柴达木盆地北缘鱼卡煤田侏罗系煤层气特征及含气性评价

陈 磊，田景春，文怀军，刘世明，杨 颖

(1.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059； 2.青海煤炭地质勘查院，西宁 810001；3.青海煤炭地质局，西宁 810001)

煤层气(俗称“瓦斯”，CBM)是指煤层中以吸附在煤基质颗粒表面为主，部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中，且以甲烷为主要成分的烃类气体，其广泛被用于燃料、化工原料、发电等方面[1-2]。我国煤层气资源储量位居世界第三位[3]，其主要集中分布在以古生界石炭系、二叠系和中生界三叠系、侏罗系、白垩系为主的大型含气盆地中，如鄂尔多斯、准噶尔、塔里木、柴达木、滇东黔西等盆地中[4]。世界煤层气主要分布在北美、西伯利亚、南亚及我国各大盆地内，已探明的煤层气资源量前三排名依次为美国、俄罗斯和中国[5]。其中美国煤层气主要集中在落基山地区盆地中，占其总资源量的80%左右[6-7]。

柴达木盆地北缘(柴北缘)作为中国西北地区的一个重要赋煤区，蕴含着丰富的煤炭资源量和煤层气资源量，其鱼卡煤田是一个具有很大潜力的区块。前人先后对鱼卡地区煤层及煤层气展开分析，其中康耀芳、陈磊和鲁静等人对鱼卡地区进行了含煤地层划分及煤层特征分析；田大争等通过研究发现，鱼卡煤田煤层的厚度与含气量之间关系密切，两者为正相关系；白生海等利用高分辨率层序地层学理论和技术方法分析其聚煤规律；严康文等对煤层气成藏富集因素进行了分析[8]，但都缺少对煤层气含气性特征及含气性预测等方面的分析。本文将以柴北缘鱼卡煤田侏罗系煤层气为例，通过对柴北缘煤层气的特征及分布进行分析，研究其含气性特征及含气量预测，以期为柴达木盆地乃至青藏高原地区的煤层气勘查工作提供参考。

1 地质背景

1.1 构造特征

柴北缘位于柴达木盆地东北部，由东至西横跨约440 km，由南至北距离约65 km，全区覆盖约30 000 km2，早、中侏罗世柴达木盆地整体处于三叠纪末晚印支运动后的构造伸展、松弛阶段，柴北缘发育一系列断陷盆地[1]。鱼卡煤田位于柴达木盆地北缘中部，鱼卡—红山断陷二级构造单元内(图1)[2,8]；其东邻达肯大坂山，南邻绿梁山，西邻赛什腾山，该区域内褶皱及断裂构造发育较多[2]，主要有滩间山北—鱼卡向斜带、滩间山—鱼卡背斜带、云雾山北—尕秀向斜带和云雾山—尕秀背斜带4个北西向背、向斜带(图1)。

柴北缘地区含煤岩系分布特征呈现出明显的规律性，受区域构造格局控制，呈北西西—南东东向展布；现有煤矿或勘探区多沿山前分布，但受构造破坏显著，凹陷带内煤系埋藏一般较深，但在团鱼山、鱼卡、大煤沟一带埋藏相对较浅。

1.2 沉积特征

侏罗纪鱼卡煤田共沉积了2套地层，即上侏罗统采石岭组(J3c)和红水沟组(J3h)、中侏罗统石门沟组(J2s)和大煤沟组(J2d)；其上覆地层为古近系路乐河组，下伏地层为上奥陶统滩间山群(O3tj)[9]。其中石门沟组和大煤沟组为该区重要的含煤地层，采石岭组和红水沟组不含煤层。

大煤沟组是柴北缘主要的含煤地层，据岩性分上下两段。下段在大煤沟地区厚259.38 m，该段地层在鱼卡地区由盆地中心向盆缘逐渐尖灭，厚度0～280m；岩性以灰绿色砾岩、砾状砂岩、含砾砂岩为主，夹黑灰色碳质泥岩和紫红色、灰绿色砂质泥岩。上段厚130.98 m，中下部以灰黑色碳质泥岩为主，夹深灰色泥质砂岩、砾状砂岩、劣质煤及菱铁矿结核；上部主要为厚至巨厚状煤层，为主要含煤层段。

