川南宜賓地區(qū)煤層氣資源潛力及有利區(qū)優(yōu)選

喻廷旭，金 濤，羅 勇，尹中山，朱韓友，田明才

(1.四川省煤田地質(zhì)局,四川 成都 610072；2.中國(guó)石油西南油氣田公司,四川 成都 610051；3.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

0 引 言

川南地區(qū)煤層氣勘探已有20余年，2010年，古敘礦區(qū)大村井田3口排采試驗(yàn)井開始產(chǎn)氣，單井日產(chǎn)氣800～1 700 m3,率先并推動(dòng)了南方多、薄煤層煤層氣的勘探開發(fā)[1-3]。2011年，浙江油田在研究區(qū)南面的筠連沐愛頁(yè)巖氣鉆探過(guò)程中發(fā)現(xiàn)上二疊統(tǒng)宣威組含煤地層氣測(cè)顯示強(qiáng)烈，經(jīng)壓裂排采煤層氣日產(chǎn)量達(dá)1 000 m3以上，浙江油田依托川南地區(qū)已有的頁(yè)巖氣地震資料、鉆井認(rèn)識(shí)，快速推進(jìn)煤層氣勘探評(píng)價(jià)和先導(dǎo)試驗(yàn)工作[4-5]，2016年提交了筠連沐愛核心區(qū)煤層氣探明儲(chǔ)量93.84億m3，目前已建成煤層氣2.5億m3產(chǎn)能。2017年，四川省煤田地質(zhì)局在研究區(qū)內(nèi)實(shí)施的川高參1井獲得最高日產(chǎn)氣量達(dá)8 300 m3的高產(chǎn)，創(chuàng)下目前南方地區(qū)煤層氣直井單井最高日產(chǎn)氣量和最高穩(wěn)定日產(chǎn)氣量紀(jì)錄，再次證實(shí)川南地區(qū)煤層氣資源前景可觀[6]。川南宜賓地區(qū)作為川南煤層氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)，近年來(lái)在局部地區(qū)取得突破，為推進(jìn)該區(qū)煤層氣大規(guī)模商業(yè)開發(fā)，優(yōu)選出煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)顯得尤為關(guān)鍵，本文在利用區(qū)內(nèi)大量煤炭勘查取得的煤層厚度、埋深、煤體結(jié)構(gòu)、瓦斯數(shù)據(jù)等地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合頁(yè)巖氣、煤層氣勘查取得的巖心、測(cè)井、試井、現(xiàn)場(chǎng)解吸及分析測(cè)試等資料，同時(shí)考慮到川南地區(qū)煤層具有層數(shù)多、單層厚度薄的特點(diǎn)，首次將“煤層集中度”(反映煤層氣主力煤層層間距離的參數(shù)，主力煤層間距越小越有利于后期壓裂合層排采)納入煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)體系，并采用多因素加權(quán)求和法優(yōu)選出煤層氣有利區(qū)并計(jì)算出煤層氣資源量，以期為下一步該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)提供技術(shù)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

川南宜賓地區(qū)位于四川盆地南緣的敘永-筠連疊加褶皺帶，區(qū)內(nèi)以北東向橫排褶皺構(gòu)造為主，主體構(gòu)造為珙長(zhǎng)背斜、羅場(chǎng)向斜和建武向斜(圖1)。珙長(zhǎng)背斜北陡南緩，北翼地層傾角40°～80°，南翼10°～20°，羅場(chǎng)向斜位于區(qū)內(nèi)西部，該向斜軸線走向?yàn)榻鼥|西向，向斜南翼地層較陡，傾角較大，除核部的沙溪廟組地層約為10°外，一般在25°～40°；北翼地層較平緩，傾角較小，一般在5°～15°。建武向斜位于區(qū)內(nèi)東部，軸線走向?yàn)榻鼥|西向，向斜南北兩翼地層傾角都很平緩，傾角除個(gè)別地方外，一般在5°～10°。區(qū)內(nèi)東部地區(qū)存在部分小型斷層，總體上，該區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，有利于煤層氣保存。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要Fig.1 Structural outline map of the study area

