潮水盆地紅沙崗地區(qū)低煤階煤層氣勘探前景

摘 要

摘要：潮水盆地位于河西走廊東段北側(cè)，地跨甘肅、內(nèi)蒙古兩省區(qū)，蘊藏一定的煤炭和油氣資源，紅沙崗地區(qū)是其中重要的煤炭富集區(qū)，煤炭資源量約12×108t。為弄清楚該區(qū)的煤層氣勘
摘要：潮水盆地位于河西走廊東段北側(cè)，地跨甘肅、內(nèi)蒙古兩省區(qū)，蘊藏一定的煤炭和油氣資源，紅沙崗地區(qū)是其中重要的煤炭富集區(qū)，煤炭資源量約12×108t。為弄清楚該區(qū)的煤層氣勘探前景，詳細研究了其煤層氣地質(zhì)條件。結(jié)果認(rèn)為：該區(qū)煤層以低煤階長焰煤為主，厚3～35m，分布穩(wěn)定，頂部煤層直接蓋層為油頁巖，煤層氣保存條件較好，具有一定的煤層氣勘探潛力；但部分地區(qū)煤層含氣量低，關(guān)鍵原因在于煤層缺少后期生物氣的補充。進而指出了該區(qū)煤層氣勘探的方向：古地溫異常、煤階較高、保存條件較好的地區(qū)是該區(qū)的煤層氣富集區(qū)；其中紅沙崗北部具有缺氧、低礦化度和低溫環(huán)境，大量微生物細菌可能存活，并代謝甲烷、正烷烴和其他有機物，煤層的含氣量能得到補充，具有較大的勘探價值。
關(guān)鍵詞：河西走廊；潮水盆地；紅沙崗地區(qū)；煤層氣；低煤階；長焰煤；含氣量；生物氣；富集區(qū)
1 地質(zhì)背景
    紅沙崗地區(qū)位于潮水盆地中北部，行政區(qū)劃屬甘肅省民勤縣，面積約200km2。
    潮水盆地位于河西走廊東段北側(cè)，地跨甘肅、內(nèi)蒙古兩省區(qū)，盆地西起桃花拉山，東至騰格里沙漠，北起北大山，南抵龍首山，面積約1.98×104km2，蘊藏一定的煤炭和油氣資源。潮水盆地是中新生代沉積盆地，受龍首山-阿拉古山北西-近東西向構(gòu)造和北大山弧型構(gòu)造以及東鄰巴彥烏拉山北東向構(gòu)造線的共同控制，形成斷裂和坳陷相間，總體呈東西向展布、中部向南突出的弧形構(gòu)造格架[1]。盆地基底地層剛性較強，斷裂較發(fā)育，褶皺寬緩稀疏，且由南至北，構(gòu)造發(fā)育程度減小，依其構(gòu)造形態(tài)及埋深特征可劃為6個次級構(gòu)造單元[2]，分別為北部單斜帶、馬祖凸起帶、中央凹陷帶、窖水凸起帶、窖南凹陷帶和平山湖凹陷帶(圖1)。其中北部單斜帶、平山湖凹陷帶和窖南凹陷帶為盆地主要含煤構(gòu)造，北部單斜帶和平山湖凹陷帶煤層埋藏較淺，一般小于1000m，是下步煤層氣勘探的主要方向，窖南凹陷帶煤層埋深一般大于2000m，不利于煤層氣勘探。下侏羅統(tǒng)芨芨溝組(J1j)和中侏羅統(tǒng)青土井組(J2q)為區(qū)內(nèi)含煤地層[3]。
    紅沙崗地區(qū)就位于潮水盆地主要含煤構(gòu)造之一——北部單斜帶，是盆地內(nèi)重要的煤炭富集區(qū)，煤炭資源量約12×108t。尋找該區(qū)的煤層氣富集區(qū)，對下一步煤層氣勘探具有重要意義。
2 紅沙崗地區(qū)煤層氣地質(zhì)特征
2.1 構(gòu)造控制煤層分布
    紅沙崗位于潮水盆地北部單斜帶東段，其北側(cè)有北大山古隆起帶，南-東南邊界受馬祖凸起帶限制，西側(cè)的紅沙崗西凸起將本區(qū)與西鄰的張家坑沉積區(qū)基本隔離。紅沙崗與周圍隆起帶的界線均為連續(xù)逆斷層，構(gòu)成了圈閉良好、相對獨立的小型含煤斷陷型復(fù)向斜(圖2)。

