黔北煤田JP区块煤层气储层物化特征及含气量影响因素

胡小林， 尹书岑， 刘苏瑶， 陈家琳， 杨晓盈， 吴 圣

( 1. 贵州天然气能源投资股份有限公司，贵州 贵阳 550081； 2. 重庆市地质矿产勘查开发局 107地质队，重庆 401120； 3. 贵州省天然气工程技术研究院有限公司，贵州 贵阳 550081 )

0 引言

近年来，随致密砂岩气、页岩气和煤层气等非常规油气资源开发技术的突破，贵州地区油气勘探开发进入全新局面。根据资源评价结果，贵州省煤层气资源丰富，上二叠统煤层气地质资源量达3.056×1012m3，居全国第三，平均资源丰度为1.120×108m3/km2[1]，具有巨大的勘探开发潜力。

煤层气为一种自生自储型非常规天然气资源，主要以吸附状态赋存在煤基质内的大量微纳米孔隙中[2-3]，储层具有双重介质特征[4-6]。煤层的比表面积决定吸附能力和含气性[7]，热演化程度影响煤储层吸附性。汤达祯等*汤达祯,桑树勋。煤储层物性非均质性及控制机理。重点基础研究发展计划(973计划)项目研究报告(编号:2002CB211702)。、王蒙等[8]通过测试分析发现，随煤储层变质程度增高，比表面积(吸附能力)先减小再增大，最小值在Ro为2.5%～2.7%处；宋岩等[9]分析平衡水煤样兰氏体积与变质程度的关系，随Ro增大，煤层兰氏体积先增大后减小，拐点在Ro为4.0%处；丁安徐等[10]研究织金地区煤储层吸附特性，当Ro为3.0%～4.0%时，兰氏压力随Ro增加而增大，两者呈正相关关系。由于受地质构造、水动力条件和封闭条件的综合作用，大多数煤层气藏具有明显的向斜控气规律，即从向斜边缘往向斜核部，随埋深增大，煤层含气量逐渐增高[11-15]。

人们研究贵州含煤盆地控气地质规律，认为煤层含气量与有机质含量、煤化程度、灰分产率、显微组分和顶底板等有关[14,16-18]。顾成亮等[19]认为，构造转折端或次级褶曲构造发育部位有利于煤层气保存；徐会军等[20]认为煤层气在宽缓平坦的向斜翼部更为富集。贵州西部煤层气勘探程度较低且地质条件复杂，有关煤层气富集规律和机理研究较为薄弱，构造条件、位置和热演化程度等对煤层气的影响存在争议，不能有效指导煤层气的勘探开发。

在JP区块前期煤层气地质评价基础上，利用区块地质勘查资料，包括37口地质勘探钻孔资料及497项次取心样品分析化验结果(显微组分、工业组分、高位热量、煤层气组分及其含量、煤层镜质体最大反射率等)，分析煤储层物化特征，研究JP区块构造条件(断层和构造改造强度等)、煤层埋深、煤层的工业组分、煤体的热演化程度等要素对煤层含气性的控制机理。同时，将煤层产状与含气规律结合，分析围岩组合类型和构造应力释放方式对煤体结构的影响，为黔北地区煤层气的下一步勘探及区域煤层气“甜点”优选提供指导。

1 地质背景

研究区位于扬子准地台毕节北东向构造变形区的南西端，主体构造为JP向斜，区划上位于黔北煤田西南部。区块构造为一个北北东—南北向不对称向斜，其南北两翼构造特征差异明显，西北翼缓、东南翼陡(见图1)。西北翼岩层倾角为15°～31°，平均为20°，构造简单，断层及次级褶皱构造不发育，仅发育一小型正断层；东南翼岩层倾角为25°～80°，多在40°以上，沿煤系露头断层发育，以走向正断层为主，规模较大。西北翼埋深变化平稳，埋深多在400.00～1 000.00 m之间；东南翼埋深向核部急剧加深，向斜核部埋深多大于1 500.00 m。

图1 JP区块构造形态及钻孔位置Fig.1 The structure shape and geological drilling location of JP block

龙潭组为研究区目的含煤地层，为一套海陆交互相含煤沉积，由灰、深灰色粉—细砂岩、粉砂—泥岩、炭质泥岩、煤及少量灰岩等组成，厚度为196.00～366.00 m，平均为230.00 m。含煤层(线)17～39层，煤层(线)总厚度为10.23～28.02 m，平均为17.13 m，厚度大，东北部偏高，西南部偏低。含煤因数为4.51%～10.47%，平均为7.32%。下伏地层为峨眉山玄武岩组，发育黑灰色玄武岩；上覆长兴—大隆组和飞仙关组地层(见图2)。根据贵州省晚二叠世沉积格局[21]，龙潭(吴家坪)早期为海侵期，龙潭(吴家坪)晚期为海退期(也是煤层主要沉积时期和主力煤层发育阶段)，长兴期为新一轮海侵。

