王一兵1，2 孙平2 鲜保安2
（1.中国地质大学（北京）；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院）
作者简介：王一兵，1966年生，高级工程师，长期从事煤层气勘探研究工作，中国地质大学（北京）能源学院博士研究生，地址：（065007）河北廊坊44信箱。
摘要 宁武盆地是山西省西北部一个小型构造残余盆地，石炭-二叠系煤层发育，煤阶主要为中煤阶气、肥、焦煤，是煤层气勘探最有利的煤阶，盆地两端和翼部煤层埋深适中，具备煤层气成藏条件，但受复杂构造和水动力条件影响，煤层含气性、产气能力变化规律复杂。本文在分析总结勘探历程、勘探成果和启示的基础上，重新认识盆地内煤层气控气条件，优选出盆地南北两端和东西两翼深部为煤层气有利成藏范围，确定了下一步煤层气勘探有利区。
关键词 宁武盆地 煤层气 富集条件 有利目标
Inspiration from the Analysis on CBM Exploration Effect of Ningwu Basin
Wang Yibing1，2，Sun Ping1，Xian Bao'an2
（1.China University of Geosciences，Beijing 100083；2.Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Langfang 065007）
Abstract：Ningwu basin is a small-sized structural remnant basin in northwest part of Shanxi province.Permian-Carboniferous coal seams the rank of which is middle volatile bituminous coal developed which is in favor of CBM exploration.The depth of coal seams is moderate and accumulation condition of CBM is mature at the ends and flanks of the basin，but the variation of gas content and production potential of CBM is complicated there because of effects of faults and hydrogeology.In this paper，based on the summary of exploration history，exploration results and experience，the control factors of CBMin this basin were discussed and the favourable CBM enrichment areas at the north and south ends as well as the west and east flanks of the basin were recognized and the future prospectioni areas were also selected.
Keywords：Ningwu basin；CBM；enrichment condition；target area
1 区域地质背景
宁武盆地构造位置介于吕梁山隆起与五台山隆起带之间，西侧为芦芽山复背斜，东侧为五台山隆起带，是晚古生代成煤期后受多期构造运动挤压抬升形成的NNE 向狭长带状展布的山间构造盆地，属山西省西北部大同-宁武含煤区南段，南北长约130km，东西宽约20～30km，面积约3120km2（图1）。
图1 宁武盆地太原组主煤层埋深图
盆地内发育石炭系—二叠系、侏罗系两套含煤地层。石炭系—二叠系含煤地层主要为上石炭统太原组（C3t）、下二叠统山西组（P1s），含煤6～10层，集中分布在80～100m的层段，其中山西组底部4＃煤和太原组下部9＃煤单层厚度大，全盆地稳定分布，是煤层气勘探的主要目的层。侏罗系含煤性差，分布范围小，为次要勘探目的层。
