澳大利亚东部煤层气成藏特征分析(图)

　　[中国石油新闻中心2014-12-11]
文|俞益新等
中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心
澳大利亚东部昆士兰州发育晚古生代—中生代含煤盆地，主要有石炭纪—三叠纪的加利利（Galilee）盆地与波恩（Bowen）盆地、侏罗纪的苏拉特（Surat）盆地。这些盆地不仅煤炭资源丰富，煤层气储量也非常巨大，随着煤层气勘探开发不断取得进展，煤层气储量也逐年递增，据昆士兰州政府公开信息显示，2012年波恩与苏拉特盆地的煤层气探明加控制储量达到9000亿m3，年产量约为60亿m3，占当年澳大利亚煤层气总产量的90%，并且以大于10%的年递增率增长。

加利利盆地的煤层气资源量也很丰富，在该盆地中部正进行煤层气开发的先导试验，试验区原地资源量约为1700亿~2300亿m3。中国未来从澳大利亚进口的LNG中，将有很大一部分来源于波恩等盆地的煤层气，这些盆地的煤层气地质特点也越来越受到国内相关地质工作者的重视。
然而，有关澳大利亚东部含煤盆地煤层气地质方面的中文文献较少，已有的研究成果多为常规油气田的图集或与之相关的文字介绍，鉴于此，本文以大量公开发表的文献和澳大利亚昆士兰州地质调查局公布的数据资料为基础，分析对比波恩盆地、苏拉特盆地、加利利盆地煤层气成藏的差异性，获得在不同地质条件下煤层气成藏的特点和控制因素，旨在发展煤层气勘探开发理论，为国内有相似地质条件的煤层气区的勘探开发提供参考建议。
1区域地质概况
波恩盆地、苏拉特盆地、加利利盆地位于澳大利亚昆士兰州中东部，其中波恩与加利利盆地同属于冈瓦纳古陆，沉积了下二叠统—中三叠统地层，盆地演化与澳洲东部边缘的新英格兰造山带的活动密切相关。波恩盆地是在早古生代变质岩与沉积岩基底上发展起来的弧后前陆盆地，呈南北走向，盆地长约1100km，宽约200km，面积约16万km2，最大沉积厚度达到1万m。盆地主要经历了3个演化阶段：
1）早二叠世的弧后裂谷阶段，盆地发育了多个由边界断层控制的独立凹陷，这时期煤系地层以Reids?Dome和Collinsville组为代表，前者主要发育在盆地西南部的Denison凹陷，后者发育在盆地西北部的Collinsville陆棚；
2）中二叠世的热沉降阶段，是波恩盆地最大的海侵期，盆地主要发育海相沉积地层，煤层不发育；
3）弧后前陆冲断期，晚二叠世—中三叠世在逆冲负载与热沉降双重沉降机制作用下，盆地沉积了巨厚的海陆过渡相-陆相地层。这一阶段是盆地煤系地层发育的鼎盛时期，主要发育与潮控三角洲相、河控三角洲相等相关的煤系组，从下往上发育的煤组有German?Creek煤组/moranbah煤组、Burngrove地层/Fort?Cooper煤组、Rangal煤组/Bandanna地层/Baralaba煤组（下表），其中Rangal煤组分布范围最广，几乎可以覆盖整个盆地。
加利利盆地东南部与波恩盆地毗邻，该盆地是与波恩弧后前陆盆地相邻的靠陆一侧的陆内前陆盆地，其形状似马蹄形，面积约24万km2。其盆地演化与波恩盆地相似，主要经历3个阶段，在早二叠世裂谷时期，盆内广泛发育了第1套含煤地层Aramac组；中二叠世，由于短暂的抬升作用，盆内缺失中二叠统；晚二叠世，发育了盆内第2套煤系地层Betts?Creek组。
苏拉特盆地是侏罗纪—白垩纪的内克拉通盆地，其北部叠加于南波恩盆地之上，叠合区长约250km，南部一直延伸到南威尔士州，最大沉积厚度约2500m，面积约30万km2，煤层主要分布在上侏罗统Walloon群顶部的Juandah组与底部的Taroom组中。
2煤岩煤质特征
2.1宏观煤岩特征
加利利盆地与波恩盆地Denison凹陷的上二叠统煤系地层是以2个区域不整合面为二级层序界面的沉积充填序列，并可以识别出6个三级层序（下图），其中加利利盆地总体以退积型沉积层序为主。
在低位期，近物源区的Betts?Creek组地层以冲积平原-扇三角洲平原为特征，煤岩发育在扇三角洲平原间湾沼泽中，这类煤层顶底板岩性较粗，主要为细—中砾砂岩为主，煤岩主要以半暗煤为主；在靠近湖泊的河流体系上的深水沼泽环境中发育另一类煤岩，煤层下部砂体发育较差，颗粒较细，顶板泥质页岩和炭质泥岩等细粒沉积比较发育，煤岩以半亮煤为主。

