柴達木盆地北緣魚卡煤田侏羅系煤層氣特征及含氣性評價

陳 磊，田景春，文懷軍，劉世明，楊 穎

(1.成都理工大學 沉積地質研究院，成都 610059； 2.青海煤炭地質勘查院，西寧 810001；3.青海煤炭地質局，西寧 810001)

煤層氣(俗稱“瓦斯”，CBM)是指煤層中以吸附在煤基質顆粒表面為主，部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中，且以甲烷為主要成分的烴類氣體，其廣泛被用于燃料、化工原料、發電等方面[1-2]。我國煤層氣資源儲量位居世界第三位[3]，其主要集中分布在以古生界石炭系、二疊系和中生界三疊系、侏羅系、白堊系為主的大型含氣盆地中，如鄂爾多斯、準噶爾、塔里木、柴達木、滇東黔西等盆地中[4]。世界煤層氣主要分布在北美、西伯利亞、南亞及我國各大盆地內，已探明的煤層氣資源量前三排名依次為美國、俄羅斯和中國[5]。其中美國煤層氣主要集中在落基山地區盆地中，占其總資源量的80%左右[6-7]。

柴達木盆地北緣(柴北緣)作為中國西北地區的一個重要賦煤區，蘊含著豐富的煤炭資源量和煤層氣資源量，其魚卡煤田是一個具有很大潛力的區塊。前人先后對魚卡地區煤層及煤層氣展開分析，其中康耀芳、陳磊和魯靜等人對魚卡地區進行了含煤地層劃分及煤層特征分析；田大爭等通過研究發現，魚卡煤田煤層的厚度與含氣量之間關系密切，兩者為正相關系；白生海等利用高分辨率層序地層學理論和技術方法分析其聚煤規律；嚴康文等對煤層氣成藏富集因素進行了分析[8]，但都缺少對煤層氣含氣性特征及含氣性預測等方面的分析。本文將以柴北緣魚卡煤田侏羅系煤層氣為例，通過對柴北緣煤層氣的特征及分布進行分析，研究其含氣性特征及含氣量預測，以期為柴達木盆地乃至青藏高原地區的煤層氣勘查工作提供參考。

1 地質背景

1.1 構造特征

柴北緣位于柴達木盆地東北部，由東至西橫跨約440 km，由南至北距離約65 km，全區覆蓋約30 000 km2，早、中侏羅世柴達木盆地整體處于三疊紀末晚印支運動后的構造伸展、松弛階段，柴北緣發育一系列斷陷盆地[1]。魚卡煤田位于柴達木盆地北緣中部，魚卡—紅山斷陷二級構造單元內(圖1)[2,8]；其東鄰達肯大坂山，南鄰綠梁山，西鄰賽什騰山，該區域內褶皺及斷裂構造發育較多[2]，主要有灘間山北—魚卡向斜帶、灘間山—魚卡背斜帶、云霧山北—尕秀向斜帶和云霧山—尕秀背斜帶4個北西向背、向斜帶(圖1)。

柴北緣地區含煤巖系分布特征呈現出明顯的規律性，受區域構造格局控制，呈北西西—南東東向展布；現有煤礦或勘探區多沿山前分布，但受構造破壞顯著，凹陷帶內煤系埋藏一般較深，但在團魚山、魚卡、大煤溝一帶埋藏相對較淺。

1.2 沉積特征

侏羅紀魚卡煤田共沉積了2套地層，即上侏羅統采石嶺組(J3c)和紅水溝組(J3h)、中侏羅統石門溝組(J2s)和大煤溝組(J2d)；其上覆地層為古近系路樂河組，下伏地層為上奧陶統灘間山群(O3tj)[9]。其中石門溝組和大煤溝組為該區重要的含煤地層，采石嶺組和紅水溝組不含煤層。

大煤溝組是柴北緣主要的含煤地層，據巖性分上下兩段。下段在大煤溝地區厚259.38 m，該段地層在魚卡地區由盆地中心向盆緣逐漸尖滅，厚度0～280m；巖性以灰綠色礫巖、礫狀砂巖、含礫砂巖為主，夾黑灰色碳質泥巖和紫紅色、灰綠色砂質泥巖。上段厚130.98 m，中下部以灰黑色碳質泥巖為主，夾深灰色泥質砂巖、礫狀砂巖、劣質煤及菱鐵礦結核；上部主要為厚至巨厚狀煤層，為主要含煤層段。

