川南筠連地區(qū)煤層氣地質(zhì)特征與富集規(guī)律

王勃 ，梁興 ，馬斌 ，侯偉 ，趙洋 ，何勇 ，史鳴劍 ，閆霞

（1.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029；2.中國(guó)石油浙江油田分公司，浙江 杭州 310023；3.山西蘭花煤層氣有限公司，山西 晉城 048000；4.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；5.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；6.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 廊坊 065007）

我國(guó)煤層氣資源豐富，并對(duì)煤層氣也有了一定的研究及認(rèn)識(shí)。南方高煤階煤層氣資源量為4.66×1012m3，其中川南黔北為 9.69×1011m3，占 21%，是我國(guó)高煤階煤層氣的重要組成部分［1-8］。但與我國(guó)第1個(gè)取得商業(yè)化開(kāi)發(fā)的沁水盆地相比，它具有構(gòu)造復(fù)雜、煤層單層厚度小、層數(shù)多、滲透率低、地應(yīng)力大及煤層傾角大等成藏特點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外視為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)禁區(qū)。因此，現(xiàn)有相關(guān)高煤階煤層氣的研究多集中于沁水盆地和鄂爾多斯盆地［9］，而對(duì)于川南地區(qū)的研究相對(duì)較少［10-13］，亟需開(kāi)展該區(qū)煤層氣富集規(guī)律的研究，建立有利區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)體系。為此，筆者以川南筠連區(qū)塊為研究對(duì)象，綜合利用煤層氣勘探開(kāi)發(fā)資料，開(kāi)展了研究區(qū)煤層氣成藏地質(zhì)特征及富集模式等研究，并優(yōu)選了富集有利區(qū)，以期指導(dǎo)煤層氣下步的勘探開(kāi)發(fā)。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)構(gòu)造上位于上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西緣的川南-黔北賦煤構(gòu)造帶［14］（見(jiàn)圖1）。該構(gòu)造帶斷裂活動(dòng)較為復(fù)雜，早古生代為隆起帶，晚古生代因構(gòu)造斷裂活動(dòng)下陷接受沉積，燕山運(yùn)動(dòng)開(kāi)始抬升、剝蝕，部分煤層已剝蝕殆盡，形成現(xiàn)今的殘余褶皺［15］；其主要含煤地層為上二疊系龍?zhí)督M（P3l），純煤總厚度平均11.31 m，含煤系數(shù)為13.41%，可采煤層總厚度平均8.79 m［16］。構(gòu)造變形以NWW和近EW向?yàn)橹?，次為NE向構(gòu)造［17］。川南地區(qū)主要分布著筠連、古敘、南廣及芙蓉4個(gè)礦區(qū)。

圖1 川南-黔北煤田地質(zhì)略圖（據(jù)邵龍義等［14］，2013）

1.2 煤層傾角、層數(shù)、單層厚度

川南地區(qū)主要含煤層系為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M（宣威組），以陸相沉積為主。下部為陸相黏土巖、砂巖、泥巖夾煤線(xiàn)及煤層；上部為海陸交替相含煤沉積，共含煤層3～17 層（見(jiàn)圖 2），單層厚度一般在 1～3 m，累計(jì)厚度多小于10 m，最大達(dá)12 m［18］。古敘礦區(qū)煤層傾角多在30°左右，僅少部分地區(qū)可達(dá)50°左右；芙蓉礦區(qū)珙長(zhǎng)背斜兩翼煤層傾角都較大，在 25°～80°，南翼較緩，僅 5°～14°；筠連礦區(qū)煤層傾角不大，落木柔背斜北翼大多在30°左右，南翼煤層傾角較大，達(dá)60°左右。

筠連區(qū)塊煤層一般為簡(jiǎn)單/復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄煤層和中厚煤層。YSL1等19口煤層氣評(píng)價(jià)井及大量煤田鉆孔數(shù)據(jù)表明，本區(qū)塊含煤段厚度在19～42 m，揭露煤層為 C2，C3，C4，C7，C8，C9，研究 區(qū)內(nèi) C2，C3，C7，C8（亦 寫(xiě) 作C2+3+7+8）煤層普遍發(fā)育，局部發(fā)育C4，C9煤層。根據(jù)YSL1等14口評(píng)價(jià)井有效煤層厚度測(cè)井解釋資料及33口煤田鉆孔資料研判，C2+3+7+8煤層有效厚度介于4.00～12.20 m，平均為 6.54 m［18］。

