陕甘宁盆地煤层气选区初步地质评价
作者: 席胜利 马财林 杨华(长庆石油勘探局勘探开发研究院)
【摘要】陕甘宁盆地是我国一大型聚煤盆地，上古生界的石炭-二叠系和中生界的侏罗系是其两套主要含煤层系。石炭-二叠系煤层镜质组含量高，热变质程度较高，含气量大，有利勘探区主要位于盆地的东缘和西缘；侏罗系煤层镜质组含量较低，热变质程度低，含气量相对较小，有利勘探区主要分布于盆地内部。综合评价表明：两套含煤层系有7个有利勘探区块，埋深小于1500ｍ的煤层气资源量约11×１０??１２?ｍ?３。
陕甘宁盆地地跨陕、甘、宁、蒙、晋五省区，面积约25万ｋｍ?2，是一大型聚煤盆地，上古生界的石炭-二叠系和中生界的侏罗系是其两套主要含煤层系，煤炭储量巨大，蕴藏着丰富的煤层气资源。目前有关部门已在盆地东缘的柳林、韩城及南部彬长地区进行了开采试验，并取得一定成果。1 陕甘宁盆地煤层气富集的控制因素 国内外的研究成果表明：煤层气的高产富集与否，其主要受控于煤层的含气量、渗透性和保存条件。煤层的含气量代表着煤层气资源的富集程度，它与煤岩的组分、煤的变质程度、煤层的埋深和压力有关。煤层的渗透率决定着煤层气的产气量和生产周期，它取决于煤层本身的裂缝系统(割理和裂隙)，而裂缝系统又受煤质和煤变质程度及煤层构造条件的影响。煤层气的保存条件与煤层顶底板岩性、构造活动、水文条件密切相关。1?1 煤层的展布特征 陕甘宁盆地石炭-二叠系的煤层主要分布于山西组和太原组，煤层数可达十余层，累计厚度5~20ｍ。山西组煤层形成于陆相泥炭沼泽环境，层位稳定性相对较差；太原组煤层形成于海相泥炭潮坪环境，层位相对稳定。两套煤层全盆地均有展布，但西部地区煤层最厚，局部累计达20ｍ以上，东部地区次之，累计约10ｍ以上，南部和北部煤层较薄，其中埋深小于1500ｍ的地区主要分布于盆地东缘晋西地区、东南部韩城-铜川地区以及盆地西缘，这说明石炭-二叠系煤层气的勘探方位应立足于盆地周缘。 侏罗系的煤层在石沟驿-银洞子以东平凉-彬县-黄陵-延安-神木西-准格尔旗一线向盆地外围方向尖灭，因而延安组煤层埋深由盆地沉积中心向四周递减。侏罗系煤层展布总面积约15?5万ｋｍ?２，煤层总厚5~４２ｍ不等。层数1~２７层，单层厚度0?5~１２ｍ，平均厚度大于3ｍ。这套煤层总的分布规律是：埋藏相对较浅，沉积受古构造和古河道控制，层数多，单层厚度变化大；由南向北厚度增大，层数增多，由西向东煤层厚度变薄，层数减少。1?2 煤岩组分特征 煤岩组分中镜质组含量影响着煤层的含气量大小和煤层的渗透性。镜质组含量大，生气能力强，煤层裂隙发育，煤层渗透率相对较高。 图1是石炭系太原组煤层镜质组含量变化图，盆地东缘和西缘镜质组含量均达80%以上，具有良好的生气和储集条件。1?3 煤变质特征 煤的变质过程即煤阶的变化直接影响煤的生气量、吸附量和其作为储层的渗透性。煤的变质过程
图1 石碳系太原组煤镜质组含量
伴随着烃类气体的生成过程，在煤层生气量低于煤层最大吸附量时，生气量就是煤层中吸附气量的影响因素；但据徐永昌(1986)和张新民(1991)等人研究，大约在气煤(R?ｏ＝０?８５％)以后，煤层的生气量大于煤的最大吸附量，并随煤阶增高二者差距加大。同时可以看出不同煤阶的煤吸附能力不同，气煤、肥煤和焦煤的吸附能力相对于其它煤阶的吸附能力略低。综合看来，在同一外部条件下(同一埋深和压力条件下)煤层气含量随煤阶增高而增高。图2 某地山西组煤面割理密度与煤阶的关系(据樊明珠等1995)从储层渗透率来看，割理发育与否是渗透率好坏的关键，而割理是煤变质的结果，统计表明(图2)，中低变质程度的煤具有较高的割理密度，渗透率较高。 