油气勘探

鄂尔多斯盆地石炭系本溪组煤岩气地质特征与勘探突破

  • 赵喆 , 1 ,
  • 徐旺林 , 1 ,
  • 赵振宇 1 ,
  • 易士威 1 ,
  • 杨威 1 ,
  • 张月巧 1 ,
  • 孙远实 1 ,
  • 赵伟波 2 ,
  • 史云鹤 2 ,
  • 张春林 1 ,
  • 高建荣 1
展开
  • 1 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
  • 2 中国石油长庆油田勘探开发研究院,西安 710018
徐旺林(1970-),男,陕西子洲人,博士,中国石油勘探开发研究院高级工程师,主要从事石油天然气地质综合研究。地址:北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院石油天然气地质研究所,邮政编码:100083。E-mail:

赵喆(1976-),男,新疆五家渠人,博士,中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师,主要从事石油天然气地质综合研究。地址:北京市海淀区学院路20号,中国石油勘探开发研究院,邮政编码:100083。E-mail:

Copy editor: 衣英杰

收稿日期: 2023-06-28

  修回日期: 2024-02-06

  网络出版日期: 2024-04-03

基金资助

中国石油科技重大专项“深地煤岩气成藏理论与效益开发技术研究”(2023ZZ18-03)

长庆油田重大科技专项“鄂尔多斯盆地深层煤岩气赋存机理、富集规律及有效提产关键技术攻关”(2023DZZ01)

Geological characteristics and exploration breakthroughs of coal rock gas in Carboniferous Benxi Formation, Ordos Basin, NW China

  • ZHAO Zhe , 1 ,
  • XU Wanglin , 1 ,
  • ZHAO Zhenyu 1 ,
  • YI Shiwei 1 ,
  • YANG Wei 1 ,
  • ZHANG Yueqiao 1 ,
  • SUN Yuanshi 1 ,
  • ZHAO Weibo 2 ,
  • SHI Yunhe 2 ,
  • ZHANG Chunlin 1 ,
  • GAO Jianrong 1
Expand
  • 1 PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China
  • 2 Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China

Received date: 2023-06-28

  Revised date: 2024-02-06

  Online published: 2024-04-03

摘要

通过对鄂尔多斯盆地石炭系本溪组煤岩分布、煤岩储层特征、煤质特征、煤岩气特征以及煤岩气资源和富集规律等方面开展系统研究,评价其勘探潜力。研究表明:①煤岩气是有别于煤层气的优质天然气资源,在埋深、气源、储层、含气性、碳同位素组成等方面具有独特特征;②本溪组煤岩分布面积达16×104 km2,厚度2~25 m,以原生结构的光亮和半亮煤为主,挥发分和灰分含量低,煤质好;③中高阶煤岩TOC值为33.49%~86.11%,平均值为75.16%,演化程度高(Ro为1.2%~2.8%),生气能力强,气体稳定碳同位素值高(δ13C1值为−37.6‰~−16.0‰,δ13C2值为−21.7‰~−14.3‰);④深层煤岩发育气孔、有机质孔和无机矿物孔等基质孔隙,与割理、裂缝共同构成良好储集空间,储层孔隙度为0.54%~10.67%,平均值为5.42%,渗透率为(0.001~14.600)×10-3 μm2,平均值为2.32×10-3 μm2;⑤纵向上发育5种煤岩气聚散组合,其中煤岩-泥岩聚气组合与煤岩-灰岩聚气组合最为重要,封闭条件好,录井全烃气测峰值高;⑥构建了广覆式分布的中高阶煤岩持续生气、煤岩基质孔和割理裂缝规模储集、源-储一体赋存、致密岩盖层密闭封堵的煤岩气富集模式,存在煤岩侧向尖灭体、透镜体、低幅度构造、鼻状构造和岩性自封闭5种高效聚气类型。⑦依据煤岩气地质特征评价划分出8个区带,估算埋深超过2 000 m的煤岩气资源量超过12.33×1012 m3。上述认识指导风险勘探部署,两口井实施后分别获得工业气流,推动进一步部署预探井和评价井,获得规模突破,提交超万亿方预测储量和超千亿方探明储量,对中国天然气效益增储和高效开发具有重大意义。

本文引用格式

赵喆 , 徐旺林 , 赵振宇 , 易士威 , 杨威 , 张月巧 , 孙远实 , 赵伟波 , 史云鹤 , 张春林 , 高建荣 . 鄂尔多斯盆地石炭系本溪组煤岩气地质特征与勘探突破[J]. 石油勘探与开发, 2024 , 51(2) : 234 -247 . DOI: 10.11698/PED.20230679

Abstract

To explore the geological characteristics and exploration potential of the Carboniferous Benxi Formation coal rock gas in the Ordos Basin, this paper presents a systematic research on the coal rock distribution, coal rock reservoirs, coal rock quality, and coal rock gas features, resources and enrichment. Coal rock gas is a high-quality resource distinct from coalbed methane, and it has unique features in terms of burial depth, gas source, reservoir, gas content, and carbon isotopic composition. The Benxi Formation coal rocks cover an area of 16×104 km², with thicknesses ranging from 2 m to 25 m, primarily consisting of bright and semi-bright coals with primitive structures and low volatile and ash contents, indicating a good coal quality. The medium-to-high rank coal rocks have the total organic carbon (TOC) content ranging from 33.49% to 86.11%, averaging 75.16%. They have a high degree of evolution (Ro of 1.2%-2.8%), and a high gas-generating capacity. They also have high stable carbon isotope values (δ13C1 of -37.6‰ to -16‰; δ13C2 of -21.7‰ to -14.3‰). Deep coal rocks develop matrix pores such as gas bubble pores, organic pores, and inorganic mineral pores, which, together with cleats and fractures, form good reservoir spaces. The coal rock reservoirs exhibit the porosity of 0.54%-10.67% (averaging 5.42%) and the permeability of (0.001-14.600)×10-3 μm2 (averaging 2.32×10-3 μm2). Vertically, there are five types of coal rock gas accumulation and dissipation combinations, among which the coal rock-mudstone gas accumulation combination and the coal rock-limestone gas accumulation combination are the most important, with good sealing conditions and high peak values of total hydrocarbon in gas logging. A model of coal rock gas accumulation has been constructed, which includes widespread distribution of medium-to-high rank coal rocks continually generating gas, matrix pores and cleats/fractures in coal rocks acting as large-scale reservoir spaces, tight cap rocks providing sealing, source-reservoir integration, and five types of efficient enrichment patterns (lateral pinchout complex, lenses, low-amplitude structures, nose-like structures, and lithologically self-sealing). According to the geological characteristics of coal rock gas, the Benxi Formation is divided into 8 plays, and the estimated coal rock gas resources with a buried depth of more than 2 000 m are more than 12.33×1012 m3. The above understandings guide the deployment of risk exploration. Two wells drilled accordingly obtained an industrial gas flow, driving the further deployment of exploratory and appraisal wells. Substantial breakthroughs have been achieved, with the possible reserves over a trillion cubic meters and the proved reserves over a hundred billion cubic meters, which is of great significance for the reserves increase and efficient development of natural gas in China.

