煤系页岩气的基本特点与聚集规律_曹代勇.pdf

第42卷第4期 2014年8月 煤田地质与勘探Vol. 42 No.4 Aug. 2014 COAL GEOLOOY the low efficiency of oil generation which gives priority to long-term gas generation, difficult and hysteretic gaseous hydrocarbon expulsion, low efficiency of expulsion hydrocarbon and large volume of residual hydrocarbon because of the nature of organic matter; coal seam is not only good source rock, but also is cap-rock with good sealing ability for underlying layers. Therefore shale in coal measures holds favorable ability of gas accumulation and enrichment potential. Key words coal measures; shale gas; essential characteristics; accumulation law; preservation cond1t1on 美国页岩气的成功开发，使世界各国看到了开 发页岩气带来的巨大利益，中国页岩气勘探开发目 前正处在起步阶段。张金川等［I］对页岩气的定义为 主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游 离状态为主要存在方式的天然气；在页岩气藏中， 天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥 质粉砂岩甚至砂岩地层中，为天然气生成之后在源 岩层内就近聚集的结果，表现为典型的原地成藏模 式。国内不同学者对页岩气的分类不尽相同。张金 川等川根据页岩气富集的类型及特点将其分为直接 型与间接型，邹才能等［2］根据沉积类型将其分为海 相、陆相及海陆过渡相型页岩气。然而，煤系页岩 气与直接型或是海陆过渡相型页岩气都不完全等 收稿日期2013-05-29 同，可以说，这两种分类从不同方面描述了煤系页 岩气的特点，但不是全部。 煤系页岩气是指富有机质的煤系泥页岩经过 生、排腔作用后残留在泥页岩层段（包含砂岩碑层） 内的天然气［3］，属于煤系非常规气的一种。煤系是 泥质；怪源岩的一种特殊类型，与其他类型源岩相比， 煤系有以下特征a.煤系的沉积环境多为海陆沼泽 或湖泊沼泽相，以弱还原一弱氧化环境为主；b.有 机质主要为相对贫氢的III型干酷根；c.中国主要 煤层的平均有机碳为62～70，煤系中暗色泥质岩 平均有机碳为2～3，丰富的有机质在一定程度弥 补了生侄潜力相对较低的不足；d.有机质进入成熟 阶段以后，虽然所产的被态；怪量总体较少，但是气 基金项目国家自然科学基金项目（40872105）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20110023110003）；中央高 校基本科研业务费专项资金项目（2010YD1I 作者简介曹代勇（1955一），男，重庆人，教授，博士生导师，从事能源地质与构造地质研究． ChaoXing 26 煤田地质与勘探第42卷 态怪总量高［4］。前人有过很多关于煤系怪源岩的研 究，也指出含煤地层中存在较高生；怪能力的泥页岩， 越来越多的天然气田被证明游子含煤地层。目前， 国内外学者主要是针对海相页岩气开展研究，至今 尚未见对煤系页岩气的较系统论述。与海相页岩气 相比，煤系页岩气有许多不同之处，如沉积环境、 岩性组合、有机质类型及丰度、生腔、排怪特点及 保存条件等等。