Geological characteristics of Jurassic coal rock gas and evaluation of favorable zones in the northern structural belt of the Kuqa Depression, Tarim Basin

  • Zeqing GUO , 1 ,
  • Bin WANG 2 ,
  • Caiyuan DONG 1 ,
  • Ling LI 2 ,
  • Zhenglian PANG 1 ,
  • Xiuyan CHEN 1 ,
  • Debo MA 1
Expand
  • 1. Research Institute of Petroleum Exploration and Development,PetroChina,Beijing 100083,China
  • 2. Research Institute of Exploration and Development,Tarim Oilfield Company,PetroChina,Korla 841000,China

Received date: 2024-08-26

  Revised date: 2024-10-31

  Online published: 2024-11-18

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(U22B6002)

Abstract

The Kuqa Depression in the Tarim Basin has developed two sets of coal bearing strata, Triassic and Jurassic. The Jurassic coal seams exhibit multi-layered characteristics, large cumulative thickness, and wide distribution area, which has the material basis for the development of coal rock gas. This study conducted a comprehensive evaluation of the Jurassic coal quality and reservoir characteristics in the northern structural belt of the Kuqa Depression through intensive core sampling, combined with rock debris data, and the use of techniques such as microscopic identification, industrial analysis, vitrinite reflectance measurement, electron microscopy scanning, conventional physical property analysis, nuclear magnetic resonance detection and CT scanning, nitrogen adsorption. The results showed that: (1) the microscopic components were mainly vitrinite, with an average content of 64.06%; coal has the characteristics of medium to high volatile matter, extra-low moisture content, and ultra-low ash content; overall, and the maturity is relatively low. (2) Various matrix pores and fractures are developed,with larger micro-fractures as the main component in the pore network, the micro-fractures are interconnected through stacking with each other.The porosity of shallow samples is 4%- 23%, with an average of 9.7% and a high proportion of mesopores and macropores. The porosity at depths >4 000 m attains 6.34%. Based on the critical depth of other basins and the relationship between the maturity and burial depth of coal rock in the coal bearing strata, the top critical burial depth for coal rock gas accumulation in this area is determined to be at least 2 500 m. On this basis, an accumulation model of coal rock gas reservoir was established, and further, in low to medium-rank coal areas, the evaluation process and method of favorable coal rock gas zones was put forward. Applied the above methods, the coal rock gas favorable zones in the area were comprehensively evaluated. On the one hand, this study provides various indicator parameters for the evaluation of coal quality in this area, and the critical burial depth, reservoir formation mode, and favorable zones provide critical guidance for the selection of target areas for coal rock gas exploration in the next step; on the other hand, the proposed comprehensive evaluation method for favorable coal rock gas zones provides technical reference for coal rock gas exploration in other basins.

Cite this article

Zeqing GUO , Bin WANG , Caiyuan DONG , Ling LI , Zhenglian PANG , Xiuyan CHEN , Debo MA . Geological characteristics of Jurassic coal rock gas and evaluation of favorable zones in the northern structural belt of the Kuqa Depression, Tarim Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2025 , 36(5) : 953 -972 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.11.001

0 引言

自20世纪90年代以来,国内外针对煤层中天然气的勘探开发以埋深较浅的煤层为主。我国煤层气产业经过近数十年的发展,先后在准噶尔盆地南部、沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘及二连盆地等部署生产井近 20 000口,尤其是在沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘形成两大浅层煤层气生产基地1-3。目前针对煤层气尚未形成深层划分标准,石油公司普遍将1 500 m定义为深层和浅层的界限4。近年来,随着针对1 500 m以深含煤地层的勘探开发,发现深部煤层富含天然气,富集的天然气与浅层煤层气在储层含气性、气体赋存特征、含气饱和度、保存条件以及排采特征等方面具有明显差异5-12
2018 年以来,借鉴页岩油气大规模体积压裂的实践经验,国内油气企业组织实施了一批埋深1 500~3 500 m的风险探井,多口井获得高产稳产,勘探开发实践揭示深层仍然发育优质煤成气储层213-14。在河北大城、山西延川南和大宁—吉县区块、新疆五彩湾等地区中深层煤层气实现规模勘探开发突破,勘探深度扩大至1 500 m515。2019年以后,在微构造控藏机制的指导下,引导“地质—工程”一体化甜点评价,深部煤层气勘探深度突破2 000 m16。尤其是2021 年中国石油通过对准噶尔盆地白家海凸起彩31井断背斜构造,以侏罗系西山窑组煤层为目的层部署风险探井——彩探1H井,采用直井压裂和水平井压裂方式,试气获得最高日产5.7×104 m3、稳产日产2×104 m3的工业气流,实现了盆地深层煤层气勘探的新突破2。这也是国内直井钻探深部煤层气最早取得突破的地方。针对这种深层煤层气,在地质认识上提出“煤岩气”这一全新的天然气资源类型2,开辟了含煤盆地勘探新领域,为天然气勘探提供了新的找气方向,将为含煤盆地天然气勘探带来重要启示和深远影响。煤岩气是以煤岩自身生成的或其他气源运移而赋存于煤岩中,游离态和吸附态并存,游离气含量高,通过储层改造可快速产气并且能获得具有工业化开采价值的烃类气体17
中国煤层气成藏条件复杂、煤储集层品质差、非均质性强,无法直接照搬国外成熟技术。经过近40年的艰难探索与发展,中国煤层气勘探开发理论与技术取得明显进展9。相较于传统的煤层气,因煤岩储层埋深更大、保存条件更好,埋深超过2 000 m的煤岩气具有“高压力、高温度、高含气、高饱和、高游离”的五高特征18。因此,深层煤岩气与浅层煤层气的成藏机制、富集规律与赋存状态存在显著差异。近年来勘探实践和初步研究表明:深层煤岩气的富集成藏受控于煤岩力学性质、三场(深部地应力场、温度场、压力场)、煤岩品质(厚度、煤阶、物性、显微组分、结构等)、储盖组合、埋深以及构造背景等多种因素。目前尚未形成能有效指导生产实践的成熟理论和技术。
从塔里木盆地库车地区已发现油气分布的地层来看,油气发现主要为源上沉积地层,如古近系砂层、膏盐岩岩下白垩系砂岩层,而近源或源内的侏罗系、三叠系油气发现较少。深部煤岩气就是源内油气资源的重要勘探领域,该地区煤岩气勘探正处于探索阶段。
近年来,为了评价库车坳陷煤岩特征及煤岩气勘探潜力,在北部构造带的吐格尔明构造钻探2口全取心的浅钻井(明浅1井和明浅2井)。本文研究对取心煤岩段密集采样,结合岩屑资料,进行各类实验分析,系统评价库车坳陷北部构造带侏罗系煤岩品质和储集特征,为下一步开展深层煤岩气勘探提供参数指标和成藏模式,以期在塔里木盆地打开煤岩气勘探的新局面。

