侯海海，邵龍義，唐 躍，王 帥，王學天，劉 雙

(1.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029)

我國具有豐富的低煤階煤層氣資源，絕大部分是西部地區(qū)的早中侏羅世含煤盆地，包括鄂爾多斯、塔里木、天山、準噶爾、吐哈、三塘湖盆地等；部分是東北地區(qū)的早白堊世含煤盆地，包括海拉爾和二連盆地等；少部分則是第三紀的含煤盆地，包括東北的依-舒盆地群、阜新盆地群及西南地區(qū)的滇北盆地群、滇東南盆地群等，共占到全國煤層氣總資源量的43%[1]。隨著美國粉河盆地、加拿大阿爾伯塔盆地和澳大利亞蘇拉特盆地等低煤階含煤盆地煤層氣的成功開發(fā)，推動了我國對低煤階煤層氣勘探開發(fā)的熱潮。然而我國低煤階煤層氣成藏的地質(zhì)背景比美國等國家復雜得多，從而造就了我國與眾不同的低煤階煤層氣藏特點，所以不能照搬其它國家的勘探開發(fā)技術。因此，需要對低煤階煤層氣藏的成因類型和成藏模式進行研究，這將為解決我國低煤階煤層氣開發(fā)的瓶頸問題提供一定的理論依據(jù)。

1 低煤階煤層氣成因類型研究進展

低煤階煤是在煤化作用初期形成的，一般指煤巖鏡質(zhì)組反射率Ro<0.65%的煤階[2]，主要包括褐煤、亞煙煤和部分高揮發(fā)分煙煤，伴生的產(chǎn)物有CH4、CO2、N2和極少量的重烴，其中甲烷的成因類型以生物成因為主和熱成因為輔(圖1)。

圖1 煤層氣形成與煤階的關系[3]

煤層氣成因類型一直受到了國內(nèi)外學者的關注和研究，前人從生物地球化學和熱力地球化學等方面對煤層氣成因類型的劃分進行了研究。其中，Rice和Rightmire[4-5]將成因類型劃分為熱成因氣和生物成因氣；Scott[6]則將生物成因氣進行了細化，分為原生生物氣和次生生物氣；戴金星[7]等將煤層氣的變干變輕與次生改造之間的內(nèi)在聯(lián)系進行了研究。因此從煤層氣生氣母質(zhì)、運移過程以及特定的地質(zhì)條件入手，可以將低煤階煤層氣成因類型分為原生成因和次生成因。

1.1 原生成因煤層氣

原生成因煤層氣指的是隨著煤化程度的進行，伴隨著溫度、壓力、煤化度的升高以及煤分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而產(chǎn)生的非常規(guī)天然氣。在煤的演化過程中，低煤階原生成因煤層氣可具體分為熱成因煤層氣和早期生物成因煤層氣。

熱成因煤層氣主要指的是在長焰煤～氣煤早期階段(0.5%

早期生物成因煤層氣主要形成于生物地球化學煤化階段(Ro<0.5%)，相當于從成巖作用早期開始到亞煙煤階段。在這一過程中，產(chǎn)生的氣體以高甲烷成分和輕甲烷碳同位素為特征，甲烷成分一般大于97%，δ13C1≤-55‰[9]。例如，吐哈盆地沙爾湖凹陷西山窯組煤階為褐煤，鏡質(zhì)組反射率Ro為0.4%～0.47%，-62.7‰≤δ13C1≤-61.5‰，測試結(jié)果顯示該地區(qū)煤層氣成因類型為早期生物氣特征[10]。

1.2 次生成因煤層氣

次生生物煤層氣明顯具備后期改造的特點，主要形式有對原生成因煤層氣的改造或者其他類型氣體的補給，具體類型包括解吸-擴散-運移分餾、油型氣混入和晚期成因生物氣等。

由于煤儲層具有多孔介質(zhì)和較高的比表面積，因此，煤層氣主要以吸附狀態(tài)存儲于煤體之中，在不同的壓差和溫度下，會發(fā)生煤層氣的解吸和擴散作用，同時在這一過程中，煤儲層的含氣量及甲烷穩(wěn)定碳同位素大小都將隨之變化。

含煤巖系地層與其它含油巖性(油頁巖、油砂等)臨近時，可能會導致這些油型氣的輸入，從而形成煤層氣&油型氣的混合成因。例如，撫順煤田第三紀油頁巖是煤層的直接頂板，其中δ13C1為-37.5‰，故不能排除是由于油型氣的輸入而導致煤層氣δ13C1偏重的可能性[11]。

對于低煤階煤儲層，晚期成因煤層氣是重要的氣源補給類型。大多數(shù)學者認為煤層被抬升至地表淺部后與甲烷菌發(fā)生了生物化學作用，從而將產(chǎn)生的生物氣保存在煤層中。我國多處低階煤儲層晚期成因煤層氣被證實，例如山西霍州的李雅莊煤礦、準噶爾盆地南緣以及吐哈盆地沙爾湖凹陷等地。

