低煤阶煤层气成藏机制与勘探突破——以吐哈—三塘湖盆地为例

匡立春 温声明 李树新 范谭广 田文广王兴刚 祁 灵 应 勇 毛得雷 李 翔

1.中国石油天然气集团有限公司科技管理部 2.中国石油煤层气有限责任公司3.中国石油吐哈油田公司勘探开发研究院 4.中国石油勘探开发研究院

0 引言

吐哈—三塘湖盆地是典型的低阶煤聚煤盆地，煤系地层分布面积约3.16×104km2，低煤阶煤层气资源丰富，是该盆地天然气勘探开发的重要接替领域。吐哈—三塘湖盆地煤层气勘探始于2000年，经历了早期地质研究、勘探试验、对外合作、排采试验、深层试采、重新评价勘探等过程。前期研究主要注重中浅层煤层气成因与水文地质条件[1-3]，在煤层气富集主控因素、浅部煤层气与深部煤系气富集模式、有利勘探方向等方面缺乏系统研究，煤层气勘探一直未获突破。为此，笔者在梳理吐哈—三塘湖盆地煤层气地质特征的基础上，系统地分析和总结了该盆地煤层气富集主控因素、浅部煤层气和深部煤系气富集成藏模式，明确了浅部煤层气和深部煤系气富集的有利区，以期对该区浅部煤层气和深部煤系气的勘探开发提供参考。

1 煤层气地质特征

1.1 煤层分布特征

吐哈—三塘湖盆地煤层发育且分布广泛，纵向上煤层主要发育于中侏罗统水西沟群西山窑组（J2x）和下侏罗统八道湾组（J1b），以西山窑组为主。吐哈盆地煤层层数最多达到110层，但以1 m左右的薄煤层居多，厚煤层主要分布于西山窑组中上部，煤层单层最厚超过80 m。三塘湖盆地西山窑组煤层层数最多超过15层，厚煤层主要分布于西山窑组中上部，煤层单层最厚超过60 m。平面上，吐哈盆地厚煤层主要发育在台北凹陷北部山前带、沙尔湖凹陷、大南湖凹陷等聚煤中心，台北凹陷煤层发育具有北厚南薄的特征，台北凹陷北部山前带煤层总厚度介于90～216 m。沙尔湖凹陷聚煤中心区煤层累计厚度超过150 m，由东北向西南减薄。大南湖凹陷聚煤中心煤层累计厚度超过50 m，由凹陷中心向四周逐渐减薄（图1）。三塘湖盆地厚煤层主要发育在条湖凹陷、马朗凹陷北部斜坡带、淖毛湖凹陷等聚煤中心，条湖凹陷中部、马朗凹陷北部斜坡煤层最发育，煤层累计厚度超过50 m，淖毛湖凹陷煤层累计厚度一般介于20～40 m，在各凹陷内，厚煤层主要分布在各凹陷中部偏北，向南明显减薄尖灭（图2）。

图1 吐哈盆地侏罗系煤层分布与地层柱状图

图2 三塘湖盆地侏罗系煤层分布与地层柱状图

1.2 煤储层特征

吐哈—三塘湖盆地煤岩类型以暗淡煤为主，其次为半暗煤和半亮煤。煤体结构以原生结构煤为主，其次为碎裂煤。煤岩显微组分具有低壳质组、较低镜质组（腐殖组）和较高惰质组，中—低水分、低灰分、高挥发分等特征（表1）。镜质组（腐殖组）含量在吐哈盆地核桃沟—柯柯亚构造带和疙瘩台构造带南缘地区一般超过60%，其他地区一般介于40%～50%；惰质组含量在核桃沟—柯柯亚构造带和疙瘩台构造带南缘地区一般介于10%～25%，其他地区一般介于35%～50%；壳质组含量在疙瘩台构造带南缘和沙尔湖凹陷较高，一般介于10%～20%，其他地区一般低于5%。

