侯海海, 李強(qiáng)強(qiáng), 梁國(guó)棟, 秦秋紅, 張華杰, 劉書(shū)君

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院, 遼寧 阜新 123000)

中國(guó)西北地區(qū)侏羅系低煤階煤層氣資源豐富，是國(guó)家煤層氣開(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃中要求取得勘探突破的重點(diǎn)區(qū)域[1]。準(zhǔn)噶爾盆地南緣(準(zhǔn)南)作為主要的調(diào)查區(qū)之一，其埋深在1 500 m以淺的煤層氣地質(zhì)資源量為9 548.54×108m3[2]，煤層氣勘探開(kāi)發(fā)主要層位位于下侏羅統(tǒng)八道灣組和中侏羅統(tǒng)西山窯組[3]。經(jīng)過(guò)十多年的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)，各相關(guān)單位已在準(zhǔn)南地區(qū)施工了百余口煤層氣參數(shù)井和生產(chǎn)試驗(yàn)井，其中針對(duì)八道灣組煤層的鉆井?dāng)?shù)量占絕大多數(shù)，主要分布在烏魯木齊河?xùn)|礦區(qū)和阜康白楊河礦區(qū)等準(zhǔn)南東部地區(qū)。該地區(qū)個(gè)別垂直井日產(chǎn)量可高達(dá)1.7×104m3，穩(wěn)產(chǎn)約為7 000 m3/d，部分區(qū)塊已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)采[4-6]。而針對(duì)準(zhǔn)南西部中侏羅統(tǒng)西山窯組煤層氣的勘探程度相對(duì)較低，所施工的鉆井?dāng)?shù)量也較少，目前主要位于瑪納斯河、呼圖壁河、硫磺溝和烏魯木齊河西等少數(shù)地區(qū)[7]。

雖然針對(duì)西山窯組煤層氣的勘探已有部分工作基礎(chǔ)，也取得了一些成果，包括對(duì)煤層氣地質(zhì)特征、富集模式的分析、煤層對(duì)比和煤儲(chǔ)層壓力系統(tǒng)劃分等[8-11]，但單井采量目前還未取得理想效果。準(zhǔn)南八道灣組煤層，特別是已經(jīng)取得單井產(chǎn)量突破的阜康白楊河礦區(qū)和烏魯木齊河西等廣大區(qū)域隸屬于同一構(gòu)造帶，在煤層產(chǎn)狀、煤層形成沉積環(huán)境、煤層氣成藏條件和開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件等方面具有可以類(lèi)別和借鑒的可能。為此，該研究通過(guò)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣西山窯組與八道灣組煤層氣成藏富集條件對(duì)比研究，以期為準(zhǔn)噶爾盆地南緣西部地區(qū)西山窯組煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準(zhǔn)南構(gòu)造位置地處準(zhǔn)噶爾盆地與天山造山帶的結(jié)合部位，歷經(jīng)多期構(gòu)造，特別是新生代喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)使得天山北緣山前強(qiáng)烈褶皺并伴生一系列大型逆沖斷裂[12-13]。整體上準(zhǔn)南地區(qū)由南向北發(fā)育了三排近東西向延展的構(gòu)造帶，如圖1所示[14]。其中第一排構(gòu)造帶為山前斷褶帶，也是目前煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要地區(qū)，覆蓋地層主要為二疊系、三疊系和侏羅系；第二排和第三排構(gòu)造帶多為新生界覆蓋的隱蔽構(gòu)造，是石油勘探的重點(diǎn)地區(qū)[14]。準(zhǔn)南東部由于烏魯木齊-米泉斷裂和博格達(dá)山的影響，褶皺帶軸部逐漸轉(zhuǎn)為NE向，局部可見(jiàn)平移斷層。

準(zhǔn)南侏羅系含煤地層從下至上依次包括下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組和中侏羅西山窯組，其中含煤性以八道灣組和西山窯組為主，三工河組含煤性較差，基本無(wú)可采煤層。基于盆地基底沉降、沉積物供給和可容空間變化速率的分析，八道灣組厚煤層主要分布在下段和上段下部，而西山窯組厚煤層主要分布在其底部[15]，整體上八道灣組下段煤層形成于湖侵沼澤，而八道灣上段和西山窯組煤層則形成于湖退沼澤[16]。平面上，準(zhǔn)南八道灣組富煤帶位于阜康—水西溝一帶，煤層厚度一般為15～55 m，而西山窯組富煤帶則展布于瑪納斯—烏魯木齊之間，煤層厚度一般為19～34 m。由于古氣候和成煤期古構(gòu)造的影響，八道灣組和西山窯組含煤地層的沉積環(huán)境存在明顯差異，前者以沖積扇、扇三角洲、河流相為主，后者則以三角洲和濱淺湖為主[17-18]。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣構(gòu)造地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 The features of structure and geology in the southern Junggar Basin

