個煤層氣盆地，需要通過理論創(chuàng)新及實踐來建立本區(qū)域的煤層氣成藏地質(zhì)理論體系，并建立相應(yīng)的煤層氣開發(fā)工程技術(shù)體系。隨著成藏地質(zhì)理論及工程技術(shù)的逐漸成熟，新疆地區(qū)的低煤階煤層氣產(chǎn)業(yè)將大有作為。

新疆地區(qū) 低煤階煤層氣 特殊地質(zhì)條件 成藏地質(zhì)規(guī)律

2011年，國外煤層氣產(chǎn)量約為750×108m3，其中低煤階(鏡質(zhì)體反射率小于0.65%)煤層氣占比超過40%。中國煤層氣資源總量為36.81×1012m3，其中低煤階煤層氣資源量為16×1012m3，約占總量的43%。新疆地區(qū)9.51×1012m3的煤層氣資源，絕大部分屬于低煤階。

自2008年，新疆實現(xiàn)第一口獲得工業(yè)氣流的煤層氣井，到2012年，第一個煤層氣試驗井組建成，再到2014年，阜康地區(qū)進行煤層氣小規(guī)模開發(fā)。處于起步階段的新疆煤層氣產(chǎn)業(yè)，既有單井產(chǎn)量1.72×104m3/d的高產(chǎn)希望，也面臨著氣井穩(wěn)產(chǎn)難度大的困擾。

1 新疆低煤階煤層氣的特殊地質(zhì)條件

新疆有準噶爾盆地、塔里木盆地、吐哈盆、巴里坤-三塘盆地及天山系列盆地五大盆地(群)，煤炭及煤層氣資源豐富，含煤地層主要為中下侏羅統(tǒng)，煤層變質(zhì)程度普遍較低(Ro≤0.7%)，以長焰煤、不粘煤和氣煤為主。煤層氣儲層普遍具有“層數(shù)多、煤層厚、高傾角、低壓、低滲、低飽和”的特點。

1.1 煤層層數(shù)多、總厚度大

以煤層氣賦存條件較好的準噶爾盆地南緣為例，西山窯組含煤4～56層、厚度10～189m及八道灣組含煤2～33層、厚度2～70m，遠高于沁水盆地、鄂爾多斯盆地的太原組含煤3～10層、厚度1～18m及山西組含煤1～6層、厚度2～8m，與澳大利亞蘇拉特盆地(20～30m)、美國粉河盆地(30～118m)較為接近。

1.2 構(gòu)造復(fù)雜、煤層傾角大

煤層氣賦存條件較好的準南煤田、庫拜煤田等，一般位于天山兩側(cè)盆地邊緣的山前推覆構(gòu)造帶，褶皺及斷裂構(gòu)造復(fù)雜，煤層的構(gòu)造傾角較大，多為45°～80°，局部甚至直立，遠高于沁水盆地10°～20°的煤層傾角(圖1)；煤層構(gòu)造簡單，地層平緩地區(qū)多遠離天山山脈，例如準東煤田、三塘湖-淖毛湖煤田、沙爾湖煤田等。

圖1 沁水盆地與準噶爾盆地南緣煤層特征對比圖

1.3 煤儲層普遍欠壓

由于新疆屬于溫帶大陸性干旱氣候，降水量少、蒸發(fā)量大、地下水補給有限及侏羅系地層致密等因素，導(dǎo)致大部分煤田的潛水位低、富水性差，儲層壓力普遍呈欠壓狀態(tài)。

1.4 風(fēng)化帶深度大、含氣飽和度低

氣候干燥導(dǎo)致新疆成為世界上煤層自燃最嚴重的地區(qū)，火燒區(qū)深度大，加之煤層傾角大，煤層氣易逸散，導(dǎo)致煤層氣風(fēng)化帶深度普遍超過400m，準噶爾盆地東緣及吐哈盆地甚至達到500～700m；白堊紀時期，地層抬升使侏羅系煤層的深成熱變質(zhì)作用終止，壓力降低使煤層脫氣，煤層吸附氣由飽和變?yōu)椴伙柡?，含氣飽和度低?/p>

