圣胡安盆地中煤阶煤层气

1.地质背景

圣胡安（San Juan）盆地位于美国新墨西哥州西北及科罗拉多州西南的科罗拉多高原东中部，是晚白垩世到古近纪形成的圆形不对称构造盆地。盆地内上白垩统的沉积中心和向斜轴在盆地北缘和北东缘附近，并与之平行。

盆地内整个白垩系均有煤层分布，最重要的煤层和煤层气资源存在于Fruitland组中，该组出露面积17350km²。Fruitland组煤层从地表到地下1280m均有分布。Fruitland组深度大于122m（400ft）的煤层煤炭资源量为2450×10⁸t，煤层气为（1.2～1.4）×10¹²m³（43～49Tcf）。其中Fruitland Fairway煤层气富集区带是目前世界上最大的煤层气富集区，面积600km²，年产量占美国煤层气年产量的50%左右。

2.煤层气地质特征

圣胡安盆地Fruitland组煤层气主要是干气，少部分是湿气。研究发现从Fruitland煤中解析出来的气的C₁/C_1-5值变化范围为0.89～1.00。Fruitland煤层气的乙烷含量从0到大于11%，二氧化碳含量从小于1%到大于13%。含二氧化碳最高的煤层气来自盆地的中北部，盆地南部煤层气二氧化碳含量一般小于1%。

根据水文地质特征可以将圣胡安盆地分成3个区带：1带位于盆地北部超压区，是地下水汇聚区，圣胡安盆地大部分煤层气高产井位于该区；2带位于盆地中西部地区，为欠压区；3带位于盆地中东部地区，为欠压地区（图11-18）。

图11-18 圣胡安盆地压力分布及分带图

（据Scott et al.，1994；Ayers，2002）

如表11-3所示，1 带煤层厚度大，普遍大于10m，煤层气含气量较高，渗透率较大。根据渗透性特征，可以将1带进一步划分为3个区：1A区、1B区和1C区。1A区最大净煤厚度可达21m，煤层气含气量高，一般大于14m³/t，储层渗透率大，最高可达60×10^-3μm²，最高日产气量可达28000～168000m³/d，是圣胡安盆地的甜点地区；该区为地下水滞留区，储层压力高，压力梯度超过11.3MPa/100m，为超高压储层。1B区和1C区相对于1A区来说，煤层厚度和含气量较小，煤层气含气量为5.6～11.2m³/t，位于地下水弱径流带，压力梯度为9.79～11.3MPa/100m，为超压储层。

2带最大产气量为850～14000m³/d，煤层厚度为9～15m，煤层气含气量一般小于4.25m³/t，煤层气保存条件不如1带，大部分储层处于欠压状态，煤储层渗透率为（5～25）×10^-3μm²。

表11-3 圣胡安盆地和粉河盆地煤层气地质特征参数

3带最大产气量小于 1400m³/d，煤层厚度为 9～15m，煤层气含气量一般小于4.25m³/t，煤储层渗透性较差，渗透率一般小于5×10^-3μm²，为欠压储层。

较大的煤层厚度和含气量是圣胡安盆地1带煤层气资源丰度高的原因之一。较高的储层压力和渗透率有利于煤层气井的高产。

3.煤层气形成过程与富集机制

在圣胡安盆地，与岩浆热事件有关的热演化作用和流体动力学共同作用，使盆地中北部较浅的部位生成了大量的气体，且含量比预期要高，这是沿构造转折线迁移的气体被常规流体动力学聚集形成的，也反映了煤层中有次生生物成因气的生成。目前的水文系统是在埋藏、热成因气生成并沿盆地边缘上升、侵蚀后建立起来的（图11-19 中步骤①）。流向盆地的地下水沿构造断层枢纽线通过高等级的、高气体含量的煤向低等级煤流动（图11-19中步骤②）。这些地下水将细菌带入，细菌作用于煤化过程中产生的正烷烃和湿气，生成次生生物成因甲烷和CO₂（图11-19中步骤③）。当地下水流向盆地时，不断推进的前锋预先扫除那些在它之前被溶解或夹带的气体，这些气体最终被吸附或填充进普通圈闭的裂隙之中（图11-19中步骤④）。流体动力对煤层气富集的主要贡献在于它维持了Fruitland等势面、煤层气成分和开采量之间的良好关系。