陳　剛，秦　勇，胡宗全，李五忠

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京　100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州　221116；3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 廊坊分院，河北 廊坊　065007)

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準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起深部含煤層氣系統(tǒng)儲(chǔ)層組合特征

陳剛1，秦勇2，胡宗全1，李五忠3

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221116；3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 廊坊分院，河北 廊坊065007)

摘要:準(zhǔn)噶爾盆地東部白家海凸起發(fā)育較穩(wěn)定的侏羅系煤層，埋深大于1 500 m。以往該區(qū)西山窯組和八道灣組煤層氣試采取得了較好的效果，顯示了白家海凸起深層煤層氣具有較好的勘探前景。由于區(qū)內(nèi)以常規(guī)油氣開發(fā)為主，豐富的煤層氣資源有待勘探開發(fā)?；诖?，分析了區(qū)內(nèi)侏羅系深部煤層賦存特征、熱演化程度、煤層含氣量及煤層頂?shù)讎鷰r等成藏地質(zhì)條件，認(rèn)為西山窯組煤層氣為獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)，八道灣組煤層及其頂?shù)咨皫r組合為統(tǒng)一含煤層氣系統(tǒng)。八道灣組源內(nèi)型、源外型含煤層氣系統(tǒng)成藏條件優(yōu)越，煤層氣及煤系砂巖氣資源豐富，具有較大的共采潛力。

關(guān)鍵詞:準(zhǔn)噶爾盆地；白家海凸起；含煤層氣系統(tǒng)；儲(chǔ)層組合；共采潛力

含煤層氣系統(tǒng)是含油氣系統(tǒng)理論在煤層氣領(lǐng)域的延伸，劉煥杰等[1]基于沁水盆地南部煤層氣生儲(chǔ)蓋等成藏要素首次提出含煤層氣系統(tǒng)，吳世祥[2]、朱志敏[3-4]等參考含油氣系統(tǒng)的概念和研究方法完善了含煤層氣系統(tǒng)概念[5]。秦勇[6]、沈玉林[7]、楊兆彪[8]等在研究多煤層地質(zhì)特征時(shí)，基于層序地層格架的控制，提出了多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)，一個(gè)含煤層氣系統(tǒng)在垂向上相互封閉，其流體壓力系統(tǒng)與外界無交換。隨著煤層氣勘探開發(fā)深度不斷被突破，超過1 000 m埋深的深層煤層氣資源逐漸被重視，深層煤儲(chǔ)層具有高應(yīng)力、高壓力、高地溫、特低滲的特點(diǎn)[9-11]，勘探開發(fā)技術(shù)難度大，開采成本高。以現(xiàn)有勘探開發(fā)技術(shù)單獨(dú)開發(fā)深層煤層氣資源顯然不具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，若考慮一個(gè)含煤層氣系統(tǒng)內(nèi)其他天然氣資源，采用立體綜合勘探的思路是獲取深層煤層氣資源較為現(xiàn)實(shí)可行的經(jīng)濟(jì)有效手段。筆者在對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起侏羅系深層煤層氣地質(zhì)特征研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)八道灣組煤層具有較好的含煤層氣系統(tǒng)儲(chǔ)層組合，且多口常規(guī)氣井測(cè)試證實(shí)其具有較大的勘探前景。

1地質(zhì)背景

白家海凸起位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地中部，吉木薩爾縣北，五彩灣鎮(zhèn)以西，面積2 400 km2。研究區(qū)常規(guī)油氣勘探程度高，尚無深部煤層氣井，區(qū)內(nèi)有4口常規(guī)井針對(duì)侏羅系煤層段開展過壓裂改造試氣。

圖1　準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造工區(qū)Fig.1　Sketch geotectonic map of the Junggar Basin

圖2　準(zhǔn)噶爾盆地彩南地區(qū)西山窯組底界構(gòu)造Fig.2　Structural map of the bottom of Xishanyao Formation in Cainan block Junggar Basin