2 低煤階煤層氣成藏模式研究進展

近年來，隨著低煤階煤層氣勘探開發(fā)熱潮的到來，其成藏模式一直是研究的重點之一，同時在煤層氣成藏關鍵要素上也存在一些爭議。傅小康等[12]強調(diào)低煤階煤層氣富集的關鍵要素是封堵，即保存條件；而劉洪林等[13]則認為低煤階煤層氣富集的關鍵要素是生氣條件，從低煤階煤儲層的特征來看，后者的觀點更容易被認可。

通過對美國粉河盆地和我國鐵法盆地低煤階煤層氣成藏富集規(guī)律對比研究，從煤儲層孔裂隙結(jié)構(gòu)、滲透性和水動力的封堵條件出發(fā)，提出了5種低煤階煤層氣成藏模式[12]，即背斜模式、構(gòu)造-水動力模式、構(gòu)造-巖性模式、巖性-水動力模式和巖性模式，影響低煤階煤層氣成藏富集的關鍵因素包括封堵、構(gòu)造、巖性和水動力。

低煤階煤層氣的賦存狀態(tài)主要以吸附態(tài)和游離態(tài)為主，溶解態(tài)很少。通過對我國低煤階煤層氣的地質(zhì)特征研究(包括基本地質(zhì)條件、成因類型、滲透性和解吸特征等)，結(jié)合國內(nèi)外低煤階煤層氣勘探開發(fā)理論和實踐，總結(jié)出了3種低煤階煤層氣成藏模式，即深部承壓式超壓成藏模式、盆緣緩坡晚期生物氣成藏模式和構(gòu)造高點常規(guī)圈閉水動力成藏模式[14]，其中，在目前開采技術條件下，盆緣緩坡晚期生物煤層氣藏和構(gòu)造高點常規(guī)圈閉水動力煤層氣藏是中國低煤階煤層氣勘探開發(fā)的首選目標。

煤層氣的賦存狀態(tài)以及生、儲、蓋、運、聚、保等條件都與常規(guī)天然氣不同，通過總結(jié)我國西北地區(qū)低煤階煤層氣的賦存狀態(tài)、煤層氣藏的定義和煤層氣氣藏類型等，提出了我國西北地區(qū)3種低煤階煤層氣成藏富集模式，包括盆緣陡坡煤層氣成藏模式、盆緣緩坡成藏模式以及盆內(nèi)凹陷成藏模式[15]，探討了西北地區(qū)煤層氣成藏規(guī)律。

3 低煤階煤層氣成藏富集規(guī)律

一般認為，在低煤階煤層氣成藏主控因素中，同中高煤階一樣，構(gòu)造因素是最為直接的控氣因素；成煤環(huán)境主要影響煤儲集層的生氣潛力、儲集性能及滲透性；水文地質(zhì)條件對低煤階煤層氣的生成(包括二次生烴)、運移、富集均具有一定的控制作用；三者有利匹配則有利于低煤階煤層氣的成藏和勘探開發(fā)(圖2)。

而含煤層氣系統(tǒng)作為一個能量動態(tài)平衡系統(tǒng)，成藏過程的實質(zhì)是流體壓力系統(tǒng)逐漸調(diào)整的地質(zhì)過程[16]，這個過程涉及到熱力場、儲層彈性能量場、表面勢能場以及地應力場等宏觀和微觀耦合調(diào)控。煤層氣作為能量動態(tài)平衡系統(tǒng)中自生自儲的非常規(guī)天然氣儲層，因濃度差而擴散，因壓力差而滲透，因此，煤儲層中任何一處煤層氣始終處于動態(tài)平衡的運移狀態(tài)，區(qū)別在于擴散和滲透能力及范圍的大小[17]。

低煤階煤層氣的成藏富集影響因素是多方面的，富集區(qū)的位置及范圍也是處于動態(tài)變化中的，因此，需要用動態(tài)的觀點來探討我國低煤階煤層氣勘探思路和成藏模式，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

1)成煤沉積體系、沉積相以及沉積類型控制著煤層厚度和分布特征、煤儲層的非均質(zhì)性和頂?shù)装鍘r性類型和范圍。因此，同一沉積體系中不同的沉積相和沉積類型、不同準層序組類型及其組合、物源隨時間的變遷等條件都會導致成煤或生氣物質(zhì)基礎的不同。

2)不同類型的地質(zhì)構(gòu)造，會形成不同應力大小及應力場分布特征，這樣均會導致煤儲層和封蓋層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、物性、裂隙發(fā)育狀況的不同，從而影響含煤盆地中不同構(gòu)造類型之間的轉(zhuǎn)換、地下水徑流條件的改變和煤層氣富集區(qū)位置的遷移等。

3)生物成因作為低煤階煤層氣藏的重要補給來源，不管是CO2的還原作用還是醋酸、甲醇等的發(fā)酵作用，水動力條件對其生氣能力及儲存能力影響很大，而在此過程中，生物成因煤層氣的生氣和富集條件都會隨著季節(jié)和溫度的變化而變化。

