煤儲層含氣性深度效應(yīng)與成藏過程耦合關(guān)系

陳世達(dá)，侯 偉，湯達(dá)禎，李 翔，許 浩，陶 樹，李 松，唐淑玲

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；2.國家煤層氣工程中心煤儲層物性實驗室，北京 100083；3.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；4.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028)

近年來，鄂爾多斯盆地東緣(大寧-吉縣、石樓、三交北、延川南、臨興-神府)、盆地腹部(榆林、大牛地氣田)和準(zhǔn)東五彩灣、川東南等地區(qū)深部煤層氣的勘探開發(fā)取得突破，引領(lǐng)煤層氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新階段，驅(qū)動資源勘探范圍和產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，水平井分段多簇體積壓裂、直井/定向井多輪次壓裂等技術(shù)裝備體系發(fā)展迅速，產(chǎn)量快速增長[1-5]。同時，深部探井和開發(fā)井所揭示的大量新數(shù)據(jù)、新現(xiàn)象對傳統(tǒng)中淺層煤層氣成藏地質(zhì)理論和生產(chǎn)理念產(chǎn)生一定沖擊，地質(zhì)層面表現(xiàn)出非常規(guī)油氣自封閉成藏-連續(xù)聚集和常規(guī)油氣浮力成藏-圈閉富集的耦合特性，超飽和、富游離氣、投產(chǎn)即見氣、峰值產(chǎn)氣量高、累計產(chǎn)水量低等特點突出[6-8]。

煤層氣成藏研究的根本目標(biāo)是含氣性，包括含氣量、含氣飽和度等關(guān)鍵參數(shù)。深部與中淺部煤層氣藏的本質(zhì)不同在于深部煤層氣吸附氣與游離氣的工業(yè)開發(fā)價值并重，成藏機(jī)理的研究須充分考慮深部煤層氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性，統(tǒng)籌各子系統(tǒng)(吸附氣/游離氣)和各地質(zhì)要素之間的邏輯關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而以關(guān)鍵要素的互聯(lián)、互動實現(xiàn)深部煤層氣勘探開發(fā)的分類、分區(qū)指導(dǎo)。地層條件下，煤層原位總含氣量為吸附氣量和游離氣量的疊加，受控于成藏地質(zhì)過程中歷史最大埋深和后期地層抬升至現(xiàn)今埋深過程中的儲氣保存條件[9]。其中，飽和吸附量是溫壓環(huán)境和煤體介質(zhì)屬性協(xié)同作用的結(jié)果，即壓力正效應(yīng)和溫度負(fù)效應(yīng)的耦合[10-11]。一般認(rèn)為，埋深增大，溫度負(fù)效應(yīng)增強(qiáng)，飽和吸附量在一定深度反轉(zhuǎn)而出現(xiàn)“臨界深度”。大量學(xué)者通過高溫高壓等溫吸附實驗論證了這一觀點，并擬合得到了不同地區(qū)、不同煤階、不同含水飽和度等差異變量條件下飽和吸附氣量隨深度(溫壓)變化的理論預(yù)測模型[12-16]。但基于實驗擬合確定的含氣量臨界深度與深部煤層氣開發(fā)實踐認(rèn)識存在一定偏差，當(dāng)前飽和吸附氣量理論深度閾值多位于游離氣排采顯現(xiàn)深度界限之上。

顯然，飽和吸附氣量為特定煤介質(zhì)在特定溫壓條件下的固有屬性，不受保存條件的嚴(yán)格限制，但盆地或區(qū)塊尺度溫壓持續(xù)作用背景下煤階等地質(zhì)要素的補(bǔ)償或欠補(bǔ)償效應(yīng)對區(qū)域含氣性轉(zhuǎn)折深度(帶)的動態(tài)調(diào)整作用不可忽視[17-18]。筆者在剖析鄂爾多斯盆地東緣(以下簡稱鄂東緣)煤層氣探井資料的基礎(chǔ)上，綜合常規(guī)-非常規(guī)油氣成藏地質(zhì)學(xué)理論，探討溫壓持續(xù)作用背景下區(qū)域飽和吸附氣量轉(zhuǎn)折深度的地質(zhì)補(bǔ)償效應(yīng)，從成藏演化過程的角度揭示深部超飽和氣藏形成的本質(zhì)，以期為深部煤層氣的資源評價和甜點選區(qū)提供理論依據(jù)。

