庫(kù)拜煤田鐵東礦區(qū)煤層氣成藏條件分析

李萬(wàn)軍 杜世濤

(新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局，新疆 830091)

1 地質(zhì)概況

鐵東礦區(qū)位于位于塔里木盆地北緣，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育中生界(三疊系(T)、侏羅系(J)和白堊系(K))和新生界(古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q))陸相沉積地層。區(qū)內(nèi)的含煤地層為塔里奇克組，地層厚度270～308m，平均厚度288.5m，含煤層13層。單層煤層厚度在0.12～12.50m之間，煤層單層厚度從下向上逐漸變薄含夾矸0～2層，煤層為單一簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，煤層平均厚度總和21.06m，可采煤層平均厚度總和19.17m。全層含煤系數(shù)為7.30%，含可采煤層系數(shù)為6.64%。

2 儲(chǔ)層物性特征

2.1 宏觀煤巖特征

區(qū)內(nèi)A3煤層以半亮煤為主，半暗煤次之，含少量的光亮煤與暗淡煤；宏觀煤巖組分亮煤為主。A5煤層全為半亮煤；宏觀煤巖組分以亮煤為主。A8煤層以半亮煤為主，半暗煤、暗淡煤次之；宏觀煤巖組分以亮煤為主，含少量暗煤。A9煤層則主要為半亮煤和半暗煤；宏觀煤巖組分亮煤、暗煤對(duì)半。A10煤層以半亮煤為主，半暗煤次之；宏觀煤巖組分以亮煤為主，含少量暗煤?？傮w來(lái)看，區(qū)內(nèi)宏觀煤巖組分以亮煤為主，并含少量的暗煤。

2.2 顯微煤巖組分

區(qū)內(nèi)煤層顯微煤巖組分中鏡質(zhì)組含量最高，平均為65.64%，惰質(zhì)組含量次之，平均為32.96%，殼質(zhì)組含量較低，平均為0.42%，鏡質(zhì)組最大反射率介于0.64%～0.74%，平均為0.69%，屬于長(zhǎng)焰煤-氣煤階段。鏡質(zhì)組主要以無(wú)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中的基質(zhì)鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體為主。各基質(zhì)鏡質(zhì)體油浸反射色為淺色，不顯細(xì)胞結(jié)構(gòu)，表面純凈且平整，不顯突起，可見碎屑鏡質(zhì)體，粒徑較小，呈不規(guī)則狀分布，受應(yīng)力作用，鏡質(zhì)組份較碎，半鏡質(zhì)組份主要為基質(zhì)半鏡質(zhì)體，在油浸反射色光下呈白色，略顯突起，大多不顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)。無(wú)機(jī)類礦物組成主要為粘土，呈浸染狀分布，較聚集。黃鐵礦呈鮞粒狀分布。碳酸鹽礦物呈脈狀分布(表1)。

2.3 煤質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)A3、A5、A8、A9、A10煤層原煤空氣干燥基水份(Mad)在0.26%～4.54%之間，浮煤空氣干燥基水份(Mad)含量在0.15%～3.04%之間，原煤干燥基灰分產(chǎn)率(Ad)在4.50%～39.40%之間，平均值17.91%，浮煤干燥基灰分產(chǎn)率(Ad)在3.32%～30.44%之間，平均值7.27%；原煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)16.63%～44.15%，浮煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)16.04%～39.76%，平均值28.05%。礦區(qū)煤層均屬于低水分、特低-低灰、中-中高揮發(fā)分煤(表2)。

表1 鐵列克東區(qū)各煤層煤巖組分成果表

表2 鐵列克東區(qū)各煤層煤質(zhì)特征

2.4 孔滲特征

煤中孔隙的發(fā)育程度影響煤中氣體吸附、解吸和滲流，因此針對(duì)煤的孔隙特征的研究對(duì)煤層氣的開發(fā)與利用具有重要意義。本次研究從現(xiàn)場(chǎng)采集9組煤樣進(jìn)行高壓壓汞測(cè)試，并按照大孔(>1000nm)、中孔(100～1000nm)、過(guò)渡孔(10～100nm)和微孔(<10nm)的分類方案進(jìn)行煤樣孔容和孔比表面積的分析。結(jié)果表明，研究區(qū)煤樣總孔容介于0.011cm3/g～0.9961cm3/g，平均為0.5036cm3/g，其中中孔所占比例較大，平均為42.26%，大孔次之，平均為38.41%，過(guò)渡孔和微孔所占比例很小，平均值分別為14.10%、5.23%。孔容測(cè)試數(shù)據(jù)詳見表3。主要煤層微孔不發(fā)育，甲烷主要的吸附空間不足，吸附氣所占比例相對(duì)較小，而大孔發(fā)育，氣體層流運(yùn)動(dòng)空間充裕，利于氣體運(yùn)移，有利于煤層氣開發(fā)。

