準(zhǔn)噶爾盆地南緣齊古地區(qū)煤層氣地質(zhì)特征

彭文利，薛 冽，馬效杰，蔡義峰，張 塞

（中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，烏魯木齊 830013）

1 研究背景

齊古地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣齊古斷褶帶中段，東邊是阜康斷裂帶，西邊是四棵樹(shù)凹陷，構(gòu)造上都屬于北天山山前沖斷帶。行政區(qū)域?yàn)橛讵?dú)山子市和烏魯木齊市之間[1-2]。

準(zhǔn)噶爾盆地是一個(gè)大型含煤盆地，煤層主要發(fā)育在侏羅系西山窯組和八道灣組，煤系地層厚度大，分布較穩(wěn)定，煤層氣資源豐富但勘探程度較低[1,3]。準(zhǔn)噶爾盆地埋深小于2 000 m 的淺層煤層氣勘探主要集中在準(zhǔn)噶爾盆地南緣和準(zhǔn)噶爾盆地東部油氣勘探區(qū)內(nèi)。2005―2014 年新疆煤田地質(zhì)局先后在準(zhǔn)噶爾盆地南緣烏魯木齊― 大黃山地區(qū)鉆探了WC1，F(xiàn)C1，F(xiàn)S1 等60 余口井。除參數(shù)井未進(jìn)行煤層氣排采外，F(xiàn)S1 獲得氣流，是在準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤田第一口點(diǎn)火成功的煤層氣生產(chǎn)試驗(yàn)井，其中阜康白楊河煤層氣開(kāi)發(fā)示范區(qū)鉆探的50 口井陸續(xù)排采，目前日產(chǎn)氣達(dá)4×104m3。2006―2007年中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院在準(zhǔn)噶爾盆地南緣昌吉地區(qū)鉆探了CS1 井和CS2 井。采用洞穴完井，CS1 井排采見(jiàn)少量氣，CS2 井測(cè)試產(chǎn)水；2008 年新疆油田公司在準(zhǔn)噶爾盆地南緣阜康地區(qū)鉆探了FM1 井獲得煤層氣氣流；科林思德股份有限公司阜在康南向斜區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)區(qū)先后鉆探了CSD01，CSD02 等45 口井，其中CSD01 是準(zhǔn)噶爾盆地煤層氣產(chǎn)量最高的井，目前開(kāi)發(fā)試驗(yàn)區(qū)日產(chǎn)氣達(dá)17×104m3。顯現(xiàn)出準(zhǔn)噶爾盆地南緣具有較大的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)潛力。

圖1 所示為齊古地區(qū)煤層氣勘探情況。從煤層氣井的分布來(lái)看，目前煤層氣主要集中在齊古地區(qū)的東邊。齊古地區(qū)內(nèi)大部分屬于煤層氣井空白區(qū)，有待于開(kāi)發(fā)。在齊古地區(qū)的東邊，新疆煤田地質(zhì)局已開(kāi)發(fā)了煤層氣示范區(qū)，投入了產(chǎn)能建設(shè)；齊古地區(qū)內(nèi)有兩口10 年前鉆探的煤層氣井試驗(yàn)井CS1 和CS2，鉆遇大部分煤層的煤巖均為肥煤，含氣量高于一般條件下煤層氣勘探的下限值4 m3/t，但測(cè)試出水未見(jiàn)氣，有待于進(jìn)一步勘探落實(shí)煤層氣產(chǎn)能；齊古背斜區(qū)QG1，QG2，Q6 井等油氣探井均鉆遇較厚的煤層，氣測(cè)異常明顯，最高總烴達(dá)89.9%。因此，對(duì)該地區(qū)的煤層氣地質(zhì)特征與成藏條件的研究將進(jìn)一步擴(kuò)大準(zhǔn)噶爾盆地南緣的煤層氣勘探領(lǐng)域，揭開(kāi)準(zhǔn)噶爾盆地煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的新篇章[3-5]。