1.3 含氣性

研究區(qū)C2+3+7+8煤層含氣量（指單位質(zhì)量煤層含煤層氣的體積）介于10.94～18.66 m3/t，呈現(xiàn)向斜核部富氣的特點(diǎn)，高值區(qū)主要分布在中部井區(qū)（見(jiàn)圖3）。依據(jù)等溫吸附曲線(xiàn)與實(shí)際測(cè)試的含氣量計(jì)算了該區(qū)煤層的吸附飽和度。結(jié)果表明：C2+3煤層蘭氏體積（含氣量）為25.69～28.04 m3/t，蘭氏壓力為 2.18～2.51 MPa，含氣飽和度為81.80%～95.87%；C7+8煤層蘭氏體積為27.63～34.08 m3/t，蘭氏壓力為 2.30～2.78 MPa，含氣飽和度為70.43%～98.46%（見(jiàn)表 1）。

圖3 川南筠連地區(qū)C2+3+7+8煤層含氣量分布

表1 研究區(qū)主力煤層吸附飽和度測(cè)算

1.4 煤巖微裂隙及連通性、煤層滲透率

通過(guò)對(duì)研究區(qū)X2等9口井C2+3，C7+8煤層煤巖微觀(guān)裂隙進(jìn)行描述和分析，認(rèn)為煤巖微裂隙較發(fā)育—發(fā)育，連通性以中等為主、少量為差或好。對(duì)X3井C7+8煤顯微裂隙的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：主次裂隙近直角相交，裂隙走向大體一致；主裂隙長(zhǎng)度在0.01～2.20 cm，寬度在1～260 μm，密度為4.7～8.7條/cm；次裂隙長(zhǎng)度在0.01～1.10 cm，寬度在 1～180 μm，密度為 3.3～7.3 條/cm?！砻髁严栋l(fā)育，利于儲(chǔ)層壓裂改造。

X2等6口井C7+8煤層的注入/壓降試井測(cè)試表明，滲透率為 0.02×10-3～0.76×10-3μm2（見(jiàn)表 2），平均為0.20×10-3μm2，與沁水盆地樊莊-鄭莊區(qū)塊對(duì)比，煤層滲透率相對(duì)較高，預(yù)測(cè)該區(qū)整體產(chǎn)氣效果優(yōu)于樊莊。

表2 筠連區(qū)塊煤層試井分析數(shù)據(jù)

1.5 儲(chǔ)層壓力系數(shù)、臨儲(chǔ)比

儲(chǔ)層壓力系數(shù)直接反映了地層封閉性和地層能量的大小，系數(shù)越大，地層封閉性越強(qiáng)，地層能量越高，越利于煤層氣吸附成藏，同時(shí)利于降壓排采開(kāi)發(fā)過(guò)程中煤層氣產(chǎn)能的釋放。研究區(qū)煤層壓力為3.40～9.07 MPa，平均 5.80 MPa；壓力梯度主要在 0.72～1.29 MPa/100 m，屬常壓—略超壓儲(chǔ)層［19-20］。從儲(chǔ)層壓力梯度與煤層產(chǎn)氣量的相關(guān)性（見(jiàn)圖4）來(lái)看，儲(chǔ)層壓力梯度大于0.90 MPa/100 m的井，產(chǎn)氣量普遍高于1 000 m3/d。

圖4 筠連區(qū)塊儲(chǔ)層壓力梯度、臨儲(chǔ)比與產(chǎn)氣量的相關(guān)性

臨界解吸壓力的大小不僅影響產(chǎn)氣速率，還影響著產(chǎn)氣半徑的大小。根據(jù)滲流力學(xué)原理，直井開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)層壓力分布呈漏斗狀，由于直井井筒附近泄流面積減小，滲流阻力增大，壓降損失增多，因此，臨界解吸壓力越小，解吸范圍越小，越不利于解吸產(chǎn)氣［21］。即臨儲(chǔ)比越小，所需壓降越大，導(dǎo)致壓降面積越小，越不利于解吸產(chǎn)氣。研究區(qū)臨儲(chǔ)比介于0.47～1.00，利于煤層氣的解吸產(chǎn)出。從臨儲(chǔ)比與煤層產(chǎn)氣量的相關(guān)性（見(jiàn)圖4）可以看出，臨儲(chǔ)比大于0.70的井，單井產(chǎn)氣量普遍高于1 000 m3/d。

