準噶爾盆地阜康西區(qū)塊西山窯組構(gòu)造-水文地質(zhì)控氣特征

李　升，葛燕燕，楊雪松，李　鑫，傅雪海

（1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，烏魯木齊830046；2.新疆煤層氣工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊830046；3.新疆科林思德新能源有限責任公司，烏魯木齊830046；4.中國礦業(yè)大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州221000）

準噶爾盆地阜康西區(qū)塊西山窯組構(gòu)造-水文地質(zhì)控氣特征

李升1，2，葛燕燕1，2，楊雪松2，3，李鑫4，傅雪海4

（1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，烏魯木齊830046；2.新疆煤層氣工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊830046；3.新疆科林思德新能源有限責任公司，烏魯木齊830046；4.中國礦業(yè)大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州221000）

為查明準噶爾盆地阜康西區(qū)塊中侏羅統(tǒng)西山窯組煤層控氣地質(zhì)作用，依據(jù)區(qū)域性水文地質(zhì)邊界池鋼逆斷層，將區(qū)塊劃分為2個構(gòu)造單元，依據(jù)甲烷風化帶、水文地質(zhì)條件劃分出煤層氣富集單元。在對研究區(qū)構(gòu)造特征和水文地質(zhì)特征進行分析的基礎(chǔ)上，探討了構(gòu)造-水文地質(zhì)耦合控氣機制。研究結(jié)果表明，阜康西區(qū)塊西山窯組煤層氣富集是構(gòu)造-水文地質(zhì)耦合作用的結(jié)果，構(gòu)造運動使煤層發(fā)生動力變質(zhì)作用與深成變質(zhì)作用，有助于熱成因氣生成；燕山運動晚期與喜馬拉雅運動期水平擠壓運動產(chǎn)生的封閉性褶皺和逆沖斷層有助于煤層氣保存，燕山運動早期構(gòu)造抬升不利于原生生物成因煤層氣保存；地下水側(cè)向補給至高礦化度滯留區(qū)，煤層氣因水力封堵作用而富集。而中—淺部西山窯組煤層埋深小于600 m的斜坡帶則由于構(gòu)造抬升、較強的季節(jié)性徑流和蒸發(fā)，導致煤層氣逸散，同時氣候干旱導致的高礦化度地層水抑制次生生物成因氣生成，煤層氣含量相對較低。

準噶爾盆地；阜康西區(qū)塊；中侏羅統(tǒng)；西山窯組；煤層氣；構(gòu)造-水文地質(zhì)控氣作用；含氣量

新疆煤層氣預測資源量為9.5×1012m3，約占中國煤層氣預測總量的25%[1]，主要分布在準噶爾盆地、吐哈盆地、塔里木盆地和天山山間系列盆地中，是目前中國煤層氣開發(fā)的熱點地區(qū)和后備基地。阜康西區(qū)塊位于準噶爾盆地東南緣，天山東段北麓，煤層具“多層疊置”、“急傾斜”、“巨厚”、“低強度”的特殊地質(zhì)特征；含煤地層主要為下侏羅統(tǒng)八道灣組及中侏羅統(tǒng)西山窯組，八道灣組煤層與西山窯組煤層主要為低變質(zhì)煙煤（長焰煤和氣煤，研究區(qū)內(nèi)煤層最大鏡質(zhì)體反射率為0.77%）。阜康西區(qū)塊含煤層數(shù)多，煤層單層厚度大，是目前阜康礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)的主力地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計，阜康西區(qū)塊煤層氣資源豐度7.15×108m3/km2，資源量900.5×108m3，可采資源量180.1×108m3[2].位于研究區(qū)阜康向斜仰起端的CSD01井排采目的層為八道灣組煤層，受控于仰起端轉(zhuǎn)折部位發(fā)育的裂隙帶及逆斷層的封閉作用與水力封堵作用，CSD01井鉆遇下侏羅統(tǒng)八道灣組儲集層甲烷含量高，滲透性好，連續(xù)3年平均日產(chǎn)氣量近10 000m3，最高日產(chǎn)氣量17 125 m3[3]，成為中國煤層氣產(chǎn)量最高的直井。研究區(qū)西山窯組煤層氣開發(fā)尚處于初步勘探階段，其煤層氣賦存機制尚未厘定，控氣地質(zhì)特征尚未查明。本文從構(gòu)造-水文地質(zhì)條件著手，分析了阜康西區(qū)塊西山窯組煤系構(gòu)造、水文地質(zhì)控氣作用，探討了煤層氣藏成藏機制，以期豐富中國西北地區(qū)煤層氣富集成藏理論，為新疆煤層氣勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1　含煤特征

