三塘湖盆地低階煤煤層氣成藏主控因素

涂志民，王興剛，車延前，張士釗，李鵬，曹志雄

（1.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國石油 吐哈油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密 839009）

新疆擁有豐富的煤層氣資源，且以低階煤煤層氣為主，埋深小于2 000 m 的煤層氣資源量為9.5×1012m3，約占全國的25%，其主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地、吐哈盆地和三塘湖盆地。位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣的阜康地區(qū)白楊河礦區(qū)作為中國低階煤煤層氣開發(fā)的示范區(qū)，單井日產(chǎn)氣量最高達(dá)2 522 m3，井組日產(chǎn)氣量最高達(dá)7 000 m3，取得了較好的開發(fā)效果[1]，而吐哈盆地和三塘湖盆地一直未有較好的勘探發(fā)現(xiàn)。2006 年，對三塘湖盆地馬18 井西山窯組單煤層（1 151.0～1 154.0 m）進(jìn)行壓裂后，最大日產(chǎn)氣量127 m3[2]；2015年，新疆煤田地質(zhì)局在三塘湖盆地施工了21 口探井和生產(chǎn)試驗(yàn)井，生產(chǎn)試驗(yàn)井最高產(chǎn)氣量為317 m3/d[3]。由于鉆探區(qū)域含氣量較低或工程工藝不匹配，均未取得理想的勘探效果。2018 年，中國石油煤層氣有限責(zé)任公司會同吐哈油田，對吐哈盆地和三塘湖盆地煤層氣進(jìn)行聯(lián)合勘探攻關(guān)，在該區(qū)前期失利井原因分析基礎(chǔ)上，對有利區(qū)進(jìn)行了重新認(rèn)識，優(yōu)選馬朗凹陷為攻關(guān)目標(biāo)區(qū)，并于當(dāng)年5 月在三塘湖盆地馬朗凹陷實(shí)施完成了T1井組8口井的鉆探以及老油井M491井的煤層氣復(fù)試，均按照前期煤層氣公司在成熟區(qū)塊形成的煤儲集層壓裂和排采工藝進(jìn)行實(shí)施?，F(xiàn)T1 井組中有1 口井日產(chǎn)氣量超過2 000 m3，并能夠持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)，井組日產(chǎn)氣量超過7 000 m3，實(shí)現(xiàn)了該區(qū)低階煤煤層氣的勘探突破，揭示了三塘湖盆地煤層氣的勘探潛力。

前人對低階煤煤層氣富集及成藏特征方面開展過針對性研究，取得了許多進(jìn)展。例如，以二連盆地巴彥凹陷為例，對低階煤煤層氣成藏關(guān)鍵因素進(jìn)行總結(jié)，建立針對性評價(jià)方法，進(jìn)行有利區(qū)優(yōu)選[4]；通過對比美國粉河盆地與中國準(zhǔn)噶爾盆地水文地質(zhì)條件對低階煤煤層氣成藏的影響，明確了水文地質(zhì)條件是低階煤煤層氣富集的重要影響因素，確定了二次生物氣的來源[5]；通過綜合分析低階煤煤層氣成藏影響因素，建立了低階煤煤層氣深部承壓式—超壓成藏模式、盆緣緩坡晚期生物氣成藏模式、構(gòu)造高點(diǎn)常規(guī)圈閉水動力成藏模式等6 種成藏模式，指導(dǎo)了煤層氣的勘探實(shí)踐[6-8]。前人研究成果表明，低階煤煤層氣與中—高階煤煤層氣成藏具有顯著的差異，主要表現(xiàn)在煤層氣成因方面，低階煤煤層氣以生物氣成因?yàn)橹?，而中—高階煤煤層氣以熱成因?yàn)橹?。而水文地質(zhì)條件對于次生生物氣的生成具有舉足輕重的作用，匹配的構(gòu)造條件和頂?shù)装宸舛聴l件決定了生物氣富集的程度，從而形成了不同的低階煤煤層氣成藏模式。對于三塘湖盆地，前人在煤層氣成藏方面研究較少，主要是在煤層氣富集特征分析基礎(chǔ)上的資源前景評價(jià)、水文地質(zhì)條件對煤層氣富集的影響、煤層氣成因分析等方面進(jìn)行了研究[2-3，9]，總體上對該區(qū)低階煤煤層氣成藏規(guī)律的認(rèn)識還不深入，成藏模式還未確定，成藏主控因素還不明確。為此，在前期勘探成果基礎(chǔ)上，結(jié)合前人對該區(qū)煤層氣的研究認(rèn)識，本文對該區(qū)低階煤煤層氣成藏地質(zhì)特征及富集規(guī)律開展研究，以期對該區(qū)擴(kuò)大勘探規(guī)模提供參考。