图2 研究区地层综合柱状图Fig.2 The schematic diagram of stratigraphic column of research area

2 煤储层物化特征

2.1 煤岩结构

根据各岩性段煤层分布集中程度，将煤系地层划分为上、中、下三套开发层系，与沉积演化对应，其中上煤组(M1—M10)含煤性和煤层集中程度最高，下煤组次之，中煤组含煤性差且煤层分散，多呈煤线产出(见表1)。上煤组的M5、M6、M6下煤层分布最为稳定，厚度最大，平均厚度分别为2.31、2.79、1.28 m。

表1 研究区主要煤层发育特征

在煤层气的开采过程中，需要对煤储层进行压裂，如果煤层破碎或为粉煤，则对孔隙、裂缝等造成堵塞，影响煤层气产量。贵州西北部地区地史上经历高构造应力作用，煤层具有性脆质软的特征，易被构造破坏原生结构。煤层及围岩的组合形式、构造应力的释放方式决定煤储层原生结构的保存程度。

统计研究区205个煤层样品的煤体结构(见表2)，上、中、下煤组煤体结构以块状为主，块煤和粉煤分布约占总数的90%和10%，煤层原生结构被构造破坏不大。主力煤层宏观上以半暗—半亮型为主，为参差状断口，似金属光泽，内生裂隙发育。上煤组原生结构保存程度不及下煤组的，前者块煤占比在90%以下，后者块煤占比在95%以上，原生性更好。作为主力煤层段的上煤组，东南翼块煤发育率为89.8%，粉煤发育率为9.1%；西北翼块煤发育率为70.6%，粉煤发育率为29.4%。东南翼上煤组煤层煤体结构明显优于西北翼的，由于东南翼发育边界断层，为研究区的构造高应力提供释放条件，减缓内部煤层受到的挤压(见图1)；西北翼缺少应力释放条件，受构造作用破坏更强，顺层的构造应力得不到释放而在局部集中，引起煤层内部质点的破碎和蠕动，形成构造煤。

表2 研究区煤层煤体结构统计

垂向上，上煤组原生结构保存程度明显不及中、下煤组的，与其煤层发育组合特征有关。上煤组煤层总厚度为2.54～23.06 m，平均厚度为8.97 m，含煤率为9.65%；中、下煤组煤层总厚度为0.65～11.84 m，平均厚度为3.24 m，含煤率为2.49%。与中、下煤组相比，上煤组煤层单层厚度和总厚度更大，煤层发育相对更集中(见表1)，总体含煤性更高。根据各煤组岩性组合及应力(见图3)，由于煤层塑性远远高于煤系地层的碎屑类岩石(围岩)的，相对更富煤的上煤组抗构造应力破坏能力低于相对贫煤的下煤组的，因此煤岩结构更差。在贵州西部多个含煤向斜中，如比德—三塘向斜、大河边向斜、以支塘向斜等，不同岩性组合煤层的煤岩受同一顺层构造应力破坏程度往往不同，厚煤层或厚煤层组一般发育或部分发育粉煤，而薄煤层往往煤体结构保存完整。

图3 研究区上、中、下煤组岩性组合模型和应力示意

2.2 煤岩组分

根据煤岩鉴定资料，研究区煤显微有机组分分为镜质组和惰质组两类，各主力煤层有机组分在显微组分中占69.77%～88.80%，平均为79.29%。其中镜质组占显微有机组分总量的14.40%～79.37%，平均为61.45%，惰质组占显微有机组分总量的20.63%～60.00%，平均为35.98%。无机组分占显微组分总量的11.20%～30.23%，平均为20.71%。无机组分主要以黏土矿物为主(平均为16%)，黄铁矿次之，含少量碳酸盐岩矿物。总体上，煤储层镜质组含量中等，属于中等生气类型。根据煤层生烃模拟实验结果[22]，JP区块的煤岩组分按照演化至现今的无烟煤三号的生烃强度可达288～366 m3/t，具备煤层气成藏的物质条件。

煤层镜质体最大反射率(Romax)为2.79%～3.88%，平均为3.08%，属于无烟煤三号。根据有机质生烃理论，Romax可显示煤层的热演化程度，且具有不可逆特征，反映煤层地史的最高地温和最大埋深。根据煤层镜质体最大反射率垂向分布(见图4)，随埋深加大，Romax稳定增大，相关关系很好。自燕山运动以来，研究区处于持续抬升阶段，热演化基本停止，即Romax不再增大。这说明向斜构造形态在燕山运动大规模褶皱抬升前就已经形成雏形，引起Romax随向斜构造位置和埋深的规律性变化。

