二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层气富集模式
孙钦平1,2, 王生维1, 田文广2, 孙斌2, 陈彦君3, 杨青2, 陈浩2, 杨敏芳2, 祁灵2
1. 中国地质大学(武汉)
2. 中国石油勘探开发研究院
3. 中国石油华北油田公司
通讯作者:田文广,1979年生,高级工程师,博士;主要从事煤层气地质与开发、致密砂岩气地质综合评价等方面的研究工作。地址:(065007)河北省廊坊市广阳区万庄44号信箱。ORCID: 0000-0002-9895-5483。E-mail: tianwg69@petrochina.com.cn

作者简介:孙钦平,1982年生,高级工程师,硕士;主要从事煤层气地质与勘探、煤层气与页岩气规划等方面的研究工作。地址:(065007)河北省廊坊市广阳区万庄44号信箱。ORCID: 0000-0001-7434-8163。E-mail: sunxp69@petrochina.com.cn

摘要

二连盆地为我国典型低煤阶褐煤分布区,煤层气资源丰富,但煤层气富集成藏机制认识不足制约了该区低煤阶煤层气的勘探开发。为此以二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层气为研究对象,从煤层分布、含气性、煤层气成因、生物成因气模拟实验、保存条件等方面研究了该区煤层气富集的主控因素,并指出了下一步的勘探方向。研究结果表明:①浅水湖盆聚煤环境下,凹陷中部—缓坡带厚煤层发育,厚煤层弥补了含气量的不足;②含煤段堆积过程中,浅水湖泊周期性出现使得煤层上覆泥岩周期性发育,盖层条件有利;③凹陷中部—缓坡带位于地下水承压区,水动力侧向封堵有利于煤层气富集;④研究区煤层气为生物成因,原位条件下煤样产气0.25 mL/g,现今仍有生物气生成。结论认为:①厚煤层发育区、具备生物气生成以及良好的封盖条件并处于水动力承压区为吉尔嘎朗图凹陷煤层气富集成藏的关键;②吉尔嘎朗图凹陷煤层气富集模式为生物气+承压水封堵煤层气富集,中部—缓坡带L12—S88井区为下一步煤层气建产的有利区。

关键词: 二连盆地; 吉尔嘎朗图凹陷; 断陷盆地; 低煤阶; 煤层气; 生物气; 承压水封堵; 富集模式; 有利区
Accumulation patterns of low-rank coalbed methane gas in the Jiergalangtu Sag of the Erlian Basin
Sun Qinping1,2, Wang Shengwei1, Tian Wenguang2, Sun Bin2, Chen Yanjun3, Yang Qing2, Chen Hao2, Yang Minfang2, Qi Ling2
1. China University of Geosciences - Wuhan, Wuhan, Hubei 430074, China
2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Langfang, Hebei 065007, China;
3. PetroChina Huabei Oilfield Company, Renqiu, Hebei 062552, China
Abstract

The Erlian Basin is a typical low-rank lignite distribution area in China. Its coalbed methane (CBM) resources are abundant, but the CBM enrichment and accumulation mechanisms are not understood sufficiently, which restricts the exploration and development of low-rank CBM gas. In this paper, with low-rank CBM gas reservoirs in the Jiergalangtu Sag of the Erlian Basin as an example, the main factors controlling CBM accumulation were analyzed from the aspects of coal bed distribution, gas content, CBM origin, biogenic gas simulation experiment and preservation conditions, and then the future exploration direction was pointed out. Some results were obtained. First, a thick coal bed is developed at the central belt-gentle slope of the Jiergalangtu Sag in the coal forming environment of shallow lake basins, and it compensates for the deficiency of gas content. Second, mudstones overlying coal beds are developed periodically due to the periodic occurrence of shallow lake during the accumulation of coal bearing sections, so the caprocks are favorable. Third, the central belt-gentle slope of the Jiergalangtu Sag is located in a confined groundwater area, where the hydraulic lateral sealing is favorable for CBM accumulation. Fourth, CBM in the study area is biogenic with an in-situ gas production ratio of 0.25 mL/g, and currently the generation of biogenic gas still continues. Fifth, the CBM enrichment pattern in the fault basin is that biogas and CBM gas are both sealed by confined water. It is concluded that the key factors for CBM accumulation in the Jiergalangtu Sag are thick coal beds, biogas generation, favorable seals/caprocks and hydraulic confined areas. Besides, the Well L12-S88 area in the central belt-gentle slope of the Jiergalangtu Sag is the favorable area for future CBM productivity construction.