1 地質(zhì)概況

三塘湖盆地面積約2.3×104km2，位于西伯利亞板塊南部活動大陸邊緣，受到海西運(yùn)動晚期、燕山運(yùn)動期、喜馬拉雅運(yùn)動期南北方向的強(qiáng)烈擠壓，形成了南北分帶和東西分段的構(gòu)造格局，可劃分為東北沖斷隆起帶、中央坳陷帶及西南逆沖推覆帶3 個一級構(gòu)造單元[10]。其中，中央坳陷帶自西北向東南進(jìn)一步劃分為“五凹四凸”共9個二級構(gòu)造單元，即漢水泉凹陷、石頭梅凸起、條湖凹陷、岔哈泉凸起、馬朗凹陷、方方梁凸起、淖毛湖凹陷、葦北凸起和蘇魯克凹陷[11]（圖1）。

圖1 三塘湖盆地構(gòu)造單元劃分（據(jù)文獻(xiàn)［12］修改）Fig.1.Structural units in Santanghu basin(modified from Reference[12])

馬朗凹陷位于三塘湖盆地中央坳陷帶的中南部，以大型鼻狀構(gòu)造為主要特征，除發(fā)育北西—南東走向的邊界斷層外，還主要發(fā)育2 組逆斷層，一組為近東西走向，另一組為北東—南西走向，整體上構(gòu)造較為簡單。T1 井組所鉆探區(qū)域?yàn)榻蔽鳌蠔|走向的單斜，構(gòu)造穩(wěn)定，斷層不發(fā)育，地層平緩，傾角8°～10°。主要勘探煤層屬于中侏羅統(tǒng)西山窯組，煤體結(jié)構(gòu)較簡單，發(fā)育1～2個薄煤矸層。

2 地質(zhì)特征

2.1 煤層特征

在侏羅系西山窯組煤層沉積期，研究區(qū)沉積環(huán)境主要為湖泊和辮狀河三角洲，而煤層主要發(fā)育于湖泊的濱湖沼澤環(huán)境[13-15]。煤層沉積中心在馬朗凹陷西北部，該區(qū)水體相對較淺，沉降與沉積物補(bǔ)給呈現(xiàn)均衡狀態(tài)，長時期處于濱湖沼澤環(huán)境，發(fā)育巨厚煤層。T1 井組煤層單層厚度為44～48 m，平均為46 m；而在T1 井組鄰近的油井M51井處，煤層單層厚度達(dá)61 m。往東南部延伸，沉積環(huán)境由濱湖沼澤環(huán)境逐漸演變?yōu)橐詾I—淺湖環(huán)境為主，煤層由單層變?yōu)槎鄬樱纬杀∶簩优c泥巖互層，煤層累計(jì)厚度為5～10 m。整體上該區(qū)煤層較發(fā)育，厚度較大，具有優(yōu)越的煤層氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)（圖2）。

圖2 馬朗凹陷西山窯組煤層厚度分布Fig.2.Schematic diagram of coal seam thickness of Xishanyao formation in Malang sag

不同沉積環(huán)境形成的煤層，其顯微組分存在顯著差異，具不同的煤相特征[16]。凝膠化指數(shù)為凝膠化組分與非凝膠化組分之比，其大小主要反映泥炭沼澤的覆水程度，一般凝膠化指數(shù)越大，反映環(huán)境越潮濕；結(jié)構(gòu)保存指數(shù)反映植物遭受微生物降解及自然破碎的程度，其值越大，則植物遭受微生物降解和自然破碎的程度越低，即保存得越好。T1 井組西山窯組煤層凝膠化指數(shù)一般小于1，而結(jié)構(gòu)保存指數(shù)一般大于3，說明煤巖中植物結(jié)構(gòu)保存極好，降解程度低，反映成煤植物以木本植物為主，主要為陸地森林沼澤沉積（圖3）。另外，根據(jù)鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組的比值，可將煤層劃分為4 種成因類型[17]，研究區(qū)鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組比值一般為0.1～2.0，同樣反映了沉積時水體整體較淺，基本上處于水下氧化環(huán)境。