1 区域地质背景

库车坳陷是一个以中、新生代沉积为主的再生前陆盆地,坐落于塔里木盆地北部,北面与南天山断裂褶皱带以逆冲断层相接,南侧与塔北隆起相连,西起乌什凹陷,东至阳霞凹陷,面积约为3.1×104 km2。构造演化主要经历晚二叠世—三叠纪的前陆盆地,侏罗纪—古近纪轻微调整的伸展坳陷盆地以及新近纪—第四纪的陆内再生前陆盆地3个阶段18-19。根据不同构造变形特征,库车坳陷自北向南划分为北部构造带、克拉苏构造带、拜城凹陷及秋里塔格冲断带20-21图1)。北部构造带位于库车坳陷北部,靠近山前,自西向东可分为巴什构造带、迪北斜坡带及吐格尔明隆起带(图1中红色虚线为分界线)。本文研究区为迪北斜坡带和吐格尔明隆起带。库车坳陷沉积物以碎屑岩为主,自下而上发育三叠系、侏罗系、白垩系、古近系及新近系等多套地层,厚度约3 000~10 000 m(图2)。库车坳陷目前以膏盐岩岩下白垩系、古近系砂岩为主要油气产层,以下伏侏罗系—三叠系多套煤系烃源岩为主要油气源岩(图2)。现已发现大气田主要分布在克拉—克深、博孜—大北、中秋等中部构造。
图1 库车坳陷构造单元划分

Fig.1 Division of tectonic units in Kuqa Depression

图2 库车坳陷中生界储盖组合综合柱状图22

Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Mesozoic reservoir-cap rock assemblage in Kuqa Depression22

塔里木盆地发育石炭系、三叠系、侏罗系3套含煤地层23-24,具备发育煤岩气的物质基础。初步研究表明:库车坳陷三叠系—侏罗系含煤地层分布面积为1.7×104 km2,埋深0~8 000 m,煤层累计厚度为40~265 m、单层厚度为1~22 m。钻井揭示,侏罗系煤层在库车坳陷东部最厚,三叠系煤层在库北地区最厚。其中侏罗系克孜勒努尔组煤层分布面积为1.68×104 km2,埋深1 500~5 000 m煤岩分布面积为3 060 km2,库车东部克孜勒努尔组煤层厚度为25~182 m。阳霞组煤层分布面积为1.72×104 km2,埋深1 500~5 000 m的煤岩分布面积为2 670 km2,库车坳陷东部阳霞组煤层厚度为6.5~55 m。纵向上煤层集中发育在克孜勒努尔组四段(克四段)、其次是阳霞组二段(阳二段)和阳霞组四段(阳四段)。克四段煤岩单层厚度和累积厚度都是最大,是煤岩气勘探的主要目的层系,因此克四段煤岩特征是本文重点研究的内容。

2 样品采集和实验方法

开展本文研究时,由于深层尚未取心,因此岩心来自浅钻井,以深层岩屑资料作为补充。具体为:岩心样品取自明浅1井(柱塞样92个、碎样201包)和明浅2井(柱塞样16个,碎样34包)、岩屑样品则取自迪探1井(23包)和迪北101井(23包),上述井位位置见图1
实验方法如下:①显微组分测量:样品制成煤岩薄片,应用偏光显微镜进行透射光观察,主要参考韩德馨编写的《中国煤岩学》25和煤炭工业出版社出版的《含煤岩系沉积岩标准鉴定手册》26中的分类方案,测定煤岩薄片中镜质组、壳质组、惰质组和无机矿物的百分含量。②工业分析:应用马弗炉,按照国家标准《煤的工业分析方法》(GB/T 30732—2014),测定水分、挥发份、灰分和固定碳含量。③成熟度(R O)测定:样品制成光片,应用分光光度计,按照行业标准《沉积岩中镜质体反射率测定方法》(SY/T 5124—2012)测量煤岩的镜质体反射率。④扫描电镜:应用场发射扫描电镜,按照国家标准《微米级长度的扫描电镜测量方法通则》(GB/T 16594—2008)观测。⑤常规物性分析:采用柱塞样,应用氦孔隙度仪和气体渗透率测定仪,按照国家标准《岩心分析方法》(GB/ T 29172—2012)测量孔隙度和渗透率。⑥核磁共振:应用岩样核磁共振仪,按照行业标准《岩样核磁共振参数实验室测量规范》(SY/T 6490—2014)进行实验。⑦三维CT扫描:应用多尺度X射线纳米级断层扫描仪,参照行业标准《泥页岩X射线CT扫描及成像方法》(NB/T 10122—2018)执行。⑧氮气吸附:应用比表面积与孔径分析仪,按照行业标准《岩石比表面积和孔径分布测定静态吸附容量法》(SY/T 6154—2019)进行实验。

3 煤质特征

煤质特征是表征煤岩的重要参数27,也是煤炭、煤层气和煤岩气资源评价的重要内容。包括煤的岩石学特征、矿物学特征、煤化学特征和地球化学特征。其主要受成煤环境和沉积环境背景、植物群落以及后期煤化作用等因素影响。主要用宏观特征、显微组分特征、工业分析和元素分析以及煤阶特征等要素来表征。

3.1 宏观特征

从宏观特征看,侏罗系煤岩中泥质等无机矿物含量低,一般在5%~15%之间,通常无机矿物含量小于10%。煤岩类型以光亮煤和半亮煤为主[图3(a)—图3(c)],部分煤岩类型为半暗煤与暗淡煤,这部分煤岩组分中无机矿物含量显著增多,这些无机矿物多以条带状,透镜状赋存,使得煤的灰分产率增多。从煤体结构来看,煤岩整体以原生结构煤为主,煤岩硬度小,易碎,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,割理呈线状、网状连续性分布,面割理6~17条/10 cm,端割理10~25条/10 cm,储集性能好[图3(c)—图3(g)]。
图3 侏罗系煤岩岩心样品及柱塞样品宏观特征

(a)明浅1井,91.03 m,克四段;(b)明浅1井,91.29~91.42 m,克四段;(c)明浅1井,230.11~230.25 m;(d)明浅1井,95.50 m,克四段,微裂缝和割理发育;(e)明浅1井,337.97 m,克四段,见同生沉积的结核条带状黄铁矿,微裂缝和割理发育;(f)明浅2井,289.36 m,阳四段,微裂缝和割理发育;(g)明浅2井,709.65 m,阳四段,微裂缝和割理发育。注:(a)—(c)中岩心直径为5.08 cm;(d)—(g)中柱塞样直径为2.54 cm

