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二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷低煤階煤層氣富集模式

2018-05-04 00:47:08孫欽平王生維田文廣陳彥君楊楊敏芳
天然氣工業 2018年4期
關鍵詞:生物

孫欽平 王生維 田文廣 孫 斌 陳彥君楊 青 陳 浩 楊敏芳 祁 靈

1. 中國地質大學(武漢) 2. 中國石油勘探開發研究院 3. 中國石油華北油田公司

0 引言

低煤階煤形成于煤化作用初期,一般指鏡質體反射率(Ro)小于0.65%的褐煤、長焰煤[1-4]。我國低煤階煤層氣資源量達10.3×1012m3(據第四次全國油氣資源評價結果),但勘探開發程度低。美國粉河盆地、加拿大阿爾伯塔盆地等低煤階褐煤區已實現煤層氣商業開發,而我國煤層氣勘探開發較好的地區煤級一般達到長焰煤—氣煤及以上,準噶爾、吐哈、二連、海拉爾等盆地褐煤含煤區煤層氣勘探效果均不理想。

對于二連盆地群煤層氣富集成藏機理的研究較少,目前主要集中在煤層氣成藏條件、煤儲層特征、資源潛力等方面[5-7],認為二連盆地煤層氣資源豐富,是我國低煤階煤層氣勘探現實的有利區。但對其煤層氣富集成藏機理認識不足,制約了低煤階煤層氣的勘探開發。筆者以二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷低煤階煤層氣為研究對象,通過對該凹陷煤層的分布、含氣量、成因、水文地質條件、保存條件等的研究,探討了該區煤層氣的富集模式,指出了下一步的勘探方向。

1 煤層氣基本地質特征

二連盆地群是在天山—興蒙褶皺帶海西柔性地槽褶皺基底上發育起來的中—新生代裂谷型含煤盆地群,呈“五坳一隆”構造格局[8-10]。吉爾嘎朗圖凹陷位于盆地東部的烏尼特坳陷,呈北東走向,為一西北斷、東南超的半地塹型凹陷[11],面積約1 000 km2。凹陷基底為古生界輕變質巖,凹陷地層自下而上發育中下侏羅統阿拉坦合力群、上侏羅統興安嶺群、下白堊統巴彥花群、古近系、新近系和第四系。其中,下白堊統巴彥花群為最重要的沉積地層,自下而上分為阿爾善組、騰格爾組、賽漢塔拉組,垂向上總體表現為下粗、中細、上粗沉積特征。受控盆地同沉積斷層影響,凹陷陡坡帶主要發育沖積扇相、扇三角洲相等粗碎屑沉積,緩坡帶主要發育辮狀河三角洲相,凹陷中部發育湖相沉積。在盆地構造演化的初始張裂期和萎縮期,發育阿拉坦合力群和賽漢塔拉組兩套含煤建造[8-9]。其中阿拉坦合力群煤層分布面積小、厚度薄;賽漢塔拉組發育巨厚煤層,是研究區主要的含煤地層,巖性主要為砂巖、粉砂巖、泥巖和厚煤層,含6個煤組,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ煤組分布較廣(圖1)。富煤帶位于凹陷中部—緩坡帶,煤層總厚度介于60~220 m,最大累計厚度391 m;煤層埋深較淺,介于100~900 m,最深不超過1 000 m,總體沿盆地邊緣向盆地中心逐漸變深。

吉爾嘎朗圖凹陷煤層腐殖組Ro介于0.32%~0.48%,以褐煤為主。據等溫吸附實驗數據顯示(空氣干燥基),研究區煤層蘭氏體積介于2.95~ 6.00 m3/t,實測煤層含氣量介于0.40~3.83 m3/t,一般介于1.0~3.5 m3/t,平均值為1.75 m3/t,計算煤層吸附飽和度介于74%~91%,表明研究區煤層含氣性較好。實測煤層氣甲烷含量75.16%~90.25%,也反映了該區煤層氣保存條件較好。縱向上含氣量、甲烷含量均與埋深呈正相關關系(圖2),深度250~300 m以深煤層含氣量一般大于1.0 m3/t,甲烷含量超過80%,表明該區甲烷風化帶深度介于250~300 m。據實測煤層含氣量數據,并參考煤層段氣測異常分布[8],平面上凹陷中部富煤帶煤層含氣量最高,往西北陡坡帶、南東緩坡帶淺層,煤層含氣量逐漸變低。