1 煤儲層含氣性變化深度效應(yīng)

筆者系統(tǒng)收集了鄂東緣中南部柳林-石樓-大寧-吉縣區(qū)塊(中石油礦區(qū))和延川南區(qū)塊(中石化礦區(qū))的煤層氣探井資料，包括注入/壓降試井(儲層壓力、溫度)、現(xiàn)場含氣量測試和煤的鏡質(zhì)體最大反射率 (Rmax)、高溫高壓等溫吸附等測試數(shù)據(jù)。同一探井涉及相同煤層多段取心的含氣量數(shù)據(jù)點，考慮到煤層的強(qiáng)非均質(zhì)性和深部煤層含氣量測試的不穩(wěn)定性，除去部分異常極值或受灰分產(chǎn)率影響明顯的數(shù)據(jù)點外，同一煤層未作數(shù)據(jù)的平均化處理。

1.1 地層環(huán)境特征與儲層特性

根據(jù)上述區(qū)塊試井結(jié)果，儲層壓力隨深度呈近似指數(shù)形式增高，具體表現(xiàn)為壓力梯度先快增后緩增，區(qū)塊間雖存在一定的數(shù)值差異，但趨勢整體一致，即由中淺部欠壓逐漸過渡為深部常壓儲層(壓力梯度0.9～1.1 MPa/hm，圖1a)；儲層溫度隨埋深增大呈線性增高，平均地溫梯度約3℃/hm(未考慮恒溫帶影響)，屬于正常地溫梯度的范疇。煤變質(zhì)程度分布較為廣泛(中-高煤階)，Rmax介于1.04%～3.10%。且變質(zhì)程度與埋深具有良好的正相關(guān)性，大吉和石樓西等深部區(qū)塊Rmax相對較高(2.0%～3.1%，平均2.75%)(圖1b)。從實測含氣量結(jié)果來看(空氣干燥基，1.18～35.43 m3/t)，500～2 500 m埋深范圍內(nèi)含氣量隨深度增加近乎線性增大，無明顯轉(zhuǎn)折降低或趨緩收斂的現(xiàn)象(圖1c)。地層溫度條件下等溫吸附試驗結(jié)果離散性相對較大，Langmuir 體積隨埋深增加趨于增大，但深部增幅趨緩(圖1d，2 000 m 以深樣品實驗溫度為60℃，略低于實際地層溫度)。

圖1 鄂東緣煤儲層關(guān)鍵參數(shù)隨埋深變化Fig.1 Depth-varying critical parameters of coal reservoirs on the eastern margin of the Ordos Basin

1.2 含氣性變化的地質(zhì)補(bǔ)償效應(yīng)

基于圖1d 中不同溫度條件下不同變質(zhì)程度煤樣的等溫吸附實驗結(jié)果，通過多元線性回歸擬合得到了考慮變質(zhì)程度(Rmax，%)和地層溫度(t，℃)的Langmuir 參數(shù)表征模型及原位飽和吸附量計算模型。

筆者團(tuán)隊開展的大吉地區(qū)6 件鉆孔煤樣的高溫高壓等溫吸附實驗結(jié)果(Rmax為2.52%～2.98%；溫度為30、60、90℃)[19]與上述模型計算結(jié)果吻合性良好(圖2)。

圖2 等溫吸附實測結(jié)果與計算結(jié)果對比Fig.2 Comparison between measured and calculated isothermal adsorption results

以此模型為基礎(chǔ)，本節(jié)分別論述了壓力梯度、變質(zhì)程度和含氣量補(bǔ)償效應(yīng)對區(qū)域飽和吸附氣量深度效應(yīng)及超飽和氣藏形成的控制作用。相關(guān)參數(shù)變化路徑基于柳林至延川南一帶實測數(shù)據(jù)提取(圖3)。

