摘要：如何定义煤层气藏、如何界定气藏边界是认识煤层气藏的关键，要评价煤层气富集区首先要找出控制其成藏的主要因素。为此，结合我国含煤盆地的典型煤层气藏特征，围绕煤层气藏边界类型、成藏主控因素进行了探讨，并预测了沁水、鄂尔多斯、准噶尔盆地的煤层气富集区。结论认为：①煤层气藏的边界是煤层气藏划分的前提，煤层气藏主要有5种地质边界类型：水动力边界、风氧化带边界、物性边界、断层边界和岩性边界；②煤层气藏的形成经历了煤层气的生成和吸附、煤层的吸附能力增加和煤层气的解吸-扩散和保存阶段；③保存阶段是成藏的关键，区域构造演化、水动力条件和封闭条件是主要的成藏控制因素。进而在沁水盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地优选出9个煤层气有利富集区：晋城、阳城、安泽、阳泉、大宁-吉县、韩城、吴堡、准南、阜康。
关键词：煤层气藏；边界类型；成藏主控因素；构造；水动力；封闭；富集区；预测
煤层气藏是一种非常规天然气藏，无论其气藏类型还是成藏机理，都与常规气藏有着较大差异，因而富集因素也有其自身特点。煤层中的气体以吸附、游离、水溶3种相态赋存，其中吸附态最为重要。因此，如何定义煤层气藏、如何界定气藏边界就成了认识煤层气藏的关键。煤层气成藏贯穿了煤层气从生成、储集、运移到保存和改造的整个过程，其成藏过程十分复杂，只有找出其中的主要控制因素，才可能为煤层气富集区评价提供地质依据，进而确定勘探目标。为此结合我国含煤盆地的典型煤层气藏特征，围绕煤层气藏边界类型、成藏主控因素进行了探讨，并预测了沁水、鄂尔多斯、准噶尔盆地的煤层气富集区。
1 煤层气藏边界类型
1.1 煤层气藏的涵义
鉴于煤层气藏的非常规性，不少学者在煤层气地质研究中都对煤层气藏赋予了一定涵义和定义。李明潮等认为煤层气藏是煤中甲烷在具备适当外界条件时相对集中在一定的围限内，围限内的气体富集程度、压力一般都高于围限之外，也就是说一个煤层气田也可形成一个或多个煤层气藏[1]。钱凯等[2]指出，煤层甲烷气藏是指在压力(主要是水压)作用下“圈闭”着一定数量气体的煤岩体。同时对广义的煤层甲烷气藏概念加以限制，提出了有效煤层甲烷气藏或经济煤层甲烷气藏的概念，即指具有商业开采价值的煤层气藏。尽管一些学者用各种术语来描述煤层气藏，但人们还是认为对于煤层气藏不仅难以给出确切的定义，而且在地质空间上也难以界定。根据煤层气的特点及其与常规天然气藏的差异性，笔者给出的定义为：受相似地质因素控制、含有一定资源规模以吸附状态为主的煤层气、具有相对独立流体系统的煤岩体基本地质单元称为煤层气藏。煤层气藏应具备以下条件：①煤层气藏是煤层气聚集的基本单元，具有明显的边界与周围地质体分隔；②独立的流体系统是指经历了相同的演化过程和相似的地质作用下的基本流体单元；③煤岩体是受顶、底板控制、连续分布的煤层。
1.2 煤层气藏的边界类型
煤层气藏是基于具有明显的边界与周围地质体分隔而被体现。因此，煤层气藏的边界是煤层气藏划分的前提。通过国内外煤层气藏分析，笔者认为煤层气藏主要具有5种地质边界类型。
1.2.1水动力边界
水动力边界可区分为地下水分水岭和水动力封堵两类。地下水分水岭边界的存在使其两侧的煤层气藏处于不同的流体单元。水动力封堵边界是最常见的煤层气藏边界，几乎所有的煤层气藏都存在。水动力封堵的机理为：要使储层内保存一定量的煤层气，就必须具备一定的储层压力，即地下水静水位面(对应于储层压力)具有一定的高程。这一高程可通过经济边界对应的含气量和兰氏方程计算的储层压力换算。
1.2.2风氧化带边界
由于煤层气沿露头散失和空气混入使得煤层气中甲烷含量降低，二氧化碳、氮气等增加。水动力条件变化，如地下水不断的下降、上升可以引起风氧化带的深度也不断的变化。