图1 柴达木盆地北缘构造位置及鱼卡煤田构造单元和煤田勘查区

石门沟组据岩性分上下两段。下段地层厚度154.45 m，下部为砾状砂岩、砂岩夹薄层砂质泥岩、碳质泥岩；中上部为杂色砂质泥岩、浅灰绿色含炭泥岩为主，夹砾状砂岩、煤层及菱铁矿结核，含煤5层，为柴北缘重要含煤层段。上段厚度69 m，主要为页片状油页岩与泥岩互层夹菱铁矿层。

1.3 资源量特征

鱼卡煤田赋煤面积约650 km2，潜在煤炭资源量38.25×108t。包括羊水河、尕秀西段、尕秀区段、鱼卡东部、二井田、北山等煤炭勘查区(图1)。含煤地层为中侏罗统石门沟组和大煤沟组。

大煤沟组地层总厚度59.57～388.55 m，平均厚度263.93 m，自上而下划分为上段、下段2个岩性段，上段(含煤段)包含M6、M7共2层煤，煤层平均厚度6.27 m(图2)。M7煤层为区内主要可采煤层，M6煤层为区内部分可采煤层，不稳定，仅在尕秀向斜东部残存。M6煤层位于大煤沟组顶部，厚度0.37～7.98 m，平均4.87 m，可采厚度1.31～7.98 m，平均6 m。M7煤层位于大煤沟组中上部，局部地段与含煤地层的基底直接接触；煤层总厚度5.40～118.40 m，平均22.19 m，可采厚度4.80～105.83 m，平均19.34 m，厚度及夹矸在倾向和走向上均稳定，全区可采，为本次煤层气评价的主要目的层。

石门沟组厚30～200 m，岩性分两段，上段(页岩段)以页岩、泥岩为主，局部为油页岩；下部(含煤段)含煤5层(M1—M5)。M5煤层为区内主要可采煤层，较稳定，M5煤层总厚度0.19～1.70 m，平均0.96 m，可采厚度0.83～1.70 m，平均1.30 m；结构简单至复杂，含夹矸0～2层，夹矸为碳质泥岩或泥岩，夹矸厚度变化较大；其余煤层均为不可采的薄煤层或煤线，局部相变为碳质泥岩或泥岩。M5煤层为本次煤层气评价的目的层之一。

2 鱼卡煤田煤层展布特征

大煤沟组M7煤层与石门沟组M5煤层为该区勘探的主要煤层。其中M5煤层以发育长焰煤及不粘煤为主，主要分布在鱼卡东部和羊水河地区(图3)。M7煤层在鱼卡煤田南部为一个煤分层，向深部逐渐分为M7上、M7中和M7下3个分层；M7中煤层大部为不可采薄煤层或煤线，M7上、M7下为可采煤层，平均总厚度为44.7 m，发育长焰煤、不粘煤、气煤及弱粘煤等类型。M7煤层全区分布稳定，厚度大，在羊水河、尕秀地区、鱼卡东部、二井田、北山等均有分布(图4)，是本次煤层气资源调查重点目的煤层。

图2 柴达木盆地北缘鱼卡煤田近东西向M7煤层对比

图3 柴达木盆地北缘鱼卡煤田M5煤类分布示意

图4 柴达木盆地北缘鱼卡煤田M7煤类分布示意

3 鱼卡煤田煤层含气性评价

3.1 各区块含气性特征

3.1.1 鱼卡东部

对鱼卡东部煤层的7个样品进行了煤层气测定，包含3个M7号煤层的样品(表1)，其中，采样深度为470.78m的一个M7样品，经测定，煤层气成分CH4含量为84.97%，CO2为11.29%，煤层气含气量达5.87 m3/t，含气量较好。其余样品测得的含气量均较低，有2个方面的原因：一方面鱼卡凹陷，甚至整个柴北缘富煤区的侏罗系含煤地层受构造作用改造较大，使得不同构造位置的煤层其含气性差异较大，比如在鱼卡背斜核部的煤层气含量明显高于其他地方；另外，部分区域煤层受断层影响，其储气条件被破坏，导致含气量较低。另一方面，与采样的深度可能有关。煤层气含量一般随煤层加厚、深度增大而增大，以往的煤炭勘查工作并不注重样品的采集位置，部分样品所处的深度较小，导致测得的含气量较低，不能客观反映煤层的实际含气量。

