潮水盆地煤層氣儲層特征及勘探潛力

楊敏芳 孫 斌 孫粉錦 陳 剛 楊三強

1.中國石油勘探開發研究院廊坊分院 2.中國石油渤海鉆探工程公司第二錄井分公司

1 區域概況

潮水盆地位于甘肅省河西走廊的北部，西起臨澤縣馬鞍山—正北山一線，東至民勤縣東端白堿湖一帶，南始龍首山—阿拉古山北側，北抵北大山南麓[1]，總體呈東西向展布、中部向南突出的弧形構造形態。東西長365km，南北寬30～75km，面積約為2×104km2，蘊藏著一定量的煤炭及油氣資源。

潮水盆地侏羅紀沉積基底主要為變質巖和花崗巖，地層剛性較強。受燕山、喜山運動的影響，主要發育北西向和東北向兩組張性斷層[2－4]。依據地震資料，按沉積基底的凹凸分布，以控盆斷層為邊界，將潮水盆地劃分為7個一級構造單元和15個二級構造單元，其一級構造單元分別為平山湖坳陷、桃花拉山隆起、阿右旗坳陷、中央隆起、金昌坳陷、紅柳園坳陷及石板井隆起（圖1）。

圖1 潮水盆地構造單元分區圖

潮水盆地含煤地層主要為中侏羅統青土井組（J2q），其次為下侏羅統芨芨溝組（J1j）[5－6]。經煤田鉆孔資料揭示，該區煤炭資源豐富，煤層埋深適中，利于煤層氣的勘探。

2 煤層氣儲層特征

2.1 煤層分布特征

潮水盆地各個構造單元煤層的分布特征不同，但其共同特征是：煤層層數多、橫向變化大，主要分布在構造單元緩坡地帶。早侏羅世聚煤中心位于平山湖，中侏羅世聚煤中心向中部阿右旗和金昌地區遷移。平山湖坳陷含煤層數為1～20層，煤層厚度介于0.14～7.07m，平均為2.2m，煤層總厚度介于0～22m，呈北薄南厚變化趨勢；阿右旗坳陷含煤2～16層，厚度介于0.01～14.37m，平均為1.35m，煤層總厚度介于0～26m，呈北厚南薄變化趨勢；窖南凹陷含煤1～5層，厚度介于0.5～20m，平均為5.64m，煤層總厚度介于6～20m，呈北薄南厚變化趨勢，煤層層數相對較少，煤層單層厚，但埋藏深（2 223～2 910m），不利于煤層氣的開發；紅柳園坳陷含煤2～9層，厚度介于0.5～2m，平均為1.1m。

2.2 煤巖煤質特征

潮水盆地宏觀煤巖類型以暗淡煤—半暗煤為主。偏光顯微鏡下觀察（圖2），該區煤層惰質組含量偏高，在成煤母質器官或細胞的胞腔內填充有黏土礦物，并含有黃鐵礦、石英、黏土等礦物，反映了當時成煤環境比較復雜多變。煤巖鑒定分析表明，該區煤層鏡質組含量介于29.0%～89.5%、平均為52.5%；惰質組含量介于10.9%～55.2%、平均為38.9%；殼質組含量偏高，為1.1%～14.5%。

2.3 煤巖演化程度低

潮水盆地煤巖演化程度較低，鏡質體反射率（Ro）介于0.39%～0.71%，以低煤階為主，整體處于褐煤—氣煤變質階段。煤變質主要為深成變質作用，受沉降埋藏史影響，平山湖坳陷、阿右旗坳陷最強變質階段在晚侏羅世末，以褐煤—長焰煤為主；金昌坳陷、紅柳園坳陷最強煤變質期出現在白堊紀末，以氣煤為主。潮水盆地區內普遍發育巖漿巖，主要為加里東期和海西期侵入巖，是在含煤巖系沉積之前生成，對煤層賦存和演化沒有影響[7]。

圖2 潮水盆地煤巖顯微組分結構特征圖

2.4 等溫吸附特征

蘭氏體積反映了煤的最大吸附能力，蘭氏壓力反映煤層氣解吸的難易程度，值越高，煤層中吸附態氣體脫附越容易，越有利于開發[8]。從A1、A2井的等溫吸附曲線上看（圖3），潮水盆地煤的蘭氏體積為7.46～10.92m3／t，對煤層氣的吸附能力強；而蘭氏壓力介于5.95～6.90MPa，值較高，利于煤層氣的解吸。

圖3 潮水盆地煤的等溫吸附曲線圖

3 煤層氣勘探潛力

對潮水盆地煤層氣參數井A1井和A3井進行了現場解吸實驗，測得的含氣量分別為0.25m3／t和0.56m3／t，含氣量低。導致該區煤層含氣量低的原因，可從生氣條件和保存條件兩方面進行分析。