晚二叠世时期，波恩盆地受构造载荷作用急剧沉降，属于饥饿型盆地，煤系地层为宽缓的三角洲平原相沉积，河道不甚发育，并被广阔的沼泽和湖泊所分隔，其中Bandanna（或与之等时的煤组）煤岩发育在水位较高的沼泽体系中，以亮煤-半亮煤为主（一般在煤层系中占50%~70%），与富含惰质体暗煤层交替出现，且割理较发育，大多被碳酸盐岩或黏土矿物所充填。因此与加利利盆地Betts?Creek煤组相比，波恩盆地上二叠统煤岩发育的水体更深，且煤岩顶底板岩性粒度更细。
苏拉特盆地侏罗系—白垩系可以识别出6个沉积旋回，每个旋回下部以高能环境的辫状河道沉积为特点，向上演变为低能环境的河漫滩、湖泊与泥沼沉积。中侏罗世时期沉积的瓦隆群煤岩以高位域的河湖相沉积为特点，可以把瓦隆群煤岩分为两种煤岩类型：
1）发育于丛林沼泽相沉积环境中，纵向上连续沉积，最大单层厚度可达8m（中间夹薄层炭质页岩或凝灰岩），横向上分布范围广（15~30km），此类煤岩为长期在深湖半深湖沉积环境下形成的腐泥煤-浊煤，黑色，光泽较暗，密度小，手感轻；
2）发育于生长草本植物的活水泥炭沼泽环境中，由于沼泽与湖泊频繁交替，此类煤岩单层厚度小，一般为分米级，并且与湖相泥岩或砂岩频繁互层，以暗淡煤为主，向上逐渐变为微亮煤。
2.2煤岩显微组分特征
波恩盆地上二叠统煤岩因沉积水体深，煤层顶底板以细粒的泥质岩为主，富水条件好，镜质组含量高。盆地北部煤层气开发区Moranbah煤组显微组分以镜质组和惰质组为主，镜质组平均含量大于65%，惰质组平均值为8.8%，而几乎不含壳质组。
苏拉特盆地瓦隆群煤岩显微组分以镜质组为主，一般大于65%，同时也富含壳质组，可以达到20%以上，这是瓦隆群煤岩区别于其他盆地煤岩最主要特点，惰质组含量较低，一般小于2%。
加利利盆地上二叠统Betts?Creek组煤岩以内陆河流体系为主要沉积背景，显微组分以惰质组居多，平均含量超过50%；镜质组次之，平均含量为37.2%；并含少量的壳质组，平均为6.3%。
2.3煤岩演化特点
波恩盆地二叠系煤的变质作用类型主要为深成变质作用，局部区域（盆地北部）在此基础上叠加了接触岩浆热变质作用，在三叠纪时期，古地温梯度达到70℃/km，最大埋深近5000m（下图a）。
在不同的构造单元内，煤变质程度变化较大，从褐煤到无烟煤都有分布。盆地北部Blackwater-Moura煤层气开发区，大部分区域三叠系地层已被剥蚀，第三系地层直接覆盖在上二叠统RaNgal煤组之上，下覆的Moranbah煤组为主要煤层气勘探目标，现今埋深为200~1000m，镜质体反射率Ro为1.14%~2.78%（上图b）。

