新疆典型矿区低煤阶煤层气成藏差异对比研究

2019-06-21张玉垚程晓茜弓小平田继军

中国矿业 2019年6期

张玉垚，程晓茜，弓小平，田继军

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830047；2.新疆大学煤层气工程技术研究中心，新疆乌鲁木齐 830047)

新疆煤层气资源十分丰富，全疆煤层气预测总资源量达9.5×1012m3，占全国预测资源量的25.8%，且多为低煤阶煤层气。因此开发和利用新疆低煤阶煤层气资源对带动区域经济、改善能源结构、减少煤矿瓦斯灾害与保护大气环境均具有重大意义。前人主要以新疆两大典型低阶煤含煤盆地(吐哈盆地和准噶尔盆地)为重点研究区域。其中位于吐哈盆地东南部的沙尔湖矿区，煤层气资源量及开发潜力十分可观但始终未获得较大进展。作为我国低煤阶煤层气开发利用的示范区，位于准噶尔盆地南缘的阜康白杨河矿区单井日产气量最高达到2 522 m3，井组最大日产量达到7 000 m3[1]。前人在两矿区煤层气资源储量及开发前景预测方面进行了大量的研究[2-6]，其中不少学者将研究重点集中在煤储层物性、盆地构造演化、成藏特征和开发技术等分析中[7-11]。前人在对两个矿区的研究中，对于煤层火烧现象对煤层气富集成藏影响及控制机理的研究较少，还有待进一步深入。本文基于地质分析和实验测试，在前人研究的基础之上，开展新疆火烧区滞水层及其对煤层气富集成藏控制的研究，建立新疆低煤阶煤层气成藏模式。

1 地质背景

新疆吐哈盆地和准噶尔盆地是我国典型的发育低煤阶煤储层的大型内陆盆地，目前被认为是低煤阶煤层气富集开发的有利地区[12]。沙尔湖矿区位于吐哈盆地东南部沙尔湖凹陷东段，因二叠系基底隆起，形成相对独立的构造格局[13]，并分解成两个次级向斜和一个鼻状背斜[5]，为煤层气勘探区。阜康白杨河矿区地处准噶尔盆地南缘阜康凹陷的东部区域内[12,14]。矿区为向斜构造，轴部受泉水沟逆断层和白杨河逆断层切割后逐渐过渡为一不对称向斜，向斜北翼南倾，地层倾角35～53°，为煤层气高产区。

沙尔湖矿区地层自下而上主要包括二叠系下统阿其克布拉克组、侏罗系中统西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)、第三系(N)和第四系(Q)[15](图1(a))。西山窑组含煤层岩性组合多为泥岩与细砂岩互层，煤层顶底板岩性以泥岩、粉砂质泥岩及砂岩为主，顶板厚度为18～64 m，底板厚度为11～30 m，具有良好的煤层气封盖条件[9]。阜康白杨河矿区地层自下而上包括下侏罗统八道湾组(J1b)，下侏罗统三工河组(J1s)，北部边界出露中生界三叠系黄山街组，部分区块被第四系覆盖(图1(b))。矿区内主要含煤地层为下侏罗统八道湾组，在煤系垂向组合上，煤层和砂岩叠置发育，煤层均以砂岩或粉砂岩为顶底板，封盖条件良好。

图1 含煤地层综合柱状图Fig.1 Comprehensive column of coal-bearing strata

沙尔湖矿区内煤层埋深较浅，介于200～1 000 m之间[9]，呈东西向展布。共发育煤层21层，总厚度达218 m，平面上东北部最厚，向西南部逐渐变薄，单层最大厚度可达144 m。矿区内煤层含气量较低，介于0.73～4.29 m3/t之间，但由于煤层厚度极大，仍可形成高丰度的煤层气藏。阜康白杨河矿区八道湾组含煤地层成条带状分布于整个矿区，部分煤层受构造抬升影响出露地表。矿区内共发育11层煤，主力煤层总厚为32.79～106.34 m，平均厚度为60.86 m。煤层倾角总体大于30°，为急倾斜煤层，含气量较高，介于0.62～19.74 m3/t之间。钻探和磁法勘探结果表明，沙尔湖矿区东部煤层因氧化发生自燃，形成烧变岩带；阜康白杨河矿区内多处煤层自燃严重，形成了宽为100～300 m、垂深为250～550 m沿东西向呈带状横贯全区的烧变岩带。

