河西走廊煤层气储层特征及控气地质因素分析

贾秉义，晋香兰，吴敏杰

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077； 2.西安科技大学安全科学与工程学院，西安 710054)

煤层气作为一种清洁能源在我国能源结构和国民经济发展中扮演者重要地位[1-3]。目前关于煤层气地质条件评价、开发工艺的研究开展较多，取得了显著成效，对于我国煤层气产业的发展起到了巨大的推动作用[4-7]。

河西走廊在地理位置上是指介于祁连山脉和北山山脉(包括龙首山、合黎山等)之间的狭长低地，东西长约1 200km。地域上包括甘肃省的兰州、武威、张掖、酒泉和敦煌；青海省的西宁、大通等地。河西走廊作为丝绸之路经济带的重要节点，在“一带一路”倡议实施的大背景下，河西走廊地区从内陆腹地、边缘地带一跃成为基础设施建设和能源基地建设的重点地区，成为向中亚、西亚和东南亚地区对外开放的重要节点和前沿地带。河西走廊含煤地层广泛发育，煤层气资源丰富，煤层气开发不仅可以优化区域能源结构、减少环境污染，还有助于实现区域高质量发展[8-11]。

目前关于河西走廊地区煤层气勘探开发相关的研究较少。杨敏芳[12]等针对潮水盆地煤层气储层特征及勘探潜力进行了研究，认为潮水盆地红柳园坳陷生物气特征明显且顶板盖层封盖性好，可作为潮水盆地煤层气下一步的勘探靶区；孙斌[13]等研究了潮水盆地红沙岗地区低煤阶煤层气勘探前景，认为红沙岗地区是潮水盆地主要含煤坳陷, 构造控制煤层的分布，盆缘断裂附近有利于成煤和护煤，且在煤层气勘探开发过程中应注意寻找补充气源。卫平生[14]等针对民和盆地煤层气特征及形成地质条件进行了研究，认为地质构造对煤层气的聚集逸散具有控制作用。

1 煤层气地质特征

1.1 构造特征

河西走廊一带地质构造复杂，天山-兴蒙造山带北山段和秦岭造山带西秦岭段横亘于甘肃省北部、南部，祁连造山带以北西走向与以上两个近东西走向造山带斜接，其间夹持着敦煌、阿拉善、中祁连、鄂尔多斯西南部(陇东)等地块和隆起带。这些造山带、地块和隆起带镶嵌、拼贴在一起，构成了错综复杂而又宏伟壮观的地质构造格局(图1)。研究区岩浆活动比较强烈，岩浆侵入与喷发作用多期次交替发生，分布广泛，但除尕海矿区以外，其他地方尚未发现岩浆岩对煤层的侵入破坏或烘烤。

图1 河西走廊一带构造分区Figure 1 Structural zones of Hexi Corridor district

1.2 含煤地层特征

河西走廊地区主要含煤地层为侏罗系、二叠系(表1)；其次是石炭系、三叠系；泥盆系和志留系含煤性较差。侏罗系中统是主要含煤地层，为陆相碎屑岩沉积环境。一般分为上、下两个地层组：上组为新河组(相当于靖远地区的王家山组、陇东地区的直罗组)，地层厚度53～510m，局部含不稳定薄煤层。下组在河西走廊东段、民和盆地称为窑街组，北祁连区称之为中间沟组，靖远一带为龙凤山组，潮水盆地一带为青土井组，北山一带为沙婆娑泉群；其地层岩性为碎屑岩、泥岩、油页岩及煤层组成，不同地区岩性、岩相有所差异；地层厚度93～235m，一般含两个煤组，为中厚煤层，其中窑街矿区最厚达98m。主要分布在陇东、窑街、靖远、潮水、北山等煤田。二叠系下统山西组，为陆相碎屑岩沉积环境。主要由黑色炭质页岩、粉砂质页岩、砂质泥岩及浅灰色粉砂岩、灰白色含砾砂岩互层组成，厚度50～65m，底部一般含煤2层。主要分布在山丹东水泉—花草滩矿区、平凉峡门矿区等地。二叠系下统太原组，属海陆交互相沉积环境，其地层岩性为灰、灰黑色、灰白色砂岩、石英砂岩、黏土质页岩、灰岩、炭质页岩、煤层。地层厚度一般为数十米至二三百米，含煤数层，最多可达二十多层。主要有山丹平坡、东水泉-花草滩、景泰大泉水、苦水沟、冰草湾等矿区。

