准噶尔盆地阜康西区块西山窑组构造-水文地质控气特征

李　升，葛燕燕，杨雪松，李　鑫，傅雪海

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，乌鲁木齐830046；2.新疆煤层气工程技术研究中心，乌鲁木齐830046；3.新疆科林思德新能源有限责任公司，乌鲁木齐830046；4.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州221000）

准噶尔盆地阜康西区块西山窑组构造-水文地质控气特征

李升1，2，葛燕燕1，2，杨雪松2，3，李鑫4，傅雪海4

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，乌鲁木齐830046；2.新疆煤层气工程技术研究中心，乌鲁木齐830046；3.新疆科林思德新能源有限责任公司，乌鲁木齐830046；4.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州221000）

为查明准噶尔盆地阜康西区块中侏罗统西山窑组煤层控气地质作用，依据区域性水文地质边界池钢逆断层，将区块划分为2个构造单元，依据甲烷风化带、水文地质条件划分出煤层气富集单元。在对研究区构造特征和水文地质特征进行分析的基础上，探讨了构造-水文地质耦合控气机制。研究结果表明，阜康西区块西山窑组煤层气富集是构造-水文地质耦合作用的结果，构造运动使煤层发生动力变质作用与深成变质作用，有助于热成因气生成；燕山运动晚期与喜马拉雅运动期水平挤压运动产生的封闭性褶皱和逆冲断层有助于煤层气保存，燕山运动早期构造抬升不利于原生生物成因煤层气保存；地下水侧向补给至高矿化度滞留区，煤层气因水力封堵作用而富集。而中—浅部西山窑组煤层埋深小于600 m的斜坡带则由于构造抬升、较强的季节性径流和蒸发，导致煤层气逸散，同时气候干旱导致的高矿化度地层水抑制次生生物成因气生成，煤层气含量相对较低。

准噶尔盆地；阜康西区块；中侏罗统；西山窑组；煤层气；构造-水文地质控气作用；含气量

新疆煤层气预测资源量为9.5×1012m3，约占中国煤层气预测总量的25%[1]，主要分布在准噶尔盆地、吐哈盆地、塔里木盆地和天山山间系列盆地中，是目前中国煤层气开发的热点地区和后备基地。阜康西区块位于准噶尔盆地东南缘，天山东段北麓，煤层具“多层叠置”、“急倾斜”、“巨厚”、“低强度”的特殊地质特征；含煤地层主要为下侏罗统八道湾组及中侏罗统西山窑组，八道湾组煤层与西山窑组煤层主要为低变质烟煤（长焰煤和气煤，研究区内煤层最大镜质体反射率为0.77%）。阜康西区块含煤层数多，煤层单层厚度大，是目前阜康矿区煤层气勘探开发的主力地区之一。据统计，阜康西区块煤层气资源丰度7.15×108m3/km2，资源量900.5×108m3，可采资源量180.1×108m3[2].位于研究区阜康向斜仰起端的CSD01井排采目的层为八道湾组煤层，受控于仰起端转折部位发育的裂隙带及逆断层的封闭作用与水力封堵作用，CSD01井钻遇下侏罗统八道湾组储集层甲烷含量高，渗透性好，连续3年平均日产气量近10 000m3，最高日产气量17 125 m3[3]，成为中国煤层气产量最高的直井。研究区西山窑组煤层气开发尚处于初步勘探阶段，其煤层气赋存机制尚未厘定，控气地质特征尚未查明。本文从构造-水文地质条件着手，分析了阜康西区块西山窑组煤系构造、水文地质控气作用，探讨了煤层气藏成藏机制，以期丰富中国西北地区煤层气富集成藏理论，为新疆煤层气勘探开发提供理论依据。

