木里盆地侏羅系煤層氣主控因素及成藏模式

田亞， 杜治利， 張文龍， 陳夷

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083； 2.青海煤炭地質(zhì)一〇五勘探隊，西寧 810001)

0 引言

隨著我國天然氣對外依存度的逐漸攀升，各類型非常規(guī)天然氣的勘探開發(fā)已刻不容緩。目前我國已探明的煤層氣資源豐富，可作為常規(guī)天然氣的有利補充[1-9]。木里盆地位于青海省東部，煤炭資源豐富，查明煤炭資源量約42.2億t，煤層氣資源潛力巨大。盆地呈NWW-SEE向展布，東西長約190 km，南北平均寬約40 km，面積約7 600 km2，包括聚乎更、哆嗦公馬、江倉等11個礦區(qū)[10]。但木里盆地煤層氣研究仍屬空白區(qū)，對煤層氣的資源潛力認識不清。因此，本文通過對木里盆地煤層發(fā)育情況、煤體結(jié)構(gòu)、變質(zhì)程度及含氣性等研究，初步探討了該區(qū)煤層氣的富集模式，為下一步煤層氣勘探開發(fā)提供了依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 煤層賦存特征

煤層氣資源的豐富程度與煤系地層的分布、煤層埋深及煤層厚度關(guān)系密切，煤層厚度越大且穩(wěn)定性越好，就越有利于煤層氣藏的形成[11-12]。木里盆地侏羅系煤層主要賦存于下侏羅統(tǒng)熱水組及中侏羅統(tǒng)木里組和江倉組，其中木里組成煤環(huán)境最好，分布范圍較大。

木里盆地自西向東存在3個煤層富集區(qū)，分別為西部的聚乎更地區(qū)、中部的江倉地區(qū)和東部的熱水地區(qū)，各區(qū)煤層厚度變化較大。以聚乎更礦區(qū)為例(圖1)，木里組為主要含煤層段，含下1、下2煤層。下1煤層厚度為0.34～25.49 m，平均厚度12.27 m，含夾矸1～4層，煤層結(jié)構(gòu)以簡單—較復雜為主； 下2煤層厚度為1.71～20.94 m，平均厚度7.91 m，含夾矸1～3層，煤層結(jié)構(gòu)一般較簡單。賦煤面積約80 km2，埋深400～1 500 m，由北向南埋深逐漸增加。

木里盆地整體煤層分布穩(wěn)定，連續(xù)性好，厚度較大(圖2)，為煤層氣的形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時,聚乎更礦區(qū)內(nèi)的南向斜似單斜的構(gòu)造形態(tài)及江倉礦區(qū)的向斜核部,為煤層氣的生成提供了有利的埋深條件(圖3)。

圖1 木里盆地聚乎更礦區(qū)地層綜合柱狀圖

Fig.1 Comprehensive stratigraphic column of Juhugeng area in Muli Basin

圖2 木里盆地侏羅系煤層累計厚度

Fig.2 Cumulative thickness contour of Jurassic coal seams in Muli Basin

圖3 木里盆地侏羅系煤層頂板埋深Fig.3 Depth contour of Jurassic coalbed top barrier in Muli Basin

1.2 煤體結(jié)構(gòu)和煤層割理

煤體結(jié)構(gòu)和煤層割理對煤層氣聚集、運移及壓裂有重要影響[13-14]。木里盆地聚乎更礦區(qū)木里組下1、下2煤層的煤體結(jié)構(gòu)多為原生結(jié)構(gòu)，以亮煤—半亮煤為主，夾有少量鏡煤條帶(圖4)。木里盆地煤層割理較發(fā)育，聚乎更礦區(qū)木里組下1煤層割理平均密度為11條/5 cm，下2煤層割理平均密度為17條/5 cm,割理延伸距離較長。從割理幾何形態(tài)看，以發(fā)育孤立網(wǎng)狀組合為主，發(fā)育面割理和端割理，有利于增加煤中裂隙，改善煤層滲透性。

