阜新盆地王莹-刘佳煤层气富集区形成模式

作者简介:中国石油勘探开发研究院廊坊分院工程师王波，通讯地址:河北省廊坊市万庄44号箱中国石油廊坊分公司,Email:wangbo69@petrochina.com.cn煤层气院电话:13784808169。

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2210082。中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007)

为促进低煤阶煤层气产业化，通过对煤层埋深、含气量、单层厚度、总厚度和资源区划的分析，确定了低煤阶煤层气富集区的主控因素为成煤环境、气源、构造、岩浆活动和水文等。结合这些主控因素，在大量实验测试数据分析的基础上，运用类比法和地质统计学方法，探讨了阜新盆地王莹-刘佳区块煤层气富集区的形成机理，提出了水动力和岩壁封堵混合成因的裂缝性煤层气富集模式。在煤层气勘探开发后期寻找富集模式相似的富集区，可能形成高产的低煤阶煤层气。

关键词:高丰度富集成煤环境气源岩浆水动力解吸富集模式

阜新盆地王莹-刘佳煤层气富集区成藏模式

王波1，2李桂忠2王一冰2杨娇生2陈燕鹏2邓泽3耿猛2

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院；技术，江苏徐州221008，中国；2.石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007)

文摘:为了在低煤阶煤层气产业化过程中取得更大突破，在分析美国粉河盆地煤层气富集区煤层深度、含气量、煤层单层厚度、总厚度以及资源划分的基础上，研究了低煤阶煤层气富集区的主要控制因素，包括成煤环境、气源、构造、岩浆活动和水文等..针对这些主要控制因素，用类比法探讨了阜新盆地王莹-刘佳区块煤层气富集区的形成机制。提出了水动力-岩脉封堵混合型裂缝型煤层气富集模式。如果在今后的煤层气勘探开发中发现类似富集模式的富集区，就可以获得高产。

关键词:高丰度；煤层气；成煤环境；气源；岩浆；流体动力；解吸；浓缩模型

1简介

目前，汾河盆地是世界上开发低阶煤层气最成功的含气盆地之一，煤层气资源量达3.34万亿立方米。2008年底，该盆地已钻井2万口，煤层气产量近6543.8+06亿m3，占美国煤层气产量的20%以上[654.38+0]。高丰度区的划分是汾河盆地煤层气产业化成功的重要因素，阜新盆地也是中国第一个取得突破的低煤阶含煤盆地。目前，该盆地有52口井，平均产气量为2500 m3/d，年商品量近2000万m3。主要勘探开发区块为王莹-刘佳区块、武隆区块和海州区块。本文解剖了汾河盆地煤层气富集区的地质参数和主控因素，分析了阜新盆地王莹-刘佳煤层气富集区的形成模式，对阜新盆地其他煤层气富集区的优化开发具有指导意义。

美国汾河盆地煤层气富集区的2个主要控制因素

2.1富集区划分依据

根据煤层埋藏深度、含气量、煤层单一厚度、总厚度和资源丰度，结合煤层气勘探开发现状，基于不同产气量对应的地质条件，制定以下分类标准。

富集区划分标准:煤层埋深159~657m，煤层单一厚度大于12m，总厚度大于60m，瓦斯含量大于2.34m3/t，资源丰度大于200m3/km2。

相对富集区划分标准:煤层埋深主要为91.2~159m和657~912m，煤层单厚大于10m，总厚大于30.4m，瓦斯含量大于1.88m3/t，资源丰度较高。

2.2富集区形成的主要控制因素

通过对汾河盆地煤层气地质特征、储层物性和构造演化的分析，认为汾河盆地煤层气富集的主要控制因素有3个:有利的沉积环境、煤层形成后较短的地质历史演化时间和有利的生物气生成的水文地质环境。

2.2.1有利沉积环境

自古近纪以来，汾河盆地的大量沉积物流入新形成的汾河盆地的河漫滩、河口和沼泽。古近纪岩石始于直接产于最新恐龙化石上的“最低稳定褐煤层”。覆盖汾河盆地大部分地区的古近系岩石是古新世的佑宁堡组和始新世的沃萨其组。尤宁堡和瓦萨奇时期的特点是海岸环境的周期性沉积，周期性地遭受上升和下沉。稳定期发育大面积的成煤沼泽，沉积了分布广、厚度大的煤层。

2.2.2成煤后地质演化时间短，压实作用弱，物性好。

汾河盆地沉积岩包括一套以海相为主的厚层古生代和中生代岩石序列，以及一套薄的晚白垩世和新生代陆相岩石序列。

白垩纪晚期最初的大陆沉积在怀俄明州被称为兰斯组，在蒙大拿州东南部被称为Hulkrick组。这两个地层由厚层状砂岩、暗色粘土和页岩交替组成。该组从蒙大拿州Bighorn县的152 ~ 204米增厚至怀俄明州Convers县的760米。虽然在其他地区该时代的岩石中有拉莱运动的证据，但在兰斯时期汾河盆地没有这种造山运动的证据。

