2. 中国石油煤岩气重点实验室;
3. 国家能源页岩气研发(实验)中心;
4. 中国石油长庆油田勘探开发研究院
2. PetroChina Key Laboratory of Coal Rock Gas;
3. National Energy Shale Gas R&D (Experiment) Center;
4. Research Institute of Exploration & Development, PetroChina Changqing Oilfield Company
自2019年以来,深部煤岩气勘探开发逐步引起大家重视,大宁—吉县埋深大于2000m煤岩气勘探获得突破,吉深6-7平01井实施水平井分段体积改造后获得日产10×104m3工业气流,大宁—吉县区块探明深部煤岩气地质储量1121.62×108m3 [1-2],揭开了深部煤岩气大开发的序幕。深部煤岩气的深度界线目前业内没有形成统一认识,部分学者认为以1500m为界,大部分认为以2000m为界,本文通过调研,发现2022年以来鄂尔多斯盆地米脂、纳林河、榆林等地区埋深大于2000m的深部煤岩气通过水平井分段体积改造不断获得高产工业气流,勘探开发深度达到3500m,2000m以下深度范围游离气更加丰富,投产即见气,有别于中—浅层1500m以浅的煤岩气,因此本文认为以2000m作为深部煤岩气的界定深度更为合适。目前,深部煤岩气已经成为我国煤岩气产业发展的重要接替领域。
鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系本溪组、太原组和山西组煤岩广泛发育,厚度不均,多套煤岩并存。其中,8号煤岩和5号煤岩在整个盆地内稳定发育,不仅是本地区山2段和盒8段致密气的重要烃源岩,也是煤岩气勘探开发的主要目标层位[1]。在成藏条件方面,深部煤岩气与浅层煤层气存在差别[3-4],主要表现在深部煤岩埋深大,地层压力、温度高,煤层含气量较高,地层水矿化度较高,深部煤岩气具有“广覆生烃、自生自储、毯式成藏”的特征,深部煤岩气存在含气量变化临界深度,超过该深度煤岩中游离气开始迅速增加[5],深部煤岩气成藏存在地质选择过程及耦合效应[6]。在成藏模式方面,由于煤岩孔隙以裂缝、微孔为主,按照压力和构造等要素可以将煤岩气成藏模式划分为多煤层连续性富集成藏模式[7-12]和内生外储型富集高产模式[12-13]。也有根据沉积、构造、水动力等条件提出五要素的协同控气认识[14-15]。鄂尔多斯盆地东北边缘因为受到侵入岩体影响产生了中央隆起带、环形褶皱带、单斜构造带等构造形态,并形成了多类型成藏模式[16]。在煤岩气成藏地质要素方面,煤岩含气量受温度、压力耦合作用影响,层序格架、流体能量和岩石力学是控制煤岩气含气分布的关键要素,煤岩含气量和渗透率的耦合作用是高丰度煤岩气富集区形成的机制 [17]。刘大猛等认为沉积条件控制了煤岩组成、煤岩分布和顶底板组合[18],杨兆彪等认为构造活动、水文地质、岩浆等控制煤岩气成藏[19],乔李华等提出了制约深部煤岩气勘探开发的地质关键问题,明确了主控因素与勘探方向[20-25]。以上研究从不同视角和地质控制因素对中—浅层煤岩气的成藏规律进行了系统总结,涵盖了成藏机制、分布特征及影响因素等多个方面。然而,对于深部煤岩气成藏规律的认识,目前主要集中在总结成藏类型划分、成藏模式分类和控制因素等方面,如将煤岩气成藏类型划分为微幅构造型、斜坡型等类型,将成藏模式划分为岩浆侵入型、向斜与水力封堵型、缓倾单斜与岩性封堵型成藏模式,将控制因素总结为沉积埋藏、构造活动、水文地质、岩浆热液等因素。尽管这些研究为我们提供了重要的基础认识,但关于深部煤岩气孔隙特征及其成因的研究却相对较少,结合先进的分析技术,如扫描电子显微镜对深部煤岩气的孔隙结构进行详细观测和分析,探讨不同地质条件下孔隙特征的成因机制,可以加深对深部煤岩气资源的全面理解。