表1 吐哈—三塘湖盆地煤岩组分参数表

吐哈—三塘湖盆地不同地区煤岩孔隙度和渗透率差异较大，主要受埋深影响。吐哈盆地沙尔湖凹陷及大南湖凹陷的东部与西北部、三塘湖盆地条湖凹陷东部和马朗凹陷北部斜坡带煤层埋深较浅，煤岩基质孔隙度一般超过8%，其他地区煤层埋深一般大于1 000 m，煤岩基质孔隙度一般小于6%（表2）。煤岩渗透率主要受煤层埋深和煤体结构影响，随煤层埋深增大渗透率降低，埋深小于1 000 m的煤层渗透率介于3～5 mD；原生块状结构的煤岩渗透性不及碎裂结构煤，主要由于碎裂煤裂隙较原生块状煤发育。另外，镜质组（腐殖组）含量比较高的煤岩割理比较发育，可改善煤岩的渗透性。

表2 吐哈—三塘湖盆地煤岩储层参数表

吐哈—三塘湖盆地煤岩热演化程度（Ro）总体随埋藏深度增加而增加，吐哈盆地台北凹陷南缘、沙尔湖凹陷、大南湖凹陷和三塘湖盆地大部分地区的煤层埋藏小于1 500 m，Ro一般小于0.65%，吐哈盆地台北凹陷核桃沟—柯柯亚构造带最大埋深超过4 000 m，Ro可达 1.00%（表2）。

1.3 煤层含气性特征及其成因

吐哈盆地煤岩实测含气量介于0.15～7.24 m3/t，三塘湖盆地煤岩含气量介于1.71～10.00 m3/t，含气量高的地区主要分布于吐哈盆地台北凹陷的核桃沟—柯柯亚构造带以及三塘湖盆地马朗凹陷北部斜坡带、淖毛湖凹陷（表2）。

统计吐哈—三塘湖盆地主要煤层地区气井的煤层气实测气组分与同位素数据（表3），通过煤层气成因判识图版判别，发现吐哈—三塘湖盆地低煤阶煤层气成因类型主要为生物气、运移热成因气（图3-a）。生物气生气途径以二氧化碳还原型气为主，未发现乙酸发酵型气（图3-b）。从分布区域来看，吐哈盆地南部沙尔湖凹陷、大南湖凹陷等地区为生物成因气，推测为早期原生生物气，含气量一般低于1.00 m3/t；三塘湖盆地的马朗凹陷北部斜坡带和条湖凹陷具有二氧化碳还原型生物成因和运移热成因特征的混合成因（图3）。

表3 吐哈—三塘湖盆地煤层气组分与同位素数据统计表

图3 吐哈—三塘湖盆地煤层气成因判识图

2 煤层气富集主控因素

2.1 古地貌与古环境控制煤层发育程度

受古地貌和古环境控制，吐哈盆地台北凹陷、大南湖凹陷和沙尔湖凹陷，以及三塘湖盆地条湖凹陷和马朗凹陷北部斜坡带主要发育辫状河三角洲和湖泊沼泽沉积体系，煤层稳定发育，厚煤层大多分布在最大湖泛面附近的湖侵体系域末期和高位体系域早期，该时期较快的可容空间增加速率与较快的泥炭堆积速率之间平衡，有利于厚煤层的聚集[6]。吐哈盆地南部为河流和扇三角洲沉积体系，煤层主要发育于河漫沼泽、扇三角洲前缘滨湖沼泽，煤层厚度小、横向变化快。

纵向上，吐哈盆地和三塘湖盆地具有相似的沉积特征。八道湾组主要发育河流沉积体系，砂岩发育，煤层主要发育在八道湾组的中下部，煤层层数多，单层薄，与砂岩互层；西山窑组主要发育三角洲、湖泊沉积体系，主力煤层位于西山窑组中上部，煤层厚度大且分布稳定。