苏拉特盆地瓦隆群煤组在盆地中心最大埋深超过1000m，煤层气开发区主要位于盆地东部和北部，煤层埋深200~800m，由于侏罗纪—白垩纪沉积时期地温梯度比三叠纪小，平均为35℃/km，且埋藏较浅，瓦隆群煤组的煤阶普遍较低，处于亚烟煤—长焰煤变质阶段，Ro为0.4%~0.55%。
加利利盆地上二叠统Betts?Creek组煤岩经历了2次深埋作用和2次抬升作用，晚白垩世中晚期，煤层最大埋深达到2400m（上图a），煤岩进入烟煤演化阶段并开始大量生气，晚白垩世末发生的区域抬升作用一直持续至今，深成变质作用减弱乃至终止。盆地东北边缘，煤层现今埋深较浅，成熟度较低，一般为长焰煤，往盆地西南靠近古地台区域，煤层埋深为820~1240m，Ro为0.58%~0.76%。
3煤储层特征
3.1煤层厚度
煤层单层厚度不仅影响煤层的生气量，也决定了煤层气的开发方式。波恩盆地煤层单层厚度较厚，盆地北部开发区，单层厚度1~9m，大多为3~4m（下图），累计厚度一般在15m左右，采取水平井加直井组合的开发方式；
而苏拉特盆地东北部开发区煤层埋深200~900m，单层厚度较薄，一般0.2~2.0m，累计厚度15~30m，一般采取直井扩眼后多层合并开采方式；
加利利盆地北部先导试验区煤层埋深800~1200m，单层厚度0.5~7.0m，其中大多为0.5~1.5m的薄煤层，频率为50%~80%，最大累计厚度可达30m以上，采取直井扩眼、分层压裂、合并排采的开发方式。

3.2渗透率
渗透率是煤储层最重要的参数之一，直接影响煤层气的产量，而煤层的渗透率取决于煤中裂隙系统的发育程度。波恩盆地北部开发区属于低—中等渗透率（0.1×10-3~10×10-3μm2），一般渗透率随深度增加而减小，但局部埋深较大区域的煤层渗透率反而增加，造成这种渗透率异常的原因可能是因为三叠纪时期的岩浆侵入作用，使得煤系地层产生张性裂缝，煤岩裂隙发育程度增加，煤岩渗透率增大。
苏拉特盆地瓦隆群煤层气藏属于典型的低煤阶煤层气藏，与美国汾河盆地煤层气藏非常相似，埋藏浅，渗透率高，其中东北部开发区，渗透率变化较大，为1×10-3~1500×10-3μm2，并随深度变化明显，平均渗透率可达100×10-3~200×10-3μm2，且在背斜或断背斜等构造高部位渗透率异常高，可以大于1000×10-3μm2，这与构造高部位张性应力集中，煤岩裂隙异常发育有关。
加利利盆地煤岩属于中低煤阶，渗透率中等，经多口井的DST测试和注入压降测试获得的渗透率数据统计，Betts?Creek组煤岩渗透率为1×10-3~150×10-3μm2，平均30×10-3μm2。
3.3吸附能力与含气量
波恩盆地北部开发区上二叠统煤岩有很强的吸附能力，这与煤的变质程度的变化趋势是一致的，朗格缪尔体积为22.32~38.78m3/t（下表），平均为30.2m3/t；朗格缪尔压力2.8~3.9MPa，平均为2.5MPa；地层压力1.9~5.8MPa，为正常压力；含气量为6.7~23.2m3/t，平均含气量在14.3m3/t，含气饱和度较高，为78%~85%。

苏拉特盆地东北部开发区瓦隆群煤岩吸附能力也较强，该区各煤层组之间的吸附能力差异不大，朗格缪尔体积为3.88~25.10m3/t，平均为15m3/t；朗格缪尔压力0.91~12.81MPa，平均为5.47MP；地层压力为1.9~8.1MP，为正常压力系统；含气量为3.8~14.4m3/t，平均为8.5m3/t，含气饱和度72%~87%。
加利利盆地Betts?Creek组煤岩相对于波恩与苏拉特盆地开发区煤层的吸附能力稍差，朗格缪尔体积10.30~14.78m3/t，朗格缪尔压力3.6~17.8MPa；地层压力7.7~12.1MPa，也为正常地层压力；含气量3.6~10.4m3/t，平均为6.5m3/t，由于该地区煤层埋深较大，地层压力相对高，因此该区煤层含气饱和度相对偏低，为55%~65%。
4保存条件与产出特征
4.1大自流盆地的影响
煤系中流动的地下水对煤层气的保存有很大影响，在平面上和剖面上，水动力条件强的地区，煤层气的含量小；相反，在水动力不活跃地区或滞留水区域，煤层气的含量则比较高。大自流盆地是澳大利亚最大的承压水盆地，昆士兰州东部含煤盆地煤系地层大都被大自流盆地（Great?Artesian?Basin）的含水层所覆盖，含水层包括了侏罗系—白垩系渗透性砂岩，与泥岩等致密性隔水层互层发育。大气降水通过昆士兰州东部露头补给区向西南方向渗流，地下水等势面海拔高于海平面（下图）。

