库拜煤田铁东矿区煤层气成藏条件分析

李万军 杜世涛

(新疆维吾尔自治区煤田地质局，新疆 830091)

1 地质概况

铁东矿区位于位于塔里木盆地北缘，区内主要发育中生界(三叠系(T)、侏罗系(J)和白垩系(K))和新生界(古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q))陆相沉积地层。区内的含煤地层为塔里奇克组，地层厚度270～308m，平均厚度288.5m，含煤层13层。单层煤层厚度在0.12～12.50m之间，煤层单层厚度从下向上逐渐变薄含夹矸0～2层，煤层为单一简单结构，煤层平均厚度总和21.06m，可采煤层平均厚度总和19.17m。全层含煤系数为7.30%，含可采煤层系数为6.64%。

2 储层物性特征

2.1 宏观煤岩特征

区内A3煤层以半亮煤为主，半暗煤次之，含少量的光亮煤与暗淡煤；宏观煤岩组分亮煤为主。A5煤层全为半亮煤；宏观煤岩组分以亮煤为主。A8煤层以半亮煤为主，半暗煤、暗淡煤次之；宏观煤岩组分以亮煤为主，含少量暗煤。A9煤层则主要为半亮煤和半暗煤；宏观煤岩组分亮煤、暗煤对半。A10煤层以半亮煤为主，半暗煤次之；宏观煤岩组分以亮煤为主，含少量暗煤。总体来看，区内宏观煤岩组分以亮煤为主，并含少量的暗煤。

2.2 显微煤岩组分

区内煤层显微煤岩组分中镜质组含量最高，平均为65.64%，惰质组含量次之，平均为32.96%，壳质组含量较低，平均为0.42%，镜质组最大反射率介于0.64%～0.74%，平均为0.69%，属于长焰煤-气煤阶段。镜质组主要以无结构镜质体中的基质镜质体和碎屑镜质体为主。各基质镜质体油浸反射色为浅色，不显细胞结构，表面纯净且平整，不显突起，可见碎屑镜质体，粒径较小，呈不规则状分布，受应力作用，镜质组份较碎，半镜质组份主要为基质半镜质体，在油浸反射色光下呈白色，略显突起，大多不显示细胞结构。无机类矿物组成主要为粘土，呈浸染状分布，较聚集。黄铁矿呈鲕粒状分布。碳酸盐矿物呈脉状分布(表1)。

2.3 煤质特征

区内A3、A5、A8、A9、A10煤层原煤空气干燥基水份(Mad)在0.26%～4.54%之间，浮煤空气干燥基水份(Mad)含量在0.15%～3.04%之间，原煤干燥基灰分产率(Ad)在4.50%～39.40%之间，平均值17.91%，浮煤干燥基灰分产率(Ad)在3.32%～30.44%之间，平均值7.27%；原煤干燥无灰基挥发分产率(Vdaf)16.63%～44.15%，浮煤干燥无灰基挥发分产率(Vdaf)16.04%～39.76%，平均值28.05%。矿区煤层均属于低水分、特低-低灰、中-中高挥发分煤(表2)。

表1 铁列克东区各煤层煤岩组分成果表

表2 铁列克东区各煤层煤质特征

2.4 孔渗特征

煤中孔隙的发育程度影响煤中气体吸附、解吸和渗流，因此针对煤的孔隙特征的研究对煤层气的开发与利用具有重要意义。本次研究从现场采集9组煤样进行高压压汞测试，并按照大孔(>1000nm)、中孔(100～1000nm)、过渡孔(10～100nm)和微孔(<10nm)的分类方案进行煤样孔容和孔比表面积的分析。结果表明，研究区煤样总孔容介于0.011cm3/g～0.9961cm3/g，平均为0.5036cm3/g，其中中孔所占比例较大，平均为42.26%，大孔次之，平均为38.41%，过渡孔和微孔所占比例很小，平均值分别为14.10%、5.23%。孔容测试数据详见表3。主要煤层微孔不发育，甲烷主要的吸附空间不足，吸附气所占比例相对较小，而大孔发育，气体层流运动空间充裕，利于气体运移，有利于煤层气开发。