圖3 研究區(qū)T1井組西山窯組煤層煤相判別Fig.3.Coal facies discrimination of Xishanyao coal seam in well group T1 in the study area

2.2 煤質(zhì)特征

煤質(zhì)是煤巖原始沉積環(huán)境及煤化作用過程的綜合反映，從微觀上決定了煤巖的生氣能力、儲氣能力及孔滲能力。研究區(qū)煤巖樣品鏡質(zhì)體反射率為0.48%～0.54%，平均為0.49%，為低階褐煤，主要為暗淡煤、半暗煤及半亮煤。煤體質(zhì)地堅(jiān)硬，為原生結(jié)構(gòu)煤，裂隙不發(fā)育。根據(jù)T1井組不同深度5個樣品的顯微組分，在煤層上部994.0—1 004.4 m 井段，樣品鏡質(zhì)組含量較低，為11.8%～25.3%，平均為17.13%，惰質(zhì)組含量較高，為67.8%～81.8%，平均為76.6%；在煤層下部1 022.5—1 031.5 m 井段，樣品鏡質(zhì)組含量較高，為53.1%～66.3%，平均為59.7%，惰質(zhì)組含量為26.6%～40.8%，平均為33.7%；殼質(zhì)組含量極少或未見。因此，在縱向上，由于煤層的沉積環(huán)境存在差異，其生氣能力、孔隙度和滲透率也均有差異。

2.3 含氣特征

含氣量是煤層氣富集成藏的主要因素，也決定著煤層氣藏的開發(fā)效果。在研究區(qū)T1井組取23個樣品進(jìn)行解吸試驗(yàn)，測得含氣量為3.76～6.35 m3/t，平均含氣量為4.60 m3/t，遠(yuǎn)高于低階煤開采最低含氣量1.00 m3/t 的標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的含氣條件。同時，解吸氣中甲烷含量為84.9%～89.2%，氮?dú)夂繛?.5%～13.4%，二氧化碳含量為2.2%～3.3%，解吸氣主要由甲烷組成?？傊?，該區(qū)煤層含氣性較好，厚度較大，煤層氣資源豐富。

2.4 儲集物性特征

煤巖儲集層的物性特征決定了煤層氣藏的開發(fā)條件，主要包括煤層吸附特征及孔滲特征。通過對T1井組4個樣品開展等溫吸附試驗(yàn)，測得蘭氏體積為4.73～9.01 m3/t，平均為6.98 m3/t，蘭氏體積相對較小，表明該區(qū)煤巖吸附能力較弱；蘭氏壓力較大，為1.80～4.81 MPa，平均為3.00 MPa，表明該區(qū)煤巖相對容易解吸，利于后期煤層氣解吸產(chǎn)氣。對T1井組5個樣品進(jìn)行了室內(nèi)孔滲測試，煤巖儲集層孔隙度相對較大，為7.17%～11.6%，平均為9.43%；基質(zhì)滲透率相對較小，為0.34～1.33 mD，裂隙滲透率為13.40～18.90 mD，雖然基質(zhì)滲透率相對較小，但是因裂隙發(fā)育，提高了煤巖儲集層的滲透性。

3 煤層氣成藏條件及成藏模式

3.1 煤層氣成因

低階煤煤層氣成因有3 種類型，分別是熱成因、生物成因和混合成因，不同的成因類型具有不同的煤層氣成藏演化過程，決定了相應(yīng)的勘探思路[18]。T1井組煤樣鏡質(zhì)體反射率為0.48%～0.54%，表明研究區(qū)煤巖熱演化程度較低，熱成因氣含量相對較少。另外，一般低成熟熱成因煤層氣組分中非烴類氣體含量較高，而研究區(qū)排采井氣樣組分中甲烷含量一般大于90%，同樣表明研究區(qū)煤層氣中熱成因氣含量不高。

