天然气地球科学 >

2019 , Vol. 30 >Issue 11: 1667 - 1676

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2019.07.002

非常规天然气

新疆乌鲁木齐河东矿区煤层含气特征及主控因素

  • 杨师宇 , 1, 2 ,
  • 魏韧 3 ,
  • 袁学浩 1, 2 ,
  • 郑司建 1, 2 ,
  • 姚艳斌 , 1, 2
展开
  • 1. 中国地质大学（北京） 能源学院，北京 100083
  • 2. 煤层气开发利用国家工程研究中心，中国地质大学（北京）煤储层物性实验室，北京 100083
  • 3. 北京大学地球与空间科学学院，北京 100871
姚艳斌(1978-)，男，河北邯郸人，教授，博士生导师，主要从事非常规油气储层研究. E-mail:.

杨师宇(1995-)，女，吉林吉林人，硕士研究生，主要从事非常规储层性质、储层评价研究. E-mail:.

收稿日期: 2019-03-31

  修回日期: 2019-07-02

  网络出版日期: 2019-12-03

基金资助

国家自然科学基金(41830427)

国家科技重大专项(2016ZX05043-001)

新疆维吾尔自治区重点研发计划(2017B03019-01)

收起

Analysis of coal reservoir gas characteristics and main controlling factors in Hedong mining area, Urumqi city, Xingjiang Uygur Autonomous Region

  • Shi-yu Yang , 1, 2 ,
  • Ren Wei 3 ,
  • Xue-hao Yuan 1, 2 ,
  • Si-jian Zheng 1, 2 ,
  • Yan-bin Yao , 1, 2
Expand
  • 1. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
  • 2. Coal Reservoir Laboratory of National Engineering Research Center of CBM Development & Utilization, School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
  • 3. School of Earth and Space Science, Peking University, Beijing 100871, China

Received date: 2019-03-31

  Revised date: 2019-07-02

  Online published: 2019-12-03

Fold

本文亮点

新疆准噶尔盆地南缘乌鲁木齐河东矿区是国内煤层气勘探开发的新区，其整体研究程度较低。基于对河东矿区精细地质条件分析和系统的实验分析测试，结合灰色关联多因素综合分析方法，揭示了该区煤储层的含气性及富集控制机理。结果表明，河东矿区存在2套煤层气目标层，其中45号煤的吸附能力（兰氏体积为11~24.5m3/t）明显优于43号煤（兰氏体积为7.5~21m3/t），煤的吸附能力主要与其水分含量和有机、无机组分含量有关。综合评价结果表明，研究区煤层气主要富集在红山嘴—白杨北沟断层西侧及北单斜区域，其中煤层气富集是煤层厚度、风化氧化程度、煤的水分含量等多方面因素综合作用的结果，在不同的层段不同因素控制强度存在差异性。进一步提出了针对新疆地区高倾角煤层及复杂地质条件区的特殊的煤层气富集模式，指出高倾角导致的构造破坏及断层封闭是导致煤层气富集的关键因素。

本文引用格式

杨师宇 , 魏韧 , 袁学浩 , 郑司建 , 姚艳斌 . 新疆乌鲁木齐河东矿区煤层含气特征及主控因素[J]. 天然气地球科学, 2019 , 30(11) : 1667 -1676 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2019.07.002

Highlights

The Hedong mining area located in the southern margin of the Junggar Basin, Xinjiang Uygur Autonomous Region, is a relative new exploration area for coalbed methane(CBM) in China. Based on the methods of experimental analysis and the grey correlation analysis, this paper is a relative early research to investigate coal geological properties, gas-bearing characteristics and CBM enrichment mechanism in the study area. The results show that the Nos. 43 and 45 coal seams have Langmuir adsorption volume of 7.5-21m3/t and 11-24.5m3/t, respectively, which means that the adsorption capacity of No.45 coal is stronger than that of the No.43 coal. The adsorption capacity of coal is mainly related to the moisture content in coal and the organic and inorganic components of coal. A comprehensive evaluation results indicate that the CBM in the study area is mainly enriched in the west of the Hongshanzui-Baiyangbeigou fault and the north monoclinic zone. The geological controls of CBM enrichment include many factors such as coal seam thickness, oxidation degree, and the moisture content in coal, and the major control factors are different between the No.43 and No.45 coal seam. Based on the above analysis, a CBM accumulation model was provided for the high dip angle coal seams and complex geological conditions in Xinjiang. It was concluded that the structural trap caused by high dip angle and faulting is the key for CBM enrichment.

