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准南白杨河矿区煤层气成藏模式及主控因素

肖晴侠 王生维 陈安东

肖晴侠,王生维,陈安东. 准南白杨河矿区煤层气成藏模式及主控因素[J]. 华北地震科学,2020, 38(2):28-33, 51. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.02.005
引用本文: 肖晴侠,王生维,陈安东. 准南白杨河矿区煤层气成藏模式及主控因素[J]. 华北地震科学,2020, 38(2):28-33, 51. doi:10.3969/ j.issn.1003−1375.2020.02.005
XIAO Qingxia,WANG Shengwei,CHEN Andong. Coalbed Methane Reservoir Forming Model and Main Controlling Factors of Baiyanghe Mining Area in the Southern Junggar[J]. North China Earthqauke Sciences,2020, 38(2):28-33, 51. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.02.005
Citation: XIAO Qingxia,WANG Shengwei,CHEN Andong. Coalbed Methane Reservoir Forming Model and Main Controlling Factors of Baiyanghe Mining Area in the Southern Junggar[J]. North China Earthqauke Sciences,2020, 38(2):28-33, 51. doi:10.3969/j.issn.1003−1375. 2020.02.005

准南白杨河矿区煤层气成藏模式及主控因素

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2020.02.005
基金项目: 国家科技重大专项资助项目(2016ZX 05057001-007);山西省煤层气联合研究基金资助项目(2014012011);山西省煤基重点科技攻关资助项目(MQ2014-06)
详细信息
    作者简介:

    肖晴侠(1990—),女,山东鱼台人,工程师,主要从事地质工程方向的工作. E-mail:qingxiaxiao@cug.edu.cn

    通讯作者: 陈安东(1991—),男,山东临朐人,工程师,主要从事地质工程方向的工作. E-mail:anthonchan@cug.edu.cn
  • 中图分类号: P618.13;TE12

Coalbed Methane Reservoir Forming Model and Main Controlling Factors of Baiyanghe Mining Area in the Southern Junggar

图(9) / 表 (2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-01
  • 网络出版日期:  2020-08-08
  • 刊出日期:  2020-04-01

准南白杨河矿区煤层气成藏模式及主控因素

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2020.02.005
    基金项目:  国家科技重大专项资助项目(2016ZX 05057001-007);山西省煤层气联合研究基金资助项目(2014012011);山西省煤基重点科技攻关资助项目(MQ2014-06)
    作者简介:

    肖晴侠(1990—),女,山东鱼台人,工程师,主要从事地质工程方向的工作. E-mail:qingxiaxiao@cug.edu.cn

    通讯作者: 陈安东(1991—),男,山东临朐人,工程师,主要从事地质工程方向的工作. E-mail:anthonchan@cug.edu.cn
  • 中图分类号: P618.13;TE12

摘要: 为了建立矿区范围内的煤层气成藏模式,查明控气主要因素,对后期井网布置、钻井、压裂、排采等提供重要依据。基于新疆阜康白杨河矿区的地质条件和煤层气特征,进行成藏模式的系统研究,结合灰色关联理论分析,总结出成藏主控因素。研究结果显示:矿区内42#目标煤层厚度大、煤层含气量高,与煤层埋深呈正相关性;煤层直接顶底板的砂岩致密性好,形成较好的封盖条件。综合分析认为矿区南部位于单斜底部,埋深大、煤层厚、含气量高,封盖条件好,是煤层气富集的有利区域,并提出了致密顶底板、单斜构造和水文地质条件的联合封闭成藏模式。

English Abstract

肖晴侠,王生维,陈安东. 准南白杨河矿区煤层气成藏模式及主控因素[J]. 华北地震科学,2020, 38(2):28-33, 51. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.02.005
引用本文: 肖晴侠,王生维,陈安东. 准南白杨河矿区煤层气成藏模式及主控因素[J]. 华北地震科学,2020, 38(2):28-33, 51. doi:10.3969/ j.issn.1003−1375.2020.02.005
XIAO Qingxia,WANG Shengwei,CHEN Andong. Coalbed Methane Reservoir Forming Model and Main Controlling Factors of Baiyanghe Mining Area in the Southern Junggar[J]. North China Earthqauke Sciences,2020, 38(2):28-33, 51. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2020.02.005
Citation: XIAO Qingxia,WANG Shengwei,CHEN Andong. Coalbed Methane Reservoir Forming Model and Main Controlling Factors of Baiyanghe Mining Area in the Southern Junggar[J]. North China Earthqauke Sciences,2020, 38(2):28-33, 51. doi:10.3969/j.issn.1003−1375. 2020.02.005
    • 新疆准南地区属于低煤阶地区,拥有丰富的煤炭及煤层气资源,是国家“十三五”低煤阶煤层气勘探开发重点示范区[1-4]。近年来,国内外学者针对煤层气成藏理论、成藏机理以及成藏模式等内容已开展大量工作与研究[5]。构造作用和水文地质条件是煤层气富集成藏过程的主控因素,煤层气的赋存、运移和生产都受到水文地质的影响与控制作用,煤层气勘探开发过程也起到非常重要的作用[6]。白杨河矿区位于新疆阜康市石河子镇,该区发育煤层的下侏罗统八道湾组(J1b)平均厚度570 m,主要发育42#和44#煤层,以气煤-肥煤为主,单层煤厚超过20 m,厚度较大,含气量较高,但该区研究主要聚焦在构造、渗透率、含气性特征等方面,煤层气成藏模式及主控因素分析研究较少。灰色关联分析方法,是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度,亦即“灰色关联度”,作为衡量因素间关联程度的一种方法。作为一种定量表征系统发展变化态势的方法,其最大的优点在于客观性强,方便、直观,对样本数量要求低,且对分布规律无要求[7-8]。笔者选定煤层厚度、煤层埋深、含气性、渗透率4个指标的灰色关联分析,通过收集研究区前期勘探成果和解译资料,对该区煤层气成藏模式及主控因素进行研究,以期为后期钻压排的工作提供重要的理论支撑。