3.1 生氣條件

該區宏觀煤巖類型以暗淡煤和半暗煤為主，顯微煤巖組分鏡質組含量低，生氣母質條件較差；煤巖變質程度低，為低煤階，熱成因氣量少，因此低煤階煤層氣成藏須要生物氣的補充。目前，國內外學者普遍采用甲烷碳同位素值 （δ13C1）來鑒 別 生 物 氣[9－11]。1989年，戴金星通過研究我國生物氣的氣組分及同位素組成特征，提出以δ13C1＜－55‰作為鑒別生物氣的主要地化指標[12]。

從表1可以看出，潮水盆地煤層氣的δ13C1為－43.0‰～－71.0‰，大部分小于－55‰，總體偏輕，具有生物氣特征，可能有生物氣的補充。但生物實驗結果表明，硫酸鹽濃度達到960mg／L便可以完全抑制厭氧細菌活動[13]，而阿右旗坳陷煤系SO42－濃度介于1 232.0～2 181.0mg／L，紅沙崗凹陷煤系SO42－濃度介于359.3～826.2mg／L，這兩個地區均不利于甲烷細菌的生存；紅柳園地區生物氣特征明顯，有利于生物氣的生成。整體來看，潮水盆地氣源不足，缺少生物氣的補充。

表1 潮水盆地煤層氣碳同位素值統計表

3.2 保存條件

該區發育的斷裂構造以拉張開放性正斷層為主（圖1），斷裂溝通煤層與上覆水、氣聯系，成為煤層氣逸散通道，對煤層氣保存極為不利。

主采煤層頂板巖性以粉砂巖、砂巖為主，其次為泥巖，生成的煤層氣很容易通過上覆粗粒碎屑巖層逸散，不利于煤層氣的后期保存成藏。盆地東部保存條件好于西部，其中平山湖坳陷以砂巖為主，阿右旗坳陷以砂巖、粉砂巖為主，其次為泥巖和礫巖；紅沙崗凹陷西部以砂巖為主，東部為泥巖；窖南坳陷以泥巖為主；紅柳園坳陷以泥巖為主（圖4）。

圖4 潮水盆地煤層氣勘探綜合評價圖

煤系上覆地層中侏羅統沙棗河組遭到嚴重的剝蝕，只在盆地的中部和東部殘留有100～600m厚的地層。平山湖坳陷缺失區域蓋層，阿右旗坳陷紅沙崗地區南部殘留有0～200m厚的區域蓋層，對煤層氣的保存極為不利；而紅柳園坳陷區域蓋層分布面積較廣，殘余厚度介于200～1 000m，區域蓋層較厚，對煤層氣的保存較有利。

因此，從保存條件來看，紅柳園坳陷地區利于煤層氣的保存。

3.3 煤層氣勘探方向

潮水盆地煤層氣成藏主控因素為“生物氣補給”“構造系統”“頂板蓋層條件”，尋找煤層氣勘探有利區應重點考慮這3個條件。

平山湖坳陷、阿右旗坳陷煤層發育較好，但煤系上覆地層因構造抬升導致剝蝕嚴重，缺乏區域性蓋層，且煤層直接蓋層為砂巖，造成早期生成的氣大量散失。此外由于煤系地層水不活躍，SO42－濃度過高，抑制了甲烷細菌的生存，使得后期缺乏生物氣的補充。

紅沙崗凹陷煤層直接蓋層為油頁巖，封蓋性好，煤層累計厚度最大為26m，但煤層厚度變化快，斷層較發育，成為煤層氣散失的通道。煤階熱演化程度低，原始生氣量小，此外由于氣候干燥，缺乏大氣淡水的補給，地層水礦化度高，SO42－濃度接近960mg／L，不具備次生生物氣生成條件，導致紅沙崗地區整體含氣量低（小于1m3／t）。

金昌坳陷煤層發育，單層厚度能達20m；煤層直接頂板為泥巖，區域蓋層厚，封蓋性能好；但煤層埋藏較深（大于2 000m），不利于煤層氣的開發。

紅柳園坳陷生物氣特征較明顯，有生物氣的補充。根據沉積環境分析，推測煤層直接頂板主要為泥巖，區域蓋層較厚，封蓋性能好；構造為向東南方向傾的單斜構造形態，斷層不太發育。該區勘探程度低，有待進一步深化研究。

綜上所述，紅柳園坳陷煤層氣有生物氣補充，并且煤層封蓋性能好，雖然A3井實鉆反映此區煤層發育差、埋藏深（單層煤厚約為1m，埋深超過1 200m），但由于此區勘探程度低（面積為3 203km2，僅有油田井2口、煤層氣井1口），不能反映其真實地質情況。因此尋找紅柳園坳陷淺部厚煤層可作為潮水盆地煤層氣下一步的勘探方向之一（圖4）。

