準噶爾盆地南緣西山窯組煤儲層壓力控制因素分析及含氣系統劃分

唐 躍，袁 遠，侯海海，張家強，杜小弟，張大權，單衍勝

(1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083；2.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100083；3.遼寧工程技術大學礦業學院，阜新 123000；4.中國地質調查局沈陽地質調查中心，沈陽 110034)

中國低煤階煤層氣分布面積廣，資源豐富[1-5]，特別是準噶爾盆地南緣低煤階煤層氣資源豐富且煤儲層具有滲透率較高和易改造等特點，近年來受到眾多學者和煤層氣勘探開發公司的關注[6-9]。煤儲層壓力是影響煤層氣產量的關鍵參數之一，同時也是儲層改造和工藝設計重要參考指標[10-12]。但由于在準南地區西山窯組煤層氣勘探開發程度相對較低，通過試井獲得的儲層壓力數據則較少，因此亟需對準南西山窯組煤儲層壓力分布特征及其控制因素進行研究。

準南地區西山窯組煤層眾多，煤層氣井儲層壓力垂向上的變化對于煤層氣富集和含氣系統的劃分具有重要的影響作用[13]。相對于構造條件和水動力條件，含煤巖系沉積環境對影響煤層氣的富集條件的影響較為隱蔽，因此在以往煤層氣成藏富集模式的研究中，很少見到將沉積環境這一因素融入到模式當中。2008年以來，隨著多層疊置獨立含煤層氣系統概念的提出[14]，更多學者將含平面上煤巖系沉積環境對煤層氣富集的影響遷移至垂向上，關注的焦點則是沉積相、層序地層與煤層氣含氣量和儲層壓力之間的內在關系以及各個獨立含氣系統對于后期煤層氣開采的影響和指示作用[13,15]。煤層含氣量垂向分布相悖于吸附原理或呈波動式變化的特征，暗示存在一個對煤層氣成藏特征描述至關重要的客觀現象，即地層垂向剖面上存在著多個含煤層氣系統，各系統之間極少發生動力學聯系[14]。

據參考文獻[13]修改

據前期研究結果表明，新疆準南西山窯組垂向上各煤層的含氣量隨著埋深的增大呈明顯的規律性變化，可以劃分為多個相對獨立的含氣系統[16]，但目前針對準南地區低煤階含氣系統劃分的標志層或者識別標志還未進行深入調查和研究，因此多煤層疊置含氣系統識別與劃分工作亟需進行。含氣系統的正確劃分不僅可以在垂向上有效揭示含氣量的變化規律，深入分析低煤階煤層氣的富集主控因素，還可以為準南西山窯組煤儲層壓力變化和后期工程壓裂施工提供重要的參考依據。本文研究主要依托于中國地質調查局實施的煤層氣調查項目[17]，利用該項目數口煤層氣鉆孔獲取的實鉆資料結合煤炭鉆孔和煤田地質資料，基于該地區侏羅系含煤地層沉積學、層序地層學和含氣性變化特征，分析準南侏羅系含煤地層多層疊置含系統劃分的依據，探討煤系疊置含氣系統形成的沉積控制機理，以期為該地區煤系“三氣”共探共采提供地質依據。

1 區域地質概況

1.1 地質構造和含煤地層

準噶爾盆地南緣從構造上隸屬于北天山山前沖斷褶皺帶，歷經了海西、印支、喜馬拉雅等多期構造[18]，特別是新生代喜馬拉雅運動使得北天山山前強烈褶皺并伴生一系列大型逆沖斷裂[19-20]，現今準南烏蘇-昌吉(西段)、烏魯木齊-阜康四工河(中段)和阜康四工河-大黃山(東段)分別形成了NW、NE和NW向背斜構造軸部的大致格局(圖1)。整體上準南地區由南向北依次發育了三排近東西向延展的構造帶，其中第一排構造帶為淺部山前斷褶帶，是目前煤層氣勘探開發的主要地區，覆蓋地層主要為二疊系、三疊系和侏羅系；第二排和第三排構造帶多為新生界覆蓋的隱蔽構造，是常規油氣勘探的重點地區[21]。

