新疆后峽盆地中-低階煤煤層氣成藏模式

涂志民，車延前，李 鵬，林文姬

(1.中國石油煤層氣有限責任公司，北京 100028；2.中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095)

低階煤層氣一般指賦存于褐煤?長焰煤中的天然氣，其煤層鏡質體反射率一般小于0.65%，通常形成于煤化作用的初期[1-3]。目前美國的粉河(Powder River)盆地以及澳大利亞的蘇拉特(Surat)盆地針對低階煤層氣開發較為成功，實現了商業性開發。粉河盆地在2008 年達到產氣高峰，年產氣量達到556 億m3[4]；蘇拉特盆地截至2016 年底，年產氣量達到210 億m3[5]。這2 個盆地低階煤層氣的成功開發帶動了世界范圍內低階煤層氣的研究和發展。目前國內實現商業規模開發煤層氣田，主要是位于山西沁水盆地以及鄂爾多斯盆地東緣，其主要是中?高階煤層氣藏，而針對低階煤層氣規模開發仍未實現。新疆煤層氣資源十分豐富，煤層氣預測總資源量達9.5 萬億m3，占全國預測資源量的25.8%，且多為低階煤煤層氣[6]，具有豐富的資源基礎，但截至目前仍未建成規模開發的低階煤層氣田。新疆后峽盆地為位于天山山脈間的一個山間盆地，其煤層氣賦存條件與準南緣具有相似的特征，前人僅僅針對該區煤層氣資源條件進行了研究，而對成藏方面研究未有涉及[7]，總體該區煤層氣勘探程度較低，煤層氣富集規律認識不清。為此，筆者結合近些年在該區的煤層氣勘探實踐，結合地震、地質相關資料，并利用已鉆探8 口井取心分析數據以及排采生產數據，對煤層氣成藏規律開展研究，以期對該區及國內具有相同特征地區中-低階煤煤層氣勘探有一定借鑒作用。

1 地質概況

后峽盆地區域構造上處于天山地槽褶皺系與準噶爾盆地南緣的結合部，屬于中生代山間盆地。從區域地質圖可看出該盆地為一NW?SE 向，西寬東窄、SW 低NE 高的向斜構造，長約50 km，寬約15 km。向斜構造軸向呈NW?SE 向，由第四系、侏羅系構成。侏羅系南厚北薄，向西可延長至頭屯河以西；向斜中心位于南部，靠近山前，南部為侏羅系沉積中心，地層較厚，向北地層逐漸減薄。表現為平緩的單斜構造，地層向SW、NW 方向傾斜，地層傾角10°～30°。盆地基底主要由海西期上泥盆統和石炭系組成。盆地形態輪廓均受其基底坳陷形態的控制，部分邊緣受斷裂控制，其西南部邊界受大斷裂控制，其余地段未發現大的斷裂。

2 煤層氣儲層特征

2.1 構 造

后峽盆地主要受燕山期?喜馬拉雅期斷裂影響，分別受兩組NWW 逆沖斷層及NE 向壓扭斷層控制，形成“三凹兩凸”的構造格局；自東向西，區內主要發育東南溝、阿什里、雀洛皆特3 個凹陷以及特克阿蘇、八號橋2 個凸起，構成了該區整體的構造面貌；局部發育的構造主要受區內發育的二、三級斷裂控制，均為逆斷層，在斷裂上盤發育多個斷塊、斷背斜構造(圖1)。研究區整體上斷裂較為發育，構造較為復雜。

圖1 后峽盆地西山窯組底界構造Fig.1 Structural of the bottom boundary of Xishanyao Formation in Houxia Basin

