新疆三塘湖盆地低煤阶煤层气成因探讨

吴 斌，周龙刚，潘新志，张耀选，杜世涛

(1.新疆维吾尔自治区煤田地质局，新疆 乌鲁木齐 830009；2.中海油能源发展股份有限公司，天津 300457；3.新疆地质勘查基金项目管理中心，新疆 乌鲁木齐 830001)

0 引 言

中国低煤阶煤层气资源丰富[1-2]，近几年在西北的准噶尔盆地南缘、吐哈盆地，陕西彬长矿区，内蒙的二连盆地、海拉尔盆地，东北的阜新刘家区块、铁法区块等陆续开展了低煤阶煤层气勘探工作。其中，阜新刘家区块、准噶尔盆地南缘等地已实现商业化开发。2015年，新疆煤田地质局首次在三塘湖盆地施工了21口探井和生产试验井，生产试验井已完成排采工作。结果显示，最高产气量为317.0 m3/d，最高产水量为32.8 m3/d，远远低于根据该区块煤层厚度、含气量、渗透率计算得到的产气潜力[4]，有待从源头上理清该区块煤层气成因机制，并制订区域性开发方案。为此，通过煤岩分析、含气量测试、甲烷同位素化验等实验数据分析，结合盆地煤及煤层气成因模板及数值模拟，根据煤层气地质理论，从低煤阶煤层气成因角度，探讨三塘湖盆地的煤层气的成因，以期为该区块进一步科学高效开发提供参考。

1 研究区地质背景

三塘湖盆地是新疆五大含煤盆地之一，夹持于中蒙边界的阿尔泰山山脉的东北和天山山脉东段的西南逆冲推覆隆起带之间，呈NW—SE向延伸，东西长为320 km，南北宽约为30 km，面积约为9×103km2。盆地形成于晚古生代之后，石炭世—晚二叠世盆地基底形成，侏罗世—早白垩世为盆地拗陷时期，持续接受沉积，尤其在早侏罗世时期，气候温暖潮湿，植被茂盛，为巨厚煤层的发育奠定了物质基础[5]。盆地内煤层主要赋存于下侏罗统八道湾组和中侏罗统西山窑组。

古近纪以来，受持续构造运动的影响，三塘湖盆地演化为东北冲断隆起带、中央坳陷带、西南逆冲推覆带3个一级构造单元，煤层主要赋存于中央坳陷带，主要包括汉水泉凹陷、石头梅凸起、条湖凹陷、淖毛湖凹陷等二级构造单元(图1)。

图1 三塘湖盆地构造及研究区位置

2 煤层特征

2.1 煤岩及煤质特征

研究区内各煤层均以亮煤为主，含少量暗煤，宏观煤岩类型主要为半亮—光亮型煤；颜色为灰黑色，黑褐色条痕，呈现沥青—玻璃光泽；条带状结构，块状构造，半坚硬，断口为贝壳状、眼球状，性脆，一般为原生结构，存在于深大断裂附近、盆地边缘或凹陷—凸起过渡地带。

勘探阶段对埋深小于1 000 m的煤田部分钻孔的煤样进行显微组分测定实验(图2)。由图2可知：有机显微组分均以镜质组为主，惰质组次之，含少量壳质组，显微煤岩类型以微镜煤、微镜惰煤、微三合煤为主，镜质组含量大于50%以上的煤层中才含有壳质组，显示了成煤环境对煤岩组分的控制作用。

图2 三塘湖盆地汉水泉凹陷镜质组含量与壳质组含量关系

无机组分以黏土矿物为主(表1)。汉水泉凹陷煤岩Ro为0.28%～0.77%，平均为0.50%，以长焰煤、褐煤为主；条湖凹陷煤岩变质程度稍高，Ro为0.49%～0.77%，平均为0.62%，以长焰煤为主；淖毛湖凹陷煤岩变质程度最低，Ro为0.26%～0.50%，平均为0.34%，全部为褐煤。