沙尔湖矿区北部因南湖隆起与哈密凹陷的地下水相隔，南部与觉罗塔格复背斜贫水区相邻，地下水仅能依靠少量大气降水补给。沙尔湖矿区主要含水层为西山窑组中段、下段巨厚煤层和其所夹砂岩，西山窑组上段及下伏二叠系地层均为隔水层(图1(a))，有利于煤层气的保存。矿区内煤层水大部分为原生水，地下水化学类型为CaCl2型水，矿化度高达16 000～20 000 mg/L[3]，符合滞留承压水特征[8]。阜康白杨河矿区位于博格达山北麓，博格达山海拔3 600 m以上冰川发育，降水较多，气候寒湿，终年积雪，冰雪融水构成区域内地表径流的主要补给源，也是地下水的间接补给源[16]。根据地层富水性资料分析，矿区位于地下水补给区，暂时性大气降水、冰川融水汇聚在烧变岩裂隙导水层中，沿煤层及其顶板、底板下渗，形成八道湾组下段含水层。主力煤层上地层、下地层分别为隔水层和相对隔水层(图1(b))，有利于急倾斜煤层气的侧向封堵。矿区地下水化学类型为NaHCO3型，矿化度较低，介于450～900 mg/L之间。

沙尔湖矿区与阜康白杨河矿区内均有部分区域发生煤层火烧。火烧区烧变岩带由于基岩破碎裂隙发育，具有极强的导水性和富水性，形成了良好的透水通道和有效的储水空间。水文地质条件对低煤阶煤层气独特的生成条件和保存方式影响较大。沙尔湖矿区地下水无持续补给来源，又因矿区东部发生大规模火烧，加快了地下水的蒸发速度，最终导致矿区内地下水矿化度极高。阜康白杨河矿区地下水受季节性冰川融水补给，地表水通过烧变岩导水层，沿急倾煤层及顶底板下渗，并在烧变岩带底部低洼处富集，形成火烧区滞水层。

2 煤储层物性及含气量分布特征

沙尔湖矿区宏观煤岩类型以半暗型煤、暗淡型煤为主，局部可见半亮型煤；主力煤层西山窑组煤岩镜质体最大反射率Ro,max分布为0.27%～0.47%，变质程度较低，为褐煤[9]；镜质组占3.37%～92.84%，惰质组为0.42%～95.35%，壳质组在0.84%～49.72%之间，矿物含量介于0.5%～43.4%[6]；水分(Mad)含量较高，介于0.60%～29.95%之间，灰分(Ad)产率介于2.4%～14.48%之间[9](表1)。沙尔湖矿区压汞实验结果显示煤岩孔隙度较高，可达11.1%～38.05%。煤岩样品低温液氮吸附测定结果显示，孔隙类型以微孔、过渡孔为主，其中过渡孔孔容百分比超过60%；微孔约占30%[6]。岩芯样品扫描电镜观察表明，直径大于1 μm的原生孔隙保存良好(图2(a))，这些大孔为气体提供了一定的吸附空间的同时，也增大了储层的渗透率；煤层中裂隙发育(图2(b))，少有矿物充填，且形态多为开启，连通性较好。沙试3井的渗透率为7.5 mD，沙试1井渗透率高达181.9 mD[9]，煤储层属于好～极好储集层。

表1 两矿区煤岩显微组分和工业分析数据Table 1 Maceral composition and proximate analysis results of two mining areas

资料来源：沙尔湖矿区资料据文献[5]

图2 沙尔湖矿区煤层孔、裂隙结构Fig.2 The pore fissure structure of coal seam in SEH mining area

阜康白杨河矿区内各主力煤层宏观煤岩类型总体以半亮煤和半暗煤为主，光亮煤和暗淡煤分布较少。八道湾组煤层镜质体最大反射率Ro,max变化范围为0.32%～1.08%，以气煤为主，长焰煤与肥煤次之，仅有少部分地区发育褐煤。煤岩显微组分相对单一，有机质组分以镜质组为主，含量介于62.60%～98.20%之间，惰质组次之介于1.30%～29.77%之间，并含有少量壳质组，含量介于0～8.30%之间，矿物组分占0.35%～37.7%。阜康白杨河矿区煤的水分含量较低，一般为0.48%～2.83%；煤层灰分产率为1.43%～32.00%，以低灰煤为主(表1)。阜康白杨河矿区煤样孔隙度介于1.7%～8.0%之间，主要以过渡孔和大孔为主，两类孔的平均孔容百分比分别为38.63%和28.48%，微孔占比21.01%，中孔发育最少，约占11.88%。煤储层裂隙发育程度总体较高，裂隙宽度平均为1～6 μm，矿物充填较少，连通性一般[17]。煤储层渗透率为1.45～7.30 mD，煤储层渗透率相对较高，属于中等～较好储集层。