所以，目前急需对煤系页岩气进行 全面系统的研究，以便为今后煤系资源的综合开发 奠定良好的理论基础。 1 中国煤系泥页岩发育情况 1.1 含煤地层分布及发育情况 中国煤炭资源十分丰富，含煤地层遍布中国大部 分地区，总体上呈现“北多南少、西多东少”的特点。 中国进行过多次全国性煤炭资源潜力评价，尤其是刚 结束的新一轮全国煤炭潜力评价对中国含煤地层做 了科学详实的研究，将中国分为五大赋煤区，对各赋 煤区的构造格架及其演化特征、含煤地层沉积展布特 征、地层区划及煤岩学特征等展开综合研究［5）。 晚古生代以来，随着气候、环境的改变，植物 的大量发育为含煤地层沉积提供了客观物质基础， 中国五大赋煤区发育了多期的含煤地层，经历后期 改造，形成众多各具特点的赋煤单元（表l）。 1.2 煤系泥页岩特征 含煤地层是一套含有煤层或煤线的沉积岩系， 又称煤系、含煤沉积、含煤岩系、含煤建造等。含 煤地层中除了煤层以外，还广泛发育了暗色泥页岩 及砂岩等。中国煤系泥页岩发育，泥岩总厚大，且 有机质丰度高，为煤系页岩气的发育提供了基础条 件（表2）。中国地质历史中成煤期多，煤系分布广泛， 众多的含煤盆地普遍沉积了多套良好的煤系暗色泥 页岩（图l）。 煤系泥页岩多与砂岩互层作为煤层顶底板而广 泛出现，厚度较低，这是对煤系页岩气聚集的不利 之处。但这并不意味着煤系泥页岩不具备页岩气成 藏聚集条件。作者统计了鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟 组煤系泥页岩发育的情况，发现泥地比多数大于 50，单层最大厚度22.7m.而且煤系泥页岩往往 具有很高的有机质丰度，这在一定程度上弥补了厚 度较小的缺陷。另外，煤系泥页岩中多有薄层粉砂 岩夹层，这将大大提高煤系页岩气的储集性能，为 微异地运移的页岩气聚集提供储集空间。 表1中国各赋煤区含煤地层发育情况 Table 1 The coal bearing strata development of Chinas coal-rich regions 赋煤区划主要聚煤时代 东北赋煤区J, K，、E 华北赋煤区C-P、T、J 华南赋煤区c P、T、J 西北赋煤区C、J 滨藏赋煤区C-P、丁、K、N 主要赋煤盆地（地区）代表性含煤层位 阜新组、巴彦花群、伊敏组、大磨拐可组、 三江穆棱河、松辽辽西、海拉尔一二连、浑江一红阳 城子河组、穆棱组 鄂尔多斯、沁水、大同、太行山东麓、京唐、豫西、 徐惟、渤海湾 川南一黔北、滇东一黔西、）II东、湘中一赣中、黔桂 准噶尔、吐一晗、塔里木、柴达木、伊犁、河西走廊 羌塘、昌都、滇西 本溪组、太原组、山西组、瓦窑堡组、大同 组、窑坡组 测水组、龙潭组、须家河组、安源组、 香溪组 羊虎沟组、延安组、八道湾组、西山窑组、 大煤沟组、木星组 马查拉组、土门格拉组、多尼组、小龙潭组 表2中国主要含煤盆地煤系泥页岩发育情况 Table 2 Shale development of coal-bearing measures in main Chinese coal basins 地区 鄂尔多斯盆地 沁7）（盆地 渤海湾盆地 吐－晗盆地 准噶尔盆地 柴北缘 祁连Ll1木里 松辽ttJ也 松辽盆地 海JiT.尔盆地 海拉尔盆地 四川盆地 层位 太原组＋山西组 太原组＋山西组 太原组＋llil9组 八道湾组＋西山窑组 八道湾组＋西山窑组 大煤沟组 木里组＋江仓组 营城组 沙河子组 伊敏组 大磨拐河组 须家可组 有机碳／ 0.612.67 0.7812.97 2.373.12 0.2315.6 0.52.5 0.1822.53 0.524.05 。.03～4.55 0.072.43 0.264.93 1.614.2 厚度Im来源 80140 张丽霞等f6] 63.2147.62 本文 46370 本文 290900 徐论勋等f7] 700 傅恒（8] 500 方朝刚等［9] 120600 本文 100300 黄文彪等［10] 124.9200 黄文彪等［IOJ 40297 本文 60390 蒋红丽等川 300l 400 张金川等f12J ChaoXing 第4期曹代勇等煤系页岩气的基本特点与聚集规律 27 地质｜聚煤 时代｜强度 大地｜尔北赋煤区｜华北赋煤区｜华南赋煤区 信Iil I革｜警I控Ji刽盯在 喜 班 山期 印文期 海西期 由北赋煤I天 培fI准。