圖1 柴達木盆地北緣構造位置及魚卡煤田構造單元和煤田勘查區

石門溝組據巖性分上下兩段。下段地層厚度154.45 m，下部為礫狀砂巖、砂巖夾薄層砂質泥巖、碳質泥巖；中上部為雜色砂質泥巖、淺灰綠色含炭泥巖為主，夾礫狀砂巖、煤層及菱鐵礦結核，含煤5層，為柴北緣重要含煤層段。上段厚度69 m，主要為頁片狀油頁巖與泥巖互層夾菱鐵礦層。

1.3 資源量特征

魚卡煤田賦煤面積約650 km2，潛在煤炭資源量38.25×108t。包括羊水河、尕秀西段、尕秀區段、魚卡東部、二井田、北山等煤炭勘查區(圖1)。含煤地層為中侏羅統石門溝組和大煤溝組。

大煤溝組地層總厚度59.57～388.55 m，平均厚度263.93 m，自上而下劃分為上段、下段2個巖性段，上段(含煤段)包含M6、M7共2層煤，煤層平均厚度6.27 m(圖2)。M7煤層為區內主要可采煤層，M6煤層為區內部分可采煤層，不穩定，僅在尕秀向斜東部殘存。M6煤層位于大煤溝組頂部，厚度0.37～7.98 m，平均4.87 m，可采厚度1.31～7.98 m，平均6 m。M7煤層位于大煤溝組中上部，局部地段與含煤地層的基底直接接觸；煤層總厚度5.40～118.40 m，平均22.19 m，可采厚度4.80～105.83 m，平均19.34 m，厚度及夾矸在傾向和走向上均穩定，全區可采，為本次煤層氣評價的主要目的層。

石門溝組厚30～200 m，巖性分兩段，上段(頁巖段)以頁巖、泥巖為主，局部為油頁巖；下部(含煤段)含煤5層(M1—M5)。M5煤層為區內主要可采煤層，較穩定，M5煤層總厚度0.19～1.70 m，平均0.96 m，可采厚度0.83～1.70 m，平均1.30 m；結構簡單至復雜，含夾矸0～2層，夾矸為碳質泥巖或泥巖，夾矸厚度變化較大；其余煤層均為不可采的薄煤層或煤線，局部相變為碳質泥巖或泥巖。M5煤層為本次煤層氣評價的目的層之一。

2 魚卡煤田煤層展布特征

大煤溝組M7煤層與石門溝組M5煤層為該區勘探的主要煤層。其中M5煤層以發育長焰煤及不粘煤為主，主要分布在魚卡東部和羊水河地區(圖3)。M7煤層在魚卡煤田南部為一個煤分層，向深部逐漸分為M7上、M7中和M7下3個分層；M7中煤層大部為不可采薄煤層或煤線，M7上、M7下為可采煤層，平均總厚度為44.7 m，發育長焰煤、不粘煤、氣煤及弱粘煤等類型。M7煤層全區分布穩定，厚度大，在羊水河、尕秀地區、魚卡東部、二井田、北山等均有分布(圖4)，是本次煤層氣資源調查重點目的煤層。

圖2 柴達木盆地北緣魚卡煤田近東西向M7煤層對比

圖3 柴達木盆地北緣魚卡煤田M5煤類分布示意

圖4 柴達木盆地北緣魚卡煤田M7煤類分布示意

3 魚卡煤田煤層含氣性評價

3.1 各區塊含氣性特征

3.1.1 魚卡東部

對魚卡東部煤層的7個樣品進行了煤層氣測定，包含3個M7號煤層的樣品(表1)，其中，采樣深度為470.78m的一個M7樣品，經測定，煤層氣成分CH4含量為84.97%，CO2為11.29%，煤層氣含氣量達5.87 m3/t，含氣量較好。其余樣品測得的含氣量均較低，有2個方面的原因：一方面魚卡凹陷，甚至整個柴北緣富煤區的侏羅系含煤地層受構造作用改造較大，使得不同構造位置的煤層其含氣性差異較大，比如在魚卡背斜核部的煤層氣含量明顯高于其他地方；另外，部分區域煤層受斷層影響，其儲氣條件被破壞，導致含氣量較低。另一方面，與采樣的深度可能有關。煤層氣含量一般隨煤層加厚、深度增大而增大，以往的煤炭勘查工作并不注重樣品的采集位置，部分樣品所處的深度較小，導致測得的含氣量較低，不能客觀反映煤層的實際含氣量。

表1 柴達木盆地北緣魚卡東部煤層氣分析

3.1.2 尕秀地區(尕秀區段和尕秀西段)

