二連盆地低煤階煤層分布及煤層氣富集條件分析

李宏為 齊秋紅 韓 峰 張鵬豹 聶志坤 關(guān)小曲

(華北油田分公司勘探開發(fā)研究院,河北 062552)

二連盆地是華北油田主要產(chǎn)油區(qū)之一，在勘探開發(fā)油氣的同時，在多個凹陷鉆遇多套煤系地層。煤炭資源十分豐富，從東到西均有煤田分布，大多數(shù)發(fā)育于盆地東部，主要有勝利、白音華、吉林郭勒、白音呼碩、巴彥寶力格、烏尼特和馬尼特等煤田。研究發(fā)現(xiàn)賽漢塔拉組主力煤層普遍存在氣測異常現(xiàn)象。2016年，對吉煤3、4井分別采用水力造穴壓裂和胍膠壓裂方式進行儲層改造，其中吉煤4井獲得日產(chǎn)氣2426m3的工業(yè)產(chǎn)流，實現(xiàn)了低煤階褐煤煤層氣勘探的實質(zhì)性突破，這在中國尚屬首次,也預(yù)示著該區(qū)具有較好的煤層氣勘探潛力。二連盆地群煤炭資源豐富，煤層以褐煤為主，屬低煤階，以地面開采為主，煤層氣勘探起步較晚，勘探程度低。

1 地層沉積特征

1.1 成煤地層層序

二連盆地基底主要為古生界石炭系、二疊系，泥盆系分布范圍較小，基底之上蓋層主要發(fā)育白堊系地層，侏羅系地層局部發(fā)育，地表多為第三系、第四系。根據(jù)油田探井資料自下而上依次發(fā)育中生界中、下侏羅統(tǒng)(J)阿拉坦合力群、上侏羅統(tǒng)興安嶺群、下白堊統(tǒng)巴彥花群的阿爾善組(K1ba)、騰格爾組(K1bt)、賽漢塔拉組(K1bs)、新生界第三系、第四系地層。成煤地層主要為中、下侏羅統(tǒng)阿拉坦合力群及下白堊統(tǒng)巴彥花群賽漢組，局部地區(qū)騰格爾組二段發(fā)育少量煤系地層，其主要巖性特征為含煤粗碎屑巖(表1)。

表1 二連盆地中、新生代地層層序劃分表

1.2 成煤環(huán)境

盆地主要經(jīng)歷了三次成湖期和四次沉積間斷期。

三次成湖期發(fā)生在三個階段：阿爾善組沉積早期首次湖侵階段，騰格爾組沉積早期成湖高潮階段，騰格爾組沉積后期廣湖盆淺水體階段。

四次沉積間斷期：侏羅系末期、阿爾善組沉積末期、騰格爾組沉積末期、賽漢組沉積末期。

早、中侏羅世和早白堊世是二連盆地群煤系地層主要發(fā)育期，主要成煤期為中、下侏羅統(tǒng)阿拉坦合力群及下白堊統(tǒng)巴彥花群賽漢組沉積時期。

1.3 聚煤特征

(1)半地塹型斷陷盆地聚煤特征

盆地中主要含煤段的煤層形成于扇前、扇間潛水湖盆聚煤環(huán)境，具有多個富煤中心，且靠近盆緣斷裂一側(cè)分布富煤帶的展布，與盆地走向一致。在盆地內(nèi)有厚-巨厚煤層形成，煤層分布廣而且穩(wěn)定。如霍林河凹陷(圖1)，該類型的凹陷從中心到邊緣沉積的相具有明顯的分帶：邊緣一般為沖積扇一湖沼相。由于斷陷作用，沉積基盤高差較大時常接受河道和泥石流沉積，形成濱湖扇，所以巖性一般為粗大、分選性不好的礫石和角礫。盆地內(nèi)主體部位一般為湖沼相，以深色泥頁巖為主。盆地的含煤性好，煤層厚度大可從幾十米至上百米，甚至可達200多米。

圖1 半地塹型斷陷盆地的聚煤特征(霍林河凹陷為例)

