中國可能的煤層氣高產(chǎn)走廊:中亞造山帶北緣中－新生代含煤盆地群

方愛民侯泉林張俊敏謝峰震帕爾哈提陳飛

(1.新疆工程學(xué)院采礦工程系，新疆450016;2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029; 3.中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京100049)

中國可能的煤層氣高產(chǎn)走廊:中亞造山帶北緣中－新生代含煤盆地群

方愛民1，2侯泉林3張俊敏1謝峰震1帕爾哈提1陳飛1

(1.新疆工程學(xué)院采礦工程系，新疆450016;2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029; 3.中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京100049)

本文通過對中亞造山帶和煤層氣中亞聚集域與北美落基山造山帶及其煤層氣高產(chǎn)走廊的主要地質(zhì)特征(包括含煤盆地性質(zhì)、造山帶構(gòu)造活動特點、煤變質(zhì)程度、煤儲層滲透率等方面)的對比，分析了我國中亞煤層氣聚集域煤層氣富集成藏的基本條件，提出中亞造山帶北緣的中亞煤層氣聚集域有望成為我國煤層氣高產(chǎn)走廊帶，為中國煤層氣產(chǎn)業(yè)化進程中所面臨的宏觀部署和決策調(diào)整提供理論依據(jù)。

煤層氣 高產(chǎn)走廊 中亞造山帶 中亞煤層氣聚集域

1引言

自上世紀80年代初期我國開展煤層氣勘探和開發(fā)實踐以來，在滲透率偏低的高階煤地區(qū)(如沁水盆地)首先取得商業(yè)性開發(fā)突破，由此我們選擇了高變質(zhì)煤為煤層氣勘探開發(fā)的主要對象，這與美國煤層氣勘探開發(fā)以滲透率大于1mD的中變質(zhì)煤為優(yōu)的成功經(jīng)驗和理論形成明顯反差。本文試圖通過對美國落基山造山帶西部煤層氣高產(chǎn)走廊帶含煤盆地與我國中亞造山帶北側(cè)中－新生代含煤盆地基本地質(zhì)特征及其成藏條件的對比分析，揭示我國煤層氣高產(chǎn)走廊存在的可能性，為我國煤層氣資源勘查宏觀戰(zhàn)略部署和決策提供參考。

2北美煤層氣高產(chǎn)走廊的啟示

美國煤層氣資源分布極不均勻，其最大的20個氣田有11個位于落基山造山帶東部地區(qū)，包括圣胡安盆地(2.38萬億m3)、粉河盆地(1.10萬億m3)及皮申斯盆地(4.10萬億m3)，還有資源量最大的大綠河盆地(8.89萬億m3)。該盆地群不僅是美國的主要煤層氣產(chǎn)地，而且從區(qū)域上構(gòu)成了美國東部煤層氣高產(chǎn)走廊(Johnson＆Flores，1998;Flores，1998;秦勇，2006)。此外，在阿巴拉契亞造山帶東側(cè)也集中分布了一些高產(chǎn)煤層氣田，如北阿巴拉契亞盆地(1.73萬億m3)和黑勇士盆地(0.57萬億m3)。總體上看，雖然這些盆地群煤層氣成藏涉及很多不同的因素，但其獨特的大地構(gòu)造背景及后期構(gòu)造演化無疑是其成為高產(chǎn)走廊的關(guān)鍵因素。

20世紀80年代以來，美國啟動了西部落基山造山帶和東部阿帕拉契亞造山帶相關(guān)的13個含煤盆地群煤層氣成藏條件研究，在大量煤層氣勘探開發(fā)實踐的基礎(chǔ)上，美國學(xué)者通過對位于該高產(chǎn)走廊帶含煤盆地群煤層氣成藏條件、成藏規(guī)律的深入研究，提出了北美西部落基山造山帶高產(chǎn)走廊的煤層氣成藏模式，形成了以煤儲層雙孔隙導(dǎo)流、中煤階煤生儲優(yōu)勢與構(gòu)造成藏優(yōu)勢、低滲極限與高煤階煤產(chǎn)氣缺陷、多井干擾、煤儲層數(shù)值模擬等為核心的煤層氣勘探開發(fā)理論體系。在此理論指導(dǎo)下，美國煤層氣產(chǎn)量迅速增加，2006年美國煤層氣產(chǎn)氣量達540億m3/年，與我國當年天然氣總產(chǎn)量相當，此后持續(xù)穩(wěn)定至今。

