巨厚低階煤煤層氣儲層關鍵成藏地質要素及評價方法
——以二連盆地巴彥花凹陷為例

姚海鵬，呂偉波，王凱峰，李 玲，李文華，林海濤，李鳳春，李 正

(1.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.內蒙古自治區煤田地質局，內蒙古呼和浩特 010010；3.內蒙古自治區非常規天然氣工程技術研究中心，內蒙古 呼和浩特 010010)

近年來，中、高階煤煤層氣開發在我國取得了顯著進展，如沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣等均實現了商業性開發[1]。然而，低階煤煤層氣的勘探與開發進展滯后，與其占全國40%煤層氣資源量的地位極不相稱。而美國粉河盆地、澳大利亞蘇拉特盆地等成功開發，證實了低階煤煤層氣具有巨大開發潛力。因此，研究低階煤煤層氣成藏特征，評價煤層氣資源和勘探開發潛力，對于拓展我國煤層氣開發的新領域和新基地、支撐煤層氣產業的快速發展具有實際意義。

針對國內典型低階煤煤層氣盆地，如內蒙古鄂爾多斯、海拉爾、二連[2-4]和新疆的準噶爾、塔里木、三塘湖等[5-7]，學者開展了富集規律和資源潛力探索。然而，受其煤層氣勘探程度及資料約束，研究程度總體偏低，特別是二連盆地的低階煤煤層氣研究更為貧乏。二連盆地群含煤凹陷多、含煤面積大、煤層厚度大，煤炭資源豐富，為本區煤層氣成藏奠定了物質基礎[8]。2016 年9 月，華北油田在二連盆地首次取得了煤層氣開發突破[9]，昭示了本區煤層氣的開發潛力。巴彥花凹陷為二連盆地重點低階煤凹陷，煤層氣資源量約320 億m3[10-12]，但對于本區煤層氣成藏地質條件、主控因素及資源潛力等方面研究尚未見報道，因此，筆者擬基于對含煤地層煤層氣地質信息的提取與分析，通過基礎資料和實驗數據分析，查明巴彥花凹陷煤層氣成藏地質條件，總結巨厚低階煤儲層的關鍵成藏地質要素，并進一步建立新的低階煤煤層氣資源潛力評價指標和方法，厘定巴彥花凹陷煤層氣資源潛力，圈定勘探開發的有利區和目標區，為后期煤層氣井位部署提供依據和參考。

1 區域地質概況

二連盆地位于內蒙古中部，為早白堊世斷陷盆地。目前，盆地中發現了53 個凹陷，其中約90%的凹陷為半地塹斷陷[13]，總體走向為NE 方向，向西和西南逐漸過渡為NEE 和EW 向，長約326 km，寬9～16 km，面積約5 000～6 000 km2。巴彥花凹陷位于烏尼特隆起東部，北鄰高力罕凹陷和迪彥廟凹陷，東鄰霍林河凹陷，南部為大興安嶺隆起(圖1a)。該凹陷整體呈NE—NNE 向展布，為一不對稱的向斜構造，軸向NE30°～40°，軸位偏向西北側。凹陷內部發育次級褶皺構造，規模較小，斷層較發育，主要以NE 向正斷層為主(圖1b)。

圖1 巴彥花凹陷位置及構造綱要Fig.1 Location and structural outline of Bayanhua depression

巴彥花凹陷地層由老到新依次主要為：上侏羅統白音高老組(J3b)、下白堊統阿爾善組(K1a)、下白堊統騰格爾組(K1t)、古近系(E3)、新近系(N2)及第四系(Q)，主要含煤地層為下白堊統騰格爾組(K1t)，煤厚分布范圍在0.36～107.26 m，平均34.70 m，屬于典型的巨厚煤層(圖 2)。巴彥花凹陷含煤面積達556 km2，含煤性好，煤層厚度大，部分地區發育單層厚度大于60 m 的巨厚煤層。凹陷內共發育3 個煤組，8 層可采煤層，其中1 煤組2 層、2 煤組4 層、3 煤組2 層，煤層發育比較穩定，煤厚變化小，連續性好。凹陷內發育南部、中部和北部3 個聚煤中心，煤層累厚普遍在50 m 以上(圖3)。整體而言，巴彥花凹陷含煤面積較大，煤層厚且發育穩定，為煤層氣成藏提供較好的基礎。

圖2 巴彥花凹陷含煤地層柱狀Fig.2 Stratigraphic column of the coal-bearing strata in Bayanhua depression