2.2 稳定的正向构造控制煤层气富集程度

吐哈—三塘湖盆地煤层气受局部构造控制明显。吐哈盆地存在7个气测异常高值区，都对应着7个正向构造带，分别为核桃沟—柯柯亚、鄯勒、照壁山—红旗坎、鄯善—温吉桑、疙瘩台、条湖凹陷东部—马朗凹陷北部斜坡带和条湖凹陷中部等正向构造带。柯柯亚—核桃沟构造带气测全烃值介于20%～50%，最高值为 85%（H6 井井段 1 410 ～ 1 416 m），鄯善—温吉桑构造带气测全烃值介于20%～80%，照壁山—红旗坎构造带气测全烃值介于10%～50%，疙瘩台构造带气测全烃值介于20%～60%。构造高部位断层不发育，气测异常高值区主要分布于构造较高部位，向构造翼部气测异常值降低，表明稳定的正向构造是煤层气富集指向区，煤层气相对富集。

2.3 顶底板稳定的泥岩封盖条件是煤层气富集的必要条件

顶底板的封闭性取决于其岩性和厚度。对于大部分煤层气藏来说，煤储层基本为欠压—正常压力，因此，盖层厚度3 m即可封闭甲烷的垂向运移。吐哈—三塘湖盆地煤层顶底板岩性分布主要受控于盆地内沉积环境的变迁，条湖凹陷东部—马朗凹陷北部斜坡带、条湖凹陷中部、核桃沟—柯柯亚、鄯善—温吉桑、疙瘩台等构造带顶底板岩性主要为泥岩和碳质泥岩，起到很好的封闭作用；局部地区发育辫状河三角洲前缘砂体，封闭能力变差，钻井过程中砂岩段易见气测异常和油气显示，如K19井井段3 180～3 395 m煤层间砂岩油气显示较好，常规试气日产气量为12 742 m3；条湖凹陷东斜坡、条湖凹陷南缘、汉水泉凹陷南缘、托克逊凹陷北部构造带等地区顶板或底板或顶底板岩性以砂岩为主，对煤层气的封闭性较差，钻井过程中气测显示较少甚至无，表明煤岩含气量较小，煤层气富集程度低。

2.4 地表水补给是晚期生物气生成和富集的关键

充足的地表水补给不仅有利于中低煤阶煤层晚期生物气的生成，还可以形成承压水封堵，有利于煤层气的保存。低煤阶煤层气热成因生气量不足，晚期生物气补充尤为重要。美国粉河盆地、澳大利亚苏拉特盆地都存在晚期生物气的补充[7-8]；中国准噶尔盆地南缘东段阜康—大黄山地区、鄂尔多斯盆地彬县地区和保德地区、二连盆地霍林河凹陷和吉尔嘎朗图凹陷等中低煤阶煤层气富集有利区也都存在晚期生物气的补充[9-14]。

吐哈盆地南部和北部水文地质条件差异明显。盆地南部缺乏地表水的补给，干旱气候导致该区潜水面不断加深，矿化度持续升高，沙尔湖凹陷煤层水矿化度超过 30 000 mg/L，水型为 CaCl2型（表4），不利于晚期生物气的生成，煤层含气量0.15～3.19 m3/t，一般小于1.00 m3/t。另外，由于缺少承压水封堵，大南湖凹陷、沙尔湖凹陷等地区甲烷风化带深度超过1 000 m。盆地北缘存在冰雪溶水补充，地层水矿化度一般介于 3 000 ～ 7 000 mg/L，水型为NaHCO3型（表4），有利于晚期生物气生成，并可形成承压水封堵，有利于煤层气保存，该区煤层含气量较高，如核桃沟—柯柯亚构造带实测含气量一般可达 7.00 m3/t。

表4 吐哈—三塘湖盆地水文地质参数统计表

三塘湖盆地周缘部分山系常年积雪，冰雪溶水沿盆地边缘断裂渗入煤层，煤层水矿化度较低，一般介于 1 000 ～ 11 000 mg/L（表4），有利于晚期生物气生成，马朗凹陷北部斜坡带既有生物成因气又有热成因气（图3）。T15井煤岩Ro介于0.39%～0.46%，煤层甲烷δ13C介于－52.6‰～－53.1‰，煤层中存在晚期生物气源和热成因气补充[15]。另外，地表水的持续补给，形成承压水封堵，有利于煤层气保存[1]。三塘湖盆地甲烷风化带深度一般介于400～1 000 m[16]，条湖凹陷和马朗凹陷甲烷风化带深度一般介于300～400 m，最深不超过600 m，煤岩含气量一般高于 3.00 m3/t，最高可达 7.00 m3/t（表2）。

