低煤阶煤层气成藏机制与勘探突破——以吐哈—三塘湖盆地为例

吐哈—三塘湖盆地煤层气资源丰富,但低煤阶煤层气成藏机制认识不足制约了该区煤层气的勘探开发。为此,在系统分析煤系地层地质特征的基础上,从沉积环境、构造特征、封盖条件和水文地质条件等方面分析和总结了煤层气富集主控因素和成藏模式,并明确了该区煤系气的有利勘探区带。研究结果表明：(1)古地貌和古环境控制煤岩的发育程度,稳定的正向构造是煤层气富集指向区,顶底板稳定的泥岩封盖条件是煤层气富集的必要条件,地表水补给是晚期生物气生成和富集的关键;(2)该区煤层气成藏可划分为缓坡区多气源补给煤层气富集、山前带复杂断块浅层煤层生物气、深层砂煤共储煤系气富集以及南部残余凹陷深部洼槽区煤层气富集4种模式;(3)条湖凹陷—马朗凹陷北部斜坡带、台北凹陷北部山前带西段浅层是煤层气最有利目标区,淖毛湖凹陷东部、沙尔湖凹陷东洼槽是煤层气较有利目标区,台北凹陷核桃沟—柯柯亚、鄯勒、照壁山—红旗坎、鄯善—温吉桑、疙瘩台构造带以及条湖凹陷中部构造带是煤系气富集有利区。结论认为,低煤阶厚煤层煤层气可以获得高产工业气流,吐哈—三塘湖盆地深部煤层气资源具有良好的勘探开发前景。     

中小型含煤盆地煤层气勘探取得突破的几点认识

中国中小型含煤盆地种类众多,煤层气资源巨大,中国石油天然气股份有限公司对一些盆地的煤层气勘探已经取得了突破。对高、中、低3种煤阶类型的中小型含煤盆地已取得的成果进行了分析总结,提出了不同类型的中小型含煤盆地所特有的煤层气富集成藏理论,分析了沁水盆地高煤阶煤层气田、宁武盆地中煤阶含气区和沙尔湖盆地低煤阶含气区的煤层气地质特点和成藏条件,并对以上理论进行了验证。最后分析了中小型含煤盆地煤层气今后的勘探方向。     

二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低煤阶煤层气富集模式

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 m L/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。     

三塘湖盆地煤层气资源勘探前景分析

我国低煤阶含煤盆地煤层气地质勘探和研究的程度较低,勘探开发试验一直没有取得实质性突破。分析了三塘湖低煤阶盆地的煤层发育、煤层含气性与吸附性等特征,探讨了水文地质条件对煤层气富集的影响,结合初步试采成果,认为该盆地具有一定的煤层气勘探潜力,条湖-马朗凹陷是盆地内煤层气勘探的首选区块。     

中国煤系气成藏特征及勘探对策

广义的煤系气是指赋存于煤系地层中的全部天然气,而狭义的煤系气则主要指赋存于煤层中的煤层气及其附近致密砂岩储层中的天然气。为了提高煤层气的开发效益,从烃源岩分布、煤与砂岩的组合类型、沉积相、封闭体系等方面分析了我国狭义煤系气的成藏特征及其控制因素。结果表明：①我国含煤盆地煤系地层煤与砂岩组合配置关系多样;②广覆式烃源岩分布为煤系气的富集提供了充足的气源基础;③沉积相控制了煤系气生储盖组合的配置关系,构成煤系气成藏的先天物质基础,河流、三角洲沉积体系煤层和砂岩均发育,是煤系气共生成藏最有利的沉积相带;④封闭体系对煤层（系）气的控制作用贯穿于煤层（系）气生成、聚散、富集及成藏等全过程,可划分出3种煤系气气藏类型--自生自储型煤层气藏、煤层气-砂岩气共生气藏、煤成砂岩气藏,其中前者是目前煤层气勘探开发的主要对象。进而指出了下一步的煤系气勘探方向：①以沁水、鄂尔多斯、准噶尔、海拉尔、鸡西等煤系气资源量较大的盆地为重点,开展煤系气勘探和评价;②针对不同煤系气气藏类型开展有针对性的勘探工作,在浅部自生自储型煤层气富集区进行煤层气勘探,对深部煤层气-砂岩气共生气藏进行煤层气＋砂岩气综合勘探,对煤成砂岩气藏重点开展砂岩气勘探。     