研究區(qū)內(nèi)地層自下而上為二疊系、三疊系、侏羅系、新近系和第四系。含煤巖系為中侏羅統(tǒng)西山窯組和下侏羅統(tǒng)八道灣組（圖1）。

西山窯組厚度大于0.30 m的煤層17層，煤層編號從上到下依次為28—45號。主要可采煤層4層（38號，41號，43號和45號煤層），局部可采煤層1層（40號煤層）。西山窯組平均厚486.71 m，煤層平均總厚44.31 m，含煤系數(shù)（煤層總厚度與含煤巖系總厚度之比）9.10%.西山窯組按巖性組合、聚煤特征及煤層穩(wěn)定性可分2段：上段（43號煤層頂板以上）平均厚度304.26 m，以淺湖相灰色、深灰—黑灰色粉砂巖和泥巖為主，中部夾薄層菱鐵礦層，含煤層14層，煤層總厚度0～13.36 m，平均總厚度10.15 m，多不可采，含煤系數(shù)3.33%，體現(xiàn)出旋回頻繁，沉積環(huán)境不穩(wěn)定，沉降幅度不大的特點；下段（43號煤層頂板以下）平均厚度182.45 m，以湖濱沼澤相灰色、深灰色粉砂巖、細砂巖互層組成，發(fā)育2層特厚煤層（43號和45號煤層），煤層附近富含植物化石，含煤層7層，煤層總厚28.26～42.20 m，平均總厚34.16 m，含煤系數(shù)18.77%，體現(xiàn)出成煤環(huán)境較穩(wěn)定，成煤后沉降幅度大的特點。

2　構(gòu)造特征及構(gòu)造單元劃分

阜康西區(qū)塊構(gòu)造上位于準噶爾盆地東南緣博格達山山前斷褶帶，西至阜康礦區(qū)西界，東至四工河，南至南阜康向斜軸線，北至阜康逆掩斷層（圖2）。受南部博格達復背斜的推覆，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為復雜，主要褶皺有阜康背斜（M1）、阜康向斜（M2）、南阜康背斜（M3）、南阜康向斜（M4），主要斷層有水磨河—李家莊斷層（F1）、阜康逆掩斷層（F2）、池鋼逆斷層（F3）、南池鋼逆斷層（F4）、南阜康向斜壓扭性斷層（F5）、南阜康背斜北翼走向斷層（F6）、夾皮溝逆斷層（F7）等（圖2）。

圖1　阜康西區(qū)塊煤系綜合柱狀剖面

阜康西區(qū)塊南阜康背斜伴生的池鋼逆斷層（F3）幾乎與南阜康背斜軸線重合，斷層斷距約300 m，為高角度逆斷層，研究區(qū)內(nèi)81-2，85-13，86-5，86-8等鉆孔在揭露斷層帶時沖洗液無明顯消耗或涌水現(xiàn)象，透水性差，局部見斷層角礫巖，斷層兩側(cè)導水性差。因此，南阜康背斜與池鋼逆斷層共同構(gòu)成了區(qū)塊構(gòu)造分區(qū)標志，將西山窯組分為Ⅰ構(gòu)造單元和Ⅱ構(gòu)造單元（圖3），兩個構(gòu)造單元的水文地質(zhì)特征差異較大。

圖2　阜康西區(qū)塊構(gòu)造特征

圖3　阜康西區(qū)塊西山窯組控煤構(gòu)造及分區(qū)

