中国可能的煤层气高产走廊:中亚造山带北缘中－新生代含煤盆地群

方爱民侯泉林张俊敏谢峰震帕尔哈提陈飞

(1.新疆工程学院采矿工程系，新疆450016;2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029; 3.中国科学院大学地球科学学院，北京100049)

中国可能的煤层气高产走廊:中亚造山带北缘中－新生代含煤盆地群

方爱民1，2侯泉林3张俊敏1谢峰震1帕尔哈提1陈飞1

(1.新疆工程学院采矿工程系，新疆450016;2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029; 3.中国科学院大学地球科学学院，北京100049)

本文通过对中亚造山带和煤层气中亚聚集域与北美落基山造山带及其煤层气高产走廊的主要地质特征(包括含煤盆地性质、造山带构造活动特点、煤变质程度、煤储层渗透率等方面)的对比，分析了我国中亚煤层气聚集域煤层气富集成藏的基本条件，提出中亚造山带北缘的中亚煤层气聚集域有望成为我国煤层气高产走廊带，为中国煤层气产业化进程中所面临的宏观部署和决策调整提供理论依据。

煤层气 高产走廊 中亚造山带 中亚煤层气聚集域

1引言

自上世纪80年代初期我国开展煤层气勘探和开发实践以来，在渗透率偏低的高阶煤地区(如沁水盆地)首先取得商业性开发突破，由此我们选择了高变质煤为煤层气勘探开发的主要对象，这与美国煤层气勘探开发以渗透率大于1mD的中变质煤为优的成功经验和理论形成明显反差。本文试图通过对美国落基山造山带西部煤层气高产走廊带含煤盆地与我国中亚造山带北侧中－新生代含煤盆地基本地质特征及其成藏条件的对比分析，揭示我国煤层气高产走廊存在的可能性，为我国煤层气资源勘查宏观战略部署和决策提供参考。

2北美煤层气高产走廊的启示

美国煤层气资源分布极不均匀，其最大的20个气田有11个位于落基山造山带东部地区，包括圣胡安盆地(2.38万亿m3)、粉河盆地(1.10万亿m3)及皮申斯盆地(4.10万亿m3)，还有资源量最大的大绿河盆地(8.89万亿m3)。该盆地群不仅是美国的主要煤层气产地，而且从区域上构成了美国东部煤层气高产走廊(Johnson＆Flores，1998;Flores，1998;秦勇，2006)。此外，在阿巴拉契亚造山带东侧也集中分布了一些高产煤层气田，如北阿巴拉契亚盆地(1.73万亿m3)和黑勇士盆地(0.57万亿m3)。总体上看，虽然这些盆地群煤层气成藏涉及很多不同的因素，但其独特的大地构造背景及后期构造演化无疑是其成为高产走廊的关键因素。

20世纪80年代以来，美国启动了西部落基山造山带和东部阿帕拉契亚造山带相关的13个含煤盆地群煤层气成藏条件研究，在大量煤层气勘探开发实践的基础上，美国学者通过对位于该高产走廊带含煤盆地群煤层气成藏条件、成藏规律的深入研究，提出了北美西部落基山造山带高产走廊的煤层气成藏模式，形成了以煤储层双孔隙导流、中煤阶煤生储优势与构造成藏优势、低渗极限与高煤阶煤产气缺陷、多井干扰、煤储层数值模拟等为核心的煤层气勘探开发理论体系。在此理论指导下，美国煤层气产量迅速增加，2006年美国煤层气产气量达540亿m3/年，与我国当年天然气总产量相当，此后持续稳定至今。

面对美国高产煤层气走廊煤层气商业开发所获得的巨大成功，我国也有学者进行了深入思考和积极探索(秦勇，2006a，b;秦勇和朱旺喜，2006)，提出过这样的疑问:(1)在我国究竟有无类似于美国洛基山造山带一侧的煤层气高产走廊? (2)如果有，具有哪些地质表征、受控于什么样的成藏动力学条件和过程?(3)认识这些规律对国家煤层气工业的宏观部署和决策具有哪些意义?并认为这些都是我们近期和将来煤层气勘探方面所要解决的重要科学问题。

