庫拜煤田鐵東礦區煤層氣成藏條件分析

李萬軍 杜世濤

(新疆維吾爾自治區煤田地質局，新疆 830091)

1 地質概況

鐵東礦區位于位于塔里木盆地北緣，區內主要發育中生界(三疊系(T)、侏羅系(J)和白堊系(K))和新生界(古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q))陸相沉積地層。區內的含煤地層為塔里奇克組，地層厚度270～308m，平均厚度288.5m，含煤層13層。單層煤層厚度在0.12～12.50m之間，煤層單層厚度從下向上逐漸變薄含夾矸0～2層，煤層為單一簡單結構，煤層平均厚度總和21.06m，可采煤層平均厚度總和19.17m。全層含煤系數為7.30%，含可采煤層系數為6.64%。

2 儲層物性特征

2.1 宏觀煤巖特征

區內A3煤層以半亮煤為主，半暗煤次之，含少量的光亮煤與暗淡煤；宏觀煤巖組分亮煤為主。A5煤層全為半亮煤；宏觀煤巖組分以亮煤為主。A8煤層以半亮煤為主，半暗煤、暗淡煤次之；宏觀煤巖組分以亮煤為主，含少量暗煤。A9煤層則主要為半亮煤和半暗煤；宏觀煤巖組分亮煤、暗煤對半。A10煤層以半亮煤為主，半暗煤次之；宏觀煤巖組分以亮煤為主，含少量暗煤。總體來看，區內宏觀煤巖組分以亮煤為主，并含少量的暗煤。

2.2 顯微煤巖組分

區內煤層顯微煤巖組分中鏡質組含量最高，平均為65.64%，惰質組含量次之，平均為32.96%，殼質組含量較低，平均為0.42%，鏡質組最大反射率介于0.64%～0.74%，平均為0.69%，屬于長焰煤-氣煤階段。鏡質組主要以無結構鏡質體中的基質鏡質體和碎屑鏡質體為主。各基質鏡質體油浸反射色為淺色，不顯細胞結構，表面純凈且平整，不顯突起，可見碎屑鏡質體，粒徑較小，呈不規則狀分布，受應力作用，鏡質組份較碎，半鏡質組份主要為基質半鏡質體，在油浸反射色光下呈白色，略顯突起，大多不顯示細胞結構。無機類礦物組成主要為粘土，呈浸染狀分布，較聚集。黃鐵礦呈鮞粒狀分布。碳酸鹽礦物呈脈狀分布(表1)。

2.3 煤質特征

區內A3、A5、A8、A9、A10煤層原煤空氣干燥基水份(Mad)在0.26%～4.54%之間，浮煤空氣干燥基水份(Mad)含量在0.15%～3.04%之間，原煤干燥基灰分產率(Ad)在4.50%～39.40%之間，平均值17.91%，浮煤干燥基灰分產率(Ad)在3.32%～30.44%之間，平均值7.27%；原煤干燥無灰基揮發分產率(Vdaf)16.63%～44.15%，浮煤干燥無灰基揮發分產率(Vdaf)16.04%～39.76%，平均值28.05%。礦區煤層均屬于低水分、特低-低灰、中-中高揮發分煤(表2)。

表1 鐵列克東區各煤層煤巖組分成果表

表2 鐵列克東區各煤層煤質特征

2.4 孔滲特征

煤中孔隙的發育程度影響煤中氣體吸附、解吸和滲流，因此針對煤的孔隙特征的研究對煤層氣的開發與利用具有重要意義。本次研究從現場采集9組煤樣進行高壓壓汞測試，并按照大孔(>1000nm)、中孔(100～1000nm)、過渡孔(10～100nm)和微孔(<10nm)的分類方案進行煤樣孔容和孔比表面積的分析。結果表明，研究區煤樣總孔容介于0.011cm3/g～0.9961cm3/g，平均為0.5036cm3/g，其中中孔所占比例較大，平均為42.26%，大孔次之，平均為38.41%，過渡孔和微孔所占比例很小，平均值分別為14.10%、5.23%。孔容測試數據詳見表3。主要煤層微孔不發育，甲烷主要的吸附空間不足，吸附氣所占比例相對較小，而大孔發育，氣體層流運動空間充裕，利于氣體運移，有利于煤層氣開發。