Keyword: Erlian Basin; Jiergalangtu Sag; Fault basin; Low-rank coal; Coalbed methane (CBM); Biogas; Sealed by confined water; Accumulation pattern; Favorable area
0 引言

低煤阶煤形成于煤化作用初期, 一般指镜质体反射率(Ro)小于0.65%的褐煤、长焰煤[1, 2, 3, 4]。我国低煤阶煤层气资源量达10.3× 1012 m3(据第四次全国油气资源评价结果), 但勘探开发程度低。美国粉河盆地、加拿大阿尔伯塔盆地等低煤阶褐煤区已实现煤层气商业开发, 而我国煤层气勘探开发较好的地区煤级一般达到长焰煤— 气煤及以上, 准噶尔、吐哈、二连、海拉尔等盆地褐煤含煤区煤层气勘探效果均不理想。

对于二连盆地群煤层气富集成藏机理的研究较少, 目前主要集中在煤层气成藏条件、煤储层特征、资源潜力等方面[5, 6, 7], 认为二连盆地煤层气资源丰富, 是我国低煤阶煤层气勘探现实的有利区。但对其煤层气富集成藏机理认识不足, 制约了低煤阶煤层气的勘探开发。笔者以二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层气为研究对象, 通过对该凹陷煤层的分布、含气量、成因、水文地质条件、保存条件等的研究, 探讨了该区煤层气的富集模式, 指出了下一步的勘探方向。

1 煤层气基本地质特征

二连盆地群是在天山— 兴蒙褶皱带海西柔性地槽褶皱基底上发育起来的中— 新生代裂谷型含煤盆地群, 呈“ 五坳一隆” 构造格局[8, 9, 10]。吉尔嘎朗图凹陷位于盆地东部的乌尼特坳陷, 呈北东走向, 为一西北断、东南超的半地堑型凹陷[11], 面积约1 000 km2。凹陷基底为古生界轻变质岩, 凹陷地层自下而上发育中下侏罗统阿拉坦合力群、上侏罗统兴安岭群、下白垩统巴彦花群、古近系、新近系和第四系。其中, 下白垩统巴彦花群为最重要的沉积地层, 自下而上分为阿尔善组、腾格尔组、赛汉塔拉组, 垂向上总体表现为下粗、中细、上粗沉积特征。受控盆地同沉积断层影响, 凹陷陡坡带主要发育冲积扇相、扇三角洲相等粗碎屑沉积, 缓坡带主要发育辫状河三角洲相, 凹陷中部发育湖相沉积。在盆地构造演化的初始张裂期和萎缩期, 发育阿拉坦合力群和赛汉塔拉组两套含煤建造[8, 9]。其中阿拉坦合力群煤层分布面积小、厚度薄; 赛汉塔拉组发育巨厚煤层, 是研究区主要的含煤地层, 岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩和厚煤层, 含6个煤组, 其中Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 煤组分布较广(图1)。富煤带位于凹陷中部— 缓坡带, 煤层总厚度介于60~220 m, 最大累计厚度391 m; 煤层埋深较浅, 介于100~900 m, 最深不超过1000 m, 总体沿盆地边缘向盆地中心逐渐变深。