表1 河西走廊地区主要含煤地层情况

2 煤层气储层特征

2.1 气体生成特征

已有研究表明，低煤阶煤层气有生物成因和热成因气两种，且以生物成因气为主；有早期生物气、晚期生物成因气、低煤阶煤层热解生气及外来常规天然气补充等四种气源。因此，良好的气源条件是低煤阶煤层气富集成藏的资源保证。

根据煤的热模拟试验，褐煤的平均产气率38～68m3/t，长焰煤的平均产气率41～93 m3/t，气煤的平均产气率48～122m3/t。总体上，河西走廊地区煤的有机质生烃强度以中等生烃为主(表2)。尽管达不到强生烃程度，但热模拟试验所产生的产气率比煤层吸附的气体要多得多。煤的等温吸附试验表明，理想状态下无烟煤的最大吸附量40m3/t左右。从这个角度分析，低煤阶煤的生气量是能够满足煤层气富集成藏的基本条件的。

表2 典型含煤区煤层生烃特征

2.2 煤储层孔隙特征

由于低煤阶煤的大孔或较大的裂隙是游离气潜在的赋存空间，同时对低煤级煤的高渗区预测也有重要的影响。因此，认识低煤阶煤储层孔隙分布研究尤显重要。为了研究气体在煤中储存和流动的规律，前苏联学者霍多特[15]将煤中孔隙分成大孔、中孔、小孔(过渡孔)和微孔四类。微孔和小孔构成煤的吸附容积，中孔和大孔构成煤的渗透系统。在渗透系统中，几乎全部气体都处于游离状态，吸附力起着次要的作用，渗透系统是连接吸附容积与自由表面的运输通道。孔径<0.01μm的微孔是煤层气吸附的主要空间，对于煤储层的储集能力至关重要；0.01～0.1μm的小孔或过渡孔是煤层气扩散的主要通道，0.1～1μm的中孔是气体缓慢层流渗透的通道。>1μm的大孔或裂隙则是煤层气运移的通道，也可成为煤中游离气主要储集空间。

本次工作采集煤样，通过压汞、低温液氮、扫描电镜等试验测试手段，了解煤储层的孔隙分布特征。根据压汞测试结果，河西走廊地区所采集的煤样的煤储层孔隙分布相对比较复杂，具有双峰式、微孔占主导型两种特点。

孔径分布特征-微孔占主导型(图2)：微孔占绝对优势，含量在40%～50%；小孔次之，含量20%～30%；微孔多，煤储层吸附能力强。所测试样品：玉门马鬃山、山丹、靖远红会一矿。

图2 河西走廊地区矿煤样进退汞曲线及孔隙频率(上图-马鬃山；下图-靖远红会)Figure 2 Coal sample mercury injection, withdrawal curves and pore frequency in Hexi Corridor district(upper: Mazongshan; lower: Honghui, Jingyuan)

孔径分布特征—双峰型(图3)：煤中微孔、大孔占主导，微孔(38.36%)、大孔(40.72%)，对煤层气的聚集和渗流比较有利。代表性煤样：PH3煤样、SD1煤样；这种类型的孔隙分布在很多地区的低煤阶煤的孔隙分布中比较常见。

图3 平山湖地区煤样进退汞曲线及孔隙频率(PH3样)Figure 3 Coal sample mercury injection and withdrawal curves and pore frequency in Pingshanhu area (sample PH3)

另一方面，通过对进汞和退汞曲线的分析，所采集煤样的退汞效率>50%的为山丹、马鬃山地区，平山湖、红会地区煤样的退汞效率基本在30%～50%，从开发角度，山丹、马鬃山地区煤层气的开发效果相对较好。

为了更深入了解河西走廊地区煤样的孔隙特征，对上述所采集的样品进行了低温液氮试验，测试结果结果显示其孔隙类型分布特征主要有三类：第一类单峰峰值出现在1.5nm附近，吸脱附曲线几乎重合，说明孔隙和吼道直径差距不大，主要孔隙类型为一端封闭的不透气孔(图4、图5)。主要代表性样品为红会、窑街。

图4 代表性煤样的低温液氮实验结果(YJ2煤样)Figure 4 Cryogenic liquid nitrogen experiment results of representative coal sample (sample YJ2)

图5 代表性煤样的低温液氮实验结果(HH1煤样)Figure 5 Cryogenic liquid nitrogen experiment results of representative coal sample (sample HH1)

第二类微双峰主峰位置在0.8nm附近，次峰在1.5nm附近(图6)，吸脱附曲线有一些距离，孔隙类型属一端封闭的不透气孔，孔隙结构略复杂，主要代表性样品为红会、平山湖地区的样品。

图6 代表性煤样的低温液氮实验结果(HH3煤样)Figure 6 Cryogenic liquid nitrogen experiment results of representative coal sample (sample HH3)