1.5 低階煤層滲透率較低

根據(jù)目前有限的煤層氣勘探資料，新疆地區(qū)的低階煤層，由于割理裂隙發(fā)育差，滲透率較低(多小于1mD)；而主要分布于構(gòu)造強烈的山間谷地或背向斜的中、高階煤層，構(gòu)造裂隙較發(fā)育，滲透率較高(1.45～13.51mD)。

1.6 煤層含氣量及資源豐度差異大

準噶爾盆地南緣的煤層含氣量為3～12m3/t，略高于同屬低煤階的美國尤因塔盆地(5～9m3/t)、粉河盆地(0.78～3.1m3/t)及澳大利亞蘇拉特盆地(3～8m3/t)；而吐哈盆地、準噶爾盆地東緣等地區(qū)的煤層含氣量多小于2m3/t。

準南阜康礦區(qū)、烏魯木齊礦區(qū)單個主力煤層的煤層氣資源豐度達到2.3～2.7×108m3/km2，高于沁水盆地南部(2.0×108m3/km2)、鄂爾多斯盆地韓城礦區(qū)(1.9×108m3/km2)；而新疆其他地區(qū)的煤層氣資源豐度多小于1×108m3/km2。

2 新疆低煤階煤層氣的研究方向

以煤層氣、頁巖氣為代表的非常規(guī)天然氣，其研究重點主要分為兩大類：地質(zhì)理論與工程技術(shù)。根本目標(biāo)是：尋找成藏“甜點”，用先進的鉆井、壓裂工藝將資源高效開發(fā)出來。

2.1 低煤階煤層氣的成因及賦存狀態(tài)

煤層氣的成因機理是成藏地質(zhì)研究的基礎(chǔ)。目前多數(shù)學(xué)者認為，國內(nèi)外的低煤階煤層氣以次生生物成因為主，氣候環(huán)境與生物成因煤層氣關(guān)系密切。氣候濕潤的北美地區(qū)生物型煤層氣主要產(chǎn)自100～300m的煤層，但生物成因的下限深度尚無定論，仍未確定新疆地區(qū)中深層的低煤階煤層氣是否為生物成因。準噶爾盆地南緣的低階煤層氣屬于特殊的“低溫低礦化度的中深層生物成因”還是“深部熱成因-運移至中淺部成藏”仍待研究。

一般來說，低煤階煤層氣中游離氣所占比例較高，使用常規(guī)實驗手段難以準確評價新疆地區(qū)低煤階煤層的含氣量。研究低煤階煤層氣的賦存狀態(tài)，有利于科學(xué)的評價煤層氣儲量。

2.2 低煤階煤層氣成藏地質(zhì)規(guī)律

新疆地區(qū)與沁水盆地在煤階、煤層氣賦存狀態(tài)、盆地構(gòu)造演化及氣候等方面差異極大，沁水盆地長期的煤層氣勘探實踐形成的“向斜控氣”理論，是否適用于新疆地區(qū)值得探討。

加拿大阿爾伯塔盆地馬蹄谷組的低階煤層，富水性弱，煤層氣在巖性及地層圈閉聚集成藏，屬于一種隱蔽圈閉天然氣藏與煤層氣藏疊加的特殊類型。美國粉河盆地的生物型煤層氣藏，其形成與甲烷菌生存環(huán)境、地下水徑流方向及微構(gòu)造特征密切相關(guān)，在平緩單斜背景下的鼻狀微構(gòu)造圈閉形成邊水煤層氣藏。鄂爾多斯盆地彬長區(qū)塊的中-低階煤層氣開發(fā)試驗中，背斜部位的氣井，產(chǎn)水量少、產(chǎn)氣量高，與向斜核部的井形成明顯反差。