因此，汾河盆地古近系和新近系广泛发育的厚煤层形成后，未发生大的构造运动，整体压实作用较弱，煤储层物性较好。汾河盆地煤储层基质孔隙发育，孔隙度为1.5%~10%。汾河盆地煤储层物性好，渗透率高。煤层裂隙渗透率32~550mD，基质渗透率0.01 ~ 20 MD，汾河盆地大部分地区的煤层也属于负压储层。煤储层压力梯度为0.6~0.7MPa/100m，而储层气体多为饱和，饱和度为90%~100%，煤基质和劈理(裂缝)中有适量游离气，表明汾河盆地有外部供气。

2.2.3有利于生物气生成的水文地质环境。

汾河盆地古近系Fort Union组煤多为褐煤(Ro=0.3%~0.4%)，深部有高挥发分烟煤，未成熟到产生大量热成因甲烷。其甲烷δ13C值为-60.0 ‰ ~-56.7 ‰，δ D值为-307‰~-315‰。说明生物气占主导地位[2]。

汾河盆地地下水与全球降水线的氘(δ2H)和氧(δ18O)同位素组成对比分析，结合氚同位素分析结果，表明联合堡煤层水的成因是大气作用，年龄早于1952(图1)[3]。表明大气降水是在地质历史时期进入地层的，通过定性观察，特别是不确定复杂混合物的生成和饱和烃的全离子色谱分析，表明汾河盆地联合堡煤层经历了一定的生物降解作用。这些色谱图受双峰分布控制，UCM(未解析的复杂混合物)增加，定性显示生物降解。同时，煤的单峰分布显示了热成熟度的增加(图2)。

图1汾河盆地地下水中氘(δ2H)和氧(δ18O)同位素组成

3阜新盆地王莹-刘佳煤层气富集区形成模式

3.1沉积环境控制极厚煤层。

扇三角洲泥炭沼泽相在同沉积背斜轴部长期稳定连续堆积，在阜新盆地形成巨厚煤层，同沉积背斜轴部煤层厚度较大[4]。以王莹-刘家富煤带为例，该带太平组煤层与同一沉积背斜轴部合并后总厚度超过45m。其中，太上煤层总厚度大于20m台下煤层总厚度大于20m孙家湾煤层最大厚度可达25m以上；中厚煤层最大厚度可达15m以上。这些厚煤层为煤层气的生成和富集提供了良好的储层条件，是煤层气富集带的物质基础，使煤层气资源呈现出“小而肥”的特点。

3.2岩浆活动改善了储层物性。

3.2.1岩浆活动对煤储层物性的转化

当岩浆侵入岩壁时，煤层的动力破坏和烘烤是不均匀的。随着距岩壁距离的变化，煤层结构呈带状变化，煤层渗透性发生变化，从而控制了[5-10]段煤层气的储存和运移。在一个区块内，岩壁两侧依次形成天然焦-高变质破碎煤-构造煤-正常煤的分带现象。越靠近岩壁，煤的变质程度越高，节理越发育，煤的孔隙度越高，渗透性越好。尤其是紧贴岩壁的柱状天然焦，具有柱状节理，孔隙度比普通煤高数百倍，渗透性好，孔隙大，不仅是煤层气良好的储存空间，也是良好的运移通道。而在高变质破碎煤外侧形成的“构造煤”带中，煤的原生结构被完全破坏，渗透率极低。该带厚度一般在2m以上，对煤层气具有良好的侧向封闭作用。对BL8-2、BL8-5和BL14岩壁影响区煤的镜质组反射率和挥发有机质进行了测试研究，确定了岩壁影响宽度约为岩壁厚度的5~12倍。在岩壁和“构造煤”带之间，高变质裂隙煤和天然焦中煤层气的主要储存方式是游离气，高变质煤中吸附气和游离气并存，但游离气含量高。

岩浆活动造成的构造裂缝以及目前岩壁和基岩的存在，提高了煤储层的渗透性。根据阜新盆地王莹井田煤层煤样测试资料，该区垂直于煤层层理方向的煤岩平均渗透率为142.3×10-3μm2，平行层理渗透率为214.0×10-3μm2。垂直于煤层解理方向的平均渗透率为75.3×10-3μm2，平行于解理方向的平均渗透率为356.9×10-3μm2(表1)。

图2汾河盆地Fort Union煤层烃类总离子流色谱图。

表1阜新盆地王莹井田煤岩甲烷气体绝对渗透率测试数据表

3.2.2岩壁的密封功能

地下深处的岩浆侵入并刺穿储层，构成阻止煤层气继续运移的屏障，也可与上覆地层共同形成屏障。其封堵机理相当于常规的油气刺穿圈闭和复合圈闭。如王莹井田成煤后，古近系岩浆侵入强烈，30多处岩壁遍布全区，穿破煤层和上覆沉积层。基岩侧向来源于岩壁，基岩与相邻岩壁交汇或互穿，将井田划分为若干个次级储气单元[1]。

