深、淺部煤層氣地質(zhì)條件差異性及其形成機制

許 浩，湯達禎，陶 樹，李 松，唐淑玲，陳世達，宗 鵬，董 煜

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；2.煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心中國地質(zhì)大學(xué)(北京)煤儲層物性實驗室，北京 100083)

我國煤層氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)步入規(guī)?；l(fā)展階段，在沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣兩大淺部煤層氣產(chǎn)業(yè)基地的基礎(chǔ)上，近年來，深部煤層氣開發(fā)取得系列重大突破[1]。鄂爾多斯盆地延川南區(qū)塊延3 井區(qū)南部33 口開發(fā)井單井日穩(wěn)產(chǎn)氣量超1.3 萬m3，其中水平井單井日穩(wěn)產(chǎn)氣量(2.5～6.0) 萬m3[2]；大寧-吉縣區(qū)塊吉深14-5 平02 井自2022 年9 月投產(chǎn)以來，單井累計產(chǎn)氣2 601.9 萬m3，目前日產(chǎn)氣量仍保持在4.3 萬m3以上；臨興區(qū)塊實施的首口深部煤層氣水平井“深煤一號”，最終測試產(chǎn)量達到6.0 萬m3/d；重慶市南川區(qū)深部煤層氣直探井陽2 井實現(xiàn)自噴生產(chǎn)100 d，累計產(chǎn)氣120 萬m3。此外，鄂爾多斯盆地東緣臨汾、三交、臨興、神府，沁水盆地鄭莊、柿莊、馬必，以及準(zhǔn)噶爾盆地彩南地區(qū)和阜康西等區(qū)塊，部分埋深1 000～2 500 m 煤層氣井獲得高產(chǎn)氣流。說明我國深部煤層氣具有巨大潛力[3-6]，對保障國家能源安全意義重大。

初期，深部煤層氣定義通常以埋深作為界限，不同專家學(xué)者認(rèn)為的界限深度主要包括800、1 000、1 500及2 000 m 等[7-9]。隨著研究的深入，對其認(rèn)識不斷完善，越來越多的學(xué)者從埋深、地應(yīng)力、含氣性、儲層物性以及產(chǎn)氣特征等多角度定義其特點[10-13]。深部煤層氣在諸多方面與淺部煤層氣具有顯著差異，但這種差異不是突變的，而是具有漸變過渡和多因素綜合作用的特點，在不同區(qū)域的顯現(xiàn)特征不同。筆者以鄂爾多斯盆地上古生界煤層為例，旨在從煤層氣地質(zhì)角度，以同一套煤層形成演化為主線，系統(tǒng)探討深部和淺部煤層在埋深演化、溫壓特征與含氣性、地應(yīng)力與滲透率特征、成熟度與含水性的差異規(guī)律及其形成機制，以期在清晰理解深部和淺部煤層氣地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，為深部和淺部煤層氣協(xié)同勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 煤層形成與埋深演化

自晚泥盆世以來，全球范圍內(nèi)發(fā)生了多期聚煤作用，其中晚石炭世-二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和晚白堊世末期-新近紀(jì)，是聚煤作用最強的3 個時期[14]，99%以上的煤炭資源形成于這3 個聚煤期[15]。聚煤期與地質(zhì)歷史時期古構(gòu)造、古氣候、古地理、古植物等密切相關(guān)[16]。煤層形成后，隨著上覆地層的沉積，埋深逐漸增加，后期在構(gòu)造作用下，發(fā)生差異抬升作用，最終形成現(xiàn)今盆內(nèi)埋深大、盆緣埋深淺的分布格局。