本文依据近年来深部煤岩气钻井新资料和新成果,在深部煤岩气成藏地质条件分析的基础上,重点分析了深部煤岩中气孔、成因及成藏特征,并针对深部煤岩气成藏特征,提出深部气孔型煤岩气藏成藏特征和成因机制,可以进一步深化对深部煤岩气成藏的认识,加快推动深部煤岩气勘探开发。
1 区域地质特征 1.1 地质演化与构造特征鄂尔多斯盆地位于华北克拉通古老基底之上,作为华北板块不可或缺的组成部分,先后历经中—新元古代坳拉谷的复杂演化进程、古生代克拉通坳陷的沉积作用及中—新生代内陆盆地的演变阶段,从而构建起相对完整的中—新元古界至下古生界海相沉积层序[26-27]。鄂尔多斯盆地可以进一步划分为6个次级构造单元(图 1),具体包括西缘冲断带、天环坳陷、伊盟隆起、伊陕斜坡、渭北隆起及晋西挠褶带[28]。
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图 1 鄂尔多斯盆地构造单元划分图(a)及地层柱状图(b) Fig. 1 Division of structural units (a) and stratigraphic column (b) in Ordos Basin |
从石炭纪到二叠纪,鄂尔多斯盆地沉积环境逐步由海陆过渡相演变为河流相,本溪组和太原组沉积期形成了石灰岩、砂岩、泥岩、煤岩交替的沉积层系,如本溪组8号煤岩厚度大、分布广。山西组河流相及湖泊相沉积环境转变期也有煤岩发育,不过稳定性相对较差,如山西组5号煤岩。总体上,盆地北部和东部煤岩厚度大、层数多,西部和南部煤岩相对较薄、层数较少。
在燕山期,鄂尔多斯盆地内部西南部和北部区域也发生了局部性的岩石圈减薄现象,周边区域历经了强烈的构造运动,且伴随多处岩浆侵入事件,诸如银川北部的侵入岩体、伊盟隆起保尔斯太沟的玄武岩体、龙门古隆起的隐伏岩体、临县西北的紫金山碱性杂岩体及交城西北的狐偃山碱性侵入岩体[29-30],加速了以庆阳为中心的高成熟烃源岩的形成。
1.2 全盆地煤岩发育,深部厚度分布稳定鄂尔多斯盆地本溪组8号煤岩主要分布在2000m以深范围,主要沉积环境为潟湖—潮坪相沉积,煤岩形成于上述环境的泥炭沼泽化过程(图 2)。受沉积环境区域变化的影响,自北向南各地区煤岩厚度差异显著,煤岩厚度为2~22m,平均为6m。北部神木地区发育潟湖—潮坪相,处于煤岩厚度中心,煤岩厚度为8~22m,平均为12m;南部延长—延安地区则以沙坪—潟湖—潮坪相为主,煤岩厚度为2~8m,平均约3m(图 3)。潟湖—潮坪相的成煤环境更为稳定,煤岩厚度较大,煤岩夹矸的层数和厚度较小,成煤植物以乔木为主。而沙坪—潟湖—潮坪相的沉积环境受海平面频繁变化的影响,煤岩厚度不稳定,夹矸层数较多,且含硫量较高。
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图 2 鄂尔多斯盆地8号煤岩沉积环境展布图(据文献[31]修改) Fig. 2 Distribution sedimentary environment of No.8 coal seam in Ordos Basin (modified after reference [31]) |
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图 3 鄂尔多斯盆地8号煤岩厚度分布图 Fig. 3 Thickness distribution of No.8 coal seam in Ordos Basin |
鄂尔多斯盆地8号煤成熟度从东北向西南增加,东北部镜质组反射率Ro为0.8%~1.0%,西南和南部地区可达2.5%,煤岩理论吸附量可达25~35m3/t,具有较强的吸附能力[32]。本文对鄂尔多斯盆地深部25口取心探井的本溪组8号煤样品进行研究分析(图 4),发现8号煤由原生结构煤和少量碎裂煤组成,整体呈现完整柱状,部分样品割理、裂隙较发育,少量外生裂隙贯穿于煤岩中上部光亮型组分,亮煤组分中的割理十分发育,密度可达5~20条/5cm。部分层段的煤心在取心到地表后因应力释放而碎裂,少量割理被矿物质充填,滴酸剧烈起泡,证实部分矿物为方解石类矿物。8号煤宏观组分以半暗淡型和光亮煤为主。根据显微组分分析统计,8号煤的有机显微组分平均镜质组含量达78.5%,惰质组含量为21.1%,壳质组为0.4%。其中,中部T1井、Y17井和M115井的镜质组含量最高,达85.3%;北部G1井镜质组含量为82.1%,南部Y106H井镜质组含量为77.5%。
