中國煤系氣成藏特征及勘探對策

歐陽永林 田文廣 孫 斌 王 勃 祁 靈 孫欽平 楊 青 董海超

1.中國石油勘探開發研究院 2.國家安全生產監督管理局信息研究院 3.中國石油煤層氣有限責任公司

我國煤層氣地面勘探開發始于20世紀90年代初，經過近30年的發展，已形成沁水、鄂東兩大煤層氣產業基地，煤層氣適用配套開發工藝技術也初步成型[1-4]。整體來看，受制于煤層氣資源品位較差、投資大、回報周期長、產出低、價格較低等因素[5-6]，煤層氣產業現狀與國家“十二五”規劃的目標仍存在著較大的差距，產業發展受到制約。而煤系氣作為一種潛力巨大的非常規天然氣資源，逐漸成為研究的熱點和勘探開發的現實選擇[7-10]。

廣義的煤系氣是指由整個煤系的烴源巖母質在生物化學、物理化學及煤化作用過程中演化生成賦存于煤系地層中的全部天然氣，包括煤系泥/頁巖的頁巖氣、煤層氣和致密砂巖氣[11-12]。而從提升煤層氣開發效益的角度，狹義的煤系氣主要是指賦存于煤層中的煤層氣及其附近致密砂巖儲層中的天然氣。研究煤系氣的成藏特征，剖析其勘探前景，對于促進非常規天然氣勘探開發意義重大。本文所述為狹義的煤系氣，從烴源巖分布、煤與砂巖組合類型、沉積相、封閉體系等方面分析了其成藏特征及控制因素，提出了煤系氣的勘探對策。

1 煤系氣成藏特征

1.1 廣覆式烴源巖分布，提供了充足的氣源基礎

煤系地層烴源巖主要包括煤巖、暗色泥巖和石灰巖等類型，其中煤巖為重要的氣源巖，不同類型烴源巖互層疊置分布，具有分布穩定、厚度大、面積廣等共性，這些是煤系氣成藏的良好物質基礎。

以鄂爾多斯盆地上古生界煤系地層為例，氣源巖主要包括煤層、暗色泥巖和含泥的生物灰巖等[13]，煤系氣源巖分布面積超過24×104km2，整體進入大量生氣階段的煤系氣源巖面積超過18×104km2，表現為大面積生烴特征（圖1），盆地現今總生氣強度普遍高于12×108m3/km2，東部地區可達42×108m3/km2[14]。可見，上古生界烴源巖有效生烴范圍幾乎覆蓋整個盆地，表現出廣覆式生烴的特點。

1.2 煤與砂巖組合配置關系多樣

煤系氣主要儲存在煤層及附近的砂巖中，可將煤層與砂巖互層段統一作為目的層進行綜合評價，在垂向上拓展勘探開發空間，顯著增加資源豐度[3]。但不同煤與砂巖組合配置關系，決定了煤系氣氣藏類型和開發方式。筆者根據煤層與附近砂巖的組合關系，提出了4種組合類型（圖2）。

Ⅰ類組合：多層煤＋多層砂巖組合。該組合類型反映聚煤環境旋回式演變，形成多套煤與多套砂巖縱向旋回性互層疊置，煤層既可作為氣源巖，又可作為煤層氣儲層，煤生成的烴類氣體直接在附近砂巖中儲存，配合良好的區域蓋層，形成源儲互動式煤系氣成藏組合（圖2-a）。

Ⅱ類組合：多層煤＋少層或無砂巖組合。該組合類型煤巖發育，砂巖欠發育或不發育，反映沉積環境長期處于沼澤化環境，陸源碎屑供給不充分，往往泥巖較發育，具備良好的封蓋條件，利于煤層氣的保存（圖2-b）。

Ⅲ類組合：單層或少層煤層＋多層砂巖組合。該組合類型煤層層數少，煤層上下多套砂巖發育，反映陸源碎屑供給充分，煤層分布局限，煤巖生成的烴類氣體可直接在附近砂巖中儲存，由于砂體發育，煤系是否存在良好的區域蓋層決定了該區煤系氣能否富集成藏（圖2-c）。

Ⅳ類組合：單層、少層或無煤層與少層砂巖或無砂組合。該組合類型總體反映水體較深，封蓋條件好，砂體不發育，如有煤層，利于形成單一煤層氣藏，如無煤層或煤層較薄，則不利于煤層氣富集，但若頁巖發育則可形成頁巖氣藏（圖2-d）。