长期以来，对我国煤层气区域分布规律及其受控机理的认识大多停留于形态学或几何学层面上的分析对比，缺乏从系统论如含气性统一性高度的规律总结(秦勇和朱万喜，2006)。受北美煤层气高产走廊的启发，我们认为位于中国北部的中亚造山带北侧的“煤层气中亚聚集域”(图1)，无论是在其区域构造背景和构造演化历史，还是在含煤盆地煤储层、煤变质程度方面，均有着与北美落基山造山带及其煤层气高产走廊含煤盆地相似的特点，而且其规模更为宏伟，而近期的这一区带局部地区的煤层气勘探开发实践也展示了其具备高产走廊的潜力。因此，应对其煤层气成藏规律进行深入研究，并积极开展其煤层气勘探开发实践。

图1 中国中亚造山带北侧主要煤层气盆地(部分资料引自孙万禄等，2006)

3中亚造山带北侧煤层气高产走廊分析

3.1关于“中亚煤成气聚集域”的认识

早在上世纪90年代，戴金星院士就提出“欧亚巨型煤成气聚集带”(戴金星，1986，1993)和“中亚煤成气聚集域”的认识(戴金星等，1994，1995，1997)，并对其形成、基本特征进行了总结，指出该带可能存在巨量常规和非常规天然气。戴金星等认为，煤成气聚集域指受相似的地质条件制约、具有相同地质时代和同一类型气源岩的盆地群，其中各盆地发育有由气源基本同因的气田(藏)组成的若干气聚集带和气聚集区。同时指出，气聚集域是大区域、洲际性展布的，其形成由某些规模宏大的地质作用所控制(戴金星等，1995，1997)。

从地理位置而言，“中亚煤成气聚集域”包括欧亚中、下侏罗统巨型含煤带，西起北高加索盆地，越里海至孟什拉克盆地，经卡拉库姆盆地分成两支:南支过塔吉克一阿富汗盆地，向东进入我国的塔里木盆地;北支可能过锡尔河盆地南部至费尔干纳盆地，经伊犁盆地到准噶尔盆地至吐－哈盆地，可能还有三塘河盆地。我国新疆境内的准噶尔盆地、三塘湖盆地为其东段。

戴金星等的这一认识主要是基于对中亚大型油气盆地常规天然气聚集区带的划分而言，强调这些油气盆地含气的统一性和富集成藏的共时性(戴金星，1986，1993;戴金星等，1997)，因此不仅其涵括的内容要远大于煤层气聚集域，而且与我们当今理解的煤层气有利区带的划分(如张新民等，1991;叶建平等，1999)也不相同。为此，我们从我国境内中亚造山带与其北缘中－新生代盆地的相互关系角度出发，提出中亚造山带北缘煤层气聚集域的概念。

3.2中亚煤层气聚集域—中国可能的高产煤层气走廊

横亘中国中部的中亚造山带，西起西天山，向东经东天山、北山、阴山，直至兴蒙造山带，东西延绵5000余公里(图1)。该造山带被认为是古亚洲洋演化的产物，是世界上最大的增生型造山带，它不仅记录了古亚洲洋盆成生和演化以及自早古生代以来的整个增生造山和地体拼合过程，其时空演化更控制了区域构造、岩浆及成矿作用(许志琴等，2011;Xiao et al.，2011)。

上述造山带北侧分布一系列中－新生代含煤盆地，自西往东，包括准噶尔盆地、吐哈－三塘湖含煤盆地、蒙古国－及内蒙古西部含煤盆地群、二连－海拉尔盆地群、依兰盆底、阜新盆地、三江盆地等。从构造性质来看，这一系列中－新生代含煤盆地多为前陆盆地与内陆盆地相叠合而成的复杂构造盆地。盆地内煤储层在经历印支、燕山和喜山多期次不同性质的构造运动作用下，发生了多次生烃、运聚、逸散和储集作用，因此蕴含了极其丰富的煤层气资源。据初步统计，该带中－新生代盆地群煤层气资源总量高达20万亿m3以上，其中西段的准噶尔盆地煤层气资源总量达3.86万亿m3(谭开俊等，2009)，吐－哈盆地资源总量也达2.12万亿m3(傅雪海等，2012);中段的二连－海拉尔盆地群的煤层气含量也高达3万亿m3以上;其东段也有不少煤层气资源量在数十－数千亿立方米以上的中－新生代含煤盆地，如依兰盆底、鸡西盆地、阜新盆地及三江盆地，这些盆地均具有煤层气的高产条件(如中低变质程度、高渗透率、高的煤层气资源丰度等特点)。此外，该带向西进入前苏联境内，在中亚地区也发现了一批颇具规模的煤成气田，它们构成了当地天然气的主角。从这些含气聚集域的含气统一性原则来看，它们应该属于同一巨型煤层气聚集域，因此构成了名副其实的规模宏大的“中亚煤层气聚集域”。近期，在这一区带局部地区零星开展的煤层气勘探开发实践也展示了其高产潜力(谭开俊等，2009;傅雪海等，2012)。

