松遼盆地南部王府斷陷深部煤層氣地質特征及有利區評價

沈 霞，公海濤，邵明禮，楊敏芳，霍萬國

(1.吉林油田勘探開發研究院，吉林 松原 131200；2.中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083；3.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；4.中國石油渤海鉆探井下作業公司，河北 廊坊 065007)

我國深部煤層氣資源豐富，全國第四輪煤層氣資源評價結果顯示，我國埋深在2 000 m 以淺的煤層氣資源量29.82×1012m3[1-2]，2 000 m 以深煤層氣資源量40.47×1012m3[3-4]。近年來，國內2 000 m 以深煤層氣勘探開發不斷取得突破，2005 年，新疆油田在2 500 m深層煤層段試氣，日產氣量達7 000 m3。2018 年，華北地區大城凸起大平7 井煤層埋深超過1 900 m，日產氣量超過1.2×104m3，為我國第一口深部煤層氣水平井。2019 年以來，鄂爾多斯盆地東緣大寧-吉縣區塊吉深6-7 平01 水平井，日產氣量達10×104m3[5-7]，成為我國首個突破10×104m3的煤層氣井，目前29 口先導試驗水平井前3 個月平均單井日產氣量超過8×104m3。鄂爾多斯盆地佳縣南區塊JN1H 井和JM2H 井相繼獲得最高日產氣量8×104m3和12.5×104m3，盆地腹部納林河地區NL1H 井煤層埋深3 250 m，初期日產氣量突破5×104m3，是首口煤層埋深超過3 000 m 的高產井。準噶爾盆地東部白家海凸起彩探1H 水平井最高日產氣量超過5×104m3，穩定日產氣量2×104m3，深部煤層氣勘探均取得突破[8-9]，以上表明我國深部煤層氣勘探開發呈現可喜的發展形勢。

松遼盆地南部王府斷陷發育有白堊系火石嶺組、沙河子組、營城組3 套含煤地層，厚煤層主要發育于火石嶺組頂部，煤層埋深普遍大于2 000 m，是目前深部煤層氣的有利勘探區帶。但前期主要針對中淺層致密氣和火山巖氣藏開展研究[10-12]，深部煤層氣勘探程度較低，無含氣量實測資料，在煤層氣地質特征、富集成藏主控因素及有利區優選等方面缺乏系統研究，有利勘探方向不明，制約了該區煤層氣勘探進程。為此，在梳理松遼盆地南部王府斷陷煤層氣地質特征的基礎上，通過系統評價煤層分布、蓋層特征、斷層封閉性等關鍵地質條件，明確深部煤層氣成藏主控因素，建立有利區優選指標體系，優選深部煤層氣富集有利區，優選勘探有利區，以促進研究區深部煤層氣的勘探開發進程。

1 煤層氣地質特征

1.1 含煤地層特征

1.1.1 充填演化史

白堊紀初期，松遼盆地發生大規?；鹕絿姲l和斷裂活動，形成諸多小型的地塹或半地塹，這些地塹中沉積了以火山巖、火山碎屑巖、碎屑巖為主的火石嶺組，此后受燕山運動第Ⅱ、第Ⅲ幕影響，強烈的隆起作用造成區域性拉張破裂，派生出一系列NNW 向的張性斷裂，形成“東斷西超”的箕狀斷陷構造格局，斷陷內沉積了多套沉積旋回的碎屑巖層系，構成了巨厚的沙河子組與營城組[13]。其中，王府斷陷火石嶺組巖性主要為下部大套中性火山巖，中部大套泥巖和砂礫巖、火山角礫巖、凝灰巖互層，上部為泥巖、流紋質火山巖，頂部煤層。沙河子組時期由于盆地快速沉降，水體快速變深，早期火山巖在風化作用下轉而成為沉積物質重要來源，加上新噴出火山物質的不斷加入，沉積了一套深湖－半深湖相背景下的扇三角洲、火山沉積相地層[14]，其巖性主要為底部泥巖，局部地區為沉火山角礫巖，中部為深灰色、黑色泥巖，上部為灰色砂礫巖與深灰色泥巖互層。營城組沉積組合特征對沙河子組有較強的繼承性，主要發育濱淺湖相沉積[15]，巖性主要為灰色礫巖、砂礫巖夾灰色泥巖。研究區白堊系為主要煤層氣賦存層位。

1.1.2 主力煤層特征

鉆井揭示，王府斷陷營城組煤層不發育，沙河子組不發育厚煤層，火石嶺組頂部煤層在研究區廣泛分布，發育穩定，煤層埋深普遍大于2 000 m，為典型的深部煤層，煤層單層厚度大且分布穩定，以單層煤為主。厚煤層主要發育在斷陷中部，變化均勻，單層厚度1～12 m，平均厚度6 m，整體上呈現出中部厚、南北薄的特征(圖1)。

