柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡煤田侏羅系煤層氣特征及含氣性評(píng)價(jià)

陳 磊，田景春，文懷軍，劉世明，楊 穎

(1.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，成都 610059； 2.青海煤炭地質(zhì)勘查院，西寧 810001；3.青海煤炭地質(zhì)局，西寧 810001)

煤層氣(俗稱“瓦斯”，CBM)是指煤層中以吸附在煤基質(zhì)顆粒表面為主，部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中，且以甲烷為主要成分的烴類氣體，其廣泛被用于燃料、化工原料、發(fā)電等方面[1-2]。我國(guó)煤層氣資源儲(chǔ)量位居世界第三位[3]，其主要集中分布在以古生界石炭系、二疊系和中生界三疊系、侏羅系、白堊系為主的大型含氣盆地中，如鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、塔里木、柴達(dá)木、滇東黔西等盆地中[4]。世界煤層氣主要分布在北美、西伯利亞、南亞及我國(guó)各大盆地內(nèi)，已探明的煤層氣資源量前三排名依次為美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)[5]。其中美國(guó)煤層氣主要集中在落基山地區(qū)盆地中，占其總資源量的80%左右[6-7]。

柴達(dá)木盆地北緣(柴北緣)作為中國(guó)西北地區(qū)的一個(gè)重要賦煤區(qū)，蘊(yùn)含著豐富的煤炭資源量和煤層氣資源量，其魚卡煤田是一個(gè)具有很大潛力的區(qū)塊。前人先后對(duì)魚卡地區(qū)煤層及煤層氣展開(kāi)分析，其中康耀芳、陳磊和魯靜等人對(duì)魚卡地區(qū)進(jìn)行了含煤地層劃分及煤層特征分析；田大爭(zhēng)等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，魚卡煤田煤層的厚度與含氣量之間關(guān)系密切，兩者為正相關(guān)系；白生海等利用高分辨率層序地層學(xué)理論和技術(shù)方法分析其聚煤規(guī)律；嚴(yán)康文等對(duì)煤層氣成藏富集因素進(jìn)行了分析[8]，但都缺少對(duì)煤層氣含氣性特征及含氣性預(yù)測(cè)等方面的分析。本文將以柴北緣?mèng)~卡煤田侏羅系煤層氣為例，通過(guò)對(duì)柴北緣煤層氣的特征及分布進(jìn)行分析，研究其含氣性特征及含氣量預(yù)測(cè)，以期為柴達(dá)木盆地乃至青藏高原地區(qū)的煤層氣勘查工作提供參考。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

柴北緣位于柴達(dá)木盆地東北部，由東至西橫跨約440 km，由南至北距離約65 km，全區(qū)覆蓋約30 000 km2，早、中侏羅世柴達(dá)木盆地整體處于三疊紀(jì)末晚印支運(yùn)動(dòng)后的構(gòu)造伸展、松弛階段，柴北緣發(fā)育一系列斷陷盆地[1]。魚卡煤田位于柴達(dá)木盆地北緣中部，魚卡—紅山斷陷二級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)(圖1)[2,8]；其東鄰達(dá)肯大坂山，南鄰綠梁山，西鄰賽什騰山，該區(qū)域內(nèi)褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育較多[2]，主要有灘間山北—魚卡向斜帶、灘間山—魚卡背斜帶、云霧山北—尕秀向斜帶和云霧山—尕秀背斜帶4個(gè)北西向背、向斜帶(圖1)。

柴北緣地區(qū)含煤巖系分布特征呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，受區(qū)域構(gòu)造格局控制，呈北西西—南東東向展布；現(xiàn)有煤礦或勘探區(qū)多沿山前分布，但受構(gòu)造破壞顯著，凹陷帶內(nèi)煤系埋藏一般較深，但在團(tuán)魚山、魚卡、大煤溝一帶埋藏相對(duì)較淺。

1.2 沉積特征

侏羅紀(jì)魚卡煤田共沉積了2套地層，即上侏羅統(tǒng)采石嶺組(J3c)和紅水溝組(J3h)、中侏羅統(tǒng)石門溝組(J2s)和大煤溝組(J2d)；其上覆地層為古近系路樂(lè)河組，下伏地層為上奧陶統(tǒng)灘間山群(O3tj)[9]。其中石門溝組和大煤溝組為該區(qū)重要的含煤地層，采石嶺組和紅水溝組不含煤層。