研究區(qū)地處準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷東部白家海凸起，現(xiàn)今構(gòu)造形成于二疊紀(jì)晚期[12]，后經(jīng)過印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步疊加和改造(圖1)。構(gòu)造特征主要發(fā)育2個(gè)向斜夾1個(gè)背斜，中部為白家海背斜，南北分別為阜康—沙帳向斜和五彩灣向斜[13-15]。白家海背斜軸部沿北東向發(fā)育一系列小斷層，呈雁行式排列(圖2)。研究區(qū)從早侏羅世至中侏羅世主要由辮狀河-三角洲沉積體系演化成曲流河-三角洲沉積體系的過程。早侏羅世早期東北部克拉美麗山提供了大量物源，研究區(qū)主要以砂質(zhì)辮狀河沉積為主，近東西向展布，往盆地中央坳陷湖泊區(qū)逐步發(fā)育大面積的漫灘沼澤相，此時(shí)期氣候溫暖潮濕，大型木本植物枝繁葉茂，成為有利的成煤環(huán)境(圖3)；中侏羅世早期，中央湖盆濱淺湖相泥巖向湖內(nèi)退縮，低地平原上河流密布，植物繁茂，水生動(dòng)物發(fā)育，泥炭沼澤大規(guī)模出現(xiàn)，為后期成煤提供了有利條件。

準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起侏羅系水西溝群自下而上劃分為八道灣組、三工河組和西山窯組，其中八道灣組和西山窯組是主要的含煤層段(圖4)。八道灣組含煤1～15層，多數(shù)在2～5層，可采煤層1～11層，含煤系數(shù)0.38%～9.24%；西山窯組含煤1～20層，煤層單層厚度變化大，受沉積環(huán)境和聚煤作用影響較大。

圖3　準(zhǔn)噶爾盆地彩南地區(qū)八道灣組沉積相展布Fig.3　Sedimentary facies map of the Badaowan Formationin Cainan block Junggar Basin

圖4　白家海凸起侏羅系含煤地層綜合柱狀Fig.4　Composite columnar section of Jurassic coal-bearing strata in Baijiahai dome

2煤層氣地質(zhì)條件

白家海凸起侏羅系煤層埋深超過1 500 m，由于深部煤層應(yīng)力高、溫度高、煤巖壓縮性強(qiáng)，致使深煤儲(chǔ)層物性及含氣性等與淺層差異明顯。研究區(qū)煤層氣勘探程度低，缺少深層煤巖實(shí)測(cè)資料。筆者依托區(qū)內(nèi)大量常規(guī)油氣勘探開發(fā)資料，開展含煤地層煤層氣成藏地質(zhì)條件分析。

2.1深部煤儲(chǔ)層展布特征

白家海凸起八道灣組發(fā)育1～2層煤，煤層全區(qū)均有分布且橫向展布穩(wěn)定，單層厚度大于6 m，最厚達(dá)16 m以上，平均厚度約10 m。富煤中心位于研究區(qū)北側(cè)彩49井區(qū)，呈環(huán)帶狀分布，中部白家海凸起煤層呈北東—南西向展布，大部分煤層厚度大于10 m(圖5(a))。西山窯組煤層受沉積環(huán)境和古地貌影響較明顯，全區(qū)均有分布，煤層厚度分布變化大。西山窯組發(fā)育2～5層煤，煤層層數(shù)總體呈北東東向展布，東南部煤層最發(fā)育，中部層數(shù)最少。西山窯組煤厚總體呈北東向展布，東南厚西北薄，厚度介于5～20 m，平均煤厚8.3 m，在沙南3井-阜11井形成富煤中心，白家海凸起背斜部位變薄，在阜康—沙帳向斜區(qū)煤層顯著增厚。八道灣組煤層整體呈一向西南傾斜的單斜，埋深從東部1 000 m往西至5 500 m左右，近北西—南東向展布，構(gòu)造相對(duì)平緩(圖5(b))。在古構(gòu)造背景基礎(chǔ)上形成的白家海凸起北部形成了鼻狀構(gòu)造，同一地區(qū)西山窯組煤層埋深比八道灣組煤層埋深淺300～500 m。

圖5　白家海凸起八道灣組煤層厚度和煤層埋深分布Fig.5　Coal seam thickness and buried depth isoline of Badaowan Formation in Baijiahai dome

