烏魯木齊-大黃山地區(qū)煤層氣成藏條件及富集規(guī)律

賈秉義

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

烏魯木齊-大黃山地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段，區(qū)內(nèi)含煤地層為侏羅紀(jì)下統(tǒng)八道灣組和中統(tǒng)西山窯組。主要以中低變質(zhì)煤為主，煤層厚度大，含氣量高，煤層氣資源豐富。區(qū)內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)正火熱進(jìn)行著，但是開采效果不甚理想[1-2]。煤層氣井產(chǎn)氣量差異明顯，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)井甚少，部分井甚至不產(chǎn)氣。因此，在了解煤層氣儲層特征的基礎(chǔ)上更要對其富集條件和富集規(guī)律進(jìn)行分析研究。煤層氣富集必須具備“生氣、儲集、保存”3個(gè)條件，氣源條件是煤層氣富集的基礎(chǔ)，儲集能力是煤層氣富集的基本條件，保存條件則直接決定了煤層氣能否富集[3-4]。

1 煤儲層生氣能力

煤層生氣能力除和埋藏史和熱演化史有關(guān)外，還與煤巖顯微組分含量有重要關(guān)系。前人根據(jù)常規(guī)油氣鉆井揭露的地質(zhì)資料，對準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系煤儲層埋藏史和熱演化史進(jìn)行了恢復(fù)研究，確定了古今地溫，反演了煤儲層在地質(zhì)歷史時(shí)期的鏡質(zhì)組反射率[5]。在此基礎(chǔ)上，秦勇[6]等對現(xiàn)有資料進(jìn)一步處理和模擬計(jì)算，恢復(fù)了八道灣組和西山窯組煤儲層熱演化史。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合盆地構(gòu)造演化條件，分析準(zhǔn)噶爾盆地煤儲層的生氣能力和生氣史。研究區(qū)從早白堊紀(jì)末期開始進(jìn)入有效生氣階段，此時(shí)煤儲層Rmax值為 0.50%～0.80%，主要為長焰煤、含少量氣煤。

煤的有機(jī)顯微組分中殼質(zhì)組的生氣能力最強(qiáng)，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組最差。研究區(qū)煤層鏡質(zhì)組含量普遍較高，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組最少。八道灣組煤儲層的殼質(zhì)組含量整體上大于西山窯組，阜煤1井最大達(dá)到24%，而米泉鐵廠溝煤礦西山窯組最大僅為8.5%。八道灣組煤儲層殼質(zhì)組含量自西向東逐漸變大，西山窯組除米泉較高外，其他地區(qū)均稍差。反映到生氣能力上就是八道灣組的生氣能力自西向東增大，總體上大于西山窯組，西山窯組煤儲層除米泉地區(qū)生氣能力較強(qiáng)外，其他地區(qū)稍差。

晉香蘭[7]等研究認(rèn)為我國長焰煤的產(chǎn)氣率為38～68m3/t，且煤級越高，產(chǎn)氣率越高，這遠(yuǎn)高于當(dāng)前煤層含氣量的測試數(shù)據(jù)，由此可見煤層生氣能力對煤層氣能否富集影響較小。

2 煤層氣儲集條件

煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤儲層中，煤儲層對煤層氣的吸附屬于物理吸附，吸附量與儲層壓力呈非線性關(guān)系，具體可用 Langmuir 等溫吸附方程來表示。研究區(qū)西山窯組煤儲層空氣干燥基Langmuir體積18.18～25.77m3/t，平均22.2m3/t，干燥無灰基Langmuir體積21.45～30.85m3/t，平均24.7m3/t；八道灣組空氣干燥基Langmuir體積21.49～32.34m3/t，平均25.87m3/t，干燥無灰基Langmuir體積23.36～33.99m3/t，平均28.01m3/t。總體而言，八道灣組煤儲層的吸附性要好于西山窯組，有利于煤層氣的富集。平面上西山窯組煤儲層吸附性自西向東，由淺向深總體上呈增大趨勢；八道灣組煤儲層的吸附性大黃山地區(qū)較三工河地區(qū)略高。

3 煤層氣保存條件

煤層氣的富集除了具有良好的生、儲條件之外，保存條件同樣重要。煤層氣藏的保存受煤層自身發(fā)育情況、煤層頂?shù)装鍘r性、上覆巖層及壓力、構(gòu)造變形以及水文地質(zhì)條件等條件的影響。