4 結論

1）潮水盆地煤層分布極不均勻，主要分布于各構造單元的緩坡地帶，煤層厚度變化較大，聚煤中心由早侏羅世的平山湖坳陷向中侏羅世的阿右旗坳陷、紅沙崗凹陷和金昌坳陷遷移。

2）煤演化程度低，以低煤階為主，整體處于褐煤—氣煤變質階段，熱成因氣量少且盆地發育拉張性正斷層，成為煤層氣逸散的通道。盆地西部缺少區域蓋層、直接蓋層為砂巖，導致煤層氣的散失，且地層水礦化度高、SO42－濃度大，抑制了甲烷細菌的生存，缺少生物氣的補充；而盆地東部生物氣特征明顯，煤層氣封蓋性好，有待進一步深化研究。

3）綜合對比各構造單元地質特征，認為紅柳園坳陷生物氣特征明顯且頂板蓋層封蓋性好，可作為潮水盆地煤層氣下一步的勘探靶區。

[1]何斌，李鵬舉，張宏.西北地區中小型盆地群地質特征與找油方向[J].勘探家，1996，1（1）：33－36.HE Bin，LI Pengju，ZHANG Hong.Geological characteristics of small－middle basin groups in northwestern China and the significance for oil exploration[J].Petroleum Explorationist，1996，1（1）：33－36.

[2]李訓華.甘肅省潮水盆地構造特征與找煤方向研究[J].甘肅科學學報，2005，17（2）：70－72.LI Xunhua.Study on the tectonic features and orientation of coal exploration in Chaoshui Basin，Gansu Province[J].Journal of Gansu Sciences，2005，17（2）：70－72.

[3]李雄.潮水盆地構造特征及其對油氣成藏條件的控制[J].石油地質與工程，2010，24（2）：17－20.LI Xiong.Structural characteristics of Chaoshui Basin and its controlling factors towards hydrocarbon accumulation[J].Petroleum Geology and Engineering，2010，24（2）：17－20.

[4]張磊，鐘建華，鐘富平，等.潮水盆地侏羅系沉積體系及盆地演化[J].斷塊油氣田，2009，16（1）：12－15.ZHANG Lei，ZHONG Jianhua，ZHONG Fuping，et al.Jurassic sedimentary system and basin evolution in Chaoshui Basin[J].Fault－Block Oil ＆ Gas Field，2009，16（1）：12－15.

[5]葛立剛，陳鐘惠，武法東，等.潮水盆地北部亞盆地中侏羅統層序地層及沉積演化特征[J].石油實驗地質，1998，20（1）：25－29.GE Ligang，CHEN Zhonghui，WU Fadong，et al.Sequence stratigraphy and sedimentary evolution of the middle Jurassic in northern Chaoshui Basin[J].Experimental Petroleum Geology，1998，20（1）：25－29.

[6]王貞，鄧亞婷，任玉梅，等.潮水盆地侏羅系沉積特征及找煤潛力[J].陜西地質，2007，25（1）：28－37.WANG Zhen，DENG Yating，REN Yumei，et al.Sedimentary features of the Jurassic system in Chaoshui Basin and the coal－prospecting potentials[J].Geology of Shaanxi，2007，25（1）：28－37.

[7]孫斌，孫粉錦，陳剛，等.潮水盆地紅沙崗地區低煤階煤層氣勘探前景[J].天然氣工業，2010，30（11）：17－21.SUN Bin，SUN Fenjin，CHEN Gang，et al.Exploration prospects of low－rank coalbed methane gas in the Hongshagang area of the Chaoshui Basin[J].Natural Gas Industry，2010，30（11）：17－21.

[8]張建博，王紅巖，趙慶波.中國煤層氣地質[M].北京：地質出版社，2000.ZHANG Jianbo，WANG Hongyan，ZHAO Qingbo.Coalbed gas geology in China[M].Beijing：Geological Publishing House，2000.

[9]劉文匯，徐永昌.天然氣成因類型及判別標志[J].沉積學報，1996，14（1）：110－116.LIU Wenhui，XU Yongchang.Genetic indicators for natural gases[J].Acta Sedimentologica Sinica，1996，14（1）：110－116.

[10]戴金星，陳英.中國生物氣中烷烴組分的碳同位素特征及其鑒別標志[J].中國科學：B輯 化學，1993，23（3）：303－310.DAI Jinxing，CHEN Ying.Carbon isotopic characteristics and identification marks of alkane component for biological gas in China[J].Science in China：Series B－Chemistry，1993，23（3）：303－310.

[11]AHMED M，SMITH J W.Biogenic methane generation in the degradation of eastern Australian Permian coals[J].Organic Geochemistry，2001，32（6）：809－816.

[12]戴金星，戚厚發.我國煤成烴氣的δ13C—Ro關系[J].科學通報，1989（9）：690－692.DAI Jinxing，QI Houfa.The relationship betweenRoandδ13C，which formed from coal to hydrocarbon gas in China[J].Chinese Science Bulletin，1989（9）：690－692.

[13]WHITICAR M J，FABER E，SCHOELL M.Biogenic methane formation in marine and freshwater environments：CO2reduction vs.acetate fermentation－Isotope evidence[J].Geochimica et Cosmochimica Acta，1986，50（5）：693－709.