后峡盆地复杂构造煤层气成藏主控因素

涂志民 闻星宇 李鹏 吴鹏 蒲仁海 闫肃杰 李慧琼

摘 要：新疆后峡盆地侏罗系西山窑组煤层厚20～80 m，经历了强烈构造改造，浅于1 000 m的不同井煤层气含量和产能变化大。为解决煤层气控藏因素问题，开展二维地震构造解释和演化研究，应用叠前地震波阻抗反演预测含气量，分析构造对煤层气成藏的关系。结果表明：燕山和喜山两期冲断造山构造运动使气藏遭受不同程度的破坏，中低阶煤先深后浅演化和压力降低导致煤层吸附气含气饱和度普遍偏低，但由于煤储层对游离气的密闭条件不同，导致含气量变化较大，且含气量与单井产能呈明显的正相关；煤层气成因和包含游离气和吸附气的含气量随构造单元、埋深和地层产状等变化而变化；含气量介于7～13 m3/t区域以保存好的热成因气-混合气为主，主要分布在埋深900～2 500 m凹陷；含气量小于4 m3/t地区分布在盆地边缘斜坡和凸起构造上，以次生生物气为主；含气量介于4～7 m3/t区域分布在以上二者之间的过渡区；在倾角3°～7°的缓坡含气量高，倾角20°～30°的陡坡或大断距断裂带含气量低。复杂构造对煤层气富集起决定性控制作用并对勘探开发具有重要的参考意义。

关键词：冲断构造；煤层气；成因；含气量；地震识别

中图分类号：P618.11

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2024）03-0501-11

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0310开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Main controlling factors of complex structures coalbed methane

accumulation in Houxia Basin

TU Zhimin1，2，WEN Xingyu3，LI Peng1，2，WU Peng1，2，PU Renhai3，YAN Sujie3，LI Huiqiong3

（1.PetroChina Coalbed Methane Co.，Ltd.，Beijing 100028，China;

2.National Engineering Research Center of China United Coalbed Methane Co.，Ltd.，Beijing 100095，China；

3.Department of Geology，Northwest University，Xian 710069，China）

Abstract：The coal seam of Jurassic Xishanyao Formation in Houxia Basin，Xinjiang is generally 20～80 m thick.Due to the strong tectonic transformation of the intermountain basin，the content of coalbed methane and productivity of different wells shallower than 1 000 m vary greatly.In order to solve the problem of the control factors on coalbed methane，we carried out two-dimensional seismic structural interpretation and evolution research，and applied prestack seismic wave impedance inversion to predict gas content，and analyzed the relationship between structure and coalbed methane accumulation.The results show that the Yanshan and Himalayan thrust tectonic movements have caused gas reservoirs to suffer different degrees of damage.The evolution of medium and low rank coal from deep to shallow and the decrease of pressure lead to the generally low gas saturation of adsorbed gas in coal seams.However，due to the different sealing conditions of coal reservoirs for free gas，the gas content changes greatly，and is positively correlated with the single well productivity.The genesis of coalbed methane and the gas content including free gas and adsorbed gas change with the variation of tectonic unit，burial depth and formation occurrence.The gas content in the area of 7～13  m3/t is mainly composed of well-preserved thermogenic gas-mixed gas，which is mainly distributed in the

depression with the

buried depth of 900～2 500 m.The areas with the gas content of less than 4 m3/t are distributed on the slope and convex structure of the basin edge，mainly secondary biogas.The gas content between 4～7 m3/t is distributed in the transition zone between the above two.The gas content is high in the gentle slope with a dip angle of 3～7 degrees，and the gas content is low in the steep slope or large fault zone with a dip angle of 20～30 degrees.These complex structures play a decisive role in controlling the enrichment of coalbed methane and has important reference significance for exploration and development.

Key words：thrust structures;coalbed methane;genesis;gas content;seismic identification

0 引 言

中国中西部侏罗系煤盆被分割成现今的造山带和盆地两部分，造山带中的侏罗系煤层气与盆地内部的侏罗系煤层气均包含中阶煤热成因气，但二者经历的构造改造差异很大，煤层气的成因类型和含气量控制因素也明显不同。造山带的煤层气含量受构造破坏作用和第四纪新生生物气影响大，随构造次级单元的埋深、产状、形态等变化

