準東煤田西山窯組煤層氣成藏條件探討

劉柏根

(中煤科工集團西安研究院，陜西 710077)

準東煤田位于新疆昌吉回族自治州，是新疆四大煤炭基地之一，面積約2.18萬km2，煤田煤炭探明儲量達2136×108t，是我國目前最大的整裝煤田，也預示著其煤層氣勘探開發具有良好的前景。準東煤田為低煤階煤、主要為褐煤分布，目前關于該區的煤層氣成藏條件等研究還比較少，這很大程度上影響了準東煤田煤層氣資源潛力評價和煤層氣開發項目的進一步開展，導致該區煤層氣勘探開發至今沒有實質性進展。

準東煤田含煤地層為下侏羅統的八道灣組和中侏羅統的西山窯組，其中西山窯組為本區主要含煤地層;西山窯組含煤層數較多，一般含煤3～26層，純煤層總厚5～80m，是我國少見的煤層厚度異常大的地區，研究準東煤田西山窯組煤層氣成藏條件，具有重要的意義。一般來說，煤層氣成藏包括生、儲、保三個條件，成藏生氣是基礎，儲集是保障，保存是根本。本文即從這幾個方面探討準東煤田西山窯組煤層的煤層氣成藏條件，為今后煤田煤層氣研究及勘探開發提供技術支撐。

1 煤層氣生氣特征

生氣能力是煤層含氣的基礎，煤的生氣能力主要由煤的物質組成和變質程度決定。準東地區西山窯組煤是在水退早期湖泊三角洲平原沼澤化基礎上發展形成的，聚煤期植物群主要為高大的蕨類植物，煤的成因類型為腐殖煤類。西山窯組煤大部分為褐煤，有一定數量的長焰煤，少量氣煤。褐煤階段，可以生成一定數量的生物成因甲烷和少量熱成因甲烷;長焰煤和氣煤階段，以熱成因甲烷氣和煤層埋藏階段的次生物甲烷氣為主。因此準東地區甲烷氣主要為生物成因甲烷和熱成因甲烷氣，次生物成因甲烷氣受構造演化和埋深等影響，僅占很小比例。準東煤田煤層煤變質作用方式幾乎全部為深成變質，總體上符合希爾特定律，煤儲層埋深越大，煤級越高。從成煤演化過程看，煤層氣主要包括褐煤階段的原生生物甲烷氣、長焰煤－氣肥煤階段的熱成因甲烷氣和煤層埋藏階段的次生生物甲烷氣三種成因甲烷氣，前兩種為主，形成原生煤層氣藏。根據中煤科工集團西安研究院以往煤的熱模擬生烴試驗結果，褐煤階段的總生氣量為38～68m3/t，長焰煤階段總生氣量為41～93 m3/t，因此推測準東煤田西山窯組煤層的生氣能力應該很高。

表1 準東煤田中部西山窯組主要煤層煤巖測定結果表

由西山窯組煤層的煤巖特征 (表1)、煤質特征 (表2)可以看出，準東地區西山窯組煤有機質含量一般在85%～95%，有機顯微組分基本都在80%以上;煤的灰分產率都很低，基本屬于低－中灰煤，因此，該煤田西山窯組煤層具有大規模生氣的物質條件。

表2 中部煤質測定結果表

2 煤層氣儲氣特征

圖1 煤田西山窯組煤的等溫吸附曲線

煤層的吸附性能決定了煤層氣的賦存狀態和儲集能力。由西山窯組煤等溫吸附試驗結果 (圖1、表3)表明，準東煤田不同區塊煤層的吸附能力有所差異，西部五彩灣礦區的空氣干燥基Langmuir體積最大，為11.2m3/t，其次為中部北山煤窯和大井地區，空氣干燥基 Langmuir體積分別為9.12m3/t、8.0m3/t;東部老君廟礦區空氣干燥基Langmuir體積為6.83m3/t，可見準東地區西山窯組煤層吸附量較小;Langmuir體積總體上也低于我國其他地區相同煤級煤，表明煤田西山窯組煤的吸附能力偏低。

表3 準東地區西山窯組煤的等溫吸附試驗結果

煤的吸附量與Langmuir壓力大小有關，Langmuir壓力越小，吸附量越大，煤層甲烷的儲存量也越大。煤變質程度越低，Langmuir壓力越大，我國褐煤、長焰煤、氣煤Langmuir壓力平均分別為8.31MPa、6.39MPa、3.63MPa。由等溫吸附測試結果，北山煤窯、老君廟與我國其他地區Langmuir壓力大小相近，五彩灣則遠高于我國其他地區同煤級煤的Langmuir壓力值。

總體上，準東煤田西山窯組煤的吸附能力偏低，導致煤層的儲氣能力低。

3 煤層氣保存條件

3.1 煤層氣埋藏史

準東煤田煤層氣埋藏史與準噶爾盆地一致。侏羅系煤層形成后，在晚侏羅世，盆地受燕山運動影響，盆地開始抬升，沉積范圍收縮，沉積了一套由細變粗的碎屑巖層，頂部為磨拉石建造。盆地西北部抬升幅度大，缺失了上侏羅統，中侏羅統上部也遭部分剝蝕。盆地南部仍為沉降中心，沉積了較厚的上侏羅統。由于氣候轉為干旱，巖性也變為以紅色為主的雜色泥砂巖互層夾凝灰巖。晚侏羅世晚期，盆地進一步抬升，大部分地區均受剝蝕而成為準平原狀態。