圖2 雞西盆地煤系地層煤與砂巖組合類型圖

2 煤系氣成藏控制因素

2.1 沉積相控制生儲蓋組合配置關系

我國煤系地層發育的沉積體系主要有淺海—障壁海岸、淺海—無障壁海岸、沖積扇、河流、三角洲、湖泊等[15]。不同類型含煤盆地，空間上存在明顯的沉積分異作用，時間上經歷多期次的水進水退旋回，形成了上述不同類型的沉積體系，造成煤及砂巖儲層和封存能力的顯著差異性變化，形成不同類型生儲蓋組合的時空配置關系。

淺海—障壁海岸沉積體系中沉積物一般由中—細碎屑巖和泥巖組成，砂巖主要為障壁砂壩和砂坪，一般分布比較局限，煤與砂巖組合類型一般為Ⅱ類組合（多層煤＋少層或無砂巖組合），煤層頂底板泥巖發育，封蓋能力強，適合單一煤層氣勘探，如鄂爾多斯盆地中北部下二疊統太原組、華南下石炭統測水組和上二疊統龍潭組。

淺海—無障壁海岸沉積體系中煤層一般較薄，且砂巖不發育，煤與砂巖組合類型一般為Ⅳ類組合（單層、少層或無煤層與少層或無砂組合），煤層頂板多為臺地相碳酸鹽巖，生儲蓋組不適合煤系氣勘探，例如鄂爾多斯盆地中部和沁水盆地下二疊統太原組上亞段。

河流沉積體系煤層一般較厚，與河道砂巖旋回性疊置，若河道發生側向遷移或決口，則會使煤層受到沖刷變薄，河道或決口扇砂巖往往形成煤層直接頂板，煤與砂巖組合類型一般為Ⅰ類組合（多層煤＋多層砂巖組合），河流沉積體系河漫灘和泛濫盆地沉積微相泥質巖沉積可作為良好的蓋層，淺部適合煤層氣勘探，深部適合煤系氣勘探，例如鄂爾多斯盆地北部下二疊統山西組，雞西盆地下白堊統城子河組，準噶爾盆地下侏羅統西山窯組、八道灣組等。

三角洲沉積體系三角洲平原和分流間灣是有利的聚煤場所，煤層連續性較好，同時三角洲分流河道、前緣砂、河口壩等砂體與煤層互層發育，煤與砂巖組合類型一般為Ⅰ類組合（多層煤＋多層砂巖組合），上覆分流間灣相泥巖可作為良好的蓋層，淺部適合煤層氣勘探，深部適合煤系氣勘探，如鄂爾多斯盆地北部下二疊統太原組，中南部下二疊統山西組以及準噶爾盆地下侏羅統西山窯組、八道灣組等。

湖泊沉積體系濱湖沼澤為有利聚煤場所，但煤層向陸和向湖方向變薄、分叉和尖滅，砂巖欠發育且分布規模較小，煤層頂底板湖相泥巖發育，如濱湖沼澤較發育，煤與砂巖組合類型一般為Ⅳ類組合（單層、少層或無煤層與少層或無砂組合），利于煤層氣富集，適合單一煤層氣勘探，例如鄂爾多斯盆地中部下二疊統山西組。

沖積扇沉積體系廢棄扇間洼地和沖積扇前緣為有利聚煤場所，煤層分布局限，煤層上下粗粒砂巖或礫巖發育，煤與砂巖組合類型一般為Ⅲ類組合（單層或少層煤層＋多層砂巖組合），由于該沉積體系一般發育在斷陷盆地陡坡帶或大—中型盆地周緣，靠近物源區，沉積物粒度較粗，封蓋條件較差，一般不具備煤系氣勘探開發潛力，例如鄂爾多斯盆地北緣下二疊統山西組等。

總之，不同沉積相控制煤系生儲蓋組合配置關系，河流、三角洲沉積體系是煤系氣共生成藏得最有利沉積相帶，適合煤層氣勘探和煤系氣綜合勘探，湖泊、障壁海岸最適合單一煤層氣勘探，而沖積扇和無障壁海岸不適合煤層氣和煤系氣勘探（表1）。

