引用本文
李正. 河北省宣化东部煤系地层综合气含气性评价[J]. 录井工程, 2024,35(2): 125-131.
LI Zheng. Comprehensive gas content evaluation of coal bearing strata in Eastern Xuanhua, Hebei[J]. Mud Logging Engineering, 2024,35(2): 125-131.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2024.02.019  
Permissions
Copyright©2024, 《录井工程》杂志社
《录井工程》杂志社 所有
河北省宣化东部煤系地层综合气含气性评价
李正①②
①河北省煤田地质勘查院
②河北省非常规天然气勘查研究中心

作者简介： 李正 工程师,1987年生,2015年硕士毕业于中国石油大学（北京）油气田开发工程专业,现在河北省煤田地质勘查院从事煤系地层非常规天然气资源勘查工作。通信地址：054000 河北省邢台市信都区泉北西大街1868号。电话：17531963007。E-mail：826905179@qq.com

收稿日期: 2024-04-20
基金: 河北省地质勘查专项资金项目“河北省张家口市宣化东部地区页岩气资源潜力调查评价”（编号：343-0402-YQN-U6LS）
摘要

通过对河北省宣化东部施工的ZY 1井的地层岩性发育特征、气测录井、含气量测定以及等温吸附试验、气体组分及甲烷碳同位素测试数据分析,对该区煤系地层综合气含气性进行评价,最终证实：该区青白口系下马岭组、中-下侏罗统下花园组地层中发育多段垂向空间叠置特征明显的暗色泥页岩、煤、致密砂岩沉积地层;气测录井发现气测异常层8层,均存在于下花园组地层中;含气量测定数据显示泥页岩层总含气量介于1.10~8.30 m3/t之间,平均值3.60 m3/t,煤层总含气量介于2.78~14.80 m3/t之间,平均值7.17 m3/t;等温吸附实验显示泥页岩兰氏体积介于3.33~6.49 cm3/g之间,平均值4.78 cm3/g,煤层兰氏体积介于12.29~21.67 cm3/g之间,平均值17.75 cm3/g;气体化学组分以甲烷为主,平均值91.27%。通过分析气体甲烷碳同位素测试数据认为,该区气成因复杂,热成因、生物成因、次生热成因均存在。综合分析,该区具有较大的煤系地层综合气资源勘探潜力。

关键词: 煤系地层; 综合气; 综合录井; 含气量测定; 等温吸附; 气体组分; 甲烷碳同位素; 宣化东部
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Comprehensive gas content evaluation of coal bearing strata in Eastern Xuanhua, Hebei
LI Zheng①②
①Hebei Provincial Coalfield Geological Exploration Institute, Xingtai, Hebei 054000, China
②Hebei Unconventional Natural Gas Exploration and Research Center, Xingtai, Hebei 054000, China
Abstract

By analyzing the gas logging, geological logging, gas content measurement, and isothermal adsorption test data of Zhangye 1 well constructed in the eastern part of Xuanhua, Hebei Province, the comprehensive gas-bearing properties of the coal bearing strata in the area is evaluated. Finally, it is confirmed that there are multiple layer, thin layers, and obvious vertical spatial stacking characteristics of dark shale, coal seams, and dense sandstone sedimentary strata in the Xiamaling Formation of the Qingbaikou System and Xiahuayuan Formation of Middle-lower Jurassic System in the area. Gas logging reveals 8 abnormal gas layers, all present in the Xiahuayuan Formation. Gas content data shows that the total gas content of the shale layer is between 1.10 m3/t-8.30 m3/t, with an average of 3.60 m3/t, and the total gas content of the coal seam was between 2.78-14.80 cm3/t, with an average of 7.17 cm3/t. Isothermal adsorption experiments shows that the Langmuir volume of the shale is between 3.33-6.49 cm3/g, with an average of 4.78 cm3/g, and the Langmuir volume of the coal seam is between 12.29-21.67 cm3/g, with an average of 17.75 cm3/g. The gas chemical composition is mainly methane. Through methane isotope analysis of coalbed methane, it is shown that the genesis of coalbed methane in this area is complex, including thermal, biogenic, and secondary thermal genesis. It shows that the area has good comprehensive gas-bearing properties in coal bearing strata.

