准噶尔盆地南缘硫磺沟地区水文地质特征及其对煤层气富集的影响_张开军.pdf

第 46 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.1 2018 年 2 月 COAL GEOLOGY 2.China Geological Survey, Beijing 100037, China; 3. School of Geosciences Liuhuanggou area; hydrogeological conditions; coalbed methane enrichment 我国煤层气资源丰富，相比中高煤阶煤层气， 低煤阶煤层气发展较缓。准噶尔盆地南缘准南是 我国低煤阶煤层气研究的热点地区，硫磺沟地区位 于准噶尔盆地南缘中部，具有较大的煤层气勘探开 发潜力。前人主要从构造、沉积、储层等方面对硫 磺沟地区煤层气的富集进行了研究[1-2]，并提出了成 藏模式，认为该地区的逆冲推覆构造是影响煤层气 赋存的主导因素。而该地区水文地质条件对煤层气 的影响则甚少提及，煤层气的富集、尤其是低煤阶 煤层气的富集，其水文地质条件往往起着不可或缺 的作用。笔者从水化学类型和水动力条件方面分析 了准南硫磺沟地区水文地质特征，探讨了水文地质 ChaoXing 62 煤田地质与勘探 第 46 卷 条件对该区低煤阶煤层气富集的影响，为准南低煤 阶煤层气勘探开发提供理论依据。 1 区域地质概况 准南位于准噶尔盆地与天山造山带的结合部 位，经过了多期构造运动，现今南缘的构造变形主 要在喜马拉雅期形成，整体格局具有南北分带，东 西分段，上下分层的特点。受地形、气候和构造的 控制，准南河流和地下水补给主要来源于天山冰雪 融水，河流径流量普遍较小，径流距离较短，蒸发 和补给地表水是地下水的主要排泄方式。 准噶尔盆地南缘硫磺沟地区范围东以断层为 界，西以呼图壁河至昌吉河逆断层为界，断层走向 为 NWSE，倾向为 SW，倾角为 6065，落差为 100 m， 延伸长度为 32 km。 南部以柴窝堡盆地为界， 北部为沙漠图 1。 图 1 硫磺沟地区构造纲要图及地下水流向示意图 Fig.1 Structural outline and direction of groundwater in Liuhuanggou area 研究区位于北天山褶皱带乌鲁木齐山前波状 坳陷带西端，其构造线展布与天山褶皱带方向基 本一致[1]，褶皱和断层较为发育，构造复杂。区 内主要发育昌吉向斜、昌吉背斜等 NWWSEE 向构造，郝家沟背斜、阿克德向斜、喀拉扎背斜、 西山逆断层、头屯河向斜、桌子山背斜等 NEE SWW 向构造。 本区主要含煤地层为中下侏罗统的八道湾组和 西山窑组。本区东部西山窑组含煤 2239 层，可采 1921 层，可采总厚 37.07144.45 m；头屯河一带， 西山窑组含煤 1318 层，可采煤层 11 层，可采总厚 41.2445.80 m。 八道湾组含煤 911 层， 可采 810 层， 可采总厚 7.9410.69 m。头屯河至三屯河一带，含煤 1133 层，可采煤层 39 层，可采总厚 2.8419.66 m， 矿井实测煤层含气量为 3.4710.81 m3/t[3]。 本区西山窑组煤以暗煤为主，亮煤次之，丝炭 少量。条痕为黑褐色、碎块状及粉末状，节理裂隙 发育， 可见黄铁矿薄膜和方解石脉沿裂隙充填现象， 以弱沥青光泽为主，多为参差状断口，贝壳状及阶 梯状断口次之。显微煤岩组成以镜质组为主，惰质 组次之，矿物以黏土矿物为主。镜质体反射率为 0.4130.569，煤类为长焰煤和弱黏煤。 八道湾组煤以亮煤为主，暗煤次之，条带状结 构及线理状结构，质硬性脆，玻璃光泽和油脂光泽 为主，具有参差状断口和贝壳状断口。显微煤岩组 成以镜质组为主，镜质体反射率平均值为 0.68， 煤类为气煤。 本区气候为大陆性半干旱气候，年平均降水量 为 170.4411.8 mm，年蒸发量为 1 4001 900 mm， 区内主要河流有三屯河、 头屯河以及乌鲁木齐河等。 2 水文地质特征 根据研究区的构造特征、单位涌水量、矿化度 等地下水化学特征， 魏迎春等[4]将准南地区划分为 8 个水文地质单元，研究区属于其中的硫磺沟水文地 质单元。该区含煤地层中，八道湾组为冲积扇和扇 三角洲沉积相，上部为砂砾岩和粉砂岩互层，底部 为粉砂质泥岩和泥质粉砂岩为主，为弱含水层；三 工河组为滨浅湖沉积相，岩性以粉砂质泥岩为主， 为隔水层；西山窑组为辫状河三角洲沉积相，上部 以砂岩为主，底部有部分煤层，为弱含水层；头屯 河组为河道与河漫盆地沉积相， 主要是砂泥岩互层， 为弱含水层。煤层为隔水层图 2。 