3.3中亚煤层气聚集域与北美落基山煤层气高产走廊的对比

根据北美洛基山煤层气高产走廊的煤层气勘探开发实践的成功经验，其煤层气成藏和分布具有以下特点:

(1)含煤盆地性质:洛基山盆地主要为白垩纪前陆盆地和E1－E2内陆盆地群，而阿巴拉契亚盆地为C3－P1前陆盆地;

(2)主要构造特点:构造运动相对简单，后期构造改造较弱;

(3)主要煤变质程度:中级变质煤为主;

(4)煤储层渗透率高:一般＞1mD。

而我国境内中亚造山带北缘的一系列含煤盆地(如准噶尔、吐哈、三塘湖、伊宁等典型盆地)，其煤层气成藏条件具有与北美落基山煤层气高产走廊相似的特点:

(1)含煤盆地性质:中－新生代前陆盆地和内陆盆地的复合叠加，属于挤压型盆地，具有平均地温梯度低、深层异常压力发育和温压系统类型多样等基本特征;

(2)主要构造特征:虽然我国西北中生代盆地与落基山造山带盆地的构造变形特点和变形程度存在一定的差异，如盆缘变形强烈，盆内变形较弱，向盆内方向，煤层埋深急剧增大等。但相对我国古生代含煤盆地而言，其经历的构造作用相对简单，含煤盆地保存完整，后期构造改造较弱;

(3)主要煤变质程度:以中低变质程度为主，深部可达中甚至中高变质程度;

(4)煤层渗透率:均在1mD以上，许多达5mD以上。

可以看出以上两个盆地群无论是在其区域构造背景和构造演化历史，还是在含煤盆地煤储层、煤变质程度方面，均有着相似的特点。因此，我们认为中亚造山带北缘煤层气聚集域有望成为我国煤层气高产走廊。然而，迄今为止我们对该含煤盆地群的构造演化及其与煤层气成藏关系的研究却十分薄弱，有关中国煤层气高产走廊的煤层气成藏模式尚未建立，该区域煤层气勘探开发也处于相对落后阶段。

此外，还应该看到与北美高产煤层气走廊相比，我国中亚造山带北缘中－新生代盆地所经历的构造运动更为复杂，因此其煤层气成藏规律的研究及具体勘探部署不能完全套用落基山煤层气高产走廊的成藏模式和经验。

［1］戴金星.我国煤成气藏类型和有利的煤成气远景区［M］．见:煤成气勘探.北京:石油工业出版社，1986.15－31.

［2］戴金星.我国煤成气资源勘探开发和研究的重大意义［J］．天然气工业，1993，13(2):7－12.

［3］戴金星等.中亚巨型气聚集带东部煤成气的碳同位素特征［J］．天然气工业，1994，14(增刊):3－8.

［4］戴金星等.中亚煤成气聚集域形成及其气源［J］．石油勘探与开发，1995，22(3):1－6.

［5］戴金星等.中国天然气的聚集区带［M］．北京:科学出版社，1997.1－6，110－181.

［6］傅雪海.我国煤层气勘探开发现存问题及发展趋势［J］．黑龙江科技学院学报，2012，22(1):1－6.

［7］贾承造，郑明，张永峰.非常规油气地质学重要理论问题［J］．石油学报，2014，31(1):1－10.

［8］秦勇.中国煤层气产业化面临的形式与挑战(Ⅲ)—走向与前瞻性探索［J］．天然气工业，2006a，26(3):6－10.

［9］秦勇.中国煤层气产业化面临的形式与挑战(Ⅱ)—关键科学技术问题［J］．天然气工业，2006b，26(2):1－5.

［10］秦勇，朱旺喜.中国煤层气产业发展所面临的若干科学问题［J］．中国科学基金，2006，(3): 148－152.

