新疆典型礦區(qū)低煤階煤層氣成藏差異對比研究

張玉垚，程曉茜，弓小平，田繼軍

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學(xué)煤層氣工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830047)

新疆煤層氣資源十分豐富，全疆煤層氣預(yù)測總資源量達(dá)9.5×1012m3，占全國預(yù)測資源量的25.8%，且多為低煤階煤層氣。因此開發(fā)和利用新疆低煤階煤層氣資源對帶動區(qū)域經(jīng)濟(jì)、改善能源結(jié)構(gòu)、減少煤礦瓦斯災(zāi)害與保護(hù)大氣環(huán)境均具有重大意義。前人主要以新疆兩大典型低階煤含煤盆地(吐哈盆地和準(zhǔn)噶爾盆地)為重點(diǎn)研究區(qū)域。其中位于吐哈盆地東南部的沙爾湖礦區(qū)，煤層氣資源量及開發(fā)潛力十分可觀但始終未獲得較大進(jìn)展。作為我國低煤階煤層氣開發(fā)利用的示范區(qū)，位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣的阜康白楊河礦區(qū)單井日產(chǎn)氣量最高達(dá)到2 522 m3，井組最大日產(chǎn)量達(dá)到7 000 m3[1]。前人在兩礦區(qū)煤層氣資源儲量及開發(fā)前景預(yù)測方面進(jìn)行了大量的研究[2-6]，其中不少學(xué)者將研究重點(diǎn)集中在煤儲層物性、盆地構(gòu)造演化、成藏特征和開發(fā)技術(shù)等分析中[7-11]。前人在對兩個礦區(qū)的研究中，對于煤層火燒現(xiàn)象對煤層氣富集成藏影響及控制機(jī)理的研究較少，還有待進(jìn)一步深入。本文基于地質(zhì)分析和實(shí)驗(yàn)測試，在前人研究的基礎(chǔ)之上，開展新疆火燒區(qū)滯水層及其對煤層氣富集成藏控制的研究，建立新疆低煤階煤層氣成藏模式。

1 地質(zhì)背景

新疆吐哈盆地和準(zhǔn)噶爾盆地是我國典型的發(fā)育低煤階煤儲層的大型內(nèi)陸盆地，目前被認(rèn)為是低煤階煤層氣富集開發(fā)的有利地區(qū)[12]。沙爾湖礦區(qū)位于吐哈盆地東南部沙爾湖凹陷東段，因二疊系基底隆起，形成相對獨(dú)立的構(gòu)造格局[13]，并分解成兩個次級向斜和一個鼻狀背斜[5]，為煤層氣勘探區(qū)。阜康白楊河礦區(qū)地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣阜康凹陷的東部區(qū)域內(nèi)[12,14]。礦區(qū)為向斜構(gòu)造，軸部受泉水溝逆斷層和白楊河逆斷層切割后逐漸過渡為一不對稱向斜，向斜北翼南傾，地層傾角35～53°，為煤層氣高產(chǎn)區(qū)。

沙爾湖礦區(qū)地層自下而上主要包括二疊系下統(tǒng)阿其克布拉克組、侏羅系中統(tǒng)西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)、第三系(N)和第四系(Q)[15](圖1(a))。西山窯組含煤層巖性組合多為泥巖與細(xì)砂巖互層，煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及砂巖為主，頂板厚度為18～64 m，底板厚度為11～30 m，具有良好的煤層氣封蓋條件[9]。阜康白楊河礦區(qū)地層自下而上包括下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)，下侏羅統(tǒng)三工河組(J1s)，北部邊界出露中生界三疊系黃山街組，部分區(qū)塊被第四系覆蓋(圖1(b))。礦區(qū)內(nèi)主要含煤地層為下侏羅統(tǒng)八道灣組，在煤系垂向組合上，煤層和砂巖疊置發(fā)育，煤層均以砂巖或粉砂巖為頂?shù)装?，封蓋條件良好。

