海拉爾盆地舊橋凹陷低煤階煤層氣資源潛力分析

王單華，姜杉鈺，賈宏偉

(1.內(nèi)蒙古煤田地質(zhì)局，內(nèi)蒙古 海拉爾 021008；2.國土資源部咨詢研究中心，北京 100032)

0 引 言

中國低煤階地區(qū)煤層氣資源量為10.30×1012m3，約占全國煤層氣資源的1/3，但整體的勘探開發(fā)程度較低。近年來，中國煤層氣勘探工作不斷拓展，先后在準噶爾盆地南緣、二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷等低煤階區(qū)取得了重大突破[1-4]。

海拉爾盆地位于中國內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，是重要的低煤階區(qū)。盧雙舫等[5]研究表明，海拉爾盆地的煤層氣資源量約為10.79×1011m3，并且具有相當大的增長空間。目前，有關(guān)海拉爾盆地的煤層氣研究多集中于呼和湖凹陷(也稱呼和諾爾含煤盆地)。孫斌等[6]研究認為，海拉爾盆地東部的呼和湖凹陷煤層厚度大、孔隙發(fā)育，煤層氣成藏地質(zhì)條件優(yōu)越，另有多位學者對該凹陷的煤層氣地質(zhì)條件和資源潛力進行了分析[7-9]。然而，海拉爾盆地構(gòu)造復雜，不同凹陷具有不同的煤層氣地質(zhì)條件，資源分布極不均勻[6]，大多數(shù)凹陷(含煤盆地)缺乏相關(guān)的煤層氣地質(zhì)研究，煤層氣勘探工作也剛剛起步。

舊橋凹陷是海拉爾盆地東南部的三級構(gòu)造單元，也稱紅花爾基含煤盆地，目前已完鉆3口煤層氣參數(shù)井，并完成了煤巖含氣性、等溫吸附等分析測試工作，具備了初步分析煤層氣資源潛力的基礎(chǔ)。該文以舊橋凹陷地質(zhì)和實驗測試資料為基礎(chǔ)，對凹陷煤層厚度、含氣性和等溫吸附特征進行對比分析，進而估算研究區(qū)資源豐度、理論可采資源量和單井最終可采儲量，為后續(xù)的煤層氣勘探開發(fā)提出建議。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

海拉爾盆地處在西伯利亞板塊與塔里木—中朝板塊的碰撞帶上，與蒙古國的塔木察格盆地為統(tǒng)一的盆地，總面積為7.048×104km2，在中國的面積為4.421×104km2[6]。海拉爾盆地近似菱形，內(nèi)部呈現(xiàn)“三坳兩隆”的構(gòu)造格局，3個坳陷被2個隆起分割互不聯(lián)系，形成了各自的沉積單元，又可劃分出16個凹陷和4個凸起(圖1)。

海拉爾盆地具有西部斷裂活動強、東部斷裂活動弱的特點。這種構(gòu)造上的差異導致位于西部的凹陷沉降幅度較大，泥巖較為發(fā)育；而東部各個凹陷下降幅度較小且后期經(jīng)歷了一定的抬升作用，發(fā)育大量的沼澤相煤系地層，這也決定了海拉爾盆地東部各凹陷為煤層氣富集區(qū)的現(xiàn)狀。

圖1 海拉爾盆地構(gòu)造單元和研究區(qū)位置

研究區(qū)舊橋凹陷由舊橋斷裂、紅花爾基斷裂和巴日圖斷裂作為邊界，總體走向近北北東。白堊系下統(tǒng)的龍江組構(gòu)成了煤系地層的沉積基底，大磨拐河組和伊敏組為主要的煤系地層。煤系地層傾角較緩，一般不超過5 °，受構(gòu)造運動影響，局部有波狀起伏，斷層較為發(fā)育。煤系地層中，大磨拐河組下段以中砂巖為主，向上粒度逐漸變細；中段為主要的含煤層段，發(fā)育砂巖、粉砂巖、泥巖和多個煤層；上段則沉積了厚層泥巖。伊敏組下段底部主要為粉砂巖和泥巖，向上逐漸交替出現(xiàn)砂礫巖、粗砂巖、粉砂巖、泥巖和多套煤層；上段主要為粗粒碎屑物，無煤層發(fā)育[10]。

