澳大利亚加里里盆地煤层气控气因素及富集区预测

COAL GEOLOGY & EXPLORATION Apr. 2017 煤田地质与勘探

文章编号: 1001-1986(2017)02-0055-07

澳大利亚加里里盆地煤层气控气因素及富集区预测

谷 峰1，李乐忠1，俞益新1，苏 展1，葛 岩2，郝 岩3，刘晓健4

(1. 中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心，北京 100028；2. 中海石油工程技术公司 非常规研究院，天津 300450；3. 国家安全生产监督管理总局煤炭信息研究院，北京 100028；

4. 中海石油(中国)天津分公司勘探开发研究院，天津 300450) 摘要: 加里里盆地为澳大利亚东部主要的含煤盆地，也是其煤层气勘探开发的主要区块。通过煤质特征、气源条件、构造演化、盖层条件和水文条件等对煤层气富集的主控因素和富集区进行研究。结果表明，该区煤质及生气能力相当，白垩纪中期煤层开始持续生气；白垩纪晚期的区域构造抬升使气藏遭到破坏；扇三角洲主扇体间的局部泥岩相对发育，可形成良好盖层；靠近盆地中心存在地层水滞留区，地层水矿化度高，氯化钙型为主，对煤层气保存有利，含气量和氮气组分也显示含气性变好。因此，良好局部盖层的发育和滞水环境是该区煤层气富集的主控因素；Hulton-Road构造东北、Marathon单斜以东区域及中部Berly突起以北部分区域煤层的富气条件好，是煤层气的富集区。 关 键 词：煤层气；主控气因素；富集区；澳大利亚加里里盆地

中图分类号：P618.13 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2017.02.010

Controlling factors of coalbed methane and accumulation areas in

Galilee basin in Australia

GU Feng1, LI Lezhong1, YU Yixin1, SU Zhan1, GE Yan2, HAO Yan3, LIU Xiaojian4 (1. Technology Research and Development Center of Power and Gas Company of CNOOC, Beijing 100028, China; 2. Unconventional Energy Institute of Engineering and Technology Service Company of CNOOC, Tianjin 300450, China;

3. Coal Information Institute of the State Administration of Work Safety Supervision, Beijing 100028,China;

4. Tianjin Company of CNOOC, Tianjin 300450, China) Abstract: Galilee basin is the main coal basin in eastern Australia and also the important area of coalbed methane exploration and development. Through the coal quality, gas source, structure evolution, sealing conditions and hy-drology conditions, main gas control factors and accumulation areas were studied. The researches show that coal quality and the ability of generating gas are not variable, coal began generating gas continuously from Mid-Creta-ceous; the tectonic movement in Late Cretaceous destroyed the gas accumulation; mudstone is more developed in the area between the fluvial fans, forming good cap; water retention area was formed near the center of the basin, the salinity is higher and the formation water is mainly of calcium chloride type, which are benefit for the gas preservation; the nitrogen proportion of the desorbed gas and gas content also show that the gas-bearing property is better. Development of good local cap and water retention environment are the main gas controlling factors of coalbed methane accumulation. The gas accumulation conditions are better in the northeast of Hulton-Road struc-ture, the east of Marathon monoclinic and the north of Berly uplift in the central basin are the coalbed methane accumulation areas.

Keywords: coalbed methane; main gas controlling factors; accumulation areas; Galilee basin in Australia

煤层气是以吸附态赋存于煤孔隙内表面的非常规天然气，煤层气富集的必要前提是生成、储集、封盖、保存等条件及其动态发展过程的有利配置[1]，是多种因素控制下综合作用的结果。前人对煤层气

富集的主控因素进行过大量的研究，高波等[2]认为煤岩的生储气能力、煤储层渗透率、煤层气保存条件是影响煤层气高产富集的主控因素。闫宝珍等[3]研究指出构造、热力场、水动力条件3个因素是沁

收稿日期: 2016-04-28

第一作者简介: 谷峰(1987—)，男，硕士，工程师. 从事油气成藏及非常规油气评价工作. E-mail：gufeng@cnooc.com.cn

引用格式: 谷峰，李乐忠，俞益新，等. 澳大利亚加里里盆地煤层气控气因素及富集区预测[J]. 煤田地质与勘探，2017，45(2)：55–61. GU Feng，LI Lezhong，YU Yixin，et al. Controlling factors of coalbed methane and accumulation areas in Galilee basin in Australia[J]. Coal Geology & Exploration，2017，45(2)：55–61.