Fig.3 Macroscopic characteristics of Jurassic coal rock core and plunger samples

3.2 显微组分特征

克四段显微组分在镜下特征如下:①镜质组[图4(a),图4(b)],各类镜质体大多呈条带状,结构上呈平行或交织状。碎屑镜质体呈棕色,由分布杂乱的镜质体碎屑组成,整体呈条带状分布;基质镜质体呈橙红色,无结构;团块镜质体呈深红色,透镜状,带状顺层分布。②壳质组[图4(c),图4(d)],橙黄色,孢子体呈细长条,或折叠状;树脂体呈粒状或不规则团块状,分布在碎屑镜质体内。③惰质组[图4(e),图4(f)],丝质体黑色,具拉长的残余细胞结构;半丝质体呈深褐红色,内部具残余细胞结构;菌类体呈圆—椭圆形态,黑色,内部充填碳酸盐矿物。④无机矿物主要为黏土矿物、碳酸盐矿物,主要充填在丝质体内,或少量分布在岩石内。
图4 明浅1井克四段煤岩各种显微组分镜下特征

(a)160.33 m,碎屑镜质体占50%,基质镜质体占28%,孢子体占2%左右,无机矿物占20%;(b)96.92 m,基质镜质体占50%,均质镜质体占25%,孢子体3%左右,丝质体占12%,菌类体占4%,无机矿物占6%;(c)790.91 m,树脂体,呈黄色不规则团块状,浅黄色细带状叠置的为大孢子体;(d)96.46 m,大孢子体呈黄色,迂回条带状;(e)99.86 m,半丝质体,灰褐色,内部具清晰的网格状细胞结构;(f)445.75 m,丝质体呈透镜体状分布,残留细胞结构比较清晰

Fig.4 Microscopic characteristics of various microscopic components in coal rocks of the fourth member of Kezilenur Formation in Well Mingqian 1

根据对明浅1井侏罗系克四段煤岩150块样品的薄片鉴定,统计结果表明显微组分以镜质组为主,镜质组含量平均为64.06%,壳质组含量平均为3.41%,惰质组含量平均为21.47%,无机矿物含量平均为11.05%(图5)。根据行业标准《煤的镜质组含量分级》(MT/T 1160—2011)中规定的煤的镜质组含量分级,属于中高镜质组煤(60%~80%)。
图5 明浅1井克四段煤岩显微组分和矿物含量分布直方图

Fig.5 Histogram of microscopic composition and mineral content in coal rocks of the fourth member of Kezilenur Formation in Well Mingqian 1

3.3 工业分析和元素分析

煤的工业分析采用国家标准《煤的工业分析方法》(GB/T 212—2008)进行。煤炭灰分分级按照国家标准《煤炭质量分级第1部分∶灰分》(GB/T 15224.1—2018)中的灰分分级,特低灰分煤A d<10%;而挥发份和水分则按照煤炭行业划分标准:中高挥发份煤28%<V ad<37%;特低水分煤M ad<6%。明浅1井侏罗系(包括克四段和少量阳霞组)共测试78块样品,工业分析数据(图6)表明:挥发份产率(V ad)为13.97%~42.50%,平均为29.14%,属中高挥发份煤;水分含量(M ad)为1.70%~12.98%,平均为4.91%,属特低水分煤;灰分产率(A ad)为0.37%~15.55%,平均为3.20%,属特低灰分煤。
图6 明浅1井侏罗系煤岩工业分析数据直方图

Fig.6 Histogram of industrial analysis for Jurassic coal rocks in Well Mingqian 1

碳含量是随着煤化程度的不断加深而逐渐增加的。众所周知,泥炭中碳的含量为50%~60%,褐煤中为60%~77%,烟煤中为74%~92%,而无烟煤中则为90%~98%28。侏罗系克四段煤岩TOC含量主要分布在70%~80%的区间内(图7),平均含量为74.3%,含量偏低,符合低—中煤阶有机碳含量特征。硫平均含量为0.47%,属于特低硫煤。
图7 克四段煤岩有机碳含量分布直方图

Fig.7 Histogram of organic carbon content of coal rocks in the fourth member of Kezilenur Formation

3.4 煤阶特征

库车坳陷东部部分探井钻遇侏罗系煤层,收集这些井的煤层岩屑资料(包括测试R O值,油田提供),综合本文R O测试结果(明浅1井、明浅2井、迪北101井和迪探1井,见表1),数据表明:侏罗系克孜勒努尔组R O值为0.49%~1.29%,平均为0.77%;阳霞组R O值为0.70%~1.29%,平均为0.87%。可见成熟度偏低,属于低中煤阶(图8),煤阶属于长焰煤—气煤—肥煤。拟合公式为R O=h/11 039+0.573,R 2 =0.64。R O为有机质成熟度,单位为%;h为深度,单位为m。当R O=0.8%时,h为2 500 m。
表1 库车坳陷东部侏罗系煤岩实测R O统计

Table 1 Tested R O statistics of Jurassic coal rocks in the eastern Kuqa Depression