2 煤儲層特征

2.1 厚度特征

舊橋凹陷伊敏組發(fā)育19套煤層，累計厚度為8.99～74.30 m，平均為30.15 m，其中，3、5號煤層分布穩(wěn)定，單煤層的平均厚度分別為7.69、9.88 m；大磨拐河組發(fā)育6套煤層，累計厚度為3.70～52.83 m，平均為15.37 m，單煤層厚度為2.60～12.20 m，其中，8號煤層組厚度較大且分布穩(wěn)定，包含多個厚度為5.00 m左右的煤層。

鄰區(qū)呼和湖凹陷伊敏組和大磨拐河組的煤層厚度與研究區(qū)差異不大(表1)。另外，二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷的單煤層厚度和累計厚度均大于研究區(qū)[11-12]，美國粉河盆地的單煤層厚度略薄，僅為2.00～5.00 m，但因煤層層數(shù)多，累計厚度最高可達到95.00 m[13-14]?？傮w而言，舊橋凹陷單煤層和累計厚度均較大，具備煤層氣生成和賦存的空間。

表1 舊橋凹陷與其他地區(qū)煤儲層特征對比

注：其他地區(qū)數(shù)據(jù)參考文獻[4-6，11-14]。

2.2 含氣量特征

含氣量反映了煤儲層中氣體的賦存量，是影響資源豐度的重要因素。煤層含氣量測試結(jié)果顯示，研究區(qū)伊敏組含氣量為0.00～0.12 m3/t，大磨拐河組含氣量為0.49～3.23 m3/t，淺部伊敏組含氣量幾乎為0.00，明顯低于深部的大磨拐河組。

對比可知，鄰區(qū)呼和湖凹陷和研究區(qū)舊橋凹陷雖同處于海拉爾盆地，而且具有同一套煤系地層，但研究區(qū)含氣量明顯低于呼和湖凹陷。這種差異可能來源于兩方面：①呼和湖凹陷煤巖成熟度Ro為0.30%～0.80%，煤巖除了生成生物氣外，還可能產(chǎn)生一部分熱解氣，較強的生氣能力使得總含氣量較高；而研究區(qū)煤巖成熟度Ro僅為0.23%～0.49%，還未進入到熱解生氣階段，煤儲層中僅以生物氣為主，含氣量較低。②呼和湖凹陷較研究區(qū)煤儲層埋深較大，最深可達1 775 m，對應的含氣量也較高，煤儲層較大的埋深對于氣體的保存具有一定的優(yōu)勢；相比之下，研究區(qū)煤儲層埋深多在1 000 m以淺，尤其是600 m以淺的伊敏組煤層幾乎沒有含氣量，這種埋深的差異可能是二者含氣量差異的另一重要原因。

盡管舊橋凹陷與鄰區(qū)呼和湖凹陷在含氣量方面存在一定的差異，但進一步對比二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷和美國粉河盆地的含氣量可知(表1)，二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷和美國粉河盆地的煤層實測含氣量分別為0.97～3.83 m3/t和0.70～2.30 m3/t，研究區(qū)與上述2個地區(qū)在煤巖成熟度和煤層埋深方面差異不大，含氣量差異也不大。

2.3 等溫吸附特征

氣體分子吸附在煤基質(zhì)表面屬于物理吸附的過程，一般認為符合Langmuir單層吸附理論。在恒溫狀態(tài)下，煤巖的吸附量和壓力的關(guān)系可通過Langmuir方程進行表示，即：

V=VL[p/(p+pL)]

(1)

式中：VL為Langmuir體積，m3/t，反映了煤巖的最大吸附能力；pL為Langmuir壓力，MPa，為1/2VL在等溫吸附曲線上對應的壓力；V、p分別為等溫吸附曲線上任意一點狀態(tài)下煤巖的氣體吸附量和對應的地層壓力，m3/t、MPa。

由舊橋凹陷121-34井鉆遇主力煤層的等溫吸附曲線(圖2a)可知，該井鉆遇的伊敏組4、5號煤層的VL分別為6.88、3.65 m3/t，而大磨拐河組7、8號煤層的VL分別為4.56、4.09 m3/t。

通過研究區(qū)與國內(nèi)外其他低煤階區(qū)的等溫吸附曲線對比可知[15](圖2b)，研究區(qū)與美國粉河盆地的等溫吸附曲線較為相近，而與準噶爾盆地和吐哈盆地的等溫吸附曲線差異較大。前人研究表明[15-16]，煤階相似地區(qū)的煤巖，其等溫吸附曲線的形態(tài)主要受水分的影響，因水分子會與甲烷分子競爭吸附空間，故水分高的地區(qū)煤巖吸附能力弱。研究區(qū)煤巖的水分含量為5.25%～10.78%，而吐哈盆地和準噶爾盆地煤巖的水分含量僅為3.37%～6.69%和1.10%～1.85%，水分上的差異可能是導致各個低煤階地區(qū)煤儲層等溫吸附曲線形態(tài)差異的主要原因。