苏拉特盆地瓦隆群煤组上覆的大自流盆地的含水层主要为Springbok砂岩、Condamine砂岩，这2套含水砂层对瓦隆群顶部与含水层直接接触的Juandah煤组煤层气藏的保存与富集有重要影响。
在盆地东北部靠近露头地下水补给区，由于地层倾角较小、煤层埋藏浅、静水压力小等因素，形不成有效的水动力封堵，该区域内水动力较强，Juandah组煤层中的甲烷可能被径流水溶解而带走，导致含气量低。大自流盆地对波恩盆地煤层中部与南部也有影响，这2个区域的煤层气产区产水量都很高，而盆地北部的开发区煤层气产水量小。
加利利盆地三叠系的Rewan组致密岩层是二叠系Betts?Creek煤层的隔水层，而靠近盆地西南部Maneroo地台区，三叠系被剥蚀殆尽或减薄，大自流盆地侏罗系的Hutton水层直接覆盖在二叠系煤系地层之上，煤层含气量较低；另外有些地区靠近沟通大自流盆地的大断层，二叠系煤系地层水不断得到大自流盆地的补充，煤层气含量也较低。
大自流盆地较强的水动力对下伏煤系地层煤层气一方面起到破坏作用，另一方面也为二次生物气的形成创造了良好的条件。
4.2天然气特征与成因
本次研究主要根据3个盆地钻井取心解吸气样及生产井气样的组分与同位素数据进行煤层气特征与成因分析。由于波恩盆地煤阶变化范围大，受大自流盆地影响也不同，不同煤层气开发区其煤层气组分特征也不同，其中北部煤层气开发区由于煤岩演化程度高，煤层气一般都是干气；
中部和南部开发区干气、湿气都有分布。整个盆地甲烷含量为89%~98%，乙烷含量0~1%，CO2量一般在1.2%~2.3%，N2含量较低，平均3%，甲烷碳同位素组成为-62.2‰~-44.3‰，甲烷氢同位素组成为-215.8‰~-205.4‰，二氧化碳碳同位素组成为-13.09‰~6.20‰（下表）。

苏拉特盆地瓦隆群煤层煤阶在褐煤和亚烟煤之间，所产煤层气组分主要有CH4和微量的CO2、C2H6及N2，分布范围分别为87%~95%、2.4%~3.5%、0.3%~1.6%、0.3%~3.2%。甲烷碳同位素分布范围较窄，为-57‰~-54‰，相应甲烷氢同位素范围也较窄，为-215.5‰~-203.3‰，乙烷的碳同位素组成为-43.9‰~-24.5‰。
加利利盆地二叠系煤层气的组分特点是N2含量较高，一般大于5%，范围在2.5%~7.8%，N2含量偏高的原因可能与解吸实验误差或保存条件等因素相关。甲烷含量一般为74%~91%，乙烷含量1.5%~7.8%，CO2含量为1.4%~5.9%，埋深较大的气样以湿气为主，浅部样品烃类气体中甲烷含量大于95%，为干气。甲烷δ13C分布在-57.9‰~-43.5‰，δD为-240%~-208%。
热成因气的甲烷碳同位素较重，一般大于-50‰，而次生生物作用使甲烷同位素变轻，一般认为小于-60‰，次生生物气与热成因气混合后，碳同位素值处于两者之间。因此可以根据煤层气甲烷碳同位素与甲烷的氢同位素分布特点判断煤层气成因类型，从表4煤层气甲烷碳同位素分布范围可以看出澳大利亚东部含煤盆地煤层气都有次生生物气作用。
次生生物成因煤层气是由产甲烷菌等厌氧菌代谢煤化过程中产生的湿气、正烷烃及其他有机物质产生的以甲烷为主要成分的气体，与原生生物气的主要差别在于煤岩的热演化超过原生生物气的形成阶段（Ro＞0.30%），且煤层一般被抬升到浅部。另外波恩盆地与加利利盆地煤层气CO2碳同位素值与有机成因的常规天然气CO2碳同位素值相比，部分碳同位素较重，反映可能有无机大气成因的CO2混入，与三叠纪末的岩浆侵入活动有关。
由下图可以看出：波恩盆地煤层气类型比较丰富，包括了生物气、热成因气及两者的混合成因气；苏拉特盆地主要以混合成因气为主；而加利利盆地煤层埋深大于900m的地区以热成因气为主，往浅部区域出现混合成因气。据Faiz等的研究，澳大利亚东部煤系地层的次生生物气主要是CO2还原产生的。

