低煤階煤層氣成藏機制與勘探突破
——以吐哈—三塘湖盆地為例

匡立春 溫聲明 李樹新 范譚廣 田文廣王興剛 祁 靈 應(yīng) 勇 毛得雷 李 翔

1.中國石油天然氣集團有限公司科技管理部 2.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司3.中國石油吐哈油田公司勘探開發(fā)研究院 4.中國石油勘探開發(fā)研究院

0 引言

吐哈—三塘湖盆地是典型的低階煤聚煤盆地，煤系地層分布面積約3.16×104km2，低煤階煤層氣資源豐富，是該盆地天然氣勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域。吐哈—三塘湖盆地煤層氣勘探始于2000年，經(jīng)歷了早期地質(zhì)研究、勘探試驗、對外合作、排采試驗、深層試采、重新評價勘探等過程。前期研究主要注重中淺層煤層氣成因與水文地質(zhì)條件[1-3]，在煤層氣富集主控因素、淺部煤層氣與深部煤系氣富集模式、有利勘探方向等方面缺乏系統(tǒng)研究，煤層氣勘探一直未獲突破。為此，筆者在梳理吐哈—三塘湖盆地煤層氣地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地分析和總結(jié)了該盆地煤層氣富集主控因素、淺部煤層氣和深部煤系氣富集成藏模式，明確了淺部煤層氣和深部煤系氣富集的有利區(qū)，以期對該區(qū)淺部煤層氣和深部煤系氣的勘探開發(fā)提供參考。

1 煤層氣地質(zhì)特征

1.1 煤層分布特征

吐哈—三塘湖盆地煤層發(fā)育且分布廣泛，縱向上煤層主要發(fā)育于中侏羅統(tǒng)水西溝群西山窯組（J2x）和下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b），以西山窯組為主。吐哈盆地煤層層數(shù)最多達(dá)到110層，但以1 m左右的薄煤層居多，厚煤層主要分布于西山窯組中上部，煤層單層最厚超過80 m。三塘湖盆地西山窯組煤層層數(shù)最多超過15層，厚煤層主要分布于西山窯組中上部，煤層單層最厚超過60 m。平面上，吐哈盆地厚煤層主要發(fā)育在臺北凹陷北部山前帶、沙爾湖凹陷、大南湖凹陷等聚煤中心，臺北凹陷煤層發(fā)育具有北厚南薄的特征，臺北凹陷北部山前帶煤層總厚度介于90～216 m。沙爾湖凹陷聚煤中心區(qū)煤層累計厚度超過150 m，由東北向西南減薄。大南湖凹陷聚煤中心煤層累計厚度超過50 m，由凹陷中心向四周逐漸減?。▓D1）。三塘湖盆地厚煤層主要發(fā)育在條湖凹陷、馬朗凹陷北部斜坡帶、淖毛湖凹陷等聚煤中心，條湖凹陷中部、馬朗凹陷北部斜坡煤層最發(fā)育，煤層累計厚度超過50 m，淖毛湖凹陷煤層累計厚度一般介于20～40 m，在各凹陷內(nèi)，厚煤層主要分布在各凹陷中部偏北，向南明顯減薄尖滅（圖2）。

圖1 吐哈盆地侏羅系煤層分布與地層柱狀圖

圖2 三塘湖盆地侏羅系煤層分布與地層柱狀圖

1.2 煤儲層特征

吐哈—三塘湖盆地煤巖類型以暗淡煤為主，其次為半暗煤和半亮煤。煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主，其次為碎裂煤。煤巖顯微組分具有低殼質(zhì)組、較低鏡質(zhì)組（腐殖組）和較高惰質(zhì)組，中—低水分、低灰分、高揮發(fā)分等特征（表1）。鏡質(zhì)組（腐殖組）含量在吐哈盆地核桃溝—柯柯亞構(gòu)造帶和疙瘩臺構(gòu)造帶南緣地區(qū)一般超過60%，其他地區(qū)一般介于40%～50%；惰質(zhì)組含量在核桃溝—柯柯亞構(gòu)造帶和疙瘩臺構(gòu)造帶南緣地區(qū)一般介于10%～25%，其他地區(qū)一般介于35%～50%；殼質(zhì)組含量在疙瘩臺構(gòu)造帶南緣和沙爾湖凹陷較高，一般介于10%～20%，其他地區(qū)一般低于5%。