3.1 煤層自身封閉作用

研究區(qū)特厚煤層發(fā)育較多，厚度大于8m的煤層在整個(gè)礦區(qū)都有分布。通常情況下其他巖層的滲透性好于煤層，煤化作用過程中生成的氣體運(yùn)移阻力巨大且距離遠(yuǎn)，且本區(qū)煤層傾角較大，發(fā)育的巨厚煤層對煤層氣的垂向和側(cè)向運(yùn)移形成有效封堵，有利于煤層氣就近保存。

3.2 煤層頂?shù)装宓姆忾]作用

煤層頂?shù)装鍘r性和厚度對煤層氣的聚散起重要作用，巖性粒度越小、分選越好、膠結(jié)越致密，對阻擋和減緩煤層氣擴(kuò)散、滲流效果越好，越有利于煤層氣的保存，否則煤層氣就可能發(fā)生逸散。研究區(qū)煤層頂?shù)装鍘r性組合多為以下幾種：砂巖、粉砂巖、泥巖等。為方便研究，根據(jù)粒度大小和封堵煤層氣的能力，將頂?shù)装鍘r性組合分為細(xì)碎屑巖和粗碎屑巖兩類。粉砂巖、泥巖、頁巖及其互層劃分為細(xì)碎屑巖，礫巖及粗砂巖、中砂巖等各種砂巖劃分為粗碎屑巖。按照上述劃分方案，對研究區(qū)及周邊兩個(gè)含煤組主要煤層頂?shù)装鍘r性巖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖1)，可以看出研究區(qū)主要煤層頂?shù)装寰约?xì)碎屑巖為主，均占70%以上，特別是四工河以西地區(qū)底板細(xì)碎屑巖所占比例接近100%，水西溝地區(qū)頂板細(xì)碎屑巖含量接近95%。上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)主要煤層頂?shù)装宥家约?xì)碎屑巖為主，有利于煤層氣的富集。

3.3 煤層埋深及上覆巖層壓力

通常，在有限深度范圍內(nèi)，當(dāng)其他地質(zhì)條件相近時(shí)，煤層埋深與含氣量呈正相關(guān)關(guān)系[8]。研究區(qū)煤層埋深自盆地邊緣向盆內(nèi)迅速增加。煤層含氣量總體隨煤層埋深增加而增加，同一鉆孔，八道灣組煤儲層含氣量大于西山窯組。

頂?shù)装寮?xì)碎屑巖/%圖1 研究區(qū)及鄰區(qū)煤層頂?shù)装鍘r性比例示意圖Figure1 A schematic diagram of coal roof and floor lithologic proportions in study area and neighboring areas

上覆巖層不只通過控制煤儲層壓力而影響煤層氣的吸附量，同時(shí)還控制著游離氣的逸散[9]。煤層氣的逸散首先要解吸， 然后以游離態(tài)或水溶態(tài)向外界散失。煤層氣的吸附和解吸主要受溫度和壓力的控制[10]，與儲層壓力和上覆巖層厚度有密切關(guān)系。準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系含煤地層厚度大都超過2 500m，自硫磺溝礦區(qū)、經(jīng)烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)厚度逐漸變小。垂向上，八道灣組沉積厚度一般大于800m，三工河組沉積厚度約580m左右，西山窯組沉積厚度900m左右。此外，八道灣組、西山窯組內(nèi)部煤儲層之上發(fā)育了多套局部蓋層。

研究區(qū)內(nèi)烏魯木齊礦區(qū)西山窯組煤儲層和阜康大黃山礦區(qū)八道灣組煤儲層主要煤層埋藏深度較大，儲層壓力均屬于稍欠壓—正常壓力，有利于煤層氣的保存，而烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)烏參1井和阜康大黃山煤礦區(qū)阜參1井含氣量測試結(jié)果也進(jìn)一步說明了該區(qū)煤層氣保存條件較好；而阜康建新煤礦的建新參2-3井煤儲層埋藏深度淺，為343.69～361.89m，儲層壓力低，對煤層氣藏的形成極為不利，因此其含氣量測試結(jié)果偏低。