0 引言

鄂尔多斯盆地是中国最大的天然气生产基地,在缓坡型三角洲沉积模式指导下先后发现了苏里格、米脂、子洲、榆林等大气田[1],到2021年底已经提交6.9×1012 m3地质储量,为支撑中国能源安全发挥了重要作用。按照非常规天然气勘探的思路,盆地上古生界石炭系—二叠系致密砂岩气是以煤系为主要烃源岩的非常规天然气,直接对煤系源岩层进行勘探开发具有重要的意义。
鄂尔多斯盆地煤系分布范围广,埋深差异大[2]。前期针对盆地的煤层气开发主要局限于盆地东缘地区[3],包括保德、府谷、临兴、柳林、吴堡、石楼、大宁—吉县和韩城等地区,该区带南北跨度长约500 km,东西宽30~60 km[4],总体以中浅地层为主。近期在鄂尔多斯盆地大宁—吉县地区和准噶尔盆地埋深大于2 000 m的深部煤岩勘探中取得了良好效果,显示出深层煤岩原岩层中的天然气勘探前景较中浅层更为乐观。学术界认为,该领域之所以取得突破,是由于煤岩储层中游离气富集,与传统中浅层煤层气中主要富集吸附气的特征不同[5-6],具有相对独特的地质特性和鲜明的富气方式,值得对深层的煤岩内的天然气单独开展区别性研究。目前学者们对相关领域做了诸多探索和思考[7-10],带来非常有益的启发,同时也发现深层的煤岩与中浅层相比,不仅仅是深度的不同,还有诸多前人未知的地质特性的明显差异性。
鄂尔多斯盆地在本溪组、太原组和山西组发育多套煤岩,尤其是本溪组#8煤岩在全盆地稳定分布[11],但由于埋深大,按照过去的勘探思维方式,在天然气产量近似的情况下中浅层更有开发效益,因此长期以来把勘探开发的重点放在中浅层的煤层气,一直没有对盆地内部深层煤岩中的天然气进行规模勘探。近年来勘探发现,深层煤岩中的天然气产量远高于中浅层,展示了良好的勘探开发前景,引发了中国油公司对于深层煤岩天然气的勘探探索和科研攻关热潮。本文基于盆地内原有钻井资料、岩心分析数据、测井资料和地震资料,针对煤岩气与煤层气的差异、埋深大的煤岩储集能力、其资源潜力和规模、天然气的保存条件等主要地质问题,系统开展大量基础研究工作和综合分析评价,在鄂尔多斯盆地煤岩气资源潜力、储层特征、聚散组合、富集机理等方面得出了新的认识,并提出探井部署方案。