表1 吐哈—三塘湖盆地煤巖組分參數(shù)表

吐哈—三塘湖盆地不同地區(qū)煤巖孔隙度和滲透率差異較大，主要受埋深影響。吐哈盆地沙爾湖凹陷及大南湖凹陷的東部與西北部、三塘湖盆地條湖凹陷東部和馬朗凹陷北部斜坡帶煤層埋深較淺，煤巖基質(zhì)孔隙度一般超過8%，其他地區(qū)煤層埋深一般大于1 000 m，煤巖基質(zhì)孔隙度一般小于6%（表2）。煤巖滲透率主要受煤層埋深和煤體結(jié)構(gòu)影響，隨煤層埋深增大滲透率降低，埋深小于1 000 m的煤層滲透率介于3～5 mD；原生塊狀結(jié)構(gòu)的煤巖滲透性不及碎裂結(jié)構(gòu)煤，主要由于碎裂煤裂隙較原生塊狀煤發(fā)育。另外，鏡質(zhì)組（腐殖組）含量比較高的煤巖割理比較發(fā)育，可改善煤巖的滲透性。

表2 吐哈—三塘湖盆地煤巖儲層參數(shù)表

吐哈—三塘湖盆地煤巖熱演化程度（Ro）總體隨埋藏深度增加而增加，吐哈盆地臺北凹陷南緣、沙爾湖凹陷、大南湖凹陷和三塘湖盆地大部分地區(qū)的煤層埋藏小于1 500 m，Ro一般小于0.65%，吐哈盆地臺北凹陷核桃溝—柯柯亞構(gòu)造帶最大埋深超過4 000 m，Ro可達(dá) 1.00%（表2）。

1.3 煤層含氣性特征及其成因

吐哈盆地煤巖實測含氣量介于0.15～7.24 m3/t，三塘湖盆地煤巖含氣量介于1.71～10.00 m3/t，含氣量高的地區(qū)主要分布于吐哈盆地臺北凹陷的核桃溝—柯柯亞構(gòu)造帶以及三塘湖盆地馬朗凹陷北部斜坡帶、淖毛湖凹陷（表2）。

統(tǒng)計吐哈—三塘湖盆地主要煤層地區(qū)氣井的煤層氣實測氣組分與同位素數(shù)據(jù)（表3），通過煤層氣成因判識圖版判別，發(fā)現(xiàn)吐哈—三塘湖盆地低煤階煤層氣成因類型主要為生物氣、運移熱成因氣（圖3-a）。生物氣生氣途徑以二氧化碳還原型氣為主，未發(fā)現(xiàn)乙酸發(fā)酵型氣（圖3-b）。從分布區(qū)域來看，吐哈盆地南部沙爾湖凹陷、大南湖凹陷等地區(qū)為生物成因氣，推測為早期原生生物氣，含氣量一般低于1.00 m3/t；三塘湖盆地的馬朗凹陷北部斜坡帶和條湖凹陷具有二氧化碳還原型生物成因和運移熱成因特征的混合成因（圖3）。

表3 吐哈—三塘湖盆地煤層氣組分與同位素數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖3 吐哈—三塘湖盆地煤層氣成因判識圖

