中國(guó)煤系氣共生成藏作用研究進(jìn)展

秦 勇

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

早在20世紀(jì)80年代，我國(guó)老一輩天然氣地質(zhì)學(xué)家就提出了煤系氣這一專業(yè)術(shù)語(yǔ)，十分有遠(yuǎn)見地指出煤系氣在我國(guó)未來(lái)天然氣資源中的重要作用和戰(zhàn)略地位[1-3]。嚴(yán)格來(lái)說，煤系氣（coal measure gas）泛指煤系中賦存的各類天然氣，僅是一個(gè)基于儲(chǔ)層成因類型或地質(zhì)載體作出的礦產(chǎn)資源定義。煤系氣以煤系內(nèi)生內(nèi)儲(chǔ)腐殖型氣為主，源儲(chǔ)同層或源儲(chǔ)異層，可概括為內(nèi)生自儲(chǔ)、內(nèi)生它儲(chǔ)兩大基本類型，包括煤層氣及煤系砂巖氣、頁(yè)巖氣等。有關(guān)專家和機(jī)構(gòu)初步預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，我國(guó)部分盆地或地區(qū)煤系氣中煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量平均占比分別為36.61%、23.53%和39.86%[4-5]。煤系氣共生是煤系各類天然氣復(fù)合成藏的地質(zhì)基礎(chǔ)，煤系氣勘探開發(fā)擴(kuò)展了原來(lái)只考慮煤層氣的視野，不僅有助于提高單純煤層氣井的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，而且為高效開發(fā)煤系天然氣資源提供了一條新的技術(shù)途徑[6]。煤系氣共生共探與共采受到我國(guó)天然氣界高度關(guān)注[7-8]，近年來(lái)國(guó)家立項(xiàng)開展專項(xiàng)研究，相關(guān)企業(yè)投入巨資從事勘探與開發(fā)試驗(yàn)，成效顯著。筆者分析評(píng)述了我國(guó)近年來(lái)的相關(guān)研究成果，力圖展示我國(guó)煤系氣成藏作用研究的最新進(jìn)展，并為煤系氣共探共采技術(shù)研發(fā)提供新的地質(zhì)依據(jù)。

1 煤系氣地質(zhì)條件的特殊性

煤系是形成于一定構(gòu)造時(shí)期，含有煤層或煤線并具有成因聯(lián)系的一套沉積巖系，主要形成于海陸交互相或陸相環(huán)境，賦存在不同構(gòu)造性質(zhì)的殘留盆地[6]。煤系氣在強(qiáng)調(diào)不同儲(chǔ)層類型成因關(guān)聯(lián)性的同時(shí)，極為重視不同類型儲(chǔ)層和氣藏的差異性。這種差異性正是起源于煤系氣地質(zhì)條件的特殊性，研究者對(duì)此予以了高度關(guān)注，認(rèn)識(shí)可概括為3個(gè)方面。

1.1 煤系氣賦存態(tài)和儲(chǔ)層巖石類型具有多樣性

煤系是吸附氣、游離氣或煤層氣、頁(yè)巖氣、砂巖氣能夠共生成藏的唯一沉積層系。煤系氣既有以吸附態(tài)為主的煤層氣，又有以游離態(tài)為主的致密砂巖氣和碳酸鹽巖氣，還有混合態(tài)賦存的頁(yè)巖氣。特殊條件下，煤系氣可與水分子相結(jié)合，形成籠形晶體包絡(luò)的水合物[9]。在煤系中，從無(wú)機(jī)儲(chǔ)層（如砂巖、石灰?guī)r等）、混合儲(chǔ)層（泥頁(yè)巖）到有機(jī)儲(chǔ)層（煤層和油頁(yè)巖），有機(jī)質(zhì)豐度逐漸增高，形成一個(gè)不存在自然界限的儲(chǔ)層巖性序列，這是煤系氣賦存態(tài)多樣性的根本原因。賦存態(tài)不同，產(chǎn)出機(jī)理和開發(fā)方式有別，煤系氣共探共采技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)和技術(shù)難題。

煤系烴源巖類型多，如煤層、碳質(zhì)泥巖、暗色泥巖、油頁(yè)巖等，累計(jì)厚度比例大，生氣強(qiáng)度高，氣源充足，導(dǎo)致煤系氣資源豐度高[10-12]。2017年，我國(guó)煤層氣直井開發(fā)試驗(yàn)獲得新的突破，以煤層、碳質(zhì)泥巖、致密砂巖為目標(biāo)層的黔西楊煤參1井日產(chǎn)氣量最高達(dá)4 656 m3，連續(xù)50 d穩(wěn)產(chǎn)在3 600 m3/d以上，創(chuàng)下了西南地區(qū)直井日產(chǎn)氣量最高紀(jì)錄；該井所在的楊梅樹向斜煤系氣地質(zhì)資源豐度4.79×108m3/km2，比單純的煤層氣資源豐度提高了6倍[13]。