一般取甲烷浓度80%为风氧化带的底界。用不同埋深或不同煤层上覆有效厚度的钻孔、煤层气井或煤矿抽放出得煤层气进行气体组分分析，得出风氧化带的深度。如沁水盆地南部煤层气藏甲烷组分含量随煤层埋藏深度的加大而增加，甲烷组分含量大于80%对应的煤层埋深为180m，即可确定风氧化带的深度为180m左右(图1)。
1.2.3物性边界
在美国圣胡安盆地北部地区由于煤体物性变差，形成低渗带，使浅层地下水运移而来的煤层气在此聚集，形成煤层气储层异常高压，是典型的物性封闭(图2)[3]。
1.2.4断层边界
断层边界可以分为封闭性断层边界和开放性断层边界两类。
封闭性断层是煤层气藏的重要边界，Sand Wash盆地、沁水盆地、阜新盆地都存在封闭性断层作为煤层气藏重要边界的情形。
开放性断层边界有两种情形：位于地下水补给区的开放性断层和位于地下水排泄区的开放性断层。地下水沿位于补给区的开放性断层带补给，分别向断层两侧的煤层与含水层运移，对煤层气的散失起到阻止作用，同时断层两侧的含水层和煤层为不同的流体流动单元。因此起到分割不同煤层气藏的作用。这类断层边界有利于煤层气的保存。而地下水沿位于排泄区的开放性断层排泄，造成煤层气的散失。典型实例见图3[4]。
1.2.5岩性边界
岩性边界是指位于煤层尖灭带的边界，也有两种情形：①位于煤层尖灭带的岩性具有较大的渗透率，排驱压力低，煤层气将难以在煤层内聚集，容易逸散，不利于煤层气的保存；②位于煤层尖灭带的岩性具有较低的渗透率，边界具有较高的排驱压力，有利于煤层气的保存。后一种情形常见，如在我国的铁法盆地，地下水由浅部的径流，向深部的滞流，在深部盆缘断裂附近存在煤层分叉尖灭带、岩性相变带等不渗透边界，致使煤层气在深部聚集，构成了典型的铁法盆地煤层气藏。美国粉河盆地内部的这类边界也比较典型。
2 煤层气成藏主控因素及富集区预测
2.1 成藏主控因素
我国含煤盆地绝大多数盆地都经历了沉降和回返抬升演化阶段，有的盆地甚至经历了多次的旋回，煤层也经历了埋藏-抬升的构造演化过程。煤层的埋藏-抬升决定了煤层气的成藏演化过程。一般来说，高变质煤盆地，随着煤层的埋藏和抬升，煤层气藏形成过程主要经历了煤层气的生成和吸附阶段、煤层的吸附能力增加阶段和煤层气的解吸-扩散和保存阶段。其中煤层气藏的解吸-扩散和保存阶段中主要包括盖层扩散机制和地下水溶解机制，是煤层气成藏的关键阶段。因此，煤层气成藏的主控因素体现于构造、地下水和封闭条件的控制作用。
2.1.1构造演化对煤层气成藏的控制作用
聚煤盆地回返抬升的时间早晚和长短、抬升程度均控制着煤层气藏的富集程度。抬升回返时间晚而短，煤层气散失的时间就短，对煤层气藏的保存有利，如华北东部和西部地区抬升回返时间不同，煤层气富集程度具有明显差异[5]。抬升程度在煤层的上覆地层有效厚度得到反映，盆地回返抬升后，煤层停止生气，在没有构造热事件等特殊地质因素发生的情况下，煤层抬升后的上覆有效地层厚度直接影响着现今煤层的含气量[6]。我们把煤层停止生气之后上覆“有效厚度”在地史上埋藏最小的时刻称为煤层气藏形成关键时刻，此时煤层上覆“有效厚度”的压力、温度决定了现今煤层的含气量。因此，在煤层气勘探选区时，不仅要看现今的煤层厚度、煤阶、孔渗性、割理、盖层、水动力等地质条件，更重要的还要看在地质历史时期煤层停止生气之后抬升的最小埋深是否有利于煤层气的保存。假如两个现今地质条件基本相同的地区，尽管现今埋藏深度相同，但在地质历史时期抬升后的埋深不同，一个在风化面之下，保存条件较好；而另一个在风化面之上，煤层气则基本散失。河北省大城地区由于燕山后期构造活动频繁，长期抬升剥蚀，上覆有效厚度变薄，保存条件欠佳，使大部分地区的煤层气散失[7]，钻探结果表明，该区煤层气产量低，含气饱和度和解吸压力低，不利