深度/m R O/% 层组 井号 深度/m R O/% 层组 井号
89.34 0.62 克孜勒努尔组 明浅1 2 976.30 0.94 克孜勒努尔组 依西1
92.15 0.63 克孜勒努尔组 明浅1 3 033.00 0.70 克孜勒努尔组 吐东3
94.88 0.66 克孜勒努尔组 明浅1 3 183.00 0.72 克孜勒努尔组 吐东3
96.92 0.64 克孜勒努尔组 明浅1 3 457.00 0.72 克孜勒努尔组 吐东202
101.43 0.65 克孜勒努尔组 明浅1 3 610.00 0.70 克孜勒努尔组 吐东202
157.52 0.67 克孜勒努尔组 明浅1 3 875.00 1.01 克孜勒努尔组 克孜1
160.75 0.65 克孜勒努尔组 明浅1 3 878.00 0.72 克孜勒努尔组 吐东202
165.09 0.63 克孜勒努尔组 明浅1 4 178.50 0.80 克孜勒努尔组 依南2
166.27 0.68 克孜勒努尔组 明浅1 4 250.40 0.90 克孜勒努尔组 依南2
170.53 0.6 克孜勒努尔组 明浅1 4 272.00 0.86 克孜勒努尔组 迪北101
212.62 0.66 克孜勒努尔组 明浅1 4 284.00 0.87 克孜勒努尔组 迪北101
228.82 0.71 克孜勒努尔组 明浅1 4 314.90 0.86 克孜勒努尔组 依南2
230.18 0.73 克孜勒努尔组 明浅1 5 547.00 0.84 克孜勒努尔组 吐格6
234.11 0.69 克孜勒努尔组 明浅1 5 675.00 1.01 克孜勒努尔组 吐格6
236.39 0.69 克孜勒努尔组 明浅1 5 759.00 0.90 克孜勒努尔组 吐格6
241.81 0.69 克孜勒努尔组 明浅1 6 433.00 0.89 克孜勒努尔组 阳霞1
254.4 0.7 克孜勒努尔组 明浅1 7 044.00 1.05 克孜勒努尔组 阳探1
272.33 0.69 克孜勒努尔组 明浅1 7 230.00 1.17 克孜勒努尔组 阳探1
274.57 0.71 克孜勒努尔组 明浅1 260.68 0.74 阳霞组 明浅2
276.5 0.69 克孜勒努尔组 明浅1 261.71 0.77 阳霞组 明浅2
341.33 0.59 克孜勒努尔组 明浅1 288.88 0.73 阳霞组 明浅2
342.04 0.57 克孜勒努尔组 明浅1 289.72 0.71 阳霞组 明浅2
419.5 0.557 克孜勒努尔组 明南1 608.96 0.51 阳霞组 明南1
454.72 0.75 克孜勒努尔组 明浅1 2 158.40 0.70 阳霞组 依深4
456.88 0.75 克孜勒努尔组 明浅1 3 366.80 0.76 阳霞组 依深4
738.8 0.69 克孜勒努尔组 明浅1 3 646.00 0.71 阳霞组 吐东3
746.92 0.78 克孜勒努尔组 明浅1 4 024.00 0.81 阳霞组 吐东202
1 425 0.75 克孜勒努尔组 迪探1 4 418.00 0.73 阳霞组 吐东202
1 439 0.76 克孜勒努尔组 迪探1 4 702.95 0.90 阳霞组 依南2
1 514 0.79 克孜勒努尔组 迪探1 5 719.00 1.20 阳霞组 迪北5
1 522 0.83 克孜勒努尔组 迪探1 5 795.00 1.29 阳霞组 迪北5
1 526 0.83 克孜勒努尔组 迪探1 6 457.00 1.23 阳霞组 吐格6

注:以上井位置见图16

图8 库车坳陷东部侏罗系煤岩R O与深度关系

Fig.8 Relationship between R O and depth of Jurassic coal rocks in the eastern Kuqa Depression

4 煤岩储层特征

目前用于煤储层孔隙、裂隙结构表征的技术方法可分为图像观测法、流体侵入法和无损表征法29。在图像观测法中,利用扫描电镜、光学显微镜、原子力显微镜和CT成像等能够直接观测煤岩的孔隙结构、形态以及连通性,并可分析孔隙、裂隙的成因机理30。流体侵入法中运用较广的技术主要有高压压汞测试、低温N2吸附实验、CO2吸附实验等。无损表征法以低场核磁共振技术为代表,具有快速、无损、可循环的优点。

4.1 扫描电镜下孔隙类型

利用扫描电镜可以直观观察煤岩中孔隙的赋存状态。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。基质孔隙的类型主要包括气孔、残留植物组织孔、有机质间孔缝及矿物质孔等:①气孔是煤化作用过程中成气作用的结果产物与痕迹31。镜质体和沥青体内发育大量气孔,随机排列,多为圆形、椭圆形,孔径为0.5~3 μm[图9(a)],也可见其他有机质孔,孔内偶见黏土充填。②残留植物组织孔和有机质间孔缝,残留植物组织孔是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[图9(b),图9(c)]。有机质间孔缝包括纤维状丝质体间孔缝[图9(d)],碎屑镜质体间孔,孔径为0.2~2.5 μm[图9(e)],以及树脂体、沥青质体、菌类体[图9(f)]、藻类体[图9(g)]之间形成的粒间孔。③矿物质孔,指石英、碳酸盐矿物(纤维状晶体集合体)、黏土矿物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[图9(h)]等。裂隙孔隙中可见各类微裂隙、裂缝[图9(i)]。
图9 侏罗系煤岩扫描电镜下微观特征

(a)明浅1井,233.21 m,克四段,镜质体内密集的气孔;(b)明浅1井,446.6 m,克四段,排列整齐、定向排列的植物组织孔(胞腔孔);(c)明浅1井,163.93 m,克四段,丝质体内的组织孔;(d)明浅2井,290.30 m,阳二段,纤维状丝质体呈条带叠置,条带间隙发育;(e)明浅1井,克四段,碎屑镜质体,屑间孔发育;(f)明浅1井,163.93 m,克四段,菌类体形成的粒间孔,内含石英晶体;(g)明浅1井,95.02 m,克四段,藻类体粒径15~30 μm,粒间孔发育;(h)迪探1井,1 522 m,克四段,石英颗粒集合体,矿物颗粒间孔发育;(i)明浅1井,89.99 m,克四段,微裂隙高角度切过纤维状丝质体

Fig.9 Microscopic characteristics of Jurassic coal rocks under scanning electron microscopy

4.2 常规物性特征

本文研究岩心样品埋深小于500 m,测得的孔隙度为4%~23%,平均为9.7%,孔隙度主要分布在6%~10%的区间内(图10)。由于加压后岩样破碎,最终只获得5个样品的渗透率数据,平均为52.2×10-3 μm2。根据塔里木油田提供的最新数据 1,即位于迪北平缓斜坡带的依探1井4 350~4 465 m井段(克四段)煤岩,实测孔隙度为4.56%~8.89%,平均值为6.34%,渗透率为(0.276~317.61)×10-3 μm2,基质渗透率平均值为0.685×10-3 μm2。与其他地区相比,研究区煤岩储层物性较好。
图10 侏罗系浅层煤岩孔隙度分布特征

Fig.10 Distribution characteristics of porosity in shallow Jurassic coal rocks

4.3 核磁共振表征的孔隙特征

核磁共振是指原子核依据外加磁场作用所产生的共振现象。核磁共振技术具有快速、无损等特点,现今不仅广泛应用于储层孔裂隙的测量,还可以对煤岩进行全尺寸表征32。核磁共振T 2谱的不同时间对应不同的孔径,峰的个数反映孔径的连续性或均一程度,峰值分布反映岩石的孔径分布,峰面积反映其对应区间内的孔体积,峰宽度则反映孔隙的分选情况33。在核磁共振实验中,煤岩样品的孔隙系统分类采用十进制的分类标准34,即分为微孔(<10 nm)、小孔(10~100 nm)、中孔(100~1 000 nm)和大孔(>1 000 nm)。
根据峰划分法,T 2谱从左至右的第1峰对应微小孔,第2峰对应中孔,第3峰对应大孔和裂隙35。根据本文实验结果,在 0.1~2 ms、2~50 ms以及大于 50 ms 出现的谱峰分别代表微小孔、中孔以及大孔的信号强度(图11)。本文研究共测试25块样品,这里仅以4块样品的T 2谱曲线为例加以说明。煤岩储层T 2谱表现为三峰(图11),25块样品统计结果表明:中孔(100~1 000 nm)和大孔(>1 000 nm)占比达到36%~54%,小孔(10~100 nm)占比为46%~74%。
图11 侏罗系煤岩核磁共振T 2谱曲线特征

