大倾角低阶煤储层含气性分布特征——以准南煤田乌鲁木齐河东矿区西山窑组为例

赵 琛

(新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队，新疆 830000)

1 煤层气地质概况

新疆准南煤田乌鲁木齐河东矿区位于北天山博格达山北麓，毗邻乌鲁木齐和阜康市。范围西起乌鲁木齐河，东邻三工河，东西长约42km，南北平均宽约6km，面积约243.5km2。矿区按构造划分为北部单斜、八道湾向斜北翼、八道湾向斜南翼、白杨河-水磨河四个区块。研究区位于北天山褶皱带北缘，准噶尔坳陷区南部之次一级坳陷乌鲁木齐山前坳陷的七道湾背斜和八道湾向斜中。研究区内断层、褶皱较为发育，地层的倾角总体呈现北缓南陡的特点(北部倾角约30°、南部倾角一般为 70°～80°)，区内构造整体呈现“东西分段、南北分带和上下分层”的特征 (图1)。区内主要含煤地层为侏罗系下统八道湾组(J1b)、中统西山窑组(J2x)，主要煤层气储层为西山窑组的42-43、45号煤层，煤质为低变质的不粘煤、长焰煤。

图1 河东区综合地质特征

2 煤层含气性分布规律

2.1 含气量分布特征

研究区有12口井取得了煤层含气性数据，且控制西山窑组的12口井均位于北单斜。虽然取得了比较丰富的含气量数据，但是由于研究区范围大，构造单元多，煤层层数多，工作重点不同，因此河东区块北单斜西山窑组主要研究煤层42-43、45煤层的含气性数据，其覆盖较为全面。

研究区西山窑组总体含气性各煤层控制深度含气量见表1，由表1可知，西山窑组在深度400m以浅含气性差，不具备煤层气开采价值，在400～1152.3m煤层空气干燥基含气量1.64～12.53m3/t。除了MDC-6井因受断层影响，所钻遇14、15-17、18-19、20-22号煤层含气量均低于1m3/t以外，其余煤层含气量均大于1m3/t。MDC-2井钻遇37-39、41、42号煤层含气量均大于10m3/t，属欠压过饱和储层，背离了研究区整体含气性规律，经分析研究，认为该井钻遇过饱和储层属于构造断裂带引起的局部煤层气聚集，不代表研究区整体含气情况。

表1 西山窑组各可采煤层含气量特征

续表

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如图2所示，研究区煤层气体成分中CH4含量在58.89%～89.92%，其中MDC-9井42-43号煤层与MDC-10井37-39号煤层气体成分中CH4含量平均值分别为58.89%与77.12%，其他煤层CH4含量均在80%以上。从整个河东矿区看，北单斜煤层气成分较好。

图2 各气体组分含量与埋深关系

2.2 含气饱和度分布特征

煤层气在煤层中赋存的形态主要包括游离态、吸附态和溶解态，其中吸附气占90%以上，主要成分为甲烷，占80%以上。因此，定量研究煤层甲烷储集条件的重要指标即为煤吸附甲烷的性能，它能从多方面反映出煤岩温度、压力、煤质等条件对煤吸附能力的影响。

当温度恒定时，煤岩对甲烷的吸附量服从Langmuir等温方程：

V=VL×P/(PL+P)

式中：V为压力P下单位质量固体所吸附的气体体积，m3/t；VL为兰氏体积，m3/t；PL为兰氏压力，MPa；P为气体压力，MPa。

兰氏体积可以反映出煤吸附能力的大小，一般吸附性能越好，数值越大。兰氏压力是影响等温吸附曲线形态的参数，代表的是当吸附量达到二分之一兰氏体积时的压力，当煤层中吸附气体解吸越容易时，该指标越大，开发就越有利。

通过对西山窑组可采煤层所采集的100个样品进行等温吸附测试，测试结果表明：

西山窑组煤层空气干燥基兰氏体积为9.76～27.74m3/t，平均17.14m3/t，表明煤层具有中等-较强的储气能力(图3)。除了2-3、4-5、27、40号煤层空气干燥基兰氏体积小于15m3/t，储气能力较低以外，其余煤层空气干燥基兰氏体积平均值基本都在15～21.73m3/t，储气能力中等至较强；兰氏压力1.84～4.85MPa，平均3.13MPa，各煤层兰氏压力平均值均在2.22～3.65MPa，兰氏压力较高，反映了煤层气较易解吸，对煤层气的开发较为有利。同一煤层不同深度、不同采样位置，等温吸附参数差别不大；同一口井内不同煤层随深度增加兰氏体积和兰氏压力均无明显变化规律可循。

图3 河东区西山窑组煤层兰氏体积对比

西山窑组煤层含气饱和度随埋深整体上呈现出先增大后减小的趋势，表现为埋深在550m～750m时，煤层储气效果最好(图4)。

图4 西山窑组埋深与含气饱和度关系

3 研究区煤层含气性地质影响因素

3.1 封盖层

煤层顶底板岩性是影响煤层的封盖条件的重要因素，也是封堵煤层气的第一道屏障，从封闭性能上来看，粒度越细封闭性越好(表2)，按照岩性粒度大小及其对气体的封闭能力，可以把煤层顶底板岩性组合划归为两类：粗碎屑岩、细碎屑岩。砾岩及粗砂岩、中砂岩等各种砂岩归类到粗碎屑岩，粉砂岩、泥岩、细砂岩及其互层归类为细碎屑岩。