圖1 鐵東礦區(qū)煤層氣組分與埋深關(guān)系

表3 鐵列克東礦區(qū)煤樣孔容測(cè)試結(jié)果

鐵東礦區(qū)滲透率值處于<0.1mD、0.1～1mD和1～10mD的比例分別為27%、60%和13%。鐵東礦區(qū)總體上滲透率值處于0.008～1.37mD范圍內(nèi)，均值為0.54mD，因此鐵東礦區(qū)煤儲(chǔ)層總體上屬于中滲儲(chǔ)層，部分區(qū)域?yàn)楦邼B儲(chǔ)層。綜上所述，鐵東礦區(qū)的滲透率較大，遠(yuǎn)高于我國(guó)東部高級(jí)煙煤和無(wú)煙煤盆地的滲透率，這是新疆諸多盆地和阜康礦區(qū)煤層氣開發(fā)的有利條件。

2.5 含氣性

對(duì)區(qū)內(nèi)煤層氣井主采煤層A3、A5、A8、A9、A10煤層樣品按GB/T 13610—2003《天然氣的組成分析氣相色譜法》和GB/T 19559—2008《煤層氣含量測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了煤層氣組分分析和含量測(cè)定。主力煤層CH4濃度隨埋深增加趨于增大(圖1a)；主力煤層整體的重?zé)N濃度具有隨埋深增加增大的特征(圖1b)；主力煤層N2濃度隨埋深增加整體上表現(xiàn)為先增大后減小(圖1c)；CO2濃度隨埋深增加整體上表現(xiàn)為逐漸增大的特征(圖1d)。

3 煤層氣成藏的特殊因素

3.1 火燒區(qū)

水文地質(zhì)條件是煤層氣富集的主控因素之一，滯留水區(qū)和承壓水區(qū)由于水力封堵及水力封閉作用，有利于煤層氣的保存。該礦區(qū)遭受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造發(fā)生抬升，煤層被抬升至地表發(fā)生火燒，形成燒變巖。由于燒變巖系滲透率較煤系地層大，地表水對(duì)燒變巖系水的補(bǔ)償遠(yuǎn)大于燒變巖系水下滲補(bǔ)給地下水的量。頂部煤層受溫度、氧氣等多因素影響發(fā)生火燒形成水源補(bǔ)給通道，地表降雨、季節(jié)性沖溝水流及冰雪融水為火燒區(qū)含水帶提供了補(bǔ)給水源，形成特色的火燒區(qū)滯水層封堵模式。庫(kù)拜煤田鐵東礦區(qū)靠近北部中高山區(qū)，接受北部高山融化雪水、大氣降水和山區(qū)泉水補(bǔ)給，流向自北向南，發(fā)育常年流水的木扎爾特河水系，可長(zhǎng)期為區(qū)內(nèi)火燒區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給，這使得燒變巖系內(nèi)長(zhǎng)期存在一個(gè)滯水層?；馃齾^(qū)滯水層的存在不僅減少了干旱氣候下地層水的蒸發(fā)，保存了大量的水資源，而且在補(bǔ)給各含水層的同時(shí)對(duì)煤層氣產(chǎn)生了有效的封堵。此外，煤層火燒之后營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，加上地層水的補(bǔ)給，利于產(chǎn)甲烷菌的富集和生成，產(chǎn)生次生生物成因氣，可能對(duì)該區(qū)形成了良好的氣源補(bǔ)給。

3.2 水動(dòng)力條件

水文地質(zhì)條件是煤層氣賦存狀態(tài)的主控因素之一，影響著煤層氣富集和開發(fā)。研究區(qū)內(nèi)主采煤層為極具特色的陡傾斜煤層，在其上傾方向火燒區(qū)滯水層形成了有效的水力封堵。因地表自燃活動(dòng)導(dǎo)致塔里奇克組煤層淺部發(fā)生火燒，形成了一條近東西向的燒變巖帶?；馃齾^(qū)在垂向上具有一定延展性，燒變巖結(jié)果破碎較為嚴(yán)重，裂隙相對(duì)發(fā)育，裂隙的發(fā)育既提供了一定的儲(chǔ)水空間，又為水體的運(yùn)移提供了良好的通道。煤層上部的地表塌陷接受大氣降水、冰雪融水的直接補(bǔ)給，形成燒變巖含水層直接補(bǔ)給煤儲(chǔ)層的地下水補(bǔ)給模式。在地面降水下滲補(bǔ)償過(guò)程中，由燒變巖系至煤儲(chǔ)層孔滲性減小，地下水隨地層埋深增大趨于滯留，徑流方向與煤層氣向上逸散方向相反，對(duì)深部煤層氣起到較好的水力封閉作用，利于煤層氣富集成藏。

3.3 水化學(xué)特征

礦化度、水的類型及各種離子組合特征是影響地層水化學(xué)特征的主要因素，地層水化學(xué)特征常被用于對(duì)水體所處環(huán)境、來(lái)源及儲(chǔ)層水演化的識(shí)別。封閉性高、保存條件好的地層水常常具有較高的礦化度。

圖2 庫(kù)拜煤田鐵東礦區(qū)地下水礦化度與埋深關(guān)系

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