而变化，而盆地内的煤层气破坏弱，保存相对较好。

煤层气成藏受煤层厚度、组份、埋深、热力和生物作用等多种因素控制，与煤层气成因类型有关[1-3]。当煤层气藏为简单斜坡构造时，成因较单一，控藏要素也相对简单，含气量和产能主要受煤阶、深度和水位等因素控制。不同学者从不同的角度进行了大量研究。田文广等认为鄂尔多斯盆地东缘低缓斜坡的侏罗系在浅层为典型生物气成因，西部合水-宁县的深层为典型热成因气[4]；王勃等以典型含气盆地为例，探讨了高、低煤阶煤层气的构造控气和水文地质控气作用的差异，并认为埋深先深后浅的煤层以混合气和次生生物气为主[5]；孙平、涂志民、陈振宏、XIA、梁兴等分析了典型盆地煤层气富集特征及成藏机制，认为煤层气有时在背斜富集、有时在向斜富集、有时则在斜坡富集，地层倾角缓时更有利[6-10]；当盆地经历复杂冲断褶皱时，煤层气成因类型与甜点分布会变得更为复杂。

不同盆地的高、低阶煤层都钻出了高产煤层气井[11-12]。从构造对煤层气富集的控制来看，尽管煤层气相对富集的甜点可以发育在背斜、向斜或斜坡，但形成规模化开采的煤层气田有一个共同特点就是煤层构造相对简单，没有经历复杂的构造变形和改造作用，或者虽然经历了后期构造改造，但现今煤田构造相对单一。

后峡盆地侏罗系属于造山带。由于经历了强烈复杂挤压变形和断裂，导致煤层产状、成熟度、地下水位和流动状态等发生复杂变化，浅部地下水补给区和陡倾的强径流区煤层气散失破坏较严重，生物气生成和聚集有限，且同时遭受抬升剥蚀破坏，控制煤层气有效富集因素十分复杂。10口井煤层取芯测试的含气量和单井产能变化较大，但用兰氏方程计算的煤层吸附气含气饱和度均较低，介于14%～34%，煤层含气饱和度也远低于其他地区煤层气田的平均含气饱和度60%[13]。所以明确控藏条件以及准确预测含气量成为后峡地区煤层气实现商业化开采的重要问题。将煤层岩心、测井和二维地震资料相结合，经过精细构造解释并应用叠前地震波阻抗反演进行含气量识别研究，分析了复杂构造区的煤层气富集控制因素，预测了有利煤层气富集区。

1 区域地质特征

新疆后峡盆地处于天山褶皱带北部，侏罗系直接不整合在石炭纪火山岩断陷之上，呈现出北东超覆减薄西南加厚的楔状盆地充填，凹陷中心侏罗系最大厚度约5 500 m（图1（a））。盆地总体呈北西-南东走向，长约50 km，宽约15 km，面积945 km2。后峡盆地的基底主要由上泥盆统和石炭系火山岩组成，出露于盆地的边界[14]。

基底之上依次沉积了下侏罗统八道湾组、三工河组、中侏罗统西山窑组、头屯河组、上侏罗统齐古组及新生代沉积，缺失前石炭系、二叠系、三叠系和白垩系及以上地层（图1（c））。在晚白垩世（约100～60 Ma）和中新世（约10 Ma）后峡盆地分别发生了挤压冲断褶皱，形成NWW逆冲断层和SN向压扭断层切割的“三凹两凸”构造面貌，地层倾角5°～30°（图2）。

北东-近东西向断裂和两个凸起主要反映了晚期中新世及以后的挤压抬升，左行错动了早期晚白垩世形成的北西向断裂，凸起上约2 600 m地层被剥蚀[7]。由地质图可以看出，侏罗系盆地整体呈现为一个轴线南东倾的向斜，含煤系的西山窑组在盆地东南缘倾没埋入地下，在盆地其他周缘作为向斜两翼和仰倾端出露地表[15]，接受大气淋滤，成为产生生物气的淡水补给区。

根据西山窑组西一段顶面构造图上断裂的断距大小，后峡地区的断裂可以分成3类，断距大于250 m的大断裂、断距介于50～250 m的中等断裂和断距小于50 m的小断裂（图1（b））。

2个一级断裂分别属于盆地的北界断裂和西南界断裂，由于位于盆地边界，所以对盆地内部含气量变化影响不大。3个二级断裂中两个北西延伸，分别穿过中部凹陷西南翼和南部凹陷中心，一个北西延伸，穿过南部凹陷北界，断裂延伸长度8～16 km。三级断裂主要分布在凸起上，长度3～10 km，近东西向延伸者稍多于北西向延伸（图2）。

侏罗系呈角度不整合超覆在石炭系之上，总体南厚北薄，下侏罗统八道湾组、中侏罗统西山窑组、头屯河组至上侏罗统齐古组亦为连续沉积，煤层主要发育在西山窑组，少量发育在八道湾组。西山窑组平均地层厚度为953 m，发育3个主力煤层，自下而上分别为B7、B8、B9，B7煤层厚度一般4.8～17.5 m，平均10.0 m；B8煤层厚度一般4.8～

