阜康市白杨河矿区煤层气成因研究

马何龙 张 伟 毛德雷

(1.新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队，新疆 830009；2.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京 100095)

1 矿区地质特征

1.1 构造

白杨河矿区位于阜康市东40km处白杨河西岸，其位于北天山褶皱带，博格多复背斜以北，准噶尔坳陷区以南的黄山—二工河向斜北翼，总体上构造为地层南倾的单斜构造，走向为近东西向，地层倾角30°～58°，平均为46°，总体产状变化不大。

1.2 水文

根据矿区水化学特征在煤系地层中，由于上部烧变岩裂隙极发育，地层渗透性强，白杨河水的迳流和补给条件佳，地下水运移较快，矿化度相对较低，也可以说明地下水在运移过程中，由于白杨河水补给充足，水质相对变化不大，矿井水属淡水，中性水，微硬水。而深部的煤层气井的井口排水管线采出的煤层水，水的矿化度已远高于地表水及浅部水的矿化度，水化学类型为NaHCO3型，说明深部煤层水动力强度变弱，并且与外界沟通也变弱，即说明矿区煤层气处于一个封闭的、弱水动力条件下的保存环境，该环境有利于煤层气的保存富集。

1.3 煤层

矿区主要含煤地层为八道湾组下段(J1b1)和八道湾组中段(J1b2)。八道湾组下段(J1b1)地层含45、44、43、42、41、40和39七层煤，本次研究对象主要为39、41、42号煤层，以下对三层煤进行评述：39号煤层在浅部火烧，含夹矸0～4层，煤层总厚7.33～24.51m，平均13.35m；可采厚度5.74～17.20m，平均10.58m；为全区可采的稳定厚煤层；41号煤层在煤层浅部火烧，煤层总厚3.67～10.7m，平均7.69m；可采厚度3.67～10.7m，平均7.55m，夹矸0～4层，岩性为粉砂岩，结构简单～较简单，为一全区可采的稳定的煤层；42号煤层浅部火烧。煤层总厚8.11～25.01m，平均17.82m；可采厚度8.11～22.85m，平均17.58m。含夹矸0～3层，结构简单，为一全区可采的稳定的巨厚煤层。

2 矿区煤层气地质特征

2.1 煤的元素组成

由表1知一般碳含量为79.38%～94.48%，氢含量为1.69%～5.77%，氮含量1.06%～1.83%，氧加硫含量为2.59%～13.53%，故各煤层同一元素的含量都较接近，都在我国相同煤类的变化范围之内，说明其为有机成因。

表1 各煤层浮煤元素分析两极值/平均值分析表

2.2 煤岩显微组分特征及煤类

(1) 煤岩显微组分特征

根据镜下观察，区内的煤均由有机质和无机质构成，有机质总含量平均为62.3%～96.3%，无机质总含量平均占3.8%～37.7%，各煤层的有机质组份大多以镜质体为主，惰质体次之，半镜质体和壳质体少量。各煤层的有机质中，镜质组分平均占37.8%～87.6%，主要以无结构镜质体中的基质镜质体和碎屑镜质体为主。半镜质体：半镜质组分平均占0～16.6%，主要为基质半镜质体。惰质体：惰质组分平均占1.70%～65.2%，主要以丝质体和半丝质体为主，可见碎屑惰质体。39煤层镜煤最大反射率平均为0.73%～1.01%，平均为0.90%，其变质阶段属Ⅱ～Ⅲ阶。41号煤层镜煤最大反射率平均为0.80%～0.90%，平均为0.85%，其变质阶段属Ⅱ～Ⅲ阶。42号煤层镜煤最大反射率平均为0.60%～0.99%，平均为0.70%，其变质阶段属Ⅱ～Ⅲ阶。综上，三层煤镜煤最大反射率为0.60%～1.01%，煤变质阶段属Ⅱ～Ⅲ阶。

(2)煤类

由表2知区内的煤类主要为QM，是较好的炼焦配煤，也可以用作单煤高温干馏来制造城市煤气和低温干馏炼油原料；其它煤煤类主要为RN、WY、RN、SM。

表2 各煤层煤分类情况一览表

综上可以看出：勘查区内煤镜煤最大反射率为0.60%～1.01%，煤类主要为QM，达到成熟阶段。

2.3 煤层气组分特征

本次采自钻孔中取样测试所得化验成果：39号煤层气体组分中，甲烷含量在73.13%～92.73%，平均含量为87.39%；二氧化碳含量6.48%～23.89%，平均含量为10.83%；氮气含量在0.10%～4.73%；乙烷及其他重烃含量在0.06%～2.22%为湿气；41号煤层气体组分中，甲烷含量在68.07%～92.73%，平均含量为78.78%；二氧化碳含量6.48%～27.95%，平均含量为18.69%；氮气含量在0.06%～19.78%，平均含量为1.37%；乙烷及其他重烃含量在0～2.63%，平均含量为1.14%为湿气。42号煤层气体组分中，甲烷含量在67.22%～88.48%，平均含量为77.24%；二氧化碳含量10.04%～25.37%，平均含量为20.15%；氮气含量在0.12%～15.31%，平均含量为1.39%；乙烷及其他重烃含量在0～2.63%，平均含量为1.22%为湿气。除此之外从煤层气井井口出气管线采气样，来测试煤层产出气的气体组分，通过化验分析得出，煤层气井井口气体组分中主要成为为CH4，其次为CO2，其中CH4含量全部大于80%，皆为湿气特征。

2.4 煤层气地球化学特征

矿区内煤层气甲烷碳同位素(表3)分析表明：气体甲烷碳同位素δ13C1在-55.92‰～-65.75‰ 之间，平均甲烷同位素为-59.43‰。其中， 41号甲烷碳同位素一般在-62.52‰～-65.75‰ 之间，平均甲烷同位素为-64.14‰；42号甲烷碳同位素一般在 -57.35‰～-58.46‰之间，平均甲烷同位素为 -57.79‰， 煤层的甲烷碳同位素均较轻，均小于-55‰，具生物成因气特征。据目前资料看，微生物活动普遍参与了煤层甲烷气的形成，它使得煤层甲烷含量增加，强化了瓦斯排出。南缘东部大黄山煤矿中北大槽煤层瓦斯含量高，日排放瓦斯气量2000多m3，成分以甲烷为主，甲烷碳同位素比值为-61.72‰。，说明微生物参与了成气作用，南缘还有一些零星气苗，亦有可能属于生物成因的煤层甲烷气。

表3 天然气组分及碳同位素组成特征

3 结论

区内镜煤最大反射率为0.60%～1.01%，煤变质阶段属Ⅱ-Ⅲ阶，煤阶主要为QM，煤层气组分中甲烷CH4含量67.22%～92.73%，二氧化碳CO2含量6.48%～27.95%，氮气N2含量在0.06%～19.78%，乙烷及其他重烃含量在0.06%～2.63%，甲烷碳同位素δ13C1在-55.92%～-65.75‰之间，综上认为区内煤层气成因为：前期热解成因气以及后期次生生物成因气而形成的混合成因气。

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