圖3 相關(guān)參數(shù)變化路徑Fig.3 Variation paths of relevant parameters

1.2.1 壓力梯度補(bǔ)償效應(yīng)

早期建立的含氣量數(shù)學(xué)模型多基于正常壓力梯度計算，忽略了中淺部欠壓儲層條件和不斷增大的壓力梯度所帶來的補(bǔ)償效應(yīng)[12,18]。具體而言，中淺部煤層氣儲層多以欠壓為主，基于常壓的假設(shè)條件導(dǎo)致原位飽和吸附量偏高(圖4)。以Rmax=2.0%為例，恒定常壓條件下，飽和吸附量轉(zhuǎn)換深度為1 700 m，變壓力梯度條件下深度界限可滯后至2 000 m，深部煤儲層壓力梯度趨于收斂穩(wěn)定，飽和氣量曲線重合。

圖4 不同壓力變化路徑含氣性臨界深度變化Fig.4 Variations in critical depths for gas-bearing properties under different pressure variation paths

1.2.2 變質(zhì)程度補(bǔ)償效應(yīng)

地層條件下，地層溫壓場和煤介質(zhì)屬性均隨埋深發(fā)生改變，某一深度煤的飽和吸附氣量是其對當(dāng)前溫壓環(huán)境的具體響應(yīng)。將圖1c 中Rmax隨埋深的變化路徑代入式(3)，即可得到考慮儲層壓力、儲層溫度和煤階耦合變化的區(qū)域飽和吸附氣量變化曲線(圖5)?？梢?，特定煤階隨深度增加存在較為明顯的飽和吸附量轉(zhuǎn)折深度，但實際地層條件下某種變質(zhì)程度煤只會存在于某一特定深度(帶)，Rmax隨深度的增高會導(dǎo)致區(qū)域飽和吸附氣量轉(zhuǎn)折深度不斷滯后，這與煤心等溫吸附實測計算結(jié)果基本一致(圖6)。變質(zhì)程度補(bǔ)償效應(yīng)的實質(zhì)是煤階對吸附能力正效應(yīng)和溫度負(fù)效應(yīng)的耦合，即Rmax增大帶來的吸附能力增量大于溫度負(fù)效應(yīng)減量，當(dāng)變質(zhì)程度趨于穩(wěn)定或補(bǔ)償效應(yīng)截止時，區(qū)域飽和吸附氣量臨界轉(zhuǎn)折深度才會顯現(xiàn)。

圖5 區(qū)域飽和吸附氣量隨深度變化理論模型Fig.5 Theoretical model of depth-varying regional saturated adsorbed gas capacity

圖6 考慮煤階變化的區(qū)域飽和吸附氣量變化Fig.6 Variations in regional saturated adsorbed gas capacity considering coal ranks

1.2.3 含氣量補(bǔ)償效應(yīng)

從上述結(jié)果來看，大寧-吉縣及周邊區(qū)塊埋深增大帶來熱演化程度增高、含氣性增大和保存條件變好等多重效應(yīng)，原位飽和吸附量受變質(zhì)程度/壓力正效應(yīng)和溫度負(fù)效應(yīng)的疊加影響增速漸緩，但總含氣量持續(xù)增高，當(dāng)某一深度總含氣量大于原位飽和吸附氣量時，即表現(xiàn)為超飽和氣藏，該深度閾值代表地層開始具備游離氣封閉條件，使含氣上限不受飽和吸附量的嚴(yán)格約束。由圖7 可見，柳林-延川南一帶埋深約2 000 m(±200 m)處氣藏開始具備游離氣保存條件，游離氣占比不斷增高，2 500 m埋深處含氣飽和度平均約120%，3 000 m 埋深處含氣飽和度預(yù)計可達(dá)136%(圖7)。

