准南煤田煤层气赋存特征分析

祁 斌

(中国煤炭地质总局广东煤炭地质局勘查院，广东 510440)

1 区域地质特征

准南煤田从东向西划为吉木萨尔水西沟矿区、阜康矿区、乌鲁木齐矿区、玛纳斯矿区、四棵树矿区。据《新疆地区煤层气资源动态评价》成果，准南煤田煤层气潜在资源总量为0.95×1012m3。

准南煤田大地构造位于一级构造单元天山～兴蒙褶皱系下的二级构造单元-天山褶皱带北部中央部位。该褶皱带北以准噶尔坳陷接壤，南以博罗科努～阿其库都克超岩石圈断裂为界，呈近东西向展布，南北宽约200km。其断裂主要为压性，褶皱均以复背斜形式展现，东部构造形迹呈波浪起伏。区域构造包括天山褶皱带两个次一级构造，即三级构造单元乌鲁木齐山前坳陷及伊连哈比尔尕复背斜。盆地基底形态具有隆凹相间、南北分带、东西分块的构造格局。

2 含煤地层及煤层

准南煤田含煤地层为侏罗系八道湾组西山窑组，阜康大黄山、水磨河和大浦沟煤层主要赋存于八道湾组，其余矿区主要煤层赋存于西山窑组。

八道湾组地层厚度约245～1030m，含煤2～33层，单层可采厚度一般为2～69.8m，煤层总厚度最大可达100m左右(甘河子-大黄山一带)。煤层结构简单-较简单，局部为复杂结构，含夹矸为0～8层，一般为炭质泥岩、粉砂岩。煤层属稳定到较稳定煤层，局部为不稳定煤层。煤层顶底板以粉砂岩、细砂岩为主。变质阶段Ⅰ～Ⅱ级，以长焰煤和弱粘煤为主，局部地区(甘河子-大黄山一带)为气煤和1/3焦煤。

西山窑组地层厚度约140～1000m，含煤4～56层，单层可采厚度一般为8.5～60m，煤层总厚度最大可达184m左右(乌鲁木齐七道湾煤矿)。煤层结构简单-较简单，局部复杂。煤层顶底板岩性泥岩、粉砂岩为主，局部为细砂岩。变质阶段Ⅰ～Ⅱ级，以长焰煤和弱粘煤为主。

准南煤田各矿区煤层赋存普遍具有大倾角、多煤层、厚煤层特点，部分矿区浅部火烧发育。以阜康矿区为例，矿区位于准噶尔坳陷区以南的黄山-二工河向斜北翼，总体上构造为地层南倾的单斜构造，走向为近东西向，地层倾角30°～58°，平均为46°。主要含煤地层为下侏罗统八道湾组，含煤11层，主要可采煤层4层，分别为39、41、42和44号煤层，煤层平均总厚分别为13.4、7.7、17.8和18.2m，煤层平均间距15～50m。

阜康矿区主要煤层因自燃严重，地表上在示范区北部形成了一条近东西向的烧变岩带。据钻探验证和磁法勘探的结果，区内煤层自燃形成的烧变岩深度大部地段在垂深200～550m左右，最大垂深700m左右。

3 煤层气赋存特征

3.1 煤岩煤质特征

(1)煤岩特征

物理性质与宏观煤岩组成：整个煤田物理性质相近，颜色均为黑色，条痕为黑褐色；结构多为均一状、条带状或线理状，煤田中部见有叶片状和透镜状；沥青光泽、油脂光泽和弱玻璃体光泽；大多数节理发育，常见黄铁矿和方解石填充于裂隙之中；断口多样：东部常是平坦状和参差状，偶见眼球状；中部为平坦状、参差状和锯齿状较多；西部以贝壳状和平坦状为主。八道湾组煤层以光亮型为主，半亮型次之；西山窑组煤层以半亮型为主，光亮型次之。

