海拉爾盆地舊橋凹陷低煤階煤層氣資源潛力分析

王單華，姜杉鈺，賈宏偉

(1.內(nèi)蒙古煤田地質(zhì)局，內(nèi)蒙古 海拉爾 021008；2.國土資源部咨詢研究中心，北京 100032)

0 引 言

中國低煤階地區(qū)煤層氣資源量為10.30×1012m3，約占全國煤層氣資源的1/3，但整體的勘探開發(fā)程度較低。近年來，中國煤層氣勘探工作不斷拓展，先后在準(zhǔn)噶爾盆地南緣、二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷等低煤階區(qū)取得了重大突破[1-4]。

海拉爾盆地位于中國內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，是重要的低煤階區(qū)。盧雙舫等[5]研究表明，海拉爾盆地的煤層氣資源量約為10.79×1011m3，并且具有相當(dāng)大的增長空間。目前，有關(guān)海拉爾盆地的煤層氣研究多集中于呼和湖凹陷(也稱呼和諾爾含煤盆地)。孫斌等[6]研究認(rèn)為，海拉爾盆地東部的呼和湖凹陷煤層厚度大、孔隙發(fā)育，煤層氣成藏地質(zhì)條件優(yōu)越，另有多位學(xué)者對該凹陷的煤層氣地質(zhì)條件和資源潛力進(jìn)行了分析[7-9]。然而，海拉爾盆地構(gòu)造復(fù)雜，不同凹陷具有不同的煤層氣地質(zhì)條件，資源分布極不均勻[6]，大多數(shù)凹陷(含煤盆地)缺乏相關(guān)的煤層氣地質(zhì)研究，煤層氣勘探工作也剛剛起步。

舊橋凹陷是海拉爾盆地東南部的三級構(gòu)造單元，也稱紅花爾基含煤盆地，目前已完鉆3口煤層氣參數(shù)井，并完成了煤巖含氣性、等溫吸附等分析測試工作，具備了初步分析煤層氣資源潛力的基礎(chǔ)。該文以舊橋凹陷地質(zhì)和實(shí)驗(yàn)測試資料為基礎(chǔ)，對凹陷煤層厚度、含氣性和等溫吸附特征進(jìn)行對比分析，進(jìn)而估算研究區(qū)資源豐度、理論可采資源量和單井最終可采儲(chǔ)量，為后續(xù)的煤層氣勘探開發(fā)提出建議。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

海拉爾盆地處在西伯利亞板塊與塔里木—中朝板塊的碰撞帶上，與蒙古國的塔木察格盆地為統(tǒng)一的盆地，總面積為7.048×104km2，在中國的面積為4.421×104km2[6]。海拉爾盆地近似菱形，內(nèi)部呈現(xiàn)“三坳兩隆”的構(gòu)造格局，3個(gè)坳陷被2個(gè)隆起分割互不聯(lián)系，形成了各自的沉積單元，又可劃分出16個(gè)凹陷和4個(gè)凸起(圖1)。

海拉爾盆地具有西部斷裂活動(dòng)強(qiáng)、東部斷裂活動(dòng)弱的特點(diǎn)。這種構(gòu)造上的差異導(dǎo)致位于西部的凹陷沉降幅度較大，泥巖較為發(fā)育；而東部各個(gè)凹陷下降幅度較小且后期經(jīng)歷了一定的抬升作用，發(fā)育大量的沼澤相煤系地層，這也決定了海拉爾盆地東部各凹陷為煤層氣富集區(qū)的現(xiàn)狀。