    • 准噶尔盆地最早于中石炭世末期形成,最早的沉积盖层是下二叠统,是经过周边海槽闭合碰撞,受到多向挤压形成的,属于典型的挤压性盆地。盆地在晚二叠世时,沉积的范围不断扩大,原本分割的局面得到初步统一。印支运动时期,盆地周边的主断裂有同生构造和明显的左、右扭动,表现为东强、西弱、北强、南弱的规律,盆地北缘一些主控断裂还表现出强烈地推覆活动[9-10]。白杨河矿区构造位于新疆二级构造单元北天山优地槽褶皱带北部中央部位,该褶皱带北与准噶尔坳陷接壤,南以博罗科努-阿其库都克超岩石圈断裂为界,呈近EW向展布,南北宽约200 km(图1),这是自早古生代开始,燕山晚期、喜马拉雅早期和喜马拉雅晚期3期构造[11]形成的一系列NWW向、近WE向及NEE向的断裂、褶皱及山间盆地。其断裂主要为压性,褶皱均以复背斜形式展现,东部构造形迹呈波浪起伏。

      图  1  研究区构造纲要图[12]

    • 研究区位于黄山-二工河向斜北翼,总体上为一南倾的单斜构造(图2),近EW走向,倾角50°左右,含煤地层在走向和倾向上变化不大。在研究区外西侧有一条洪沟断层(F2),为一正断层,倾向西,倾角 80°左右,断距约100 m 左右。研究区节理极为发育,且均属剪切节理,节理的走向总体上则表现为4个优势方向,即NEE-SWW向、NWW-SEE向、NNE-SSW向和NNW-SSE向,其中以NNE-SSW向和NNW-SSE向为主(图34[12]

      图  2  42#煤层底板构造图

      图  3  节理走向玫瑰花图[11]

      图  4  节理密度统计

    • 煤层气藏形成条件包括生气能力、储层特征、封盖条件3个方面。生储能力主要包括煤层厚度、含气性等方面,封盖条件主要受顶底板岩性、构造特征和水文地质条件影响。

    • 该区发育煤层的下侏罗统八道湾组(J1b),目标煤层为42#煤层,以气煤-肥煤为主,煤层浅部火烧,单层煤厚超过20 m(图5),厚度较大,含0~3层夹矸(图6),岩性为粉砂岩和炭质泥岩,结构简单,为一全区可采的稳定的巨厚煤层。煤层厚度由东到西厚度稳定,由浅到深逐渐变厚,呈正相关关系(图7)。

      图  5  42#煤层厚度等值线图

      图  6  42#煤层煤体结构图

      图  7  煤层厚度与含气量随埋深变化趋势图

      煤的宏观煤岩组分以亮煤为主,暗煤次之,夹有少量的镜煤,宏观煤岩类型以光亮煤为主。有机显微组分以镜质组为主(86.60%~93.70%),惰质组次之(5.30%~12.40%),极少量的壳质组(<1%)。灰分含量在4.33%~13.93%,属于特低-中低灰分产率。孔隙类型以基质孔隙为主,微裂隙次之,含有少量的植物细胞残留孔隙,基质孔隙度在4.08%~4.36%,平均为4.18%。煤层的坚固性系数低,小于0.8,属于低等强度的煤层。

    • 根据前期区块内已钻煤层气井,对42#煤层含气量进行了测试。FC-1井:空气干燥基气含量为8.69~15.65 m3/t,平均13.26 m3/t。FS-3井:煤层空气干燥基气含量为0.65 ~8.53 m3/t,平均4.46 m3/t。FS-4井:煤层取样空气干燥基气含量为8.76~13.57 m3/t,平均10.94 m3/t。ZN-1井:煤层空气干燥基气含量为6.69~14.09 m3/t,平均9.60 m3/t。通过对42#煤进行渗透率测试,渗透率范围为5~11 mD,含气量高且渗透率较好,对后期开发极为有利。

