准东煤田西山窑组煤层气成藏条件探讨

刘柏根

(中煤科工集团西安研究院，陕西 710077)

准东煤田位于新疆昌吉回族自治州，是新疆四大煤炭基地之一，面积约2.18万km2，煤田煤炭探明储量达2136×108t，是我国目前最大的整装煤田，也预示着其煤层气勘探开发具有良好的前景。准东煤田为低煤阶煤、主要为褐煤分布，目前关于该区的煤层气成藏条件等研究还比较少，这很大程度上影响了准东煤田煤层气资源潜力评价和煤层气开发项目的进一步开展，导致该区煤层气勘探开发至今没有实质性进展。

准东煤田含煤地层为下侏罗统的八道湾组和中侏罗统的西山窑组，其中西山窑组为本区主要含煤地层;西山窑组含煤层数较多，一般含煤3～26层，纯煤层总厚5～80m，是我国少见的煤层厚度异常大的地区，研究准东煤田西山窑组煤层气成藏条件，具有重要的意义。一般来说，煤层气成藏包括生、储、保三个条件，成藏生气是基础，储集是保障，保存是根本。本文即从这几个方面探讨准东煤田西山窑组煤层的煤层气成藏条件，为今后煤田煤层气研究及勘探开发提供技术支撑。

1 煤层气生气特征

生气能力是煤层含气的基础，煤的生气能力主要由煤的物质组成和变质程度决定。准东地区西山窑组煤是在水退早期湖泊三角洲平原沼泽化基础上发展形成的，聚煤期植物群主要为高大的蕨类植物，煤的成因类型为腐殖煤类。西山窑组煤大部分为褐煤，有一定数量的长焰煤，少量气煤。褐煤阶段，可以生成一定数量的生物成因甲烷和少量热成因甲烷;长焰煤和气煤阶段，以热成因甲烷气和煤层埋藏阶段的次生物甲烷气为主。因此准东地区甲烷气主要为生物成因甲烷和热成因甲烷气，次生物成因甲烷气受构造演化和埋深等影响，仅占很小比例。准东煤田煤层煤变质作用方式几乎全部为深成变质，总体上符合希尔特定律，煤储层埋深越大，煤级越高。从成煤演化过程看，煤层气主要包括褐煤阶段的原生生物甲烷气、长焰煤－气肥煤阶段的热成因甲烷气和煤层埋藏阶段的次生生物甲烷气三种成因甲烷气，前两种为主，形成原生煤层气藏。根据中煤科工集团西安研究院以往煤的热模拟生烃试验结果，褐煤阶段的总生气量为38～68m3/t，长焰煤阶段总生气量为41～93 m3/t，因此推测准东煤田西山窑组煤层的生气能力应该很高。

表1 准东煤田中部西山窑组主要煤层煤岩测定结果表

由西山窑组煤层的煤岩特征 (表1)、煤质特征 (表2)可以看出，准东地区西山窑组煤有机质含量一般在85%～95%，有机显微组分基本都在80%以上;煤的灰分产率都很低，基本属于低－中灰煤，因此，该煤田西山窑组煤层具有大规模生气的物质条件。

表2 中部煤质测定结果表

2 煤层气储气特征

图1 煤田西山窑组煤的等温吸附曲线

煤层的吸附性能决定了煤层气的赋存状态和储集能力。由西山窑组煤等温吸附试验结果 (图1、表3)表明，准东煤田不同区块煤层的吸附能力有所差异，西部五彩湾矿区的空气干燥基Langmuir体积最大，为11.2m3/t，其次为中部北山煤窑和大井地区，空气干燥基 Langmuir体积分别为9.12m3/t、8.0m3/t;东部老君庙矿区空气干燥基Langmuir体积为6.83m3/t，可见准东地区西山窑组煤层吸附量较小;Langmuir体积总体上也低于我国其他地区相同煤级煤，表明煤田西山窑组煤的吸附能力偏低。

表3 准东地区西山窑组煤的等温吸附试验结果

煤的吸附量与Langmuir压力大小有关，Langmuir压力越小，吸附量越大，煤层甲烷的储存量也越大。煤变质程度越低，Langmuir压力越大，我国褐煤、长焰煤、气煤Langmuir压力平均分别为8.31MPa、6.39MPa、3.63MPa。由等温吸附测试结果，北山煤窑、老君庙与我国其他地区Langmuir压力大小相近，五彩湾则远高于我国其他地区同煤级煤的Langmuir压力值。

总体上，准东煤田西山窑组煤的吸附能力偏低，导致煤层的储气能力低。

3 煤层气保存条件

3.1 煤层气埋藏史

准东煤田煤层气埋藏史与准噶尔盆地一致。侏罗系煤层形成后，在晚侏罗世，盆地受燕山运动影响，盆地开始抬升，沉积范围收缩，沉积了一套由细变粗的碎屑岩层，顶部为磨拉石建造。盆地西北部抬升幅度大，缺失了上侏罗统，中侏罗统上部也遭部分剥蚀。盆地南部仍为沉降中心，沉积了较厚的上侏罗统。由于气候转为干旱，岩性也变为以红色为主的杂色泥砂岩互层夹凝灰岩。晚侏罗世晚期，盆地进一步抬升，大部分地区均受剥蚀而成为准平原状态。

