低煤階煤層氣甲烷風(fēng)化帶劃分方法及影響因素
——以準(zhǔn)南烏魯木齊礦區(qū)為例

楊曙光，許 浩，王 剛，王 瓊，任鵬飛，董文洋

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局，新疆 烏魯木齊 830091; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083; 3.煤層氣開(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程中心煤儲(chǔ)層實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 4.非常規(guī)天然氣地質(zhì)評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

煤層氣作為新型清潔能源近年來(lái)得到快速發(fā)展，而煤層甲烷風(fēng)化帶的存在關(guān)系到煤礦安全、煤層氣資源評(píng)價(jià)等諸多問(wèn)題。煤層甲烷風(fēng)化帶是由于煤層中的氣體向上運(yùn)移，同時(shí)地面空氣向煤層中滲透而產(chǎn)生[1]。多年來(lái)，眾多學(xué)者圍繞著甲烷風(fēng)化帶的判別指標(biāo)和分布規(guī)律、形成機(jī)制以及準(zhǔn)南地區(qū)甲烷風(fēng)化帶的深度標(biāo)定開(kāi)展了廣泛的研究工作，并取得了較豐富的研究成果。但準(zhǔn)南地區(qū)低煤階煤層氣的規(guī)?；碧介_(kāi)發(fā)正處于起步階段，尚未形成能夠有效指導(dǎo)勘探和生產(chǎn)實(shí)踐的系統(tǒng)理論，其中，有關(guān)低煤階煤層氣區(qū)甲烷風(fēng)化帶形成與分布的地質(zhì)作用機(jī)理方面的研究相當(dāng)薄弱，難以滿足煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求[2-3]。具體表現(xiàn)在低煤階煤層氣區(qū)塊評(píng)價(jià)中甲烷風(fēng)化帶取值單一，通常一個(gè)地區(qū)甲烷風(fēng)化帶只取一個(gè)值。實(shí)際上，低煤階煤層氣區(qū)甲烷風(fēng)化帶的深度變化較大，不同地區(qū)或同一地區(qū)的不同位置風(fēng)化帶的分布具有較大差異，若對(duì)甲烷風(fēng)化帶分布的差異性缺乏深入的認(rèn)識(shí)將會(huì)影響低煤階煤層氣資源評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性，嚴(yán)重制約了準(zhǔn)南地區(qū)煤層氣勘探風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避和產(chǎn)能建設(shè)的規(guī)劃。

因此，筆者著眼于準(zhǔn)南地區(qū)烏魯木齊礦區(qū)低煤階煤層氣特征，提出了煤層氣甲烷風(fēng)化帶劃分的新方法，并分析了構(gòu)造、沉積、水文地質(zhì)特征對(duì)甲烷風(fēng)化帶的影響，力求更加合理、準(zhǔn)確地劃分研究區(qū)甲烷風(fēng)化帶深度，以期規(guī)避勘探風(fēng)險(xiǎn)，降低開(kāi)發(fā)成本。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地南緣地處天山北麓低山-丘陵地帶(圖1(a))，構(gòu)造上經(jīng)歷了早二疊世裂谷、中晚二疊世前陸盆地，三疊紀(jì)至白堊紀(jì)復(fù)合類前陸盆地和古近紀(jì)以來(lái)的類前陸盆地4個(gè)階段[4]。構(gòu)造上整體上表現(xiàn)為“東西分帶，南北分段”的特點(diǎn)。烏魯木齊礦區(qū)位于準(zhǔn)南中東部(圖1(b))，以烏魯木齊河為界，分為河?xùn)|礦區(qū)與河西礦區(qū)。河?xùn)|礦區(qū)煤層主要受八道灣向斜與七道灣背斜這個(gè)大型共軛褶皺的控制[5]。河西礦區(qū)煤層氣井主要位于西山單斜，受到的構(gòu)造擠壓變形作用要明顯弱于河?xùn)|礦區(qū)，煤層埋深也相對(duì)較淺。