于煤层气的开采。又如沁水盆地南部晋城煤层气藏，煤层经过构造演化后，新近纪区域回返抬升至风化带之下，之后的再沉降但未超过抬升前的深度，后接受沉积对煤层气具有较好的保存条件，对煤层气富集非常有利；沁水盆地西部的霍州地区，在古近纪末煤层在区域回返抬升至风化带内，后来沉降幅度也很小。因此，煤层气大量散失、含气量与饱和度显著降低，后期又没有充足的气源补给，不利于煤层气藏的富集。
由此可见，现今煤层气藏的富集程度是聚煤盆地回返抬升和后期演化对煤层气保持和破坏的综合叠加结果。因此，构造对煤层气藏的控藏作用机制主要表现为在煤层抬升回返过程中所经历的上覆地层厚度的变化，上覆地层厚度的变化下的温度、压力的变化控制了煤层含气量的变化。
2.1.2地下水对煤层气成藏的控制作用
水动力条件对煤层气的保存关系很大[8]。甲烷等气体微量溶解于地下水，并随水的流动发生散失。煤层地下水滞流或流动缓慢减少了气体溶解流失，较高的水力压力有利于煤层压力的保持，阻止气体解吸。如我国主要煤层气盆地煤系水动力条件强的地区，不仅煤的含气量相对较低，煤层气甲烷碳同位素变轻的程度也较大；水动力较弱的地区或滞流水区，煤层气的含量相对较高，甲烷碳同位素变轻的程度也相对较小。滞流区和径流区具有不同的水动力条件，决定了滞流区煤层气的富集和径流区煤层气的破坏。
在滞流水区，有利于煤层气的保存，主要是因为：①水的承压作用，使煤层气的解吸作用不易发生；②由于地下水的循环交替较弱，水溶解带走煤层气甲烷的数量很少；③水流引起的煤层压力变化较小，煤层气的解吸量也小。煤层水主要包括基质孔隙中的束缚水和裂隙系统中的游离水。束缚水难以流动，游离水始终处在不断的交替循环之中，导致煤层裂隙系统中的水头和压力发生变化，使煤层中甲烷的三种赋存相态，即吸附相、溶解相和游离相的平衡发生变化，引起煤层中甲烷的溶解、运移。煤系中的游离水溶解了煤基质割理面上的甲烷，导致了割理面上甲烷的浓度降低，使基质中的甲烷通过扩散由吸附气转变为游离气。随地下水的循环交替将再溶解、再扩散，在漫长的地质历史过程中，由于水动力作用，这个溶解量对煤层甲烷含气量的变化起到重要的作用。滞流水环境有利于煤层气的富集，沁水盆地可作为典型例子，该盆地发育石炭系太原组的下煤组15#煤层和二叠系山西组的上煤组3#煤层。该盆地为复式向斜，呈单斜向盆地内部延伸，断层不发育，地下水呈汇流状态：东部和南部大气降水补给，北部和西部有分水岭的水源补给。东、南、西、北四面水体向水位低等势面部位汇流。3#煤层和15#煤层均随着水流指向汇水区方向，煤层气的含量明显增加。沁水盆地南部的这种汇水的水文地质条件，水流趋于停滞，含气量很高，为煤层气的富气区。
径流水区地下水对煤层气破坏的现象除了使含气量降低以外，主要表现在流动的地下水可使煤层甲烷碳同位素变轻，变轻的程度受水动力强度影响。在我国的华北地区，下部太原组煤系直接覆盖在奥陶系灰岩之上，煤系与下伏奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层强径流带容易产生水力联系，所以太原组下主煤层的煤系水动力条件往往强于山西组上主煤层煤系。在煤层甲烷碳同位素值方面，下煤组煤层甲烷碳同位素轻于上煤组的现象十分普遍。例如鄂尔多斯盆地吴堡地区，上煤组的3#煤层中的甲烷碳同位素值为-38.25‰，下煤组的10#煤层的甲烷碳同位素值为-46.26‰；沁水盆地试A-2井3#煤层和15#煤层甲烷碳同位素值分别为-31.8‰和-32.1‰；试A-3井甲烷碳同位素值分别为-33.56‰和-35.39‰(图4)。
可见，水动力条件对煤层气含量影响显著，水动力条件越强，含气量越低；含气量越低，则对应煤层甲烷碳同位素就越轻。因为只有水溶作用可以使煤层甲烷碳同位素发生分馏作用，所以，水动力对煤层气破坏途径主要是水溶作用，而不是水驱作用。