3 煤层气成藏模式

根据构造背景、埋藏深度、煤岩发育程度和组合关系、气成因和水文地质条件，构建了吐哈—三塘湖盆地4种煤层气成藏模式。

3.1 缓坡区多气源补给煤层气成藏模式

以三塘湖盆地为例，西山窑组煤层主要位于盆地北部斜坡区，北部露头区接受大气降水和冰雪融水补给，充足的地表水补给有利于晚期生物气的生成[13]。同时，该区深部煤岩Ro达到0.80%，热模拟结果表明，每吨煤热成因生气量超过18 m3[14]。三塘湖盆地马朗凹陷北部斜坡带、条湖凹陷中部洼槽区甲烷δ13C介于－64.1‰～－52.6‰，甲烷δD介于－268‰～－215‰（表3），显示具有混合成因气的特征（图3），表明热成因气和晚期生物气在斜坡区弱径流—滞留的承压水封闭条件下富集成藏（图4）。在洼槽区靠近凹陷陡带一侧，由于受到扇三角洲沉积影响，煤层顶底板为砂岩，其封盖作用变差，煤层气发生纵向逸散作用，含气量降低，形成煤层气低丰度区。

图4 盆地缓坡区多气源补给煤层气成藏模式图

3.2 山前带复杂断块浅层煤层生物气、深部砂煤共储煤系气成藏模式

吐哈盆地台北凹陷北部山前带浅部煤层热演化程度较低，受北部山前带冰雪融水补给，地层水矿化度相对较低，水型以NaHCO3型为主，适合生物成因气大量生成，甲烷δ13C介于－62.97‰～－63.69‰，煤层气以生物成因气为主，局部存在热成因气补充。深部煤岩已进入热成因生气阶段，煤层气测全烃值整体随着热演化成度增加而增大，煤层含气量受热成熟度控制明显。同时，煤层气通过断层等通道向附近砂岩层运移，离煤层越近的砂岩，气测全烃值越高，形成山前带复杂断块区浅层煤层气、深部砂煤共储煤系气成藏模式（图5）。核桃沟—柯柯亚构造带已在煤层和砂岩层中获得气流，形成砂煤共储煤系气富集，可进行煤系气综合勘探。

图5 山前带复杂断块区浅层煤层生物气、深部砂煤共储煤系气成藏模式图

3.3 残余凹陷深部洼槽区煤层气成藏模式

吐哈盆地南部发育多个独立的侏罗系残余含煤沉积凹陷。以沙尔湖凹陷为例，该凹陷东洼槽沉积了巨厚的煤层，煤岩演化程度低，Ro一般低于0.60%，未进入热成因气大量生气阶段，同时该区南部紧邻戈壁滩，气候干旱，缺乏地表水的补充，地层水矿化度较高，最高达到36 277 mg/L，水型为CaCl2型，不利于晚期生物气生成；潜水面较深，煤层风氧化带的深度达500～800 m，煤层含气量一般小于1.00 m3/t，凹陷深部洼槽区煤岩Ro介于0.35%～0.47%，甲烷δ13C介于－61.00‰～－58.40‰，为早期原生生物气[1,17]（图6）。