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图 4 鄂尔多斯盆地8号煤岩煤心照片 Fig. 4 Photo of No.8 coal core in Ordos Basin (a)T11H井,2324.45m,原生结构煤,裂缝充填;(b)T11H井,2324.54m,原生结构煤,发育裂缝;(c)T11H井,2331.22m,原生结构煤,割理发育;(d)WT1H井,3198.67m,裂缝开启;(e)WT1H井,3197.17m,原生结构煤,发育两条不规则裂缝;(f)Q26井,2467.28m,碎裂煤,割理不发育 |
根据鄂尔多斯盆地25口深部煤岩气探井取心含气量实测结果分析,8号煤岩含气量为24.32~27.12m3/t,平均可达25.42m3/t,煤岩气含气量由北向南随着煤岩成熟度的增加具有明显增大的趋势。根据模拟储层温度和压力测试,计算8号煤岩最大理论吸附量为11.23~22.41m3/t,平均为19.41m3/t,根据典型井M172井8号煤的平均理论吸附量与平均含气量比值计算含气饱和度为130.96%,深部煤处于超饱和状态,超出100%吸附量的部分游离气占比可达30%以上。通过统计该区25口井保压和密闭取心含气量测试结果发现,由浅部到深部,煤岩含气量先增大、后减小,整个煤岩含气量包络线呈抛物线形态,其最大值深度约2000m,超过2000m后煤岩含气量呈稳定下降趋势(图 5)。
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图 5 鄂尔多斯盆地深部8号煤岩含气量与深度关系图 Fig. 5 Relationship between gas content of deep No.8 coal seam and depth in Ordos Basin |
深部煤岩储集空间类型多样,主要包括气孔、植物组织孔、矿物质孔、裂缝等,气孔和植物组织孔是深部煤岩气最主要的储集空间[33-34]。其中植物组织孔为成煤植物在地质演化过程中残留下的组织内空间,气孔是在煤岩演化过程中产生的天然气被固化在沥青体或镜质体组分中形成的孔状结构,是深部煤岩气赋存的最重要孔隙类型,与其他孔隙类型差别主要体现在其形态多为球形—椭球形,边缘较为光滑。
2.1 深部煤岩发育各种形态气孔本文选取不同热演化程度的煤岩样品,针对8号煤岩进行氩离子抛光处理,随后采用扫描电镜进行观测成像,旨在对比不同成熟度条件下煤岩气孔发育特征的差异。研究发现,煤岩中气孔的形态多种多样,随着演化成熟度升高,在形态上气孔圆球度越高,矿物充填程度越低,高演化程度的煤岩样品中气孔尺寸范围从纳米级到微米级不等(图 6a—c),也存在一些后期受压实改造呈长条状、菱形的孔隙(图 6d、e)。此外,部分样品的电镜照片显示出集群状的椭圆形气孔(图 6e),尺寸大小为0.5~1μm,环绕大型不规则孔周围呈条带状分布。中低演化程度的煤岩气孔内部常常被矿物充填,残余的孔隙空间呈现出不规则形态(图 6f—h)。
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图 6 鄂尔多斯盆地深部8号煤样氩离子抛光后电镜扫描图像 Fig. 6 Electron microscopic scanning image of deep No.8 coal seam sample after argon ion polishing in Ordos Basin (a)WT1H井,3324.45m,Ro=1.85%,稀疏气孔,BSE,8000×;(b)WT1H井,3324.54m,Ro=1.95%,气孔,BSE,8000×;(c)WT1H井,3331.22m,Ro=1.94%,孤立气孔,BSE,8000×;(d)M172井,2433.32m,Ro=2.11%,孤立气孔,BSE,8000×;(e)M172井,2423.21m,Ro=1.99%,不规则气孔,BSE,8000×;(f)Q26井,2467.28m,Ro=1.56%,成群气孔,BSE,5000×;(g)Q26井,2431.09m,Ro=1.56%,椭圆形矿物充填气孔群,BSE,5000×;(h)NL1井,2434.55m,Ro=1.60%,压扁的不规则气孔,BSE,8000×。BSE—电镜背散成像模式 |
对32块深部煤岩样品测定,8号煤岩孔隙度为3.65%~5.84%,平均为4.30%;渗透率为0.13~ 0.27mD,平均为0.16mD。采用低温二氧化碳、液氮吸附和压汞技术对煤岩样品进行了孔隙联合表征,结果表明:8号煤的孔隙主要以小于10nm的微孔为主,平均占比78.3%;10~100nm的小孔和大于100nm的大孔也有发育,平均占比21.7%。以上测试结果表明,深部煤岩与中—浅部煤岩在孔隙结构类型上差别不大,仍以微孔为主,渗透率没有明显变化,依然属于低渗透储层类型。
2.2 气孔主要发育于煤岩镜质组组分深入研究表明,气孔发育与煤岩显微组分有关,一般认为镜质组中的气孔比较发育,常见的镜质组类型中均质镜质体(T1)、基质镜质体(T2)、团块镜质体(T3)等组分中气孔尤其发育,壳质组、惰质组等组分中气孔不发育[7, 32]。为探讨鄂尔多斯盆地深部8号煤岩气孔发育位置与组分关系,本文对一些典型井的8号煤岩3种常见的亚显微组分均质镜质体、基质镜质体、团块镜质体的孔隙发育特征进行研究,发现NL1H井8号煤岩样品主要由均质镜质体、基质镜质体和矿物质组成,其中基质镜质体可见大量充填的气孔(图 7a、b),均质镜质体发育条带状气孔群,未被充填(图 7c)。M172井8号煤岩样品发育均质镜质体和基质镜质体(图 7d),其中均质镜质体见带状气孔群(图 7e),基质镜质体发育充填矿物的孔隙(图 7f)。J26井8号煤岩主要由均质镜质体、基质镜质体和团块镜质体组成(图 7g),其中均质镜质体发育不规则气孔群(图 7h),团块镜质体发育密集气孔群(图 7i)。通过对比不同镜质组亚组分的气孔发育情况,可以看出鄂尔多斯盆地8号煤岩均质镜质体、基质镜质体和团块镜质体均发育气孔,均质镜质体气孔矿物基本未见充填,基质镜质体发育矿物充填气孔,团块镜质体发育未被矿物充填的密集气孔群。
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图 7 鄂尔多斯盆地8号煤中镜质体、壳质体与惰质体之间孔隙发育对比 Fig. 7 Comparison of pore development among vitrinite, exinite and inertinite in No.8 coal seam in Ordos Basin (a)NL1H井,3125.25m,全视域;(b)对应(a)位置(1),局部放大;(c)对应(a)位置(2),局部放大;(d)M172井,2354.20m,全视域;(e)对应(d)位置(1),局部放大;(f)对应(d)位置(2),局部放大;(g)J26井,3021.25m,全视域;(h)对应(g)位置(1),局部放大;(i)对应(h)位置(1),局部放大 |
前人研究指出,TPI(结构保存指数)反映植物结构的保存程度,GI(凝胶化指数)则用来评估煤岩中活性化学物质的保存状况[35-37],指数计算公式如下,TPI=(结构镜质体+均质镜质体+半丝质体+丝质体)/(基质镜质体+粗粒体+碎屑惰质体),GI=(镜质体+粗粒体)/(半丝质体+丝质体+碎屑惰质体)。一般采用TPI和GI来评价煤相及成煤环境,TPI反映成煤植物类型,TPI > 1判断成煤植物以木本植物为主,TPI≤1判断成煤植物为草本植物为主;GI用于反映沼泽覆水深度,GI≤1判断为干燥森林沼泽,1 < GI≤5判断为湿地森林沼泽,GI > 5判断为覆水森林沼泽。
