新疆和什托洛蓋盆地西山窯組煤層氣資源賦存特征及影響因素分析

張 娜 王 剛 舒 坤 楊曙光

(1.新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研究開發(fā)中心，新疆 830091;2.中國石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆 839009)

1 地質(zhì)概況

和什托洛蓋盆地位于新疆準噶爾盆地西北緣，為海西期褶皺基底上形成的中新生代山間盆地，盆地南臨扎伊爾山和哈拉阿拉特山，北臨謝米斯臺山和阿爾加提山。構(gòu)造形態(tài)上，盆地表現(xiàn)為一個北東東-南西西向延伸的北高-南低、西高-東低的寬緩斜坡，其長約212km，寬約25km，面積約5600km2。受大型斷裂控制，盆地可被劃分為北部凹陷帶、中部凸起帶和南部凹陷帶等一級構(gòu)造單元。其中，盆地次級構(gòu)造單元主要為北部凹陷帶的依克托里凹陷，中部凸起帶的白礫山凸起、西利克山凸起與和什托洛蓋鎮(zhèn)庫侖鐵布克凸起，南部凹陷帶的莫合臺-白楊河凹陷、西利克山南凹陷、沙吉海凹陷與洪古勒楞南凹陷。

勘探實踐表明，和什托洛蓋盆地預(yù)測煤炭資源量約為633億t，預(yù)測煤層氣資源量約為5432.43×108m3。其中，西山窯組煤層氣約為3699.03×108m3，八道灣組煤層氣約為1733.40×108m3，煤層氣可采資源豐度分別為1.13×108m3/km2與0.52×108m3/km2。

2 西山窯組煤層特征

2.1 煤層發(fā)育特征

盆地西山窯組地層含煤系數(shù)較大，含煤約 11～34層，單煤層厚0.30～22.22m，煤層總厚 15～45m。區(qū)域上，西部和東部煤層厚度較大，中部則較薄，聚煤中心主要位于盆地西部的莫合臺-白楊河坳陷的鐵廠溝鎮(zhèn)附近與中-東部庫侖鐵布克凸起的和什托洛蓋鎮(zhèn)一帶(圖1)。此外，煤層層數(shù)具有東西部多-中部少與深部多-淺部少的特征[4-5]。整體看來，西山窯組煤層分布廣泛且較穩(wěn)定，埋深較淺，絕大部分埋深均淺于2000m，可作為煤層氣勘探的目標(biāo)層段。

圖1 研究區(qū)西山窯組200米以淺煤層總厚度等值線圖

2.2 煤巖特征

盆地西山窯組各煤層的物理性質(zhì)基本相同，煤呈黑色，條痕褐黑色，光澤暗淡。煤巖鏡下有機顯微組分，以鏡質(zhì)組為主，平均為61.2%；惰質(zhì)組次之，平均為37.5%；殼質(zhì)組少量，平均為1.3%。宏觀煤巖類型，鐵廠溝-白楊河一帶為半暗煤-半亮煤，和什托洛蓋及沙吉海一帶以半暗淡型煤及暗淡型煤為主，局部半暗-半亮型煤。

2.3 煤質(zhì)特征

盆地西山窯組煤為低水分-高水分、特低灰-中高灰煤、中高揮發(fā)分-特高揮發(fā)分、特低硫-中高硫煤。其中：原煤水分(Mad)在0.74%～24.70%，各煤層平均為7.46%?；曳之a(chǎn)率(Ad)介于3.38～39.99%，各煤層灰分平均為20.48%。原煤干燥無灰基揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)介于20.30～59.61%，按煤層平均為40.81%。煤全硫(St·d)樣品分析成果介于 0.06～2.97%，平均值為0.48%。

2.4 煤化作用

盆地西山窯組煤的鏡質(zhì)體反射率(Ro)約為0.31%～0.56%，平均0.47%，多數(shù)處于0-Ⅰ變質(zhì)階段，屬于低變質(zhì)的煙煤。煤類以長焰煤(41CY)為主，局部為不粘煤(31BN)。垂向上，上部煤層煤的煤化作用程度低，下部煤層煤的煤化作用稍高，但均屬于低煤化程度的煤。

3 西山窯組煤儲層特征

3.1 孔隙度

盆地西山窯組煤層孔隙度平均14.72%，區(qū)域上表現(xiàn)出中-西部高，東部低的趨勢。其中，中部煤層孔隙度平均17.89%，西部煤層孔隙度平均15.71%，東部煤層孔隙度平均7.74%。此外，西部煤層孔隙度與埋深呈一定的相關(guān)性，孔隙度隨深度增加而降低。

3.2 滲透率

根據(jù)注入/壓降試驗成果，可知盆地各煤層在井間、層間滲透率變化均不大，滲透率在0.0301～0.0793mD，平均0.05744mD，均小于0.1mD，屬于低滲儲層，不利于煤層氣的產(chǎn)出。