2.2深部煤層熱演化程度與地層溫度

基于鉆孔煤樣鏡質(zhì)組反射率測(cè)試結(jié)果，白家海凸起侏羅系煤階呈“喇叭狀”分布規(guī)律，縱向上煤巖熱演化程度隨埋深的增加而增大，平面上煤巖熱演化程度等值線呈北西向展布(圖6(a))，這一分布格局與煤層埋深等值線分布特征類似，指示煤巖熱演化受深層熱變質(zhì)作用控制顯著。研究區(qū)東北部彩3井區(qū)和東南部沙丘1井區(qū)煤層埋藏淺，煤層熱演化程度最低，為褐煤-長(zhǎng)焰煤，西南部煤層埋藏深，煤層熱演化程度最高達(dá)1.0%以上，在阜11井區(qū)西南為肥煤。在同一地區(qū)八道灣組煤層熱演化程度要比西山窯組煤層高0.05%～0.20%。煤階的分布特征，對(duì)深煤層含氣性、滲透性及可采性具有重要影響。

圖6　白家海凸起八道灣組煤巖熱演化程度和地溫等值線Fig.6　Ro and modern geothermal field isoline of Badaowan Formation in Baijiahai dome

根據(jù)區(qū)內(nèi)10余口常規(guī)油氣井測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，侏羅系八道灣組和西山窯組煤層地溫與埋深呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著煤層埋藏深度增加，煤層溫度呈線性增大。區(qū)內(nèi)現(xiàn)代地溫梯度介于1.8～3.0 ℃/hm，平均為2.5 ℃/hm，區(qū)域上，研究區(qū)內(nèi)2組煤層的地溫梯度大概都呈NE—SW向環(huán)帶狀展布，最高值位于區(qū)內(nèi)西北部的彩17～彩19井區(qū)，低值區(qū)位于研究區(qū)東部?？傮w來看，兩組煤層的地溫梯度均低于3.33 ℃/hm的平均水平，屬于相對(duì)地溫的“冷盆”[16-17]。侏羅系煤層溫度區(qū)域分布與煤層埋深分布格局一致，等溫帶呈SN向展布(圖6(b))。自東向西地溫逐漸升高，其中八道灣組現(xiàn)今地溫介于25～85 ℃，西山窯組現(xiàn)今地溫介于10～80 ℃。

2.3深部煤層含氣量及其分布

綜合地溫場(chǎng)、煤階、流體壓力場(chǎng)等因素相關(guān)關(guān)系[10,18-20]，基于白家海凸起煤儲(chǔ)層地質(zhì)條件，結(jié)合該區(qū)高溫高壓條件下煤巖等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果[21-22]，利用回歸方法，建立了該區(qū)深部低階煤含氣量數(shù)學(xué)模型,即

式中，V為煤層含氣量，m3/t；P為煤儲(chǔ)層壓力，MPa；Ro,max為煤巖鏡質(zhì)組最大反射率，%。

根據(jù)該區(qū)周緣煤礦樣品溫壓條件下等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn)以及白家海凸起侏羅系含煤地層地溫場(chǎng)、煤巖熱演化程度、流體壓力場(chǎng)等地質(zhì)條件的分析，參考研究區(qū)內(nèi)惟一一口井的實(shí)測(cè)含氣量數(shù)據(jù)，結(jié)合上述數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)了研究區(qū)煤層含氣量及其平面分布(圖7)。隨著煤層埋藏深度由東向西逐漸增加，含氣量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。八道灣組等含氣量線與煤巖熱演化程度等值線趨勢(shì)近似。八道灣組煤層含氣量相對(duì)富集區(qū)主要分布于白家海凸起東部，沙南1井區(qū)煤層含氣量大于9.5 m3/t；白家海凸起西南部由于受煤巖熱演化程度增高的影響，煤層含氣量向西南部逐漸增大至9.5～12 m3/t。煤層含氣量從沙南1井區(qū)向西、北、南方向受溫度負(fù)效應(yīng)影響逐漸減小至8.5 m3/t左右，這是由于當(dāng)埋深達(dá)到煤層含氣量臨界深度時(shí)，煤層含氣量隨深度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)[9,19,23]。整體上西山窯組煤層埋深淺于八道灣組，含氣量主要受地溫場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響，與埋深等值線趨勢(shì)近似呈南北向展布。相對(duì)富集區(qū)主要位于研究區(qū)東部，含氣量達(dá)10.5 m3/t以上，向西部受溫度負(fù)效應(yīng)影響含氣量略有降低。

圖7　白家海凸起八道灣組煤層含氣量等值線Fig.7　Isoline of CBM content of Badaowan Formation in Baijiahai dome