以平衡水煤样等温吸附实验数据和煤层气井测试数据为基础，分析两矿区吸附性及含气量分布特征。沙尔湖矿区主力煤层原煤兰氏体积介于11.80～20.39 m3/t，平均为9.40 m3/t，兰氏压力介于21.28～35.97 MPa之间，平均28.63 MPa[9](表2)。甲烷浓度变化范围在88.20%～93.77%之间，氮气含量低于10%，二氧化碳含量最少，低于2%。矿区含气性整体趋势为东北高，西南低，含气量在0.73～4.29 m3/t间均有分布，但是整体煤层气含量不高，大部分地区小于4 m3/t。煤层厚度整体由东北至西南逐渐变薄，其中北部向斜轴部位置，煤层厚度达到最大，该区域煤层含气量最高，大于4 m3/t；向斜两翼煤层逐渐变薄，含气量降低。东部发生煤层火烧的区域含气量最低，不足1 m3/t(图3)。垂向上，煤层气集中分布于500～800 m范围内，埋深在500 m以浅，含气量最低不足1 m3/t(图4(a))。据前述，沙尔湖矿区煤变质程度低，地下水矿化度极高且符合滞留承压水特征，对于低煤阶煤层气而言，高矿化度地下水不利于产甲烷菌的生存，且水动力条件较差不利于煤层气的保存。因此虽然矿区构造相对单一，煤层厚度大且埋深较浅，含气区域集中，煤层孔渗特征较好，但整体含气量仍然偏低，仅在向斜轴部区域含气量大于4 m3/t，并且矿区东部发生煤层火烧，导致部分气体逸散。

阜康白杨河矿区原煤的兰氏体积介于9.01～14.28 m3/t，均值为13.52 m3/t，兰氏压力介于0.12～0.56 MPa之间，均值为0.31 MPa(表2)。煤层中气体组分以甲烷为主，平均浓度为78.10%，其次为二氧化碳，浓度平均为15.46%，煤层气中含有少量的氮气，占气体总量的4.85%，重烃浓度最低，平均浓度为1.59%。矿区含气性平面上呈条带状分布。含气量介于0.62～19.74 m3/t之间，黄山-二工河向斜轴部位置含气性最好，含气量大于15 m3/t，向南至博格达山前含气量逐渐降低至10 m3/t以下，北部向斜一翼部分煤层出露地表，含气量降低至10 m3/t以下(图5)。垂向上煤层埋深在0～1 100 m范围内，含气量随埋深增大而升高，但在1 100～1 800 m深度范围内，含气量随埋深增大而降低，含气量超过15 m3/t主要分布于800～1 000 m之间(图4(b))。据前述，阜康白杨河矿区的构造变形相对较弱，煤层厚度较大，地下水矿化度较低，且于火烧区底部形成滞水层，利于低煤阶煤层气的富集，煤层出露地表部分虽发生火烧，但整体含气量相对较高，且煤层含气量的高值区集中在深度为600～1 100 m的火烧区滞水层之下的区间范围内。基于此，本文结合两矿区的构造特征、水文地质条件和煤层含气量特征，分析水文地质条件对两矿区含气性的影响机理，总结适合新疆低煤阶煤层气的富集成藏模式。

表2 两矿区吸附性和含气量变化范围Table 2 The variation range of adsorption and gas content of two mining areas

图3 沙尔湖矿区含气量分布图Fig.3 Occurrenve of CBM content in SEH mining area

图4 两矿区煤层气含量与埋深的关系Fig.4 Relationship between gas content and buried depth of two mining areas(资料来源：沙尔湖矿区资料来自文献[5])

