康玉國(guó) 閻 偉 馬立軍

(黑龍江省煤田地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 150008)

依蘭礦區(qū)位于依蘭煤田南部坳陷區(qū)，有著較為豐富的煤層氣資源基礎(chǔ)，區(qū)內(nèi)煤種為低煤階長(zhǎng)焰煤，自2000年～2008完成煤層氣參數(shù)井4口 (YT－1井、T－1井、T－2井、YD－02井)，與此同時(shí)礦區(qū)深部也完成了煤炭精查工作，并開(kāi)展了三維地震工作;2008年～2009年在礦區(qū)南部煤層氣富集區(qū)完成生產(chǎn)試驗(yàn)井2口 (YD－03井、YD－04井)，經(jīng)過(guò)3個(gè)月試采表明，單井氣產(chǎn)量均在1500m3/d以上，取得了低煤階煤層氣研究開(kāi)發(fā)的突破，本文通過(guò)分析盆地地質(zhì)條件、構(gòu)造條件、水文條件等來(lái)建立煤層氣成藏模式，來(lái)解釋該區(qū)低煤階煤層氣富集成藏機(jī)理，并以此來(lái)指導(dǎo)進(jìn)一步生產(chǎn)工作。

1 煤層氣富集成藏主控因素

1.1 構(gòu)造控氣作用

(1)構(gòu)造史與生烴史配置與煤層氣富集

有利的生烴史可為煤層氣提供強(qiáng)大的氣源條件，有利的構(gòu)造演化史則為煤層氣提供良好的保存條件，兩者的有利配置是煤層氣富集的前提條件。依蘭煤田為一典型斷陷型含煤盆地:白堊紀(jì)至古新世初，盆地形成;始新世，早期盆地拉張裂陷加強(qiáng)，形成泥炭沼澤－湖泊環(huán)境，并堆積含巨厚煤層的達(dá)連河組下含煤段，之后盆地拉張裂陷活動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)，成為深水湖泊環(huán)境，形成中段油頁(yè)巖層;始新世末期盆地拉張裂陷趨弱，相對(duì)緩慢回升，扇三角洲平原及淤淺湖泊轉(zhuǎn)為湖泊－泥炭沼澤環(huán)境，形成以中細(xì)碎屑巖為主夾有煤層的上含煤段，斷陷深部堆積寶泉嶺組地層;漸新世，盆地拉張裂陷活動(dòng)進(jìn)一步減弱，急劇上升，堆積了道臺(tái)橋組碎屑巖;中新世末，依蘭－伊通斷裂帶受擠壓形成對(duì)沖，盆地抬起、結(jié)束充填，經(jīng)受劇烈剝蝕。

總體上看依蘭煤田煤層氣生成規(guī)律為整體下沉式，但從依蘭礦區(qū)沉積演化與生烴歷程關(guān)系圖(圖1)看，依蘭礦區(qū)為起伏式減弱型。其生氣階段為一次生氣階段和后期穩(wěn)定階段。

一次生氣階段，喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，依蘭煤田內(nèi)形成了800～1300m厚的達(dá)連河組含煤地層和1000余m厚的上覆沉積地層，該區(qū)平均地溫梯度為2.23℃/100m，古地溫可達(dá)50℃，在深成變質(zhì)作用條件下，煤變質(zhì)程度達(dá)到長(zhǎng)焰煤階段。在區(qū)域地溫場(chǎng)恒定，煤層埋藏最深時(shí)達(dá)到生氣高峰，這是該區(qū)煤層生氣的主要階段，生氣高峰期發(fā)生在地殼抬升和改造之前。

后期穩(wěn)定階段，在依蘭煤田的下第三系與上第三系之間的平行不整合，先期抬升，而后產(chǎn)生同沉積斷裂，形成斷陷盆地沉積。抬升過(guò)程中對(duì)煤田內(nèi)的道臺(tái)橋組以下地層寶泉嶺組及達(dá)連河組上部部分地層進(jìn)行了剝蝕，但剝蝕作用始終未能完全穿透第三系地層，為煤層氣聚集創(chuàng)造了良好的埋藏條件和氣源條件，從整個(gè)依蘭盆地研究，具有南弱北強(qiáng)的剝蝕特點(diǎn)，剝蝕了道臺(tái)橋組以下－達(dá)連河組地層，使盆地北部范圍縮小，達(dá)連河組下部煤層出露于地表。從生聚氣模式來(lái)看礦區(qū)北部地層剝蝕較嚴(yán)重，不利于煤層氣保存，中－南部形成煤層氣富集帶可能性大。從煤炭勘探資料分析，礦區(qū)煤層埋深在1000m以內(nèi)，并集中在500～1000m，且地層整體較為平緩、埋藏較為穩(wěn)定，處于煤層氣最佳開(kāi)采深度之內(nèi) (如圖1)。