圖7 理論飽和吸附氣量和實測總含氣量對比Fig.7 Comparison between theoretical saturated adsorbed gas capacity and measured total gas content

2 煤儲層含氣性演化與成藏過程耦合關(guān)系

埋藏深度是影響煤層氣富集程度的綜合要素，煤層氣藏形成是埋深演化過程中多動力綜合的結(jié)果[20]。中國除變質(zhì)程度較低的含煤盆地外，絕大多數(shù)盆地都經(jīng)歷了回返抬升演化階段[9]。因此，煤層氣成藏伴隨著構(gòu)造沉降、埋藏變質(zhì)和回返抬升的演化過程，有的盆地甚至經(jīng)歷了多次的旋回。煤層的埋藏-抬升過程中溫壓環(huán)境變化決定了飽和吸附氣量和甲烷密度的動態(tài)演化，游離氣滯留與否取決于保存條件、保存效率的時空疊加，具備游離氣保存條件的情況下，原位總含氣量方可不受飽和吸附量的嚴(yán)格約束(圖8)。

圖8 地層回返抬升階段煤層氣系統(tǒng)動態(tài)演化過程Fig.8 Dynamic evolutionary process of the coalbed methane system during the rollback and uplift of strata

構(gòu)造沉降階段：最大古埋深及其配套溫壓條件決定煤的變質(zhì)程度及其熱演化過程中的生排烴強(qiáng)度，是現(xiàn)今煤層氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)(源)。該階段發(fā)生層內(nèi)甲烷充注、驅(qū)水，整體表現(xiàn)為“干煤系統(tǒng)”，氣體運移主要受壓力驅(qū)動，當(dāng)流體壓力足以克服蓋層毛管壓力時發(fā)生垂向逸散，原位最大儲氣能力取決于煤層吸附能力、超臨界甲烷流體性質(zhì)(或密度)、地層封閉條件和壓力平衡關(guān)系。

回返抬升階段：生烴作用停滯，地層壓力系統(tǒng)及氣水飽和關(guān)系發(fā)生再平衡：(1) 抬升至飽和吸附量臨界深度(或溫壓閾值)前，煤對吸附氣的固氣能力增強(qiáng)，應(yīng)力降低導(dǎo)致孔滲有所恢復(fù)，部分游離氣轉(zhuǎn)化為吸附氣，但含水飽和度增加且甲烷發(fā)生膨脹，煤層儲滲空間多處于氣液高飽和或飽和狀態(tài)(即流體承壓狀態(tài)，常壓儲層為主)。(2) 當(dāng)?shù)貙犹僚R界深度以淺后，煤層壓實程度、溫度和壓力持續(xù)減小，此時溫度負(fù)效應(yīng)小于壓力正效應(yīng)，飽和吸附量隨抬升幅度增大開始趨于降低，部分吸附氣解吸為游離氣并向裂縫中運移，但大多因保存條件較差而發(fā)生逸散(或部分逸散)，后期地層水入滲或地表接受再沉積導(dǎo)致孔隙壓力升高(吸附能力增強(qiáng))，但此時沒有氣源補(bǔ)給，飽和氣藏逐漸過渡為欠飽和氣藏，抬升幅度越大、回返時間越長、水動力越強(qiáng)，含氣飽和度則越低。

顯然，現(xiàn)今煤層氣藏含氣性顯現(xiàn)受控于構(gòu)造沉降階段生烴供氣、回返抬升階段含氣系統(tǒng)再平衡的疊加，超飽和氣藏形成或游離氣滯留臨界深度閾值與飽和吸附量轉(zhuǎn)折深度界限可能不同步。其中，吸附氣系統(tǒng)受控于地層溫度、壓力和煤特性的耦合[21]；游離氣的運移成藏與改造定型受控于蓋層與遮擋等“圈、運、?！睏l件的疊加影響，涉及浮力、儲蓋層毛細(xì)管力的耦合作用[20]。抬升過程中受構(gòu)造改造形式、時間和強(qiáng)度不同的影響，不同地區(qū)煤層氣藏的調(diào)整、破壞程度也不同[22]。深部煤層構(gòu)造抬升幅度通常較小，改造強(qiáng)度較弱，仍可保持吸附氣和游離氣并存的超飽和氣藏特性；中-淺層抬升幅度較大，斷裂開啟、露頭剝蝕和煤層自封閉性降低等對游離氣散失機(jī)制影響顯著，僅吸附氣得以滯留保存，并在抬升后期逐漸由飽和氣藏過渡為欠飽和氣藏[23]。