2 煤層氣富集規(guī)律與有利區(qū)優(yōu)選

2.1 富集模式

前人針對(duì)主控因素對(duì)煤層氣富集控制作用的研究主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是認(rèn)為回返抬升和后期演化控制著煤層氣成藏過(guò)程，進(jìn)而控制煤層氣富集［22］；二是從微觀(guān)構(gòu)造形態(tài)入手，認(rèn)為構(gòu)造較弱或未調(diào)整區(qū)有利于煤層氣的富集［23］；三是認(rèn)為封蓋層控制含氣量，進(jìn)而控制煤層氣富集［24-28］；四是認(rèn)為封閉體系環(huán)境中無(wú)論是煤層氣還是煤系氣，都可以富集成藏［29］；五是認(rèn)為水動(dòng)力滯流區(qū)煤層氣易富集，并探討了滯流區(qū)的富集效應(yīng)［30-32］，對(duì)水文指標(biāo)進(jìn)行定量化表征［33］。筆者通過(guò)對(duì)構(gòu)造、沉積及水動(dòng)力配置關(guān)系的分析，初步提出了煤層氣富集的主控因素配置關(guān)系［34］，并以前期成果為基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)主控因素系統(tǒng)進(jìn)行解剖和論證，從而建立了寬緩向斜富集模式。

2.1.1 構(gòu)造演化呈“L”形，氣藏保存條件好

煤層氣成藏演化過(guò)程控制著煤巖變質(zhì)程度和生烴，進(jìn)而控制著現(xiàn)今含氣量的分布［22］。研究區(qū)的成藏過(guò)程可劃分為4個(gè)階段：第Ⅰ階段，晚二疊世—印支沉降深埋期。煤層埋深持續(xù)增大，埋深達(dá)1 400 m后，抬升放緩，古地溫為70°C，古地溫梯度約為3°C/100 m，至晚三疊世末期，鏡質(zhì)組最大反射率達(dá)0.65%左右，發(fā)生第1次生烴，生烴量有限。第Ⅱ階段，印支抬升期—燕山早期。受燕山運(yùn)動(dòng)影響，本區(qū)處于穩(wěn)定—持續(xù)沉降階段，煤層埋深達(dá)4 000 m左右，古地溫增至90～180°C，煤層大量生烴，煤階達(dá)到瘦煤和貧煤階。第Ⅲ階段，燕山中晚期。本區(qū)發(fā)生了第3次沉降—隆升變化，煤層埋深可達(dá) 5 000～5 500 m，古地溫達(dá) 200～210 °C［35］，煤化作用不斷增強(qiáng)，煤階達(dá)到無(wú)煙煤階，煤層大量生烴。第Ⅳ階段，喜山運(yùn)動(dòng)—第四系。受喜山運(yùn)動(dòng)影響，煤層發(fā)生整體褶皺回返，煤層氣成藏演化過(guò)程曲線(xiàn)呈“L”形，后期未抬升至風(fēng)化帶（埋深200 m以淺）（見(jiàn)圖5，其中不同顏色分別代表不同地質(zhì)時(shí)期地層），保存條件好，C2+3+7+8煤層平均含氣量大于12 m3/t。

圖5 南筠連地區(qū)成藏演化（據(jù)朱志敏等［35］，2010）

2.1.2 沉積相控制儲(chǔ)蓋巖性組合的分布

沉積相控制了煤層段巖性組合，其中潟湖-潮坪相、分流間灣相多發(fā)育泥巖頂板，封蓋性強(qiáng)，利于煤層氣富集［24］。研究區(qū)在潮坪相控制下，發(fā)育不同的儲(chǔ)蓋巖性組合，儲(chǔ)蓋組合與實(shí)測(cè)含氣量之間存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系：X2-X3，X1-X9，X3-X13 井區(qū) C7+8煤層直接頂?shù)装鍘r性組合為泥巖-泥巖、（碳質(zhì)）泥巖-泥巖、泥巖-細(xì)砂，C7+8煤層平均含氣量多在14 m3/t以上；X4-X9，X7井區(qū)以北C7+8煤層直接頂?shù)装鍘r性組合為（碳質(zhì)）泥巖-泥質(zhì)砂巖，為一般組合，C7+8煤層平均含氣量多在10 m3/t以下；X4井區(qū)以南及X7井區(qū)以南C7+8煤層直接頂?shù)装鍘r性為泥質(zhì)（細(xì)）砂巖-泥巖/泥質(zhì)砂巖發(fā)育區(qū)，為不利組合，C7+8煤層平均含氣量多在8 m3/t以下（見(jiàn)圖 3、圖 6）。