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近年来低煤阶煤层气在美国粉河、尤因它盆地进行大规模商业性开采，引起包括中国在内的许多国家关注。中石油煤层气勘探项目经理部对我国西北、东北、内蒙古、滇黔桂地区中、新生代低煤阶含煤盆地煤层气成藏条件及资源分布进行了研究，发现我国低煤阶煤层气资源非常丰富，是我国煤层气勘探不可忽视的重要资源。2003年优选吐哈盆地沙尔湖凹陷进行了积极探索，取得了很好的效果，初步分析了低煤阶煤层气成藏控制因素，指出低煤阶煤层气藏一般埋藏浅，含气量低，但煤层渗透性好。勘探目标选择应注意对煤层气保存条件的分析，寻找高饱和含气区。另外，低煤阶煤层气开发还需要煤层有一定的厚度，这样才能保证较高的资源丰度、单井产量，达到长期稳产的目的。     

吐哈盆地煤层气勘探前景

自从美国在低煤阶的粉河盆地取得了煤层气勘探突破之后,低煤阶含煤盆地已不再成为煤层气勘探的“禁区”。据专家估算,我国低阶煤中拥有煤层气资源量约16×1012m3,占全国煤层气资源量的47%.吐哈盆地是我国主要的低煤阶盆地之一,通过对该盆地煤层发育特征、煤层气含量与成分、煤层的等温吸附特征、煤储集层特征等煤层气基本地质特征的研究,指出吐哈盆地具有雄厚的煤层气勘探基础,煤层气资源潜力大,勘探领域广阔,勘探前景看好,将成为吐哈盆地常规油气勘探的一种重要替补类型。     

西北低煤阶盆地生物成因煤层气成藏模拟研究

在美国粉河、澳大利亚苏拉特等低煤阶盆地煤层气勘探取得突破以前,一直认为具有商业价值的煤层气资源主要存在于中煤阶的煤层中,煤阶太低,一般含气量不高,不具有勘探价值。但是近几年来的发现证实,低煤阶盆地煤层厚度大,渗透率高,资源丰度大,含气饱和度高,同样可获得商业性气流,而且从其气体的成因来看,其中有很大一部分是生物成因的煤层气。利用煤层气成藏模拟装置对低煤阶含煤盆地的煤岩样品开展成藏模拟,从实验角度证明了中国西北地区虽然煤层煤阶较低,热成因气较少,但是却存在着具有商业价值的二次生物成因的甲烷气,再加上含煤层系众多,煤层厚度大,资源丰度极高,仍具有巨大的勘探潜力。      

浅议我国西北低煤阶含煤盆地煤层气的勘探对策

通过国内外实例，分析含气量和含气饱和度在煤层气勘探评价中的作用，认为在低煤阶含煤盆地中进行煤层气勘探很有前景。美国的粉河、尤因塔盆地和我国的铁法盆地的煤阶都为低煤阶，含气量也不高，但都获得了商业气流，勘探见到了成效。其主要原因在于它们都具有较高的含气饱和度，加之煤层巨厚和渗透率较高，这些有利因素弥补了其它方面的不利。在我国的煤炭和煤层气资源分布中，西北地区低煤阶煤占了相当的比例，结合实例和分析西北低煤阶盆地的特点后认为：在西北含煤盆地进行煤层气勘探必须重视生物成因气的研究，加强盆地的水动力因素及保存条件的研究。     