24.3 m，平均10.6 m；B9煤层厚度一般4.1～16.0 m，平均9.8 m。西一段和西二段最大累计煤层厚度均超过40 m，累厚超过10 m煤层分别占盆地总面积约65%和50%左右（图3（a）（b）），煤层厚度横

向上有一定变化，总体上在凹陷内加厚。

2 煤层气含量地震反演

煤层的地震响应特征与其含气量存在确定的对应关系。当煤层含气量较高时，吸附在煤基质内的大量天然气会降低煤层的密度和声波传播速度，从而使煤层的地震波阻抗发生明显的减小。减小的波阻抗会导致地震波在煤层顶部和底部的反射系数增大，反射波的振幅也因此而增加，虽然其他因素如煤层厚度和上下地层岩性变化也会对地震振幅产生影响，但假设其他地质因素不变的情况下，煤层的波阻抗异常可以指示其含气量变化。通过后峡二维地震叠前纵波阻抗反演可以获得反映含气量空间变化。

为了用地震反演波阻抗预测含气量，需建立煤层岩芯实测含气量与测井纵波阻抗和反演地震纵波阻抗的关系。统计表明西山窑组煤层岩芯实测含气量与煤层的测井波阻抗值和叠前反演的西

山窑组最小地震纵波阻抗之间存在线性关系（图4）。

由于地震分辨率所限，对于数米厚的薄互层地层而言，地震反演波阻抗一般代表多种不同岩性的复合响应，而不同岩性中一般煤层的波阻抗最小，所以最小波阻抗反映煤层的波阻抗。西山窑组西一段和西二段的反演最小波阻抗与测井计

算的煤层波阻抗之间存在较好的相关性（图4）。

将计算的含气量与井点实测含气量进行交会，二者线性相关性较好，R2为

0.843 4（图5）。

西山窑组煤层含气量介于1～13 m3/t，西一段含气量值略高于西二段，前者含气量大于4 m3/t区域连片分布，高值区主要分布在盆地内部凹陷区，大于10 m3/t 的地区零星分布在凹陷缓坡，以热成因残余气为主（图6（a））。西山窑组二段含气量大于10 m3/t高值区除与西一段类似外，也出现在贡2和贡3井低幅度凸起附近（图6（b））。

3 构造演化史

给定各组平均地层厚度和剥蚀厚度，参考后峡盆地四个样品的磷灰石测温确定的抬升时间，第一期抬升发生在100～60 Ma，第二期快速抬升时间为10 Ma以来[14]。后峡盆地晚石炭世接受火山岩沉积，二叠至三叠纪发生沉积间断，早侏罗世开始下沉，中-晚侏罗世快速沉降，西山窑组最大埋藏深度约3 680 m，到达热演化最大埋深和温度（图7）。根据深度与Ro关系推测最大埋深时的西山窑组煤层的Ro应达到1.6%以上，煤层气达到了中阶煤热成因条件。随后在80 Ma左右抬升变浅，于10Ma左右快速隆升至现今。G8井西山窑组西二段底界现今埋深1 180 m，在后期燕山和喜山构造抬升2 500 m，尤其是晚期快速抬升期间可能导致热成因煤层气的大量散失，所计算的钻井含气饱和度普遍降低至30%以下。

4 复杂构造对煤层气藏的控制

4.1 煤层深埋与部分变浅导致两种成因煤层气

煤层气分为热成因、生物成因、混合成因和次生生物成因四种，其差异主要表现在煤层气的干燥系数、碳氢同位素、煤岩的镜质体反射率Ro等方面[1，16-17]。高煤阶热成因气δ13C1值介于-34.80‰ ～ -28.70‰，Ro>2.5%；中煤阶生物气-热成因过渡型煤层气δ13C1值介于-61.80‰～-34.20‰，Ro=0.65%～-2.5%；低煤阶生物成因气δ13C1 值介于-62.00‰～-55.60‰，Ro<0.65%。后峡地区由于煤层埋深和成熟度变化范围大，存在多种煤层气成因类型[5，7]。

后峡地区甲烷碳同位素值为-57.8‰～-45.3‰，甲烷δDCH4 为-257.3‰～-218.7‰ ，甲烷与乙烷、丙烷总和的比值为62.47～555.54（表1）。将这些投到天然气成因判识Whiticar模板[18]和Kotarba模版[19]，显示后峡煤层气存在热