4.3煤层气产出水特点
本次研究波恩盆地的煤层气产出水样品取自Durham?Ranch、Fairview、Morhua煤层气产区；苏拉特盆地水样取自Roma、Dalby煤层气产区；加利利盆地的煤层水样由盆地不同地区二叠系煤层气探井的地层测试（DST）获得，这三大盆地煤层水样分析数据如下表所示。

地层水中较高的硫酸盐含量会阻碍煤层甲烷的生成，随着煤岩演化，煤层水中硫酸盐因被还原而浓度减小，并促进甲烷菌的活性，有利于煤层生气，HCO-3离子浓度会随之增高。与硫酸盐被还原相对应，碳酸盐（CaCO3，MgCO3）发生沉淀，钙离子、镁离子浓度降低。
从上表、下图可以看出波恩盆地与苏拉特盆地煤层气产区具有相似的地层水特征，即硫酸盐浓度异常低，这与美国煤层气产出水相似。据Voast的研究，美国六大主要煤层气盆地高产气区的煤层气产出水基本不含硫酸盐，并且具有钙离子、镁离子浓度低，钠离子、碳酸氢根离子、氯离子浓度高的特点，波恩、苏拉特煤层产气出水也具有上述特征。

而加利利盆地的煤层水硫酸根离子浓度相对较高，并且平均矿化度也比波恩-苏拉特盆地煤层水低，可能反映出加利利盆地受大自流盆地水影响较大，白垩系高含硫酸根离子的海相地层水通过断层等通道进入二叠系煤系地层导致硫酸根离子浓度偏高、矿化度偏低，这也反映了该盆地二叠系煤层水动力较强，这些因素，可能是该盆地煤层气含气量偏低的主要原因之一。
水中HCO-3、SO2-4、Cl-矿物质溶解度依次增大，随着地层埋深加大，这些离子也依次发生沉淀，因此一般情况下从浅往深，地层水类型也逐渐从HCO-3型向SO2-4型及Cl-型转变，水动力逐渐减弱。反过来也可以通过地层水类型判断水动力的强弱。从下图可以看出，波恩、苏拉特盆地煤层水类型为Cl-Na型，水动力弱，加利利盆地煤层水类型为HCO3-Cl-Na型，水动力强，与之前分析相吻合。

5结论
1）澳大利亚东部波恩、苏拉特、加利利三大含煤盆地煤层气资源量巨大，都具有较高的含气量与饱和度，为典型的适合煤层气开发的含煤盆地。涵盖了低-中-高煤阶煤层气的特点，煤岩吸附能力、渗透率、含气量等都有差异；除波恩盆地北部地区外，都受到了大自流盆地的影响，一方面较强的水动力影响到煤层气保存，另一方面给煤层次生生物气的产生创造了条件，次生生物气是苏拉特及波恩盆地高含气饱和度的重要原因。
2）波恩盆地二叠系煤系地层发育在弧后前陆盆地构造背景下，整体为水体较深的大型三角洲相、河湖相沉积，沼泽水体深，煤岩类型多为亮煤，镜质组含量高；煤岩演化程度高，导致现今煤层有较高的含气量与较高的含气饱和度；盆地北部不受大自流盆地的影响，煤层水动力弱，产水量低。
3）苏拉特盆地瓦隆群煤岩以高位域的河湖相丛林沼泽、泥炭沼泽为沉积背景，壳质组含量高是其最大特点，煤岩演化程度低、渗透率高，煤岩储集条件优越，盆地边部的二次生物气向下倾方向运移导致瓦隆群煤岩在较低的演化条件下也具有中等的含气量水平，同时也使含气饱和度增高。
4）加利利盆地是与波恩弧后前陆盆地相邻的陆缘前陆盆地，上二叠统煤岩沉积环境为低位期、近物源的扇三角洲相沉积，累计厚度较厚，煤岩灰分产率高、镜质组含量较低，煤岩吸附能力与含气量中等，煤层气保存条件受大自流盆地的影响程度大。（原载《资源与产业》，其他作者为邢云?唐玄?仲米虹