準南侏羅系含煤地層從下至上依次包括下侏羅統八道灣組、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，基本無可采煤層。研究目的層位為中侏羅統西山窯組，其分布范圍主要集中在烏魯木齊河以西地區，據前人研究結果可將西山窯組大致分為三段，較厚煤層主要分布在中下部，其沉積環境則以三角洲和濱淺湖為主[22-23]。根據煤炭和煤層氣勘探結果，西山窯組主要煤層發育情況大致如下：頭屯河一帶(硫磺溝地區)共含煤16層，煤層總厚8.36～49.14 m，煤層平均總厚為32.19 m；呼圖壁河至塔西河一帶含煤一般6～12層，煤層總厚21.94～51.87 m，煤層平均總厚為38.22 m；塔西河至瑪納斯河一帶含煤21～40層，煤層總厚25.18～50.18 m，煤層平均總厚為39.62 m。

1.2 區域水文地質

烏魯木齊河以西研究區處于天山北坡低中山區，區內有多條河流自天山流向北部低山丘陵地帶，研究區內主要河流自西向東包括瑪納斯河、清水河、塔西河、呼圖壁河、三屯河、頭屯河和烏魯木齊河(圖1)，整體上隸屬于前人所劃分的瑪納斯河-呼圖壁河和硫磺溝兩個水文地質單元[24]。區域地下水補給主要來自天山冰雪融水和大氣降水，其次來自河流的側向補給，以上升泉及下降泉在山坡低洼處或溝谷旁的形式進行排泄。根據研究區內煤礦勘探地質報告，區內有兩處較大泉群，一處位于塔西河東側小甘溝煤礦南部，該泉群出露地表標高介于+1 680～+1 760 m，泉流量介于5～10 L/s[25]；另一處則位于呼圖壁河西側寬溝煤礦附近，出露地表標高介于+1 300 ～+1 340 m，泉流量則介于0.5～1.0 L/s[26]。由于地勢差異和不同的地下水礦化度，整體上準南地區西山窯組地下水主要流動方向為由南至北，次要方向為由西至東，但在泉群附近地下水明顯呈周圍向中心流動的展布特征(圖2)，因此泉域出露處的高程及流速對于泉域附近的煤儲層壓力具有重要的控制作用[10]。

圖2 準南西山窯組地下水流向及礦化度示意圖

2 西山窯組主要含水層識別與劃分

垂向上，準南地區中新生代地層自上至下可以劃分出5個主要含(隔)水層，具體包括第四系透水不含水層、第四系沖洪積孔隙潛水含水層、中侏羅統西山窯組孔隙裂隙含水層、下侏羅統三工河組相對隔水層和火燒層裂隙透水不含水層，除斷裂影響外，這些含(隔)水層之間相互獨立，縱向上無水力聯系[25]。

對于目標層位中侏羅統西山窯組而言，巖性由礫巖、砂巖、泥巖及煤層組成，該層位孔隙裂隙含水層大面積出露于研究區內，主要接受大氣降水和上覆孔隙潛水的滲漏補給，地下水化學類型有HCO3·Cl-Na、HCO3·SO4-Na、SO4·HCO3-Ca·Na·Mg、HCO3·SO4-Ca·Na·Mg型，礦化度明顯高于第四系含水層，其值介于493.0～3 705.0 mg/L，pH則介于7.75～8.40。根據研究區內所施工的多個煤層氣井鉆探涌漏水情況，共識別出西山窯組內3層主要含水層：Ⅰ西山窯組底部砂巖層，即三工河組頂部至B1煤層之間的砂礫巖段；Ⅱ西山窯組中段次要含煤段底部砂巖層；Ⅲ西山窯組上段不含煤段底部砂巖段(圖3)。具體而言，瑪煤參2井在埋深890、944.6、1 211、1 540 m處的涌漏水量分別為14、62、20、60 m3，該井三工河組和西山窯組、層序I和層序II、層序II和層序III的相應界線深度分別為1 556、1 243、1 040 m[16]；新瑪參3井在埋深830.9、887.9、981.8、1 004.1 m處的涌漏水量分別為40、0.8、30、2.75 m3，該井三工河組和西山窯組、層序I和層序II的界線深度分別為987.8、843 m。結果表明西山窯組內3個主要含水層均與三級層序的底部邊界垂向位置高度吻合，這是由于層序底部具有沖刷面的砂巖往往巖性粒度相對較粗且與下伏高位體系域發育的泥巖段水力聯系較弱，因此這些層位含水性往往相對較強(圖3)。綜上所述，層序地層格架的展布對于準南西山窯組垂向上主要含水層的發育具有一定程度的控制作用。