尕秀區段是較早開展煤炭勘查的地區，之后將勘查區向西擴展，為便于區分，將西部的勘查區稱為尕秀西段。由于2個勘查區緊密相連，在煤層特征上自成一體，故而將2個勘查區并稱為尕秀地區。收集到19個煤心樣品，篩選了該區鉆孔中共8個樣品進行了煤層氣測定(表2)。

尕秀地區西部的一鉆孔M7煤層煤層氣含量為4.29 m3/t，CH4百分比為80.68%；另一鉆孔M5煤層氣含量為2.99 m3/t，CH4百分比為85.17%(表2)。該2個鉆孔所處的構造位置為背斜核部，且遠離區內的深大斷裂，儲氣條件較好。

3.1.3 二井田及其外圍

二井田及其外圍收集到24個樣品的煤層氣測試結果(其中M5樣6個，M7樣13個，其他煤層5個)(表3)。測得的煤層氣含量普遍較低，25個數據中僅有1個樣品煤層氣含量超過1 m3/t。從構造位置上看，二井田所處的構造位置緊鄰2條大型斷裂，呈條帶狀分布，煤層受斷裂破壞較嚴重，其煤層含氣性較差。

表2 柴達木盆地北緣尕秀西段煤層氣分析

表3 柴達木盆地北緣魚卡二井田及其外圍煤層氣分析

3.1.4 羊水河地區

羊水河地區收集到10個樣品的煤層氣分析數據(表4)，煤層氣含量普遍較低，最高值僅為1.75 m3/t。羊水河勘查區煤層埋深較大，除柴頁1井外，其余煤炭鉆孔普遍采用常規取心，導致在巖心提取過程中氣體損失量較大。

表4 柴達木盆地北緣羊水河煤層氣分析

綜上所述，魚卡凹陷中侏羅統M5、M7煤層氣資源前景較好，在多個鉆孔中測得了高煤層氣含量。同時，魚卡凹陷屬于構造復雜地區，煤層氣的富集受構造因素影響較大，因此，對該地區進行煤層氣勘查，前期需要先通過三維地震進行精確構造控制，尋找有利于煤層氣成藏的地區。

3.2 煤層含氣量分析

目前在魚卡煤田所獲得的煤層含氣量數據主要由兩部分組成：一是以往的煤炭煤層氣數據；二是通過現場解吸實測的煤層含氣量。這兩類數據在平面上的分布較為有限，尤其是實測的煤層含氣量數據更少，依據這兩類數據不能很好地掌握調查區整體的煤層含氣量。為了達到本次煤層氣資源評價的目標，本次研究采用了含氣梯度法來推測魚卡凹陷煤層含氣量。含氣梯度法主要適用于同一構造單元中的深部外推預測區，或不同構造單元中基本地質條件相近的預測區，是可靠性較高的預測方法之一。其應用的理論基礎為：在構造相對簡單的地區或部位，在一定的煤層埋深范圍，煤儲層含氣性主要受控于煤層的埋藏深度[10]。

尕秀地區和羊水河地區處于同一構造斷塊內，由SE向NW埋深逐漸增加，淺部含氣量數據較多，可以嘗試采用含氣梯度法進行含氣量預測。通過深度—含氣性關系分析，發現二井田含氣性梯度明顯且深度—含氣性關系的離散性較小， M7煤層含氣性隨埋深增加呈現“先減小后增大”的趨勢；而尕秀地區、羊水河M7煤層含氣性與埋深呈“多項式”關系，M7煤層含氣性隨深度增加呈現“先增大再減小”的趨勢(圖5)。但上述三類相關性可能都由于受到煤層氣樣品本身(即傳統的煤層氣含量測試方法在采樣過程中等待提鉆時間較長，煤層氣逸散損失量較大，其在計算含氣量過程中基本未考慮損失氣量，導致含氣性明顯偏低)以及各個采樣鉆孔的構造改造程度與所處構造類型差異的影響[11-12]，才導致含氣量與煤層埋深之間變化較大。

對于上述論述的補充與佐證可以參考：①魚卡東部與尕秀西段煤層埋深—含氣量相關，前者埋深與含氣量呈負相關性，這與魚卡煤層淺部煤層氣保存條件較弱的認識不符；后者相關性先上升后降低，這是由于籠統將尕秀地區內所有已知煤田鉆孔煤層氣含量歸納在一個范疇內進行分析所導致的偏差；②兩口參數井M7煤層埋深與含氣量之間具備較好的相關性(圖6)。因此，在對含氣梯度法是否能應用于研究區深部煤層的含氣量預測時，都應該詳細劃分勘探區塊內的構造單元，再將同一(或相似)構造單元內的煤田鉆孔煤層氣數據進行對比分析，盡可能在排除構造影響的條件下分析埋深與含氣性的關系。