Keyword: coal measure strata; comprehensive gas; integrated logging; measurement of gas content; isothermal adsorption; gas content; methane isotope; Eastern Xuanhua
0 引言

煤系地层综合气又称煤系地层非常规天然气, 是指赋存在煤系地层中以甲烷为主的天然气的总称, 包括煤层气、页岩气和致密砂岩气以及天然气水合物等。通常将前三者合称为煤系“ 三气” , 其成因具有同源共生的特点[1, 2, 3, 4], 煤和暗色炭质泥页岩分别作为煤系烃源岩其物源丰富、旋回性强、构造热演化显著的特点使得煤系综合气具有耦合成藏的特征[5, 6]。煤系地层综合气资源的勘查、开发及利用对于保障我国能源安全, 推动实现“ 碳中和” “ 碳达峰” 以及生态环境保护等都具有重要意义。

河北省煤层气资源量为5 328× 108 m3（埋深2 000 m以浅）、33 687× 108 m3（埋深2 000~4 500 m）; 煤系页岩气主要赋存于山西组和太原组, 埋深1 000~4 500 m, 范围资源量为33 447× 108 m3, 与煤层气资源量相当; 致密砂岩气优质层段在2 000~4 500 m, 资源量与同范围的页岩气相当, 约24 000× 108 m3; 河北省域内（埋深≤ 4 500 m）煤系非常规气资源量约9.6× 1012 m3, 资源丰富, 且层位相邻[4]。

通过前期系统评价, 张家口市宣化东部在青白口系下马岭组（Qnx）、中-下侏罗统下花园组（J1-2x）沉积了多层暗色泥页岩、煤层、致密砂岩层, 是河北省煤系地层综合气勘查工作的重点区域之一。本文以在该区施工的“ 河北省张家口市宣化东部地区页岩气资源潜力调查评价” 项目ZY 1井地层岩性发育特征、气测录井、含气量测定、等温吸附、气体组分及甲烷碳同位素测试数据为基础, 对该区的煤系地层综合气含气性进行了分析评价。

1 区域地质及构造特征

研究区主体为一单斜构造（图1）, 地层较平缓, 区内发育两条呈东西向展布的逆冲大断层, 南部黄羊山-鸡鸣山逆断层, 北部怀来-宣化逆断层形成于侏罗系中后期燕山运动; 受南北两侧逆冲断层挤压, 区内以南北向及北东-南西向正断层为主[7, 8, 9, 10, 11]。区域内发育的地层由老到新依次为太古界桑干群, 中上元古界长城系, 蓟县系迷雾山组（Jxw）、洪水庄组（Jxh）、铁岭组（Jxt）, 青白口系下马岭组（Qnx）、景儿峪组（Qnj）, 中生界侏罗系下统南大岭组（J1n）, 中-下侏罗统下花园组（J1-2x）、九龙山组（J2j）、髫髻山组（J2t）、后城组（J2h）以及新生界第四系（Q）[12]。

图1 ZY 1井地理位置与构造纲要图

2 地层岩性发育特征

通过地质录井可知, ZY 1井自上而下实钻地层层序为：第四系（Q）, 侏罗系髫髻山组（J2t）、九龙山组（J2j）、下花园组（J1-2x）、南大岭组（J1n）, 青白口系下马岭组（Qnx）, 蓟县系铁岭组（Jxt）。由表1可知, 各组地层发育厚度及岩性特征如下。

表1 ZY 1井地层发育厚度及岩性特征简述

（1）青白口系下马岭组（Qnx）为研究区主要的泥页岩发育地层, 中-下侏罗统下花园组（J1-2x）是区内主要的泥页岩发育地层及含煤地层, 但下马岭组（Qnx）泥岩颜色为紫红色, 推断有机质含量较少, 不足以作为煤系地层综合气的烃源岩层, 而下花园组（J1-2x）的泥岩、粉砂质泥岩颜色为深灰色, 推断有机质含量较高, 同时煤层发育, 可以作为煤系地层综合气的烃源岩层。

（2）中-下侏罗统下花园组（J1-2x）地层发育煤、泥岩、砂岩等多种岩性, 且存在着空间上互相叠置的关系, 具备良好的煤系地层综合气成藏条件; 其上覆地层九龙山组（J2j）主体岩性为凝灰岩及凝灰质砂岩, 岩性致密, 封闭性好, 沉积厚度达435.3 m, 可作为区域上良好的盖层。

3 气测录井

本次录井使用的录井仪器为上海神开产SK-2000C型综合录井仪, 其配备先进的3Q06色谱仪, 组分最小检测浓度为10/106, 检测组分CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、nC4H10、iC5H12、nC5H12, 全烃最小检测浓度为10/106, 基线漂移± 0.1 mV/h, 重复性误差± 2.5%, 标定点检测允许误差± 2.5%。