不同成因煤層氣的C1/（C2+C3+）不同，熱成因氣該值小于100，生物成因氣該值大于1 000，熱成因與生物成因混合氣則為100～1 000[19-20]。研究區(qū)內(nèi)9 口煤層氣井井口氣樣品的C1/（C2+C3+）為496～1 569，其中7口井氣樣該值為100～1 000，只有2 口井的氣樣該值大于1 000，表明該區(qū)煤層氣主要是混合成因（圖4）。

圖4 研究區(qū)煤層氣成因判別Fig.4.CBM genesis in the study area

甲烷穩(wěn)定碳同位素也可作為判斷天然氣來源的重要指標(biāo)，δ13C1小于-55.0‰時一般為生物成因氣，反之為熱成因氣。研究區(qū)氣樣δ13C1為-63.6‰～-54.8‰，具生物成因氣特征。結(jié)合甲烷氫同位素（δDCH4），從煤層氣成因判別圖顯示主要位于混合成因區(qū)范圍（圖4）；生物氣甲烷氫同位素（δDCH4）一般為-400‰～-170‰，并且生物氣甲烷產(chǎn)生有2 種途徑，即二氧化碳還原和乙酸發(fā)酵，研究區(qū)煤層氣主要為乙酸發(fā)酵到二氧化碳還原過渡的生物成因氣。另外，地層水的地化環(huán)境對煤層生物成因氣生產(chǎn)具有重要影響，一般有利于生成生物氣的地層水溫度為0～75 ℃，pH 值為6～8，地層水礦化度小于11 000 mg/L，根據(jù)對T1 井組排采水樣分析，研究區(qū)地層水溫度一般為30～40 ℃，pH 值為7～8，地層水礦化度為6 000～11 000 mg/L，表明該區(qū)具有生物氣生成的地層水地化環(huán)境，進(jìn)一步表明該區(qū)煤層氣以生物成因氣為主，以熱成因氣為輔。

3.2 煤層氣保存條件

水文地質(zhì)條件對煤層氣成藏具有重要的影響，對煤層氣富集存在水力封堵、水力封閉及水力散失3 種作用，其主要與所在區(qū)域水動力環(huán)境有關(guān)。在徑流區(qū)，煤層氣隨著水流散失；在滯留區(qū)，由于水力的封堵或封閉作用，形成煤層氣富集有利區(qū)[9，21-22]。第四紀(jì)三塘湖盆地為干燥少雨的大陸性氣候，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，地下水徑流強(qiáng)度較弱，地下水補(bǔ)給不充分，地下水側(cè)向封堵能力普遍較弱，對煤層氣的保存能力普遍較差，造成三塘湖盆地整體上氧化面位置較深。

在此種水文地質(zhì)背景下，在三塘湖盆地不同的構(gòu)造位置，由于其接受外來水補(bǔ)給及儲水能力不同，煤層氣保存條件也存在差異。研究區(qū)所處位置能夠接受西南側(cè)的麥欽烏拉山積雪融化的雪水及大氣降水的補(bǔ)給，保證了一定的水源補(bǔ)給，同時東、西方向上以北東傾向逆斷層分別與方方梁凸起、岔哈泉凸起相接，從而形成了一個向斜儲水構(gòu)造。該區(qū)第四系松散巖類的孔隙潛水面深度小于5 m，新近系第一層承壓含水層頂界面埋深小于60 m[23]，研究區(qū)具有煤層氣保存的較好的水文地質(zhì)條件。

研究區(qū)排采水礦化度為6 000～11 000 mg/L，位于弱徑流—滯留區(qū)。T1 井組和M491 井埋深可劃分為4個深度點(diǎn)，分別為900 m、1 000 m、1 100 m和1 500 m，而對應(yīng)的礦化度分別為7 002 mg/L、8 578 mg/L、8 950 mg/L 以及10 999 mg/L，礦化度隨埋深增加而增大。因此，可以推測越往盆地的邊緣，地下水礦化度越小，即地下水由凹陷邊緣沿斜坡向下傾方向流動，從而形成了側(cè)向煤層氣封堵[24]。

