準(zhǔn)南煤田煤層氣賦存特征分析

祁 斌

(中國煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院，廣東 510440)

1 區(qū)域地質(zhì)特征

準(zhǔn)南煤田從東向西劃為吉木薩爾水西溝礦區(qū)、阜康礦區(qū)、烏魯木齊礦區(qū)、瑪納斯礦區(qū)、四棵樹礦區(qū)。據(jù)《新疆地區(qū)煤層氣資源動態(tài)評價》成果，準(zhǔn)南煤田煤層氣潛在資源總量為0.95×1012m3。

準(zhǔn)南煤田大地構(gòu)造位于一級構(gòu)造單元天山～興蒙褶皺系下的二級構(gòu)造單元-天山褶皺帶北部中央部位。該褶皺帶北以準(zhǔn)噶爾坳陷接壤，南以博羅科努～阿其庫都克超巖石圈斷裂為界，呈近東西向展布，南北寬約200km。其斷裂主要為壓性，褶皺均以復(fù)背斜形式展現(xiàn)，東部構(gòu)造形跡呈波浪起伏。區(qū)域構(gòu)造包括天山褶皺帶兩個次一級構(gòu)造，即三級構(gòu)造單元烏魯木齊山前坳陷及伊連哈比爾尕復(fù)背斜。盆地基底形態(tài)具有隆凹相間、南北分帶、東西分塊的構(gòu)造格局。

2 含煤地層及煤層

準(zhǔn)南煤田含煤地層為侏羅系八道灣組西山窯組，阜康大黃山、水磨河和大浦溝煤層主要賦存于八道灣組，其余礦區(qū)主要煤層賦存于西山窯組。

八道灣組地層厚度約245～1030m，含煤2～33層，單層可采厚度一般為2～69.8m，煤層總厚度最大可達100m左右(甘河子-大黃山一帶)。煤層結(jié)構(gòu)簡單-較簡單，局部為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，含夾矸為0～8層，一般為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖。煤層屬穩(wěn)定到較穩(wěn)定煤層，局部為不穩(wěn)定煤層。煤層頂?shù)装逡苑凵皫r、細(xì)砂巖為主。變質(zhì)階段Ⅰ～Ⅱ級，以長焰煤和弱粘煤為主，局部地區(qū)(甘河子-大黃山一帶)為氣煤和1/3焦煤。

西山窯組地層厚度約140～1000m，含煤4～56層，單層可采厚度一般為8.5～60m，煤層總厚度最大可達184m左右(烏魯木齊七道灣煤礦)。煤層結(jié)構(gòu)簡單-較簡單，局部復(fù)雜。煤層頂?shù)装鍘r性泥巖、粉砂巖為主，局部為細(xì)砂巖。變質(zhì)階段Ⅰ～Ⅱ級，以長焰煤和弱粘煤為主。

準(zhǔn)南煤田各礦區(qū)煤層賦存普遍具有大傾角、多煤層、厚煤層特點，部分礦區(qū)淺部火燒發(fā)育。以阜康礦區(qū)為例，礦區(qū)位于準(zhǔn)噶爾坳陷區(qū)以南的黃山-二工河向斜北翼，總體上構(gòu)造為地層南傾的單斜構(gòu)造，走向為近東西向，地層傾角30°～58°，平均為46°。主要含煤地層為下侏羅統(tǒng)八道灣組，含煤11層，主要可采煤層4層，分別為39、41、42和44號煤層，煤層平均總厚分別為13.4、7.7、17.8和18.2m，煤層平均間距15～50m。

阜康礦區(qū)主要煤層因自燃嚴(yán)重，地表上在示范區(qū)北部形成了一條近東西向的燒變巖帶。據(jù)鉆探驗證和磁法勘探的結(jié)果，區(qū)內(nèi)煤層自燃形成的燒變巖深度大部地段在垂深200～550m左右，最大垂深700m左右。