图1 吉尔嘎朗图凹陷构造与地层地质综合图

吉尔嘎朗图凹陷煤层腐殖组Ro介于0.32%~ 0.48%, 以褐煤为主。据等温吸附实验数据显示(空气干燥基), 研究区煤层兰氏体积介于2.95~ 6.00 m3/t, 实测煤层含气量介于0.40~3.83 m3/t, 一般介于1.0~3.5 m3/t, 平均值为1.75 m3/t, 计算煤层吸附饱和度介于74%~91%, 表明研究区煤层含气性较好。实测煤层气甲烷含量75.16%~90.25%, 也反映了该区煤层气保存条件较好。纵向上含气量、甲烷含量均与埋深呈正相关关系(图2), 深度250~300 m以深煤层含气量一般大于1.0 m3/t, 甲烷含量超过80%, 表明该区甲烷风化带深度介于250~300 m。据实测煤层含气量数据, 并参考煤层段气测异常分布[8], 平面上凹陷中部富煤带煤层含气量最高, 往西北陡坡带、南东缓坡带浅层, 煤层含气量逐渐变低。

图2 吉尔嘎朗图凹陷含气量、甲烷浓度随埋深变化图

2 煤层气成藏主控因素
2.1 凹陷中部— 缓坡带厚煤层发育, 弥补了含气量的不足

沉积序列和聚煤规律研究表明, 研究区含煤层系主要发育在断陷盆地发育阶段的后期和坳陷期[12, 13]。该时期盆地抬升, 湖盆淤塞, 水体变浅, 沉积稳定, 有利于煤层形成和积聚。吉尔嘎朗图凹陷赛汉塔拉组就是在大型湖泊完全淤浅的基础上, 在扇前浅水湖盆和扇前泛滥平原广泛泥炭沼泽化, 发生了强烈的聚煤作用。平面上在陡坡带发育冲积扇、扇三角洲等粗碎屑沉积, 聚煤较差; 凹陷中部— 缓坡带发育(辫状河)三角洲、湖沼相等沉积, 利于聚煤。吉尔嘎朗图凹陷赛汉塔拉组煤层具有厚度大、层数多的特点, 主要分布于凹陷中部— 缓坡带。煤层总厚度一般介于60~220 m, 最大累计厚度391 m, 厚煤带主要分布于L6— J91井区(大于180 m), 向四周分岔减薄、尖灭(图3)。

图3 吉尔嘎朗图凹陷煤层总厚度与沉积相叠合图

如前所述, 研究区低煤阶煤层含气量较低(小于4 m3/t), 远低于中高煤阶煤层含气量(10~30 m3/t), 但厚煤层弥补了含气量的不足, 大大提高了煤层气资源丰度[8]

2.2 厚煤层上覆泥岩盖层发育, 封盖条件有利

吉尔嘎朗图凹陷赛汉塔拉组沉积期构造基本定型, 构造活动平缓, 大部分断层都停止活动或活动微弱, 因此, 断层对煤层气的破坏作用很小, 对煤层气藏保存影响较大的主要为泥岩盖层封闭。

赛汉塔拉组在湖泊淤浅的基础上在扇前浅水湖盆和扇前泛滥平原广泛泥炭沼泽化, 在凹陷中部— 缓坡带强烈聚煤, 而含煤段堆积过程中浅水湖泊周期性出现也使得煤层上覆泥岩周期性发育, 直接顶板多为泥岩[14], 煤层上覆地层20 m内泥岩累计厚度5~20 m, 稳定分布于凹陷中部— 缓坡带, 与巨厚煤层形成良好的储盖组合, 利于煤层气的保存。凹陷内赛汉塔拉组含砂率统计表明, 凹陷中部— 缓坡带富煤区含砂率一般低于20%[15], 表明含煤地层区域性泥岩盖层的发育具有较好的自封闭能力, 有利于煤层气富集[16, 17]

2.3 凹陷中部— 缓坡带位于地下水承压区, 水动力侧向封堵利于煤层气保存

水文地质条件是影响低煤阶煤层富集成藏的重要因素之一, 主要体现为影响生物气的生成[18], 一般认为适于生物气生成的水文地质条件要求水介质低盐度和较低矿化度, 前人研究pH值范围不尽相同, 一般认为pH值介于6.4~8.0最好[19, 20]。凹陷内与煤层气关系密切的赛汉塔拉组含水层水类型多为NaHCO3型, 煤层气井产出水矿化度介于4000~ 6400 mg/L, pH值范围介于7.32~7.76(表1), 利于生物气生成。