該區(qū)煤層氣目的層位為上二疊統(tǒng)宣威組和龍?zhí)督M，宣威組和龍?zhí)督M是晚二疊世沉積的同期異相產(chǎn)物[7-8]，西部宣威組上段波狀層理、脈狀層理發(fā)育，潮汐層理間斷出現(xiàn)，屬潮坪沉積環(huán)境，宣威組下段見平行層理、交錯(cuò)層理、沖刷構(gòu)造，為沖積平原河流沉積環(huán)境。東部龍?zhí)督M含煤地層波狀層理、水平層理、平行層理發(fā)育，巖性主要為粉-細(xì)砂巖，少見粗碎屑巖，以三角洲平原沉積為主。晚二疊世早期(吳家坪期)，區(qū)內(nèi)上羅以西為一廣闊的沖積平原環(huán)境，在峨眉山玄武巖基底上沉積了一套以泥質(zhì)巖、碎屑巖為主的陸相河流、湖泊沉積，含煤性差，為宣威組下段地層；往東逐漸過(guò)渡為三角洲海陸交互相沉積，含煤性變好，具可采煤層，為龍?zhí)督M。在晚二疊世晚期(長(zhǎng)興期)，由于海岸線由東不斷向西推進(jìn)，使本區(qū)九絲城以西處于海陸交互相潮坪沉積環(huán)境，沉積了有數(shù)層可采煤層的宣威組上段組含煤地層；東部則相變?yōu)樘妓猁}臺(tái)地沉積環(huán)境，沉積了長(zhǎng)興組灰?guī)r地層，并呈現(xiàn)出長(zhǎng)興組灰?guī)r厚度自西往東逐漸增厚的趨勢(shì)。由于沉積環(huán)境差異的影響，東西部煤層垂向分布差異較大，C1～C10煤層在西部宣威組上段較發(fā)育，東部龍?zhí)督M不發(fā)育，C11～C25煤層在東部龍?zhí)督M發(fā)育，在西部宣威組下段不發(fā)育，中部地區(qū)，宣威組上段C6～C10煤層發(fā)育且宣威組下段C24～C25煤層也見局部可采。受沉積環(huán)境影響，西部宣威組上段潮坪相含煤沉積煤層單層厚度較大，且煤層較為集中，橫向發(fā)育較為穩(wěn)定，龍?zhí)督M煤層主要發(fā)育在三角洲平原河漫沼澤微相，煤層受三角洲沉積變遷影響，垂向分布較為分散且橫向連續(xù)性相對(duì)較差(圖2)。

圖2 煤層連井剖面對(duì)比Fig.2 Cross section comparison of coal seams

2 煤層氣地質(zhì)條件

2.1 煤層分布

平面上，宣威組和龍?zhí)督M可采煤層總厚度變化較大，總體呈現(xiàn)出從西到東可采煤層總厚度減薄趨勢(shì)，在孝兒-九絲城一帶厚度最厚，達(dá)8.00 m以上，九絲城以東，總厚度普遍低于5.00 m。宣威組含可采煤層3～7層，煤層總厚3.68～10.02 m，平均厚6.28 m，龍?zhí)督M含可采煤層10余層，煤層總厚3.61～6.42 m，平均厚5.06 m。區(qū)內(nèi)宣威組上段C7和C8煤層較集中，且單層厚度較大，有利于后期合層壓裂排采，為區(qū)內(nèi)煤層氣開發(fā)的主要目的層，C7和C8煤層一般垂向間距1～5 m，局部地區(qū)兩煤層合并，形成厚度大于5.00 m的厚煤層，C7和C8兩層煤總厚1.05～6.00 m，孝兒鎮(zhèn)-上羅鎮(zhèn)地區(qū)兩層煤層總厚最大，達(dá)4.00 m以上(圖3)，其中C7煤層單層厚度0.61～3.30 m，平均厚度1.64 m。平面上在上羅和文江地區(qū)該層煤厚度最大，達(dá)3.00 m以上；C8煤層單層厚度0.72～4.02 m，平均厚度1.80 m。總體上，本區(qū)C7和C8煤層總厚度較筠連沐愛地區(qū)厚度5 m左右偏薄，但差距不大。區(qū)內(nèi)煤層埋深受構(gòu)造控制明顯，羅場(chǎng)向斜、符江向斜、相嶺向斜和東部敘永向斜核部，埋深大于2 000 m，最深處達(dá)3 500 m，中部建武向斜、騰龍背斜、筠連背斜等地區(qū)，煤層埋深小于2 000 m，為目前煤層氣重點(diǎn)勘探區(qū)域。