显微组分：除头屯河一带西山窑组下部煤层外，准南煤田煤层显微组分均以镜质组分占绝大多数，在65%以上。镜质组中多以无结构镜质体中的基质镜质体为主。

(2)煤质特征

准南煤田八道湾组煤层RO值在0.55%～0.84%之间，西山窑组煤层RO值在0.41%～0.78%之间。平面上，东部、乌鲁木齐矿区RO值较高，向西有变小的趋势；垂向上，随着煤层埋深的增加，RO值有增大的趋势。准南煤田各矿区煤类主要为弱粘煤、不粘煤和长焰煤，局部变质程度稍高， 为气煤和1/3焦煤 (甘河子-大黄山一带)。

3.2 煤体结构特征

以往井下观测发现，霍尔果斯河-三屯河区段的呼图壁矿区以原生结构煤层为主，三屯河-乌鲁木齐河区段的硫磺沟煤矿为原生结构煤层，乌鲁木齐河-四工河区段的六道湾煤矿为碎裂结构-糜棱结构，大黄山煤矿区以碎裂结构-糜棱结构煤层为主。

根据收集的以往宏观裂隙观测样品资料可知，八道湾组煤层裂隙比西山窑组煤层裂隙发育，长度和高度大，而且频率高，见表1。

本区煤层裂隙相对发育，表现在裂隙横向上延伸远，纵向上切穿煤层高度大。一般都有两组相互垂直或近似于垂直的裂隙发育，长度可达几十厘米，高度也可达到几厘米或几十厘米。部分构造煤为碎裂结构，裂隙发育，裂隙未被矿物质充填，所以说裂隙是开放性的，增加了煤层的渗透性，如大浦沟煤矿，煤体结构多为碎裂结构，煤矿构造断裂发育，正断层比比皆是；另一部分构造煤受强烈构造挤压，地层发生褶皱，煤层成陡立状，严重揉皱为糜棱结构，如大黄山煤矿。

3.3 煤层孔隙特征

在以往煤层气勘探工作中，对主要目的煤层进行采样测试显示， 煤层样品的比表面积为1.44 m2/g～1.78m2/g ，总孔体积为0.46 m2/g～0.59cm3/g，平均孔直径108.8 nm～158.8nm，一般光亮煤、半亮煤的孔容大于半暗煤。

对准南煤田部分矿区样品进行压汞实验以测定孔隙结构参数，试验结果表明煤的孔容在0.043～0.145cm3/g之间，煤的孔隙结构为裂隙-孔隙型、孔隙型。吸附表面积的微孔占总孔隙的44.2%，吸附能力较强。

表1 煤的裂隙观测结果表

3.4 煤的吸附性

从试验数据统计分析，吸附性能阜康矿区八道湾组煤层最好，河东矿区次之；开采性能河东矿区最好，阜康矿区次之(表2)。

3.5 含气性

煤层气含气量评述采用近几年来各矿区煤层气勘探开发数据。

(1)霍尔果斯河-三屯河区段

据在此区域施工的煤层气生产试验井-昌试1井和昌试2井，对侏罗系西山窑组主力煤层进行了测试，昌试1井主要煤层含气量3.4～4.9m3/t，平均3.7m3/t，气测全烃值为2.2%～6.1%；昌试2井主要煤层含气量5.0～5.1m3/t，平均5.06m3/t，气测全烃值为3.9%～9.3%。

(2)乌鲁木齐河-四工河区段

乌鲁木齐河东矿区气含量资料较丰富，煤层含气量随埋深的增加而增大，且相关性很好，煤层埋深是影响含气量的主控因素。

主力煤层42-43号煤层空气干燥基含气量1.4～15.5m3/t，平均8.4m3/t；45号煤层空气干燥基含气量1.8～13.5m3/t，平均6.8m3/t。在一定程度上表现出平面上西部含气量高，东部含气量低的特征(表3)。

表3 河东主力煤层煤层气成分测试结果表

表4 阜康矿区主力煤层含气量拟合表

(3)四工河-大黄山区段

近年来，阜康矿区先后进行了参数井、小井网和示范工程施工，对侏罗系八道湾组主要煤层煤层进行了含气量测试，获得较好的成果。 根据测井资料、煤炭简易瓦斯数据以及矿区煤层气采样测试数据，将采样测试数据与煤层灰分、伽马、密度和埋深进行拟合的结果表明，阜康矿区煤层含气量主要受深度影响，随着深度增加煤层含气量不断增加，而且随着深度的增加含气量增加的梯度变缓(表4)。