圖1 王府斷陷火石嶺組煤層厚度分布與地層綜合柱狀圖Fig.1 Isopach map of coal seams and composite stratigraphic column of the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression

1.2 煤儲層特征

1.2.1 煤質特征

王府斷陷火石嶺組煤的宏觀煤巖類型以光亮煤、半亮煤為主，煤體結構好。煤的有機顯微組分具有高鏡質組、低惰質組、未見殼質組的特征。鏡質組體積分數一般可達90%及以上，惰質組體積分數一般低于10%。斷陷內煤層埋深普遍大于2 000 m，煤的鏡質體最大反射率(Rmax) 介于1.97%～2.29%，處于瘦煤-貧煤階段。當Rmax≤3%時，煤的熱演化程度越高，煤層生成甲烷量及吸附量就越大[16]，預示著王府斷陷深部煤層應具備較大生烴潛力。煤中水分(Mad) 質量分數為0.82%～0.99%，平均0.92%，屬特低水分煤；揮發分(Vdaf) 產率為3.89%～19.03%，平均11.05%，屬特低揮發分-低揮發分煤，少量中等揮發分煤；灰分(Ad)質量分數介于3.85%～18.85%，平均10.94%，屬于特低灰-低灰煤，少量中灰煤(表1)。在通常情況下，低水分、低揮發分、低灰分的煤，其吸附能力相對較強[17]。

表1 松遼盆地王府斷陷火石嶺組煤層地質特征Table 1 Geological characteristics of coal seams in the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression,Songliao Basin

1.2.2 物性特征

煤層作為一種特殊的儲層，其儲集性能不僅決定著吸附氣和游離氣的比例，而且也決定著煤層氣的富集及產能[18]。按照SY/T 5336-2006《巖心分析方法》，測定王府斷陷煤孔隙率介于4.06%～5.71%，平均5.01%，屬于低孔隙率儲層。本文采用霍多特提出的煤孔隙劃分方法[19]，將煤孔徑劃分為微孔(<10 nm)、小孔(10～100 nm)、中孔(100～1 000 nm) 和大孔(>1 000 nm)。對研究區樣品進行低溫氮氣吸附實驗，根據研究區煤吸附、脫附曲線特征，將研究區煤孔隙結構分為2 種類型。類型Ⅰ如圖2a 所示，吸附曲線與脫附曲線基本重合，脫附曲線無拐點，沒有明顯吸附回環，此種曲線對應的孔隙主要為一端封閉的不透氣孔，如一端封閉的圓柱形孔，一段封閉的平板形孔；類型Ⅱ如圖2b 所示，脫附曲線存在明顯拐點(“G”點)，在相對壓力(p/p0)0.53 處存在明顯滯后環，此種曲線對應的孔隙主要為細頸瓶狀孔，如一端開口的墨水瓶形孔。低溫CO2吸附實驗表明(圖2c，圖2d)，研究區煤主要孔容貢獻的孔徑范圍是0.6～1.4 nm。

圖2 王府斷陷CS38 井煤低溫液氮與二氧化碳吸附曲線Fig.2 Curves from low-temperature liquid-nitrogen and carbon dioxide adsorption experiments of coals in well CS38 in the Wangfu fault depression

1.3 煤層含氣特征

1.3.1 等溫吸附特征

Langmuir 體積與Langmuir 壓力是評價儲層吸附能力的重要參數，Langmuir 體積越大，說明煤儲層吸附能力越強。按照原位地層條件開展等吸附實驗，溫度為70℃。實驗結果見表1 和圖3。

圖3 王府斷陷煤等溫吸附曲線Fig.3 Isothermal adsorption curves of coals in the Wangfu fault depression

1.3.2 氣測值分布特征

氣測錄井數據是目前錄井綜合解釋的主要基礎資料，可較好反映儲層真實含氣量[20]。王府斷陷氣測全烴值介于1.47%～37.53%，平均10.36%，高值區主要分布于斷陷中部(圖4)。

圖4 王府斷陷氣測全烴平面分布Fig.4 Planar distribution of gas logging-derived total hydrocarbon values of the Wangfu fault depression

1.3.3 含氣量預測

王府斷陷深部煤層氣勘探程度較低，目前僅有少量等溫吸附實驗資料。為評估煤層含氣性，假定煤層處于飽和吸附狀態，并存在游離氣，利用Langmuir 方程可以估算煤理論飽和吸附氣量，再利用實驗測得的孔隙率和含氣飽和度，結合儲層溫度、壓力，利用游離氣計算模型[21]估算游離氣含量，吸附氣和游離氣相加得到總含氣量。