大煤溝組是柴北緣主要的含煤地層，據(jù)巖性分上下兩段。下段在大煤溝地區(qū)厚259.38 m，該段地層在魚卡地區(qū)由盆地中心向盆緣逐漸尖滅，厚度0～280m；巖性以灰綠色礫巖、礫狀砂巖、含礫砂巖為主，夾黑灰色碳質(zhì)泥巖和紫紅色、灰綠色砂質(zhì)泥巖。上段厚130.98 m，中下部以灰黑色碳質(zhì)泥巖為主，夾深灰色泥質(zhì)砂巖、礫狀砂巖、劣質(zhì)煤及菱鐵礦結(jié)核；上部主要為厚至巨厚狀煤層，為主要含煤層段。

圖1 柴達(dá)木盆地北緣構(gòu)造位置及魚卡煤田構(gòu)造單元和煤田勘查區(qū)

石門溝組據(jù)巖性分上下兩段。下段地層厚度154.45 m，下部為礫狀砂巖、砂巖夾薄層砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖；中上部為雜色砂質(zhì)泥巖、淺灰綠色含炭泥巖為主，夾礫狀砂巖、煤層及菱鐵礦結(jié)核，含煤5層，為柴北緣重要含煤層段。上段厚度69 m，主要為頁(yè)片狀油頁(yè)巖與泥巖互層夾菱鐵礦層。

1.3 資源量特征

魚卡煤田賦煤面積約650 km2，潛在煤炭資源量38.25×108t。包括羊水河、尕秀西段、尕秀區(qū)段、魚卡東部、二井田、北山等煤炭勘查區(qū)(圖1)。含煤地層為中侏羅統(tǒng)石門溝組和大煤溝組。

大煤溝組地層總厚度59.57～388.55 m，平均厚度263.93 m，自上而下劃分為上段、下段2個(gè)巖性段，上段(含煤段)包含M6、M7共2層煤，煤層平均厚度6.27 m(圖2)。M7煤層為區(qū)內(nèi)主要可采煤層，M6煤層為區(qū)內(nèi)部分可采煤層，不穩(wěn)定，僅在尕秀向斜東部殘存。M6煤層位于大煤溝組頂部，厚度0.37～7.98 m，平均4.87 m，可采厚度1.31～7.98 m，平均6 m。M7煤層位于大煤溝組中上部，局部地段與含煤地層的基底直接接觸；煤層總厚度5.40～118.40 m，平均22.19 m，可采厚度4.80～105.83 m，平均19.34 m，厚度及夾矸在傾向和走向上均穩(wěn)定，全區(qū)可采，為本次煤層氣評(píng)價(jià)的主要目的層。

石門溝組厚30～200 m，巖性分兩段，上段(頁(yè)巖段)以頁(yè)巖、泥巖為主，局部為油頁(yè)巖；下部(含煤段)含煤5層(M1—M5)。M5煤層為區(qū)內(nèi)主要可采煤層，較穩(wěn)定，M5煤層總厚度0.19～1.70 m，平均0.96 m，可采厚度0.83～1.70 m，平均1.30 m；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至復(fù)雜，含夾矸0～2層，夾矸為碳質(zhì)泥巖或泥巖，夾矸厚度變化較大；其余煤層均為不可采的薄煤層或煤線，局部相變?yōu)樘假|(zhì)泥巖或泥巖。M5煤層為本次煤層氣評(píng)價(jià)的目的層之一。

2 魚卡煤田煤層展布特征

大煤溝組M7煤層與石門溝組M5煤層為該區(qū)勘探的主要煤層。其中M5煤層以發(fā)育長(zhǎng)焰煤及不粘煤為主，主要分布在魚卡東部和羊水河地區(qū)(圖3)。M7煤層在魚卡煤田南部為一個(gè)煤分層，向深部逐漸分為M7上、M7中和M7下3個(gè)分層；M7中煤層大部為不可采薄煤層或煤線，M7上、M7下為可采煤層，平均總厚度為44.7 m，發(fā)育長(zhǎng)焰煤、不粘煤、氣煤及弱粘煤等類型。M7煤層全區(qū)分布穩(wěn)定，厚度大，在羊水河、尕秀地區(qū)、魚卡東部、二井田、北山等均有分布(圖4)，是本次煤層氣資源調(diào)查重點(diǎn)目的煤層。