表1 吉尔嘎朗图凹陷煤层水化学特征测试结果统计表

凹陷为不对称箕状向斜, 地层平缓, 中部为汇水承压区, 水动力侧向封堵利于煤层气富集。煤层气井注入/压降与DST测试(钻杆测试)结果也显示地层超压, 压力系数介于1.03~1.07, 利于煤层气的保存。

2.4 煤层气为生物成因气, 现今仍有生物气生成

前人提出了多个关于生物气成因判识指标[21, 22, 23, 24, 25, 26], 生物气的最显著特征表现在两个方面:①气组分以甲烷为主, 干燥系数较高; ②甲烷碳同位素值较轻。吉尔嘎朗图凹陷已钻煤层气井实测煤层气甲烷碳同位素值介于– 60.3‰ ~– 65.3‰ , 氢同位素值介于– 216.0‰ ~– 269.0‰ , 气组分以甲烷为主, 干燥系数大于170。将测试数据投入Kotarba模板[27]中(图4-a), 显示研究区煤层气为生物气成因。而基于δ 13CCH4δ DCH4关系的成因分析也显示(图4-b), 吉尔嘎朗图凹陷生物气类型处于二氧化碳还原型和乙酸发酵还原型过渡带。

图4 吉尔嘎朗图凹陷煤层气成因判识图

研究表明, 可以通过实验模拟自然条件下生物成因煤层气的生成过程、机理、生气潜力、影响因素及地质条件等[29, 30, 31, 32, 33, 34]。为了确定生物气生气潜力, 开展了吉尔嘎朗图凹陷煤样本源微生物分析及原位产气模拟实验。实验结果证实:①实验样品通过煤岩生物标志化合物降解、微生物DNA提取等检测出煤岩样品中产甲烷菌普遍存在; ②原位条件下煤样在实验室不添加任何物质情况下仍产气(图5), 其中Ⅳ 煤组每克煤样产气11.10 μ mol(相当于0.25 mL/g), 表明吉尔嘎朗图凹陷煤层现今仍有生物气生成; ③添加接种物能促进煤层快速产气(第8天即开始产气), 提高产气效率, 如Ⅲ 煤组每克样品产气18.40 μ mol(相当于0.41 mL/g)。

图5 吉尔嘎朗图凹陷JM2井煤样生物气模拟实验结果图
(煤样重10 g)

3 煤层气富集模式

综合上述研究, 吉尔嘎朗图凹陷中部— 缓坡带厚煤层发育, 弥补含气量不足; 富煤区顶板泥岩发育, 盖层条件好; 水文条件优越, 利于生物气生成, 同时凹陷中部汇水承压区利于煤层气侧向封堵。提出厚煤层发育区、具备生物气生成以及良好的封盖条件并处于水动力承压区为吉尔嘎朗图凹陷煤层气富集成藏的关键。在此基础上建立了研究区断陷盆地富煤区生物气+承压水封堵煤层气富集模式(图6)。

图6 断陷盆地富煤区生物气+承压水封堵煤层气富集成藏模式图(底图据吴昕等[15]修改)

根据研究区煤层气富集主控因素与富集模式研究结果, 结合《煤层气资源/储量规范》(DZ/T0216— 2010), 综合优选出吉尔嘎图凹陷中部— 缓坡带L12— S88井区为下一步煤层气建产的有利区(图3), 有利区面积约100 km2, 资源量400× 108 m3

4 结论

1)二连盆地吉尔嘎朗图凹陷中部— 缓坡带厚煤层发育, 弥补了含气量不足; 厚煤层上覆泥岩盖层发育, 封盖条件有利; 凹陷中部— 缓坡带位于地下水承压区, 水动力侧向封堵利于煤层气富集; 煤层气为生物成因气, 现今仍有生物气生成。

2)建立了断陷盆地富煤区生物气+承压水封堵煤层气富集模式, 提出凹陷中部— 缓坡带L12— S88井区为下一步煤层气建产的有利区。

The authors have declared that no competing interests exist.

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