圖1 齊古地區(qū)煤層氣勘探成果圖Fig.1 Exploration results of coalbed methane in Qigu area

2 煤層地質(zhì)特征

2.1 煤層分布特征

準(zhǔn)噶爾盆地煤層主要發(fā)育于下侏羅統(tǒng)八道灣組、中侏羅統(tǒng)西山窯組。八道灣組煤層普遍發(fā)育在上段及下段；西山窯組煤層主要發(fā)育于底部。根據(jù)煤炭勘查資料結(jié)合地震及部分油氣探井資料[3-5]，準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤層分布廣泛，齊古地區(qū)侏羅系西山窯組含煤6～12 層，總厚10～50 m，各煤層沿走向東西有較大變化，東邊煤層合并層數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，西邊煤層受沉積環(huán)境的改變，層數(shù)增加，煤層結(jié)構(gòu)趨向于相對(duì)復(fù)雜，埋深2 000 m 以淺分布面積1 043 km2，如圖2 所示。八道灣組含煤3～5 層，總厚10～70 m，煤層總的變化趨勢(shì)是東厚西薄，分布面積898 km2。總之，準(zhǔn)噶爾盆地南緣齊古地區(qū)侏羅系煤層多、煤層厚度大、主力煤層分布穩(wěn)定。

2.2 煤巖煤質(zhì)特征

根據(jù)煤田勘查研究資料[4]和統(tǒng)計(jì)的顯微組分?jǐn)?shù)據(jù)[6]，西山窯組所含煤層的顯微煤巖類(lèi)型以微惰質(zhì)鏡惰煤為主；八道灣組含煤層的顯微煤巖類(lèi)型為微鏡惰煤。煤層中的礦物組成主要為黏土礦物，占7.1%～15.0%，黏土礦物呈浸染狀或薄層狀廣泛分布。

煤質(zhì)特征主要包括煤巖宏觀(guān)特征與組分特征。影響煤層氣生成與吸附主要是煤的化學(xué)工藝特性及顯微組分特性?；曳趾渴怯绊懨簝?chǔ)層的生烴潛力、煤對(duì)甲烷的吸附能力及煤層氣的可采性的因素。根據(jù)研究區(qū)煤田勘查研究資料[5-6]，該區(qū)西山窯組煤層以半亮型為主，光亮型居次。煤層具有特低-低中灰分、特低水分、中高揮發(fā)分、特低-低硫的特點(diǎn)[5]。煤級(jí)為中黏煤、長(zhǎng)煙煤和氣煤，局部有肥煤。該區(qū)八道灣組煤巖類(lèi)型以煤層以光亮型為主，半亮型居次。低灰分、低水分、中低揮發(fā)分、特低硫是八道灣組煤層的特點(diǎn)[5]。煤巖顯微組分分析見(jiàn)表1，結(jié)果表明采自煤礦區(qū)和探井煤樣品富含鏡質(zhì)組，鏡質(zhì)組平均含量為41.4%～91.6%。石河子石場(chǎng)礦區(qū)八道灣組煤層煤質(zhì)好，鏡質(zhì)組含量82.4%。呼圖壁東溝礦區(qū)西山窯組煤層煤質(zhì)極好，鏡質(zhì)組含量87.5%～95.8%。實(shí)測(cè)CS1 井煤層鏡質(zhì)組平均含量為41.7%，殼質(zhì)組平均含量為14.8%，煤級(jí)為氣煤[5-6]。從以上參數(shù)來(lái)看，齊古地區(qū)煤巖煤質(zhì)較好，相對(duì)富集鏡質(zhì)組，成煤期處在封閉的還原環(huán)境，煤層生氣潛力大。

圖2 齊古地區(qū)侏羅系西山窯組煤層厚度圖Fig.2 Coal seam thickness map of Jurassic Xishanyao formation in Qigu area

表1 齊古地區(qū)煤巖顯微組分測(cè)定結(jié)果Table 1 Maceral determination results of coal rocks in Qigu area

2.3 煤層儲(chǔ)集性及含氣性特征

煤層不同于常規(guī)儲(chǔ)層，既是源巖也是儲(chǔ)層，煤層為雙孔隙介質(zhì)，即基質(zhì)孔隙和天然裂隙，且具有自身獨(dú)特的割理系統(tǒng)。煤層孔隙和裂隙的大小、形態(tài)、孔隙度和連通性等直接影響氣體的聚集與吸附能力。已有研究表明，低階煤的大孔隙或裂隙居多，因此研究齊古地區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙特征，有利于探討該區(qū)煤層氣儲(chǔ)集、擴(kuò)散和運(yùn)移[6-10]。

