松辽盆地南部王府断陷深部煤层气地质特征及有利区评价

沈 霞，公海涛，邵明礼，杨敏芳，霍万国

(1.吉林油田勘探开发研究院，吉林 松原 131200；2.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；4.中国石油渤海钻探井下作业公司，河北 廊坊 065007)

我国深部煤层气资源丰富，全国第四轮煤层气资源评价结果显示，我国埋深在2 000 m 以浅的煤层气资源量29.82×1012m3[1-2]，2 000 m 以深煤层气资源量40.47×1012m3[3-4]。近年来，国内2 000 m 以深煤层气勘探开发不断取得突破，2005 年，新疆油田在2 500 m深层煤层段试气，日产气量达7 000 m3。2018 年，华北地区大城凸起大平7 井煤层埋深超过1 900 m，日产气量超过1.2×104m3，为我国第一口深部煤层气水平井。2019 年以来，鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块吉深6-7 平01 水平井，日产气量达10×104m3[5-7]，成为我国首个突破10×104m3的煤层气井，目前29 口先导试验水平井前3 个月平均单井日产气量超过8×104m3。鄂尔多斯盆地佳县南区块JN1H 井和JM2H 井相继获得最高日产气量8×104m3和12.5×104m3，盆地腹部纳林河地区NL1H 井煤层埋深3 250 m，初期日产气量突破5×104m3，是首口煤层埋深超过3 000 m 的高产井。准噶尔盆地东部白家海凸起彩探1H 水平井最高日产气量超过5×104m3，稳定日产气量2×104m3，深部煤层气勘探均取得突破[8-9]，以上表明我国深部煤层气勘探开发呈现可喜的发展形势。

松辽盆地南部王府断陷发育有白垩系火石岭组、沙河子组、营城组3 套含煤地层，厚煤层主要发育于火石岭组顶部，煤层埋深普遍大于2 000 m，是目前深部煤层气的有利勘探区带。但前期主要针对中浅层致密气和火山岩气藏开展研究[10-12]，深部煤层气勘探程度较低，无含气量实测资料，在煤层气地质特征、富集成藏主控因素及有利区优选等方面缺乏系统研究，有利勘探方向不明，制约了该区煤层气勘探进程。为此，在梳理松辽盆地南部王府断陷煤层气地质特征的基础上，通过系统评价煤层分布、盖层特征、断层封闭性等关键地质条件，明确深部煤层气成藏主控因素，建立有利区优选指标体系，优选深部煤层气富集有利区，优选勘探有利区，以促进研究区深部煤层气的勘探开发进程。

1 煤层气地质特征

1.1 含煤地层特征

1.1.1 充填演化史

白垩纪初期，松辽盆地发生大规模火山喷发和断裂活动，形成诸多小型的地堑或半地堑，这些地堑中沉积了以火山岩、火山碎屑岩、碎屑岩为主的火石岭组，此后受燕山运动第Ⅱ、第Ⅲ幕影响，强烈的隆起作用造成区域性拉张破裂，派生出一系列NNW 向的张性断裂，形成“东断西超”的箕状断陷构造格局，断陷内沉积了多套沉积旋回的碎屑岩层系，构成了巨厚的沙河子组与营城组[13]。其中，王府断陷火石岭组岩性主要为下部大套中性火山岩，中部大套泥岩和砂砾岩、火山角砾岩、凝灰岩互层，上部为泥岩、流纹质火山岩，顶部煤层。沙河子组时期由于盆地快速沉降，水体快速变深，早期火山岩在风化作用下转而成为沉积物质重要来源，加上新喷出火山物质的不断加入，沉积了一套深湖－半深湖相背景下的扇三角洲、火山沉积相地层[14]，其岩性主要为底部泥岩，局部地区为沉火山角砾岩，中部为深灰色、黑色泥岩，上部为灰色砂砾岩与深灰色泥岩互层。营城组沉积组合特征对沙河子组有较强的继承性，主要发育滨浅湖相沉积[15]，岩性主要为灰色砾岩、砂砾岩夹灰色泥岩。研究区白垩系为主要煤层气赋存层位。

1.1.2 主力煤层特征

钻井揭示，王府断陷营城组煤层不发育，沙河子组不发育厚煤层，火石岭组顶部煤层在研究区广泛分布，发育稳定，煤层埋深普遍大于2 000 m，为典型的深部煤层，煤层单层厚度大且分布稳定，以单层煤为主。厚煤层主要发育在断陷中部，变化均匀，单层厚度1～12 m，平均厚度6 m，整体上呈现出中部厚、南北薄的特征(图1)。

