鄂爾多斯盆地南部侏羅系煤層氣成因探究

田文廣，邵龍義，張繼東，趙素平，霍萬(wàn)國(guó)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京100083；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊065007；3.中國(guó)石油渤海鉆探井下作業(yè)公司第一試油工程作業(yè)部， 河北 廊坊 065007)

鄂爾多斯盆地南部侏羅系煤層氣成因探究

田文廣1,2，邵龍義1，張繼東2，趙素平2，霍萬(wàn)國(guó)3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京100083；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊065007；3.中國(guó)石油渤海鉆探井下作業(yè)公司第一試油工程作業(yè)部， 河北 廊坊 065007)

鄂爾多斯盆地南部侏羅系具有較好的煤層氣勘探潛力，但煤層氣成因有待深入研究，弄清楚其成因類型能夠有效指導(dǎo)該區(qū)下一步勘探開發(fā)方向。基于區(qū)域地質(zhì)條件、煤層氣樣品組分、穩(wěn)定同位素等分析，對(duì)其成因進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，研究區(qū)淺部的彬縣、焦坪、黃陵地區(qū)煤層氣δ13CCH4一般介于-81‰～-57‰，煤層氣干燥系數(shù)一般大于100，δDCH4一般介于-236‰～-234‰，煤層氣為晚期生物成因，同時(shí)，地層水礦化度低，煤巖孔隙度較高，滲透性較好，具備生物氣生成的地質(zhì)條件；深部合水-寧縣地區(qū)煤層氣δ13CCH4一般介于-49‰～-35‰，煤層氣干燥系數(shù)一般小于100，是典型的熱成因氣，地層水礦化度高，呈酸性，不利于生物氣的生成。

鄂爾多斯盆地；侏羅系；煤層氣；成因

鄂爾多斯盆地南部侏羅系煤層分布廣泛，厚度較大，目前多口井已獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，具有較好的煤層氣勘探潛力。但該區(qū)煤層氣成因尚沒(méi)有形成系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，影響到對(duì)煤層氣勘探開發(fā)前景的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。本文基于探井煤芯解吸氣組分、井口氣組分及同位素的測(cè)試資料，結(jié)合煤層水地球化學(xué)、煤巖孔隙-滲透性以及水動(dòng)力等條件的分析，對(duì)該區(qū)煤層氣成因及富集的主控因素進(jìn)行了綜合研究。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地南部位于甘肅省慶陽(yáng)市和陜西省咸陽(yáng)市的北部和銅川市西部。構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡帶西南部，總體表現(xiàn)為西北傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角1～2°，斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育。延安組是侏羅系的主要含煤地層，巖性主要為砂巖、泥巖和煤層[1-2](圖1)，延安組煤層層數(shù)多，分布面積廣，總厚度一般4～30m，主力煤層有延6頂煤、延7頂煤、延8頂煤、延9頂煤，其中延9頂煤厚度較大，是煤層氣主要勘探目的層，其厚煤帶主要分布在合水-寧縣-彬縣以及焦坪一帶，局部單層厚度可達(dá)12～20m。

圖1 鄂爾多斯盆地南部侏羅系延安組下段地層綜合柱狀圖

該區(qū)煤巖鏡質(zhì)組含量總體上呈現(xiàn)由東南向西北增加的趨勢(shì)，東南部彬縣、焦坪、黃陵一帶煤巖鏡質(zhì)組含量一般小于50%，惰質(zhì)組含量一般大于40%，西北部合水-寧縣地區(qū)煤巖鏡質(zhì)組含量一般大于50%，惰質(zhì)組含量一般小于30%。煤巖演化程度較低，RO一般介于0.55%～0.8%，總體變化趨勢(shì)是由東南向西北隨煤層埋深的增加而增高。

該區(qū)煤層含氣量一般0～7m3/t。煤層埋深小于700m的彬縣、焦坪和黃陵地區(qū)含氣量變化較大，局部煤層含氣量可達(dá)5～7m3/t。而煤層埋深大于700m的合水-寧縣地區(qū)，煤層含氣量一般小于3m3/t(圖2)。

圖2 侏羅系延安組煤層含氣量隨埋深變化

鄂爾多斯盆地南部侏羅系延安組含水層主要為河道砂巖含水層，在盆地周邊斷裂隆起和地層出露區(qū)接受大氣降水或地表水的補(bǔ)給，向盆地內(nèi)部徑流，強(qiáng)度逐漸減弱，礦化度增高(圖3)，沿邊緣露頭或古高地向盆地內(nèi)部水化學(xué)分帶明顯，由淺至深，地層水逐漸由Na2SO4型向NaHCO3型再向CaCl2型轉(zhuǎn)變。