2.2 煤層發育

煤層發育情況是煤層氣資源豐富程度主要控制因素之一。研究區煤層主要發育在侏羅系西山窯組，已鉆8 口探井揭示情況表明，西山窯組主要發育3 個主力煤層，分別為B7、B8、B9 煤層。B7 煤層厚度一般4.8～17.5 m，平均10.0 m；B8 煤層厚度一般4.8～24.3 m，平均10.6 m；B9 煤層厚度一般4.1～16.0 m，平均厚度9.8 m。煤層厚度均較大，厚度橫向上有一定變化，但總體分布較為穩定，全盆地皆有分布，顯示了研究區較好的煤層氣賦存物質基礎。

2.3 煤 巖

煤巖煤質對煤層含氣性及物性有較為重要的影響。不同煤階、不同顯微組分對煤層氣吸附能力不同，并且其孔隙及裂隙發育程度也存在差異。研究區8 口井21 個樣品煤的鏡質體反射率一般0.59%～0.80%，平均0.68%，屬于中-低階長焰煤和氣煤。宏觀煤巖類型以暗淡煤為主，半亮煤、半暗煤次之；煤心呈塊狀和碎粒狀，含少量粉狀，煤體結構為原生結構煤和碎裂煤，割理不發育。研究區3 口井7 個樣品顯示不同煤層之間顯微組分差異較小，鏡質組含量較高，惰質組含量較低，含極少量殼質組(表1)，表明研究區煤體結構較好、鏡質組含量較高，利于后期的壓裂改造。

表1 后峽盆地主要煤層顯微組分特征Table 1 Maceral characteristics of main coal seams in Houxia Basin

2.4 含氣性

中-低階煤含氣性與中-高階煤相比，整體含氣量偏低。研究區6 口井25 個含氣量取心測試樣品測試結果顯示，空氣干燥基含氣量一般為1.16～7.84 m3/t，平均3.0 m3/t，含氣量總體較低，個別井點取心含氣量較高，達到6.0～8.0 m3/t。另外，G3 和A1 井未取得目的煤層巖心，依據排采起套壓時的臨界解吸壓力(分別為8.77、13.00 MPa)，結合鄰井的等溫吸附參數，按照Langmuir 等溫吸附公式計算其含氣量分別為11.7 m3/t和12.3 m3/t，顯示較高的含氣量。因各井未能取全3套目的煤層巖心，各煤層含氣量平面分布樣品點偏少，為此，整體按西山窯組目的煤層平均含氣量進行分析，基本上也可以反映研究區含氣量的平面展布特征，總體顯示含氣量在平面上呈現較大的差異性，由NE 至SW 向呈逐漸增大的趨勢，靠近西南邊界又逐漸降低(圖2)。等溫吸附實驗測得空氣干燥基Langmuir 體積12.57～26.23 m3/t，平均18.09 m3/t，顯示研究區煤層吸附能力較強，而實際含氣量較低，導致整體含氣飽和度偏低；空氣干燥基Langmuir 壓力3.8～12.57 MPa，平均7.82 MPa，Langmuir 壓力較高，易于煤層氣解吸。

圖2 研究區西山窯組含氣量分布Fig.2 Gas content distribution of Xishanyao Formation in the study area

2.5 煤儲層物性

儲層物性條件是煤層氣開發關鍵參數。研究區11 個樣品，在實驗室3.5 MPa 圍壓條件下，測試其孔隙率為1.45%～5.26%，平均2.6%；滲透率差異較大，為(0.012～76.500)×10?3μm2，一般(1.61～13.30)×10?3μm2，平均7.76×10?3μm2。因此，總體上研究區煤儲層孔隙率較低，但是滲透率條件相對較好，個別樣品測試滲透率較高的原因可能主要由外生裂隙所引起。從目前排采井產水情況間接得到了證實，普遍日產水較大，在見套壓前階段，流壓日降幅控制在0.02～0.03 MPa 情況下，日產水量一般達到了10～30 m3。