3　構(gòu)造-水文地質(zhì)控氣作用

3.1甲烷含量特征

阜康西區(qū)塊西山窯組煤層甲烷含量隨埋深增加而增加，但當埋深大于1 000 m后，甲烷含量趨向于不變或減?。▓D4）。甲烷體積分數(shù)在煤層埋深小于600m時普遍小于70%，且甲烷含量基本小于2 m3/t（圖5）。一般對于低變質(zhì)煙煤，甲烷含量小于2 m3/t處即為甲烷風化帶，前人一般將甲烷體積分數(shù)小于80%處定義為甲烷風化帶[4]，基于中國低煤級儲集層甲烷含量普遍不高的現(xiàn)狀，筆者認為甲烷體積分數(shù)小于70%即為甲烷風化帶?？梢娂淄楹啃∮? m3/t處甲烷體積分數(shù)基本也小于70%（圖5）。阜康西區(qū)塊甲烷風化帶在埋深600 m左右，較中國中高煤級地區(qū)及美國中低煤級地區(qū)普遍偏深[5-7]，埋深小于600 m的中—淺部含氣性較差，甲烷體積分數(shù)低，煤層氣開發(fā)經(jīng)濟效益低。據(jù)此進一步將Ⅰ構(gòu)造單元劃分為Ⅰ-1和Ⅰ-2煤層氣富集單元，把Ⅱ構(gòu)造單元劃分為Ⅱ-1和Ⅱ-2煤層氣富集單元（圖3）。Ⅰ-2和Ⅱ-2煤層氣富集單元的煤層埋深小于600 m，處于甲烷風化帶，甲烷體積分數(shù)低，甲烷含量也低，而Ⅰ-1與Ⅱ-1煤層氣富集單元煤層埋深大于600 m，甲烷含量較高。

圖4　阜康西區(qū)塊西山窯組煤層埋深與甲烷含量的關(guān)系

圖5　阜康西區(qū)塊西山窯組煤層甲烷含量與甲烷體積分數(shù)的關(guān)系

3.2構(gòu)造及其控氣作用

早侏羅世早期和中侏羅世早期，印支運動后，構(gòu)造運動相對減弱，形成了八道灣組和西山窯組2個重要的含煤建造。含煤建造形成之后，主要經(jīng)歷了燕山運動和喜馬拉雅運動的改造作用。燕山運動以垂直運動為主，并有由東向西的遷移性，燕山運動早期垂直構(gòu)造運動發(fā)生于早侏羅世—中侏羅世，使得阜康西區(qū)塊北部抬升。晚侏羅世燕山運動主要為水平構(gòu)造運動，研究區(qū)內(nèi)發(fā)生了強烈的褶皺斷裂，強烈的擠壓作用下，阜康礦區(qū)由南向北形成了南阜康向斜、南阜康背斜、阜康向斜和阜康背斜，同時形成了博格達推覆構(gòu)造和水磨河—李家莊斷層（F1）。褶皺的表現(xiàn)形式主要為緊密的歪斜褶曲，軸面向山體方向傾斜。背斜和向斜均表現(xiàn)為靠山體的一翼陡，傾角一般70°～80°，局部有倒轉(zhuǎn)，另一翼傾角一般35°～55°.斷層以北東—南西向和近東西向的逆沖斷層為主，斷面南傾，呈疊瓦狀，淺部陡，向深部變緩，反映了推覆構(gòu)造的特點。喜馬拉雅運動主要表現(xiàn)為天山的強烈擠壓、扭動，使其大幅度抬升，煤系呈帶狀出露，同時加劇了博格達逆沖推覆構(gòu)造的復雜程度，在山前形成了阜康逆掩斷層（F2）。

