新疆后峽盆地中-低階煤煤層氣成藏模式

涂志民，車延前，李 鵬，林文姬

(1.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095)

低階煤層氣一般指賦存于褐煤?長焰煤中的天然氣，其煤層鏡質(zhì)體反射率一般小于0.65%，通常形成于煤化作用的初期[1-3]。目前美國的粉河(Powder River)盆地以及澳大利亞的蘇拉特(Surat)盆地針對低階煤層氣開發(fā)較為成功，實現(xiàn)了商業(yè)性開發(fā)。粉河盆地在2008 年達到產(chǎn)氣高峰，年產(chǎn)氣量達到556 億m3[4]；蘇拉特盆地截至2016 年底，年產(chǎn)氣量達到210 億m3[5]。這2 個盆地低階煤層氣的成功開發(fā)帶動了世界范圍內(nèi)低階煤層氣的研究和發(fā)展。目前國內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)規(guī)模開發(fā)煤層氣田，主要是位于山西沁水盆地以及鄂爾多斯盆地東緣，其主要是中?高階煤層氣藏，而針對低階煤層氣規(guī)模開發(fā)仍未實現(xiàn)。新疆煤層氣資源十分豐富，煤層氣預(yù)測總資源量達9.5 萬億m3，占全國預(yù)測資源量的25.8%，且多為低階煤煤層氣[6]，具有豐富的資源基礎(chǔ)，但截至目前仍未建成規(guī)模開發(fā)的低階煤層氣田。新疆后峽盆地為位于天山山脈間的一個山間盆地，其煤層氣賦存條件與準南緣具有相似的特征，前人僅僅針對該區(qū)煤層氣資源條件進行了研究，而對成藏方面研究未有涉及[7]，總體該區(qū)煤層氣勘探程度較低，煤層氣富集規(guī)律認識不清。為此，筆者結(jié)合近些年在該區(qū)的煤層氣勘探實踐，結(jié)合地震、地質(zhì)相關(guān)資料，并利用已鉆探8 口井取心分析數(shù)據(jù)以及排采生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對煤層氣成藏規(guī)律開展研究，以期對該區(qū)及國內(nèi)具有相同特征地區(qū)中-低階煤煤層氣勘探有一定借鑒作用。

1 地質(zhì)概況

后峽盆地區(qū)域構(gòu)造上處于天山地槽褶皺系與準噶爾盆地南緣的結(jié)合部，屬于中生代山間盆地。從區(qū)域地質(zhì)圖可看出該盆地為一NW?SE 向，西寬東窄、SW 低NE 高的向斜構(gòu)造，長約50 km，寬約15 km。向斜構(gòu)造軸向呈NW?SE 向，由第四系、侏羅系構(gòu)成。侏羅系南厚北薄，向西可延長至頭屯河以西；向斜中心位于南部，靠近山前，南部為侏羅系沉積中心，地層較厚，向北地層逐漸減薄。表現(xiàn)為平緩的單斜構(gòu)造，地層向SW、NW 方向傾斜，地層傾角10°～30°。盆地基底主要由海西期上泥盆統(tǒng)和石炭系組成。盆地形態(tài)輪廓均受其基底坳陷形態(tài)的控制，部分邊緣受斷裂控制，其西南部邊界受大斷裂控制，其余地段未發(fā)現(xiàn)大的斷裂。

2 煤層氣儲層特征

2.1 構(gòu) 造

后峽盆地主要受燕山期?喜馬拉雅期斷裂影響，分別受兩組NWW 逆沖斷層及NE 向壓扭斷層控制，形成“三凹兩凸”的構(gòu)造格局；自東向西，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育東南溝、阿什里、雀洛皆特3 個凹陷以及特克阿蘇、八號橋2 個凸起，構(gòu)成了該區(qū)整體的構(gòu)造面貌；局部發(fā)育的構(gòu)造主要受區(qū)內(nèi)發(fā)育的二、三級斷裂控制，均為逆斷層，在斷裂上盤發(fā)育多個斷塊、斷背斜構(gòu)造(圖1)。研究區(qū)整體上斷裂較為發(fā)育，構(gòu)造較為復(fù)雜。

圖1 后峽盆地西山窯組底界構(gòu)造Fig.1 Structural of the bottom boundary of Xishanyao Formation in Houxia Basin