3 煤層氣成藏條件

3.1 煤層氣成因

目前煤層氣成因主要包括熱成因、生物成因、混合成因3 大類型，國內外學者一般把低階煤煤層氣成因歸結為以生物成因為主，或者是在前期熱成因基礎上后期生物氣的補充[8-9]。對煤層氣成因研究主要通過其C、H 同位素含量進行劃分，生物氣甲烷氫同位素(δDCH4)一般介于?400‰～?170‰，甲烷碳同位素(δ13CCH4)一般輕于?55‰[4,10-11]。研究區甲烷碳同位素值為?57.8‰～?45.3‰，甲烷δDCH4為?257.3‰～?218.7‰，甲烷與乙烷、丙烷總和的比值為62.47～555.54。將以上測試結果投到M.J.Whiticar 模板[12]，顯示G5、T1 井為生物氣成因，而其余3 口井均顯示熱成因特征。為進一步分辨其成因類型，使用M.J.Kotarba[8]建立的天然氣成因判識圖版，表明A1 井顯示熱成因氣特征，G5 井顯示生物氣特征，T1 井顯示混合成因氣特征，而G2、G3 井顯示次生熱成因氣特征(圖3)。綜合上述2 種煤層氣氣成因分類模板，認為研究區氣成因呈現多種類型，包含熱成因、次生熱成因、生物成因和混合成因4 種類型。其中，生物成因與熱成因氣因其碳、氫同位素含量不同很容易加以區分，而熱成因與次生熱成因氣之間的區別主要在于次生熱成因氣受到后期改造的作用，如構造抬升導致吸附態甲烷開始解吸，而煤層氣在解吸過程中，氣體解吸速度與分子大小及輕重成反比，重烴比甲烷難解吸，13CH4比12CH4難解吸，導致解吸-擴散-運移作用下次生熱成因氣會變干、變輕[13-14]。另外，結合各井的分布位置進行分析，顯示其成因類型與構造位置有較強相關性。如埋深較大靠近凹陷中心的A1 井以熱成因為主；凸起高部位的G5 井以生物成因為主，盆地邊緣斜坡高部位的G1 和G4 未開展同位素分析，依據其構造位置推測其應為生物成因氣；在斜坡中部位置的T1 井為混合成因；而在構造圈閉處的G2、G3 井為次生熱成因。煤層氣成因與構造位置的相關性在后文將加以深入分析。

圖3 后峽盆地煤層氣成因類型判別Fig.3 Genetic type discrimination of coalbed methane in Houxia Basin

研究區不僅不同構造位置成因類型不一，而且其含氣性也存在一定差異。熱成因類型含氣量較高，而生物成因類型含氣量較低。排采實踐也證實了該結論。如具有熱成因氣特征的A1、G2、G3 井臨儲比分別為0.77、0.67、0.99，而且日產氣量均接近或超過1 000 m3，而生物成因和混合成因氣井臨儲比小于0.45，日產氣量小于500 m3(表2)。表明研究區以熱成因氣成藏占有優勢，而生物氣成藏含氣量偏低。

表2 研究區氣樣分析、含氣量及生產數據Table 2 Gas sample analysis,gas content and production data in the study area

3.2 構造演化

構造演化過程不僅影響煤層生烴條件，也影響生烴后的保存狀況，是決定煤層氣成藏的關鍵性因素之一。在早?中侏羅世，整個天山地區處于造山運動后的松弛期，未發育明顯的正地形構造，此時后峽盆地與準噶爾盆地連為一體，在穩定沉降的背景下，發育了一套厚度大、煤層展布穩定的煤系；而在晚侏羅?早白堊世期間發生了明顯的整體隆升作用，天山及準噶爾南緣開始隆升遭受剝蝕，盆山格局發生了顯著變化，此時，后峽盆地整體隨著天山抬升并接受剝蝕，從此與準南緣分割開來，沉積演化開始分異，直至現今該區一直處于抬升剝蝕區，未接受沉積[15-16]。筆者以研究區G2 井為例加以說明，根據該井煤層鏡質體反射率與其經歷的最高溫度之間的關系式[17]，可計算其熱演化最高溫度為125.24℃，依據該區的古地溫梯度35℃/km[18]，可計算最大埋藏深度為3 580 m，而目前煤層埋深為939 m，剝蝕地層厚度為2 641 m。而在白堊紀及古?新近紀，地層剝蝕厚度的確定主要依據相鄰準南緣地區地層發育較為完整鉆井在白堊紀及古?新近紀所沉積的地層厚度，根據物質平衡原則依據其比例近似加以確定，最后模擬該井的地層埋藏史曲線，結果可能不是非常準確，但可以近似反映研究區地層的埋藏演化過程(圖4)。因此，根據研究區煤層沉積后的埋藏演化過程可以看出，在晚侏羅及早白堊世埋深達到最深時開始生成熱成因煤層氣，尤其是在盆地沉積中心位置，但隨著后期的持續抬升導致前期生成的煤層氣大量散失，對該區煤層氣的破壞起到決定性作用。