1　含煤特征

研究区内地层自下而上为二叠系、三叠系、侏罗系、新近系和第四系。含煤岩系为中侏罗统西山窑组和下侏罗统八道湾组（图1）。

西山窑组厚度大于0.30 m的煤层17层，煤层编号从上到下依次为28—45号。主要可采煤层4层（38号，41号，43号和45号煤层），局部可采煤层1层（40号煤层）。西山窑组平均厚486.71 m，煤层平均总厚44.31 m，含煤系数（煤层总厚度与含煤岩系总厚度之比）9.10%.西山窑组按岩性组合、聚煤特征及煤层稳定性可分2段：上段（43号煤层顶板以上）平均厚度304.26 m，以浅湖相灰色、深灰—黑灰色粉砂岩和泥岩为主，中部夹薄层菱铁矿层，含煤层14层，煤层总厚度0～13.36 m，平均总厚度10.15 m，多不可采，含煤系数3.33%，体现出旋回频繁，沉积环境不稳定，沉降幅度不大的特点；下段（43号煤层顶板以下）平均厚度182.45 m，以湖滨沼泽相灰色、深灰色粉砂岩、细砂岩互层组成，发育2层特厚煤层（43号和45号煤层），煤层附近富含植物化石，含煤层7层，煤层总厚28.26～42.20 m，平均总厚34.16 m，含煤系数18.77%，体现出成煤环境较稳定，成煤后沉降幅度大的特点。

2　构造特征及构造单元划分

阜康西区块构造上位于准噶尔盆地东南缘博格达山山前断褶带，西至阜康矿区西界，东至四工河，南至南阜康向斜轴线，北至阜康逆掩断层（图2）。受南部博格达复背斜的推覆，研究区内构造较为复杂，主要褶皱有阜康背斜（M1）、阜康向斜（M2）、南阜康背斜（M3）、南阜康向斜（M4），主要断层有水磨河—李家庄断层（F1）、阜康逆掩断层（F2）、池钢逆断层（F3）、南池钢逆断层（F4）、南阜康向斜压扭性断层（F5）、南阜康背斜北翼走向断层（F6）、夹皮沟逆断层（F7）等（图2）。

图1　阜康西区块煤系综合柱状剖面

阜康西区块南阜康背斜伴生的池钢逆断层（F3）几乎与南阜康背斜轴线重合，断层断距约300 m，为高角度逆断层，研究区内81-2，85-13，86-5，86-8等钻孔在揭露断层带时冲洗液无明显消耗或涌水现象，透水性差，局部见断层角砾岩，断层两侧导水性差。因此，南阜康背斜与池钢逆断层共同构成了区块构造分区标志，将西山窑组分为Ⅰ构造单元和Ⅱ构造单元（图3），两个构造单元的水文地质特征差异较大。

图2　阜康西区块构造特征

图3　阜康西区块西山窑组控煤构造及分区

3　构造-水文地质控气作用

3.1甲烷含量特征

阜康西区块西山窑组煤层甲烷含量随埋深增加而增加，但当埋深大于1 000 m后，甲烷含量趋向于不变或减小（图4）。甲烷体积分数在煤层埋深小于600m时普遍小于70%，且甲烷含量基本小于2 m3/t（图5）。一般对于低变质烟煤，甲烷含量小于2 m3/t处即为甲烷风化带，前人一般将甲烷体积分数小于80%处定义为甲烷风化带[4]，基于中国低煤级储集层甲烷含量普遍不高的现状，笔者认为甲烷体积分数小于70%即为甲烷风化带。可见甲烷含量小于2 m3/t处甲烷体积分数基本也小于70%（图5）。阜康西区块甲烷风化带在埋深600 m左右，较中国中高煤级地区及美国中低煤级地区普遍偏深[5-7]，埋深小于600 m的中—浅部含气性较差，甲烷体积分数低，煤层气开发经济效益低。据此进一步将Ⅰ构造单元划分为Ⅰ-1和Ⅰ-2煤层气富集单元，把Ⅱ构造单元划分为Ⅱ-1和Ⅱ-2煤层气富集单元（图3）。Ⅰ-2和Ⅱ-2煤层气富集单元的煤层埋深小于600 m，处于甲烷风化带，甲烷体积分数低，甲烷含量也低，而Ⅰ-1与Ⅱ-1煤层气富集单元煤层埋深大于600 m，甲烷含量较高。