    紅沙崗呈北東翹起向南西傾伏的寬緩復(fù)式向斜構(gòu)造[4]，軸向北東東(約73°)，軸長大于5km；西北翼平緩，傾角10°～20°；東南翼較陡，傾角一般超過25°，北部最陡處可超過55°，次級褶皺、斷裂發(fā)育。
    由于受華北板塊的俯沖擠壓作用，北大山剛性隆起，山前因構(gòu)造負荷效應(yīng)而彎曲沉陷，在北大山隆起和紅沙崗沉陷的接合部位(應(yīng)力集中區(qū))發(fā)生了逆沖斷層(F1)，盆緣斷裂F1和馬祖凸起構(gòu)成了紅沙崗主干控制構(gòu)造，在鄰近F1斷層的北部，一般坳陷較深，煤系地層沉積較厚，而遠離F1、近馬祖隆起的南部地帶，則含煤巖系沉積厚度小，甚至地層尖滅，含煤性也差。因此，F(xiàn)1盆緣斷裂是有利于成煤和護煤的構(gòu)造帶。
    紅沙崗東部(F6)和西部(F4)邊界斷層為繼承性斷層，也有不同程度的成煤(同沉積斷層性質(zhì))和護煤作用。這些斷層的繼承性活動，控制或改造著含煤地層的展布方向，在構(gòu)造相對穩(wěn)定的區(qū)段內(nèi)是保存煤層的有利部位(圖2)。
2.2 煤層橫向分布變化大
    紅沙崗地區(qū)共含6個煤層(組)[5～6]，總厚度介于3～35m(圖3)，煤層自上而下依次編號為煤1～煤6層(組)(表1)。其中煤1和煤4層(組)層位穩(wěn)定，且分布面積廣，為主要可采煤層，也是煤層氣主要勘探目的層；煤2、煤6層(組)為局部可采煤層；煤3、煤5層(組)極不穩(wěn)定。煤1、煤2、煤3層(組)位于中巖組下部，煤4、煤5、煤6層(組)位于下巖組上部[7]。

    各煤層間距平均在8～14m，煤3層(組)與煤4層(組)間距較大，平均21m左右。煤層埋深400～1000m，總體是東淺西深。各鉆孔平均煤層總厚度9.12m，平均可采煤層總厚度7.39m。各煤層分布范圍在縱向上呈“上超式”增大，厚度自北而南逐漸變薄尖滅，其間距也加大。
2.3 煤巖特征
紅沙崗地區(qū)煤層以光亮、半亮型煤為主，鏡煤、亮煤、暗煤?；映霈F(xiàn)[5]；煤巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主(表2)，一般超過80%，惰性組很少，殼質(zhì)組含量較高，為3%～8%，對煤層氣的生成有利。
 

2.4 煤巖演化程度低
    紅沙崗地區(qū)煤巖演化程度較低，鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.5%～0.8%，以長焰煤為主[6]。區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，以加里東期和海西期侵入巖為主[8]，這2期巖漿活動均在含煤巖系沉積之前生成，形成含煤巖系沉積基底，對煤層賦存和演化沒有影響。
2.5 主要煤層頂?shù)装宸馍w性能好