一般认为,成煤沼泽环境对煤岩组分产生影响,进而影响煤的孔隙结构组成[38-39]。本文首先计算了样品的TPI和GI值,并绘制了TPI与GI关系图,从而划分出5种沼泽相类型:开阔水域沼泽、草本沼泽、较深覆水森林沼泽、覆水森林沼泽和干燥森林沼泽。分析指数与大孔占比之间的关系显示,8号煤样中大孔占比越高,TPI值也越小(图 8a);大孔占比随GI值增大呈先减小后增大(图 8b)。一般而言,在中低煤阶中,煤中的大孔主要来源于成煤植物的胞腔孔、碎屑孔和气孔等。因此,TPI值越大,表明煤岩植物结构的保存完整度越高,大孔占比也越低。然而,由于本文研究的样品成熟度较高,植物结构因受热演化程度升高而基本解构,所以出现了随着TPI值增大孔隙反而降低的现象,即TPI低值区反而大孔占比高。气孔发育与生烃作用相关,生烃量的大小依赖于煤岩组分。在深部煤岩中,发现GI与大孔占比的相关性较差,部分样品即使GI值较高,其大孔占比仍然较高。通过电镜分析结果对照,发现这些样品无一例外地均显示大型气孔较为发育。
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图 8 鄂尔多斯盆地8号煤大孔—煤相指标关系图 Fig. 8 Relationship between macropores and coal facies indicators of No.8 coal seam in Ordos Basin |
通过统计分析不同成煤沼泽相类型的孔隙分布关系,发现M172井8号煤顶部样品均位于开阔水域沼泽相,其孔隙分布形态呈现出微孔、中孔和大孔3个不同高度的尖峰,微孔和大孔明显具有较高的占比(图 9)。M172井、Y160井和S86井的8号煤底部样品属于较深覆水森林沼泽—覆水森林沼泽相,孔隙分布结构呈现微孔和大孔两个尖峰,微孔占比最大,中孔不发育,大孔少量发育。M172井下部样品和J26井8号煤样品也属于较深覆水森林沼泽相,孔隙分布均呈现为双峰状态。而M3井的8号煤则为草本沼泽相,孔隙分布呈现出明显的3个尖峰,与开阔水域沼泽相类似。
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图 9 鄂尔多斯盆地8号煤成煤沼泽类别与孔隙之间对应关系图(据文献[36]) Fig. 9 Relationship between coal-forming swamp types and pore development in No.8 coal seam in Ordos Basin (modified after reference [36]) |
在燕山期,鄂尔多斯盆地及其周边地区普遍出现异常高的古地温场。这一现象的形成原因主要是板块会聚和陆内造山作用,在整个华北地区产生了大范围的岩石圈减薄现象,局部出现裂谷导致克拉通破坏,最终软流圈地幔上涌,并在中浅层发生了岩浆侵入和火山喷发事件[25, 40]。晚侏罗世至早白垩世是异常热事件的主要发生期[26-27],短期内异常热事件使煤岩温度迅速升高,地温快速达到140℃,致使地层中的水开始沸腾汽化。同时,煤岩快速生烃,汽化后的地层水和天然气呈混相状态运移到上古生界的致密砂岩储层中成藏。部分残余液态烃经过二次裂解产气,这些烃类气体会被地质历史上具有一定流动性的煤基质束缚,不能够快速排出煤岩,伴随构造抬升和后期地层温度下降而冷却、固化在煤基质中形成现今在镜下观察到的赋存于镜质组的大量集群式分布的气孔。同时期压实作用或强烈的构造运动导致部分气孔形态压扁或拉长,部分矿物质随着地层流体进入部分气孔结晶沉淀,导致部分气孔出现矿物质充填现象,形成了现今观察到的压扁气孔、矿物充填气孔、集群式气孔等多种类型。