以鄂爾多斯盆地太原組—山二段煤系地層為例，該區山西組二段在北部準格爾旗—河曲地區為沖積扇—辮狀河上游沉積體系，不利于煤層氣與煤系氣勘探。保德—三交—大寧地區為河流、三角洲沉積體系，煤層氣與煤系氣勘探均獲得了較好效果。吉縣地區為湖泊沉積體系，砂巖不發育，濱湖沼澤相煤層穩定發育，適合單一煤層氣勘探。南部韓城—合陽地區受南部物源控制，發育三角洲沉積體系，適合煤層氣與煤系氣綜合勘探；該區太原組在北部準格爾旗—河曲地區為三角洲沉積體系，適合煤層氣與煤系氣綜合勘探，目前勘探未獲得突破的原因在于烴源巖演化程度低、氣源不足。保德—三交地區太原組為淺海—障壁海岸沉積體系，煤層氣勘探效果較好，但由于煤層附近砂巖發育局限，煤系氣勘探潛力不足。三交—吉縣地區太原組下亞段為淺海—障壁海岸沉積體系，適合煤層氣勘探，但主力煤層頂板為厚層石灰巖，保存條件一般，太原組上亞段為淺海—無障壁海岸沉積體系，煤層和砂巖均不發育，不適合煤層氣與煤系氣勘探。南部韓城—合陽地區太原組為淺海—障壁海岸沉積體系，適合煤層氣勘探（圖3）。

表1 煤系氣生儲蓋組合類型與沉積體系的關系表

2.2 封閉體系控制成藏類型及規模

筆者之前就封閉體系對煤層（系）氣的富集已有詳細論述[16]，封閉體系對煤層（系）氣的控制作用貫穿于煤層（系）氣生成、聚散、富集及成藏等全過程。封閉體系要素包括區域性蓋層、煤層直接蓋層、后期構造運動的改造強度、斷層及地層傾角等。根據各要素之間的配置關系可分為自生自儲型煤層氣藏、煤層氣—砂巖氣共生氣藏及煤成砂巖氣藏3種氣藏類型。

自生自儲型煤層氣藏是目前煤層氣勘探開發的主要氣藏類型[17]。該類氣藏具有成因類型多樣、埋藏較淺、以吸附氣為主、層內非均質性強等特點。氣藏規模大小受煤儲層的空間展布及儲蓋組合共同控制，在封閉體系的上、下封蓋層均為泥巖的條件下，區域性泥巖呈廣覆式分布，煤層厚度越大、橫向展布越穩定，該類型氣藏規模越大。煤層淺部壓實作用弱的上斜坡、淺部封閉好的厚煤層發育區、抬升盆地凹中隆火山巖發育區[18]、局部寬緩的構造高部位、淺部低應力區、深部煤層裂隙發育帶[19]及寬緩向斜等區域是該類型氣藏富集高產的有利部位。

煤成砂巖氣藏主要以煤系地層或附近的致密砂巖為勘探目的層。氣源來自煤系烴源巖并在煤系地層或附近的致密砂巖中儲存，該類氣藏具有氣源充足、埋深較大、孔隙度低、滲透率低、含氣飽和度低、以游離氣為主、地層旋回性強等特點[20-22]。氣藏規模大小受砂巖儲層的空間展布或圈閉規模大小控制，在封閉體系的上、下封蓋層均為泥巖的條件下，區域性泥巖呈廣覆式分布，砂巖厚度越大、橫向展布越穩定，則可能形成連續性煤成砂巖氣藏，如果巖性旋回交替性重復出現，垂向上構成多套生儲蓋組合及多重內幕封蓋[22]，可呈現多套連續性煤成氣藏疊置；在合適的構造圈閉條件下，砂巖分布范圍有限，則可能形成規模較小的圈閉型砂巖氣藏。

圖3 鄂爾多斯盆地東緣合陽—準格爾旗太原組—山二段南北向沉積相對比剖面示意圖

煤層氣—砂巖氣共生型氣藏具有煤層和致密砂巖互層疊置的特點，以煤層和上下致密砂巖為勘探目的層，兼有自生自儲型煤層氣藏與煤成砂巖氣藏的特點，氣體賦存狀態既有煤層中的吸附氣，又有砂巖層中的游離氣，吸附氣、游離氣具有同源共生性、伴生性、轉換性和疊置性，可疊加成大面積分布的煤層—砂巖共生型氣藏[23]。該類氣藏在美國皮申思盆地白河隆起已經實現商業開發，該地區煤層直接頂底板均為致密砂巖，間接頂底板為泥頁巖[24-25]，通過對深部煤層氣與頂底板低滲砂巖氣合采，合采深度介于1 560～ 2 560 m，單井平均日產氣量穩定在10 890 m3左右，采出氣中的70%～90%來自煤層生成的氣。