2 煤層氣成藏條件對(duì)比

煤層氣的成藏富集條件一般包括生、儲(chǔ)、蓋、運(yùn)、聚、保等要素，其中生、儲(chǔ)條件控制著煤層氣的資源潛力，而蓋層和保存條件則決定著后期煤層氣富集的差異性[19]。因此，煤層氣富集區(qū)的形成與煤系沉積環(huán)境、構(gòu)造特征和水文地質(zhì)條件密不可分，關(guān)鍵是尋求三者的有利匹配區(qū)域。

2.1 煤層氣生氣條件

1)煤變質(zhì)程度。煤變質(zhì)在很大程度上決定了

煤層最終的生烴能力，通常將煤的變質(zhì)類(lèi)型劃分為深成變質(zhì)作用、巖漿變質(zhì)作用和動(dòng)力變質(zhì)作用，其中深成變質(zhì)作用是準(zhǔn)南侏羅系煤化作用的主要類(lèi)型。因此，侏羅系下統(tǒng)八道灣組煤的鏡質(zhì)體反射率整體上要明顯高于中統(tǒng)西山窯組[7, 20-21](見(jiàn)表1)，且八道灣組煤的變質(zhì)程度呈東高西低之勢(shì)，而西山窯組的煤級(jí)分布則較為均勻。從煤類(lèi)的角度來(lái)看，八道灣組的煤主要為氣煤，少量達(dá)到肥煤，而西山窯組煤則主要為長(zhǎng)焰煤，少量達(dá)到氣煤。

表1 準(zhǔn)南煤田顯微煤巖組分特征

2)煤巖特征。區(qū)域上，準(zhǔn)南煤田八道灣組和西山窯組煤的顯微組分均以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組和礦物少量發(fā)育為特征[7, 20-21](見(jiàn)表1)。但值得注意的是，西山窯組煤的惰質(zhì)組含量要明顯高于八道灣組煤，甚至部分地區(qū)西山窯組煤的惰質(zhì)組含量要高于其自身的鏡質(zhì)組含量。由于顯微組分的差異，準(zhǔn)南八道灣組煤的宏觀(guān)煤巖類(lèi)型以光亮型和半光亮型為主，而西山窯組煤則以半光亮型和半暗淡型為主。分析認(rèn)為古氣候和成煤環(huán)境的變化是造成八道灣組和西山窯組煤巖差異的主要原因，一方面，中侏羅世古大氣CO2濃度與早侏羅世相比呈持續(xù)增高趨勢(shì)[22]，因此西山窯組成煤期古氣候變得異常干熱化，古火災(zāi)事件頻發(fā)，從而產(chǎn)生較高的絲質(zhì)體含量[23]；另一方面，整體上八道灣組下段煤層形成于湖侵沼澤，西山窯組下段煤層則形成于湖退沼澤，因此西山窯組成煤期沼澤的覆水深度相對(duì)較淺，同樣有利于絲炭化作用的發(fā)生。根據(jù)上述煤變質(zhì)程度和煤巖特征綜合分析，認(rèn)為煤層生氣能力隨煤變質(zhì)程度的增加而增強(qiáng)，準(zhǔn)南八道灣組煤的生氣條件整體上優(yōu)于西山窯組。

2.2 煤儲(chǔ)層條件

1)孔隙特征。孔隙發(fā)育及結(jié)構(gòu)特征是影響煤層氣賦存和產(chǎn)出的重要因素，由于不同實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算模型均可以影響到煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此采用相同的實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行孔隙參數(shù)對(duì)比研究的基礎(chǔ)。本論文借鑒前人在阜康礦區(qū)八道灣組和西山窯組煤的氮?dú)馕娇紫督Y(jié)構(gòu)參數(shù)[24]，通過(guò)類(lèi)比方法分析準(zhǔn)南八道灣組和西山窯組煤儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的差異性。結(jié)果表明，阜康礦區(qū)煤儲(chǔ)層孔隙以小孔和微孔占主要比例，且八道灣組煤的微孔含量和比表面積高于西山窯組[24](見(jiàn)表2)，分析認(rèn)為這種孔隙變化特征主要受控于煤級(jí)的影響。