圖1 海拉爾盆地構(gòu)造單元和研究區(qū)位置

研究區(qū)舊橋凹陷由舊橋斷裂、紅花爾基斷裂和巴日圖斷裂作為邊界，總體走向近北北東。白堊系下統(tǒng)的龍江組構(gòu)成了煤系地層的沉積基底，大磨拐河組和伊敏組為主要的煤系地層。煤系地層傾角較緩，一般不超過5 °，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，局部有波狀起伏，斷層較為發(fā)育。煤系地層中，大磨拐河組下段以中砂巖為主，向上粒度逐漸變細(xì)；中段為主要的含煤層段，發(fā)育砂巖、粉砂巖、泥巖和多個(gè)煤層；上段則沉積了厚層泥巖。伊敏組下段底部主要為粉砂巖和泥巖，向上逐漸交替出現(xiàn)砂礫巖、粗砂巖、粉砂巖、泥巖和多套煤層；上段主要為粗粒碎屑物，無煤層發(fā)育[10]。

2 煤儲(chǔ)層特征

2.1 厚度特征

舊橋凹陷伊敏組發(fā)育19套煤層，累計(jì)厚度為8.99～74.30 m，平均為30.15 m，其中，3、5號(hào)煤層分布穩(wěn)定，單煤層的平均厚度分別為7.69、9.88 m；大磨拐河組發(fā)育6套煤層，累計(jì)厚度為3.70～52.83 m，平均為15.37 m，單煤層厚度為2.60～12.20 m，其中，8號(hào)煤層組厚度較大且分布穩(wěn)定，包含多個(gè)厚度為5.00 m左右的煤層。

鄰區(qū)呼和湖凹陷伊敏組和大磨拐河組的煤層厚度與研究區(qū)差異不大(表1)。另外，二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷的單煤層厚度和累計(jì)厚度均大于研究區(qū)[11-12]，美國粉河盆地的單煤層厚度略薄，僅為2.00～5.00 m，但因煤層層數(shù)多，累計(jì)厚度最高可達(dá)到95.00 m[13-14]。總體而言，舊橋凹陷單煤層和累計(jì)厚度均較大，具備煤層氣生成和賦存的空間。

表1 舊橋凹陷與其他地區(qū)煤儲(chǔ)層特征對比

注：其他地區(qū)數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[4-6，11-14]。

2.2 含氣量特征

含氣量反映了煤儲(chǔ)層中氣體的賦存量，是影響資源豐度的重要因素。煤層含氣量測試結(jié)果顯示，研究區(qū)伊敏組含氣量為0.00～0.12 m3/t，大磨拐河組含氣量為0.49～3.23 m3/t，淺部伊敏組含氣量幾乎為0.00，明顯低于深部的大磨拐河組。

對比可知，鄰區(qū)呼和湖凹陷和研究區(qū)舊橋凹陷雖同處于海拉爾盆地，而且具有同一套煤系地層，但研究區(qū)含氣量明顯低于呼和湖凹陷。這種差異可能來源于兩方面：①呼和湖凹陷煤巖成熟度Ro為0.30%～0.80%，煤巖除了生成生物氣外，還可能產(chǎn)生一部分熱解氣，較強(qiáng)的生氣能力使得總含氣量較高；而研究區(qū)煤巖成熟度Ro僅為0.23%～0.49%，還未進(jìn)入到熱解生氣階段，煤儲(chǔ)層中僅以生物氣為主，含氣量較低。②呼和湖凹陷較研究區(qū)煤儲(chǔ)層埋深較大，最深可達(dá)1 775 m，對應(yīng)的含氣量也較高，煤儲(chǔ)層較大的埋深對于氣體的保存具有一定的優(yōu)勢；相比之下，研究區(qū)煤儲(chǔ)層埋深多在1 000 m以淺，尤其是600 m以淺的伊敏組煤層幾乎沒有含氣量，這種埋深的差異可能是二者含氣量差異的另一重要原因。

盡管舊橋凹陷與鄰區(qū)呼和湖凹陷在含氣量方面存在一定的差異，但進(jìn)一步對比二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷和美國粉河盆地的含氣量可知(表1)，二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷和美國粉河盆地的煤層實(shí)測含氣量分別為0.97～3.83 m3/t和0.70～2.30 m3/t，研究區(qū)與上述2個(gè)地區(qū)在煤巖成熟度和煤層埋深方面差異不大，含氣量差異也不大。

