潮水盆地煤层气储层特征及勘探潜力

杨敏芳 孙 斌 孙粉锦 陈 刚 杨三强

1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院 2.中国石油渤海钻探工程公司第二录井分公司

1 区域概况

潮水盆地位于甘肃省河西走廊的北部，西起临泽县马鞍山—正北山一线，东至民勤县东端白碱湖一带，南始龙首山—阿拉古山北侧，北抵北大山南麓[1]，总体呈东西向展布、中部向南突出的弧形构造形态。东西长365km，南北宽30～75km，面积约为2×104km2，蕴藏着一定量的煤炭及油气资源。

潮水盆地侏罗纪沉积基底主要为变质岩和花岗岩，地层刚性较强。受燕山、喜山运动的影响，主要发育北西向和东北向两组张性断层[2－4]。依据地震资料，按沉积基底的凹凸分布，以控盆断层为边界，将潮水盆地划分为7个一级构造单元和15个二级构造单元，其一级构造单元分别为平山湖坳陷、桃花拉山隆起、阿右旗坳陷、中央隆起、金昌坳陷、红柳园坳陷及石板井隆起（图1）。

图1 潮水盆地构造单元分区图

潮水盆地含煤地层主要为中侏罗统青土井组（J2q），其次为下侏罗统芨芨沟组（J1j）[5－6]。经煤田钻孔资料揭示，该区煤炭资源丰富，煤层埋深适中，利于煤层气的勘探。

2 煤层气储层特征

2.1 煤层分布特征

潮水盆地各个构造单元煤层的分布特征不同，但其共同特征是：煤层层数多、横向变化大，主要分布在构造单元缓坡地带。早侏罗世聚煤中心位于平山湖，中侏罗世聚煤中心向中部阿右旗和金昌地区迁移。平山湖坳陷含煤层数为1～20层，煤层厚度介于0.14～7.07m，平均为2.2m，煤层总厚度介于0～22m，呈北薄南厚变化趋势；阿右旗坳陷含煤2～16层，厚度介于0.01～14.37m，平均为1.35m，煤层总厚度介于0～26m，呈北厚南薄变化趋势；窖南凹陷含煤1～5层，厚度介于0.5～20m，平均为5.64m，煤层总厚度介于6～20m，呈北薄南厚变化趋势，煤层层数相对较少，煤层单层厚，但埋藏深（2 223～2 910m），不利于煤层气的开发；红柳园坳陷含煤2～9层，厚度介于0.5～2m，平均为1.1m。

2.2 煤岩煤质特征

潮水盆地宏观煤岩类型以暗淡煤—半暗煤为主。偏光显微镜下观察（图2），该区煤层惰质组含量偏高，在成煤母质器官或细胞的胞腔内填充有黏土矿物，并含有黄铁矿、石英、黏土等矿物，反映了当时成煤环境比较复杂多变。煤岩鉴定分析表明，该区煤层镜质组含量介于29.0%～89.5%、平均为52.5%；惰质组含量介于10.9%～55.2%、平均为38.9%；壳质组含量偏高，为1.1%～14.5%。

2.3 煤岩演化程度低

潮水盆地煤岩演化程度较低，镜质体反射率（Ro）介于0.39%～0.71%，以低煤阶为主，整体处于褐煤—气煤变质阶段。煤变质主要为深成变质作用，受沉降埋藏史影响，平山湖坳陷、阿右旗坳陷最强变质阶段在晚侏罗世末，以褐煤—长焰煤为主；金昌坳陷、红柳园坳陷最强煤变质期出现在白垩纪末，以气煤为主。潮水盆地区内普遍发育岩浆岩，主要为加里东期和海西期侵入岩，是在含煤岩系沉积之前生成，对煤层赋存和演化没有影响[7]。

图2 潮水盆地煤岩显微组分结构特征图

2.4 等温吸附特征

兰氏体积反映了煤的最大吸附能力，兰氏压力反映煤层气解吸的难易程度，值越高，煤层中吸附态气体脱附越容易，越有利于开发[8]。从A1、A2井的等温吸附曲线上看（图3），潮水盆地煤的兰氏体积为7.46～10.92m3／t，对煤层气的吸附能力强；而兰氏压力介于5.95～6.90MPa，值较高，利于煤层气的解吸。

图3 潮水盆地煤的等温吸附曲线图

3 煤层气勘探潜力

对潮水盆地煤层气参数井A1井和A3井进行了现场解吸实验，测得的含气量分别为0.25m3／t和0.56m3／t，含气量低。导致该区煤层含气量低的原因，可从生气条件和保存条件两方面进行分析。

3.1 生气条件

该区宏观煤岩类型以暗淡煤和半暗煤为主，显微煤岩组分镜质组含量低，生气母质条件较差；煤岩变质程度低，为低煤阶，热成因气量少，因此低煤阶煤层气成藏须要生物气的补充。目前，国内外学者普遍采用甲烷碳同位素值 （δ13C1）来鉴 别 生 物 气[9－11]。1989年，戴金星通过研究我国生物气的气组分及同位素组成特征，提出以δ13C1＜－55‰作为鉴别生物气的主要地化指标[12]。

