威寧地區(qū)下石炭統(tǒng)祥擺組:一個(gè)潛在的薄互層煤系氣新層系

金軍,秦勇,易同生,高為,顏智華,李耿

1)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州,221008;2)貴州省煤田地質(zhì)局,貴陽,550081

內(nèi)容提要:水頁1井未壓裂煤系高產(chǎn)氣流的偶然發(fā)現(xiàn),昭示黔西北威寧及其鄰區(qū)下石炭統(tǒng)祥擺組可能成為我國(guó)西南局部地區(qū)煤系氣勘查新層系。然而,該區(qū)祥擺組前期煤系氣地質(zhì)調(diào)查有限,關(guān)于資源條件和前景區(qū)的認(rèn)識(shí)存在一定差異,且對(duì)煤系特點(diǎn)考慮不足。鑒于此,基于近期地質(zhì)調(diào)查進(jìn)展,結(jié)合前人基礎(chǔ)地質(zhì)研究成果,探討了威寧及其鄰區(qū)祥擺組煤系氣地質(zhì)條件和勘查前景。結(jié)果顯示,威寧地區(qū)祥擺組是一套典型的薄互層煤系,下段潮坪—潟湖相煤系氣顯示強(qiáng)烈,但煤系儲(chǔ)層總體上具有低孔特低滲的特征。單井研究發(fā)現(xiàn),隨埋深加大,祥擺組儲(chǔ)層吸附氣含量存在一個(gè)“臨界深度”,一旦超過該深度,煤系頁巖吸附甲烷含量快速增高,煤層吸附甲烷含量開始降低但其游離氣含量可能增大,導(dǎo)致總含氣量可能明顯增大。綜合分析認(rèn)為,威寧地區(qū)祥擺組在埋深大于1500 m之后可能具有綜合開發(fā)價(jià)值,龍街、羊場(chǎng)、海改地、二都、天星洞、玉龍6個(gè)深向斜是下一步勘查的重點(diǎn)構(gòu)造單元,往東可擴(kuò)展到黔西地區(qū)格目底、晴隆、朗岱等較大規(guī)模深向斜構(gòu)造。同時(shí),逆沖推覆構(gòu)造對(duì)祥擺組煤系氣保存條件的影響值得高度關(guān)注?；谏鲜龇治?提出了落實(shí)祥擺組煤系氣勘查戰(zhàn)略選區(qū)的5條原則性建議。

我國(guó)煤系氣地質(zhì)條件復(fù)雜多樣,薄互層煤系氣是近年來受到業(yè)界關(guān)注的新領(lǐng)域(秦勇等,2019)。祥擺組作為西南地區(qū)下石炭統(tǒng)大塘階下部的一個(gè)地層單元,在黔西北威寧—水城一帶發(fā)育薄互層煤系(張博,2014)。2013年,水城地區(qū)找水鉆孔水頁1井鉆遇下石炭統(tǒng)祥擺組,意外獲得自噴氣流20000 m3/d(非常規(guī)油氣資源網(wǎng)?),昭示祥擺組可能成為我國(guó)西南局部地區(qū)一個(gè)具有商業(yè)性勘查開發(fā)前景的煤系氣新層系(貴州省國(guó)土資源廳?;高堋?)。隨后,貴州煤田地質(zhì)局等先后在該區(qū)施工參數(shù)井,為深化認(rèn)識(shí)祥擺組煤系氣儲(chǔ)層屬性提供了進(jìn)一步依據(jù)(張本杰等,2016)。2019～2021年,貴州省立項(xiàng)開展黔西地區(qū)煤系氣資源調(diào)查,施工了祥擺組參數(shù)井LC1井(秦勇等?)。筆者等基于勘查進(jìn)展,結(jié)合前人對(duì)該區(qū)下石炭統(tǒng)祥擺組—舊司組基礎(chǔ)研究成果,分析威寧及其鄰區(qū)祥擺組煤系氣地質(zhì)條件,提出了進(jìn)一步落實(shí)勘查前景的原則性建議。

1 研究背景

1.1 構(gòu)造與沉積背景

威寧地區(qū)構(gòu)造上隸屬威寧—水城NW向構(gòu)造變形區(qū),北、西、南邊緣與云南省接壤,北東邊界以埡都—紫云大斷裂與黔西北寬緩褶皺帶相接(圖1)。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造為威水復(fù)背斜,由泥盆系—石炭系組成,近軸部被傾向SW的走向沖斷層破壞(劉軍等,2019);在此背景上發(fā)育SN—NE向褶皺,由泥盆系、石炭系和二疊系組成,并被SN向和NNE向斷層所切割(圖2)。

圖1 貴州省加里東—海西期分劃性斷裂及研究區(qū)位置(據(jù)田碩夫等,2016)Fig.1 Caledonian—Hercynian divided faults of Guizhou Province and location of study area (from Tian Shuofu et al., 2016&)

圖2 威寧地區(qū)下石炭統(tǒng)祥擺組底面深度等值線圖(據(jù)楊剛,2020修改)Fig.2 Contour map of bottom depth of the Lower Carboniferous Xiangbai Formation in Weining area (modified from Yang Gang, 2020&)

NW向埡都—紫云大斷裂控制了貴州西部泥盆紀(jì)—二疊紀(jì)的沉積作用(盧樹藩等,2021)。黔西地區(qū)早石炭世大塘階地層曾經(jīng)統(tǒng)稱舊司組,分為大田和祥擺兩個(gè)亞段,下部的祥擺亞段以硅質(zhì)頁巖為主且含薄煤層及煤線,上部的大田亞段以灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r為主,巖性巖相差異顯著。鑒于此,貴州省原地質(zhì)礦產(chǎn)局1976年將祥擺亞段命名為祥擺組,大田亞段沿襲舊司組名稱(貴州地質(zhì)局區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)?)。威寧地區(qū)祥擺組形成于潮坪—潟湖環(huán)境(盧樹藩等,2021),主要由細(xì)砂巖、粉砂巖、黑色頁巖組成,夾碳質(zhì)頁巖和煤層及煤線,厚度8～404 m,一般厚50～150 m(唐顯貴,2012)。