構(gòu)造演化過程不僅決定了煤層的沉積發(fā)育情況，而且對煤層氣的生、聚和散過程均有較重要影響。研究區(qū)作為三塘湖盆地次級凹陷，其演化過程受盆地演化控制。在燕山運(yùn)動早—中期，三塘湖盆地進(jìn)入統(tǒng)一拗陷期，形成了全盆地廣泛發(fā)育的侏羅系煤系，為煤層氣形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。在燕山運(yùn)動晚期—喜馬拉雅運(yùn)動期，三塘湖盆地進(jìn)入再生前陸盆地演化階段，持續(xù)擠壓引起早期構(gòu)造繼承性活動，盆地南緣和北緣推覆斷裂繼續(xù)相向推覆，盆地加速沉降，發(fā)育了一套典型的山麓近緣粗碎屑堆積[11]。因此，研究區(qū)在侏羅系煤層形成以后，接受連續(xù)的沉積，發(fā)育了侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系，煤層沉積后具有穩(wěn)定的煤層氣生烴構(gòu)造背景，且上覆地層在后期未受到構(gòu)造抬升破壞，有利于煤層氣的保存。另外，鉆遇的煤層頂?shù)装寰缮罨疑鄮r組成，頂板發(fā)育一套穩(wěn)定沉積的巨厚泥巖，泥巖厚度為200～250 m，中間見少量發(fā)育的泥質(zhì)粉砂巖；底板同樣穩(wěn)定發(fā)育一套泥巖，其厚度較頂板薄，一般為5～12 m，前期該區(qū)所鉆油井同樣揭露頂?shù)装寰赡鄮r組成，表明研究區(qū)具較好的頂?shù)装宸鈸鯒l件，避免了煤層氣通過頂?shù)装暹M(jìn)行逸散?？傊?，無論從水文地質(zhì)和構(gòu)造，還是從頂?shù)装宸鈸鯒l件，馬朗凹陷均具有良好的煤層氣保存條件。

3.3 成藏模式

低階煤由于其熱演化程度較低，鏡質(zhì)體反射率小于0.65%，煤巖還未達(dá)到大量生烴階段，煤層總體含氣量相較于中—高階煤巖偏低，富集成藏需生物氣的補(bǔ)充。前人研究成果表明，低階煤煤層氣成藏主要由水文地質(zhì)條件和構(gòu)造地質(zhì)條件耦合決定，主要有深部承壓式超壓成藏模式、盆緣緩坡晚期生物氣成藏模式、構(gòu)造高點(diǎn)常規(guī)圈閉水動力成藏模式等6 種類型[6-8]。

研究區(qū)煤層氣成藏模式與盆緣緩坡晚期生物氣成藏模式具有相似的特征，大氣降水和冰雪融化水沿著南緣斜坡向凹陷內(nèi)補(bǔ)給，在合適的地層溫度、礦化度及pH值條件下，通過甲烷菌的作用生成生物氣，隨著地表水的補(bǔ)給，不斷地“溶解—運(yùn)移—再溶解—再運(yùn)移”，最后富集于斜坡的中—下部[25]。當(dāng)然，在斜坡的邊緣淺部，由于生成的生物氣通過該方式導(dǎo)致運(yùn)移散失而含氣量較低。而隨著地層埋深的增大，地層溫度隨之增加，煤層氣由以生物成因?yàn)橹髦饾u轉(zhuǎn)化為以熱成因?yàn)橹?。隨著研究區(qū)不斷構(gòu)造沉降，在原位置熱成因氣逐漸增加，在合適的深度位置形成最有利的混合成因氣富集區(qū)，形成了盆緣斜坡低階煤混合成因模式（圖5）。在研究區(qū)斜坡不同埋深位置，煤層氣成因略有不同，其煤層氣富集程度也存在一定差異，在淺層徑流區(qū)含氣量較低，往深部含氣量逐漸增加，隨著埋深進(jìn)一步增大，含氣量又逐漸降低。結(jié)合前期油井的煤層氣測資料，埋深小于500 m 為淺層徑流區(qū)，煤層含氣量低；埋深500～1 800 m為煤層高含氣區(qū)；而埋藏深度超過1 800 m后，煤層含氣量又開始降低。

