二连盆地霍林河地区低煤阶煤层气成藏条件及主控因素

摘 要

摘要：我国越来越重视对低煤阶煤层气的勘探，但已有的资料表明，目前对低煤阶煤层气藏的认识还不够深入。为此，以我国典型的低煤阶煤层气区——二连盆地霍林河地区为例，对
摘要：我国越来越重视对低煤阶煤层气的勘探，但已有的资料表明，目前对低煤阶煤层气藏的认识还不够深入。为此，以我国典型的低煤阶煤层气区——二连盆地霍林河地区为例，对该区煤层气地质特征和煤岩煤质及煤岩演化程度、煤储层渗透性、煤层含气性等煤储层特征进行了分析，从构造条件、封盖条件及水文地质条件3个方面研究了煤层气藏主控因素及保存条件。结论认为：霍林河地区煤层气成藏条件有利，具有煤层厚度大、煤层埋深较浅、煤储层渗透性好、含气量较高、封闭保存条件好等特点；保存条件是该区煤层气成藏的主控因素，且封闭条件好的浅部是煤层气富集的有利区。
关键词：二连盆地；霍林河地区；低煤阶；煤层气；成藏条件；主控因素；储层特征；盖层；封闭
    国外低煤阶煤层气勘探开发已经取得了巨大的成功，近几年在美国粉河盆地、加拿大阿尔伯达盆地、澳大利亚苏拉特盆地等低煤阶区实现了煤层气商业性开发，表明低煤阶煤层气勘探具有很大潜力[1～2]。我国低煤阶煤层气资源量约占煤层气总资源量的40%，资源潜力大，我国越来越重视低煤阶的勘探，但是对低煤阶煤层气藏的认识还不够[3～6]。
    二连盆地群是我国重要的低煤阶聚煤区，煤层气勘探前景好[7～8]。霍林河地区是二连盆地群典型的聚煤盆地，研究该区煤层气成藏条件，对于二连盆地群其他含煤凹陷的煤层气勘探有较好的借鉴作用。
1 研究区概况
    霍林河盆地位于大兴安岭南段，距通辽市西北400km，为一北东向展布的半地堑型断陷盆地，面积540km2(图1)。区内煤炭资源丰富，以低煤阶褐煤为主。构造总体为一不对称的宽缓向斜，两翼倾角比较平缓，东翼倾角小于10°，西翼倾角12°～15°。盆地发育次级褶皱，自北往南依次为：西林保拉向斜、珠斯花背斜、翁能花向斜、“三湖”背斜、西南向斜，盆地呈“三洼二隆”的格局(图2)。该区主要发育北东和北西向高角度正断层，其中盆地西缘F1为同生断层，控制盆内煤层的发育，构造总体属简单中等。自20世纪70年代开始，在该区主要进行了煤炭的勘探与开发工作，2007年中国石油天然气股份有限公司在中部洼陷钻探一口煤层气井，排采试验获得工业气流。

2 煤层气成藏条件分析
2.1 煤层分布
    上侏罗-下白垩统霍林河组是霍林河地区的含煤层段，其中上侏罗统的下含煤层段为该区煤层气勘探的重点目标层位。
    下含煤段分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4个煤组，煤层厚度巨大，可采煤层平均总厚度76.91m。该区存在2个富煤中心，分别位于煤盆北部的翁能花向斜和南部的西南向斜。煤层层数多，但煤层沿走向、倾向的分岔(变薄、尖灭)明显(图3)，该区煤层气勘探的主力层位为ⅡB、ⅢA、ⅢB、ⅣC。霍林河地区煤层的埋藏深度大多浅于1000m，只在向斜轴部煤层埋藏深度大，煤层总体沿盆地东南边缘向盆地中心，其埋深逐渐增大。滕玉洪等根据煤田做的瓦斯含量解析资料的计算结果，霍林河地区甲烷风化带的埋藏深度为416.8m[9]。因此煤层气勘探的深度为400～1000m。
2.2煤储层特征
2.2.1煤岩煤质及煤岩演化程度
    该区煤层的镜质组反射率为0.370%～0.603%，一般低于0.5%，以褐煤为主。该区煤的演化受深成变质作用控制，煤的变质程度与煤层埋藏深度规律明显，Ro值随深度的增加逐渐变大。煤岩类型属半暗-半亮型，各主力煤层的有机显微组分以镜质组分为主，含量大部分超过80%，惰质组及壳质组含量很低。煤的工业分析显示该区水分含量较高，平均17.0%。灰分含量中等，平均为23.9%。各主力煤层灰分含量变化具规律性，边、浅部煤层灰分高，中深部含量较低，总体属于中灰煤。
霍林河地区煤热演化程度低，还没有达到大量生烃阶段，煤层气组分以生物气为主，含少量煤热解气(图4)。从煤岩煤质上看，霍林河地区煤层镜质组含量高，对煤层气成藏有利。金振奎等通过沁水盆地分析了灰分产率对煤储层性能的影响，认为无机物一般充填于煤孔隙及裂隙[10]，占据孔裂隙空间。并根据之间的关系统计，得出灰分产率与孔隙度之间呈线性负相关。本次研究用低煤阶样品也得出同样的关系(图5)：即灰分产率越高，孔隙度越低。低煤阶煤层气气运移通道主要以孔隙型为主。因此对于低煤阶煤储层，灰分含量对煤储层渗透性有较大影响，灰分越大，煤储层渗透性越差。
 