齊古地區(qū)煤炭勘查程度較高，煤炭鉆孔深度多淺于400 m，有多個(gè)鉆孔在鉆井過(guò)程中發(fā)生氣浸，但煤層氣勘探程度較低，僅鉆探了CS1 井和CS2 井兩口煤層氣參數(shù)井。根據(jù)鉆井結(jié)果表明，CS1 井和CS2 井煤層平均孔隙度為8.42%，最大可達(dá)16.4%；平均滲透率為10.97×10-3μm2，最大可達(dá)23.2×10-3μm2?？偟膩?lái)說(shuō)煤層滲透率相對(duì)較高，利于開(kāi)采，儲(chǔ)集性、連通性較好，但存在一定的非均質(zhì)性[8,10]。

通常情況下，吸附氣占煤層總含氣量90%以上，煤層儲(chǔ)集性能主要取決于吸附能力。齊古地區(qū)的煤礦區(qū)煤層煤樣的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該區(qū)煤層的吸附能力普遍較好，東、中部好于西部。呼圖壁白楊溝煤礦、呼圖壁小東溝煤礦煤層的吸附能力相對(duì)較強(qiáng)，煤層蘭氏體積大，平均值達(dá)到20.8 m3/t，蘭氏壓力較大，平均值達(dá)到5.27 MPa，有利于煤層氣開(kāi)采。

氣含量是煤層氣能否開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵性參數(shù)，它決定了煤層氣的資源豐度，控制著煤層氣的采收率，影響著氣井的最終產(chǎn)量。所以，氣含量值的合理測(cè)定與取值對(duì)于資源評(píng)價(jià)是至關(guān)重要的。通過(guò)以往煤田地質(zhì)勘查工作發(fā)現(xiàn)，齊古地區(qū)煤層含氣性較好，在野外施工中發(fā)現(xiàn)鉆孔有涌水冒氣現(xiàn)象，涌出的氣體可點(diǎn)燃。CS1 井和CS2 井含氣量解吸測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從CS1 井和CS2井鉆井結(jié)果和含氣量解吸測(cè)試可知，CS1 井測(cè)試含氣量平均為5.1～5.5 m3/t，吸附飽和度達(dá)66%～85%；CS2 井測(cè)試含氣量為5.0～5.62 m3/t，吸附飽和度達(dá)73%；兩口井全烴含量中甲烷達(dá)80%以上，含氣量較高。

根據(jù)煤層氣的成分組成和甲烷碳同位素值(-75.4‰～-26.18‰)判別，準(zhǔn)噶爾盆地煤層氣成因多樣，既有生物成因，也有熱成因，主要為混合成因[5]。測(cè)定CS1 井和CS2 井的甲烷碳?xì)渫凰刂禐?64.6‰～-41.9‰，齊古地區(qū)主要為混合成因；準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤田含氣量總體表現(xiàn)為東部和中部高，向西部逐漸變小的趨勢(shì)，齊古地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤田含氣量較高的中部；垂向上，氣含量與深度呈正相關(guān)關(guān)系，隨埋深增大氣含量逐漸增加，一般深部含氣量大于5 m3/t，氣成分中甲烷含量也隨埋深的增加而增大[5-11]。

表2 齊古地區(qū)等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of isothermal adsorption of Qigu area

表3 齊古地區(qū)煤層含氣量成果數(shù)據(jù)Table 3 Achievement data of coalbed methane gas content in Qigu area

3 煤層氣成藏條件分析

煤層氣成藏的特點(diǎn)是自生自?xún)?chǔ)?！吧鷼?、儲(chǔ)集、保存”是煤層氣成藏必須具備的3 個(gè)條件，煤層氣富集成藏的基礎(chǔ)是生氣量，關(guān)鍵是儲(chǔ)集及保存[12-15]。

煤層的厚度、埋深和煤階等參數(shù)控制著煤層的生氣能力。齊古地區(qū)西山窯組和八道灣組煤層多、煤層厚度大、主力煤層分布穩(wěn)定，具備煤層氣生成的雄厚物質(zhì)基礎(chǔ)；煤巖熱演化程度較高，0.65%≤Ro＜1.00%，煤級(jí)主要為中低變質(zhì)煙煤，即長(zhǎng)煙煤、氣煤為主，生氣能力強(qiáng)。圖3 所示為齊古地區(qū)中下侏羅統(tǒng)鏡質(zhì)體反射率變化情況。