1.2 祥擺組煤系氣前景評(píng)價(jià)現(xiàn)狀

2013年以來,貴州省煤田地質(zhì)局等單位對(duì)包括威寧地區(qū)在內(nèi)的貴州省西部地區(qū)下石炭統(tǒng)頁巖氣資源前景做過多輪初步評(píng)價(jià)研究。

例如,以含氣頁巖厚度≥50 m、TOC含量≥1.5%、鏡質(zhì)組反射率Ro≥1.3%、埋深500～4500 m、總含氣量≥1.0 m3/t為標(biāo)準(zhǔn),初步認(rèn)為威寧—水城NW方向坳陷槽為祥擺組—舊司組頁巖氣有利帶,龍街向斜等為有利勘查區(qū)(唐顯貴等,2014)。

再如,認(rèn)為黔西—黔南地區(qū)祥擺組—舊司組頁巖氣有利區(qū)分布在威寧、水城、晴隆一帶,優(yōu)選出龍街、威水、格目底、蟠龍、中營(yíng)向斜等有利向斜,面積1813 km2,50%概率頁巖氣地質(zhì)資源量為3900億m3(明方平等,2015)。

又如,有利區(qū)發(fā)育于六盤水NW向坳陷槽,優(yōu)選出威寧、晴隆2個(gè)祥擺組—舊司組有利區(qū),面積3638 km2,50%概率頁巖氣地質(zhì)資源量9600億m3(唐顯貴等,2016);晴隆一帶為祥擺組—舊司組頁巖氣勘查有利區(qū),目標(biāo)層系埋深500～3500 m,面積2970 km2,50%概率頁巖氣地質(zhì)資源量7885億m3(張本杰等,2016)。

貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心采用全國(guó)頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查項(xiàng)目推薦的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(頁巖TOC>1.5%,Ro≤4.0%,埋深500～4500 m,厚度>10 m,總含氣量>1.0 m3/t),結(jié)合黔西北地區(qū)具體地質(zhì)條件,預(yù)測(cè)水城—威寧一帶是祥擺組—舊司組頁巖氣勘查的最有利區(qū),50%概率地質(zhì)資源量為1553.85億m3(李凱,2016)。

成都理工大學(xué)采用海相頁巖氣有利區(qū)評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)(富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度≥50 m,TOC≥1.0%,Ro≥1.5%,埋深500～3000 m,有一定上覆地層厚度,構(gòu)造抬升期改造弱),結(jié)合沉積環(huán)境和成藏條件研究,認(rèn)為龍街向斜東翼南段為威寧地區(qū)祥擺組—舊司組頁巖氣有利區(qū),估計(jì)有利區(qū)目標(biāo)層系富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度>100 m,主體埋深1200～3000 m(楊剛,2020)。

2 祥擺組煤系氣儲(chǔ)層基本屬性

以近期施工的LC1井(鉆孔位置見圖2)為主,結(jié)合前人區(qū)域研究成果,分析威寧地區(qū)祥擺組煤系氣儲(chǔ)層基本屬性。

2.1 祥擺組煤系薄互層特征

據(jù)龍街向斜前期煤炭勘查資料,祥擺組厚度170.70～316.93 m,平均246.16 m(張博,2014)。含煤2～15層,一般10層左右,煤層累計(jì)厚度0.50～10.10 m,平均4.55 m,含煤系數(shù)1.85%,單煤層平均厚度0.46 m。含可采煤層2 層,分別命名為C1、C2煤層,累計(jì)可采厚度0.19～3.26 m,平均1.75 m,可采含煤系數(shù)0.71%。

LC1井終孔深度1172.54 m,在785.14～1170.84 m鉆遇祥擺組,厚度385.7 m,處于前人認(rèn)識(shí)的厚度范圍(唐顯貴,2012)。祥擺組以黑色頁巖(包括粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖)和細(xì)砂巖為主,間夾薄煤層及煤線(圖3)。其中,頁巖總厚度270.6 m,砂巖總厚度94.45 m;煤層(煤線)12層,累計(jì)真厚度4.66 m,含煤系數(shù)1.21%;單煤層厚度0.13～0.99 m,層均厚度0.39 m(秦勇等?)。

圖3 威寧地區(qū)LC1井下石炭統(tǒng)祥擺組柱狀簡(jiǎn)圖(楊兆彪等,2021)Fig.3 Brief columnar section of the Lower Carboniferous Xiangbai Formation in the Well LC1 of Weining area (Yang Zhaobiao et al., 2021&)

在整個(gè)黔西北地區(qū),祥擺組經(jīng)歷了從潟湖—潮坪向淺海陸棚環(huán)境的沉積演化過程(盧樹藩等,2021)。下段沉積于潟湖—潮坪環(huán)境,為煤層集中段,細(xì)粒碎屑巖與薄煤層或煤線垂向交互產(chǎn)出,薄互層煤系巖性序列特征十分顯著。上段以中—厚層黑色頁巖為主,夾少量煤線,該段中上部發(fā)育數(shù)層灰?guī)r,主要沉積于淺海陸棚環(huán)境。

2.2 祥擺組烴源巖地球化學(xué)

據(jù)龍街向斜東翼淺部煤礦井下觀測(cè),祥擺組煤層以亮煤為主,夾少量暗煤和鏡煤條帶,偶見透鏡狀及線理狀絲炭。煤巖顯微組分以鏡質(zhì)組占優(yōu)勢(shì),平均含量86%,常見基質(zhì)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體,有少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體及碎屑鏡質(zhì)體,偶見膠質(zhì)鏡質(zhì)體;惰質(zhì)組含量次之,平均含量14%,多為半絲質(zhì)體及碎屑惰質(zhì)體;光學(xué)顯微鏡下未見可識(shí)別的殼質(zhì)組分。煤中無機(jī)質(zhì)以粘土礦物為主,多呈浸染狀,含少量石英、黃鐵礦和方解石。煤層平均灰分產(chǎn)率25.14%,全硫平均含量2.63%,為中灰分中高硫煤層。