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煤田地质与勘探 第45卷

水盆地煤层气富集的主控因素，并对其富集类型进行了划分。

很多学者也对低阶煤煤层气的富集主控因素进行了研究和总结。雷怀玉等[4]研究后指出，生物气作为气源供给和保存条件是低阶煤煤层气富集的主控因素。刘洪林等[5]认为断裂活动、岩石特征及后期的构造运动是低阶煤煤层气富集的主控因素。

加里里盆地位于澳大利亚昆士兰州东部，是澳大利亚东部主要的含煤盆地，近年来吸引了许多公司进行煤层气的勘探开发。盆地整体呈北西南东向，成马蹄形，是晚石炭世到中三叠世的残留断陷盆地，叠合在由西部Maneroo地台和东部泥盆—石炭纪盆地组成的复合基底上(图1)。二叠系是加里里盆地主要的含煤地层，中–低阶煤，主要经历了三叠纪中期及白垩纪晚期的2次大规模构造运动。经过多年的勘探实践，对煤层的基本地质特征已具备了较为清晰的认识，但目前不同区域煤层含气量差异的主控因素及富集规律缺乏研究，使得勘探开发工作也进入相对缓慢的阶段。煤层演化程度相近，生气能力差异不大，横向上缺乏普遍发育的煤层或者大套泥岩盖层，很难套用国内学者已有的煤层气控气因素的认识来指导下一步勘探。加里里盆地上覆地层为著名的中生代大自流盆地(Great Ar-tesian Basin)的一部分，低阶煤煤层气的成藏乃至气藏的破坏，均与地层水有关，可以说地层水参与了煤层气形成的全过程[6]。笔者希望通过探讨煤质、气源、构造、沉积及水文地质条件对该地区煤层气富集的影响，寻找煤层气富集的主控因素，从而对今后的勘探有所启示。

图1 加里里盆地构造纲要图

Fig.1 The tectonic divisions of Galilee basin

1 煤层基本地质条件

二叠系BettsCreek组和Aramac组为主要含煤岩系，煤系整体处于扇三角洲沉积环境，呈现总厚度中等、层数多、单层薄、横向分布不连续的特征。单井累计厚度≤40 m，平面上厚度变化较小，纵向上很难找到一套主力煤层进行勘探开发。三叠纪地层抬升遭受剥蚀，Maneroo地台区煤层已剥蚀殆尽。自东向西，煤层埋深增加，西部近地台区，埋深达1.5 km，盆地东缘煤层因白垩纪晚期的构造抬升而出露地表。盆地煤层镜质体反射率Rmax为0.5%~ 0.7%，属于中–低阶煤，煤层含气量较国内煤层气田低，单井平均含气量为0.53~4.96 m3/t，单样品含气量最大6.64 m3/t。本次研究区位于盆地东部的下古生界Koburra海槽以西、西部Wetherby隆起以东以及Tara构造以北区域。

2 控气因素

2.1 煤质条件

二叠系目的煤层工业组分中，灰分质量分数为10%~40%，挥发分、固定碳含量之和普遍大于70%，属于中–低灰分煤，气体吸附性能较好。显微组分中，壳质组体积分数较低(一般<10%)，镜质组体积分数为30%~70%，部分煤层的生气能力受到一定制约。 2.2 气源条件

含煤岩系中煤和炭质泥岩夹层均可作为气源岩。据煤层和炭质泥岩的厚度、成熟度、地球化学、煤质等参数，采用Trinity软件模拟生气量，得出加里里盆地二叠纪煤系生气强度约为(1.7~3.0)×108 m3/km2。由于煤层热演化程度较低，且显微组分中镜质组含量并不占据绝对优势，煤层自身生气量不大，故需侧重研究保存条件来分析该区域煤层气的控气因素。

2.3 构造特征

从广义上讲，构造因素直接或间接地控制从含煤地层形成至煤层气生成聚集过程中的每个环节，是所有地质因素中最为重要而直接的控气因素[7]。盆地经历了多期的沉降抬升，煤层的埋藏–抬升决定了煤层气的生气、吸附、解吸、扩散和保存的成藏过程[8]。

二叠系地层经历晚二叠—中三叠世和白垩纪中期2次大规模的构造抬升，煤层最大古埋深约2.5 km。晚二叠世第一次沉降结束，煤层开始进入热生气阶段，但持续时间较短，生气量有限，且随后经历了

