大傾角低階煤儲層含氣性分布特征
——以準南煤田烏魯木齊河東礦區西山窯組為例

趙 琛

(新疆煤田地質局一五六煤田地質勘探隊，新疆 830000)

1 煤層氣地質概況

新疆準南煤田烏魯木齊河東礦區位于北天山博格達山北麓，毗鄰烏魯木齊和阜康市。范圍西起烏魯木齊河，東鄰三工河，東西長約42km，南北平均寬約6km，面積約243.5km2。礦區按構造劃分為北部單斜、八道灣向斜北翼、八道灣向斜南翼、白楊河-水磨河四個區塊。研究區位于北天山褶皺帶北緣，準噶爾坳陷區南部之次一級坳陷烏魯木齊山前坳陷的七道灣背斜和八道灣向斜中。研究區內斷層、褶皺較為發育，地層的傾角總體呈現北緩南陡的特點(北部傾角約30°、南部傾角一般為 70°～80°)，區內構造整體呈現“東西分段、南北分帶和上下分層”的特征 (圖1)。區內主要含煤地層為侏羅系下統八道灣組(J1b)、中統西山窯組(J2x)，主要煤層氣儲層為西山窯組的42-43、45號煤層，煤質為低變質的不粘煤、長焰煤。

圖1 河東區綜合地質特征

2 煤層含氣性分布規律

2.1 含氣量分布特征

研究區有12口井取得了煤層含氣性數據，且控制西山窯組的12口井均位于北單斜。雖然取得了比較豐富的含氣量數據，但是由于研究區范圍大，構造單元多，煤層層數多，工作重點不同，因此河東區塊北單斜西山窯組主要研究煤層42-43、45煤層的含氣性數據，其覆蓋較為全面。

研究區西山窯組總體含氣性各煤層控制深度含氣量見表1，由表1可知，西山窯組在深度400m以淺含氣性差，不具備煤層氣開采價值，在400～1152.3m煤層空氣干燥基含氣量1.64～12.53m3/t。除了MDC-6井因受斷層影響，所鉆遇14、15-17、18-19、20-22號煤層含氣量均低于1m3/t以外，其余煤層含氣量均大于1m3/t。MDC-2井鉆遇37-39、41、42號煤層含氣量均大于10m3/t，屬欠壓過飽和儲層，背離了研究區整體含氣性規律，經分析研究，認為該井鉆遇過飽和儲層屬于構造斷裂帶引起的局部煤層氣聚集，不代表研究區整體含氣情況。

表1 西山窯組各可采煤層含氣量特征

續表

續表

如圖2所示，研究區煤層氣體成分中CH4含量在58.89%～89.92%，其中MDC-9井42-43號煤層與MDC-10井37-39號煤層氣體成分中CH4含量平均值分別為58.89%與77.12%，其他煤層CH4含量均在80%以上。從整個河東礦區看，北單斜煤層氣成分較好。

圖2 各氣體組分含量與埋深關系

2.2 含氣飽和度分布特征

煤層氣在煤層中賦存的形態主要包括游離態、吸附態和溶解態，其中吸附氣占90%以上，主要成分為甲烷，占80%以上。因此，定量研究煤層甲烷儲集條件的重要指標即為煤吸附甲烷的性能，它能從多方面反映出煤巖溫度、壓力、煤質等條件對煤吸附能力的影響。

當溫度恒定時，煤巖對甲烷的吸附量服從Langmuir等溫方程：

V=VL×P/(PL+P)

式中：V為壓力P下單位質量固體所吸附的氣體體積，m3/t；VL為蘭氏體積，m3/t；PL為蘭氏壓力，MPa；P為氣體壓力，MPa。

蘭氏體積可以反映出煤吸附能力的大小，一般吸附性能越好，數值越大。蘭氏壓力是影響等溫吸附曲線形態的參數，代表的是當吸附量達到二分之一蘭氏體積時的壓力，當煤層中吸附氣體解吸越容易時，該指標越大，開發就越有利。

通過對西山窯組可采煤層所采集的100個樣品進行等溫吸附測試，測試結果表明：

西山窯組煤層空氣干燥基蘭氏體積為9.76～27.74m3/t，平均17.14m3/t，表明煤層具有中等-較強的儲氣能力(圖3)。除了2-3、4-5、27、40號煤層空氣干燥基蘭氏體積小于15m3/t，儲氣能力較低以外，其余煤層空氣干燥基蘭氏體積平均值基本都在15～21.73m3/t，儲氣能力中等至較強；蘭氏壓力1.84～4.85MPa，平均3.13MPa，各煤層蘭氏壓力平均值均在2.22～3.65MPa，蘭氏壓力較高，反映了煤層氣較易解吸，對煤層氣的開發較為有利。同一煤層不同深度、不同采樣位置，等溫吸附參數差別不大；同一口井內不同煤層隨深度增加蘭氏體積和蘭氏壓力均無明顯變化規律可循。

圖3 河東區西山窯組煤層蘭氏體積對比

西山窯組煤層含氣飽和度隨埋深整體上呈現出先增大后減小的趨勢，表現為埋深在550m～750m時，煤層儲氣效果最好(圖4)。

圖4 西山窯組埋深與含氣飽和度關系

3 研究區煤層含氣性地質影響因素

3.1 封蓋層

煤層頂底板巖性是影響煤層的封蓋條件的重要因素，也是封堵煤層氣的第一道屏障，從封閉性能上來看，粒度越細封閉性越好(表2)，按照巖性粒度大小及其對氣體的封閉能力，可以把煤層頂底板巖性組合劃歸為兩類：粗碎屑巖、細碎屑巖。礫巖及粗砂巖、中砂巖等各種砂巖歸類到粗碎屑巖，粉砂巖、泥巖、細砂巖及其互層歸類為細碎屑巖。

