準(zhǔn)東煤田西山窯組煤層氣成藏條件探討

劉柏根

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 710077)

準(zhǔn)東煤田位于新疆昌吉回族自治州，是新疆四大煤炭基地之一，面積約2.18萬km2，煤田煤炭探明儲(chǔ)量達(dá)2136×108t，是我國(guó)目前最大的整裝煤田，也預(yù)示著其煤層氣勘探開發(fā)具有良好的前景。準(zhǔn)東煤田為低煤階煤、主要為褐煤分布，目前關(guān)于該區(qū)的煤層氣成藏條件等研究還比較少，這很大程度上影響了準(zhǔn)東煤田煤層氣資源潛力評(píng)價(jià)和煤層氣開發(fā)項(xiàng)目的進(jìn)一步開展，導(dǎo)致該區(qū)煤層氣勘探開發(fā)至今沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

準(zhǔn)東煤田含煤地層為下侏羅統(tǒng)的八道灣組和中侏羅統(tǒng)的西山窯組，其中西山窯組為本區(qū)主要含煤地層;西山窯組含煤層數(shù)較多，一般含煤3～26層，純煤層總厚5～80m，是我國(guó)少見的煤層厚度異常大的地區(qū)，研究準(zhǔn)東煤田西山窯組煤層氣成藏條件，具有重要的意義。一般來說，煤層氣成藏包括生、儲(chǔ)、保三個(gè)條件，成藏生氣是基礎(chǔ)，儲(chǔ)集是保障，保存是根本。本文即從這幾個(gè)方面探討準(zhǔn)東煤田西山窯組煤層的煤層氣成藏條件，為今后煤田煤層氣研究及勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 煤層氣生氣特征

生氣能力是煤層含氣的基礎(chǔ)，煤的生氣能力主要由煤的物質(zhì)組成和變質(zhì)程度決定。準(zhǔn)東地區(qū)西山窯組煤是在水退早期湖泊三角洲平原沼澤化基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，聚煤期植物群主要為高大的蕨類植物，煤的成因類型為腐殖煤類。西山窯組煤大部分為褐煤，有一定數(shù)量的長(zhǎng)焰煤，少量氣煤。褐煤階段，可以生成一定數(shù)量的生物成因甲烷和少量熱成因甲烷;長(zhǎng)焰煤和氣煤階段，以熱成因甲烷氣和煤層埋藏階段的次生物甲烷氣為主。因此準(zhǔn)東地區(qū)甲烷氣主要為生物成因甲烷和熱成因甲烷氣，次生物成因甲烷氣受構(gòu)造演化和埋深等影響，僅占很小比例。準(zhǔn)東煤田煤層煤變質(zhì)作用方式幾乎全部為深成變質(zhì)，總體上符合希爾特定律，煤儲(chǔ)層埋深越大，煤級(jí)越高。從成煤演化過程看，煤層氣主要包括褐煤階段的原生生物甲烷氣、長(zhǎng)焰煤－氣肥煤階段的熱成因甲烷氣和煤層埋藏階段的次生生物甲烷氣三種成因甲烷氣，前兩種為主，形成原生煤層氣藏。根據(jù)中煤科工集團(tuán)西安研究院以往煤的熱模擬生烴試驗(yàn)結(jié)果，褐煤階段的總生氣量為38～68m3/t，長(zhǎng)焰煤階段總生氣量為41～93 m3/t，因此推測(cè)準(zhǔn)東煤田西山窯組煤層的生氣能力應(yīng)該很高。

表1 準(zhǔn)東煤田中部西山窯組主要煤層煤巖測(cè)定結(jié)果表

由西山窯組煤層的煤巖特征 (表1)、煤質(zhì)特征 (表2)可以看出，準(zhǔn)東地區(qū)西山窯組煤有機(jī)質(zhì)含量一般在85%～95%，有機(jī)顯微組分基本都在80%以上;煤的灰分產(chǎn)率都很低，基本屬于低－中灰煤，因此，該煤田西山窯組煤層具有大規(guī)模生氣的物質(zhì)條件。