图 2 硫磺沟地区水文地质综合柱状图 Fig.2 Hydrogeological histogram of Liuhuanggou area ChaoXing 第 1 期 张开军等 准噶尔盆地南缘硫磺沟地区水文地质特征及其对煤层气富集的影响 63 2.1 煤系水化学类型 根据研究区煤矿的抽水试验，地下水的水位标 高为984.71158.47 m。 渗透系数为0.002 750.522 m/d， 属于弱透水微透水含水层，单位涌水量为 0.002 7550.259 1 L/sm，富水等级为中弱，抽水实验影 响半径为7.985 m。 地下水的矿化度为4 68610 044 mg/L。 地下水在流动时经过不同的地质环境，会溶解 不同的离子，分析地下水中离子成分可确定其水化 学类型[5]，从而反映出地下水的地球化学环境。研 究区地下水与地表水都呈弱碱性表 1，地下水 pH 值为 7.59.0，地表水 pH 值为 8.9。根据地下水离子 含量绘制 Piper 三线图图 3，研究区地表水水化学类 型为 HCO3SO4CaNaMg，地下水水化学类型为 ClSO4KNaCaMg 或 SO4ClKNaCaMg。 Ca2、Mg2含量均较低，KNa含量较高，地下水 距离水源补给区较远。 表 1 硫磺沟水质数据表 Table1 Data of water quality in Liuhuanggou 编号 层位 Ca2 Mg2 KNa Cl- SO 2– 4 HCO – 3 CO 2– 3 TDS pH M1 163 556.34 167.78 103.72 627.13 249.08 0 1 282 8.0 M2 20.11 13.19 1 602.16 585.09 1 765.34 883.08 120.64 4 508 8.2 M3 1.80 11.43 3 542.09 157.34 332.49 3 100.61 2 786.79 8 080 9.0 M4 59.36 10.81 223.86 97.48 362.12 186.42 7.23 894 7.9 M5 294.47 33.43 1 569.75 1 630.38 1 692.09 249.21 12.06 5 420 7.9 L1 294.39 62.11 3 172.18 4 657.49 1 235.82 38.02 2.28 9 634 8.3 L2 294.39 62.11 3 172.18 4 657.49 1 235.82 38.02 2.28 9 634 8.3 L3 202.9 45.89 2 996.65 3 247.43 2 380.12 161.4 9.12 9 260 8.1 Q1 J2x 449.56 111.42 1 380.14 1 488.55 2 128.28 306.56 8.31 5 720 7.5 T1 47.31 245.95 3 091.68 2 127.21 3 563.59 1 177.83 102.63 10 044 8.3 T2 39.66 242.23 3 104.22 2 167.71 3 355.37 1 451.97 62.42 9 652 7.9 T3 J1b 58.42 48.70 1572.60 1 010.61 1 318.45 1 104.22 37.45 4 686 8.0 D1 地表 34.50 3.40 8.70 5.00 38.40 85.40 143.10 8.9 2.2 地下水流向 根据地质构造和水文地质条件，以三屯河和头 屯河为界将研究区由西向东分为 3 个区段，3 个区 段的构造形态均为背斜向斜背斜。受构造的控 制，3 区段分别沿着昌吉向斜阿克德向斜头屯 河向斜的南翼向北径流，汇聚于向斜核部，地下水 流向如图 1 所示。 a. 头屯河以东区段 由南向北发育郝家沟背 斜、头屯河向斜、西山逆断层。头屯河向斜轴向为 NWSE 向。地层受单斜控制，地下水随地层倾斜 由北向南径流，沿头屯河向斜南翼向核部汇聚。 b. 三屯河头屯河区段 由南向北发育郝家 沟背斜、阿克德向斜、喀拉扎背斜。阿克德向斜轴 向近呈东西向，中部呈弧形。地层受单斜控制，地 下水随地层倾斜由南向北径流，沿阿克德向斜南翼 向核部汇聚。 c. 三屯河呼图壁河至昌吉河逆断层区段 发育呼图壁河至昌吉河逆断层、昌吉向斜、昌吉背 斜，地层受单斜控制，地下水随地层倾斜由南向北 径流，沿昌吉向斜南翼向核部汇聚。 图 3 硫磺沟地区水化学 Piper 三线图 Fig.3 Hidrochemical Trilinear diagram of Liuhuagngou area 3 水文地质控气作用 3.1 煤系水化学类型 地表水中 Ca2、Mg2、SO 2– 4含量一般较高，K、 Na溶解度较高，运移能力也比 Ca2、Mg2离子强， ChaoXing 64 煤田地质与勘探 第 46 卷 Ca2、Mg2的富集表明距离水源补给区较近。