乌鲁木齐-大黄山地区煤层气成藏条件及富集规律

2018-12-27贾秉义

中国煤炭地质 2018年11期

贾秉义

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

乌鲁木齐-大黄山地区位于准噶尔盆地南缘东段，区内含煤地层为侏罗纪下统八道湾组和中统西山窑组。主要以中低变质煤为主，煤层厚度大，含气量高，煤层气资源丰富。区内煤层气勘探开发正火热进行着，但是开采效果不甚理想[1-2]。煤层气井产气量差异明显，高产稳产井甚少，部分井甚至不产气。因此，在了解煤层气储层特征的基础上更要对其富集条件和富集规律进行分析研究。煤层气富集必须具备“生气、储集、保存”3个条件，气源条件是煤层气富集的基础，储集能力是煤层气富集的基本条件，保存条件则直接决定了煤层气能否富集[3-4]。

1 煤储层生气能力

煤层生气能力除和埋藏史和热演化史有关外，还与煤岩显微组分含量有重要关系。前人根据常规油气钻井揭露的地质资料，对准噶尔盆地侏罗系煤储层埋藏史和热演化史进行了恢复研究，确定了古今地温，反演了煤储层在地质历史时期的镜质组反射率[5]。在此基础上，秦勇[6]等对现有资料进一步处理和模拟计算，恢复了八道湾组和西山窑组煤储层热演化史。以此为基础，结合盆地构造演化条件，分析准噶尔盆地煤储层的生气能力和生气史。研究区从早白垩纪末期开始进入有效生气阶段，此时煤储层Rmax值为 0.50%～0.80%，主要为长焰煤、含少量气煤。

煤的有机显微组分中壳质组的生气能力最强，镜质组次之，惰质组最差。研究区煤层镜质组含量普遍较高，惰质组次之，壳质组最少。八道湾组煤储层的壳质组含量整体上大于西山窑组，阜煤1井最大达到24%，而米泉铁厂沟煤矿西山窑组最大仅为8.5%。八道湾组煤储层壳质组含量自西向东逐渐变大，西山窑组除米泉较高外，其他地区均稍差。反映到生气能力上就是八道湾组的生气能力自西向东增大，总体上大于西山窑组，西山窑组煤储层除米泉地区生气能力较强外，其他地区稍差。

晋香兰[7]等研究认为我国长焰煤的产气率为38～68m3/t，且煤级越高，产气率越高，这远高于当前煤层含气量的测试数据，由此可见煤层生气能力对煤层气能否富集影响较小。

2 煤层气储集条件

煤层气主要以吸附态赋存于煤储层中，煤储层对煤层气的吸附属于物理吸附，吸附量与储层压力呈非线性关系，具体可用 Langmuir 等温吸附方程来表示。研究区西山窑组煤储层空气干燥基Langmuir体积18.18～25.77m3/t，平均22.2m3/t，干燥无灰基Langmuir体积21.45～30.85m3/t，平均24.7m3/t；八道湾组空气干燥基Langmuir体积21.49～32.34m3/t，平均25.87m3/t，干燥无灰基Langmuir体积23.36～33.99m3/t，平均28.01m3/t。总体而言，八道湾组煤储层的吸附性要好于西山窑组，有利于煤层气的富集。平面上西山窑组煤储层吸附性自西向东，由浅向深总体上呈增大趋势；八道湾组煤储层的吸附性大黄山地区较三工河地区略高。

3 煤层气保存条件

煤层气的富集除了具有良好的生、储条件之外，保存条件同样重要。煤层气藏的保存受煤层自身发育情况、煤层顶底板岩性、上覆岩层及压力、构造变形以及水文地质条件等条件的影响。

3.1 煤层自身封闭作用

研究区特厚煤层发育较多，厚度大于8m的煤层在整个矿区都有分布。通常情况下其他岩层的渗透性好于煤层，煤化作用过程中生成的气体运移阻力巨大且距离远，且本区煤层倾角较大，发育的巨厚煤层对煤层气的垂向和侧向运移形成有效封堵，有利于煤层气就近保存。