(a)明浅1井,340.91 m,克四段;(b)明浅1井,98.51 m,克四段;(c)明浅2井,311.92 m,阳二段;(d)明浅2井,288.02 m,阳二段

Fig.11 Characteristics of nuclear magnetic resonance T 2 spectrum for Jurassic coal rocks

4.4 三维CT扫描表征的储集空间特征

在众多微观分析手段中,CT 扫描因其无损性、可视化等特有的优势被广泛运用于煤体内部微观构造的分析与研究36
本文研究共测试3块样品,这里以明浅1井(458.62 m,阳二段)的样品为例加以说明。如孔喉网络三维图(图12)所示,岩心孔隙发育程度相对较好,孔隙网络中以较大的微裂缝为主,微裂缝相互叠置连通,较小的孔隙分布在微裂缝四周,孔隙度为5.98%。如孔喉连通性三维图(图13,其中相邻区域中颜色相近的孔隙为连通孔隙)所示,岩心孔隙连通性很好,裂缝之间相互叠置连通,较小的孔隙主要分布在裂缝的四周,通过微裂缝进行连通。岩心孔隙半径分布在20~2 450 μm之间,集中分布于20~80 μm之间,孔隙半径介于20~80 μm之间的孔隙累积占比可达86.95%。岩心中孔径大于400 μm的孔隙占比为0.56%,含量相对较低,表明岩心中孔隙类型多样且裂缝十分发育。
图12 孔喉分割提取图像

Fig.12 Pore throat segmentation for image extraction

图13 孔喉连通性分析图像

Fig.13 Image analysis of pore throat connectivity

4.5 氮气吸附表征的纳米级孔隙特征

煤岩微观孔隙结构特征影响储层的储集性能。根据国际理论与应用化学联合会(IUPAC)标准,将页岩纳米级孔隙按孔径(d)大小划分为宏孔(d>50 nm)、介孔(d=2~50 nm)和微孔(d<2 nm)3种类型37-38。本文研究按此标准划分煤岩的纳米级孔隙结构类型。
本文研究测试明浅1井侏罗系54块煤岩样品。从实验结果统计可以看出,主要发育介孔(占比为64%),宏孔占比为27%,微孔不发育(占比为9%),利于形成游离气。为了更清晰看清楚孔径的分布,再将区间进一步细化,按照0~2 nm、2~5 nm、5~10 nm、10~15 nm、15~20 nm、20~25 nm、25~30 nm、35~40 nm、40~45 nm、45~50 nm、50~100 nm、100~150 nm、150~200 nm、200~250 nm和>250 nm细分为16个区间成图(图14)。可以看出介孔孔径主要分布在2~25 nm范围内。
图14 明浅1井侏罗系煤岩氮气吸附表征的孔径分布

Fig.14 Pore size distribution diagram for nitrogen adsorption characterization of Jurassic coal rocks in Well Mingqian 1

5 煤岩地质特征

对库车坳陷北部构造带东部老井克四段煤岩段进行复查,总结库车坳陷东部老井煤岩段主要特征(表2)。特别说明的是表2中所示的含气量,是通过间接法得出的数据,而不是现场岩心解析方法(保压取心)获得。
表2 库车坳陷北部构造带东部老井克四段煤岩主要特征

Table 2 Main characteristics of coal rocks of the fourth member of Kezilenur Formation in the old wells located in the eastern part of the northern structural belt of the Kuqa Depression

主要参数 迪探1井 迪北101井 迪北102井 迪北2井 依东2井 迪探2井 吐格1井 吐东3井
埋藏深度/m 1 323~1 590 4 203~4 395 4 450~4 570 3 317~3 495 3 057~3 165 4 430~4 569 2 951~3 169 3 004~3 190
煤层厚度/m 110/22 26.5/6.7 31/5.2 45/15.0 41/17 43/7 52.4/7.4 43.8/7.95
平均成熟度(R O)/% 0.75 0.81 0.88 0.91 0.80 0.85 0.68 0.71
含气量/(m3/t) 15.4~18.2 11.5~15.2 6.8~18.8 14~18.4 5.2~18.7 6.5~14.8 6.9~15.8 8.2~18.1
气测显示/% 97.60 16.77 17.40 45.54 3.20 35 4.00 36.18
煤储层压力/MPa 20.62 62.75 66.35 50.74 45.95 65.47 46.01 46.31
储盖组合 煤泥 煤泥 煤泥 煤泥 煤砂 煤泥 煤泥 煤泥
孔隙度/% 6.1~7.1 6.4~8.5 6.4~9.2 6.1~9.1 5.8~9.5 5.6~8.9 2.53~4.95 6.1~9.2
构造背景 断背斜 平台区 缓坡 背斜 背斜 平缓带 断背斜 背斜

注:煤层厚度110/22表示累计厚度/最大单层厚度;煤岩与泥岩组合简称煤泥,煤岩与砂岩组合简称煤砂,煤岩与灰岩组合简称煤灰

吸附含气量根据井下实测的煤层内地层压力和吸附等温线的吸附常数(兰氏体积,兰氏压力),利用Langmuir方程,即式(1) 39计算得出。
V S = P × V L P + P L
式中:V S为吸附气含量,m3/t;P为地层压力,MPa;V L为兰氏体积,m3/t;P L为兰氏压力,MPa。
游离气含量是根据测井曲线解释的孔隙度和含气饱和度,利用式(2) 40-41计算得出。
V f = Φ × S g B g + ρ b
式中:V f为游离气含量,m3/t; Φ为孔隙度,%;S g为含气饱和度,%;Bg为天然气体积系数; ρ b为煤岩视密度,g/cm3
为了与其他盆地进行对比,本文研究系统总结了各盆地(地区)煤岩特征和煤岩气特征参数(表3),并结合上述实验结果,可以看出与其他盆地(地区)相比,库车北部构造带侏罗系克四段煤层厚度大、埋藏深度跨度大(从数百米到超过5 000 m)、储层物性好、源岩品质优、储盖组合好、具备良好构造背景,但总体上成熟度偏低,成熟度与噶尔盆地白家海凸起的煤岩相当。
表3 各盆地(地区)煤岩及煤岩气特征参数