2.2 煤層發(fā)育

煤層發(fā)育情況是煤層氣資源豐富程度主要控制因素之一。研究區(qū)煤層主要發(fā)育在侏羅系西山窯組，已鉆8 口探井揭示情況表明，西山窯組主要發(fā)育3 個主力煤層，分別為B7、B8、B9 煤層。B7 煤層厚度一般4.8～17.5 m，平均10.0 m；B8 煤層厚度一般4.8～24.3 m，平均10.6 m；B9 煤層厚度一般4.1～16.0 m，平均厚度9.8 m。煤層厚度均較大，厚度橫向上有一定變化，但總體分布較為穩(wěn)定，全盆地皆有分布，顯示了研究區(qū)較好的煤層氣賦存物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 煤 巖

煤巖煤質(zhì)對煤層含氣性及物性有較為重要的影響。不同煤階、不同顯微組分對煤層氣吸附能力不同，并且其孔隙及裂隙發(fā)育程度也存在差異。研究區(qū)8 口井21 個樣品煤的鏡質(zhì)體反射率一般0.59%～0.80%，平均0.68%，屬于中-低階長焰煤和氣煤。宏觀煤巖類型以暗淡煤為主，半亮煤、半暗煤次之；煤心呈塊狀和碎粒狀，含少量粉狀，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，割理不發(fā)育。研究區(qū)3 口井7 個樣品顯示不同煤層之間顯微組分差異較小，鏡質(zhì)組含量較高，惰質(zhì)組含量較低，含極少量殼質(zhì)組(表1)，表明研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)較好、鏡質(zhì)組含量較高，利于后期的壓裂改造。

表1 后峽盆地主要煤層顯微組分特征Table 1 Maceral characteristics of main coal seams in Houxia Basin

2.4 含氣性

中-低階煤含氣性與中-高階煤相比，整體含氣量偏低。研究區(qū)6 口井25 個含氣量取心測試樣品測試結(jié)果顯示，空氣干燥基含氣量一般為1.16～7.84 m3/t，平均3.0 m3/t，含氣量總體較低，個別井點取心含氣量較高，達到6.0～8.0 m3/t。另外，G3 和A1 井未取得目的煤層巖心，依據(jù)排采起套壓時的臨界解吸壓力(分別為8.77、13.00 MPa)，結(jié)合鄰井的等溫吸附參數(shù)，按照Langmuir 等溫吸附公式計算其含氣量分別為11.7 m3/t和12.3 m3/t，顯示較高的含氣量。因各井未能取全3套目的煤層巖心，各煤層含氣量平面分布樣品點偏少，為此，整體按西山窯組目的煤層平均含氣量進行分析，基本上也可以反映研究區(qū)含氣量的平面展布特征，總體顯示含氣量在平面上呈現(xiàn)較大的差異性，由NE 至SW 向呈逐漸增大的趨勢，靠近西南邊界又逐漸降低(圖2)。等溫吸附實驗測得空氣干燥基Langmuir 體積12.57～26.23 m3/t，平均18.09 m3/t，顯示研究區(qū)煤層吸附能力較強，而實際含氣量較低，導(dǎo)致整體含氣飽和度偏低；空氣干燥基Langmuir 壓力3.8～12.57 MPa，平均7.82 MPa，Langmuir 壓力較高，易于煤層氣解吸。

圖2 研究區(qū)西山窯組含氣量分布Fig.2 Gas content distribution of Xishanyao Formation in the study area

2.5 煤儲層物性

儲層物性條件是煤層氣開發(fā)關(guān)鍵參數(shù)。研究區(qū)11 個樣品，在實驗室3.5 MPa 圍壓條件下，測試其孔隙率為1.45%～5.26%，平均2.6%；滲透率差異較大，為(0.012～76.500)×10?3μm2，一般(1.61～13.30)×10?3μm2，平均7.76×10?3μm2。因此，總體上研究區(qū)煤儲層孔隙率較低，但是滲透率條件相對較好，個別樣品測試滲透率較高的原因可能主要由外生裂隙所引起。從目前排采井產(chǎn)水情況間接得到了證實，普遍日產(chǎn)水較大，在見套壓前階段，流壓日降幅控制在0.02～0.03 MPa 情況下，日產(chǎn)水量一般達到了10～30 m3。