陕甘宁盆地侏罗系煤层形成的地质时代相对较晚，煤化作用持续时间较短，因而全盆地侏罗系煤层处于中~低煤阶，镜煤反射率在0?55~1?2%之间变化，大部分地区镜煤反射率在0?5~0?9%之间。北部伊金霍洛旗以东为褐煤阶；杭锦旗-靖边地区为长焰煤阶；鄂托克旗、石沟驿、定边、环县等广大地区呈气煤阶；庆阳以西小范围地区属肥煤阶。煤阶的变化除与埋深有关外，还受构造运动和断裂带的控制。 图3为陕甘宁盆地石炭-二叠系煤阶图。在盆地周缘小于1500ｍ埋深区，东部准格尔旗以北属长焰煤，煤化程度低，向南煤化程度逐渐增高，到韩城一带可达瘦煤阶；西缘地区煤阶为肥煤阶。总的看来，石炭-二叠系煤层煤化程度较高，含气量较高。
图3 石炭-二叠系煤阶图1?4 煤的吸附性能 图4为石炭-二叠系和侏罗系煤样等温吸附曲线，石炭-二叠系煤样属肥~焦煤阶，侏罗系煤样属气煤阶。从图中可以看出：侏罗系煤层的吸附能力明显低于石炭-二叠系煤层，其中侏罗系煤层惰质组含量较高、镜质组含量低应是其主要原因。显然石炭-二叠系煤层的储集条件远好于侏罗系煤层。1?5 煤层气保存条件 分析表明：侏罗系煤层中煤层气保存条件主要有四种方式：其一是地层沿煤层顶板网络状微裂缝渗滤封堵区，这种封堵类型主要分布在古河道的主体部位及承压水区；其二是构造应力封堵区，主要处于向斜部位；其三是煤层顶板局部泥岩封盖；其四是古河道两翼的侧向遮挡区，河流深切该组地层，充填物侧向封盖，此类方式广泛存在于侏罗系甘陕、宁陕、庆西、安盐古河谷的两侧。除了以上四种方式外，局部地区煤层与砂岩直接接触，若砂岩致密仍可起到较好的封盖作用。
图4 石炭-二叠系、侏罗系煤等温吸附曲线 盆地东部煤层顶底板岩性统计表明：煤层顶底板以泥质岩和致密灰岩同时出现的机率可达62~68%，这说明煤层气保存条件较好。另有资料表明；在盆地东缘水动力条件对于煤层气的保存有着重要作用，对于石炭-二叠系地层，东部地层出露区是供水区，水体由东向西向盆地内延伸，当水体受到断层遮挡、岩性变化或渗透率变化遮挡时，易形成有利于煤层气保存的超压条件。2 资源量估算 煤层气资源量计算参数主要有煤层分布面积、厚度、煤岩密度以及煤层气含量，各项参数准确与否直接影响计算结果，其中煤层气含量最为重要。 盆地中彬长地区侏罗系煤层以往所做含气量测试表明：煤层气含量比较低，一般在埋深300～８００ｍ时，含气量为3～７ｍ?３／ｔ。但从含气量与埋深的关系来看，含气量随埋深加大而增加(袁品燕1995)。由此可以粗略推断埋深大于彬长地区的庆阳等地区的煤层气含量大于8ｍ?３／ｔ。对处于700～１５００ｍ埋深之间的侏罗系煤层，大部分地区平均煤层气含量取值为8ｍ?３／ｔ，而北部变质程度低的褐煤~长焰煤区取值
在3～７ｍ?３／ｔ之间。 盆地东缘地区石炭-二叠系煤层气含量如表1，进入盆地内部埋藏加深，煤化程度高，保存条件更好，推断含气量应更高一些。鉴于此，对盆地周缘埋深小于1500ｍ的地区，根据煤层埋深变化和煤阶变化，含气量取值可在2～１８ｍ３／ｔ之间。
综合石炭-二叠系、侏罗系的煤层分布面积、埋藏深度、厚度及含气量情况，初步估算出陕甘宁盆地煤层气资源量如表2，限于目前资料掌握程度低，估算结果仅仅是粗略的。
表2 陕甘宁盆地石炭-二叠系和侏罗系煤层气资源量初步估算结果
面积(10?４ｋｍ?２） 厚度(ｍ） 含气量(ｍ?３／ｔ) 资源量(10??１２?ｍ?３）石炭-二叠系 6?3 10~20 2~18 6?8侏罗系 5 5~30 3~8 4?2