圖3 齊古地區(qū)中下侏羅統(tǒng)鏡質(zhì)體反射率變化圖Fig.3 Changes of vitrinite reflectance of the middle and lower Jurassic in the Qigu area

圖4 所示為齊古地區(qū)侏羅系西山窯底界構(gòu)造。齊古地區(qū)的構(gòu)造有利區(qū)處于準(zhǔn)噶爾盆地南緣南部山前斜坡帶內(nèi)，整體呈傾向北北東的單斜構(gòu)造，傾角10o～25o，局部25o～40o，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，利于煤層氣保存。西山窯組、八道灣組煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，煤層封閉性較好，使得煤層氣的保存條件比較好，利于保存。

水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣的保存、運(yùn)移及后期開(kāi)采至關(guān)重要。齊古地區(qū)煤田水文地質(zhì)條件總體上屬簡(jiǎn)單型，含水微弱，有利于煤層氣保存。地下水水位受當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面控制，主要受控于地表水系，地下水的存在有效地控制了煤層氣的逸散。齊古地區(qū)水文地質(zhì)控氣作用主要表現(xiàn)為水動(dòng)力封堵[16-18]。

齊古地區(qū)煤層氣成藏模式主要是受構(gòu)造和水文地質(zhì)條件的控制。新生代晚期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使北天山急劇隆升，形成山前沖斷系統(tǒng)，形成成排的斷層相關(guān)褶皺背斜帶。齊古斷褶帶的褶皺與斷裂相伴發(fā)育，結(jié)合該區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，煤層氣成藏類(lèi)型以單斜、斷背斜、斷層遮擋為主[19-21]。煤層氣成藏模式如圖5 所示。

圖5 齊古地區(qū)煤層氣成藏模式圖Fig.5 Pattern of coalbed methane accumulation in Qigu area

4 煤層氣資源潛力分析

煤層的含氣性和滲透率是控制煤層氣富集程度的最基本的兩個(gè)條件。煤層厚度和含氣量決定著資源豐度的大小，資源豐度越大煤層氣的富集程度越高，資源豐度是煤層氣高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)；滲透率影響著煤層氣開(kāi)發(fā)的排采速度和產(chǎn)能，是煤層氣井高產(chǎn)的主控因素[22]。

通過(guò)對(duì)該區(qū)內(nèi)含煤區(qū)侏羅系西山窯組和八道灣組風(fēng)化帶以深至埋深2 000 m 以淺區(qū)煤層氣地質(zhì)資源量計(jì)算[22-25]，西山窯組、八道灣組含氣煤層分布面積分別為742.6 km2和700.5 km2，資源量分別為1 563.0×108m3和2 148.1×108m3，資源豐度分別為2.10×108m3/km2和3.07×108m3/km2，可采資源量分別為625.2×108m3和859.2×108m3。

可見(jiàn)，齊古地區(qū)煤層分布面積大，資源量巨大。因煤層層數(shù)多、厚度大、資源豐度較高，對(duì)煤層氣經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)較為有利，同時(shí)該區(qū)相對(duì)較高的滲透率也對(duì)開(kāi)采有利，使該區(qū)具有較大的勘探開(kāi)發(fā)潛力。

5 結(jié)論

1）齊古地區(qū)含煤層系為侏羅系西山窯組、八道灣組，煤層層數(shù)多、厚度大、分布穩(wěn)定，煤炭資源豐富，具備雄厚的煤層氣勘探的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2）煤質(zhì)較好（鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.4%～ 91.6%），煤巖的熱演化程度高，鏡質(zhì)體反射率Ro可達(dá)1.0%，利于生氣。

3）煤層滲透率相對(duì)較高，有利于煤層氣開(kāi)采，儲(chǔ)集性、連通性較好，但存在一定的非均質(zhì)性。

4）該地區(qū)含氣量較大（大于5 m3/t），飽和度高（66%～85%），煤層物性好，利于開(kāi)采。

5）構(gòu)造簡(jiǎn)單，封堵性好，煤層頂?shù)装寰鶠槟鄮r，厚5～20 m，形成良好的煤層氣保存條件，利于成藏。

6）含氣分布面積大，侏羅系西山窯組、八道灣組煤層分布面積分別742.6 km2和700.5 km2；資源豐度高，2 000 m 以淺總資源量約為3 711.1×108m3，可采資源量合計(jì)1 484.4×108m3，表明具有較大勘探潛力。