［11］孙万禄等，中国煤层气盆地图集［M］．北京:地质出版社，2006．

［12］谭开俊，张帆，赵应成，杨志冬，尹路.准噶尔盆地侏罗系煤层气勘探潜力与有利区预测［J］．天然气勘探与开发，2009，32(2):1－3.

［13］许志琴，李思田，张建新，等.塔里木盆地与古亚洲/特提斯构造体系的对接［J］．岩石学报，2011. 27(1):1－22

［14］叶建平，岳魏，秦勇，等.中国煤层气聚集区带划分［J］．天然气工业，1999，19(5):8－12.

［15］张新民，张遂安，李静等.中国的煤层甲烷［M］．西安:陕西科学技术出版社，1991.

［16］Busch，A.，Gensterblum，Y.，Krooss B.M.，Littke，R.，Methane and carbon dioxide adsorption-diffusion experiments on coal:upscaling and modeling［J］．International Journalof CoalGeology，2004.60:151－168.

［17］Bustin R M and C.R.Clarkson.Geological controls on coal-bed methane reservoir capacity and gas content［J］．International Journal of Coal Geology.1998，38 (1－2):3－26

［18］Collett，T.S.，Barker，C.E.，Coalbedmethane in the Ferron coals［J］．International Journal of Coal Geology.2003，56，1－202.

［19］Craig T.R.and Greg E.E.Coal-bed methane resources of the United States［J］．AAPG Studies in geology series.1984，No.17.

［20］Dudley D R and Law B E.Coal bed gas—An undeveloped resource.In:The future of energy gases，U.S. Geological survey professional paper.1995.

［21］Dawson F M，W.D.Kalkreuth.Coal rank，distribution，and coalbedmethane potential of the Lower Cretaceous Luscar Group，Bow River to Blackstone River，central Alberta Foothills.International Journal of Rock Mechanics and Mining Science＆Geomechanics Abstracts，1995，32(5):223A.

［22］Flores，R.M.Coalbed methane:from hazard to resource［J］．International Journal of Coal Geology 1998，35，1－379.

［23］Flores，R.M.，Microbes，methanogenesis，andmicrobial gas in coal［J］．International Journal of Coal Geology 2008，76，1－185.

［24］Flores，R.M.，Rice，C.A.，Stricker，G.D.，Warden，A.，Ellis，M.S.Methanogenic pathways of coalbed gas in the Powder River Basin.United States:the geological factor［J］．International Journalof Coal Geology.2008，76，52－75.

［25］Gayer R.and Harris I.Coal-bed Methane and Coal Geology［M］．The Geological Society，London，1996，p1－338.

［26］Golding，S.D.，Rudolph，V.，Flores，R.M.Asia Pacific Coalbed Methane Symposium:selected papers from the 2008 Brisbane symposium on coalbed methane and CO2-enhanced coalbed methane［J］．International Journal of Coal Geology.2010，82，1－298.

［27］Karacan，C.，Larsen，J.W.，Esterle，J.S.，CO2sequestration in coals and enhanced coalbed methane recovery［J］．International Journal of Coal Geology. 2009，77，1－242.

［28］Landis ER，Rohrbacher T J，CEBarker，etal.Coalbed gas in the Mecsek Basin，Hungary［J］．International Journal of Coal Geology，2003.54(1－2):41－55.

［29］Moore，T.A.，Coal bed methane:A review［J］．International Journal of Coal Geology.2012，101，36－81.

A Probable High Production Coalbed Methane Belt in China: the Mesozoic Basins along the Northern Edge of the Central Asian Orogenic Belt

FANG Aimin1，2，HOU Quanlin3，ZHANG Juanmin1，XIE Fengzheng1，PA Erhati1，CHENG Fei1
(1.Mining Department，Xinjiang Engineering College，Xinjiang 450016; 2.Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029; 3.College of Earth Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049)

In this article，a comparative study has been conducted on the basic geological backgrounds such as the properties of the coal basins，the coal ranks and the permeability of the coal-layers to analysis the basic conditions of the enrichment of the coalbed methane of the central Asian coalbed methane belt，and to provide theoretical support of the change of the national strategies of the coal gas exploration．

Coalbed methane(CBM);coalbed methane enrichment belt;central Asian orogenic belt; central Asian coalbed methane enrichment belt

国家自然科学

(41562007和41030422)。

方爱民，男，新疆工程学院，特聘教授。