準(zhǔn)南地區(qū)地層由老到新依次發(fā)育石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系以及第四系地層，其中，侏羅系地層為主要含煤地層。烏魯木齊礦區(qū)為西山窯組煤層富集區(qū)，西山窯組地層可進(jìn)一步劃分為西山窯組下段(SQ1)和西山窯組上段(SQ2)[6-7]。在煤系沉積時(shí)期，物源來(lái)自依連哈比爾尕山，煤層形成于三角洲與湖泊相中[8](圖1(c))。

準(zhǔn)南地區(qū)屬于典型的干旱區(qū)中溫帶大陸性氣候，降水量稀少，蒸發(fā)量高，地表徑流水系的主要水源補(bǔ)給為北天山與博格達(dá)山的雪融水[9]。根據(jù)煤系含水層標(biāo)高、礦化度、離子濃度等水動(dòng)力參數(shù)，并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造特征，將準(zhǔn)南地區(qū)劃分為8個(gè)水文地質(zhì)單元，地下水流向基本受構(gòu)造樣式控制，以自南向北，自東向西為主要流動(dòng)方向[10]。其中烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)隸屬米泉水文地質(zhì)單元，表征封閉性滯留水文地質(zhì)單元;河西礦區(qū)隸屬硫磺溝水文地質(zhì)單元，表征開(kāi)啟型局部滯留水文地質(zhì)單元。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

2 研究區(qū)氣體分布特征

2.1 含氣量

通過(guò)對(duì)烏魯木齊礦區(qū)煤層氣井實(shí)測(cè)含氣量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，烏魯木齊礦區(qū)西山窯組煤層含氣量分布于2.01～13.57 m3/t，平均含氣量為5.85 m3/t。平面上，河?xùn)|礦區(qū)含氣量由南向北增高(圖2)，即北單斜(七道灣背斜北翼)煤層含氣量>八道灣向斜北翼含氣量>八道灣向斜南翼含氣量。東西方向上，河?xùn)|礦區(qū)西部含氣量明顯高于東部，河西礦區(qū)含氣量自東向西增大。

2.2 主要?dú)怏w體積分?jǐn)?shù)

通過(guò)對(duì)烏魯木齊礦區(qū)煤層氣組分測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，烏魯木齊礦區(qū)CH4體積分?jǐn)?shù)介于57%～93%，平均體積分?jǐn)?shù)75%，CH4體積分?jǐn)?shù)偏低;N2體積分?jǐn)?shù)介于1%～11%，平均體積分?jǐn)?shù)5%，N2體積分?jǐn)?shù)略高;CO2體積分?jǐn)?shù)介于1%～32%，平均體積分?jǐn)?shù)18%，礦區(qū)CO2體積分?jǐn)?shù)較高。

3 甲烷風(fēng)化帶劃分新方法

當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的甲烷風(fēng)化帶劃分方法為俞啟香在1992年提出的方案[1]，即將煤層氣自上而下按成分不同劃分為4個(gè)帶:① N2-CO2帶,CO2體積分?jǐn)?shù)大于20%;② N2帶,N2體積分?jǐn)?shù)>80%，CH4體積分?jǐn)?shù)<20%;③ N2-CH4帶,CH4體積分?jǐn)?shù)為20%～80%，N2體積分?jǐn)?shù)為80%～20%;④ 甲烷帶,CH4體積分?jǐn)?shù)>80%，N2體積分?jǐn)?shù)<20%。甲烷風(fēng)化帶是前3帶(N2-CO2帶、N2帶、N2-CH4帶)的統(tǒng)稱。多年來(lái)，諸多學(xué)者采用不同方法對(duì)準(zhǔn)南地區(qū)低煤階煤層甲烷風(fēng)化帶進(jìn)行了劃分[11-14]。總體而言，前人對(duì)甲烷風(fēng)化帶的研究取值較單一，忽略了準(zhǔn)南地區(qū)低煤階含氣量低的特點(diǎn);忽視了風(fēng)化帶的經(jīng)濟(jì)上與地質(zhì)上的雙重意義，難以做到真正利用甲烷風(fēng)化帶規(guī)避勘探風(fēng)險(xiǎn)。

