准噶尔盆地南缘西山窑组与八道湾组煤层气成藏富集条件对比研究

侯海海, 李强强, 梁国栋, 秦秋红, 张华杰, 刘书君

(辽宁工程技术大学 矿业学院, 辽宁 阜新 123000)

中国西北地区侏罗系低煤阶煤层气资源丰富，是国家煤层气开发利用“十三五”规划中要求取得勘探突破的重点区域[1]。准噶尔盆地南缘(准南)作为主要的调查区之一，其埋深在1 500 m以浅的煤层气地质资源量为9 548.54×108m3[2]，煤层气勘探开发主要层位位于下侏罗统八道湾组和中侏罗统西山窑组[3]。经过十多年的煤层气勘探开发，各相关单位已在准南地区施工了百余口煤层气参数井和生产试验井，其中针对八道湾组煤层的钻井数量占绝大多数，主要分布在乌鲁木齐河东矿区和阜康白杨河矿区等准南东部地区。该地区个别垂直井日产量可高达1.7×104m3，稳产约为7 000 m3/d，部分区块已实现商业化开采[4-6]。而针对准南西部中侏罗统西山窑组煤层气的勘探程度相对较低，所施工的钻井数量也较少，目前主要位于玛纳斯河、呼图壁河、硫磺沟和乌鲁木齐河西等少数地区[7]。

虽然针对西山窑组煤层气的勘探已有部分工作基础，也取得了一些成果，包括对煤层气地质特征、富集模式的分析、煤层对比和煤储层压力系统划分等[8-11]，但单井采量目前还未取得理想效果。准南八道湾组煤层，特别是已经取得单井产量突破的阜康白杨河矿区和乌鲁木齐河西等广大区域隶属于同一构造带，在煤层产状、煤层形成沉积环境、煤层气成藏条件和开发地质条件等方面具有可以类别和借鉴的可能。为此，该研究通过对准噶尔盆地南缘西山窑组与八道湾组煤层气成藏富集条件对比研究，以期为准噶尔盆地南缘西部地区西山窑组煤层气的勘探开发提供指导。

1 区域地质概况

准南构造位置地处准噶尔盆地与天山造山带的结合部位，历经多期构造，特别是新生代喜马拉雅运动使得天山北缘山前强烈褶皱并伴生一系列大型逆冲断裂[12-13]。整体上准南地区由南向北发育了三排近东西向延展的构造带，如图1所示[14]。其中第一排构造带为山前断褶带，也是目前煤层气勘探开发的主要地区，覆盖地层主要为二叠系、三叠系和侏罗系；第二排和第三排构造带多为新生界覆盖的隐蔽构造，是石油勘探的重点地区[14]。准南东部由于乌鲁木齐-米泉断裂和博格达山的影响，褶皱带轴部逐渐转为NE向，局部可见平移断层。

准南侏罗系含煤地层从下至上依次包括下侏罗统八道湾组、三工河组和中侏罗西山窑组，其中含煤性以八道湾组和西山窑组为主，三工河组含煤性较差，基本无可采煤层。基于盆地基底沉降、沉积物供给和可容空间变化速率的分析，八道湾组厚煤层主要分布在下段和上段下部，而西山窑组厚煤层主要分布在其底部[15]，整体上八道湾组下段煤层形成于湖侵沼泽，而八道湾上段和西山窑组煤层则形成于湖退沼泽[16]。平面上，准南八道湾组富煤带位于阜康—水西沟一带，煤层厚度一般为15～55 m，而西山窑组富煤带则展布于玛纳斯—乌鲁木齐之间，煤层厚度一般为19～34 m。由于古气候和成煤期古构造的影响，八道湾组和西山窑组含煤地层的沉积环境存在明显差异，前者以冲积扇、扇三角洲、河流相为主，后者则以三角洲和滨浅湖为主[17-18]。

图1 准噶尔盆地南缘构造地质简图Fig.1 The features of structure and geology in the southern Junggar Basin

2 煤层气成藏条件对比

煤层气的成藏富集条件一般包括生、储、盖、运、聚、保等要素，其中生、储条件控制着煤层气的资源潜力，而盖层和保存条件则决定着后期煤层气富集的差异性[19]。因此，煤层气富集区的形成与煤系沉积环境、构造特征和水文地质条件密不可分，关键是寻求三者的有利匹配区域。