2 煤巖煤質特征

巴彥花凹陷煤體呈黑褐色，條痕為淺褐–暗棕色，多為弱瀝青光澤。宏觀煤巖成分以碎屑煤和木質煤為主，可見參差狀斷口和不平坦狀斷口，吸水性強，脆度大，易風化。具有層狀構造，以3～5 mm 及1～3 mm 的條帶狀結構為主，偶見小于1 mm 的線理狀結構。

選取3 個煤組總計11 塊煤巖樣品進行了顯微組分及工業分析測試(表1)，煤鏡質體反射率Rmax為0.37%～0.59%，相當于褐煤—長焰煤，為典型低階煤。其中1 煤組Rmax為0.37%～0.51%，平均0.42%；3 煤組Rmax為0.42%～0.59%，平均0.45%。隨煤層埋深的增加，Rmax有逐漸增加趨勢，符合深成變質作用特點。通過煤巖顯微組分及工業分析(表1)發現，煤巖顯微組分以鏡質組(腐植組)(V)為主，體積分數為97.50%～98.80%，平均98.20%；惰質組(I)體積分數為0.97%～1.30%，平均為1.09%；殼質組(E)體積分數為0.22%～1.50%，平均0.71%。煤的水分(Mad)質量分數為7.76%～8.60%，平均9.07%；灰分(Ad)質量分數為22.32%～24.28%，平均23.42%，屬于中灰煤；揮發分產率(Vdaf)為44.10%～45.38%，平均 44.83%，為高揮發分煤；全硫質量分數為0.65%～1.11%，平均0.88%，屬于低—中硫煤。

3 煤層氣成因類型及其與煤層埋深關系

圖3 巴彥花凹陷煤層累厚圖Fig.3 Accumulative thickness of Bayanhua depression

煤層氣成因類型的劃分借鑒了天然氣成因類型的分類方案，主要依據煤層氣成分和甲烷碳、氫同位素組成特征。煤層氣主要有生物成因、熱成因和混合成因，其中生物氣有原生生物氣和次生生物氣之分，生物氣的最顯著特征表現在兩個方面：一是氣組分以甲烷為主，干燥系數較高；二是甲烷碳同位素值較輕[14-15]。在巴彥花凹陷已鉆煤層氣井中選取不同埋深的12 組氣體樣品，實測煤層氣甲烷碳同位素值介于–62.3‰～–54.1‰，氣組分以甲烷為主，干燥系數大于170。將測試數據投入Kotarba 模板[16]中(圖4)，顯示研究區煤層氣為生物成因氣和混合成因氣，且生物成因氣占主導地位，通過對比煤熱演化程度，分析得出，在長焰煤階段生成了少量的混合成因煤層氣并保存下來。

進一步探究煤層氣成因類型與煤層埋深關系(圖5) 發現，巴彥花凹陷煤層氣δ13C(CH4)與煤層埋深具有一定的正相關性，線性擬合與δ13C(CH4)=–55‰關系表明，在煤層埋深約1 200 m 處發生了重要轉換，即埋深1 200 m 以淺煤層氣以生物成因氣為主，而1 200 m 以深則存在少量的混合成因氣，且與Kotarba 模板分析得出的煤層氣成因類型組合一致。

表1 巴彥花凹陷煤巖顯微組分及工業分析表Table 1 Macerals and proximate analysis of coal in Bayanhua depression

圖4 基于CH4/(C2H6+C3H8)-δ13C(CH4)低階煤煤層氣成因判識(模板據M.J.Kotarba[16])Fig.4 Identification map of the origin of low-rank coal CBM based on the CH4/(C2H6+C3H8)-δ13C(CH4) (according to M.J.Kotarba[16])

圖5 巴彥花凹陷煤層氣δ13C(CH4)與煤層埋深關系Fig.5 Relation between δ13C(CH4) of CBM and coal seam buried depth in Bayanhua depression

埋深直接控制煤儲層的溫度和壓力，壓力與甲烷吸附量呈正相關，溫度與甲烷吸附量呈負相關。兩者都隨著埋深增加而增大，在達到臨界值之前，對吸附量的正效應強于負效應，有利于煤層氣富集，之后則變成負效應強于正效應，吸附氣的含量降低[17-19]。通過下文分析含氣量與埋深的變化關系也得出巴彥花凹陷臨界深度約為1 200 m，這恰好與煤層氣成因類型的轉換深度吻合。