圖4 木里盆地聚乎更礦區(qū)下2煤標本Fig.4 Lower 2 coal samples in Juhugeng area of Muli Basin

1.3 變質(zhì)程度

判斷煤層的變質(zhì)程度一般選取鏡質(zhì)體反射率(Ro)作為評價手段。聚乎更礦區(qū)木里組下1煤層的Ro為0.66%～2.26%，均值為1.04%，下2煤層的Ro為0.65%～2.19%，均值為1.05%，以Ⅲ變質(zhì)階段為主。據(jù)此判斷聚乎更礦區(qū)木里組下1煤層以弱黏煤、氣煤和焦煤為主，下2煤層以弱黏煤、黏煤、氣煤和焦煤為主。聚乎更礦區(qū)木里組下1、下2煤層的殼質(zhì)組含量占有機組分比例均較小，表明煤的變質(zhì)程度均已達到中、高煤化階段(表1)。

表1 聚乎更礦區(qū)主要目標煤層變質(zhì)程度Tab.1 Metamorphic degree of the main target coal seams in Juhugeng area

1.4 含氣性

木里盆地侏羅系煤層屬于氣煤—瘦煤階，對于該階煤的煤層氣資源含氣量下限是4.0 m3/t。聚乎更礦區(qū)7-4號鉆孔下1煤層含氣量最高值為12.13 m3/t，最低值為1.03 m3/t，平均值為6.57 m3/t; 下2煤層含氣量最高值為11.72 m3/t，最低值為5.08 m3/t，平均值為7.83 m3/t。

煤炭鉆孔現(xiàn)場解吸結(jié)果顯示，聚乎更礦區(qū)下1煤層含氣量變化為0.22～5.52 m3/t，下2煤層含氣量變化為0.12～11.14 m3/t(表2)，江倉礦區(qū)木里組含氣量變化為0.03～2.82 m3/t。整個木里盆地煤層氣含量不同地區(qū)差異較大，聚乎更、江倉、外力哈達、熱水礦區(qū)的煤層氣含量遠高于默勒和海德爾礦區(qū)。

表2 聚乎更礦區(qū)鉆孔煤層含氣量(空氣干燥基)和成分Tab.2 Gas content (air dried basis) and composition of drilled coal seams in Juhugeng area

1.5 物性及吸附性

煤的孔隙度主要與煤的變質(zhì)程度有關(guān)，總體來看，隨煤階升高，孔隙度逐漸降低，到焦煤后就不再增加[15]。之后，隨煤階升高，孔隙度又開始有所回升。木里盆地煤變質(zhì)程度處于長焰煤到焦煤階段，煤儲層孔隙度普遍較高，介于2.7%～13.7%之間。木里盆地聚乎更礦區(qū)、江倉礦區(qū)、熱水礦區(qū)及默勒礦區(qū)的煤儲層滲透率變化較大，范圍為(0.03～10.6)×10-3μm2，利于煤層氣的儲集和運移，而且對煤層氣的開采也較有利。木里盆地煤儲層滲透率并非與孔隙度完全呈正相關(guān)關(guān)系，受構(gòu)造影響，煤體結(jié)構(gòu)破壞嚴重，連通性變差，造成滲透率普遍較低。

煤層中的甲烷主要以吸附在煤體內(nèi)表面上的吸附氣為主構(gòu)成，在一定儲層壓力條件下，煤的吸附能力決定煤層單位含氣量的高低[16]。木里盆地聚乎更礦區(qū)、江倉礦區(qū)、熱水礦區(qū)及默勒礦區(qū)等煤儲層11個樣品平衡水蘭氏體積介于17.25～24.04 m3/t之間，平均為20.94 m3/t，干燥無灰基蘭氏體積介于18.94～26.64 m3/t之間，平均為23.10 m3/t，表明木里盆地具有較強的儲氣能力。蘭氏壓力中等—較高，變化范圍為1.99～13.33 MPa，表明木里盆地煤層氣產(chǎn)能較高。