Table 3 Coal rock and coal rock gas characteristic parameters in different basins (regions)

盆地 鄂尔多斯 准噶尔 松辽 海拉尔 渤海湾 四川 塔里木
地区 子洲—神木 白家海凸起 盆地南部 呼和湖凹陷 王官屯地区

霸县凹陷

文安斜坡

川中—川南 库车北部
地层时代 石炭系本溪组 侏罗系西山窑组

侏罗系火石岭组

及营城组

白垩系南屯组二段

石炭系—二叠系,

山西组—太原组

石炭系—二叠系

山西组—太原组

上二叠统龙潭组 侏罗系克孜勒努尔组
煤岩埋深/m 1 500~2 500 1 700~2 500 2 000~2 800 2 000~2 800 >2 800 2 000~3 500 1 500~4 500 200~6 500
煤岩单层厚度/m 2.8~12 6~21 5~17 5~30.4 1.0~6.2 5~13 1~4.5 1~22
煤体结构

原生结构煤为主,

局部发育碎裂煤

原生结构 原生结构煤为主 原生结构煤为主 原生结构煤为主 碎裂煤为主 原生结构煤为主

原生结构煤为主,

局部发育碎裂煤

累计厚度/m 5~20 (8#+9# 9~37 5~70 50~125 26~32

15.5~19(山西组)

10~45(太原组)

7~16 最厚达182
R O/% 2.14~2.78 0.5~1.0 1.8~2.3 1.0~2.0 0.8~2.5 0.8~2.5 2.5~3.05 0.56~1.17
孔隙度/% 2.74~3.62 6.6~16.9 4~7 3~10 8~14 6.37~11.6 (3~18)/8.67 浅层(6~16)/9.7
渗透率/(10-3 μm2 0.001~0.309 0.17~14.6 <0.01 0.01~0.5 0.71~1.87 平均0.94 0.8~几十
含气量/(m3/t) 17.5~30 8.28~26.18 10~25 15~35 15.1~21.7 14~18 7.7~27.1 5.2~18.8
含气饱和度/% 106~138 100.7~230 128~135 143~182 接近100 60~109 138~151 无数据
资源丰度/(108 m3/km2

(1.02~2.47)

/1.74

(1.49~2.33)

/1.92

(0.42~2.05)

/0.79

(0.28~7.70)

/3.23

(1.3~2.1)

/1.5

平均2.1 平均1.1 平均9.5
气测峰值/%

(1.5~100)

/59.45

(0.7~99.0)

/26.67

(0.614~31)

/6.53

(5.12~52.44)

/18.34

26.7~87.5 11~43

(0.21~91.75)

/32.51

32~97
游离气占比/% 13.1~34.3 0.78~45.25 22~26 30~45 13~25 10~28 >29 16.16~17.84
顶底板 顶板灰岩,底板泥岩 顶底板泥岩 顶底板泥岩 顶底板泥岩 顶底板泥岩 顶底板泥岩 顶底板致密灰岩 顶底板泥岩

注:(1.02~2.47)/1.74 表示:(最小值—最大值)/平均值

6 成藏模式构想

煤层气成藏模式研究的关键是揭示含气饱和度随埋深的变化规律42。由于研究区未实测含气量数据,无法建立纵向上含气饱和度的分布规律。下文基于研究区的地质特征,从其他盆地的临界深度和煤岩生气能力2个方面探讨研究区的临界深度。
深层煤岩气含气饱和度一般都大于100%(表3),表现为 “超饱和”特征。地层的含气饱和度随埋深的增加呈现增加趋势,至临界深度,煤岩储层出现高饱和—超饱和状态。在临界深度以浅表现为吸附气占优势,在临界深度以深则表现为吸附气与游离气共存42。因此,这里提到的“临界深度”即浅层煤层气和深层煤岩气的界限。不同盆地出现超饱和煤层气藏(深层煤岩气)的临界深度不同,临界深度的差异主要取决于盆地的地温梯度和压力梯度,异常高压和异常高温(如由火山热事件引起的高温)可降低超饱和煤层气藏形成的临界深度3943
准噶尔盆地白家海凸起2 567 m以深的八道湾组和西山窑组煤储层中存在连续型“超饱和”煤层气43,也就是白家海凸起煤岩气的临界深度为2 567 m。白家海凸起—五彩湾凹陷地温梯度分布在2.6~3.6 ℃/100 m之间,平均为 3.1 ℃/100 m;在2 500以浅地表,地层压力现为在静水压力线附近或者低于静水压力,在2 500~3 500 m之间为常压系统44。鄂尔多斯盆地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27,热事件和较高的地温梯度降低了该盆地超饱和煤层气藏形成的临界深度,从而导致临界深度要小于白家海凸起,如临兴区块临界深度为1 700 m。而塔里木盆地库车坳陷东部地温梯度为2.2~2.6 ℃/100 m,整体上是属于低温冷盆45。如吐东2侏罗系气藏的地层温度为94~118 ℃,地温梯度为2.36 ℃/100 m;地层压力为34~49 MPa,压力系数为1.17~1.2846。库车坳陷北部构造带与白家海凸起相比,前者地温梯度更小,且地层压力都为常压,整体上不存在异常高压和异常高温。那么前者的煤岩气临界深度就不会小于白家海凸起临界深度(2 567 m)。
中国中—浅层的煤层含气饱和度整体不高,原因是:①中国含煤盆地在古生代和中生代大多经历过先埋深后隆升的过程。在这一过程中,盆地中—浅层的煤层气大量散失,导致其含气饱和度整体较低42;②中—浅层煤层的生气能力要小于深层,表现为供气能力不足,难以形成游离气。在盆地中—浅部形成超饱和煤层气藏,其必要地质条件是次生生物气补充或岩浆侵入体烘烤导致生成二次热成因气39。也就是说只有煤岩的生气能力满足一定条件后,才能在中—浅部形成超饱和煤层气藏。
同样,在深层低—中煤阶(褐煤—气煤)的煤岩,靠自身的生气量也难以形成超饱和的煤岩气,而是需要断裂的疏导作用,形成自源气和他源气共存的煤岩气。例如白家海凸起侏罗系煤岩处于低成熟阶段,生烃量有限,主要为他源供烃,形成古生新储的成藏特征,石炭系为主要烃源岩47。白家海凸起煤岩气干燥系数和碳同位素表明:侏罗系西山窑组煤岩气与常规自生自储型煤岩气相异,其主要来源为白家海凸起及其周缘凹陷或凸起下伏的石炭系,属于他源型煤岩气47-48
那么煤岩的成熟度达到多少才能大量生气呢?
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,在煤岩微孔隙中以吸附气形式存在2747。在气煤到瘦煤阶段,相当于R O值为0.65%~1.9%。在这一阶段,腐殖型干酪根经过热催化作用降解形成甲烷,以产气为主,也可生成少量煤成油49。更进一步的说明包括:①根据美国和德国的各种煤层的数据,煤级达到高挥发性A型烟煤(R O=0.74%~1.0%)时,才有显著数量的热成因甲烷生成50;②煤岩R O值为0.8%~1.0%时,处于热成因甲烷开始产生的阶段49;③三塘湖盆地浅部煤层气成因以次生生物气为主,煤岩R O>0.8%时,开始大量形成热成因气51;④三塘湖盆地西山窑组煤层热模拟结果表明:煤岩R O值达到0.8%,每吨煤热成因生气量超过18 m3[52;⑤研究区侏罗系煤岩热模拟实验表明R O值为0.7%时即开始生气,R O值达到0.8%,每吨煤热成因生气量为30 m3
因此,将煤岩R O=0.8%作为煤岩大量生气的临界值。当煤岩R O<0.8%时,生气量低,生成的少量天然气主要以吸附状态赋存于煤岩储层中,形成浅层煤层气。根据研究区煤岩成熟度与深度的关系图(图8),当煤岩埋深等于2 500 m时,煤岩R O值才达到0.8%。通过以上分析,确定该区的临界深度至少在2 500 m的深度。
根据上述确定的临界深度和研究区构造背景,依托北东向叠前深度偏移剖面(Trace 1989),建立库车坳陷北部构造带侏罗系煤岩气成藏模式图(图15)。该模式图表示该地区应该具备2种类型的煤层气:①浅层煤层气:小于2 500 m (R O<0.8%)的浅层,由于埋藏浅、煤岩处于褐煤—长焰煤阶段,生气能力差,且保存条件差,主要发育以吸附气为主的煤层气。例如:迪探1井是位于依奇克里克构造带迪北3构造上的一口2013年完钻的风险探井,侏罗系煤岩累计厚260.5 m/110层,单层最厚22.0 m,厚层段气测显示好(总烃75.97%~97.59%)。2023年选取1 420.0~1 562.5 m井段(克四段)的厚层煤岩段进行老井试气,日产气576 m3,属于浅层煤层气的范畴。因此,靠自身的生气能力难以形成游离气含量高的高产煤岩气,高效富集需要深层的气源供气。通过断裂,深层气源运聚到浅层煤岩中,形成下生上储的成藏模式,煤岩更多的作用是作为天然气的储层。②深层煤岩气:大于2 500 m (R O>0.8%)的深层,不仅保存条件好,更重要的是煤岩处于中—高煤阶,自身生气能力强,且临近的凹陷区深埋的煤岩生成的天然气侧向运移至高部位(克四段煤层单层厚度大,连续性好,本身可以作为天然气运移通道),在构造圈闭发育区或者构造稳定区,可形成游离气+吸附气的煤岩气,形成自生自储的成藏模式(图15)。
图15 库车坳陷北部构造带侏罗系煤岩气成藏模式图(剖面位置见图17)