4 煤層氣成藏關鍵地質要素

低階煤儲層與中高階煤儲層相比存在很大差異，煤層氣成藏的關鍵地質條件也不盡相同，低階煤一般埋深較淺、生氣量較低、保存條件差，形成氣藏條件更為復雜。烴源巖和保存條件是煤層氣富集成藏的基礎，前者決定了資源生成潛力，后者決定了資源聚集的有效性，則煤層氣成藏的關鍵取決于地質條件的配置[20-22]。針對巴彥花凹陷的巨厚低煤階煤儲層的特點，總結研究區煤層氣成藏關鍵地質要素。

4.1 煤層厚度

煤厚是影響煤層氣富集成藏的重要因素，尤其針對低煤階煤儲層極為重要，一方面煤作為煤層氣的烴源巖，煤層厚度越大，生烴母質也就越多，最終生成的煤層氣總量就越大；另一方面煤儲層本身具有低滲透性的特點，上下煤分層對中部煤儲層有很好的封堵效應，厚度越大，保存條件就越好[23]。

巴彥花凹陷共發育3 個煤組，煤層總厚度大，屬于典型的巨厚煤層。在平面上，單層厚煤層主要在凹陷中部和北部及向斜軸部發育，具備開發煤層氣資源的條件。①1 煤組發育兩層主力煤層，在凹陷中部合并，向南北兩側分叉變薄，為大部可采的較穩定煤層，厚度為1.62～26.81 m，平均8.82 m，厚度5 m 以上煤層分布范圍廣，連續性好，向凹陷中北部厚度逐漸增加(圖6a)。② 2 煤組含主要煤儲層4 層，第1 層和第4 層發育好，第2 和第3 層發育相對較差。煤層在中部合并，向南北兩側分叉變薄，厚度分布在1.5～78.81 m，平均28.98 m，厚度5 m 以上煤層分布范圍最廣，連續性最好，是巴彥花凹陷資源量最大的主采煤層(圖6b)。③3 煤組主要發育2 層煤，上層煤發育好，下層煤發育一般，也具有在中部合并、向南北兩側分叉的特點。大部可采的較穩定煤層，厚度介于0.25～15.64 m，平均6.36 m，厚度5 m 以上的煤層分布范圍較廣，連續性較好，主要分布在巴彥花凹陷的中部和北部(圖6c)。巴彥花凹陷的2 煤組不僅厚度最大，連續性好，分布范圍廣，且夾于1、3 煤組之間，保存條件好，具有良好的封閉性，是較好的巨厚煤層氣儲層。

圖6 巴彥花凹陷1、2、3 煤組煤層厚度分布Fig.6 Distribution map of coal seam thickness of No.1,No.2 and No.3 coal group in Bayanhua depression

4.2 煤儲層物性特征

本文采用蘇聯學者霍多特(1966)制定的孔徑分類方案[11]：微孔小于10 nm，小孔為10～100 nm，中孔為大于100～1 000 nm，大孔＞1 000 nm。選取28 塊煤樣進行低溫液氮測試，結果表明，巴彥花凹陷煤中大孔和微小孔較發育，中孔發育較少，比表面積為0.807 9～121.431 2 m2/g，平均40.119 6 m2/g。根據吸附–脫附曲線的形態可以將煤樣分為3 種類型(圖7)：①類型Ⅰ(圖7a)的吸附線穩定上升，并在后半段快速上升，脫附線存在明顯的滯后環，且在相對壓力(p/p0)約為0.5 處存在明顯的急劇下降段，孔隙結構以微孔發育為主，孔隙形態以口小肚大的“墨水瓶”型孔為主。② 類型Ⅱ(圖7b)的吸附線穩定上升，后半段上升速度出現如類型Ⅰ的典型平臺段，孔隙結構以微孔發育為主，孔隙形態多為開放型圓筒孔或平板孔。③類型Ⅲ(圖7c)吸附線在相對壓力小于0.9 時幾乎不上升，相對壓力接近1 時急劇上升，吸附–脫附線之間存在微弱的滯后環。

圖7 巴彥花凹陷煤樣低溫液氮吸附–脫附曲線類型Fig.7 Types of low-temperature N2adsorption-desorption isotherms of coal samples in Bayanhua depression

基于3 種類型進一步分析煤樣的孔徑分布特征(圖8)，類型Ⅰ(圖8a)的煤樣平均孔徑小，約為3.9 nm，曲線呈明顯的單峰形態，微孔發育，比表面積和孔體積較大，對煤層氣吸附有利，但增加了煤層氣解吸和擴散的難度；類型Ⅱ(圖8b)煤樣數量較少，平均孔徑大于類型Ⅰ，孔隙為典型的透氣性好的微孔隙，對煤層氣的吸附、解吸和擴散均有利；類型Ⅲ(圖8c)為典型的“雙峰”結構，大于10 nm 的小孔較發育，多為透氣性較好的平行板孔及尖劈形孔，孔體積較大，比表面積較小[24]。綜上可知，巴彥花凹陷煤巖的吸附–脫附曲線以類型Ⅰ為主，類型Ⅱ和類型Ⅲ較少，微孔是比表面積的主要貢獻者，小孔是總孔體積的主要貢獻者，以細頸瓶型毛細孔為主，部分發育開放型平行板孔、尖劈孔和圓筒孔，有利于煤層氣的吸附和儲集。