抬升，故对现今煤层气富集程度影响不大。而后地层继续沉降至白垩纪中期，有机质成熟度达到最高，进入连续生气阶段，此期间经历的构造运动对煤层

第2期

谷峰等: 澳大利亚加里里盆地煤层气控气因素及富集区预测 · 57 · 气富集影响大，煤层上覆顶板将对气体的保存起至关重要作用(图2)。

层处于冲积平原–扇三角洲沉积环境，以退积型层序为主，物源主要来自西部Maneroo地台[11-12]，分支河道的沼泽及废弃河道、扇体间湾为主要的聚煤场所。位于主扇体内的井，如No1井、Cu1井、Br2井，净煤厚度较薄，岩性以粗砂—中砂岩为主。No1井气含量为0.43~1.66 m3/t，平均1.05 m3/t，砂地比超过80%，南部的Br2井气含量为0.26~1.44 m3/t，平均0.50 m3/t，砂地比90%。这两口井的煤层几乎均与砂岩、砾岩直接接触，煤系内缺乏局部盖层，封盖能力最差。反之，位于主扇体间的Pr1井和Wo1井，局部泥岩盖层相对

图2 加里里盆地Wo1井煤层埋藏史图

Fig.2 The buried history of well Wo1, Galilee basin

发育，对煤层气的保存起到了良好的封盖作用(图3)，煤层含气量明显高于扇体内的井。Wo1井平均含气量最高(2.20~4.74 m3/t)，平均3.10 m3/t；煤系砂地比52%，煤层顶板单层泥岩盖层厚度普遍大于4 m，与含气量较高的煤层伴生的局部泥岩累计厚度达到13 m。Pr1井煤层含气量0.99~2.42 m3/t，平均1.49 m3/t，砂地比45%，煤层顶板单层泥岩盖层厚度大于5 m，与煤组伴生的局部泥岩累计厚度10 m以上。

2.4 封盖条件

煤层的顶板和底板都影响煤层气的保存，但一般认为顶板的作用更为显著[9]。煤层气纵向逸散因受到顶底板封盖性能的强弱而不同[10]。研究区煤层顶底板岩性多样，包括砂砾岩、粉砂岩及泥页岩等。从煤样含气量来看，单煤层上覆顶底板岩性为致密的泥页岩时，含气量较高，顶底板为粉砂岩、砂岩、甚至砾岩，则对煤层气封盖作用小，煤层含气性也最差。

成煤环境在控制聚煤规律的同时，也决定了煤岩盖层的类型及发育特征。不同的沉积环境形成的岩性组合导致封盖能力存在差异。自西向东研究区含煤地

2.5 水文地质条件

水文地质条件影响煤层气的保存，不同水文地质条件下，煤的含气量差别很大[13]。叶建平等[14]把水文地质控气作用主要总结为3种形式：水力运移逸散作用，水力封闭作用和水力封堵作用。现今普遍认为，高矿化度的地层水交替作用微弱，是滞留区的特征，对煤层气的保存最为有利。

图3 加里里盆地不同围岩类型煤层含气量对比图

Fig.3 The types of the top and the bottom of coalbed and gas content，Galilee basin

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煤田地质与勘探 第45卷

大自流盆地(Great Artesian Basin)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均被大自流盆地覆盖[15]。加里里盆地主要的含水层为中生界的渗透性砂岩(三叠系Clematis群、侏罗系Hutton组和Hooray组)，均属于大自流盆地的一部分，地层水活动较为频繁。三叠系Rewan群、侏罗系Molayember组以及白垩系Wallumbilla组和Alluru组以细粒粉砂岩、泥岩为主，是主要的隔水层[16]。盆地东部煤层埋藏较浅，部分地区出露地表，受到大气降水淋滤作用，同时大自流盆地源头位于昆士兰州东部加里里盆地以东，水流方向总体为自西向东，故加里里盆地东部为地层水补给区。而在盆地

西部的近地台地区，白垩纪中期地层遭受挤压，基底及古生界断层重新活动，使地台边缘的断层切穿中生界延伸至近地表区域。断层的重新活动沟通了大自流盆地的含水层，使得煤系上覆地层水可沿着断层或与地台间的不整合面进入二叠系煤层。同时从图4可以看到，与煤层直接接触的三叠系Rewan群隔水层在靠近地台区剥蚀殆尽，从而缺乏有效的隔水层阻挡上覆地层水的下渗，可以认为该区域煤系中的水动力也较为活跃，是盆地东部之外的次要地层水补给区。从平面上看，马蹄形盆地的中部，Koburra海槽的西部，隔水层Rewan发育，西部地层水动力较弱，属于滞留区。

