大傾角低階煤儲層含氣性分布特征
——以準南煤田烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)西山窯組為例

趙 琛

(新疆煤田地質(zhì)局一五六煤田地質(zhì)勘探隊，新疆 830000)

1 煤層氣地質(zhì)概況

新疆準南煤田烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)位于北天山博格達山北麓，毗鄰烏魯木齊和阜康市。范圍西起烏魯木齊河，東鄰三工河，東西長約42km，南北平均寬約6km，面積約243.5km2。礦區(qū)按構(gòu)造劃分為北部單斜、八道灣向斜北翼、八道灣向斜南翼、白楊河-水磨河四個區(qū)塊。研究區(qū)位于北天山褶皺帶北緣，準噶爾坳陷區(qū)南部之次一級坳陷烏魯木齊山前坳陷的七道灣背斜和八道灣向斜中。研究區(qū)內(nèi)斷層、褶皺較為發(fā)育，地層的傾角總體呈現(xiàn)北緩南陡的特點(北部傾角約30°、南部傾角一般為 70°～80°)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造整體呈現(xiàn)“東西分段、南北分帶和上下分層”的特征 (圖1)。區(qū)內(nèi)主要含煤地層為侏羅系下統(tǒng)八道灣組(J1b)、中統(tǒng)西山窯組(J2x)，主要煤層氣儲層為西山窯組的42-43、45號煤層，煤質(zhì)為低變質(zhì)的不粘煤、長焰煤。

圖1 河?xùn)|區(qū)綜合地質(zhì)特征

2 煤層含氣性分布規(guī)律

2.1 含氣量分布特征

研究區(qū)有12口井取得了煤層含氣性數(shù)據(jù)，且控制西山窯組的12口井均位于北單斜。雖然取得了比較豐富的含氣量數(shù)據(jù)，但是由于研究區(qū)范圍大，構(gòu)造單元多，煤層層數(shù)多，工作重點不同，因此河?xùn)|區(qū)塊北單斜西山窯組主要研究煤層42-43、45煤層的含氣性數(shù)據(jù)，其覆蓋較為全面。

研究區(qū)西山窯組總體含氣性各煤層控制深度含氣量見表1，由表1可知，西山窯組在深度400m以淺含氣性差，不具備煤層氣開采價值，在400～1152.3m煤層空氣干燥基含氣量1.64～12.53m3/t。除了MDC-6井因受斷層影響，所鉆遇14、15-17、18-19、20-22號煤層含氣量均低于1m3/t以外，其余煤層含氣量均大于1m3/t。MDC-2井鉆遇37-39、41、42號煤層含氣量均大于10m3/t，屬欠壓過飽和儲層，背離了研究區(qū)整體含氣性規(guī)律，經(jīng)分析研究，認為該井鉆遇過飽和儲層屬于構(gòu)造斷裂帶引起的局部煤層氣聚集，不代表研究區(qū)整體含氣情況。

表1 西山窯組各可采煤層含氣量特征

續(xù)表

續(xù)表

如圖2所示，研究區(qū)煤層氣體成分中CH4含量在58.89%～89.92%，其中MDC-9井42-43號煤層與MDC-10井37-39號煤層氣體成分中CH4含量平均值分別為58.89%與77.12%，其他煤層CH4含量均在80%以上。從整個河?xùn)|礦區(qū)看，北單斜煤層氣成分較好。

圖2 各氣體組分含量與埋深關(guān)系

2.2 含氣飽和度分布特征

煤層氣在煤層中賦存的形態(tài)主要包括游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài)，其中吸附氣占90%以上，主要成分為甲烷，占80%以上。因此，定量研究煤層甲烷儲集條件的重要指標即為煤吸附甲烷的性能，它能從多方面反映出煤巖溫度、壓力、煤質(zhì)等條件對煤吸附能力的影響。

當溫度恒定時，煤巖對甲烷的吸附量服從Langmuir等溫方程：

V=VL×P/(PL+P)