圖1 依蘭礦區(qū)沉積演化與生烴歷程關(guān)系圖

(2)礦區(qū)構(gòu)造條件

據(jù)應(yīng)力場(chǎng)分析，在喜山晚期東北部應(yīng)力主要方向近東西向 (北東東－南西西向)，所以呈NE與NW兩組方向扭裂面發(fā)育，隨著力矩的變動(dòng)，在西部為北西－南東向的應(yīng)力，所以呈NNW與NWW兩組方向發(fā)育。最西部F13又呈現(xiàn)為北東東向應(yīng)力，而使本區(qū)北東－南西向構(gòu)造發(fā)育。

本區(qū)含煤地層分布受區(qū)域深斷裂控制，其東南緣被北東向F2控制，礦區(qū)西部邊緣松花江也有斷裂顯示，呈三角形斷陷地帶。北東向斷裂構(gòu)造規(guī)模大，一般多為長(zhǎng)期活動(dòng)斷裂，尤其是F2為控盆斷裂，斷距一般幾百米～上千米。本區(qū)查明斷層42條，主要有北東向、北西向兩組斷層，①其中正斷層40條，除控盆斷裂F2斷層外普遍規(guī)模較小，落差均大于30m，多呈北東向展布，由于斷層傾角平緩且水平錯(cuò)距較大，使依蘭礦區(qū)呈現(xiàn)出地壘與地塹相間的構(gòu)造模式，這種構(gòu)造模式對(duì)煤層氣連續(xù)性產(chǎn)生了一定影響，但煤層厚度影響較小，目前未見(jiàn)因正斷層發(fā)育而出現(xiàn)煤層減薄、殲滅的現(xiàn)象;②本區(qū)查明斷層中僅有2條為逆斷層，且均發(fā)育在礦區(qū)的中南部，DF35逆斷層呈近東西向展布，將礦區(qū)深部分割為南北部，根據(jù)含氣量測(cè)試顯示，該斷層具有封閉性，利于煤層氣的富集與保存。

1.2 沉積體系和儲(chǔ)蓋組合與煤層氣富集

下第三系達(dá)連河組，依據(jù)巖性及沉積特征自上而下劃分為四段:含煤段、砂礫巖段、油頁(yè)巖段、砂泥巖段，厚度約500～1200m，含煤三個(gè)層組:上煤層組、中煤層組、下煤層組;五個(gè)煤層:上1、上1－上2、上2、中、下。發(fā)育煤層大致為東西向展布，且在走向上形成明顯的分帶性，東部盆地邊緣(F2)沖積扇發(fā)育，形成無(wú)煤帶;上游辮狀河由于河身不固定，泥炭沼澤環(huán)境受破壞，形成不穩(wěn)定薄煤層，為貧煤帶;河流沖積平原，其岸后沼澤和泛濫盆地沼澤較發(fā)育，形成薄煤帶。中部扇三角洲平原，泥炭沼澤條件持續(xù)較長(zhǎng)，形成的煤體連續(xù)為富煤帶。

煤儲(chǔ)層空間組合形態(tài):上1－上2煤間，主要由高灰煤、炭頁(yè)巖、油頁(yè)巖薄互層組成;上2－中煤間，即上2煤層底板及中煤層頂板，以油頁(yè)巖和砂巖為主;中－下煤間，以油頁(yè)巖為主，底部普遍存在一層砂巖。

煤層群封蓋條件:依蘭煤田在煤層群沉積之后由于盆地內(nèi)大部復(fù)水較深致靜水湖泊保持較長(zhǎng)時(shí)期，形成了100m左右的巨厚層油頁(yè)巖且發(fā)育穩(wěn)定、連續(xù)性好，以往研究認(rèn)為該區(qū)油頁(yè)巖致密堅(jiān)硬，裂隙不發(fā)育，滲透率小，具有極好的封蓋能力，對(duì)于煤層氣的保存意義重大。