3.2 煤层顶底板的封闭作用

煤层顶底板岩性和厚度对煤层气的聚散起重要作用，岩性粒度越小、分选越好、胶结越致密，对阻挡和减缓煤层气扩散、渗流效果越好，越有利于煤层气的保存，否则煤层气就可能发生逸散。研究区煤层顶底板岩性组合多为以下几种：砂岩、粉砂岩、泥岩等。为方便研究，根据粒度大小和封堵煤层气的能力，将顶底板岩性组合分为细碎屑岩和粗碎屑岩两类。粉砂岩、泥岩、页岩及其互层划分为细碎屑岩，砾岩及粗砂岩、中砂岩等各种砂岩划分为粗碎屑岩。按照上述划分方案，对研究区及周边两个含煤组主要煤层顶底板岩性岩进行统计(图1)，可以看出研究区主要煤层顶底板均以细碎屑岩为主，均占70%以上，特别是四工河以西地区底板细碎屑岩所占比例接近100%，水西沟地区顶板细碎屑岩含量接近95%。上述统计结果表明，研究区主要煤层顶底板都以细碎屑岩为主，有利于煤层气的富集。

3.3 煤层埋深及上覆岩层压力

通常，在有限深度范围内，当其他地质条件相近时，煤层埋深与含气量呈正相关关系[8]。研究区煤层埋深自盆地边缘向盆内迅速增加。煤层含气量总体随煤层埋深增加而增加，同一钻孔，八道湾组煤储层含气量大于西山窑组。

顶底板细碎屑岩/%图1 研究区及邻区煤层顶底板岩性比例示意图Figure1 A schematic diagram of coal roof and floor lithologic proportions in study area and neighboring areas

上覆岩层不只通过控制煤储层压力而影响煤层气的吸附量，同时还控制着游离气的逸散[9]。煤层气的逸散首先要解吸，然后以游离态或水溶态向外界散失。煤层气的吸附和解吸主要受温度和压力的控制[10]，与储层压力和上覆岩层厚度有密切关系。准噶尔盆地侏罗系含煤地层厚度大都超过2 500m，自硫磺沟矿区、经乌鲁木齐河东矿区厚度逐渐变小。垂向上，八道湾组沉积厚度一般大于800m，三工河组沉积厚度约580m左右，西山窑组沉积厚度900m左右。此外，八道湾组、西山窑组内部煤储层之上发育了多套局部盖层。

研究区内乌鲁木齐矿区西山窑组煤储层和阜康大黄山矿区八道湾组煤储层主要煤层埋藏深度较大，储层压力均属于稍欠压—正常压力，有利于煤层气的保存，而乌鲁木齐河东矿区乌参1井和阜康大黄山煤矿区阜参1井含气量测试结果也进一步说明了该区煤层气保存条件较好；而阜康建新煤矿的建新参2-3井煤储层埋藏深度浅，为343.69～361.89m，储层压力低，对煤层气藏的形成极为不利，因此其含气量测试结果偏低。

3.4 构造运动

构造运动主要通过构造应力和构造变形影响聚煤期后煤层气的富集和运移再分布。燕山运动第一幕使盆地整体抬升；第二幕使许多古老基底断裂复活，地层褶皱或挠曲，阜康断裂带整体抬升，中上侏罗统受到较严重的剥蚀，在盆地区域性持续抬升中，隆起区或构造高部位沉积厚度减薄甚至剥蚀殆尽，早期形成的煤层气藏受到破坏；第三幕在盆地南缘逐渐形成侏罗系的褶皱、断裂及多种类型的圈闭。燕山运动形成的断裂，使深部的油气资源沿着断裂向浅部运移，在低缓幅度的圈闭聚集。后期喜马拉雅运动使盆地北升南降，一方面使燕山期形成的煤层气藏再次遭受破坏，另一方面促使侏罗系煤层成熟并大量排烃，补充气源。新生代后期，盆地逐渐变为挤压应力环境。在南北向压扭应力作用下形成了大量的逆冲断层和推覆构造(图2)。在盆缘陡坡内侧发育走向深大断裂，内部由若干冲断块组成，冲断块内部发育相间排列的背、向斜，在挤压构造应力作用下，有利于煤层气富集。

3.5 水文地质条件

水文地质条件对煤层气的富集具有水力封闭和水力驱替两种作用[11]。一般而言，水动力条件活跃的地区不利于煤层气的保存。研究区煤层裂隙发育情况较好，属于富水性极弱的承压含水层。但是由于属于大倾角煤层，局部地区煤层直接出露于地表，受到河流和大气降水的补给，在一定深度范围内形成径流水。当形成承压径流水动力条件后，水位和孔隙流体压力开始下降，煤层气开始解吸并向外运移，原有的平衡状态受到破坏，解吸出来的煤层气或直接向外运移，或溶解于水中，随水流向外运移，反复如此，就形成了煤层气风化带，在煤层气风化带周围区域煤层含气量较低[12]。研究区降水随季节变化明显，因此不同季节形成不同的径流水位，进一步导致储层压力发生变化，煤层气发生解吸，形成解吸-扩散-运移-水溶气-径流的逸散模式，最后形成煤层气风化带。

