摘要：潮水盆地位于河西走廊东段北侧，地跨甘肃、内蒙古两省区，蕴藏一定的煤炭和油气资源，红沙岗地区是其中重要的煤炭富集区，煤炭资源量约12×108t。为弄清楚该区的煤层气勘探前景，详细研究了其煤层气地质条件。结果认为：该区煤层以低煤阶长焰煤为主，厚3～35m，分布稳定，顶部煤层直接盖层为油页岩，煤层气保存条件较好，具有一定的煤层气勘探潜力；但部分地区煤层含气量低，关键原因在于煤层缺少后期生物气的补充。进而指出了该区煤层气勘探的方向：古地温异常、煤阶较高、保存条件较好的地区是该区的煤层气富集区；其中红沙岗北部具有缺氧、低矿化度和低温环境，大量微生物细菌可能存活，并代谢甲烷、正烷烃和其他有机物，煤层的含气量能得到补充，具有较大的勘探价值。
关键词：河西走廊；潮水盆地；红沙岗地区；煤层气；低煤阶；长焰煤；含气量；生物气；富集区
1 地质背景
红沙岗地区位于潮水盆地中北部，行政区划属甘肃省民勤县，面积约200km2。
潮水盆地位于河西走廊东段北侧，地跨甘肃、内蒙古两省区，盆地西起桃花拉山，东至腾格里沙漠，北起北大山，南抵龙首山，面积约1.98×104km2，蕴藏一定的煤炭和油气资源。潮水盆地是中新生代沉积盆地，受龙首山-阿拉古山北西-近东西向构造和北大山弧型构造以及东邻巴彦乌拉山北东向构造线的共同控制，形成断裂和坳陷相间，总体呈东西向展布、中部向南突出的弧形构造格架[1]。盆地基底地层刚性较强，断裂较发育，褶皱宽缓稀疏，且由南至北，构造发育程度减小，依其构造形态及埋深特征可划为6个次级构造单元[2]，分别为北部单斜带、马祖凸起带、中央凹陷带、窖水凸起带、窖南凹陷带和平山湖凹陷带(图1)。其中北部单斜带、平山湖凹陷带和窖南凹陷带为盆地主要含煤构造，北部单斜带和平山湖凹陷带煤层埋藏较浅，一般小于1000m，是下步煤层气勘探的主要方向，窖南凹陷带煤层埋深一般大于2000m，不利于煤层气勘探。下侏罗统芨芨沟组(J1j)和中侏罗统青土井组(J2q)为区内含煤地层[3]。
红沙岗地区就位于潮水盆地主要含煤构造之一——北部单斜带，是盆地内重要的煤炭富集区，煤炭资源量约12×108t。寻找该区的煤层气富集区，对下一步煤层气勘探具有重要意义。
2 红沙岗地区煤层气地质特征
2.1 构造控制煤层分布
红沙岗位于潮水盆地北部单斜带东段，其北侧有北大山古隆起带，南-东南边界受马祖凸起带限制，西侧的红沙岗西凸起将本区与西邻的张家坑沉积区基本隔离。红沙岗与周围隆起带的界线均为连续逆断层，构成了圈闭良好、相对独立的小型含煤断陷型复向斜(图2)。
红沙岗呈北东翘起向南西倾伏的宽缓复式向斜构造[4]，轴向北东东(约73°)，轴长大于5km；西北翼平缓，倾角10°～20°；东南翼较陡，倾角一般超过25°，北部最陡处可超过55°，次级褶皱、断裂发育。
由于受华北板块的俯冲挤压作用，北大山刚性隆起，山前因构造负荷效应而弯曲沉陷，在北大山隆起和红沙岗沉陷的接合部位(应力集中区)发生了逆冲断层(F1)，盆缘断裂F1和马祖凸起构成了红沙岗主干控制构造，在邻近F1断层的北部，一般坳陷较深，煤系地层沉积较厚，而远离F1、近马祖隆起的南部地带，则含煤岩系沉积厚度小，甚至地层尖灭，含煤性也差。因此，F1盆缘断裂是有利于成煤和护煤的构造带。
红沙岗东部(F6)和西部(F4)边界断层为继承性断层，也有不同程度的成煤(同沉积断层性质)和护煤作用。这些断层的继承性活动，控制或改造着含煤地层的展布方向，在构造相对稳定的区段内是保存煤层的有利部位(图2)。
2.2 煤层横向分布变化大
红沙岗地区共含6个煤层(组)[5～6]，总厚度介于3～35m(图3)，煤层自上而下依次编号为煤1～煤6层(组)(表1)。其中煤1和煤4层(组)层位稳定，且分布面积广，为主要可采煤层，也是煤层气主要勘探目的层；煤2、煤6层(组)为局部可采煤层；煤3、煤5层(组)极不稳定。煤1、煤2、煤3层(组)位于中岩组下部，煤4、煤5、煤6层(组)位于下岩组上部[7]。
