宁武盆地煤层气勘探效果分析及启示

(1.中国地质大学(北京)；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院)

作者简介:王一兵，1966出生，高级工程师，长期从事煤层气勘探与研究，中国地质大学(北京)能源学院在读博士，住址河北廊坊(065007)44号箱。

宁武盆地是山西省西北部的一个小型构造残留盆地，该盆地石炭-二叠系煤层发育，煤阶以中煤阶气、肥、焦煤为主，是煤层气勘探最有利的煤阶。盆地两端和两翼煤层埋藏适中，具备煤层气成藏条件，但受复杂的构造和水动力条件影响，煤层含气产气量变化规律复杂。在分析总结勘探历史、勘探成果和启示的基础上，重新认识了盆地煤层气的控气条件，选择了盆地南北两端和东西两翼深部的煤层气有利成藏范围，确定了下一步煤层气勘探的有利地区。

关键词:宁武盆地煤层气富集有利条件及目标

宁武盆地煤层气勘探效果分析的启示

王一兵1，2，孙萍1，冼保安2

(1.中国地质大学，北京100083；2.中国石油石油勘探开发研究院廊坊分院，廊坊065007)

文摘:宁武盆地是晋西北的一个小型构造残留盆地。二叠纪-石炭纪煤层发育，煤级为中挥发烟煤，有利于煤层气勘探。盆地两端和两翼煤层埋深适中，煤层气成藏条件成熟，但受断层和水文地质影响，煤层气含气量和生产潜力变化复杂。本文在总结勘探历史、勘探成果和经验的基础上，探讨了该盆地煤层气富集的控制因素，在盆地南北两端和东西两翼识别出有利的煤层气富集区，并对今后的勘探区进行了选择。

关键词:宁武盆地；CBM富集条件；靶面积

1区域地质背景

宁武盆地位于吕梁山隆起和五台山隆起带之间，西部为芦芽山复背斜，东部为五台山隆起带。它是晚古生代成煤期后多期构造运动形成的北北东向条带状分布的山间构造盆地。属于山西省西北部大同-宁武含煤区南段，南北长约130km，东西宽约20 ~ 30 km，面积约365438+。

图1宁武盆地太原组主要煤层埋深图

盆地内发育石炭-二叠系和侏罗系含煤地层。石炭-二叠系含煤地层主要为上石炭统太原组(C3t)和下二叠统山西组(P1s)，含煤6 ~ 10层，集中在80 ~ 100 m层段，其中山西组底部4 #煤和太原组底部9 #煤厚度较大，在全盆地分布稳定。侏罗系含煤性差，分布范围小，是二次勘探目的层。

该区晚古生代太原期为海退背景下的滨海、浅海三角洲平原亚相的低位沼泽，物源主要来自大同以北的古陆。前期植物茂盛，泥炭厚度大。太原组下部沉积9 #煤，厚度4.36 ~ 24.62 m，平均厚度大于11m。中晚期海水南退，水体越来越浅，成煤环境变差。太原组中上部仅发育一些不连续的薄煤层和滨浅海相泥岩-泥灰岩。本区山西期海水退尽，初始沉积环境稳定，处于河流亚相的沼泽沉积微相区，在山西组下段形成了较厚的4 #煤，厚度为0.37 ~ 13.15m，一般为2 ~ 4m。中晚期沼泽相带收缩，成煤条件变差，沉积了横向分布不稳定的1 ~ 3薄煤层，单层厚度0 ~ 1.95 m。

成煤期后，该区主要经历了燕山期和喜马拉雅期的构造运动。燕山期(早侏罗世至晚白垩世)强烈的扭压作用形成了北北东向断裂和褶皱系，形成了宁武盆地山间盆地的雏形，基本控制了盆地的整体构造格局。喜马拉雅期陆内板块运动引起的NW-SE向拉应力改造了早期的构造面貌，形成了一系列以NE向张性断层为主的构造面貌。目前构造形态为向东北方向展布的向斜构造，两翼陡倾，倾角25 ~ 40°，南北两端构造相对平缓，倾角6 ~ 12。

煤层埋深主要受构造和地形地貌控制，变化规律简单。一般来说边浅腹深，局部受断层影响略大。南北两端及两翼煤层埋深一般小于1500m，腹部最深约2700m

2煤层气勘探历史

宁武盆地的地质勘探始于20世纪50年代。前期主要进行1:10000 ~ 1:200000区域地质调查。20世纪70-80年代，在盆地周边浅部开展了煤田调查，调查深度小于600m·m，局部开展了煤田详查，初步掌握了盆地周边煤层发育规律和煤岩性质变化规律。煤层气勘探可分为两个勘探阶段。

