摘　要：為查明河西走廊北部潮水盆地煤層氣富集規(guī)律及成藏主控因素，從煤層分布特征、煤巖煤質(zhì)特征、煤巖演化程度、煤層等溫吸附特征等方面，分析了該區(qū)煤層氣的儲層特征。結(jié)果表明：潮水盆地煤巖演化程度低，處于低煤階褐煤—氣煤演化階段；煤層蘭氏壓力高(5.95～6.90 MPa)，利于煤層氣的解吸。通過進(jìn)一步的現(xiàn)場解吸實驗，測試了該區(qū)Al、A3井煤層的含氣量(分別為0.25、0.56m³／t)，并從生氣條件、保存條件兩個方面分析得出導(dǎo)致其煤層含氣量低的主要原因為：①盆地發(fā)育拉張性正斷層，成為煤層氣逸散的通道；②盆地西部缺少區(qū)域性蓋層，直接蓋層為砂巖，導(dǎo)致煤層氣散失；③缺少生物氣的補(bǔ)充。最后，綜合評價了各構(gòu)造單元的勘探潛力，認(rèn)為紅柳園坳陷生物氣特征明顯且頂板蓋層封蓋性好，可作為該區(qū)下一步煤層氣勘探的靶區(qū)。

關(guān)鍵詞：潮水盆地 侏羅紀(jì) 煤層氣 低煤階 生物氣 含氣量 勘探潛力 紅柳園坳陷 河西走廊

Characteristics of CBM gas reservoirs and their exploration potential in the Chaoshui Basin，northern Hexi Corridor

Abstract：In order to enhance the understanding of the CBM enrichment pattern and the maj or controlling factors of CBM accumulation in the Chaoshui Basin，northern Hexi Corridor，we first analyzed the characteristics of CBM gas reservoirs in the studv area inthe aspects of coal layer distribution，coal rock quality，evolution degree of coal rocks，and isotbermal adsorption leatures of coalbeds．And we drew a conclusion that the coal rocks in this basin are low in thermal evolution degree at a stage of low-rank of ligniteto gas coals，and are high in Langmuir pressures in the range of 5.95—6.90 MPa，which provides a favorable condition for CBM desorption．Then the gas contents of the coal beds in Al and A3 wells in this area were tested to be 0.25 and 0.56 m³／t resDectivelv through field desorption experiments．The causes of such low gas content in the coal layers were analyzed in respect of gas generation and preservation conditions．The following conclusions were obtained．(1)Extensional faults are developed in the basin and act as pathways for CBM gas escapin9．(2)No regional seals exist in the western part of the basin and the direct overlying strata are sand-stones，which leads to the escaping of CBM gas．(3)There is no biogas chargin9．Finally the exploration potential of each structuralunit was comprehensively evaluated and the Hongliuyuan depression was thought to have prominent features of bi。gas with perfectcaprocks so as to be selected as the target of CBM exploration in the future．

Key words：Chaoshui Basin，Jurassic，CBM，low coal rank，biogas，gas content，exploration potential，Hongliuvuan depression，Hexi Corrjdor

1　區(qū)域概況

潮水盆地位于甘肅省河西走廊的北部，西起臨澤縣馬鞍山一正北山一線，東至民勤縣東端白堿湖一帶，南始龍首山一阿拉古山北側(cè)，北抵北大山南麓^[1]，總體呈東西向展布、中部向南突出的弧形構(gòu)造形態(tài)。東西長365km，南北寬30～75km，面積約為2×104km²，蘊(yùn)藏著一定量的煤炭及油氣資源。

潮水盆地侏羅紀(jì)沉積基底主要為變質(zhì)巖和花崗巖，地層剛性較強(qiáng)。受燕山、喜山運動的影響，主要發(fā)育北西向和東北向兩組張性斷層^[2-4]。依據(jù)地震資料，按沉積基底的凹凸分布，以控盆斷層為邊界，將潮水盆地劃分為7個一級構(gòu)造單元和l5個二級構(gòu)造單元，其一級構(gòu)造單元分別為平山湖坳陷、桃花拉山隆起、阿右旗坳陷、中央隆起、金昌坳陷、紅柳園坳陷及石板井隆起(圖1)。

潮水盆地含煤地層主要為中侏羅統(tǒng)青土井組(J₂q)，其次為下侏羅統(tǒng)芨芨溝組(J₁j)^[5-6]。經(jīng)煤田鉆孔資料揭示，該區(qū)煤炭資源豐富，煤層埋深適中，利于煤層氣的勘探。