模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與海相烴源巖相比，煤巖的排氣效率很高，在有機(jī)質(zhì)成熟度（鏡質(zhì)組最大反射率）1.0%時(shí)可達(dá)75%，在5.5%時(shí)高達(dá)90%，表明煤中生成的天然氣絕大部分運(yùn)移并充注入其他儲(chǔ)層，成為煤系氣和相鄰非煤系氣藏的主要?dú)庠碵14]。值得關(guān)注的是，煤系砂巖往往含有一定數(shù)量的有機(jī)質(zhì)，呈煤屑、煤線、煤包體等形式產(chǎn)出，暗示煤系砂巖具有一定生氣能力及吸附能力，可能導(dǎo)致煤系砂巖氣成藏效應(yīng)乃至生產(chǎn)特點(diǎn)與常規(guī)砂巖氣之間存在差異[15-16]。

1.2 煤系沉積序列明顯的旋回性

煤系形成于陸相和海陸交互相沉積環(huán)境，巖性和厚度對(duì)地質(zhì)控制因素的響應(yīng)極為敏感，造成巖層一般相對(duì)較薄，巖性多樣，砂巖、泥巖、煤層等互層頻繁，旋回性極強(qiáng)[17-18]。這一旋回性特點(diǎn)，一方面是造成煤系氣儲(chǔ)層巖石類型多樣性的根本原因，進(jìn)而導(dǎo)致賦存態(tài)的多樣性；另一方面，在垂向上構(gòu)成多套受層序格架控制、厚度一般不大且結(jié)構(gòu)多變的生儲(chǔ)蓋組合及多重內(nèi)幕封蓋[19]，造成煤系內(nèi)部氣水分布關(guān)系復(fù)雜多變[20]，垂向上往往發(fā)育多套流體壓力系統(tǒng)[21-25]。

煤系中不同的流體壓力系統(tǒng)緊鄰或間距較小，系統(tǒng)之間的能量動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系脆弱，易于受到開采擾動(dòng)而發(fā)生系統(tǒng)間干擾[8,26-28]。多變的生儲(chǔ)蓋組合關(guān)系，使得同一巖層（如煤層或泥頁(yè)巖層）兼具源巖、儲(chǔ)層和蓋層的功能，導(dǎo)致同一組合中天然氣既有自生自儲(chǔ)性質(zhì)，又有它生它儲(chǔ)特征，是煤系氣藏類型多樣性的沉積控因[29-31]；煤巖、砂巖垂向組合，決定了煤系致密砂巖氣藏的運(yùn)聚模式，發(fā)育“源儲(chǔ)接觸”的原地匹配型氣藏和受儲(chǔ)層和運(yùn)移通道雙重控制的異地匹配型氣藏[32]。煤系內(nèi)部?jī)?chǔ)層的巖性變化大，不同巖性儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)差異顯著，需要?jiǎng)?chuàng)新開發(fā)技術(shù)對(duì)各類儲(chǔ)層進(jìn)行統(tǒng)一且有效的改造[33]。

澳大利亞蘇拉特盆地是近年來(lái)世界上煤系氣開發(fā)最為成功的盆地[34]，單井平均產(chǎn)氣量2.83×104～5.66×104m3/d，最高可達(dá) 56×104m3/d[35]，其煤系沉積旋回特點(diǎn)值得高度關(guān)注。盆地煤系為中侏羅統(tǒng)Wallon亞群，由一系列向上變細(xì)的河流沉積旋回所構(gòu)成[36]；地層厚度一般介于305～365 m，含煤多達(dá)100余層，平均40層左右，單層厚度小于1.0 m的煤層比例占70%以上[18]。分析認(rèn)為：薄而多的煤層與砂巖、碳質(zhì)泥巖和泥巖頻繁互層，使得含煤層段滲透率高，介于5～5 000 mD，采用貫穿整套煤系的直井加裸眼完井技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)煤系氣高效合采[37]；煤層厚度比例與砂巖厚度比例之間相互消長(zhǎng)[18]，意味著在薄煤層為主的條件下互層更為頻繁，煤系氣保存條件趨好[38]；煤層與砂巖、泥巖的頻繁薄互層，有利于煤層脫水和煤層氣解吸產(chǎn)出[34]。