2 煤層氣富集主控因素

2.1 古地貌與古環(huán)境控制煤層發(fā)育程度

受古地貌和古環(huán)境控制，吐哈盆地臺北凹陷、大南湖凹陷和沙爾湖凹陷，以及三塘湖盆地條湖凹陷和馬朗凹陷北部斜坡帶主要發(fā)育辮狀河三角洲和湖泊沼澤沉積體系，煤層穩(wěn)定發(fā)育，厚煤層大多分布在最大湖泛面附近的湖侵體系域末期和高位體系域早期，該時期較快的可容空間增加速率與較快的泥炭堆積速率之間平衡，有利于厚煤層的聚集[6]。吐哈盆地南部為河流和扇三角洲沉積體系，煤層主要發(fā)育于河漫沼澤、扇三角洲前緣濱湖沼澤，煤層厚度小、橫向變化快。

縱向上，吐哈盆地和三塘湖盆地具有相似的沉積特征。八道灣組主要發(fā)育河流沉積體系，砂巖發(fā)育，煤層主要發(fā)育在八道灣組的中下部，煤層層數(shù)多，單層薄，與砂巖互層；西山窯組主要發(fā)育三角洲、湖泊沉積體系，主力煤層位于西山窯組中上部，煤層厚度大且分布穩(wěn)定。

2.2 穩(wěn)定的正向構(gòu)造控制煤層氣富集程度

吐哈—三塘湖盆地煤層氣受局部構(gòu)造控制明顯。吐哈盆地存在7個氣測異常高值區(qū)，都對應(yīng)著7個正向構(gòu)造帶，分別為核桃溝—柯柯亞、鄯勒、照壁山—紅旗坎、鄯善—溫吉桑、疙瘩臺、條湖凹陷東部—馬朗凹陷北部斜坡帶和條湖凹陷中部等正向構(gòu)造帶?？驴聛啞颂覝蠘?gòu)造帶氣測全烴值介于20%～50%，最高值為 85%（H6 井井段 1 410 ～ 1 416 m），鄯善—溫吉桑構(gòu)造帶氣測全烴值介于20%～80%，照壁山—紅旗坎構(gòu)造帶氣測全烴值介于10%～50%，疙瘩臺構(gòu)造帶氣測全烴值介于20%～60%。構(gòu)造高部位斷層不發(fā)育，氣測異常高值區(qū)主要分布于構(gòu)造較高部位，向構(gòu)造翼部氣測異常值降低，表明穩(wěn)定的正向構(gòu)造是煤層氣富集指向區(qū)，煤層氣相對富集。

2.3 頂?shù)装宸€(wěn)定的泥巖封蓋條件是煤層氣富集的必要條件

頂?shù)装宓姆忾]性取決于其巖性和厚度。對于大部分煤層氣藏來說，煤儲層基本為欠壓—正常壓力，因此，蓋層厚度3 m即可封閉甲烷的垂向運移。吐哈—三塘湖盆地煤層頂?shù)装鍘r性分布主要受控于盆地內(nèi)沉積環(huán)境的變遷，條湖凹陷東部—馬朗凹陷北部斜坡帶、條湖凹陷中部、核桃溝—柯柯亞、鄯善—溫吉桑、疙瘩臺等構(gòu)造帶頂?shù)装鍘r性主要為泥巖和碳質(zhì)泥巖，起到很好的封閉作用；局部地區(qū)發(fā)育辮狀河三角洲前緣砂體，封閉能力變差，鉆井過程中砂巖段易見氣測異常和油氣顯示，如K19井井段3 180～3 395 m煤層間砂巖油氣顯示較好，常規(guī)試氣日產(chǎn)氣量為12 742 m3；條湖凹陷東斜坡、條湖凹陷南緣、漢水泉凹陷南緣、托克遜凹陷北部構(gòu)造帶等地區(qū)頂板或底板或頂?shù)装鍘r性以砂巖為主，對煤層氣的封閉性較差，鉆井過程中氣測顯示較少甚至無，表明煤巖含氣量較小，煤層氣富集程度低。