白堊紀，準噶爾盆地開始沉降，沉積范圍有所擴大，沉降中心由北偏移至盆地中部一帶，最大幅度達3000m，沉積了一套干旱炎熱氣候條件下的河湖相雜色砂泥巖及紅色礫巖。

新近系，在白堊紀拗陷上繼續接受沉積，但沉積面積有所減小，沉降中心也遷移至西南部安集海一帶，最大沉降幅度達5000m，仍以河湖相沉積為主。該階段，早期為抬升剝蝕，其后則均為沉降并接受沉積，累計沉積最大厚度近萬米，從而造就了侏羅系煤層必不可少的蓋層，也提供了較好的埋深條件。

第四系，喜馬拉雅運動使盆地及其周邊山區受到強烈擠壓，盆地邊緣山區再度隆起上升，并向盆內推覆，產生了一系列向盆內逆沖的推覆斷裂。盆地東部由于是陸緣盆地，蓋層較薄，產生了寬緩褶皺;盆地南部由于一直是拗陷區，產生了雁行排列的線狀褶皺。盆地于早更新世后受周邊擠壓更強烈而整體抬升，結束了沉積歷史，形成現今格局。

綜上所述，準東煤田西山窯組煤層形成后主要經歷了抬升－沉降－抬升一系列過程，導致構造演化過程中煤層中氣體有較大程度的逸散。

3.2 煤層圍巖的封閉性

良好的封蓋層可以保持地層壓力，使煤層氣以吸附狀態存在，減少游離氣的散失，從而使煤層氣得以保存和富集。

準東煤田西山窯組主要由泥巖、粉砂質泥巖、細砂巖和煤層組成，厚度70～390m，平均182m左右。上覆的石樹溝群主要為砂巖、泥巖、礫巖，厚度超過118～901m，與下伏西山窯組一般呈平行不整合接觸。煤系及上覆地層對煤層氣保存有利。

圖2 煤田中部地區主要煤層頂板巖性分布圖

西山窯組煤層頂底板巖性以泥巖、炭質泥巖為主，另有粉砂質泥巖和泥質粉砂巖、砂巖。東部地區頂板以泥巖、粉砂巖類巖石為主，底板以泥巖、含炭泥巖為主;中部地區頂板以泥巖、粉砂巖類巖石為主、個別高炭泥巖，底板以泥巖、含炭泥巖、粉砂巖類巖石為主 (圖2、圖3);西部地區頂板巖性以泥巖、炭質泥巖、中、細砂巖為主，局部為粉砂巖、粗砂巖、泥質粉砂巖、偶見炭質泥巖、炭質泥巖偽頂，底板多為泥巖、炭質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖，可見含炭泥巖、細砂巖、中砂巖、粉砂巖，偶見有泥巖、炭質泥巖偽底。從煤層頂底板巖性角度分析，西山窯組煤層的封閉性較好。

圖3 煤田中部地區主要煤層底板巖性分布圖

3.3 水文地質條件

水文地質條件對煤層氣開發具有重要的影響，主要表現為:對煤層氣具有保存作用、影響煤儲層壓力和煤層滲透性的分布、影響煤層氣開發施工及各項工藝。水文地質控氣作用主要體現在3種類型:水動力遷移、水動力封閉和水動力封堵控氣作用。關于準東煤田的水動力研究，崔思華等認為煤田水動力封閉主要在昌吉凹陷，水動力封堵主要在盆地南緣，而盆地東南部、西北緣和東北緣則主要表現為水動力遷移。

圖4 煤田地下水動力與煤層氣關系示意圖

準東地區地下水由東北向西南運移逕流，與煤層氣運移方向相反 (圖4)。地下水在流動過程中，可能形成新的壓力屏障，阻止煤層氣的運移;并形成一個氣水界面，在此界線以上，煤層以含水為主，煤層氣含量較低，在此界線以下，煤層以含氣為主。因此推測在深部煤層中，可能會發生煤層氣的二次吸附，達到平衡狀態，煤層氣含量增高。

4 結語

研究準東煤田煤層氣成藏條件，有助于了解煤田煤層氣的富集分布規律，從而為今后煤層氣開發部署、開發工藝選擇、排采方案制定提供重要的信息和支撐。本文即從煤層氣成藏生、儲、保三要素出發，探討了準東煤田西山窯組煤層的煤層氣成藏條件，認為西山窯組煤層生氣條件較好，儲氣條件相對較差，構造演化時期煤層氣有較大程度的損失，但現今圍巖及上覆巖層保存條件較好，地下水動力條件對煤層氣保存都比較有利。

［1］煤炭科學研究總院西安分院，中聯煤層氣有限責任公司．新疆地區主要煤田煤層氣資源評價及選區報告［R］．1999．

［2］趙慶波，李貴中，孫粉錦，等．煤層氣地質選區評價理論與勘探技術［M］．北京:石油工業出版社，2009．

［3］孫萬祿．中國煤層氣盆地［M］．北京:地質出版社，2005．

［4］楊起，劉大錳，黃文輝，等．中國西北煤層氣地質與資源綜合評價［M］．北京:地質出版社，2005．

［5］張泓，李恒堂，熊存衛，等．中國西北侏羅紀含煤地層與聚煤規律［M］．北京:地質出版社，1998．

［6］周繼兵，莊新國，張東亮．新疆準東煤田東部層序地層學及聚煤規律研究［J］．新疆地質，2010，28(3):334－338．

［7］崔思華，劉洪林，王勃，等．準噶爾盆地低煤級煤層氣成藏地質特征［J］．現代地質，2007，21(4):720－724．

［8］傅小康．中國西部低階煤儲層特征及其勘探潛力分析［D］．北京:中國地質大學博士學位論文，2006．