Question

阜新盆地王营-刘家煤层气富集区的形成模式

Answer 1

王勃^1,2 李贵中² 王一兵² 杨焦生² 陈艳鹏² 邓泽² 庚勐²

作者简介:王勃,工程师,中国石油勘探开发研究院廊坊分院,通讯地址:河北省廊坊市万庄44号信箱中石油廊坊分院煤层气所,Email:wangbo69@petrochina.com.cn电话:13784808169

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 2210082.中国石油勘探开发研究院廊坊分院 河北廊坊 065007)

摘要:为了推动低煤阶煤层气产业化取得更大突破,本文在剖析美国粉河盆地煤层气富集区煤层埋深、含气量、煤层单层厚度、总厚度及资源量划分依据的基础上,厘定了低煤阶煤层气富集区的主控因素为成煤环境、气源、构造、岩浆活动及水文等,结合这些主控因素,在大量实验测试数据分析的基础上,利用类比法及地质统计法,对阜新盆地王营-刘家区块煤层气富集区的形成机制进行了探讨,并提出了水动力-岩墙封堵混合成因裂隙型煤层气富集模式。在后期煤层气勘探开发中寻找具有类似富集模式的富集区,可能形成低煤阶煤层气高产。

关键词:高丰度 富集 成煤环境 气源 岩浆 水动力 解吸 富集模式

Accumulation Model of Wangying-Liujia Coal-bed Gas Enrichment Area in Fuxin Basin

WANG Bo^1,2 LI Guizhong² WANG Yibing² YANG Jiaosheng² CHEN Yanpeng² DENG Ze³ GENG Meng²

(1.School of Resources and Geoscience, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China; 2.Langfang Branch, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang, Hebei 065007, China)

Abstract: In order to make greater breakthroughs during the low rank coal-bed gas industrialization process, based on the analysis of coal bed depth, gas content, coal bed monolayer thickness, overall thickness as well as the basis of division of resources of the coal-bed gas enrichment area in the Powder River Basin in the United States, main controlling factors in low rank coal-bed gas enrichment area were examined, including coal-forming environment, gas source, structure, magmatic activity and hydrology etc.. Considering these main controlling fac- tors, the formation mechanism of coal-bed gas enrichment area of Wangying-Liujia Block in Fuxin Basin was dis- cussed using analogy method. A model of hydrodynamic force-dike plugging hybrid origin fracture type coal-bed gas enrichment was proposed. High production can be observed if enrichment areas of the similar enrichment model were found during coal-bed gas exploration and development in the future.

Keywords: high abundance; coal-bed gas; coal-forming environment; gas source; magma; hydrodynamicforce;desorption;enrichment model

1 引言

粉河盆地是目前世界上低煤阶煤层气开发最为成功的含气盆地之一,煤层气资源量为3.34万亿m³,2008年底该盆地累计钻井20000口,煤层气产量近160亿m³,占美国煤层气产量的20%以上^[1]。对高丰度富集区的划分是粉河盆地煤层气产业化成功的一个重要因素,而阜新盆地也是中国第一个取得突破的低煤阶含煤盆地,目前该盆地钻井52口,单井平均产气量2500m³/d,年商品量近2000万m³,勘探开发主要区块为王营-刘家、五龙及海州区块。本文通过对粉河盆地煤层气富集区的地质参数及其主控因素进行解剖,并分析了阜新盆地王营-刘家煤层气富集区的形成模式,指导了阜新盆地的其他煤层气富集区的优选及开发。