2.3 等溫吸附特征

氣體分子吸附在煤基質(zhì)表面屬于物理吸附的過程，一般認(rèn)為符合Langmuir單層吸附理論。在恒溫狀態(tài)下，煤巖的吸附量和壓力的關(guān)系可通過Langmuir方程進(jìn)行表示，即：

V=VL[p/(p+pL)]

(1)

式中：VL為Langmuir體積，m3/t，反映了煤巖的最大吸附能力；pL為Langmuir壓力，MPa，為1/2VL在等溫吸附曲線上對應(yīng)的壓力；V、p分別為等溫吸附曲線上任意一點(diǎn)狀態(tài)下煤巖的氣體吸附量和對應(yīng)的地層壓力，m3/t、MPa。

由舊橋凹陷121-34井鉆遇主力煤層的等溫吸附曲線(圖2a)可知，該井鉆遇的伊敏組4、5號(hào)煤層的VL分別為6.88、3.65 m3/t，而大磨拐河組7、8號(hào)煤層的VL分別為4.56、4.09 m3/t。

通過研究區(qū)與國內(nèi)外其他低煤階區(qū)的等溫吸附曲線對比可知[15](圖2b)，研究區(qū)與美國粉河盆地的等溫吸附曲線較為相近，而與準(zhǔn)噶爾盆地和吐哈盆地的等溫吸附曲線差異較大。前人研究表明[15-16]，煤階相似地區(qū)的煤巖，其等溫吸附曲線的形態(tài)主要受水分的影響，因水分子會(huì)與甲烷分子競爭吸附空間，故水分高的地區(qū)煤巖吸附能力弱。研究區(qū)煤巖的水分含量為5.25%～10.78%，而吐哈盆地和準(zhǔn)噶爾盆地煤巖的水分含量僅為3.37%～6.69%和1.10%～1.85%，水分上的差異可能是導(dǎo)致各個(gè)低煤階地區(qū)煤儲(chǔ)層等溫吸附曲線形態(tài)差異的主要原因。

圖2 舊橋凹陷和國內(nèi)外其他低煤階區(qū)煤巖等溫吸附曲線

3 煤層氣資源潛力分析

3.1 資源豐度

煤層氣的資源豐度是兼顧煤層含氣量和厚度的綜合指標(biāo)，在很大程度上決定了煤層氣井的產(chǎn)氣潛力。煤層氣資源豐度是指單位面積(1 km2)的煤層中所包含氣體的資源量，其與煤層的厚度、含氣量和煤巖密度有關(guān)，資源豐度計(jì)算公式如下：

UIPR=10-2hρGc

(2)

式中：UIPR為煤層氣資源豐度，108m3/km2；h為煤層有效厚度，m；ρ為原煤基密度，t/m3；Gc為原煤基(水分平衡基)含氣量，m3/t。

研究區(qū)目前僅有3口煤層氣參數(shù)井，故選取資料相對豐富的121-34井的數(shù)據(jù)，通過式(2)對舊橋凹陷的單煤層資源豐度和累計(jì)資源豐度進(jìn)行估算(表2)。因伊敏組煤層幾乎不含氣，在進(jìn)行全部煤層資源豐度估算時(shí)僅對大磨拐河組煤層進(jìn)行計(jì)算，所用的含氣量為該組煤層的平均含氣量。由表2可知，舊橋凹陷單煤層厚度尚可，但含氣量較低，導(dǎo)致單煤層的資源豐度十分有限，7號(hào)和8-5號(hào)煤層的資源豐度僅為0.14×108m3/km2和0.31×108m3/km2。與沁水盆地南部單煤層資源豐度(超過1.00×108m3/km2)相差甚遠(yuǎn)[17]，也低于前人提出的煤層氣開發(fā)的資源豐度標(biāo)準(zhǔn)(大于0.50×108m3/km2)[18]。相比之下，舊橋凹陷大磨拐河組單井鉆遇煤層累計(jì)厚度為54.05 m，平均含氣量為2.57 m3/t，累計(jì)資源豐度高達(dá)2.11×108m3/km2。

