巨厚低阶煤煤层气储层关键成藏地质要素及评价方法——以二连盆地巴彦花凹陷为例

姚海鹏，吕伟波，王凯峰，李 玲，李文华，林海涛，李凤春，李 正

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.内蒙古自治区煤田地质局，内蒙古呼和浩特 010010；3.内蒙古自治区非常规天然气工程技术研究中心，内蒙古 呼和浩特 010010)

近年来，中、高阶煤煤层气开发在我国取得了显著进展，如沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘等均实现了商业性开发[1]。然而，低阶煤煤层气的勘探与开发进展滞后，与其占全国40%煤层气资源量的地位极不相称。而美国粉河盆地、澳大利亚苏拉特盆地等成功开发，证实了低阶煤煤层气具有巨大开发潜力。因此，研究低阶煤煤层气成藏特征，评价煤层气资源和勘探开发潜力，对于拓展我国煤层气开发的新领域和新基地、支撑煤层气产业的快速发展具有实际意义。

针对国内典型低阶煤煤层气盆地，如内蒙古鄂尔多斯、海拉尔、二连[2-4]和新疆的准噶尔、塔里木、三塘湖等[5-7]，学者开展了富集规律和资源潜力探索。然而，受其煤层气勘探程度及资料约束，研究程度总体偏低，特别是二连盆地的低阶煤煤层气研究更为贫乏。二连盆地群含煤凹陷多、含煤面积大、煤层厚度大，煤炭资源丰富，为本区煤层气成藏奠定了物质基础[8]。2016 年9 月，华北油田在二连盆地首次取得了煤层气开发突破[9]，昭示了本区煤层气的开发潜力。巴彦花凹陷为二连盆地重点低阶煤凹陷，煤层气资源量约320 亿m3[10-12]，但对于本区煤层气成藏地质条件、主控因素及资源潜力等方面研究尚未见报道，因此，笔者拟基于对含煤地层煤层气地质信息的提取与分析，通过基础资料和实验数据分析，查明巴彦花凹陷煤层气成藏地质条件，总结巨厚低阶煤储层的关键成藏地质要素，并进一步建立新的低阶煤煤层气资源潜力评价指标和方法，厘定巴彦花凹陷煤层气资源潜力，圈定勘探开发的有利区和目标区，为后期煤层气井位部署提供依据和参考。

1 区域地质概况

二连盆地位于内蒙古中部，为早白垩世断陷盆地。目前，盆地中发现了53 个凹陷，其中约90%的凹陷为半地堑断陷[13]，总体走向为NE 方向，向西和西南逐渐过渡为NEE 和EW 向，长约326 km，宽9～16 km，面积约5 000～6 000 km2。巴彦花凹陷位于乌尼特隆起东部，北邻高力罕凹陷和迪彦庙凹陷，东邻霍林河凹陷，南部为大兴安岭隆起(图1a)。该凹陷整体呈NE—NNE 向展布，为一不对称的向斜构造，轴向NE30°～40°，轴位偏向西北侧。凹陷内部发育次级褶皱构造，规模较小，断层较发育，主要以NE 向正断层为主(图1b)。

图1 巴彦花凹陷位置及构造纲要Fig.1 Location and structural outline of Bayanhua depression

巴彦花凹陷地层由老到新依次主要为：上侏罗统白音高老组(J3b)、下白垩统阿尔善组(K1a)、下白垩统腾格尔组(K1t)、古近系(E3)、新近系(N2)及第四系(Q)，主要含煤地层为下白垩统腾格尔组(K1t)，煤厚分布范围在0.36～107.26 m，平均34.70 m，属于典型的巨厚煤层(图 2)。巴彦花凹陷含煤面积达556 km2，含煤性好，煤层厚度大，部分地区发育单层厚度大于60 m 的巨厚煤层。凹陷内共发育3 个煤组，8 层可采煤层，其中1 煤组2 层、2 煤组4 层、3 煤组2 层，煤层发育比较稳定，煤厚变化小，连续性好。凹陷内发育南部、中部和北部3 个聚煤中心，煤层累厚普遍在50 m 以上(图3)。整体而言，巴彦花凹陷含煤面积较大，煤层厚且发育稳定，为煤层气成藏提供较好的基础。

图2 巴彦花凹陷含煤地层柱状Fig.2 Stratigraphic column of the coal-bearing strata in Bayanhua depression

