引用本文
陈浙春, 蒋涛, 汤玉平, 李吉鹏, 程同锦, 王国建. 油气化探在鄂尔多斯盆地延川煤层气勘探中的应用[J]. 物探与化探, 2016,40(2): 318-326.
CHEN Zhe-Chun, JIANG Tao, TANG Yu-Ping, LI Ji-Peng, CHENG Tong-Jin, WANG Guo-Jian. The application of hydrocarbon geochemical exploration technique to coal-bed methane in Yanchuan area, Ordos Bain[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(2): 318-326.
Doi:10.11720/wtyht.2016.2.14  
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油气化探在鄂尔多斯盆地延川煤层气勘探中的应用
陈浙春, 蒋涛, 汤玉平, 李吉鹏, 程同锦, 王国建
中国石化勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡 214151

作者简介: 陈浙春(1964-),男,高级工程师,大学本科,主要从事油气地球化学勘探工作。E-mail:chenzhechun@163.com

收稿日期: 2015-03-02
基金: 国家自然科学基金项目(41072099)
摘要

中国煤层气资源丰富,煤层气中的游离态烃和溶解态烃气体可通过地层中的断裂、裂隙、微裂缝和孔隙等通道垂直运移到地表,进而在近地表形成化探指标异常。延川南区块煤层气油气化探技术应用研究表明:顶空气甲烷、酸解烃甲烷等烃类化探指标主体异常区呈环形模式分布于延1井煤层气富集区上方,异常成因主控因素包括深部烃源(煤层气)、烃源(煤层气)上覆盖层、深部断层(中垛断层和白鹤断层)等地质要素;热释汞指标主体异常区呈顶端形式分布于延1井煤层气富集区上方,主要受控因素包括深部煤层、深部断层(中垛断层和白鹤断层)等地质要素;研究区煤层气有效化探指标综合熵值圈定了3个环状异常区:程河原—延1井熵值异常区、掷沙熵值异常区和井西岭南熵值异常区,其中程河原—延1井熵值环状异常区有效地指示了延1井煤层气富集区,中垛断层和白鹤断层之间的掷沙熵值异常区、井西岭南熵值异常区可能部分受断层的影响,亦是煤层气有利富集区。

关键词: 煤层气勘探; 油气化探; 有效指标; 异常模式; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)02-0318-09 doi: 10.11720/wtyht.2016.2.14
The application of hydrocarbon geochemical exploration technique to coal-bed methane in Yanchuan area, Ordos Bain
CHEN Zhe-Chun, JIANG Tao, TANG Yu-Ping, LI Ji-Peng, CHENG Tong-Jin, WANG Guo-Jian
Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, Petroleum Exploration and Production Institute of Sinopec, Wuxi 214151, China
Abstract

China is rich in coalbed methane resources. The free coalbed hydrocarbon gas and the water-dissolved hydrocarbon gas can migrate to the surface of the earth through the channels such as faults, fractures, cracks and micro pores, and form the near-surface geochemical anomalies. The application of the coalbed methane geochemical exploration technique to Yanchuan south block shows that the geochemical indicators of the headspace methane and the acid-extracted methane have the halo anomaly features over Well Yan 1 coalbed enrichment area, and the main factors controlling the anomalies include deep hydrocarbon source (CBM), cap rocks over the hydrocarbon source, deep faults such as Zhongduo fault and he Baihe fault and other geological elements. The heat-released mercury indicators have the top anomaly features over Well Yan 1 coalbed enrichment area, and the main factors controlling the anomalies include deep coal seams, deep faults such as Zhongduo fault and Baihe fault and other geological elements. Three halo anomalous areas were delineated in the study area according to the coalbed methane effective geochemical indicator of the comprehensive entropy, which are Chengheyuan-Well Yan 1 anomaly area, Zhengshan anomaly area and Jingxiling anomaly area. Chenheyuan-Well Yan 1 halo anomaly effectively indicates the CBM enrichment area of Well Yan 1; Zhengshan anomaly, which is located between the Zhongduo and Baihe faults, and Jingxiling anomaly can also reflect the coalbed favorable areas although they may be partially influenced by the faults.