0 引言

新疆拥有丰富的煤层气资源，全疆地区2 000m以浅煤层气资源总量为9.5×1012m3，约占全国的25%，其中准噶尔盆地为3.83×1012m3，占新疆预测资源量的39.34%。准噶尔盆地南缘是我国“十三五”低煤阶煤层气勘探开发重点示范区[1,2,3,4,5,6,7]，其中乌鲁木齐河东矿区位于准噶尔盆地南缘中段，矿区煤层发育的西山窑组平均厚度为450m，主要发育41号、43号和45号煤层[8,9,10]。钻孔资料显示，西山窑组煤层的单层及累计厚度大，43号煤层埋深为300~1 350m，厚度为2.5~32m(平均为18m)；45号煤层埋深为420~1 550m，厚度为20.5~48.5m(平均为33.2m)。但该区目前整体研究程度较低，已实施的10余口探井资料表明，研究区内地质条件复杂，断层褶皱十分发育，即使小范围内的煤层气富集规律也呈现较大的差异性，具有较高的研究价值[11,12,13,14]。前期国内学者[15,16,17,18,19,20,21]针对河东矿区含气性特征开展了初步的基础地质调研工作，包括研究区中低阶煤含气性分布及其成藏等。针对煤层气地质的研究主要侧重于大区域范围的煤层气含气量分布规律研究[22,23,24,25,26,27,28,29]，如区域地质构造、岩浆活动、埋深、地应力等对煤储层含气量影响等。限于前期的有限资料，在区块尺度内对该区煤层含气性分布规律的精细解剖研究还较少。本文基于研究区最近2年的煤层气勘探资料，采用灰色关联分析等统计学方法，深入剖析了研究区西山窑组43号和45号2套主力煤层的煤层气分布特征及煤层气富集机理，研究可为该区煤层气后续大规模开发提供技术支撑。

1 地质背景

乌鲁木齐河东矿区位于北天山褶皱带的北缘和乌鲁木齐山前坳陷带，研究区内主要发育的主体构造有八道湾向斜（S7）、七道湾背斜（A6）、碗窑沟逆冲断层（F2）、魏家泉逆断层（F8）、白杨北沟逆冲断层（F3）、红山嘴到白杨北沟间逆冲断层（F4）等（图1）。河东矿区构造走向总体为北东东向，这与北天山褶皱带受力方向一致，地层的倾角总体呈现北缓南陡，在北部倾角一般约为30°，南部倾角一般为70°~80°，导致发育的煤层多为高倾角煤层，总体地质构造呈现“东西分段，南北分带和上下分层”特征。
图1 乌鲁木齐河东矿区综合地质特征

Fig.1 Comprehensive geological map of Hedong mining area, Urumqi city

河东矿区是准噶尔盆地南缘西山窑组的沉积中心，主力煤层为西山窑组43号和45号煤层。2套煤层因南北展布方向受到地形坡度大小差异作用，导致不同旋回沉积，从而造成煤层平面分布的局部差异性；纵向上，下西山窑组可见4套煤层，其顶底板均为粉砂岩和砂岩。由于短沉积旋回多期出现，河东矿区煤系地层整体表现为多层砂岩、煤层组合交互发育的特点[19,30](图1)。

2 煤的吸附特征及影响因素

2.1　煤的吸附性

通常采用等温吸附获得的兰氏体积和兰氏压力来表征煤的吸附性能。其中兰氏体积表征煤储层的极限吸附量，反映煤储层吸附能力；兰氏压力则表示实际吸附量占极限吸附量50%时对应的压力，反映了煤储层吸附煤层气的难易程度。分析研究区W1—W8共8口井的43号和45号主力煤层等温吸附曲线及兰氏体积展布特征(图2，图3)，可知其吸附特性有以下2个特点： ① 43号煤层兰氏体积为7.5~21m3/t(均值为16.7m3/t)，兰氏压力为2.64~4.24MPa(均值为3.37MPa)；45号煤层兰氏体积为11~24.5m3/t(均值为17.8m3/t)，兰氏压力为2.65~4.46MPa(均值为3.18MPa)；总体上2套煤层的兰氏压力相差不大，45号煤层吸附能力优于43号煤层。 ② 研究区43号、45号煤层兰氏体积均呈带状分布，在八道湾向斜南翼兰氏体积较小、北翼兰氏体积较大，且在北单斜区域兰氏体积偏低。
图2 河东矿区43号、45号煤层煤岩等温吸附曲线