2 煤層氣主控因素

2.1 生氣條件

不同的煤巖組分生烴能力不同： 殼質(zhì)組生烴能力最強，其次為鏡質(zhì)組，惰質(zhì)組最差[17]。木里盆地煤的鏡質(zhì)組含量普遍較高，平均為60%～80%，鏡質(zhì)組的生氣能力相對較好，對煤層氣生成的貢獻較大，由此為盆地煤層氣的生成奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

煤階是衡量煤化作用程度或煤變質(zhì)程度的參數(shù)，常用煤的鏡質(zhì)體反射率指標來劃分煤階[18]。從煤層氣成烴機理上來講，鏡質(zhì)體反射率越高，煤的變質(zhì)程度也愈高。煤階直接影響煤的生氣多少及煤儲層孔隙、裂隙發(fā)育和吸附特性等，所以煤階對煤層氣藏的形成起重要作用。

整體來看，木里盆地變質(zhì)程度較低，還未達到大規(guī)模生氣階段。盆地東部默勒、海德爾等地區(qū)主采煤層多數(shù)變質(zhì)程度很低，不利于煤層氣的大量生成，而盆地中西部地區(qū)的煤變質(zhì)程度相對較高，生氣條件較好。

2.2 保存條件

煤層頂、底板即圍巖的物性特征包括圍巖的孔隙性、滲透性和節(jié)理發(fā)育程度等，這些直接決定著蓋層突破壓力這一重要物性，從而影響圍巖對煤儲層的封蓋性能，決定煤層氣的保存和逸散條件[19]。

木里盆地地區(qū)煤層頂、底板巖性以泥巖、粉砂巖為主，整體條件較好。以聚乎更礦區(qū)為例，煤層的頂板一般以泥巖、粉砂巖為主，局部為砂質(zhì)泥巖和細砂巖，厚度不大，多數(shù)在1～10 m之間，滲透率較低，形成了礦區(qū)的區(qū)域性蓋層(圖5)。整體來看，盆地西部聚乎更、江倉、哆嗦公馬礦區(qū)的頂、底板巖性以泥巖、粉砂巖為主，封蓋能力較強。盆地東部海德爾、默勒礦區(qū)的頂、底板巖性也以泥巖、粉砂巖為主，整體封蓋能力較好。而外力哈達、柴達爾井田的頂、底板雖以細粒巖性為主，但受后期構(gòu)造影響，節(jié)理、裂隙發(fā)育，封蓋能力較弱。木里盆地聚乎更、江倉、海德爾和默勒礦區(qū)煤層頂、底板封蓋性較好，對煤層氣的富集和保存較有利。

圖5 聚乎更礦區(qū)下1煤層頂板巖性分布Fig.5 Lithofacies distribution of top barrier of Lower 1 coalbed in Juhugeng area

3 煤層氣成藏模式

煤層氣藏是一種非常規(guī)天然氣藏，無論其氣藏類型還是成藏機理，都與常規(guī)氣藏有著較大差異。其主要特征為： ①煤層氣藏是煤層氣聚集的基本單元，具有明顯的邊界，與周圍地質(zhì)體分隔； ②獨立的流體系統(tǒng)是指經(jīng)歷了相同的演化過程和相似的地質(zhì)作用下的基本流體單元； ③煤巖體是受頂、底板控制，連續(xù)分布的煤層[20-22]。通過對木里盆地煤層氣富集主控因素及邊界條件進行分析，認為構(gòu)造特征為本區(qū)煤層氣富集最主要的因素，其次為煤系條件和圍巖條件。分析認為木里盆地成藏模式有2種： 第1種是受逆沖斷層控制的傾角較小的大型單斜構(gòu)造，斷層封閉性好，埋深相對較大，對煤層氣的富集與保存極為有利，如聚乎更礦區(qū)的四井田和一井田； 第2種是在江倉礦區(qū)發(fā)育的大型向斜，雖然傾角較大，但是儲層壓力也較大，埋深適中，同樣是煤層氣發(fā)育的有利位置。