圖2 柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡煤田近東西向M7煤層對(duì)比

圖3 柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡煤田M5煤類分布示意

圖4 柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡煤田M7煤類分布示意

3 魚卡煤田煤層含氣性評(píng)價(jià)

3.1 各區(qū)塊含氣性特征

3.1.1 魚卡東部

對(duì)魚卡東部煤層的7個(gè)樣品進(jìn)行了煤層氣測(cè)定，包含3個(gè)M7號(hào)煤層的樣品(表1)，其中，采樣深度為470.78m的一個(gè)M7樣品，經(jīng)測(cè)定，煤層氣成分CH4含量為84.97%，CO2為11.29%，煤層氣含氣量達(dá)5.87 m3/t，含氣量較好。其余樣品測(cè)得的含氣量均較低，有2個(gè)方面的原因：一方面魚卡凹陷，甚至整個(gè)柴北緣富煤區(qū)的侏羅系含煤地層受構(gòu)造作用改造較大，使得不同構(gòu)造位置的煤層其含氣性差異較大，比如在魚卡背斜核部的煤層氣含量明顯高于其他地方；另外，部分區(qū)域煤層受斷層影響，其儲(chǔ)氣條件被破壞，導(dǎo)致含氣量較低。另一方面，與采樣的深度可能有關(guān)。煤層氣含量一般隨煤層加厚、深度增大而增大，以往的煤炭勘查工作并不注重樣品的采集位置，部分樣品所處的深度較小，導(dǎo)致測(cè)得的含氣量較低，不能客觀反映煤層的實(shí)際含氣量。

表1 柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡東部煤層氣分析

3.1.2 尕秀地區(qū)(尕秀區(qū)段和尕秀西段)

尕秀區(qū)段是較早開(kāi)展煤炭勘查的地區(qū)，之后將勘查區(qū)向西擴(kuò)展，為便于區(qū)分，將西部的勘查區(qū)稱為尕秀西段。由于2個(gè)勘查區(qū)緊密相連，在煤層特征上自成一體，故而將2個(gè)勘查區(qū)并稱為尕秀地區(qū)。收集到19個(gè)煤心樣品，篩選了該區(qū)鉆孔中共8個(gè)樣品進(jìn)行了煤層氣測(cè)定(表2)。

尕秀地區(qū)西部的一鉆孔M7煤層煤層氣含量為4.29 m3/t，CH4百分比為80.68%；另一鉆孔M5煤層氣含量為2.99 m3/t，CH4百分比為85.17%(表2)。該2個(gè)鉆孔所處的構(gòu)造位置為背斜核部，且遠(yuǎn)離區(qū)內(nèi)的深大斷裂，儲(chǔ)氣條件較好。

3.1.3 二井田及其外圍

二井田及其外圍收集到24個(gè)樣品的煤層氣測(cè)試結(jié)果(其中M5樣6個(gè)，M7樣13個(gè)，其他煤層5個(gè))(表3)。測(cè)得的煤層氣含量普遍較低，25個(gè)數(shù)據(jù)中僅有1個(gè)樣品煤層氣含量超過(guò)1 m3/t。從構(gòu)造位置上看，二井田所處的構(gòu)造位置緊鄰2條大型斷裂，呈條帶狀分布，煤層受斷裂破壞較嚴(yán)重，其煤層含氣性較差。

表2 柴達(dá)木盆地北緣尕秀西段煤層氣分析

表3 柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡二井田及其外圍煤層氣分析

3.1.4 羊水河地區(qū)

羊水河地區(qū)收集到10個(gè)樣品的煤層氣分析數(shù)據(jù)(表4)，煤層氣含量普遍較低，最高值僅為1.75 m3/t。羊水河勘查區(qū)煤層埋深較大，除柴頁(yè)1井外，其余煤炭鉆孔普遍采用常規(guī)取心，導(dǎo)致在巖心提取過(guò)程中氣體損失量較大。

表4 柴達(dá)木盆地北緣羊水河煤層氣分析

綜上所述，魚卡凹陷中侏羅統(tǒng)M5、M7煤層氣資源前景較好，在多個(gè)鉆孔中測(cè)得了高煤層氣含量。同時(shí)，魚卡凹陷屬于構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)，煤層氣的富集受構(gòu)造因素影響較大，因此，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行煤層氣勘查，前期需要先通過(guò)三維地震進(jìn)行精確構(gòu)造控制，尋找有利于煤層氣成藏的地區(qū)。