    主要目的層煤、層(組)和煤4層(組)直接頂板巖性致密，封蓋性能強，對煤層氣保存較好，煤6層(組)相對較差。其中煤1層(組)蓋層封蓋性能最好，直接頂板為油頁巖[5～6]，全區(qū)普遍發(fā)育，厚度5.14～22.38m，平均14.16m，底板為炭質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖；煤4層(組)直接頂板以泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，粉砂巖次之，局部為粗粒砂巖，底板以粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，粉沙質(zhì)泥巖和泥巖次之；煤6層(組)蓋層封蓋較差，頂板以細砂巖和粗砂巖為主，粉砂巖次之，局部為泥巖，砂巖孔、滲發(fā)育，氣體易散失，不利于煤層氣的保存。
綜上所述，紅沙崗地區(qū)煤巖演化程度低，以長焰煤為主，煤層厚度大，埋深適中(小于1000m)，其中煤1層(組)和煤4層(組)頂?shù)装宸馍w性能好。
3 紅沙崗地區(qū)煤層氣勘探潛力分析
3.1 煤層含氣性差
    根據(jù)紅沙崗煤礦煤孔瓦斯測定，煤層甲烷(瓦斯)含量非常低，均以氮氣為主(表3[5])；上部煤1層(組)瓦斯含量比煤4、煤5和煤6層(組)高，尤其是煤1-1層甲烷含量是其他煤層的幾倍到幾十倍，可能是煤1-1層直接頂板油頁巖起到的封閉作用最好。

    從表3中可知，各可采煤層瓦斯總含量可燃質(zhì)均很低，瓦斯成分均以氮氣為主，煤1-1層氮氣含量平均為75.38%，煤4-2層平均為93.92%；煤6層(組)平均為94.40%。甲烷氣體含量煤1-1層最高達28.78%，平均為15.31%，明顯高于煤4-2層(平均2.33%)；C02含量均小，煤1-1層平均為6.32%，煤4-2層平均為2.83%。根據(jù)煤層瓦斯成分劃分，煤1-1層屬氮氣-沼氣帶(CH4含量為10%～80%，C02含量小于等于20%)，煤4-2層屬二氧化碳-氮氣帶(CH4含量小于10%)。不排除樣品采集過程中混入空氣所致。
3.2 缺少再次生氣補充
3.2.1地下水礦化度對煤層氣藏的影響
    對于低煤階煤層氣藏，其成藏需要有一個利于甲烷生成和富集的環(huán)境，若溫度、水文地質(zhì)等條件(鹽度、礦化度)合適時，可以二次、三次甚至多次生成生物成因甲烷氣[9～12](簡稱生物氣)，基本條件是缺氧環(huán)境、低硫酸鹽環(huán)境和低溫環(huán)境，煤層被含硫酸根的地表水侵入，遭到氧化時產(chǎn)生C02，然后還原成CH4[13～15]。因此一個適合甲烷菌生存的良好環(huán)境是十分必要的，而高礦化度條件不利于甲烷菌的存活，通過模擬實驗，當(dāng)?shù)叵滤V化度高于10000mg/L時甲烷菌將完全死亡[16～17]。并且，高礦化度地下水可以造成低煤階煤儲層吸附能力的降低，游離氣隨著水力作用發(fā)生運移和散失，同時隨著儲層壓力降低到臨界解吸壓力，吸附氣體不斷發(fā)生解吸、擴散、滲流和運移，最終導(dǎo)致煤層含氣量降低，煤層氣藏遭到嚴(yán)重破壞。
3.2.2實例——美國粉河盆地低煤階煤層氣
    美國粉河盆地位于蒙大拿州東南部和懷俄明州東北部，面積約67000km2，煤層氣資源量3.34×1012m3。煤層主要分布在第三系Fort Union組(尤寧堡組)，為低煤階褐煤(Ro含量為0.3%～0.4%)，煤層平均厚23m，埋深90～900m，含氣量為0.57～4m3/t，平均1.4m3/t，含氣量明顯較低。但含氣飽和度可達90%～100%，甲烷δ13C1值為-60.0‰～-56.7‰，δD值為-307‰～-315‰，表明煤層氣源以生物氣為主[18～19]。