1 煤岩气概述

煤岩气是以中高阶煤岩自身生成或从其他气源运移而赋存于煤岩储层中,通过储层改造可快速产气并能规模开采的烃类气体。具有“一深十高”特征,即埋藏深,煤阶高,储层裂缝密度高,温度高,压力高,原位含气量高,含气饱和度高,游离气含量高,气体密度高,气体碳同位素值高,钻井全烃气测值高。
煤岩气埋藏深,一般大于2 000 m。埋藏深度的量变带来煤岩气藏特征的质变,在气源、储层、含气性、气体同位素等方面具有鲜明特征。通常赋存在煤岩层中的煤层气,主要是指埋藏较浅的煤中以吸附态为主的天然气[12-13]。与煤层气相比(见表1),埋藏深使煤岩具有较高的煤阶,生气能力强。埋藏深使地应力高,促使高脆性和低抗压强度的煤岩裂缝储层发育。埋藏深也使得煤岩储层温度和压力高。埋藏深还使得煤岩总含气量、含气饱和度、游离气含量和气体密度高。埋藏深更使得中高阶煤岩大规模生成的天然气碳同位素值高。
表1 煤岩气、煤层气特征对比
类型 气藏地质特征
气源 分布 埋深/m 储层物性 割理裂缝 运移方式 聚集动力 盖层条件 圈闭类型 保存条件 储层温度/℃
煤岩气 自源或他源 盆地内部平缓区、构造带 2 000~
4 000
孔隙度0.1%~16.0%,渗透率(0.001~15.000)× 10-3 μm2 开度大于5 μm裂隙10~19 条/ 9 cm2
开度小于5 μm的裂隙94~308 条/ 9 cm2
初次运移
(扩散流)、二次运移
(达西流)
游离、吸附(浮力、范德华力) 盖层岩性影响大,存在泥岩、灰岩、致密砂岩3类盖层 地层岩性,局部微幅度构造 圈闭与压力封闭并存;埋藏深,水动力弱 65~
135
煤层气 自源 盆地周缘构造带、隆起区 几百到
1 500
孔隙度0.1%~8.0%,渗透率(0.001~0.500)× 10-3 μm2 浅层煤割理裂缝
发育
初次运移为主(扩散流) 吸附为主
(范德华力)
盖层岩性
影响小
地层岩性,局部微幅度构造,水动力 压力封闭,埋藏浅,水动力强,受大气淡水渗入影响 约40
类型 气藏地质特征 开发特征
储层
压力/MPa
原位气体
密度/(kg•m-3)
含气
饱和度
含气量/
( m3•t-1)
游离气含量 气测峰值 碳同位素 开采工艺 排采特征 预测最终采收量/104 m3
煤岩气 22~
33
130~
210
高,可达98.6% 可达34.0,
平均21.8
游离气占比可达45%,平均24.48% 全烃气测峰值大于90%,高者可达100% δ13C1:−37.6‰~−16.0‰,δ13C2:−21.7‰~−14.3‰ 直井、水平井、大斜度水平井体积压裂 开井即见气,“双峰接力”产气[6] 4 000~
6 000
煤层气 4~8 约60 变化较大 8~12 游离气含量低 相对较低 δ13C1偏轻:−70.50‰~−36.19‰[14] 排采时间较长,单峰曲线[6] 一般小于
2 500
首先,煤岩气既有自身单一气源,也有混合气源。鄂尔多斯盆地煤岩气源主要是深埋藏的中高阶煤岩自身生成的天然气。准噶尔盆地白家海侏罗系西山窑组煤岩气,有来自下伏石炭系高过成熟天然气混入。一方面是西山窑组煤阶低,自身生气量有限,另一方面是断裂沟通的下伏石炭系烃源岩生烃能力强,给西山窑组煤岩裂缝型储层提供了气源。针对西山窑组煤岩中赋存的多源天然气提出煤岩气新概念[5],强调煤岩的储集特征。
其次,埋藏深的煤岩裂缝型储层发育。准噶尔盆地白家海煤岩气特征不仅是多源,更主要的是密集发育的大孔隙和微裂隙中富含游离气。鄂尔多斯盆地本溪组深层煤岩储层埋藏深,热演化程度高,因此亮煤、半亮煤占比高,割理比较发育。而且深部地应力作用强,煤岩脆性高,裂隙也非常发育。镜下薄片统计显示,开度大于5 μm裂隙密度10~19条/9 cm2,开度小于5 μm的裂隙可达94~308条/9 cm2,总体渗透率可达14.6×10-3 μm2。可见,深埋的中高阶煤岩中不仅由于大规模生排烃发育大量基质气孔,而且发育规模较大的密集微裂缝,为游离气富集提供了非常好的储集条件。较好的储集层中天然气运移方式除了扩散流以外,还有达西流。其聚集动力除了煤岩表面吸附的范德华力外,还受浮力作用控制。
第三,深层煤岩含气量高。深层煤岩普遍煤阶较高,煤颗粒兰氏体积大。高温和高压条件下高密度的超临界天然气赋存在大孔隙和微裂缝中,含气量和含气饱和度高。尤其突出的是游离气含量占比可高达45%,主要赋存在大孔隙和广泛发育的割理缝、构造裂缝中,使得局部构造圈闭、储层发育的岩性圈闭和盖层封堵条件对高产甜点区具有控制作用。
第四,煤岩气碳同位素值高。煤岩气埋深较大,几乎不受近地表地质作用影响,甲烷和乙烷同位素值相对较高。对盆地内埋深为2 427.27~3 227.00 m的5口井煤岩气样品分析表明,甲烷碳同位素值为−37.6‰~−16.0‰,乙烷碳同位素值为−21.7‰~−14.3‰。而盆地东缘浅部的煤层气受到生物气混合作用[14-15]、地下水动力作用[16]、构造抬升解吸分馏作用[17]等因素影响,天然气的甲烷碳同位素普遍偏轻,一般为−55.52‰~−46.52‰[3],甚至−70.5‰~−36.19‰[14]
最后,煤岩气生产曲线具有“双峰”产气特征。压裂后排采初期赋存于煤岩大孔隙和微裂隙中的游离气快速产出,表现为初期产量高、见气快的特点,形成产气高峰。稳产一段时间后,随着压力降低,吸附气逐渐解吸,形成第2个产气高峰或者持续稳产阶段[6],总体形成游离气和解吸气序次产出格局。

2 地质背景与煤岩特征

2.1 地质背景

鄂尔多斯盆地是华北地台的次级构造单元。盆地面积25×104 km2,划分为6个一级构造单元,依次是西缘冲断带、天环坳陷、渭北隆起带、伊陕斜坡、伊盟隆起带和晋西挠褶带(见图1a)。煤岩主要分布在伊陕斜坡和西部的天环坳陷。盆地上古生界自下而上发育上石炭统本溪组、下二叠统太原组和山西组含煤地层,沉积环境由海陆交互相转为陆相。山西组主要发育#1~#5煤岩,与砂岩、泥岩间互。太原组主要发育#6、#6、#7、#8煤岩,分布于山西组底部的北岔沟砂岩和太原组东大窑灰岩、斜道灰岩、毛儿沟灰岩以及庙沟灰岩之间。本溪组主要发育#8、#9、#10煤岩,#8和#9煤岩经常合并为一体,习惯上统称为#8煤岩,位于本溪组吴家裕灰岩之上,太原组庙沟灰岩之下。本溪组底部是畔沟灰岩和铁铝岩,盖在马家沟组顶部不整合面之上(见图1b)。本溪组顶部的#8煤岩厚度一般为2~15 m,最厚可达25 m,在盆地东缘埋藏浅(500~1 500 m),在盆地埋藏深(2 000~4 000 m)(见图2a),在全盆地分布最为稳定,煤岩气勘探潜力最大,也是本文关注的煤岩气目的层。
图1 鄂尔多斯盆地构造分区图(a)与本溪组—山西组地层综合柱状图(b)(据文献[18-19]修改)
图2 鄂尔多斯盆地本溪组煤岩厚度图(a)及本溪组Ro等值线图(b)(图a据文献[19]修改)

2.2 本溪组煤岩分布与煤质特征

2.2.1 煤岩沉积与分布特征

本溪组沉积时期,鄂尔多斯盆地属于近岸三角洲和障壁海岸潮坪—潟湖沉积体系,发育了广覆式分布的煤岩,分布面积为16.08×104 km2。盆地自北向南依次发育三角洲平原、三角洲前缘和浅海潟湖沉积[20-21]。北部三角洲平原河道间湾发育沼泽沉积,植物繁茂,河道横向迁移形成大面积分布的泥炭沉积,演化成巨厚的煤岩,厚度可达25 m。中部三角洲前缘地带,分支河道稳定持续发育,形成水道间湾浅水近岸沼泽,演化成叠置发育的厚层煤岩,厚度为4~16 m。向南至靖边—志丹—延安地区属于障壁海岸—潟湖沉积体系,大量浅水成煤植物发育,演化形成广覆式、大面积分布的煤岩。由于海平面频繁变化,适合煤岩形成的环境持续时间较短,煤岩略薄,夹矸较多,厚度为2~12 m。总体上盆地东北部煤岩厚度大、埋藏浅,向西向南逐渐减薄(见图2a),夹矸及分叉增多。