準噶爾盆地東部斜坡帶侏羅系煤系地層具備上述3種煤系氣成藏類型，以白家海凸起為例，該區西山窯組煤層穩定發育，煤層頂底板泥巖封蓋層穩定發育，形成典型的自生自儲型煤層氣藏；八道灣組煤層頂底板及附近砂巖發育，氣體賦存狀態既有煤層中的吸附氣，又有砂巖層中的游離氣，上覆區域性蓋層分布穩定，形成典型的煤層氣—砂巖氣共生型氣藏；三工河組煤層不發育，砂巖氣氣源主要來自附近煤層以及深部二疊系、三疊系烴源巖[26-27]，屬于典型的煤成砂巖氣藏（圖4）。

圖4 準噶爾盆地東部白家海凸起侏羅系煤系氣成藏模式圖

3 煤系氣資源潛力及勘探對策

中國煤系氣具有儲層類型多樣、分布規模大的特點。我國煤層埋深2 000 m以淺的煤層氣資源量為30.05×1012m3（據國土資源部最新一輪煤層氣資源評價結果）；據估算，埋深介于2 000～3 000 m的煤層氣資源量為18.47×1012m3[3]；致密砂巖氣資源量介于17.4×1012～25.1×1012m3[21]，煤系氣資源潛力巨大。目前，煤系氣資源量較大的盆地主要有沁水、鄂爾多斯、準噶爾、海拉爾、雞西等盆地，不同盆地針對不同氣藏類型應開展針對性的勘探工作。

煤層氣勘探開發實踐表明，對于淺部自生自儲型煤層氣富集區，煤層氣開發工藝技術較成熟，應重點開展煤層氣勘探，例如沁水盆地淺層、鄂爾多斯盆地東緣淺層、準噶爾盆地南緣淺層以及海拉爾、雞西盆地淺部富煤區等。

對于深部單一開發煤層氣較難獲得較好的經濟效益，應重點探索煤系氣綜合勘探。針對煤層氣—砂巖氣共生氣藏，可將煤層與砂巖互層段統一作為目的層開展煤層氣＋砂巖氣綜合勘探，該氣藏類型主要分布在準噶爾盆地東部、沁水盆地深部和鄂爾多斯盆地中北部煤層與砂巖直接接觸的地區、海拉爾盆地和雞西盆地深部薄煤層與砂巖互層地區等，例如準噶爾盆地東部白家海地區西山窯組和八道灣組煤層氣＋砂巖氣綜合勘探取得良好的試氣效果[28]，雞西盆地JQ1井煤層＋砂巖多層壓裂試氣獲高產工業氣流，海拉爾盆地牙克石地區多口井薄煤層與附近砂巖多層壓裂、合層開采獲穩定日產氣1 000～1 500 m3，煤層氣＋煤系砂巖氣綜合勘探顯示出良好的發展苗頭；針對煤成砂巖氣藏，應重點開展砂巖氣勘探，例如鄂爾多斯盆地東部臨興、石樓西、大寧—吉縣區塊煤系地層砂巖氣勘探均獲得突破，準噶爾盆地準東斜坡帶三工河組、頭屯河組砂巖氣勘探也有不同程度的發現，具備良好的勘探前景（表2）。

表2 中國重點盆地煤系氣分布、類型及勘探對策表

4 結論

1）我國含煤盆地煤系地層廣覆式烴源巖分布為煤系氣富集提供了充足的氣源基礎，煤與砂巖組合配置關系多樣，劃分4種煤與砂巖組合類型。

2）沉積相控制煤系氣藏生儲蓋組合配置關系，構成煤系氣成藏的先天物質基礎，河流、三角洲沉積體系煤層和砂巖均發育，是煤系氣共生成藏的最有利沉積相帶。

3）封閉體系對煤層（系）氣的控制作用貫穿于煤層（系）氣生成、聚散、富集及成藏等全過程，劃分出自生自儲型煤層氣藏、煤層氣—砂巖氣共生氣藏及煤成砂巖氣藏等3種煤系氣氣藏類型。

4）應以沁水、鄂爾多斯、準噶爾、海拉爾、雞西等煤系氣資源量較大的盆地為重點，開展煤系氣勘探和評價，淺部自生自儲型煤層氣富集區重點開展煤層氣勘探，深部煤層氣—砂巖氣共生氣藏開展煤層氣＋砂巖氣綜合勘探，煤成砂巖氣藏應重點開展砂巖氣勘探。

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