圖1 含煤地層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive column of coal-bearing strata

沙爾湖礦區(qū)內(nèi)煤層埋深較淺，介于200～1 000 m之間[9]，呈東西向展布。共發(fā)育煤層21層，總厚度達(dá)218 m，平面上東北部最厚，向西南部逐漸變薄，單層最大厚度可達(dá)144 m。礦區(qū)內(nèi)煤層含氣量較低，介于0.73～4.29 m3/t之間，但由于煤層厚度極大，仍可形成高豐度的煤層氣藏。阜康白楊河礦區(qū)八道灣組含煤地層成條帶狀分布于整個礦區(qū)，部分煤層受構(gòu)造抬升影響出露地表。礦區(qū)內(nèi)共發(fā)育11層煤，主力煤層總厚為32.79～106.34 m，平均厚度為60.86 m。煤層傾角總體大于30°，為急傾斜煤層，含氣量較高，介于0.62～19.74 m3/t之間。鉆探和磁法勘探結(jié)果表明，沙爾湖礦區(qū)東部煤層因氧化發(fā)生自燃，形成燒變巖帶；阜康白楊河礦區(qū)內(nèi)多處煤層自燃嚴(yán)重，形成了寬為100～300 m、垂深為250～550 m沿東西向呈帶狀橫貫全區(qū)的燒變巖帶。

沙爾湖礦區(qū)北部因南湖隆起與哈密凹陷的地下水相隔，南部與覺羅塔格復(fù)背斜貧水區(qū)相鄰，地下水僅能依靠少量大氣降水補(bǔ)給。沙爾湖礦區(qū)主要含水層為西山窯組中段、下段巨厚煤層和其所夾砂巖，西山窯組上段及下伏二疊系地層均為隔水層(圖1(a))，有利于煤層氣的保存。礦區(qū)內(nèi)煤層水大部分為原生水，地下水化學(xué)類型為CaCl2型水，礦化度高達(dá)16 000～20 000 mg/L[3]，符合滯留承壓水特征[8]。阜康白楊河礦區(qū)位于博格達(dá)山北麓，博格達(dá)山海拔3 600 m以上冰川發(fā)育，降水較多，氣候寒濕，終年積雪，冰雪融水構(gòu)成區(qū)域內(nèi)地表徑流的主要補(bǔ)給源，也是地下水的間接補(bǔ)給源[16]。根據(jù)地層富水性資料分析，礦區(qū)位于地下水補(bǔ)給區(qū)，暫時性大氣降水、冰川融水匯聚在燒變巖裂隙導(dǎo)水層中，沿煤層及其頂板、底板下滲，形成八道灣組下段含水層。主力煤層上地層、下地層分別為隔水層和相對隔水層(圖1(b))，有利于急傾斜煤層氣的側(cè)向封堵。礦區(qū)地下水化學(xué)類型為NaHCO3型，礦化度較低，介于450～900 mg/L之間。

沙爾湖礦區(qū)與阜康白楊河礦區(qū)內(nèi)均有部分區(qū)域發(fā)生煤層火燒?；馃齾^(qū)燒變巖帶由于基巖破碎裂隙發(fā)育，具有極強(qiáng)的導(dǎo)水性和富水性，形成了良好的透水通道和有效的儲水空間。水文地質(zhì)條件對低煤階煤層氣獨(dú)特的生成條件和保存方式影響較大。沙爾湖礦區(qū)地下水無持續(xù)補(bǔ)給來源，又因礦區(qū)東部發(fā)生大規(guī)?；馃?，加快了地下水的蒸發(fā)速度，最終導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)地下水礦化度極高。阜康白楊河礦區(qū)地下水受季節(jié)性冰川融水補(bǔ)給，地表水通過燒變巖導(dǎo)水層，沿急傾煤層及頂?shù)装逑聺B，并在燒變巖帶底部低洼處富集，形成火燒區(qū)滯水層。