第三类孔隙类型为双峰主峰在0.7附近，第二峰在1.7附近，该类脱附曲线在相对压力0.5后出现了明显的下降，说明孔隙类型以墨水瓶型为主，主要的代表性样品为玉门、山丹地区的样品(图7)。

图7 代表性煤样的低温液氮实验结果分析(MZ2煤样)Figure 7 Cryogenic liquid nitrogen experiment results of representative coal sample (sample MZ2)

扫描电镜镜下结果显示，不同地区煤样的孔隙、裂隙发育发别较大(图8)。PH1-1，变质程度低(0.48%)，显微组分以镜质组为主，多见组织孔(见压实变形现象)，PH2为暗煤，整体孔隙发育较差，组织孔较少；MZ1(R=0.48%)多见组织孔，与煤岩类型(微镜煤)一致。SD(Ro=0.91%)，变质程度较高，组织孔被挤压变形，多为变形的组织孔，碳酸盐矿物含量较多，也见溶蚀孔隙。

图8 煤中孔隙镜下鉴定结果Figure 8 Pores in coal under microscopy

2.3 煤储层吸附性特征

煤储层吸附性是揭示煤层气成藏富集规律及有利区优选的基础。通常，煤层气以游离态、吸附态和溶解态储集在煤层中。吸附气主要吸附在煤储层的小孔和微孔的内表面上，游离气则主要赋存在煤储层的中孔和大孔中。低煤阶煤中大孔和中孔孔容较高为储集游离气提供了必要的空间，也由此可以大致推断，低煤阶煤层的吸附性能相对于中、高煤阶煤而言，吸附能力较弱。

河西走廊地区煤层气勘探程度较低，以往的煤田勘探中，对煤储层的吸附特征研究进行不多。本次工作，根据以往煤层气资源评价的测试结果、本次工作所采集的样品，对不同地区煤储层的吸附特征进行了分析。

河西走廊地区东部的红会、大水头等地煤的吸附能力较强(图9)，Langmuir体积13.41～19.90m3/t，窑街的Langmuir体积为18.40～22.34 m3/t，平山湖地区的煤样煤的吸附能力较弱，为6.72～11.00 m3/t；马鬃山地区煤的吸附能力为11.33 m3/t。总体上，在河西走廊地区，侏罗纪煤的吸附能力自东向西基本呈降低的趋势。

图9 河西走廊地区煤的等温吸附曲线Figure 9 Coal isothermal adsorption curves in HexiCorridor district

2.4 煤储层含气性特征

1)含气量分布。通过对国内主要煤层气盆地213组不同煤阶的煤层含气量测试数据统计表明，随着变质程度的增高，由低煤阶向高煤阶，其煤层含气量呈明显的增大趋势(图10)，低煤阶煤层含气量上限值基本在6m3/t以下；中煤阶煤层的含气量上限值区间6 ～17m3/t；高煤阶煤层含气量上限值在17m3/t以上。

图10 煤中含气量与镜质体反射率的关系Figure 10 Relationship between coal methane content andvitrinite reflectance

不同煤阶区间内煤层含气量分布有一定的变化规律。R0为0.5%～0.65%时，煤层含气量0.1～6.0m3/t，且含气性数据点较为离散；统计的低煤阶含气量数据以鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地为主。总体上，低煤阶煤层含气性较差，这与煤的变质程度较低有着直接的关系，变质程度低，煤的生气能力较低，在同等地质条件下，低煤阶煤的含气量不如中、高煤阶煤的含气量。

对于河西走廊地区低煤阶煤层含气性而言，其煤层气勘探程度较低，目前仅有生产矿井的瓦斯涌出量数据，为了能够大致估算河西走廊地区的煤层气资源量，而含气量数据是资源量计算的基础。本次工作就借鉴上述对国内不同煤阶煤层气含量与变质程度的统计规律，大致对低煤阶煤层气的含气性特征进行大致估算。具体到河西走廊地区的低煤阶段煤层气含量，采用煤层含气性与演化程度的正相关性。即随着煤层演化程度的增高，含气量逐渐增高。煤在演化变质作用过程中，随着演化变质程度的增高，累计生成甲烷及内孔隙表面积逐渐增高，所生成的甲烷易被吸附在内孔隙表面中，因此在一般情况下，随着煤层演化变质程度的增高，煤层含气量增加。

由于河西走廊地区煤层含气量资料较少的，本次工作中对含气量的取值考虑了以下两个方面：①利用煤的变质程度与含气量关系确定低煤阶煤层气含量的界限值；②利用煤层等温吸附试验数据，结合煤层气富集成藏因素分析，估算不同区块的含气饱和度值，进而估算含气量值。