2.1 煤层气生气条件

1)煤变质程度。煤变质在很大程度上决定了

煤层最终的生烃能力，通常将煤的变质类型划分为深成变质作用、岩浆变质作用和动力变质作用，其中深成变质作用是准南侏罗系煤化作用的主要类型。因此，侏罗系下统八道湾组煤的镜质体反射率整体上要明显高于中统西山窑组[7, 20-21](见表1)，且八道湾组煤的变质程度呈东高西低之势，而西山窑组的煤级分布则较为均匀。从煤类的角度来看，八道湾组的煤主要为气煤，少量达到肥煤，而西山窑组煤则主要为长焰煤，少量达到气煤。

表1 准南煤田显微煤岩组分特征

2)煤岩特征。区域上，准南煤田八道湾组和西山窑组煤的显微组分均以镜质组为主，惰质组次之，壳质组和矿物少量发育为特征[7, 20-21](见表1)。但值得注意的是，西山窑组煤的惰质组含量要明显高于八道湾组煤，甚至部分地区西山窑组煤的惰质组含量要高于其自身的镜质组含量。由于显微组分的差异，准南八道湾组煤的宏观煤岩类型以光亮型和半光亮型为主，而西山窑组煤则以半光亮型和半暗淡型为主。分析认为古气候和成煤环境的变化是造成八道湾组和西山窑组煤岩差异的主要原因，一方面，中侏罗世古大气CO2浓度与早侏罗世相比呈持续增高趋势[22]，因此西山窑组成煤期古气候变得异常干热化，古火灾事件频发，从而产生较高的丝质体含量[23]；另一方面，整体上八道湾组下段煤层形成于湖侵沼泽，西山窑组下段煤层则形成于湖退沼泽，因此西山窑组成煤期沼泽的覆水深度相对较浅，同样有利于丝炭化作用的发生。根据上述煤变质程度和煤岩特征综合分析，认为煤层生气能力随煤变质程度的增加而增强，准南八道湾组煤的生气条件整体上优于西山窑组。

2.2 煤储层条件

1)孔隙特征。孔隙发育及结构特征是影响煤层气赋存和产出的重要因素，由于不同实验方法和计算模型均可以影响到煤储层孔隙结构参数，因此采用相同的实验是进行孔隙参数对比研究的基础。本论文借鉴前人在阜康矿区八道湾组和西山窑组煤的氮气吸附孔隙结构参数[24]，通过类比方法分析准南八道湾组和西山窑组煤储层孔隙结构的差异性。结果表明，阜康矿区煤储层孔隙以小孔和微孔占主要比例，且八道湾组煤的微孔含量和比表面积高于西山窑组[24](见表2)，分析认为这种孔隙变化特征主要受控于煤级的影响。

表2 准南阜康矿区八道湾组煤和西山窑组煤的孔隙结构对比

2)裂隙特征。煤储层裂隙由内生裂隙和构造裂隙组成，由于准南地区侏罗系煤层大部分处于低变质阶段，内生裂隙相对不发育，且构造位置处于山前断褶带，因此煤储层构造裂隙数量占绝对比例。通过资料调研[25]，平面上，准南乌苏、沙湾和阜康等地区是煤储层裂隙发育的高值区，其中沙湾煤样的显微裂隙密度可达1 557条/(9 cm2)；垂向上，八道湾组煤储层裂隙密度与西山窑组裂隙密度相当，影响煤储层裂隙发育特征应该与煤系所处的具体构造位置关系密切，另外通过裂隙发育情况也可以进一步指示区域构造和煤体结构发育特征。由于煤的孔-裂隙结构会直接影响到煤层气的成藏，八道湾组煤储层中小孔和微孔占总孔比重较大，更有利于煤层气的吸附和富集。

2.3 盖层条件

对于低煤阶煤层气成藏而言，煤层形成后的顶板岩性及厚度是影响煤层含气性的重要因素[26]。对准南地区侏罗系沉积体系分析可知，三屯河以西地区西山窑组煤层的直接或间接顶板为厚层湖相泥岩，三屯河至乌鲁木齐河之间西山窑组煤层的直接或间接顶板则为辫状河三角洲平原中薄层泥岩和粉砂岩，乌鲁木齐河以东八道湾组煤层则为扇三角洲平原的中厚层粉砂岩和细砂岩。另外，据统计八道湾组粗碎屑岩占比55.4%，且主要集中在八道湾组下部，而西山窑组的粗碎屑岩占比则降低为41.6%。因此，西山窑组煤层气的直接盖层条件最好，八道湾组上段煤层气盖层条件次之，八道湾组下部煤层气盖层条件相对较差。但八道湾组煤层上部存在一个以细碎屑岩为主的区域盖层，即三工河组，结合各含煤岩系的煤层厚度和生气条件，区域上八道湾组煤层气保存条件和含气性要优于西山窑组。据前人在准南施工煤层气井测试结果表明，八道湾组煤的含气量一般为6～15 m3/t，平均约为7～8 m3/t[21]，而西山窑组煤的含气量一般为3～11 m3/t，平均约为4～6 m3/t[7]。