鄂東緣煤系沉積后經(jīng)歷了印支、燕山、喜馬拉雅運動，煤層氣成藏演化與煤系埋藏演化總體上具有繼承性，經(jīng)歷了多期次埋藏與抬升[24]。煤變質(zhì)程度是古埋深及古溫壓條件的具體反映，也是決定現(xiàn)今總含氣量的主要煤質(zhì)基礎(chǔ)，變質(zhì)程度越高，含氣性顯示則越好(圖9)。整體上，區(qū)域尺度煤層埋深演化可大致劃分為兩大類型：“整體沉降、差異抬升”，即煤層歷史最大埋深相似，但后期抬升幅度存在較大差異，導(dǎo)致煤的Rmax隨現(xiàn)今埋深無明顯變化或變化幅度較小，區(qū)域尺度飽和吸附量存在相對明顯的轉(zhuǎn)折深度，但游離氣滯留深度界限多位于吸附量轉(zhuǎn)折深度之下(圖10a)；“差異沉降、整體抬升”，即淺部煤層歷史最大埋深小于深部煤層，但后期抬升幅度差異不大，煤的Rmax隨現(xiàn)今埋深增大趨于增高，區(qū)域飽和吸附氣量增幅趨緩，補(bǔ)償效應(yīng)截止深度處方可發(fā)生轉(zhuǎn)折，游離氣滯留深度界限可位于區(qū)域飽和吸附量轉(zhuǎn)折深度之上(圖10b)。

圖9 鄂東緣煤的鏡質(zhì)體反射率(Rmax)與現(xiàn)今含氣量關(guān)系Fig.9 Vitrinite reflectance (Rmax) vs.current gas content of coals on the eastern margin of the Ordos Basin

圖10 煤儲層含氣性深度效應(yīng)Fig.10 Effects of depth on gas-bearing properties of coal reservoirs