3.1 寬緩向斜富集

寬緩向斜煤層氣成藏模式主要發(fā)育于江倉礦區(qū)，兩翼傾角較小，埋深較大，煤層的頂、底板主要為泥巖和粉砂巖等，煤層(煤層組)厚度大，儲層壓力大，有利于煤層氣的富集成藏，因此可作為煤層氣勘探的有利目標區(qū)(圖6)。

木里盆地煤層氣富集成藏受煤層的埋深、儲層所在構(gòu)造位置、水文地質(zhì)條件、煤巖組成、熱演化程度等眾多因素影響。如圖6所示，向斜構(gòu)造是煤層氣藏形成的有利構(gòu)造位置。由于向斜兩翼煤系地層出露，煤層氣很容易發(fā)生逸散，兩翼地區(qū)煤層氣保存條件比向斜腹部地區(qū)差，從向斜兩翼向向斜腹部，煤儲層的上覆巖層厚度不斷增大，使得煤層氣在縱向上逸散更加困難，保存條件變好，煤層氣含量增大。同時，盆地兩翼的煤系露頭地區(qū)接受降水和地表水(冰雪融水)入滲補給，當?shù)叵滤ㄟ^補給區(qū)和徑流區(qū)時，溶解了一部分煤層氣，一定程度上降低了補給區(qū)和徑流區(qū)的煤層氣含量。但地下水會攜帶溶解的煤層氣到滯流區(qū)，使滯流區(qū)的地下水溶解煤層氣不斷聚集，地下水飽和之后煤層氣析出，使滯流區(qū)的含氣量增高。而且區(qū)內(nèi)的凍土層對于煤層氣的保存也起到了一定的積極作用。此外，水流方向和煤層氣的橫向逸散方向相反，阻止了煤層氣向上運移，起到水力封堵作用。向斜的腹部地區(qū)，地下水滯留，礦化度高，煤層氣的保存條件較好，有利于煤層氣富集成藏。并且向斜腹部的煤層Ro高于向斜兩翼，煤巖的生氣量和吸附量均高于盆地兩翼。

圖6 木里盆地江倉礦區(qū)煤層氣成藏模式Fig.6 Coalbed methane accumulation model in Muli Basin (Jiangcang area)

3.2 大型單斜構(gòu)造富集

聚乎更礦區(qū)內(nèi)部的南向斜就是逆沖斷層控制下的單斜構(gòu)造，傾角較小，單斜層上部的壓性封閉斷層阻止了煤層氣向上運移，利于煤層氣的富集。礦區(qū)內(nèi)的四井田和一井田就是典型的逆沖斷層控制下的單斜構(gòu)造。根據(jù)實測的一井田ZK-37孔含氣量數(shù)據(jù)，下1煤層的含氣量高達5.52 m3/t，然而此孔的下1煤層埋深僅有155.8 m，埋深很淺，說明封閉性的壓性逆沖斷層對煤層氣的富集起著決定性的影響(圖7)。

圖7 木里盆地聚乎更礦區(qū)煤層氣成藏模式Fig.7 Coalbed methane accumulation model in Muli Basin (Juhugeng area)

4 結(jié)論

(1)木里盆地中—下侏羅統(tǒng)煤層厚度大，埋藏適中，整體處于中—高變質(zhì)階段，含氣量較高，具有良好的煤層氣資源潛力。

(2)煤層的變質(zhì)程度和頂、底板的封蓋能力是木里盆地侏羅系煤層氣富集的主控因素，盆地西部的聚乎更礦區(qū)和江倉礦區(qū)煤層變質(zhì)程度高，頂、底板封蓋能力好，為下一步勘探的有利區(qū)域。

(3)木里盆地侏羅系煤層氣主要有2種成藏模式，分別為江倉礦區(qū)的寬緩向斜富集模式和聚乎更礦區(qū)的大型單斜構(gòu)造富集模式。