Na、 Cl–的富集及 Ca2、Mg2的缺乏表明煤层气气藏封闭 条件好。SO 2– 4是氧化环境的产物，表明封闭性不好。 NaHCO3型水是还原环境的标志，表明了较好的封 闭性。 研究区地下水水化学类型为 ClSO4KNaCaMg 或者 SO4ClK NaCaMg。Ca2、Mg2含量均较 低，KNa含量较高，说明所采地下水距离水源补 给区较远。但是只有钻孔 2-1 的水样 SO 2– 4含量低， HCO – 3含量高，表明该钻孔属于还原环境，封闭性较 好，利于煤层气的富集，其余钻孔水样不利于煤层 气的富集。 大部分水样 SO 2– 4含量较高， HCO – 3含量较 低，封闭性较差，未达到适宜产甲烷菌生存的强还 原环境，该条件不适宜煤层气的富集。 煤系地下水的高矿化度中心和低水位的汇水洼 地通常利于煤层气的富集[6]。地下水在径流过程中， 沿着地层倾向汇聚到向斜核部， 煤层气含量由 0.418 m3/t 增加到 1.459 m3/t，推测随着地下水径流至北部 昌吉向斜、阿克德向斜、头屯河向斜和核部，随着 径流距离的加大，埋藏的深度增加，地下水矿化度 增加，会形成 HCO3型水，出现利于产甲烷菌生存 的还原环境，从而在向斜核部出现煤层气的富集。 3.2 煤系水动力条件对煤层气富集的影响 水文地质条件具有三种控气方式， 分别为水力运 移、水力封闭和水力封堵[7]，其中第一种不利于煤层 气的保存， 后两者利于煤层气的保存。 弱径流区的低 矿化度的煤系地下水会富集一些产甲烷菌[8]， 利于其 形成生物成因煤层气，但是不利于煤层气的富集。 当煤系地下水处于径流状态时，会破坏煤层气溶解 态、游离态和吸附态三态之间的动态平衡[9]，煤层 气会不断溶解到煤系水中，随煤系水径流到矿化度 较高的区域，而低煤阶煤层气在高矿化度的煤系水 中溶解度会降低[10]，从而使得煤层气在其他区域富 集或者逸散。受构造控制，研究区地下水在含水层 径流过程中，水动力由强变弱，存在明显的分带性， 水动力条件与煤层含气性关系存在如下三种情况 a. 补给区 埋深较浅或者露头的区域。本区补 给区接受天山雪水补给，水动力条件相对较好，为 氧化环境，属于煤层气的风氧化带。 b. 径流区 随着深度加大，补给区的地下水 继续径流，水动力逐渐变弱。径流区水环境开始 由氧化环境过渡为还原环境，硫酸盐含量开始降 低，产甲烷菌开始产气，产出气体随地下水径流 到下游。 c. 滞流区或弱径流区 径流区地下水由褶皱 翼部径流至核部，或径流时遇到逆断层，地下水进 入滞流状态的区域，煤层气在此区域富集。 研究区构造组合形态为单斜， 水动力分区如图 4 所示。研究区补给区位于郝家沟背斜核部和北翼以 及昌吉向斜的南翼等地含煤地层的露头区和埋藏较 浅的地区，水源来自天山雪水，地下水随着阿克德 南翼、 昌吉向斜南翼以及头屯河向斜南翼继续径流， 当径流至向斜核部，滞流区位于阿克德向斜、昌吉 向斜以及头屯河向斜的核部地区。 向下径流的地下 水阻止了底部煤层气的逸散， 同时也带来上部径流 区的生物成因煤层气，形成水力封闭，煤层气受水 力封闭作用而富集形成单斜水动力封闭煤层气富 集区。 图 4 硫磺沟煤系水动力分区图 Fig.4 Hydrodynamic distributions of groundwater of coal measure strata 4 结 论 a. 通过 Piper 三线图分析认为，地表水水化学 类型为 HCO3SO4-CaNaMg，地下水水化学类型为 ClSO4-KNaCaMg 或者 SO4Cl-K NaCaMg。 Ca2、Mg2含量均较低，KNa较高。地下水距离 水源补给区较远，部分水样的地球化学特征显示对 煤层气富集有利，预测认为研究区北部的向斜核部 利于煤层气富集。 b. 准南硫磺沟地区地下水径流方向大致由南 向北，水源来源于天山雪水，补给区位于含煤地层 的露头区和埋藏较浅的区域， 即郝家沟背斜核部和 北翼以及昌吉向斜南翼， 地下水随着阿克德向斜南 翼、昌吉向斜南翼及头屯河向斜南翼向下径流，径 流至向斜核部，滞流区位于阿克德向斜、昌吉向斜 及头屯河向斜的核部地区， 由南向北煤层气富集条 件逐渐变好，受水力封闭作用，在研究区北部的向 斜核部形成单斜水动力封闭煤层气富集区。 参考文献 [1] 王安民，张强，任会康，等. 准南硫磺沟矿区及周边地区煤层 气保存条件分析[J]. 中国煤炭地质，2014，26127–10. 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