前人研究发现,现今上古生界地层水矿化度在鄂尔多斯盆地呈现“中心低、周缘高”的分布特点,盆地构造埋藏史与地层水的演化是同步的[1]。鄂尔多斯盆地8号煤的沉积环境为海陆过渡相的高盐度环境,沉积水体矿化度较高,煤岩埋藏后至晚侏罗世地层缓慢沉降,构造稳定,地温低,地层水以经历了长期溶解、溶蚀、沉淀等成岩作用的原始高矿化度地层水为主;晚侏罗世之后,基底大幅沉降,预计埋深可达到2500~3000m,地温达到约140℃[41]。在此温度和压力下,地层中水开始沸腾汽化,水中矿物在高温下结晶析出,地层水矿化度进一步降低,这种生烃中心呈现相对低矿化度现象一直保持到现今(图 10)。
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图 10 鄂尔多斯盆地煤系地层生烃与气孔赋存演化模式图 Fig. 10 Hydrocarbon generation, vesicle occurrence and evolution mode of coal measure strata in Ordos Basin |
前人研究发现,在深部煤岩热演化过程中,含氧官能团、脂肪结构会随着热演化程度逐步减少,芳香结构特征会迅速增加,煤基质可塑性明显减弱,表面张力迅速增强,这种变化会一定程度阻碍热解产生的气体突破基质约束,最终在煤基质内部形成大量封闭气孔[42]。本次研究在少量固体沥青质体中发现尺度可达50nm~5μm的大型气孔,这些气孔呈不规则形状沿着沥青条带分布,根据分布位置与分布规律推测成因应该与固体沥青有关(图 11)。结合前人研究,本文提出煤岩中气泡变孔假设,认为该类沥青质气孔形成经历从气到孔的转变过程,初步认为气孔形成经历3个阶段:煤产液态烃阶段、液态烃裂解产气阶段和气泡固化成孔阶段(图 12)。在地质演化过程中,沥青作为可以流动的软流、黏稠的煤岩组分,煤基质产生的气泡易于在软流沥青中形成大量集群气孔,而孔隙尺度越大,其中游离态的甲烷占比更多,游离气相对富集对于提高储层压力、初期高产具有重要的价值。因此,气泡变孔过程对于深部煤岩游离气赋存和开发具有极其重要的地质意义。
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图 11 鄂尔多斯盆地本溪组8号煤固体沥青及其内部孔隙特征图 Fig. 11 Microscopic characteristics of solid asphalt and internal vesicles in No.8 coal seam in Benxi Formation in Ordos Basin M172井,2734.40m,沥青质气孔,BSE,2500× |
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图 12 煤岩固体沥青形成与气泡变孔模式图 Fig. 12 Formation mode of vesicles from bubbles in coal rock solid asphalt |
鄂尔多斯盆地深部煤岩具有整体分布稳定、成熟度高、含气量和饱和度高、游离气丰富、水动力整体不活跃等地质条件,以上地质条件是非常有利于成藏的。受到深部高温、高压和气孔发育影响,深部煤岩气具游离气与吸附气共存特征,如M172井深部煤岩解吸气量平均达23m3/t,游离气5~12m3/t,含气饱和度120%~135%,具有非常典型的高含气、高饱和特征,而具有高饱和—超饱和煤岩是深部煤岩气高产的关键[1, 7, 42-43]。基于前文分析,在成煤环境、岩性组合、构造活动及水文地质等多重因素的控制下,加之构造热事件引发的储层蒸发效应和气泡变孔成藏机制,深部煤岩气得以形成多样的成藏类型,常见微构造气藏、背斜构造气藏、斜坡气藏、岩性尖灭气藏、背斜裂缝气藏、断裂封堵气藏及水动力封堵气藏等(图 13)。尤其是在鄂尔多斯盆地,受燕山和喜马拉雅运动的影响,盆地发生了跷跷板效应,并在煤岩与顶底板岩石差异压实作用下,形成了小尺度的褶皱形变,呈现高差在1~3m的大范围微幅构造,造就了游离气和吸附气共存的赋存模式,这种赋存方式是鄂尔多斯盆地深部煤岩气分布最为广泛的模式。