各煤层间距平均在8～14m，煤3层(组)与煤4层(组)间距较大，平均21m左右。煤层埋深400～1000m，总体是东浅西深。各钻孔平均煤层总厚度9.12m，平均可采煤层总厚度7.39m。各煤层分布范围在纵向上呈“上超式”增大，厚度自北而南逐渐变薄尖灭，其间距也加大。
2.3 煤岩特征
红沙岗地区煤层以光亮、半亮型煤为主，镜煤、亮煤、暗煤常互层出现[5]；煤岩显微组分以镜质组为主(表2)，一般超过80%，惰性组很少，壳质组含量较高，为3%～8%，对煤层气的生成有利。
2.4 煤岩演化程度低
红沙岗地区煤岩演化程度较低，镜质体反射率(Ro)为0.5%～0.8%，以长焰煤为主[6]。区内岩浆岩发育，以加里东期和海西期侵入岩为主[8]，这2期岩浆活动均在含煤岩系沉积之前生成，形成含煤岩系沉积基底，对煤层赋存和演化没有影响。
2.5 主要煤层顶底板封盖性能好
主要目的层煤、层(组)和煤4层(组)直接顶板岩性致密，封盖性能强，对煤层气保存较好，煤6层(组)相对较差。其中煤1层(组)盖层封盖性能最好，直接顶板为油页岩[5～6]，全区普遍发育，厚度5.14～22.38m，平均14.16m，底板为炭质泥岩、泥岩或粉砂岩；煤4层(组)直接顶板以泥岩和泥质粉砂岩为主，粉砂岩次之，局部为粗粒砂岩，底板以粉砂岩和泥质粉砂岩为主，粉沙质泥岩和泥岩次之；煤6层(组)盖层封盖较差，顶板以细砂岩和粗砂岩为主，粉砂岩次之，局部为泥岩，砂岩孔、渗发育，气体易散失，不利于煤层气的保存。
综上所述，红沙岗地区煤岩演化程度低，以长焰煤为主，煤层厚度大，埋深适中(小于1000m)，其中煤1层(组)和煤4层(组)顶底板封盖性能好。
3 红沙岗地区煤层气勘探潜力分析
3.1 煤层含气性差
根据红沙岗煤矿煤孔瓦斯测定，煤层甲烷(瓦斯)含量非常低，均以氮气为主(表3[5])；上部煤1层(组)瓦斯含量比煤4、煤5和煤6层(组)高，尤其是煤1-1层甲烷含量是其他煤层的几倍到几十倍，可能是煤1-1层直接顶板油页岩起到的封闭作用最好。
从表3中可知，各可采煤层瓦斯总含量可燃质均很低，瓦斯成分均以氮气为主，煤1-1层氮气含量平均为75.38%，煤4-2层平均为93.92%；煤6层(组)平均为94.40%。甲烷气体含量煤1-1层最高达28.78%，平均为15.31%，明显高于煤4-2层(平均2.33%)；C02含量均小，煤1-1层平均为6.32%，煤4-2层平均为2.83%。根据煤层瓦斯成分划分，煤1-1层属氮气-沼气带(CH4含量为10%～80%，C02含量小于等于20%)，煤4-2层属二氧化碳-氮气带(CH4含量小于10%)。不排除样品采集过程中混入空气所致。
3.2 缺少再次生气补充
3.2.1地下水矿化度对煤层气藏的影响
对于低煤阶煤层气藏，其成藏需要有一个利于甲烷生成和富集的环境，若温度、水文地质等条件(盐度、矿化度)合适时，可以二次、三次甚至多次生成生物成因甲烷气[9～12](简称生物气)，基本条件是缺氧环境、低硫酸盐环境和低温环境，煤层被含硫酸根的地表水侵入，遭到氧化时产生C02，然后还原成CH4[13～15]。因此一个适合甲烷菌生存的良好环境是十分必要的，而高矿化度条件不利于甲烷菌的存活，通过模拟实验，当地下水矿化度高于10000mg/L时甲烷菌将完全死亡[16～17]。并且，高矿化度地下水可以造成低煤阶煤储层吸附能力的降低，游离气随着水力作用发生运移和散失，同时随着储层压力降低到临界解吸压力，吸附气体不断发生解吸、扩散、渗流和运移，最终导致煤层含气量降低，煤层气藏遭到严重破坏。