河西走廊地区侏罗系中统各地区煤层含气量实测数据较少，部分矿井瓦斯涌出量为0～19.96 m3/t，折算含气量0.124～4.37m3/t(表3)。多数为低瓦斯矿井。只有靖远的宝积山-红会和王家山三个矿区属高瓦斯矿井，采掘过程中发生过瓦斯涌出，据宝积山矿区大水头矿20个钻孔实测59个含气量样品，采样深度在500～600m，含气量平均在3.81m3/t，最高达9.37m3/t，气体成份平均甲烷浓度在65.3%，二氧化碳在4.65%，氮气在26.89%。

表3 河西走廊含煤区部分矿井瓦斯资料统计

2)含气饱和度。含气饱和度是在煤储层压力下，煤层的实际含气量与理论吸附量之比，常用百分比表示。含气饱和度的大小决定着煤层气开发井生产初期排采的难易程度，含气饱和度越高，气井排采产气越简单，气井自排采到产气需经过的时间越短。

为了综合分析低煤阶煤层含气性的特点，以国内重点地区煤层气勘探测试数据为基础，汇总了主要地区不同时代含气量、含气饱和度、煤变质等特征。从表中可以看出，低煤级煤层气主要分布在我国东北、西北、西南一带，主要时代为中新生代的侏罗系、白垩系、古近系。中新生代低煤阶煤层含气性不同地区差别较大，含气量分布区间0.01～7.00 m3/t，多集中在2 ～3m3/t；含气饱和度很不均匀，从欠饱和到过饱和均有分布，大部分地区的含气饱和度维持在40%～50%。从地区上看，东北的鹤岗、铁法、沈北等地低煤级煤层含气量相对较高，其次是东北部白垩纪的霍林河、海拉尔地区；而新疆的准噶尔盆地东部含气性较差，南部地区煤层含气性和含气饱和度相对较好。

河西走廊地区煤层含气量及含气饱和度数据缺乏，根据国内主要低煤阶煤层气数据的分析，可以大致推断出该地区的煤层含气性及相对饱和状态，大致以不饱和状态为主。根据新近一轮全国油气资源评价，河西走廊地区靖远一带的含气饱和度55%～75%，窑街一带的含气饱和度45%～53%，山丹一带的含气饱和度较低为38%～48%。

3 控气地质因素

控制煤层气富集成藏的地质因素很多，包括煤层条件、构造、构造热事件和水文地质条件等。前人研究工作表明，水文地质条件影响着低煤阶煤层气的保存，并能促进低煤阶煤层气的生成。低煤阶煤层气的富集成藏主要受控于保存条件。

国外低煤阶煤层气开发较为成功的粉河盆地，因其有利的沉积环境、构造运动简单、有利于生物气生成的水文地质环境，从而使得煤层气得以成功开发。而对于中国西北河西走廊地区，煤层气富集成藏的主控因素也有其主要的特点，主要如下：

1)沉积环境对煤层气富集的控制作用。河西走廊侏罗纪煤盆地的沉积环境以陆相沉积环境为主，发育河流、河流三角洲、泥潭沼泽相沉积环境等。

早侏罗世至中侏罗世早期，植物群的发育为聚煤提供了丰厚的物质基础。中侏罗世开始，湖泊不断扩大，受构造运动影响，湖盆持续下降，水体扩大、加深，为主要的水进时期，湖泊沉积广泛发育。中侏罗世沉积早期，盆地水体加大，形成滨、浅湖沉积。不同地区沉积变化较高。总体上，早期各盆地中央湖水不深，湖盆边缘发育辫状河、扇三角洲、辫状河三角洲、曲流河三角洲体系，此时气候温暖潮湿，植被繁茂，形成较厚而稳定的煤层，是本区最主要的成煤期。中侏罗世晚期沉积期，沉降速度与沉积物补偿速度接近，随着湖盆水体进一步扩大，在一些较低洼的地区出现了半深湖-深湖亚相沉积环境。中晚期随着湖盆水体的进步扩大。湖泊沉积达到鼎盛。在一些深大断陷深处，出现了较深湖相沉积。中侏罗世沉积范围整体扩大，为广盆时期，整个侏罗纪沉积区，呈现不同程度的相沉积。中侏罗世中晚期以后，转变为半干旱半潮湿气候，聚煤作用基本停止。