通过气测录井发现气测异常显示层共8层, 累计厚度为195.00 m, 均位于中-下侏罗统下花园组（J1-2x）, 气测全烃最大值介于2.35%~42.89%之间, 平均值为14.96%, 峰基比介于1.03~43.82之间, 平均值为12.56, 其中有6层气测异常层解释为含气层（包括3层为煤层气层）, 剩余2层解释为异常气层。气测异常显示层段中煤、泥页岩、砂岩均发育且存在空间叠置关系, 整体显示出良好的煤系地层综合气资源潜力（表2）。

表2 ZY 1井气测异常统计
4 含气量测定

煤层气、页岩气等煤系地层综合气以吸附态存在于煤层、泥页岩基质表面, 实际工作中通过对岩心样品进行含气量测定来评价其含气量。本次依据SY/T 6940-2020《页岩气含量测定方法》以及GB∕ T 19559-2021《煤层气含量测定方法》, 共计对20块样品进行了含气量测定。

4.1 含气量分析

ZY 1井9块泥页岩样品总含气量介于1.10~8.30 m3/t之间, 平均值为3.60 m3/t, 泥页岩气含量较高（表3）; ZY 1井11块煤层样品总含气量介于2.78~14.80 m3/t之间, 平均值为7.17 m3/t, 煤层气含量高（表4）。煤层气、页岩气资源潜力大。

表3 ZY 1井9块泥页岩样品含气量测定统计
表4 ZY 1井11块煤层样品含气量测定统计
4.2 气体组分分析

实验采用7890A气相色谱仪进行, 依据GB/T 13610-2020《天然气的组成分析 气相色谱法》。

泥页岩气气体组分中, 烃类组分气体（甲烷-丙烷）体积分数介于69.41%~98.23%, 平均值93.06%, 不含丁烷和戊烷; 甲烷组分气体体积分数介于67.90%~95.67%, 平均值为91.19%; 非烃组分气体（N2和CO2）体积分数介于1.78%~30.60%, 平均值6.95%（图2）; 未检测出其他气体组分。

图2 泥页岩气样品组分图

煤层气气体组分中：烃类组分（甲烷-丙烷）气体体积分数介于73.78%~99.44%, 平均值为94.01%, 不含丁烷和戊烷; 甲烷组分气体体积分数介于71.86%~98.75%, 平均值为91.34%; 非烃组分气体（N2和CO2）体积分数介于0.57%~26.23%, 平均值为6.01%（图3）; 未检测出其他气体组分。

图3 煤层气样品组分图

泥页岩气、煤层气气体组分均以甲烷为主, 甲烷含量平均值为91.27%。

4.3 气成因分析

根据气体化学组分和甲烷碳同位素（δ 13C1）等地球化学参数, 可将气成因类型分为生物成因、热成因、次生热成因及混合成因4类[13]; 生物成因和热成因的甲烷可以根据碳同位素组成特征进行判别; 微生物作用下生成的δ 13C1偏负, 一般低于-50‰ , 而热成因的δ 13C1较重, 一般高于-50‰ [14, 15]。本次实验采用Vario Isotope Cube元素分析仪、Isoprime100同位素质谱仪, 依据SY/T 5238-2019《有机物和碳酸盐岩碳、氧同位素分析方法》, 泥页岩气样品化学组分与甲烷碳同位素（δ 13C1）数据见表5, 煤层气样品化学组分与甲烷碳同位素（δ 13C1）数据见表6。

表5 泥页岩气样品化学组分与甲烷碳同位素（δ 13C1）数据
表6 煤层气样品化学组分与甲烷碳同位素（δ 13C1）数据

由表5可以看出：所有泥页岩气样品甲烷碳同位素均较重, 高于-50‰ , 成因类型为非生物成因。由表6可以看出：煤层气样品J 2和J 3甲烷碳同位素较轻, 低于-50‰ , 其成因类型为生物成因, 其余煤层气样品甲烷碳同位素均较重, 高于-50‰ , 成因类型为非生物成因。以甲烷碳同位素作为X轴, C1/C2+作为Y轴做散点图, 以进一步划分气成因类型（图4、图5）。