面對美國高產(chǎn)煤層氣走廊煤層氣商業(yè)開發(fā)所獲得的巨大成功，我國也有學(xué)者進行了深入思考和積極探索(秦勇，2006a，b;秦勇和朱旺喜，2006)，提出過這樣的疑問:(1)在我國究竟有無類似于美國洛基山造山帶一側(cè)的煤層氣高產(chǎn)走廊? (2)如果有，具有哪些地質(zhì)表征、受控于什么樣的成藏動力學(xué)條件和過程?(3)認識這些規(guī)律對國家煤層氣工業(yè)的宏觀部署和決策具有哪些意義?并認為這些都是我們近期和將來煤層氣勘探方面所要解決的重要科學(xué)問題。

長期以來，對我國煤層氣區(qū)域分布規(guī)律及其受控機理的認識大多停留于形態(tài)學(xué)或幾何學(xué)層面上的分析對比，缺乏從系統(tǒng)論如含氣性統(tǒng)一性高度的規(guī)律總結(jié)(秦勇和朱萬喜，2006)。受北美煤層氣高產(chǎn)走廊的啟發(fā)，我們認為位于中國北部的中亞造山帶北側(cè)的“煤層氣中亞聚集域”(圖1)，無論是在其區(qū)域構(gòu)造背景和構(gòu)造演化歷史，還是在含煤盆地煤儲層、煤變質(zhì)程度方面，均有著與北美落基山造山帶及其煤層氣高產(chǎn)走廊含煤盆地相似的特點，而且其規(guī)模更為宏偉，而近期的這一區(qū)帶局部地區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)實踐也展示了其具備高產(chǎn)走廊的潛力。因此，應(yīng)對其煤層氣成藏規(guī)律進行深入研究，并積極開展其煤層氣勘探開發(fā)實踐。

圖1 中國中亞造山帶北側(cè)主要煤層氣盆地(部分資料引自孫萬祿等，2006)

3中亞造山帶北側(cè)煤層氣高產(chǎn)走廊分析

3.1關(guān)于“中亞煤成氣聚集域”的認識

早在上世紀90年代，戴金星院士就提出“歐亞巨型煤成氣聚集帶”(戴金星，1986，1993)和“中亞煤成氣聚集域”的認識(戴金星等，1994，1995，1997)，并對其形成、基本特征進行了總結(jié)，指出該帶可能存在巨量常規(guī)和非常規(guī)天然氣。戴金星等認為，煤成氣聚集域指受相似的地質(zhì)條件制約、具有相同地質(zhì)時代和同一類型氣源巖的盆地群，其中各盆地發(fā)育有由氣源基本同因的氣田(藏)組成的若干氣聚集帶和氣聚集區(qū)。同時指出，氣聚集域是大區(qū)域、洲際性展布的，其形成由某些規(guī)模宏大的地質(zhì)作用所控制(戴金星等，1995，1997)。

從地理位置而言，“中亞煤成氣聚集域”包括歐亞中、下侏羅統(tǒng)巨型含煤帶，西起北高加索盆地，越里海至孟什拉克盆地，經(jīng)卡拉庫姆盆地分成兩支:南支過塔吉克一阿富汗盆地，向東進入我國的塔里木盆地;北支可能過錫爾河盆地南部至費爾干納盆地，經(jīng)伊犁盆地到準噶爾盆地至吐－哈盆地，可能還有三塘河盆地。我國新疆境內(nèi)的準噶爾盆地、三塘湖盆地為其東段。