4 煤层气富集规律

研究区煤层气富集受多种因素制约，不同地区煤层气富集主控因素不同。综合分析，该区煤层气的富集总体上具有以下特点。

(1)逆冲推覆构造是控制本区煤层气富集的重要因素之一。喜马拉雅运动使北天山强烈挤压、扭动，同时加剧了博格达推覆构造的形成，研究区不同地区发育了一系列近平行于走向的逆冲冲断带，广泛发育的逆冲推覆构造使下覆地层推覆至煤层之上，从而使煤层气得到有效保存。但本区煤层倾角变化较大，在较陡的地方，上覆地层被剥蚀掉，煤层出露于地表，煤层气顺着煤层从露头逸散，对煤层气保存不利(三工河地区西山窑组煤层)。压性断层(主要包括发生反转的正断层、压性走滑断层、逆断层等)断层面具有密闭性，保存条件较好，煤层含气量高。

(2)在中-低煤级煤层气分布区，随着变质程度增高，含气量总体呈增大趋势。研究区以低变质煤为主，煤层含气量平均9.02～10.01m3/t，局部地区煤级达到肥煤、焦煤阶段。整体而言，煤的变质程度与煤层含气性之间的相关性不是特别明显，从一个侧面也反映了在变质程度较高的区域内，其他因素的综合作用，控制了煤层气的富集。

(3)水动力封堵与适宜的构造相互匹配是煤层气富集的有利条件之一。在一些煤层露头区，大气降水或河流沿着煤层露头进入煤层，水中携带的甲烷菌在适宜的环境条件下通过降解煤层中已存在的湿气、重烃及其他有机质从而形成CH4和CO2，补充气源。前方遇到封堵断层和较好的盖层，煤层气容易在此处富集。此外，煤层气溶解于地下水中并向深部运移，在地下水滞流区富集。煤层气富集受水动力条件、构造条件和围岩条件等多种条件的制约。

(4)在阜康五宫、大黄山、西沟、新世纪等矿区煤层气的富集受水动力、顶板致密岩性、周边断层等因素共同制约，形成煤层气富集区。逆冲断层面的封闭性与构造煤共同导致煤层气在近断层处聚集，且随着深度增加，煤层含气量增加，顶底板泥岩、砂质泥岩与地下水对煤层气有效封堵。这些因素共同制约、有效匹配为煤层气的富集提供了有利条件。

5 煤层气富集模式

研究区煤层气富集受多种因素制约。总体上以构造条件制约为主，同时有顶底板岩性、水文地质条件等因素共同作用。

5.1 构造控气模式

构造运动使该区煤层倾角大，局部近于直立，高角度煤层中赋存的煤层气易顺着煤层向浅部运移而逸散，但是在断层发育区，断层切割煤层，上面覆盖有较厚的泥岩、砂质泥岩等盖层，将为煤层气的富集提供较好的条件。在一些构造相对简单的地区，如阜康向斜两翼较为舒缓区，一系列逆断层的组合地带，一定程度上有利于煤层气的聚集。该区含煤地层为下侏罗统八道湾组，岩性以泥岩为主，岩性致密，加之上覆地层较厚，为煤层气的富集提供了良好的保存条件(图3)。

图3 构造控气模式Figure 3 Structural CBM control mode

5.2 水动力-构造控气模式

在盆地边缘一些煤层露头区，大气降水或河流通过渗透性较好的含煤地层沿着地层倾向向深部渗流，煤层顶底板岩性较致密，透水性差，使煤层内部的煤层气和水难以向其他地方运移，水的矿化度由浅向深逐渐增高。含煤段内地下水运动缓慢，由补给区流经径流区，直至在北部一定范围内，出现了停滞带(图4)，煤层气容易在此处富集。研究区水动力控气一般表现为两种形式：一种是向上运移的煤层气遇到断层重新富集，另一种是煤层气随地下水向深部运移，在滞流区富集。