2 樣品采集及分析方法

采集樣品共計(jì)54件。其中，排采氣3口井11件，煤芯解吸氣3口井36件，排采水7口井7件，排采水均采自排采時(shí)間超過(guò)6個(gè)月以上的煤層氣井，累計(jì)產(chǎn)出水量大于壓裂總量5倍以上，基本排除壓裂液的影響，采集點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 延安組延9段地層水礦化度分布

氣體組分和穩(wěn)定同位素測(cè)試由中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院天然氣成藏與開發(fā)實(shí)驗(yàn)室完成，儀器為7890A型天然氣分析儀和Finnigan Mat Delta Plus GC/C/IRMS同位素質(zhì)譜儀。對(duì)樣品多次重復(fù)分析，使兩次測(cè)量值之間的誤差滿足低于±1%，穩(wěn)定同位素采用國(guó)際PDB標(biāo)準(zhǔn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與煤層氣成因分析

3.1 煤層氣組分與同位素組成

研究區(qū)煤層氣甲烷含量一般介于59.80%～91.39%，重?zé)N主要為C2H6，含量介于0～1.99%，CO2含量介于0.62%～3.04%，N2含量介于7.15%～37.21%；δ13CCH4具有由淺部向深部變重的趨勢(shì)，淺部彬縣、焦坪和黃陵地區(qū)δ13CCH4介于-81.0‰～-57‰，δDCH4介于-236‰～-234‰，深部合水-寧縣地區(qū)δ13CCH4介于-49‰～-32‰(表1)。

3.2 煤層氣成因分析

3.2.1 基于C1/(C2+C3)與δ13CCH4關(guān)系的成因分析

低煤階煤層氣以生物氣為主[3]，或者存在晚期生物氣的補(bǔ)充[4-5]。生物成因氣甲烷碳同位素(δ13CCH4)一般輕于-55‰[6-8]，另外，生物成因煤層氣一般以甲烷為主，干燥系數(shù)較高，一般大于100[9]。

表1 延安組煤層氣組分與穩(wěn)定同位素測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)淺部的彬縣、焦坪、黃陵地區(qū)煤層氣δ13CCH4一般介于-74‰～-57‰，煤層氣干燥系數(shù)一般大于100；而深部合水-寧縣地區(qū)煤層氣δ13CCH4一般介于-49‰～-35‰，煤層氣干燥系數(shù)一般小于100。將以上測(cè)試結(jié)果放到Kotarba建立的天然氣成因判識(shí)圖版[9]，結(jié)果顯示，淺部彬縣、焦坪、黃陵地區(qū)煤層氣為生物成因氣，而深部合水-寧縣地區(qū)煤層氣主要為熱成因氣(圖4)。

圖4 基于C1/(C2+C3)-δ13CCH4 成因判識(shí)(底圖引自Kotarba，2001 [9])

3.2.2 基于δ13CCH4-δDCH4關(guān)系的成因分析

生物氣甲烷氫同位素(δDCH4)一般介于-400‰～-170‰之間[10]。一般認(rèn)為，生物甲烷產(chǎn)生主要有兩種途徑，即二氧化碳還原和乙酸發(fā)酵，并可通過(guò)δ13CCH4與δDCH4之間關(guān)系加以鑒別(圖5)[10]。

淺部彬縣地區(qū)井口氣δDCH4值介于-236‰～-234‰，而δ13CCH4介于-81.0‰～-72.7‰，由圖5判斷煤層氣成因?yàn)槎趸歼€原型生物氣。同時(shí)，由于該區(qū)成煤時(shí)代為早中侏羅世，成巖早期生成的原生生物氣很難保存至今，煤層氣同位素和地質(zhì)條件分析也表明該區(qū)生物氣主要為晚期生物氣。

3.2.3 地質(zhì)條件綜合判識(shí)

中低煤階煤層晚期生物氣的生成需要較活躍的水動(dòng)力條件[11-13]，同時(shí)，水介質(zhì)要求低鹽度和較低礦化度[14]，一般礦化度低于20000mg/L[15]，pH值最佳區(qū)間為6.4～7.5[16]，也有文獻(xiàn)認(rèn)為pH=8時(shí)，低煤階煤CH4生成量最高[15]。產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)需要有足夠的孔隙空間[17]，煤層需要具備高滲透特點(diǎn)[18]。