图3为三塘湖盆地煤层煤相图版。由图3可知：

表1 三塘湖盆地煤岩实验数据统计

注：分隔线上方为组分含量范围，下方为组分含量平均值和样品数量(括号内数字)。

三塘湖盆地西山窑组和八道湾组的TPI(结构保存指数)分别为1.43～2.64、1.78～2.15，GI(凝胶化指数)分别为1.45～1.59、1.57～1.84，育煤环境为湿地深林沼泽；西山窑组VI(植被指数)分布范围较宽，为1.23～2.60，八道湾组在1.50左右，显示前者成煤植物类型较多，沼泽环境相对多样化；GWI(地下水流动指数)反映成煤期的地下水波动强度，2组煤的GWI值基本都大于1.0，水动力较稳定。

工业分析实验显示：研究区煤层空气干燥基水分含量(Mad)一般小于5.00%(图4a)，灰分产率(Ad)为3.12%～50.88%，一般小于25.00%，以特低—中灰煤为主(图4b)；挥发分产率(Vdaf)一般为41.61%～56.92%，与煤岩变质程度一致(图4c)。煤岩密度与灰分产率呈正相关关系，主要受煤岩内无机矿物含量的影响(图4d)。

图3 三塘湖盆地煤层煤相图版

图4 三塘湖盆地煤炭主要工业指标频率及物性与埋深关系

2.2 储层物性

前人研究三塘湖盆地侏罗系煤层孔隙主要以大孔和过渡孔为主，大孔占孔隙总体积的13.00%～43.00%，微孔仅占2.00%～23.00%，且视孔隙度与平均孔径呈正相关关系，与煤阶呈负相关关系，且减小的主要为大孔和中孔，小孔变化不明显[6]。

建立了汉水泉、条湖和淖毛湖3个区块120个岩心样品与深度的关系(图4e)。由图4e可知：随深度增加，视孔隙度呈逐渐减小的变化趋势，整体视孔隙度较大，主要为7.00%～13.00%；区域上不同凹陷视孔隙度存在一定差异，汉水泉凹陷煤样平均孔隙度为11.38%；条湖凹陷煤样平均孔隙度为11.06%，且同一深度孔隙度变化较大；21口煤层气探井和生产试验井平均孔隙度为7.61%；淖毛湖凹陷平均孔隙度为9.48%。

从4口井的岩心数据来看(表2)，煤层仅面割理较发育，端割理不发育，裂隙连通性较差，推测成煤后构造运动期次少、强度小，对煤层的改造程度较弱。

表2 三塘湖盆地煤岩宏观裂隙描述

由三塘湖盆地煤层气试井结果(表3)可知：孔隙较发育且连通性好，煤层渗透率较高，盆地模拟结果显示研究区煤层埋深时间短，压实作用弱,且低煤阶一般含有大量具有渗流作用的大、中孔隙[7]，对渗流作用贡献较大。

表3 三塘湖盆地煤层气试井结果

3 煤层气成因分析

3.1 中部及浅部煤层气成因

从变质程度上来看，三塘湖盆地汉水泉、条湖凹陷煤岩达到热成因气生烃门限，可能为热成因气与生物成因气混合成因，条湖凹陷条15井测试甲烷碳同位素为-53.05‰～-52.63‰；淖毛湖凹陷煤岩变质程度低，推测为生物成因气[8]。

煤岩变质程度较低阶段生成的热成因气含有大量CO2等非烃类气体(图5a)，但研究区几口探井测试均显示气体组分中CH4含量占主要部分，一般大于80%，从气体组分特征来看，热成因甲烷在中、浅部煤层中占比不高。研究区煤层气探井X-1深达1 000 m，测试多套煤层含气量基本均小于0.3 m3/t，推测其原因为：地层因构造抬升后，地层温压平衡遭到破坏，煤层气不断逸散，热成因的CO2也大量散失；另一方面，次生生物气形成时可通过CO2还原方式消耗部分CO2，使CO2的含量降低。

汉水泉凹陷X-3井27—32号煤层的Ro为0.54%～0.62%，甲烷碳同位素值小于-66.00‰(表4)。按照煤层气成因类型同位素的国际标样(VSMOW)划分标准[9]，ε(CO2—CH4)(CO2与CH4碳同位素的差值，ε表示某元素的同位素的相关运算，下同)以及气体组分又有混合气的特征，加之汉水泉、条湖凹陷煤层变质程度已达到热生烃门限，因此，判断研究区中—浅部煤层气应该以生物成因气为主，混合少量的热成因气，从生气模式来看也基本脱离醋酸发酵方式，以CO2还原为主(图5B)。