3 煤層氣成藏條件

3.1 煤層氣成因

目前煤層氣成因主要包括熱成因、生物成因、混合成因3 大類型，國內(nèi)外學(xué)者一般把低階煤煤層氣成因歸結(jié)為以生物成因為主，或者是在前期熱成因基礎(chǔ)上后期生物氣的補充[8-9]。對煤層氣成因研究主要通過其C、H 同位素含量進行劃分，生物氣甲烷氫同位素(δDCH4)一般介于?400‰～?170‰，甲烷碳同位素(δ13CCH4)一般輕于?55‰[4,10-11]。研究區(qū)甲烷碳同位素值為?57.8‰～?45.3‰，甲烷δDCH4為?257.3‰～?218.7‰，甲烷與乙烷、丙烷總和的比值為62.47～555.54。將以上測試結(jié)果投到M.J.Whiticar 模板[12]，顯示G5、T1 井為生物氣成因，而其余3 口井均顯示熱成因特征。為進一步分辨其成因類型，使用M.J.Kotarba[8]建立的天然氣成因判識圖版，表明A1 井顯示熱成因氣特征，G5 井顯示生物氣特征，T1 井顯示混合成因氣特征，而G2、G3 井顯示次生熱成因氣特征(圖3)。綜合上述2 種煤層氣氣成因分類模板，認為研究區(qū)氣成因呈現(xiàn)多種類型，包含熱成因、次生熱成因、生物成因和混合成因4 種類型。其中，生物成因與熱成因氣因其碳、氫同位素含量不同很容易加以區(qū)分，而熱成因與次生熱成因氣之間的區(qū)別主要在于次生熱成因氣受到后期改造的作用，如構(gòu)造抬升導(dǎo)致吸附態(tài)甲烷開始解吸，而煤層氣在解吸過程中，氣體解吸速度與分子大小及輕重成反比，重?zé)N比甲烷難解吸，13CH4比12CH4難解吸，導(dǎo)致解吸-擴散-運移作用下次生熱成因氣會變干、變輕[13-14]。另外，結(jié)合各井的分布位置進行分析，顯示其成因類型與構(gòu)造位置有較強相關(guān)性。如埋深較大靠近凹陷中心的A1 井以熱成因為主；凸起高部位的G5 井以生物成因為主，盆地邊緣斜坡高部位的G1 和G4 未開展同位素分析，依據(jù)其構(gòu)造位置推測其應(yīng)為生物成因氣；在斜坡中部位置的T1 井為混合成因；而在構(gòu)造圈閉處的G2、G3 井為次生熱成因。煤層氣成因與構(gòu)造位置的相關(guān)性在后文將加以深入分析。

圖3 后峽盆地煤層氣成因類型判別Fig.3 Genetic type discrimination of coalbed methane in Houxia Basin

研究區(qū)不僅不同構(gòu)造位置成因類型不一，而且其含氣性也存在一定差異。熱成因類型含氣量較高，而生物成因類型含氣量較低。排采實踐也證實了該結(jié)論。如具有熱成因氣特征的A1、G2、G3 井臨儲比分別為0.77、0.67、0.99，而且日產(chǎn)氣量均接近或超過1 000 m3，而生物成因和混合成因氣井臨儲比小于0.45，日產(chǎn)氣量小于500 m3(表2)。表明研究區(qū)以熱成因氣成藏占有優(yōu)勢，而生物氣成藏含氣量偏低。

表2 研究區(qū)氣樣分析、含氣量及生產(chǎn)數(shù)據(jù)Table 2 Gas sample analysis,gas content and production data in the study area

3.2 構(gòu)造演化

構(gòu)造演化過程不僅影響煤層生烴條件，也影響生烴后的保存狀況，是決定煤層氣成藏的關(guān)鍵性因素之一。在早?中侏羅世，整個天山地區(qū)處于造山運動后的松弛期，未發(fā)育明顯的正地形構(gòu)造，此時后峽盆地與準噶爾盆地連為一體，在穩(wěn)定沉降的背景下，發(fā)育了一套厚度大、煤層展布穩(wěn)定的煤系；而在晚侏羅?早白堊世期間發(fā)生了明顯的整體隆升作用，天山及準噶爾南緣開始隆升遭受剝蝕，盆山格局發(fā)生了顯著變化，此時，后峽盆地整體隨著天山抬升并接受剝蝕，從此與準南緣分割開來，沉積演化開始分異，直至現(xiàn)今該區(qū)一直處于抬升剝蝕區(qū)，未接受沉積[15-16]。筆者以研究區(qū)G2 井為例加以說明，根據(jù)該井煤層鏡質(zhì)體反射率與其經(jīng)歷的最高溫度之間的關(guān)系式[17]，可計算其熱演化最高溫度為125.24℃，依據(jù)該區(qū)的古地溫梯度35℃/km[18]，可計算最大埋藏深度為3 580 m，而目前煤層埋深為939 m，剝蝕地層厚度為2 641 m。而在白堊紀及古?新近紀，地層剝蝕厚度的確定主要依據(jù)相鄰準南緣地區(qū)地層發(fā)育較為完整鉆井在白堊紀及古?新近紀所沉積的地層厚度，根據(jù)物質(zhì)平衡原則依據(jù)其比例近似加以確定，最后模擬該井的地層埋藏史曲線，結(jié)果可能不是非常準確，但可以近似反映研究區(qū)地層的埋藏演化過程(圖4)。因此，根據(jù)研究區(qū)煤層沉積后的埋藏演化過程可以看出，在晚侏羅及早白堊世埋深達到最深時開始生成熱成因煤層氣，尤其是在盆地沉積中心位置，但隨著后期的持續(xù)抬升導(dǎo)致前期生成的煤層氣大量散失，對該區(qū)煤層氣的破壞起到?jīng)Q定性作用。

