海拉尔盆地呼和湖凹陷大二段低煤阶煤层气成藏条件及有利勘探区预测

马文娟

（中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712）

0 引 言

低煤阶煤层气开发已成为目前世界各国发展新能源的趋势之一［1‐4］。美国汾河和澳大利亚苏拉特等盆地煤层气的成功开发表明［5］，低煤阶煤层气多以生物成因为主，早期热成因为辅。由于低煤阶煤成岩作用差、煤层总厚度大、原始孔隙发育，所以大多无需进行压裂改造就可获得较好的经济效益。因此低煤阶煤层气具有巨大的开发潜力。中国煤层气地质资源量达36.80×1012m3［6］，低煤阶煤层气资源量约占煤层气总资源量的40%，这些低阶煤储层分布广泛，在东北地区的海拉尔、二连和阜新等盆地都含有丰富的低阶煤资源。特别是海拉尔盆地大二段，具有煤层厚度大、平面分布范围广、有机质成熟度低的特点［7］。由于目前尚未对海拉尔盆地大二段开展低煤阶煤层气富集规律的针对性研究，所以煤层气的富集主控因素尚不清楚，认识主要停留在煤层分布研究上，因此通过深化海拉尔盆地大二段低煤阶煤层气成藏条件和有利区带研究，有助于解决海拉尔大二段低阶煤层气勘探选区的瓶颈问题，对实现海拉尔盆地煤层气资源的规模发现，具有重大意义。

本文主要通过对呼和湖凹陷大二段低阶煤煤层气分布特点、沉积环境、构造特征和水文地质特征等方面的分析，探讨凹陷低煤阶煤层气成藏条件，初步建立了凹陷边缘斜坡带成藏模式和凹陷边部局部构造高点的局部构造成藏模式。并依据这两种成藏模式的各自优点及特性，对呼和湖凹陷低煤阶煤层气有利勘探区带和下一步勘探方向进行了深入研究，划分的有利勘探区带，可对海拉尔盆地未来低煤阶煤层气勘探提供一定的理论支持。

1 区域地质背景

呼和湖凹陷在构造上为海拉尔盆地东南部的次一级负向构造单元［8］。具有东西分带的构造格局，从西向东总体上发育西部缓坡带、中部断阶带、中部凹陷带、东部陡坡带（图1（a））。沉积地层以白垩系为主，地层由老到新为：塔木兰沟组、铜钵庙组、南屯组、大磨拐河组、伊敏组、青元岗组［9］（图1（b））。

图1 呼和湖凹陷构造及地层综合柱状图Fig.1 Stratigraphic column of Huhehu Sag

海拉尔盆地低煤阶煤在呼和湖凹陷大二段最为发育，其镜质体反射率大多小于0.5%，以褐煤为主，还有极少量的长烟煤。煤层气成因类型以生物成因气为主。煤层总体具有单层厚度大、资源丰度高、渗透性较好的特点［10］。

2 煤层发育及含气性特征

呼和湖凹陷煤层十分发育（表1），煤层累计厚度最高可达231.8 m，其中大二段煤层最为发育，几乎遍布全盆地，其中南部累计厚度较大，煤层累计厚度均在50 m 以上，大二段单层厚度最小为22 m（图2），从厚度规模上看，呼和湖凹陷大二段具备了形成规模性煤层气资源的有利条件。呼和湖凹陷大二段埋深为800~1 500 m，目前，国内外煤层气经济开发深度一般在1 200 m 以上，所以大二段是呼和湖凹陷煤层气勘探重点层位。

图2 呼和湖凹陷大二段煤层厚度Fig.2 Coal seam thickness of Member K1d2in Huhehu Sag

表1 呼和湖凹陷钻井煤层厚度Table 1 Drilled coal seam thickness in Huhehu sag

由于呼和湖凹陷在大二段沉积后期构造演化中被持续抬升并剥蚀，致使煤岩的有机质演化程度低。HM1 井、HM2 井煤岩均以半暗煤为主，含少量亮煤，煤体结构以块状为主，割理不发育。从HM2 井取心的煤岩样品看出，煤质疏松、易碎、成岩变质强度差（图3）。从煤岩镜下照片（图4）上看，煤层多发育中—大孔，以胞腔孔为主，且非均质性较强。

图3 HM2井煤岩岩心照片（934.11~934.37 m）Fig.3 Core photo of coal rock of Well HM2（934.11~934.37 m）

图4 HM1井K1d2石墨晶间缝照片(943.02 m)Fig.4 Photo of K1d2 graphite intercrystalline fractures in Well HM1(943.02 m)