吐哈盆地的煤層水文特征與加拿大阿爾伯塔盆地相似，有可能形成“干煤層氣藏”；而天山南北兩側(cè)的山前部位，由于融雪水補給，生物型煤層氣生成條件較好，加之山前褶皺帶的背斜、逆沖斷層發(fā)育，極有可能形成構(gòu)造圈閉型煤層氣藏。

2.3 煤系氣的綜合勘探開發(fā)

近年來，國內(nèi)中東部地區(qū)的煤層氣開發(fā)經(jīng)濟效益有限，因此相關(guān)企業(yè)不斷拓寬煤層氣的概念，著眼于煤系地層中“煤系氣”(煤層氣、致密砂巖氣、頁巖氣)的綜合勘探開發(fā)。

新疆地區(qū)侏羅系煤系地層的沉積環(huán)境為河流-沼澤-濱湖相，煤層、炭質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖等巖性互層分布，煤系地層生氣潛力大，山前部位的褶皺-逆沖斷層帶具有大量的構(gòu)造圈閉，生、儲、蓋相互組合，能夠形成“自生自儲、近生近儲”的非常規(guī)氣藏群。在庫拜煤田、準南煤田的煤層氣勘探中，氣測錄井顯示煤系地層的部分砂巖層段有氣測異常，表明煤系氣具有極好的勘探潛力。在煤層氣開發(fā)中兼顧致密砂巖氣，能夠大幅提高煤層氣井的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。

2.4 中深層煤層氣的勘探開發(fā)

新疆地區(qū)煤層氣風(fēng)化帶深度大，而目前煤層氣勘探的目的層位均在1200m以淺，開發(fā)成本問題導(dǎo)致新疆煤層氣勘探難以突破深度界線。由于相對遠離山前位置、構(gòu)造簡單，1200～2000m的中深煤層分布面積更大、煤層氣賦存條件更好。

油氣勘探中，位于準噶爾盆地東緣的彩17井、彩504井在埋深約2600m的西山窯組煤層段分別見9890m3/d、7300m3/d的氣流，顯示深部煤層氣具有一定開發(fā)潛力。根據(jù)循序漸進的原則，依次進行1200～1500m、1500～2000m的煤層氣選區(qū)評價、勘探、試驗性開發(fā)，逐步摸清中深層煤層氣的賦存規(guī)律及生產(chǎn)特征，有可能實現(xiàn)新疆煤層氣開發(fā)的新突破。

2.5 低煤階煤層氣開發(fā)工程技術(shù)體系

考慮新疆地區(qū)低煤階煤層氣儲層的物性、敏感性特征，在開發(fā)實踐中逐步建立適合本地區(qū)低煤階、高傾角、多煤層的煤層氣開發(fā)技術(shù)體系。

針對煤層層數(shù)多、厚度大、傾角大的特征，進行井型優(yōu)化及壓裂工藝方面的研究，進行L型井、U型井、多分支水平井等新井型、井組試驗；山前復(fù)雜的地貌形態(tài)，必須采用占地面積小的叢式井組；綜合井型、煤儲層物性、區(qū)域裂縫特征及地應(yīng)力場等資料進行壓裂工藝改進，試驗速鉆橋塞、連續(xù)油管壓裂等新技術(shù)，縮短施工周期，降低作業(yè)成本。

針對煤層滲透率低、敏感性強的特征，將鉆井、壓裂作業(yè)的儲層污染保持在最小限度。鉆井工藝方面，進行高地應(yīng)力山前地帶的欠平衡鉆井技術(shù)研究，兼顧儲層保護與井壁穩(wěn)定，可嘗試“三開”結(jié)構(gòu)，僅在目的煤層段進行充氣欠平衡鉆進；鉆井液、壓裂液與儲層配伍性方面，針對儲層敏感性，改進入井流體的形態(tài)、組分，嘗試空氣鉆井、N2泡沫壓裂等工藝。

2.6 低煤階煤層的生物強化采氣技術(shù)

