博文盆地是澳大利亚主要的聚煤盆地，也是澳大利亚最早开始进行商业化开采的煤层气盆地。博文区块位于博文盆地北部，整体面积超过6000km²。该区块内部逆冲断裂发育，构造起伏大，煤层埋深变化范围大。煤层在纵向上分为多套单煤层，不同单煤层横向上分布十分复杂，分叉、合并现象频繁发生，煤层的发育和富集受到多种地质条件的控制。而且煤层气含气量、煤层渗透率和煤层气井的产量等也受到多种地质因素的综合控制，需要综合研究区块内地质条件开展煤层气富集规律研究，明确煤层气富集发育的有利区域。博文区块经过10多年的勘探，目前区块内已有1300多口煤层气井和大量的煤层含气量、渗透率等分析数据。基于区域地质背景，结合煤层气井和分析数据等资料，研究该区块煤层构造沉积发育模式，综合分析该区块中与煤层气富集相关的地质主控因素，建立定量的煤层气富集发育的指标评价体系，期望为该区块滚动勘探开发提供下一步的策略和建议。

博文盆地主体位于澳大利亚昆士兰州，向南延伸至新南威尔士州北部，盆地面积约为20×10⁴km²，为弧后前陆盆地，博文区块位于该盆地北部（图 1）。博文盆地总体为NNW向展布的复杂向斜构造盆地，两翼不对称，东翼较陡，受近东西向挤压应力作用，发育一系列平行盆地轴向的逆断层^[1] (图 2)。博文盆地上二叠统Blackwater群为河湖相沉积，总厚度约为150m，自下而上发育3套煤层组，即Moranbah煤层组、Fort Cooper煤层组和Rangal煤层组^[2]。Moranbah煤层组的主要煤层为GL、GM、P、GU等。Fort Cooper煤层组分布较为稳定，包含很多厚到巨厚（10~60m）高夹矸煤层，主要煤层有FH、FCM1-6等。Rangal煤层组东厚西薄，西部遭受剥蚀，煤层缺失，主要煤层有RV、RL等^[3-6]。

图 1

图 1 博文盆地构造纲要图 Fig. 1 Structure outline map of the Bowen Basin

图 2

图 2 博文区块断层分布图 Fig. 2 Fault distribution map of the Bowen block

澳大利亚很大比例的商业煤层气产能来自博文盆地二叠系煤层，主要气田有Moranbah、Moura、Fairview、Spring Gully、Peat、Scotia等。Moranbah气田是澳大利亚较早开发的煤层气田，煤层气主要产自Moranbah煤层组的GM煤层和P煤层。Moranbah煤层组为一个三级层序，可划分为5个次级高分辨率层序，即GL、GM、P、GU、FH（图 3）。图 3的3口井从左到右分别为博文区块北部的RH0X1井、中部的GR0X6井和南部的SRJ0X5F井。单井沉积相研究表明GL层序和GM层序主要发育河漫沼泽，P层序主要发育河道、河漫沼泽，GU层序发育河道和河漫沼泽，FH层序为河道、沼泽振荡环境和河漫沼泽。博文区块纵向煤层较多，且分叉、合并现象普遍，渗透率较低(1~20mD)，主要采用水平双分支远端连通井进行开发，因此要求开发的单煤层厚度一般大于2m。Moranbah煤层组是博文区块主力开发的煤层组，因此以该煤层组为例来说明澳大利亚博文盆地煤层气富集规律和勘探策略。

图 3

图 3 博文区块单井沉积相和层序对比图 Fig. 3 Sedimentary facies of single well and sequence correlation in the Bowen block

煤层减薄或增厚的主要控制因素是煤层分叉。煤层分叉可以表现为多种样式：最简单的情况下是由于煤层中夹有沉积透镜体所致，如果存在若干非煤沉积透镜体，并且在区域内逐渐分叉，煤层的分叉也可以是从一个煤层分离，而与另一煤层合并，形成“Z”字形分叉（图 4中GU煤层），也可形成连续分支型式（图 4中GM煤层）。

图 4

图 4 煤层分叉与合并模式图 Fig. 4 Pattern of coal seams branching and merging

整体来说，区块北部河流发育，碎屑物沉积多，煤层分叉较多、层数多，单煤层较厚；南部为滨岸环境，碎屑物沉积少，有利于草本沼泽发育，煤层分叉少、层数少，单煤层较薄。

博文盆地晚二叠世气候潮湿寒冷，河流冲积平原、上三角洲平原以淡水环境为主，主要发育木本沼泽，煤层侧向分布不稳定，局部可发育厚煤层；下三角洲平原为咸水、半咸水环境，主要发育草本沼泽，煤层侧向分布稳定，但成层较薄。最厚、最稳定的煤层一般发育于上三角洲平原和下三角洲平原的过渡带。