图4 加里里盆地中部水文地质剖面图

Fig.4 Hydrology section cross the center of Galilee basin

从地层水矿化度和水型等参数也可证明盆地中部存在地层水滞留区。通过DST测试获取的地层水样显示，二叠系煤系水矿化度整体较低，局部地区只有1 g/L甚至几百mg/L，但变化范围较大(0.24~57 g/L)。沉积时原始的地层水矿化度控制了地层水矿化度的整体格局

[17]

认为这2个区域地层水运动较为稳定，反应了稳定的保存条件。离子主要以Ca2+、Na+、Cl-为主，且3者的质量浓度均与地层水矿化度成正比。地层水类型分布与总矿化度有较好的对应关系，矿化度高的基本表现为CaCl2型，矿化度低的为NaHCO3型(表1)。从表1中也可以看出，地层水矿化度和水型与煤层含气量存在着良好的对应关系。

气体组分是反应地层水是否利于煤层气保存的另一个重要参数。强烈的水动力交替作用使煤层气藏中的甲烷碳同位素变轻，甲烷含量降低，N2和CO2含量增大，这对煤层气成藏不利[4]。如果地层水扰动作用较强，气藏受破坏程度较高，解吸气组分中氮气的含量将较大。研究发现单井煤层解吸气组分与矿化度、地层水类型的分布规律相似(图5)。盆地近露头区及西侧近地台两个区域的井煤样解吸气中氮气都占有较大比例，最高可达80%，而在盆地中部，气体组分以甲烷为主，氮气低，3个地区的气组分差异明显。

，二叠系处于冲积平原–扇三角洲的沉积

环境内，古地层水的矿化度较低。此外，盆地东部地层出露地表，常年接受大自流盆地水和大气降水的补给

[18]

，局部存在地层水与上覆大自流盆地沟通

的区域，使得二叠系地层水混入了大自流盆地水。这两方面原因共同造成了现今煤系地层水矿化度整体不高的特征。地层水中离子以Na+和



HCO3为主，



Cl–，Ca2+、SO24含量都很低。从平面上来看，由盆

地东部露头区向西，矿化度逐渐增加，盆地中央达到最大，西部距地台区较近的区域又开始下降。在盆地中央存在一个条带型的地层水相对滞留区域(图5)。矿化度高的区域主要集中在Berly隆起与Koburra海槽之间相对平缓的区域和Matharon单斜东部小范围的构造隆起区，矿化度最高达57 g/L，

第2期

谷峰等: 澳大利亚加里里盆地煤层气控气因素及富集区预测

表1 加里里盆地二叠系地层水矿化度及类型分布表

Table 1 The mineralization and types of Permian formation water，Galilee basin

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含气量/(m3·t–1)1.63~2.20/1.914.10~5.80/4.90

1.88 2.89~3.23/3.06

2.01 1.32~1.56/1.441.61~2.77/2.201.96~3.11/2.50

2.13

井名 矿化度/(g·L-1) 脱硫系数



变质系数 (Na+–Cl–)/SQ24

类型 重碳酸钠 氯化钙 重碳酸钠 氯化钙 重碳酸钠 重碳酸钠 氯化钙 氯化钙 硫酸钠

Cr1 1.03~14.22/4.38 3.03~14.09/9.93 1.65~4.94/3.23RC2 6.55~5.77/25.70 0.36~0.80/0.66 0.63~1.35/0.76RC1 1.82~3.72/2.57 0.50~0.68/0.56 0.36~0.82/0.63Ar1 0.81 Co1 0.68

Ab1 5.58~70.38/7.98 0.91~1.12/1.02 0.62~0.75/0.69

15.07

1.67

Th1 0.82~0.90/0.86 15.07~44.80/34.9 1.00~1.19/1.10Gl1 1.15~1.30/1.23 20.00~31.43/25.72 1.68~3.76/2.72Do1 13.30~35.90/21.58 0.02~0.11/0.05 0.01~0.04/0.03Du1 1.41~3.36/2.38 0.40~2.66/1.38 0.06~0.33/0.16Mu1 0.81

26.67

10.83~27.94/21.31 –129.20~–35.67/–69.22

3.00

–41.66~–22.17/–31.92

4.45 0.00~0.43/0.22 2.16~13.78/7.97 –5 883.33~–909.49/–3 026.56–168.00~–34.59/–104.28