3 煤層氣賦存特征

3.1 煤巖煤質(zhì)特征

(1)煤巖特征

物理性質(zhì)與宏觀煤巖組成：整個煤田物理性質(zhì)相近，顏色均為黑色，條痕為黑褐色；結(jié)構(gòu)多為均一狀、條帶狀或線理狀，煤田中部見有葉片狀和透鏡狀；瀝青光澤、油脂光澤和弱玻璃體光澤；大多數(shù)節(jié)理發(fā)育，常見黃鐵礦和方解石填充于裂隙之中；斷口多樣：東部常是平坦?fàn)詈蛥⒉顮?，偶見眼球狀；中部為平坦?fàn)?、參差狀和鋸齒狀較多；西部以貝殼狀和平坦?fàn)顬橹鳌０说罏辰M煤層以光亮型為主，半亮型次之；西山窯組煤層以半亮型為主，光亮型次之。

顯微組分：除頭屯河一帶西山窯組下部煤層外，準(zhǔn)南煤田煤層顯微組分均以鏡質(zhì)組分占絕大多數(shù)，在65%以上。鏡質(zhì)組中多以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中的基質(zhì)鏡質(zhì)體為主。

(2)煤質(zhì)特征

準(zhǔn)南煤田八道灣組煤層RO值在0.55%～0.84%之間，西山窯組煤層RO值在0.41%～0.78%之間。平面上，東部、烏魯木齊礦區(qū)RO值較高，向西有變小的趨勢；垂向上，隨著煤層埋深的增加，RO值有增大的趨勢。準(zhǔn)南煤田各礦區(qū)煤類主要為弱粘煤、不粘煤和長焰煤，局部變質(zhì)程度稍高， 為氣煤和1/3焦煤 (甘河子-大黃山一帶)。

3.2 煤體結(jié)構(gòu)特征

以往井下觀測發(fā)現(xiàn)，霍爾果斯河-三屯河區(qū)段的呼圖壁礦區(qū)以原生結(jié)構(gòu)煤層為主，三屯河-烏魯木齊河區(qū)段的硫磺溝煤礦為原生結(jié)構(gòu)煤層，烏魯木齊河-四工河區(qū)段的六道灣煤礦為碎裂結(jié)構(gòu)-糜棱結(jié)構(gòu)，大黃山煤礦區(qū)以碎裂結(jié)構(gòu)-糜棱結(jié)構(gòu)煤層為主。

根據(jù)收集的以往宏觀裂隙觀測樣品資料可知，八道灣組煤層裂隙比西山窯組煤層裂隙發(fā)育，長度和高度大，而且頻率高，見表1。

本區(qū)煤層裂隙相對發(fā)育，表現(xiàn)在裂隙橫向上延伸遠，縱向上切穿煤層高度大。一般都有兩組相互垂直或近似于垂直的裂隙發(fā)育，長度可達幾十厘米，高度也可達到幾厘米或幾十厘米。部分構(gòu)造煤為碎裂結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，裂隙未被礦物質(zhì)充填，所以說裂隙是開放性的，增加了煤層的滲透性，如大浦溝煤礦，煤體結(jié)構(gòu)多為碎裂結(jié)構(gòu)，煤礦構(gòu)造斷裂發(fā)育，正斷層比比皆是；另一部分構(gòu)造煤受強烈構(gòu)造擠壓，地層發(fā)生褶皺，煤層成陡立狀，嚴(yán)重揉皺為糜棱結(jié)構(gòu)，如大黃山煤礦。

3.3 煤層孔隙特征

在以往煤層氣勘探工作中，對主要目的煤層進行采樣測試顯示， 煤層樣品的比表面積為1.44 m2/g～1.78m2/g ，總孔體積為0.46 m2/g～0.59cm3/g，平均孔直徑108.8 nm～158.8nm，一般光亮煤、半亮煤的孔容大于半暗煤。