1.3 煤系砂巖儲(chǔ)集體在廣覆式泥質(zhì)巖中鑲嵌狀展布

煤系主要形成于沖積扇、河流—湖泊、三角洲、潟湖—潮坪等沉積體系，相變較大[39]。一般而言，高位體系域形成以淺海相碳酸鹽巖、潟湖—潮坪相和湖相泥巖為主的弱水動(dòng)力沉積，分布廣泛而連續(xù)；低位體系域有利于強(qiáng)水動(dòng)力沉積（沖積扇、河流、三角洲相砂巖等）的發(fā)育，砂體在古水流方向上有較好的側(cè)向連續(xù)性，但在垂直乃至斜交古水流方向上的連續(xù)性極差，剖面上多呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出；兩個(gè)體系域相互轉(zhuǎn)化的階段多有利于弱水動(dòng)力的泥炭沼澤大面積發(fā)育[40]，形成大范圍可對(duì)比的主煤層。

煤系沉積體的上述幾何形態(tài)特征，表現(xiàn)為“泥包砂，泥包煤，泥巖層煤層廣布，單個(gè)砂體鑲嵌在煤系中與泥巖、煤層以沉積相變形式產(chǎn)出”的三維空間展布格局。煤系烴源巖與天然氣儲(chǔ)層疊置發(fā)育，相鄰接觸，近源聚集，源儲(chǔ)互層且往往同層，具備成藏要素配置的優(yōu)勢(shì)[41]。進(jìn)一步來(lái)說，煤系中烴源巖和煤儲(chǔ)層、頁(yè)巖儲(chǔ)層廣覆式展布，砂巖儲(chǔ)層分布相對(duì)局限，但圍巖對(duì)砂巖儲(chǔ)層的封蓋性極強(qiáng)，這是形成致密砂巖氣成藏特點(diǎn)的重要致因，如主要賦存在煤系[42]，基本特征是以煤系烴源巖為主[43]，多形成小尺度分割性強(qiáng)且氣藏?cái)?shù)量多的低豐度大氣區(qū)[44]，天然氣分布和富集受非均質(zhì)性連片砂體中物性好的區(qū)域控制[45]等，也是煤系氣以巖性氣藏為主的根本地質(zhì)原因。

總體上，煤系氣屬于一種廣覆式近源連續(xù)性成藏系統(tǒng)[46]，具有復(fù)合成藏性質(zhì)。從煤系氣共生共探共采視角審視，煤系多類型天然氣共生成藏特點(diǎn)，既與單純的煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣生儲(chǔ)蓋特點(diǎn)不同，更與常規(guī)天然氣存在較大差異。這種特殊的源儲(chǔ)配置關(guān)系乃至含氣系統(tǒng)模式，需要發(fā)展與之相適應(yīng)的煤系氣共探與共采技術(shù)。

2 煤系砂巖儲(chǔ)層致密化機(jī)理

無(wú)論地質(zhì)認(rèn)識(shí)還是勘探開發(fā)技術(shù)，未來(lái)10年里煤系致密砂巖氣比煤系頁(yè)巖氣更為現(xiàn)實(shí)，闡明砂巖儲(chǔ)層的沉積與成巖成因，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)有利儲(chǔ)集空間發(fā)育的地質(zhì)特征，是當(dāng)前煤系致密砂巖氣勘探與開發(fā)的瓶頸，也是實(shí)現(xiàn)煤系氣高效共采的地質(zhì)基礎(chǔ)，而砂巖儲(chǔ)層致密化機(jī)理是其核心問題[47]。砂巖儲(chǔ)層致密化過程是有機(jī)—無(wú)機(jī)、水—巖—烴復(fù)雜相互作用的綜合結(jié)果[48]。煤系砂巖致密化的特殊原因，在于沉積物富塑性組分、富有機(jī)質(zhì)和富有機(jī)酸，結(jié)果導(dǎo)致了煤系致密砂巖“先致密，后充注”的成藏過程。根據(jù)目前有限的研究結(jié)果及普遍可見的地質(zhì)現(xiàn)象，煤系砂巖往往含有一定數(shù)量碳質(zhì)物質(zhì)，有機(jī)碎屑存在和變化也可能對(duì)砂巖氣成藏效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。

