寧武盆地深部煤儲層地溫場特征及其對含氣性的影響

郗兆棟，唐書恒,*，劉 忠，屈曉榮，張鵬豹，蘇育飛，張 遷

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；2.中國石油華北油田勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062550；3.山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，山西 太原 030000)

對煤層氣進行勘探開發(fā)不僅能夠減少瓦斯爆炸事故，提高煤礦安全生產(chǎn)水平，同時煤層氣作為一種重要的清潔能源，有利于優(yōu)化國家能源結(jié)構(gòu)，助力實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標[1-2]。第四輪全國煤層氣資源評價結(jié)果表明國內(nèi)煤層氣資源豐富，地質(zhì)資源量達到29.82×1012m3，可采資源量達到12.51×1012m3。其中1 000 m以深的煤層氣資源量約為1 000 m 以淺資源量的2 倍，這是我國能夠大規(guī)模開展煤層氣勘探開發(fā)，尤其是針對深部煤層氣進行勘探開發(fā)的重要資源基礎(chǔ)[3-4]。

早在21 世紀初，美國在皮森斯盆地已經(jīng)實現(xiàn)了埋深超過1 500 m 煤層氣單井日均穩(wěn)產(chǎn)氣量達萬方的突破。近幾年，我國在沁水、鄂爾多斯、準噶爾等盆地開展了針對不同煤階煤的深部煤層氣系列研究工作。大寧-吉縣區(qū)塊埋深超2 000 m 的吉深6-7 平01 井實現(xiàn)了煤層氣日產(chǎn)氣量十萬方的突破[5-6]。深部煤層氣勘探開發(fā)的突破能夠助力煤層氣產(chǎn)業(yè)開始走出“儲量多、產(chǎn)量低”的困境，有力地抓住了歷史機遇。相比于中淺層煤層氣，深部煤層氣地質(zhì)條件及開發(fā)特征更為復(fù)雜，而這種復(fù)雜性就源于深部煤儲層處于高溫和高壓的條件下[7-8]。因此，針對深部煤層氣開展的研究主要集中于高溫、高壓條件下的煤層含氣性、孔滲性、力學(xué)性質(zhì)、裂縫擴展等變化規(guī)律。

富含游離氣是深部煤層氣井見氣時間快、單井產(chǎn)氣量高且產(chǎn)水量低的重要因素。深部煤儲層游離氣含量可以達到30%甚至更高，而開井即見氣的實際開發(fā)特征也證實深部煤層富含游離氣[9-11]。溫度是直接影響深部煤層氣吸附-解吸的重要因素，進而控制著煤層中吸附氣-游離氣的比例關(guān)系。等溫吸附、熱模擬等實驗方法及分子模擬、數(shù)值模型等技術(shù)手段是研究溫度對煤儲層含氣賦存狀態(tài)的主要方法，總體上認為溫度的增加使得煤儲層的吸附能力降低[12-14]，使得部分吸附氣向游離氣轉(zhuǎn)換。值得注意的是，不同壓力、不同煤階條件下溫度對煤儲層吸附-解吸的影響具有顯著差別[15-16]。然而，當前缺乏對深部煤儲層地溫場特征的系統(tǒng)研究。孟召平等[17]系統(tǒng)研究了沁水盆地煤儲層地溫場特征，認為沁水盆地煤儲層溫度和地溫梯度均偏低，且低地溫異常區(qū)煤層氣井日產(chǎn)氣量普遍較低。

當總含氣量一定時，在某深度以下，溫度的增加使得煤儲層吸附能力開始減小，吸附氣向游離氣轉(zhuǎn)換，含氣賦存狀態(tài)發(fā)生變化。由于不同區(qū)塊的地質(zhì)背景存在顯著差異，導(dǎo)致其地溫場特征不同，進而使得不同區(qū)塊深部煤儲層吸附氣-游離氣比例出現(xiàn)變化的深度存在差異。而當前對于“深度(深層)”的內(nèi)涵以及“深部(深層)”對含氣性的影響機制均未有深入研究。高溫是深部地層的重要特征，是影響深部煤層氣富集并制約其開發(fā)效果的關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)準確揭示深部煤儲層地溫條件對煤儲層含氣性的控制機制。