戴金星等的這一認識主要是基于對中亞大型油氣盆地常規(guī)天然氣聚集區(qū)帶的劃分而言，強調(diào)這些油氣盆地含氣的統(tǒng)一性和富集成藏的共時性(戴金星，1986，1993;戴金星等，1997)，因此不僅其涵括的內(nèi)容要遠大于煤層氣聚集域，而且與我們當今理解的煤層氣有利區(qū)帶的劃分(如張新民等，1991;葉建平等，1999)也不相同。為此，我們從我國境內(nèi)中亞造山帶與其北緣中－新生代盆地的相互關(guān)系角度出發(fā)，提出中亞造山帶北緣煤層氣聚集域的概念。

3.2中亞煤層氣聚集域—中國可能的高產(chǎn)煤層氣走廊

橫亙中國中部的中亞造山帶，西起西天山，向東經(jīng)東天山、北山、陰山，直至興蒙造山帶，東西延綿5000余公里(圖1)。該造山帶被認為是古亞洲洋演化的產(chǎn)物，是世界上最大的增生型造山帶，它不僅記錄了古亞洲洋盆成生和演化以及自早古生代以來的整個增生造山和地體拼合過程，其時空演化更控制了區(qū)域構(gòu)造、巖漿及成礦作用(許志琴等，2011;Xiao et al.，2011)。

上述造山帶北側(cè)分布一系列中－新生代含煤盆地，自西往東，包括準噶爾盆地、吐哈－三塘湖含煤盆地、蒙古國－及內(nèi)蒙古西部含煤盆地群、二連－海拉爾盆地群、依蘭盆底、阜新盆地、三江盆地等。從構(gòu)造性質(zhì)來看，這一系列中－新生代含煤盆地多為前陸盆地與內(nèi)陸盆地相疊合而成的復(fù)雜構(gòu)造盆地。盆地內(nèi)煤儲層在經(jīng)歷印支、燕山和喜山多期次不同性質(zhì)的構(gòu)造運動作用下，發(fā)生了多次生烴、運聚、逸散和儲集作用，因此蘊含了極其豐富的煤層氣資源。據(jù)初步統(tǒng)計，該帶中－新生代盆地群煤層氣資源總量高達20萬億m3以上，其中西段的準噶爾盆地煤層氣資源總量達3.86萬億m3(譚開俊等，2009)，吐－哈盆地資源總量也達2.12萬億m3(傅雪海等，2012);中段的二連－海拉爾盆地群的煤層氣含量也高達3萬億m3以上;其東段也有不少煤層氣資源量在數(shù)十－數(shù)千億立方米以上的中－新生代含煤盆地，如依蘭盆底、雞西盆地、阜新盆地及三江盆地，這些盆地均具有煤層氣的高產(chǎn)條件(如中低變質(zhì)程度、高滲透率、高的煤層氣資源豐度等特點)。此外，該帶向西進入前蘇聯(lián)境內(nèi)，在中亞地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了一批頗具規(guī)模的煤成氣田，它們構(gòu)成了當?shù)靥烊粴獾闹鹘?。從這些含氣聚集域的含氣統(tǒng)一性原則來看，它們應(yīng)該屬于同一巨型煤層氣聚集域，因此構(gòu)成了名副其實的規(guī)模宏大的“中亞煤層氣聚集域”。近期，在這一區(qū)帶局部地區(qū)零星開展的煤層氣勘探開發(fā)實踐也展示了其高產(chǎn)潛力(譚開俊等，2009;傅雪海等，2012)。

3.3中亞煤層氣聚集域與北美落基山煤層氣高產(chǎn)走廊的對比

根據(jù)北美洛基山煤層氣高產(chǎn)走廊的煤層氣勘探開發(fā)實踐的成功經(jīng)驗，其煤層氣成藏和分布具有以下特點:

(1)含煤盆地性質(zhì):洛基山盆地主要為白堊紀前陸盆地和E1－E2內(nèi)陸盆地群，而阿巴拉契亞盆地為C3－P1前陸盆地;

(2)主要構(gòu)造特點:構(gòu)造運動相對簡單，后期構(gòu)造改造較弱;

(3)主要煤變質(zhì)程度:中級變質(zhì)煤為主;

(4)煤儲層滲透率高:一般＞1mD。

而我國境內(nèi)中亞造山帶北緣的一系列含煤盆地(如準噶爾、吐哈、三塘湖、伊寧等典型盆地)，其煤層氣成藏條件具有與北美落基山煤層氣高產(chǎn)走廊相似的特點:

(1)含煤盆地性質(zhì):中－新生代前陸盆地和內(nèi)陸盆地的復(fù)合疊加，屬于擠壓型盆地，具有平均地溫梯度低、深層異常壓力發(fā)育和溫壓系統(tǒng)類型多樣等基本特征;

(2)主要構(gòu)造特征:雖然我國西北中生代盆地與落基山造山帶盆地的構(gòu)造變形特點和變形程度存在一定的差異，如盆緣變形強烈，盆內(nèi)變形較弱，向盆內(nèi)方向，煤層埋深急劇增大等。但相對我國古生代含煤盆地而言，其經(jīng)歷的構(gòu)造作用相對簡單，含煤盆地保存完整，后期構(gòu)造改造較弱;

(3)主要煤變質(zhì)程度:以中低變質(zhì)程度為主，深部可達中甚至中高變質(zhì)程度;

(4)煤層滲透率:均在1mD以上，許多達5mD以上。

可以看出以上兩個盆地群無論是在其區(qū)域構(gòu)造背景和構(gòu)造演化歷史，還是在含煤盆地煤儲層、煤變質(zhì)程度方面，均有著相似的特點。因此，我們認為中亞造山帶北緣煤層氣聚集域有望成為我國煤層氣高產(chǎn)走廊。然而，迄今為止我們對該含煤盆地群的構(gòu)造演化及其與煤層氣成藏關(guān)系的研究卻十分薄弱，有關(guān)中國煤層氣高產(chǎn)走廊的煤層氣成藏模式尚未建立，該區(qū)域煤層氣勘探開發(fā)也處于相對落后階段。

此外，還應(yīng)該看到與北美高產(chǎn)煤層氣走廊相比，我國中亞造山帶北緣中－新生代盆地所經(jīng)歷的構(gòu)造運動更為復(fù)雜，因此其煤層氣成藏規(guī)律的研究及具體勘探部署不能完全套用落基山煤層氣高產(chǎn)走廊的成藏模式和經(jīng)驗。

［1］戴金星.我國煤成氣藏類型和有利的煤成氣遠景區(qū)［M］．見:煤成氣勘探.北京:石油工業(yè)出版社，1986.15－31.

［2］戴金星.我國煤成氣資源勘探開發(fā)和研究的重大意義［J］．天然氣工業(yè)，1993，13(2):7－12.

［3］戴金星等.中亞巨型氣聚集帶東部煤成氣的碳同位素特征［J］．天然氣工業(yè)，1994，14(增刊):3－8.

［4］戴金星等.中亞煤成氣聚集域形成及其氣源［J］．石油勘探與開發(fā)，1995，22(3):1－6.

［5］戴金星等.中國天然氣的聚集區(qū)帶［M］．北京:科學(xué)出版社，1997.1－6，110－181.

［6］傅雪海.我國煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)存問題及發(fā)展趨勢［J］．黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2012，22(1):1－6.

［7］賈承造，鄭明，張永峰.非常規(guī)油氣地質(zhì)學(xué)重要理論問題［J］．石油學(xué)報，2014，31(1):1－10.

［8］秦勇.中國煤層氣產(chǎn)業(yè)化面臨的形式與挑戰(zhàn)(Ⅲ)—走向與前瞻性探索［J］．天然氣工業(yè)，2006a，26(3):6－10.

［9］秦勇.中國煤層氣產(chǎn)業(yè)化面臨的形式與挑戰(zhàn)(Ⅱ)—關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題［J］．天然氣工業(yè)，2006b，26(2):1－5.

［10］秦勇，朱旺喜.中國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的若干科學(xué)問題［J］．中國科學(xué)基金，2006，(3): 148－152.

［11］孫萬祿等，中國煤層氣盆地圖集［M］．北京:地質(zhì)出版社，2006．

［12］譚開俊，張帆，趙應(yīng)成，楊志冬，尹路.準噶爾盆地侏羅系煤層氣勘探潛力與有利區(qū)預(yù)測［J］．天然氣勘探與開發(fā)，2009，32(2):1－3.