图4 研究区煤层镜质体最大反射率与埋深关系Fig.4 The relationship between Romax and depth of coal of research area

3 煤储层含气性特征

研究区煤层气体组分较好，以甲烷为主，甲烷(CH4)组分体积分数最高为99.07%(M6)，平均为78.25%；重烃组分(C2+)体积分数最高为1.00%(M8)，最低为0.02%(M10)，平均为0.15%；二氧化碳(CO2)组分体积分数最高为6.31%(M6下)，最低为0.01%(M33)，平均为0.90%。

根据甲烷体积分数与煤层埋深关系(见图5(a))，煤层气组分中甲烷体积分数多在80%以上，属于富甲烷带，随埋深的变化而变差。这主要有两方面的原因：(1)煤层气的保存条件受地质构造、水文、煤岩组分等因素影响；(2)与煤矿瓦斯分析精度和技术有关(如钻孔岩心取气样操作不规范、混入空气等)，黔北地区煤层气地面钻井取心分析数据显示，煤层气组分中甲烷体积分数在90%以上。

图5 研究区煤层气甲烷体积分数、含气量与埋深关系Fig.5 The relationship between methane volume percentage, gas content and depth of coal of research area

研究区煤层含气量多在8.00 m3/t以上，属于普遍含气的高瓦斯煤层(符合黔北地区的总体特征)。主要煤层含气量最大为25.32 m3/t，平均为12.17 m3/t。其中M5、M6为主力煤层，含气量为8.00～25.00 m3/t，自东南向西北，研究区煤层含气量呈增大趋势。M6下煤层瓦斯含气量一般大于8.00 m3/t，从两翼往中部，瓦斯含气量也呈增大趋势。

4 煤层含气量影响因素

4.1 煤层埋深

煤层气不同于常规油气藏，气体中绝大部分(90%以上)赋存状态为吸附态。煤层气埋深相对较浅，易散失，并受地表水及微生物破坏，相同构造背景下，深部煤层具有相对更稳定的水文条件。根据兰缪尔方程[23]，煤层吸附气量随地层压力增大而增大，煤层气藏一般具有向斜控气的规律。

随研究区煤层埋深增加，甲烷体积分数和含气量总体上逐渐增大(见图5)，西北翼、东南翼煤层埋深与含气量呈正相关关系。由于煤层含气量还受煤岩组分、结构、地质构造、热演化程度等因素影响，关系较为发散。西北翼数据点较东南翼的右移，说明整体上西北翼甲烷含气量更高。

根据各主要煤层的含气量和甲烷含气量的统计结果(见图6)，上煤组各煤层平均含气量总体上低于中、下煤组的(M30煤层灰分含气量高除外)，即下部层位的含气量要高于上部层位的。甲烷含气量具有相同规律，表明煤层的含气量分布符合向斜控气原理，水文封闭程度和煤层气吸附能力控制煤层气的分布。

4.2 有机组分

通常情况下，煤层的工业组分对含气量有控制作用[24]。根据研究区煤层含气量与灰分产率的关系(见图7)，煤层的灰分产率分布范围为12.0%～35.0%，受多种因素影响，灰分产率与煤层含气量关系很差，无明显相关关系。

图6 研究区各主要煤层甲烷含气量和总含气量分布Fig.6 The distribution of gas and methane content in main coal seams of research area

根据煤岩有机组分体积分数与甲烷含气量关系(见图8)，镜质组体积分数(去矿物基)与煤层含气量关系较差，基本无对应关系，与传统认识有差别；惰质组体积分数(去矿物基)与煤层含气量有较好的正相关关系。因此，惰质组在煤层的生气过程中具有重要作用，一定程度上有利于煤层气的吸附和保存。

图7 研究区煤层灰分产率与总含气量关系Fig.7 The corresponding relationship between ash yield and gas content of coal of research area

图8 研究区煤层有机组分体积分数与甲烷含气量关系

Fig.8 The relationship between vitrinite, inertinite and gas content of coal of research area

高位热量(Qgr)表示单位质量煤岩燃烧的热值，取决于煤层有机质含量和煤体质量。根据高位热量与煤层甲烷含气量、总含气量的关系(见图9)，甲烷含气量和总含气量随高位热量和总有机质的增多而逐渐增大。由于煤层的可燃烧物也是煤层的生烃物质，因此高位热量也间接反映煤层生成甲烷和烃类气体的物质基础和能量基础。