以寧武盆地為例，基于寧武南區(qū)塊實際井溫測井數(shù)據(jù)確定煤儲層地溫場特征，結(jié)合等溫吸附實驗、實測含氣量等測試資料明確寧武南區(qū)塊煤儲層含氣性，厘清研究區(qū)現(xiàn)今地溫場特征對深部煤儲層含氣賦存狀態(tài)的影響，以期為深部煤層氣進一步勘探開發(fā)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

寧武盆地鄰近鄂爾多斯盆地東緣及沁水盆地，是華北克拉通東部和西部陸塊的過渡地帶[18-19]，是晚古生代成煤期后受多期構(gòu)造運動擠壓抬升形成的NE-NNE 向狹長帶狀展布的山間構(gòu)造盆地(圖1)?，F(xiàn)今殘留盆地內(nèi)部由西向東的地質(zhì)構(gòu)造表現(xiàn)為穩(wěn)定弱變形區(qū)(鄂爾多斯盆地)、過渡變形區(qū)(沁水盆地及寧武盆地)以及較強破壞區(qū)(渤海灣盆地)的明顯變形差異[20-21](圖1)。

圖1 鄂爾多斯、寧武、沁水等盆地分布范圍及地質(zhì)剖面圖[21]Fig.1 Distribution scopes and geological sections of basins such as Ordos,Ningwu,and Qinshui[21]

從行政區(qū)劃來看，寧武盆地位于山西省中北部，面積約4 000 km2。寧武南區(qū)塊位于寧武盆地最南部，面積約607 km2。寧武盆地煤層主要形成于石炭-二疊紀，含煤5～8 層，4 號、9 號和11 號為主要可采煤層，其中，太原組9 號煤層厚度最大，平均在10 m 以上。在實際勘探開發(fā)中發(fā)現(xiàn)寧武盆地在具有豐富的煤炭資源外，煤層氣資源也較為富集[22-23]，9 號煤層是煤層氣勘探開發(fā)的主力煤層(圖2)。

圖2 寧武盆地9 號煤層埋深及寧武南區(qū)塊位置[22]Fig.2 Burial depth of coal seam No.9 and the location of the Ningwunan block[22]

寧武盆地煤層埋深具有由盆緣向腹部逐漸增加的趨勢(圖2)，盆緣被斷層圍限，腹部地層較為平緩，是煤層氣勘探開發(fā)的主體。研究區(qū)9 號煤層埋深主要分布在500～2 500 m，深于1 000 m 的面積占比達到90%，腹部地區(qū)煤層埋深基本超過1 500 m，顯示出研究區(qū)具有深部煤層氣勘探開發(fā)的前景。

2 煤儲層地溫場特征

2.1 井溫測井數(shù)據(jù)

井溫測井方式分為動態(tài)井溫測試和靜態(tài)井溫測試，靜態(tài)井溫測試數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于地溫場的相關(guān)研究[17,24-25]。其中關(guān)井超過72 h 后進行測試所得數(shù)據(jù)稱為近似穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，由于關(guān)井時間相對較短，井液溫度未與原始巖層達到完全平衡，其與原始地層溫度可能存在一定偏差。當關(guān)井時間超過數(shù)天甚至數(shù)月、數(shù)年后進行測試所得數(shù)據(jù)稱為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，其與原始地層溫度基本一致[25-26]。穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的獲取需要將鉆孔保存較長時間，大范圍測試受限。