經計算，研究區CS38 井煤層總含氣量介于18.820～23.676 m3/t，平均21.80 m3/t (表1)，游離氣含量介于3.05～4.77 m3/t，平均4.05 m3/t。

2 煤層氣富集主控因素

2.1 火山巖分布

盆地的聚煤作用或煤層發育受沉積相控制，而沉積相則受構造控制，這一點在斷陷盆地尤為明顯?？v向上，王府斷陷的煤層集中發育在火石嶺組頂部，平面上，煤層主要分布在斷陷的中部及中東部。由火石嶺組聚煤期沉積相分布顯示(圖5)，斷陷的東西兩側都因為邊界斷層的發育，出現了半深湖-深湖的相對深水環境，因水體深而沒有聚煤作用發生。而斷陷的雙陡坡帶之間為淺湖相和淺水三角洲相，是本區煤層發育的主要沉積環境。

圖5 王府斷陷火石嶺組聚煤期沉積相Fig.5 Sedimentary facies of the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression during coal accumulation

王府斷陷火石嶺組較厚煤層的分布與其下的火山巖的分布密切相關(圖5、圖6)，斷陷中部及東部由于火山噴發的充填效應加速了淺湖區的填平補齊，環境水體因此淤淺有利于聚煤作用發生(圖5)。在王府斷陷，聚煤期沉積相的配置除了斷陷湖常見的沉積相配置以外，火山巖的發育是其重要的典型沉積特征。

圖6 王府斷陷火石嶺組聚煤模式Fig.6 Coal accumulation mode of the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression

在上述認識的基礎上，本文提出了針對王府斷陷火石嶺組的成煤模式即“填平補齊成煤模式”(圖6)：聚煤作用發生之前，斷陷湖區除了常見三角洲-扇三角洲、半深湖-深湖、淺湖、淺湖三角洲碎屑巖沉積外，斷陷中部與東部的大量火山噴發造成對盆地的充填作用，加速了斷陷湖區的填平補齊、水體變淺，有利于聚煤作用發生。按照斷陷盆地演化規律，煤層所在的火石嶺組頂部即火石嶺組末期，構造趨于穩定，有利于泥炭沼澤的持續發育，最終形成了分布范圍廣、厚度較穩定的厚煤層，厚煤層的分布特征與火山巖的分布呈相關性的獨特現象，即王府斷陷的聚煤作用在一定程度上受到火山噴發的“正面”影響。

2.2 煤層頂板巖性及厚度

煤層頂底板的封閉性取決于其巖性和厚度。砂巖類頂板相對疏松，透氣性較好，不利于煤層氣封閉；泥巖類頂板致密，空隙小，透氣性較差，對煤層氣封閉程度高[22]，此外，當上覆泥巖蓋層存在進入生烴門限的烴源巖時，可以起到烴濃度和壓力雙重封閉[23]。王府斷陷內煤層頂底板組合類型以泥巖-煤層-泥巖為主，利用測井、地震雙重約束，讀取煤層頂部區域泥巖厚度作為蓋層厚度。研究區泥巖蓋層厚度7.00～195.72 m，平均69.50 m(圖7)。通過統計王府斷陷30 口井，發現蓋層厚度與氣測值有良好的正相關關系，蓋層厚度<40 m，氣測值一般低于5%；蓋層厚度40～80 m，氣測值介于5%～15%；蓋層厚度>80 m，氣測值大于15%，此時蓋層封閉性能良好，利于煤層氣的保存。

圖7 王府斷陷蓋層厚度等值線Fig.7 Isopach map of covers in Wangfu fault depression

2.3 斷層垂向封閉性

斷層是否溝通，使深部煤層氣向淺部運移是深部煤層氣富集保存的關鍵，因此氣源斷層的厘定尤為重要。王府斷陷內溝通煤層和淺部地層(登婁庫組)且在成藏期(泉頭組末-青山口組早期)活動的斷層是主要的氣源斷層(圖4)。王府斷陷火石嶺組頂部煤層在同種頂底板類型下，煤層氣測值具有強烈非均質性，說明除巖性組合和厚度分布外，煤層氣富集性還受到錯斷蓋層的斷層的垂向封閉能力控制。斷層垂向封閉能力越強，油氣越難沿著斷層發生垂向運移，越有利于煤層氣保存[24]。斷層在脆性蓋層段發生破裂作用[25]，在脆-韌性蓋層段發育泥巖涂抹結構[26]，王府斷陷內煤層頂底板埋深在2 500～3 000 m 內，以脆-韌性變形為主，因此，采用泥巖涂抹系數(SSF)來表征斷層垂向封閉性[27]，SSF 即為斷層斷距與蓋層厚度的比值，SSF 值越小，垂向封閉能力越好。