圖5 研究區(qū)煤層氣成藏模式（剖面位置見圖2）Fig.5.CBM accumulation model in the study area(section location is shown in Fig.2)

3.4 成藏主控因素

低階煤煤層氣熱變質(zhì)程度較低，生烴量有限；原生生物氣埋藏淺且覆蓋巖層較疏松，難以保存，因此，煤層氣富集成藏的關(guān)鍵在于后期的次生生物氣的生成以及保存。三塘湖盆地第四紀(jì)以來的干旱氣候環(huán)境，對次生生物氣形成所需的淡水補(bǔ)給較為不利，主要依靠高山融雪補(bǔ)給。因此，水源補(bǔ)給是低階煤煤層氣成藏的首要控制因素，在水源補(bǔ)給水道流經(jīng)區(qū)域是成藏有利區(qū)，其判斷依據(jù)主要是潛水面的位置，潛水面位置越淺，補(bǔ)給水源越充足。其次，穩(wěn)定的構(gòu)造地質(zhì)背景及封擋條件，是確保次生生物氣生成后能夠保存下來的關(guān)鍵。因此，該區(qū)之所以低階煤煤層氣富集成藏，主要由穩(wěn)定的地表水補(bǔ)給、持續(xù)的構(gòu)造沉降及良好的頂?shù)装迥鄮r封擋條件共同控制，其中在干旱氣候條件下地表水能否穩(wěn)定補(bǔ)給，是煤層氣能否成藏最為關(guān)鍵的因素。

總之，研究區(qū)具有較好低階煤煤層氣成藏條件，是煤層氣富集有利區(qū)域，但是T1井組8口井實(shí)施后產(chǎn)氣效果差異較大，該井組8 口井均為直井，采用菱形井網(wǎng)，井距為350 m×350 m 和200 m×200 m，并針對巨厚煤層采用了2 段合壓、2 段和3 段分壓進(jìn)行壓裂改造，采用了活性水和胍膠2種壓裂液體系。經(jīng)過近3年的排采生產(chǎn)，T1-5 井和T1-6 井日產(chǎn)氣超過1 000 m3，其余井日產(chǎn)氣一般小于500 m3?？碧綄?shí)踐表明，研究區(qū)具有低階煤勘探的資源潛力，也證實(shí)了該區(qū)煤層氣成藏富集特征；井組之間日產(chǎn)氣量差異較大，主要原因在于壓裂改造方面，T1-5 井和T1-6 井壓裂規(guī)模比其他井增加了1倍，在2 m 的射孔厚度下，加入壓裂液近2 700 m3、加砂130 m3，這是該2 口井產(chǎn)氣量較高的主要原因。因此，壓裂改造是該區(qū)巨厚煤層氣能否把資源轉(zhuǎn)化為產(chǎn)量的關(guān)鍵。因本文主要是針對成藏條件方面開展研究，而對產(chǎn)能差異原因未做詳細(xì)深入分析，僅指出了目前的研究結(jié)論，下步該區(qū)的勘探實(shí)施主要依據(jù)該勘探思路進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定，斷層不發(fā)育；煤層厚度大、分布穩(wěn)定；含氣量較高，煤巖煤質(zhì)較好，儲集物性較好；顯示了該區(qū)煤層氣資源量較大，煤巖煤質(zhì)利于煤層氣開發(fā)。

（2）在盆緣斜坡區(qū)有利的山區(qū)融化雪水和地表水補(bǔ)給生成次生生物氣與中—深部煤層熱成因氣的補(bǔ)充，以及有利的頂?shù)装宸鈸鯒l件，形成了盆緣斜坡低階煤混合成因模式煤層氣藏。

（3）水源補(bǔ)給條件、構(gòu)造地質(zhì)條件及頂?shù)装宸鈸躐詈鲜窃搮^(qū)低階煤層氣成藏主控因素，其中穩(wěn)定的水源補(bǔ)給是該區(qū)煤層氣成藏首要關(guān)鍵因素，為在三塘湖盆地尋找煤層氣富集區(qū)提供了勘探思路。