Fig.2 Isotherm adsorption curve of coal seam in seams No.43 and No.45 of Hedong mining area

图3 43号、45号煤层兰氏体积展布

Fig.3 Rank distribution maps of No. 43 and No. 45 coal seams

2.2　煤储层吸附性控制因素

煤储层吸附能力的大小取决于煤的物质组成、孔裂隙发育等，本文重点分析了煤中水分含量、灰分产率、惰质组组分等对吸附能力的影响（表1）。
表1 河东矿区煤样吸附与煤质分析数据

Table 1 Coal adsorption and coal proximate analysis in Hedong mining area

井位 煤层 水分/% 灰分/% 惰质组/% 碳含量/% V L/（cm3·g-1） P L/MPa
W1 43 3.87 13.88 13.4 80.12 15.48 3.2
45 2.92 12.12 17.3 82.04 14.31 2.91
W2 43 2.3 4.72 51.5 82.82 16.78 4.17
45 2 0.85 46.7 82.24 16.03 3.25
W3 43 2.84 1.44 34.8 84.76 23.27 4.23
45 2.56 4.24 24 84.21 22.38 3.7
W4 43 2.28 18.52 16.2 81.67 15.68 2.93
45 2.6 6.28 30 82.22 23.72 3.11
W5 43 2.66 7.9 47.2 83.4 18.31 2.83
45 2.22 2.58 46.4 84.1 21.39 2.78
W6 43 0.73 8.46 59.4 83.3 7.9 2.13
45 0.29 5.76 44.2 85.4 20.57 2.98
W7 43 0.72 36.77 32.3 81.72 12.13 2.85
45 0.35 60.42 35.75 81.77 13.44 3.31
W8 43 0.2 10.22 33.4 80.97 17.33 2.88
45 0.7 9.36 34.5 79.36 20.86 3.53

注: V L为兰氏体积,cm3/g；P L为兰氏压力,MPa

水分含量和灰分产率间接反映了煤的无机组分的含量，其含量对煤储层吸附特性有着重要的影响。研究区煤岩组成与兰氏吸附体积的关系，如图4所示。整体上，煤储层兰氏体积随水分含量的增加呈现先升高后下降的趋势，转折点在水分含量2%附近[图4（a）]。主要原因为：在水分低于2%时，随着水分含量的增加，煤储层微小孔的非均质性变弱，对应的微小孔体积百分数增加，大量的微小孔为煤层气吸附提供了更多的空间，继而提高煤储层吸附能力，兰氏体积上升，当水分高于2%时，随着水分含量继续增加，煤储层水分会占据更多的孔隙空间，导致煤层气吸附能力下降[23]。如图4（b）所示，煤的兰氏体积与灰分产率呈现负相关关系，灰分产率增加间接反映煤中无机矿物含量较高，不利于煤吸附，导致兰氏体积降低。
图4 煤岩物质组成与兰氏体积关系

Fig.4 Relationship between material composition and Rankine volume

煤储层有机组分主要包括镜质组和惰质组，镜质组是煤储层生气的主要组分，但对气体吸附能力的影响较小[31]，而惰质组含量对煤储层吸附能力的影响需要同时考虑煤变质程度的影响[32]。由于研究区煤储层煤阶变化幅度较小，因此本文研究时忽略煤阶的影响，而仅考虑惰质组组分对煤储层吸附能力的影响。如图4(c)所示，研究区煤样兰氏体积随着惰质组含量的增加而增加，表明了惰质组含量对煤储层吸附能力控制作用，即惰质组含量越高，控制作用越强。
元素分析结果显示，碳元素含量与吸附能力有很好的相关性[图4(d)]。煤储层吸附能力随着碳含量的增加而增强，碳含量越高体现有机质含量越高，表现为较强吸附能力。