自｜吐｜柴达 木I 1 , I晗｜水 国煤省国碳质v-i.-1l重阳重量ill页岩E灰岩圄泥瞅去 图l中国主要煤系短源岩层系分布图 Fig. I The distribution of source rock in coal measures in China 1.3 煤系泥页岩的沉积特点 煤系在岩性、粒度、颜色及结构构造特征等方 面都具有明显的沉积旋回特征，沉积旋回的认识最 早是通过含煤层序的研究开始的。沉积环境的改变， 使煤系出现不同的沉积组合特征。沉积控制、气候 控制、全球海平面升降控制、构造控制等均有可能 成为含煤岩系旋回形成的主要影响因素，或者是上 述几种因素综合发生作用［13］。与其他类型源岩相比， 煤系多形成于相对浅水的三角洲、河流等环境，这 些环境往往波动较大，使得含煤岩系的沉积旋回性 更为显著。尤其是煤系泥页岩中的薄层粉砂岩夹层 对改善其储集性能有很大帮助。不同的沉积组合会 对煤系页岩气的聚集产生多方面的影响。 2 煤系页岩气的地化特征 煤系泥页岩多形成于水动力条件相对较强的浅 水环境，这点与海相泥页岩及深湖相泥页岩有重要 不同之处，也是其干酷根类型不同的重要原因之一。 沉积环境与生短母质等方面的差异决定了煤系页岩 气与海相页岩气在诸多方面的差异，怪类气体的地 球化学特征清晰地展现了这一特点。 2.1 族组分特征 通过对我国华北、鄂尔多斯、四川、琼东南等 地区的煤系页岩气族组分进行统计，发现具有如下 特点［14] a.饱和；怪含量低。煤系暗色泥岩饱和怪为 16.89～39.0。 b.芳香娃含量相对较高。煤系暗色泥岩为 20.04～22.0，饱和；怪／芳香；怪为0.83～1.77，一 般生油岩的饱和；怪／芳香；隆大于4，与煤系差别明显。 c.沥青质含量高。煤系暗色泥岩为17.0～ 42.58。 煤系；怪源岩与一般的；怪源、岩的氯仿沥青“A”族 组分具有完全不同的特点。煤系怪游、岩特征是沥青 质含量高，一般怪源岩则饱和怪含量高。 2.2 气相色谱特征 气相色谱分析结果表明，一般来说煤系泥页岩 与其他类型；怪源岩的正烧；怪分布曲线主峰碳位置是 不尽相同的，主要原因是形成有机质的原始物质不 同。非煤系；怪源岩主要来自藻类、水生动物，其主 峰碳一般位于C1吃一ιi；煤系泥页岩有机质大部分 来源于陆生高等植物，还有一部分来源于藻类等低 等植物或水生动物．其一般有两个碳高峰，一个位 于高碳数，一个位于低碳数。一般来说，非煤泥页 岩主峰为C,s一C21，煤系泥页岩两个主峰分别 为 C,9-C2，和C2s（图2）。 ChaoXing 28 煤田地质与勘探第42卷 类 地仄层位后；性i＇”1前后/ 正炕经碳数 饱和知气象色il｝图 罚4 分布I刷线 ;\; ill国堡 jιi草生D百eN 4煤火层 0.35 地 层 鹤壁 山西组 碳质 0.46 32021 iJ曰 中梁山 龙潭红泥岩 i. l；蝶夹层 0.40 图2煤系泥岩饱和怪气相色谱特征（14] Fig.2 The saturated hydrocarbon gas chromatogram of shale in coal measures 1141 2.3 碳同位素特征 煤系页岩气普遍具有碳同位素组成偏重的特 点。煤系暗色泥页岩中，氯仿沥青“A”83c值范围 为23.1720←40.24。，平均为一27.380；而一般娃 源岩的氯仿沥青“A”及其族组分碳同位素组成则相 对偏轻。这与形成煤系和非煤系的；怪源岩有机质的 原始物质密切相关陆相环境谈水湖泊水生生物具 有较轻的碳同位素组成，而陆相沼泽或海陆过渡相 环境下形成的高等植物则13c相对富集。 