圖5 柴達木盆地北緣魚卡煤田二井田、羊水河和尕秀西段地區M7煤層埋深—含氣性關系

圖6 柴達木盆地北緣魚卡煤田參數1井和參數2井M7煤層埋深—含氣性關系

3.3 含氣量預測結果

基于含氣梯度方法的分析，尕秀地區和羊水河地區處于同一構造單元內且區內無斷層發育，對煤層含氣量變化的影響較小。煤層埋深由SE向NW逐漸增加，采用含氣梯度法進行含氣性預測。其中，煤層埋深大于600 m鉆井的含氣性預測參考參數1井，煤層埋深小于600 m鉆井的含氣性預測參考參數2井。在綜合運用實測煤層含氣量、煤炭煤層氣含量和推測煤層含氣量等各類含氣量數據的基礎上，結合煤層埋深、構造條件等因素綜合分析，對魚卡凹陷M7號煤層含氣性進行了綜合評價，繪制了魚卡凹陷M7號煤層含氣量等值線圖(圖7)。

從圖7可以看出，魚卡凹陷侏羅系M7煤層的含氣性在不同構造單元差異較大，呈現明顯的非均質性。整體來看，魚卡凹陷西部煤層含氣性顯著高于東部，北部略優于南部。其中，在南部F3逆斷層上盤，存在幾個含氣量較高的數據點，預測最高含氣量值可達6.0 m3/t。向北顯示含氣量呈下降趨勢，直到接近F1逆斷層，含氣量下降至1.5 m3/t左右。之后繼續向北，隨著煤層埋深逐漸增加，結合柴頁1井煤層含氣量高達8.99m3/t，可以認為煤層含氣量將由南向北逐漸增高。

圖7 柴達木盆地北緣魚卡煤田M7煤層含氣量等值線

在魚卡煤田北部F2和F10斷層所控制的區域，M7煤層含氣量在該區域的中部存在2個相對高含氣量區，其中最高處M7煤層含氣量可達4.5 m3/t，向四周含氣量逐漸減小，這里存在一個小型背斜構造，適宜煤層氣的富集。另一處M7煤層含氣量可達6.5 m3/t，向南靠近F1斷層逐漸減小至2.5 m3/t；向北含氣量同樣逐漸降低，或與埋藏深度的增加有關，煤層含氣量又有增加的趨勢；通過與南部柴頁1井進行對比，預測F2斷層以北煤層含氣量同樣可以達到6.5 m3/t左右。

魚卡煤田東部北山地區和二井田地區，根據少量的煤炭煤層氣測試結果，同時結合該地區斷層較發育的地質特征，認為其煤層含氣量普遍較低，多在1.5 m3/t以下。

4 結論

(1)魚卡煤田含煤地層為中侏羅統石門溝組和大煤溝組。大煤溝組地層自下而上劃分為砂礫巖段和含煤段，含煤段包含M6和M7共2層煤層，M7煤層為區內主要可采煤層。石門溝組巖性分為頁巖段和含煤段，共含煤5層(M1—M5)，其中M5煤層為區內主要可采煤層。

(2)魚卡凹陷中侏羅統在魚卡東部、尕秀地區(尕秀區段和尕秀西段)、二井田地區和羊水河地區受構造和測定損失的影響，含氣量分布不均，其中M5和M7煤層氣資源前景較好。通過深度—含氣性關系分析，發現二井田含氣性梯度明顯且深度—含氣性關系的離散性較小，M7煤層含氣性隨埋深增加呈現“先減小后增大”的趨勢；而尕秀地區、羊水河和魚卡東部地區M7煤層含氣性與埋深呈“多項式”關系，M7煤層含氣性隨深度增加呈現“先增大再減小”的趨勢。

(3)魚卡凹陷侏羅系M7煤層的含氣性在不同構造單元差異較大，呈現明顯的非均質性。魚卡凹陷西部煤層含氣性顯著高于東部，北部略優于南部，由南向北呈現先降低后升高的趨勢；魚卡煤田北部F2和F10斷層所控制的區域，在一個小型背斜構造存在2個相對高含氣量區；而魚卡煤田東部北山地區和二井田地區其煤層含氣量普遍較低。