GL成煤期处于海退初期，地势较陡，河流呈汇聚特征，为辫状河成煤体系，泥炭层侧向分布不稳定，连续性较差，但局部成煤较厚（图 5a）。GL—GM成煤期，发育的河流冲积平原和上三角洲平原，以淡水环境为主，有利于森林沼泽的发育，植物遗体大量堆积，为后期的泥炭堆积创造了物质基础；发育的下三角洲平原，河道显著分支，是受海水和潮汐影响的地带，草本沼泽平面上发育较稳定，但植物遗体堆积较少，后期泥炭堆积的物质条件有限（图 5b）。到了GM成煤期，河流改道，泥炭堆积侧向分布不稳定，平行河道方向泥炭连续性较好，形成现今局部较厚的煤层；而在上三角洲和下三角洲过渡带，分流间湾大部分已被沉积物充填，为成煤提供平缓台地，形成较厚煤层（图 5c）。GM—P成煤期、P成煤期、P—GU成煤期和GU成煤期的沉积特征见图 5d—g所示。

图 5

图 5 博文区块Moranbah煤层组沉积演化图 Fig. 5 Sedimentary evolution maps of Moranbah coal measures in the Bowen block

河流作用强弱与物源供给条件决定主要成煤期。河流作用强、物源供给足时，即泥炭沼泽形成前煤层不发育；反之河流作用弱时，即泥炭沼泽形成同期煤层发育，表现为河道及三角洲的类型变化及海岸线的进退。Moranbah煤层组整体发育于海退高位体系域—海侵体系域背景下，可细分为多个高频旋回，煤层发育与可容空间变化关系密切，其中GM成煤期位于三级层序的高位体系域，发育连续的厚煤层（图 5c）。

向斜构造轴部水位高度较两翼低，常具有地层水的向心流动机制，因此在向斜构造核部能维持较高的地层压力，地层压力越大，往往煤层吸附量越大，进而促使煤层气富集。向斜中某一位置的煤层气藏富集状态常与地层水水头高度成正比。海拔深度与水位高度呈负相关，同一水文地质单元内海拔越低，地层水水头高度越大，煤层含气量越高。通常情况下，向斜构造轴部海拔低于两翼，其地层水水位高于两翼，储层压力高，煤层吸附能力强，因此向斜构造轴部有利于煤层气吸附成藏。此外，向斜上覆地层一般厚度较大，有利于地层压力维持，且轴部裂隙一般不发育，渗透率较低，抑制了地层水流动，使其通常处于水动力的滞流区，煤层气藏不易受水动力冲洗破坏。背斜构造往往位于局部构造高部位，开采中易发生窜位，即气向高处或高渗区运移，水向低部位运移。解吸气向背斜构造顶部游离成藏，煤层气发生窜位，使得背斜高点气大、水少，甚至后期自喷。博文区块由盆地边缘到中心，含气量总体上逐渐增加，含气量与向斜构造具有良好的相关性，向斜构造轴部含气量高于两翼。煤层背斜轴部处于拉张的应力环境中，次生裂缝较为发育，上覆有利盖层条件下煤层气得到保存，两翼又是烃类供给指向区，易形成高渗、高含气、高饱和的高产富集区^[7-11]。

局部构造高部位高产富集主要是因为储层含气性和渗透性好。在成藏阶段，构造抬升使低部位煤层气解吸扩散至局部构造高部位再吸附或游离成藏；开发阶段，通过大面积区域开发井投产产气，造成地层压力的面积降压，吸附在煤层中的吸附气大量解析，这些解吸气向构造顶部“游离成藏”，稳产期延长^[12]。应力场数值模拟表明，煤岩力学性质弱，构造高部位受力后易应力集中，导致煤岩破碎，产生大量裂缝，改善煤层渗透性^[13-14]（图 6）。

图 6

图 6 博文区块局部构造高部位演化剖面 Fig. 6 Evolution profiles of local structural high positions in the Bowen block

博文盆地开发效果好的气田往往位于大型背斜或鼻状构造的局部构造高部位。博文区块Moranbah煤层气田位于宽缓向斜斜坡的褶皱局部高点上，气田单井产量高、开发效果好。

不同的水文地质单元对煤层气富集成藏的影响存在差异性。通常，滞流区由于地下水的循环交替较弱，首先，水溶解带走煤层气甲烷的数量较少，对煤层气保存非常有利；其次，滞流区储层压力较高，煤层吸附能力较强，有利于煤层气保存。地表径流方向与地层倾向一致时，地层超压或水动力封堵，成藏条件有利，且该水流方向有利于产甲烷菌群携入煤层从而产生生物气、增大含气量；地表径流方向与地层倾向相反时，地层欠压或水动力冲刷导致煤层气散失，成藏条件不利，且不利于产甲烷菌群携入，无生物气补给^[12-14]。位于博文区块斜坡的Moranbah煤层组主要处于弱径流区和承压区，且地表径流方向和地层倾向一致，地下水随着地层倾向流动，煤层埋深增加，径流速度放缓，煤层中向上扩散的气体将被封闭，地下水径流基本处于滞流状，有利于煤层气聚集成藏^[2]（图 7）。