2.1第一阶段:区域勘探阶段

根据煤炭勘探资料，综合分析了盆地的构造条件、煤质、演化规律、顶底板封闭条件和水动力条件，认为宁武盆地的4号煤和9号煤分别是山西组和太原组的主要勘探目标。平面上，宁武县北部以低变质煤为主，宁武县南部以中变质煤为主，主要是气肥、化肥和炼焦煤。内生裂纹普遍发育。纵向上，从4 #煤到10 #煤，随着埋藏的加深，煤变质程度增加，煤级增加；煤层中的甲烷气体含量按矿井瓦斯涌出量折算为8.84 ~ 25.89 m3/t。在盆地的南北两端，煤层埋藏在1000 m以下和1500 m以下的区域相对开阔，面积超过500km2。构造简单的地区具备煤层气成藏条件，是煤层气勘探开发的有利地区。

乌石1井是该盆地第一口煤层气探井，位于盆地南部缓坡地带。主煤层埋深826.2 ~ 912.2 m，主煤层4 #煤厚度3m，9 #煤厚度14m(图2)。煤岩宏观类型主要为亮-半亮煤，其次为半暗煤，灰分低，挥发分中等。显微组分以镜质组为主，平均含量在60%以上，但纵向变化较大，特别是9号煤，明显由多个连续的成煤期叠加而成，反映成煤期沉积环境变化较大，镜质组含量随成煤沼泽而变化。煤层为中煤级肥煤，ro:1.0%；主9 #煤层瓦斯含量9.76 ~ 13.97m3/t，平均12.11m3/t，吸附饱和度86.29%(图3)。试井渗透率0.86×10-3μm2，压后平均日产水150m3，日产气1120 ~ 2476m3，最高日产气3112m3，地层水矿化度2923mg/L

图2乌石1井综合测井图。

图3乌石1井9 #煤等温吸附曲线

从1井的钻探中可以得出以下结论和认识:

(1)盆地深部煤层分布稳定，煤岩性质和有机组分含量变化不大。

(2)煤层演化以压实变质作用为主，演化程度中等。煤阶为气肥煤，随着埋深的增加，演化程度变高。盆地边缘Ro为0.8%，900m埋深增加到1.0%。煤层已进入生气高峰期，气源充足。

(3)煤层气吸附饱和度高，解吸压差小，有利于煤层气在抽放阶段的降压解吸。煤层原始压力高达8.7MPa，解吸压力为4.7MPa，解吸压差仅为4MPa(图3)。

(4)煤层物性差，但处于保存煤层解理裂隙的最佳煤级。煤岩具有良好的力学稳定性，压裂改造可以取得良好的效果。

(5)盆地南坡煤层气成藏条件好，存在高矿化度的滞水区，煤层气勘探前景大；推测盆地北部斜坡带也可能存在煤田地质条件相似的高含气区，有望找到“小而肥”的煤层气田，是开展煤层气勘探的有利地区。

2.2第二阶段:勘探前阶段

乌石2井、乌石3井、乌石4井在南坡由浅至深废弃，乌石7井在北坡钻探。

南部三口井在斜坡上均匀分布，间距4 ~ 8 km，主煤层埋深450 ~ 1410m。钻孔证实主要煤层分布稳定，4 #煤厚2.2~4.0m，9 #煤厚10.6 ~ 11.8m..煤岩类型、灰分和有机成分变化不大，但演化程度和含气性随构造位置和埋藏深度的不同而变化较大。当深度为1400m时，Ro达到1.40%，煤阶为焦煤。浅层含气量仅为3.4 ~ 5.0m3/t，深部逐渐增加到14 ~ 16m3/t，饱和度从50%增加到80% ~ 90%。