以鄂爾多斯盆地上古生界煤層為例，晚石炭世-二疊紀(jì)，華北地區(qū)廣泛發(fā)育晚古生代聚煤作用[17]；早三疊世末的印支運動，造成區(qū)域整體抬升，后期經(jīng)過坳陷階段，使華北地區(qū)呈現(xiàn)東隆西坳的構(gòu)造格局，鄂爾多斯地塊相應(yīng)東升西降，鄂爾多斯盆地基本定型。自此之后，雖然有局部抬升，但盆地整體進入沉降期，晚白堊世時期上古生界煤層達到最大埋深。進入晚白堊世晚期，發(fā)生燕山運動第V 幕，直至新生代，盆地整體不斷抬升，地層遭受剝蝕，且始終保持為東部高西部低的狀態(tài)，盆地邊緣抬升幅度較大。受盆地整體構(gòu)造演化的控制，不同構(gòu)造位置上古生界煤層的演化模式可以分為3 種類型：深埋深藏型(最大埋深與現(xiàn)今埋深均大于2 000 m)、深埋淺藏型(最大埋深大于2 000 m、現(xiàn)今埋深小于2 000 m)及淺埋淺藏型(最大埋深與現(xiàn)今埋深均小于2 000 m)(圖1)。根據(jù)目前煤層氣勘探開發(fā)情況，深埋深藏型以大寧-吉縣深部區(qū)塊為代表，現(xiàn)今埋深2 000～2 600 m，有機質(zhì)鏡質(zhì)體最大反射率Rmax為1.43%～2.63%；深埋淺藏型以延川南區(qū)塊為代表，現(xiàn)今埋深1 000～1 500 m，Rmax為1.59%～3.22%；淺埋淺藏型以保德區(qū)塊為代表，現(xiàn)今埋深420～1 000 m，Rmax為0.55%～0.75%。因此，現(xiàn)今的深部煤層氣在地質(zhì)歷史演化過程中雖然經(jīng)歷了多期的構(gòu)造抬升，但一直處于深部環(huán)境條件下。而現(xiàn)今的淺部煤層氣則分為2 種類型：第一種是經(jīng)歷了深部環(huán)境與淺部環(huán)境的轉(zhuǎn)變，第二種是一直處于淺部環(huán)境中。受這一演化過程的影響，煤層溫壓條件與含氣性、地應(yīng)力與儲滲特征、成熟度與含水性等呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。

2 煤層溫壓特征與含氣性

煤層溫壓條件直接影響到煤層氣吸附、解吸及產(chǎn)出過程，揭示煤層原位溫壓特征與含氣性差異規(guī)律，是深入開展深部煤層氣基礎(chǔ)理論研究的前提。以鄂爾多斯盆地上古生界煤層為例，煤層溫度和壓力與現(xiàn)今埋深總體上呈正相關(guān)關(guān)系(圖2)，從盆地邊緣向盆地中心煤層溫度和壓力逐漸升高。盆地東緣埋深最淺的河曲和保德區(qū)塊煤層最低溫度20℃左右，柳林和延川南區(qū)塊煤層壓力最低為2.8 MPa 左右；埋深最深的伊陜斜坡西南部儲層溫度超過120℃，儲層壓力達到40 MPa 以上。深部和淺部儲層溫度最多相差100℃以上，儲層壓力最大相差40 MPa 左右。

煤吸附能力與溫壓條件密切相關(guān)，地層壓力越高，吸附能力加強，煤層氣吸附量升高；地層溫度越高，吸附能力減弱，煤層氣吸附量降低[18]。因此，煤層氣吸附量在一定深度將會趨于降低，這個深度即為煤層含氣量的臨界深度(圖3)。“臨界深度”以淺，多為欠飽和煤層氣藏，吸附氣為主，需排水降壓解吸產(chǎn)氣；“臨界深度”以深，煤吸附飽和，相比淺部煤層，深部煤層的蓋層更加致密，封閉能力更強，保存條件更好，更有利于游離氣的賦存。因此，深部煤層氣具有投產(chǎn)即見氣、見氣即高產(chǎn)的突出特點。以鄂爾多斯盆地大寧-吉縣區(qū)塊煤層為例，淺層含氣量12～18 m3/t，埋深為800～1 500 m；深層含氣量22～32 m3/t，游離氣占比20%，埋深為1 800～2 600 m。