2)构造特点对煤层气藏形成的影响。河西走廊地区煤层气地质特征分析表明，石炭-二叠系含煤地层形成后，遭受印支构造运动的影响，含煤地层及上覆地层普遍发生褶皱抬升。燕山期受祁连褶皱系向北逆冲推覆，侏罗纪时期河西走廊地区形成前陆盆地、北祁连则形成平行褶皱山系的拉张断陷山间盆地，沉积了侏罗系含煤岩系。早白垩世末的燕山运动使本区褶皱隆起，遭受长期剥蚀，形成现今残留的小盆地群。总体上，河西走廊地区的小盆地群，遭受构造影响较大，煤层气的保存程度较差，这为后期煤层气有利区优选与开发带来了一定的难度；但不排除个别的小盆地具有良好的保存条件。

3)水文地质条件。水文地质条件对浅层低煤阶煤层气藏的形成也十分重要。实验室测试数据表明，径流活跃的地下水条件不利于煤层气的保存。但另一方面，当地下水过于静滞而不流动，地下水的盐度会过高不利于甲烷菌的生存，因此影响甲烷菌的生气。诸多研究表明，低煤阶煤层气富集成藏易出现在地下水缓慢交替带与滞流带的过渡部位。

而对于河西走廊地区，煤层气勘探开发程度薄弱，水文地质资料较少。主要的含水层为第四系、侏罗系和石炭-二叠系三个含水层。

4)第四系冲积砂砾岩潜水层。该含水层由砂、砂砾石组成，主要是第四系松散堆积物，不同地区厚度差别较大，为孔隙潜水含水层。地下水位、富水性以及渗透性均因地区而存在差异，根据矿井涌水资料，在冲积、洪积扇区以及靠近河谷区的生产矿井涌水量大，而远离这些地区的矿井涌水量相对较小。矿井涌水量受大气降水的影响，涌水量普遍存在季节性变化。由此说明，现代河流及大气降水对煤系含水层有一定补给作用。

侏罗系砂岩承压含水层，含水层的补给受上覆岩层含水性的影响。煤系出露或与第四系直接接触的地区，侏罗系砂岩直接接受大气降水、地表水或第四系含水层的补给。侏罗系砂岩水文地质条件直接受控于构造条件或第四系含水层影响，在地表水丰富或第四系含水层富水区，煤系含水层富水性好。

有限的资料分析表明，煤层气勘探开发的主要目标煤层侏罗系含煤地层为砂岩承压含水层，含水层的补给受上覆岩层含水层的影响。在诸多小盆地周边有煤系出露或第四系直接接触的地区，侏罗系砂岩直接接受大气降水、地表水或第四系含水层的补给。侏罗系砂岩水文地质条件直接受控于构造条件或第四系含水层的影响。经过露头或大气降水下渗至煤层中，对低煤阶煤层气中次生生物气的生成是比较有利的条件。

通过沉积环境、构造特征及水文地质条件等对煤层气富集成藏的分析，对于河西走廊地区低煤阶煤层气富集成藏而言，在小型残余盆地中的相对低部位，湖相沉积与有利的水文地质条件的有机结合是煤层气富集成藏的优越条件之一。

4 结论

1)河西走廊地区主要含煤地层为下、中侏罗统、石炭系、二叠系，其中低煤阶主要赋存于侏罗系中。中侏罗统聚煤环境较稳定，沉积条件较优越，大部分含气区带及含气区块形成的煤层厚度大，层数多，成煤物质类型相对较好，为煤层气的形成提供了较好的物质条件。下侏罗统聚煤环境较不稳定，沉积条件变化较大，大部分含气区带及含气区块形成的煤层厚度小，一般不具开采厚度。

2)河西走廊各地区煤层含气量实测数据较少，部分矿井瓦斯涌出量折算含气量0.124～4.37m3/t。只有靖远的宝积山-红会和王家山三个矿区，矿井生产显示瓦斯含量高。所采集的煤样的煤储层孔隙分布相对比较复杂，具有双峰式、微孔占主导型两种特点。煤储层吸附能力自东向西基本呈降低的趋势。

3)河西走廊地区的煤层形成后，受后期构造改造较强，现今残留含气区块分布零星，面积小，不利于煤层气的生成，保存和富集。该区煤层热演化变质程度和埋藏深度是影响该区煤层含气性的主要地质因素。目前大部分煤层含气量采样深度较浅，处在煤层气氧化带深度范围内，甲烷大部分已扩散，使煤层含气量数据偏低的因素之一。随着煤层埋藏深度的加大，进入甲烷带后，煤层含气量有增高的可能性。

4)河西走廊煤层气开发地质条件研究程度整体较低，后续需要现有基础上进行进一步的研究，以期为区域煤层气勘探开发提供可靠的理论依据。