2.4 地表水補給是晚期生物氣生成和富集的關(guān)鍵

充足的地表水補給不僅有利于中低煤階煤層晚期生物氣的生成，還可以形成承壓水封堵，有利于煤層氣的保存。低煤階煤層氣熱成因生氣量不足，晚期生物氣補充尤為重要。美國粉河盆地、澳大利亞蘇拉特盆地都存在晚期生物氣的補充[7-8]；中國準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段阜康—大黃山地區(qū)、鄂爾多斯盆地彬縣地區(qū)和保德地區(qū)、二連盆地霍林河凹陷和吉爾嘎朗圖凹陷等中低煤階煤層氣富集有利區(qū)也都存在晚期生物氣的補充[9-14]。

吐哈盆地南部和北部水文地質(zhì)條件差異明顯。盆地南部缺乏地表水的補給，干旱氣候?qū)е略搮^(qū)潛水面不斷加深，礦化度持續(xù)升高，沙爾湖凹陷煤層水礦化度超過 30 000 mg/L，水型為 CaCl2型（表4），不利于晚期生物氣的生成，煤層含氣量0.15～3.19 m3/t，一般小于1.00 m3/t。另外，由于缺少承壓水封堵，大南湖凹陷、沙爾湖凹陷等地區(qū)甲烷風(fēng)化帶深度超過1 000 m。盆地北緣存在冰雪溶水補充，地層水礦化度一般介于 3 000 ～ 7 000 mg/L，水型為NaHCO3型（表4），有利于晚期生物氣生成，并可形成承壓水封堵，有利于煤層氣保存，該區(qū)煤層含氣量較高，如核桃溝—柯柯亞構(gòu)造帶實測含氣量一般可達(dá) 7.00 m3/t。

表4 吐哈—三塘湖盆地水文地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計表

三塘湖盆地周緣部分山系常年積雪，冰雪溶水沿盆地邊緣斷裂滲入煤層，煤層水礦化度較低，一般介于 1 000 ～ 11 000 mg/L（表4），有利于晚期生物氣生成，馬朗凹陷北部斜坡帶既有生物成因氣又有熱成因氣（圖3）。T15井煤巖Ro介于0.39%～0.46%，煤層甲烷δ13C介于－52.6‰～－53.1‰，煤層中存在晚期生物氣源和熱成因氣補充[15]。另外，地表水的持續(xù)補給，形成承壓水封堵，有利于煤層氣保存[1]。三塘湖盆地甲烷風(fēng)化帶深度一般介于400～1 000 m[16]，條湖凹陷和馬朗凹陷甲烷風(fēng)化帶深度一般介于300～400 m，最深不超過600 m，煤巖含氣量一般高于 3.00 m3/t，最高可達(dá) 7.00 m3/t（表2）。

3 煤層氣成藏模式

根據(jù)構(gòu)造背景、埋藏深度、煤巖發(fā)育程度和組合關(guān)系、氣成因和水文地質(zhì)條件，構(gòu)建了吐哈—三塘湖盆地4種煤層氣成藏模式。

3.1 緩坡區(qū)多氣源補給煤層氣成藏模式

以三塘湖盆地為例，西山窯組煤層主要位于盆地北部斜坡區(qū)，北部露頭區(qū)接受大氣降水和冰雪融水補給，充足的地表水補給有利于晚期生物氣的生成[13]。同時，該區(qū)深部煤巖Ro達(dá)到0.80%，熱模擬結(jié)果表明，每噸煤熱成因生氣量超過18 m3[14]。三塘湖盆地馬朗凹陷北部斜坡帶、條湖凹陷中部洼槽區(qū)甲烷δ13C介于－64.1‰～－52.6‰，甲烷δD介于－268‰～－215‰（表3），顯示具有混合成因氣的特征（圖3），表明熱成因氣和晚期生物氣在斜坡區(qū)弱徑流—滯留的承壓水封閉條件下富集成藏（圖4）。在洼槽區(qū)靠近凹陷陡帶一側(cè)，由于受到扇三角洲沉積影響，煤層頂?shù)装鍨樯皫r，其封蓋作用變差，煤層氣發(fā)生縱向逸散作用，含氣量降低，形成煤層氣低豐度區(qū)。