式中：V為壓力P下單位質(zhì)量固體所吸附的氣體體積，m3/t；VL為蘭氏體積，m3/t；PL為蘭氏壓力，MPa；P為氣體壓力，MPa。

蘭氏體積可以反映出煤吸附能力的大小，一般吸附性能越好，數(shù)值越大。蘭氏壓力是影響等溫吸附曲線形態(tài)的參數(shù)，代表的是當吸附量達到二分之一蘭氏體積時的壓力，當煤層中吸附氣體解吸越容易時，該指標越大，開發(fā)就越有利。

通過對西山窯組可采煤層所采集的100個樣品進行等溫吸附測試，測試結(jié)果表明：

西山窯組煤層空氣干燥基蘭氏體積為9.76～27.74m3/t，平均17.14m3/t，表明煤層具有中等-較強的儲氣能力(圖3)。除了2-3、4-5、27、40號煤層空氣干燥基蘭氏體積小于15m3/t，儲氣能力較低以外，其余煤層空氣干燥基蘭氏體積平均值基本都在15～21.73m3/t，儲氣能力中等至較強；蘭氏壓力1.84～4.85MPa，平均3.13MPa，各煤層蘭氏壓力平均值均在2.22～3.65MPa，蘭氏壓力較高，反映了煤層氣較易解吸，對煤層氣的開發(fā)較為有利。同一煤層不同深度、不同采樣位置，等溫吸附參數(shù)差別不大；同一口井內(nèi)不同煤層隨深度增加蘭氏體積和蘭氏壓力均無明顯變化規(guī)律可循。

圖3 河?xùn)|區(qū)西山窯組煤層蘭氏體積對比

西山窯組煤層含氣飽和度隨埋深整體上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，表現(xiàn)為埋深在550m～750m時，煤層儲氣效果最好(圖4)。

圖4 西山窯組埋深與含氣飽和度關(guān)系

3 研究區(qū)煤層含氣性地質(zhì)影響因素

3.1 封蓋層

煤層頂?shù)装鍘r性是影響煤層的封蓋條件的重要因素，也是封堵煤層氣的第一道屏障，從封閉性能上來看，粒度越細封閉性越好(表2)，按照巖性粒度大小及其對氣體的封閉能力，可以把煤層頂?shù)装鍘r性組合劃歸為兩類：粗碎屑巖、細碎屑巖。礫巖及粗砂巖、中砂巖等各種砂巖歸類到粗碎屑巖，粉砂巖、泥巖、細砂巖及其互層歸類為細碎屑巖。

表2 烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)西山窯組主要煤層頂?shù)装鍘r性厚度統(tǒng)計結(jié)果

從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，河?xùn)|礦區(qū)西山窯組43煤在北單斜、向斜北翼、向斜南翼頂?shù)装鍘r性大多以細碎屑巖為主，占50%以上；垂向上西山窯組煤組目標煤層頂?shù)装鍘r性的封閉性較好。

根據(jù)煤田地質(zhì)資料西山窯組煤層頂?shù)装鍘r性主要以粉砂巖為主，其次是泥巖、炭質(zhì)泥巖、細砂巖，個別鉆孔揭露的煤層頂?shù)装鍘r性為中砂巖、礫巖、燒變巖。通過對八道灣組15煤層頂?shù)装澹魃礁G組4-5、6-9、10-12、20-22、25-26、37-39、40、41、42-43、45煤層頂?shù)装暹M行了巖石力學(xué)性質(zhì)采樣分析，分析結(jié)果顯示研究區(qū)煤系地層各煤層頂?shù)装逡约毸樾紟r為主，頂?shù)装宸忾]性能好。結(jié)合儲量區(qū)內(nèi)的煤田鉆孔取心資料與煤層氣井測井資料，現(xiàn)將目標煤層42-43、45號煤層的頂?shù)装鍘r性敘述如下：

揭露42-43號(北單斜為43號)煤層的鉆孔共計126個，均見到頂?shù)装澹行ы數(shù)装鍞?shù)均為126個，其中僅一個鉆孔見到的頂板巖性為礫巖屬粗碎屑巖，其余均為細碎屑巖；底板巖性均為細碎屑巖。

揭露45號煤層的鉆孔共計110個，有兩個鉆孔一個未見頂板，另一個未見底板，有效頂板數(shù)和底板數(shù)均為119個，其中3個鉆孔見到的頂板巖性為燒變巖，其余均為細碎屑巖；1個鉆孔見到的頂板巖性為角礫巖屬粗碎屑巖，其余均為細碎屑巖。