3.4 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要通過構(gòu)造應(yīng)力和構(gòu)造變形影響聚煤期后煤層氣的富集和運(yùn)移再分布。燕山運(yùn)動(dòng)第一幕使盆地整體抬升；第二幕使許多古老基底斷裂復(fù)活，地層褶皺或撓曲，阜康斷裂帶整體抬升，中上侏羅統(tǒng)受到較嚴(yán)重的剝蝕，在盆地區(qū)域性持續(xù)抬升中，隆起區(qū)或構(gòu)造高部位沉積厚度減薄甚至剝蝕殆盡，早期形成的煤層氣藏受到破壞；第三幕在盆地南緣逐漸形成侏羅系的褶皺、斷裂及多種類型的圈閉。燕山運(yùn)動(dòng)形成的斷裂，使深部的油氣資源沿著斷裂向淺部運(yùn)移，在低緩幅度的圈閉聚集。后期喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)使盆地北升南降，一方面使燕山期形成的煤層氣藏再次遭受破壞，另一方面促使侏羅系煤層成熟并大量排烴，補(bǔ)充氣源。新生代后期，盆地逐漸變?yōu)閿D壓應(yīng)力環(huán)境。在南北向壓扭應(yīng)力作用下形成了大量的逆沖斷層和推覆構(gòu)造(圖2)。在盆緣陡坡內(nèi)側(cè)發(fā)育走向深大斷裂，內(nèi)部由若干沖斷塊組成，沖斷塊內(nèi)部發(fā)育相間排列的背、向斜，在擠壓構(gòu)造應(yīng)力作用下，有利于煤層氣富集。

3.5 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件對煤層氣的富集具有水力封閉和水力驅(qū)替兩種作用[11]。一般而言，水動(dòng)力條件活躍的地區(qū)不利于煤層氣的保存。研究區(qū)煤層裂隙發(fā)育情況較好，屬于富水性極弱的承壓含水層。但是由于屬于大傾角煤層，局部地區(qū)煤層直接出露于地表，受到河流和大氣降水的補(bǔ)給，在一定深度范圍內(nèi)形成徑流水。當(dāng)形成承壓徑流水動(dòng)力條件后，水位和孔隙流體壓力開始下降，煤層氣開始解吸并向外運(yùn)移，原有的平衡狀態(tài)受到破壞，解吸出來的煤層氣或直接向外運(yùn)移，或溶解于水中，隨水流向外運(yùn)移，反復(fù)如此，就形成了煤層氣風(fēng)化帶，在煤層氣風(fēng)化帶周圍區(qū)域煤層含氣量較低[12]。研究區(qū)降水隨季節(jié)變化明顯，因此不同季節(jié)形成不同的徑流水位，進(jìn)一步導(dǎo)致儲層壓力發(fā)生變化，煤層氣發(fā)生解吸，形成解吸-擴(kuò)散-運(yùn)移-水溶氣-徑流的逸散模式， 最后形成煤層氣風(fēng)化帶。

4 煤層氣富集規(guī)律

研究區(qū)煤層氣富集受多種因素制約，不同地區(qū)煤層氣富集主控因素不同。綜合分析，該區(qū)煤層氣的富集總體上具有以下特點(diǎn)。

(1)逆沖推覆構(gòu)造是控制本區(qū)煤層氣富集的重要因素之一。喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)使北天山強(qiáng)烈擠壓、扭動(dòng)，同時(shí)加劇了博格達(dá)推覆構(gòu)造的形成，研究區(qū)不同地區(qū)發(fā)育了一系列近平行于走向的逆沖沖斷帶，廣泛發(fā)育的逆沖推覆構(gòu)造使下覆地層推覆至煤層之上，從而使煤層氣得到有效保存。但本區(qū)煤層傾角變化較大，在較陡的地方，上覆地層被剝蝕掉，煤層出露于地表，煤層氣順著煤層從露頭逸散，對煤層氣保存不利(三工河地區(qū)西山窯組煤層)。壓性斷層(主要包括發(fā)生反轉(zhuǎn)的正斷層、壓性走滑斷層、逆斷層等)斷層面具有密閉性，保存條件較好，煤層含氣量高。

(2)在中-低煤級煤層氣分布區(qū)，隨著變質(zhì)程度增高，含氣量總體呈增大趨勢。研究區(qū)以低變質(zhì)煤為主，煤層含氣量平均9.02～10.01m3/t，局部地區(qū)煤級達(dá)到肥煤、焦煤階段。整體而言，煤的變質(zhì)程度與煤層含氣性之間的相關(guān)性不是特別明顯，從一個(gè)側(cè)面也反映了在變質(zhì)程度較高的區(qū)域內(nèi)，其他因素的綜合作用，控制了煤層氣的富集。