研究區(qū)太原組9 號煤層底板埋深與完鉆深度相距52.36～110.44 m，平均為82.36 m，基本屬于井段底部地層。本文統(tǒng)計了部分已發(fā)表的穩(wěn)態(tài)與近穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)[17,26-28]，發(fā)現(xiàn)其溫度差值介于0.7～5.2℃，其中80%以上鉆井的穩(wěn)態(tài)與近穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)差小于1.5℃。本次研究選取寧武南11 口鉆井的井溫測井數(shù)據(jù)全部為靜井時間超過72 h的近似穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，認為滿足研究煤儲層地溫場特征的需要。

2.2 現(xiàn)今地溫場特征

寧武南9 號煤儲層溫度介于15.5～40.1℃，平均為27.6℃，與埋藏深度存在明顯的正相關(guān)性(圖3a)。從區(qū)域來看，9 號煤儲層溫度具有由邊緣向腹部、由南向北增加的趨勢，與9 號煤頂板埋深變化趨勢一致(圖4a,圖4b)。埋深小于1 500 m 的煤儲層溫度平均低于25℃，埋深大于1 500 m 的煤儲層溫度平均高于30℃。

圖3 研究區(qū)9 號煤層頂板埋深與地溫場參數(shù)相關(guān)性Fig.3 Correlations between the roof’s burial depth and geothermal field parameters of coal seam No.9 in the study area

圖4 寧武南地溫場特征及9 號煤層頂板埋藏深度等值線Fig.4 Geothermal field in the Ningwunan block and the contour map of the roof’s burial depth of coal seam No.9

地溫梯度是研究某一地區(qū)地溫場特征的重要參數(shù)，采用以下公式進行計算：

恒溫帶溫度和厚度可通過恒溫觀測孔的觀測結(jié)果準確獲取[28]。然而，恒溫觀測孔常應(yīng)用于煤礦，在煤層氣區(qū)塊較少布置，因此，恒溫帶溫度和厚度主要依據(jù)研究區(qū)鉆孔井溫測井數(shù)據(jù)、當?shù)啬昶骄鶜鉁丶扒叭搜芯拷Y(jié)果綜合確定。寧武南區(qū)塊恒溫帶溫度to取8℃，恒溫帶厚度Ho為30 m。

計算結(jié)果顯示，寧武南區(qū)塊煤儲層地溫梯度介于1.27～1.95℃/hm，平均為1.52℃/hm。地溫梯度隨著埋深的增加略有增大(圖3b)。從區(qū)域來看，地溫梯度總體呈東南向西北增加的趨勢(圖4c)，具有區(qū)塊北部地溫梯度總體高于南部的特征，與9 號煤層南淺北深的埋深分布趨勢存在相似性。埋深小于1 000 m 的區(qū)域地溫梯度平均低于1.5℃/hm，埋深大于1 500 m 的煤儲層地溫梯度平均高于1.5℃/hm，但總體變化范圍不大。與沁水盆地(地溫梯度平均約為2.0℃/hm) 和鄂爾多斯盆地東緣(地溫梯度平均約為2.8℃/hm)的主要煤層氣區(qū)塊或煤礦區(qū)相比，研究區(qū)現(xiàn)今地溫場表現(xiàn)為顯著的低地溫梯度“冷盆”的特征。

根據(jù)孟召平等[17]對沁水盆地地溫場等級的劃分(表1)，研究區(qū)地溫場為地溫低異常區(qū)，其恒溫帶溫度、厚度、煤儲層溫度、地溫梯度等參數(shù)基本類似于沁水盆地的地溫低異常區(qū)(如陽泉礦區(qū)、趙莊區(qū)塊、寺家莊井田)。研究區(qū)煤儲層地溫低異?，F(xiàn)象可能與地層巖性分布及其熱導(dǎo)率、水文地質(zhì)條件(煤層氣井產(chǎn)水量高且地層水礦化度低)及構(gòu)造演化特征相關(guān)(斷層發(fā)育、地層抬升幅度大)。

表1 據(jù)沁水盆地地溫場特征的地溫場類型劃分[17]Table 1 Classification of geothermal fields in the study area based on the characteristics of geothermal fields in the Qinshui Basin[17]