圖4 后峽盆地G2 井地層埋藏史曲線Fig.4 Stratigraphic burial history curves of well G2 in Houxia Basin

3.3 水文地質條件

水文地質條件對煤層氣富集具有多樣性影響，主要體現在對煤層氣的逸散、封閉、封堵作用以及次生生物氣的生成，其中逸散作用導致煤層氣藏的破壞，而封閉、封堵作用對煤層氣保存有重要影響[19-20]。研究區緊鄰烏魯木齊河及一號冰川，雨季多雨、植物茂盛，山水交錯期間，總體上水文補給條件較好[21]。研究區西南邊界為一條走向NW、南傾北沖的逆沖斷層，總體上呈向NE 方向抬升的斜坡構造，煤層在斜坡上傾頂部出露地表，直接接受大氣降水及山頂冰雪融水的補給，形成了在斜坡上傾淺部位的水動力活躍徑流區，而沿著斜坡下傾方向逐漸過渡到滯流區，形成了煤層氣的側向封堵。目前該區8 口生產井排采水礦化度呈現了上述特征，在離煤層剝蝕邊界較近、煤層埋深相對較淺的G4 及G1 井排采水礦化度較低，分別為2 068、2 910 mg/L，而隨著深度逐漸增大，在斜坡中深部，G2、G3 井排采水礦化度分別為6 282、6 719 mg/L，在凹陷處的A1 井礦化度達到了15 351 mg/L。較好反映了水動力活躍程度從盆地邊界沿斜坡往凹陷深處逐漸降低，保存條件逐漸趨好。另外，由于該區較好的水文補給條件給次生生物氣的生成也創造了條件。一般有利于生物氣的生成地層水水溫為0～75℃，pH 值6～8，地層水礦化度小于10 000 mg/L，而研究區在斜坡的淺中部均具備次生生物氣生成的條件，驗證前文煤層氣成因分析結論，即研究區主要在煤層中淺部具有生物氣特征。

3.4 頂底板封蓋條件

頂底板的封蓋能力主要取決于頂底板的巖性、厚度和韌性，相比于結構松散、孔隙率大、滲透性好的砂巖，泥巖結構相對致密、孔隙率小、滲透性較差，對煤層氣的保存較好[22]。研究區煤層沉積時期為盆地的伸展擴張期，沉積地層主要以灰色、深灰色泥巖為主，砂巖較少發育，3 套目的煤層頂底板均由泥巖組成。鉆探井顯示，B7 煤層頂板泥巖厚度11.5～49 m，底板5.5～30.28 m，B8 頂板泥巖厚度5.5～40.85 m，底板11.63～49 m，B9 頂板泥巖厚度21.38～41.13 m，底板4.75～27.84 m。通過對比現今研究區不同構造位置井位頂底板泥巖封蓋厚度，可以發現無論是更靠近盆地邊緣的G4 井，還是在凹陷處的A1 井，其各煤層頂底板泥巖厚度差異不明顯，G4 井B7、B8、B9 煤層頂/底板泥巖厚度分別為11.5 m/17.11 m、7 m/28.13 m、41.13 m/15.38 m，而A1 井分別為12.38 m/6.73 m、6.25 m/23.37 m、13.75 m/9.63 m。這可能與前人研究認為在侏羅紀沉積時期后峽盆地不是單獨的盆地，而是與準噶爾盆地南緣侏羅紀盆地相連，在現今研究區以南仍然沉積了侏羅系，其物源補給區至少與現今研究區的南部區域有關[16]。因此，研究區各煤層頂底板均由泥巖組成，且厚度差異不大，具備較好的煤層氣封蓋條件。