根據(jù)多口參數(shù)井樣品測(cè)試結(jié)果,威寧—水城地區(qū)祥擺組頁巖總有機(jī)碳(TOC)含量為0.80%～2.40%,主要介于1.00%～2.00%之間(李凱,2016)。區(qū)域上,TOC含量大于2.0%的地帶分布于龍街向斜—威寧縣城一帶,呈NW向條帶狀展布(楊剛,2020)。LC1井33件黑色頁巖樣品測(cè)試結(jié)果顯示,TOC含量在祥擺組上部為1.0%左右,中部多在1.0%～2.0%,下部多超過2.0%,在底部高達(dá)4.0%～9.0%(秦勇等?)。

威寧地區(qū)祥擺組頁巖干酪根類型指數(shù)TI為-13～84,有機(jī)質(zhì)以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主,存在Ⅲ型和Ⅰ型有機(jī)質(zhì)(田碩夫等,2016)。頁巖干酪根碳同位素δ13C為-40.0‰～-15.1‰,平均-28.2‰,指示沉積有機(jī)質(zhì)以Ⅱ1型為主(李凱,2016)。

龍街鎮(zhèn)煤礦煤樣鏡質(zhì)組油浸最大反射率為2.54%～3.07%,達(dá)過成熟階段。區(qū)域上,祥擺組頁巖鏡質(zhì)組最大反射率1.60%～3.07%,處于高成熟—過成熟階段;反射率在區(qū)內(nèi)東部中段的局部地帶<2.0%,其余地帶均大于2.00%,在龍街向斜最高(楊剛,2020)。隨埋深增大,LC1井祥擺組頁巖和煤的鏡質(zhì)組最大反射率從1.14%增高到2.95%,縱貫成熟～過成熟階段,埋深與鏡質(zhì)組最大反射率之間對(duì)數(shù)相關(guān)性顯著(圖4)。

圖4 威寧地區(qū)LC1井下石炭統(tǒng)祥擺組煤和頁巖鏡質(zhì)組最大反射率深度剖面Fig.4 Plots of maximum vitrinite reflectance vs. depth of coal and shale in the Lower Carboniferous Xiangbai Formation from the Well LC1 in Weining area

2.3 祥擺組黑色頁巖物理性質(zhì)

威寧地區(qū)祥擺組黑色頁巖礦物組成在區(qū)域上變化極大。平均來看,頁巖主要由石英和粘土礦物組成,兩者平均含量相當(dāng),兩者之和接近80%;碳酸鹽礦物次之,平均含量在17%左右;長(zhǎng)石、黃鐵礦、石膏等含量極低。脆性礦物(石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦和碳酸鹽礦物)平均含量達(dá)到60%,儲(chǔ)層可壓裂性良好(楊剛,2020)。根據(jù)礦物組成及含量計(jì)算,LC1井祥擺組頁巖脆性指數(shù)變化范圍為17.13%～61.16%,平均48%,略低于區(qū)域平均值,但下部薄煤層集中段頁巖脆性指數(shù)明顯增高,多為50%～60%(楊兆彪等,2021)。

研究區(qū)祥擺組頁巖孔隙度為2.14%～3.29%,滲透率介于0.0013～0.1900 10-3μm2(姜秉仁等,2021);LC1井祥擺組平均孔隙度為4.77%,平均滲透率0.002mD(秦勇等?)?？梢?區(qū)內(nèi)祥擺組頁巖屬于低孔特低滲儲(chǔ)層。

基于等溫吸附實(shí)驗(yàn),本區(qū)祥擺組黑色頁巖朗格繆爾體積1.58～4.52 m3/t,平均3.25 m3/t,吸附能力較強(qiáng);朗格繆爾壓力1.82～2.13 MPa,平均1.93 MPa,反映解吸相對(duì)較快(姜秉仁等,2021)。

2.4 祥擺組儲(chǔ)層含氣性

威寧及其鄰區(qū)祥擺組煤系天然氣顯示強(qiáng)烈。2013年,威寧地區(qū)東側(cè)外圍的水城地區(qū)水頁1井鉆遇祥擺組,鉆至井深2009 m左右發(fā)生天然氣自噴,無阻流量達(dá)20000 m3/d(秦勇等?)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果,黔西北地區(qū)祥擺組頁巖含氣量0.1～2.9 m3/t,平均1.0 m3/t(貴州省國(guó)土資源廳?)。其中,兩口井祥擺組頁巖現(xiàn)場(chǎng)解吸氣總量0.91～3.00 m3/t,平均1.96 m3/t,主要分布在1.5～3.0 m3/t之間(姜秉仁等,2021)。在距威寧縣城東南部約70 km的中營(yíng)向斜,晴頁2井祥擺組頁巖含氣量1.38～2.35 m3/t,平均1.81 m3/t(張本杰等,2016)。

LC1井在埋深1000 m左右的祥擺組鉆進(jìn)過程中,泥漿槽面可見氣泡。該井祥擺組氣測(cè)顯示十分普遍,砂巖氣測(cè)異常層累計(jì)厚度66.7 m,含氣層累計(jì)厚度5.15 m,氣層累計(jì)厚度15.41 m;頁巖氣測(cè)異常層累計(jì)厚度147.85 m,含氣層累計(jì)厚度5.75 m,氣層累計(jì)厚度26.35 m。發(fā)現(xiàn)13個(gè)氣測(cè)顯示重點(diǎn)層段,以甲烷為主,強(qiáng)烈顯示層段與煤層密切相關(guān),全烴濃度最高達(dá)25.87%(表1)。

表1 威寧地區(qū)LC1井下石炭統(tǒng)祥擺組氣測(cè)異常重點(diǎn)層段統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of key intervals of gas logging anomaly in the Lower Carboniferous Xiangbai Formation in the Well LC1 in Weining area