圖3 煤層含氣量隨埋深變化(據(jù)秦勇等[19]，2012，修改)Fig.3 Burial depth-varying gas content in coal seams (modified after Qin Yong et al.,2012[19])

理論和勘探實踐均證明，臨界深度受煤巖性質(zhì)與地質(zhì)條件影響，不同地區(qū)存在較大差異。根據(jù)上述煤層埋深演化模式，部分地區(qū)煤層在構(gòu)造抬升過程中跨越了臨界深度，煤層從深部抬升到淺部，由于地層溫度和壓力降低，其中的氣體賦存條件發(fā)生改變。

3 煤層地應(yīng)力與滲透性特征

地應(yīng)力是影響煤層滲透性與可改造性的重要因素[20]。地應(yīng)力包括垂向應(yīng)力與水平應(yīng)力。其中，垂向應(yīng)力是重力作用下上覆地層產(chǎn)生的壓力，受煤層埋深和上覆地層性質(zhì)影響。水平應(yīng)力與構(gòu)造運動和巖層地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，受水平方向構(gòu)造運動影響最大?？碧介_發(fā)實踐表明，深部和淺部煤層地應(yīng)力場存在較大差別。

在淺部煤層中，由于水平應(yīng)力受不同地質(zhì)條件的影響有所差異，垂向應(yīng)力與水平應(yīng)力關(guān)系變化較大。因此，地應(yīng)力整體呈現(xiàn)離散型特征，即：側(cè)壓系數(shù)、水平應(yīng)力梯度分布范圍較寬。隨著埋深的增加，上覆巖層的自重作用逐漸凸顯，應(yīng)力場變化趨于一致，側(cè)壓系數(shù)、水平應(yīng)力梯度內(nèi)外包絡(luò)線逐漸收斂，趨于重合，轉(zhuǎn)化為垂向應(yīng)力主導(dǎo)[21]。在含煤盆地中，煤層應(yīng)力條件的分布與轉(zhuǎn)化過程在垂向上表現(xiàn)為分段性和轉(zhuǎn)換性(圖4)，對應(yīng)在平面上則表現(xiàn)為過渡性和分帶性。地應(yīng)力場的轉(zhuǎn)換深度受地質(zhì)條件影響，不同地區(qū)存在較大差異，而且根據(jù)煤層埋深演化模式，部分地區(qū)煤層在構(gòu)造抬升過程中實現(xiàn)了地應(yīng)力場的轉(zhuǎn)換，即由垂向應(yīng)力主導(dǎo)型轉(zhuǎn)換為水平應(yīng)力主導(dǎo)型。

圖4 煤層應(yīng)力條件在垂向上的分布與轉(zhuǎn)換(據(jù)E.M.ANDERSON [22]，1951)Fig.4 Vertical distribution and transformation of stress in coal seams (from E.M.Anderson,1951[22])

地應(yīng)力也是深部與淺部煤巖力學(xué)性質(zhì)及變形行為差異的主要誘因[23]。淺部低應(yīng)力環(huán)境下，煤巖脆性破壞易形成連續(xù)、產(chǎn)狀分明的宏觀裂縫。因此，淺部煤層滲透率表現(xiàn)出離散分布的特點。深部條件下，由于垂向應(yīng)力成為絕對主導(dǎo)，煤層處于高度壓縮狀態(tài)，導(dǎo)致深部煤層孔隙發(fā)育較差，更為致密，滲透率較低，但內(nèi)生裂隙作為煤特有的裂隙系統(tǒng)，可以作為煤層中流體滲流產(chǎn)出的主要通道[24]。