从表1可以看出，潮水盆地煤层气的δ13C1为－43.0‰～－71.0‰，大部分小于－55‰，总体偏轻，具有生物气特征，可能有生物气的补充。但生物实验结果表明，硫酸盐浓度达到960mg／L便可以完全抑制厌氧细菌活动[13]，而阿右旗坳陷煤系SO42－浓度介于1 232.0～2 181.0mg／L，红沙岗凹陷煤系SO42－浓度介于359.3～826.2mg／L，这两个地区均不利于甲烷细菌的生存；红柳园地区生物气特征明显，有利于生物气的生成。整体来看，潮水盆地气源不足，缺少生物气的补充。

表1 潮水盆地煤层气碳同位素值统计表

3.2 保存条件

该区发育的断裂构造以拉张开放性正断层为主（图1），断裂沟通煤层与上覆水、气联系，成为煤层气逸散通道，对煤层气保存极为不利。

主采煤层顶板岩性以粉砂岩、砂岩为主，其次为泥岩，生成的煤层气很容易通过上覆粗粒碎屑岩层逸散，不利于煤层气的后期保存成藏。盆地东部保存条件好于西部，其中平山湖坳陷以砂岩为主，阿右旗坳陷以砂岩、粉砂岩为主，其次为泥岩和砾岩；红沙岗凹陷西部以砂岩为主，东部为泥岩；窖南坳陷以泥岩为主；红柳园坳陷以泥岩为主（图4）。

图4 潮水盆地煤层气勘探综合评价图

煤系上覆地层中侏罗统沙枣河组遭到严重的剥蚀，只在盆地的中部和东部残留有100～600m厚的地层。平山湖坳陷缺失区域盖层，阿右旗坳陷红沙岗地区南部残留有0～200m厚的区域盖层，对煤层气的保存极为不利；而红柳园坳陷区域盖层分布面积较广，残余厚度介于200～1 000m，区域盖层较厚，对煤层气的保存较有利。

因此，从保存条件来看，红柳园坳陷地区利于煤层气的保存。

3.3 煤层气勘探方向

潮水盆地煤层气成藏主控因素为“生物气补给”“构造系统”“顶板盖层条件”，寻找煤层气勘探有利区应重点考虑这3个条件。

平山湖坳陷、阿右旗坳陷煤层发育较好，但煤系上覆地层因构造抬升导致剥蚀严重，缺乏区域性盖层，且煤层直接盖层为砂岩，造成早期生成的气大量散失。此外由于煤系地层水不活跃，SO42－浓度过高，抑制了甲烷细菌的生存，使得后期缺乏生物气的补充。

红沙岗凹陷煤层直接盖层为油页岩，封盖性好，煤层累计厚度最大为26m，但煤层厚度变化快，断层较发育，成为煤层气散失的通道。煤阶热演化程度低，原始生气量小，此外由于气候干燥，缺乏大气淡水的补给，地层水矿化度高，SO42－浓度接近960mg／L，不具备次生生物气生成条件，导致红沙岗地区整体含气量低（小于1m3／t）。

金昌坳陷煤层发育，单层厚度能达20m；煤层直接顶板为泥岩，区域盖层厚，封盖性能好；但煤层埋藏较深（大于2 000m），不利于煤层气的开发。

红柳园坳陷生物气特征较明显，有生物气的补充。根据沉积环境分析，推测煤层直接顶板主要为泥岩，区域盖层较厚，封盖性能好；构造为向东南方向倾的单斜构造形态，断层不太发育。该区勘探程度低，有待进一步深化研究。

综上所述，红柳园坳陷煤层气有生物气补充，并且煤层封盖性能好，虽然A3井实钻反映此区煤层发育差、埋藏深（单层煤厚约为1m，埋深超过1 200m），但由于此区勘探程度低（面积为3 203km2，仅有油田井2口、煤层气井1口），不能反映其真实地质情况。因此寻找红柳园坳陷浅部厚煤层可作为潮水盆地煤层气下一步的勘探方向之一（图4）。

4 结论

1）潮水盆地煤层分布极不均匀，主要分布于各构造单元的缓坡地带，煤层厚度变化较大，聚煤中心由早侏罗世的平山湖坳陷向中侏罗世的阿右旗坳陷、红沙岗凹陷和金昌坳陷迁移。

2）煤演化程度低，以低煤阶为主，整体处于褐煤—气煤变质阶段，热成因气量少且盆地发育拉张性正断层，成为煤层气逸散的通道。盆地西部缺少区域盖层、直接盖层为砂岩，导致煤层气的散失，且地层水矿化度高、SO42－浓度大，抑制了甲烷细菌的生存，缺少生物气的补充；而盆地东部生物气特征明显，煤层气封盖性好，有待进一步深化研究。

3）综合对比各构造单元地质特征，认为红柳园坳陷生物气特征明显且顶板盖层封盖性好，可作为潮水盆地煤层气下一步的勘探靶区。

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