2 煤層氣成藏主控因素

2.1 凹陷中部—緩坡帶厚煤層發育,彌補了含氣量的不足

沉積序列和聚煤規律研究表明,研究區含煤層系主要發育在斷陷盆地發育階段的后期和坳陷期[12-13]。該時期盆地抬升,湖盆淤塞,水體變淺,沉積穩定,有利于煤層形成和積聚。吉爾嘎朗圖凹陷賽漢塔拉組就是在大型湖泊完全淤淺的基礎上,在扇前淺水湖盆和扇前泛濫平原廣泛泥炭沼澤化,發生了強烈的聚煤作用。平面上在陡坡帶發育沖積扇、扇三角洲等粗碎屑沉積,聚煤較差;凹陷中部—緩坡帶發育(辮狀河)三角洲、湖沼相等沉積,利于聚煤。吉爾嘎朗圖凹陷賽漢塔拉組煤層具有厚度大、層數多的特點,主要分布于凹陷中部—緩坡帶。煤層總厚度一般介于60~220 m,最大累計厚度391 m,厚煤帶主要分布于L6—J91井區(大于180 m),向四周分岔減薄、尖滅(圖3)。

如前所述,研究區低煤階煤層含氣量較低(小于4 m3/t),遠低于中高煤階煤層含氣量(10~30 m3/t),但厚煤層彌補了含氣量的不足,大大提高了煤層氣資源豐度[8]。

2.2 厚煤層上覆泥巖蓋層發育,封蓋條件有利

吉爾嘎朗圖凹陷賽漢塔拉組沉積期構造基本定型,構造活動平緩,大部分斷層都停止活動或活動微弱,因此,斷層對煤層氣的破壞作用很小,對煤層氣藏保存影響較大的主要為泥巖蓋層封閉。

圖1 吉爾嘎朗圖凹陷構造與地層地質綜合圖

賽漢塔拉組在湖泊淤淺的基礎上在扇前淺水湖盆和扇前泛濫平原廣泛泥炭沼澤化,在凹陷中部—緩坡帶強烈聚煤,而含煤段堆積過程中淺水湖泊周期性出現也使得煤層上覆泥巖周期性發育,直接頂板多為泥巖[14],煤層上覆地層20 m內泥巖累計厚度5~20 m,穩定分布于凹陷中部—緩坡帶,與巨厚煤層形成良好的儲蓋組合,利于煤層氣的保存。凹陷內賽漢塔拉組含砂率統計表明,凹陷中部—緩坡帶富煤區含砂率一般低于20%[15],表明含煤地層區域性泥巖蓋層的發育具有較好的自封閉能力,有利于煤層氣富集[16-17]。

2.3 凹陷中部—緩坡帶位于地下水承壓區,水動力側向封堵利于煤層氣保存

水文地質條件是影響低煤階煤層富集成藏的重要因素之一,主要體現為影響生物氣的生成[18],一般認為適于生物氣生成的水文地質條件要求水介質低鹽度和較低礦化度,前人研究pH值范圍不盡相同,一般認為pH值介于6.4~8.0最好[19-20]。凹陷內與煤層氣關系密切的賽漢塔拉組含水層水類型多為NaHCO3型,煤層氣井產出水礦化度介于4 000~ 6 400 mg/L,pH值范圍介于7.32~7.76(表1),利于生物氣生成。