Keyword: coalbed gas exploration; oil and gas geochemical exploration; effective indicator; anomaly model; Ordos Bain

世界煤层气资源比较丰富, 据国际能源机构(IEA)估计, 全世界陆上煤田埋深2 000 m以上的煤层气资源量约为263.8× 1012 m3, 是常规天然气探明储量的2倍多[1]。

中国煤层气资源丰富, 与中国陆上常规天然气资源量38× 1012 m3基本相当, 仅次于俄罗斯(113× 1012 m3)和加拿大(76× 1012 m3), 居世界第三位, 约占世界煤层气总资源量的13%[2]。埋藏2 000 m以上的煤层气资源总量为36.82× 10 m3, 其中可采储量为10.87× 10m3[3], 集中分布在鄂尔多斯、沁水、准噶尔、滇东黔西等大型盆地[4]。全国煤炭资源量为5.6× 1012 t, 保有储量为1.03× 1012 t, 2010年个煤矿产煤32× 108 t, 煤层抽采76.2× 108 m3, 近年来虽然利用率由19.7%提高到31.2%, 但仍只是国外的几分之一[5]。

煤层气勘探应用技术主要借鉴常规煤田勘探技术, 包括地质选区技术、地球物理勘探技术和钻井录井与测井技术等, 它们在煤层气勘探评价方式、目的及煤层气勘探所处阶段上存在不同[6, 7, 8, 9]。

目前, 地球物理勘探技术是煤层气勘探应用的主要技术手段, 并在煤层气勘探中取得了一定的成果和进展[10, 11, 12], 但地球物理勘探技术更多地体现在煤层地质构造形态特征、断层发育特征、含煤层气地层的裂缝发育情况等煤层气藏的物性特征辨别上, 在较低成本状况下, 寻找和圈定煤层气有利富集区尚缺乏有效的直接勘探手段; 其次, 煤层气二维地震勘探受测线网格及复杂地区地表、地质条件的影响, 在采集、处理、解释过程中亦可出现最终勘探结果与实际情况有较大偏差的问题[13]。

煤层气是含煤地层中的有机质在煤化过程中经过生物化学、热解及热裂解作用所生成的以甲烷为主的烃类气体, 主要以吸附状态储集于煤层中。煤层气主要以三种形态赋存在煤层中, 即吸附在煤孔隙表面上呈吸附状态、分布在煤的孔隙及裂隙内呈游离状态和溶解在煤层水中呈溶解状态。而煤层气主要(可达90%以上)是以吸附状态附着于煤的内表面上, 只有少量以游离态储存在煤岩的割理、裂隙和孔隙中, 或者溶解在煤层的水中[14, 15, 16]。

另一方面, 由于煤层气赋存深度较浅, 煤层气中的游离态烃和溶解态烃气体组分更易通过地层中的断裂、裂隙、微裂缝和孔隙等通道垂直运移到达地表, 在近地表形成烃类化探指标异常。因此, 油气化探技术可以通过地面检测煤层气藏微渗漏至近地表的烃类化探指标的异常空间分布形态特征, 推断深部煤层气藏的有利富集区, 该技术在一些地区亦取得了一定应用效果[17]。

1 区域地质概况

延川南地区地处晋陕交界处, 鄂尔多斯盆地东缘南段晋曲挠褶带、渭北隆起和伊陕斜坡交汇处, 区内主要为中高变质煤, 主力煤层为二叠系山西组2号煤和石炭系太原组10号煤, 煤种以贫煤、无烟煤为主, 该地区煤储层孔裂隙特征整体为低孔、低渗透储层, 吸附量大但孔隙度普遍较小[18]。

1.1 构造特征

1.1.1 断裂特征

区块整体构造简单, 为一走向为NE— NNE, 倾向NW 的单斜构造, 断层总体不发育, 以小断层为主, 逆断层多, 正断层少。南部断层不发育, 向北断层逐渐变多。受区域单斜地层的控制, 断裂多呈NE、NNE向展布, 与区域构造方向一致。区块发育4条二级断层, 中部发育的两条北东向逆断层— — 中垛逆断层和白鹤逆断层规模较大, 是工区内最重要的断层。东南部发育两条北东向的正断层— — 张马正断层和君堤岭正断层(图1 )。

图1 延川南煤层气勘探区示意

区块内断层发育主要特征为:断层走向为北东向和北北东向; 断层断距小, 延伸短; 共发育大小断层近40条, 平面分布在背斜构造翼部和缓坡构造上, 断层在剖面上均未出露地表, 大部分自奥陶系中统峰峰组— 二叠系上统石千峰组继承性发育。