成因气、过渡型气和次生生物气等多种类型（图8）。

后峡盆地煤层属于低变质的长焰煤和气煤，镜质体反射率介于0.59%～0.8%，平均为0.68%，演化程度与埋深略呈正相关关系（图9（a））。Ro朝凹陷深部逐渐增高，最大值可达1.6附近（图10（a））。盆地北、西、南3个凹陷中心的Ro都在1.0%以上。如果以Ro=0.65%作为中阶煤天然气与低阶煤天然气的分界线，则从图10（a）可以估算出后峡盆地约2/3的区域属于中阶煤天然气范畴，主要位于盆地内部凹陷；1/3的范围属于低阶煤天然气，主要位于两个凸起和盆地边缘局部。从成因上看前者属于为热成因气与次生生物气的混合气，其中以热成因气为主；后者以生物气为主。

后峡盆地西山窑组煤层埋藏深度跨度较大，西山窑组西一段顶面海拔介于1 500～-2 000 m。在地表海拔1 000～2 100 m的情况下，煤层埋深介于0～3 500 m。煤层含气量大于

10 m3/t对应的深度约1 200～2 500 m，煤层含气量介于7～10 m3/t对应的深度1 200～700 m；总体上含气量随深度增大而增大，但凹陷中心深度大于约2 500 m时，含气量又变小。

在离盆缘煤层剥蚀边界较近、煤层埋深相对较浅

的G4及G1井，排采水矿化度较低，小于4 000 mg/L。随着深度逐渐增大，在凹陷内的A1井矿化度达到了15 351 mg/L。可看出水动力活跃

程度从盆地边界沿斜坡往凹陷深处逐渐降低，煤层气保存条件逐渐趋好[20]。地层水矿化度与深度之间存在一定的相关性（图9（b））。后峡盆地周边西山窑组出露地表区为地下水补给-强径流区，矿化度小于4 000 mg/L。位于该区域的钻井的煤层含气量和日产气量均较低。盆地内部3个凹陷中心为地层水滞留区，矿化度大于10 000 mg/L。后峡盆地的凸起和斜坡区域为弱径流区，矿化度介于4 000～10 000 mg/L（图10（b））。

4.2

晚期构造强烈抬升导致浅层低阶煤层气含量降低无论是中高阶煤的热成因气还是低阶的生物成因气，多数煤层气田的含气量随深度增大先增大后减小，拐点随盆地或煤层气成因类型不同而有所变化。低阶煤层气的拐点在600～900 m附近[17]，高阶煤层气的拐点偏深，但也可较小，如鄂东太原组8号煤的含气量拐点深度在600 m左右[9]。不同煤阶煤层吸附气量存在最大临界深度带，超过临界深度带后煤层处于饱和吸附状态，游离气比例逐渐增加，深层煤层气吸附饱和度达到100%，但深煤岩渗透率会显著降低[3]。后峡地区随深度增大煤层的渗透率会显著降低，煤层的孔隙类型由基质型孔为主朝割理孔为主而转化[21]。与其他盆地同等深度的侏罗系煤层相比，处于中等偏低储层物性条件。

盆地边缘浅埋藏的低阶煤生物成因气一般也可以具有较高的含气量和产能，国内外许多工业煤层气田属于这种类型[22-23]，如美国伊利诺伊盆地东南边缘上石炭统两个煤田的低阶煤（Ro≈0.6%）深度50～200 m，生物气成因甲烷含量97%[24]。美国粉河盆地和加拿大阿尔伯塔白垩系的煤层气、澳大利亚苏拉特盆地中侏罗统煤层气藏和印度的贾利亚盆地二叠系煤层气田等均为大型的低阶煤层气田[23，25]，发育在稳定的地块边缘浅层。中国的鄂尔多斯盆地东缘、准东盆地、吐哈盆地、二连盆地等煤层气也均以低阶煤生物成因为主（图4）。

后峡盆地有一个显著的特点就是10 Ma以来的构造运动十分强烈，可能导致了第四纪生物气变生成变随地层抬升剥蚀而散失，这一特点是其他低阶煤生物气富集的煤盆所不具备的。如鄂尔多斯盆地东缘最大剥蚀厚度2 200 m[26]，剥蚀主要发生在晚白垩世，热史模拟表明自70～50 Ma以来，盆地一直处于近似恒速上升降温过程[27]，10 Ma以来没有表现出像后峡盆地那样强烈的抬升，因此形成了生物气重要补给的浅层低阶煤层气藏[28]。吐哈、准东、二连等低阶煤生物气藏也都不具备这一特点。后峡盆地燕山和喜山两期构造抬升造成2 641 m地层剥蚀，图7指示约一半的剥蚀厚度是10 Ma以来的构造抬升所造成，平均1 Ma剥蚀约260 m，第四纪的2 Ma间隔内可剥蚀约520 m地层，这个厚度正是生物气生成的深度。因此后峡盆地的部分甚至大部分生物气散失了。