圖3 C7+C8煤層厚度平面分布Fig.3 Plane distribution of C7 and C8 coal seam thickness

2.2 煤儲(chǔ)層特征

煤儲(chǔ)層宏觀煤巖類型以光亮-半亮型為主，半暗-暗淡型煤次之，煤體結(jié)構(gòu)以原生-碎裂結(jié)構(gòu)為主，成分可辨，結(jié)構(gòu)完整，裂隙未錯(cuò)開層理，無(wú)揉皺及構(gòu)造滑面。在斷層發(fā)育和構(gòu)造復(fù)雜區(qū)見碎粒-糜棱結(jié)構(gòu)煤，宏觀煤巖類型界限整體不可分辨，原生結(jié)構(gòu)遭受破壞，層理難辨，較疏松，極易捻成煤粉或細(xì)小碎粒，不利于儲(chǔ)層壓裂改造[9-11]。煤儲(chǔ)層顯微組分總含量41.80%～90.00%，平均73.43%，以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，無(wú)殼質(zhì)組組分。鏡質(zhì)組以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，次為均質(zhì)鏡質(zhì)體，呈條帶狀，透鏡狀分布；惰質(zhì)組以氧化絲質(zhì)體為主，次為火焚絲質(zhì)體及真菌體；常見礦物總含量10.00%～58.20%，平均26.57%，以黏土礦物和石英為主，碳酸鹽類和硫化物類含量較少。黏土礦物多呈浸染狀分布于胞腔、基質(zhì)體及裂隙中。碳酸鹽類礦物多呈薄膜狀分布在層面或裂隙中；硫化物類硫鐵礦呈浸染狀，星散狀分布在基質(zhì)體中或富集成層。煤層干燥無(wú)灰基揮發(fā)分一般小于10%，鏡煤最大反射率平均2.5%，為高煤階無(wú)煙煤，處于有利的生氣階段。

煤層氣主要以吸附態(tài)存儲(chǔ)于煤儲(chǔ)層吸附孔隙中，割理是溝通裂隙和孔隙的橋梁，構(gòu)造縫和壓裂縫是氣體運(yùn)移產(chǎn)出的通道[12]。根據(jù)低溫液氮吸附測(cè)試，該區(qū)煤儲(chǔ)層BET比表面積20.5 m2/g，平均孔徑6.31 nm，吸附孔隙發(fā)育。掃描電鏡觀察煤儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型多樣，主要發(fā)育有胞腔孔、氣孔、粒間孔等。絲質(zhì)體在絲炭化作用下，植物胞腔孔保存較好，橢圓狀胞腔孔發(fā)育，部分被黏土礦物充填；基質(zhì)鏡質(zhì)體在溫壓作用下生成大量的烴類氣體，發(fā)育較多氣孔。煤層鏡煤條帶中割理發(fā)育，裂隙密度達(dá)4條/cm2，局部被方解石充填(圖4)，經(jīng)巖心測(cè)試，該區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙度3.62%～18.91%，平均孔隙度7.31%，滲透率0.008 3～7.867 2×10-15m2，平均滲透率1.55×10-15m2，為有利的煤儲(chǔ)層。經(jīng)注入壓降試井測(cè)試，區(qū)內(nèi)C7+C8煤層儲(chǔ)層壓力7.88 MPa，壓力梯度1.14×10-2MPa/m，屬于異常高壓煤儲(chǔ)層，儲(chǔ)層能量較高，為地面煤層氣井排水降壓及吸附態(tài)甲烷解吸創(chuàng)造了有利條件，有利于后期長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)[13]。