(2)地塹型斷陷盆地的聚煤特征

以扇前、扇間潛水湖盆聚煤環(huán)境為主，有的煤層形成于潛湖周緣三角洲和湖濱帶環(huán)境。主煤段中有厚-巨厚煤層發(fā)育，聚煤量豐富，富煤帶往往分布于向斜的兩翼部位，主要聚煤中心更靠近主干斷裂一側(cè)。盆地的富煤中心展布不像半地塹盆地具有明顯的規(guī)律。如賽漢塔拉凹陷(圖2)。含煤段的沉積厚度、巖性變化受同沉積構(gòu)造的控制較為明顯。平面上向斜軸部為沉積中心，巖性較細，多為湖泊、沼澤相交互沉積；各煤層的厚度都表現(xiàn)為向盆緣斷裂方向急劇分叉、變薄、尖滅，煤層結(jié)構(gòu)相應(yīng)也變得復(fù)雜，夾矸增多、增厚。

圖2 地塹型斷陷盆地的聚煤特征(賽漢塔拉凹陷為例)

(3)坳陷型盆地聚煤特征

盆地聚煤作用發(fā)生在晚期超覆沉積階段，聚煤面積與早期相比明顯擴大，在相鄰盆地間的隆起區(qū)亦有煤層發(fā)育。由于聚煤期處于構(gòu)造穩(wěn)定階段，煤層厚度比較穩(wěn)定，但聚煤中心經(jīng)常發(fā)生遷移，盆地的聚煤量遠少于前述盆地。該類型盆地的相變一般為初期小規(guī)模的盆地，而后再發(fā)展到大型的湖盆，常出現(xiàn)沼澤成煤環(huán)境。巖性上的表現(xiàn)為泥質(zhì)砂巖、粉砂巖，然后會出現(xiàn)煤層與泥巖的交替，之上又可以覆蓋泥巖頁巖粉砂巖。煤層厚度較小，一般為幾米至幾十米，在垂向上，含煤段中通常只有1～2個煤組，但煤層分布廣泛，如桑根達萊凹陷(圖3)，其煤層分布面積占整個盆地面積的80%，富煤帶通常位于盆地中部，沿盆地走向展布，富煤中心常與盆地坳陷部位相吻合。

1—花崗巖;2—變質(zhì)砂巖;3～9巴彥花組;3—煤層;4—頁巖;5—泥巖;6—粉砂質(zhì)頁巖;7—湖泊沉積為主;8—砂巖;9—含礫砂巖;10—鉆孔;11—盆緣斷裂;12—巴彥花組各巖性段代號：Klb1底部砂礫巖段K1b2砂泥巖段 K1b3含煤段;13—推測界限;14—不整合圖3 坳陷型盆地聚煤特征(桑根達萊凹陷為例)

2 煤層分布規(guī)律

(1)煤層分布差異大，非均衡性強

①侏羅系煤層

在二連盆地分布不普遍，平面上主要分布于二連盆地西部凹陷，中、東部凹陷呈零星分布。主要分布在格日勒敖都、呼格吉勒圖、腦木更、包爾果吉、吉爾嘎朗圖凹陷中。縱向上分布于中、下侏羅統(tǒng)，發(fā)育變化較快，厚度相對較小。

②白堊系煤層

白堊系煤層主要分布于下白堊統(tǒng)的上部，主要為賽漢塔拉組，單層厚度變化大，煤線-厚(塊狀)煤層，一般單層厚度1～60m。分布井段 200～500m，煤層呈透鏡狀，橫向變化大。局部地區(qū)發(fā)育騰格爾組二段煤層和阿爾善組煤層，單層厚度1～6m，總的看來單層厚度偏薄。

騰二段煤層發(fā)育局限，主要分布于阿南、包爾果吉、高力罕凹陷等東部少數(shù)凹陷零散井中。如阿南凹陷的煤層僅分布于莎4井區(qū)、包爾果吉凹陷煤層僅分布于南洼槽；煤層厚1～3m，多層煤，分布不穩(wěn)定。含煤區(qū)多位于凹陷邊部，分布范圍較小。