3 低地溫場制約下的煤儲層含氣結(jié)構(gòu)

3.1 煤儲層吸附性控制因素

本次共采集寧武南不同熱演化程度的9 號煤樣41件(表2)。寧武南9 號煤的熱演化程度與埋深具有明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖5)，9 號煤層鏡質(zhì)體最大反射率介于0.88%～1.81%，隨著埋深的增加，煤階從氣煤、肥煤過渡為焦煤。

表2 煤儲層溫度及等溫吸附實驗結(jié)果Table 2 Reservoir temperature and isothermal adsorption experimental results of coal samples

圖5 研究區(qū)9 號煤層埋深與鏡質(zhì)體最大反射率相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between the burial depth and Rmax of No.9 coal seam in the study area

采用ISO-300 型等溫吸附儀，基于體積法測試原理對所采煤樣進行不同溫度條件下的高壓吸附實驗，最大實驗壓力統(tǒng)一設(shè)定為15 MPa，吸附測試前對煤樣進行了平衡水分處理。參考所采樣品原位煤儲層溫度設(shè)定實驗溫度(表2)。研究區(qū)9 號煤層Langmuir 體積(VL)為13.58～28.90 cm3/g，平均19.07 cm3/g，Langmuir 壓力(pL)為1.28～3.68 MPa，平均2.44 MPa。

根據(jù)研究區(qū)煤層真實地質(zhì)特征，對比不同煤階煤在不同溫度下的吸附能力。盡管同時存在兩種變量很難分辨出主控因素[29-32]，但總體來看(圖6)，本次研究設(shè)定的實驗溫度與VL不存在明顯的負相關(guān)關(guān)系，而9 號煤熱演化程度與VL具有一定的正相關(guān)關(guān)系，可能表明了研究區(qū)煤階對煤儲層吸附能力的正效應(yīng)強于煤儲層溫度對吸附能力的負效應(yīng)，從而弱化了煤儲層溫度與VL的相關(guān)關(guān)系。見表2，N1 井9 號煤平均Rmax為1.37%，在實驗溫度40℃下的VL為25.1 cm3/g，遠高于W15 井9 號煤Rmax為0.91%，在實驗溫度25℃下的17.9 cm3/g。

圖6 9 號煤VL 與實驗溫度及熱演化程度相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlations between the Langmuir volume and the experimental temperature and maturity of coal seam No.9

研究區(qū)9 號煤層埋藏深度與大寧-吉縣、臨興-神府等重要深部煤層氣區(qū)塊相當，但其較低的地溫梯度使得研究區(qū)煤儲層溫度遠低于具有正?；蜉^高地溫梯度的煤層[33-34]。隨著埋深的增加，研究區(qū)煤儲層溫度增加較為緩慢，而研究區(qū)古地溫場與鄂爾多斯盆地東緣具有可比性[18,35]，使得其熱演化程度與其現(xiàn)今埋深基本匹配，導(dǎo)致煤階對研究區(qū)煤儲層吸附能力的正效應(yīng)強于溫度的負效應(yīng)。從吸附氣和游離氣物質(zhì)平衡的角度考慮，在相似煤階、相似埋深且保存條件較好的情況下，地溫梯度較大區(qū)塊煤的吸附能力較小，導(dǎo)致其吸附氣含量較低，而游離氣含量較高。

3.2 地溫梯度對深部煤層氣賦存狀態(tài)的影響

基于煤階、溫度和壓力建立了研究區(qū)吸附氣預(yù)測模型，討論不同地溫梯度(1.5、2.0、2.5 和3.0℃/hm)影響下的煤層吸附氣含量隨埋深的變化特征。吸附氣含量預(yù)測公式[36]如下：