    2008年粉河盆地煤層氣產(chǎn)量達160×108m3，占美國2008年煤層氣產(chǎn)量的29%，粉河盆地煤層氣開發(fā)比較成功的區(qū)塊主要位于東部邊緣露頭的緩坡區(qū)，該區(qū)地下水活躍，礦化度低(540mg/L)，日產(chǎn)水32～79m3，局部地區(qū)煤層氣采出量已經(jīng)超過其原地資源量的2倍。
    粉河盆地地下水從盆地東部邊緣流向北部，在涇流地帶由于較低的地溫和地層水礦化度，為形成次生生物氣提供了良好的地質(zhì)條件，最終所形成的大量生物氣一部分被煤層再吸附，一部分呈游離狀態(tài)運移聚集，從而使構(gòu)造高部位的含氣量和含氣飽和度較高，而最好的產(chǎn)氣區(qū)是砂巖附近與差異壓實作用有關(guān)的構(gòu)造高點、緊閉褶皺形成的構(gòu)造高點以及煤層上傾尖滅部位。
3.2.3地下水礦化度對紅沙崗地區(qū)煤層氣藏的影響
    紅沙崗地區(qū)降水少、蒸發(fā)量大、地下水資源貧乏，水化學(xué)類型為Cl·S04—Na及SO4·Cl—Na·Mg型，地下水礦化度多數(shù)大于10000mg/L[5～6]。由于礦化度高，地下水不利于產(chǎn)甲烷菌的生存，無法再次生成生物氣，由于缺少后期生物氣的補充，而初始產(chǎn)生的甲烷氣在盆地后期抬升過程中，已大部分散失掉，導(dǎo)致煤層含氣量低。
3.3 煤層氣勘探方向
    在潮水盆地紅沙崗地區(qū)尋找煤層氣富集區(qū)建議從下面兩個方向進行：
    1) 潮水盆地及紅沙崗地區(qū)發(fā)育大量火成巖，分析是否存在除加里東期和海西期以外，成煤期后的火成巖，因為這種火成巖可加深煤巖的熱演化程度，產(chǎn)生大量熱成因甲烷氣，使煤層含氣再飽和(如阜新巖墻式煤層氣藏)。因此，在古地溫異常，煤階較高，保存條件較好的地區(qū)是煤層氣富集區(qū)。
    2) 紅沙崗北部靠近北大山，山上雪水進入北部煤系地層，可稀釋地下水礦化度，使之具有缺氧、低礦化度和低溫環(huán)境，大量微生物細菌可能存活，并代謝甲烷、正烷烴和其他有機物，煤層的含氣量能得到補充，具有較大的勘探價值。
4 結(jié)論
    1) 潮水盆地煤層以低煤階長焰煤為主，紅沙崗地區(qū)是潮水盆地主要含煤坳陷，構(gòu)造控制煤層的分布，盆緣斷裂附近有利于成煤和護煤。
    2) 紅沙崗地區(qū)煤層層數(shù)多、厚度大、埋藏適中。該區(qū)含有6個煤組，總厚度介于3～35m，煤層埋深淺于1000m。但由于較高的地層水礦化度對晚期生物成因氣的制約作用，使其含氣性較差，含氣量小于1m3/t。
    3) 低煤階煤層氣勘探，應(yīng)從多氣源供給，尋找高含氣飽和度煤層氣藏的角度考慮[20]。煤層附近或頂?shù)装灏l(fā)育油頁巖、泥巖的煤盆，如果淺層地下水活躍、礦化度低，有較好的保存條件，或中深層有巖漿熱變質(zhì)作用，則可以尋找在淺層以生物氣為主、中深層以熱成因氣為主的煤層氣有利勘探目標(biāo)區(qū)。
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(本文作者：孫斌1，2 孫粉錦1，2 陳剛2 譚修中3 陳永康4 周元剛4 1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院；3.中國石油玉門油田公司勘探開發(fā)研究院；4.中國石油渤海鉆探工程公司第二錄井分公司)