賽漢塔拉組煤層為二連盆地群主要煤層，主要分布于吉爾嘎朗圖、賽漢塔拉、霍林河、巴彥花、包爾果吉、阿南、阿北、塔南、塔北、高力罕、洪浩爾舒特、寶格達、呼仁布其、伊和烏蘇和朝克烏拉等15個凹陷中。煤層發(fā)育，單層厚度較大，分布面積較廣，一般煤層厚度100～200m。煤層在凹陷中的分布具有分區(qū)性，如吉爾嘎朗圖凹陷煤層主要分布于洼槽區(qū)，林7—林12—吉44井區(qū)厚度大，最大為吉44井，煤層厚322m，向四周減薄。單層厚度一般在一到幾十米之間。

(2)煤層分布特點

不同層系煤巖分布特征不同，侏羅系煤層在二連盆地分布局限；白堊系煤層則分布于二連盆地的部分凹陷中，范圍有限。但是二者均具有煤層呈透鏡狀疊加連片分布的特點，屬于疊加連片分布類型。

二連盆地群東部地區(qū)含煤地層含煤性尚有差異，以吉爾嘎朗圖、巴彥寶力格凹陷為界可分為東、西兩部分。東部含煤地層發(fā)育有煤6～11層，最多可達40余層，可劃分為2～7個煤組。煤層發(fā)育密集，且變化大，煤層累計厚度為20～200m。西部含煤地層含煤層較稀少, 只有一個煤層組,含煤1～3層,煤層厚度較小，而且不穩(wěn)定。

3 煤層氣形成及分布規(guī)律

3.1 煤層氣成因

據(jù)新取二連盆地群煤礦煤巖樣品測試成果統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，二連盆地群煤層的煤巖鏡質(zhì)組反射率為0.31%～0.73%，一般低于0.5%。下白堊系(K1b)賽漢塔拉組煤巖鏡質(zhì)組反射率平均值為0.31%～0.42%；侏羅系(J)煤巖鏡質(zhì)組反射率平均值為0.65%～0.75%。

按煤巖演化階段劃分，賽漢塔拉組煤巖屬低變質(zhì)，煤類為褐煤，還沒有達到大量生烴階段, 甲烷生成特征為生物降解煤生物氣；侏羅系煤巖變質(zhì)程度略高于賽漢塔拉組煤巖，為中等變質(zhì)長焰煤和少量氣煤，開始進入快速生氣階段，為熱解氣成因，尚為貧氣階段，還未大量生氣。

1.2.4 Piwil2-iCSCs外泌體蛋白提取及濃度測定 取200 μL外泌體懸液，加入100 μL含1 mmol/L PMSF的RIPA細胞裂解液，震蕩混勻，4℃超聲裂解10 min后，12 000 r/min離心10 min，取上清。按照BCA蛋白濃度測定試劑盒說明書測定外泌體蛋白濃度。

因此，二連盆地群煤巖熱演化程度總體偏低，煤巖演化尚處于演化初期，未達到大量生氣階段，煤層氣成因類型主要為生物降解氣，僅在侏羅系煤巖中含少量熱解氣(圖4)。

圖4 生物氣形成條件關(guān)系圖

3.2 煤層氣分布規(guī)律

3.2.1 構(gòu)造條件

二連盆地群總體構(gòu)造相對簡單，煤系地層沉積后構(gòu)造未發(fā)生強烈變形，有利于煤層氣藏的封閉保存。賽漢塔拉組沉積時期湖盆發(fā)育處于萎縮衰亡階段，主要以坳陷沉降沉積特征為主，賽漢組沉積末期構(gòu)造基本定型，斷層不發(fā)育，斷距小，密封性較好。洼槽帶構(gòu)造發(fā)育繼承性較強，構(gòu)造活動相對較平穩(wěn)，煤層的保存厚度較大，保存條件較好；部分斜坡帶處于抬升隆起狀態(tài)，造成部分地層剝蝕，煤層現(xiàn)存厚度較小，保存條件稍差。