綜上，西山窯煤層頂?shù)装鍘r性均以細碎屑巖為主，有利于煤層氣的富集、成藏和保存，同時也有利于煤層氣的抽采，具備很好的封蓋條件。

3.2 埋深

如圖5所示，除了MDC-2井屬于局部煤層氣突出聚集，MDC-6井全部鉆遇煤層無煤層氣賦存外，其他煤層含氣量與埋深均有較大聯(lián)系，且相關(guān)性較好，說明煤層埋深是影響含氣量的主控因素。

圖5 西山窯組各煤層含氣量與埋深關(guān)系

整體趨勢是西山窯組煤層氣1.00m3/t埋深為400m，400m以淺煤層封存條件較差，煤層氣逸散；在埋深400～800m范圍內(nèi)，煤層氣含氣量隨埋深增大而增加，雖然不同控制線上煤層含氣量隨埋深增加的幅度略有差別，但總體趨勢一致。西山窯組煤層含氣量與埋深相關(guān)性見圖5相關(guān)方程式，相關(guān)性系數(shù)R2=0.655。整體含氣性呈現(xiàn)出“駝峰”狀，300～800m埋深含氣性隨深度而增加，800～1100m以深整體含性隨深度增加而緩慢降低，1200m以深缺乏控制。

綜上，分析北單斜西山窯組煤儲層不同深度含氣量特征的成因可能是由生物成因氣與熱成因氣、露頭逸散三重因素疊加的結(jié)果，總體呈現(xiàn)出淺部逸散、中部疊加、深部為熱成因氣為主的特點。

3.3 構(gòu)造條件

通過分析對比初步證實3處構(gòu)造對煤層的含氣性產(chǎn)生了影響。

(1)北單斜南側(cè)F2(碗窯溝逆斷層)對煤層含氣性影響較小。F2斷層沿北單斜地層走向展布，北單斜最主要的42-43、45煤層的空間展布受其控制。研究區(qū)的43、45煤層點大多位于該斷層邊緣，其含氣性均未受到明顯的不利影響。

(2)與地層傾角相近的逆斷層(F8)斷裂帶，對臨近煤層有明顯不利影響。MDC-6及MDCS-5井較好的印證了這個問題。MDC-6井深955m，在剖面上由上至下逐漸靠近該斷層，鉆遇的10至22號煤層均幾乎不含氣(0.04～0.34m2/t)，受此斷層影響的MDCS-5井在1073～1121m段含氣量也有比較明顯的下降。

(3)位于11-15勘查線附近的兩個逆斷層F7-2、F7-3之間斷塊及斷層周邊有煤層氣富集現(xiàn)象。在前期資料收集和走訪調(diào)查過程中，了解到原新建煤礦石門曾穿越42、41兩個煤層，發(fā)現(xiàn)煤層氣涌出量巨大，無法進行開采，最終封閉處理。MDC-2井控制了該區(qū)域，探獲煤層含氣量均明顯高于其它區(qū)域，經(jīng)測試37-39、41、42煤層均為欠壓、過飽和儲層。說明儲層孔裂隙存在大量游離態(tài)氣體。

4 結(jié)論

(1)西山窯組在深度400m以淺含氣性差，不具備煤層氣開采價值，在400～1152.3m煤層空氣干燥基含氣量1.64～12.53m3/t。煤層氣體成分中CH4含量在58.89%～89.92%。

(2)研究區(qū)整體含氣性呈現(xiàn)出“駝峰”狀，300～800m埋深含氣性隨深度而增加，800～1100m以深整體含性隨深度增加而緩慢降低，1200m以深缺乏控制。

(3)西山窯煤層頂?shù)装鍘r性均以細碎屑巖為主，有利于煤層氣的富集、成藏和保存，同時也有利于煤層氣的抽采，具備很好的封蓋條件。

(4)構(gòu)造條件對含氣性影響規(guī)律較為復(fù)雜，北單斜南側(cè)F2(碗窯溝逆斷層)對煤層含氣性影響較小。而與地層傾角相近的逆斷層(F8)斷裂帶，對臨近煤層有明顯不利影響。