圖4 盆地緩坡區(qū)多氣源補給煤層氣成藏模式圖

3.2 山前帶復(fù)雜斷塊淺層煤層生物氣、深部砂煤共儲煤系氣成藏模式

吐哈盆地臺北凹陷北部山前帶淺部煤層熱演化程度較低，受北部山前帶冰雪融水補給，地層水礦化度相對較低，水型以NaHCO3型為主，適合生物成因氣大量生成，甲烷δ13C介于－62.97‰～－63.69‰，煤層氣以生物成因氣為主，局部存在熱成因氣補充。深部煤巖已進(jìn)入熱成因生氣階段，煤層氣測全烴值整體隨著熱演化成度增加而增大，煤層含氣量受熱成熟度控制明顯。同時，煤層氣通過斷層等通道向附近砂巖層運移，離煤層越近的砂巖，氣測全烴值越高，形成山前帶復(fù)雜斷塊區(qū)淺層煤層氣、深部砂煤共儲煤系氣成藏模式（圖5）。核桃溝—柯柯亞構(gòu)造帶已在煤層和砂巖層中獲得氣流，形成砂煤共儲煤系氣富集，可進(jìn)行煤系氣綜合勘探。

圖5 山前帶復(fù)雜斷塊區(qū)淺層煤層生物氣、深部砂煤共儲煤系氣成藏模式圖

3.3 殘余凹陷深部洼槽區(qū)煤層氣成藏模式

吐哈盆地南部發(fā)育多個獨立的侏羅系殘余含煤沉積凹陷。以沙爾湖凹陷為例，該凹陷東洼槽沉積了巨厚的煤層，煤巖演化程度低，Ro一般低于0.60%，未進(jìn)入熱成因氣大量生氣階段，同時該區(qū)南部緊鄰戈壁灘，氣候干旱，缺乏地表水的補充，地層水礦化度較高，最高達(dá)到36 277 mg/L，水型為CaCl2型，不利于晚期生物氣生成；潛水面較深，煤層風(fēng)氧化帶的深度達(dá)500～800 m，煤層含氣量一般小于1.00 m3/t，凹陷深部洼槽區(qū)煤巖Ro介于0.35%～0.47%，甲烷δ13C介于－61.00‰～－58.40‰，為早期原生生物氣[1,17]（圖6）。

圖6 殘余凹陷深部洼槽區(qū)煤層氣成藏模式圖

4 煤層氣勘探成效及有利勘探方向

4.1 勘探成效

基于以上認(rèn)識，吐哈—三塘湖盆地煤層氣勘探試驗區(qū)域由煤層埋深較淺的哈密凹陷、沙爾湖凹陷、艾丁湖斜坡向煤層埋深較深的臺北凹陷和三塘湖盆地轉(zhuǎn)移。優(yōu)選三塘湖盆地馬朗凹陷北部斜坡帶鉆探T1井組（8口井），其中T1井鉆遇西山窯組煤層單層厚度為39.8 m，現(xiàn)場解吸原煤基含氣量平均值為4.17 m3/t，空氣干燥基含氣量平均值為4.69 m3/t，已排采 1 300 d，累計產(chǎn)氣量超過 22×104m3。T1-5井對井段 1 083 ～ 1 085 m、1 092 ～ 1 094 m、1 121～1 123 m進(jìn)行活性水加砂壓裂，最高日產(chǎn)氣量 2 297 m3（圖7）。T1-6 井井段對 1 009 ～ 1 013 m、1 042～1 044 m進(jìn)行活性水加砂壓裂，最高日產(chǎn)氣量為1 467 m3。T1井組8口井全部產(chǎn)氣，前期平均單井日產(chǎn)氣量超過700 m3，目前，井組已累計生產(chǎn)800 d，累計產(chǎn)氣量超過 250×104m3。吐哈—三塘湖盆地首次獲得煤層氣工業(yè)氣流，取得煤層氣勘探的實質(zhì)性突破，證實低煤階厚煤層煤層氣具有良好的勘探開發(fā)前景，對該區(qū)煤層氣和煤系氣資源的勘探開發(fā)具有重要的導(dǎo)向意義。