图4 泥页岩气成因图（引自文献[16]）

图5 煤层气成因图（引自文献[16]）

从图4可知, 泥页岩气成因类型主要有热成因和次生热成因两种类型, J 10、J 43、J 50样品气属于次生热成因气, J 41、J 45、J 49、J 54、J 55、J 56样品气属于热成因气。从图5可以看出, 研究区煤层气成因复杂, 生物成因、热成因、次生热成因均存在, J 2、J 3样品气属于生物成因气, J 37、J 38、J 39、J 52样品气属于次生热成因气, J 31、J 32、J 44、J 47、J 48样品气属于热成因气。

5 等温吸附特征

等温吸附实验采用KT100-40HT型等温吸附仪进行, 依据GB/T 35210.1-2023《页岩甲烷等温吸附/解吸量的测定第1部分：静态容积法》、GB/T 19560-2008《煤的高压等温吸附试验方法》。

ZY 1井泥页岩兰氏体积介于3.33~6.49 cm3/g之间, 平均4.78 cm3/g, 兰氏压力介于1.83~3.94 MPa, 平均2.99 MPa（图6）; 煤层兰氏体积介于12.29~21.67 cm3/g之间, 平均17.75 cm3/g, 兰氏压力介于2.85~4.59 MPa之间, 平均3.72 MPa（图7）。

图6 泥页岩等温吸附曲线

图7 煤层等温吸附曲线

煤层与泥页岩兰氏体积较大, 平均为11.27 cm3/g, 兰氏压力较低, 平均为3.36 MPa, 吸附能力强, 能够保证生成的气体以吸附态被很好地保存于岩石基质表面。

6 结论

（1）通过地质录井及气测录井工作成果, 研究区中-下侏罗统下花园组（J1-2x）发现气测异常显示层共8层, 累计厚度为195.00 m, 气测异常层段多, 厚度大, 且煤层、暗色泥页岩层、砂岩层均发育, 空间上具有垂向多层叠置、旋回性强的特征, 具备良好的煤系地层综合气成藏潜力。

（2）含气量测定成果显示, 泥页岩层平均含气量3.60 m3/t, 含气量均较高, 煤层平均含气量7.17 m3/t; 通过气体化学组分分析, 气体组分均以烃类为主, 泥页岩烃类气体平均体积分数为93.06%, 甲烷平均体积分数91.19%, 煤层烃类气体平均体积分数94.01%, 甲烷平均体积分数91.34%; 气体甲烷碳同位素分析成果显示该区煤层气成因复杂, 生物成因、热成因、次生热成因均存在, 页岩气则存在热成因及次生热成因两种成因类型。

（3）等温吸附实验结果显示, 煤层、泥页岩层吸附能力强, 泥页岩平均兰氏体积为4.78 cm3/g, 平均兰氏压力2.99 MPa; 煤层平均兰氏体积17.75 cm3/g, 平均兰氏压力3.72 MPa。兰氏体积较大, 兰氏压力较小, 能够保证生成的气体被很好地吸附在基质表面。