2 美国粉河盆地煤层气富集区的主控因素

2.1 富集区划分的依据

根据埋深、含气量、煤层单层厚度、总厚度及资源丰度,结合煤层气勘探开发现状,以不同产气量对应的地质条件为依据,特制定下列划分标准。

富集区划分标准:煤层埋深为159~657m,煤层单层厚度大于12m,总厚度大于60m,含气量大于2.34m³/t,资源丰度大于2亿m³/km²。

较富集区划分标准:煤层埋深主要为91.2~159m和657~912m,煤层单层厚度大于10m,总厚度大于30.4m,含气量大于1.88m³/t,资源丰度较高。

2.2 富集区形成的主控因素

通过分析粉河盆地煤层气地质特征、储层物性、构造演化等,认为粉河盆地煤层气富集主要存在以下三个方面的主控因素:有利的沉积环境、煤层形成后地质历史演化时间短、存在生物气生成的有利水文地质环境。

2.2.1 有利的沉积环境

粉河盆地从古近纪开始有大量沉积物流进了泛滥平原、河口和新形成的粉河盆地的沼泽中。古近纪岩石从直接产于最新的恐龙化石之上的“最下部稳定褐煤层”开始。覆盖大部分粉河盆地的古近纪岩石是古新世的尤宁堡组和始新世的沃萨奇组。尤宁堡和沃萨奇时期的特点是在周期性遭受上升和下沉的近岸环境中具有旋回沉积作用。在稳定时期,广泛的成煤沼泽得到了发育,沉积了分布广泛厚度较大的煤层。

2.2.2 成煤后地质演化时间短,压实作用弱,物性好

在粉河盆地内的沉积岩包括一套厚的大部分为海相成因的古生代和中生代岩石层序,和一套较薄的陆相成因的晚白垩世和新生代岩石层序。

晚白垩世最初的陆相沉积在怀俄明州称为兰斯组,而在蒙大拿州东南部称为赫尔克里克组。这两个组由厚层状砂岩、暗色粘土和页岩交替组成。这个组从蒙大拿州比格霍恩县的152~204m往南增厚,至怀俄明州康佛斯县达760m。虽然在其他地区这个时代的岩石中存在有拉腊米运动的证据,但在兰斯时期在粉河盆地没有此造山运动的证据。

因此粉河盆地古近系和新近系广泛发育且厚度较大的煤层形成后,没有发生较大的构造运动,整体压实作用较弱,煤储层物性好。粉河盆地煤储层基质孔隙发育,孔隙度1.5%~10%。粉河盆地煤储层物性好,渗透率高,煤层裂隙渗透率32~550mD,基质渗透率0.01~20mD。粉河盆地多数地区的煤层也属于欠压储层,煤储层压力梯度0.6~0.7MPa/100m,而储层含气多为饱和状态,饱和度90%~100%,并且在煤基质和割理(裂缝)中存在适量的自由气,表明粉河盆地具有外来气源补给。

2.2.3 存在生物气生成的有利水文地质环境

粉河盆地古近系Fort Union组的煤大部分地区为褐煤(R_o=0.3%~0.4%),深部存在高挥发分烟煤,没有达到可以大量产生热成因甲烷的成熟度。其甲烷δ¹³C值为-60.0‰~-56.7‰,δD值为-307‰~-315‰。表明生物成因气为主^[2]。

粉河盆地地下水氘(δ²H)和氧(δ¹⁸O)同位素组成与全球大气降水线对比分析,结合氚同位素分析结果显示,Fort Union煤层中水的成因是大气作用,其年份早于1952年(图1)[3]。说明地质历史时期有大气降水进入地层,而通过定性观测,特别是未确定的复杂混合物的产生、饱和烃类的总离子色谱表明粉河盆地的Fort Union煤层都经历了某种程度的生物降解作用。这些色谱都有双峰分布控制,UCM(Unresolved complex mixture)增大,定性显示了生物降解作用。同时,煤的单峰分布更显示了热成熟度的增加(图2)。