3.2 煤層含氣量分析

目前在魚卡煤田所獲得的煤層含氣量數(shù)據(jù)主要由兩部分組成：一是以往的煤炭煤層氣數(shù)據(jù)；二是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)測(cè)的煤層含氣量。這兩類數(shù)據(jù)在平面上的分布較為有限，尤其是實(shí)測(cè)的煤層含氣量數(shù)據(jù)更少，依據(jù)這兩類數(shù)據(jù)不能很好地掌握調(diào)查區(qū)整體的煤層含氣量。為了達(dá)到本次煤層氣資源評(píng)價(jià)的目標(biāo)，本次研究采用了含氣梯度法來(lái)推測(cè)魚卡凹陷煤層含氣量。含氣梯度法主要適用于同一構(gòu)造單元中的深部外推預(yù)測(cè)區(qū)，或不同構(gòu)造單元中基本地質(zhì)條件相近的預(yù)測(cè)區(qū)，是可靠性較高的預(yù)測(cè)方法之一。其應(yīng)用的理論基礎(chǔ)為：在構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的地區(qū)或部位，在一定的煤層埋深范圍，煤儲(chǔ)層含氣性主要受控于煤層的埋藏深度[10]。

尕秀地區(qū)和羊水河地區(qū)處于同一構(gòu)造斷塊內(nèi)，由SE向NW埋深逐漸增加，淺部含氣量數(shù)據(jù)較多，可以嘗試采用含氣梯度法進(jìn)行含氣量預(yù)測(cè)。通過(guò)深度—含氣性關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)二井田含氣性梯度明顯且深度—含氣性關(guān)系的離散性較小， M7煤層含氣性隨埋深增加呈現(xiàn)“先減小后增大”的趨勢(shì)；而尕秀地區(qū)、羊水河M7煤層含氣性與埋深呈“多項(xiàng)式”關(guān)系，M7煤層含氣性隨深度增加呈現(xiàn)“先增大再減小”的趨勢(shì)(圖5)。但上述三類相關(guān)性可能都由于受到煤層氣樣品本身(即傳統(tǒng)的煤層氣含量測(cè)試方法在采樣過(guò)程中等待提鉆時(shí)間較長(zhǎng)，煤層氣逸散損失量較大，其在計(jì)算含氣量過(guò)程中基本未考慮損失氣量，導(dǎo)致含氣性明顯偏低)以及各個(gè)采樣鉆孔的構(gòu)造改造程度與所處構(gòu)造類型差異的影響[11-12]，才導(dǎo)致含氣量與煤層埋深之間變化較大。

對(duì)于上述論述的補(bǔ)充與佐證可以參考：①魚卡東部與尕秀西段煤層埋深—含氣量相關(guān)，前者埋深與含氣量呈負(fù)相關(guān)性，這與魚卡煤層淺部煤層氣保存條件較弱的認(rèn)識(shí)不符；后者相關(guān)性先上升后降低，這是由于籠統(tǒng)將尕秀地區(qū)內(nèi)所有已知煤田鉆孔煤層氣含量歸納在一個(gè)范疇內(nèi)進(jìn)行分析所導(dǎo)致的偏差；②兩口參數(shù)井M7煤層埋深與含氣量之間具備較好的相關(guān)性(圖6)。因此，在對(duì)含氣梯度法是否能應(yīng)用于研究區(qū)深部煤層的含氣量預(yù)測(cè)時(shí)，都應(yīng)該詳細(xì)劃分勘探區(qū)塊內(nèi)的構(gòu)造單元，再將同一(或相似)構(gòu)造單元內(nèi)的煤田鉆孔煤層氣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，盡可能在排除構(gòu)造影響的條件下分析埋深與含氣性的關(guān)系。

圖5 柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡煤田二井田、羊水河和尕秀西段地區(qū)M7煤層埋深—含氣性關(guān)系

圖6 柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡煤田參數(shù)1井和參數(shù)2井M7煤層埋深—含氣性關(guān)系