甲烷風(fēng)化帶的經(jīng)濟(jì)意義在于評(píng)價(jià)煤層中甲烷含量是否達(dá)到商業(yè)開(kāi)發(fā)的需求。而從前的判別方法將含氣量界定為2 m3/t，或者是4 m3/t，CH4體積分?jǐn)?shù)在70%或者是80%，都沒(méi)有充分考慮到不同煤階層含氣性上的差異[15]，將低、中、高煤階煤層氣藏采用同一套標(biāo)準(zhǔn)去劃分風(fēng)化帶深度是十分不合理的。根據(jù)《煤層氣資源/儲(chǔ)量規(guī)范》(DZT0216，2010)規(guī)定的可進(jìn)行商業(yè)開(kāi)采不同煤級(jí)含氣量下限[16]，褐煤-長(zhǎng)焰煤煤層含氣量下限為1 m3/t，而對(duì)煤層中各氣體體積分?jǐn)?shù)的規(guī)定尚不明確，若煤層含氣量達(dá)到了1 m3/t，但是其他氣體體積分?jǐn)?shù)較高，而CH4體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)依然不具有商業(yè)開(kāi)發(fā)的價(jià)值。因此，本次研究將純CH4含量作為判斷煤層氣甲烷風(fēng)化帶經(jīng)濟(jì)邊界的指標(biāo)，在《煤層氣資源/儲(chǔ)量規(guī)范》(DZT0216，2010)規(guī)定的可進(jìn)行商業(yè)開(kāi)采褐煤、長(zhǎng)焰煤含氣量下限為1 m3/t的基礎(chǔ)上，結(jié)合低煤階煤層厚度大的特點(diǎn)[17]，將褐煤-長(zhǎng)焰煤甲烷含量下限定為1 m3/t。

圖2 烏魯木齊礦區(qū)煤層含氣量分布Fig.2 Distribution of coal seam gas content in Urumqi

甲烷風(fēng)化帶的地質(zhì)意義在于評(píng)價(jià)煤層氣富集與保存條件的好壞。低煤階煤層氣藏中次生生物成因氣往往也占據(jù)一定比例，前人研究已證實(shí)了準(zhǔn)南地區(qū)即含有熱成因氣也含有生物成因氣[10]。無(wú)論哪種煤層氣成因類型，其主要成分都是CH4，含有少量重?zé)N氣以及以CO2為主的非烴氣?？諝獾闹饕煞质荖2(78%)和O2(21%)，稀有氣體約占0.94%，CO2約占0.03%，其他雜質(zhì)約占0.03%。CO2非空氣主要成分，難以大量在煤層中聚集，煤層中過(guò)高含量的CO2氣體可能來(lái)源于熱以及微生物作用產(chǎn)氣過(guò)程中伴生的CO2，也可能是地幔來(lái)源或是碳酸鹽巖的溶解產(chǎn)生[18]，因此將CO2作為一個(gè)去評(píng)價(jià)甲烷風(fēng)化帶的指標(biāo)較不科學(xué)。淺層(1 000 m以淺)煤層氣中N2大多為以下4種情況:① 空氣來(lái)源;② 沉積有機(jī)質(zhì)過(guò)成熟發(fā)生裂解產(chǎn)生N2;③ 高銨黏土分解;④ 反硝化細(xì)菌。③ ④ 兩種方式產(chǎn)生的N2極為有限，對(duì)整體N2體積分?jǐn)?shù)的影響甚微[18-20]。而研究區(qū)為中、低煤階煤層，成熟度較低，尚未達(dá)到可以裂解產(chǎn)生N2的階段，因此淺層煤層氣中的N2基本全部來(lái)自于空氣。N2是空氣中含量最高的氣體且性質(zhì)穩(wěn)定，不似O2性質(zhì)活潑易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被消耗，在煤層中基本可以全部被保留下來(lái)，因此，N2為煤層氣與空氣溝通后保留在煤層中的氣體。在滿足經(jīng)濟(jì)邊界的前提下，結(jié)合傳統(tǒng)甲烷風(fēng)化帶劃分方案[1]，以N2體積分?jǐn)?shù)≤20%作為確定煤層氣甲烷風(fēng)化帶下限的地質(zhì)邊界。