沉積作用是儲(chǔ)層致密化的先天因素，控制了原始孔隙性特征[49-50]。致密砂巖儲(chǔ)層沉積控制具有某些共性特點(diǎn)，沉積速率相對(duì)較緩慢，水動(dòng)力條件弱而穩(wěn)定，以海陸交互相環(huán)境為主，多與三角洲沉積有關(guān)，具有明顯砂泥巖夾煤層的互層結(jié)構(gòu)[47]。就此而言，陸相和海陸交互相沉積環(huán)境鑄就了煤系砂巖孔滲性質(zhì)的先天不足。在這樣的沉積控制條件下，煤系砂巖的結(jié)構(gòu)成熟度可能較高，但成分成熟度一般較低，原生黏土填隙物及易成巖轉(zhuǎn)化的巖屑、長(zhǎng)石類等含量較高，不利于原生孔隙的保存。鄂爾多斯盆地東北緣上古生界煤系砂巖以巖屑石英砂巖和巖屑砂巖為主，巖屑含量為5%～50%，長(zhǎng)石含量為0～25%；黏土礦物是重要的膠結(jié)物之一，以伊利石、高嶺石和綠泥石為主，含量一般為5%～15%，最高可達(dá)35%[51]。塔里木盆地庫(kù)車坳陷東部下侏羅統(tǒng)煤系儲(chǔ)層主要為巖屑砂巖，部分為長(zhǎng)石巖屑砂巖，總體上砂巖儲(chǔ)層成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等；粒間黏土礦物含量約為7%，主要為高嶺石及伊利石；顆粒分選中—好，以次棱—次圓為主，接觸關(guān)系以點(diǎn)—線接觸及線接觸為主，部分地區(qū)層段為凹凸接觸[52]。

根據(jù)成巖影響程度，可將致密砂巖儲(chǔ)層分為壓實(shí)型、膠結(jié)型、其他成因3種類型[47]。機(jī)械壓實(shí)是早期成巖階段砂巖致密化最重要的因素，對(duì)整個(gè)成巖過程中砂巖孔隙度的衰減都有貢獻(xiàn)。砂巖致密化的有機(jī)成因，近年來(lái)受到研究者的高度關(guān)注。煤系烴源巖生烴過程產(chǎn)生的大量有機(jī)酸進(jìn)入鄰近砂巖，酸性成巖流體環(huán)境致使早期碳酸鹽礦物膠結(jié)不發(fā)育，主要形成石英顆粒次生加大硅質(zhì)沉淀，原生孔隙損失大，砂巖變得致密[50,53]。成巖作用后期，在較高的地層溫度壓力條件下，有機(jī)酸成巖環(huán)境導(dǎo)致明顯的硅質(zhì)膠結(jié)和高嶺石膠結(jié)；同時(shí)，地層流體pH值增高，形成晚期碳酸鹽膠結(jié)物，殘余孔隙進(jìn)一步損失，砂巖更加致密化[54]。煤系有機(jī)質(zhì)生氣過程中產(chǎn)生的CO2體積可達(dá)烴類氣的50%～70%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)今煤系氣CO2含量（0～5%），缺失的氣態(tài)CO2相當(dāng)一部分以固態(tài)碳酸鹽形式在儲(chǔ)層孔隙中沉淀下來(lái)，理想條件下1 m3的CO2完全轉(zhuǎn)化可形成0.32 m3的碳酸鹽膠結(jié)物；煤生成烴氣和CO2的動(dòng)力學(xué)過程不同步，在弱成巖階段和高過成熟階段存在兩期CO2集中生成期，與多期烴類氣規(guī)模生氣有所區(qū)別[48]。煤系烴源巖的生氣行為，多使得砂巖儲(chǔ)層在成巖早期嚴(yán)重致密化，導(dǎo)致致密砂巖氣具有“先致密，后成藏”的規(guī)律[12,44]。

煤系砂巖沉積場(chǎng)所緊鄰富有機(jī)質(zhì)沉積場(chǎng)所，先期形成的富有機(jī)質(zhì)沉積往往被河道同生或準(zhǔn)同生沖刷，形成的有機(jī)質(zhì)碎屑混入砂質(zhì)沉積中保存下來(lái)。由此，煤系砂巖的一個(gè)重要巖石學(xué)特點(diǎn)，就是往往含有較多的有機(jī)質(zhì)碎屑。例如，吐哈盆地、鄂爾多斯盆地煤系含氣致密砂巖含有大量煤屑或碳質(zhì)泥巖顆粒，多者可占視域面積的30%～40%，少者也在5%以上，一般介于10%～20%[15-16,55]。這些有機(jī)質(zhì)碎屑明顯影響到砂巖的物性：①有機(jī)質(zhì)碎屑提高了砂巖儲(chǔ)層的孔比表面積，由1 m3煤破碎為直徑1 mm有機(jī)碎屑，比表面積可增大到600倍[55]；②有機(jī)質(zhì)碎屑含量增高，砂巖孔隙度和滲透率明顯增大[16]。由此得到兩個(gè)方面的啟示：①煤系砂巖氣可能具有部分自生自儲(chǔ)的成藏特點(diǎn)，產(chǎn)氣方式及排采制度可能與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層存在一定差異；②有機(jī)質(zhì)碎屑在一定程度上改善了煤系致密砂巖儲(chǔ)層的物性，探測(cè)、改造方法及采氣方式需要與此相適應(yīng)。