3.3 含氣量預(yù)測(cè)結(jié)果

基于含氣梯度方法的分析，尕秀地區(qū)和羊水河地區(qū)處于同一構(gòu)造單元內(nèi)且區(qū)內(nèi)無(wú)斷層發(fā)育，對(duì)煤層含氣量變化的影響較小。煤層埋深由SE向NW逐漸增加，采用含氣梯度法進(jìn)行含氣性預(yù)測(cè)。其中，煤層埋深大于600 m鉆井的含氣性預(yù)測(cè)參考參數(shù)1井，煤層埋深小于600 m鉆井的含氣性預(yù)測(cè)參考參數(shù)2井。在綜合運(yùn)用實(shí)測(cè)煤層含氣量、煤炭煤層氣含量和推測(cè)煤層含氣量等各類含氣量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤層埋深、構(gòu)造條件等因素綜合分析，對(duì)魚卡凹陷M7號(hào)煤層含氣性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，繪制了魚卡凹陷M7號(hào)煤層含氣量等值線圖(圖7)。

從圖7可以看出，魚卡凹陷侏羅系M7煤層的含氣性在不同構(gòu)造單元差異較大，呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性。整體來(lái)看，魚卡凹陷西部煤層含氣性顯著高于東部，北部略優(yōu)于南部。其中，在南部F3逆斷層上盤，存在幾個(gè)含氣量較高的數(shù)據(jù)點(diǎn)，預(yù)測(cè)最高含氣量值可達(dá)6.0 m3/t。向北顯示含氣量呈下降趨勢(shì)，直到接近F1逆斷層，含氣量下降至1.5 m3/t左右。之后繼續(xù)向北，隨著煤層埋深逐漸增加，結(jié)合柴頁(yè)1井煤層含氣量高達(dá)8.99m3/t，可以認(rèn)為煤層含氣量將由南向北逐漸增高。

圖7 柴達(dá)木盆地北緣?mèng)~卡煤田M7煤層含氣量等值線

在魚卡煤田北部F2和F10斷層所控制的區(qū)域，M7煤層含氣量在該區(qū)域的中部存在2個(gè)相對(duì)高含氣量區(qū)，其中最高處M7煤層含氣量可達(dá)4.5 m3/t，向四周含氣量逐漸減小，這里存在一個(gè)小型背斜構(gòu)造，適宜煤層氣的富集。另一處M7煤層含氣量可達(dá)6.5 m3/t，向南靠近F1斷層逐漸減小至2.5 m3/t；向北含氣量同樣逐漸降低，或與埋藏深度的增加有關(guān)，煤層含氣量又有增加的趨勢(shì)；通過(guò)與南部柴頁(yè)1井進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)F2斷層以北煤層含氣量同樣可以達(dá)到6.5 m3/t左右。

魚卡煤田東部北山地區(qū)和二井田地區(qū)，根據(jù)少量的煤炭煤層氣測(cè)試結(jié)果，同時(shí)結(jié)合該地區(qū)斷層較發(fā)育的地質(zhì)特征，認(rèn)為其煤層含氣量普遍較低，多在1.5 m3/t以下。

4 結(jié)論

(1)魚卡煤田含煤地層為中侏羅統(tǒng)石門溝組和大煤溝組。大煤溝組地層自下而上劃分為砂礫巖段和含煤段，含煤段包含M6和M7共2層煤層，M7煤層為區(qū)內(nèi)主要可采煤層。石門溝組巖性分為頁(yè)巖段和含煤段，共含煤5層(M1—M5)，其中M5煤層為區(qū)內(nèi)主要可采煤層。

(2)魚卡凹陷中侏羅統(tǒng)在魚卡東部、尕秀地區(qū)(尕秀區(qū)段和尕秀西段)、二井田地區(qū)和羊水河地區(qū)受構(gòu)造和測(cè)定損失的影響，含氣量分布不均，其中M5和M7煤層氣資源前景較好。通過(guò)深度—含氣性關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)二井田含氣性梯度明顯且深度—含氣性關(guān)系的離散性較小，M7煤層含氣性隨埋深增加呈現(xiàn)“先減小后增大”的趨勢(shì)；而尕秀地區(qū)、羊水河和魚卡東部地區(qū)M7煤層含氣性與埋深呈“多項(xiàng)式”關(guān)系，M7煤層含氣性隨深度增加呈現(xiàn)“先增大再減小”的趨勢(shì)。

(3)魚卡凹陷侏羅系M7煤層的含氣性在不同構(gòu)造單元差異較大，呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性。魚卡凹陷西部煤層含氣性顯著高于東部，北部略優(yōu)于南部，由南向北呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)；魚卡煤田北部F2和F10斷層所控制的區(qū)域，在一個(gè)小型背斜構(gòu)造存在2個(gè)相對(duì)高含氣量區(qū)；而魚卡煤田東部北山地區(qū)和二井田地區(qū)其煤層含氣量普遍較低。