2 煤岩煤质特征

巴彦花凹陷煤体呈黑褐色，条痕为浅褐–暗棕色，多为弱沥青光泽。宏观煤岩成分以碎屑煤和木质煤为主，可见参差状断口和不平坦状断口，吸水性强，脆度大，易风化。具有层状构造，以3～5 mm 及1～3 mm 的条带状结构为主，偶见小于1 mm 的线理状结构。

选取3 个煤组总计11 块煤岩样品进行了显微组分及工业分析测试(表1)，煤镜质体反射率Rmax为0.37%～0.59%，相当于褐煤—长焰煤，为典型低阶煤。其中1 煤组Rmax为0.37%～0.51%，平均0.42%；3 煤组Rmax为0.42%～0.59%，平均0.45%。随煤层埋深的增加，Rmax有逐渐增加趋势，符合深成变质作用特点。通过煤岩显微组分及工业分析(表1)发现，煤岩显微组分以镜质组(腐植组)(V)为主，体积分数为97.50%～98.80%，平均98.20%；惰质组(I)体积分数为0.97%～1.30%，平均为1.09%；壳质组(E)体积分数为0.22%～1.50%，平均0.71%。煤的水分(Mad)质量分数为7.76%～8.60%，平均9.07%；灰分(Ad)质量分数为22.32%～24.28%，平均23.42%，属于中灰煤；挥发分产率(Vdaf)为44.10%～45.38%，平均 44.83%，为高挥发分煤；全硫质量分数为0.65%～1.11%，平均0.88%，属于低—中硫煤。

3 煤层气成因类型及其与煤层埋深关系

图3 巴彦花凹陷煤层累厚图Fig.3 Accumulative thickness of Bayanhua depression

煤层气成因类型的划分借鉴了天然气成因类型的分类方案，主要依据煤层气成分和甲烷碳、氢同位素组成特征。煤层气主要有生物成因、热成因和混合成因，其中生物气有原生生物气和次生生物气之分，生物气的最显著特征表现在两个方面：一是气组分以甲烷为主，干燥系数较高；二是甲烷碳同位素值较轻[14-15]。在巴彦花凹陷已钻煤层气井中选取不同埋深的12 组气体样品，实测煤层气甲烷碳同位素值介于–62.3‰～–54.1‰，气组分以甲烷为主，干燥系数大于170。将测试数据投入Kotarba 模板[16]中(图4)，显示研究区煤层气为生物成因气和混合成因气，且生物成因气占主导地位，通过对比煤热演化程度，分析得出，在长焰煤阶段生成了少量的混合成因煤层气并保存下来。

进一步探究煤层气成因类型与煤层埋深关系(图5) 发现，巴彦花凹陷煤层气δ13C(CH4)与煤层埋深具有一定的正相关性，线性拟合与δ13C(CH4)=–55‰关系表明，在煤层埋深约1 200 m 处发生了重要转换，即埋深1 200 m 以浅煤层气以生物成因气为主，而1 200 m 以深则存在少量的混合成因气，且与Kotarba 模板分析得出的煤层气成因类型组合一致。

表1 巴彦花凹陷煤岩显微组分及工业分析表Table 1 Macerals and proximate analysis of coal in Bayanhua depression

图4 基于CH4/(C2H6+C3H8)-δ13C(CH4)低阶煤煤层气成因判识(模板据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])

图5 巴彦花凹陷煤层气δ13C(CH4)与煤层埋深关系Fig.5 Relation between δ13C(CH4) of CBM and coal seam buried depth in Bayanhua depression

埋深直接控制煤储层的温度和压力，压力与甲烷吸附量呈正相关，温度与甲烷吸附量呈负相关。两者都随着埋深增加而增大，在达到临界值之前，对吸附量的正效应强于负效应，有利于煤层气富集，之后则变成负效应强于正效应，吸附气的含量降低[17-19]。通过下文分析含气量与埋深的变化关系也得出巴彦花凹陷临界深度约为1 200 m，这恰好与煤层气成因类型的转换深度吻合。

4 煤层气成藏关键地质要素

低阶煤储层与中高阶煤储层相比存在很大差异，煤层气成藏的关键地质条件也不尽相同，低阶煤一般埋深较浅、生气量较低、保存条件差，形成气藏条件更为复杂。烃源岩和保存条件是煤层气富集成藏的基础，前者决定了资源生成潜力，后者决定了资源聚集的有效性，则煤层气成藏的关键取决于地质条件的配置[20-22]。针对巴彦花凹陷的巨厚低煤阶煤储层的特点，总结研究区煤层气成藏关键地质要素。