表2 準(zhǔn)南阜康礦區(qū)八道灣組煤和西山窯組煤的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)比

2)裂隙特征。煤儲(chǔ)層裂隙由內(nèi)生裂隙和構(gòu)造裂隙組成，由于準(zhǔn)南地區(qū)侏羅系煤層大部分處于低變質(zhì)階段，內(nèi)生裂隙相對(duì)不發(fā)育，且構(gòu)造位置處于山前斷褶帶，因此煤儲(chǔ)層構(gòu)造裂隙數(shù)量占絕對(duì)比例。通過(guò)資料調(diào)研[25]，平面上，準(zhǔn)南烏蘇、沙灣和阜康等地區(qū)是煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育的高值區(qū)，其中沙灣煤樣的顯微裂隙密度可達(dá)1 557條/(9 cm2)；垂向上，八道灣組煤儲(chǔ)層裂隙密度與西山窯組裂隙密度相當(dāng)，影響煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育特征應(yīng)該與煤系所處的具體構(gòu)造位置關(guān)系密切，另外通過(guò)裂隙發(fā)育情況也可以進(jìn)一步指示區(qū)域構(gòu)造和煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征。由于煤的孔-裂隙結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響到煤層氣的成藏，八道灣組煤儲(chǔ)層中小孔和微孔占總孔比重較大，更有利于煤層氣的吸附和富集。

2.3 蓋層條件

對(duì)于低煤階煤層氣成藏而言，煤層形成后的頂板巖性及厚度是影響煤層含氣性的重要因素[26]。對(duì)準(zhǔn)南地區(qū)侏羅系沉積體系分析可知，三屯河以西地區(qū)西山窯組煤層的直接或間接頂板為厚層湖相泥巖，三屯河至烏魯木齊河之間西山窯組煤層的直接或間接頂板則為辮狀河三角洲平原中薄層泥巖和粉砂巖，烏魯木齊河以東八道灣組煤層則為扇三角洲平原的中厚層粉砂巖和細(xì)砂巖。另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)八道灣組粗碎屑巖占比55.4%，且主要集中在八道灣組下部，而西山窯組的粗碎屑巖占比則降低為41.6%。因此，西山窯組煤層氣的直接蓋層條件最好，八道灣組上段煤層氣蓋層條件次之，八道灣組下部煤層氣蓋層條件相對(duì)較差。但八道灣組煤層上部存在一個(gè)以細(xì)碎屑巖為主的區(qū)域蓋層，即三工河組，結(jié)合各含煤巖系的煤層厚度和生氣條件，區(qū)域上八道灣組煤層氣保存條件和含氣性要優(yōu)于西山窯組。據(jù)前人在準(zhǔn)南施工煤層氣井測(cè)試結(jié)果表明，八道灣組煤的含氣量一般為6～15 m3/t，平均約為7～8 m3/t[21]，而西山窯組煤的含氣量一般為3～11 m3/t，平均約為4～6 m3/t[7]。

2.4 水文地質(zhì)條件

通過(guò)對(duì)準(zhǔn)南八道灣組和西山窯組煤層水各離子濃度分析(如圖2所示)，可知準(zhǔn)南八道灣組煤層水中的K+Na，Ca和Mg平均離子濃度分別為66.96%，20.02%和13.02%，而西山窯組煤層水中K+Na，Ca和Mg平均離子濃度分別為77.14%，13.28%和9.58%；八道灣組和西山窯組煤層水中的陰離子濃度相當(dāng)，且HCO3+CO3>SO4>Cl。整體上，八道灣組的水質(zhì)類(lèi)型主要為Na·Ca-HCO3·SO4，而西山窯組的水質(zhì)類(lèi)型則以Na·K-HCO3·SO4為主，因此八道灣組中的煤層水礦化度平均值(2 768 ml/g)要低于西山窯組的煤層水(3 266 ml/g)。分析認(rèn)為西山窯組中煤層水由于具有較高的礦化度，因此更有利于煤層氣的富集；而八道灣組由于具有較低的礦化度，則更有利于形成次生生物成因氣藏。