LC1井祥擺組—舊司組鉆孔巖芯和煤芯現(xiàn)場(chǎng)解吸樣品共97件,其中45件配套室內(nèi)解吸及氣體成分測(cè)試數(shù)據(jù),包括頁巖樣品31件、煤樣14件(圖5)。總體來看,頁巖甲烷含量在舊司組<0.5 m3/t,進(jìn)入祥擺組有所增高,井深超過950 m之后增高明顯,部分樣品>1.0 m3/t。薄煤層或煤線主要賦存在1000 m以深,甲烷含量盡管變化極大,但10件煤樣甲烷含量超過8.0 m3/t(最高12.13 m3/t),其中7件煤樣甲烷含量大于10.0 m3/t,3件煤樣甲烷含量介于8.0～10.0 m3/t。

圖5 威寧地區(qū)LC1井下石炭統(tǒng)祥擺組—舊司組甲烷含量深度剖面Fig.5 Plots of methane volume vs. depth of the Lower Xiangbai Formation and Jiusi Formation in the Well LC1 in Weining area

LC1井祥擺組相同深度段煤層甲烷含量顯著高于頁巖樣品(圖5)。主含煤段深度1000～1180 m,煤層甲烷含量在4.91～12.13 m3/t之間,平均9.31 m3/t,符合我國(guó)能源標(biāo)準(zhǔn)(NB/T 0013-2014)(國(guó)家能源局,2014)規(guī)定的中高煤階Ⅱ類區(qū)塊含氣量標(biāo)準(zhǔn);頁巖甲烷含量0.26～1.33 m3/t,平均0.66 m3/t,尚未達(dá)到我國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DZ/T 0254-2014)(國(guó)土資源部,2014)規(guī)定的頁巖氣儲(chǔ)量起算下限及能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NB/T 103983-2020)(國(guó)家能源局,2020)規(guī)定的頁巖含氣量Ⅲ類級(jí)別。這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,就單純的煤系頁巖氣而言,具有進(jìn)一步勘查價(jià)值的埋深至少應(yīng)該大于1100 m。

進(jìn)一步分析,無論頁巖還是煤層,LC1井祥擺組吸附氣含量在垂向上均存在一個(gè)“臨界深度”,這是深部?jī)?chǔ)層溫度解吸效應(yīng)逐漸大于壓力吸附效應(yīng)的必然結(jié)果(秦勇等,2005,2012),將會(huì)導(dǎo)致深部煤系儲(chǔ)層游離氣含量增高(秦勇,2021;郭旭升等,2022),同樣可為有利勘查深度預(yù)測(cè)提供依據(jù)。井深增大,煤系頁巖吸附甲烷含量從880 m以淺的≤0.5 m3/t急劇增大到1000 m深度的1.5 m3/t左右(圖6a);薄煤層或煤線吸附甲烷含量臨界深度在1100 m左右,甲烷含量在該深度以淺隨深度增大而增高,超過該深度則隨深度增大而明顯降低(圖6b)。該井祥擺組頁巖吸附甲烷含量在含煤段的快速增高,也與含煤薄互層段的多重內(nèi)幕封蓋效應(yīng)密切相關(guān),因?yàn)橹旅艿蜐B煤層本身就是強(qiáng)封蓋層。

圖6 威寧地區(qū)LC1井下石炭統(tǒng)祥擺組—舊司組吸附甲烷含量臨界深度: (a) 頁巖;(b) 煤Fig.6 Critical depth of absorbed methane content in the Lower Xiangbai Formation and Jiusi Formation in the Well LC1 in Weining area: (a) shale; (b) coal

煤系儲(chǔ)層含氣性的特點(diǎn)之一,是在深度剖面上的有序聚集,臨界深度以淺的煤系氣以吸附態(tài)為主,具有工業(yè)價(jià)值的煤系氣資源幾乎只有煤層吸附氣,臨界深度以深則煤系吸附氣與具有工業(yè)開采價(jià)值的游離氣共存,故臨界深度是煤系吸附氣與游離氣共探合采的埋深上限(秦勇,2021)?；谶@一原理,預(yù)測(cè)LC1井祥擺組埋藏超過“臨界深度”之后,煤層游離氣含量將有所升高,導(dǎo)致甲烷總含量增高,勘探開發(fā)價(jià)值提升(圖6b)。由此,指示龍街向斜乃至整個(gè)威寧地區(qū)祥擺組煤系氣綜合勘查的有利深度超過1100 m(下述)。

采收率是衡量天然氣藏經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要指標(biāo)。LC1井未做試井,周邊地區(qū)也缺乏祥擺組地下水頭資料,難以分析祥擺組儲(chǔ)層壓力,無法根據(jù)儲(chǔ)層壓力、等溫吸附常數(shù)和實(shí)測(cè)含氣量測(cè)算采收率。為此,采用煤系氣初期勘查階段常用方法,根據(jù)解吸率(現(xiàn)場(chǎng)解吸和室內(nèi)解吸氣含量之和與總含氣量之百分比)初步分析祥擺組煤系氣可采性。由圖7可見,祥擺組煤系氣解吸率盡管變化極大,但頁巖吸附氣解吸率平均可達(dá)84%,煤層吸附氣平均解吸率也有74%,可解吸性總體上較強(qiáng)。

圖7 威寧地區(qū)LC1井下石炭統(tǒng)祥擺組—舊司組吸附氣解吸率深度剖面Fig.7 Plots of desorption rate of absorbed gas vs. depth of the Lower Xiangbai Formation and Jiusi Formation in the Well LC1 in Weining area

LC1井祥擺組頁巖吸附氣的解吸率分布存在兩個(gè)特點(diǎn):一是解吸率—深度包絡(luò)線呈增高—降低趨勢(shì),轉(zhuǎn)折深度在820～920 m,下包絡(luò)線轉(zhuǎn)折趨勢(shì)更為明顯(圖7);二是解吸率與吸附甲烷含量無關(guān),可能受TOC含量、孔隙結(jié)構(gòu)等因素耦合控制(圖8)。另一方面,煤層吸附氣的解吸率隨埋深增大呈增高趨勢(shì),指示煤層氣可采性隨深度增大而持續(xù)改善(圖8)。

圖8 威寧地區(qū)LC1井下石炭統(tǒng)祥擺組—舊司組吸附甲烷含量與解吸率關(guān)系Fig.8 Plots of desorption rate of absorbed gas vs. absorbed methane volume of the Lower Xiangbai Formation and Jiusi Formation in the Well LC1 in Weining area