4 煤的變質(zhì)程度與含水性

鄂爾多斯盆地上古生界煤巖成熟度除在局部地區(qū)受巖漿變質(zhì)作用影響外，主要受深成變質(zhì)作用影響。煤的鏡質(zhì)體反射率與最大古埋深具有較好的相關(guān)性，整體上，從盆地邊緣向中心成熟度逐漸增高(圖5)[25]。在成煤演化過程中，煤自身含水性與成熟度關(guān)系密切。隨著煤化作用的增強，煤層含水性逐漸降低，從褐煤到無煙煤，煤層含水量可從58%降低到3%。同時，煤層中水的賦存類型也會發(fā)生變化，由于含氧官能團的減少和孔隙率的降低，煤中自由水的比例逐漸降低，束縛水的比例逐漸增大。深部煤層不含水或含有少量水。由于煤層的儲集空間有限，煤層的含氣性與含水性通常呈負(fù)相關(guān)。而淺部煤層實際含水性受外部因素影響顯著，一方面，淺部煤層靠近補給區(qū)，地下水流動活躍，煤層水礦化度較低；另一方面，在水平地應(yīng)力條件下，容易形成滲透性較好的裂隙作為賦水空間和導(dǎo)水通道。導(dǎo)致淺部煤層易含水，而且自由水的比例較高，煤層氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)水量較大[26]。深部煤層相比于淺部煤層，受大氣降水補給影響較小，煤層含水量低，煤層水礦化度高，因此，開發(fā)時產(chǎn)水量很小或者不產(chǎn)水。

圖5 鄂爾多斯盆地上古生界石炭－二疊系煤層熱演化程度(據(jù)任戰(zhàn)利等[25]，2021，修改)Fig.5 Maturity of the Upper Paleozoic Carboniferous-Permian coal seams in the Ordos Basin (modified after Ren Zhanli et al.,2021[25])

但是，構(gòu)造斷層會對深部和淺部煤層含水性產(chǎn)生重要影響。無論深部煤層或淺部煤層中，如果斷層連通煤層與地表水或含水層，將導(dǎo)致物性較好的煤層富水性較強，進而影響到煤層氣的賦存；而物性較差的煤層，雖然其自身富水性弱，但降壓過程中產(chǎn)出的水大多來自于外來水，導(dǎo)致煤層需要較長的時間才能降壓至臨界解吸壓力，不利于煤層氣井產(chǎn)氣。

5 煤層氣地質(zhì)條件演化規(guī)律

綜上所述，深部和淺部煤層地質(zhì)條件具有顯著差異(圖6)。從盆地邊緣向中心，隨著埋深逐漸增大，煤層溫度、壓力逐漸升高，煤的成熟度逐漸增加，含水量逐漸降低，煤層中由以吸附氣為主轉(zhuǎn)變?yōu)槲綒馀c游離氣共存，地應(yīng)力場由水平應(yīng)力主導(dǎo)轉(zhuǎn)化為垂向應(yīng)力主導(dǎo)，煤儲層孔隙率和滲透率逐漸降低。深部煤儲層滲流通道主要為內(nèi)生裂隙(割理)，淺部煤儲層可發(fā)育孔、裂隙雙滲通道。從而導(dǎo)致深部煤層產(chǎn)出流體以氣體單相為主，很少產(chǎn)水；淺部煤層產(chǎn)水量大，生產(chǎn)階段分為單相水、氣水兩相、氣相3 個階段。因此，典型的深部煤層氣的定義應(yīng)為：在高溫高壓和一定深度條件下，甲烷以吸附態(tài)和游離態(tài)共存，該類煤儲層在垂向應(yīng)力主導(dǎo)作用下，孔裂隙空間極度壓縮，含水極少且礦化度極高，內(nèi)生裂隙為主要滲流通道，氣體通過微裂隙產(chǎn)出。

圖6 鄂爾多斯盆地上古生界深部和淺部煤層地質(zhì)條件對比剖面圖Fig.6 Profile showing the evolution of the geological conditions of Upper Paleozoic deep and shallow coal seams in the Ordos Basin