2 煤儲層物性及含氣量分布特征

沙爾湖礦區(qū)宏觀煤巖類型以半暗型煤、暗淡型煤為主，局部可見半亮型煤；主力煤層西山窯組煤巖鏡質(zhì)體最大反射率Ro,max分布為0.27%～0.47%，變質(zhì)程度較低，為褐煤[9]；鏡質(zhì)組占3.37%～92.84%，惰質(zhì)組為0.42%～95.35%，殼質(zhì)組在0.84%～49.72%之間，礦物含量介于0.5%～43.4%[6]；水分(Mad)含量較高，介于0.60%～29.95%之間，灰分(Ad)產(chǎn)率介于2.4%～14.48%之間[9](表1)。沙爾湖礦區(qū)壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示煤巖孔隙度較高，可達(dá)11.1%～38.05%。煤巖樣品低溫液氮吸附測定結(jié)果顯示，孔隙類型以微孔、過渡孔為主，其中過渡孔孔容百分比超過60%；微孔約占30%[6]。巖芯樣品掃描電鏡觀察表明，直徑大于1 μm的原生孔隙保存良好(圖2(a))，這些大孔為氣體提供了一定的吸附空間的同時，也增大了儲層的滲透率；煤層中裂隙發(fā)育(圖2(b))，少有礦物充填，且形態(tài)多為開啟，連通性較好。沙試3井的滲透率為7.5 mD，沙試1井滲透率高達(dá)181.9 mD[9]，煤儲層屬于好～極好儲集層。

表1 兩礦區(qū)煤巖顯微組分和工業(yè)分析數(shù)據(jù)Table 1 Maceral composition and proximate analysis results of two mining areas

資料來源：沙爾湖礦區(qū)資料據(jù)文獻(xiàn)[5]

圖2 沙爾湖礦區(qū)煤層孔、裂隙結(jié)構(gòu)Fig.2 The pore fissure structure of coal seam in SEH mining area

阜康白楊河礦區(qū)內(nèi)各主力煤層宏觀煤巖類型總體以半亮煤和半暗煤為主，光亮煤和暗淡煤分布較少。八道灣組煤層鏡質(zhì)體最大反射率Ro,max變化范圍為0.32%～1.08%，以氣煤為主，長焰煤與肥煤次之，僅有少部分地區(qū)發(fā)育褐煤。煤巖顯微組分相對單一，有機(jī)質(zhì)組分以鏡質(zhì)組為主，含量介于62.60%～98.20%之間，惰質(zhì)組次之介于1.30%～29.77%之間，并含有少量殼質(zhì)組，含量介于0～8.30%之間，礦物組分占0.35%～37.7%。阜康白楊河礦區(qū)煤的水分含量較低，一般為0.48%～2.83%；煤層灰分產(chǎn)率為1.43%～32.00%，以低灰煤為主(表1)。阜康白楊河礦區(qū)煤樣孔隙度介于1.7%～8.0%之間，主要以過渡孔和大孔為主，兩類孔的平均孔容百分比分別為38.63%和28.48%，微孔占比21.01%，中孔發(fā)育最少，約占11.88%。煤儲層裂隙發(fā)育程度總體較高，裂隙寬度平均為1～6 μm，礦物充填較少，連通性一般[17]。煤儲層滲透率為1.45～7.30 mD，煤儲層滲透率相對較高，屬于中等～較好儲集層。