圖8 巴彥花凹陷煤樣孔徑分布特征Fig.8 Pore size distribution of coal samples in Bayanhua depression

與我國中、高階煤相比，巴彥花凹陷煤儲層的孔隙率和滲透性都較好。本文選取不同埋深的25 塊煤樣進行孔隙率和滲透率實驗，基于真視密度計算研究區孔隙率為7.3%～25.1%，平均18.37%。通過全自動孔滲聯測儀測試，煤儲層滲透率為(0.01～21.8)×10–3μm2，平均4.86×10–3μm2。通過分析不同煤樣的孔隙率、滲透率與埋深的變化關系發現，孔隙率、滲透率與埋深之間具有一定的負相關性(圖9a，圖9b)，由于成巖作用、礦物組成和地層壓力的影響，導致隨埋深增加孔隙率呈降低趨勢，滲透率也具有相同的趨勢，負相關性較弱，整體滲透性很好。

4.3 煤儲層含氣性

巴彥花凹陷含煤段煤層和砂巖層氣含量測試結果普遍較高，氣測全烴最高值可達11.846 7%，顯示出良好的含氣性。通過分析62 處氣測點的現場實測解吸數據，煤的空氣干燥基含氣量為1.66～4.45 m3/t，甲烷含量為1.48～4.01/t。在垂向上分析含氣量與煤層埋深的關系發現，含氣量隨著埋深增加具有先增大后減小的趨勢(圖10)，且在約1 200 m 處達到最高臨界值，這也印證了煤層氣成因類型的轉換深度。分析認為，由于溫度和壓力對氣體吸附的影響，埋深在臨界值之上，吸附正效應強于負效應，臨界值以深則變為吸附負效應占主導，吸附氣含量降低，游離氣比例相對增加，因此，該臨界深度也是吸附–游離氣的轉換深度。對于低階煤儲層，根據DZ/T0216—2010《煤層氣資源/儲量規范》，含氣量在1 m3/t 以上具有勘探開發價值[25]，巴彥花凹陷煤儲層的含氣性很好，具有較大的勘探開發潛力。

圖9 巴彥花凹陷煤樣孔隙率、滲透率與埋深的變化關系Fig.9 Changes of porosity,permeability and buried depth of coal samples in Bayanhua depression

圖10 巴彥花凹陷氣含量隨深度變化關系Fig.10 Variation of gas content with depth in Bayanhua depression

4.4 水文地質條件

巴彥花凹陷主要發育3 套含水層：第四系潛水含水層、古近系孔隙承壓水含水層和下白堊統煤系含水層。其中，大部分地區下白堊統煤系含水層的礦化度小于1 g/L，中南部部分區域礦化度達到1 g/L以上。單位涌水量介于0.009～0.017 L/(s·m)，滲透系數介于0.009 8～0.016 0 m/d。水化學類型較為單一，以HCO3-Na+K 和HCO3-Ca+Mg 型為主(圖11)。總體而言，煤系含水層礦化度較低，屬弱富水性含水層。

圖11 巴彥花凹陷煤層水離子分布(單位：%)Fig.11 Ion distribution of coal seam water in Bayanhua depression

綜合考慮煤層水位標高、礦化度和離子類型等參數，將水文單元劃分為：徑流區和緩流區。前人研究發現緩流區對煤層氣成藏和保存有利[26-27]。徑流區主要分布于巴彥花凹陷中部和南部，緩流區主要分布于巴彥花凹陷北部(圖12)，由此看來，巴彥花凹陷北部水文地質條件更有利于煤層氣的成藏和保存。