從鄂爾多斯盆地上古生界煤層演化模式來看，現(xiàn)今的深部煤層在地質(zhì)歷史演化過程中雖然經(jīng)歷了多期的構(gòu)造抬升，但一直處于深部環(huán)境條件下，這種類型煤層主要分布在盆地內(nèi)部的伊陜斜坡和天環(huán)坳陷。現(xiàn)今的淺部煤層分為兩種類型：一種是經(jīng)歷了深部環(huán)境與淺部環(huán)境的轉(zhuǎn)變，即煤層在地質(zhì)歷史過程中經(jīng)歷了深埋階段后期抬升至淺部，主要分布在晉西撓褶帶和西緣沖斷帶；另一種煤層則從形成至今一直處于淺部環(huán)境中，主要分布在伊盟隆起和晉西撓褶帶北部。一直處于深部或淺部的煤層地質(zhì)特征比較典型，在空間呈現(xiàn)出規(guī)律性的連續(xù)變化。而經(jīng)歷了深部環(huán)境與淺部環(huán)境轉(zhuǎn)變的煤層，受演化過程的影響，煤層可能會兼具前兩種類型的地質(zhì)特征。

從盆地尺度看，由盆地邊緣向盆地中心，隨著埋深的逐漸增大，煤層地質(zhì)條件呈現(xiàn)規(guī)律變化，但煤層含氣性存在臨界深度，地應(yīng)力場存在轉(zhuǎn)換深度，由于這兩個深度的控制要素不同，二者在空間中會不一致。這個不一致性導(dǎo)致同一套煤層在盆地中形成一個由淺部向深部煤層地質(zhì)特點轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)，范圍受地質(zhì)條件影響，區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出非典型深部煤層氣的特點，或深部煤層氣和淺部煤層氣共存的情況。這就解釋了實際生產(chǎn)中有些區(qū)塊的深部煤層中不含游離氣、含水量較高等現(xiàn)象。因此，在過渡區(qū)煤層氣勘探開發(fā)過程中應(yīng)具體情況具體分析。

6 結(jié)論

a.受盆地整體構(gòu)造演化的控制，煤層的演化模式可以分為3 種類型：深埋深藏型(最大埋深與現(xiàn)今埋深均大于2 000 m)、深埋淺藏型(最大埋深大于2 000 m、現(xiàn)今埋深小于2 000 m)及淺埋淺藏型(最大埋深與現(xiàn)今埋深均小于2 000 m)。第一種類型和第三種類型，煤層地質(zhì)特征比較典型，在空間呈現(xiàn)出規(guī)律性的連續(xù)變化，而第二種類型比較特殊，煤層可能會兼具前兩種類型的地質(zhì)特征。

b.深部和淺部煤層地質(zhì)條件具有明顯的差異，主要表現(xiàn)為，煤層從淺部向深部，變質(zhì)程度逐漸增大，含水量逐漸降低，溫度和壓力升高，煤層中由以吸附氣為主轉(zhuǎn)變?yōu)槲綒馀c游離氣共存，地應(yīng)力場由水平應(yīng)力主導(dǎo)轉(zhuǎn)化為垂向應(yīng)力主導(dǎo)。煤儲層孔隙率和滲透率逐漸降低，深部煤儲層滲流通道主要為內(nèi)生裂隙(割理)。從而導(dǎo)致深部煤層產(chǎn)出流體以氣體單相為主，很少產(chǎn)水，淺部煤層一般產(chǎn)水量大，生產(chǎn)階段分為單相水、氣水兩相、單相氣3 個階段。

c.深部和淺部煤層氣地質(zhì)條件具有漸變過渡和多因素綜合作用的特點。含氣性轉(zhuǎn)化的臨界深度和地應(yīng)力場的轉(zhuǎn)換深度控制機制不同，導(dǎo)致二者在空間中的不一致性。因此，煤層由淺部向深部地質(zhì)特點轉(zhuǎn)變的過程中，將會在盆地內(nèi)形成一個過渡區(qū)，其范圍受地質(zhì)條件影響，區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)出非典型深部煤層氣的特點，或深部煤層氣和淺部煤層氣共存的情況。在煤層氣勘探開發(fā)過程中，應(yīng)根據(jù)實際地質(zhì)情況確定其類型，制定針對性開發(fā)方案，以實現(xiàn)淺部和深部煤層氣的高效協(xié)同開發(fā)。