圖4 后峽盆地G2 井地層埋藏史曲線Fig.4 Stratigraphic burial history curves of well G2 in Houxia Basin

3.3 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件對煤層氣富集具有多樣性影響，主要體現(xiàn)在對煤層氣的逸散、封閉、封堵作用以及次生生物氣的生成，其中逸散作用導(dǎo)致煤層氣藏的破壞，而封閉、封堵作用對煤層氣保存有重要影響[19-20]。研究區(qū)緊鄰烏魯木齊河及一號冰川，雨季多雨、植物茂盛，山水交錯期間，總體上水文補給條件較好[21]。研究區(qū)西南邊界為一條走向NW、南傾北沖的逆沖斷層，總體上呈向NE 方向抬升的斜坡構(gòu)造，煤層在斜坡上傾頂部出露地表，直接接受大氣降水及山頂冰雪融水的補給，形成了在斜坡上傾淺部位的水動力活躍徑流區(qū)，而沿著斜坡下傾方向逐漸過渡到滯流區(qū)，形成了煤層氣的側(cè)向封堵。目前該區(qū)8 口生產(chǎn)井排采水礦化度呈現(xiàn)了上述特征，在離煤層剝蝕邊界較近、煤層埋深相對較淺的G4 及G1 井排采水礦化度較低，分別為2 068、2 910 mg/L，而隨著深度逐漸增大，在斜坡中深部，G2、G3 井排采水礦化度分別為6 282、6 719 mg/L，在凹陷處的A1 井礦化度達到了15 351 mg/L。較好反映了水動力活躍程度從盆地邊界沿斜坡往凹陷深處逐漸降低，保存條件逐漸趨好。另外，由于該區(qū)較好的水文補給條件給次生生物氣的生成也創(chuàng)造了條件。一般有利于生物氣的生成地層水水溫為0～75℃，pH 值6～8，地層水礦化度小于10 000 mg/L，而研究區(qū)在斜坡的淺中部均具備次生生物氣生成的條件，驗證前文煤層氣成因分析結(jié)論，即研究區(qū)主要在煤層中淺部具有生物氣特征。

3.4 頂?shù)装宸馍w條件

頂?shù)装宓姆馍w能力主要取決于頂?shù)装宓膸r性、厚度和韌性，相比于結(jié)構(gòu)松散、孔隙率大、滲透性好的砂巖，泥巖結(jié)構(gòu)相對致密、孔隙率小、滲透性較差，對煤層氣的保存較好[22]。研究區(qū)煤層沉積時期為盆地的伸展擴張期，沉積地層主要以灰色、深灰色泥巖為主，砂巖較少發(fā)育，3 套目的煤層頂?shù)装寰赡鄮r組成。鉆探井顯示，B7 煤層頂板泥巖厚度11.5～49 m，底板5.5～30.28 m，B8 頂板泥巖厚度5.5～40.85 m，底板11.63～49 m，B9 頂板泥巖厚度21.38～41.13 m，底板4.75～27.84 m。通過對比現(xiàn)今研究區(qū)不同構(gòu)造位置井位頂?shù)装迥鄮r封蓋厚度，可以發(fā)現(xiàn)無論是更靠近盆地邊緣的G4 井，還是在凹陷處的A1 井，其各煤層頂?shù)装迥鄮r厚度差異不明顯，G4 井B7、B8、B9 煤層頂/底板泥巖厚度分別為11.5 m/17.11 m、7 m/28.13 m、41.13 m/15.38 m，而A1 井分別為12.38 m/6.73 m、6.25 m/23.37 m、13.75 m/9.63 m。這可能與前人研究認為在侏羅紀沉積時期后峽盆地不是單獨的盆地，而是與準噶爾盆地南緣侏羅紀盆地相連，在現(xiàn)今研究區(qū)以南仍然沉積了侏羅系，其物源補給區(qū)至少與現(xiàn)今研究區(qū)的南部區(qū)域有關(guān)[16]。因此，研究區(qū)各煤層頂?shù)装寰赡鄮r組成，且厚度差異不大，具備較好的煤層氣封蓋條件。