表2 中部煤質(zhì)測(cè)定結(jié)果表

2 煤層氣儲(chǔ)氣特征

圖1 煤田西山窯組煤的等溫吸附曲線

煤層的吸附性能決定了煤層氣的賦存狀態(tài)和儲(chǔ)集能力。由西山窯組煤等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果 (圖1、表3)表明，準(zhǔn)東煤田不同區(qū)塊煤層的吸附能力有所差異，西部五彩灣礦區(qū)的空氣干燥基Langmuir體積最大，為11.2m3/t，其次為中部北山煤窯和大井地區(qū)，空氣干燥基 Langmuir體積分別為9.12m3/t、8.0m3/t;東部老君廟礦區(qū)空氣干燥基Langmuir體積為6.83m3/t，可見準(zhǔn)東地區(qū)西山窯組煤層吸附量較小;Langmuir體積總體上也低于我國(guó)其他地區(qū)相同煤級(jí)煤，表明煤田西山窯組煤的吸附能力偏低。

表3 準(zhǔn)東地區(qū)西山窯組煤的等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果

煤的吸附量與Langmuir壓力大小有關(guān)，Langmuir壓力越小，吸附量越大，煤層甲烷的儲(chǔ)存量也越大。煤變質(zhì)程度越低，Langmuir壓力越大，我國(guó)褐煤、長(zhǎng)焰煤、氣煤Langmuir壓力平均分別為8.31MPa、6.39MPa、3.63MPa。由等溫吸附測(cè)試結(jié)果，北山煤窯、老君廟與我國(guó)其他地區(qū)Langmuir壓力大小相近，五彩灣則遠(yuǎn)高于我國(guó)其他地區(qū)同煤級(jí)煤的Langmuir壓力值。

總體上，準(zhǔn)東煤田西山窯組煤的吸附能力偏低，導(dǎo)致煤層的儲(chǔ)氣能力低。

3 煤層氣保存條件

3.1 煤層氣埋藏史

準(zhǔn)東煤田煤層氣埋藏史與準(zhǔn)噶爾盆地一致。侏羅系煤層形成后，在晚侏羅世，盆地受燕山運(yùn)動(dòng)影響，盆地開始抬升，沉積范圍收縮，沉積了一套由細(xì)變粗的碎屑巖層，頂部為磨拉石建造。盆地西北部抬升幅度大，缺失了上侏羅統(tǒng)，中侏羅統(tǒng)上部也遭部分剝蝕。盆地南部仍為沉降中心，沉積了較厚的上侏羅統(tǒng)。由于氣候轉(zhuǎn)為干旱，巖性也變?yōu)橐约t色為主的雜色泥砂巖互層夾凝灰?guī)r。晚侏羅世晚期，盆地進(jìn)一步抬升，大部分地區(qū)均受剝蝕而成為準(zhǔn)平原狀態(tài)。

白堊紀(jì)，準(zhǔn)噶爾盆地開始沉降，沉積范圍有所擴(kuò)大，沉降中心由北偏移至盆地中部一帶，最大幅度達(dá)3000m，沉積了一套干旱炎熱氣候條件下的河湖相雜色砂泥巖及紅色礫巖。

新近系，在白堊紀(jì)拗陷上繼續(xù)接受沉積，但沉積面積有所減小，沉降中心也遷移至西南部安集海一帶，最大沉降幅度達(dá)5000m，仍以河湖相沉積為主。該階段，早期為抬升剝蝕，其后則均為沉降并接受沉積，累計(jì)沉積最大厚度近萬米，從而造就了侏羅系煤層必不可少的蓋層，也提供了較好的埋深條件。

第四系，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)使盆地及其周邊山區(qū)受到強(qiáng)烈擠壓，盆地邊緣山區(qū)再度隆起上升，并向盆內(nèi)推覆，產(chǎn)生了一系列向盆內(nèi)逆沖的推覆斷裂。盆地東部由于是陸緣盆地，蓋層較薄，產(chǎn)生了寬緩褶皺;盆地南部由于一直是拗陷區(qū)，產(chǎn)生了雁行排列的線狀褶皺。盆地于早更新世后受周邊擠壓更強(qiáng)烈而整體抬升，結(jié)束了沉積歷史，形成現(xiàn)今格局。