图1 王府断陷火石岭组煤层厚度分布与地层综合柱状图Fig.1 Isopach map of coal seams and composite stratigraphic column of the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression

1.2 煤储层特征

1.2.1 煤质特征

王府断陷火石岭组煤的宏观煤岩类型以光亮煤、半亮煤为主，煤体结构好。煤的有机显微组分具有高镜质组、低惰质组、未见壳质组的特征。镜质组体积分数一般可达90%及以上，惰质组体积分数一般低于10%。断陷内煤层埋深普遍大于2 000 m，煤的镜质体最大反射率(Rmax) 介于1.97%～2.29%，处于瘦煤-贫煤阶段。当Rmax≤3%时，煤的热演化程度越高，煤层生成甲烷量及吸附量就越大[16]，预示着王府断陷深部煤层应具备较大生烃潜力。煤中水分(Mad) 质量分数为0.82%～0.99%，平均0.92%，属特低水分煤；挥发分(Vdaf) 产率为3.89%～19.03%，平均11.05%，属特低挥发分-低挥发分煤，少量中等挥发分煤；灰分(Ad)质量分数介于3.85%～18.85%，平均10.94%，属于特低灰-低灰煤，少量中灰煤(表1)。在通常情况下，低水分、低挥发分、低灰分的煤，其吸附能力相对较强[17]。

表1 松辽盆地王府断陷火石岭组煤层地质特征Table 1 Geological characteristics of coal seams in the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression,Songliao Basin

1.2.2 物性特征

煤层作为一种特殊的储层，其储集性能不仅决定着吸附气和游离气的比例，而且也决定着煤层气的富集及产能[18]。按照SY/T 5336-2006《岩心分析方法》，测定王府断陷煤孔隙率介于4.06%～5.71%，平均5.01%，属于低孔隙率储层。本文采用霍多特提出的煤孔隙划分方法[19]，将煤孔径划分为微孔(<10 nm)、小孔(10～100 nm)、中孔(100～1 000 nm) 和大孔(>1 000 nm)。对研究区样品进行低温氮气吸附实验，根据研究区煤吸附、脱附曲线特征，将研究区煤孔隙结构分为2 种类型。类型Ⅰ如图2a 所示，吸附曲线与脱附曲线基本重合，脱附曲线无拐点，没有明显吸附回环，此种曲线对应的孔隙主要为一端封闭的不透气孔，如一端封闭的圆柱形孔，一段封闭的平板形孔；类型Ⅱ如图2b 所示，脱附曲线存在明显拐点(“G”点)，在相对压力(p/p0)0.53 处存在明显滞后环，此种曲线对应的孔隙主要为细颈瓶状孔，如一端开口的墨水瓶形孔。低温CO2吸附实验表明(图2c，图2d)，研究区煤主要孔容贡献的孔径范围是0.6～1.4 nm。

图2 王府断陷CS38 井煤低温液氮与二氧化碳吸附曲线Fig.2 Curves from low-temperature liquid-nitrogen and carbon dioxide adsorption experiments of coals in well CS38 in the Wangfu fault depression

1.3 煤层含气特征

1.3.1 等温吸附特征

Langmuir 体积与Langmuir 压力是评价储层吸附能力的重要参数，Langmuir 体积越大，说明煤储层吸附能力越强。按照原位地层条件开展等吸附实验，温度为70℃。实验结果见表1 和图3。

图3 王府断陷煤等温吸附曲线Fig.3 Isothermal adsorption curves of coals in the Wangfu fault depression

1.3.2 气测值分布特征

气测录井数据是目前录井综合解释的主要基础资料，可较好反映储层真实含气量[20]。王府断陷气测全烃值介于1.47%～37.53%，平均10.36%，高值区主要分布于断陷中部(图4)。

图4 王府断陷气测全烃平面分布Fig.4 Planar distribution of gas logging-derived total hydrocarbon values of the Wangfu fault depression

1.3.3 含气量预测

王府断陷深部煤层气勘探程度较低，目前仅有少量等温吸附实验资料。为评估煤层含气性，假定煤层处于饱和吸附状态，并存在游离气，利用Langmuir 方程可以估算煤理论饱和吸附气量，再利用实验测得的孔隙率和含气饱和度，结合储层温度、压力，利用游离气计算模型[21]估算游离气含量，吸附气和游离气相加得到总含气量。

