準(zhǔn)南白楊河礦區(qū)煤層氣成藏模式及主控因素

肖晴俠，王生維，陳安東*

（1. 山東大學(xué)，巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南 250061；2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

新疆準(zhǔn)南地區(qū)屬于低煤階地區(qū)，擁有豐富的煤炭及煤層氣資源，是國(guó)家“十三五”低煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)示范區(qū)[1-4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤層氣成藏理論、成藏機(jī)理以及成藏模式等內(nèi)容已開(kāi)展大量工作與研究[5]。構(gòu)造作用和水文地質(zhì)條件是煤層氣富集成藏過(guò)程的主控因素，煤層氣的賦存、運(yùn)移和生產(chǎn)都受到水文地質(zhì)的影響與控制作用，煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程也起到非常重要的作用[6]。白楊河礦區(qū)位于新疆阜康市石河子鎮(zhèn)，該區(qū)發(fā)育煤層的下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b）平均厚度570 m，主要發(fā)育42#和44#煤層，以氣煤-肥煤為主，單層煤厚超過(guò)20 m，厚度較大，含氣量較高，但該區(qū)研究主要聚焦在構(gòu)造、滲透率、含氣性特征等方面，煤層氣成藏模式及主控因素分析研究較少?；疑P(guān)聯(lián)分析方法，是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，亦即“灰色關(guān)聯(lián)度”，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法。作為一種定量表征系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)的方法，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于客觀(guān)性強(qiáng)，方便、直觀(guān)，對(duì)樣本數(shù)量要求低，且對(duì)分布規(guī)律無(wú)要求[7-8]。筆者選定煤層厚度、煤層埋深、含氣性、滲透率4個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)分析，通過(guò)收集研究區(qū)前期勘探成果和解譯資料，對(duì)該區(qū)煤層氣成藏模式及主控因素進(jìn)行研究，以期為后期鉆壓排的工作提供重要的理論支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)情況

準(zhǔn)噶爾盆地最早于中石炭世末期形成，最早的沉積蓋層是下二疊統(tǒng)，是經(jīng)過(guò)周邊海槽閉合碰撞，受到多向擠壓形成的，屬于典型的擠壓性盆地。盆地在晚二疊世時(shí)，沉積的范圍不斷擴(kuò)大，原本分割的局面得到初步統(tǒng)一。印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期，盆地周邊的主斷裂有同生構(gòu)造和明顯的左、右扭動(dòng)，表現(xiàn)為東強(qiáng)、西弱、北強(qiáng)、南弱的規(guī)律，盆地北緣一些主控?cái)嗔堰€表現(xiàn)出強(qiáng)烈地推覆活動(dòng)[9-10]。白楊河礦區(qū)構(gòu)造位于新疆二級(jí)構(gòu)造單元北天山優(yōu)地槽褶皺帶北部中央部位，該褶皺帶北與準(zhǔn)噶爾坳陷接壤，南以博羅科努-阿其庫(kù)都克超巖石圈斷裂為界，呈近EW向展布，南北寬約200 km（圖1），這是自早古生代開(kāi)始，燕山晚期、喜馬拉雅早期和喜馬拉雅晚期3期構(gòu)造[11]形成的一系列NWW向、近WE向及NEE向的斷裂、褶皺及山間盆地。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。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖[12]

2 礦區(qū)構(gòu)造條件

研究區(qū)位于黃山-二工河向斜北翼，總體上為一南傾的單斜構(gòu)造（圖2），近EW走向，傾角50°左右，含煤地層在走向和傾向上變化不大。在研究區(qū)外西側(cè)有一條洪溝斷層（F2），為一正斷層，傾向西，傾角 80°左右，斷距約100 m 左右。研究區(qū)節(jié)理極為發(fā)育，且均屬剪切節(jié)理，節(jié)理的走向總體上則表現(xiàn)為4個(gè)優(yōu)勢(shì)方向，即NEE-SWW向、NWW-SEE向、NNE-SSW向和NNW-SSE向，其中以NNE-SSW向和 NNW-SSE 向?yàn)橹鳎▓D 3～4）[12]。

3 煤層氣成藏條件

煤層氣藏形成條件包括生氣能力、儲(chǔ)層特征、封蓋條件3個(gè)方面。生儲(chǔ)能力主要包括煤層厚度、含氣性等方面，封蓋條件主要受頂?shù)装鍘r性、構(gòu)造特征和水文地質(zhì)條件影響。