表1 柴达木盆地北缘鱼卡东部煤层气分析

3.1.2 尕秀地区(尕秀区段和尕秀西段)

尕秀区段是较早开展煤炭勘查的地区，之后将勘查区向西扩展，为便于区分，将西部的勘查区称为尕秀西段。由于2个勘查区紧密相连，在煤层特征上自成一体，故而将2个勘查区并称为尕秀地区。收集到19个煤心样品，筛选了该区钻孔中共8个样品进行了煤层气测定(表2)。

尕秀地区西部的一钻孔M7煤层煤层气含量为4.29 m3/t，CH4百分比为80.68%；另一钻孔M5煤层气含量为2.99 m3/t，CH4百分比为85.17%(表2)。该2个钻孔所处的构造位置为背斜核部，且远离区内的深大断裂，储气条件较好。

3.1.3 二井田及其外围

二井田及其外围收集到24个样品的煤层气测试结果(其中M5样6个，M7样13个，其他煤层5个)(表3)。测得的煤层气含量普遍较低，25个数据中仅有1个样品煤层气含量超过1 m3/t。从构造位置上看，二井田所处的构造位置紧邻2条大型断裂，呈条带状分布，煤层受断裂破坏较严重，其煤层含气性较差。

表2 柴达木盆地北缘尕秀西段煤层气分析

表3 柴达木盆地北缘鱼卡二井田及其外围煤层气分析

3.1.4 羊水河地区

羊水河地区收集到10个样品的煤层气分析数据(表4)，煤层气含量普遍较低，最高值仅为1.75 m3/t。羊水河勘查区煤层埋深较大，除柴页1井外，其余煤炭钻孔普遍采用常规取心，导致在岩心提取过程中气体损失量较大。

表4 柴达木盆地北缘羊水河煤层气分析

综上所述，鱼卡凹陷中侏罗统M5、M7煤层气资源前景较好，在多个钻孔中测得了高煤层气含量。同时，鱼卡凹陷属于构造复杂地区，煤层气的富集受构造因素影响较大，因此，对该地区进行煤层气勘查，前期需要先通过三维地震进行精确构造控制，寻找有利于煤层气成藏的地区。

3.2 煤层含气量分析

目前在鱼卡煤田所获得的煤层含气量数据主要由两部分组成：一是以往的煤炭煤层气数据；二是通过现场解吸实测的煤层含气量。这两类数据在平面上的分布较为有限，尤其是实测的煤层含气量数据更少，依据这两类数据不能很好地掌握调查区整体的煤层含气量。为了达到本次煤层气资源评价的目标，本次研究采用了含气梯度法来推测鱼卡凹陷煤层含气量。含气梯度法主要适用于同一构造单元中的深部外推预测区，或不同构造单元中基本地质条件相近的预测区，是可靠性较高的预测方法之一。其应用的理论基础为：在构造相对简单的地区或部位，在一定的煤层埋深范围，煤储层含气性主要受控于煤层的埋藏深度[10]。

尕秀地区和羊水河地区处于同一构造断块内，由SE向NW埋深逐渐增加，浅部含气量数据较多，可以尝试采用含气梯度法进行含气量预测。通过深度—含气性关系分析，发现二井田含气性梯度明显且深度—含气性关系的离散性较小， M7煤层含气性随埋深增加呈现“先减小后增大”的趋势；而尕秀地区、羊水河M7煤层含气性与埋深呈“多项式”关系，M7煤层含气性随深度增加呈现“先增大再减小”的趋势(图5)。但上述三类相关性可能都由于受到煤层气样品本身(即传统的煤层气含量测试方法在采样过程中等待提钻时间较长，煤层气逸散损失量较大，其在计算含气量过程中基本未考虑损失气量，导致含气性明显偏低)以及各个采样钻孔的构造改造程度与所处构造类型差异的影响[11-12]，才导致含气量与煤层埋深之间变化较大。

对于上述论述的补充与佐证可以参考：①鱼卡东部与尕秀西段煤层埋深—含气量相关，前者埋深与含气量呈负相关性，这与鱼卡煤层浅部煤层气保存条件较弱的认识不符；后者相关性先上升后降低，这是由于笼统将尕秀地区内所有已知煤田钻孔煤层气含量归纳在一个范畴内进行分析所导致的偏差；②两口参数井M7煤层埋深与含气量之间具备较好的相关性(图6)。因此，在对含气梯度法是否能应用于研究区深部煤层的含气量预测时，都应该详细划分勘探区块内的构造单元，再将同一(或相似)构造单元内的煤田钻孔煤层气数据进行对比分析，尽可能在排除构造影响的条件下分析埋深与含气性的关系。