圖12 巴彥花凹陷煤層水徑流Fig.12 Coal seam water runoff in Bayanhua depression

4.5 蓋層條件

煤儲層直接蓋層是阻止氣體逸散的首道屏障，對煤層氣的保存至關重要，直接關系到煤層氣成藏的有效性[28]，其巖石類型和巖性組合關系是評價保存條件的核心要素。巴彥花凹陷煤儲層頂底板巖性以泥巖、炭質泥巖、粉砂巖為主，局部發育粗砂巖。1 煤組頂板砂巖主要分布在凹陷的中部和南部邊界，且范圍相對較小，頂板泥巖在全區廣泛分布，厚度自SW 向NE 部呈逐漸增大趨勢，存在多個泥巖厚度高值區，局部達到14 m 以上，起到良好的封蓋作用(圖13a)；2 煤組頂板砂巖分布范圍小，呈零星點狀分布，巖性變化較快，較穩定發育的泥巖基本覆蓋全區，厚度較大，SW部達到29 m，NE 部局部在17 m 以上，可以作為全區穩定蓋層(圖13b)；3 煤組頂板泥巖與砂巖呈片狀分布，巖性變化較快(圖13c)。在煤層分布范圍內，北部和南部區域主要發育砂巖蓋層，中部發育較穩定泥巖蓋層。

整體上巴彥花凹陷1、2 煤組煤層直接頂板多為泥巖，對煤層氣具有很強的封蓋能力，有利于煤層氣藏的保存，而3 煤組巖性組合有利于形成煤系砂巖氣藏。

5 煤層氣資源目標區優選

根據上述分析的低階煤煤層氣儲層關鍵成藏地質要素，參考NB/T 10013—2014《煤層氣地質選區評價方法》和GB/T 29119—2012《煤層氣資源勘查技術規范》制定出適合巴彥花凹陷的低階煤煤層氣綜合選區標準(表2)，其中，預測氣含量是基于現場實測解吸氣含量，通過多元線性回歸的數學方法，計算得到含氣量的預測值，具有一定的代表性。

根據表2 相關指標均勻選取鉆孔控制點，在平面上分別圈定單因素的遠景、有利和目標區，然后進行疊加圈定出巴彥花凹陷各主力煤層的煤層氣資源遠景區、有利區和目標區。1 煤組圈定3 個有利區，2 煤組圈定2 個目標區、3 個有利區，3 煤組圈定1 個目標區、3 個有利區(圖14)。計算有利區和目標區內潛在煤層氣資源量約80 億m3。綜合分析得出，巴彥花凹陷北部的成藏地質條件最好，是研究區煤層氣勘探開發的最優目標區。

6 結論

a.巴彥花凹陷主要含煤地層位于下白堊統騰格爾組，共發育3 個煤組，煤層厚度大，平均厚度分別為8.82 m、28.98 m 和6.36 m，部分地區的單層厚度大于60 m，是典型的巨厚低階煤儲層，煤儲層發育面積大，含煤性好，穩定性高，為煤層氣成藏提供了有利基礎。

b.巴彥花凹陷發育中灰分、高揮發分褐煤和長焰煤，鏡質體最大反射率平均為0.44%，顯微組分以鏡質組(腐植組)為主，平均體積分數97%以上。煤層氣成因類型以生物成因為主、混合成因為輔，且生物成因氣占主導地位，煤層埋深約1 200 m 為臨界深度，臨界深度以淺生物氣富集，具有較大的資源潛力。

c.低階煤煤層氣儲層關鍵成藏地質要素為煤層厚度、埋深、煤儲層物性、含氣性、水文地質條件和蓋層條件，其中煤厚、埋深、滲透率和含氣性尤為重要，據此建立新的低階煤煤層氣資源潛力條件：一般情況下，最優煤儲層的累計厚度大于40 m，埋深小于1 200 m，滲透率大于3×10–3μm2，預測含氣量大于3 m3/t，水文地質單元為緩流區或弱徑流區，且具有良好的蓋層條件。

d.巴彥花凹陷煤儲層埋深適中，孔、滲性較好，微孔發育，在臨界深度以淺，含氣性與埋深呈一定的正相關性。含水層礦化度較低，緩流區主要分布于北部。1、2 煤組有利于形成煤層氣藏，3 煤組有利于形成煤系砂巖氣藏。根據新的資源潛力評價方法，優選出3 個煤組的煤層氣資源遠景區、有利區和目標區，勘探開發的最優目標區位于巴彥花凹陷北部。

圖13 巴彥花凹陷1、2、3 煤組頂板泥巖厚度等值線Fig.13 Isopach of roof mudstone of No.1,No.2 and No.3 coal groups in Bayanhua depression

表2 巴彥花凹陷低階煤煤層氣綜合選區評價標準Table 2 Standards for selection of low rank CBM zones in Bayanhua depression

圖14 巴彥花凹陷1、2、3 煤組資源潛力綜合評價Fig.14 Resouce potential of No.1,No.2 and No.3 coal groups in Bayanhua depression