3 生怪特征与排怪能力 煤系娃洒、岩（包括煤系泥岩、碳质泥岩和煤）能 生成油气，并形成具有商业价值的油气田已是共识。 近年来‘煤系；怪游、岩的研究已引起煤田及油气地质 界的广泛关注，并在煤系；怪脏、岩的生；怪机理、排炬 能力等方面取得了许多新进展［15］。 3.1 煤系泥页岩的生短特征 煤系泥页岩与海相泥页岩相比，生；怪母质差异 较大。即便煤系泥页岩与湖相泥页岩同属陆相沉积， 在一些大的湖盆甚至是过渡和相变关系，但由于其 沉积环境和有机质母源输入及有机物产状等方面存 在较大差异，其有机质丰度和母质类型亦表现出较 大的差异，如煤系有机质主要为III型干酷根，部分 地区为lh型，且TOC（总有机碳）值一般比海相和湖 相泥页岩高。但煤系泥页岩生液态；怪效率低，以生 气态娃为主［16］。 3.1.1 生娃机制 煤系有机质的基本结构单元主要是带侧链和杂 原子官能团如殷基（COOH）、起基（一OH）、甲氧基 -CH3）的缩合芳香核体系，其碳元素主要集中在芳 香族稠环中，由于稠环芳核有牢固的键能结合而具 有较高的热稳定性，侧链基团与稠环之间结合力相 对较弱。因此，在煤化过程中，煤系有机质成侄主 要是在温度作用下有机质的热降解作用来完成，表 现为其杂原子官能团和怪类侧链的不断减少，断裂 下来的官能团和侧链形成的；怪类及二氧化碳、水等 挥发性物质。由于煤系有机质芳核上的侧链较短， 因而主要生成分子较小的；怪类物质，如甲皖及其同 系物。同时，伴随芳核的进一步缩合，碳元素则进 一步富集［17］。 3.1.2 生起母质及特点 煤系泥页岩有机质类型以III型为主（也有112型 存在），与I、II型干酷根生是模式有明显不同，没 有明显的液态；怪裂解形成的生气高峰，其母质决定 生短特征为长期持续生成气态腔（干酷根直接生成 小分子团气态炬）。煤系页岩气比海相页岩气更早进 入富集页岩气窗（图3），随着有机质演化程度的提 高，不断有气体生成，因此，煤系页岩气富集窗范 围显然更大。 0.4 0.5 、。07 飞1.0 I. I 1.3 A吨，、J句’’ 11 d nununu --’ l 实＼ EEq 页窗页窗 效BA集古 低uj荷岩 在集页 扩； 2.0 2.0 低效页 沪气窗 Ill型干根 低效页 ；气商 Ill和II型干自各根 图3不同类型有机质页岩生腔特征对比 Fig.3 The comparison of hydrocarbon generation features of different organic shale 3.2 煤系泥页岩的排短能力 排；怪门限是指；怪源岩在埋藏演化过程中，生；怪 量满足了自身吸附、孔隙水梅、油溶（气）和毛细管 等多种形式的残留需要井开始以游离相大量排出的 临界点，该点亦是娃源岩在演化过程中从欠饱和短 到过饱和炬，从只能以水溶、扩散相排；怪到能以游 离相等多种形式排炬，从少量排是到大量排短的转 折点［18］。对于常规油气藏来说，排怪系数越高越好； 而对于自生自储的页岩气聚集来说，排怪系数越小， ；臣源岩内残留；怪量越大，越易聚集成藏。煤系页岩 排娃晚，排怪系数较小，对成藏有利。 煤系泥页岩以m型干酷根为主，主产气态炬，TOC 值普遍高于海相泥页岩。美国页岩气开发实践表明， TOC与页岩含气量呈现较好的正相关关系。TOC对页 岩含气量的影响主要通过两种形式，一是怪源岩有机 质生；怪后产生了大量微孔隙，为页岩气的聚集提供了 储存空间；二是通过吸附作用影响含气量的变化。TOC 含量越大，其容纳及吸附能力就越强，因此，煤系页 岩的高TOC值决定了其较高的聚集页岩气能力［19叫。 ChaoXing 第4期曹代勇等煤系页岩气的基本特点与聚集规律 29 4 煤系页岩气的保存条件 与常规油气藏不同，页岩气聚集有自生、自储、 自封盖的特点。由于；腔调、岩层即是储层又是盖层， 使页岩气较强的抗构造破坏能力，因而美国的页岩 气开发往往忽视页岩气的保存条件研究。