根据后峡盆地10个煤层岩心含气量实测值和兰氏方程计算的后峡盆地煤层含气饱和度介于14%～34%之间，平均22%，总体明显偏低。说明强烈的构造活动对煤层气的破坏较为严重，即使在补给-强径流区，生物成因气的数量仍有限，后期的生物成因气也没有补充或填补热成因气的散失，保存条件对煤层气含量的贡献可能大于生物气对含气量的贡献。

4.3 构造单元、产状、断裂对成藏的影响

4.3.1 含气量与盆缘、凸凹和产状的关系

通过对比西山窑组西一段顶面构造图与西一段和西二段含气量平面图可以看出，后峡盆地现今构造对煤层气含气量的控制表现在3个方面，盆地内部含气量高，边缘淡水补给强对流区含气量低；凹陷内含气量高，凸起含气量低；凹内缓坡含气量高，陡坡含气量低。除北部凹陷西二段外，其他含气量大于7的区域全部位于盆地内部凹陷。凹内含气量大于10 m3/t的区域为地层倾角5°～10°的缓坡，凹陷中心或倾角20°～30°的陡坡地区含气量在4 m3/t以下（图2、6）。这种不同现今构造单元含气量的变化也反映了构造作用对煤层气藏保存和破坏的影响[29-31]。沿断裂或地下水强对流开放区，随后期构造抬升压力降低，热成因吸附气释放随地下流体散失，含气饱和度和含气量均降低。而相对密闭区，随构造抬升压力降低，吸附气变为自由气，吸附气含气饱和度降低，但自由气并没排出煤层，所以含气量仍然偏高。

4.3.2 含气量与断裂和煤层顶底板岩性的关系

从断裂分布与含气量大小异常的分布来看，沿北西向一级和二级断裂带下降盘含气量小于4 m3/t，如在盆地西南一级断裂F2和二级断裂F3的共同下降盘，含气量甚至小于1 m3/t（图6）。该位置同时也是凹陷中心最深处和地层产状最陡处，含气量的减少可能与地应力和地下水等复杂因素导致的热成因气循环排泄和散失有关。但是沿盆地中南部的一个北东向二级断裂带F4并没有出现含气量的异常变化。西山窑组整体泥质含量较高，断裂两侧泥岩与泥岩对接的概率较大，所以三级断层和个别二级断层本身的纵横向封堵性较好。

西山窑组煤层的顶底板封闭性总体上存在好、中、差3种情况。在燕山和喜山两期构造运动抬升过程中，随压力降低，煤层中的部分吸附气解吸为自由气。当煤层顶底板封闭性好的时候，解吸出来的自由气仍然可能被封存在煤层内，形成含气量较高的情况。当顶底板封闭性差时，解吸出的自由气则可能逃离煤层，导致含气量较低。根据前人研究[32]，煤层上覆和下伏20 m内的岩性对煤层气封闭性的作用最明显，泥岩类的封闭效果优于砂岩。

通过钻井B8和B9 2个主煤层的上覆和下伏20 m地层的泥质含量，可半定量评价该区煤层的顶底板封闭性（表2）。

把平均泥质含量大于0.7、0.7～0.3和小于0.3分别作为封闭性好、中、差的话，可看出井点所钻的煤层封闭性好、中、差的比例分别为45%、40%和15%。其中高产的A1的B9煤层和G2井的B8煤层具有好的封闭性，说明顶底板封闭性对煤层气有一定的控制作用。

5 结 论

1）后峡盆地侏罗系煤层岩心实测含气量与对应的测井计算纵波阻抗和叠前反演地层的最小纵波阻抗之间具有较好相关性。利用地震波阻抗反演可以识别不同构造单元煤层含气量。

2）西一段和西二段煤层的含气量发育区主要位于盆地内部较深凹陷且倾角较小的缓坡。煤层气位于近盆地边缘煤层出露区，或深度过大的凹

陷中心、或陡地层倾角的断裂带不利于煤层气发育。

3）西山窑组煤层气以中低阶煤的混合成因气为主，低阶煤的次生生物气为辅。浅层煤的含气饱和度普遍较低和含气量与产能变化大的原因是10 Ma以来的构造快速抬升使已形成的热成因气不同程度的散失以及浅层生物气有限补充所造成。

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（责任编辑：李克永）