Fig.15 Accumulation model of Jurassic coal rock gas in the northern structural belt of Kuqa Depression (see fig.17 for section location)

7 勘探有利区带

中国近年来在鄂尔多斯、准噶尔、四川、渤海湾等盆地取得了深层煤岩气勘探突破,深层煤岩气将成为中国天然气增储上产的战略接替资源5。深层煤岩气处于高温高压的地质环境,具有游离态与吸附态共存的特点,深部煤岩气的富集主要受煤岩类型、热演化程度、埋深与厚度、构造背景、含气性及岩性组合等条件影响453-54。不同地区,由于地质背景的差异,深部煤岩气的富集模式不尽相同。例如:①通过鄂尔多斯盆地煤岩储层特征、含气性和成藏因素分析,表明可观的煤层厚度(大于2 m)、合适的煤阶(焦、瘦、贫、无烟煤)、较好的储盖组合(煤泥、煤灰)、适宜的埋藏深度(1 500~4 000 m)是煤岩气富集的主要控制因素55。鄂尔多斯盆地石炭系本溪组煤岩具备源—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,具有煤岩侧向尖灭、透镜体、低幅度构造、鼻状构造和岩性自封闭5种富集类型高效聚气的富集模式27。②准噶尔盆地白家海凸起位于高部位,侏罗系煤的镜质体反射率R O值介于0.47%~1.05%之间,断层及裂缝比较发育,侏罗系下部有石炭系、二叠系等多套优质烃源岩,白家海凸起煤岩气富集成藏具有“古生新储”和“自生自储”2种成藏模式56。表现为自源气和他源气互补聚集、有序分布,断裂穿层输导,缝孔甜点富集,大面积成藏的特点2。煤岩含气性与烃源岩发育条件、构造位置、圈闭条件、储层物性及保存条件息息相关57。③四川盆地东南南川区块龙潭组煤层含气性受煤岩煤质、演化程度、保存条件及埋深等综合控制,盆缘宽缓背斜及盆内高陡背斜是川东南深部煤层气勘探的有利区带58。将厚煤层发育区、富游离气区、高变质区、泥煤组合区及构造简单区的叠合区作为 I 类有利区59。④渤海湾盆地冀中坳陷霸县凹陷文安斜坡石炭系—二叠系煤层含气性受煤层厚度(厚度>10 m)、热演化程度(R O>1.0%)、埋深(2 000~3 500 m)及保存条件控制60
综上所述,煤层厚度、煤质特征、热演化程度、埋藏深度和构造条件是主要的控藏因素。
根据研究区煤岩气成藏主控因素和成藏模式,进行煤岩气有利区带评价,对于煤岩处于低—中煤阶的地区,通常需要完成以下基础工作:①储盖组合类型划分:根据与煤岩直接接触的上覆顶板的岩性,划分储盖组合类型及各组合类型分布区域。储盖组合主要包括煤泥组合(顶板为泥岩)、煤砂组合(顶板为砂岩)和煤灰组合(顶板为碳酸盐岩)等类型,其中煤泥组合是最有利的储盖组合。②统计煤岩厚度:根据录井和取心资料,统计最厚的单煤岩厚度和分层系煤岩累积厚度,并且井—震结合,分层系绘制煤岩累积厚度平面分布图以及最厚单煤岩平面分布图。③明确构造背景:根据含煤岩系的顶界面或底界面,井—震结合,绘制构造图(等高线以海拔表示),确定煤岩所处的构造背景。④确定成熟度:在钻井数量较少的情况下,以实测R O值为约束条件,根据大地热流和埋藏史,用盆地模拟法计算得到煤岩的Easy%R O值平面展布图;在钻井较多的条件下,根据实测R O值绘制成熟度等值线图。⑤编制生气强度图:通过盆地模拟获得,由于工作量大,耗时较多,因此在条件允许的情况下(资料丰富,钻前评价时间充足),才编制此图件。该图是烃源岩厚度、有机质丰度、有机质类型、成熟度及生气转化率的综合体现。⑥绘制埋藏深度图:根据目的层构造图和地面海拔,绘制主要煤岩层段的埋藏深度等值线图或埋深范围图。根据煤岩特征及现有经济技术条件,埋藏深度范围通常在1 500~5 000 m内是有效的煤岩气埋藏深度。而本文研究区煤岩气成藏埋深至少在2 500 m以深。⑦估算地质储量:主要用于勘探潜力评价和经济评价。参照行业标准《煤层气储量估算规范》(DZ/T 0216—2020)中提出的体积法进行计算,计算公式为:
G=0.01×A×H×C×ρ
式中:G为地质储量,108 m3A为有效埋深范围内的煤岩分布面积,km2H为煤岩的平均厚度,m;C为单位质量的煤的平均含气量,m3/t;ρ为煤岩平均密度,t/m3)。
在完成以上工作的基础上,综合划分有利区带。根据资料丰富程度和实际情况,可采用“五图”和“四图”叠合法。
“五图”叠合快速评价法:即将储盖类型范围图(煤泥储盖组合最好)、煤岩厚度等值线图(最大厚度的煤岩单层厚度大于2 m,累积厚度越大越好)、成熟度等值线图(R O>0.8%为有效生气煤岩)、埋深等值线图(深度范围介于1 500~5 000 m之间)、目的层构造图(构造圈闭或平缓斜坡有利)叠合到一张图上,综合划分有利区带。将具有最好储盖组合、煤岩厚度大、成熟度高、埋藏深度适中、构造圈闭或平缓斜坡背景的区域划分为有利勘探区。