3.3 儲層溫度與壓力

盆地煤儲層溫度普遍較低，屬于冷盆，地溫梯度約為2.51～3.74℃/100m，西部地區(qū)最西端地溫梯度最高，達到3.74℃/100m。一般來說，壓力梯度可被用來衡量儲層壓力的大小，劃分為欠壓、正常、超壓三種類型。根據(jù)收集的注入/壓降試井結(jié)果，對盆地煤儲層壓力特征進行分析(圖2)，可知測試煤層壓力梯度在0.92×10-2～0.95×10-2MPa/m，均為欠壓儲層，各煤層間儲層壓力梯度總體差異不大，對煤層氣的保存和排采生產(chǎn)不太有利。

圖2 盆地西部煤層壓力梯度趨勢圖

4 西山窯組煤層含氣性特征

4.1 氣體組分

(1)盆地西部

盆地西部西山窯組各煤層CH4濃度37.76%～82.11%，平均59.16%；具有隨深度增加而增加的趨勢；CO2濃度1.13%～6.19%，平均值2.66%；N2濃度15.66%～61.06%，平均值38.10%(圖3)。

圖3 盆地西部煤層甲烷成分與深度的關(guān)系

(2)盆地中部

盆地中部煤層甲烷CH4濃度35.56%～42.18%，平均39.38%；CO2濃度6.81%～8.85%，平均8.16%；N2濃度48.98%～57.64%，平均52.46%。

(3)盆地東部

盆地東部CH4含量低，基本為零，統(tǒng)計分析表明，該區(qū)西山窯組各煤層600m以淺瓦斯含量最大為0.169ml/g，均為CO2-N2帶。

4.2 含氣量

盆地西山窯組煤層含氣性表現(xiàn)為由西向東含氣量逐漸減小，隨著煤層埋深含氣量增大的趨勢。

(1)盆地西部

盆地西部西山窯組煤層，在埋深215.80～1069.00m范圍內(nèi)煤層空氣干燥基含氣量0.09～4.55m3/t，甲烷含氣量0.09～2.97m3/t之間，平均0.86m3/t。

(2)盆地中部

通過收集煤層氣參數(shù)井測試數(shù)據(jù)和以往煤炭勘探簡易瓦斯數(shù)據(jù)，可知該區(qū)西山窯組煤層含氣性普遍較低。采樣深度386.90～820m，空氣干燥基含氣量為0.06～0.55m3/t，各煤層間含氣量差異較小均在0.3m3/t左右，均低于1m3/t。

(3)盆地東部

根據(jù)以往煤炭勘查簡易瓦斯(CH4)數(shù)據(jù)顯示，瓦斯基本為零，含氣量很低。

4.3 含氣飽和度

平面上看，西部較中部高，西部含氣飽和度平均為13.14%，中部含氣飽和度平均為5.43%；縱向上看，下部煤層含氣飽和度高于上部煤層。整體看來，盆地西山窯組煤層含氣飽和度較低，平均9.28%，說明普查區(qū)煤層氣為欠飽和煤儲層，排采時需要更大的壓降幅度，才能夠進入解吸階段。

5 煤儲層含氣性控制因素

5.1 煤層埋深

如圖4所示，煤層含氣量與埋深相關(guān)性較好，隨煤層埋深增加含氣量呈明顯的增大趨勢，表明煤層埋深是影響煤儲層含氣性的主控因素之一。

圖4 盆地西部煤層含氣量與埋深關(guān)系圖

5.2 圍巖特征

統(tǒng)計分析表明，西山窯組煤層的底板巖性以泥巖、粉砂巖為主，少數(shù)為碳質(zhì)泥巖和細砂巖；頂板巖性以泥巖為主，其次為碳質(zhì)泥巖、粉砂巖，少數(shù)為砂巖和砂礫巖。從煤層頂?shù)装鍘r性來看，巖性均以泥巖為主，有利于煤層氣富集保存。

5.3 構(gòu)造與水文地質(zhì)特征

和什托洛蓋盆地為新生代沉降區(qū)，可為地下水的聚集和儲存創(chuàng)造良好的地質(zhì)條件，地下水以松散巖層的孔隙水和固結(jié)巖石中的裂隙水為主。野外地質(zhì)考察發(fā)現(xiàn)，盆地范圍內(nèi)侏羅系地層廣泛出露，在構(gòu)造運動的作用和影響下，形成以洼地為中心的平緩向斜構(gòu)造。此外，向斜兩翼多為小型褶曲，呈東西向展布，下部以砂巖、礫巖為主，中部為泥巖、砂巖和煤互層，上部為塊狀砂巖和泥巖。由于地形北高南低，故在向斜北翼可接受大量的大氣降水和潛水的補給，地表水順巖層向向斜南翼移動并逐步形成承壓水。換言之，北邊山區(qū)為地表水補給區(qū)，瑪納斯湖一帶為排泄區(qū)，其間為徑流區(qū)。整體看來，和什托洛蓋凹地為一個良好的儲水構(gòu)造，尤其在夏季暴雨較多，雨水大多直接沿孔隙和裂隙深入地下補給地下水，地下水相對流動性較弱，對于煤層氣的富集保存較為有利。