阜康西區(qū)塊西山窯組煤層鏡質(zhì)體反射率為0.46%～0.77%，主要為長焰煤和氣煤。構(gòu)造對阜康西區(qū)塊煤層氣藏的控制主要表現(xiàn)在以下6個方面。第一，煤層形成以來經(jīng)歷燕山、喜馬拉雅2次構(gòu)造運動，煤層經(jīng)歷深成變質(zhì)作用和動力變質(zhì)作用，尤其燕山運動晚期及喜馬拉雅運動期水平構(gòu)造運動形成了緊密的歪斜褶曲，煤層經(jīng)受強烈擠壓作用，有助于煤層受熱生氣，煤層由褐煤逐漸向長焰煤及氣煤演化并生成了一定量的熱成因煤層氣。據(jù)文獻［8］和文獻［9］研究，最大鏡質(zhì)體反射率為0.70%時，主要生成熱裂解濕氣，熱裂解濕氣可占熱成因氣總量的10%.第二，喜馬拉雅運動期水平構(gòu)造運動加劇了博格達推覆構(gòu)造，使阜康西區(qū)塊內(nèi)發(fā)育了一系列近東西向的逆沖推覆斷層，推覆體及推覆面構(gòu)成良好的區(qū)域構(gòu)造封閉系統(tǒng)，對煤層氣的賦存起到良好的封閉作用，但離露頭近的斷層對煤層氣賦存封閉作用不明顯，甲烷含量相對較低，隨著埋深增大，甲烷含量逐漸增大，由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，也存在煤層甲烷含量局部增高現(xiàn)象。這也是阜康西區(qū)塊西山窯組煤層埋深小于600 m甲烷含量低，而埋深大于600 m含氣性相對較好的原因。第三，燕山運動早期垂直構(gòu)造運動使得阜康西區(qū)塊整體抬升，上覆地層不斷被剝蝕，煤層埋藏深度減小，對煤層氣的逸散有利，早期原生生物成因煤層氣不易保存。第四，擠壓作用使煤體產(chǎn)生變形，受熱生氣的同時，儲集層物性發(fā)生改變，形成了不同煤體結(jié)構(gòu)類型，不同煤體結(jié)構(gòu)類型甲烷含量存在差異。第五，隨煤巖變質(zhì)程度的增加，煤巖大孔趨向于被壓實，而小孔與微孔開始發(fā)育，有利于提高孔隙比表面積，增加了煤巖表面吸附甲烷的能力。第六，擠壓運動形成的南池鋼逆斷層及南阜康背斜，作為封閉性斷層和區(qū)域構(gòu)造高點，成為地下水分水嶺，對水文地質(zhì)條件產(chǎn)生顯著影響，斷層兩側(cè)地下水連通性差，從而影響煤層的甲烷含量。

3.3水文地質(zhì)控氣作用

水文地質(zhì)控氣作用主要為3種類型：水動力逸散控氣作用、水動力封閉控氣作用和水動力封堵控氣作用[10-11]。地下水動力場控制煤層氣的運移、逸散、封閉、封堵等，地下水化學場表征地下水的徑流和滯留，反映煤層氣富集程度[12]，且二者具有密切相關(guān)性。一般來說，地下水水力封堵氣藏區(qū)域儲集層含氣性較好，在水動力頻繁交換區(qū)域含氣性較差[13]。

阜康西區(qū)塊西山窯組頂部發(fā)育泥巖、粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，下侏羅統(tǒng)三工河組上部主要發(fā)育泥巖及粉砂質(zhì)泥巖，西山窯組可視為獨立的水文開發(fā)單元，與其他含水層聯(lián)系較差，主要受側(cè)向補給影響。此外，西山窯組頂部發(fā)育的泥巖、粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖具有較好的封蓋性。

美國粉河盆地煤層氣開發(fā)實踐表明，構(gòu)造的高部位會因生物氣二次運移而富集，甲烷含量和含氣飽和度較高，鉆井深度一般不超過300 m，產(chǎn)氣量為110～5 976 m3/d，產(chǎn)水量為45～69 m3/d，尤其是砂巖體附近與差異壓實作用有關(guān)的構(gòu)造高點、緊閉褶皺形成的構(gòu)造高點以及煤層上傾尖滅的部位，并在這些部位伴生被非滲透性頁巖所圈閉的游離氣[4,6]。而阜康西區(qū)塊第四紀以來缺乏大陸型的冰川覆蓋，蒸發(fā)量大于降雨量，氣候干旱，地層水缺乏補給，礦化度很高（圖6中L38采樣點礦化度5 474 mg/L，G45采樣點礦化度4 916 mg/L），煤層產(chǎn)甲烷菌無法大量繁殖，無法補充次生生物煤層氣[14-15]，造成淺部煤層中甲烷含量低，形成了較深的甲烷風化帶下限。阜康西區(qū)塊西山窯組煤層埋深較淺，主要分布在阜康向斜兩翼斜坡帶和南阜康向斜南翼斜坡帶，次生生物氣匱乏也是研究區(qū)埋深小于600 m處西山窯組煤層甲烷含量較低的原因。