圖3 準南中侏羅統西山窯組沉積相、層序地層單井柱狀圖與各主要含水層劃分

以高程600 m為基準線，將研究區內各鉆孔西山窯組含水性進行分析，三個主要含水層東西向流動方向和滯水特征如圖4所示。根據以上研究結果，將研究區分為四個富水中心(圖4)，分別位于塔西河、呼圖壁河、三屯河和頭屯河附近，其中鉆孔ZK101和鉆孔ZK404兩個富水中心以呼圖壁河至昌吉河逆斷層為界線。

圖4 準南西山窯組三個主要含水層對比及富水中心識別

3 煤儲層壓力測試結果及控制因素分析

3.1 煤儲層壓力試井結果

準南(特別是硫磺溝以西)地區中侏羅統西山窯組的煤層氣勘探開發程度相對較低，根據中國地質調查局油氣資源調查中心所實施的部分煤層氣井相關數據，其西山窯組主力煤層儲層壓力變化范圍介于2.85～15.18 MPa，平均為8.54 MPa(表1)。參數井西山窯組主力煤層埋深范圍介于396.14～1473.86 m，平均埋深為898.5 m，最淺測試井位于烏魯木齊市西側WXC-1，最深測試井則位于瑪納斯瑪煤參2井。試井數據獲取全部采用注入/壓降法，試井時長一般為注入8～12 h，壓降24 h，共計32～36 h。

3.2 煤儲層壓力與煤層埋深、底板標高之間的關系

通過表1中參數井的煤層埋深及其相應的標高與煤儲層壓力做相關性分析，發現準南中侏羅統西山窯組煤儲層壓力與煤層埋深關系密切，且兩者呈明顯的正相關關系[圖5(a)]，相關系數R2高達0.98，這符合中國煤儲層壓力與埋深變化的一般規律，因此可以根據此關系通過煤層埋深對區域儲層壓力分布進行預測。在煤層埋深396.14～1 473.86 m區間內，煤儲層壓力由2.85 MPa線性上升至15.18 MPa，增加梯度平均為11.7 kPa/m，屬于超壓應力場狀態。另外，準南西山窯組主力煤儲層壓力隨著底板標高升高而呈線性降低趨勢，且平均壓力梯度為12.5 kPa/m[圖5(b)]，儲層壓力低于5 MPa的煤層底板標高均大于+490 m，低儲層壓力的煤層主要位于烏魯木齊河西區。值得注意的是，若儲層壓力降低至0，此時對應的煤層標高為+1 280 m，這與位于呼圖壁河西側寬溝煤礦附近出露地表的泉域標高+1 300～+1 340 m比較接近，表明泉域地下通道對于準南地區局部儲層壓力分布具有重要的控制作用。

表1 準南中侏羅統西山窯組主力煤層煤儲層壓力試井結果

圖5 準南煤田中段西山窯組煤層埋深、煤層標高和儲層壓力的關系

另外，圖5(a)中相關方程的截距為-2.012 4，當煤儲層壓力為0時，對應的煤層埋深為172 m，顯然煤層埋深低于此界線的煤儲層壓力變化則不受限于該線性方程。根據研究區內相關礦井地質報告，距塔西河西岸80～100 m的涼州戶主斜井筒，在埋深191 m(標高1 345.44 m)處時，地下水從東側呈股狀流向底部水倉[27]；另外在塔西河東岸的俊塔主井筒則出現從西側滲水和淋漏，且距河道越近排水量則越大[28]，這說明現代河流的下切作用在一定程度上確實能夠對西山窯組上部地層地下水進行補給。對于研究區西山窯組而言，地面河流最大補給深度在200 m左右，超過此臨界深度，煤儲層壓力變化則主要受控于煤層埋深。據此通過圖5(a)的關系式對準南西山窯組主力煤儲層壓力進行了預測(圖6)，結果表明研究區內主力煤儲層壓力由南向北和由東向西不斷增大。