图4　阜康西区块西山窑组煤层埋深与甲烷含量的关系

图5　阜康西区块西山窑组煤层甲烷含量与甲烷体积分数的关系

3.2构造及其控气作用

早侏罗世早期和中侏罗世早期，印支运动后，构造运动相对减弱，形成了八道湾组和西山窑组2个重要的含煤建造。含煤建造形成之后，主要经历了燕山运动和喜马拉雅运动的改造作用。燕山运动以垂直运动为主，并有由东向西的迁移性，燕山运动早期垂直构造运动发生于早侏罗世—中侏罗世，使得阜康西区块北部抬升。晚侏罗世燕山运动主要为水平构造运动，研究区内发生了强烈的褶皱断裂，强烈的挤压作用下，阜康矿区由南向北形成了南阜康向斜、南阜康背斜、阜康向斜和阜康背斜，同时形成了博格达推覆构造和水磨河—李家庄断层（F1）。褶皱的表现形式主要为紧密的歪斜褶曲，轴面向山体方向倾斜。背斜和向斜均表现为靠山体的一翼陡，倾角一般70°～80°，局部有倒转，另一翼倾角一般35°～55°.断层以北东—南西向和近东西向的逆冲断层为主，断面南倾，呈叠瓦状，浅部陡，向深部变缓，反映了推覆构造的特点。喜马拉雅运动主要表现为天山的强烈挤压、扭动，使其大幅度抬升，煤系呈带状出露，同时加剧了博格达逆冲推覆构造的复杂程度，在山前形成了阜康逆掩断层（F2）。

阜康西区块西山窑组煤层镜质体反射率为0.46%～0.77%，主要为长焰煤和气煤。构造对阜康西区块煤层气藏的控制主要表现在以下6个方面。第一，煤层形成以来经历燕山、喜马拉雅2次构造运动，煤层经历深成变质作用和动力变质作用，尤其燕山运动晚期及喜马拉雅运动期水平构造运动形成了紧密的歪斜褶曲，煤层经受强烈挤压作用，有助于煤层受热生气，煤层由褐煤逐渐向长焰煤及气煤演化并生成了一定量的热成因煤层气。据文献［8］和文献［9］研究，最大镜质体反射率为0.70%时，主要生成热裂解湿气，热裂解湿气可占热成因气总量的10%.第二，喜马拉雅运动期水平构造运动加剧了博格达推覆构造，使阜康西区块内发育了一系列近东西向的逆冲推覆断层，推覆体及推覆面构成良好的区域构造封闭系统，对煤层气的赋存起到良好的封闭作用，但离露头近的断层对煤层气赋存封闭作用不明显，甲烷含量相对较低，随着埋深增大，甲烷含量逐渐增大，由于地质构造的影响，也存在煤层甲烷含量局部增高现象。这也是阜康西区块西山窑组煤层埋深小于600 m甲烷含量低，而埋深大于600 m含气性相对较好的原因。第三，燕山运动早期垂直构造运动使得阜康西区块整体抬升，上覆地层不断被剥蚀，煤层埋藏深度减小，对煤层气的逸散有利，早期原生生物成因煤层气不易保存。第四，挤压作用使煤体产生变形，受热生气的同时，储集层物性发生改变，形成了不同煤体结构类型，不同煤体结构类型甲烷含量存在差异。第五，随煤岩变质程度的增加，煤岩大孔趋向于被压实，而小孔与微孔开始发育，有利于提高孔隙比表面积，增加了煤岩表面吸附甲烷的能力。第六，挤压运动形成的南池钢逆断层及南阜康背斜，作为封闭性断层和区域构造高点，成为地下水分水岭，对水文地质条件产生显著影响，断层两侧地下水连通性差，从而影响煤层的甲烷含量。

3.3水文地质控气作用

水文地质控气作用主要为3种类型：水动力逸散控气作用、水动力封闭控气作用和水动力封堵控气作用[10-11]。地下水动力场控制煤层气的运移、逸散、封闭、封堵等，地下水化学场表征地下水的径流和滞留，反映煤层气富集程度[12]，且二者具有密切相关性。一般来说，地下水水力封堵气藏区域储集层含气性较好，在水动力频繁交换区域含气性较差[13]。