圖2 準(zhǔn)南侏羅系八道灣組和西山窯組地下水主要離子Piper圖Fig.2 The Piper diagram of the major irons in the Jurassic ground water in the southern Junggar Basin

3 煤層氣成藏富集模式

以構(gòu)造條件為主導(dǎo)，輔助水文地質(zhì)條件和巖性分布特征，前人將準(zhǔn)南地區(qū)侏羅系八道灣組和西山窯組煤層氣的成藏模式主要?dú)w納為以下3類(lèi)：1)單斜模式；2)寬緩褶皺模式；3)逆沖疊瓦式模式[6, 8]。事實(shí)上，在烏魯木齊河西勘探區(qū)還存在另一種煤層氣成藏模式，即對(duì)沖構(gòu)造引起的褶皺型煤層氣富集模式。由于烏魯木齊河西區(qū)南部桌子山存在水系補(bǔ)給，因此在西山窯組的淺部地區(qū)易形成生物成因甲烷氣，同時(shí)桌子山背斜軸部的相對(duì)構(gòu)造高點(diǎn)以及頭屯河向斜的斜坡帶易形成煤層氣的富集區(qū)(如圖3所示)。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心于2015—2016年期間在該區(qū)域施工了WXC-1和WXC-2兩口煤層氣參數(shù)井，目的層位均為中侏羅統(tǒng)西山窯組，鉆孔位置分別位于西山逆斷層的上升盤(pán)和頭屯河向斜的軸部區(qū)域。含氣量測(cè)試結(jié)果顯示：WXC-1煤層最大含氣量為11.34 m3/t，而WXC-2煤層最大含氣量只有5.0 m3/t，一方面表明雖然西山窯組煤層氣在生成和儲(chǔ)集條件上劣于八道灣組，但依然存在局部的富集區(qū)；另一方面也證實(shí)以斷層封堵深部自吸附區(qū)域煤的含氣量要優(yōu)于向斜軸部地帶，建議該區(qū)域未來(lái)的煤層氣勘探可以嘗試在淺部中和面以下的向斜斜坡帶和深部八道灣組背斜軸部地帶開(kāi)展。

圖3 準(zhǔn)南烏魯木齊河西區(qū)對(duì)沖-褶皺型煤層氣成藏富集模式Fig.3 Ramp-fold structure for CBM accumulation model in the western Urumqi River, southern Junggar Basin

4 結(jié)論

1)準(zhǔn)南地區(qū)八道灣組下段、上段下部和西山窯組下部煤層為煤層氣勘探的主要目的層位。八道灣組煤主要為氣煤，少量達(dá)到肥煤，宏觀(guān)煤巖類(lèi)型以光亮型和半光亮型為主；西山窯組煤則主要為長(zhǎng)焰煤，少量達(dá)到氣煤，宏觀(guān)煤巖類(lèi)型以半光亮型和半暗淡型為主，且煤中惰質(zhì)組含量明顯高于八道灣組。分析認(rèn)為古氣候和成煤環(huán)境的變化是造成八道灣組和西山窯組煤巖差異的主要原因。

2)受控于煤級(jí)的影響，準(zhǔn)南八道灣組煤的微孔含量和比表面積要高于西山窯組。準(zhǔn)南地區(qū)煤儲(chǔ)層構(gòu)造裂隙數(shù)量明顯高于內(nèi)生裂隙，其中烏蘇、沙灣和阜康等地區(qū)是煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育的高值區(qū)，影響煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育特征應(yīng)該與煤層所處的構(gòu)造位置關(guān)系密切，另外通過(guò)裂隙發(fā)育情況可以進(jìn)一步指示區(qū)域構(gòu)造和煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育特征。

3)西山窯組煤層氣的直接蓋層條件最好，八道灣組上段煤層氣蓋層條件次之，八道灣組下段煤層氣蓋層條件相對(duì)較差，八道灣組的水質(zhì)類(lèi)型主要為Na·Ca-HCO3·SO4，而西山窯組的水質(zhì)類(lèi)型則以Na·K-HCO3·SO4為主，八道灣組中的煤層水礦化度平均值(2 768 ml/g)低于西山窯組(3 266 ml/g)。

4)基于準(zhǔn)南地區(qū)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件，在前人研究的基礎(chǔ)上，以烏魯木齊河西區(qū)為例，提出了對(duì)沖-褶皺型煤層氣成藏富集模式，并對(duì)該區(qū)域未來(lái)煤層氣的勘探方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)。