4.1 煤层厚度

煤厚是影响煤层气富集成藏的重要因素，尤其针对低煤阶煤储层极为重要，一方面煤作为煤层气的烃源岩，煤层厚度越大，生烃母质也就越多，最终生成的煤层气总量就越大；另一方面煤储层本身具有低渗透性的特点，上下煤分层对中部煤储层有很好的封堵效应，厚度越大，保存条件就越好[23]。

巴彦花凹陷共发育3 个煤组，煤层总厚度大，属于典型的巨厚煤层。在平面上，单层厚煤层主要在凹陷中部和北部及向斜轴部发育，具备开发煤层气资源的条件。①1 煤组发育两层主力煤层，在凹陷中部合并，向南北两侧分叉变薄，为大部可采的较稳定煤层，厚度为1.62～26.81 m，平均8.82 m，厚度5 m 以上煤层分布范围广，连续性好，向凹陷中北部厚度逐渐增加(图6a)。② 2 煤组含主要煤储层4 层，第1 层和第4 层发育好，第2 和第3 层发育相对较差。煤层在中部合并，向南北两侧分叉变薄，厚度分布在1.5～78.81 m，平均28.98 m，厚度5 m 以上煤层分布范围最广，连续性最好，是巴彦花凹陷资源量最大的主采煤层(图6b)。③3 煤组主要发育2 层煤，上层煤发育好，下层煤发育一般，也具有在中部合并、向南北两侧分叉的特点。大部可采的较稳定煤层，厚度介于0.25～15.64 m，平均6.36 m，厚度5 m 以上的煤层分布范围较广，连续性较好，主要分布在巴彦花凹陷的中部和北部(图6c)。巴彦花凹陷的2 煤组不仅厚度最大，连续性好，分布范围广，且夹于1、3 煤组之间，保存条件好，具有良好的封闭性，是较好的巨厚煤层气储层。

图6 巴彦花凹陷1、2、3 煤组煤层厚度分布Fig.6 Distribution map of coal seam thickness of No.1,No.2 and No.3 coal group in Bayanhua depression

4.2 煤储层物性特征

本文采用苏联学者霍多特(1966)制定的孔径分类方案[11]：微孔小于10 nm，小孔为10～100 nm，中孔为大于100～1 000 nm，大孔＞1 000 nm。选取28 块煤样进行低温液氮测试，结果表明，巴彦花凹陷煤中大孔和微小孔较发育，中孔发育较少，比表面积为0.807 9～121.431 2 m2/g，平均40.119 6 m2/g。根据吸附–脱附曲线的形态可以将煤样分为3 种类型(图7)：①类型Ⅰ(图7a)的吸附线稳定上升，并在后半段快速上升，脱附线存在明显的滞后环，且在相对压力(p/p0)约为0.5 处存在明显的急剧下降段，孔隙结构以微孔发育为主，孔隙形态以口小肚大的“墨水瓶”型孔为主。② 类型Ⅱ(图7b)的吸附线稳定上升，后半段上升速度出现如类型Ⅰ的典型平台段，孔隙结构以微孔发育为主，孔隙形态多为开放型圆筒孔或平板孔。③类型Ⅲ(图7c)吸附线在相对压力小于0.9 时几乎不上升，相对压力接近1 时急剧上升，吸附–脱附线之间存在微弱的滞后环。

图7 巴彦花凹陷煤样低温液氮吸附–脱附曲线类型Fig.7 Types of low-temperature N2adsorption-desorption isotherms of coal samples in Bayanhua depression

基于3 种类型进一步分析煤样的孔径分布特征(图8)，类型Ⅰ(图8a)的煤样平均孔径小，约为3.9 nm，曲线呈明显的单峰形态，微孔发育，比表面积和孔体积较大，对煤层气吸附有利，但增加了煤层气解吸和扩散的难度；类型Ⅱ(图8b)煤样数量较少，平均孔径大于类型Ⅰ，孔隙为典型的透气性好的微孔隙，对煤层气的吸附、解吸和扩散均有利；类型Ⅲ(图8c)为典型的“双峰”结构，大于10 nm 的小孔较发育，多为透气性较好的平行板孔及尖劈形孔，孔体积较大，比表面积较小[24]。综上可知，巴彦花凹陷煤岩的吸附–脱附曲线以类型Ⅰ为主，类型Ⅱ和类型Ⅲ较少，微孔是比表面积的主要贡献者，小孔是总孔体积的主要贡献者，以细颈瓶型毛细孔为主，部分发育开放型平行板孔、尖劈孔和圆筒孔，有利于煤层气的吸附和储集。