與高煤階煤層氣以熱成因氣為主不同，在低煤階煤層氣中，次生生物成因氣占有一定比重。而生物的活動(dòng)離不開(kāi)水，因此生物氣更易形成于淺層的補(bǔ)給區(qū)中。前人研究表明，生物氣多賦存于800 m以淺的煤層中[11]，甲烷菌為嚴(yán)格的厭氧菌，可在0～85 ℃溫度內(nèi)活動(dòng)產(chǎn)氣，最適宜的產(chǎn)氣溫度為36～42 ℃[20]，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使甲烷菌產(chǎn)氣效率降低，甚至失活;酸堿度在6.4～7.5較為適宜，過(guò)酸或過(guò)堿性的環(huán)境都會(huì)造成甲烷菌失活;礦化度也是影響甲烷菌生存和產(chǎn)氣的重要因素[21]，前人研究認(rèn)為地層水礦化度<4 000 mg/L時(shí)，產(chǎn)甲烷菌活性高，產(chǎn)氣效率大，隨著礦化度增大，產(chǎn)甲烷菌的活性下降，當(dāng)?shù)V化度>10 000 mg/L時(shí)，產(chǎn)甲烷菌將失活并不再產(chǎn)氣。因此，礦化度越低越有利于甲烷菌的產(chǎn)氣活動(dòng)，但是又不能太接近地表與氧氣溝通，而礦化度大于4 000 mg/L時(shí)甲烷菌產(chǎn)氣的效率迅速降低，因此可選擇4 000 mg/L作為厭氧發(fā)酵深度邊界，也可作為判定次生生物成因氣甲烷風(fēng)化帶的一個(gè)指標(biāo)。

4 甲烷風(fēng)化帶的劃分及影響因素分析

4.1 甲烷風(fēng)化帶劃分

根據(jù)烏魯木齊礦區(qū)煤巖最大鏡質(zhì)體(腐植體)反射率統(tǒng)計(jì)，烏魯木齊礦區(qū)西山窯組煤巖最大鏡質(zhì)體(腐植體)反射率介于0.31%～0.68%，均為長(zhǎng)焰煤與褐煤。根據(jù)上文所述甲烷風(fēng)化帶劃分新方法，對(duì)準(zhǔn)南烏魯木齊礦區(qū)甲烷風(fēng)化帶進(jìn)行了重新劃分。圖3為烏魯木齊河?xùn)|、河西礦區(qū)CH4含量與N2體積分?jǐn)?shù)隨埋深的變化關(guān)系，河?xùn)|礦區(qū)與河西礦區(qū)CH4含量均具有一定的隨著埋深的加深而增大的趨勢(shì)，河?xùn)|礦區(qū)N2體積分?jǐn)?shù)具有隨著埋深的加深而降低的趨勢(shì)，河西礦區(qū)N2體積分?jǐn)?shù)分布較為離散，未與埋深表現(xiàn)出一定的規(guī)律性關(guān)系。利用新方法劃分河?xùn)|礦區(qū)甲烷風(fēng)化帶深度為370 m，河西礦區(qū)甲烷風(fēng)化帶為200 m。

圖3 烏魯木齊礦區(qū)CH4含量和N2體積分?jǐn)?shù)與埋深關(guān)系Fig.3 Relationship between methane content and N2 concentration and depth in Urumqi