2.2.2 煤质特征

煤质特征是表征煤岩的重要参数,主要包括显微组分特征、工业组分和宏观特征等要素。
从显微组分看,本溪组煤岩以镜质组为主,其含量为19.86%~91.28%,平均值为68.48%;壳质组含量为0~30.99%,平均值为2.94%;惰质组含量0~73.16%,平均值为19.50%;矿物组含量为0.57%~20.20%,平均值为9.31%。除了镜质组总体占比较高以外,其他组分变化较大,表明煤岩非均质性较强。
从工业组分看,本溪组煤岩挥发分含量属特低—低,灰分含量属低—中等,水分含量极低,煤质好。固定碳含量为51.12%~86.93%,平均值为72.68%;挥发分含量为7.64%~12.75%,平均值为10.58%;灰分含量为3.81%~38.89%,平均值为16.19%;水分含量为0.40%~1.09%,平均值为0.61%。
从宏观特征看,本溪组煤岩以半亮煤和光亮煤为主,其次是半暗煤和暗淡煤。整体上#8煤岩上部煤质好,泥质含量低,下部煤岩泥质含量稍高,有夹矸发育。
从煤体结构来看,煤岩整体以原生结构煤为主,局部地区发育碎裂煤和碎粒煤。一般原生结构的光亮煤和半亮煤微裂缝和割理发育,储集性能好。

3 本溪组煤岩气富集条件

3.1 高煤阶的煤岩生气能力强

煤岩煤阶高低控制生烃能力强弱。一般褐煤甲烷生成量较少,无烟煤甲烷生成能力强,可达590 m3/t[22-26]。鄂尔多斯盆地在早白垩世晚期(距今107~138 Ma),软流圈地幔上涌,岩石圈地幔减薄,引发构造热事件,大地热流值和地温梯度升高[27-28],促使煤阶增高,生烃能力增强。本溪组煤岩的热演化程度除了在盆地东北部较低外(Ro值为0.6%~0.8%),普遍达到中高煤阶演化程度(Ro值为1.2%~2.8%)(见图2b),气煤和肥煤分布较少,以焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤为主,整体生气能力强[29-31]。高—过成熟阶段的煤岩中,残留可溶有机质和可热解的有机质大多已经排出,氯仿沥青“A”和热解烃等指标普遍偏低。盆地煤岩的TOC值为33.49%~86.11%,平均值为75.16%。
在热演化早期阶段,Ⅲ型有机质以侧链基团脱基团作用为主,生气能力较差,生成的气态产物中相对富集12C,使得气态烃碳同位素值偏低;在热演化晚期阶段,有机质大规模芳化、环化和芳环解体是气态烃生成的主要动力,导致同位素值增高[32],生气量增大。煤岩干酪根的稳定碳同位素值为−24.5‰~−22.5‰[33-34],生成的气态烃碳同位素值也普遍较高。盆地煤岩气的甲烷碳同位素值一般大于−37.6‰,最高可达−16‰;乙烷碳同位素值普遍高于−21.7‰,最高可达−14.3‰,与盆地内山西组、盒8段以及奥陶系的天然气明显不同(见图3),煤岩气碳同位素偏重是高阶煤岩生气能力强的表现。
图3 鄂尔多斯盆地主要层系天然气碳同位素组成特征

3.2 煤岩储层发育

煤岩作为天然气储集层,其储集空间主要包括基质孔隙和裂隙孔隙。基质孔隙的成因类型主要包括煤岩气孔、残留植物组织孔、矿物质孔等,其发育程度主要受煤岩显微组分、矿物成分、煤阶等因素控制。裂隙孔隙的成因类型主要包括煤岩内生割理和外力作用形成的微裂隙两类,其发育程度主要受煤阶、煤体结构、构造应力等因素控制。

3.2.1 煤岩储层储集空间类型

深层煤岩一般为具有基质孔隙和裂缝的双重孔隙介质。鄂尔多斯盆地#8煤岩基质中,主要发育气孔、残留植物组织孔和晶间孔、粒间孔、粒内孔等无机矿物质孔(见图4)。此外,割理和微裂隙大量发育。
图4 鄂尔多斯盆地本溪组煤岩储层微观特征(Cl—黏土矿物;DC—基质镜质体;F—丝质体;Sf—半丝质体)

(a)QI85井,2 629.23 m,张裂隙开度363 nm,气孔直径为680~788 nm,扫描电镜;(b)QI85井,2 631.40 m,高岭石粒内孔发育,孔径270~280 nm,扫描电镜;(c)QI85井,2 629.34 m,气孔发育,孔径几十至几百纳米,扫描电镜;(d)QI85井,2 629.15 m,黏土充填丝质体孔隙,基质镜质体发育割理和微裂隙;(e)MI115井,2 901.40 m,黏土充填丝质体胞腔孔,扫描电镜;(f)JIN26井,3 101.24 m,树枝状割理裂隙发育;(g)JIN26井,3 103.40 m,煤岩镜质体为主,微裂隙发育,扫描电镜;(h)JIN26井,3 103.40 m,微裂隙和气孔发育,扫描电镜;(i)JIN26井,3 103.40 m,局部放大,气孔发育,孔径几纳米至几百纳米,扫描电镜