2　煤層氣儲層特征

2．1煤層分布特征

潮水盆地各個構(gòu)造單元煤層的分布特征不同，但其共同特征是：煤層層數(shù)多、橫向變化大，主要分布在構(gòu)造單元緩坡地帶。早侏羅世聚煤中心位于平山湖，中侏羅世聚煤中心向中部阿右旗和金昌地區(qū)遷移。平山湖坳陷含煤層數(shù)為1～20層，煤層厚度介于0.14～7.07m，平均為2.2m，煤層總厚度介于0～22m，呈北薄南厚變化趨勢；阿右旗坳陷含煤2～16層，厚度介于0.01～14.37m，平均為l.35m，煤層總厚度介于0～26m，呈北厚南薄變化趨勢；窖南凹陷含煤1～5層，厚度介于0.5～20m，平均為5.64 m，煤層總厚度介于6～20m，呈北薄南厚變化趨勢，煤層層數(shù)相對較少，煤層單層厚，但埋藏深(2223～2910m)，不利于煤層氣的開發(fā)；紅柳園坳陷含煤2～9層，厚度介于0.5～2m，平均為l.1m。

2．2煤巖煤質(zhì)特征

潮水盆地宏觀煤巖類型以暗淡煤半晴煤為主。偏光顯微鏡下觀察(圖2)，該區(qū)煤層惰質(zhì)組含量偏高，在成煤母質(zhì)器官或細(xì)胞的胞腔內(nèi)填充有黏土礦物，并含有黃鐵礦、石英、黏土等礦物，反映了當(dāng)時成煤環(huán)境比較復(fù)雜多變。煤巖鑒定分析表明，該區(qū)煤層鏡質(zhì)組含量介于29.0％～89.5％、平均為52.5％；惰質(zhì)組含量介于10.9％～55.2％、平均為38.9％；殼質(zhì)組含量偏高，為l.1％～l4.5％。

2．3煤巖演化程度低

潮水盆地煤巖演化程度較低，鏡質(zhì)體反射率(R_o)介于0.39％～0.71％，以低煤階為主，整體處于褐煤氣煤變質(zhì)階段。煤變質(zhì)主要為深成變質(zhì)作用，受沉降埋藏史影響，平山湖坳陷、阿右旗坳陷最強(qiáng)變質(zhì)階段在晚侏羅世末，以褐煤一長焰煤為主；金昌坳陷、紅柳園坳陷最強(qiáng)煤變質(zhì)期出現(xiàn)在白堊紀(jì)末，以氣煤為主。潮水盆地區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育巖漿巖，主要為加里東期和海西期侵入巖，是在含煤巖系沉積之前生成，對煤層賦存和演化沒有影響^[7]。

2．4等溫吸附特征

蘭氏體積反映了煤的最大吸附能力，蘭氏壓力反映煤層氣解吸的難易程度，值越高，煤層中吸附態(tài)氣體脫附越容易，越有利于開發(fā)跚。從Al、A2井的等溫吸附曲線上看(圖3)，潮水盆地煤的蘭氏體積為7.46～10.92m³／t，對煤層氣的吸附能力強(qiáng)；而蘭氏壓力介于5.95～6.90MPa，值較高，利于煤層氣的解吸。

3　煤層氣勘探潛力

對潮水盆地煤層氣參數(shù)井Al井和A3井進(jìn)行了現(xiàn)場解吸實驗，測得的含氣量分別為0.25m³／t和0.56m³／t，含氣量低。導(dǎo)致該區(qū)煤層含氣量低的原因，可從生氣條件和保存條件兩方面進(jìn)行分析。

3．1生氣條件

該區(qū)宏觀煤巖類型以暗淡煤和半暗煤為主，顯微煤巖組分鏡質(zhì)組含量低，生氣母質(zhì)條件較差；煤巖變質(zhì)程度低，為低煤階，熱成因氣量少，因此低煤階煤層氣成藏須要生物氣的補(bǔ)充。目前，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用甲烷碳同位素值(δ¹³C₁)來鑒別生物氣^[9-11]。l989年，戴金星通過研究我國生物氣的氣組分及同位素組成特征，提出以δ¹³C₁<-55‰作為鑒別生物氣的主要地化指標(biāo)^[12]。

從表l可以看出，潮水盆地煤層氣的δ¹³C₁為-43.0‰～-71.0‰，大部分小于-55‰，總體偏輕，具有生物氣特征，可能有生物氣的補(bǔ)充。但生物實驗結(jié)果表明，硫酸鹽濃度達(dá)到960mg／L便可以完全抑制厭氧細(xì)菌活動^[13]，而阿右旗坳陷煤系S0₄^2-濃度介于1232.0～2 181.0mg／L，紅沙崗凹陷煤系S0₄^2-濃度介于359.3～826.2mg／L，這兩個地區(qū)均不利于甲烷細(xì)菌的生存；紅柳園地區(qū)生物氣特征明顯，有利于生物氣的生成。整體來看，潮水盆地氣源不足，缺少生物氣的補(bǔ)充。