1.1.2 构造单元划分

根据构造特征, 延川南区块可进一步划分出4个二级构造单元, 分别是:王家岭构造带、谭坪构造带、中部断裂带和万宝山构造带。构造带内又可划分出5个三级构造单元, 自东向西分别为西柏沟缓坡带、白额断鼻带、谭坪缓坡带、柏山寺断鼻带、万宝山缓坡带。

1.2 地层特征

区块的地质构造相对简单, 地层整体向西倾斜, 西部出露的地层新于东部。延川南区块内赋存的地层从老到新依次为马家沟组(O2m)、本溪组(C2b)、太原组(C3t)、山西组(P1s)、下石盒子组(Plx)、上石盒子组(P2s)、石千峰组(P2sh)、刘家沟组(T1l)、和尚沟组(T1h)、二马营组(T2er)、新生界新近系上新统(N2)、第四系下更新统(Qp1)、中更新统(Qp2)、上更新统(Qp3)、全新统(Qh)。本区含煤地层主要为太原组以及山西组[19]。

2 研究区地球化学场特征

在鄂尔多斯盆地延川南区块煤层气化探研究区内, 共采集了物理吸附气、顶空气、土壤样品等多种试验方法的样品, 样品物理点514个(见图1)。

2.1 化探指标参数特征

鄂尔多斯盆地延川南区块油气地球化学指标特征参数统计(表1)显示, 各指标变异系数0.20~0.86, 变异系数值均小于1, 表明该地区地球化学场特征变化不大。物理吸附气甲烷(WLC1)均值6.42× 10-6, 标准偏差3.45, 变异系数0.54; 顶空气甲烷(DC1)均值为2.87× 10-6, 标准偏差0.59, 变异系数0.21; 酸解烃甲烷(SC1)均值为264.31 μ L/kg, 标准偏差87.28, 变异系数0.33; 热释烃甲烷(RC1)均值为5.57 μ L/kg, 标准偏差3.97, 变异系数0.71; 热释汞(Hg)均值为8.49× 10-9, 标准偏差2.28, 变异系数0.27。

表1 延川南区块油气主要地球化学指标特征参数统计
2.2 化探指标优选

从众多化探指标中优选出与煤层气有关的化探指标, 进而分析化探单指标及综合指标异常空间展布规律, 寻找煤层气勘探有利富集区。研究区内采集了延1井气样和水样, 分析了煤层气和水样中的水溶烃, 测试结果见图2、图3、表2。延1井煤层气主要成分是甲烷(图2), 浓度可达7.81× 10-1, 含少量的乙烷(217.76× 10-6)和微量的丙烷(3.16× 10-6), 甲烷占烃组分的99.97%。延1井水样顶空气分析结果表明(图3), 水溶烃的主要成分同样是甲烷, 甲烷浓度为5.9× 10-2, 含微量的乙烷(13.43× 10-6)、丙烷(0.97× 10-6)和正丁烷(0.97× 10-6), 甲烷占烃组分的99.75%。分析结果表明, 延川南区块煤层气成分主要是甲烷气, 重烃组分很少。

图2 延1井煤层气色谱

图3 延1井水溶烃色谱

表2 延1井气样轻烃组分含量

其次, 延1井气样轻烃组分的分析结果表明, 煤层气中甲烷含量在烃类组分中占有绝对量优势, 而表2中的延川南区块油气主要地球化学指标以物理吸附气为例, 其物理吸附气甲烷均值为6.42× 10-6, 也远大于物理吸附气重烃均值(0.65× 10-6)。因此, 物理吸附气指标的组分组构特征与延1井气煤层气的组分组构特征具有相似性, 同理, 化探的其他指标也有相似的组分组构特征。

综上所述, 在进行指标异常分析时, 应选择不同赋存状态甲烷指标作为化探的主要指标。结合研究区内延1井气样分析测试结果, 选取顶空气甲烷(DC1)、酸解烃甲烷(SC1)、物理吸附气甲烷(WLC1)、热释烃甲烷(RC1)和热释汞(Hg)作为延川南区块煤层气化探异常评价指标。