3.1 煤層發(fā)育特征

圖2 42#煤層底板構(gòu)造圖

圖3 節(jié)理走向玫瑰花圖[11]

該區(qū)發(fā)育煤層的下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b），目標(biāo)煤層為42#煤層，以氣煤-肥煤為主，煤層淺部火燒，單層煤厚超過(guò)20 m（圖5），厚度較大，含0～3層夾矸（圖6），巖性為粉砂巖和炭質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為一全區(qū)可采的穩(wěn)定的巨厚煤層。煤層厚度由東到西厚度穩(wěn)定，由淺到深逐漸變厚，呈正相關(guān)關(guān)系（圖 7）。

煤的宏觀(guān)煤巖組分以亮煤為主，暗煤次之，夾有少量的鏡煤，宏觀(guān)煤巖類(lèi)型以光亮煤為主。有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主（86.60%～93.70%），惰質(zhì)組次之（5.30%～12.40%），極少量的殼質(zhì)組（＜1%）?；曳趾吭?.33%～13.93%，屬于特低-中低灰分產(chǎn)率?？紫额?lèi)型以基質(zhì)孔隙為主，微裂隙次之，含有少量的植物細(xì)胞殘留孔隙，基質(zhì)孔隙度在4.08%～4.36%，平均為4.18%。煤層的堅(jiān)固性系數(shù)低，小于0.8，屬于低等強(qiáng)度的煤層。

3.2 煤層含氣性特征

根據(jù)前期區(qū)塊內(nèi)已鉆煤層氣井，對(duì)42#煤層含氣量進(jìn)行了測(cè)試。FC-1井：空氣干燥基氣含量為 8.69～15.65 m3/t，平均 13.26 m3/t。FS-3 井：煤層空氣干燥基氣含量為0.65 ～8.53 m3/t，平均4.46 m3/t。FS-4井：煤層取樣空氣干燥基氣含量為8.76～13.57 m3/t，平均10.94 m3/t。ZN-1井：煤層空氣干燥基氣含量為6.69～14.09 m3/t，平均9.60 m3/t。通過(guò)對(duì)42#煤進(jìn)行滲透率測(cè)試，滲透率范圍為5～11 mD，含氣量高且滲透率較好，對(duì)后期開(kāi)發(fā)極為有利。

3.3 封蓋條件

煤層的頂?shù)装鍖?duì)煤層氣有著一定程度的保存作用。頂板以深灰色-灰黑色粉、細(xì)砂巖為主，南傾單斜構(gòu)造，平均厚度超過(guò)40 m，底板為粉砂巖、中砂巖，巖性粒度細(xì)小，平均厚度約30 m，均與煤層整合式接觸（圖8），質(zhì)地半堅(jiān)硬，鈣質(zhì)膠結(jié)，致密性較好，其毛細(xì)管力可以阻止氣體的逸散，為煤層氣儲(chǔ)存提供了較好的封蓋條件[13]。頂?shù)装迓裆钭员毕蚰现饾u增大，由東到西埋深、厚度穩(wěn)定（圖8）。

圖4 節(jié)理密度統(tǒng)計(jì)

圖5 42#煤層厚度等值線(xiàn)圖

圖6 42#煤層煤體結(jié)構(gòu)圖

圖7 煤層厚度與含氣量隨埋深變化趨勢(shì)圖

研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造為黃山-二工河向斜北翼，總體上為地層南傾的單斜構(gòu)造，走向?yàn)榻麰W向，地層傾角45°～53°，含煤地層在走向和傾向上變化不大，構(gòu)造復(fù)雜程度劃分為簡(jiǎn)單構(gòu)造類(lèi)型。

研究區(qū)氣候干旱，大氣降水極為有限，但其位于天山北坡，來(lái)自山上的冰雪融水對(duì)煤系地層的水補(bǔ)給量非常大，研究區(qū)東部白楊河更是常年有水不斷流，位于研究區(qū)中部季節(jié)性河流泉水溝的水井，出水量也很大。尤其火燒巖較為破碎，裂隙極其發(fā)育，儲(chǔ)水空間和透水通道良好，與地表水形成水力聯(lián)系而獲得補(bǔ)給能力強(qiáng)，且分布的位置位于煤層的上部。