先期關(guān)于中淺部煤層氣成藏方面的成果頗豐，成藏要素切入點包括煤自身屬性(源-儲)及其所處地層環(huán)境(埋深、溫壓條件)、沉積環(huán)境(巖性組合)、斷裂體系(保存)、構(gòu)造形態(tài)-水體封閉性等方面。相對于常規(guī)油氣圈閉富集、浮力成藏機(jī)理，中淺部煤層氣多以吸附氣自封閉成藏機(jī)制為主，具備連續(xù)性聚集、大面積分布等地質(zhì)特征[20]。深部系統(tǒng)富集成藏地質(zhì)要素與淺部無異，無外乎沉積、構(gòu)造、水文地質(zhì)等，但其對不同子系統(tǒng)(吸附氣/游離氣)的具體內(nèi)涵有所差異。飽和吸附量變化是控制甲烷相態(tài)轉(zhuǎn)換、平衡關(guān)系和吸附氣上限的基礎(chǔ)，游離氣滯留深度則更加強(qiáng)調(diào)浮力成藏機(jī)制下的氣體運移行為、源匯通道和聚氣邊界。但是，深部煤層氣主要為源內(nèi)成藏、側(cè)向運聚，除了準(zhǔn)東白家海凸起一帶，尚未發(fā)現(xiàn)其他地區(qū)存在外源氣的垂向輸入補(bǔ)充，這是與常規(guī)油氣(源儲分離)的顯著不同[5,25]。具體而言，深部超飽和氣藏成藏主控因素可以概括為3 個端元：一是埋深，包括古埋深和現(xiàn)埋深，涉及地層溫壓環(huán)境、煤層變質(zhì)生烴強(qiáng)度、甲烷相態(tài)平衡關(guān)系和超臨界甲烷密度的深度效應(yīng)；二是構(gòu)造，涵蓋構(gòu)造形態(tài)和斷裂體系，決定圈閉類型、有效容積和流體源匯路徑；三是水動力場，包括宏觀水動力場和微觀氣水分布，反映地層封閉性和流體可驅(qū)動性。埋深-構(gòu)造-水動力場三元耦合關(guān)系是決定深部煤層氣富集成藏的關(guān)鍵，體現(xiàn)為非常規(guī)油氣自封閉成藏-連續(xù)性聚集和常規(guī)油氣浮力成藏-圈閉富集理論的深度融合(圖11)。區(qū)域尺度具備超飽和氣藏埋深條件的前提下，構(gòu)造條件和水動力場的差異耦合可能致使游離氣的二次運移和空間尺度的差異富集。例如，大寧-吉縣西北部溝槽區(qū)(或低凹區(qū))受原始沉積鹵水影響最為嚴(yán)重，礦化度>250 000 mg/L，水體封閉性強(qiáng)，游離氣原地滯留形成“水力封堵型”超飽和氣藏，含氣飽和度110%～125%；中部平緩區(qū)局部可能存在游離氣上浮分異現(xiàn)象，導(dǎo)致吸附飽和型(北部2 口井含氣飽和度99.1%～99.7%)和超飽和型煤層氣藏并存；鼻隆區(qū)與平緩區(qū)對接，接受分異游離氣的補(bǔ)給，局部構(gòu)造高點形成“構(gòu)造圈閉型”超飽和氣藏(含氣飽和度103%～115%)。

圖11 大吉地區(qū)構(gòu)造-水文耦合約束下深部煤層氣差異成藏模式Fig.11 Differential accumulation mode of deep coalbed methane under the constraints of structural-hydrological coupling in the Daning-Jixian area

3 結(jié)論

a.煤儲層區(qū)域飽和吸附氣量深度效應(yīng)是煤體介質(zhì)屬性和地層溫壓條件綜合作用的結(jié)果，溫壓效應(yīng)持續(xù)作用背景下，壓力梯度和變質(zhì)程度補(bǔ)償效應(yīng)會致使原位飽和吸附氣量轉(zhuǎn)折深度(帶)的滯后。不同區(qū)塊煤層氣地質(zhì)條件存在差異，區(qū)域飽和吸附量轉(zhuǎn)折深度、補(bǔ)償效應(yīng)起止深度和游離氣滯留深度的界定應(yīng)具體分析。

b.埋深是影響煤層氣富集程度的綜合要素，煤層氣成藏受構(gòu)造沉降、埋藏變質(zhì)和回返抬升過程中多動力的綜合影響。回返抬升過程及抬升后期埋深-構(gòu)造-水動力場三元耦合關(guān)系與煤層吸附能力、超臨界甲烷流體性質(zhì)和多動力約束下地層封閉條件的平衡需綜合考量，抬升幅度小且改造強(qiáng)度弱時游離氣方可滯留，游離氣滯留深度不能等同于飽和吸附氣量轉(zhuǎn)折深度。

c.深部高變質(zhì)程度煤具備高含氣的先天優(yōu)勢，是儲量和產(chǎn)量增長的主力層系。鄂爾多斯盆地東緣柳林-延川南一帶總含氣量隨埋深增大呈線性增高，深部趨緩收斂趨勢不明顯，大吉區(qū)塊游離氣滯留深度約2 000 m附近，該深度以深開始表現(xiàn)為吸附氣、游離氣共存的超飽和氣藏，2 500 m 處平均含氣飽和度約120%，3 000 m處含氣飽和度預(yù)計可達(dá)136%。

符號注釋

p為儲層壓力，MPa；pL為Langmuir 壓力，MPa；Rmax為鏡質(zhì)體最大反射率，%；t為溫度，℃；V、VL分別為原位飽和吸附量和Langmuir 體積，m3/t。