圖1 鐵東礦區煤層氣組分與埋深關系

表3 鐵列克東礦區煤樣孔容測試結果

鐵東礦區滲透率值處于<0.1mD、0.1～1mD和1～10mD的比例分別為27%、60%和13%。鐵東礦區總體上滲透率值處于0.008～1.37mD范圍內，均值為0.54mD，因此鐵東礦區煤儲層總體上屬于中滲儲層，部分區域為高滲儲層。綜上所述，鐵東礦區的滲透率較大，遠高于我國東部高級煙煤和無煙煤盆地的滲透率，這是新疆諸多盆地和阜康礦區煤層氣開發的有利條件。

2.5 含氣性

對區內煤層氣井主采煤層A3、A5、A8、A9、A10煤層樣品按GB/T 13610—2003《天然氣的組成分析氣相色譜法》和GB/T 19559—2008《煤層氣含量測定方法》標準進行了煤層氣組分分析和含量測定。主力煤層CH4濃度隨埋深增加趨于增大(圖1a)；主力煤層整體的重烴濃度具有隨埋深增加增大的特征(圖1b)；主力煤層N2濃度隨埋深增加整體上表現為先增大后減小(圖1c)；CO2濃度隨埋深增加整體上表現為逐漸增大的特征(圖1d)。

3 煤層氣成藏的特殊因素

3.1 火燒區

水文地質條件是煤層氣富集的主控因素之一，滯留水區和承壓水區由于水力封堵及水力封閉作用，有利于煤層氣的保存。該礦區遭受多期構造運動改造發生抬升，煤層被抬升至地表發生火燒，形成燒變巖。由于燒變巖系滲透率較煤系地層大，地表水對燒變巖系水的補償遠大于燒變巖系水下滲補給地下水的量。頂部煤層受溫度、氧氣等多因素影響發生火燒形成水源補給通道，地表降雨、季節性沖溝水流及冰雪融水為火燒區含水帶提供了補給水源，形成特色的火燒區滯水層封堵模式。庫拜煤田鐵東礦區靠近北部中高山區，接受北部高山融化雪水、大氣降水和山區泉水補給，流向自北向南，發育常年流水的木扎爾特河水系，可長期為區內火燒區進行補給，這使得燒變巖系內長期存在一個滯水層。火燒區滯水層的存在不僅減少了干旱氣候下地層水的蒸發，保存了大量的水資源，而且在補給各含水層的同時對煤層氣產生了有效的封堵。此外，煤層火燒之后營養物質充足，加上地層水的補給，利于產甲烷菌的富集和生成，產生次生生物成因氣，可能對該區形成了良好的氣源補給。

3.2 水動力條件

水文地質條件是煤層氣賦存狀態的主控因素之一，影響著煤層氣富集和開發。研究區內主采煤層為極具特色的陡傾斜煤層，在其上傾方向火燒區滯水層形成了有效的水力封堵。因地表自燃活動導致塔里奇克組煤層淺部發生火燒，形成了一條近東西向的燒變巖帶。火燒區在垂向上具有一定延展性，燒變巖結果破碎較為嚴重，裂隙相對發育，裂隙的發育既提供了一定的儲水空間，又為水體的運移提供了良好的通道。煤層上部的地表塌陷接受大氣降水、冰雪融水的直接補給，形成燒變巖含水層直接補給煤儲層的地下水補給模式。在地面降水下滲補償過程中，由燒變巖系至煤儲層孔滲性減小，地下水隨地層埋深增大趨于滯留，徑流方向與煤層氣向上逸散方向相反，對深部煤層氣起到較好的水力封閉作用，利于煤層氣富集成藏。

3.3 水化學特征

礦化度、水的類型及各種離子組合特征是影響地層水化學特征的主要因素，地層水化學特征常被用于對水體所處環境、來源及儲層水演化的識別。封閉性高、保存條件好的地層水常常具有較高的礦化度。

圖2 庫拜煤田鐵東礦區地下水礦化度與埋深關系

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