圖2 舊橋凹陷和國內(nèi)外其他低煤階區(qū)煤巖等溫吸附曲線

3 煤層氣資源潛力分析

3.1 資源豐度

煤層氣的資源豐度是兼顧煤層含氣量和厚度的綜合指標，在很大程度上決定了煤層氣井的產(chǎn)氣潛力。煤層氣資源豐度是指單位面積(1 km2)的煤層中所包含氣體的資源量，其與煤層的厚度、含氣量和煤巖密度有關(guān)，資源豐度計算公式如下：

UIPR=10-2hρGc

(2)

式中：UIPR為煤層氣資源豐度，108m3/km2；h為煤層有效厚度，m；ρ為原煤基密度，t/m3；Gc為原煤基(水分平衡基)含氣量，m3/t。

研究區(qū)目前僅有3口煤層氣參數(shù)井，故選取資料相對豐富的121-34井的數(shù)據(jù)，通過式(2)對舊橋凹陷的單煤層資源豐度和累計資源豐度進行估算(表2)。因伊敏組煤層幾乎不含氣，在進行全部煤層資源豐度估算時僅對大磨拐河組煤層進行計算，所用的含氣量為該組煤層的平均含氣量。由表2可知，舊橋凹陷單煤層厚度尚可，但含氣量較低，導致單煤層的資源豐度十分有限，7號和8-5號煤層的資源豐度僅為0.14×108m3/km2和0.31×108m3/km2。與沁水盆地南部單煤層資源豐度(超過1.00×108m3/km2)相差甚遠[17]，也低于前人提出的煤層氣開發(fā)的資源豐度標準(大于0.50×108m3/km2)[18]。相比之下，舊橋凹陷大磨拐河組單井鉆遇煤層累計厚度為54.05 m，平均含氣量為2.57 m3/t，累計資源豐度高達2.11×108m3/km2。

表2 舊橋凹陷煤層氣資源豐度

與其他低煤階區(qū)累計資源豐度對比可知(表3)，舊橋凹陷煤層的累計資源豐度雖略遜于鄰區(qū)呼和湖凹陷以及二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷、霍林河凹陷，但整體上高于吐哈盆地[19]，也接近達到了美國粉河盆地的2倍。有限的單層資源豐度意味著舊橋凹陷不具備直井單煤層開發(fā)的資源基礎(chǔ)，在累計資源豐度較高的情況下，單井開采盡可能多的厚煤層是未來煤層氣開發(fā)的必然選擇。

表3 其他低煤階區(qū)煤層氣資源豐度

3.2 理論采收率分析和單井最終可采儲量預測

煤層氣主要以吸附態(tài)賦存在煤層中，上述資源豐度反映的資源潛力能否得到有效釋放，還需要結(jié)合煤巖的等溫吸附特征、含氣量和地層壓力開展定量分析，進而提取有效解吸量指標進行單井開發(fā)潛力的研究[15]。有效解吸量為煤儲層實際含氣量與廢棄壓力下煤巖吸附氣量的差值[15]，廢棄壓力也稱枯竭壓力，是煤儲層壓力能夠降低到的最小值。通過給定不同的廢棄壓力值，即可獲得不同廢棄壓力下的煤巖吸附量，進一步結(jié)合實際含氣量(大磨拐河組6套煤層的平均含氣量為2.57 m3/t)，即可獲得不同廢棄壓力下的有效解吸量。有效解吸量與實際含氣量的比值即為理論采收率。資源豐度、理論采收率和井控面積三者的乘積為單井最終開采儲量。

研究區(qū)目前尚無煤層氣開發(fā)井，缺乏廢棄壓力的實測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗值，因此，參考國內(nèi)外煤層氣開發(fā)數(shù)值模擬和采收率預測研究中廢棄壓力的取值區(qū)間[20-21]，將0.20～1.00 MPa作為舊橋凹陷煤層廢棄壓力的取值區(qū)間，以研究有效解吸量、理論采收率和單井最終可采儲量隨廢棄壓力取值變化的敏感性。在研究區(qū)各個煤層的等溫吸附曲線形態(tài)差異不大的情況下(圖2a)，選取圖2a中大磨拐河組8-1-03煤樣的等溫吸附曲線為代表(VL為4.09 m3/t，pL為3.61 MPa)開展相關(guān)計算。