2.1.3封闭条件对煤层气成藏的控制作用
由于煤层气以吸附气为主这一特殊赋存形式，人们往往认为盖层对煤层气聚集没有太大的影响。实际上煤层富气与顶、底板和上覆地层的封盖有较大的关系[2，9～10]。致密低渗的顶、底板减少煤层气散失，保持较高的储层压力，维持吸附气体量最大，利于煤层气的富集。理论上煤层要有足够大的含气量，最理想的保存条件是煤层处于一个封闭体系中。可见，煤层的顶、底板及其上覆层对煤层气的富集具有重要的控制作用。
针对煤层顶、底板对煤层气富集的控制作用，笔者进行了统计分析。如鄂尔多斯大宁地区吉试1、吉试3、吉试2、吉试6井5#煤层埋深分别为635m、1194m、1027m、920m，含气量则是20m3/t、18.5m3/t、12m3/t、14m3/t，吉试1和吉试3井是泥岩作为顶、底板，具有较高的含气量，而吉试2和吉试6井顶板是砂质岩，含气量却明显偏低[11]。对沁水盆地南部3#煤层和15#煤层相近深度条件下不同顶、底板岩性煤层的含气量统计分析也表明。3#煤层泥质岩顶底板的煤层含气量普遍比砂质岩顶、底板含气量要高，具有泥岩顶板的煤层平均含气量约18m3/t，粉砂岩的则只有5m3/t；泥岩底板的煤层平均含气量约19m3/t，砂岩的为9m3/t，粉砂岩的1.7m3/t；15#煤层泥岩、石灰岩和砂岩顶板的煤层平均含气量依次为18.87m3/t、15.33m3/t和12.7m3/t，同样显示泥岩顶板含气量大于石灰岩和砂岩类顶板。
上覆地层有效厚度对煤层气富集的控制，在我国含煤盆地并不鲜见。如华北大城凸起，在含煤地层沉积后，开始下沉，达到生气高峰，接着在三叠纪的后构造抬升，地层遭受剥蚀，在大试1井区主力煤层顶部连续沉积的二叠系厚度(上覆地层有效厚度)仅为100m，含气量小于2m3/t，处于瓦斯风化带，而大1-1井区主力煤层顶部连续沉积厚度为200m，其含气量较高，一般大于10m3/t。开平涧河地区，虽然煤层埋深较大(大于1000m)，但是该区尤其是西河凸起煤层上覆有效厚度较小，仅为100m左右。因此测井解释结果是西2井含气性较差；而开平向斜，煤层上覆地层连续沉积厚度较大，一般在200～2000m范围，故其保存条件在这种意义下是良好的。此外，河南焦作恩村井田和沈南红阳井田煤层气含气量与上覆地层有效厚度也成正比。
2.2 煤层气富集区预测
煤层气富集受多种地质因素控制，主要取决于含煤盆地区域构造演化、水动力作用和封闭条件等3大控藏地质因素。因此，对煤层气富集区的评价，除了以这3大因素为重点外，还要考虑含气性因素、煤储层因素等单因素。根据上述特点，对煤层气富集区的评价与优选就不能沿用常规气藏的方法，煤层气富集区的优选排序应该是多层次的，即不可能按照统一标准来进行全部煤层气富集区的优选排序工作。对于全部富集区，应采用能够获得的因素来进行；对于研究程度较高的富集区，可采用更多的因素。这里笔者提出了多层次综合递进优选法这一思路，即随着优选层次的上升，优选结果越来越接近实际情况，可分3个层次进行优选：第一层次，利用评价面积-资源丰度组合进行筛选；第二层次，利用含气量这一关键因素采用“一票否决”进行筛选；第三层次，关键因素组合排序优选，即考虑的关键因素包括富集区面积、资源丰度、含气量、吸附饱和度、煤阶、临界解吸压力、渗透率。由此建立了我国煤层气富集区多层次综合递进评价系统，以常用地理信息系统软件MAPGIS作为二次开发平台，高级语言VC++作为二次开发语言，以煤层气富集区作为优选对象，实现煤层气富集区优选方法。应用这一评价系统对我国典型含煤盆地沁水盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地进行了优选，优选出9个勘探开发的煤层气有利富集区，分别是沁水盆地的晋城、阳城、安泽、阳泉；鄂尔多斯盆地的大宁-吉县、韩城、吴堡；准噶尔盆地的准南、阜康(见表1)。