编辑 孔宪青

参考文献
[1] 谢卫东, 王猛, 侯晓伟. 河北省煤层气富集区及富集规律研究[J]. 河南理工大学学报(自然科学版), 2018, 37(3): 17-25.
XIE Weidong, WANG Meng, HOU Xiaowei. Study on enrichment zones and enrichment regularity of coalbed methane in Hebei province[J]. Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science), 2018, 37(3): 17-25. [本文引用:1]
[2] 张新生, 于海成, 张华, 等. 河北省页岩分布及页岩气前景[J]. 中国煤炭地质, 2019, 31(1): 59-65.
ZHANG Xinsheng, YU Haicheng, ZHANG Hua, et al. Shale distribution in Hebei Province and shale gas prospect[J]. Coal Geology of China, 2019, 31(1): 59-65. [本文引用:1]
[3] 张启贤, 牛飞, 张宏亮, 等. 河北省任县-南和县地区煤系非常规天然气源-储特征分析[J]. 中国煤炭地质, 2019, 31(10): 39-44.
ZHANG Qixian, NIU Fei, ZHANG Hongliang, et al. Analysis of coal measures unconventional natural gas source and reservoir features in Renxian-Nanhe Counties Area, Hebei Province[J]. Coal Geology of China, 2019, 31(10): 39-44. [本文引用:1]
[4] 朱炎铭, 侯晓伟, 崔兆帮, 等. 河北省煤系天然气资源及其成藏作用[J]. 煤炭学报, 2016, 41(1): 202-211.
ZHU Yanming, HOU Xiaowei, CUI Zhaobang, et al. Resources and reservoir formation of unconventional gas in coal measure, Hebei Province[J]. Journal of China Coal Society, 2016, 41(1): 202-211. [本文引用:2]
[5] 雷波, 秦勇, 赵本肖, 等. 河北省煤层气资源及其勘探开发建议[J]. 中国煤炭地质, 2009, 21(8): 21-28.
LEI Bo, QIN Yong, ZHAO Benxiao, et al. Suggestions on exploration and exploitation of coal bed methane resources in Hebei Province[J]. Coal geology of China, 2009, 21(8): 21-28. [本文引用:1]
[6] 曹代勇, 姚征, 李靖. 煤系非常规天然气评价研究现状与发展趋势[J]. 煤炭科学技术, 2014, 42(1): 89-93.
CAO Daiyong, YAO Zheng, LI Jing. Evaluation status and development trend of unconventional gas in coal measure[J]. Coal Science and Technology, 2014, 42(1): 89-93. [本文引用:1]
[7] 李不惑, 方勇勇. 下花园及其外围地区侏罗系下花园组沉积构造特征及环境分析[J]. 河北地质学院学报, 1984(4): 15-29.
LI Buhuo, FANG Yongyong. Sedimentary structural characteristics and environmental analysis of Xiahua formation[J]. Journal of Hebei Institute of Geosciences, 1984(4): 15-29. [本文引用:1]
[8] 张树胜. 河北蔚县下花园组底部鲕状粘土岩的成因[J]. 煤田地质与勘探, 1994, 22(3): 9-11.
ZHANG Shusheng. Genesis of oolitic clay rocks at the bottom of Xiahuayuan formation in Yuxian County, Hebei Province[J]. Coal Geology and Exploration, 1994, 22(3): 9-11. [本文引用:1]
[9] 闫江伟. 岩浆侵入对宣东二矿煤层瓦斯赋存的控制[J]. 煤矿安全, 2013(4): 16-18.
YAN Jiangwei. The control of magma intrusion for gas occurrence in Xuand ong No. 2 coal mine[J]. Safety in Coal Mines, 2013(4): 16-18. [本文引用:1]
[10] 董大忠, 王玉满, 黄旭楠, 等. 中国页岩气地质特征、资源评价方法及关键参数[J]. 天然气地球科学, 2016, 27(9): 1583-1601.
DONG Dazhong, WANG Yuman, HUANG Xunan, et al. Geological characteristics, resource evaluation methods and key parameters of shale gas in China[J]. Natural Gas Geoscience, 2016, 27(9): 1583-1601. [本文引用:1]
[11] 张健雅, 赵利涛. 宣东地区下花园组地层页岩气源岩有机地化特征分析[J]. 当代化工研究, 2021(8): 58-59.
ZHANG Jianya, ZHAO Litao. Analysis of organic geochemistry characteristics of gas source rocks from Xiahuayuan Formation in Xuand ong Area[J]. Modern Chemical Research, 2021(8): 58-59. [本文引用:1]
[12] 于海成, 张健雅, 李澎, 等. 河北省张家口市宣化东部地区页岩气资源潜力调查评价(续作)报告[R]. 邢台: 河北省煤田地质勘查院, 2020: 30-33.
YU Haicheng, ZHANG Jianya, LI Peng, et al. Report on investigation and evaluation of shale gas resource potential in the eastern part of Xuanhua, Zhangjiakou City, Hebei Province[R]. Xingtai: Hebei Coalfield Geological Exploration Institute, 2020: 30-33. [本文引用:1]
[13] SONG Yan, LIU Shaobo, ZHANG Qun, et al. Coalbed methane genesis, occurrence and accumulation in China[J]. Petroleum Science, 2012, 9(3): 269-280. [本文引用:1]
[14] 谢树成, 杨欢, 罗根明, 等. 地质微生物功能群: 生命与环境相互作用的重要突破口[J]. 科学通报, 2012, 57(1): 3-22.
XIE Shucheng, YANG Huan, LUO Genming, et al. Geomicrobial functional groups: A window on the interaction between life and environments[J]. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(1): 3-22. [本文引用:1]
[15] WHITCAR M J, FABER E, S CHOELL M. Biogenic methane formation in marine and freshwater environments: CO2 reduction vs. acetate fermentation-isotope evidence[J]. Geochim Cosmochim Acta, 1986, 50: 693-709. [本文引用:1]
[16] KOTARBA M J. Composition and origin of coalbed gases in the Upper Silesian and Lublin basins, Poland [J]. Organic Geochemistry, 2001, 32(1): 163-180. [本文引用:1]