３ 目标区初步评价 根据前述煤层气富集的各项因素，以如下原则选择勘探目标区： (1)煤层埋深适中。煤层埋深大，煤阶高，生气量大，含气量也大，向上逸散量小，保存条件好。但埋深过大，渗透率低，开发成本高；埋深过浅，煤阶可能偏低，生气量低；因此埋深一般选300~1500ｍ为宜。 (2)煤层厚度大。煤层气是煤层中自生自储的以吸附形式赋存于煤体中的烃类。煤层越厚，生气量越大，储集空间越大。 (3)含气量要高。吨煤甲烷含量反映煤层气资源的富集程度，决定着目标区是否值得投入开发。 (4)中等煤阶。一般选择R?ｏ为0?7~1?6%范围。因为煤阶低，煤层渗透率相对高，但含气量低；若煤阶偏高，煤层气含量高，但渗透率低。对于侏罗系，由于煤阶普遍偏低，选区应适当考虑低阶煤。 (5)煤岩组分中镜质组含量要高。这样煤层生气量大，内生裂隙发育，储集条件好。 侏罗系 正宁地区：含煤面积4000ｋｍ?２，煤层平均总厚度8ｍ，煤层1～８层，单层厚度大于1ｍ；煤层埋深800
侏罗系煤层 向外石炭-二叠系 石炭-二叠系 侏罗系埋深＜1500m 煤层埋深＜1500m 煤层气有利区 煤层气有利区
图5 陕甘宁盆地石炭-二叠系、侏罗系煤层气选区初步评价～1500ｍ；镜煤反射率0?65～０?８％，含气量高于8ｍ?３／ｔ，煤层气资源量4000亿ｍ?３。本区侏罗系煤阶较高，交通十分便利，有利于煤层气的开发利用。 乌审旗地区：含煤面积6000ｋｍ?２，煤层总厚度10～３５ｍ，平均厚度18ｍ，煤层5～７层，单层厚度大于2ｍ；煤层埋深600～１３００ｍ；镜煤反射率0?55～０?７％；含气量与彬长地区相当，煤层气资源量10500亿ｍ?３。本区煤层厚度大，但煤阶低，目前开发条件不便利，可作为煤层气勘探开发的后备区块。 靖边地区：含煤面积4000ｋｍ?２，煤层平均总厚度8ｍ，煤层3～５层，单层厚度大于2ｍ；埋深300～１５００ｍ；镜煤反射率0?55～０?６５％；含气量小于8ｍ?３／ｔ，煤层气资源量约3100亿ｍ?３。该区地处陕甘宁盆地中部大气田的主体部位，煤层气开发利用极其便利，既可就地利用，又可进入大气田输气管道，利用条件得天独厚，不利因素是煤阶较低。 石炭-二叠系 吴堡-永和地区：含煤面积约4300ｋｍ?２，煤层总厚度可达15ｍ，单层厚2～８ｍ，埋深400～１５００ｍ，煤岩镜质组含量65～７０％，煤化程度为肥煤~焦煤，煤层顶底板岩性主要为砂泥岩、泥岩和灰岩，封存条件好，含气量8～１８ｍ?３／ｔ，初步估算资源量11700亿ｍ?３。该区柳林一带，有关部门钻煤层气井6口，产气量70～４０００ｍ?３／ｄ，前景良好。 韩城地区：面积10000ｋｍ?２，煤层总厚达10ｍ，埋深200～１０００ｍ，镜质组含量70%以上，煤阶属焦煤~瘦煤，含气量8ｍ?３／ｔ，估算资源量11200ｍ?３。该区不利条件是煤层较薄，有利条件是煤层埋深浅，区域封盖条件好，交通便利，向西安地区供气便利。 银洞子地区和横山堡地区：面积分别为2600ｋｍ?２和1400ｋｍ?２，煤层厚度均可达30ｍ，埋深分别为300～８００ｍ和600～１５００ｍ，煤层镜质组含量大于75%，煤阶属肥煤，推测含气量8～１０ｍ?３／ｔ，估算资源量分别为6240亿ｍ?３和4200亿ｍ?３。该区不利之处是处于西缘断褶带，断层发育使得保存条件变差和勘探难度加大，有利之处是紧邻银川和吴忠等市，具有较好的市场条件。
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