4 成藏模式

成藏模式是煤層氣富集規(guī)律的高度概況，能夠有力指導(dǎo)勘探實踐。研究區(qū)煤層氣成因有多種類型，結(jié)合前文煤層氣富集特征及成藏條件分析，可劃分為深層熱成因氣、常規(guī)圈閉次生熱成因氣以及中淺斜坡生物氣3 種典型成藏模式(圖5)。每一種成藏模式代表了研究區(qū)不同的煤層氣成藏富集過程及特點。深層熱成因氣成藏主要位于埋深較大的盆地凹陷處，是在地質(zhì)歷史演化過程中煤層沉積埋藏深度最大時生成的熱成因氣，在后期整體抬升過程中，由于現(xiàn)今煤層埋深依然較大，有一部分殘余熱成因氣得以保存而富集成藏。在研究區(qū)如A1 井所鉆探位置，煤層埋深達到了1 700 m，含氣量相對較高，日產(chǎn)氣量也相對較高，碳氫同位素顯示熱成因特征。常規(guī)圈閉次生熱成因氣成藏是在盆地整體抬升過程中，前期生成的熱成因氣由于地層壓力降低前期吸附的煤層氣開始解吸，在浮力作用下沿著斜坡上傾方向運移，而在合適的圈閉位置聚集成藏[23-24]。研究區(qū)目前G2、G3 井鉆探的斷塊圈閉構(gòu)造就是該模式成藏類型，含氣量在所鉆井中測試最高，排采后臨界解吸壓力較高，產(chǎn)氣效果也較好。斜坡生物氣成因模式是在前期熱成因氣殘余基礎(chǔ)上，淺部由于外來水源的補給，通過甲烷菌的作用生成生物氣，隨著地表水的補給不斷地“溶解?運移?再溶解?再運移”這種方式富集于斜坡的淺中部位置[25]。而且生成的次生生物氣能夠與原位置的殘余熱成因氣混合，呈現(xiàn)混合成因氣特點。從目前的勘探實踐來看，常規(guī)圈閉次生熱成因氣成藏模式含氣性最好，能夠捕獲多種成因氣圈閉成藏，綜合勘探效果最好；次之為深部熱成因成藏模式，煤層埋深相對較大，抬升過程中損失氣相對較少，含氣量相對較高；而中淺斜坡生物氣成藏雖然有后期次生生物氣的補充，可能由于后期持續(xù)抬升，埋藏較淺，保存條件最差，含氣性普遍較差，其勘探效果不理想。

圖5 后峽盆地煤層氣成藏模式Fig.5 Schematic diagram of accumulation modes in Houxia Basin

5 結(jié) 論

a.新疆后峽盆地構(gòu)造較為復(fù)雜，煤層展布穩(wěn)定，厚度較大，煤巖煤質(zhì)較好，物性較好，含氣性差異較大，在有利成藏區(qū)內(nèi)具有較好的煤層氣資源勘探潛力。

b.后峽盆地煤層氣成因有4 種類型，包括熱成因、次生熱成因、混合成因及生物成因；水文地質(zhì)條件及頂?shù)装宸馍w條件較好，有利于煤層氣保存，但是，由于晚侏羅世?早白堊世后，研究區(qū)整體持續(xù)抬升，對煤層氣保存影響較大，不利于煤層氣的富集成藏，而且對該區(qū)煤層氣富集成藏起決定性影響。

c.結(jié)合煤層氣成因分析以及構(gòu)造演化過程，后峽盆地煤層氣成藏形成了深部熱成因、常規(guī)圈閉次生熱成因及斜坡生物成因3 種煤層氣富集成藏模式，前2種模式為研究區(qū)的有利勘探氣藏類型。