3 祥擺組煤系氣保存條件

基于LC1井煤系氣深度分布特點(diǎn)分析保存條件,有助于提取祥擺組煤系氣勘查上限深度的相關(guān)信息?？疾旄鼮閺V闊的區(qū)域地質(zhì)條件,則是優(yōu)選研究區(qū)祥擺組煤系氣勘查前景區(qū)的基礎(chǔ)。

3.1 祥擺組煤系氣勘查開發(fā)上限深度

上述分析初步顯示,LC1井祥擺組煤系氣富集取決于兩方面基本條件:一是下段薄煤層/煤線與頁巖、砂巖頻繁互層,提供了內(nèi)幕封蓋條件;二是存在一個(gè)含氣量“臨界深度”,指示了具有進(jìn)一步勘查價(jià)值的儲(chǔ)層含氣量上限深度。前一基本條件影響到煤系氣風(fēng)化帶深度,只有在風(fēng)化帶深度之下,煤系氣才具有工業(yè)開發(fā)價(jià)值的有效組分濃度和含量。后一基本條件決定了煤系儲(chǔ)層游離氣含量及其在總含氣量中比例顯著增加的深度,只有在“臨界深度”以下游離氣含量才會(huì)顯著增高。為此,可將風(fēng)化帶深度大致視為煤系氣勘查開發(fā)的“上限深度”。

LC1井祥擺組解吸氣主要由N2和CH4構(gòu)成,其他成分濃度極低,煤樣全程解吸甲烷濃度80%對(duì)應(yīng)的深度在1000 m左右,頁巖解吸甲烷濃度在900 m以深顯著升高(圖9a)。煤(巖)芯解吸包括自然解吸和粉碎解吸兩個(gè)階段,后一階段解吸氣為殘余氣?；谇鞯貐^(qū)龍?zhí)督M鉆孔煤芯精細(xì)解吸實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)殘余氣階段普遍出現(xiàn)高濃度CO2和N2,證實(shí)這是煤中“封閉孔”保留了較多早期成因氣體的緣故(陳義林等,2013;Chen Yilin et al., 2019;王莉娜,2019)。這一客觀現(xiàn)象,無疑降低了全解吸過程甲烷濃度,對(duì)識(shí)別煤系氣風(fēng)化帶深度造成影響。鑒于此,剔除這一影響,僅采用LC1井祥擺組煤(巖)樣自然解吸階段結(jié)果,不僅頁巖氣甲烷濃度出現(xiàn)連續(xù)增高變化,同時(shí)多數(shù)煤樣解吸氣甲烷濃度也超過了80%(圖9b)。

圖9 威寧地區(qū)LC1井下石炭統(tǒng)祥擺組—舊司組煤系氣甲烷濃度深度剖面:(a) 解吸全過程;(b) 室內(nèi)自然解吸Fig.9 Plots of methane concentration of CMG vs. depth of the Lower Xiangbai Formation and Jiusi Formation in the Well LC1 in Weining area: (a) entire desorption process;(b) indoor natural desorption

綜上分析,LC1井祥擺組煤系氣風(fēng)化帶深度位于1000 m左右。在此深度以淺,煤層含氣量低,加之煤層過薄,工業(yè)開發(fā)價(jià)值受到影響;超過這一深度,頁巖含氣量及煤層游離氣含量(圖6b)均可能顯著增高,資源富集程度明顯增強(qiáng),加之煤層吸附氣解吸率升高,煤系氣開發(fā)潛力將顯著增大?；诖?進(jìn)一步類比鄂爾多斯盆地東緣石炭二疊系煤系氣開發(fā)實(shí)踐(秦勇等,2020),威寧地區(qū)祥擺組煤系氣綜合勘查深度上限大致在900～1100 m,平均上限深度1000 m,有工業(yè)開發(fā)價(jià)值的深度上限還將往下延伸(后述)。

3.2 祥擺組煤系氣富集構(gòu)造單元

研究區(qū)祥擺組—舊司組上覆下伏地層封蓋性強(qiáng),雪山鎮(zhèn)—龍街鎮(zhèn)—中水鎮(zhèn)一帶及其周邊地區(qū)斷層發(fā)育相對(duì)較弱(圖2),這是區(qū)內(nèi)下石炭統(tǒng)頁巖氣保存的兩方面重要條件(楊剛,2020)。區(qū)內(nèi)地層褶皺變形強(qiáng)烈,龍街、羊場(chǎng)、海改地、天星洞、玉龍、二都6個(gè)向斜祥擺組底界深度均大于3000 m,最深達(dá)4500 m,終孔深度2250 m的ZK2井仍未鉆穿祥擺組,預(yù)示這些向斜是祥擺組煤系氣可能富集的主要構(gòu)造單元(圖2)。

結(jié)合全省頁巖氣地質(zhì)調(diào)查成果,從更大區(qū)域范圍考察祥擺組埋深狀況(李凱,2016;唐顯貴等,2016)。在威寧—水城地區(qū),構(gòu)造線以NW向?yàn)橹?泥盆系—石炭系一般沿背斜核部呈條帶狀出露,兩翼覆蓋二疊系和三疊系,祥擺組埋深小于3000 m,埋深大于3000 m地帶主要位于向斜軸部,如格目底、朗岱、晴隆等向斜(圖10)。

圖10 黔西地區(qū)主要向斜分布圖Fig.10 Distribution of main synclines in the western Guizhou名稱:1—盤關(guān)向斜;2—土城;3—照子河;4—舊普安;5—青山;6—晴隆;7—中營(yíng);8—朗岱;9—六枝;10—蟠龍;11—楊梅樹;12—格目底;13—小河邊;14—大河邊;15—神仙坡;16—土地埡;17—二都;18—侉都;19—海改地;20—哈拉河;21—迤那;22—玉龍;23—羊街;24—龍街Name of syncline: 1—Panguan; 2—Tucheng; 3—Zhaozihe; 4—Old Pu’an; 5—Qingshan; 6—Qinglong; 7—Zhongying; 8—Langdai; 9—Liuzhi; 10—Panlong; 11—Yangmeishu; 12—Gemudi; 13—Xiaohebian; 14—Dahebian; 15—Shenxianpo; 16—Tudiya; 17—Erdu; 18—Kuadu; 19—Haigaidi; 20—Halahe; 21—Yina; 22—Yulong; 23—Yangjie; 24—Longjie