采用三維地震數據計算王府斷陷30 口氣測井相鄰斷層在T42 反射層(煤層頂界)上下盤垂向差值，經過時深轉換得到斷層斷距，結合氣測值分布，以氣測值15%為分隔點，厘定煤層氣頂板斷層垂向封閉性臨界斷距為90 m，對應SSF 值為1.1。利用煤層頂板垂向封閉SSF 臨界值評價煤層頂面含氣范圍內氣源斷層封閉性。結果表明，中部和北部SSF 值均低于臨界值，斷層垂向封閉性強；西南地區局部斷層在中段SSF 值高于臨界值，封閉性差，存在煤層氣逸散風險。

3 煤層氣有利區評價

建立煤層氣物質基礎、聚集空間與保存條件三項組合評價體系，優選煤層厚度、氣測全烴值、蓋層厚度、斷層封閉性等四要素評價參數。參考鄂爾多斯盆地東緣大寧-吉縣區塊深部煤層氣先導試驗效果，煤層厚度大于3 m 具有一定的開發效益，而煤層厚度大于5 m則具有較好的開發效益。此外，研究區煤層厚度和蓋層厚度與氣測全烴值均呈正相關關系(圖8a、圖8b)，斷層斷距與氣測全烴值呈負相關性(圖8c)。

圖8 王府斷陷煤層厚度、蓋層厚度、斷層斷距與氣測全烴關系Fig.8 Gas logging-derived total hydrocarbon values vs.coal seam thickness,cover thickness,and fault throw in the Wangfu fault depression

以氣測全烴值5%、15%為界，厘定蓋層臨界厚度為40、80 m，臨界斷距為50、90 m，以此建立深部煤層氣勘探開發有利區評價體系(表2)，評價出王府斷陷內深部煤層氣勘探開發有利區。

表2 王府斷陷深部煤層氣勘探開發有利區評價體系Table 2 Evaluation system of favorable areas for deep coalbed methane exploration and exploitation in the Wangfu fault depression

對研究區內各井數據進行分析處理，結合表2，繪制了松遼盆地南部王府斷陷區塊深部煤層氣勘探開發有利區(圖9)，其中Ⅰ類有利區主要發育在王府斷陷中部，煤層厚度>5 m，斷層斷距50 m，蓋層厚度>80 m，氣測全烴值>15%，一方面厚煤層具有較好的生氣潛力，另一方面頂底板組合類型與斷裂垂向封閉可確保生成的氣體有效富集在頂板蓋層下，不易散失。Ⅱ、Ⅲ類有利區主要發育在王府斷陷北部和南部，Ⅱ類有利區煤層厚度一般3～5 m，蓋層厚度40～80 m，氣測全烴值5%～15%，斷層封閉性弱。Ⅲ類有利區煤層厚度一般<3 m，蓋層厚度<40 m，氣測全烴值<5%，斷層不封閉。

圖9 王府斷陷有利區預測評價結果Fig.9 Prediction and evaluation results of favorable areas for deep coalbed methane exploration and exploitation in the Wangfu fault depression

4 結論

a.王府斷陷火石嶺組煤類型以光亮煤、半亮煤為主，具有低水分、低揮發分、低灰分的特征，鏡質體最大反射率大于1.8%，孔隙率平均5.01%，CS38 井計算含氣量平均為21.80 m3/t。

b.王府斷陷煤層發育程度受古沉積環境控制，煤層主要發育于斷陷雙陡坡帶之間與斷陷中、東部的火山噴發的填平補齊效應形成的淺水區，為火山巖“填平補齊成煤模式”。此外，區內發育的大面積巨厚泥巖頂底板與封閉斷層使得煤層氣得以富集、保存。

c.王府斷陷Ⅰ類煤層氣富集有利區主要發育在斷陷中部，煤層厚度>5 m，斷層斷距50 m，蓋層厚度>80 m，氣測全烴值>15%，具有較大勘探開發潛力；Ⅱ、Ⅲ類有利區主要發育在斷陷的北部和南部，煤層厚度一般<5 m，蓋層厚度<80 m，氣測全烴值<15%，斷層封閉性弱或不封閉，蓋層厚度差異大，勘探開發風險較大。

符號注釋

Bg為天然氣體積系數，m3/m3；M為甲烷摩爾質量，g/mol；p為煤儲層壓力，MPa，基于壓力梯度計算；pL為Langmuir 壓力，MPa；Sg為含氣飽和度；Vf為游離氣含量，m3/t；VL為Langmuir 體積，m3/t；Vs為吸附氣含量，m3/t；ρb為甲烷標況下密度，0.000 71 g/cm3；ρc為煤層視密度，g/cm3；ρd為地層條件甲烷密度，g/cm3，根據儲層溫壓條件查詢REFPROP 獲得；ρs為吸附相密度，根據前人模擬，取0.34 g/cm3；φ為孔隙率，%。