3 煤储层含气性特征

3.1　横向含气组成特征

通过对河东矿区9口井43号和45号煤层含气量及各气体成分统计，研究区2套主力煤层甲烷平均含量在75%左右。整体上氮气及二氧化碳含量变化幅度较大，43号煤层氮气含量在1.71%~17.26%之间，平均氮气含量值高于45号煤层；45号煤层二氧化碳含量在3.2%~39.35%之间，平均二氧化碳含量值高于43号煤层(表2)。
表2 43号和45号煤层含气量及各气体成分分布特征

Table 2 Gas distribution and gas composition distribution of No. 43 and No.45 coal beds

煤层号 含气量/(m3/t) 气体成分/%
甲烷 二氧化碳 氮气
43 2.21 ~ 12.25 5.52 66.89 ~ 85.54 76.67 4.89 ~ 26.32 14.63 1.71 ~ 17.26 8.4
45 0.11 ~ 6.73 4.77 60.16 ~ 86.56 74.25 3.2 ~ 39.35 19.12 0.5 ~ 14.83 6.25

注： a - b c 中 a 、 b 、 c 分别为最小值、最大值和平均值

3.2　含气量横向展布特征

研究区43号煤层含气量为2.21~12.25m3/t，平均为5.52m3/t；45号煤层含气量为0.11~6.73m3/t，平均值为4.77m3/t。43号煤层的平均含气量略大于45号煤层，2套煤层高含气区域分布较为一致，含气量高值区主要分布在红山嘴—白杨北沟断层西侧及北单斜区域(图5)。
图5 河东矿区43号、45号煤层含气量展布

Fig.5 Gas distribution of No. 43 and No. 45 coal seams in Hedong mining area

研究区煤层含气量受褶皱影响较强，八道湾向斜核部含气量普遍较低，翼部含气量则呈现逐渐上升的趋势，说明褶皱对煤层核部的破坏作用较强；断层对煤层含气量的影响较弱，主要原因是研究区断层大都为封堵性断层，断层的封闭作用远大于逸散作用，断层并不会导致煤层气的散失。在研究区八道湾向斜附近，43号煤层的含气量普遍低于4m3/t，在碗窑沟断层及魏家泉断层东侧区域，45号煤层含气量普遍低于3.5m3/t，因此该区域对应煤层开采潜力较小。

4 含气性横向分布的主控因素

4.1　基于灰色关联的含气量主控因素分析

本文针对该区域不同煤层，求取各个地质参数的关联度，横纵向分析各个因素对煤储层含气性的影响程度[33,34,35]，包括如下4个步骤：
(1）确定数据序列。采用关联分析首先要确定参考序列，参考序列常记为X 0，因此，煤储层含气量作为参考序列X0 可表示为X 0 =[x 0(1),x 0(2)……x 0(j)]，j表示井的编号。
(2）无量纲化。由于各个地质因素的数量级及量纲不同，故在灰色关联分析中造成极大的不便，在此运用极差变换法来消除量纲，统一数量级：
b i ( j ) = B i j - B i m i n B i m a x - B i m i n
式中: i 为数据种类（煤层厚度、煤层深度等）； j 为井的编号； B i m a x 为这一数据序列值的最大值； B i m i n 为数据序列中最小值。
（3）计算绝对值、极值。计算出参考序列和比较序列对应点之间差的绝对值：
Δ i j = b 0 j - b i j ( i ≥ 1 )
式中： Δ i j 为第 j 口井某一地质因素序列与含气量序列差的绝对值。
在已得出的序列差绝对值中，找出最大值设为 Δ m a x 、最小值 Δ m i n 。
(4）计算关联度。计算不同地质参数与含气量之间的关联系数 ξ i ( j ) ：
ξ i j = Δ m i n + 0.5 Δ m a x Δ i ( j ) + 0.5 Δ m a x
由于关联系数的信息过于分散，离散性较强，不便于比较，故采取求平均值处理得出的关联系数得出关联度 r i ：
r i = 1 n ∑ j = 1 n ξ i j ( i ≥ 1 )
根据关联分析得出各个地质因素、煤岩组分对43号、45号煤储层含气量的关联度(表3)。
表3 43号和45号煤层地质参数、煤岩组分与含气量关联度

Table 3 Correlation between geological parameters, coal rock composition and gas content for No. 43 and No. 45 coals