對準(zhǔn)南煤田部分礦區(qū)樣品進行壓汞實驗以測定孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，試驗結(jié)果表明煤的孔容在0.043～0.145cm3/g之間，煤的孔隙結(jié)構(gòu)為裂隙-孔隙型、孔隙型。吸附表面積的微孔占總孔隙的44.2%，吸附能力較強。

表1 煤的裂隙觀測結(jié)果表

3.4 煤的吸附性

從試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，吸附性能阜康礦區(qū)八道灣組煤層最好，河?xùn)|礦區(qū)次之；開采性能河?xùn)|礦區(qū)最好，阜康礦區(qū)次之(表2)。

3.5 含氣性

煤層氣含氣量評述采用近幾年來各礦區(qū)煤層氣勘探開發(fā)數(shù)據(jù)。

(1)霍爾果斯河-三屯河區(qū)段

據(jù)在此區(qū)域施工的煤層氣生產(chǎn)試驗井-昌試1井和昌試2井，對侏羅系西山窯組主力煤層進行了測試，昌試1井主要煤層含氣量3.4～4.9m3/t，平均3.7m3/t，氣測全烴值為2.2%～6.1%；昌試2井主要煤層含氣量5.0～5.1m3/t，平均5.06m3/t，氣測全烴值為3.9%～9.3%。

(2)烏魯木齊河-四工河區(qū)段

烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)氣含量資料較豐富，煤層含氣量隨埋深的增加而增大，且相關(guān)性很好，煤層埋深是影響含氣量的主控因素。

主力煤層42-43號煤層空氣干燥基含氣量1.4～15.5m3/t，平均8.4m3/t；45號煤層空氣干燥基含氣量1.8～13.5m3/t，平均6.8m3/t。在一定程度上表現(xiàn)出平面上西部含氣量高，東部含氣量低的特征(表3)。

表3 河?xùn)|主力煤層煤層氣成分測試結(jié)果表

表4 阜康礦區(qū)主力煤層含氣量擬合表

(3)四工河-大黃山區(qū)段

近年來，阜康礦區(qū)先后進行了參數(shù)井、小井網(wǎng)和示范工程施工，對侏羅系八道灣組主要煤層煤層進行了含氣量測試，獲得較好的成果。 根據(jù)測井資料、煤炭簡易瓦斯數(shù)據(jù)以及礦區(qū)煤層氣采樣測試數(shù)據(jù)，將采樣測試數(shù)據(jù)與煤層灰分、伽馬、密度和埋深進行擬合的結(jié)果表明，阜康礦區(qū)煤層含氣量主要受深度影響，隨著深度增加煤層含氣量不斷增加，而且隨著深度的增加含氣量增加的梯度變緩(表4)。

(4)吉木薩爾水西溝煤礦區(qū)

水西溝礦區(qū)煤類主要為41CY，據(jù)水西溝礦區(qū)施工煤層氣參數(shù)井采樣測試結(jié)果，主要煤層含氣量平均為3.77～5.51 m3/t。

3.6 氣成分

準(zhǔn)南煤田阜康礦區(qū)和烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)施工了煤層氣生產(chǎn)井，據(jù)采樣測試成果顯示，阜康礦區(qū)主力煤層CH4含量平均為77.24%～87.39%，井口氣CH4含量平均為77.24%；河?xùn)|礦區(qū)主力煤層CH4含量平均為59.95%～74.12%，井口氣CH4含量平均為64.81%～82.46%。

圖1 河?xùn)|礦區(qū)WS-1、WS-2井井口氣成分對比圖

在煤層氣排采階段，阜康礦區(qū)井口氣成分一直比較穩(wěn)定。而河?xùn)|礦區(qū)隨著排采工作的進行，CH4含量逐漸降低，CO2含量逐步升高(圖1)。說明CH4先于CO2產(chǎn)出，CO2的吸附性強于CH4。隨著排采的進行，CH4濃度的降低幅度和CO2濃度的升高幅度明顯小于前期，推測排采穩(wěn)定后該區(qū)CH4含量最低值可能在60%左右，CO2含量最高值可能在30%左右(表5)。