①气孔:煤岩在成煤作用过程中温度和压力持续升高,镜质体处于软化塑性状态,其有机质官能团和侧链持续按照活化能大小依次断裂,随着热演化程度升高,大分子烃类逐渐裂解生成富含甲烷的气体,气体逐渐聚合形成气孔,是煤化作用过程中成气作用结果的产物与痕迹[35]。当热演化形成的气体压力小于煤岩胶质体的包裹能力,会形成封闭气孔。当生成的气体足够多,其压力大于胶质体的包裹阻力,就会形成开放的气孔,一般开放性气孔较多。本溪组煤岩在热演化过程中形成的气孔成群密集发育,呈椭圆形和管状,孔径从几个纳米到几百个纳米不等,在镜质体组分中最为发育(见图4a图4c图4h图4i)。浅层煤层一般煤阶较低,生气规模小,气孔不如深层煤岩发育。
②残留植物组织孔:煤岩继承植物组织结构保留下来的孔隙。煤化作用过程中,部分植物组织细胞得以保留,形成胞腔孔,多见于丝质体和半丝质体中。孔径从几十个纳米到几个微米不等,这类孔隙有可能被黏土矿物质充填(见图4d图4e)。
③矿物质孔:指煤岩中的碳酸盐、黏土等矿物颗粒,在成煤过程中和成煤后的地质作用下形成的孔隙,包括矿物粒内溶蚀孔、矿物晶间孔、矿物颗粒间孔等。这类孔隙在煤岩的薄层夹矸和低煤阶煤岩中较为发育(见图4b)。
④割理:是在煤化过程中的凝胶化作用下,塑性—半塑性煤物质在其生成的天然气和水分等流体排出过程中,煤基质收缩产生的内张力作用下形成的。分为面割理和端割理两类。面割理一般延伸长度大,在镜煤或亮煤中,延伸长度可达几米甚至几十米。端割理一般与面割理正交发育,其长度受平行发育的面割理间距控制。割理发育程度与煤岩厚度、类型及组分密切相关,微观尺度下的割理长度为几十微米至十几毫米,宽度为几百纳米至几微米(见图4d图4f图4g图5)。
图5 鄂尔多斯盆地本溪组岩心照片

(a)MI115井,2 089.20 m,光亮煤为主,面割理和端割理发育;(b)QI32井,3 260.20 m,光亮煤为主,箭头所指光亮煤块间黏土矿物变形,微裂缝发育,未被充填;(c)SD1H井,2 358.84 m,光亮煤,面割理和端割理发育,部分裂缝被方解石充填;(d)QI32井,3 265.36 m,光亮煤为主,树枝状和网状裂缝发育,被矿物充填;(e)LIAN133井,3 864.20 m,光亮煤为主,割理缝发育,受构造应力作用的微裂缝以剪切裂缝为主,垂直缝发育

⑤裂隙:是指煤岩地层在地质应力作用下形成的张性、剪性和张剪性裂隙(见图5),一般不受煤岩类型限制。由于是构造应力作用的结果,裂隙面上可见到擦痕和阶步等特征,缝隙中常可见到方解石、黏土等矿物充填(见图5d)。割理和裂缝成因不同,但是局部的割理缝和微裂缝不容易区分,都具有较好的储集和输导能力。不同尺度的裂缝需要用不同方式来研究,纳米、微米级宽度的裂缝需要通过电镜观察分析,微米、毫米级宽度裂缝可以通过观察岩心分析,更大的裂缝造成煤岩岩心碎裂,需要通过成像测井资料来分析研究。裂缝比较发育的煤岩段,可以清楚地在成像测井资料上观察到裂缝特征,这类裂缝以高角度为主,富含游离气,钻井全烃气测值在80%左右(见图6)。
图6 SHG128井#8煤岩电成像测井图(箭头指向有效开启裂缝)

3.2.2 煤岩储层物性特征

鄂尔多斯盆地煤岩储层物性好,在不同尺度上特征不同。通过二氧化碳、低温液氮吸附和高压压汞联合进行孔隙结构表征,发现煤岩微孔(孔径小于2 nm)体积占比42%~57%,宏孔(孔径大于50 nm)体积占比28%~45%,介孔(孔径2~50 nm)体积占比13%~15%,表明煤岩孔隙结构具有微孔、宏孔为主的特征。厘米级小块样和柱塞样的物性有差别。对厘米级煤块分析结果显示,孔隙度1.937%~9.116%,平均值为5.329%,渗透率为(0.005~1.192)×10-3 μm2,平均值为0.350×10-3 μm2。对柱塞样分析结果显示,孔隙度为0.540%~10.670%,平均值为5.466%,渗透率为(0.001~14.600)×10-3 μm2,平均值为3.438×10-3 μm2(见表2)。从以上数据可以看出,块样分析的孔隙度和柱塞样分析孔隙度相比,基本相当或者略低;块样分析的渗透率和柱塞样分析渗透率相比,明显偏低。当实验室物性分析对象是厘米级煤块时,只反映局部微小尺度块体的物性,很难反映出裂缝的储集和输导能力。当物性分析对象是3 cm级柱塞样时,可能反映了中小尺度的微裂缝储集和输导能力,物性结果要好一些。显微尺度、岩心尺度和成像测井表达的裂缝特征也有差异。从显微割理裂隙统计数据来看(见表3),开度大于5 μm、长度分别为大于10 mm和小于10 mm的A型和B型割理裂隙条数较少;而开度小于5 μm、长度分别为大于300 μm和小于300 μm的C型和D型割理裂隙条数较多,表明较大尺度割理裂隙密度低,较小尺度割理裂隙密度高。薄片(见图4f)能更好地反映显微裂缝发育情况。通过岩心观察(见图5e)或者成像测井分析可以直观观察较大裂缝特征,图6显示SHG128井煤岩发育有效开启裂缝,这类较大尺度的裂缝特征是很难通过对厘米级煤块和小的柱塞样分析测试获得,只有通过成像或者核磁共振测井才能较好表征。深层煤岩中大裂缝的成因与煤岩的高脆性特征、低抗压强度和高地应力条件密切相关。
表2 本溪组煤岩储层物性数据表
序号 井号 深度/m 孔隙度/% 渗透率/10-3 μm2 样品类型
1 MI115 2 087.78 0.540 0.001 柱塞样
2 MI115 2 090.32 1.610 0.001 柱塞样
3 MI115 2 105.32 3.570 0.155 柱塞样
4 MI172 2 425.20 10.670 3.470 柱塞样
5 MI172 2 425.45 4.770 0.802 柱塞样
6 MI172 2 427.64 8.480 0.673 柱塞样
7 MI172 2 427.89 7.700 1.537 柱塞样
8 MI172 2 428.39 5.630 0.743 柱塞样
9 MI172 2 428.65 6.610 1.162 柱塞样
10 MI172 2 428.99 1.200 0.001 柱塞样
11 MI172 2 429.29 8.470 2.096 柱塞样
12 JIN26 3 101.33 5.333 14.600 柱塞样
13 JIN26 3 102.46 6.551 12.000 柱塞样
14 JIN26 3 103.48 4.992 10.900 柱塞样
15 MI109 2 373.93 5.947 0.048 块样
16 MI109 2 374.80 3.708 0.005 块样
17 MI109 2 375.80 1.937 0.020 块样
18 MI109 2 376.30 2.491 0.158 块样
19 QI36 2 805.34 6.370 0.942 块样
20 QI36 2 806.78 9.116 0.096 块样
21 QI36 2 807.62 7.929 0.338 块样
22 QI36 2 808.57 5.136 1.192 块样
平均 5.398 2.315
表3 煤岩显微割理裂隙统计表
样品号 显微割理裂隙/[条·(9 cm2)-1]
A型 B型 C型 D型 合计
JIN26-2 3 10 62 160 235
JIN26-5 2 10 20 74 106
JIN26-8 7 12 52 92 163
QI85-1 3 12 48 260 323
QI85-5 2 14 32 220 268
QI85-8 2 8 30 214 254