乌石3井和乌石4井的9 #煤测试和压后气体测试表明，各井的产水量、产气量和地层水性质差异较大(表1)。乌石3井地层压力梯度为0.81MPa/100m，煤层渗透率为0.08×10-3μm2，压后日产水高达416m3，地层水矿化度低，仅为985.7mg/L，液面未能降至煤层解吸压力以下，日产气量仅为500 m3。乌石4井地层压力梯度为1.0MPa/100m，渗透率为1.06×10-3μm2，压裂后日产水15.5m，最高日产气939m3，地层水矿化度3072.7mg/L；乌石7井位于北斜坡西翼，主要煤层间距905 ~ 985 m，其中4 #煤由3层组成，厚度为9.1m，9 #煤厚度为16.1m。煤阶为肥煤，RO: 1.02%，含气量4.2m3/t，吸附饱和度58.63%。由于含气量和吸附饱和度较低，该井未进行试气。

通过对盆地南北两端斜坡的勘探，对盆地煤层气勘探有以下认识和结论:

(1)瓦斯含量与煤层变质程度密切相关。随着埋深和变质程度的增加，瓦斯含量增加(表1)。

表1宁武盆地9#煤钻探成果统计表

(2)随着埋深和煤阶的增加，煤的物理性质变差。乌石1井煤层埋深1400米，压裂后产气量和产水量很低。

(3)煤层气的富集与断层的发育密切相关，断层附近煤层的含气性明显变差。断层对煤层气聚集和产出的影响主要表现在两个方面:一方面，断层的开启导致煤层气储层封闭性差，煤层压力降低，煤层气直接通过断层溢出；另一方面，断层连接上下含水层，水力交替导致煤层气流失。乌石2井和乌石7井含气性差的主要原因是斜坡边缘被分布在东北部的一系列断层严重切割(图4)。这些断层的形成和分布与喜马拉雅期的拉应力有关，一般不封闭，不利于煤层气的保存。

(4)乌石3井地层水矿化度低，乌石1井和乌石4井地层水矿化度高，证明斜坡不同部位地下水动态条件复杂，不仅发育了有利于煤层气保存的滞水地下水环境，还存在不利于煤层气保存的低矿化度地下水交换带。

(5)乌石1-乌石4井区构造稳定，断层不发育，煤层水矿化度分别达到2923 ~ 3072 mg/L，说明含煤地层水处于封闭环境下的滞流或弱径流区，有利于煤层气的保存。同时，煤层水的大量产出有效降低了抽放阶段的煤层压力，吸附的瓦斯可以大量解吸，形成较高的产气能力。据此推断，盆地南坡中东部和北坡深部及两翼深部构造相对稳定，断层不发育，处于地下水阻断或弱径流区，煤层气保存条件较好，可作为下一步煤层气勘探的有利目标。

3启示和建议

3.1探索启示

(1)以区域煤层地质研究为指导，以煤层气成藏条件和富集规律研究为核心，以煤层气勘探有利目标区为重点，是正确的。中煤阶煤层气勘探潜力巨大。

(2)宁武盆地煤层气控制因素复杂，不同构造部位煤层保存条件和水动力条件复杂，渗透率变化较大，导致煤层含气和产气能力差异较大，在下一步勘探中必须引起高度重视。

(3)具体勘探技术上，宁武盆地煤层渗透性普遍较差，渗透率一般只有(0.08 ~ 1.08) × 10-3μ m2，因此直井压裂采煤法煤层产气量低。

3.2勘探思路和建议

勘探证实，断层不发育的构造稳定区煤层气保存条件好，含气产气能力高，但产量下降快，建议开展以下工作:

(1)加强盆地构造条件的深入研究，确认目标区的构造背景，在具体战术行动中大力开展和加强地球物理勘探，通过低成本的非地震手段，如大地电磁测深，确认煤层、构造形态和断层的分布，特别是断层的分布和组合关系，研究其对保存条件的影响；

(2)加强水文地质研究，准确把握水文条件对煤层气富集的控制作用；

(3)针对盆地煤层渗透率低、直井压裂开发效果差的情况，在充分总结M1-1煤层气羽状水平井开发技术的基础上，在盆地两翼倾角较陡的部位实施沿高陡煤层钻井，提高单井产量，扩大煤层气勘探领域。

参考

[1]李文洋等人，2003年中国煤层气勘探与开发。徐州:中国矿业大学出版。

[2]钱凯等1996。煤层甲烷气勘探开发理论及实验测试技术。北京:石油工业出版社。

[3]黄景成等1990。煤层气平移集。郑州:河南科学技术出版社

韩德新等1996。中国煤岩学。徐州:中国矿业大学。

[5]中国煤田地质总局. 1993。中国重点煤炭开发建设矿区地图(内部资料)