為此,考慮褶曲因素,黔西地區(qū)較大規(guī)模向斜構(gòu)造單元存在祥擺組煤系氣大面積連片保存富集的地質(zhì)條件,如格目底、晴隆、朗岱等向斜,勘查前景值得期待(圖10)。同時(shí),在這些向斜構(gòu)造單元,下石炭統(tǒng)祥擺組與上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤系均有賦存,可能構(gòu)成“兩層樓”式煤系氣富集層系,有可能大幅度提升勘查價(jià)值。需要強(qiáng)調(diào)的是,威寧—六盤水地區(qū)褶皺和斷裂發(fā)育,逆沖推覆構(gòu)造體系影響到上古生界煤系氣保存條件及勘查前景,需在今后開展專項(xiàng)研究。

4 討論

多家機(jī)構(gòu)開展過貴州省西部上古生界頁巖氣勘查前景和戰(zhàn)略選區(qū)分析,為認(rèn)識(shí)威寧地區(qū)祥擺組煤系氣資源前景奠定了基礎(chǔ)。近期勘查進(jìn)展及研究成果,為客觀認(rèn)識(shí)威寧及其鄰區(qū)祥擺組煤系氣資源前景提供了新的依據(jù)。然而,作為一個(gè)新區(qū)新層系,威寧地區(qū)祥擺組目前勘查資料尚不足以支撐對(duì)相關(guān)地質(zhì)條件的全面分析。為此,參考國(guó)內(nèi)其他地區(qū)煤系氣地質(zhì)研究成果,結(jié)合研究區(qū)有限的實(shí)證資料,就相關(guān)問題開展討論,進(jìn)而提出威寧及其鄰區(qū)祥擺組煤系氣勘查戰(zhàn)略選區(qū)的原則性建議。

4.1 祥擺組頁巖氣保存條件

關(guān)于威寧及其鄰區(qū)祥擺組頁巖氣勘查戰(zhàn)略選區(qū),各家認(rèn)識(shí)存在一定差異(詳見“1.2”節(jié)),問題在于對(duì)煤系氣保存條件的客觀分析,涉及有利勘查深度上限以及斷裂與保存條件之間關(guān)系。

統(tǒng)計(jì)全國(guó)314口井測(cè)試結(jié)果,煤層吸附氣含量的臨界深度對(duì)于低階煤層約為950 m,中階煤層在1000 m左右,高階煤層約700 m(陳剛,2014)。鉆孔煤芯解吸結(jié)果顯示,鄂爾多斯盆地東緣北段深成變質(zhì)作用下的低—中階煤層吸附氣含量臨界深度為1250 m(郭廣山等,2021)。基于準(zhǔn)噶爾、鄂爾多斯、沁水3個(gè)盆地14個(gè)區(qū)塊煤樣等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn),中—高階煤層吸附氣含量理論臨界深度在1500～1800 m(周德華等,2022)?？辈殚_發(fā)成果表明,沁水盆地鄭莊—樊莊區(qū)塊高階煤層吸附氣含量臨界深度在800～1000 m(陳世達(dá)等,2016)。LC1井祥擺組高階薄煤層吸附甲烷含量臨界深度約為1100 m,位于上述其他地區(qū)中—高階煤層吸附氣含量臨界深度變化范圍,指示威寧地區(qū)祥擺組煤層吸附氣與游離氣共探的上限深度與其他地區(qū)可以類比。

祥擺組頁巖與薄煤層頻繁互層,只有吸附氣與游離氣合采才可能具有商業(yè)價(jià)值。頁巖儲(chǔ)層吸附氣與游離氣共存,頁巖氣開采實(shí)質(zhì)上就是吸附氣與游離氣合采。鄂爾多斯盆地東緣煤系頁巖吸附氣含量理論臨界深度為680～880 m,隨TOC含量增高而增大(Wang Feiteng et al., 2019);在此深度之下,若保存條件具備,煤系頁巖游離氣比例將隨深度增大而增高,導(dǎo)致頁巖總含氣量隨之增大(郭旭升等,2022)。LC1井祥擺組煤系頁巖吸附甲烷含量在900 m附近突然增高,與鄂爾多斯盆地東緣煤系頁巖吸附氣含量理論最大臨界深度相近,表明祥擺組煤系頁巖游離氣比例顯著增高而具勘查價(jià)值的上限深度大于900 m。

開發(fā)實(shí)踐顯示,鄂爾多斯盆地東緣(鄂東)臨興地區(qū)上古生界煤系氣合采上限深度約1500 m(秦勇等,2020;秦勇等?)。2019年,中國(guó)石化集團(tuán)在川南建成國(guó)內(nèi)首個(gè)深層頁巖氣田,目標(biāo)層系龍馬溪組埋深3500～4000 m(王紅巖?)。近年來,鄂東大寧—吉縣區(qū)塊及準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起深部煤系氣勘查取得重大突破,目標(biāo)層深度2200～2400 m煤系氣井穩(wěn)產(chǎn)氣流日均數(shù)萬立方米,且具有游離氣比例高、生產(chǎn)初期以自噴為主、投產(chǎn)即高產(chǎn)的共性特點(diǎn)(郭緒杰等,2021;徐鳳銀等,2022,2023)?；跓o煙煤樣品開展物理模擬和數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在相當(dāng)于4500 m深度的溫度條件下,煤的等量吸附熱仍低于化學(xué)吸附熱,表明該深度水平煤儲(chǔ)層仍表現(xiàn)為物理吸附,具有吸附—解吸可逆性,有利于吸附氣解吸(郭濤,2021)。如圖2所示,研究區(qū)主要向斜祥擺組大面積埋深超過4500 m。根據(jù)氣體組分濃度實(shí)測(cè)結(jié)果,LC1井祥擺組煤系氣風(fēng)化帶深度約在1100 m。類比上述實(shí)踐及研究成果,威寧乃至黔西地區(qū)祥擺組煤系氣開發(fā)有利深度大于1500 m,往深部至少可延伸到4000 m。