4 實例分析

黑龍江省的依蘭盆地位于東北依-舒盆地群內(nèi)，為一走向近EW向的新生代斷陷含煤盆地，盆地內(nèi)部斷裂構(gòu)造以正斷層為主，伴隨少量的逆斷層，并且走向呈NE和NW分布。盆地形成以來，經(jīng)歷喜山晚期的構(gòu)造運動，致使形成現(xiàn)今向南傾斜的半掩蓋式單斜構(gòu)造形態(tài)。

盆地內(nèi)含煤地層為古近系始新統(tǒng)達連河組，達連河組的基底為γ4花崗巖或者為白堊紀的老地層，達連河組從下至上可以分三大巖性段，分別為為含煤段、油頁巖段和砂礫巖段。含煤段下部主要發(fā)育含礫粗砂巖，上部發(fā)育厚層煤層，代表扇三角洲沉積環(huán)境；油頁巖段發(fā)育大套厚層的油頁巖，代表湖泊沉積環(huán)境；砂礫巖段下部發(fā)育大套礫巖和細粒沉積，代表沖積扇沉積環(huán)境，上部發(fā)育礫巖及大套砂巖，代表河流—扇三角洲沉積環(huán)境，因此，平面上，含煤巖系沉積環(huán)境從沖積扇相、扇三角洲相、以及湖泊相交替演化。

盆地內(nèi)煤變質(zhì)程度較低，主要為長焰煤及少量氣煤，顯微組分以鏡質(zhì)組占絕對優(yōu)勢，可達到80%以上。煤層氣的成因類型主要以原生成因的熱成因氣為主，由于上覆地層為厚層油頁巖段，因此應當有次生成因的油型氣的混入。綜上所述，依蘭盆地內(nèi)煤層氣成因類型包括原生成因和次生成因，結(jié)合煤層埋藏深度、次生生物氣甲烷菌的活動范圍以及成煤優(yōu)勢相帶的分析，提出了我國低煤階煤層氣的成藏富集模式，即原生成因和次生成因疊合下的斜坡區(qū)成煤優(yōu)勢相帶高富水區(qū)的煤層氣富集模式(圖3)。

圖3 依蘭盆地煤層氣成藏富集模式

由于低煤階煤變質(zhì)程度普遍較低而導致煤層氣資源量的不足，次生成因氣作為其重要的氣源補給通道而越來越受到重視，所以低煤階煤層氣的高產(chǎn)富集區(qū)應該處于原生成因氣和次生成因氣的優(yōu)勢疊合地帶；一般認為，煤層含氣量隨煤層埋深增加而增大，但過低的含氣量資源量不足，過高的含氣量則滲透性太差，因此，斜坡區(qū)的中間地帶是煤層氣選區(qū)和開發(fā)的理想?yún)^(qū)域；高富水區(qū)指的是具有較高的煤層水體彈性能量，彈性能量越高，對煤層氣的賦存和煤層滲透能力均有較好的保護作用[18]，因而，滯留區(qū)和弱徑流區(qū)-弱滯留區(qū)是評價選區(qū)的重點地區(qū)；煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)的成煤優(yōu)勢相帶是指含煤巖系沉積環(huán)境有利于煤層氣的生氣物質(zhì)基礎、煤儲層均質(zhì)性和煤層氣的保存作用等，具體來說，依蘭盆地的含煤優(yōu)勢相帶為扇三角洲相和濱淺湖相。

5 認識和建議

我國低煤階煤層氣資源巨大，但與現(xiàn)階段在該煤級領域進行的煤層氣勘探開發(fā)力度不甚匹配，煤層氣成礦選區(qū)準確度不高，歸根結(jié)底是由于煤層氣的成因類型及成藏模式研究不夠深入，通過對國內(nèi)外低煤階煤層氣的富集特點和成藏理論的追蹤，并對依蘭盆地煤層氣的成藏富集規(guī)律進行了實例分析，得到以下幾點認識和建議。

1)煤層氣因濃度差而擴散，因壓力差而滲透，因此，煤層氣的富集區(qū)也是相對的并處于不斷變化之中的，從這種運移和賦存狀態(tài)出發(fā)，需要用動態(tài)的觀點來探討我國低煤階煤層氣勘探思路和成藏模式。

2)以東北依蘭盆地為例，結(jié)合我國低煤階煤層氣盆地的地質(zhì)特征和前人研究成果，建立了我國低煤階煤層氣的成藏富集模式，即原生成因和次生成因疊合下的斜坡區(qū)成煤優(yōu)勢相帶高富水區(qū)的煤層氣富集模式。

3)次生生物氣作為低煤階煤層氣氣源的重要補給類型，是低煤階煤層氣的重要的成因類型之一，同時也是低煤階煤層氣成藏富集區(qū)重要的影響要素之一。因此，需要加強次生生物氣的生氣條件和產(chǎn)甲烷菌的活動能力理論以及實驗方面的研究。

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