3．2保存條件

該區(qū)發(fā)育的斷裂構(gòu)造以拉張開放性正斷層為主(圖1)，斷裂溝通煤層與上覆水、氣聯(lián)系，成為煤層氣逸散通道，對煤層氣保存極為不利。

主采煤層頂板巖性以粉砂巖、砂巖為主，其次為泥巖，生成的煤層氣很容易通過上覆粗粒碎屑巖層逸散，不利于煤層氣的后期保存成藏。盆地東部保存條件好于西部，其中平山湖坳陷以砂巖為主，阿右旗坳陷以砂巖、粉砂巖為主，其次為泥巖和礫巖；紅沙崗凹陷西部以砂巖為主，東部為泥巖；窖南坳陷以泥巖為主；紅柳園坳陷以泥巖為主(圖4)。

煤系上覆地層中侏羅統(tǒng)沙棗河組遭到嚴(yán)重的剝蝕，只在盆地的中部和東部殘留有100～600m厚的地層。平山湖坳陷缺失區(qū)域蓋層，阿右旗坳陷紅沙崗地區(qū)南部殘留有0～200m厚的區(qū)域蓋層，對煤層氣的保存極為不利；而紅柳園坳陷區(qū)域蓋層分布面積較廣，殘余厚度介于200～1000m，區(qū)域蓋層較厚，對煤層氣的保存較有利。

因此，從保存條件來看，紅柳園坳陷地區(qū)利于煤層氣的保存。

3．3煤層氣勘探方向

潮水盆地煤層氣成藏主控因素為“生物氣補(bǔ)給”“構(gòu)造系統(tǒng)”“頂板蓋層條件”，尋找煤層氣勘探有利區(qū)應(yīng)重點考慮這3個條件。  平山湖坳陷、阿右旗坳陷煤層發(fā)育較好，但煤系上覆地層因構(gòu)造抬升導(dǎo)致剝蝕嚴(yán)重，缺乏區(qū)域性蓋層，且煤層直接蓋層為砂巖，造成早期生成的氣大量散失。此外由于煤系地層水不活躍，S0₄^2-濃度過高，抑制了甲烷細(xì)菌的生存，使得后期缺乏生物氣的補(bǔ)充。

紅沙崗凹陷煤層直接蓋層為油頁巖，封蓋性好，煤層累計厚度最大為26m，但煤層厚度變化快，斷層較發(fā)育，成為煤層氣散失的通道。煤階熱演化程度低，原始生氣量小，此外由于氣候干燥，缺乏大氣淡水的補(bǔ)給，地層水礦化度高，S0₄^2-濃度接近960mg／L，不具備次生生物氣生成條件，導(dǎo)致紅沙崗地區(qū)整體含氣量低(小于lm³／t)。

金昌坳陷煤層發(fā)育，單層厚度能達(dá)20m；煤層直接頂板為泥巖，區(qū)域蓋層厚，封蓋性能好；但煤層埋藏較深(大于2000m)，不利于煤層氣的開發(fā)。

紅柳園坳陷生物氣特征較明顯，有生物氣的補(bǔ)充。根據(jù)沉積環(huán)境分析，推測煤層直接頂板主要為泥巖，區(qū)域蓋層較厚，封蓋性能好；構(gòu)造為向東南方向傾的單斜構(gòu)造形態(tài)，斷層不太發(fā)育。該區(qū)勘探程度低，有待進(jìn)一步深化研究。

綜上所述，紅柳園坳陷煤層氣有生物氣補(bǔ)充，并且煤層封蓋性能好，雖然A3井實鉆反映此區(qū)煤層發(fā)育差、埋藏深(單層煤厚約為1m，埋深超過1200m)，但由于此區(qū)勘探程度低(面積為3203km²，僅有油田井2口、煤層氣井l口)，不能反映其真實地質(zhì)情況。因此尋找紅柳園坳陷淺部厚煤層可作為潮水盆地煤層氣下一步的勘探方向之一(圖4)。

4　結(jié)論

1)潮水盆地煤層分布極不均勻，主要分布于各構(gòu)造單元的緩坡地帶，煤層厚度變化較大，聚煤中心由早侏羅世的平山湖坳陷向中侏羅世的阿右旗坳陷、紅沙崗凹陷和金昌坳陷遷移。

2)煤演化程度低，以低煤階為主，整體處于褐煤一氣煤變質(zhì)階段，熱成因氣量少且盆地發(fā)育拉張性正斷層，成為煤層氣逸散的通道。盆地西部缺少區(qū)域蓋層、直接蓋層為砂巖，導(dǎo)致煤層氣的散失，且地層水礦化度高、S0₄^2-濃度大，抑制了甲烷細(xì)菌的生存，缺少生物氣的補(bǔ)充；而盆地東部生物氣特征明顯，煤層氣封蓋性好，有待進(jìn)一步深化研究。

3)綜合對比各構(gòu)造單元地質(zhì)特征，認(rèn)為紅柳園坳陷生物氣特征明顯且頂板蓋層封蓋性好，可作為潮水盆地煤層氣下一步的勘探靶區(qū)。

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本文作者：楊敏芳  孫斌  孫粉錦  陳剛  楊三強(qiáng)

作者單位：中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院

  中國石油渤海鉆探工程公司第二錄井分公司