在晚古生代本区太原期为海退背景下滨、浅海三角洲平原亚相的低位沼泽，物源主要来自大同以北古陆。早期植物生长繁盛，泥炭堆积厚度大，在太原组下部沉积了9＃煤，厚4.36～24.62m，平均厚11m以上。中、后期海水南退，水体越来越浅，成煤环境变差，在太原组中上部仅发育一些分布不连续的薄煤层和滨-浅海相泥岩-泥灰岩；本区山西期海水退出，初期沉积环境较稳定，处于河流亚相的沼泽沉积微相区，形成了山西组下段较厚的4＃煤，厚0.37～13.15m，一般2～4m。中、后期沼泽相带收缩，成煤条件变差，沉积了1～3层横向分布不稳定的薄煤层，单层厚0～1.95m。
本区成煤期后主要经历了燕山期和喜马拉雅期构造运动。燕山期（侏罗纪初—白垩纪末）强烈的扭压作用形成了NNE向断裂和褶皱体系，形成了宁武盆地山间盆地的雏形，基本控制了盆地整个构造格局。喜马拉雅期陆内板块运动引起的NW-SE向拉张应力作用，对早期构造形迹具有改造作用，形成一系列NE 向张性断裂为主的构造形迹。现今构造形态为北北东向展布的复向斜构造，两翼陡，地层倾角25°～40°，南北两端构造较平缓，地层倾角6°～12°。
煤层埋深主要受构造和地形起伏控制，变化规律较简单，总体上边缘浅、腹部深，局部受断层影响略有变化。南北两端和翼部煤层埋深一般小于1500m，腹部最深约2700m。
2 煤层气勘探历程
宁武盆地地质勘探工作始于20世纪50年代，早期主要进行了1：10万～1：20万区域地质普查，70～80年代在盆地周边浅部开展了煤田普查，调查深度不超过600m，局部开展了煤田详查工作，初步掌握了盆地周边煤层发育规律和煤岩性质变化规律。煤层气勘探，可划分为两个勘探阶段。
2.1 第一阶段：区域勘探阶段
根据煤田勘探资料对盆地构造条件、煤岩煤质、演化规律、顶底板封盖条件、水动力条件进行综合分析，认为宁武盆地4＃煤、9＃煤分别是山西组和太原组主要勘探目的层；平面上宁武县以北以低变质煤为主，宁武县以南以中变质煤为主，主要是气肥、肥、焦煤，内生裂隙总体上较为发育；纵向上，由4＃煤至10＃煤，随着埋藏加深，煤变质程度增高，煤阶增大；利用矿井瓦斯涌出量折算出煤层甲烷气含量为8.84～25.89m3/t。在盆地南北两端，煤层埋深＜1000m、＜1500m的地域较开阔，面积大于500km2，构造简单区具备煤层气成藏条件，是煤层气勘探开发的有利区。
在盆地南部缓坡部位钻探了盆地内第一口煤层气探井——武试1井。主力煤层深826.2～912.2m，主煤层4＃煤厚3m，9＃煤厚14m（图2）。煤岩宏观类型为光亮—半亮煤为主，半暗淡煤次之，低灰、中挥发分，显微组分以镜质组为主，平均含量达到60%以上，但纵向上变化大，特别是9＃煤，明显为几个连续的成煤作用期叠加而成，反映成煤期沉积环境变化大，成煤沼泽时好时坏，镜质组含量随之产生变化；煤层为中煤阶肥煤，Ro：1.0%；主力9＃煤煤层含气量9.76～13.97m3/t，平均12.11m3/t，吸附饱和度86.29%（图3）；试井渗透率0.86×10-3μm2，压裂后排采平均日产水150m3，日产气1120～2476m3，最高日产气3112m3，地层水矿化度2923mg/L。
图2 武试1井综合测井图
图3 武试1井9＃煤等温吸附曲线
武试1井钻探，可得出以下结论和认识：
（1）盆地深部煤层分布稳定，煤岩性质与有机组分含量变化不大。
（2）煤层演化以压实变质作用为主，演化程度中等，煤阶为气肥煤，随埋深增加演化程度变高，Ro在盆地边缘为0.8%，900m埋深增加到1.0%。煤层已进入生气高峰，气源较充分。
（3）煤层气吸附饱和度高，解吸压差小，有利于排采阶段煤层气降压解吸。煤层具有较高的原始压力，达8.7MPa，解吸压力4.7MPa，解吸压差只有4MPa（图3）。
（4）煤层物性较差，但处于煤层割理裂缝保存的最佳煤阶。煤岩具有较好的力学稳定性，压裂改造能取得较好的效果。
（5）盆地南部斜坡具有良好煤层气成藏条件，存在高矿化度水滞流区，有较大的煤层气勘探前景；推测煤田地质条件相似的盆地北部斜坡带也可能存在高含气区，有望找到“小而肥”的煤层气田，是开展中煤阶煤层气勘探的有利地区。
2.2 第二阶段：预探阶段
在南部斜坡由浅到深甩开武试2、武试3、武试4井，北部斜坡钻探了武试7井。
南部3口井均匀分布在斜坡部位，间距4～8km，主煤层埋深450～1410m。钻探证实主力煤层分布稳定，4＃煤厚2.2～4.0m，9＃煤厚10.6～11.8m。煤岩类型、灰分、有机组分变化小，演化程度和含气性随构造部位、埋深不同变化大。深部1400m 埋深时Ro达到1.40%，煤阶为焦煤。浅部含气量只有3.4～5.0m3/t，向深部逐渐增加到14～16m3/t，饱和度由50%增加到80%～90%。