3 煤系氣共生組合及成藏要素配置

梁宏斌認(rèn)為，煤系游離氣藏與煤層氣藏相互伴生，游離氣藏也和吸附氣藏一樣具有大面積“連續(xù)”分布特征，從而擴(kuò)展了煤系游離氣藏空間展布范圍[30]?；谶@一認(rèn)識(shí)，他率先提出了煤系氣共生組合的概念，根據(jù)煤層與煤系其他巖層之間關(guān)系，將煤系氣共存系統(tǒng)劃分為煤巖—頂板、煤巖—底板、煤巖圍限3種組合類型；認(rèn)為煤巖—頂板型系統(tǒng)中游離氣與吸附氣常伴生出現(xiàn)，兩者具有相近的溫壓條件，可視為存在于統(tǒng)一的吸附氣—游離氣共存系統(tǒng)；在系統(tǒng)內(nèi)部，煤層吸附氣—煤層游離氣—圍巖游離氣之間可發(fā)生動(dòng)態(tài)交換作用，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡體系，溫壓條件改變，吸附氣與游離氣發(fā)生不對(duì)稱遷移。自此之后，不同作者根據(jù)源儲(chǔ)關(guān)系或特定研究區(qū)具體地質(zhì)條件，先后提出了不同的煤系氣共生組合類型劃分方案[12,19-20,31-32,56-59]。

煤系沉積特點(diǎn)決定了煤系氣有利成藏要素具有一定的普遍性：①內(nèi)幕蓋層多，自封蓋條件好，如多數(shù)地區(qū)煤層氣風(fēng)化帶深度較淺，甚至不到100 m[60-61]；②儲(chǔ)層致密且類型多樣化，即使是砂巖也可能具有一定的生氣和吸附能力[15,55]；③吸附氣儲(chǔ)層（煤層、泥頁(yè)巖等）大面積連續(xù)式含氣，國(guó)內(nèi)外對(duì)此已有諸多討論；④煤系致密砂巖氣甜點(diǎn)分布局限，砂體發(fā)育幾何特征、類型和非均質(zhì)性控制了致密砂巖氣的局部富集[62]?？鄢@些共生有利因素，則煤系氣共生成藏效應(yīng)主要取決于古今構(gòu)造控制之下的生烴強(qiáng)度、運(yùn)移方式與輸導(dǎo)體系、地層流體能量、區(qū)域有效蓋層4個(gè)方面。其中，地層流體能量縱向分布影響到煤系氣共采方式，區(qū)域有效蓋層條件決定了煤系氣共生成藏的深度上限。

戴金星院士等曾經(jīng)指出，致密氣成藏的生烴強(qiáng)度門限低于常規(guī)天然氣成藏[63-64]。進(jìn)一步而言，對(duì)于以吸附氣為主的煤層氣和吸附氣占較大比例的頁(yè)巖氣成藏，只要生氣量達(dá)到和超過煤儲(chǔ)層、頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力，則理論上就可形成較高飽和度的非常規(guī)氣藏，這個(gè)生氣條件在煤系烴源巖生烴早期階段就可滿足[10,60,65]。類比此理，煤系氣共生成藏的生烴強(qiáng)度門限低于常規(guī)天然氣成藏。鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖氣勘探實(shí)踐揭示，生氣強(qiáng)度大于20×108m3/km2的區(qū)域一般為氣區(qū)，小于10×108m3/km2的區(qū)域?yàn)楹瑲馑畢^(qū)，介于兩者之間的區(qū)域?yàn)闅馑P(guān)系復(fù)雜區(qū)，指示生氣強(qiáng)度大于10×108m3/km2的地區(qū)就可以形成致密氣大規(guī)模聚集[44]。四川盆地須家河組煤系致密氣成藏效應(yīng)也表現(xiàn)出相似的規(guī)律[66]。同時(shí)，煤系天然氣聚集系數(shù)極高，如蘇里格地區(qū)本溪組—山西組烴源巖排出的天然氣，80%充注在石炭二疊紀(jì)煤系和下石盒子組砂巖[67]。