(3)水動(dòng)力封堵與適宜的構(gòu)造相互匹配是煤層氣富集的有利條件之一。在一些煤層露頭區(qū)，大氣降水或河流沿著煤層露頭進(jìn)入煤層，水中攜帶的甲烷菌在適宜的環(huán)境條件下通過降解煤層中已存在的濕氣、重?zé)N及其他有機(jī)質(zhì)從而形成CH4和CO2，補(bǔ)充氣源。前方遇到封堵斷層和較好的蓋層，煤層氣容易在此處富集。此外，煤層氣溶解于地下水中并向深部運(yùn)移，在地下水滯流區(qū)富集。煤層氣富集受水動(dòng)力條件、構(gòu)造條件和圍巖條件等多種條件的制約。

(4)在阜康五宮、大黃山、西溝、新世紀(jì)等礦區(qū)煤層氣的富集受水動(dòng)力、頂板致密巖性、周邊斷層等因素共同制約，形成煤層氣富集區(qū)。逆沖斷層面的封閉性與構(gòu)造煤共同導(dǎo)致煤層氣在近斷層處聚集，且隨著深度增加，煤層含氣量增加，頂?shù)装迥鄮r、砂質(zhì)泥巖與地下水對煤層氣有效封堵。這些因素共同制約、有效匹配為煤層氣的富集提供了有利條件。

5 煤層氣富集模式

研究區(qū)煤層氣富集受多種因素制約。總體上以構(gòu)造條件制約為主，同時(shí)有頂?shù)装鍘r性、水文地質(zhì)條件等因素共同作用。

5.1 構(gòu)造控氣模式

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使該區(qū)煤層傾角大，局部近于直立，高角度煤層中賦存的煤層氣易順著煤層向淺部運(yùn)移而逸散，但是在斷層發(fā)育區(qū)，斷層切割煤層，上面覆蓋有較厚的泥巖、砂質(zhì)泥巖等蓋層，將為煤層氣的富集提供較好的條件。在一些構(gòu)造相對簡單的地區(qū)，如阜康向斜兩翼較為舒緩區(qū)，一系列逆斷層的組合地帶，一定程度上有利于煤層氣的聚集。該區(qū)含煤地層為下侏羅統(tǒng)八道灣組，巖性以泥巖為主，巖性致密，加之上覆地層較厚，為煤層氣的富集提供了良好的保存條件(圖3)。

圖3 構(gòu)造控氣模式Figure 3 Structural CBM control mode

5.2 水動(dòng)力-構(gòu)造控氣模式

在盆地邊緣一些煤層露頭區(qū)，大氣降水或河流通過滲透性較好的含煤地層沿著地層傾向向深部滲流，煤層頂?shù)装鍘r性較致密，透水性差，使煤層內(nèi)部的煤層氣和水難以向其他地方運(yùn)移，水的礦化度由淺向深逐漸增高。含煤段內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)緩慢，由補(bǔ)給區(qū)流經(jīng)徑流區(qū)，直至在北部一定范圍內(nèi)，出現(xiàn)了停滯帶(圖4)，煤層氣容易在此處富集。研究區(qū)水動(dòng)力控氣一般表現(xiàn)為兩種形式：一種是向上運(yùn)移的煤層氣遇到斷層重新富集，另一種是煤層氣隨地下水向深部運(yùn)移，在滯流區(qū)富集。

圖4 水動(dòng)力-構(gòu)造控氣模式Figure 4 Hydrodynamic-structural CBM control mode

6 結(jié)論

(1)研究區(qū)煤儲層生氣能力對煤層氣富集影響較小，煤儲層空氣干燥基Langmuir體積平均22.2m3/t和25.87m3/t，有利于煤層氣的富集。

(2)煤層自身封閉作用、煤層頂?shù)装宓姆忾]作用、煤層埋深及上覆巖層壓力有利于煤層氣的保存、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和水文地質(zhì)條件對煤層氣保存的影響不一。

(3)總結(jié)提出逆沖推覆構(gòu)造是控制本區(qū)煤層氣富集的重要因素之一等四種煤層氣富集規(guī)律和構(gòu)造空氣和水動(dòng)力構(gòu)造控氣兩種控氣模式。