武试3、武试4井9＃煤测试和压后试气表明，各井产水量、产气量、地层水性质都有很大差异（表1）。武试3井地层压力梯度0.81MPa/100m，煤层渗透率0.08×10-3μm2，压裂后抽排日产水量高达416m3，地层水矿化度低，只有985.7mg/L，液面未能降至煤层解吸压力以下，日产气量仅56m3。武试4井地层压力梯度1.0MPa/100m，渗透率1.06×10-3μm2，压裂后抽排日产水15.5m，日产气最高939m3，地层水矿化度为3072.7mg/L；位于北部斜坡西翼的武试7井，主煤层井段905～985m，其中4＃煤由3层组成，厚9.1m，9＃煤1层厚16.1m。煤阶为肥煤，Ro：1.02%，含气量4.2m3/t，吸附饱和度58.63%。由于含气量、吸附饱和度低，该井未试气。
通过对盆地南北两端斜坡部位的勘探，对盆地内煤层气勘探可得出以下认识和结论：
（1）含气量大小与煤层变质程度密切相关，随着埋深的增加和变质程度的提高，含气量增大（表1）。
表1 宁武盆地9#煤钻探成果统计表
（2）随着埋深的增加和煤阶的提高，煤物性变差，武试1井煤层埋深1400m，压裂后产气、产水量都很低。
（3）煤层气的富集与断裂的发育密切相关，断层附近煤层含气性明显变差，断层对煤层气成藏和产出的影响主要表现在两个方面：一方面，断层开启导致煤层气藏封闭性差，煤层压力降低，煤层气通过断层直接溢散；另一方面，断层沟通上下含水层，水力交替导致煤层气散失。武试2井、武试7井含气性差的主要原因是斜坡边缘被北东向分布的系列断层切割严重（图4），这些断层的形成与分布和喜马拉雅期拉张应力作用有关，一般不具有封闭性，不利于煤层气保存。
（4）武试3井地层水矿化度较低，武试1井、武试4井矿化度较高，证实斜坡不同部位地下水动力条件复杂，既发育有利于煤层气的保存的滞留地下水环境，也存在矿化度低、不利于煤层气保存的地下水交换带。
（5）武试1-武试4井区构造稳定，断层不发育，煤层水的矿化度分别达到2923～3072mg/L，说明煤系地层水处于封闭环境的滞留或弱径流区，有利于煤层气保存，同时排采阶段煤层水的大量产出有效地降低了煤层压力，吸附气能够大量解吸，形成较高的产气能力。据此推测盆地南部斜坡的中东部和北部斜坡较深部位、两翼的较深部位构造相对稳定，断层不发育，处于地下水阻滞或弱径流区，煤层气保存条件较好，可作为下一步煤层气勘探有利目标。
3 启示和建议
3.1 勘探启示
（1）以区域煤层地质的研究为导向、煤层气成藏条件和富集规律研究为核心及煤层气勘探有利目标区为重点的研究工作思路是正确的，中煤阶煤层的煤层气勘探有很大潜力。
（2）宁武盆地内煤层气控制因素复杂，不同构造部位煤层保存条件、水动力条件复杂，渗透性变化很大，导致煤层含气性、产气能力有很大差别，在下步勘探中必须引起高度重视。
（3）在具体勘探技术上，由于宁武盆地煤层渗透性普遍较差，渗透率一般只有（0.08～1.08）×10-3μm2，直井压裂开采方式煤层产气能力偏低。
3.2 勘探设想和建议
勘探证实，断层不发育的构造稳定区煤层气保存条件好，煤层含气性和产气能力较高，但产量下降快，因此建议开展以下工作：
（1）加强盆地构造条件的深入研究，落实目标区构造背景，具体战术动作上，大力开展、强化物探工作，通过低成本非地震手段，如大地电磁测深等方法，落实煤层分布、构造形态和断层，特别是断层的分布与组合关系，研究其对保存条件的影响；
（2）加强水文地质研究，准确把握水文条件对煤层气富集的控制作用；
（3）针对盆地内煤层渗透率低，直井压裂开发效果差的现状，在充分总结武M1-1煤层气羽状水平井开发技术的基础上，在盆地两翼地层倾角较陡的部位，开展沿高陡煤层钻井，在提高单井产量的同时，扩大煤层气勘探领域。
参考文献
[1]李文阳等.2003.中国煤层气勘探与开发.徐州：中国矿业大学出版杜
[2]钱凯等.1996.煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术.北京：石油工业出版杜
[3]黄景诚等.1990.煤层气译文集.郑州：河南科学技术出版杜
[4]韩德馨等.1996.中国煤岩学.徐州：中国矿业大学出版杜
[5]中国煤田地质总局.1993.中国煤炭重点开发建设矿区图（内部资料）