澳大利亚博文盆地煤层气富集规律和勘探策略研究——以博文区块Moranbah煤层组为例

澳大利亚的博文盆地是典型的弧后前陆聚煤盆地。博文盆地博文区块地质条件复杂,尽管已开展了大量的煤层气勘探工作,但是控制煤层气富集的地质因素众多,对该区块的煤层气富集规律一直认识不清。结合博文盆地的煤层发育特征、构造特征、水文地质特征、应力特征以及煤层含气性和渗透率等地质特征,以该地区发育的Moranbah煤层组为例,提出"沉积控煤、构造控气、水文控藏、应力控带、局部高部位和边缘斜坡富集高产"的煤层气富集高产规律:沉积相控制煤层分布、煤层储层物性,河流冲积平原、上三角洲平原煤层较厚,下三角洲平原煤层较薄;构造控制含气量及富集带,向斜构造有利于煤层气的富集高产,局部高部位形成煤层气富集高产区;水文地质条件控制煤层气成藏,位于弱径流—承压区成藏条件好,当地表径流和地层倾向一致时,成藏条件较有利;应力场控制煤层高渗带,埋深增加,有效应力增加,煤层割理裂隙闭合造成渗透率降低。在煤层气富集规律的基础上,厘定了煤层气资源规模、控气因素、可采性三级有利区评价指标体系,圈定了研究区块的甜点区、有利区和不利区。基于澳大利亚煤层气区块管理政策,提出了甜点区申请开发许可优先投入试产开发评价、有利区申请潜在商业区勘探保地、不利区申请退地的勘探策略。     

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中国是世界上煤层气资源较为丰富的国家。长期以来，由于对我国煤层气形成地质条件、煤层气富集区的分布规律及其控制因素缺乏系统的认识，导致煤层气勘探成功率低、效益低。文章通过对我国煤层分布、煤变质规律、煤岩吸附性、煤层孔渗特性、煤层含气性及含煤盆地或含煤区地质构造背景等方面的综合研究，阐述了我国煤层气地质特点的复杂性和特殊性，分析了聚煤区不同基底类型含煤盆地的煤层气勘探潜力，认为我国煤层气富集区主要集中在华北地区，指出我国今后若干年的煤层气勘探重点应是华北若干大型煤层气富集区，并以沁水盆地、鄂尔多斯盆地为煤层气勘探的重中之重。     

煤层形成背景与煤层气储层特征

煤层气是气体以吸附为主的连续型油气聚集,是一种自生自储的非常规天然气。煤层的构造、沉积、显微组分和煤级是煤层气形成的基础。含煤盆地内向斜和斜坡中的低幅构造、背斜、断层或褶皱发育且渗透率高的地区是煤层气的高产富集区。冲积扇、辫状河、河口湾和潟湖等沉积环境均可发育煤,成煤环境控制了煤的类型、煤质、煤层连续性、煤层厚度及煤层顶、底板岩性。镜质组含量是影响煤层含气量和煤层物性的重要因素。煤级是泥炭遭受成岩和变质作用的反映,与煤层含气量、渗透率、孔隙度及煤岩力学性能密切相关。煤层厚度、孔隙度、渗透率、压力、含气量、含气饱和度及煤的工业分析作为煤层气勘探开发的主要储层参数,不但是优选煤层气甜点的重要指标,而且决定了一个煤层气田或项目的开采方式和产气量。     

六盘水地区煤层气地质特征及富集高产控制因素

六盘水是我国南方重要的煤层气富集区,处于黔西、滇东、川南晚二叠世上扬子聚煤盆地的富煤中心地带。煤与煤层气聚集于各式向斜之中。在对六盘水煤层气地质特征研究的基础上,揭示了六盘水煤层气富集高产控制因素:六盘水聚煤层气的各式向斜或盆地煤层分布广、厚度大;煤岩镜质组含量高;处于区域岩浆热变质区、煤层割理发育,构造裂缝适中,因而含气量高,可解吸率高,有利于煤层气富集高产;盖层条件优良;处于承压水区;煤层压力大。六盘水的盘县盆地、格目底向斜、郎岱向斜、六枝向斜、补郎向斜、青山向斜北西翼具备了形成煤层气富集高产区带的有利地质条件。六盘水各式向斜中煤层气资源量为75009130亿m³.     