［13］許志琴，李思田，張建新，等.塔里木盆地與古亞洲/特提斯構(gòu)造體系的對接［J］．巖石學(xué)報，2011. 27(1):1－22

［14］葉建平，岳魏，秦勇，等.中國煤層氣聚集區(qū)帶劃分［J］．天然氣工業(yè)，1999，19(5):8－12.

［15］張新民，張遂安，李靜等.中國的煤層甲烷［M］．西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［16］Busch，A.，Gensterblum，Y.，Krooss B.M.，Littke，R.，Methane and carbon dioxide adsorption-diffusion experiments on coal:upscaling and modeling［J］．International Journalof CoalGeology，2004.60:151－168.

［17］Bustin R M and C.R.Clarkson.Geological controls on coal-bed methane reservoir capacity and gas content［J］．International Journal of Coal Geology.1998，38 (1－2):3－26

［18］Collett，T.S.，Barker，C.E.，Coalbedmethane in the Ferron coals［J］．International Journal of Coal Geology.2003，56，1－202.

［19］Craig T.R.and Greg E.E.Coal-bed methane resources of the United States［J］．AAPG Studies in geology series.1984，No.17.

［20］Dudley D R and Law B E.Coal bed gas—An undeveloped resource.In:The future of energy gases，U.S. Geological survey professional paper.1995.

［21］Dawson F M，W.D.Kalkreuth.Coal rank，distribution，and coalbedmethane potential of the Lower Cretaceous Luscar Group，Bow River to Blackstone River，central Alberta Foothills.International Journal of Rock Mechanics and Mining Science＆Geomechanics Abstracts，1995，32(5):223A.

［22］Flores，R.M.Coalbed methane:from hazard to resource［J］．International Journal of Coal Geology 1998，35，1－379.

［23］Flores，R.M.，Microbes，methanogenesis，andmicrobial gas in coal［J］．International Journal of Coal Geology 2008，76，1－185.

［24］Flores，R.M.，Rice，C.A.，Stricker，G.D.，Warden，A.，Ellis，M.S.Methanogenic pathways of coalbed gas in the Powder River Basin.United States:the geological factor［J］．International Journalof Coal Geology.2008，76，52－75.

［25］Gayer R.and Harris I.Coal-bed Methane and Coal Geology［M］．The Geological Society，London，1996，p1－338.

［26］Golding，S.D.，Rudolph，V.，F(xiàn)lores，R.M.Asia Pacific Coalbed Methane Symposium:selected papers from the 2008 Brisbane symposium on coalbed methane and CO2-enhanced coalbed methane［J］．International Journal of Coal Geology.2010，82，1－298.

［27］Karacan，C.，Larsen，J.W.，Esterle，J.S.，CO2sequestration in coals and enhanced coalbed methane recovery［J］．International Journal of Coal Geology. 2009，77，1－242.

［28］Landis ER，Rohrbacher T J，CEBarker，etal.Coalbed gas in the Mecsek Basin，Hungary［J］．International Journal of Coal Geology，2003.54(1－2):41－55.

［29］Moore，T.A.，Coal bed methane:A review［J］．International Journal of Coal Geology.2012，101，36－81.

A Probable High Production Coalbed Methane Belt in China: the Mesozoic Basins along the Northern Edge of the Central Asian Orogenic Belt

FANG Aimin1，2，HOU Quanlin3，ZHANG Juanmin1，XIE Fengzheng1，PA Erhati1，CHENG Fei1
(1.Mining Department，Xinjiang Engineering College，Xinjiang 450016; 2.Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029; 3.College of Earth Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049)

In this article，a comparative study has been conducted on the basic geological backgrounds such as the properties of the coal basins，the coal ranks and the permeability of the coal-layers to analysis the basic conditions of the enrichment of the coalbed methane of the central Asian coalbed methane belt，and to provide theoretical support of the change of the national strategies of the coal gas exploration．

Coalbed methane(CBM);coalbed methane enrichment belt;central Asian orogenic belt; central Asian coalbed methane enrichment belt

國家自然科學(xué)

(41562007和41030422)。

方愛民，男，新疆工程學(xué)院，特聘教授。