預(yù)測模型顯示(圖7)，隨著埋藏深度的增加，吸附氣含量先增加而后減少，不同地溫梯度導(dǎo)致吸附氣量開始減小的深度存在明顯區(qū)別，分別為1 200 m (1.5℃/hm)，1 000 m (2.0℃/hm)，900 m (2.5℃/hm)和800 m (3.0℃/hm)。低地溫梯度影響下的吸附氣含量開始減小的臨界深度明顯更深。寧武南9 號煤層最大埋深可以達到2 500 m以深。如果研究區(qū)具有良好的保存條件，那么由于溫度負效應(yīng)使得煤儲層中的吸附氣向游離氣轉(zhuǎn)換，并以游離態(tài)的形式保存于煤儲層中。根據(jù)預(yù)測模型可知，不同地溫梯度下從吸附氣含量開始減小的深度至2 500 m，吸附氣向游離氣轉(zhuǎn)換的含量分別為1.38 cm3/g(1.5℃/hm)，2.44 cm3/g(2.0℃/hm)，3.48 cm3/g(2.5℃/hm)和4.44 cm3/g(3.0℃/hm)。低地溫梯度使得研究區(qū)由吸附氣向游離氣轉(zhuǎn)換的比例很低，當埋深達到3 500 m 時，地溫梯度為1.5℃/hm 時的吸附態(tài)-游離態(tài)轉(zhuǎn)換含量才接近于地溫梯度為2.5℃/hm、埋深為2 000 m 的吸附態(tài)-游離態(tài)轉(zhuǎn)換含量(如大寧-吉縣區(qū)塊)。

圖7 基于理論模型的不同地溫梯度下吸附氣含量與和埋深的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlations between adsorbed gas content and burial depth under different geothermal gradients obtained using a theoretical model

研究區(qū)煤儲層含氣飽和度介于40.1%～93.7%，平均為71.7%，顯示出低含氣飽和度特征。1 000 m 以淺時，研究區(qū)煤儲層含氣飽和度與大寧-吉縣、臨興等中淺層煤儲層含氣飽和度相當，而當埋深超過1 500 m 后，研究區(qū)煤儲層含氣飽和度顯著低于大寧-吉縣、臨興等地區(qū)(圖8)。根據(jù)前人給出的同一煤階樣品在不同溫度下的等溫吸附實驗結(jié)果，認為溫度增加1℃，煤層吸附能力大致減小約0.15 cm3/g[39]。為便于對比，采用與鄂爾多斯盆地東緣相同的地溫梯度(2.8℃/hm)計算研究區(qū)煤儲層溫度及其對應(yīng)的含氣飽和度。研究區(qū)煤儲層溫度理應(yīng)提升至24.6～63.1℃，含氣飽和度理應(yīng)提高到43.8%～104.6%，平均為83.6%。可見，研究區(qū)較低的煤儲層溫度和地溫梯度顯著影響了深部煤儲層含氣飽和度及吸附氣-游離氣比例關(guān)系。

圖8 深部煤層氣區(qū)塊埋深與含氣飽和度的相關(guān)關(guān)系(數(shù)據(jù)來源于[11,37-38])Fig.8 Correlation between burial depth and gas saturation of deep coalbed methane-bearing blocks [11,37-38])

3.3 含氣結(jié)構(gòu)對深部煤層氣產(chǎn)出效果的影響

在埋深較大但含氣飽和度較低的情況下對深部煤層氣的開發(fā)存在兩方面不利影響：(1)總產(chǎn)氣量低。較低的含氣飽和度表明深部煤層氣幾乎不存在以游離態(tài)賦存的形式，其產(chǎn)氣量相對較低，而富含游離氣的煤層氣井產(chǎn)量可達萬方甚至 10 萬m3以上，類似于致密砂巖氣和頁巖氣的開發(fā)特征。(2)排水降壓時間長，見氣時間晚。由于深部煤儲層處于吸附欠飽和狀態(tài)，煤層氣產(chǎn)出模式與中淺層類似，但由于其埋藏深度更大，儲層壓力更高繼而導(dǎo)致其通過排水降壓達到臨界解吸壓力的時間更長，見氣時間更晚。而富含游離氣的煤層氣井具有投產(chǎn)即見氣、由“產(chǎn)氣降壓”替代“排水降壓”的生產(chǎn)優(yōu)勢，產(chǎn)水量少且見氣時間早(圖9)。