圖7 T1-5井排采曲線圖

4.2 煤層氣有利勘探方向

結(jié)合吐哈—三塘湖盆地煤層氣勘探實踐，選取單煤層厚度、含氣量、資源豐度、埋藏深度、頂?shù)装鍡l件、構(gòu)造、水文條件等參數(shù)，評價出三塘湖盆地條湖凹陷—馬朗凹陷北部斜坡帶、吐哈盆地臺北凹陷北部山前帶西段淺層為煤層氣最有利目標(biāo)區(qū)，吐哈盆地沙爾湖凹陷東洼槽區(qū)、三塘湖盆地淖毛湖凹陷東部是煤層氣較有利目標(biāo)區(qū)（圖8）。

圖8 吐哈—三塘湖盆地煤層氣勘探有利區(qū)分布圖

在煤層氣評價基礎(chǔ)上，綜合考慮煤系沉積相帶、砂巖料度、物性、有效厚度、構(gòu)造圈閉、油氣顯示等參數(shù)，評價吐哈盆地臺北凹陷核桃溝—柯柯亞、鄯勒、照壁山—紅旗坎、鄯善—溫吉桑、疙瘩臺構(gòu)造帶以及三塘湖盆地條湖凹陷中部構(gòu)造帶是煤系氣富集有利區(qū)（圖8）。

另外，研究結(jié)果表明，吐哈—三塘湖盆地2 000 m以深的煤層氣地質(zhì)資源量為10.60×1012m3，可采資源量為1.55×1012m3[18]。隨著美國Piceance盆地白河凸起深部煤層氣開發(fā)先導(dǎo)性試驗取得成功[19-20]，我國鄂爾多斯盆地臨興、延川南等中深層煤層氣實現(xiàn)規(guī)模效益開發(fā)[21-23]，準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起、鄂爾多斯盆地大寧—吉縣區(qū)塊深部8號煤層等深部煤層氣試采不斷獲得突破[24-25]，展示吐哈—三塘湖盆地深部煤層氣資源也具有良好的勘探開發(fā)前景。

5 結(jié)論

1）吐哈—三塘湖盆地古地貌和古環(huán)境控制煤巖的發(fā)育程度，煤巖演化程度控制煤層氣的成因和含氣量，穩(wěn)定的正向構(gòu)造是煤層氣富集指向區(qū)，頂?shù)装宸€(wěn)定的泥巖封蓋條件是煤層氣富集的必要條件，地表水補給是晚期生物氣生成和富集的關(guān)鍵。

2）吐哈—三塘湖盆地可劃分出緩坡區(qū)多氣源補給煤層氣成藏、山前帶復(fù)雜斷塊淺層煤層氣、深部砂煤共儲煤系氣成藏以及殘余凹陷深部洼槽區(qū)煤層氣成藏4種成藏模式。

3）三塘湖盆地條湖凹陷—馬朗凹陷北部斜坡帶、吐哈盆地臺北凹陷北部山前帶西段淺層是煤層氣最有利目標(biāo)區(qū)；三塘湖盆地淖毛湖凹陷淺層、吐哈盆地沙爾湖東洼槽區(qū)是煤層氣較有利目標(biāo)區(qū)；吐哈盆地臺北凹陷核桃溝—柯柯亞、鄯勒、照壁山—紅旗坎、鄯善—溫吉桑、疙瘩臺構(gòu)造帶以及三塘湖盆地條湖凹陷中部構(gòu)造帶是煤系氣富集有利區(qū)。

4）低煤階厚煤層煤層氣可以獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，吐哈—三塘湖盆地深部煤層氣資源具有良好的勘探開發(fā)前景。