2.2.2 煤储层渗透性
    由于煤层变质程度较低，内生裂隙不发育，煤层气的渗流通道主要以孔隙为主。本区的煤岩孔隙度，由上向下随着深度的增大而降低，但降低幅度不大，下含煤段的平均孔隙度为17.9%。总的看来，本区煤层的孔隙度较高，对于煤层气的解吸、渗滤比较有利。
煤层气勘探试验注入、压降测试煤层埋深900m，煤层渗透率为0.91mD。对煤层进行压实曲线分析表明(图6)：煤层埋深100～500m，每增加100m，渗透率降低2.1mD；而在埋深500～900m，埋深每增加100m，渗透率降低0.1mD。说明埋藏早期以大孔隙压实为主，后期以微孔隙压实为主。总体本区煤储层物性好，渗透性较高，浅部煤层渗透率将更高。
 

2.2.3煤层含气性
本区煤层含气量的资料不多，从部分煤炭钻孔中取样测试得到的含气量最高达到了7.7m3/t(如表1)。煤层气井H1井煤样测试含气量为2.08～6.53m3/t，煤层甲烷平均含量为91.47%，总体随埋藏深度的增加，煤层含气量与甲烷含量均增加。
煤的等温吸附实验显示，霍林河地区煤层的吸附性能较差，兰氏体积及压力较小，兰氏体积为1.7～7.74m3，兰氏压力为0.9～3.68MPa(图7)。测定甲烷δ13C1值为-62%，显示有生物气的特点，说明该区煤层气主要为生物成因气。因此，虽然该区煤层热解气量小，煤层吸附能力较低，但生物气的补充与良好的保存条件保证了该区仍有较高的含气量与含气饱和度，对煤层气成藏有利。
 

2.3 煤层气藏保存条件
2.3.1构造条件
霍林河煤盆已发现的断层主要为北东和北西向高角度正断层，主要分布在背斜及煤层埋藏较浅的盆缘煤层露头区。在煤层埋藏较深的区域地层厚度较大，断层较少。埋藏深度400m之下的厚煤层主要分布于两个向斜区，受断层的影响很小。另外，根据煤田的钻孔抽水试验，本区断层的导水性很小。本区断层的断距小，大部分断层在钻孔中见不到明显的破碎带，岩性多为细、粉砂岩或泥岩，致使断层导水性均较差，密封性较好。因此本区断层对煤层气藏保存影响较小。
2.3.2水文地质条件
煤系含水层处于承压水封闭环境，对煤层气的封闭保存较为有利[6、11]。本区含水层主要有第四系松散含水层、煤系地层砂岩裂隙风化带含水层和煤系基底火山岩裂隙含水层。第四系含水层与煤系风化带含水层直接接触，无隔水层相隔，二者存在密切的水力联系。下含煤段风化带水在本区为潜水，无承压性，煤层大部分埋藏在地下水位之下。地下水的主要补给来源为大气降水直接或通过第四系砂砾石层垂直渗入补给，水型主要为HC03-Ca型和HC03-Na-Ca型，矿化度低，有利于次生生物气的生成。因此本区地下水对煤层气保存不起作用，而主要是生物气的生成。
2.3.3 封盖条件
    煤层气封盖层包括煤层的上覆岩层(即煤层顶板)、煤层的下伏岩层(即煤层底板)和厚煤层分岔、尖灭处的侧畔岩层，其中邻近煤层的围岩最为重要。霍林河组发育3个泥岩段，其中下含煤段之上的上泥岩段全区稳定分布，厚度多在100m以上，是煤层气藏良好的区域盖层。主煤层直接顶底板岩性多为泥岩和泥质胶结或凝灰质胶结的粉砂岩，封盖性较好。钻探结果也显示主力煤层ⅣC直接顶底板为泥岩，对煤层气的保存有利。
3 煤层气成藏主控因素分析
    低煤阶煤层气藏成藏过程一般经历一次沉降物气为其主要气源，基质孔隙发育渗透性好，气源供给和保存条件是低煤阶煤层气成藏的关键。霍林河地区煤岩热演化程度低，煤层含气量不高，而煤储层物性比较好，因此保存条件是该区煤层气成藏的主控因素，且主要为良好的盖层封闭。
    霍林河地区地下水环境较好，地下水为HCO3-Ca型和HCO3-Na-Ca型，矿化度低，浅层单斜缓坡容易形成生物气补给；浅层孔渗性好，深部煤层气向上运移，浅部如盖层条件好则在高部位富集成藏形成游离气与吸附气复式气藏(图8)。
4 结论
    1) 霍林河地区煤层发育，层数多，可采煤层总厚度大；煤层含气量较高，煤储层孔隙度大，渗透性较高，成藏条件较好。
    2) 煤层气藏保存条件较好，盖层封闭是该区煤层气成藏的主控因素。
    3) 浅层封闭条件较好的区域是该区煤层气富集的有利区。
参考文献
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[11] 刘洪林，李景明，王红岩，等.水动力对煤层气成藏的差异性研究[J].天然气工业，2006，26(3)：35-37.
 
(本文作者：雷怀玉1，2 孙钦平3 孙斌3 李五忠3 陈刚3 田文广3 1.北京大学工学院；2.中国石油勘探与生产公司；3.中国石油勘探开发研究院廊坊分院)