西山窯組含煤段靠近周緣山系接受大氣降水補給，在露頭附近形成季節(jié)性徑流，沿煤層下傾方向徑流逐漸減弱，形成緩流，在蒸發(fā)未波及地帶，向下緩流的地下水對熱成因煤層氣的向上逸散起封堵作用，使得阜康向斜西山窯組地下水滯留帶煤層氣富集成藏。AA'剖面與BB'剖面反映了滯留帶甲烷含量與甲烷體積分數(shù)較高（圖3，圖6，圖7）。按照地層水化學類型蘇林分類法，阜康西區(qū)塊西山窯組地下水主要為Na2SO4型水，礦化度較高，在淺部抑制次生生物成因氣生成，在深部則有利于地下水滯留帶煤層氣的富集。

圖6　阜康西區(qū)塊水文地質(zhì)條件控氣示意（剖面位置見圖3）

圖7　阜康西區(qū)塊西山窯組地下水滯留帶（剖面位置見圖3）甲烷含量和甲烷體積分數(shù)特征

3.4構(gòu)造-水文地質(zhì)耦合控氣作用討論

阜康西區(qū)塊西山窯組煤層氣富集是多種因素耦合作用的結(jié)果，泥炭沉積奠定了煤層氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)，成煤作用后構(gòu)造演化致使煤層發(fā)生動力變質(zhì)作用與深成變質(zhì)作用，有助于產(chǎn)生熱成因煤層氣，同時燕山運動晚期與喜馬拉雅運動期水平擠壓運動產(chǎn)生具封閉性的褶皺和逆沖斷層，有助于煤層氣保存；而燕山運動早期構(gòu)造抬升使煤層埋深減小，蓋層厚度變薄，則不利于原生生物成因煤層氣保存。擠壓運動產(chǎn)生的池鋼逆斷層（F3）為地下水封閉性邊界，影響了西山窯組地下水運移及其對煤層氣藏的封堵作用。第四紀以來，區(qū)塊氣候干燥，蒸發(fā)量遠大于降雨量，含水層側(cè)向補給受限，高礦化度地下水抑制了次生生物成因氣生成，同時地下水側(cè)向補給至高礦化度滯留區(qū)，煤層氣因水力封堵作用而富集成藏。而淺部埋深小于600 m則由于構(gòu)造抬升、較強的季節(jié)性徑流和蒸發(fā)，有助于煤層氣的逸散，同時高礦化度地層水抑制次生生物成因氣生成，因而埋深小于600 m區(qū)域煤層甲烷含量相對較低。

3.5勘探開發(fā)建議

阜康西區(qū)塊西山窯組已初步開展煤層氣勘探開發(fā)，位于阜康向斜軸部的FK1井、FK5井和FK6井日產(chǎn)氣均小于500 m3/d，屬于低產(chǎn)煤層氣井。由于西山窯組煤層甲烷風化帶深，勘探開發(fā)首先應(yīng)避開甲烷風化帶，宜在中部（埋深600～1 000 m）及深部（埋深大于1 000 m）儲集層包括阜康向斜軸部（Ⅰ-1煤層氣富集單元）及南阜康背斜南翼（Ⅱ-1煤層氣富集單元）尋找水力封堵型或逆斷層封堵型煤層氣藏，可開展三維地震查明斷層發(fā)育情況；在此基礎(chǔ)上，尋找裂隙發(fā)育帶成為煤層氣井高產(chǎn)的關(guān)鍵，可通過已開發(fā)八道灣組煤層氣井測井曲線對煤體結(jié)構(gòu)及滲透性的響應(yīng)，建立適合阜康西區(qū)塊的高產(chǎn)井與低產(chǎn)井的測井反演滲透性地質(zhì)模型，并部署新的勘探井，在上述水力封堵型或斷層封堵型煤層氣藏中尋找高滲區(qū)；再次，開發(fā)過程中宜實施N2泡沫壓裂或清潔壓裂液壓裂技術(shù)，增加煤層滲透性；亦可開展煤系地層致密砂巖氣勘探，實施煤層氣與致密砂巖氣共探共采，以有效提高西山窯組煤層氣井產(chǎn)量。