1994年，Soctt最早提出利用本源菌強化煤層氣開采的設(shè)想。新疆地區(qū)煤炭資源以低煤級煤為主，適宜煤層氣開發(fā)的1500m以淺煤儲層溫度小于35°，且天山兩側(cè)山前區(qū)域的煤層水屬于礦化度低-中等(≤4000mg/L)、低硫酸鹽的NaHCO3-NaCl型水，適宜甲烷菌的生長。實驗表明，吐哈盆地大南湖煤田的長焰煤在甲烷菌分解下，前20天發(fā)酵期可快速產(chǎn)生6.96mL/g的甲烷，準南煤田四棵樹煤礦的煤樣經(jīng)60天發(fā)酵期可產(chǎn)生15mL/g的甲烷。未來通過基因改造等手段提高甲烷菌活性，輔助一定的工程方法，用于衰減期煤層氣田的二次開發(fā)試驗，利用生物技術(shù)實現(xiàn)煤炭的“地下氣化”，有望實現(xiàn)煤層氣開發(fā)的“二次革命”。

3 新疆低煤階煤層氣產(chǎn)業(yè)的前景展望

準噶爾盆地油氣資源豐富，勘探程度低(天然氣探明率僅8.7%)，尤其在準噶爾盆地南緣，煤層氣資源豐度高，并發(fā)現(xiàn)過淺層的侏羅系地層油氣藏，驗證了該區(qū)中淺部煤系地層的非常規(guī)油氣資源勘探潛力。準噶爾盆地南緣同時與天山北坡經(jīng)濟帶重疊，資源優(yōu)勢與需求中心接近，煤層氣開發(fā)前景廣闊。目前，準南地區(qū)已有2個煤層氣開發(fā)區(qū)塊、約100口煤層氣生產(chǎn)井，且新疆低煤階煤層氣資源賦存特征研究及開發(fā)技術(shù)試驗已納入國家科技重大專項(大型油氣田及煤層氣開發(fā)專項)“十三五”項目，因此，未來新疆的煤層氣勘探開發(fā)步伐還將進一步加快。

新疆煤層氣產(chǎn)業(yè)崛起的關(guān)鍵還是干旱盆地區(qū)與天山山前盆緣區(qū)的低煤階煤層氣成藏地質(zhì)規(guī)律研究，其次是適宜本地區(qū)地質(zhì)特征的鉆井及儲層改造技術(shù)的突破。隨著成藏地質(zhì)理論與工程技術(shù)體系的逐漸成熟，新疆低煤階煤層氣有望比肩沁水盆地高煤階煤層氣、鄂爾多斯盆地東緣中煤階煤層氣，成為中國煤層氣領(lǐng)域的三大科研、勘探開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化基地之一。

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(責(zé)任編輯 桑逢云)

Geological Condition and Research Direction of Low-Rank Coalbed Methane in Xinjiang

WANG Gang1, YANG Shuguang1, ZHANG Na1, SHU Kun2

(1.CBM R&D Center on Xinjiang Coal Geological Bureau, Xinjiang 830091；2. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Turpan-Hami Oilfield, Xinjiang 839009)

The low-rank coal bed methane production accounts for over 40% of total methane production abroad, but the exploration and development of domestic low-rank coalbed methane have just started. There are five sedimentary basins in Xinjiang region, where there is abundant low-rank coal and coalbed methane resource have not been well prospected. The coalbed methane accumulation patterns of Xinjiang region is completely different from any other places domestic and abroad, because there is different climate, geologic structure and sedimentary characteristic, etc in Xinjiang. So, it is necessary to build the coalbed methane accumulation theory and engineering technique system that is suitable for Xinjiang region. The low-rank coalbed methane industry of Xinjiang region will be a great success as the technology and theory keep developing.

Xinjiang region; low-rank coalbed methane; special geological condition; accumulation pattern

王剛，男，工程師，主要從事煤層氣勘探及開發(fā)工作，現(xiàn)工作于新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開發(fā)中心。