表1 典型盆地煤层气有利富集区优选分级结果表
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盆地
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优
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良
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中
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沁水
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晋城、阳城、安泽、阳泉
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屯留、屯留西、沁源、西山
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武乡、霍西、沁源西
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鄂尔多斯
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大宁-吉县、韩城、吴堡
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乌审旗、杭锦旗、府谷
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澄城、西峰南
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准噶尔
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淮南、阜康
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吉木萨尔、沙丘河
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夏子街、石西
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3 结论
1) 煤层气的赋存状态不同于常规气藏，可通过边界条件确定气藏。煤层气藏的边界是煤层气藏划分的前提，也是煤层气勘探开发工艺选择的依据。水动力边界、风氧化带边界、物性边界、断层边界和岩性边界这5种边界类型，对确定煤层气藏范围具有重要指导意义。
2) 煤层气成藏的主要控制因素为区域构造演化、水动力条件和封闭条件，这3大控制因素决定煤层气的富集程度，为总结煤层气富集规律提供重要依据。
3) 考虑煤层气成藏主要控制因素和煤层含气性、储层因素等因素，采用多层次综合递进优选法，在煤层气富集区评价中提供新思路和新方法，有助于煤层气富集区的评价和勘探方向的选择。
参考文献
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(本文作者：宋岩1，2 柳少波1 赵孟军1 苏现波3 李贵中4 洪峰1 秦胜飞1 1.中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心；2.长江大学；3.河南理工大学资源与环境工程学院；4.中国石油勘探开发研究院廊坊分院)
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