国内外煤层气地质对比及其启示

美国、澳大利亚和中国的含煤盆地均很多,但煤层气地质条件差异很大。其中多数盆地地质条件较差,仅少数盆地煤层气资源富集,储层特征和构造、水文条件优越,勘探开发效果好。在圣胡安、沁水等勘探效果良好的盆地内,不同区带（地区）也存在巨大差异。根据煤层气地质条件、富集成藏模式以及开发技术条件,可分为中-高煤阶和低煤阶类型。利用建立的煤层气分类对比方法体系,对美国中-低煤阶型圣胡安盆地、低煤阶型粉河盆地、澳大利亚复合煤阶型鲍温-苏拉特盆地、中国高煤阶型沁水盆地、复合煤阶型鄂尔多斯盆地以及这些盆地中主要区带（地区）进行了对比分析,发现我国的鄂尔多斯、沁水盆地等最具潜力的盆地与圣胡安、鲍温-苏拉特盆地差异较大。樊庄、韩城、延川南、织金等区块仅与圣胡安区3带等相似。因此,我国煤层气地质条件和可采性相对较差,近、中期可有效勘探开发的目标不多。从战略层面看,不宜把中、长期发展目标定得太高;从战术层面看,要重视差异性分析,预测资源甜点,优选目标,并针对性部署勘探开发工作,更要注意控制速度。     

鄂尔多斯盆地乌审旗地区煤层气富集主控因素及其勘探方向

乌审旗地区是鄂尔多斯盆地的重要含煤区,也是近几年低煤阶煤层气勘探的热点地区。但该区前期煤层气钻探总体效果并不理想,迫切需要认清该区煤层气富集规律,以便有效开展煤层气勘探及开发利用。为此,对该区煤层分布特征、聚煤期沉积环境、煤岩特征及储层物性、煤层含气性等地质条件进行了分析,发现该区煤岩演化程度低,以低煤阶长焰煤为主,煤层厚5~30 m,大部分地区煤层埋深小于1 000 m且分布稳定,具有一定的煤层气勘探潜力。但煤层气钻井揭示该区煤层含气性变化大,煤层含气量介于0.19～6.7 m³/t,部分地区煤层气组成中CH₄含量小于25%,说明煤层早期成岩时生成吸附的甲烷已被破坏逸散。进一步分析影响该区煤层气富集的主控因素后认为：在煤层直接盖层为砂岩、保存条件差的地区,煤层含气性差,反之,则含气性好,如果有后期生物气的补充,则可以富集成藏。最后指出：该区北部的乌审召区块和南部的纳林河区块,煤层气保存条件好、含气量高、勘探潜力大,可作为下一步煤层气勘探的有利目标区。     

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。     

煤层气封闭体系及其与煤层气富集的关系

研究封闭体系对煤层气富集的控制作用对于指导煤层气勘探开发具有重要的意义。为此,分析了煤层气富集与封隔层(包括区域盖层、区域底板和直接顶底板)、后期构造调整、地层产状等地质要素的关系,结果发现具有区域性泥岩盖层及底板分布稳定、成藏期后构造抬升—回返幅度小,地层平缓且处于均势状态的地区煤层气易于富集。进一步结合多年来国内外煤层气的勘探开发实践,提出了封闭体系的概念,即具有阻止气体向上、下运移的封盖层和侧向稳定带组成的地质单元,在封闭体系环境中不仅煤层气富集,而且煤系气也可以富集成藏。最后根据煤层(系)气的封闭体系要素配置关系,划分了"三明治"式煤层气藏、煤层气—砂岩气共生气藏及煤成砂岩气藏等3种气藏类型,提出了煤层气勘探思路应由单纯的煤层气勘探向煤层气与煤系气立体勘探的方向转变,同时建立了煤层(系)气地质选区评价指标体系,指出在准噶尔盆地与鄂尔多斯盆地东缘开展煤层气与煤系气立体勘探有可能取得良好的应用效果。     

深部低阶煤三相态含气量建模及勘探启示——以准噶尔盆地侏罗纪煤层为例

准噶尔盆地低阶煤煤层气资源量巨大,其勘探开发突破是提高我国煤层气产量的重要途径之一。针对该区低阶煤浅部含气性差、深部含气量测试数据匮乏且现有技术手段难以准确测试的状况,从煤层气三相态含气量基本构成出发,开展了低阶煤较高温度和压力条件下甲烷的等温吸附、溶解度、密度和孔隙率等一系列实验,分析了影响甲烷吸附气量、溶解气量和游离气量的相关因素,构建了深部低阶煤吸附气、溶解气和游离气三相态含气量的计算模型。以准噶尔盆地低阶煤储层为例,利用该模型计算的结果显示:三相态含气量构成以吸附气量和游离气量为主,溶解气量所占比例较少;随埋深增加和含水饱和度降低,含气量构成序列由吸附气量高于游离气量转换为游离气量高于吸附气量;含水饱和度越低,其相对含气量转换深度越浅。综合分析后认为,该区深部低阶煤气体构成以游离气为主,煤层气勘探的思路则要以寻找圈闭和局部构造高点为主。     