目前从呼和湖凹陷仅有的2 口煤层气井钻井实验数据来看（表2），HM1 井空气干燥基含气量为1.03~3.17 m3/t，平均为2.12 m3/t；HM2 井空气干燥基含气量为1.50~4.29 m3/t，平均为3.19 m3/t。2 口井含气量都具有一定范围内随着煤层埋深增加而增大的趋势，整体含气量低，属于低含气量煤层。HM1 井吸附饱和度为31.87%~58.19%，平均为44.59%；HM2 井吸附饱和度为40.56%~80.12%，平均为53.77%。总体上来看，HM1井的吸附饱和度偏低，而HM2 井的含气饱和度相对高，部分煤样达到了中等饱和度。HM1 井临界解吸压力为1.42~3.09 MPa，平均值为2.11 MPa；HM2 井临界解吸压力为1.80~4.75 MPa，平均值为2.85 MPa。HM1 井理论含气量为3.23~6.29 m3/t，兰氏体积为5.26~9.30 m3/t；HM2 井理论含气量为2.47~6.12 m3/t，兰氏体积为3.68~9.54 m3/t。总的来说，HM2 井的吸附能力好于HM1井。

表2 呼和湖凹陷煤层含气特征Table 2 Gas-bearing characteristics of coal seams in Huhehu sag

通常情况下，煤岩吸附能力与孔隙大小关系密切，变质程度较高的煤岩多发育小孔和微孔，吸附能力较强。低煤阶以中—大孔为主，吸附能力较弱，大孔隙为游离气提供了存储空间。因此呼和湖凹陷煤层虽然物性好，但是吸附能力较差（图5），这也是吸附气含量低的主要原因［11］。

图5 呼和湖凹陷大二段煤层吸附气量平面分布Fig.5 Areal distribution of adsorbed gas amount in Member K1d2 coal seam of Huhehu Sag

3 煤层气成藏条件

3.1 沉积环境

沉积环境主要影响煤岩的原始基础特性，控制煤层厚度、煤层分布和煤岩顶底板岩性等多方面，为煤层气生成提供物质来源和煤层气生成后的保存条件。

一般情况，三角洲相等水陆交互沉积环境中煤层的厚度较大，煤层分布也较稳定；浅海环境下一般成煤厚度小，面积较大。就煤层气成藏的沉积环境而言，通常是三角洲相、长期稳定的断陷和坳陷盆地等湖泊充填环境最有利于煤层气的成藏［12］。钻井和三维地震资料揭示，呼和湖凹陷大二段无论是高位域还是低位域，其沉积除了冲积平原外，其余皆以滨浅湖和三角洲沉积为主（图6），均有利于煤层形成与发育，这也是目前大二段钻遇到较大厚度的根本原因，为煤层气形成奠定了物质基础。

图6 呼和湖凹陷大二段沉积相平面Fig.6 Areal distribution of sedimentary facies in K1d2 of Huhehu Sag

3.2 构造

构造特征对于煤层气成藏的各个环节、含煤盆地的形成及演化等方面有着至关重要的控制作用。从理论上来说，凹陷带是煤层气成藏的主要构造单元，其发育的煤层厚度一般较大［13‐14］。通过呼和湖凹陷构造格局和大二段已发现煤层的分布（图2）可看出，中部凹陷带煤层厚度大，有利于煤层气成藏，而缓坡带与断阶带煤层不发育，不利于煤层气成藏。

断裂对煤层气成藏的影响是多方面的。断层对煤层气成藏的影响程度与断层规模及性质有关。从断层规模来看，断层规模小，构造环境稳定，则有利于煤层气成藏；反之断层规模大，则不利于煤层气成藏。从断层性质来看，正断层、拉张走滑断层等张性断层的断层面为开放性，是煤层气运移逸散的有利通道，虽不利于煤层气保存，但会使煤层的渗透性变好，便于开采；而逆断层、压性走滑断层等压性断层的断层面为封闭性，虽然可以通过增大煤层气压力，使煤层含气量大大增加，并有利于煤层气保存，但不利于煤层气的运移，并导致开采难度增加。

呼和湖凹陷大二段整体上呈现出向边部地层逐渐抬升的凸凹相间的构造面貌，凹陷两侧形成两条北东走向的缓坡带。在构造带的转折部位发育一些小型的正断层（图7），发育规模较小。这些缓坡带通常在伊敏组沉积后基本定型。正断层也基本消失在伊敏组末期，因此对煤层气的富集成藏影响较小。由于伊敏组主要岩性是泥岩，因此断层封闭性较好。相对稳定的构造环境有利于呼和湖凹陷大二段煤层气成藏。

图7 过HM2井地震剖面Fig.7 Seismic section through Well HM2

3.3 水文地质

由于低煤阶煤层气主要为次生生物气，那么充足的淡水作为补充是煤层气成藏必不可少的条件之一。呼和湖凹陷大二段镜质体反射率只有0.3%~0.5%，尚未达到热成因气的生成阶段，但凹陷周边地层抬升甚至直接出露，有利于地表水的侵入，所以在凹陷两侧有利于含有甲烷菌地下水的渗入。