3.3 煤儲層壓力梯度變化特征及勘探啟示

根據煤儲層壓力梯度大小可以分析煤層所處的壓力狀態，因此該參數相比煤儲層壓力對于煤層氣的勘探開發更有直接指示作用[29]。根據煤層埋深和儲層壓力梯度之間的關系可知[圖7(a)]，兩者呈類拋物線式的關系，即隨著埋深的加大儲層壓力梯度先快速增大后緩慢增大，埋深在800 m以淺兩者關系較為離散，但800 m以深范圍內兩者擬合度明顯提高。儲層壓力與儲層壓力梯度呈較好的正相關關系[圖7(b)]，即儲層壓力梯度低值區對應于低壓力區，而儲層壓力梯度高值區則對應于高壓力區。處于煤儲層正常壓力梯度及其以上的地區分別位于研究區硫磺溝東部、呼圖壁-三屯河深部以及塔西河附近地區。

圖6 準南煤田中段西山窯組主采煤層儲層壓力分布

圖7 準南西山窯組煤層儲層壓力梯度與埋深、儲層壓力之間的關系

圖8 準南地區西山窯組煤層埋深與含氣量的變化關系

另外，由于煤儲層溫度和地層壓力的共同作用，煤層含氣量隨著埋深的增加呈先增大后減小的趨勢，其拐點臨界深度在800 m左右(圖8)。高含氣量值對應的埋深介于700～1 000 m，其中最大含氣量為9.66 m3/t，出現在新瑪參3井，對應的埋深為821.35 m。整體上埋深在700 m以淺，含氣量平均值為2.09 m3/t，埋深為700～1 000 m，含氣量平均值為3.84 m3/t，埋深在1 000～1 411 m，含氣量平均值為3.0 m3/t。根據圖7(a)的關系式可知，煤層埋深在800 m對應的儲層壓力梯度為9.058 kPa/m，埋深在1 000 m對應的儲層壓力梯度為9.558 kPa/m，因此埋深介于800～1 000 m之間的對應為常壓儲層，埋深大于1 000 m以深，儲層壓力梯度增加緩慢。其中高壓儲層(≥11 kPa/m)出現在塔西河附近的瑪煤參2井，對應的煤層埋深為939.88 m。含氣量和儲層壓力是煤層氣勘探中非常重要的兩個關鍵參數，結合以上分析，對于準南地區西山窯組煤層而言，主力煤層埋深介于700～1 000 m之間的區域是含氣量和煤儲層儲層壓力匹配的有利地帶，也是研究區內煤層氣勘探開發的有利埋藏深度。

4 煤儲層壓力和含氣量變化控制下的含氣系統劃分

圖9 新瑪參3井煤層埋深與含氣量的關系及對含氣系統的啟示

多層疊置含氣系統作為多煤層發育地區煤層氣成藏具有的特殊表現形式，由于其對儲層能量的分布和煤層壓裂及合層排采具有一定的指示意義，近年來受到諸多學者的關注[13,30-31]。煤儲層壓力梯度和含氣量變化常被用作劃分垂向含氣系統的兩項重要指標[15]，其中含氣量數據由于容易獲取，可以首先用于判斷研究區內是否存在多個垂向含氣系統。根據新瑪參3井埋深與含氣量的關系可知(圖9)，整體上含氣量隨著埋深增加呈先增加后降低的趨勢，高含氣量值出現在埋深700～1 000 m范圍，其中最大含氣量為9.66 m3/t，對應的埋深為821.35 m。整體上埋深在700 m以淺，含氣量平均值為2.09 m3/t，埋深在700～1 000 m，含氣量平均值為3.84 m3/t，埋深在1 000～1 411 m，含氣量平均值為3.0 m3/t。一方面，含氣量與埋深的關系整體上可以劃分為三個變化段，每一段均是含氣量隨著埋深的增加而增大；另一方面，段與段之間的含氣量并不是隨著埋深的增加而持續增大，中間存在明顯的落差段，指示出研究區內西山窯組中下部垂向上可能存三個不同的壓力(含煤層氣)系統。