准噶尔盆地南缘中低煤阶煤层气富集成藏规律

准噶尔盆地南缘（准南）中低煤阶煤层气资源丰富但勘探程度相对较低,气体富集和主控因素认识不足,制约了开发。基于对准南地区构造、沉积、水文、物性和含气量分布的精细解剖,总结了煤层气富集成藏规律。准南煤系主要发育在天山山前断褶带,EW向断层和背斜密集;煤系沉积以冲积扇和河流相为主,煤层层数多且与砂岩叠置发育;煤层倾角大（部分地区大于50°）,风氧化带深延（大于400~600 m）;构造切割作用明显,多个水文地质单元发育;煤岩孔径较大,孔隙连通性好。针对研究区“深部低煤阶、急倾厚煤层、多层砂煤组、构造断煤区”的特点,提出了符合东部阜康等地区“急倾斜煤层自吸附-水力封堵型”,中部构造密集区“断冲褶皱带多煤层压力封闭型”,和西部大埋深地区“构造-岩性圈闭煤系多源气混合型”富集成藏模式。在煤层气开发中应优选相对构造高点和缓倾斜,并考虑地表水与地下水的稳定过渡带。多层次模糊评价表明东部四工河-乌鲁木齐河区段的煤层气资源、储层和保存条件均相对有利,可优先开发。     

含煤盆地深层“超饱和”煤层气形成条件

中国深层煤层气资源丰富,但总体勘探和认识程度较低,尚未形成较为系统的深层煤层气地质理论。通过解剖分析准噶尔盆地白家海凸起和鄂尔多斯盆地临兴区块深层"超饱和"煤层气井的试气/生产动态,估算原地游离气的含气量,分析了深层"超饱和"煤层气的形成条件。研究表明：①深层"超饱和"煤层气储层中除吸附气外,还含有原地游离气,用常规试气方法可直接获得气流,煤层气的产出不明显依赖于排水降压;②埋藏超过一定深度,在煤阶和温度的综合作用下,煤的吸附能力将随埋深的继续增加而降低,煤层中吸附气的饱和度有增加的趋势,在达到吸附饱和后,出现原地游离气并形成"超饱和"煤层气,盆地深层具有"超饱和"煤层气形成的优势条件;③由于地温梯度和压力梯度的不同,不同盆地"超饱和"煤层气出现的临界深度不同,异常高压和异常高热流可以降低深层"超饱和"煤层气形成的临界深度;④深层"超饱和"煤层气开发具有大大缩短见气时间、充分利用地层能量和累积产水量低等优势,有望成为未来煤层气勘探开发的一个重要领域。     

含煤盆地深层“超饱和”煤层气形成条件

中国深层煤层气资源丰富，但总体勘探和认识程度较低，尚未形成较为系统的深层煤层气地质理论。通过解剖分析准噶尔盆地白家海凸起和鄂尔多斯盆地临兴区块深层"超饱和"煤层气井的试气/生产动态，估算原地游离气的含气量，分析了深层"超饱和"煤层气的形成条件。研究表明：①深层"超饱和"煤层气储层中除吸附气外，还含有原地游离气，用常规试气方法可直接获得气流，煤层气的产出不明显依赖于排水降压；②埋藏超过一定深度，在煤阶和温度的综合作用下，煤的吸附能力将随埋深的继续增加而降低，煤层中吸附气的饱和度有增加的趋势，在达到吸附饱和后，出现原地游离气并形成"超饱和"煤层气，盆地深层具有"超饱和"煤层气形成的优势条件；③由于地温梯度和压力梯度的不同，不同盆地"超饱和"煤层气出现的临界深度不同，异常高压和异常高热流可以降低深层"超饱和"煤层气形成的临界深度；④深层"超饱和"煤层气开发具有大大缩短见气时间、充分利用地层能量和累积产水量低等优势，有望成为未来煤层气勘探开发的一个重要领域。