煤系氣源儲(chǔ)關(guān)系復(fù)雜，特殊的輸導(dǎo)體系使烴源巖生成的天然氣得以重新分配，這是煤系氣共生成藏的重要基礎(chǔ)。致密砂巖沒有優(yōu)勢(shì)運(yùn)移通道，主要為彌漫式運(yùn)移充注[31]。煤系中，決口扇砂體對(duì)煤層排烴及隨后向砂巖儲(chǔ)層的運(yùn)移具有“煙囪”效應(yīng)[15-16,55]。煤系缺乏天然氣大規(guī)模側(cè)向運(yùn)移的條件，天然氣主要在異常壓力驅(qū)動(dòng)下以幕式涌流方式運(yùn)移，表現(xiàn)為垂向近距離快速成藏[68]。沁水盆地煤系游離氣運(yùn)移通過兩類途徑：①宏觀輸導(dǎo)體系，包括斷層、不整合面和陷落柱；②微觀輸導(dǎo)體系，主要為煤層和頂板砂巖中的微孔隙及微裂隙[69]。在鄭莊—樊莊區(qū)塊，由于煤層氣藏與頂板砂巖氣藏之間的共生性和單向轉(zhuǎn)換性，構(gòu)成了斷層、煤層大面積“層狀蒸發(fā)式”面狀排烴、陷落柱組成的微觀輸導(dǎo)體系，形成了原生型、調(diào)整型、改造型3種煤系氣成藏模式[65]。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，砂體滲透率級(jí)差控制了天然氣聚集的有效性、速率和含氣飽和度，滲透率非均質(zhì)性越大，致密砂巖氣的有效聚集潛力越大，分流河道等物性較好的砂體被物性較差的砂體或泥巖圍限，有利于天然氣有效聚集和保存[62]。

煤系宏觀賦存形態(tài)往往表現(xiàn)為一個(gè)巨大“箱體”，如鄂爾多斯盆地北部大牛地大型致密氣田[70]。該氣田受上石盒子組區(qū)域蓋層物性和異常壓力的雙重封蓋, 工業(yè)氣藏的發(fā)育被嚴(yán)格限制在該箱體內(nèi), 多層大型巖性圈閉疊合發(fā)育, 構(gòu)成“近源箱型”成藏模式。這種成藏模式具有主源定型、儲(chǔ)層相控、高壓封閉、近源成藏的地質(zhì)要素配置特點(diǎn)，構(gòu)造不是主要的控藏條件。煤系氣勘探取得重大突破的鄂爾多斯盆地北部邊緣杭錦旗地區(qū)，也是該方面的典型實(shí)例[46]。分析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?、后期?gòu)造調(diào)整、地層產(chǎn)狀等地質(zhì)要素的匹配關(guān)系，發(fā)現(xiàn)煤層氣易于在區(qū)域性泥巖蓋層及底板分布穩(wěn)定、成藏期后構(gòu)造抬升—回返幅度小、地層平緩且處于均勢(shì)狀態(tài)的地區(qū)富集[56]。在此基礎(chǔ)上，研究者進(jìn)一步提出了封閉體系的概念，認(rèn)為封閉體系環(huán)境中不僅富集煤層氣，而且其他類型煤系氣也可以富集成藏。

4 煤系含氣系統(tǒng)的疊置性

煤系不同物性巖層的頻繁互層，必然導(dǎo)致隔水阻氣層或內(nèi)幕封蓋層在縱向上反復(fù)出現(xiàn)，進(jìn)而在煤系不同地層段形成相互獨(dú)立的含氣系統(tǒng)[71]。同一煤系中，兩個(gè)及兩個(gè)以上獨(dú)立含氣系統(tǒng)在垂向上相互疊置的現(xiàn)象，被稱為疊置含氣系統(tǒng)[4,6]。同一口井煤系不同層位流體壓力系數(shù)不一致的普遍現(xiàn)象[19,21-25,28,30,44]，實(shí)質(zhì)上就是疊置含氣系統(tǒng)的具體表現(xiàn)。疊置含氣系統(tǒng)之間由于儲(chǔ)層物性及流體能量的差異，使得煤系氣合采過程中出現(xiàn)系統(tǒng)間干擾，共采地質(zhì)條件復(fù)雜化，限制了煤系氣產(chǎn)能的充分釋放[8]。為此，含氣系統(tǒng)疊置性成為近年來(lái)煤系氣地質(zhì)研究的前緣方向之一。