4　結(jié)論

（1）西山窯組煤層成煤后經(jīng)歷多期次構(gòu)造運動有助于熱成因氣生成，燕山運動晚期與喜馬拉雅運動期擠壓運動產(chǎn)生的封閉性構(gòu)造有助于煤層氣保存。

（2）Ⅰ-2和Ⅱ-2煤層氣富集單元由于構(gòu)造抬升、季節(jié)性徑流和蒸發(fā)，大部分煤層氣逸散，且高礦化度地層水抑制次生生物成因氣生成，甲烷含量相對較低；Ⅰ-1和Ⅱ-1煤層氣富集單元由于地下水側(cè)向補給至高礦化度滯留區(qū)，熱成因煤層氣因水力封堵作用而富集。

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（編輯曹元婷）

Gas?Controlling Characteristics of Structural and Hydrogeological Factors in Xishanyao Formation of Western Fukang Block,Junggar Basin

LI Sheng1,2,GE Yanyan1,2,YANG Xuesong2,3,LI Xin4,FU Xuehai4
（1.School of Geology and Mining Engineering,Xinjiang University,Urumqi,Xinjiang 830046,China;2.Xinjiang Research Center of Coalbed Methane Engineering and Technology,Urumqi,Xinjiang 830046,China;3.Cleanseed Energy Limited Liability Company,Urumqi, Xinjiang 830046,China;4.MOE Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir?Forming,China University of Mining& Technology,Xuzhou,Jiangsu 221000,China)

In order to understand the geological gas?controlling functions in the coalbeds of the Middle Jurassic Xishanyao formation in western Fukang block,Junggar basin,the block is divided into 2 structural units according to the regional hydrogeological boundary??Chi?gang reverse fault and CBM?rich units are classified based on methane weathering zone and hydrogeological conditions.Based on the analy?sis of structural and hydrogeological features,the paper discusses the coupled structural?hydrogeological gas?controlling mechanism.The study results show that the enrichment of CBM in the Xishanyao formation of western Fukang block should be the product of the coupled functions of structure and hydrogeology conditions.Tectonic movements resulted in dynamic metamorphism and plutonic metamorphism in coalbeds,which are helpful for the generation of thermogenic gas;the sealed folds and thrust faults resulted from horizontal compression in the late Yanshan movement and Himalayan movement contributed to CBM preservation,whereas the tectonic uplift in the early Yanshan movement was not conductive to primary biogenic gas preservation;CBM accumulation by hydraulic seal occurred due to the lateral charg?ing of groundwater into the stagnation areas with high salinity.CBM losses in the coalbeds with the burial depth lower than 600 m in the middle?upper Xishanyao formation were caused by tectonic uplift,relatively strong seasonal runoff and evaporation.Meanwhile,high?salini?ty formation water due to arid climate restrained the generation of secondary biogenic gas,resulting in the low content of CBM.

Junggar basin;western Fukang block;Middle Jurassic;Xishanyao formation;coalbed methane;structural?hydrological gas?controlling function;gas content

TE112.23

A

1001-3873（2016）06-0631-06

10.7657/XJPG20160602

2016-06-18

2016-09-09

新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲杏媱澢嗄杲處熆蒲袉踊穑╔JEDU2013S05）；新疆維吾爾自治區(qū)青年自然科學基金（2015211C281）；國家科技重大專項（ZX201605043）

李升（1980-），男，新疆庫爾勒人，副教授，博士，煤層氣勘探開發(fā)，（Tel）18699071866（E-mail）lisheng2997@163.com