图5 白杨河矿区煤层气含量平面分布图Fig.5 Occurrence of CBM content in BYH mining area

3 低煤阶煤层气富集成藏差异对比

3.1 煤层气成因对比

沙尔湖矿区西山窑组煤岩热演化程度低，煤层埋深较浅，甲烷碳同位素δ13C值为-62.7‰～-61.5‰，δD值为-225‰～-220‰[18-19](图6(a))，指示矿区内煤层气具有原生生物成因气的特征，即煤层气由产甲烷菌作用，生成于早期成岩作用阶段，产甲烷菌的活性直接影响生物成因气量。由于气候干旱少雨，矿区内缺少地表水的补给，地下水矿化度极高，同时大面积的煤层火烧也加剧了沙尔湖矿区地下水矿化度的升高，至今达25 000～40 000 mg/L。随着地下水矿化度增大，产甲烷菌的活性下降，当矿化度高于10 000 mg/L时[20]，产甲烷菌逐渐死亡。因此矿区内高矿化度地下水抑制了产甲烷菌的活性，降低了生气能力，从而导致矿区整体含气量较低。

阜康白杨河矿区煤层热演化程度略高于沙尔湖矿区，甲烷碳同位素在-64.4‰～-41.9‰之间[19-20](图6(b))，具有生物成因气和热成因气混合的特征。由于靠近周缘山系接受冰川融水补给，在烧变岩带底部逐渐形成滞水层，滞水层矿化度相对较低，为450～900 mg/L。当地下水矿化度小于4 000 mg/L时，产甲烷菌的活性高[21]，因此在滞水层产甲烷菌大量繁殖且活性较高。当地表水流经火烧区滞水层时，携带着产甲烷菌沿煤层逐渐下渗运移，因此次生生物成因气于滞水层下方区域大量生成并富集。煤层由于构造抬升，储层压力不断减小，第一次生烃形成的热成因气沿煤层倾斜方向从深部向上发生运移，与次生生物成因气混合形成煤层气富集带。

图6 煤层气成因图解Fig.6 The genesis of CBM diagrammatize

3.2 煤层气保存条件对比

据前述，沙尔湖矿区地下水缺乏补充，矿区内煤层残存地下水大部分为原生水，地下水动力条件极弱，水流趋于停滞，为滞留承压型。矿区构造形态为宽缓向斜，西山窑组主力煤层顶底板为砂岩、泥岩与粉砂质泥岩互层的低渗透性隔层，顶底板厚度较大。由于矿区东部盆地边缘，向斜一翼浅部煤层出现火烧，煤层及上覆岩系受到高温烘烤形成烧变岩带，同时地下水得不到及时补充，无法形成有效的水力封堵，因此富集于浅层的部分煤层气沿烧变岩带内部气孔和裂隙通道解吸逸散，仅位于向斜轴部的部分原生生物成因气得以富集。

阜康白杨河矿区含煤段受南部博格达山冰川融水及大气降水的补给，地下水流向总趋势由南至北运移，在火烧区煤层出露附近形成季节性径流，沿煤层下倾方向向深部逐渐下渗运移，于火烧区底部形成缓流，并形成滞水层。一方面流动的地下水流经煤储层时溶解部分煤层气，向深部聚集；另一方面地下水径流方向与煤层气逸散方向相反，阻止了深部热成因气的顺层逸散，形成了有效的水力封堵；滞水层的存在也减少了深部地下水的蒸发，对煤层气的保存和富集极为有利。同时矿区内煤层顶底板类型为泥岩、致密砂岩和砂泥岩互层的低渗透性隔层，可以形成有利的封闭层，对急倾斜煤层而言形成了有效的侧向封堵。

3.3 煤层气成藏模式对比

据前述分析，阜康白杨河矿区和沙尔湖矿区内煤层均出现大规模火烧，煤储层物性特征虽略有不同，但两个矿区内煤层厚度大，孔裂隙较为发育，均为较好储集层，都具有一定的生气和储气能力。导致阜康白杨河矿区含气量明显优于沙尔湖矿区的根本原因在于水文地质条件。沙尔湖矿区无地下水补给来源，火烧区内无法形成滞水层。一方面导致地下水矿化度逐渐升高，对于低阶煤而言，高矿化度不利于产甲烷菌的存活，从而致使煤层生气条件变差；另一方面没有滞水层的水力封堵，导致部分原生生物气沿烧变岩裂隙逸散(图7)。而阜康白杨河矿区位于地下水补给区，火烧区内长期存在滞水层，一方面减少了干旱气候下地下水的蒸发，为产甲烷菌提供了良好的生存条件，促进次生生物成因气的大量生成；另一方面，对沿煤层急倾斜方向运移的甲烷气体产生有效的水力封堵(图8)。综合上述分析，火烧区滞水层封堵型混合气成藏模式有利于新疆低煤阶煤层气的富集成藏。