斷裂對(duì)天然氣保存影響體現(xiàn)在正反兩個(gè)方面,正斷層導(dǎo)致天然氣逸散,逆斷層有利于天然氣富集。例如,黔北安場(chǎng)向斜安頁1井頁巖氣最高產(chǎn)量超過10萬m3/d,向斜西翼發(fā)育逆斷層,斷層兩側(cè)不同層系致密巖層對(duì)接,有效遮擋了天然氣側(cè)向逸散,形成逆斷向斜側(cè)向封堵、常規(guī)與非常規(guī)氣共存成藏模式(翟剛毅等,2017)。以往的黔西地區(qū)下石炭統(tǒng)頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選均極力避開斷裂發(fā)育區(qū),將天然氣保存構(gòu)造條件一概而論,值得商榷。黔西(特別是威寧地區(qū))褶皺沖斷構(gòu)造發(fā)育,喜馬拉雅期EW向壓應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)一步強(qiáng)化了斷裂的擠壓性質(zhì)(王偉鋒等,2014)。鑒于此,精細(xì)研究煤系氣構(gòu)造保存條件,將有助于落實(shí)威寧及黔西地區(qū)祥擺組煤系氣勘查前景,為發(fā)現(xiàn)勘查甜點(diǎn)區(qū)提供關(guān)鍵依據(jù)。

4.2 祥擺組含煤性與煤系氣勘查前景

先前評(píng)價(jià)工作僅從頁巖氣角度分析祥擺組—舊司組資源潛力,缺乏對(duì)煤系氣特點(diǎn)的專門考慮(詳見“1.2”節(jié))。祥擺組含煤性的勘查工作極其有限,難以支撐煤系氣資源前景精細(xì)調(diào)查。盡管如此,并不妨礙相關(guān)問題的宏觀性討論。

目前,關(guān)于包括威寧在內(nèi)的黔西地區(qū)祥擺組煤系氣資源量估算結(jié)果差異極大,幾乎沒有考慮煤層這一重要?dú)庠磶r及天然氣地質(zhì)載體。顯然,先前某些評(píng)價(jià)指標(biāo)過于寬泛,評(píng)價(jià)參數(shù)和指標(biāo)范圍不統(tǒng)一,這是造成煤系氣資源量估算結(jié)果出現(xiàn)顯著差異的重要原因。尤其重要的是,若不考慮煤層氣,同樣會(huì)嚴(yán)重低估祥擺組煤系氣資源潛力。

就薄互層煤系而言,煤層發(fā)育特點(diǎn)對(duì)煤系氣勘查前景至關(guān)重要,如煤層層數(shù)、厚度、煤質(zhì)、煤層與其他沉積巖互層情況以及煤層分布范圍、賦存深度等,煤線發(fā)育特點(diǎn)同樣具有資源調(diào)查價(jià)值。然而,目前對(duì)黔西地區(qū)較大規(guī)模向斜祥擺組含煤特征知之甚少;祥擺組—舊司組頁巖氣勘查戰(zhàn)略選區(qū)前期成果中,僅在威寧地區(qū)龍街向斜考慮過煤層及煤線的重要性(楊兆彪等,2021)。

實(shí)際上,祥擺組發(fā)育范圍廣泛且含煤性變化極大(唐顯貴等,2012;方永坤等,2013;張博,2014)。在貴州省境內(nèi)由NW往SE以及由北往南,早石炭世大塘階沉積環(huán)境由潟湖—潮坪、濱淺海逐漸過渡為淺?！肷詈?盧樹藩等,2021),祥擺組煤層層數(shù)逐漸減少,厚度變薄,含煤性變差,直至不含煤。但是,這一輪廓性認(rèn)識(shí)難以為祥擺組煤系氣戰(zhàn)略選區(qū)提供詳細(xì)依據(jù),需要細(xì)化了解祥擺組沉積相分布特征,詳細(xì)圈定祥擺組含煤區(qū),結(jié)合儲(chǔ)層屬性、構(gòu)造條件等開展評(píng)價(jià)。

4.3 祥擺組煤系氣戰(zhàn)略選區(qū)原則

鑒于上述原因,有必要針對(duì)煤系氣特點(diǎn),考慮煤層氣資源貢獻(xiàn),統(tǒng)一評(píng)價(jià)參數(shù)與指標(biāo)體系,進(jìn)一步落實(shí)祥擺組煤系氣勘查戰(zhàn)略選區(qū)。選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括但不限于如下情況:

(1)前已述及,鄂東及準(zhǔn)噶爾盆地深部煤系氣勘探近期獲得重大突破,而吐哈盆地正在施工的煤系氣探井深達(dá)3400 m(于江艷等?);川南建成的國(guó)內(nèi)首個(gè)商業(yè)性深層頁巖氣田,目標(biāo)層系龍馬溪組埋深3500～4000 m(王紅巖?)。威寧地區(qū)祥擺組底界埋深在0～4500 m,在多數(shù)向斜大于 1500 m,如龍街向斜核部為2500～3500 m,海改地、羊街等向斜核部深達(dá)3000～4500 m(圖1)。研究區(qū)向斜核部出露地層多為二疊系,下三疊統(tǒng)等僅有零星分布(楊剛,2020)。鑒于此,祥擺組上覆較大厚度的上古生界地層及頂界埋深1500～4000 m,實(shí)際上指示了上覆有效蓋層需要達(dá)到的厚度,可作為研究區(qū)煤系氣選區(qū)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)之一。