2.4 水文地质条件

通过对准南八道湾组和西山窑组煤层水各离子浓度分析(如图2所示)，可知准南八道湾组煤层水中的K+Na，Ca和Mg平均离子浓度分别为66.96%，20.02%和13.02%，而西山窑组煤层水中K+Na，Ca和Mg平均离子浓度分别为77.14%，13.28%和9.58%；八道湾组和西山窑组煤层水中的阴离子浓度相当，且HCO3+CO3>SO4>Cl。整体上，八道湾组的水质类型主要为Na·Ca-HCO3·SO4，而西山窑组的水质类型则以Na·K-HCO3·SO4为主，因此八道湾组中的煤层水矿化度平均值(2 768 ml/g)要低于西山窑组的煤层水(3 266 ml/g)。分析认为西山窑组中煤层水由于具有较高的矿化度，因此更有利于煤层气的富集；而八道湾组由于具有较低的矿化度，则更有利于形成次生生物成因气藏。

图2 准南侏罗系八道湾组和西山窑组地下水主要离子Piper图Fig.2 The Piper diagram of the major irons in the Jurassic ground water in the southern Junggar Basin

3 煤层气成藏富集模式

以构造条件为主导，辅助水文地质条件和岩性分布特征，前人将准南地区侏罗系八道湾组和西山窑组煤层气的成藏模式主要归纳为以下3类：1)单斜模式；2)宽缓褶皱模式；3)逆冲叠瓦式模式[6, 8]。事实上，在乌鲁木齐河西勘探区还存在另一种煤层气成藏模式，即对冲构造引起的褶皱型煤层气富集模式。由于乌鲁木齐河西区南部桌子山存在水系补给，因此在西山窑组的浅部地区易形成生物成因甲烷气，同时桌子山背斜轴部的相对构造高点以及头屯河向斜的斜坡带易形成煤层气的富集区(如图3所示)。中国地质调查局油气资源调查中心于2015—2016年期间在该区域施工了WXC-1和WXC-2两口煤层气参数井，目的层位均为中侏罗统西山窑组，钻孔位置分别位于西山逆断层的上升盘和头屯河向斜的轴部区域。含气量测试结果显示：WXC-1煤层最大含气量为11.34 m3/t，而WXC-2煤层最大含气量只有5.0 m3/t，一方面表明虽然西山窑组煤层气在生成和储集条件上劣于八道湾组，但依然存在局部的富集区；另一方面也证实以断层封堵深部自吸附区域煤的含气量要优于向斜轴部地带，建议该区域未来的煤层气勘探可以尝试在浅部中和面以下的向斜斜坡带和深部八道湾组背斜轴部地带开展。

图3 准南乌鲁木齐河西区对冲-褶皱型煤层气成藏富集模式Fig.3 Ramp-fold structure for CBM accumulation model in the western Urumqi River, southern Junggar Basin

4 结论

1)准南地区八道湾组下段、上段下部和西山窑组下部煤层为煤层气勘探的主要目的层位。八道湾组煤主要为气煤，少量达到肥煤，宏观煤岩类型以光亮型和半光亮型为主；西山窑组煤则主要为长焰煤，少量达到气煤，宏观煤岩类型以半光亮型和半暗淡型为主，且煤中惰质组含量明显高于八道湾组。分析认为古气候和成煤环境的变化是造成八道湾组和西山窑组煤岩差异的主要原因。

2)受控于煤级的影响，准南八道湾组煤的微孔含量和比表面积要高于西山窑组。准南地区煤储层构造裂隙数量明显高于内生裂隙，其中乌苏、沙湾和阜康等地区是煤储层裂隙发育的高值区，影响煤储层裂隙发育特征应该与煤层所处的构造位置关系密切，另外通过裂隙发育情况可以进一步指示区域构造和煤体结构发育特征。

3)西山窑组煤层气的直接盖层条件最好，八道湾组上段煤层气盖层条件次之，八道湾组下段煤层气盖层条件相对较差，八道湾组的水质类型主要为Na·Ca-HCO3·SO4，而西山窑组的水质类型则以Na·K-HCO3·SO4为主，八道湾组中的煤层水矿化度平均值(2 768 ml/g)低于西山窑组(3 266 ml/g)。

4)基于准南地区构造和水文地质条件，在前人研究的基础上，以乌鲁木齐河西区为例，提出了对冲-褶皱型煤层气成藏富集模式，并对该区域未来煤层气的勘探方向进行了预测。