圖4 煤儲(chǔ)層孔裂隙發(fā)育特征Fig.4 Characteristics of pore and fracture in coal reservoir

2.3 煤層含氣性特征

煤層巖心現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量1.03～18.11 m3/t，平均10.53 m3/t，主要目標(biāo)煤層C7和C8煤層含氣量平均12.88 m3/t，與筠連沐愛地區(qū)煤層含氣量相當(dāng)。煤層解吸氣氣體組分主要為CH4，N2次之，含少量C2H6,CO2和H2，煤層氣CH4含量69.63%～99.30%，平均92.18%。根據(jù)等溫吸附試驗(yàn)，該區(qū)煤層蘭氏體積11.11～32.09 cm3/g，平均25.17 cm3/g，其中主力煤層C7和C8蘭氏體積平均26.03 cm3/g，反映煤儲(chǔ)層吸附能力較強(qiáng)?？傮w上，該區(qū)煤層含氣性較好(圖5)，普遍大于10.00 m3/t，超過(guò)高煤階煤層氣資源含氣量8 m3/t下限標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)注入壓降試井測(cè)試、等溫吸附和現(xiàn)場(chǎng)解吸結(jié)果計(jì)算，主力煤層C7和C8含氣飽和度平均值68%，區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層平均含氣飽和度較沁水盆地南部(平均65.00%)和鄂爾多斯東南緣(平均58.00%)偏高[14-15]，有利于煤儲(chǔ)層快速解吸產(chǎn)氣。平面上，煤層含氣量受煤層埋深和斷層破壞影響較大，在煤層埋深較大，構(gòu)造簡(jiǎn)單地區(qū)煤層含氣量較高，埋深較淺和斷層發(fā)育地區(qū)煤層含氣量較低。

3 煤層氣資源量及有利區(qū)