    • 煤层的顶底板对煤层气有着一定程度的保存作用。顶板以深灰色-灰黑色粉、细砂岩为主,南倾单斜构造,平均厚度超过40 m,底板为粉砂岩、中砂岩,岩性粒度细小,平均厚度约30 m,均与煤层整合式接触(图8),质地半坚硬,钙质胶结,致密性较好,其毛细管力可以阻止气体的逸散,为煤层气储存提供了较好的封盖条件[13]。顶底板埋深自北向南逐渐增大,由东到西埋深、厚度稳定(图8)。

      图  8  煤层柱状图

      研究区的地质构造为黄山-二工河向斜北翼,总体上为地层南倾的单斜构造,走向为近EW向,地层倾角45°~53°,含煤地层在走向和倾向上变化不大,构造复杂程度划分为简单构造类型。

      研究区气候干旱,大气降水极为有限,但其位于天山北坡,来自山上的冰雪融水对煤系地层的水补给量非常大,研究区东部白杨河更是常年有水不断流,位于研究区中部季节性河流泉水沟的水井,出水量也很大。尤其火烧岩较为破碎,裂隙极其发育,储水空间和透水通道良好,与地表水形成水力联系而获得补给能力强,且分布的位置位于煤层的上部。

    • 综合考虑顶底板特征、构造特征以及水文地质条件,总结出研究区煤层气成藏模式为顶底板封闭与单斜-水力封堵复合型成藏模式[14-15]。同时,为了定量分析煤层气成藏主控因素,结合灰色关联理论,选定煤层厚度、煤层埋深、含气性、渗透率等4个方面分析各个地质因素对成藏模式的影响程度(表1)。

      表 1  影响因素原始数据

      井号评价指标
      煤层厚度/m煤层埋深/m含气性/(m3/t)渗透率/mD
      F3 8.11380 8.537.2
      F413.1646013.576.5
      ZN117.4058014.096.0
      FC122.3965015.655.0
      F2725.4480018.005.7
    • 研究区顶底板封闭与单斜-水力封堵复合型成藏模式(图9)。开采部位位于向斜北侧南倾单斜底部构造部位,地下水由向斜两翼进入核部,形成滞流区,而北翼上部为烧变岩,渗透性大,地表径流顺烧变岩地层沿下倾方向流动优势明显,煤层气在浮力的作用下沿上倾方向运移。此时,在直接顶底板的封盖作用下,气水分异特征明显,煤层气与地下水相互阻碍,形成相对滞留的平衡状态,有利于煤层气在此富集成藏。同时,多煤层发育条件下,向斜部位构造压应力大,在地层上覆压力双重作用条件下,可以形成有利储层。因此,致密性山岩顶底板、单斜构造-水动力封堵作用较强的向斜核部是煤层气富集成藏的有利部位[14,16-18]

      图  9  成藏模式模型(据王生维、周三栋等改)[13,15]

    • 灰色关联分析的基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。曲线越接近,相应序列之间关联度就越大,反之就越小。具体包括如下5个步骤[1,19-20]:a.确定分析数列;b.无量纲化处理;c.计算关联系数;d.求关联度;e.关联度排序。

      a. 参考数列为Y=Y(k)∣k=1,2···4;比较数列为Xi=Xi(k),k=1,2···4,i=1,2···5。

      b. 无量纲化处理。由于各个影响因素的物理意义不同,因此其原始数据量纲不同,且数量级差距较大。因此采用均值化方法进行无量纲化处理。

      c. 计算关联系数[16]

      其中ρ为分辨系数,0<ρ<1。若ρ越小,关联系数间差异越大,区分能力越强。通常ρ取0.5。

      $$ \xi ik = \frac{{\Delta (\min) + \rho \Delta \left( {\max} \right)}}{{\Delta 0i(k) + \rho \Delta \left( {\max} \right)}}$$

      d. 计算关联度公式;

      $$ ri = \frac{1}{N}\mathop \sum \limits_{K = 1}^N \xi i\left( k \right)$$

      e. 关联度排序(表2)。

      表 2  灰色关联度计算结果

      项目r1r2r3r4
      关联度0.94790.33680.97830.9943
      排序3421

      通过计算可以定量、直观地反映煤层气成藏的主控因素,分别是r4渗透率、r3含气性、r1煤层厚度和r2煤层埋深。

    • 通过对白杨河矿区煤层气成藏模式及主控因素的分析,得到以下结论:

      1)研究发现,白杨河矿区煤层厚度大、含气量高,且煤层厚度和含气性随着煤层埋深的增大而增大,呈现明显的正相关性。顶底板岩性为砂岩-粉细砂岩,致密性较好,为煤层气富集提供了良好的封盖基础。

      2)致密性山岩顶底板、单斜构造-水动力封堵作用较强的向斜核部是煤层气富集成藏的有利部位,形成了研究区顶底板封闭与单斜-水力封堵复合型成藏模式,并建立了相关地质模型。

      3)基于灰色关联理论研究发现,渗透率、含气性和煤层厚度是该区煤层气成藏的主控因素。

参考文献 (20)

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