3.3 煤岩气聚散组合

煤岩富含吸附气与游离气,不同地质条件聚气特征不同。图7显示的近南北向剖面上,不同部位的钻井全烃气测值不同,就是受煤岩气聚散条件控制。
图7 鄂尔多斯盆地本溪组煤岩与上覆和下伏地层组合剖面图(剖面位置见图1a
在太原组三角洲前缘沉积环境,一般海相和陆相沉积过渡区,泥岩较厚,主要形成煤岩-泥岩聚气组合,上覆泥岩厚度2~5 m,封闭性较好,图7中SH79和SH114井钻井气测峰值分别达到64.66%和76.87%,说明游离气含量高,聚气条件好。在横山—子洲—米脂一带,太原组为浅海沉积环境,底部发育庙沟灰岩。在灰岩致密区,形成煤岩-灰岩聚气组合,上覆厚度2~22 m的灰岩起到良好的封盖作用,图7中的LT1井和MI138井为典型代表,煤岩层钻井气测峰值在85%以上,表明此类组合的煤岩储层中游离气含量较高。如果庙沟灰岩存在孔隙或裂缝发育等导致灰岩致密性差的地质因素,会形成煤岩-灰岩散失组合,钻井气测值较低,说明煤岩中游离气含量降低。
在盆地北部神木及以北地区,太原组以三角洲平原环境为主,砂岩比较发育,会形成煤岩-砂岩散失组合,砂质岩厚度为3~12 m,一般砂岩的渗透性较好,煤岩中游离气可能运移逸散到砂岩中聚集形成砂岩气藏或者直接散失。图7中SH36井煤岩段的气测峰值只有31.17%,表明游离气含量低。当然,也可能存在上覆砂岩胶结致密的情况,形成煤岩-致密砂岩聚气组合。
在盆地中东部,煤岩气的聚散组合变化有规律可循,主要受上覆太原组岩性和物性控制。总体上南部的煤岩-灰岩组合与中部的煤岩-泥岩组合对煤岩气封闭作用较好,钻井气测峰值普遍较高,主要为聚气组合。北部的煤岩-砂岩组合对煤岩气封闭性较差,气测峰值较低,主要为散气组合。当然,由于地质作用的变化,太原组灰岩盖层中也有可能存在局部的裂缝或者孔隙发育带,导致煤岩气散失。同样,在砂岩发育区,也有可能存在胶结非常致密的砂岩形成封盖层。总的来说,煤岩气的聚集和散失组合可以划分上述5种类型(见图8)。钻井气测曲线是判断煤岩气聚集、散失组合的直接指标。一般煤岩段气测值较高,说明煤岩气聚集条件好。如果气测值较低,则可能预示煤岩气散失较多,封堵条件较差。
图8 鄂尔多斯盆地本溪组煤岩气聚散组合类型

(a)煤岩-灰岩聚气组合;(b)煤岩-泥岩聚气组合;(c)煤岩-砂岩散气组合;(d)煤岩-灰岩散气组合;(e)煤岩-致密砂岩聚气组合

3.4 煤岩气聚集过程与富集模式

3.4.1 煤岩气聚集过程

煤岩形成过程受地层埋藏史和热演化史控制(见图9)。鄂尔多斯盆地本溪组沉积后,经历了大约150 Ma的埋深和成煤作用过程,古地层温度持续升高到超过160 ℃,煤阶逐渐达到焦煤、瘦煤、贫煤甚至无烟煤。早白垩世晚期的构造热事件促使地温梯度升高到4.5 ℃/100 m左右,晚白垩世之后,地层逐渐抬升,煤岩层地温缓慢下降,地温梯度逐渐演变成现今的2.8 ℃/100 m左右。现今地层温度自东向西逐渐增加,从东部的65 ℃变化到天环坳陷的135 ℃左右[28]
图9 鄂尔多斯盆地煤岩气聚集过程图
煤岩生气能力受煤阶控制。煤岩一般在褐煤和长焰煤阶段生烃较少。在气煤、肥煤和和焦煤阶段,主要生成轻质油、凝析油和湿气。焦煤阶段(相当于Ro值为1.2%~1.3%)开始大规模生成甲烷气,至瘦煤、贫煤和无烟煤阶段,煤岩生成液态烃和重烃气逐渐减少,持续大规模生成甲烷气,而且生气能力不断增强[22-25]
从焦煤至无烟煤阶段(Ro值1.2%~2.4%),大规模生成甲烷气时期与构造热事件耦合,也与燕山期、喜马拉雅期构造应力作用下裂缝型储层形成期匹配(见图9)。在煤岩持续生成大量甲烷气体过程中,甲烷气首先在塑性软化镜质体中形成的气孔内聚集,之后在煤岩收缩形成的割理缝和受构造应力作用形成的微裂缝中聚集。白垩纪之后,随着地层轻微抬升,地温和压力略有降低,但是中高阶煤岩在高温条件下持续生成甲烷气体,不仅为上古生界致密储层提供了充足的气源,而且保持了煤岩中天然气的持续充注与聚集。