图1 粉河盆地地下水氘(δ2H)和氧(δ18O)同位素组成图

3 阜新盆地王营一刘家煤层气富集区的形成模式

3.1 沉积环境控制巨厚煤层

扇三角洲泥炭沼泽相在同沉积背斜的轴部长期稳定持续堆积,形成阜新盆地的巨厚煤层,同沉积背斜轴部煤层厚度大^[4]。以王营—刘家富煤带为例,该带太平组煤层在同沉积背斜轴部合并后的总厚度达45m以上。其中,太上煤层总厚度达20m以上;太下煤层总厚度达20m以上;孙家湾煤层厚度最大可达25m以上;中间煤层厚度最大可达15m以上。这些厚煤层为煤层气的生成富集提供了良好的生储层条件,是煤层气富集带的物质基础,使得煤层气资源呈现出“小而肥”的特征。

3.2 岩浆活动改善了储层物性

3.2.1 岩浆活动对煤储层物性的改造

岩浆侵入形成岩墙时对煤层动力破坏和烘烤作用是不均匀的,随着距岩墙距离的变化,煤层结构构造发生带状变化,煤层渗透率也发生改变,从而控制了区段内煤层气的储存和运移^[5-10]。在一个块段内,在岩墙的两侧依次形成了天然焦-高变质碎裂煤-构造煤-正常煤的分带现象,越靠近岩墙,煤的变质程度越高,节理越发育,孔隙率越高,煤的渗透性越好。尤其是紧靠岩墙的柱状天然焦,具有柱状节理,孔隙率高于正常煤几百倍,透气性好,孔隙大,即是煤层气的良好储存空间,又是良好的运移通道。而在高变质碎裂煤外侧形成的“构造煤”带中,煤的原生结构构造全部破坏,渗透率极低,该带的厚度一般为2m以上,对煤层气有良好的侧向封闭作用。通过对BL8-2、BL8-5和BL14岩墙影响带内煤的镜质组反射率和有机质挥发分的测试研究,确定岩墙的影响宽度约为岩墙厚度的5~12倍。在岩墙和“构造煤”带之间,高变质碎裂煤与天然焦中煤层气储集的方式主要状态为游离气,高变煤中吸附气与游离气并存,但游离气的含量高。

岩浆活动产生的构造裂隙和现今岩墙、岩床的存在提高了煤储层渗透性。根据阜新盆地王营井田煤层的样品测试数据,本区煤岩垂直于煤层层理方向的渗透率平均值为142.3×10^-3μm²,平行层理渗透率为214.0×10^-3μm²。垂直于煤层面割理方向的平均渗透率为75.3×10^-3μm²,平行面割理方向的平均渗透率为356.9×10^-3μm²(表1)。

图2 粉河盆地Fort Union煤层烃类总离子流色谱图

表1 阜新盆地王营井田煤岩甲烷气绝对渗透率测试数据表

3.2.2 岩墙的封堵作用

地下深处的岩浆,侵入并刺穿储层,构成阻止煤层气继续运移的遮挡物,也可与上覆盖层一起构成遮挡物,封堵机理相当于常规油气的刺穿圈闭及复合圈闭。如王营井田成煤后,古近纪岩浆侵入强烈,30余条岩墙遍布全区,刺穿煤层及上覆沉积层。岩墙侧向派生岩床,岩床又与临近岩墙汇合或穿插,将井田分割成若干个次一级储气单元[1]。

3.2.3 煤层气产出特点

岩浆活动引起外生裂隙的发育,成为煤层气解吸的通道,使得阜新盆地煤层气解吸速率较快;同时由于低煤阶煤储层本身孔隙结构以大孔为主的特征,使得阜新盆地煤层气解吸特征既具有中高煤阶又具有低煤阶煤层气解吸的特征。以阜新盆地刘家区块LJ-6井采气曲线为例进行论证,阜新刘家区块LJ-6井2003年投产(图3),初期日产气4500m³,稳产4年开始递减,目前日产气2780m³,已累计采出662×10⁴m³,采出程度26.6%,预计采收率50%,划分为上升—稳产—递减三个阶段^[12]。

图3 阜新刘家LJ-6井排采曲线图

3.3 煤层气成因类型及水动力封堵作用

3.3.1 煤层气成因类型

根据煤层气的成分组成和甲烷同位素值在-50.42‰~-44.75‰之间(图4),说明王营—刘家煤层气成因的复杂性,既有次生生物成因,又有热成因,且为次生热成因[13-19]。