中国高煤阶煤层气成藏特征

国内学者普遍认为高煤阶煤层由于其演化程度较高、割理不发育、煤层的渗透率极低而低估了勘探前景，以至于形成了煤层气勘探的“禁区”。中国地质条件和含煤盆地的构造活动要比美国复杂得多，煤层气的生成和富集有着自身的特点，而且多数煤层在其沉积后经历了多个期次、多个方向的应力场改造，而且大部分高煤阶形成与岩浆热变质事件有关。这些因素使得高煤阶的气体成因、物性特征、水文地质条件、含气性和成藏过程等都与低煤阶和国外高煤阶明显不同，有可能形成煤层气高产富集区，形成煤层气勘探的有利地区。     

阜新煤田王营―刘家区煤层气向斜控气研究

通过研究王营―刘家区煤层气地质特征和分析向斜构造的力学特性及其对煤层气的控制作用,认为向斜构造是该区煤层气的主控因素。向斜上层渗透率和含气量较低,对渗透率和含气量相对较高的下层起到封盖作用;向斜下层渗透率和含气量较高,所以煤层气的勘探和开发应以向斜下层煤层为主要目的层进行。     

宁武盆地南部煤层气富集的主控因素

宁武盆地是我国典型的中煤阶构造残余盆地,勘探证实其南部具有很好的煤层气勘探潜力,但煤层气富集的主控因素尚不清楚。为此,分析了盆地南部主要含煤地层的沉积环境、煤质特征、热演化程度与煤阶分布、煤储层物性等地质特征,通过构造特征、地应力分布特征、封盖条件分析,结合前期勘探成果,综合研究后认为:宁武盆地南部煤层气的富集受构造部位、应力场以及煤层顶底板封闭条件控制,构造上斜坡带煤层气富集高产,构造应力场低值区煤层渗透性好,封闭条件好的地区煤层气保存条件好。进而预测出W02井以东、W04井以南地区具有获得高产煤层气井的有利条件,是有利的煤层气富集区。     

不同煤阶煤层气选区评价参数的研究与应用

目前,国外煤层气开发主要以中低煤阶为主,而我国则以中高煤阶为主;不同煤阶具有不同的煤层气地质特点与选区评价标准。为此,通过对国内外重点煤层气盆地的煤层气评价参数对比研究,提出了不同煤阶的煤层气选区评价参数,包括:煤层气资源规模及丰度、煤层厚度、煤层含气量、煤层气吸附饱和度、煤层原始渗透率、有效地应力、地解比、构造发育状况及水文地质条件。在此基础上,通过对重点煤层气区的类比分析,初步建立了我国煤层气选区评价标准,并优选出煤层气有利富集区16个:其中Ⅰ类最有利富集区6个,包括沁水盆地南部、阜新盆地刘家区块、鄂尔多斯盆地东部、宁武盆地南部、准噶尔盆地东南部、二连盆地霍林河地区;Ⅱ类有利富集区4个,包括沁水盆地北部、鄂尔多斯盆地乌审旗地区、黔西盘关地区、川南古蔺—叙永地区;Ⅲ类较有利富集区6个。     

中国高煤阶地区的煤层气勘探理论与实践

通过对中美两国煤层气生成地质条件的对比,认为中国煤层气形成和富集有着不同于美国的特征。我国华南和华北地区广泛分布高煤阶煤层,煤层气资源丰富。在成煤后期多个方向和期次的构造运动改造下,部分高煤阶煤层的渗透性有可能得到改善。通过地质研究,可以在高煤阶地区找到高产富集区。在这种思路指导下,在我国沁水含煤盆地南部无烟煤地区发现了大型高煤阶煤层气田——沁水煤层气田。这不仅丰富了煤层气富集成藏理论,对于拓展煤层气勘探领域也具有重要意义。      

煤层气高产富集主控因素及预测方法

煤层厚度、含气量、解吸条件、渗透率、水文地质条件及工艺技术条件下直接影响到煤层气高产能力。针对中国煤层气勘探现状,煤层气高产富集区预测要分两步走,即综合选区阶段和高产富集区预测阶段。     