图6 残余凹陷深部洼槽区煤层气成藏模式图

4 煤层气勘探成效及有利勘探方向

4.1 勘探成效

基于以上认识，吐哈—三塘湖盆地煤层气勘探试验区域由煤层埋深较浅的哈密凹陷、沙尔湖凹陷、艾丁湖斜坡向煤层埋深较深的台北凹陷和三塘湖盆地转移。优选三塘湖盆地马朗凹陷北部斜坡带钻探T1井组（8口井），其中T1井钻遇西山窑组煤层单层厚度为39.8 m，现场解吸原煤基含气量平均值为4.17 m3/t，空气干燥基含气量平均值为4.69 m3/t，已排采 1 300 d，累计产气量超过 22×104m3。T1-5井对井段 1 083 ～ 1 085 m、1 092 ～ 1 094 m、1 121～1 123 m进行活性水加砂压裂，最高日产气量 2 297 m3（图7）。T1-6 井井段对 1 009 ～ 1 013 m、1 042～1 044 m进行活性水加砂压裂，最高日产气量为1 467 m3。T1井组8口井全部产气，前期平均单井日产气量超过700 m3，目前，井组已累计生产800 d，累计产气量超过 250×104m3。吐哈—三塘湖盆地首次获得煤层气工业气流，取得煤层气勘探的实质性突破，证实低煤阶厚煤层煤层气具有良好的勘探开发前景，对该区煤层气和煤系气资源的勘探开发具有重要的导向意义。

图7 T1-5井排采曲线图

4.2 煤层气有利勘探方向

结合吐哈—三塘湖盆地煤层气勘探实践，选取单煤层厚度、含气量、资源丰度、埋藏深度、顶底板条件、构造、水文条件等参数，评价出三塘湖盆地条湖凹陷—马朗凹陷北部斜坡带、吐哈盆地台北凹陷北部山前带西段浅层为煤层气最有利目标区，吐哈盆地沙尔湖凹陷东洼槽区、三塘湖盆地淖毛湖凹陷东部是煤层气较有利目标区（图8）。

图8 吐哈—三塘湖盆地煤层气勘探有利区分布图

在煤层气评价基础上，综合考虑煤系沉积相带、砂岩料度、物性、有效厚度、构造圈闭、油气显示等参数，评价吐哈盆地台北凹陷核桃沟—柯柯亚、鄯勒、照壁山—红旗坎、鄯善—温吉桑、疙瘩台构造带以及三塘湖盆地条湖凹陷中部构造带是煤系气富集有利区（图8）。

另外，研究结果表明，吐哈—三塘湖盆地2 000 m以深的煤层气地质资源量为10.60×1012m3，可采资源量为1.55×1012m3[18]。随着美国Piceance盆地白河凸起深部煤层气开发先导性试验取得成功[19-20]，我国鄂尔多斯盆地临兴、延川南等中深层煤层气实现规模效益开发[21-23]，准噶尔盆地白家海凸起、鄂尔多斯盆地大宁—吉县区块深部8号煤层等深部煤层气试采不断获得突破[24-25]，展示吐哈—三塘湖盆地深部煤层气资源也具有良好的勘探开发前景。

5 结论

1）吐哈—三塘湖盆地古地貌和古环境控制煤岩的发育程度，煤岩演化程度控制煤层气的成因和含气量，稳定的正向构造是煤层气富集指向区，顶底板稳定的泥岩封盖条件是煤层气富集的必要条件，地表水补给是晚期生物气生成和富集的关键。

2）吐哈—三塘湖盆地可划分出缓坡区多气源补给煤层气成藏、山前带复杂断块浅层煤层气、深部砂煤共储煤系气成藏以及残余凹陷深部洼槽区煤层气成藏4种成藏模式。

3）三塘湖盆地条湖凹陷—马朗凹陷北部斜坡带、吐哈盆地台北凹陷北部山前带西段浅层是煤层气最有利目标区；三塘湖盆地淖毛湖凹陷浅层、吐哈盆地沙尔湖东洼槽区是煤层气较有利目标区；吐哈盆地台北凹陷核桃沟—柯柯亚、鄯勒、照壁山—红旗坎、鄯善—温吉桑、疙瘩台构造带以及三塘湖盆地条湖凹陷中部构造带是煤系气富集有利区。

4）低煤阶厚煤层煤层气可以获得高产工业气流，吐哈—三塘湖盆地深部煤层气资源具有良好的勘探开发前景。