煤层气以烃类为主,其中甲烷体积分数高,为87.58%~98.03%,平均93.54%;重烃体积分数低,为0~2.22%,平均0.63%,为典型的干气。生物甲烷气的δ¹³C₁<-55‰,阜新盆地煤层气的δ¹³C₁为-58.00‰~-44.70‰,说明存在生物成因气;R_o为0.3%~1.5%,适合于次生生物气的产生,该盆地浅部阜新组R_o为0.42%~0.62%,深部沙海组R_o为0.70%~1.67%,有利于生物气的生成;该区地温资料表明,阜新盆地在1800m以内地温最高为70℃,1500m以内地温一般为30~60℃,正好处于甲烷菌生存的温度0~75℃。煤层水及煤层气氢同位素的相关性(图5)表明生物成因气偏向CO₂还原作用,期间煤层古沉积水介质是不断经受大气降水改造而形成的,也证实了水动力对初期生物气生成的贡献。

图4 煤层气δ¹³C_CH与C_CH/(C_C2H6+C_C3H8)图

图5 煤层水与煤层气的氘同位素相关性图

图6 阜新盆地排采水氢氧同位素组成图

3.3.2 水力封闭作用

地下水顺层由浅部向深部运动,则煤层中向上扩散的气体将被封堵,致使煤层气聚集。水力封堵控气特征常见于不对称向斜或单斜中^[20,21]。在一定压力差条件下,煤层气从高压力区向低压力区渗流,或者说由深部向浅部渗流。压力降低使煤层气解吸,因此在煤层露头及浅部是煤层气逸散带。如果含水层或煤层从露头接受补给,地下水顺层由浅部向深部运动,则煤层中向上扩散的气体将被封堵,致使煤层气聚集。

阜新盆地地下水封堵作用主要发生在王营—刘家地区。该区地表径流为王营河和西瓦河,均为细河的支流。地下水接受地表降水明显,地表水灌入地下宽窄不一、变化多端的裂隙中形成水栅栏。深部煤层中的煤层气向上运移,被向下运移的地下水封堵而保存。从地层水的氢、氧同位素值来看,大气降水易沿着岩墙裂隙带或导水断层进入气藏深部,形成静水压力封堵,使得煤层气富集成藏(图6)。

3.4 煤层气富集区的形成模式

基于以上理论,将王营—刘家煤层气富集区的成藏模式总结为水动力—岩墙封堵混合成因裂隙型煤层气富集模式(图7)。

图7 水动力—岩墙封堵混合成因裂隙型煤层气富集模式图

4 结论

(1)美国粉河盆地煤层气富集区划分的主要参数为埋深、含气量、煤层单层厚度、总厚度及资源丰度,而控制这些参数的地质因素为沉积环境、构造演化及水文地质条件。

(2)阜新盆地的扇三角洲泥炭沼泽相在同沉积背斜的轴部长期稳定持续堆积,形成了巨厚煤层,同沉积背斜轴部煤层厚度最大,为煤层气的富集提供了物质基础。

(3)岩浆活动提供煤储层的生气及储气能力,同时产生的构造裂隙和现今岩墙、岩床的存在提高了煤储层渗透性,成为王营—刘家区块煤层气高产的有利条件。

(4)水动力携带甲烷菌发生生物降解作用及岩浆活动产生的热成因气使得王营—刘家区块煤层气成因呈多样化的特点,水动力及岩墙对煤层气藏具有封堵作用。

(5)王营—刘家区块煤层气富集区的形成模式为水动力—岩墙封堵混合成因裂隙型煤层气富集模式,在以后的勘探开发过程中可通过类比地质条件及主控因素,寻求类似王营—刘家区块煤层气富集模式,从而推动低煤阶煤层气产业化取得更大突破。

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