1.3 水文地質(zhì)條件

本區(qū)垂向上可分3個(gè)含水層，3個(gè)隔水層，含水層為別第四系砂礫層孔隙含水層，承壓;下第三系始新統(tǒng)上部砂、泥巖段裂隙含水層，承壓;下第三系始新統(tǒng)下部砂、礫巖段裂隙弱含水層，承壓。3個(gè)含水層的厚度、含水性、水質(zhì)類型特征如表1。

表1 依蘭礦區(qū)含水層水文地質(zhì)參數(shù)

含水層特點(diǎn)分析:①厚度大，下第三系始新統(tǒng)上部砂、泥巖段裂隙含水層平均厚度406.45m，下第三系始新統(tǒng)下部砂、礫巖段裂隙弱含水層平均厚度70m。②含水層均為復(fù)合型，層間夾雜泥巖、粉砂巖等巖層，起局部隔水作用。③含水層垂向上分帶較為明顯，從淺部第四系含水層至深部第三系下部弱含水層，滲透系數(shù)及單位涌水量逐漸減小，地下水徑流由強(qiáng)變?nèi)酢＂艿叵滤苯訌穆额^接受補(bǔ)給，由北東向礦區(qū)西南部流動(dòng)。

本區(qū)垂向上共含3個(gè)隔水層，其中煤系地層含有2層隔水層。第三系始新統(tǒng)達(dá)連河組煤系頂部油頁(yè)巖段隔水層，位于上煤層頂板之上，平均厚度123.32m以上，巖性由粉砂巖及油頁(yè)巖組成，全區(qū)發(fā)育，全面隔斷煤層段與上部砂泥巖段水力聯(lián)系;第三系始新統(tǒng)達(dá)連河組煤系下煤層頂部油頁(yè)巖段隔水層，位于下煤層頂部，中煤層底部，一般厚3～5m，礦區(qū)煤系頂部和底部隔水層隔絕了含水層之間的水力聯(lián)系，對(duì)主力煤層中煤層與上煤層的煤層氣富集和運(yùn)移起到良好封閉作用。

2 煤層氣賦存規(guī)律

煤層厚度大且分布穩(wěn)定是煤層氣藏形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，煤層厚度大不僅生氣量大而且資源豐度高，利于煤層氣賦存及開(kāi)采，依蘭礦區(qū)上煤層氣組(上1、上2)厚1.07～3.74m，平均厚1.24m，簡(jiǎn)單－復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，宏觀煤巖類型以半亮煤為主;中煤層厚1.18～16.28m，平均厚6.06m，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層，宏觀煤巖類型以鏡亮煤為主，是依蘭礦區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的主力煤層;下煤層厚0.35～3.37m，平均厚度為1.28m，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層，宏觀煤巖類型為半暗半亮型。中煤層為特低至低灰份煤層而明顯區(qū)別于其它煤層，灰分一般在4%～8%之間，發(fā)熱量大;下煤層及上煤層為中灰至高灰分煤，灰分在15%以上。煤中的有機(jī)顯微組分中煤層含量最高，超過(guò)90%，其次為上2煤層，上1煤層含量最低。有機(jī)顯微組分主要以鏡質(zhì)組為主，其次為殼質(zhì)組，半鏡質(zhì)組及惰質(zhì)組則較少;鏡質(zhì)組+殼質(zhì)組含量＞95%，本區(qū)煤的顯微煤巖類為微鏡煤。因可采煤層以煤層群形式出現(xiàn)，煤層間距小，鏡質(zhì)組反射率數(shù)值無(wú)明顯差別。YD－03井含氣量測(cè)試結(jié)果顯示 (圖2):含氣量在縱向上呈現(xiàn)上煤低，中煤高，下煤低的特點(diǎn)，顯然煤儲(chǔ)層含氣量縱向上的不均一性主要受煤層厚度及煤質(zhì)影響。

平面上，根據(jù)依蘭礦區(qū)中煤層含氣量等值線圖(圖3)可知，中煤層含氣量在總體上呈現(xiàn)出南高北低的特征，逆斷層DF35北部含氣量基本在1～8m3/t，含氣量受埋深控制顯著，隨深度增加含氣量增高;逆斷層DF35南部含氣量基本在3～10m3/t，呈現(xiàn)出東高西低，南高北低的特點(diǎn)，主要是由于沉積演化過(guò)程中，下煤層在西南部向隆起高處及邊緣早期沉積物超覆關(guān)系，對(duì)同期洪積～沖積層則是交錯(cuò)相，在洪積扇后緣呈大片無(wú)煤區(qū)，之后中煤層沉積時(shí)在西南部邊緣也超覆其泥砂洪積～沖積層上而變薄，并出現(xiàn)小部分分叉、變薄以至尖滅，煤層厚度的變化與煤儲(chǔ)層幾何形態(tài)的變化導(dǎo)致了西南部煤層氣保存條件差而使逸散加強(qiáng)，出現(xiàn)含氣量在西南部又急劇下降的現(xiàn)象;富氣帶位于逆斷層南部次一級(jí)背斜軸部，并向東南最大埋深區(qū)延伸，而以該斷層為中心向北部及西南部，煤層氣含量逐漸降低。