以平衡水煤樣等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和煤層氣井測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析兩礦區(qū)吸附性及含氣量分布特征。沙爾湖礦區(qū)主力煤層原煤蘭氏體積介于11.80～20.39 m3/t，平均為9.40 m3/t，蘭氏壓力介于21.28～35.97 MPa之間，平均28.63 MPa[9](表2)。甲烷濃度變化范圍在88.20%～93.77%之間，氮?dú)夂康陀?0%，二氧化碳含量最少，低于2%。礦區(qū)含氣性整體趨勢為東北高，西南低，含氣量在0.73～4.29 m3/t間均有分布，但是整體煤層氣含量不高，大部分地區(qū)小于4 m3/t。煤層厚度整體由東北至西南逐漸變薄，其中北部向斜軸部位置，煤層厚度達(dá)到最大，該區(qū)域煤層含氣量最高，大于4 m3/t；向斜兩翼煤層逐漸變薄，含氣量降低。東部發(fā)生煤層火燒的區(qū)域含氣量最低，不足1 m3/t(圖3)。垂向上，煤層氣集中分布于500～800 m范圍內(nèi)，埋深在500 m以淺，含氣量最低不足1 m3/t(圖4(a))。據(jù)前述，沙爾湖礦區(qū)煤變質(zhì)程度低，地下水礦化度極高且符合滯留承壓水特征，對于低煤階煤層氣而言，高礦化度地下水不利于產(chǎn)甲烷菌的生存，且水動力條件較差不利于煤層氣的保存。因此雖然礦區(qū)構(gòu)造相對單一，煤層厚度大且埋深較淺，含氣區(qū)域集中，煤層孔滲特征較好，但整體含氣量仍然偏低，僅在向斜軸部區(qū)域含氣量大于4 m3/t，并且礦區(qū)東部發(fā)生煤層火燒，導(dǎo)致部分氣體逸散。

阜康白楊河礦區(qū)原煤的蘭氏體積介于9.01～14.28 m3/t，均值為13.52 m3/t，蘭氏壓力介于0.12～0.56 MPa之間，均值為0.31 MPa(表2)。煤層中氣體組分以甲烷為主，平均濃度為78.10%，其次為二氧化碳，濃度平均為15.46%，煤層氣中含有少量的氮?dú)?，占?xì)怏w總量的4.85%，重?zé)N濃度最低，平均濃度為1.59%。礦區(qū)含氣性平面上呈條帶狀分布。含氣量介于0.62～19.74 m3/t之間，黃山-二工河向斜軸部位置含氣性最好，含氣量大于15 m3/t，向南至博格達(dá)山前含氣量逐漸降低至10 m3/t以下，北部向斜一翼部分煤層出露地表，含氣量降低至10 m3/t以下(圖5)。垂向上煤層埋深在0～1 100 m范圍內(nèi)，含氣量隨埋深增大而升高，但在1 100～1 800 m深度范圍內(nèi)，含氣量隨埋深增大而降低，含氣量超過15 m3/t主要分布于800～1 000 m之間(圖4(b))。據(jù)前述，阜康白楊河礦區(qū)的構(gòu)造變形相對較弱，煤層厚度較大，地下水礦化度較低，且于火燒區(qū)底部形成滯水層，利于低煤階煤層氣的富集，煤層出露地表部分雖發(fā)生火燒，但整體含氣量相對較高，且煤層含氣量的高值區(qū)集中在深度為600～1 100 m的火燒區(qū)滯水層之下的區(qū)間范圍內(nèi)?；诖?，本文結(jié)合兩礦區(qū)的構(gòu)造特征、水文地質(zhì)條件和煤層含氣量特征，分析水文地質(zhì)條件對兩礦區(qū)含氣性的影響機(jī)理，總結(jié)適合新疆低煤階煤層氣的富集成藏模式。

表2 兩礦區(qū)吸附性和含氣量變化范圍Table 2 The variation range of adsorption and gas content of two mining areas

圖3 沙爾湖礦區(qū)含氣量分布圖Fig.3 Occurrenve of CBM content in SEH mining area

圖4 兩礦區(qū)煤層氣含量與埋深的關(guān)系Fig.4 Relationship between gas content and buried depth of two mining areas(資料來源：沙爾湖礦區(qū)資料來自文獻(xiàn)[5])