图 7

图 7 博文区块煤层气水动力保存模式 Fig. 7 Hydrodynamic preservation model of CBM in the Bowen block

澳大利亚东邻太平洋板块俯冲消减带，整体处于挤压环境。应力资料显示博文盆地处于逆冲断裂应力机制下，挤压方向为NNE—SSW向，博文区块煤层最大水平主应力（SH）、最小水平主应力（Sh）、垂直应力（Sv）依次减小，即SH > Sh > Sv（图 8），与国内沁水盆地相比，处于较强应力环境。处于较弱应力环境下的沁水盆地，其垂直应力、最大水平主应力、最小水平主应力依次减小，即（Sv > SH > Sh）^[15-18]。根据博文区块煤层气井渗透率、有效应力及深度的统计分析发现，有效应力与埋深呈正相关（图 8），煤层渗透率与有效应力呈负相关。煤层渗透率主要取决于割理裂隙发育程度，而割理裂隙发育程度又受控于作用在煤岩上的有效应力大小。割理裂隙发育方向与现今主应力方向的关系决定割理裂隙开启状态，从而影响单井产量。

图 8

图 8 博文区块煤层应力与埋深关系图 Fig. 8 Relation between stress and burial depth of coal seams in the Bowen block

煤层气藏与常规油气藏不同，常规油气成藏需要烃源岩、储层、盖层、圈闭等条件，通常具有一到两个主控因素，但各成藏条件均有一票否决权；而煤层气藏具有连续性特征，很难说哪一个或两个成藏条件起控制作用^[19]。煤层气有利区评价参数复杂，有些指标可以采用定量的方法来度量，有些则不能用定量的数值来表达，如果仅用简单的评价模型，往往很难比较系统中各因素之间的优劣次序，应选用综合评价法进行评价。但通过科学的指标评价，可以确定有利区分级级别，针对不同有利区分级级别，优化勘探部署和退保地策略^[20-21]。通过煤层气富集主控因素及高产富集规律研究，结合博文区块煤层气勘探开发实践，确定了资源基础、富集因素、高产因素3个有利区评价指标。其中临储压力比是指临界解吸压力与原始地层压力的比值，一定程度上反映了煤层气井产气前的排水期长短。临储压力比高，煤层气井排水期短、见气快，早期排水费用降低；临储压力比低，见气前的排水期长，开发成本上升。每个一级评价指标下细化多个二级指标，建立煤层气有利区评价指标体系，如表 1所示。

表 1

表 1 博文区块有利区评价标准 Table 1 Evaluation criteria of favorable areas in the Bowen block 有利区评价指标 甜点区 有利区 不利区 资源基础 煤层单层厚度/m > 6 2~6 < 2 含气量/（m3·t-1） > 10 4~10 < 4 吸附饱和度/% > 80 40~80 < 40 资源丰度/(108m3·km-2) > 1.0 0.25~1.0 < 0.25 富集因素 构造条件 盆地斜坡区 局部高部位和斜坡位置 区块北部和中部 埋藏相对较深位置 区块东部和南部埋藏 较浅位置或露头区 沉积环境 冲积平原 上三角洲平原沼泽、下三角洲平原沼泽 浅海沼泽 泥炭沼泽 水文地质 承压区 弱径流—承压区 补给区 高产因素 渗透率/mD > 10 0.1~10 < 0.1 临储压力比 > 0.8 0.4~0.8 < 0.4

表 1 博文区块有利区评价标准 Table 1 Evaluation criteria of favorable areas in the Bowen block

甜点区煤层单层厚度一般大于6m，含气量大于10m³/t，吸附饱和度大于80%，资源丰度一般大于1.0×10⁸m³/km²，往往位于盆地斜坡区局部高部位和斜坡位置，沉积环境属于冲积平原泥炭沼泽，水文地质条件上一般处于承压区，渗透率一般大于10mD，临储压力比大于0.8，具有埋深浅、渗透率高、含气量高等特征。

有利区煤层单层厚度一般为2~6m，含气量为4~10m³/t，吸附饱和度为40%~80%，资源丰度为（0.25~1.0）×10⁸m³/km²，往往位于盆地边缘的断层上盘，沉积环境属于上三角洲平原沼泽和下三角洲平原沼泽，水文地质条件上一般处于弱径流—承压区，渗透率一般为0.1~10mD，临储压力比为0.4~0.8。勘探潜力较大，埋深适中，含气量较高，渗透率中等，是勘探潜力区。