经计算，研究区CS38 井煤层总含气量介于18.820～23.676 m3/t，平均21.80 m3/t (表1)，游离气含量介于3.05～4.77 m3/t，平均4.05 m3/t。

2 煤层气富集主控因素

2.1 火山岩分布

盆地的聚煤作用或煤层发育受沉积相控制，而沉积相则受构造控制，这一点在断陷盆地尤为明显。纵向上，王府断陷的煤层集中发育在火石岭组顶部，平面上，煤层主要分布在断陷的中部及中东部。由火石岭组聚煤期沉积相分布显示(图5)，断陷的东西两侧都因为边界断层的发育，出现了半深湖-深湖的相对深水环境，因水体深而没有聚煤作用发生。而断陷的双陡坡带之间为浅湖相和浅水三角洲相，是本区煤层发育的主要沉积环境。

图5 王府断陷火石岭组聚煤期沉积相Fig.5 Sedimentary facies of the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression during coal accumulation

王府断陷火石岭组较厚煤层的分布与其下的火山岩的分布密切相关(图5、图6)，断陷中部及东部由于火山喷发的充填效应加速了浅湖区的填平补齐，环境水体因此淤浅有利于聚煤作用发生(图5)。在王府断陷，聚煤期沉积相的配置除了断陷湖常见的沉积相配置以外，火山岩的发育是其重要的典型沉积特征。

图6 王府断陷火石岭组聚煤模式Fig.6 Coal accumulation mode of the Huoshiling Formation in the Wangfu fault depression

在上述认识的基础上，本文提出了针对王府断陷火石岭组的成煤模式即“填平补齐成煤模式”(图6)：聚煤作用发生之前，断陷湖区除了常见三角洲-扇三角洲、半深湖-深湖、浅湖、浅湖三角洲碎屑岩沉积外，断陷中部与东部的大量火山喷发造成对盆地的充填作用，加速了断陷湖区的填平补齐、水体变浅，有利于聚煤作用发生。按照断陷盆地演化规律，煤层所在的火石岭组顶部即火石岭组末期，构造趋于稳定，有利于泥炭沼泽的持续发育，最终形成了分布范围广、厚度较稳定的厚煤层，厚煤层的分布特征与火山岩的分布呈相关性的独特现象，即王府断陷的聚煤作用在一定程度上受到火山喷发的“正面”影响。

2.2 煤层顶板岩性及厚度

煤层顶底板的封闭性取决于其岩性和厚度。砂岩类顶板相对疏松，透气性较好，不利于煤层气封闭；泥岩类顶板致密，空隙小，透气性较差，对煤层气封闭程度高[22]，此外，当上覆泥岩盖层存在进入生烃门限的烃源岩时，可以起到烃浓度和压力双重封闭[23]。王府断陷内煤层顶底板组合类型以泥岩-煤层-泥岩为主，利用测井、地震双重约束，读取煤层顶部区域泥岩厚度作为盖层厚度。研究区泥岩盖层厚度7.00～195.72 m，平均69.50 m(图7)。通过统计王府断陷30 口井，发现盖层厚度与气测值有良好的正相关关系，盖层厚度<40 m，气测值一般低于5%；盖层厚度40～80 m，气测值介于5%～15%；盖层厚度>80 m，气测值大于15%，此时盖层封闭性能良好，利于煤层气的保存。

图7 王府断陷盖层厚度等值线Fig.7 Isopach map of covers in Wangfu fault depression

2.3 断层垂向封闭性

断层是否沟通，使深部煤层气向浅部运移是深部煤层气富集保存的关键，因此气源断层的厘定尤为重要。王府断陷内沟通煤层和浅部地层(登娄库组)且在成藏期(泉头组末-青山口组早期)活动的断层是主要的气源断层(图4)。王府断陷火石岭组顶部煤层在同种顶底板类型下，煤层气测值具有强烈非均质性，说明除岩性组合和厚度分布外，煤层气富集性还受到错断盖层的断层的垂向封闭能力控制。断层垂向封闭能力越强，油气越难沿着断层发生垂向运移，越有利于煤层气保存[24]。断层在脆性盖层段发生破裂作用[25]，在脆-韧性盖层段发育泥岩涂抹结构[26]，王府断陷内煤层顶底板埋深在2 500～3 000 m 内，以脆-韧性变形为主，因此，采用泥岩涂抹系数(SSF)来表征断层垂向封闭性[27]，SSF 即为断层断距与盖层厚度的比值，SSF 值越小，垂向封闭能力越好。