圖5 白楊河礦區(qū)煤層氣含量平面分布圖Fig.5 Occurrence of CBM content in BYH mining area

3 低煤階煤層氣富集成藏差異對比

3.1 煤層氣成因?qū)Ρ?/h3>

沙爾湖礦區(qū)西山窯組煤巖熱演化程度低，煤層埋深較淺，甲烷碳同位素δ13C值為-62.7‰～-61.5‰，δD值為-225‰～-220‰[18-19](圖6(a))，指示礦區(qū)內(nèi)煤層氣具有原生生物成因氣的特征，即煤層氣由產(chǎn)甲烷菌作用，生成于早期成巖作用階段，產(chǎn)甲烷菌的活性直接影響生物成因氣量。由于氣候干旱少雨，礦區(qū)內(nèi)缺少地表水的補(bǔ)給，地下水礦化度極高，同時大面積的煤層火燒也加劇了沙爾湖礦區(qū)地下水礦化度的升高，至今達(dá)25 000～40 000 mg/L。隨著地下水礦化度增大，產(chǎn)甲烷菌的活性下降，當(dāng)?shù)V化度高于10 000 mg/L時[20]，產(chǎn)甲烷菌逐漸死亡。因此礦區(qū)內(nèi)高礦化度地下水抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，降低了生氣能力，從而導(dǎo)致礦區(qū)整體含氣量較低。

阜康白楊河礦區(qū)煤層熱演化程度略高于沙爾湖礦區(qū)，甲烷碳同位素在-64.4‰～-41.9‰之間[19-20](圖6(b))，具有生物成因氣和熱成因氣混合的特征。由于靠近周緣山系接受冰川融水補(bǔ)給，在燒變巖帶底部逐漸形成滯水層，滯水層礦化度相對較低，為450～900 mg/L。當(dāng)?shù)叵滤V化度小于4 000 mg/L時，產(chǎn)甲烷菌的活性高[21]，因此在滯水層產(chǎn)甲烷菌大量繁殖且活性較高。當(dāng)?shù)乇硭鹘?jīng)火燒區(qū)滯水層時，攜帶著產(chǎn)甲烷菌沿煤層逐漸下滲運(yùn)移，因此次生生物成因氣于滯水層下方區(qū)域大量生成并富集。煤層由于構(gòu)造抬升，儲層壓力不斷減小，第一次生烴形成的熱成因氣沿煤層傾斜方向從深部向上發(fā)生運(yùn)移，與次生生物成因氣混合形成煤層氣富集帶。

圖6 煤層氣成因圖解Fig.6 The genesis of CBM diagrammatize

3.2 煤層氣保存條件對比

據(jù)前述，沙爾湖礦區(qū)地下水缺乏補(bǔ)充，礦區(qū)內(nèi)煤層殘存地下水大部分為原生水，地下水動力條件極弱，水流趨于停滯，為滯留承壓型。礦區(qū)構(gòu)造形態(tài)為寬緩向斜，西山窯組主力煤層頂?shù)装鍨樯皫r、泥巖與粉砂質(zhì)泥巖互層的低滲透性隔層，頂?shù)装搴穸容^大。由于礦區(qū)東部盆地邊緣，向斜一翼淺部煤層出現(xiàn)火燒，煤層及上覆巖系受到高溫烘烤形成燒變巖帶，同時地下水得不到及時補(bǔ)充，無法形成有效的水力封堵，因此富集于淺層的部分煤層氣沿?zé)儙r帶內(nèi)部氣孔和裂隙通道解吸逸散，僅位于向斜軸部的部分原生生物成因氣得以富集。