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本以六盘水煤层气勘探开发试验获得的实际资料为基础,结合国内外煤层气勘探开发成果,对其勘探开发前景进行了初步研究。指出该区具有煤层多,累计厚度大,煤阶类型多样;煤层含气量较产,煤层气资源量丰富;含气饱和度、临界解吸压力与地层压力的比值中等;煤层渗透性非均质性较强;煤层单层较薄,煤体结构较差;煤层地应力较高,杨氏模量较低及地形条件较差等特点。通过对上述特点的综合分析,章认为六盘水煤层气地质特征总体表现为煤层气资源条件优越,煤层气可采性较差;目前制约煤层气勘探开发的关键技术问题是选层技术、压裂技术和形成井网技术。建议继续六盘水煤层气勘探开发试验,并重点开展选层技术、压裂技术和形成井网技术的攻关研究。     

中国煤层气富集高产规律、开采特点及勘探开发适用技术

与国外相比,中国煤层气构造条件复杂,成藏类型复杂,层内非均质性强。根据煤层气勘探开发现状总结了我国煤层气富集高产规律：①区域含煤区构造高点是高产富集有利部位;②上斜坡区域煤层后期受构造运动抬升幅度大,次生割理发育,煤层变浅压实作用弱,渗透性好,在稳定的盖层条件下,处于承压水滞流封闭环境,下倾部位有充足的烃类补给,高产条件优越;③构造抬升盆地凹中隆火山岩活动区有利于高产;④封闭好的浅层,低煤阶厚煤层有利于煤层气富集;⑤断裂活动次生割理发育区是煤层气聚集的有利场所。同时系统分析、总结了中国煤层气开采特征和不同措施影响煤层气井产气特征,以及受构造部位和层内非均质性影响的单井产气特征,列举了中国煤层气勘探开发的适用技术,包括二维地震AVO高产富集区预测技术、羽状水平井钻井技术、超短半径水力喷射钻井技术、煤层气井重复压裂技术等。     

基于地震AVO属性的煤层气富集区预测

为了判定AVO技术是否能够用于对煤层气的预测,研究了煤储层含气性与地震AVO属性之间的关系,获得煤储层参数与地震波弹性参数之间的关系式及其AVO响应特征,发现煤储层的含气量随纵波速度、横波速度、密度的增大而减小。对鄂尔多斯盆地大宁—吉县地区5#煤层进行了AVO数值模拟,并预测出其煤层气的相对富集区。AVO数值模拟结果表明,高产井所在的煤储层一般有较强的AVO异常。结论认为:利用AVO属性能够对煤层气的富集区进行预测并为煤层气井位的部署提供依据。     

煤层气成藏条件及开采特征

根据煤层气的存储状态及煤层所处的构造位置,将煤层气划分为自生自储吸附型、自生自储游离型和内生外储型3种成藏模式,不同成藏模式的富集高产机制不同。基于沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘、阜新及铁法盆地不同层位煤层气甲烷含量及甲烷碳同位素分布研究,煤层气成藏期可划分为早期成藏、后期构造改造成藏和开采中二次成藏3个时期,特别指出了开采中窜位和窜层引发二次成藏的条件。利用沉积相分析厚煤层的层内微旋回,细划分出优质煤层富含气段;进一步利用沉积相探索成煤母质类型及其对煤层气高产富集的控制作用,阐述了构造应力场及水动力对煤层气成藏的作用机理。最后,总结了煤层气的开采特征,指出煤层气井开采中包含阻碍、畅通和欠饱和3个开采阶段,欠饱和阶段可划分为多个阶梯状递减阶段;并认为由构造部位和层内非均质性的差异形成了自给型、外输型和输入型3类开采特征。     

二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层气勘探

二连盆地群低煤阶煤层气资源丰富但勘探程度相对较低,煤层气富集和主控因素认识不足,制约了开发实践。以吉尔嘎朗图凹陷为重点,对二连盆地群的构造、沉积、水文、物性和含气量分布进行精细解剖,总结了煤层气富集成藏规律。二连盆地群具有断陷小湖盆和残留盆地的特点,分割性强。煤系主要发育中、下侏罗统阿拉坦合力群及下白垩统巴彦花群赛汉塔拉组两套含煤建造,以辫状河三角洲相为主,煤层层数多且与砂泥岩叠置发育,煤层倾角平缓。针对研究区"浅部低煤阶、平缓厚煤层、多层砂煤组"的特点,建立了符合吉尔嘎朗图"斜坡区正向构造带富集模式",提出在煤层气勘探中应注意优选埋深适中、相对高渗、高含气量的"甜点区",并需要规避断层,在向斜两翼、背斜和单斜地层中寻找高产区。优选部署的吉煤4井在埋深430~470 m煤层段获得大于2 000 m~3/d的产气量,证实中国低含气量、厚煤层的褐煤区煤层气可以获得高产工业气流,有助于推进低煤阶煤层气资源的勘探进程。     