图9 研究区煤岩高位热量与甲烷含气量、总含气量关系Fig.9 The relationship between high quantity of heat and gas, methane content of coal of research area

4.3 热演化程度

研究区煤层镜质组最大反射率在4.00%(兰氏体积演化拐点)以下，多为2.17% ～3.49%，其含气量受煤阶的控制明显。根据镜质组最大反射率与甲烷含气量、总含气量的关系(见图10)，在瓦斯带内，上煤组各煤层的含气量与热演化程度呈正相关关系，即随热演化程度增高，煤层甲烷含气量和总含气量逐渐增大。在演化过程中，煤层割理和基质纳米孔增多，总孔容和比表面积逐渐增大，导致煤层吸附能力增加，与宋岩的研究成果[9]基本一致。

图10 研究区镜质组最大反射率与甲烷含气量、总含气量关系Fig.10 The relationship between Romax and methane, gas content of coal of research area

挥发分产率与煤层含气量之间存在负相关关系(见图11)，即随煤层挥发分产率的增加，煤层有机质热演化程度逐渐降低，其含气量也逐渐减少。

图11 研究区煤层挥发分产率与镜质组最大反射率、含气量关系Fig.11 The relationship between volatile yield and gas content of coal of research area

4.4 构造特征

JP区块为贵州西北部高地应力区的一个隔挡式向斜，构造形态不对称，西北翼宽缓，东南翼窄陡。这种构造发育特征造成研究区煤层气保存条件和水文地质的平面不均衡性，形成煤层气含量的南北分布差异。

为对比西北翼和东南翼煤层含气量与地层倾角的关系，统计研究区37个钻孔的实测地层倾角(其中20个钻孔具有瓦斯解吸数据)，煤层甲烷含气量与钻孔处的地层倾角有较好负相关关系，即随地层倾角的增大，煤层的甲烷含气量逐渐降低。西北翼地层倾角明显小于东南翼的，甲烷体积分数也比东南翼的高10%左右(见图12(a))。说明随地层倾角的增大，区域构造应力和构造运动更强，煤层的保存条件和封闭性相对更差，煤层气相对更易散失。由于受大气水的作用，煤层气中易混入非烃组分，其甲烷含气量相对更低。研究区煤层甲烷含气量与平均倾角之间也存在相同关系(见图12(b))，即随地层倾角的增大，煤层保存条件变差，甲烷含气量明显降低。西北翼地层倾角更缓，甲烷含气量明显高于倾角较陡的东南翼的，平均比东南翼的高5.00～10.00 m3/t。

图12 研究区煤层平均倾角与甲烷体积分数、甲烷含气量关系Fig.12 The relationship between methane volume percentage, methane content and average stratigraphic dip of coal of research area

平面上，两翼煤层甲烷含气量出现差异原因是西北翼地层倾角缓，基本小于30°(见图13)，几乎无明显断层发育，构造十分稳定，有利于煤层气的保存。西北翼甲烷含气量相对较高，基本在8.00 m3/t以上，且多大于12.00 m3/t。东南翼平均倾角陡，除东部中段一带倾角小于30°外，其他大部分地区倾角大于40°。此外，南东边界处发育一系列断层，构造稳定性整体上不如西北翼的，东南翼甲烷含气量相对较低，

图13 JP区块煤层平均倾角和平均含气量平面分布

几乎都小于8.00 m3/t，仅在相对稳定的中部边缘一带大于8.00 m3/t。由此可见，构造稳定性是研究区煤层含气量和煤层气开发潜力的主控因素，构造相对稳定、煤层气资源丰度更高的西北翼地区应为主力勘探区。

5 结论

(1)黔北煤田JP区块上二叠统煤层及围岩组合形式、构造应力释放方式决定煤储层的结构完整性，下煤组煤体结构优于上煤组的，东南翼煤体结构好于西北翼的。

(2)煤岩显微有机组分平均为79.29%，其中镜质组平均占显微有机组分的61.45%；煤层镜质体最大反射率平均为3.08%，属于无烟煤三号，进入热裂解阶段晚期。

(3)煤层气体组分以甲烷为主，储层平均含气量为12.17 m3/t。煤层含气量与煤层埋深、热演化程度、高位热量等呈正相关关系；与煤层挥发分产率、地层倾角等呈负相关关系；与煤层灰分产率和显微组分关系不大。三大主要控气要素——煤层埋深、地质构造稳定性和热演化程度决定煤层气的成藏潜力和分布特征，相对宽缓的向斜西北翼为有利含气区。

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