3.4.2 煤岩气富集模式

煤岩段内部的天然气富集带不仅与围岩的封闭性相关,而且与煤岩自身的分布形态和储集性能相关。鄂尔多斯盆地煤岩气属于自生自储的天然气,在特定温度和压力条件下主要充注在煤岩基质微孔和割理裂缝中。在煤岩段内部,依据煤岩形态与围岩关系划分出煤岩气富集类型(见图10):①侧向尖灭富集型,是指煤岩向上倾方向变薄尖灭,相变为致密泥岩,形成良好封堵,而煤岩内部孔隙和裂缝比较发育,形成煤岩气局部富集。②透镜状富集型,是指在局部沼泽环境形成的煤岩体,向四周逐渐减薄,并且被泥岩封闭,煤岩自身生成的天然气在煤岩储层中聚集。③低幅度构造和④鼻状构造富集型,是受多期构造应力影响在盆地内部局部形成的重要煤岩气富集带类型;一是印支期受西伯利亚板块和扬子板块的南北挤压构造作用,秦岭洋剪刀式闭合,引发近南北向挤压应力使得地层产生形变;二是燕山期受古太平洋板块与亚洲大陆板块碰撞的远程构造效应影响,盆地中东部产生北西—南东方向的主应力挤压作用;三是喜马拉雅期受新特提斯构造动力体系和今太平洋构造动力体系联合作用,印度板块与欧亚板块碰撞,形成北东—南西方向的应力挤压[36];这3期构造应力促使低抗压强度的煤岩节理裂缝发育。⑤煤岩自封闭富集型,是指在地层平缓部位,煤岩横向物性变化形成的局部储层发育带,周边受致密煤岩封闭而形成煤岩气自封闭富集带。
图10 鄂尔多斯盆地煤岩气富集类型与富集模式示意图
本溪组煤岩气具有源-储一体发育、广覆式分布的中高阶煤岩持续生气、煤岩基质孔和割理裂缝规模储集、致密岩盖层密闭封堵及5种高效富集类型的富集模式。

4 综合评价与目标选择

4.1 资源评价与勘探潜力

前人对煤层气资源进行过多次评估[37-38],均以中浅层为主。对于盆地本部埋深2 000 m以深的煤岩气资源评价尚未见报道。本次研究对中国石油探区的#8煤岩气资源进行初步估算,目的是梳理盆地整体的煤岩气资源潜力与分布,为煤岩气勘探开发提供依据。由于目前对煤岩气尚无相关的资源、储量计算标准,本次研究主要依据煤岩厚度、煤岩热演化程度、煤岩与上覆岩性构成的组合关系等资料将盆地煤岩气评价划分为8个区带(见图11表4),采用体积法进行资源量估算,具体计算公式如下:
$G\text{=0}\text{.01}AHDC$
图11 鄂尔多斯盆地本溪组煤岩气综合评价图
表4 鄂尔多斯盆地本溪组煤岩气区带划分及资源量数据表
区带 区带编号 Ro/% 煤阶 埋深/m 面积/km2 加权煤厚/m 地质资源量/108 m3
榆林 Ⅰ-A 1.2~1.6 中阶煤 2 000~3 000 7 322.4 8.02 15 010.4
乌审旗 Ⅰ-B 1.6~2.4 中高阶煤 3 000~3 800 9 386.0 4.85 13 574.7
米脂—绥德 Ⅱ-A 1.6~2.4 中高阶煤 2 000~3 000 6 841.1 6.87 14 014.8
横山 Ⅱ-B 1.8~2.4 中高阶煤 3 000~3 500 3 522.1 5.19 5 451.0
鄂尔多斯 Ⅲ-A 0.8~1.2 中低阶 1 000~2 500 9 811.9 8.57 11 940.5
乌审召 Ⅲ-B 1.0~2.0 中阶煤 2 500~3 700 8 361.7 6.83 16 219.3
定边—华池—志丹 Ⅳ-A 1.4~2.8 中高阶煤 3 500~4 000 27 800.0 4.00 28 422.7
安塞—清涧—黄龙 Ⅳ-B 1.8~3.0 中高阶煤 1 500~4 000 18 300.0 4.00 18 709.9
合计/平均 91 345.0 6.04 123 343.3
计算单元面积依据煤岩厚度图测量各单元面积,煤岩有效厚度依据各单元煤岩厚度图计算加权平均厚度;参考已有钻测井资料,确定鄂尔多斯盆地煤岩密度,统一取值1.42 t/m3;煤岩空气干燥基含气量依据各单元的煤阶、Ro值、埋深等信息估算。以上各项参数中,各单元的面积和厚度是依据煤岩厚度图确定,准确度较高;煤岩密度与含气量参数则是采用初步估计值,需要在今后的工作中逐步修正。
依据上述计算,初步估计盆地石炭系本溪组#8煤岩中石油探区(不含煤层气公司矿权区)含气资源量约为12.33×1012 m3,从总体估算结果的资源丰度(约为1.35×108 m3/km2)来看,是比较保守的。雄厚的资源基础为煤岩气勘探潜力奠定了坚实的基础。