3深部含煤層氣系統(tǒng)儲(chǔ)層組合特征

準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起侏羅系發(fā)育西山窯組和八道灣組2套煤層，其中西山窯組煤層頂?shù)装鍑鷰r主

要以泥巖為主，封蓋性好，煤層既作為生氣層，又作為儲(chǔ)氣層，處于局部構(gòu)造高部位或側(cè)向水力封堵可獨(dú)立形成含煤層氣系統(tǒng)。八道灣組煤層頂?shù)装逶诎准液Ｍ蛊鹬粮繁毙逼掳l(fā)育大面積連續(xù)分布的砂體，煤層及其頂?shù)装迳皫r處于同一壓力系統(tǒng)內(nèi)，煤層作為主要的烴源巖，可形成統(tǒng)一含煤層氣系統(tǒng)。

3.1八道灣組含煤層氣系統(tǒng)儲(chǔ)層組合

八道灣組三段煤系發(fā)育以下伏砂巖+中部煤層+上覆砂巖為主的含煤層氣儲(chǔ)層組合(圖8)。通過彩35井-彩39井-彩19井連井剖面可看出這種儲(chǔ)層組合橫向展布較穩(wěn)定，構(gòu)成了本區(qū)特殊的含煤層氣系統(tǒng)儲(chǔ)層組合。由于白家海凸起位于彩南油田區(qū)內(nèi)，八道灣組砂巖常規(guī)油氣勘探程度高，資料較為豐富，而西山窯組和八道灣組煤層氣資料較少，筆者煤層氣相關(guān)數(shù)據(jù)來自常規(guī)井地質(zhì)、測(cè)錄井等間接獲取。

圖8　白家海凸起八道灣組煤層及其頂?shù)咨皫r儲(chǔ)層組合Fig.8　Reservoir combination of Badaowan Formation coalbed and its sandstone in Baijiahai dome

下伏砂巖：據(jù)金博等的研究認(rèn)為八道灣組砂巖儲(chǔ)層以巖屑砂巖為主，成分成熟度低，分選中等到好，結(jié)構(gòu)成熟度高[24]。區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層常見次生巖屑溶蝕作用，以粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔為主，下伏砂巖孔隙度為8.91%～12.68%，平均10.9%；滲透率為0.05×10-15～0.27×10-15m2，平均0.19×10-15m2，為低孔特低滲致密儲(chǔ)層[24-26]。煤層底部致密砂巖較頂板致密砂巖分布穩(wěn)定，呈北東—南西向展布，砂巖厚度20～50 m，平均厚度約35 m，厚砂體分布于白家海凸起西南部，在彩35井區(qū)超過50 m，砂體展布形態(tài)受控于辮狀河道的擺動(dòng)。

中部煤層：八道灣組上煤層在全區(qū)均有分布，單層平均厚度約16 m，基于測(cè)井資料解釋煤層孔隙度2.96%～9.08%，平均5.33%，滲透率介于0.018×10-15～1.257×10-15m2，平均0.754×10-15m2。

上覆砂巖：據(jù)況昊等的研究認(rèn)為砂巖孔隙度為10.24%～14.34%，平均11.6%；滲透率為0.12×10-18～2.3×10-18m2，平均0.6×10-18m2，為低孔特低滲致密儲(chǔ)層[25]。由于水下分流河道分支數(shù)量減少，砂體分布范圍有所縮小，砂體厚度介于10～40 m，平均厚度約20 m。超過30 m厚的砂體主要分布于白家海凸起北部，呈北東—南西向展布。

區(qū)域性封蓋層：白家海凸起八道灣組上煤層含煤層氣儲(chǔ)層組合之上廣泛發(fā)育的前三角洲泥巖為八道灣組煤層及其頂?shù)咨皫r組合的區(qū)域蓋層，泥巖厚度5～45 m，平均厚度約20 m。泥巖厚度總體呈北西向展布，在彩504井區(qū)厚度最大，平均厚度超過30 m，封蓋性好。