不利区煤层单层厚度一般小于2m，含气量小于4m³/t，吸附饱和度小于40%，资源丰度小于0.25×10⁸m³/km²，往往位于盆地东部边缘埋深较浅位置或接近露头区，沉积环境属于浅海沼泽，水文地质条件上一般处于补给区，渗透率一般小于0.1mD，临储压力比小于0.4。勘探潜力小、煤层发育差，建议进行区块退地。

澳大利亚煤层气区块主要是按照澳大利亚2004年石油天然气法令进行管理，归口的政府管理部门是自然资源和矿产部。煤层气区块租地的许可证有以下3种^[22]：

（1）ATP(勘探区块)：英文全称为Authority To Prospect。最大区块面积相当于100个次级区块总面积，每个次级区块面积约为75km²。勘探区块的勘探年限一般为12年，每4年退还33.3%，已转成PL（Petroleum Lease，开发区块）的面积不在退还之列，如果不能完成义务工作量可能遭致惩罚性退地、罚金或失去区块。ATP按照投标者提出的义务工作量计划申请，政府授予区块后，要求作业者按照提交的勘探义务工作量进行勘探。

（2）PL（开发区块）：英文全称为Petroleum Lease。最大区块面积相当于3个次级区块总面积，约为225km²，开发区块的开发年限一般是30年，一旦申请成功就不需要清退。开发区块的申请需要以下条件：需要提交开发方案，并且在两年之内要求投产或者有相关的商业安排；要求有独立评估公司的储量评估报告，并且要求2P储量不少于总储量的20%；要求有土地主的许可和环境协议的批准。

（3）PCA（潜在商业区）：英文全称为Potential Commerical Area。最大区块面积相当于3个次级区块总面积，约为225km²。勘探区块经过勘探工作，完成义务工作量，认为有开发潜力，但不具备商业开发条件，向政府申请PCA；PCA的申请得到政府授权认可，变成PCA区块，可以暂时持有一段时间(5~15年)。潜在商业区是一种介于勘探区块和开发区块中间的租地状态。可以暂时持有一段时间，但如果无法转成PL，还是清退被政府收回。

博文区块煤层气资源潜力较大，但是经过多年的勘探评价，一直没有经济有效的开发方式来动用博文区块的煤层气资源。由于多年的开发，Moranbah气田近年来产气量存在无法满足合同供气量的风险。一部分不利区块由于资源潜力较差，距离核心区块较远，难以开发动用，且还有较大的义务工作量，持有该类区块负担较大。因此开展博文区块潜力分析，开展区块有利区分析来指导和优化勘探策略是项目面临的一个关键的问题。基于煤层气富集高产规律和有利区评价，将博文区块Moranbah煤层组分成甜点区、有利区和不利区(图 9)。甜点区主要位于Moranbah气田及其北部的邻近区块，甜点区煤层厚度大、含气性好、资源丰度大，在甜点区申请PL进行开发试采滚动评价，弥补Moranbah气田产量递减。有利区主要位于博文区块北部和中部，潜力较大、埋深适中、含气量较高、渗透率中等，是未来下一步的滚动开发区。在有利区块申请PCA来进行勘探保地和保留后备的勘探资源，也为今后博文区块潜在的大规模开发保证资源基础。不利区主要处于博文区块东部和南部，勘探潜力小、煤层发育差、具有一定的勘探义务工作量，在不利区建议进行区块退地，减免大量的义务工作量，减轻项目负担。

图 9

图 9 博文区块勘探有利区划分示意图 Fig. 9 Division map of favorable exploration areas in the Bowen block

基于博文区块区域地质背景资料，结合该区块煤层气井资料和实验分析等数据，对该区块煤层气富集规律和勘探策略进行了较为深入的研究，得出以下的结论和建议：

（1）以前对博文盆地煤层气富集规律集中在盆地构造和沉积控煤的方向。文章提出除了要考虑构造和沉积对博文区块煤层气富集的影响以外，水文地质条件和应力场也是两个需要关注的主控因素，这对博文区块后期滚动勘探开发的选区、选带和水平井的方向选择具有重要的指导意义。

（2）基于博文区块煤层气富集规律，确定了资源基础、富集因素、高产因素的综合评价体系，并厘定了定量评价指标，开展了博文区块的有利区划分。确定甜点区于Moranbah气田及其北部的邻近区块，有利区主要位于博文区块北部和中部，不利区主要处于博文区块东部和南部。并且基于澳大利亚的勘探区块管理规定，提出了下一步的勘探策略。

（3）博文区块的主力煤层组除了Moranbah煤层组以外，还有Rangal煤层组和Fort Cooper煤层组，今后需要综合研究这3个煤层组的煤层气富集规律和勘探策略。