4.2 区带评价与风险目标优选

综合煤岩盖层沉积环境、煤岩分布厚度、煤岩和盖层的组合关系、煤岩热演化程度、煤岩的埋藏深度等基本地质条件,开展盆地煤岩气区带划分与评价。将鄂尔多斯盆地本溪组煤岩划分为8个区带,分别属于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类,依据各类内部地质条件,进一步将每类划分为A区和B区(见图11表5)。其中Ⅰ、Ⅱ类区以三角洲前缘和前三角洲沉积环境发育的泥岩和致密灰岩盖层为主,煤岩厚度大,中高阶煤岩为主,埋藏深度大,钻井显示气测峰值普遍大于80%,是盆地最有利的煤岩气聚集带。Ⅲ类区主要分布在北部的三角洲平原环境,煤岩厚度大,砂岩盖层居多,保存条件中等,钻井气测峰值较低,自东向西埋深逐渐增大,含气性变好。Ⅳ类区沉积环境主要是三角洲前缘潮间、潮下浅海环境,煤岩厚度略薄,泥岩和致密灰岩盖层封闭条件好,热演化程度高,埋深大,面积大。
表5 鄂尔多斯盆地本溪组煤岩气综合评价表
区带评价类型 区带 沉积环境 盖层厚度/m 煤层厚度/m 组合类型 全烃气测峰值/% 目标部署
Ⅰ-A 榆林 三角洲前缘 2~13 4~14 煤岩-泥岩聚气组合 91 JN1H井
Ⅰ-B 乌审旗 2~19 80 NL1H井
Ⅱ-A 米脂—绥德 三角洲前缘障壁—潟湖 30~50 4~16 煤岩-灰岩聚气组合 100 SD1H井
Ⅱ-B 横山 2~10 80
Ⅲ-A 鄂尔多斯 三角洲平原 8~26 4~20 煤岩-砂岩聚气、散气
组合
30
Ⅲ-B 乌审召 2~12 48
Ⅳ-A 定边—华池—志丹 三角洲前缘浅海—潟湖 8~15 2~6 煤岩-泥岩聚气组合 40
Ⅳ-B 安塞—清涧—黄龙 2~6 煤岩-灰岩聚气组合 58
充分考虑煤岩厚度、煤阶、钻井气测值、聚散组合、埋藏深度等要素,针对Ⅰ-A,Ⅰ-B,和Ⅱ-A区带,在2022年分别部署了JN1H、NL1H和SD1H等3个风险勘探目标(见图11)。其中JN1H井重点探索佳县南部冀东矿区内埋深2 300 m左右的煤岩-泥岩聚气组合聚集特征,NL1H井重点探索乌审旗南部埋深超过3 300 m的煤岩-泥岩聚气组合的煤岩气特征,SD1H井重点探索绥德县境内埋深2 200 m、煤岩厚度较大的煤岩-灰岩聚气组合气藏特征。

4.3 勘探重大突破与启示

4.3.1 风险勘探及评价获得重大突破

NL1H、JN1H井均已在2022年底完钻并完成压裂及测试。NL1H井水平段长1 500 m,钻遇煤岩760 m,煤岩钻遇率50.7%,全烃气测峰值78.5%,加砂压裂改造,开始排液后快速见气,12 mm油嘴日产气达5.4×104 m3,截至2023年11月21日,稳定日产气2.7×104 m3,累计产气超1 120×104 m3。JN1H井水平段长2 211 m,钻遇煤岩1 556 m,煤岩钻遇率70.38%,全烃气测峰值99.9%,加砂压裂改造,开始排液后快速见气,12 mm油嘴日产气达8.162×104 m3,截至2023年11月6日, 稳定日产气4.4×104 m3,累计产气超1 200×104 m3
2022—2023年,长庆油田在评价的Ⅰ类和Ⅱ类区部署实施32口水平井,全部成功完钻,测试均见到高产气流,有5口井日产量超过10×104 m3,其中HT8井测试日产达到18.2×104 m3,水平段长度超过2 000 m的一口评价井测试日产量达到28.9×104 m3。2023年11月长庆油田提交预测储量超万亿方,探明储量超1 200×108 m3,煤岩气勘探取得战略性突破。

4.3.2 勘探突破的启示与意义

经过对鄂尔多斯盆地本溪组煤岩的系统评价研究,针对盆地不同聚散组合类型与埋藏深度,部署风险探井获得成功,具有深远意义:①鄂尔多斯盆地煤岩气具有巨大勘探潜力。勘探获得突破表明盆地煤岩气聚集地质条件良好,具有非常广阔的勘探前景,开辟了鄂尔多斯盆地天然气战略接替新领域。②煤岩气地质认识正确。煤岩埋藏深度的量变带来煤岩气藏特征的质变,埋深超过2 000 m的深层中高阶煤岩气藏在煤岩煤质、储集能力、聚散组合配置、含气量、天然气赋存方式和地化特征等方面具有“一深十高”的独特特征。从全新的角度探索了煤岩气的富集机理,为多类型煤岩气勘探做好准备。③储备了煤岩气规模勘探开发工程技术。在勘探实践中,开展了煤岩地质建模和地震预测、煤岩水平井导向钻探、大规模体积压裂、煤岩气控压排采等方面的技术攻关,为后续评价和开发储备了相关工程技术。④推动中国其他含煤盆地的煤岩气勘探。鄂尔多斯盆地煤岩气勘探的成功,推动四川、渤海湾、松辽、海拉尔等含煤盆地部署风险探井,将引领中国煤岩气产业快速发展,产生巨大的经济效益和社会效益。

5 结论

煤岩气是中高阶煤岩自生自储、具有“一深十高”特征的一类高效天然气。鄂尔多斯盆地本溪组煤岩面积大,厚度分布稳定,煤质好,演化程度高,生气能力强,资源规模大,未来前景好。
本溪组煤岩主要受燕山期和喜马拉雅期构造应力作用发育大量微裂隙,与煤岩基质的气孔、有机质孔和无机矿物孔共同形成良好的煤岩孔-缝立体储集空间。发育5种煤岩气聚散组合,煤岩-泥岩聚气组合与煤岩-灰岩聚气组合最为重要,封闭条件好,钻井全烃气测峰值高。本溪组煤岩具备源-储一体发育,广覆式分布的中高阶煤岩持续生气,煤岩基质孔和割理裂缝规模储集,致密岩盖层密闭封堵,煤岩侧向尖灭、透镜体、低幅度构造、鼻状构造和岩性自封闭五种富集类型高效聚气的富集模式。
评价划分出8个煤岩气区带,估算埋深超过2 000 m的煤岩气资源量超过12.33×1012 m3。指导风险勘探获得成功,推动提交超万亿方预测储量和超千亿方探明储量,对中国天然气效益增储和高效开发具有重大意义。
鄂尔多斯盆地本溪组煤岩大面积分布,煤岩气资源基础雄厚,富集条件良好,是一个全新的天然气战略领域。目前虽然对煤岩气富集机理有一定认识,但是还存在诸多问题需要从理论和实践的角度逐步探索。比如深层煤岩的成烃过程、成储机理、高温高压条件下高游离气赋存机理、煤岩气聚集过程和差异化富集规律等众多问题,既需要开展理论研究探索,更需要在勘探实践中不断总结。
符号注释:
A——计算单元的面积,km2C——煤岩空气干燥基含气量,m3/t;D——煤岩密度,t/m3G——计算单元的煤岩气资源量,108 m3H——煤岩有效厚度,m。

致谢

本文相关认识得到杜金虎、张义杰、郭绪杰、杨帆等专家的悉心指导与帮助,谨此表示衷心地感谢!

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