圖2 吉爾嘎朗圖凹陷含氣量、甲烷濃度隨埋深變化圖

圖3 吉爾嘎朗圖凹陷煤層總厚度與沉積相疊合圖

凹陷為不對稱箕狀向斜,地層平緩,中部為匯水承壓區,水動力側向封堵利于煤層氣富集。煤層氣井注入/壓降與DST測試(鉆桿測試)結果也顯示地層超壓,壓力系數介于1.03~1.07,利于煤層氣的保存。

2.4 煤層氣為生物成因氣,現今仍有生物氣生成

前人提出了多個關于生物氣成因判識指標[21-26],生物氣的最顯著特征表現在兩個方面:①氣組分以甲烷為主,干燥系數較高;②甲烷碳同位素值較輕。吉爾嘎朗圖凹陷已鉆煤層氣井實測煤層氣甲烷碳同位素值介于-60.3‰~-65.3‰,氫同位素值介于-216.0‰~-269.0‰,氣組分以甲烷為主,干燥系數大于170。將測試數據投入Kotarba模板[27]中(圖4-a),顯示研究區煤層氣為生物氣成因。而基于—關系的成因分析也顯示(圖4-b),吉爾嘎朗圖凹陷生物氣類型處于二氧化碳還原型和乙酸發酵還原型過渡帶。

表1 吉爾嘎朗圖凹陷煤層水化學特征測試結果統計表

研究表明,可以通過實驗模擬自然條件下生物成因煤層氣的生成過程、機理、生氣潛力、影響因素及地質條件等[29-34]。為了確定生物氣生氣潛力,開展了吉爾嘎朗圖凹陷煤樣本源微生物分析及原位產氣模擬實驗。實驗結果證實:①實驗樣品通過煤巖生物標志化合物降解、微生物DNA提取等檢測出煤巖樣品中產甲烷菌普遍存在;②原位條件下煤樣在實驗室不添加任何物質情況下仍產氣(圖5),其中Ⅳ煤組每克煤樣產氣11.10 μmol(相當于0.25 mL/g),表明吉爾嘎朗圖凹陷煤層現今仍有生物氣生成;③添加接種物能促進煤層快速產氣(第8天即開始產氣),提高產氣效率,如Ⅲ煤組每克樣品產氣18.40 μmol(相當于 0.41 mL/g)。

3 煤層氣富集模式

圖4 吉爾嘎朗圖凹陷煤層氣成因判識圖

圖5 吉爾嘎朗圖凹陷JM2井煤樣生物氣模擬實驗結果圖(煤樣重10 g)

綜合上述研究,吉爾嘎朗圖凹陷中部—緩坡帶厚煤層發育,彌補含氣量不足;富煤區頂板泥巖發育,蓋層條件好;水文條件優越,利于生物氣生成,同時凹陷中部匯水承壓區利于煤層氣側向封堵。提出厚煤層發育區、具備生物氣生成以及良好的封蓋條件并處于水動力承壓區為吉爾嘎朗圖凹陷煤層氣富集成藏的關鍵。在此基礎上建立了研究區斷陷盆地富煤區生物氣+承壓水封堵煤層氣富集模式(圖6)。

根據研究區煤層氣富集主控因素與富集模式研究結果,結合《煤層氣資源/儲量規范》(DZ/T0216—2010),綜合優選出吉爾嘎圖凹陷中部—緩坡帶L12—S88井區為下一步煤層氣建產的有利區(圖3),有利區面積約100 km2,資源量400×108m3。

4 結論

圖6 斷陷盆地富煤區生物氣+承壓水封堵煤層氣富集成藏模式圖(底圖據吳昕等[15]修改)

1)二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷中部—緩坡帶厚煤層發育,彌補了含氣量不足;厚煤層上覆泥巖蓋層發育,封蓋條件有利;凹陷中部—緩坡帶位于地下水承壓區,水動力側向封堵利于煤層氣富集;煤層氣為生物成因氣,現今仍有生物氣生成。

2)建立了斷陷盆地富煤區生物氣+承壓水封堵煤層氣富集模式,提出凹陷中部—緩坡帶L12—S88井區為下一步煤層氣建產的有利區。

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