“四图”叠合综合评价法:生气强度图具有较强的综合性。在获得生气强度图的情况下即可开展四图叠合综合评价。即将储盖类型范围图(煤泥储盖组合最好)、生气强度图(>20×108 m3/km2,越大越好)、埋深等值线图、目的层构造图叠合到一张图上,综合划分有利区带。将具有最好储盖组合、生气强度大、埋藏深度适中、构造圈闭或平缓斜坡背景的区域划分为有利勘探区。
在有利勘探区范围内,根据目的层的构造平面图,选取构造圈闭(背斜、断背斜、断块等)高点或者构造平缓区(地层倾角小于10°),确定地面井点靶位。由于煤岩波阻抗大大低于围岩,因此煤岩反射波振幅特征表现为强振幅亮点,利用地震属性提取和反演技术,在地震剖面上进行煤岩描述和预测,在剖面上显示的厚层煤岩发育段确定水平井段靶位。需要指出的是:构造圈闭更有利于游离气的聚集,因此,在其他条件相同时,构造圈闭发育区要优于平缓斜坡区。
对于本文研究区,受资料所限,采用“五图”叠合快速评价法评价有利区带。由于研究区储盖组合主要是煤泥组合(表2),因此储盖组合不再单独成图,主要应用目的层系构造图、煤岩厚度、埋深及成熟度“四图”叠合(图16),开展有利区进行评价。有利区选取标准为:位于构造稳定区和构造圈闭发育区,且煤岩累计厚度大于40 m,成熟度大于0.8%,埋藏深度介于2 500~5 000 m之间。评价结果为:有利区总面积为690 km2图17)。最有利的为I类区,面积为110 km2,分布在背斜圈闭发育区(发育图15深层所示的背斜圈闭),煤岩成熟度大于1.0%,厚度最大可达100 m以上。
图16 库车坳陷北部构造带东部侏罗系顶面构造、克孜勒努尔组煤岩厚度、埋深及成熟度叠合图

Fig.16 Overlapping map of Jurassic top structure, Kezilenur Formation coal rock thickness, burial depth and maturity in the northern structural belt of Kuqa Depression

图17 库车坳陷北部构造带东部侏罗系煤岩有利区带

Fig.17 Jurassic coal rock favorable zones in the northern structural belt of Kuqa Depression

需要说明的是本文有利区带评价以北部构造带东部侏罗系克四段煤岩为例得到的结论。而对于侏罗系阳霞组和三叠系的煤岩,虽然评价方法类似,但由于埋深、厚度和成熟度的差异,最终结果肯定会有所不同。由于受篇幅所限,此2套煤岩的有利区带评价不在本文讨论范围之内。

8 结论

(1)塔里木盆地库车坳陷发育三叠系和侏罗系2套含煤地层,煤层厚度大、分布面积广,具备发育煤岩气的物质基础。煤岩整体以原生结构煤为主,煤岩硬度小,易碎。微裂缝和割理发育,割理呈线状、网状连续性分布。
(2)侏罗系煤岩显微组分以镜质组为主,平均含量为64.06%;工业分析表明具有中高挥发份、特低水分、特低灰分的特征;TOC含量平均为74.3%,含量偏低;硫平均含量为0.47%,属于特低硫煤;成熟度偏低,煤阶属于长煤—气煤—肥煤。
(3)侏罗系煤岩发育各类基质孔隙和裂隙,孔隙网络中以较大的微裂缝为主,微裂缝相互叠置连通;浅层样品孔隙度为4%~23%,平均为9.7%,中孔和大孔占比高;氮气吸附反映的纳米级孔隙表现为:主要发育介孔(占比为64%),宏孔占比为27%,微孔不发育(占比为9%)。
(4)确定本地区煤岩气成藏的顶部临界埋深至少为2 500 m,并创建该地区煤岩气成藏模式,指出该地区具备2种类型的煤层气:埋深小于2 500 m (R O<0.8%)的浅层主要发育以吸附气为主的煤层气,高效富集需要深层的气源通过断层供气,形成下生上储的成藏模式;埋深大于2 500 m (R O>0.8%)的深层可形成游离气+吸附气的煤岩气,形成自生自储的成藏模式。
(5)创建了在发育低—中煤阶煤岩地区,进行有利区带评价的前期工作内容及方法,并首次提出“五图”和“四图”叠合法综合评价煤岩气有利勘探区带。应用以上方法,划分出库车坳陷北部构造带东部侏罗克四段煤岩气有利区,其总面积为690 km2,其中I类区面积为110 km2

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Outlines

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