表2 舊橋凹陷煤層氣資源豐度

與其他低煤階區(qū)累計(jì)資源豐度對比可知(表3)，舊橋凹陷煤層的累計(jì)資源豐度雖略遜于鄰區(qū)呼和湖凹陷以及二連盆地吉爾嘎郎圖凹陷、霍林河凹陷，但整體上高于吐哈盆地[19]，也接近達(dá)到了美國粉河盆地的2倍。有限的單層資源豐度意味著舊橋凹陷不具備直井單煤層開發(fā)的資源基礎(chǔ)，在累計(jì)資源豐度較高的情況下，單井開采盡可能多的厚煤層是未來煤層氣開發(fā)的必然選擇。

表3 其他低煤階區(qū)煤層氣資源豐度

3.2 理論采收率分析和單井最終可采儲(chǔ)量預(yù)測

煤層氣主要以吸附態(tài)賦存在煤層中，上述資源豐度反映的資源潛力能否得到有效釋放，還需要結(jié)合煤巖的等溫吸附特征、含氣量和地層壓力開展定量分析，進(jìn)而提取有效解吸量指標(biāo)進(jìn)行單井開發(fā)潛力的研究[15]。有效解吸量為煤儲(chǔ)層實(shí)際含氣量與廢棄壓力下煤巖吸附氣量的差值[15]，廢棄壓力也稱枯竭壓力，是煤儲(chǔ)層壓力能夠降低到的最小值。通過給定不同的廢棄壓力值，即可獲得不同廢棄壓力下的煤巖吸附量，進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際含氣量(大磨拐河組6套煤層的平均含氣量為2.57 m3/t)，即可獲得不同廢棄壓力下的有效解吸量。有效解吸量與實(shí)際含氣量的比值即為理論采收率。資源豐度、理論采收率和井控面積三者的乘積為單井最終開采儲(chǔ)量。

研究區(qū)目前尚無煤層氣開發(fā)井，缺乏廢棄壓力的實(shí)測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)值，因此，參考國內(nèi)外煤層氣開發(fā)數(shù)值模擬和采收率預(yù)測研究中廢棄壓力的取值區(qū)間[20-21]，將0.20～1.00 MPa作為舊橋凹陷煤層廢棄壓力的取值區(qū)間，以研究有效解吸量、理論采收率和單井最終可采儲(chǔ)量隨廢棄壓力取值變化的敏感性。在研究區(qū)各個(gè)煤層的等溫吸附曲線形態(tài)差異不大的情況下(圖2a)，選取圖2a中大磨拐河組8-1-03煤樣的等溫吸附曲線為代表(VL為4.09 m3/t，pL為3.61 MPa)開展相關(guān)計(jì)算。

根據(jù)上述方法和參數(shù)取值情況，利用式(2)，計(jì)算出舊橋凹陷不同廢棄壓力下對應(yīng)的煤巖吸附氣量、有效解吸量、理論采收率(表4)。由表4可知，舊橋凹陷不同廢棄壓力下對應(yīng)的理論采收率為0.65～0.92，這表明在上述廢棄壓力范圍內(nèi)，煤儲(chǔ)層中至少有2/3的吸附氣能夠有效解吸，資源豐度大部分可以被利用，廢棄壓力控制的越低，氣體采出的程度越高。