阜康西区块西山窑组顶部发育泥岩、粉砂岩及粉砂质泥岩，下侏罗统三工河组上部主要发育泥岩及粉砂质泥岩，西山窑组可视为独立的水文开发单元，与其他含水层联系较差，主要受侧向补给影响。此外，西山窑组顶部发育的泥岩、粉砂岩和粉砂质泥岩具有较好的封盖性。

美国粉河盆地煤层气开发实践表明，构造的高部位会因生物气二次运移而富集，甲烷含量和含气饱和度较高，钻井深度一般不超过300 m，产气量为110～5 976 m3/d，产水量为45～69 m3/d，尤其是砂岩体附近与差异压实作用有关的构造高点、紧闭褶皱形成的构造高点以及煤层上倾尖灭的部位，并在这些部位伴生被非渗透性页岩所圈闭的游离气[4,6]。而阜康西区块第四纪以来缺乏大陆型的冰川覆盖，蒸发量大于降雨量，气候干旱，地层水缺乏补给，矿化度很高（图6中L38采样点矿化度5 474 mg/L，G45采样点矿化度4 916 mg/L），煤层产甲烷菌无法大量繁殖，无法补充次生生物煤层气[14-15]，造成浅部煤层中甲烷含量低，形成了较深的甲烷风化带下限。阜康西区块西山窑组煤层埋深较浅，主要分布在阜康向斜两翼斜坡带和南阜康向斜南翼斜坡带，次生生物气匮乏也是研究区埋深小于600 m处西山窑组煤层甲烷含量较低的原因。

西山窑组含煤段靠近周缘山系接受大气降水补给，在露头附近形成季节性径流，沿煤层下倾方向径流逐渐减弱，形成缓流，在蒸发未波及地带，向下缓流的地下水对热成因煤层气的向上逸散起封堵作用，使得阜康向斜西山窑组地下水滞留带煤层气富集成藏。AA'剖面与BB'剖面反映了滞留带甲烷含量与甲烷体积分数较高（图3，图6，图7）。按照地层水化学类型苏林分类法，阜康西区块西山窑组地下水主要为Na2SO4型水，矿化度较高，在浅部抑制次生生物成因气生成，在深部则有利于地下水滞留带煤层气的富集。

图6　阜康西区块水文地质条件控气示意（剖面位置见图3）

图7　阜康西区块西山窑组地下水滞留带（剖面位置见图3）甲烷含量和甲烷体积分数特征

3.4构造-水文地质耦合控气作用讨论

阜康西区块西山窑组煤层气富集是多种因素耦合作用的结果，泥炭沉积奠定了煤层气成藏的物质基础，成煤作用后构造演化致使煤层发生动力变质作用与深成变质作用，有助于产生热成因煤层气，同时燕山运动晚期与喜马拉雅运动期水平挤压运动产生具封闭性的褶皱和逆冲断层，有助于煤层气保存；而燕山运动早期构造抬升使煤层埋深减小，盖层厚度变薄，则不利于原生生物成因煤层气保存。挤压运动产生的池钢逆断层（F3）为地下水封闭性边界，影响了西山窑组地下水运移及其对煤层气藏的封堵作用。第四纪以来，区块气候干燥，蒸发量远大于降雨量，含水层侧向补给受限，高矿化度地下水抑制了次生生物成因气生成，同时地下水侧向补给至高矿化度滞留区，煤层气因水力封堵作用而富集成藏。而浅部埋深小于600 m则由于构造抬升、较强的季节性径流和蒸发，有助于煤层气的逸散，同时高矿化度地层水抑制次生生物成因气生成，因而埋深小于600 m区域煤层甲烷含量相对较低。