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图 13 鄂尔多斯盆地深部8号煤岩气成藏模式图 Fig. 13 Gas accumulation mode of deep No.8 coal seam in Ordos Basin ①水动力封堵气藏;②断裂封堵气藏;③背斜裂缝气藏;④岩性尖灭气藏;⑤斜坡气藏;⑥背斜构造气藏;⑦微构造气藏 |
等温吸附实验表明,在达到最大理论吸附量之前,随着压力升高煤岩吸附能力增加,称为压力正效应;变温等压吸附实验表明,压力不变的情况下,温度升高,煤岩吸附能力会下降,称为温度负效应。浅部地层条件下,深度导致的压力正效应超过温度负效应,随埋深增加含气量增加,到达转折深度2000m后,温度负效应超过压力正效应,含气量随埋深呈下降趋势。本文采用前人建立的鄂尔多斯盆地深部煤岩含气量与不同埋深、煤级、压力梯度、地温梯度组合的关系公式[7-8, 44],对鄂尔多斯盆地深部煤岩含气量进行了预测,并编制了鄂尔多斯盆地8号煤含气量分布图(图 14),深部煤岩含气量从北向南具有逐步增高的趋势,盆地中心部位含气量较高,含气量最高的区域位于吴起—延安—延长一带,该处埋深2500~3500m,含气量最多可达30m3/t。同时根据实测显微组分、煤相参数、灰分及测井响应特征,编制了8号煤开阔水域沼泽相、草本沼泽相等成煤沼泽相分布平面图(图 15),可以看出开阔水域沼泽相、草本沼泽相发育区主要位于中部和南部区域,根据前文所述沼泽与大孔发育关系判断,盆地东北部为覆水森林沼泽地区,预测该区大孔不发育,以微孔为主,盆地中部草本沼泽相发育区预测大孔占比较高,其次为南部和东南部开阔水域沼泽相。
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图 14 鄂尔多斯盆地8号煤含气量预测图 Fig. 14 Prediction of gas content in No.8 coal seam in Ordos Basin |
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图 15 鄂尔多斯盆地8号煤成煤沼泽类型分布图 Fig. 15 Types of coal-forming swamps of No.8 coal seam in Ordos Basin |
在鄂尔多斯盆地本溪组沉积期,陆表海障壁海岸体系和浅水三角洲之上发育了4种海相泥炭坪成煤环境:堡后泥炭坪、潟湖泥炭坪、潮坪泥炭坪和泥炭浅海陆棚坪。依据煤岩与顶底板岩性的组合特征,可将其划分为3类:第一类顶板为石灰岩,分布于横山—绥德—米脂地区;第二类顶板为砂岩,分布在神木—准格尔—大牛地地区;第三类顶板以粉砂质泥岩为主,分布在盆地其他地区(图 16)。砂岩顶板的8号煤含气量较低,致密灰岩和粉砂质泥岩顶板的8号煤含气量较高(图 14)。这表明,粉砂质泥岩的封闭性优于石灰岩,石灰岩又优于砂岩顶板。由此可见,成煤期的沉积环境通过影响煤岩顶底板组合关系,进而影响煤岩含气性,因此,成煤期沉积环境对现今煤岩含气量的分布规律具有重要的控制作用。
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图 16 鄂尔多斯盆地8号煤顶板岩性分布图 Fig. 16 Distribution of roof lithologies of No.8 coal seam in Ordos Basin |
一般情况下,地层水对煤岩气成藏起到破坏作用,水动力较强煤岩气难以保存,煤岩气富集区一般水动力相对滞留。结合前人研究,鄂尔多斯盆地统计结果显示,Y160H井、NL1H井、T11H井、M172H井本溪组8号煤岩地层水有较高的矿化度,煤储层地层水阳离子主要为K+、Na+、Ca2+、Mg2+, 以Na+、Ca2+为主[20-21, 28];阴离子主要包括Cl-、SO42-、HCO3-,地层水矿化度高,总矿化度为5399~257617mg/L,主要以承压水为主,水型以CaCl2型为主[1, 20-21]。地层水矿化度增高,表明水动力不活跃,从单井含气量数据来看,煤岩含气量越高,表明煤系地层的水动力条件越弱,越有利于煤岩气的保存(表 1),鄂尔多斯盆地的地层水电钠氯系数为0.21~0.68,钠钙系数为0.06~0.87,利于煤岩气保存。