4 煤層氣成藏模式

綜合考慮頂?shù)装逄卣?、?gòu)造特征以及水文地質(zhì)條件，總結(jié)出研究區(qū)煤層氣成藏模式為頂?shù)装宸忾]與單斜-水力封堵復(fù)合型成藏模式[14-15]。同時(shí)，為了定量分析煤層氣成藏主控因素，結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)理論，選定煤層厚度、煤層埋深、含氣性、滲透率等4個(gè)方面分析各個(gè)地質(zhì)因素對(duì)成藏模式的影響程度（表 1）。

表1 影響因素原始數(shù)據(jù)

4.1 成藏模式模型

研究區(qū)頂?shù)装宸忾]與單斜-水力封堵復(fù)合型成藏模式（圖9）。開(kāi)采部位位于向斜北側(cè)南傾單斜底部構(gòu)造部位，地下水由向斜兩翼進(jìn)入核部，形成滯流區(qū)，而北翼上部為燒變巖，滲透性大，地表徑流順燒變巖地層沿下傾方向流動(dòng)優(yōu)勢(shì)明顯，煤層氣在浮力的作用下沿上傾方向運(yùn)移。此時(shí)，在直接頂?shù)装宓姆馍w作用下，氣水分異特征明顯，煤層氣與地下水相互阻礙，形成相對(duì)滯留的平衡狀態(tài)，有利于煤層氣在此富集成藏。同時(shí)，多煤層發(fā)育條件下，向斜部位構(gòu)造壓應(yīng)力大，在地層上覆壓力雙重作用條件下，可以形成有利儲(chǔ)層。因此，致密性山巖頂?shù)装濉涡睒?gòu)造-水動(dòng)力封堵作用較強(qiáng)的向斜核部是煤層氣富集成藏的有利部位[14,16-18]。

圖8 煤層柱狀圖

圖9 成藏模式模型（據(jù)王生維、周三棟等改）[13,15]

4.2 基于灰色理論的主控因素分析

灰色關(guān)聯(lián)分析的基本思想是根據(jù)序列曲線(xiàn)幾何形狀的相似程度來(lái)判斷其聯(lián)系是否緊密。曲線(xiàn)越接近，相應(yīng)序列之間關(guān)聯(lián)度就越大，反之就越小。具體包括如下5個(gè)步驟[1,19-20]：a.確定分析數(shù)列；b.無(wú)量綱化處理；c.計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)；d.求關(guān)聯(lián)度；e.關(guān)聯(lián)度排序。

a. 參考數(shù)列為Y=Y(k)∣k=1,2···4；比較數(shù)列為Xi=Xi(k)，k=1,2···4,i=1,2···5。

b. 無(wú)量綱化處理。由于各個(gè)影響因素的物理意義不同，因此其原始數(shù)據(jù)量綱不同，且數(shù)量級(jí)差距較大。因此采用均值化方法進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

c. 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)[16]。

其中ρ為分辨系數(shù)，0＜ρ＜1。若ρ越小，關(guān)聯(lián)系數(shù)間差異越大，區(qū)分能力越強(qiáng)。通常ρ取0.5。

e. 關(guān)聯(lián)度排序（表 2）。

通過(guò)計(jì)算可以定量、直觀(guān)地反映煤層氣成藏的主控因素，分別是r4滲透率、r3含氣性、r1煤層厚度和r2煤層埋深。

表2 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)白楊河礦區(qū)煤層氣成藏模式及主控因素的分析，得到以下結(jié)論：

1）研究發(fā)現(xiàn)，白楊河礦區(qū)煤層厚度大、含氣量高，且煤層厚度和含氣性隨著煤層埋深的增大而增大，呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。頂?shù)装鍘r性為砂巖-粉細(xì)砂巖，致密性較好，為煤層氣富集提供了良好的封蓋基礎(chǔ)。

2）致密性山巖頂?shù)装?、單斜?gòu)造-水動(dòng)力封堵作用較強(qiáng)的向斜核部是煤層氣富集成藏的有利部位，形成了研究區(qū)頂?shù)装宸忾]與單斜-水力封堵復(fù)合型成藏模式，并建立了相關(guān)地質(zhì)模型。

3）基于灰色關(guān)聯(lián)理論研究發(fā)現(xiàn)，滲透率、含氣性和煤層厚度是該區(qū)煤層氣成藏的主控因素。