3.5勘探开发建议

阜康西区块西山窑组已初步开展煤层气勘探开发，位于阜康向斜轴部的FK1井、FK5井和FK6井日产气均小于500 m3/d，属于低产煤层气井。由于西山窑组煤层甲烷风化带深，勘探开发首先应避开甲烷风化带，宜在中部（埋深600～1 000 m）及深部（埋深大于1 000 m）储集层包括阜康向斜轴部（Ⅰ-1煤层气富集单元）及南阜康背斜南翼（Ⅱ-1煤层气富集单元）寻找水力封堵型或逆断层封堵型煤层气藏，可开展三维地震查明断层发育情况；在此基础上，寻找裂隙发育带成为煤层气井高产的关键，可通过已开发八道湾组煤层气井测井曲线对煤体结构及渗透性的响应，建立适合阜康西区块的高产井与低产井的测井反演渗透性地质模型，并部署新的勘探井，在上述水力封堵型或断层封堵型煤层气藏中寻找高渗区；再次，开发过程中宜实施N2泡沫压裂或清洁压裂液压裂技术，增加煤层渗透性；亦可开展煤系地层致密砂岩气勘探，实施煤层气与致密砂岩气共探共采，以有效提高西山窑组煤层气井产量。

4　结论

（1）西山窑组煤层成煤后经历多期次构造运动有助于热成因气生成，燕山运动晚期与喜马拉雅运动期挤压运动产生的封闭性构造有助于煤层气保存。

（2）Ⅰ-2和Ⅱ-2煤层气富集单元由于构造抬升、季节性径流和蒸发，大部分煤层气逸散，且高矿化度地层水抑制次生生物成因气生成，甲烷含量相对较低；Ⅰ-1和Ⅱ-1煤层气富集单元由于地下水侧向补给至高矿化度滞留区，热成因煤层气因水力封堵作用而富集。

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（编辑曹元婷）

Gas⁃Controlling Characteristics of Structural and Hydrogeological Factors in Xishanyao Formation of Western Fukang Block,Junggar Basin

LI Sheng1,2,GE Yanyan1,2,YANG Xuesong2,3,LI Xin4,FU Xuehai4
（1.School of Geology and Mining Engineering,Xinjiang University,Urumqi,Xinjiang 830046,China;2.Xinjiang Research Center of Coalbed Methane Engineering and Technology,Urumqi,Xinjiang 830046,China;3.Cleanseed Energy Limited Liability Company,Urumqi, Xinjiang 830046,China;4.MOE Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir⁃Forming,China University of Mining& Technology,Xuzhou,Jiangsu 221000,China)

In order to understand the geological gas⁃controlling functions in the coalbeds of the Middle Jurassic Xishanyao formation in western Fukang block,Junggar basin,the block is divided into 2 structural units according to the regional hydrogeological boundary⁃⁃Chi⁃gang reverse fault and CBM⁃rich units are classified based on methane weathering zone and hydrogeological conditions.Based on the analy⁃sis of structural and hydrogeological features,the paper discusses the coupled structural⁃hydrogeological gas⁃controlling mechanism.The study results show that the enrichment of CBM in the Xishanyao formation of western Fukang block should be the product of the coupled functions of structure and hydrogeology conditions.Tectonic movements resulted in dynamic metamorphism and plutonic metamorphism in coalbeds,which are helpful for the generation of thermogenic gas;the sealed folds and thrust faults resulted from horizontal compression in the late Yanshan movement and Himalayan movement contributed to CBM preservation,whereas the tectonic uplift in the early Yanshan movement was not conductive to primary biogenic gas preservation;CBM accumulation by hydraulic seal occurred due to the lateral charg⁃ing of groundwater into the stagnation areas with high salinity.CBM losses in the coalbeds with the burial depth lower than 600 m in the middle⁃upper Xishanyao formation were caused by tectonic uplift,relatively strong seasonal runoff and evaporation.Meanwhile,high⁃salini⁃ty formation water due to arid climate restrained the generation of secondary biogenic gas,resulting in the low content of CBM.

Junggar basin;western Fukang block;Middle Jurassic;Xishanyao formation;coalbed methane;structural⁃hydrological gas⁃controlling function;gas content

TE112.23

A

1001-3873（2016）06-0631-06

10.7657/XJPG20160602

2016-06-18

2016-09-09

新疆维吾尔自治区高校科研计划青年教师科研启动基金（XJEDU2013S05）；新疆维吾尔自治区青年自然科学基金（2015211C281）；国家科技重大专项（ZX201605043）

李升（1980-），男，新疆库尔勒人，副教授，博士，煤层气勘探开发，（Tel）18699071866（E-mail）lisheng2997@163.com