4 成藏模式

成藏模式是煤層氣富集規律的高度概況，能夠有力指導勘探實踐。研究區煤層氣成因有多種類型，結合前文煤層氣富集特征及成藏條件分析，可劃分為深層熱成因氣、常規圈閉次生熱成因氣以及中淺斜坡生物氣3 種典型成藏模式(圖5)。每一種成藏模式代表了研究區不同的煤層氣成藏富集過程及特點。深層熱成因氣成藏主要位于埋深較大的盆地凹陷處，是在地質歷史演化過程中煤層沉積埋藏深度最大時生成的熱成因氣，在后期整體抬升過程中，由于現今煤層埋深依然較大，有一部分殘余熱成因氣得以保存而富集成藏。在研究區如A1 井所鉆探位置，煤層埋深達到了1 700 m，含氣量相對較高，日產氣量也相對較高，碳氫同位素顯示熱成因特征。常規圈閉次生熱成因氣成藏是在盆地整體抬升過程中，前期生成的熱成因氣由于地層壓力降低前期吸附的煤層氣開始解吸，在浮力作用下沿著斜坡上傾方向運移，而在合適的圈閉位置聚集成藏[23-24]。研究區目前G2、G3 井鉆探的斷塊圈閉構造就是該模式成藏類型，含氣量在所鉆井中測試最高，排采后臨界解吸壓力較高，產氣效果也較好。斜坡生物氣成因模式是在前期熱成因氣殘余基礎上，淺部由于外來水源的補給，通過甲烷菌的作用生成生物氣，隨著地表水的補給不斷地“溶解?運移?再溶解?再運移”這種方式富集于斜坡的淺中部位置[25]。而且生成的次生生物氣能夠與原位置的殘余熱成因氣混合，呈現混合成因氣特點。從目前的勘探實踐來看，常規圈閉次生熱成因氣成藏模式含氣性最好，能夠捕獲多種成因氣圈閉成藏，綜合勘探效果最好；次之為深部熱成因成藏模式，煤層埋深相對較大，抬升過程中損失氣相對較少，含氣量相對較高；而中淺斜坡生物氣成藏雖然有后期次生生物氣的補充，可能由于后期持續抬升，埋藏較淺，保存條件最差，含氣性普遍較差，其勘探效果不理想。

圖5 后峽盆地煤層氣成藏模式Fig.5 Schematic diagram of accumulation modes in Houxia Basin

5 結 論

a.新疆后峽盆地構造較為復雜，煤層展布穩定，厚度較大，煤巖煤質較好，物性較好，含氣性差異較大，在有利成藏區內具有較好的煤層氣資源勘探潛力。

b.后峽盆地煤層氣成因有4 種類型，包括熱成因、次生熱成因、混合成因及生物成因；水文地質條件及頂底板封蓋條件較好，有利于煤層氣保存，但是，由于晚侏羅世?早白堊世后，研究區整體持續抬升，對煤層氣保存影響較大，不利于煤層氣的富集成藏，而且對該區煤層氣富集成藏起決定性影響。

c.結合煤層氣成因分析以及構造演化過程，后峽盆地煤層氣成藏形成了深部熱成因、常規圈閉次生熱成因及斜坡生物成因3 種煤層氣富集成藏模式，前2種模式為研究區的有利勘探氣藏類型。