表2 烏魯木齊河東礦區西山窯組主要煤層頂底板巖性厚度統計結果

從統計結果可以看出，河東礦區西山窯組43煤在北單斜、向斜北翼、向斜南翼頂底板巖性大多以細碎屑巖為主，占50%以上；垂向上西山窯組煤組目標煤層頂底板巖性的封閉性較好。

根據煤田地質資料西山窯組煤層頂底板巖性主要以粉砂巖為主，其次是泥巖、炭質泥巖、細砂巖，個別鉆孔揭露的煤層頂底板巖性為中砂巖、礫巖、燒變巖。通過對八道灣組15煤層頂底板，西山窯組4-5、6-9、10-12、20-22、25-26、37-39、40、41、42-43、45煤層頂底板進行了巖石力學性質采樣分析，分析結果顯示研究區煤系地層各煤層頂底板以細碎屑巖為主，頂底板封閉性能好。結合儲量區內的煤田鉆孔取心資料與煤層氣井測井資料，現將目標煤層42-43、45號煤層的頂底板巖性敘述如下：

揭露42-43號(北單斜為43號)煤層的鉆孔共計126個，均見到頂底板，有效頂底板數均為126個，其中僅一個鉆孔見到的頂板巖性為礫巖屬粗碎屑巖，其余均為細碎屑巖；底板巖性均為細碎屑巖。

揭露45號煤層的鉆孔共計110個，有兩個鉆孔一個未見頂板，另一個未見底板，有效頂板數和底板數均為119個，其中3個鉆孔見到的頂板巖性為燒變巖，其余均為細碎屑巖；1個鉆孔見到的頂板巖性為角礫巖屬粗碎屑巖，其余均為細碎屑巖。

綜上，西山窯煤層頂底板巖性均以細碎屑巖為主，有利于煤層氣的富集、成藏和保存，同時也有利于煤層氣的抽采，具備很好的封蓋條件。

3.2 埋深

如圖5所示，除了MDC-2井屬于局部煤層氣突出聚集，MDC-6井全部鉆遇煤層無煤層氣賦存外，其他煤層含氣量與埋深均有較大聯系，且相關性較好，說明煤層埋深是影響含氣量的主控因素。

圖5 西山窯組各煤層含氣量與埋深關系

整體趨勢是西山窯組煤層氣1.00m3/t埋深為400m，400m以淺煤層封存條件較差，煤層氣逸散；在埋深400～800m范圍內，煤層氣含氣量隨埋深增大而增加，雖然不同控制線上煤層含氣量隨埋深增加的幅度略有差別，但總體趨勢一致。西山窯組煤層含氣量與埋深相關性見圖5相關方程式，相關性系數R2=0.655。整體含氣性呈現出“駝峰”狀，300～800m埋深含氣性隨深度而增加，800～1100m以深整體含性隨深度增加而緩慢降低，1200m以深缺乏控制。

綜上，分析北單斜西山窯組煤儲層不同深度含氣量特征的成因可能是由生物成因氣與熱成因氣、露頭逸散三重因素疊加的結果，總體呈現出淺部逸散、中部疊加、深部為熱成因氣為主的特點。

3.3 構造條件

通過分析對比初步證實3處構造對煤層的含氣性產生了影響。

(1)北單斜南側F2(碗窯溝逆斷層)對煤層含氣性影響較小。F2斷層沿北單斜地層走向展布，北單斜最主要的42-43、45煤層的空間展布受其控制。研究區的43、45煤層點大多位于該斷層邊緣，其含氣性均未受到明顯的不利影響。

(2)與地層傾角相近的逆斷層(F8)斷裂帶，對臨近煤層有明顯不利影響。MDC-6及MDCS-5井較好的印證了這個問題。MDC-6井深955m，在剖面上由上至下逐漸靠近該斷層，鉆遇的10至22號煤層均幾乎不含氣(0.04～0.34m2/t)，受此斷層影響的MDCS-5井在1073～1121m段含氣量也有比較明顯的下降。

(3)位于11-15勘查線附近的兩個逆斷層F7-2、F7-3之間斷塊及斷層周邊有煤層氣富集現象。在前期資料收集和走訪調查過程中，了解到原新建煤礦石門曾穿越42、41兩個煤層，發現煤層氣涌出量巨大，無法進行開采，最終封閉處理。MDC-2井控制了該區域，探獲煤層含氣量均明顯高于其它區域，經測試37-39、41、42煤層均為欠壓、過飽和儲層。說明儲層孔裂隙存在大量游離態氣體。

4 結論

(1)西山窯組在深度400m以淺含氣性差，不具備煤層氣開采價值，在400～1152.3m煤層空氣干燥基含氣量1.64～12.53m3/t。煤層氣體成分中CH4含量在58.89%～89.92%。

(2)研究區整體含氣性呈現出“駝峰”狀，300～800m埋深含氣性隨深度而增加，800～1100m以深整體含性隨深度增加而緩慢降低，1200m以深缺乏控制。

(3)西山窯煤層頂底板巖性均以細碎屑巖為主，有利于煤層氣的富集、成藏和保存，同時也有利于煤層氣的抽采，具備很好的封蓋條件。

(4)構造條件對含氣性影響規律較為復雜，北單斜南側F2(碗窯溝逆斷層)對煤層含氣性影響較小。而與地層傾角相近的逆斷層(F8)斷裂帶，對臨近煤層有明顯不利影響。