阜康白楊河礦區(qū)含煤段受南部博格達(dá)山冰川融水及大氣降水的補(bǔ)給，地下水流向總趨勢由南至北運(yùn)移，在火燒區(qū)煤層出露附近形成季節(jié)性徑流，沿煤層下傾方向向深部逐漸下滲運(yùn)移，于火燒區(qū)底部形成緩流，并形成滯水層。一方面流動的地下水流經(jīng)煤儲層時溶解部分煤層氣，向深部聚集；另一方面地下水徑流方向與煤層氣逸散方向相反，阻止了深部熱成因氣的順層逸散，形成了有效的水力封堵；滯水層的存在也減少了深部地下水的蒸發(fā)，對煤層氣的保存和富集極為有利。同時礦區(qū)內(nèi)煤層頂?shù)装孱愋蜑槟鄮r、致密砂巖和砂泥巖互層的低滲透性隔層，可以形成有利的封閉層，對急傾斜煤層而言形成了有效的側(cè)向封堵。

3.3 煤層氣成藏模式對比

據(jù)前述分析，阜康白楊河礦區(qū)和沙爾湖礦區(qū)內(nèi)煤層均出現(xiàn)大規(guī)?；馃?，煤儲層物性特征雖略有不同，但兩個礦區(qū)內(nèi)煤層厚度大，孔裂隙較為發(fā)育，均為較好儲集層，都具有一定的生氣和儲氣能力。導(dǎo)致阜康白楊河礦區(qū)含氣量明顯優(yōu)于沙爾湖礦區(qū)的根本原因在于水文地質(zhì)條件。沙爾湖礦區(qū)無地下水補(bǔ)給來源，火燒區(qū)內(nèi)無法形成滯水層。一方面導(dǎo)致地下水礦化度逐漸升高，對于低階煤而言，高礦化度不利于產(chǎn)甲烷菌的存活，從而致使煤層生氣條件變差；另一方面沒有滯水層的水力封堵，導(dǎo)致部分原生生物氣沿?zé)儙r裂隙逸散(圖7)。而阜康白楊河礦區(qū)位于地下水補(bǔ)給區(qū)，火燒區(qū)內(nèi)長期存在滯水層，一方面減少了干旱氣候下地下水的蒸發(fā)，為產(chǎn)甲烷菌提供了良好的生存條件，促進(jìn)次生生物成因氣的大量生成；另一方面，對沿煤層急傾斜方向運(yùn)移的甲烷氣體產(chǎn)生有效的水力封堵(圖8)。綜合上述分析，火燒區(qū)滯水層封堵型混合氣成藏模式有利于新疆低煤階煤層氣的富集成藏。

圖7 沙爾湖礦區(qū)火燒區(qū)成藏模式圖Fig.7 CBM reservoiring model of burning area in SEH mining area

圖8 阜康白楊河礦區(qū)火燒區(qū)成藏模式圖Fig.8 CBM reservoiring model of burning area in BYH mining area

4 結(jié) 論

1) 沙爾湖礦區(qū)構(gòu)造簡單，煤層厚度大，原生孔隙保存良好，地下水礦化度極高且為滯留承壓水，煤層含氣量偏低，總體趨勢為東北高西南低。阜康白楊河礦區(qū)構(gòu)造形態(tài)單一，煤層厚度較大，孔隙發(fā)育良好，地下水受冰川融水補(bǔ)給后形成滯水層，礦化度較低，煤層含氣量較高，總體由北到南先增高后降低。

2) 阜康白楊河礦區(qū)煤層氣的成藏模式為火燒區(qū)滯水層封堵型混合氣成藏模式。對新疆低煤階煤儲層而言，煤巖熱演化程度低，成煤作用早期生成的原生生物成因氣量較少，火燒區(qū)滯水層一方面有利于產(chǎn)甲烷菌的存活，有利于次生生物成因氣的生成；另一方面減少了地下水的蒸發(fā)，對逸散氣體形成有效的水力封堵。

3) 新疆低煤階高含氣量煤層氣藏的形成是火燒區(qū)內(nèi)部大量發(fā)育的孔洞裂隙與在火燒區(qū)底部形成的滯水層聯(lián)合作用的結(jié)果，在低煤階煤層氣的勘探中，可將火燒區(qū)滯水層作為突破點(diǎn)，對于低煤階煤層氣富集帶的勘探具有指示意義。