綜上所述，準(zhǔn)東煤田西山窯組煤層形成后主要經(jīng)歷了抬升－沉降－抬升一系列過程，導(dǎo)致構(gòu)造演化過程中煤層中氣體有較大程度的逸散。

3.2 煤層圍巖的封閉性

良好的封蓋層可以保持地層壓力，使煤層氣以吸附狀態(tài)存在，減少游離氣的散失，從而使煤層氣得以保存和富集。

準(zhǔn)東煤田西山窯組主要由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和煤層組成，厚度70～390m，平均182m左右。上覆的石樹溝群主要為砂巖、泥巖、礫巖，厚度超過118～901m，與下伏西山窯組一般呈平行不整合接觸。煤系及上覆地層對(duì)煤層氣保存有利。

圖2 煤田中部地區(qū)主要煤層頂板巖性分布圖

西山窯組煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，另有粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖、砂巖。東部地區(qū)頂板以泥巖、粉砂巖類巖石為主，底板以泥巖、含炭泥巖為主;中部地區(qū)頂板以泥巖、粉砂巖類巖石為主、個(gè)別高炭泥巖，底板以泥巖、含炭泥巖、粉砂巖類巖石為主 (圖2、圖3);西部地區(qū)頂板巖性以泥巖、炭質(zhì)泥巖、中、細(xì)砂巖為主，局部為粉砂巖、粗砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、偶見炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖偽頂，底板多為泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，可見含炭泥巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粉砂巖，偶見有泥巖、炭質(zhì)泥巖偽底。從煤層頂?shù)装鍘r性角度分析，西山窯組煤層的封閉性較好。

圖3 煤田中部地區(qū)主要煤層底板巖性分布圖

3.3 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣開發(fā)具有重要的影響，主要表現(xiàn)為:對(duì)煤層氣具有保存作用、影響煤儲(chǔ)層壓力和煤層滲透性的分布、影響煤層氣開發(fā)施工及各項(xiàng)工藝。水文地質(zhì)控氣作用主要體現(xiàn)在3種類型:水動(dòng)力遷移、水動(dòng)力封閉和水動(dòng)力封堵控氣作用。關(guān)于準(zhǔn)東煤田的水動(dòng)力研究，崔思華等認(rèn)為煤田水動(dòng)力封閉主要在昌吉凹陷，水動(dòng)力封堵主要在盆地南緣，而盆地東南部、西北緣和東北緣則主要表現(xiàn)為水動(dòng)力遷移。

圖4 煤田地下水動(dòng)力與煤層氣關(guān)系示意圖

準(zhǔn)東地區(qū)地下水由東北向西南運(yùn)移逕流，與煤層氣運(yùn)移方向相反 (圖4)。地下水在流動(dòng)過程中，可能形成新的壓力屏障，阻止煤層氣的運(yùn)移;并形成一個(gè)氣水界面，在此界線以上，煤層以含水為主，煤層氣含量較低，在此界線以下，煤層以含氣為主。因此推測(cè)在深部煤層中，可能會(huì)發(fā)生煤層氣的二次吸附，達(dá)到平衡狀態(tài)，煤層氣含量增高。

4 結(jié)語

研究準(zhǔn)東煤田煤層氣成藏條件，有助于了解煤田煤層氣的富集分布規(guī)律，從而為今后煤層氣開發(fā)部署、開發(fā)工藝選擇、排采方案制定提供重要的信息和支撐。本文即從煤層氣成藏生、儲(chǔ)、保三要素出發(fā)，探討了準(zhǔn)東煤田西山窯組煤層的煤層氣成藏條件，認(rèn)為西山窯組煤層生氣條件較好，儲(chǔ)氣條件相對(duì)較差，構(gòu)造演化時(shí)期煤層氣有較大程度的損失，但現(xiàn)今圍巖及上覆巖層保存條件較好，地下水動(dòng)力條件對(duì)煤層氣保存都比較有利。

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