4.1 單井含氣系統劃分

根據新瑪參3井巖性柱、煤儲層壓力、含氣量變化和層序地層劃分結果，可將該井西山窯組中下段劃分為3個相對獨立的垂向疊置含氣系統(圖10)，且每個含氣系統內含氣量隨埋深的增加呈由低升高再降低的變化規律，各含氣系統內儲層壓力隨埋深加大持續增大，同時發現三個含氣系統的間隔位置均存在一定厚度的黑色泥巖[圖10(b)、圖10(c)]，由此形成垂向上三個含氣/含水相對獨立的系統，因此準南地區多層疊置含氣系統劃分的關鍵層可以認定為區域上穩定發育的灰黑色泥巖。通過與層序地層劃分的結果相對比，這些穩定發育的黑色泥巖與層序地層的發育關系密切，關鍵層總是發育在最大湖泛面附近或者湖侵晚期，而高含氣量的位置均發生在湖侵體系域早期。值得注意的是，該井呈現的并不是完整西山窯組地層，缺少西山窯組上段，因此對于準南地區整個西山窯組而言，應該存在更多的含氣系統。

4.2 含氣系統對比及沉積控制分析

根據資料調研和研究區內單井含氣系統劃分，結果表明各含氣系統的分割與含煤巖系中具低孔低滲的泥巖層(關鍵層)發育關系密切，而關鍵層的發育又受控于沉積環境。基于對研究區野外露頭觀測和鉆孔巖心描述，總體上可識別出西山窯組中下部兩層穩定發育的泥巖關鍵層。結合層序地層格架和煤層含氣量變化，可將研究區西段西山窯組中下部(層序I和層序II)分為3個含氣系統，東段西山窯組中下部劃分為2個含氣系統(圖11)。究其原因，由于研究區東部博格達山的隆起，導致該地區主要物源供給方向由層序I時的SW向轉變為層序II時的SE向[23]，從而使得研究區東部在層序II時期沉積環境以下三角洲平原為主，同時期研究區西部則過渡為三角洲前緣和濱淺湖，此時由于西部覆水較深，還原性較強，促使發育較多的關鍵層。因此，對于河流-三角洲-湖泊含煤沉積系統而言，發育于三角洲平原環境的垂向含氣系統發育較簡單，而處于三角洲前緣-湖相環境的垂向含氣系統則相對復雜。

圖10 準南新瑪參3井西山窯組煤系疊置含氣系統分析柱狀圖

圖11 準南烏魯木齊-瑪納斯區西山窯組煤系疊置含氣系統對比圖

5 結論

(1)根據準南地區所施工的多個煤層氣井鉆探涌漏水情況，共識別出西山窯組3個主要含水層和平面上對應的4個富水中心，研究發現西山窯組內3個主要含水層均與三級層序的底部邊界垂向位置高度吻合，因此層序地層格架對于西山窯組垂向上主要含水層的發育具有一定程度的控制作用。

(2)準南西山窯組主力煤層埋深范圍介于396.14～1 473.86 m，對應的煤儲層壓力變化范圍則介于2.85～15.18 MPa，平均為8.54 MPa，儲層壓力梯度介于7.55～11.0 kPa/m，平均為9.5 kPa/m。準南主要煤層的儲層壓力及其壓力梯度與煤層埋深均正相關，研究表明泉域地下通道對于準南地區局部儲層壓力分布具有重要的控制作用。整體上主力煤層埋深介于700～1 000 m的區域是含氣量和煤儲層儲層壓力匹配的有利地帶，也是準南煤層氣勘探開發的有利埋藏深度。

(3)根據巖心柱狀、煤儲層壓力、含氣量變化和層序地層劃分結果，將準南西山窯組中下段劃分為2～3個相對獨立的垂向疊置含氣系統，分割各含氣系統的關鍵層是區域內穩定發育的灰黑色泥巖，且關鍵層的發育明顯受控于沉積環境。發育于研究區東側三角洲平原環境的垂向含氣系統發育較簡單，而處于研究區西側三角洲前緣-湖相環境的垂向含氣系統則相對復雜。