图8 巴彦花凹陷煤样孔径分布特征Fig.8 Pore size distribution of coal samples in Bayanhua depression

与我国中、高阶煤相比，巴彦花凹陷煤储层的孔隙率和渗透性都较好。本文选取不同埋深的25 块煤样进行孔隙率和渗透率实验，基于真视密度计算研究区孔隙率为7.3%～25.1%，平均18.37%。通过全自动孔渗联测仪测试，煤储层渗透率为(0.01～21.8)×10–3μm2，平均4.86×10–3μm2。通过分析不同煤样的孔隙率、渗透率与埋深的变化关系发现，孔隙率、渗透率与埋深之间具有一定的负相关性(图9a，图9b)，由于成岩作用、矿物组成和地层压力的影响，导致随埋深增加孔隙率呈降低趋势，渗透率也具有相同的趋势，负相关性较弱，整体渗透性很好。

4.3 煤储层含气性

巴彦花凹陷含煤段煤层和砂岩层气含量测试结果普遍较高，气测全烃最高值可达11.846 7%，显示出良好的含气性。通过分析62 处气测点的现场实测解吸数据，煤的空气干燥基含气量为1.66～4.45 m3/t，甲烷含量为1.48～4.01/t。在垂向上分析含气量与煤层埋深的关系发现，含气量随着埋深增加具有先增大后减小的趋势(图10)，且在约1 200 m 处达到最高临界值，这也印证了煤层气成因类型的转换深度。分析认为，由于温度和压力对气体吸附的影响，埋深在临界值之上，吸附正效应强于负效应，临界值以深则变为吸附负效应占主导，吸附气含量降低，游离气比例相对增加，因此，该临界深度也是吸附–游离气的转换深度。对于低阶煤储层，根据DZ/T0216—2010《煤层气资源/储量规范》，含气量在1 m3/t 以上具有勘探开发价值[25]，巴彦花凹陷煤储层的含气性很好，具有较大的勘探开发潜力。

图9 巴彦花凹陷煤样孔隙率、渗透率与埋深的变化关系Fig.9 Changes of porosity,permeability and buried depth of coal samples in Bayanhua depression

图10 巴彦花凹陷气含量随深度变化关系Fig.10 Variation of gas content with depth in Bayanhua depression

4.4 水文地质条件

巴彦花凹陷主要发育3 套含水层：第四系潜水含水层、古近系孔隙承压水含水层和下白垩统煤系含水层。其中，大部分地区下白垩统煤系含水层的矿化度小于1 g/L，中南部部分区域矿化度达到1 g/L以上。单位涌水量介于0.009～0.017 L/(s·m)，渗透系数介于0.009 8～0.016 0 m/d。水化学类型较为单一，以HCO3-Na+K 和HCO3-Ca+Mg 型为主(图11)。总体而言，煤系含水层矿化度较低，属弱富水性含水层。

图11 巴彦花凹陷煤层水离子分布(单位：%)Fig.11 Ion distribution of coal seam water in Bayanhua depression

综合考虑煤层水位标高、矿化度和离子类型等参数，将水文单元划分为：径流区和缓流区。前人研究发现缓流区对煤层气成藏和保存有利[26-27]。径流区主要分布于巴彦花凹陷中部和南部，缓流区主要分布于巴彦花凹陷北部(图12)，由此看来，巴彦花凹陷北部水文地质条件更有利于煤层气的成藏和保存。