煤层 厚度/m 埋深/m 顶板厚度/m 氮气体积分数/% M ad/% A ad/%
43 0.683 0.687 0.678 0.649 0.664 0.613
45 0.680 0.622 0.611 0.742 0.742 0.656
如表3所示，表明本文所选的地质因素对主力煤层的含气量均有一定的影响作用。同一因素对不同煤层含气量的影响不尽相同，如代表煤层风氧化强度的氮气体积分数值及水分含量对45号煤层影响程度高于43号煤层，可能与区域构造和孔隙发育等相关。由43号煤层关联度，可知各个参数对43号煤层含气量的影响相差较小，体现该煤层含气量的高低是由各个参数共同控制的结果。不同于43号煤层，在45号煤层地质参数中煤层厚度、氮气体积分数及煤岩组分中水分含量的关联度均较高，表明煤层厚度、风化氧化强度及水分含量等对45号煤层含气量具有较强的控制作用。

4.2　高倾角区煤层气富集模式探讨

对于不同煤层，埋深对含气性的控制程度略有不同。一般情况下，煤层较大的埋深会产生较大的上覆地层压力，进而导致煤层上覆地层排驱压力较大，增强对气体的封堵性。但区域复杂构造导致单一埋深对含气量的控制更为复杂多变，综合关联度及地质构造背景可知，构造对45号煤层含气性的影响作用大于43号煤层。对比区域含气量分布图可知，八道湾向斜轴部含气量较低，在向斜的两翼含气量较高，尤其在向斜的南翼含气量最高，说明在轴部构造活动较为剧烈，煤层破坏严重，即使上覆岩层压力较大，仍无法阻止煤层气向两翼及顶底板逸散，导致轴部煤层含气量较低。八道湾向斜南翼倾角大于北翼，含气量展布图显示南翼煤层含气量明显高于北翼煤层，说明煤层的倾角及断层位置可能对煤储层含气性有一定的控制作用，且随着倾角的增大，控气作用更明显。同一倾角不同深度煤层含气量不同，且不同于一般煤层随深度增加的含气量升高，该区域翼部煤层含气量变化随深度的增加呈先增大后降低的趋势，在翼部的中上部位存在煤层气富集带，这可能是由于深部煤层构造破坏严重，煤层气向上逸散，当遇到区域具有挤压性质的逆断层时，在断面下方富集成藏，从而表现为翼中部含气量较高，又随着煤层埋深变浅，靠近地表煤层受风化氧化作用较强，导致含气量有所下降，表现出理论情况下的埋深与含气量的变化趋势，总体呈现向斜翼部中部富气现象(图6)。
图6 河东矿区主力煤层综合控气模式

Fig.6 Goalbed methane accumulation model diagram of main coal seam in Hedong mining area

研究区43号、45号煤层的吸附能力与含气量似乎呈相反的趋势，45号煤层的吸附能力明显优于43号煤层，但43号煤层的含气量略高于45号煤层。兰氏体积高值主要集中发育在八道湾向斜附近(图3)，但八道湾向斜附近的含气量普遍很低(图5)，这可能与轴部构造破坏作用有关，导致煤层气大量逸散(图6)。在红山嘴—白杨北沟断层西侧及北单斜区域，43号煤层兰氏体积、含气量均高于45号。吸附能力与含气量的差异性可能与煤层横向展布特征、构造背景等有一定的关系。

5 结论

通过对乌鲁木齐河东矿区煤储层含气特征及主控因素分析认为：
--引用第三方内容--

（1）由煤样等温吸附实验数据可知，45号煤储层在低压区气体吸附量高于43号煤层，43号、45号煤层在八道湾向斜南翼兰氏体积较小、北翼兰氏体积较大。煤层兰氏体积随水分含量的增加呈现先升高后下降的趋势，转折点在水分含量为2%附近；兰氏体积随灰分产率增加、碳含量降低、惰质组含量降低而呈现降低的趋势。

（2）主力煤层煤层气主要富集在红山嘴—白杨北沟断层西侧及北单斜区域。总体上43号煤层的含气量高于45号煤层，根据关联分析得出煤层厚度、风氧化程度及水分含量等对含气量高低起重要控制作用。研究发现在高倾角煤层发育区，高倾角导致的构造破坏及压性断层封闭对煤层气的富集具有重要控制作用，进而提出了高倾角区向斜两翼煤层气富集的地质模式。

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