图1 铁东矿区煤层气组分与埋深关系

表3 铁列克东矿区煤样孔容测试结果

铁东矿区渗透率值处于<0.1mD、0.1～1mD和1～10mD的比例分别为27%、60%和13%。铁东矿区总体上渗透率值处于0.008～1.37mD范围内，均值为0.54mD，因此铁东矿区煤储层总体上属于中渗储层，部分区域为高渗储层。综上所述，铁东矿区的渗透率较大，远高于我国东部高级烟煤和无烟煤盆地的渗透率，这是新疆诸多盆地和阜康矿区煤层气开发的有利条件。

2.5 含气性

对区内煤层气井主采煤层A3、A5、A8、A9、A10煤层样品按GB/T 13610—2003《天然气的组成分析气相色谱法》和GB/T 19559—2008《煤层气含量测定方法》标准进行了煤层气组分分析和含量测定。主力煤层CH4浓度随埋深增加趋于增大(图1a)；主力煤层整体的重烃浓度具有随埋深增加增大的特征(图1b)；主力煤层N2浓度随埋深增加整体上表现为先增大后减小(图1c)；CO2浓度随埋深增加整体上表现为逐渐增大的特征(图1d)。

3 煤层气成藏的特殊因素

3.1 火烧区

水文地质条件是煤层气富集的主控因素之一，滞留水区和承压水区由于水力封堵及水力封闭作用，有利于煤层气的保存。该矿区遭受多期构造运动改造发生抬升，煤层被抬升至地表发生火烧，形成烧变岩。由于烧变岩系渗透率较煤系地层大，地表水对烧变岩系水的补偿远大于烧变岩系水下渗补给地下水的量。顶部煤层受温度、氧气等多因素影响发生火烧形成水源补给通道，地表降雨、季节性冲沟水流及冰雪融水为火烧区含水带提供了补给水源，形成特色的火烧区滞水层封堵模式。库拜煤田铁东矿区靠近北部中高山区，接受北部高山融化雪水、大气降水和山区泉水补给，流向自北向南，发育常年流水的木扎尔特河水系，可长期为区内火烧区进行补给，这使得烧变岩系内长期存在一个滞水层。火烧区滞水层的存在不仅减少了干旱气候下地层水的蒸发，保存了大量的水资源，而且在补给各含水层的同时对煤层气产生了有效的封堵。此外，煤层火烧之后营养物质充足，加上地层水的补给，利于产甲烷菌的富集和生成，产生次生生物成因气，可能对该区形成了良好的气源补给。

3.2 水动力条件

水文地质条件是煤层气赋存状态的主控因素之一，影响着煤层气富集和开发。研究区内主采煤层为极具特色的陡倾斜煤层，在其上倾方向火烧区滞水层形成了有效的水力封堵。因地表自燃活动导致塔里奇克组煤层浅部发生火烧，形成了一条近东西向的烧变岩带。火烧区在垂向上具有一定延展性，烧变岩结果破碎较为严重，裂隙相对发育，裂隙的发育既提供了一定的储水空间，又为水体的运移提供了良好的通道。煤层上部的地表塌陷接受大气降水、冰雪融水的直接补给，形成烧变岩含水层直接补给煤储层的地下水补给模式。在地面降水下渗补偿过程中，由烧变岩系至煤储层孔渗性减小，地下水随地层埋深增大趋于滞留，径流方向与煤层气向上逸散方向相反，对深部煤层气起到较好的水力封闭作用，利于煤层气富集成藏。

3.3 水化学特征

矿化度、水的类型及各种离子组合特征是影响地层水化学特征的主要因素，地层水化学特征常被用于对水体所处环境、来源及储层水演化的识别。封闭性高、保存条件好的地层水常常具有较高的矿化度。

图2 库拜煤田铁东矿区地下水矿化度与埋深关系

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