白垩纪，准噶尔盆地开始沉降，沉积范围有所扩大，沉降中心由北偏移至盆地中部一带，最大幅度达3000m，沉积了一套干旱炎热气候条件下的河湖相杂色砂泥岩及红色砾岩。

新近系，在白垩纪拗陷上继续接受沉积，但沉积面积有所减小，沉降中心也迁移至西南部安集海一带，最大沉降幅度达5000m，仍以河湖相沉积为主。该阶段，早期为抬升剥蚀，其后则均为沉降并接受沉积，累计沉积最大厚度近万米，从而造就了侏罗系煤层必不可少的盖层，也提供了较好的埋深条件。

第四系，喜马拉雅运动使盆地及其周边山区受到强烈挤压，盆地边缘山区再度隆起上升，并向盆内推覆，产生了一系列向盆内逆冲的推覆断裂。盆地东部由于是陆缘盆地，盖层较薄，产生了宽缓褶皱;盆地南部由于一直是拗陷区，产生了雁行排列的线状褶皱。盆地于早更新世后受周边挤压更强烈而整体抬升，结束了沉积历史，形成现今格局。

综上所述，准东煤田西山窑组煤层形成后主要经历了抬升－沉降－抬升一系列过程，导致构造演化过程中煤层中气体有较大程度的逸散。

3.2 煤层围岩的封闭性

良好的封盖层可以保持地层压力，使煤层气以吸附状态存在，减少游离气的散失，从而使煤层气得以保存和富集。

准东煤田西山窑组主要由泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩和煤层组成，厚度70～390m，平均182m左右。上覆的石树沟群主要为砂岩、泥岩、砾岩，厚度超过118～901m，与下伏西山窑组一般呈平行不整合接触。煤系及上覆地层对煤层气保存有利。

图2 煤田中部地区主要煤层顶板岩性分布图

西山窑组煤层顶底板岩性以泥岩、炭质泥岩为主，另有粉砂质泥岩和泥质粉砂岩、砂岩。东部地区顶板以泥岩、粉砂岩类岩石为主，底板以泥岩、含炭泥岩为主;中部地区顶板以泥岩、粉砂岩类岩石为主、个别高炭泥岩，底板以泥岩、含炭泥岩、粉砂岩类岩石为主 (图2、图3);西部地区顶板岩性以泥岩、炭质泥岩、中、细砂岩为主，局部为粉砂岩、粗砂岩、泥质粉砂岩、偶见炭质泥岩、炭质泥岩伪顶，底板多为泥岩、炭质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩，可见含炭泥岩、细砂岩、中砂岩、粉砂岩，偶见有泥岩、炭质泥岩伪底。从煤层顶底板岩性角度分析，西山窑组煤层的封闭性较好。

图3 煤田中部地区主要煤层底板岩性分布图

3.3 水文地质条件

水文地质条件对煤层气开发具有重要的影响，主要表现为:对煤层气具有保存作用、影响煤储层压力和煤层渗透性的分布、影响煤层气开发施工及各项工艺。水文地质控气作用主要体现在3种类型:水动力迁移、水动力封闭和水动力封堵控气作用。关于准东煤田的水动力研究，崔思华等认为煤田水动力封闭主要在昌吉凹陷，水动力封堵主要在盆地南缘，而盆地东南部、西北缘和东北缘则主要表现为水动力迁移。

图4 煤田地下水动力与煤层气关系示意图

准东地区地下水由东北向西南运移迳流，与煤层气运移方向相反 (图4)。地下水在流动过程中，可能形成新的压力屏障，阻止煤层气的运移;并形成一个气水界面，在此界线以上，煤层以含水为主，煤层气含量较低，在此界线以下，煤层以含气为主。因此推测在深部煤层中，可能会发生煤层气的二次吸附，达到平衡状态，煤层气含量增高。

4 结语

研究准东煤田煤层气成藏条件，有助于了解煤田煤层气的富集分布规律，从而为今后煤层气开发部署、开发工艺选择、排采方案制定提供重要的信息和支撑。本文即从煤层气成藏生、储、保三要素出发，探讨了准东煤田西山窑组煤层的煤层气成藏条件，认为西山窑组煤层生气条件较好，储气条件相对较差，构造演化时期煤层气有较大程度的损失，但现今围岩及上覆岩层保存条件较好，地下水动力条件对煤层气保存都比较有利。

［1］煤炭科学研究总院西安分院，中联煤层气有限责任公司．新疆地区主要煤田煤层气资源评价及选区报告［R］．1999．

［2］赵庆波，李贵中，孙粉锦，等．煤层气地质选区评价理论与勘探技术［M］．北京:石油工业出版社，2009．

［3］孙万禄．中国煤层气盆地［M］．北京:地质出版社，2005．

［4］杨起，刘大锰，黄文辉，等．中国西北煤层气地质与资源综合评价［M］．北京:地质出版社，2005．

［5］张泓，李恒堂，熊存卫，等．中国西北侏罗纪含煤地层与聚煤规律［M］．北京:地质出版社，1998．

［6］周继兵，庄新国，张东亮．新疆准东煤田东部层序地层学及聚煤规律研究［J］．新疆地质，2010，28(3):334－338．

［7］崔思华，刘洪林，王勃，等．准噶尔盆地低煤级煤层气成藏地质特征［J］．现代地质，2007，21(4):720－724．

［8］傅小康．中国西部低阶煤储层特征及其勘探潜力分析［D］．北京:中国地质大学博士学位论文，2006．