基于煤層含氣量、煤層厚度、含氣面積、煤層密度數(shù)據(jù)，應(yīng)用體積法計(jì)算出區(qū)內(nèi)二疊系上統(tǒng)煤層氣資源量為3 465.22×108m3，資源豐度1.87×108m3/km2，與筠連沐愛地區(qū)(煤層氣資源豐度1.91×108m3/km2)相近。按煤層埋藏深度來(lái)分，區(qū)內(nèi)煤層埋深1 000 m以淺的煤層氣資源量782.14×108m3，占煤層氣資源總量的22.57%，埋深1 000～2 000 m煤層氣資源量1 511.83×108m3，占煤層氣資源總量的43.63%，埋深大于2 000 m煤層氣資源量1 171.25×108m3，占煤層氣資源總量的33.80%。C7和C8煤組煤層氣資源量2 239.15×108m3，占煤層氣資源總量的64.62%。目前，行業(yè)內(nèi)多用灰色關(guān)聯(lián)分析法、多層次模糊數(shù)學(xué)等方法對(duì)煤層氣有利區(qū)進(jìn)行定量?jī)?yōu)選[16-20]，針對(duì)區(qū)內(nèi)煤層氣勘探程度較低，技術(shù)可采性參數(shù)缺乏特點(diǎn)，本次選用煤層埋深、煤系頂?shù)装鍘r性、煤層厚度、含氣量、煤層集中度、煤體結(jié)構(gòu)6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，利用多因素加權(quán)求和法對(duì)煤層氣進(jìn)行選區(qū)評(píng)價(jià)，并參考《煤層氣地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)方法》(NB/T 10013—2014)確定選區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)隸屬度函數(shù)和權(quán)重值(表1)，根據(jù)各參數(shù)隸屬度函數(shù)和權(quán)重系數(shù)加權(quán)求和計(jì)算出結(jié)果，其值越大則煤層氣地質(zhì)條件越有利。 經(jīng)計(jì)算表明，區(qū)內(nèi)白膠-底洞、騰達(dá)-仙峰、曹營(yíng)地區(qū)可采煤層總厚度5～9 m，含氣量11～24 m3/t，煤層埋深600～1 500 m。地層傾角較小，絕大部分小于20°，構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層不發(fā)育，煤系頂板為飛仙關(guān)組泥質(zhì)巖，底板為峨眉山玄武巖，煤系頂?shù)装鍘r性條件有利于煤層氣保存，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤為主，煤層較為集中，C7-C8煤層間距小于5 m，屬于最有利區(qū)；焦村-九絲城、文江-底洞、白臘、巡場(chǎng)北等地區(qū)煤層氣地質(zhì)條件達(dá)到規(guī)范最低要求，為次有利區(qū)，因現(xiàn)有煤層氣勘探技術(shù)限制，煤層埋藏2 000 m以深地區(qū)本次不作評(píng)價(jià)，視作潛在有利區(qū)(圖6)。建議下一步在最有利區(qū)內(nèi)，充分利用現(xiàn)有煤田勘查和油氣勘探資料，加快煤層氣勘探開發(fā)，推動(dòng)川南宜賓地區(qū)煤層氣商業(yè)開發(fā)進(jìn)程，為實(shí)現(xiàn)“十四五”煤層氣開發(fā)目標(biāo)增儲(chǔ)上產(chǎn)。

圖6 煤層氣有利區(qū)分布Fig.6 Distribution of favorable areas for coalbed methane

4 結(jié) 論

1)川南宜賓地區(qū)煤層總厚度3.61～10.02 m，平均6.05 m，宣威組C7和C8煤層較集中，為該區(qū)煤層氣開發(fā)主力煤層，受沉積環(huán)境差異影響，西部宣威組上段潮坪相含煤沉積煤層單層厚度較大，且煤層較為集中，橫向發(fā)育較為穩(wěn)定，東部“同層異相”的龍?zhí)督M三角洲平原河漫沼澤微相煤層受三角洲沉積變遷影響，垂向分布較為分散且橫向連續(xù)性相對(duì)較差。

2)區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層宏觀煤巖類型以光亮-半亮型為主，儲(chǔ)集空間類型多樣，主要發(fā)育有胞腔孔、氣孔、粒間孔等，煤層鏡煤條帶中割理發(fā)育，煤層含氣量、滲透率較高，C7+C8煤層儲(chǔ)層壓力7.88 MPa，壓力梯度1.14 MPa/100 m，屬于異常高壓煤儲(chǔ)層，煤層氣開發(fā)儲(chǔ)層地質(zhì)條件優(yōu)勢(shì)明顯。

3)基于煤層含氣量、煤層厚度、含氣面積、煤層密度數(shù)據(jù)，應(yīng)用體積法計(jì)算出區(qū)內(nèi)二疊系上統(tǒng)煤層氣資源量3 465.22×108m3，資源豐度1.87×108m3/km2，煤層氣含氣帶選區(qū)評(píng)價(jià)屬Ⅰ類級(jí)別，白膠-底洞、騰達(dá)-仙峰、曹營(yíng)地區(qū)煤層厚度、埋深、含氣量、煤體結(jié)構(gòu)、煤層集中度等地質(zhì)參數(shù)具有良好的協(xié)調(diào)匹配性，為下一步煤層氣勘探開發(fā)最有利區(qū)域。