圖6 筠連區(qū)塊C7+8煤層氣儲(chǔ)蓋巖性組合與含氣量關(guān)系圖版

2.1.3 水動(dòng)力承壓-滯流區(qū)利于煤層氣富集

基于筆者之前關(guān)于水文地質(zhì)規(guī)律研究的思路及方法［32］，利用研究區(qū)生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)及煤層產(chǎn)出水測(cè)試化驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算了等折算水位，劃分了水型，并在平面上進(jìn)行了水動(dòng)力分區(qū)。從分區(qū)結(jié)果和實(shí)測(cè)含氣量的綜合評(píng)價(jià)圖來(lái)看，川南筠連區(qū)塊整體上位于地下水高勢(shì)能的滯流-弱徑流區(qū)，水型以NaHCO3型為主，水力梯度小，水動(dòng)力運(yùn)移緩慢，C7+8煤層平均含氣量多在10 m3/t以上，僅在分布很有限的強(qiáng)徑流區(qū)和補(bǔ)給區(qū)，C7+8煤層平均含氣量低于8 m3/t（見(jiàn)圖7）。

圖7 筠連區(qū)塊水動(dòng)力分區(qū)與C7+8煤層含氣量綜合評(píng)價(jià)

2.1.4 寬緩向斜富氣模式

依據(jù)上述理論分析，建立了寬緩向斜富氣模式（見(jiàn)圖8），該模式具有以下特征：

圖8 寬緩向斜富氣模式

1）發(fā)育斷層少或發(fā)育少量逆斷層，地層傾角相對(duì)較?。ㄐ∮?0°），處于勢(shì)能均衡區(qū)，向斜核部具有儲(chǔ)層壓力梯度大（大于0.90 MPa/100 m）、煤層含氣量大（大于16 m3/t）、含氣飽和度高（大于85%）及滲透率高（大于 0.3×10-3μm2）等特點(diǎn)；2）為障壁海岸沉積體系，潮坪沉積相，區(qū)域性泥巖蓋層發(fā)育，直接頂?shù)装鍘r性多為泥巖；3）位于滯流-弱徑流區(qū)域，地下水勢(shì)能高，水動(dòng)力運(yùn)移緩慢，溶解作用弱，散失小，水型為NaHCO3型，水力梯度小。

2.2 有利區(qū)優(yōu)選

依據(jù)煤層氣富集模式和特點(diǎn)，建立了有利區(qū)的優(yōu)選指標(biāo)體系（見(jiàn)表3），并據(jù)此優(yōu)選預(yù)測(cè)了川南地區(qū)筠連區(qū)塊的沐愛(ài)向斜、羅場(chǎng)向斜、建武向斜等3個(gè)寬緩富氣向斜區(qū)（見(jiàn)圖9），為后期川南地區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)。

表3 有利區(qū)關(guān)鍵參數(shù)

圖9 筠連區(qū)塊水動(dòng)力分區(qū)與C7+8煤層含氣量綜合評(píng)價(jià)

以沐愛(ài)向斜為例。該有利區(qū)核部地層傾角小于10°，兩翼傾角變大，介于 15°～25°，發(fā)育 2 條逆斷層；區(qū)域性泥巖封蓋層發(fā)育，直接頂?shù)装鍨閹r性致密的泥巖或粉砂巖，儲(chǔ)層壓力梯度最大達(dá)1.19 MPa/100 m，形成了良好的封存條件。該區(qū)整體含氣量較高，越靠近向斜核部，煤層含氣量越高。以C7煤層為例，最高含氣量可達(dá) 18.8 m3/t；C2，C3，C7，C8等 4 套煤層總厚度大于 7 m；煤層埋深適中，C8煤層埋深介于300～800 m?？傊?，該區(qū)成藏條件有利于煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)。

3 結(jié)論

1）川南筠連區(qū)塊煤層氣具有“一小五高”的成藏特征，即煤層單層厚度小、含氣量高、含氣飽和度高、儲(chǔ)層壓力梯度高、臨儲(chǔ)比高、滲透率相對(duì)較高等，這些特征利于煤層氣的解吸產(chǎn)出。

2）根據(jù)煤層氣主控因素的配置關(guān)系，認(rèn)為寬緩向斜是研究區(qū)煤層氣富集的主要區(qū)域之一，是研究區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要方向之一。

3）預(yù)測(cè)了川南地區(qū)筠連區(qū)塊的沐愛(ài)向斜、羅場(chǎng)向斜、建武向斜等3個(gè)富集有利目標(biāo)區(qū)，為下步川南地區(qū)勘探部署提供了依據(jù)。