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表 1 鄂尔多斯盆地地层水类型与含气量对应关系表 Table 1 Relationship between formation water type and gas content in Ordos Basin |
深部煤岩气与中—浅层煤岩气在成藏地质条件和储层特征方面有着明显不同。深部煤岩气除了地层温度高、地层压力高外,其他特征如游离气含量高、含气饱和度高、储层压力系数大等与气孔发育有关。深部煤岩气地质评价和勘探开发技术应加强针对性,将气孔评价纳入深部煤岩气评价体系才能全面评估其富集规律及成藏特征。根据本文认识,深部煤岩气孔发育与煤岩组分、地质演化过程有关,而煤岩组分主要受控于煤相变化,因此要深化对成煤沼泽环境的研究,并在此基础上开展煤储层裂缝系统的精细描述、储层六性的评价,从而建立更适用于深部煤岩气地质选区的评价方法。
5.2 开展以孔隙发育带和含气富集区为核心的地球物理预测技术,寻找有利富集区深部煤储层气孔发育区游离气含量高,压裂后容易获得较高产量,气孔发育带煤岩游离气含量较高,游离气丰富的煤储层地球物理响应具有差异性,基于高精度地球物理差异性可以实现对气孔发育区及含气富集区的预测。综合储层精细评价多元信息,开展精细地质建模,精确设计靶体,可以有效提高气孔发育带黑金靶体的优质储层钻遇率。
5.3 建立以水平井煤储层气孔发育为核心的储层评价、压裂设计,提高改造效果深部煤岩气开发主要采用水平井分段体积改造技术,建立人工气藏。水平井分段体积改造应充分考虑水平井气孔发育带、含气富集段的分布情况,并基于此建立水平井储层地质和工程甜点评价指标,完成水平井的储层评价,优化水平井分段、分簇和射孔设计。根据水平井气孔分布规律认识优化储层改造技术参数,优化缝网布置、压裂工艺,气孔连通缝网面积,实现更好改造效果。
5.4 研制深部煤岩气气孔发育特点的针对性生产技术,实现深部煤岩气稳产高产深部煤岩气孔发育,游离气含量高,因此深部煤岩压裂后早期以游离气生产为主,表现为初期产量高、见气快、递减快的基本特征。井底压力下降过快,裂缝出现闭合,导致水锁效应,影响全生命周期的开发效果。应针对这种气孔高压型煤岩气类型,开发多阶段生产控制排采工艺,对排采阶段进行精细划分,区分不同渗流阶段控制气藏产出的主要因素,实施不同的生产控制措施,提升开采效果。
6 结论与认识(1)鄂尔多斯盆地本溪组8号煤岩沉积环境主要为潟湖—潮坪相沉积。煤岩厚度在南北方向上差异显著,北部神木地区煤岩厚度大且稳定,厚度为8~22m,平均为12m;南部延长—延安地区煤岩厚度较小且不稳定,平均约3m。煤岩的镜质组含量平均达78.5%,8号煤岩镜质组含量高、吸附能力强,含气量高且游离气发育,含气量随成熟度增加而增大,2000m左右含气量达到峰值,之后随深度增加而下降。
(2)鄂尔多斯盆地深部8号煤岩孔隙度平均为4.30%,气孔发育且多样,不同煤岩相气孔发育也不同,大孔占比与结构保存指数、凝胶化指数有关。燕山期构造热事件使地层水汽化、煤岩快速生烃,形成多种气孔类型;固体沥青中的气孔可能与煤生油有关,经历煤产液态烃阶段、液态烃裂解产气阶段和气泡固化成孔阶段。
(3)鄂尔多斯盆地深部煤岩气成藏受多种因素影响。其地质条件利于成藏,成藏类型多样,微构造气藏等常见,游离气和吸附气共存的赋存模式分布广泛。深部煤岩气富集区与气孔发育区一致,从北向南含气量增高,盆地中心含气量高。沉积演化控制煤—岩组合类型与分布,不同顶板岩性影响煤岩含气性。水动力强弱控制煤岩气的保存富集程度,鄂尔多斯盆地地层水矿化度高、水动力不活跃,利于煤岩气保存。
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