2.3 剖面化探指标地球化学特征

2.3.1 A剖面地球化学特征

沿过延1井与延2井的地震测线部署A剖面。延1井对2号煤层排采获得最高2 632.00 m3/d的工业产量, 目前产量维持在1 000 m3/d左右。

剖面上物理吸附气甲烷指标特征(图4)显示, 在煤层气井延1井附近有甲烷指标的弱异常, 浓度为10.04× 10-6; 延2井两侧有异常出现, 其值分别是38.22× 10-6和8.82× 10-6。在延1井西南的断层附近出现了物理吸附气甲烷强异常, 异常值可达33.18× 10-6, 说明下部煤层中的煤层气沿断裂向地表垂向微运移, 并被近地表土壤形成化探异常。

图4 延川南区块A剖面物理吸附气甲烷剖面

2.3.2 B剖面地球化学特征

B剖面物理吸附气甲烷指标特征见图5, 煤层气井延1井附近有甲烷指标的弱异常, 浓度为7.99× 10-6。在延1井西北侧有两条NE向逆断层— — 中垛逆断层、白鹤逆断层, 其规模较大, 是本区最重要的断层。中垛、白鹤逆断层相互平行, 夹持着一宽度约1.5~2.0 km的断裂带。在白鹤断层上方有一个物理吸附气甲烷弱异常, 在中垛断层上方出现了物理吸附气甲烷强异常, 表明此段断层的封闭性较差, 烃类气体可以沿断层向地表运移。B剖面的东南段物理吸附气甲烷指标浓度普遍较高, 异常强度大, 异常值最高达18.54× 10-6, 断层上方有异常, 异常值为8.76× 10-6。

图5 延川南区块B剖面物理吸附气甲烷剖面

总体上看, 在煤层气井延1井附近有较弱物理吸附气甲烷异常, 在中垛、白鹤逆断层上方或附近也有物理吸附气甲烷异常, 在剖面东南段煤层的上覆地层逐渐变薄, 物理吸附气甲烷有异常不断增加的趋势, 说明该断层不仅现在封闭性较差, 而且在相当长的一段时间内都存在烃类微渗漏。

2.4 化探指标异常空间分布特征

2.4.1 顶空气甲烷指标空间分布特征

区内顶空气甲烷指标高值主要集中在研究区的东部瓦渠至上庄一带(图6), 中垛逆断层靠近掷沙附近亦有较强的指标异常, 上庄西侧北西向小断层附近也有一个较强的异常。白鹤逆断层附近有较强的顶空气甲烷异常, 局部地段断层附近存在的指标异常应与断层是煤层气藏烃类微渗漏通道有密切关系。

图6 延川南区块顶空气甲烷异常

顶空气甲烷在研究区内有两个环状高值异常区:围绕延1井钻井区的顶空气甲烷环状高值异常, 延1井井区多数钻井落入该高值环状异常的低值区内; 围绕掷沙, 在中垛断层和白鹤断层之间存在面积较小的顶空气甲烷环状高值异常区。

2.4.2 酸解烃甲烷指标空间分布特征

区内酸解烃甲烷指标高值主要集中程河原至上庄西侧一线(图7)。酸解烃甲烷在研究区内亦有两个环状高值异常区:围绕延1井钻井区的顶空气甲烷环状高值异常, 延1井井区多数钻井落入该高值环状异常的低值区内; 在中垛断层和白鹤断层之间的掷沙以北地区存在面积较小的顶空气甲烷环状高值异常区。

图7 延川南区块酸解烃甲烷异常

2.4.3 热释汞指标空间分布特征

引起热释汞异常的因素有各种油气藏、金属矿床、煤田、深断裂、破碎带等。热释汞指标是指示深大断裂和煤系地层的灵敏指标, 在各种地质作用下通过扩散和渗流到达地表土壤等介质中, 容易在高含汞的地层上方近地表土壤中形成热释汞异常。

由于汞的穿透能力较强, 且研究区煤系地层中汞指标受盖层封盖条件影响较小, 因此, 影响汞指标的地质因素主要为深部煤系地层丰度和断裂。该区汞指标异常有2个呈顶端特征的异常区(图8):程河原— 延1井— 上庄一带和候家庄西北侧、研究区西北侧地区。程河原— 延1井— 上庄一带汞异常应受煤系地层丰度因素影响, 而候家庄西北侧、研究区西北侧可能与断层(白鹤断层和中垛断层)、煤系地层丰度综合因素影响有关。