前人利用不同方法劃分研究區(qū)甲烷風(fēng)化帶深度在500～600 m[12-15]，使得原本具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的煤層氣也被劃分在了甲烷風(fēng)化帶內(nèi)，造成了可用資源的浪費(fèi)，削弱了甲烷風(fēng)化帶對(duì)儲(chǔ)量計(jì)算與開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)意義。本次研究釋放了河?xùn)|礦區(qū)370～600 m、河西礦區(qū)200～600 m的煤層氣資源，促進(jìn)了研究區(qū)淺層煤層氣資源的開(kāi)發(fā)。

4.2 構(gòu)造條件

區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)烏魯木齊礦區(qū)甲烷風(fēng)化帶的影響，主要為晚侏羅世的燕山運(yùn)動(dòng)晚期導(dǎo)致礦區(qū)地層的抬升作用，使得煤層得以抬升至較淺地層[22-25]。西山窯組煤層在白堊世末期已進(jìn)入第1次生烴，進(jìn)入新生代，地層持續(xù)抬升，使得地層更接近地表，雖然會(huì)導(dǎo)致一部分熱成因氣散失，但是地表水與大氣降水更易滲入，為次生生物成因氣的形成創(chuàng)造了條件。原本在甲烷風(fēng)化帶之內(nèi)的煤層，由于生物氣的補(bǔ)充，提高了煤層中甲烷的濃度，使甲烷風(fēng)化帶深度隨之變淺。在烏魯木齊礦區(qū)內(nèi)部，河西礦區(qū)受到的構(gòu)造擠壓變形作用要明顯弱于河?xùn)|礦區(qū)，煤層埋深也相對(duì)較淺，甲烷風(fēng)化帶深度淺于河?xùn)|礦區(qū)。

4.3 沉積環(huán)境

研究區(qū)主要含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組，河?xùn)|礦區(qū)在西山窯組整個(gè)成煤時(shí)期多處于濱淺湖與三角洲前緣沉積環(huán)境中[6-8]。導(dǎo)致河?xùn)|礦區(qū)煤層與砂巖層頻繁互層。河西礦區(qū)在沉積時(shí)期主要為湖相沉積，泥巖與煤交替沉積，因此河西礦區(qū)泥質(zhì)巖蓋層廣泛發(fā)育。沉積環(huán)境的不斷轉(zhuǎn)換，造成了煤層頂?shù)装鍘r性的差異組合。如圖4所示，河西礦區(qū)煤層頂?shù)装逡阅鄮r為主，透水性差但是隔氣性能好，為河西礦區(qū)提供了良好的煤層氣保存條件，利于形成淺甲烷風(fēng)化帶。河?xùn)|礦區(qū)則以砂質(zhì)巖頂?shù)装鍨橹鳎铓庑韵鄬?duì)差但是透水性能好，地表水與大氣降水容易向煤層中滲透，為生物氣的補(bǔ)充提供了有利條件，大氣降水與地表水滲透至煤層中，帶來(lái)產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)生大量甲烷氣體，提高了較淺部地層的甲烷濃度，匹配河?xùn)|礦區(qū)封閉性滯留水文地質(zhì)環(huán)境，可形成水動(dòng)力封堵，同樣易導(dǎo)致淺甲烷風(fēng)化帶。

4.4 水文地質(zhì)條件

烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)隸屬米泉水文地質(zhì)單元，表征封閉性滯留水文地質(zhì)環(huán)境;河西礦區(qū)隸屬硫磺溝水文地質(zhì)單元，表征開(kāi)啟型局部滯留水文地質(zhì)環(huán)境[10，21，26]。地層水流向自南向北、自東向西(圖5)。根據(jù)礦化度測(cè)試結(jié)果顯示，烏魯木齊礦區(qū)礦化度介于4 047～27 101 mg/L，平均為12 507 mg/L。八道灣向斜東部礦化度整體較低，在4 000～10 000 mg/L，這是由于八道灣向斜東部發(fā)育大面積燒變巖透水層[27-28]，地表水和大氣降水容易滲透，甲烷菌通過(guò)地表水進(jìn)入煤層，同時(shí)水的流入也會(huì)帶來(lái)甲烷菌可利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，喚醒煤層中原本存在的甲烷菌，形成次生生物氣的補(bǔ)充，形成較淺甲烷風(fēng)化帶。向斜西側(cè)則是高礦化度匯水區(qū)，礦化度多在20 000 mg/L以上，有利于形成水動(dòng)力封堵。同時(shí)，由于礦化度過(guò)高，導(dǎo)致原本溶解于地層水中的溶解氣也較容易在此處釋放，也使得甲烷風(fēng)化帶深度變淺。河西礦區(qū)礦化度在10 000～20 000 mg/L，易形成水動(dòng)力封堵，且煤層頂?shù)装逡阅噘|(zhì)巖蓋層為主，保存條件優(yōu)越，利于形成淺甲烷風(fēng)化帶。