淡水的快速补充加上煤层埋深较浅，促进次生生物气的生成，使煤层具有高含气性，有利于促进浅部的煤层气富集成藏。

钻井数据表明，呼和湖凹陷大二段地层水总矿化度为3 000~8 000 mg/L，这种矿化度的地层水有利甲烷菌活动，利于形成生物成因气。在斜坡部位地表水与地下水交融的区带，生物成因气占主导地位，说明煤层气中以生物成因气为主。水动力活跃，对煤层气的富集起到一定的促进作用。

目前大二段地层水资料有限，特别是凹陷斜坡部位的地层水矿化度和压力资料较少，以目前掌握资料分析，硫酸根离子质量浓度为50~1 000 mg/L，有利于甲烷菌活动和生物成因气生成，说明呼和湖凹陷大二段具有较好的煤层气成藏水文条件。

4 煤层气成藏模式

4.1 局部高点富集

局部高点富集成藏模式主要针对于浅埋低煤阶煤层，低煤阶煤层气主要以生物成因气为主。低煤阶煤层孔隙度相对较大，水动力作用相对较强。在水动力作用下，甲烷菌由高势区向低势区运移，使得低势区的甲烷菌不断得到补充。在低压的作用下，一些煤层气往往会发生解吸作用而变为游离气，呈游离状态的煤层气一部分沿煤层运移，在浮力的作用下富集于常规背斜圈闭形成煤层气藏。

呼和湖凹陷边部的局部构造高点成为有利的煤层气聚集圈闭，位于构造高部位的HM2 井钻探见到较好的显示，说明局部构造高点是低煤阶煤层气聚集成藏的有利部位（图8）。

图8 呼和湖凹陷大二段低阶煤层气成藏模式Fig.8 Accumulation patterns of low-rank coalbed meth‐ane in K1d2 of Huhehu Sag

4.2 凹陷边缘斜坡带富集

由于低煤阶煤以基质孔隙为主，游离气在低煤阶煤层气中占据一定的比例。另外低煤阶煤层气的生成条件和保存条件对于其富集成藏至关重要，凹陷边缘斜坡带成藏主要是由于构造翼端上部接受地表融水的补给，核部地下水滞留区又为水动力圈闭提供必要条件，在构造斜坡地下水和地表水交融的部位，有利于水溶气脱气和游离气的相对富集。所以在构造斜坡部位，通常也是煤层气有利聚集部位（图8）。

5 有利区带预测

综合上述分析，认为呼和湖凹陷大二段低煤阶煤层气具有较好的勘探前景。将煤层厚度、埋深和含气性特征等因素以及沉积环境、构造、水文地质等煤层气成藏条件，将大二段划分了Ⅰ类、Ⅱ类有利区（图9）。

图9 呼和湖凹陷大二段煤层气成藏有利区预测Fig.9 Prediction of favorable areas for coalbed methane accumulation in K1d2 of Huhehu Sag

I 类有利区的划分标准为煤层累计厚度大于40 m，埋深小于1 200 m，含气量大于3 m3/t，位于构造高部位或者斜坡部位，面积为251.97 km2。II类有利区的划分标准为煤层累计厚度大于30 m，埋深1 200~1 500 m，含气量大于3 m3/t，位于凹陷边缘部位，面积为199.06 km2。

6 结 论

（1）海拉尔盆地的呼和湖凹陷煤层在大二段最为发育，最大累计厚度可达到100 m 以上，几乎全盆地发育，是呼和湖凹陷煤层气勘探重点层位。

（2）呼和湖凹陷大二段无论是高位域还是低位域，其沉积除了四周冲积平原外其余皆以有利于煤层气成藏的滨浅湖相和三角洲相沉积为主。呼和湖凹陷大二段具有断层发育规模较小、构造环境相对稳定的构造特征，其中部凹陷带是有利于煤层气成藏的主要构造单元。凹陷中大二段地层水总矿化度为3 000~8 000 mg/L，有利于形成生物成因气。呼和湖凹陷大二段的沉积环境、构造特征和水文地质是呼和湖凹陷大二段煤层气形成所需的主要条件。

（3）初步建立了呼和湖凹陷大二段的2 种煤层气成藏模式，分别是呼和湖凹陷大二段边部的局部构造高点富集成藏模式和凹陷边缘斜坡带附近存在的富集成藏模式。

（4）基煤层厚度、埋深和含气性特征等因素和沉积环境、构造、水文地质等煤层气成藏条件，将呼和湖凹陷大二段划分了Ⅰ类、Ⅱ类有利区。其中Ⅰ类有利区埋深小于1 200 m，含气量大于3 m3/t，面积为251.97 km2，位于构造高部位或斜坡部位；Ⅱ类有利区埋深为1 200~1 500 m，含气量大于3 m3/t，面积为199.06 km2，位于凹陷部位。