然而，中 国的地质条件与美国有很大的不同，美国的诸多能 源盆地多呈“U”字形分布在加拿大地盾周围，基底稳 定，盖层变形微弱；而中国是由多个陆块拼接而成， 煤系变形强烈（21］。所以，中国页岩气勘探开发应更 加注意保存条件的研究。影响页岩气保存能力的因 素较多，而煤系泥页岩本身特点和盖层岩性显得更 为突出。 4.1 泥页岩自身对页岩气的保存 作为自生自储的连续型非常规天然气藏，煤系 泥页岩本身就是页岩气保存的第一道屏障。煤系泥 页岩对页岩气的保存既有有利的一面，也有不利的 一面。煤系泥页岩往往单层厚度相对较薄，这对于 页岩气的保存及成藏均不利。通过前面对煤系页岩 气生、排；怪等方面的论述，使我们较全面地了解了 煤系；医师、岩的特点，其中，较高的TOC值是最主要 的特征之一。煤系泥页岩较高的TOC值除了有利于 侄源岩生腔外，对保存能力也有重要的影响。较高 的TOC值使煤系泥页岩的吸附能力显著增强，另 外，煤系黠土矿物的大量存在也提高了其对页岩气 的吸附能力，这些都是煤系页岩气具有较强抗构造 破坏能力的原因［22］。 4.2 不同岩性组合对页岩气保存的影晌 岩性组合的多旋回性是煤系的一个重要特点， 其中煤、泥页岩、砂岩是煤系中最常见的3种主要 岩性，而不同的岩性组合对于页岩气的保存有很大 影响。这种岩性组合的旋回性使得煤系页岩气具有 “多源、多储、多盖”的特点。 通过对吐哈盆地台花凹陷探井的剖面压力分析 与计算，发现煤系地层出现两种不同的压力分布模 式当煤层与泥岩互层时，煤层压力呈“指峰”状展 布的超压现象；当煤层与砂岩互层时，煤层多元超 压现象［23］。一般认为，含气页岩上覆盖层对页岩气 的封盖能力主要受其孔一渗条件的影响，孔隙度和渗 透率越低，封盖能力越强，反之则越差。然而，盖 层若具有生腔能力，则应考虑盖层生腔作用的浓度 替代封闭作用（24］，煤层正是这种盖层的典型代表。 根据含煤地层岩性特征，建立了两种主要的煤系页 岩气盖层的封闭模式（图的。 模式I模式H 寻在f 盖层为非生；险砂岩 荒民为煤丢．生.ii 能）J较强 图4盖层封闭模式示意图 Fig.4 Sketch of cap-rock sealing pattern 模式I是砂岩作为含气页岩的盖层，当页岩气 运移至不生；怪的砂岩时，在、岩对页岩气封闭能力差． 促使页岩气的散失。模式II为煤层作为盖层，煤层 本身生；怪强度大，对下部页岩气起到浓度替代封闭 作用，超压煤层还具有压力封闭作用，封闭效果更 好，有利于页岩气聚集保存。 除了上述两个重要因素外，裂缝的规模与性质、 地层水性质及上覆地层厚度等因素均影响页岩气的 保存能力，页岩气的保存能力是上述各因素综合作 用的结果。 5结论 a.煤系岩性组合旋回性强，构成了煤系页岩气 “多源、多储、多盖”的特征，进而会进一步影响煤 系页岩气的生、排；怪与保存能力。 b.煤系泥页岩的饱和；怪含量低，而芳香；怪含量相 对较高，沥青质含量也高；煤系泥页岩气相色谱呈现 两个主峰，分别为C1「C21和C2s；煤系页岩气碳同 位素组成偏重，其氯仿沥青“A“i513C平均为－27.38。。 c.煤系泥页岩有机质类型以m型干酷根为主 （兼有Iii型），生液态；怪效率低，以生气态；怪为主， 且具长期缓慢的生；怪特点，生；怪高峰不如海相I、H 型干酷根明显。 d.煤系页岩气排腔晚，排；怪系数较小。源于煤 系泥岩微观组成及其生怪的特点，使得其生是强度 显得较弱，造成其“早排液晚排气”的特点；较强的 吸附能力及相对较好的保存条件使得其排怪系数较 小，故而残留怪量较大，有利于页岩气聚集。 e.煤系泥页岩具有很强的吸附能力，且煤层的 生；怪作用对运移到其下部的页岩气具有浓度替代封 闭作用，超压煤层证具有压力封闭作用，有利于页 岩气保存。 参考文献 川张金JII，金之钧，袁明生页岩气成藏机理和分布［月天然气 ChaoXing 30 煤田地质与勘探第42卷 工业，2004,247 15- l 8. 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