沁水盆地南部高煤阶煤层气富集高产控制因素

为有效支撑中国石油天然气股份有限公司煤层气业务的发展,持续开展了沁水盆地南部高煤阶煤层气富集及高产控制因素研究,总结了阶段成果和煤层气开发实践经验。结论认为：沁水盆地高煤阶煤层具有低压力、低渗透率、非均质性强的特征;煤层气开采难度大,其富集成藏主要受煤质、煤层埋深、顶底板封盖性、构造、水动力条件等的控制;地下水滞留区构造翼部是富集高产的有利区域;面积降压、合理井型是实现煤层气井高产的必要条件。该成果为规模高效开发该煤层气田打下了坚实基础。     

澳大利亚苏拉特盆地Walloon煤组成藏条件及富集模式

中侏罗统Walloon亚群煤组是澳大利亚苏拉特(Surat)盆地煤层气藏的主要储层,为一套典型的低煤阶高产煤层。为了明晰该煤组的煤层气成藏条件及富集模式,基于录井、实验和测试资料,研究了该煤组的展布特征及烃源岩条件、储集条件与保存条件,结合对该煤组的天然气成因及含气性特征分析结果,对比分析了该盆地东北部3个煤层气开发区在气藏富集模式上的差异,并归纳了Walloon煤组成藏及富集的有利条件。结论认为:(1)构造运动、地下水条件以及显微组分为Walloon煤组的生气创造了有利条件,该煤组的顶、底板及夹层岩性致密,封闭条件较好;(2)Walloon煤层气藏是一个形成在单斜构造上由水动力和岩性共同封闭的以次生生物成因气为主的混合成因气藏,煤层气的富集受局部构造、煤层生气能力和地下水动力3种因素的控制,并可分为背斜、向斜和斜坡3种模式,其中背斜模式、向斜模式的煤层气富集程度相对更高;(3)与其他煤层气藏相比,Walloon煤层气藏的成藏和富集同时具有双重碳源、高效生气、适中水动力和双重封闭4个有利条件。     

煤层甲烷的特征与富集

煤层甲烷是由煤层自生自储的一类非常规天然气。80％以上呈吸附状态赋在于煤层中。压力是影响煤层甲烷吸附能力的主导因素,对煤层甲烷的勤探应着眼于煤层含气量较高、物性较好的区块。作者提出了评价煤层甲烷开发区的9个条件;同时从煤层的埋藏史阐明了煤层甲烷的富集。     

基于卸压煤层气开发的构造煤储层孔渗特征与类型划分——以淮南矿区为例

在淮南矿区卸压煤层气地面开发取得积极进展的背景下,应用扫描电镜和汞注入法对淮南矿区构造煤样进行孔裂隙测试,结合井下煤层透气性和试井渗透率测试数据,探讨了构造煤储层孔渗特征。对比分析了卸压煤层气开采现场测试渗透率变化差异,揭示了构造煤卸压开采条件下影响煤层渗透率变化的影响因素及煤体结构差异对煤储层改造的控制作用,提出了构造煤储层类型划分方案。研究表明:随着构造变形的增强,煤中外生孔裂隙规模增大,孔容、中值孔径、孔隙度等参数增大,煤储层渗流孔含量与构造变形呈正相关,但地层条件下构造煤储层的渗流性受储层压力、煤体结构、地下水等因素控制。构造煤储层特性决定了当前原位煤层气开发技术的不可行性;而卸压煤层气开采有效解决了构造煤储层渗透率低、压力传递困难以及压裂改造效果差等技术难题,卸压开采对煤储层的改造导致的"卸压增透增流"效应主要受煤体结构控制。煤体变形越强,改造效果越好,基于不同煤体结构构造煤储层中渗流孔的含量与改造效果的一致性,认为糜棱煤是卸压煤层气开发的优质储层,碎粒煤是较优质储层,碎裂煤和鳞片状煤是一般储层,原生结构煤是不利储层。