图12 巴彦花凹陷煤层水径流Fig.12 Coal seam water runoff in Bayanhua depression

4.5 盖层条件

煤储层直接盖层是阻止气体逸散的首道屏障，对煤层气的保存至关重要，直接关系到煤层气成藏的有效性[28]，其岩石类型和岩性组合关系是评价保存条件的核心要素。巴彦花凹陷煤储层顶底板岩性以泥岩、炭质泥岩、粉砂岩为主，局部发育粗砂岩。1 煤组顶板砂岩主要分布在凹陷的中部和南部边界，且范围相对较小，顶板泥岩在全区广泛分布，厚度自SW 向NE 部呈逐渐增大趋势，存在多个泥岩厚度高值区，局部达到14 m 以上，起到良好的封盖作用(图13a)；2 煤组顶板砂岩分布范围小，呈零星点状分布，岩性变化较快，较稳定发育的泥岩基本覆盖全区，厚度较大，SW部达到29 m，NE 部局部在17 m 以上，可以作为全区稳定盖层(图13b)；3 煤组顶板泥岩与砂岩呈片状分布，岩性变化较快(图13c)。在煤层分布范围内，北部和南部区域主要发育砂岩盖层，中部发育较稳定泥岩盖层。

整体上巴彦花凹陷1、2 煤组煤层直接顶板多为泥岩，对煤层气具有很强的封盖能力，有利于煤层气藏的保存，而3 煤组岩性组合有利于形成煤系砂岩气藏。

5 煤层气资源目标区优选

根据上述分析的低阶煤煤层气储层关键成藏地质要素，参考NB/T 10013—2014《煤层气地质选区评价方法》和GB/T 29119—2012《煤层气资源勘查技术规范》制定出适合巴彦花凹陷的低阶煤煤层气综合选区标准(表2)，其中，预测气含量是基于现场实测解吸气含量，通过多元线性回归的数学方法，计算得到含气量的预测值，具有一定的代表性。

根据表2 相关指标均匀选取钻孔控制点，在平面上分别圈定单因素的远景、有利和目标区，然后进行叠加圈定出巴彦花凹陷各主力煤层的煤层气资源远景区、有利区和目标区。1 煤组圈定3 个有利区，2 煤组圈定2 个目标区、3 个有利区，3 煤组圈定1 个目标区、3 个有利区(图14)。计算有利区和目标区内潜在煤层气资源量约80 亿m3。综合分析得出，巴彦花凹陷北部的成藏地质条件最好，是研究区煤层气勘探开发的最优目标区。

6 结论

a.巴彦花凹陷主要含煤地层位于下白垩统腾格尔组，共发育3 个煤组，煤层厚度大，平均厚度分别为8.82 m、28.98 m 和6.36 m，部分地区的单层厚度大于60 m，是典型的巨厚低阶煤储层，煤储层发育面积大，含煤性好，稳定性高，为煤层气成藏提供了有利基础。

b.巴彦花凹陷发育中灰分、高挥发分褐煤和长焰煤，镜质体最大反射率平均为0.44%，显微组分以镜质组(腐植组)为主，平均体积分数97%以上。煤层气成因类型以生物成因为主、混合成因为辅，且生物成因气占主导地位，煤层埋深约1 200 m 为临界深度，临界深度以浅生物气富集，具有较大的资源潜力。

c.低阶煤煤层气储层关键成藏地质要素为煤层厚度、埋深、煤储层物性、含气性、水文地质条件和盖层条件，其中煤厚、埋深、渗透率和含气性尤为重要，据此建立新的低阶煤煤层气资源潜力条件：一般情况下，最优煤储层的累计厚度大于40 m，埋深小于1 200 m，渗透率大于3×10–3μm2，预测含气量大于3 m3/t，水文地质单元为缓流区或弱径流区，且具有良好的盖层条件。

d.巴彦花凹陷煤储层埋深适中，孔、渗性较好，微孔发育，在临界深度以浅，含气性与埋深呈一定的正相关性。含水层矿化度较低，缓流区主要分布于北部。1、2 煤组有利于形成煤层气藏，3 煤组有利于形成煤系砂岩气藏。根据新的资源潜力评价方法，优选出3 个煤组的煤层气资源远景区、有利区和目标区，勘探开发的最优目标区位于巴彦花凹陷北部。

图13 巴彦花凹陷1、2、3 煤组顶板泥岩厚度等值线Fig.13 Isopach of roof mudstone of No.1,No.2 and No.3 coal groups in Bayanhua depression

表2 巴彦花凹陷低阶煤煤层气综合选区评价标准Table 2 Standards for selection of low rank CBM zones in Bayanhua depression

图14 巴彦花凹陷1、2、3 煤组资源潜力综合评价Fig.14 Resouce potential of No.1,No.2 and No.3 coal groups in Bayanhua depression