(4)吉木萨尔水西沟煤矿区

水西沟矿区煤类主要为41CY，据水西沟矿区施工煤层气参数井采样测试结果，主要煤层含气量平均为3.77～5.51 m3/t。

3.6 气成分

准南煤田阜康矿区和乌鲁木齐河东矿区施工了煤层气生产井，据采样测试成果显示，阜康矿区主力煤层CH4含量平均为77.24%～87.39%，井口气CH4含量平均为77.24%；河东矿区主力煤层CH4含量平均为59.95%～74.12%，井口气CH4含量平均为64.81%～82.46%。

图1 河东矿区WS-1、WS-2井井口气成分对比图

在煤层气排采阶段，阜康矿区井口气成分一直比较稳定。而河东矿区随着排采工作的进行，CH4含量逐渐降低，CO2含量逐步升高(图1)。说明CH4先于CO2产出，CO2的吸附性强于CH4。随着排采的进行，CH4浓度的降低幅度和CO2浓度的升高幅度明显小于前期，推测排采稳定后该区CH4含量最低值可能在60%左右，CO2含量最高值可能在30%左右(表5)。

表5 主要矿区主力煤层气成分测试成果表

3.7 储层压力

煤储层压力是指煤层孔隙-裂隙空间中的流体(包括气体和水)压力，表示地层能量的大小，对煤层气含量、气体赋存状态起着重要作用，对煤层气的储集和产出速率亦有很大影响。储层压力越高、临界解吸压力越大、有效地应力越小，煤层气的解吸-扩散-渗流过程进行得越彻底，表现为采收率增大，气井产能增大。现实中，受煤层埋藏深度、地应力及水文地质条件等因素的影响，原始煤储层压力差别较大。一般用压力梯度去衡量储层压力的大小，准南煤田煤层气井储层压力测试显示，储层压力梯度一般为0.76～0.98 MPa/100m，表明各矿区储层多为低压储层，局部为正常压力储层。

3.8 储层渗透性

目前，获得煤储层渗透率的主要方法是通过注入/压降试井试验获得。阜康矿区主要煤层渗透率普遍在0.0045～0.35mD之间，FC-1井42号煤层测试结果为7.30mD，FS-24井39号煤层测试结果为4.23mD；河东矿区主要煤层渗透率普遍在0.003～0.14mD之间，WC-1井41、43、45号煤层测试结果分别为13.48mD、2.81mD、2.86mD。

赵庆波(1999)根据渗透率的不同，对煤储层渗透性划分如下：高渗(大于5mD)、较高渗(0.5～5mD)、中渗(0.1～0.5mD)、低渗(小于0.1mD)。据此标准，准南煤田主要矿区主力煤层普遍为低-中等渗透性，局部为较高-高渗透性。

煤储层的渗透率在煤层气开发过程中，会发生相应的变化。据试验研究，高压阶段，随着压力下降，渗透率降低；当压力降到一定程度时，煤层解吸气量增加，煤层基质收缩率增大，煤层渗透率开始升高，因此，排采过程中，如果在工程措施、排采制度等方面恰当的情况下，随着煤储层压力不断下降，煤层气不断产出，其渗透率会不断变好。

3.9 煤层气保存条件

准南煤田煤层顶底板岩性组合多为以下几种：砂岩、粉砂岩、泥岩等。从封闭性能上，粒度越细，封闭性越好。

按照岩性粒度大小及其对气体的封闭能力，把煤层顶底板岩性组合划分为粗碎屑岩和细碎屑岩。准南煤田主要矿区主力煤层的顶底板岩性按粗碎屑岩、细碎屑岩统计结果见图2、图3。

图2 准南煤田各区煤层顶板岩性比例示意图

图3 准南煤田各区煤层底板岩性比例示意图

全区顶板为细碎屑岩类的煤层比例在62%以上，其中以水西沟矿区最高，可达91%；全区底板为细碎屑岩类的煤层比例在75%以上，其中以乌鲁木齐河-四工河最高达到100%。

从顶底板岩性分析，利于煤层气的保存。但是准备煤田地层倾角大，浅部煤层火烧严重，又不利于煤层气保存。