盆地模拟结果显示，研究区地层经历了2次明显沉降—抬升过程，且在第2次埋深过程中地层温度接近90 ℃，而甲烷菌适宜的生存温度一般不超过80℃[12]，通过新疆煤岩甲烷菌生存繁殖实验也发现超过55 ℃后本源的甲烷菌与发酵菌大量死亡[13]。因此，推测甲烷菌主要由后期地层抬升后，浅部地层水向煤系地层补给，重新带入地层，营造了次生生物气的生成条件(图5c)。

3.2 深部煤层气成因

研究区汉水泉、条湖凹陷深部，随地层埋深增加，孔、渗逐渐降低，加之凹陷深部西山窑、八道湾期主要为滨浅湖、半深湖沉积[14]，地层岩性相对较细，隔水层发育，离盆地边缘的地下水补给区也相对较远，补给困难，位于滞留区，水体难于更新，缺乏甲烷菌的生存、繁殖的营养物质供应，不符合次生生物成因气生成条件。煤田钻孔以及油气探井塘参1井煤岩Ro随埋深的变化数据(图4f)显示，研究区各凹陷内煤层埋深增加400 m，变质程度Ro可增加0.10%[15]。

根据构造和埋深预测汉水泉、条湖凹陷深部煤岩Ro为0.80%左右。二维盆地模拟显示，1 000 m以浅9号煤层生烃强度为18.6 m3/t，26～35号煤层的生烃强度平均为39.2 m3/t，随着变质程度升高，凹陷深部热成因生烃量应高于中、浅部，而凹陷深部埋深大、岩性细，可以限制煤层气的逸散，对煤层气的保存比较有利。综上研究可知，汉水泉、条湖等凹陷深部不利于生物成因煤层气的生成，主要为热成因煤层气(图6)。

图5 煤层气成因判别及三塘湖盆地煤系地层地质历史埋深变化[10-11]

表4 X-3井碳同位素实验结果

注：CDMI=ε(CO2)/ε(CO2+ CH4)。

3.3 特殊成因分析

从煤岩变质程度上看淖毛湖凹陷未进入热成因气生烃门限(Ro为0.26%～0.50%，平均为0.34%)。此外，其远离高山，地下水补给困难，地层水矿化度高达数万毫克每升，不适宜甲烷菌的生存和大量繁殖，不利于生物成因气的生成，而该区在背斜轴部实施的一口探井测试含气量为4～10 m3/t。新疆三塘湖盆地进入第四纪以来的环境研究显示[16-18]：淖毛湖凹陷缺乏大陆型的冰川覆盖，蒸发量远大于降水量，造成该区域极度干旱，此阶段水力封堵煤层气藏较弱，且甲烷菌受到煤层水矿化度高、浅部煤层环境较为干燥，综合条件不利于甲烷菌的大量繁殖。生气能力有限，因而推测该区煤层气藏应该主要为早期生成的原生、次生生物气残留保存而成。该区八道湾组Ⅲ煤组沉积煤层多达20余层，地层也以封盖性好的泥岩、粉砂岩为主，垂向上对煤层气的逸散可起到“减速带”作用，含气量测试也显示下部煤层含气量高于上部，进而形成这种比较少见的构造-岩性控制的以残留生物气为主的煤层气藏。

图6 三塘湖盆地汉水泉凹陷西山窑组不同煤层气成因分布图

4 结论与建议

(1)三塘湖盆地浅部煤层变质程度低，煤层气成因以次生生物气为主；深部地下水补给条件变差，煤岩变质程度升高，地层封盖性变好，主要以热成因气为主；淖毛湖凹陷地下水的补给条件相对差，主要为残留生物成因气气藏，煤层气开发的潜力较小。

(2)研究区中、浅部煤层气的富集离不开次生生物气的补充，次生生物气的生成与地下水关系密切，三塘湖盆地各凹陷内、不同凹陷之间煤层气的富集受水文地质条件的影响明显，应加强研究区地下水补、径、排关系的研究。

(3)建议下一步开发中以汉水泉和条湖凹陷为主，淖毛湖凹陷应选择背斜轴部附近部井，以深部的八道湾组煤层为重点层位。