3.2.2实例——美国粉河盆地低煤阶煤层气
美国粉河盆地位于蒙大拿州东南部和怀俄明州东北部，面积约67000km2，煤层气资源量3.34×1012m3。煤层主要分布在第三系Fort Union组(尤宁堡组)，为低煤阶褐煤(Ro含量为0.3%～0.4%)，煤层平均厚23m，埋深90～900m，含气量为0.57～4m3/t，平均1.4m3/t，含气量明显较低。但含气饱和度可达90%～100%，甲烷δ13C1值为-60.0‰～-56.7‰，δD值为-307‰～-315‰，表明煤层气源以生物气为主[18～19]。
2008年粉河盆地煤层气产量达160×108m3，占美国2008年煤层气产量的29%，粉河盆地煤层气开发比较成功的区块主要位于东部边缘露头的缓坡区，该区地下水活跃，矿化度低(540mg/L)，日产水32～79m3，局部地区煤层气采出量已经超过其原地资源量的2倍。
粉河盆地地下水从盆地东部边缘流向北部，在泾流地带由于较低的地温和地层水矿化度，为形成次生生物气提供了良好的地质条件，最终所形成的大量生物气一部分被煤层再吸附，一部分呈游离状态运移聚集，从而使构造高部位的含气量和含气饱和度较高，而最好的产气区是砂岩附近与差异压实作用有关的构造高点、紧闭褶皱形成的构造高点以及煤层上倾尖灭部位。
3.2.3地下水矿化度对红沙岗地区煤层气藏的影响
红沙岗地区降水少、蒸发量大、地下水资源贫乏，水化学类型为Cl·S04—Na及SO4·Cl—Na·Mg型，地下水矿化度多数大于10000mg/L[5～6]。由于矿化度高，地下水不利于产甲烷菌的生存，无法再次生成生物气，由于缺少后期生物气的补充，而初始产生的甲烷气在盆地后期抬升过程中，已大部分散失掉，导致煤层含气量低。
3.3 煤层气勘探方向
在潮水盆地红沙岗地区寻找煤层气富集区建议从下面两个方向进行：
1) 潮水盆地及红沙岗地区发育大量火成岩，分析是否存在除加里东期和海西期以外，成煤期后的火成岩，因为这种火成岩可加深煤岩的热演化程度，产生大量热成因甲烷气，使煤层含气再饱和(如阜新岩墙式煤层气藏)。因此，在古地温异常，煤阶较高，保存条件较好的地区是煤层气富集区。
2) 红沙岗北部靠近北大山，山上雪水进入北部煤系地层，可稀释地下水矿化度，使之具有缺氧、低矿化度和低温环境，大量微生物细菌可能存活，并代谢甲烷、正烷烃和其他有机物，煤层的含气量能得到补充，具有较大的勘探价值。
4 结论
1) 潮水盆地煤层以低煤阶长焰煤为主，红沙岗地区是潮水盆地主要含煤坳陷，构造控制煤层的分布，盆缘断裂附近有利于成煤和护煤。
2) 红沙岗地区煤层层数多、厚度大、埋藏适中。该区含有6个煤组，总厚度介于3～35m，煤层埋深浅于1000m。但由于较高的地层水矿化度对晚期生物成因气的制约作用，使其含气性较差，含气量小于1m3/t。
3) 低煤阶煤层气勘探，应从多气源供给，寻找高含气饱和度煤层气藏的角度考虑[20]。煤层附近或顶底板发育油页岩、泥岩的煤盆，如果浅层地下水活跃、矿化度低，有较好的保存条件，或中深层有岩浆热变质作用，则可以寻找在浅层以生物气为主、中深层以热成因气为主的煤层气有利勘探目标区。
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(本文作者：孙斌1，2 孙粉锦1，2 陈刚2 谭修中3 陈永康4 周元刚4 1.中国矿业大学(北京)；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院；3.中国石油玉门油田公司勘探开发研究院；4.中国石油渤海钻探工程公司第二录井分公司)
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