表2 乌鲁木齐河东矿区西山窑组主要煤层顶底板岩性厚度统计结果

从统计结果可以看出，河东矿区西山窑组43煤在北单斜、向斜北翼、向斜南翼顶底板岩性大多以细碎屑岩为主，占50%以上；垂向上西山窑组煤组目标煤层顶底板岩性的封闭性较好。

根据煤田地质资料西山窑组煤层顶底板岩性主要以粉砂岩为主，其次是泥岩、炭质泥岩、细砂岩，个别钻孔揭露的煤层顶底板岩性为中砂岩、砾岩、烧变岩。通过对八道湾组15煤层顶底板，西山窑组4-5、6-9、10-12、20-22、25-26、37-39、40、41、42-43、45煤层顶底板进行了岩石力学性质采样分析，分析结果显示研究区煤系地层各煤层顶底板以细碎屑岩为主，顶底板封闭性能好。结合储量区内的煤田钻孔取心资料与煤层气井测井资料，现将目标煤层42-43、45号煤层的顶底板岩性叙述如下：

揭露42-43号(北单斜为43号)煤层的钻孔共计126个，均见到顶底板，有效顶底板数均为126个，其中仅一个钻孔见到的顶板岩性为砾岩属粗碎屑岩，其余均为细碎屑岩；底板岩性均为细碎屑岩。

揭露45号煤层的钻孔共计110个，有两个钻孔一个未见顶板，另一个未见底板，有效顶板数和底板数均为119个，其中3个钻孔见到的顶板岩性为烧变岩，其余均为细碎屑岩；1个钻孔见到的顶板岩性为角砾岩属粗碎屑岩，其余均为细碎屑岩。

综上，西山窑煤层顶底板岩性均以细碎屑岩为主，有利于煤层气的富集、成藏和保存，同时也有利于煤层气的抽采，具备很好的封盖条件。

3.2 埋深

如图5所示，除了MDC-2井属于局部煤层气突出聚集，MDC-6井全部钻遇煤层无煤层气赋存外，其他煤层含气量与埋深均有较大联系，且相关性较好，说明煤层埋深是影响含气量的主控因素。

图5 西山窑组各煤层含气量与埋深关系

整体趋势是西山窑组煤层气1.00m3/t埋深为400m，400m以浅煤层封存条件较差，煤层气逸散；在埋深400～800m范围内，煤层气含气量随埋深增大而增加，虽然不同控制线上煤层含气量随埋深增加的幅度略有差别，但总体趋势一致。西山窑组煤层含气量与埋深相关性见图5相关方程式，相关性系数R2=0.655。整体含气性呈现出“驼峰”状，300～800m埋深含气性随深度而增加，800～1100m以深整体含性随深度增加而缓慢降低，1200m以深缺乏控制。

综上，分析北单斜西山窑组煤储层不同深度含气量特征的成因可能是由生物成因气与热成因气、露头逸散三重因素叠加的结果，总体呈现出浅部逸散、中部叠加、深部为热成因气为主的特点。

3.3 构造条件

通过分析对比初步证实3处构造对煤层的含气性产生了影响。

(1)北单斜南侧F2(碗窑沟逆断层)对煤层含气性影响较小。F2断层沿北单斜地层走向展布，北单斜最主要的42-43、45煤层的空间展布受其控制。研究区的43、45煤层点大多位于该断层边缘，其含气性均未受到明显的不利影响。

(2)与地层倾角相近的逆断层(F8)断裂带，对临近煤层有明显不利影响。MDC-6及MDCS-5井较好的印证了这个问题。MDC-6井深955m，在剖面上由上至下逐渐靠近该断层，钻遇的10至22号煤层均几乎不含气(0.04～0.34m2/t)，受此断层影响的MDCS-5井在1073～1121m段含气量也有比较明显的下降。

(3)位于11-15勘查线附近的两个逆断层F7-2、F7-3之间断块及断层周边有煤层气富集现象。在前期资料收集和走访调查过程中，了解到原新建煤矿石门曾穿越42、41两个煤层，发现煤层气涌出量巨大，无法进行开采，最终封闭处理。MDC-2井控制了该区域，探获煤层含气量均明显高于其它区域，经测试37-39、41、42煤层均为欠压、过饱和储层。说明储层孔裂隙存在大量游离态气体。

4 结论

(1)西山窑组在深度400m以浅含气性差，不具备煤层气开采价值，在400～1152.3m煤层空气干燥基含气量1.64～12.53m3/t。煤层气体成分中CH4含量在58.89%～89.92%。

(2)研究区整体含气性呈现出“驼峰”状，300～800m埋深含气性随深度而增加，800～1100m以深整体含性随深度增加而缓慢降低，1200m以深缺乏控制。

(3)西山窑煤层顶底板岩性均以细碎屑岩为主，有利于煤层气的富集、成藏和保存，同时也有利于煤层气的抽采，具备很好的封盖条件。

(4)构造条件对含气性影响规律较为复杂，北单斜南侧F2(碗窑沟逆断层)对煤层含气性影响较小。而与地层倾角相近的逆断层(F8)断裂带，对临近煤层有明显不利影响。