图8 延川南区块热释汞异常

2.4.4 物理吸附气甲烷指标空间分布特征

物理吸附气甲烷的高值主要集中在区内中部上庄— 掷沙一带, 次高值全区分布较为散乱。区内有两个环状异常区(图9):围绕延1井— 程河原区有较好的物理吸附气甲烷高值异常; 围绕掷沙— 井西岭区有较好的物理吸附气甲烷高值异常。

图9 延川南区块物理吸附气甲烷异常

2.4.5 热释烃甲烷指标空间分布特征

区内热释烃甲烷指标高值异常呈现两个环状异常区分布特征:西原头— 瓦渠热释烃甲烷环状异常; 井西岭— 侯家庄热释烃甲烷环状异常, 中垛断层从异常中间穿过, 异常范围小、强度较高, 断层可能是异常的主要、直接成因。

2.4.6 化探综合指标熵值异常分布特征

化探单指标异常分析结果表明, 顶空气甲烷、酸解烃甲烷、热释汞等化探指标均可较为有效地反映延川南区块研究区煤层气试采区范围, 它们是该研究区煤层气勘探的有效指标。

以延川南研究区煤层气有效化探指标进行指标熵值综合运算[20], 圈定研究区熵值综合异常3个(图10):程河原— 延1井熵值异常(1号异常)、掷沙熵值异常(2号异常)和井西岭南熵值异常(3号异常), 异常模式以环状为主。其中程河原— 延1井熵值异常是环状异常, 成环性好, 强度大, 大部分延1井井组的钻井位于该异常区内, 为全区最好的熵值异常; 掷沙熵值异常为半环状异常, 该异常比1号异常小, 位于中垛断层和白鹤断层之间, 环形异常高值点位于白鹤断层附近, 该熵值异常受断层的影响显而易见; 井西岭南熵值异常较小, 位于中垛断层东侧, 异常形成亦可能受断层影响; 掷沙、井西岭南熵值环状异常区亦是煤层气有利富集区。

图10 延川南区块熵值异常

3 结论与认识

煤层气是自生自储于煤岩中, 主要以吸附附态存在的非常规天然气, 煤层气的散失主要有3种途径:煤层气通过盖层扩散散失, 水驱作用将煤层气带走, 水容解作用将煤层气溶解带走[21]。但煤层气中烃物质通过煤层割理、孔隙、裂隙、深部断裂及上覆地层的微裂隙系统向地表方向运移和散失, 从而在煤层气中烃物质散失区形成地表油气化探指标异常, 由此可利用油气化探技术寻找煤层气有利富集区。研究区油气化探技术应用得出以下认识:

1) 顶空气甲烷、酸解烃甲烷等烃类化探指标主要异常区围绕延1井井组区(煤层气富集区)分布, 并且它们均有较好的空间叠置, 异常成环状形式展布, 有效反映了延川南区块研究区煤层气试采区范围。同时, 3个烃类化探指标在中垛断层和白鹤断层间亦有少许分布, 部分指标有较好的空间叠置关系, 但面积小, 反映烃类化探指标异常的形成与深部烃源(煤层气)向地表方向运移和散失紧密相关。顶空气甲烷、酸解烃甲烷等烃类化探指标异常空间分布的主要受控因素包括深部烃源(煤层气)、烃源(煤层气)上覆盖层、深部断层(中垛断层和白鹤断层)等地质要素。

2) 热释汞指标主要异常区在延1井井组区(煤层气富集区)上方分布, 其顶端异常形式有效反映了延川南区块研究区煤层气试采区范围; 其次在中垛断层和白鹤断层间亦有少许分布, 反映热释汞指标异常空间分布主要受控因素包括深部煤层、深部断层(中垛断层和白鹤断层)等地质要素。

3) 以延川南研究区煤层气有效化探指标计算的综合化探指标熵值在研究区圈定了3个综合环状异常区:程河原— 延1井熵值异常(1号异常)、掷沙熵值异常(2号异常)和井西岭南熵值异常(3号异常)。程河原— 延1井环状熵值异常区有效地指示了延1井井组煤层气富集区; 位于中垛断层和白鹤断层之间的掷沙熵值异常、井西岭南熵值异常区可能部分受到了断层的影响, 它们亦是煤层气有利富集区。

The authors have declared that no competing interests exist.

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