圖4 烏魯木齊地區(qū)煤層頂、底板巖性組合Fig.4 Lithologic combination of coal seam roof and floor in Urumqi mining area

圖5 烏魯木齊礦區(qū)礦化度分布與水流方向Fig.5 Total dissolved solid distribution and flow direction in Urumqi mining area

綜上，在構(gòu)造抬升前，河?xùn)|、河西礦區(qū)均生成了部分熱成因甲烷，但是研究區(qū)熱演化程度較低，生成的甲烷量有限，此時(shí)甲烷風(fēng)化帶較深。研究區(qū)經(jīng)歷了晚侏羅世與新生代兩次地層抬升運(yùn)動(dòng)，河?xùn)|礦區(qū)煤層頂板以砂巖為主，一方面易于地表水滲入，使研究區(qū)生成大量次生生物成因氣，隨著地下水滯留程度的增加，大量煤層氣富集;另一方面，較差的頂板封蓋條件也造成了一定量煤層氣散失，導(dǎo)致河?xùn)|礦區(qū)甲烷風(fēng)化帶深于河西礦區(qū)。而河西礦區(qū)的泥巖頂板隔水阻氣能力好，構(gòu)造抬升后，地表水滲入能力有限，生成小部分次生生物成因氣，但是頂板泥質(zhì)巖阻氣能力強(qiáng)，使得絕大部分的煤層氣得以保存，甲烷風(fēng)化帶較淺。

5 結(jié) 論

(1)基于煤層氣富集成藏的經(jīng)濟(jì)邊界和地質(zhì)邊界，提出了低煤階煤層氣甲烷風(fēng)化帶劃分標(biāo)準(zhǔn)，利用純CH4含量與N2濃度來(lái)劃定研究區(qū)低煤階甲烷風(fēng)化帶邊界:甲烷含量≥1 m3/t，同時(shí)N2體積分?jǐn)?shù)≤20%。

(2)依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定了研究區(qū)甲烷風(fēng)化帶深度，烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)甲烷風(fēng)化帶深度在370 m左右，河西礦區(qū)甲烷風(fēng)化帶深度在200 m左右。釋放了河?xùn)|礦區(qū)370～600 m、河西礦區(qū)200～600 m的煤層氣資源，促進(jìn)了研究區(qū)淺層煤層氣資源的開(kāi)發(fā)。

(3)查明了研究區(qū)甲烷風(fēng)化帶的控制因素。構(gòu)造方面，侏羅世的燕山運(yùn)動(dòng)晚期導(dǎo)致礦區(qū)地層的抬升，造成煤層得以抬升至較淺地層，導(dǎo)致甲烷風(fēng)化帶變淺。沉積與水文地質(zhì)方面，河西礦區(qū)煤層頂?shù)装逡阅鄮r為主，隔水阻氣能力強(qiáng)，利于形成淺風(fēng)化帶;河?xùn)|礦區(qū)煤層頂?shù)装逡陨皫r為主，阻氣能力弱透水效果好，有助于生物氣補(bǔ)充，匹配封閉性滯留水文地質(zhì)環(huán)境使河?xùn)|礦區(qū)易形成水動(dòng)力封堵或封蓋，有助于形成較淺甲烷風(fēng)化帶。