图5 柴达木盆地北缘鱼卡煤田二井田、羊水河和尕秀西段地区M7煤层埋深—含气性关系

图6 柴达木盆地北缘鱼卡煤田参数1井和参数2井M7煤层埋深—含气性关系

3.3 含气量预测结果

基于含气梯度方法的分析，尕秀地区和羊水河地区处于同一构造单元内且区内无断层发育，对煤层含气量变化的影响较小。煤层埋深由SE向NW逐渐增加，采用含气梯度法进行含气性预测。其中，煤层埋深大于600 m钻井的含气性预测参考参数1井，煤层埋深小于600 m钻井的含气性预测参考参数2井。在综合运用实测煤层含气量、煤炭煤层气含量和推测煤层含气量等各类含气量数据的基础上，结合煤层埋深、构造条件等因素综合分析，对鱼卡凹陷M7号煤层含气性进行了综合评价，绘制了鱼卡凹陷M7号煤层含气量等值线图(图7)。

从图7可以看出，鱼卡凹陷侏罗系M7煤层的含气性在不同构造单元差异较大，呈现明显的非均质性。整体来看，鱼卡凹陷西部煤层含气性显著高于东部，北部略优于南部。其中，在南部F3逆断层上盘，存在几个含气量较高的数据点，预测最高含气量值可达6.0 m3/t。向北显示含气量呈下降趋势，直到接近F1逆断层，含气量下降至1.5 m3/t左右。之后继续向北，随着煤层埋深逐渐增加，结合柴页1井煤层含气量高达8.99m3/t，可以认为煤层含气量将由南向北逐渐增高。

图7 柴达木盆地北缘鱼卡煤田M7煤层含气量等值线

在鱼卡煤田北部F2和F10断层所控制的区域，M7煤层含气量在该区域的中部存在2个相对高含气量区，其中最高处M7煤层含气量可达4.5 m3/t，向四周含气量逐渐减小，这里存在一个小型背斜构造，适宜煤层气的富集。另一处M7煤层含气量可达6.5 m3/t，向南靠近F1断层逐渐减小至2.5 m3/t；向北含气量同样逐渐降低，或与埋藏深度的增加有关，煤层含气量又有增加的趋势；通过与南部柴页1井进行对比，预测F2断层以北煤层含气量同样可以达到6.5 m3/t左右。

鱼卡煤田东部北山地区和二井田地区，根据少量的煤炭煤层气测试结果，同时结合该地区断层较发育的地质特征，认为其煤层含气量普遍较低，多在1.5 m3/t以下。

4 结论

(1)鱼卡煤田含煤地层为中侏罗统石门沟组和大煤沟组。大煤沟组地层自下而上划分为砂砾岩段和含煤段，含煤段包含M6和M7共2层煤层，M7煤层为区内主要可采煤层。石门沟组岩性分为页岩段和含煤段，共含煤5层(M1—M5)，其中M5煤层为区内主要可采煤层。

(2)鱼卡凹陷中侏罗统在鱼卡东部、尕秀地区(尕秀区段和尕秀西段)、二井田地区和羊水河地区受构造和测定损失的影响，含气量分布不均，其中M5和M7煤层气资源前景较好。通过深度—含气性关系分析，发现二井田含气性梯度明显且深度—含气性关系的离散性较小，M7煤层含气性随埋深增加呈现“先减小后增大”的趋势；而尕秀地区、羊水河和鱼卡东部地区M7煤层含气性与埋深呈“多项式”关系，M7煤层含气性随深度增加呈现“先增大再减小”的趋势。

(3)鱼卡凹陷侏罗系M7煤层的含气性在不同构造单元差异较大，呈现明显的非均质性。鱼卡凹陷西部煤层含气性显著高于东部，北部略优于南部，由南向北呈现先降低后升高的趋势；鱼卡煤田北部F2和F10断层所控制的区域，在一个小型背斜构造存在2个相对高含气量区；而鱼卡煤田东部北山地区和二井田地区其煤层含气量普遍较低。