3.2.3煤层气生产特征

岩浆活动使外源裂缝发育，成为煤层气解吸的通道，使阜新盆地煤层气解吸速率加快；同时，由于低煤阶煤储层本身孔隙结构以大孔隙为主，阜新盆地煤层气解吸特征兼具中高煤阶煤和低煤阶煤的特征。以阜新盆地刘佳区块LJ-6井的产气曲线为例，说明阜新刘佳区块LJ-6井于2003年投产(图3)，初期日产气4500m3，稳产4年后开始递减。目前日产气2780m3，累计产量662×104m3，采收率26.6%，预计采收率50%。

图3阜新刘佳LJ-6井排采曲线

3.3煤层气成因类型及水动力封堵

3.3.1煤层气成因类型

根据煤层气成分和-50.42‰~-44.75‰的甲烷同位素值(图4)，表明王莹-刘佳煤层气成因复杂，包括次生生物成因和热成因，为次生热成因[13-19]。

煤层气以烃类为主，其中甲烷体积分数较高，范围为87.58% ~ 98.03%，平均为93.54%。重烃体积分数较低，为0 ~ 2.22%，平均为0.63%，是典型的干气。生物甲烷气的δ13c 113c 1为-58.00‰~-44.70‰，表明生物气的存在。Ro为0.3%~1.5%，适合二次生物气的生成。盆地浅部阜新组Ro为0.42%~0.62%，深部沙海组Ro为0.70%~1.67%，有利于生物气的生成。该区地热资料显示，阜新盆地1800m范围内最高地温为70℃，1500 m范围内地温一般为30~60℃，正好处于产甲烷菌生存的0~75℃温度。煤层水与煤层气的氢同位素对比(图5)表明，生物气偏向于CO2还原，期间煤层古沉积水介质不断受到大气降水的改造，这也证实了水动力对初始生物气生成的贡献。

图4煤层气δ13CCH和CCH/(CC2H6+CC3H8)图

图5煤层水和煤层气氘同位素对比图

图6阜新盆地排水的氢氧同位素组成

液压密封动作

当地下水沿煤层由浅入深时，煤层中向上扩散的气体将被阻挡，导致煤层气的聚集。水力封堵和气控的特征在不对称向斜或单斜中普遍存在[20，265，438+0]。在一定压差条件下，煤层气从高压区向低压区渗流，或从深部向浅层渗流。压力下降使煤层气解吸，所以它是煤层露头和浅部的煤层气逸出带。如果含水层或煤层接受露头补给，地下水沿层由浅入深，煤层中向上扩散的气体将被阻挡，导致煤层气聚集。

阜新盆地地下水堵塞主要发生在王莹-刘佳地区。该地区地表径流为西河的支流王莹河和西洼河。地下水接受明显的地表降水，地表水灌入地下不同宽度和变化的裂缝中，形成水栅栏。深部煤层中的煤层气向上运移，被向下运移的地下水阻挡而得以保存。从地层水氢氧同位素值来看，大气降水容易沿岩壁破碎带或导水断层进入气藏深部，形成静水压力封堵，使煤层气富集、整合(图6)。

3.4煤层气富集区的形成模式

基于上述理论，王莹-刘佳煤层气富集区的成藏模式可概括为水动力和岩壁封堵混合成因的裂缝型煤层气富集模式(图7)。

图7水动力-岩壁封堵混合型成因裂缝煤层气富集模式图

4结论

(1)美国汾河盆地划分煤层气富集区的主要参数是埋深、含气量、煤层单一厚度、总厚度和资源丰度，控制这些参数的地质因素是沉积环境、构造演化和水文地质条件。

(2)阜新盆地扇三角洲泥炭沼泽相在同沉积背斜轴部长期稳定连续堆积，形成厚煤层，同沉积背斜轴部煤层厚度最大，为煤层气富集提供了物质基础。

(3)岩浆活动提供了煤储层的生气和储气能力，同时构造裂缝和既有岩壁、基岩的存在提高了煤储层的渗透性，成为王莹-刘佳区块煤层气高产的有利条件。

(4)产甲烷菌的水动力生物降解作用和岩浆活动产生的热成因气使王莹-刘佳区块煤层气的成因多样化，水动力和岩壁可以封堵煤层气藏。

(5)王莹-刘佳区块煤层气富集区的形成模式是水动力和岩壁封堵混合成因的裂缝型煤层气富集模式。在今后的勘探开发过程中，可以类比地质条件和主控因素，寻找类似王莹-刘佳区块的煤层气富集模式，推动低煤阶煤层气产业化取得更大突破。

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