研究區(qū)東南淺層地層水礦化度低，一般4390mg/L ～13000mg/L，水型為NaHCO3型，硫酸根含量較低，平均僅30mg/L；pH值一般7.7～7.9，呈弱堿性(表2)。煤巖壓汞測(cè)試結(jié)果表明，延9頂煤孔隙度平均8.46%，滲透率平均6.98×10-3μm2，煤巖孔、滲條件較好(表3)。上述地層及地球化學(xué)環(huán)境條件，均適合產(chǎn)甲烷菌的大量繁殖，適宜生物氣的生成。

圖5 彬縣地區(qū)基于 δ13CCH4 -δDCH4 煤層氣成因判識(shí)(底圖引自Whiticar，1999)[10]

地區(qū)井號(hào)K++Na+Ca2+Mg2+Cl-SO2-4HCO-3總礦化度pH?N2175545574512657913361967484406．0合水?寧縣N2813299805451221495941117384206．0X1169734953762647811871339468506．0JPC?11526．532．613．9125412．6183846907．95焦坪JPC?21456．631．710．512705．10181745907．70JPC?31400．831．810．4130311．1162943907．83彬縣DFS?C01465965．846．8653931．01683130207．90

注：*表示沒(méi)有單位。

表3 侏羅系延安組延9頂煤孔隙度、滲透率和壓汞測(cè)試結(jié)果

注：彬縣地區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源于Xu Hao[19]

西北部合水-寧縣地區(qū)，由于遠(yuǎn)離露頭區(qū)，缺乏地表水的滲入，處于水動(dòng)力滯留區(qū)，地層水礦化度高，一般大于40000mg/L，水型一般為CaCl2型，pH值6.0(表2)，呈酸性，水介質(zhì)條件不適于生物氣的生成，缺乏晚期生物氣的補(bǔ)充。

4 結(jié)論與問(wèn)題

1)研究區(qū)東南部淺層的彬縣、焦坪、黃陵地區(qū)煤層氣為生物成因氣，生物甲烷形成于二氧化碳還原途徑，存在晚期生物氣的補(bǔ)充；西北部的合水-寧縣地區(qū)煤層氣為熱成因氣。

2)關(guān)于淺部生物氣屬于生物成因煤層氣，還是生物成因煤成氣運(yùn)移至有利部位再吸附成藏，需要下一步深入研究。

3)目前煤層生物氣判別方法基本借用常規(guī)天然氣對(duì)生物氣的判別方法和標(biāo)準(zhǔn)，需要建立一套適合煤層生物氣的判別方法。

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Analysis of genetic types of the coal bed methane of Jurassic formation，Southern Ordos Basin

TIAN Wen-guang1,2，SHAO Long-yi1，ZHANG Ji-dong2，ZHAO Su-ping2，HUO Wan-guo3

(1.China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Research Institute of Petroleum Exploration and Development-Langfang，Langfang 065007，China；3.The First Oil Test Engineering Operations，Downhole Services Company BHDC，China National Petroleum Corporation，Langfang 065007，China )

Exploration activities have proved that Jurassic Formation of South Ordos Basin has great potential of CBM(coalbed methane)，to clarify the genetic type of the CBM can effectively guide the further exploration，for this purpose，the geologic characters of the formation，the gas samples and stable isotope of the CBM were analyzed，and the results show that the δ13CCH4value of the shallow layers of Bin County，Jiao-ping and Huangling area range between -81‰～-57‰，the dry factors are mainly above 100，δDCH4mostly distribute between-236‰～-234‰，all the features above proved that the CBM is biogenesis gas，and the reservoir of these area is characterized by low water salinity and relatively good penetration condition，which is favorable for biogenesis gas’s generation.While for the deeper zone of He Shui-Ning County area，the δ13CCH4value ranged from -49‰～-35‰，the CBM dry factors are less than 100，which is typically thermogenic gas，and also，its formation water is not conducive to the generation of biogenic gas because of the high salinity and acidic property.

Ordos Basin；Jurassic formation；CBM(coal bed methane)；genetic type

2014-01-08

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“煤層氣富集規(guī)律研究及有利區(qū)塊預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)” 資助(編號(hào)：2011ZX05033)

田文廣(1979-)，男，黑龍江肇源人，工程師，博士后，主要從事煤層氣地質(zhì)與開發(fā)的研究。E-mail：tianwg69@petrochina.com.cn。

P536

A

1004-4051(2015)05-0081-05