前期研究就煤系含氣系統(tǒng)疊置性地質(zhì)成因取得了初步認(rèn)識(shí)[72-73]。層序地層格架奠定了疊置含氣系統(tǒng)形成的物性基礎(chǔ)，煤系與上覆下伏含水層之間缺乏水力聯(lián)系而構(gòu)成了該類系統(tǒng)產(chǎn)生的水文地質(zhì)基礎(chǔ)，疊置含氣系統(tǒng)是沉積—水文—構(gòu)造條件耦合控氣作用的產(chǎn)物[71]。發(fā)現(xiàn)含氣系統(tǒng)疊置性受沉積環(huán)境及其控制下的層序地層結(jié)構(gòu)所影響，河流—三角洲—湖泊相煤系在垂向上多表現(xiàn)為“統(tǒng)一含氣系統(tǒng)”，三角洲—潮坪—潟湖相煤系可形成“疊置含氣系統(tǒng)”，層序地層結(jié)構(gòu)對(duì)煤系儲(chǔ)層含氣性和物性具有控制作用[21,74]。發(fā)現(xiàn)沉積于最大海泛面附近且與海相泥巖伴生的低滲透巖層，對(duì)煤層氣垂向滲流具有分劃性阻隔作用，認(rèn)為這是形成疊置含氣系統(tǒng)的根本地質(zhì)原因[75]。這種低滲巖層被稱為“關(guān)鍵層”，從三角洲平原相區(qū)至三角洲前緣相區(qū)，關(guān)鍵層發(fā)育程度逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致含氣系統(tǒng)垂向結(jié)構(gòu)漸趨復(fù)雜，含氣系統(tǒng)疊置性漸趨顯著[74-75]。疊置含氣系統(tǒng)理論在煤系氣勘探中得到初步應(yīng)用，促進(jìn)了西南地區(qū)上二疊統(tǒng)煤系氣共采試驗(yàn)的突破[23,76]。

近年來(lái)，含氣系統(tǒng)疊置性研究隨著煤系氣共探共采力度加強(qiáng)而不斷深入，取得了如下3個(gè)方面的主要進(jìn)展。

1）關(guān)鍵層具有特定的巖石學(xué)和物性特征，根據(jù)測(cè)井響應(yīng)能夠予以識(shí)別。宏觀上，關(guān)鍵層多為含不規(guī)則團(tuán)塊狀菱鐵礦和（或）黃鐵礦的薄層泥巖，垂向上發(fā)育泥巖—菱鐵質(zhì)泥巖—含黃鐵礦泥巖—煤層—石灰?guī)r、泥巖—菱鐵質(zhì)泥巖—含黃鐵礦泥巖—煤層—泥巖等6種沉積組合[77]。微觀上，關(guān)鍵層中菱鐵礦呈膠狀、微晶—粉晶狀、球粒狀產(chǎn)出，結(jié)合微量元素及穩(wěn)定同位素組成特征，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵層形成于弱氧化—弱還原的水介質(zhì)條件，主要為潟湖—潮坪—三角洲前緣環(huán)境，沉積于最大海泛面附近[28,74,77]。與一般的煤系泥巖相比，關(guān)鍵層以微孔和過渡孔為主，孔隙度和滲透率更低，突破壓力更高，突破時(shí)間更長(zhǎng)，具有四高（自然伽馬、聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子、光電吸收截面指數(shù)）兩低（深、淺雙側(cè)向電阻率）的測(cè)井曲線響應(yīng)特點(diǎn)[77-80]。據(jù)此，建立了基于測(cè)井響應(yīng)的關(guān)鍵層識(shí)別方法，對(duì)黔西、鄂爾多斯盆地東北部煤系疊置含氣系統(tǒng)進(jìn)行了劃分[28,40,81]。