3.2.2 水文地質(zhì)條件

煤層具有穩(wěn)定的隔水層，凹陷斜坡區(qū)煤層埋藏較淺，有的煤層距離地表較近，邊緣煤層接受潛水及大氣降水高位補給，形成良好的水力封堵條件。如白音華煤田水文地質(zhì)條件較好，隔水層穩(wěn)定，有利于煤層氣的保存(圖5)。

圖5 白音華煤田東南緣水文地質(zhì)剖面圖

3.2.3 封蓋條件

煤層組發(fā)育湖沼交替，煤組上、下均為巨厚碎屑巖層，多為泥巖和泥質(zhì)膠結(jié)或凝灰質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖，厚度多在100m以上,局部達數(shù)百米，且橫向分布相對穩(wěn)定，封蓋效果好。

4 二連盆地群煤層氣富集條件分析

4.1 煤層氣富集特點

4.1.1 洼槽區(qū)富集，隆起區(qū)分散

洼槽區(qū)：煤層厚度大，煤層分布集中，氣測異常明顯，煤層氣富集程度相對較高。吉爾嘎朗圖洼槽區(qū)煤層氣較富集，吉煤3、吉煤1-3、吉煤 1-4 產(chǎn)量均在1000m3以上

隆起區(qū)：煤層分布較為分散，單層厚度小，氣測異常不活躍，煤層氣富集程度相對較低。吉爾嘎朗圖隆起區(qū)已鉆井均顯示煤層薄。

4.1.2 構(gòu)造發(fā)育相對穩(wěn)定有利于煤層氣的生成及富集成藏

二連盆地區(qū)域性大斷裂較不發(fā)育，主要為含煤盆地邊緣斷層，構(gòu)造類型多為單斜斷塊、箕狀構(gòu)造等(表2)，煤層變形不強烈，有利于煤層氣藏的形成。

表2 二連盆地群構(gòu)造特征簡表

早—中侏羅世形成的小規(guī)模斷陷盆地，成煤條件較差，后期改造剝蝕使得僅在格日勒敖都凹陷、朝克烏拉凹陷北部烏優(yōu)特地區(qū)賦存；早中白堊系形成的大規(guī)模斷陷含煤盆地如霍林河凹陷、巴彥花凹陷、吉爾嘎郎圖凹陷以及賽漢塔拉凹陷等。

區(qū)域上大規(guī)模發(fā)育復(fù)式褶曲既形成了良好的成煤環(huán)境，同時對于煤層氣的生成及儲藏具有明顯的控制作用，而斷陷盆地邊緣斷裂一旦封閉效果較好，則會形成煤層氣富集的區(qū)域。

4.1.3 具有穩(wěn)定的隔水層部位是煤層氣富集有利區(qū)

霍林河煤田資料表明煤層頂板泥巖段及粉砂巖厚度大，分布廣泛，此類圍巖為煤層氣(游離氣)保存的有利因素；側(cè)向水力封堵效果好的區(qū)域為保存的有利區(qū)。

4.1.4 穩(wěn)定而且分布廣泛的泥巖蓋層是煤層氣富集的重要條件

吉爾嘎朗圖Ⅲ煤組頂?shù)装鍖雍穸却笥?0m，巖性以泥巖為主，分布較廣，且比較穩(wěn)定。探井發(fā)現(xiàn)的氣測異常是游離狀氣態(tài)烴類的表現(xiàn)，它的存在說明該處保存條件較好，更利于吸附態(tài)的煤層氣保存。煤層水分析資料表明吉煤1、吉煤2、林19三口井煤層水性質(zhì)與吉41、吉44兩口井深部水性沒有明顯差別，說明主要含氣煤組未與地表水聯(lián)通，表明上覆蓋層具良好的封閉性。

鑒于目前的勘探程度及現(xiàn)有資料，本文總結(jié)了二連盆地煤層分布及煤層氣成藏富集規(guī)律，由于二連盆地群煤層氣整體勘探程度低，煤層氣富集規(guī)律處于探索階段，有待多個區(qū)塊投產(chǎn)后繼續(xù)深化。