3.2含煤層氣系統(tǒng)成藏模式

根據(jù)上述含煤層氣系統(tǒng)儲(chǔ)層組合特征，結(jié)合區(qū)內(nèi)常規(guī)氣井試采結(jié)果(表1)，認(rèn)為白家海凸起西山窯組煤層氣為自生自儲(chǔ)型獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)成藏模式(圖9)。在白家海凸起靠近斷層區(qū)，除了八道灣組上煤層自身烴源巖外，深部二疊系、三疊系烴源巖生成的氣體沿?cái)鄬踊虿徽厦孢\(yùn)移至八道灣組煤系儲(chǔ)層組合中再吸附成藏[27]，構(gòu)成了源外型含煤層氣系統(tǒng)成藏模式(圖9)。氣體同位素及其組分也證實(shí)了部分氣源來自于深部高成熟烴源巖[28]。在白家海凸起—阜北斜坡區(qū)由于缺少垂向上斷裂的溝通，地層相對(duì)較平緩，烴源巖主要以八道灣組三二段煤系烴源巖為主，氣體向上或向下圍巖中短距離運(yùn)移并成藏，形成源內(nèi)型含煤層氣系統(tǒng)成藏模式。源外型含煤層氣系統(tǒng)較源內(nèi)型及自生自儲(chǔ)型含煤層氣系統(tǒng)試采效果好，成為深部煤層氣經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的現(xiàn)實(shí)之路。

表1　準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起煤層氣及致密砂巖氣試采

圖9　白家海凸起含煤層氣系統(tǒng)成藏模式Fig.9　Reservoiring model of CBM system in Baijiahai dome

4結(jié)論

(1)白家海凸起發(fā)育分布穩(wěn)定的西山窯組和八道灣組煤層，八道灣組煤層平均厚度大于西山窯組，為深層含煤層氣系統(tǒng)主要目的層。

(2)白家海凸起由東向西隨著埋深的增加，煤層含氣量呈增大的趨勢(shì)?；诮⒌暮瑲饬款A(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，在淺部相同埋深條件下，壓力正效應(yīng)大于溫度負(fù)效應(yīng)，八道灣組煤層含氣量高于西山窯組煤層；在深部同一埋深條件下溫度負(fù)效應(yīng)大于壓力正效應(yīng)，八道灣組煤層含氣量略低于西山窯組煤層。

(3)準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起西山窯組發(fā)育自生自儲(chǔ)型獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)成藏模式，八道灣組發(fā)育源內(nèi)型、源外型含煤層氣系統(tǒng)成藏模式，據(jù)試采結(jié)果證實(shí)源外型含煤層氣系統(tǒng)開發(fā)潛力大，將成為深部煤層氣及煤成氣共采有效途徑。

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Characteristics of reservoir assemblage of deep CBM-bearing system in Baijiahai dome of Junggar Basin

CHEN Gang1,QIN Yong2，HU Zong-quan1,LI Wu-zhong3

(1.PetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China;2.KeyLaboratoryofCBMResourceandReservoirFormationProcess,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China;3.LangfangBranch，ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development,PetroChina,Langfang065007,China)

Abstract:Coal seams in Jurassic Xishanyao and Badaowan Formation were developed well in the Baijiahai dome of Junggar Basin.The burial depth of main coalbed is more than 1 500 m.Over the past ten years,the pre-production of several conventional oil and gas wells in coal seams had obtained good results,the volume of coalbed methane were more than 7 000 m3,which shows a good deep coalbed methane exploration prospect in Baijiahai dome.The amount of coalbed methane resources remains to be developed in Cainan oilfield.Based on the in-depth analysis of deep coalbed distribution characteristics,coal thermal evolution degree,the distribution of gas content and adjacent formation,it is considered that the Xishanyao coalbed is an independent CBM-bearing system,and the combination of Badaowan coalbed and its adjacent sandstone is another CBM-bearing system.The superior accumulation conditions of the inner-source type and outside source type of Badaowan CBM-bearing system are enriched in CBM and sandstone gas resources,both two have a potential in commingled production.

Key words:Junggar Basin;Baijiahai dome;CBM-bearing system;reservoir assemblage;exploration potential

中圖分類號(hào):P618.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2016)01-0080-07

作者簡(jiǎn)介:陳剛(1980—)，男，湖北鐘祥人，博士后。Tel：010-82311360，E-mail:chengang.syky@sinopec.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05033-003)

收稿日期:2015-09-10修回日期:2015-11-18責(zé)任編輯:韓晉平

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Chen Gang,Qin Yong，Hu Zongquan,et al.Characteristics of reservoir assemblage of deep CBM-bearing system in Baijiahai dome of Junggar Basin[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):80-86.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9001