2）不同含氣系統(tǒng)流體地球化學(xué)特征有所差異，據(jù)此可判識(shí)含氣系統(tǒng)的疊置性或封閉性。分析煤田勘探鉆孔水化學(xué)數(shù)據(jù)，識(shí)別出煤系水離子由兩個(gè)主成分構(gòu)成：第一主成分以Ca2+、Mg2+、SO42-等為主，與pH值顯著負(fù)相關(guān)，是地層環(huán)境開放性的敏感性因子；第二主成分以Na+＋K+、HCO3-等為主，Cl-、也有較大貢獻(xiàn)，與礦化度顯著正相關(guān)，是地層環(huán)境封閉性的敏感性因子。據(jù)此，建立了評(píng)價(jià)地下水環(huán)境封閉指數(shù)，即為(Na+＋K+＋HCO3-)/(Ca2+＋Mg2+＋)[78,82-83]。顯然，特定地層段的封閉指數(shù)越大，地層封閉性越強(qiáng)，地下水與外界氣、水交換的能力越弱，含氣系統(tǒng)的疊置性越強(qiáng)；反之，含氣系統(tǒng)的統(tǒng)一性可能越強(qiáng)。應(yīng)用封閉指數(shù)評(píng)價(jià)了黔西、滇東地區(qū)煤系含氣系統(tǒng)的疊置性，初步應(yīng)用于煤系氣合采層段優(yōu)選實(shí)踐[84-85]。

3）煤系存在3種典型流體壓力曲線類型，指示煤系地下水動(dòng)力條件存在相應(yīng)的垂向分異。分析黔西地區(qū)織納區(qū)塊鉆孔流體壓力剖面，發(fā)現(xiàn)不同次級(jí)構(gòu)造單元煤系流體壓力系數(shù)隨埋深增大出現(xiàn)3類典型變化：①穩(wěn)定型，壓力系數(shù)在埋深150 m以淺離散性大，隨后收斂并十分穩(wěn)定，流體壓力狀態(tài)幾乎沒有變化；②衰減型，埋深增大，壓力系數(shù)線性減小，流體壓力狀態(tài)減弱，但離散性相對(duì)較大；③增強(qiáng)型，壓力系數(shù)隨埋深的增大而持續(xù)穩(wěn)定增大，表明流體壓力狀態(tài)隨之增強(qiáng)。穩(wěn)定型剖面指示煤系氣、水垂向聯(lián)系較強(qiáng)，幾乎不存在含氣系統(tǒng)的疊置，上下屬于同一含氣系統(tǒng)，適合于煤系氣跨層段合采；衰減型和增強(qiáng)型剖面顯示煤系不同層段氣、水垂向聯(lián)系微弱，含氣系統(tǒng)疊置性顯著，有利于合采的層段分別為中—上部和中—下部含氣系統(tǒng)[84]。

5 結(jié)論

我國(guó)老一輩天然氣地質(zhì)學(xué)家早在20世紀(jì)90年代就指出了煤系氣在未來(lái)天然氣資源中的重要地位，近年來(lái)勘探開發(fā)力度的加大，促進(jìn)了煤系氣共生成藏作用和成藏效應(yīng)研究的進(jìn)展。

煤系氣地質(zhì)條件具有自己的特殊性，特殊的源儲(chǔ)配置及氣藏復(fù)合模式需要發(fā)展適應(yīng)的共探共采技術(shù)，蘇拉特型盆地煤系氣開發(fā)前景值得關(guān)注。煤系砂巖儲(chǔ)層致密化的有機(jī)成因受到關(guān)注，含有較多有機(jī)質(zhì)碎屑的煤系砂巖可能在一定程度上具有自生自儲(chǔ)及吸附氣的成藏特點(diǎn)。煤系氣有利共生富集具有4方面共性特點(diǎn)，成藏效應(yīng)主要取決于生烴強(qiáng)度、運(yùn)移方式與輸導(dǎo)體系、地層流體能量、區(qū)域有效蓋層4個(gè)方面，特殊的輸導(dǎo)體系使得天然氣在復(fù)雜源儲(chǔ)系統(tǒng)中得以重新分配，構(gòu)成煤系氣共生成藏的重要基礎(chǔ)。含氣系統(tǒng)疊置性作為煤系氣地質(zhì)研究的一個(gè)前緣方向，近年來(lái)進(jìn)一步深化了對(duì)關(guān)鍵層巖石學(xué)和物性、含氣系統(tǒng)流體地球化學(xué)、煤系流體壓力剖面的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，發(fā)展了相應(yīng)的測(cè)井響應(yīng)識(shí)別技術(shù)和判識(shí)方法，并初步應(yīng)用于煤系氣共采有利地層段優(yōu)選。

應(yīng)該指出，游離氣作為煤系氣的重要組成部分，依靠區(qū)域蓋層物性和異常壓力才能得以保存。也就是說，煤系游離氣與吸附氣的共生富集或具有工業(yè)性共采價(jià)值的煤系氣成藏需要較大的埋藏深度，不同地區(qū)的深度門限有所變化[20,86]。否則，可能僅有單純的煤層氣富集成藏，而非整體意義上的煤系氣。

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