進(jìn)一步根據(jù)350 m×350 m的井控面積(中國沁水盆地各煤層氣田較普遍的井距)估算121-34井的單井最終可采儲(chǔ)量(表4)。當(dāng)廢棄壓力控制在0.60 MPa以下時(shí)，單井最終可采儲(chǔ)量超過了0.20×108m3，根據(jù)當(dāng)前煤層氣出售價(jià)格1.5元/m3，121-34井能夠帶來超過3 000×104元的收入。參考華北地區(qū)一口煤層氣井250×104元的成本，再加上后期的各項(xiàng)成本費(fèi)用，121-34井煤層氣開發(fā)可獲得2 000×104元的利潤，具有十分可觀的開發(fā)前景。相比之下，若對表2中資源豐度較好的8-5號(hào)煤層進(jìn)行單層開發(fā)，廢棄壓力為0.60 MPa時(shí)的單井收入僅為440×104元左右，結(jié)合成本來看，單層開發(fā)幾乎沒有經(jīng)濟(jì)效益。

表4 舊橋凹陷煤層不同廢棄壓力下的有效解吸量、理論采收率和單井最終可采儲(chǔ)量

4 煤層氣勘探建議

舊橋凹陷煤巖成熟度較低，尚未進(jìn)入到熱解生氣階段，因此，煤儲(chǔ)層含氣量主要由生物成因氣貢獻(xiàn)。粉河盆地開發(fā)較為成功的區(qū)塊，因地下水十分活躍，礦化度較低，形成了大量的次生生物氣，含氣量較高[22]；而中國潮水盆地紅沙崗地區(qū)因降水少，地下水資源貧乏，地下水礦化度較高，不利于次生生物氣的形成，煤層含氣量較低[23]。研究區(qū)位于半干旱地帶，但在凹陷的局部位置，如河流、湖泊附近仍然可能存在地下水較為活躍的地區(qū)，在未來煤層氣勘探過程中，應(yīng)加強(qiáng)地下水動(dòng)力條件的系統(tǒng)研究，尋找潛在的次生生物氣富集區(qū)。

目前參數(shù)井鉆遇的淺部伊敏組煤層含氣量甚微，而深部大磨拐河組具有一定的含氣量，推測可能是淺部煤層缺乏良好的氣體保存條件，使得已生成氣體大量逸散造成的。與大磨拐河組相比，伊敏組具有更厚的煤層，若能尋找到具備一定含氣量的地區(qū)，伊敏組仍然具有較大的煤層氣資源潛力。參考前人關(guān)于二連盆地吉爾嘎郎圖的煤層氣成藏模式[11]，研究區(qū)對于伊敏組煤層氣的勘探應(yīng)在煤層埋深較大、遠(yuǎn)離正斷層、頂?shù)装鍘r性致密和水動(dòng)力條件相對封閉的區(qū)域進(jìn)行。

5 結(jié) 論

(1) 海拉爾盆地舊橋凹陷具有單煤層厚度大、層數(shù)較多，累計(jì)厚度較大的特點(diǎn)，但煤層含氣量較低，淺部伊敏組含氣量幾乎為0.00，深部大磨拐河組平均含氣量為2.57 m3/t，含氣量隨深度的增加呈現(xiàn)加大趨勢。

(2) 有限的單層資源豐度意味著舊橋凹陷不具備直井單煤層開發(fā)的資源基礎(chǔ)，在累計(jì)資源豐度較高的情況下，單井開采盡可能多的厚煤層是未來煤層氣開發(fā)的必然選擇。

(3) 舊橋凹陷0.20～1.00 MPa廢棄壓力下對應(yīng)的理論采收率為0.65～0.92，意味著資源豐度大部分可以被開發(fā)利用，資源潛力較大；在350 m×350 m的井控面積內(nèi)，單井最終可采儲(chǔ)量大于0.17×108m3，具有較好的煤層氣開發(fā)前景，也可獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

(4) 舊橋凹陷未來煤層氣勘探應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域水動(dòng)力條件研究，尋找地下水活躍的潛在次生生物氣富集區(qū)；淺部伊敏組的煤層氣勘探應(yīng)在埋深較大等氣體保存條件較好的區(qū)域進(jìn)行。