表5 主要礦區(qū)主力煤層氣成分測試成果表

3.7 儲層壓力

煤儲層壓力是指煤層孔隙-裂隙空間中的流體(包括氣體和水)壓力，表示地層能量的大小，對煤層氣含量、氣體賦存狀態(tài)起著重要作用，對煤層氣的儲集和產(chǎn)出速率亦有很大影響。儲層壓力越高、臨界解吸壓力越大、有效地應(yīng)力越小，煤層氣的解吸-擴散-滲流過程進行得越徹底，表現(xiàn)為采收率增大，氣井產(chǎn)能增大?，F(xiàn)實中，受煤層埋藏深度、地應(yīng)力及水文地質(zhì)條件等因素的影響，原始煤儲層壓力差別較大。一般用壓力梯度去衡量儲層壓力的大小，準(zhǔn)南煤田煤層氣井儲層壓力測試顯示，儲層壓力梯度一般為0.76～0.98 MPa/100m，表明各礦區(qū)儲層多為低壓儲層，局部為正常壓力儲層。

3.8 儲層滲透性

目前，獲得煤儲層滲透率的主要方法是通過注入/壓降試井試驗獲得。阜康礦區(qū)主要煤層滲透率普遍在0.0045～0.35mD之間，F(xiàn)C-1井42號煤層測試結(jié)果為7.30mD，F(xiàn)S-24井39號煤層測試結(jié)果為4.23mD；河?xùn)|礦區(qū)主要煤層滲透率普遍在0.003～0.14mD之間，WC-1井41、43、45號煤層測試結(jié)果分別為13.48mD、2.81mD、2.86mD。

趙慶波(1999)根據(jù)滲透率的不同，對煤儲層滲透性劃分如下：高滲(大于5mD)、較高滲(0.5～5mD)、中滲(0.1～0.5mD)、低滲(小于0.1mD)。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)南煤田主要礦區(qū)主力煤層普遍為低-中等滲透性，局部為較高-高滲透性。

煤儲層的滲透率在煤層氣開發(fā)過程中，會發(fā)生相應(yīng)的變化。據(jù)試驗研究，高壓階段，隨著壓力下降，滲透率降低；當(dāng)壓力降到一定程度時，煤層解吸氣量增加，煤層基質(zhì)收縮率增大，煤層滲透率開始升高，因此，排采過程中，如果在工程措施、排采制度等方面恰當(dāng)?shù)那闆r下，隨著煤儲層壓力不斷下降，煤層氣不斷產(chǎn)出，其滲透率會不斷變好。

3.9 煤層氣保存條件

準(zhǔn)南煤田煤層頂?shù)装鍘r性組合多為以下幾種：砂巖、粉砂巖、泥巖等。從封閉性能上，粒度越細(xì)，封閉性越好。

按照巖性粒度大小及其對氣體的封閉能力，把煤層頂?shù)装鍘r性組合劃分為粗碎屑巖和細(xì)碎屑巖。準(zhǔn)南煤田主要礦區(qū)主力煤層的頂?shù)装鍘r性按粗碎屑巖、細(xì)碎屑巖統(tǒng)計結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 準(zhǔn)南煤田各區(qū)煤層頂板巖性比例示意圖

圖3 準(zhǔn)南煤田各區(qū)煤層底板巖性比例示意圖

全區(qū)頂板為細(xì)碎屑巖類的煤層比例在62%以上，其中以水西溝礦區(qū)最高，可達91%；全區(qū)底板為細(xì)碎屑巖類的煤層比例在75%以上，其中以烏魯木齊河-四工河最高達到100%。

從頂?shù)装鍘r性分析，利于煤層氣的保存。但是準(zhǔn)備煤田地層傾角大，淺部煤層火燒嚴(yán)重，又不利于煤層氣保存。