采用三维地震数据计算王府断陷30 口气测井相邻断层在T42 反射层(煤层顶界)上下盘垂向差值，经过时深转换得到断层断距，结合气测值分布，以气测值15%为分隔点，厘定煤层气顶板断层垂向封闭性临界断距为90 m，对应SSF 值为1.1。利用煤层顶板垂向封闭SSF 临界值评价煤层顶面含气范围内气源断层封闭性。结果表明，中部和北部SSF 值均低于临界值，断层垂向封闭性强；西南地区局部断层在中段SSF 值高于临界值，封闭性差，存在煤层气逸散风险。

3 煤层气有利区评价

建立煤层气物质基础、聚集空间与保存条件三项组合评价体系，优选煤层厚度、气测全烃值、盖层厚度、断层封闭性等四要素评价参数。参考鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块深部煤层气先导试验效果，煤层厚度大于3 m 具有一定的开发效益，而煤层厚度大于5 m则具有较好的开发效益。此外，研究区煤层厚度和盖层厚度与气测全烃值均呈正相关关系(图8a、图8b)，断层断距与气测全烃值呈负相关性(图8c)。

图8 王府断陷煤层厚度、盖层厚度、断层断距与气测全烃关系Fig.8 Gas logging-derived total hydrocarbon values vs.coal seam thickness,cover thickness,and fault throw in the Wangfu fault depression

以气测全烃值5%、15%为界，厘定盖层临界厚度为40、80 m，临界断距为50、90 m，以此建立深部煤层气勘探开发有利区评价体系(表2)，评价出王府断陷内深部煤层气勘探开发有利区。

表2 王府断陷深部煤层气勘探开发有利区评价体系Table 2 Evaluation system of favorable areas for deep coalbed methane exploration and exploitation in the Wangfu fault depression

对研究区内各井数据进行分析处理，结合表2，绘制了松辽盆地南部王府断陷区块深部煤层气勘探开发有利区(图9)，其中Ⅰ类有利区主要发育在王府断陷中部，煤层厚度>5 m，断层断距50 m，盖层厚度>80 m，气测全烃值>15%，一方面厚煤层具有较好的生气潜力，另一方面顶底板组合类型与断裂垂向封闭可确保生成的气体有效富集在顶板盖层下，不易散失。Ⅱ、Ⅲ类有利区主要发育在王府断陷北部和南部，Ⅱ类有利区煤层厚度一般3～5 m，盖层厚度40～80 m，气测全烃值5%～15%，断层封闭性弱。Ⅲ类有利区煤层厚度一般<3 m，盖层厚度<40 m，气测全烃值<5%，断层不封闭。

图9 王府断陷有利区预测评价结果Fig.9 Prediction and evaluation results of favorable areas for deep coalbed methane exploration and exploitation in the Wangfu fault depression

4 结论

a.王府断陷火石岭组煤类型以光亮煤、半亮煤为主，具有低水分、低挥发分、低灰分的特征，镜质体最大反射率大于1.8%，孔隙率平均5.01%，CS38 井计算含气量平均为21.80 m3/t。

b.王府断陷煤层发育程度受古沉积环境控制，煤层主要发育于断陷双陡坡带之间与断陷中、东部的火山喷发的填平补齐效应形成的浅水区，为火山岩“填平补齐成煤模式”。此外，区内发育的大面积巨厚泥岩顶底板与封闭断层使得煤层气得以富集、保存。

c.王府断陷Ⅰ类煤层气富集有利区主要发育在断陷中部，煤层厚度>5 m，断层断距50 m，盖层厚度>80 m，气测全烃值>15%，具有较大勘探开发潜力；Ⅱ、Ⅲ类有利区主要发育在断陷的北部和南部，煤层厚度一般<5 m，盖层厚度<80 m，气测全烃值<15%，断层封闭性弱或不封闭，盖层厚度差异大，勘探开发风险较大。

符号注释

Bg为天然气体积系数，m3/m3；M为甲烷摩尔质量，g/mol；p为煤储层压力，MPa，基于压力梯度计算；pL为Langmuir 压力，MPa；Sg为含气饱和度；Vf为游离气含量，m3/t；VL为Langmuir 体积，m3/t；Vs为吸附气含量，m3/t；ρb为甲烷标况下密度，0.000 71 g/cm3；ρc为煤层视密度，g/cm3；ρd为地层条件甲烷密度，g/cm3，根据储层温压条件查询REFPROP 获得；ρs为吸附相密度，根据前人模拟，取0.34 g/cm3；φ为孔隙率，%。