(2)祥擺組發(fā)育10余層薄煤層和煤線,一方面構(gòu)成該組重要的氣源巖,另一方面說明祥擺組實(shí)際上屬于薄互層煤系。澳大利亞蘇拉特盆地是全球目前煤系氣生產(chǎn)規(guī)模最大的盆地,高產(chǎn)原因在于開發(fā)層系侏羅系瓦隆組為薄互層煤系,由此衍生出一系列有利于煤系氣富集成藏的地質(zhì)條件,如源儲(chǔ)緊鄰為天然氣近源排出并轉(zhuǎn)化為砂巖游離氣提供了面式輸導(dǎo)條件、煤層及泥巖頻繁互層提供了內(nèi)幕封蓋條件等(秦勇等,2019)。為此,聚焦祥擺組含煤區(qū),優(yōu)先考慮煤層層數(shù)多、累計(jì)厚度相對(duì)較大且煤層和煤線發(fā)育的地帶,應(yīng)作為研究區(qū)煤系氣地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。

(3)威寧地區(qū)十分發(fā)育的褶皺和斷裂共同構(gòu)成典型的逆沖推覆構(gòu)造體系(王偉鋒等,2014),祥擺組選區(qū)評(píng)價(jià)完全避開斷裂區(qū)并不現(xiàn)實(shí)(秦勇等?)。前已述及,正斷層導(dǎo)致天然氣逸散,逆斷層有利于天然氣保存,黔北安頁1井區(qū)古生界頁巖氣富集起源于逆斷向斜側(cè)向封堵(翟剛毅等,2017)。與此類似,研究區(qū)東側(cè)外圍水頁1井下的石炭統(tǒng)頁巖氣富集成藏模式也被認(rèn)為與逆斷層封堵密切相關(guān)(易同生等,2022)?；谏鲜龇治?向斜構(gòu)造單元兩翼完整或發(fā)育逆斷層且單元內(nèi)部正斷層稀少,應(yīng)是研究區(qū)祥擺組煤系氣選區(qū)評(píng)價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

(4)干酪根熱解或者由裂解生成干氣的鏡質(zhì)組反射率上限值為3.0%,而所生成干氣的保存上限值為4.6%(Burhaman et al., 2009)。在美國(guó)大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的五大含氣頁巖系統(tǒng)中,頁巖氣單井產(chǎn)量和年產(chǎn)量較高的Barnett頁巖系統(tǒng)鏡質(zhì)組反射率介于1.1%～2.2%之間(田碩夫等,2016)。從沉積有機(jī)質(zhì)生氣能力角度,鏡質(zhì)組反射率1.1%～3.0%為有利的熱演化范圍,3.0%～3.5%為較有利熱演化范圍(國(guó)家能源局,2020)。根據(jù)實(shí)測(cè)資料,研究區(qū)埋深1200 m以淺的祥擺組鏡質(zhì)組反射率多在2.0%以上,最高超過3.0%,隨埋深加大,反射率將進(jìn)一步增高(本文前述)。考慮這些實(shí)際情況,可將鏡質(zhì)組最大反射率1.3%～4.0%(過成熟—高成熟階段)作為祥擺組煤系氣地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)之一。

(5) 我國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將頁巖含氣量分為三類,其中Ⅲ類含氣量范圍為1.0～2.0 m3/t(國(guó)家能源局,2020)。煤層氣儲(chǔ)量起算下限與煤變質(zhì)程度密切相關(guān),貧煤～無煙煤(鏡質(zhì)組反射率>1.90%)儲(chǔ)層的空氣干燥基下限含氣量為8 m3/t(自然資源部,2020),而威寧地區(qū)祥擺組鏡質(zhì)組反射率多數(shù)大于2.0%。研究區(qū)祥擺組煤系氣主要由頁巖氣和煤層氣構(gòu)成,共生煤層氣的客觀存在一定程度上降低了勘查對(duì)頁巖含氣量的要求。LC1井祥擺組煤層游離氣含量可能增大的“臨界深度”約1100 m,對(duì)應(yīng)的共生頁巖含氣量約為1.50 m3/t(圖6)?；谶@些分析,考慮祥擺組頁巖氣與煤層氣共生的實(shí)際情況,建議將頁巖含氣量>1.5 m3/t、煤層含氣量>8.0 m3/t作為選區(qū)評(píng)價(jià)的一條必要標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1)威寧地區(qū)下石炭統(tǒng)祥擺組厚度較大,下段以黑色頁巖和細(xì)砂巖為主,間夾多個(gè)薄煤層及煤線,薄互層煤系巖性序列特征典型;上段以中—厚層黑色頁巖為主,夾少量煤線,為一套頁巖氣層系。

(2)祥擺組煤層全硫含量高,頁巖有機(jī)質(zhì)以Ⅱ型為主,這與受海水影響強(qiáng)烈的潮坪—潟湖沉積環(huán)境有關(guān)。部分地帶祥擺組有機(jī)質(zhì)豐度較高,熱演化主要處于高成熟—過成熟階段,生氣條件優(yōu)越。煤系氣儲(chǔ)層低孔特低滲,但含煤段頁巖儲(chǔ)層脆性較高,可壓裂性較好。

(3)威寧及其鄰區(qū)祥擺組煤系氣顯示強(qiáng)烈,勘查前景可觀。祥擺組吸附氣含量臨界深度位于900～1100 m,超過這一深度,頁巖吸附甲烷含量顯著增高,煤層吸附甲烷含量降低但其游離甲烷含量可能增高,導(dǎo)致總含氣量增大,這是煤系氣有序聚集深度效應(yīng)的客觀反映。

(4)參考國(guó)內(nèi)關(guān)于臨界深度的認(rèn)識(shí),結(jié)合中國(guó)北方煤系氣綜合開發(fā)實(shí)例,認(rèn)為龍街、羊場(chǎng)、海改地、天星洞、玉龍、二都6個(gè)深向斜是威寧地區(qū)祥擺組煤系氣可能富集的主要構(gòu)造單元,向東可至水城地區(qū)的格目底、晴隆、朗岱等較大規(guī)模向斜構(gòu)造單元,具有進(jìn)一步勘查或工業(yè)開發(fā)價(jià)值的祥擺組煤系氣賦存在1500 m以深。

(5)基于上述分析,結(jié)合研究區(qū)下石炭統(tǒng)頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)現(xiàn)狀,從5個(gè)方面提出了威寧乃至整個(gè)黔西地區(qū)祥擺組煤系氣勘查戰(zhàn)略選區(qū)的原則性建議。

注 釋Notes

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