根據(jù)上述方法和參數(shù)取值情況，利用式(2)，計算出舊橋凹陷不同廢棄壓力下對應的煤巖吸附氣量、有效解吸量、理論采收率(表4)。由表4可知，舊橋凹陷不同廢棄壓力下對應的理論采收率為0.65～0.92，這表明在上述廢棄壓力范圍內(nèi)，煤儲層中至少有2/3的吸附氣能夠有效解吸，資源豐度大部分可以被利用，廢棄壓力控制的越低，氣體采出的程度越高。

進一步根據(jù)350 m×350 m的井控面積(中國沁水盆地各煤層氣田較普遍的井距)估算121-34井的單井最終可采儲量(表4)。當廢棄壓力控制在0.60 MPa以下時，單井最終可采儲量超過了0.20×108m3，根據(jù)當前煤層氣出售價格1.5元/m3，121-34井能夠帶來超過3 000×104元的收入。參考華北地區(qū)一口煤層氣井250×104元的成本，再加上后期的各項成本費用，121-34井煤層氣開發(fā)可獲得2 000×104元的利潤，具有十分可觀的開發(fā)前景。相比之下，若對表2中資源豐度較好的8-5號煤層進行單層開發(fā)，廢棄壓力為0.60 MPa時的單井收入僅為440×104元左右，結(jié)合成本來看，單層開發(fā)幾乎沒有經(jīng)濟效益。

表4 舊橋凹陷煤層不同廢棄壓力下的有效解吸量、理論采收率和單井最終可采儲量

4 煤層氣勘探建議

舊橋凹陷煤巖成熟度較低，尚未進入到熱解生氣階段，因此，煤儲層含氣量主要由生物成因氣貢獻。粉河盆地開發(fā)較為成功的區(qū)塊，因地下水十分活躍，礦化度較低，形成了大量的次生生物氣，含氣量較高[22]；而中國潮水盆地紅沙崗地區(qū)因降水少，地下水資源貧乏，地下水礦化度較高，不利于次生生物氣的形成，煤層含氣量較低[23]。研究區(qū)位于半干旱地帶，但在凹陷的局部位置，如河流、湖泊附近仍然可能存在地下水較為活躍的地區(qū)，在未來煤層氣勘探過程中，應加強地下水動力條件的系統(tǒng)研究，尋找潛在的次生生物氣富集區(qū)。

目前參數(shù)井鉆遇的淺部伊敏組煤層含氣量甚微，而深部大磨拐河組具有一定的含氣量，推測可能是淺部煤層缺乏良好的氣體保存條件，使得已生成氣體大量逸散造成的。與大磨拐河組相比，伊敏組具有更厚的煤層，若能尋找到具備一定含氣量的地區(qū)，伊敏組仍然具有較大的煤層氣資源潛力。參考前人關(guān)于二連盆地吉爾嘎郎圖的煤層氣成藏模式[11]，研究區(qū)對于伊敏組煤層氣的勘探應在煤層埋深較大、遠離正斷層、頂?shù)装鍘r性致密和水動力條件相對封閉的區(qū)域進行。

5 結(jié) 論

(1) 海拉爾盆地舊橋凹陷具有單煤層厚度大、層數(shù)較多，累計厚度較大的特點，但煤層含氣量較低，淺部伊敏組含氣量幾乎為0.00，深部大磨拐河組平均含氣量為2.57 m3/t，含氣量隨深度的增加呈現(xiàn)加大趨勢。

(2) 有限的單層資源豐度意味著舊橋凹陷不具備直井單煤層開發(fā)的資源基礎(chǔ)，在累計資源豐度較高的情況下，單井開采盡可能多的厚煤層是未來煤層氣開發(fā)的必然選擇。

(3) 舊橋凹陷0.20～1.00 MPa廢棄壓力下對應的理論采收率為0.65～0.92，意味著資源豐度大部分可以被開發(fā)利用，資源潛力較大；在350 m×350 m的井控面積內(nèi)，單井最終可采儲量大于0.17×108m3，具有較好的煤層氣開發(fā)前景，也可獲得一定的經(jīng)濟效益。

(4) 舊橋凹陷未來煤層氣勘探應加強區(qū)域水動力條件研究，尋找地下水活躍的潛在次生生物氣富集區(qū)；淺部伊敏組的煤層氣勘探應在埋深較大等氣體保存條件較好的區(qū)域進行。