0.92

–103.54~–25.61/–50.25 氯化钙/重碳酸钠 1.90~4.49/3.10

12.50 1.38

重碳酸钠/硫酸钠 1.17~1.62/1.40

1.24

注：1.03~14.22/4.38表示最小值~最大值/平均值。

3 煤层气富集区预测

通过综合分析研究区煤质、气源、构造、封盖条件及水文地质等特征认为，局部盖层的发育及水文地质条件是加里里盆地煤层气富集的主控因素。煤质、气源条件基本类似，而构造对气藏的破坏是导致气含量偏低的主要原因，故这3个条件不属于加里里盆地煤层气富集的主控因素。

区域性盖层不发育，但距离西部物源区Maneroo地台较近的几个主扇体间的区域，煤层局部上覆泥岩盖层较为发育，顶底板类型好，利于气体封盖。单层泥岩盖层厚度大于4 m，局部与煤组伴生的泥岩累计厚度大于10 m，单井砂地比含量低于55%的地区煤层含气量可达1.5 m3/t以上，高的可以超过4 m3/t(图6)。

盆地东部水动力活跃，西部近地台区域后期活动的断层沟通了中生界含水层，且主力隔水层Rewen缺失，导致上覆地层水下渗。中部存在北西–南东向的“条形区域”，地层水相对滞留，矿化度≥5 g/L，水型以氯化钙型为主，解吸气中氮气组分较低，标志着该区域地层水条件稳定适于气体的保存。研究区煤层经历了二叠纪末—三叠纪中期的抬升剥蚀，生气期较短，二次生气之后沉降保存条件成为加里里盆地煤层气下一步勘探要考虑的首要因素。

受成煤环境影响，该区域很难找到一套主力煤层进行开发作业，故考虑泥岩夹层较为发育的煤组作为

图5 加里里盆地地层水滞留区及煤层解吸气组

分分布图

Fig.5 Areas of stagnant formation water and proportions of

desorbed gas of coalbed in Galilee basin

勘探开发的目标岩性组合。将封盖条件好和地层水双重控制作用的区域作为下一步煤层气的勘探目标，这些区域利于煤层及泥岩的发育，局部盖层无论单层厚度还是累计厚度均具备较好的封盖能力且地层水条件适于气体的保存。主要包括盆地南部Hulton–Road

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煤田地质与勘探 第45卷

构造的东北地区、Marathon单斜以东地区及中部Berly突起以北的部分区域。含气量平面分布图预测显示，前2个富集区的煤层平均含气量达2.4 m3/t以上，北部的相对较低，但仍可达1.6 m3/t，高于其他地区。盆地东部的Korurra海槽以东接近煤层露头的区域，地层水条件差，煤层解吸气中氮气含量高。同时，古海槽以西为三角洲前缘–滨浅湖环境，煤岩的厚度及连续性比西部的平原亚相区域更差，上述2个地区不在富集区考虑范围之内(图7)。

图6 加里里盆地中部二叠系煤层含气量平面分布图

Fig.6 The distribution map of gas content of Permian seam in

Galilee basin

图7 加里里盆地二叠系煤层气富集区预测平面图

Fig.7 Predicted CBM enrichment areas of Permian coal seam

in Galilee basin

4 结 论

a. 综合煤样实验结果和恢复埋藏史表明，加里里盆地煤层为中–低阶煤。早三叠世煤层初次生气但

持续时间短，白垩纪中期之后进入持续生气阶段，白垩纪晚期的构造抬升对含气性影响远大于三叠纪的构造运动，是现今含气量普遍不高的主要原因。

b. 沉积特征控制煤层顶底板类型，主扇体之间的区域局部泥岩盖层发育，对气体封盖有利，含气量高。单层泥岩盖层厚度大于4 m，局部与煤组伴生的泥岩累计厚度大于10 m，煤层含气量大于1.5 m3/t。盆地中西部煤系处于冲积平原–扇三角洲沉积环境，煤层上覆缺乏区域性盖层。

c. 地层水矿化度、水型、解吸气组分3者的平面分布有一定的相似性。地层水相对滞留的区域含气量高，矿化度较高，类型也以氯化钙型为主，解吸气以甲烷为主，氮气含量低。

d. 选取盆地南部Hulton–Road构造的东北部、Marathorn单斜以东区域及中部Berly突起以北的部分区域3个地区为澳大利亚加里里盆地煤层气富集区。

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(责任编辑 范章群)