圖2 YD－03井煤層平均含氣量直方圖

圖3 中煤層含氣量等值線圖

3 煤層氣成藏模式建立

綜上所述，依蘭礦區(qū)為一向南傾斜的單斜構(gòu)造，中部煤層厚度大，層數(shù)多，間距小，煤級(jí)較低，幾乎全部為長(zhǎng)焰煤，極少量氣煤，鏡煤反射率0.616%～2.103%，含氣性較好，根據(jù)其構(gòu)造形態(tài)和動(dòng)力學(xué)特征，依蘭礦區(qū)為逆沖－推覆控氣構(gòu)造，并共生于單斜構(gòu)造背景，逆沖斷層面由于煤及煤系的碎裂化作用形成斷層泥及斷層帶，成為阻隔煤層氣逸散的良好構(gòu)造界面，同時(shí)次級(jí)背斜的發(fā)育因其幅度小，兩翼產(chǎn)狀緩，裂隙不甚發(fā)育，利于形成小構(gòu)造“封閉”，因而富氣帶位于逆斷層DF35次級(jí)背斜軸部，向東南有增加趨勢(shì)。

第三系始新統(tǒng)達(dá)連河組煤系頂部油頁(yè)巖段隔水層，既隔絕了達(dá)連河組上下兩含水層之間的水力聯(lián)系，更對(duì)煤層氣的運(yùn)移和富集起到封閉、保存作用。下第三系始新統(tǒng)上部砂、泥巖段裂隙含水層厚度巨大，其頂部與第四系底部含水層呈不整合接觸，垂向補(bǔ)給，淺部富水性，水動(dòng)力強(qiáng)，承壓，西北部有松花江進(jìn)行補(bǔ)給，地下水由淺部流向深部，即由西北部向東南部徑流。中部由于逆斷層隔水作用及次一級(jí)背斜發(fā)育而處于滯流狀態(tài)，地下水礦化度高，因此含水層在淺部接受補(bǔ)給，地下水徑流方向與煤層氣順層運(yùn)移方向相反，且由于上層巨厚油頁(yè)巖的隔水作用使得煤層本身也不存在地下水的垂向補(bǔ)給，形成良好的水里封堵。

礦區(qū)煤級(jí)雖然僅為長(zhǎng)焰煤階段，但存在有利的構(gòu)造條件和煤層埋藏條件，含氣量較高，水文地質(zhì)條件良好，即煤系頂部和底部發(fā)育穩(wěn)定分布的隔水層，地下水滯留區(qū)煤層發(fā)育好，以及深部盆緣斷裂附近存在煤層分叉尖滅帶等不滲透邊界，使得煤層在中部滯留區(qū)聚積，構(gòu)成了依蘭礦區(qū)典型的水力封堵－斷層型氣藏模式。

圖4 依蘭礦區(qū)煤層氣成藏模式圖

4 結(jié)論

依蘭礦區(qū)的水力封堵－斷層型煤層氣成藏模式代表了一種能夠獲得較高產(chǎn)能煤層氣井的模式，有利的地質(zhì)構(gòu)造條件和水文地質(zhì)條件的匹配是依蘭礦區(qū)低煤階煤層氣開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵:煤層厚度大、埋深適中，封閉性斷層發(fā)育，封閉條件優(yōu)越;煤系頂部和底部發(fā)育穩(wěn)定分布的隔水層，地下水由淺部的徑流，向深部的相對(duì)滯流，在次級(jí)背斜軸部高點(diǎn)附近煤層氣富集成藏，由此我們根據(jù)該區(qū)的成藏模式特點(diǎn)，在YD－03井附近繼續(xù)施工煤層氣井，形成小井網(wǎng)規(guī)模開(kāi)發(fā)是依蘭礦區(qū)煤層氣步入商業(yè)化發(fā)展的第一步。

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