圖9 深部煤儲層含氣特征及產(chǎn)出規(guī)律示意[7,11]Fig.9 Gas-bearing characteristics and production patterns of deep coal reservoirs[7,11]

由于研究區(qū)較低的地溫梯度使得煤儲層吸附氣向游離氣轉(zhuǎn)換的深度加深且轉(zhuǎn)換量降低，導(dǎo)致研究區(qū)埋深接近2 000 m 的深部煤儲層仍然不富集游離氣且含氣飽和度相對較低。根據(jù)研究區(qū)煤層頂板埋深(圖2a，圖4b)可以預(yù)測區(qū)塊北部為深部煤層氣勘探前景有利區(qū)。一方面區(qū)塊北部煤層埋深更大，基本超過2 000 m。當僅考慮煤儲層含氣結(jié)構(gòu)時，在低地溫梯度區(qū)，只要有足夠的深度(對應(yīng)較高的煤儲層溫度)，則能夠富集游離氣。另一方面由于區(qū)塊北部斷層發(fā)育較少、后期抬升幅度較小且煤層氣井產(chǎn)水量較低(小于5 m3/d)，有利于地熱的儲存使其具有相對較高的地溫梯度及煤儲層溫度，利于游離氣的富集。

對于煤層氣的勘探開發(fā)而言，富集并不一定能夠高產(chǎn)。因為盡管含氣量能夠反映煤層氣的富集程度，但不能反映煤層氣的可開采程度。即深部煤儲層總含氣量較高但以單一吸附態(tài)為主的未必是有利目標，而總含氣量即使相對較低但富集一定游離氣含量的煤儲層也可能成為有利目標，即一定總含氣量而又富集游離氣的深部煤儲層應(yīng)為甜點目標。

4 結(jié)論

a.寧武南區(qū)塊煤儲層溫度及地溫梯度均相對較低，地溫梯度平均為1.52℃/hm。研究區(qū)煤儲層溫度與埋深具有顯著的正相關(guān)性，而地溫梯度變化幅度不大。

b.較低的煤儲層溫度及地溫梯度使得溫度對煤儲層吸附能力的負效應(yīng)顯著低于煤階與壓力對煤儲層吸附能力的正效應(yīng)。較低的地溫梯度使得煤儲層吸附氣向游離氣轉(zhuǎn)換的深度加深且轉(zhuǎn)換量降低。

c.現(xiàn)今低地溫場特征是寧武南區(qū)塊深部煤層氣勘探開發(fā)的不利因素。較低的煤儲層溫度及地溫梯度是導(dǎo)致深部煤儲層幾乎不含游離氣且含氣飽和度相對較低的因素之一。區(qū)塊北部是寧武南深部煤層氣勘探開發(fā)的前景有利區(qū)。

d.寧武南區(qū)塊北部埋深基本大于2 000 m，煤儲層溫度可達40℃以上，加之北部斷層發(fā)育較少，后期抬升幅度較小，先導(dǎo)試驗顯示產(chǎn)水較少，整體有利于煤儲層溫度的保存，是寧武南深部煤層氣勘探開發(fā)的前景有利區(qū)。

符號注釋

G為地溫梯度，℃/hm；Hc和Ho分別為9 號煤層頂板埋深及恒溫帶厚度，m；p為煤儲層壓力，MPa；pL為Langmuir 體積，MPa；Rmax為鏡質(zhì)體最大反射率，%；tc和to分別為煤儲層溫度和恒溫帶溫度，℃；T為原位煤儲層溫度，℃；V為地層條件下的吸附氣量，cm3/g；VL為Langmuir 吸附量，cm3/g。