Occurrence phase and gas-bearing evolution of deep coalbed methane
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摘要:
我国深部煤层气实现了单井日产万方及规模性商业开发的重大突破，彰显出深部煤层气巨大的资源潜力，成为我国天然气增产的重要补充。然而，受“高温、高压、高地应力”影响下的深部煤层气藏地质特征与开发特征均显著区别于浅埋藏条件下的煤层气藏。目前在深部煤层气藏的成藏演化、富集模式、改造机制及开发效果评价等一些关键性基础问题上仍缺乏针对性和系统性研究。以华北地区石炭−二叠系深部煤层气的勘探开发资料为基础，重点探讨了深部煤层气赋存相态及其演化特征，揭示了深部煤层含气性与埋深的耦合关系、赋存相态识别方法及其演化模式。展望了当前深部煤层气从地质勘探到开发评价存在的主要科学问题以及未来的发展趋势。结果显示：基于保压取心、绳索取心的测试资料和煤层气井生产曲线特征是识别深部煤层气体赋存相态的3类有效手段，其中联合绳索取心的含气性测试和等温吸附试验是定量评估深部煤层气体相态准确且简便的有效方法。煤层含气性和气体赋存相态受内因（煤阶、物质组成、孔裂隙系统等）和外因（温度、压力、保存条件等）协同控制。埋深大是深部煤层富集游离气的基础，而保存条件好是深部煤层富集游离气的关键。考虑我国华北地区深部石炭−二叠系中、高煤阶煤经历了复杂的埋藏演化过程，提出了考虑温度、压力及构造改造强度的煤层含气赋存相态的4类演化模式，分别为深埋深藏−构造改造程度强、深埋深藏−构造改造程度弱、深埋浅藏−构造改造程度强和深埋浅藏−构造改造程度弱。煤层气藏经历的差异构造演化是导致不同区块甚至同一区块深部煤层含气性特征具有显著区别的重要因素。深埋深藏—构造改造弱的演化模式有利于游离气的富集，是深部煤层气勘探开发的有利区带。深部煤层气兼具“常规”和“非常规”2种属性，当前对深部煤层气的成藏、富集、改造及产出等多方面的基础性科学问题仍然认识薄弱，应重点解决深部煤层气成藏演化与产出效应的关键性基础问题，以期助推我国实现煤层气产业的新突破。
Abstract:Deep coalbed methane has achieved a significant breakthrough in daily production of a single well and large-scale commercial development, demonstrating the enormous resource potential. The deep coalbed methane became an important supplement to China’s natural gas production. However, the geological and development characteristics of deep coalbed methane under the influence of high temperature, high pressure, and high crustal stress are significantly different from those under shallow burial conditions. At present, there is still a lack of systematic research on key fundamental issues such as the evolution of deep coalbed methane reservoirs, enrichment modes, transformation mechanisms, and evaluation of development effects. Based on the exploration and development data of Carboniferous-Permian deep coalbed methane in the North China, this study focuses on exploring the occurrence and evolution characteristics of deep coalbed methane, revealing the coupling relationship between the gas content and burial depth, identification methods for occurrence phase states, and their evolutionary patterns. The main scientific issues and future development trends of deep coalbed methane from geological exploration to development evaluation were discussed in order to promote new breakthroughs in coalbed methane industry. The results showed that: The gas content testing based on pressure-preserved coring and wire-line coring and characteristics of production curve are important means to identify the phase state of deep CBM. Among them, the isothermal adsorption experiment combined with wire-line coring is effective methods. The gas content and occurrence state of deep coal seams are jointly controlled by internal factors (such as coal rank, maceral and pore system) and external factors (such as temperature, pressure and preservation conditions). The burial depth is the basis for the enrichment of free gas in deep coal seams, and good preservation conditions are the key to the enrichment of free gas in deep coal seams. The middle-high rank coal in the Carboniferous-Permian in North China has undergone a complex burial evolution process. Four types of evolution models for the occurrence of coalbed methane, considering temperature, pressure, and tectonic activities, have been proposed. The differential structural evolution experienced by coalbed methane reservoirs is an important factor that leads to significant differences in the gas bearing characteristics of deep coal seams in different blocks or even within the same block. The evolution pattern of deep burial and weak structural transformation intensity is conducive to the enrichment of free gas and is a favorable zone for deep coalbed methane exploration and development. Deep coalbed methane has both “conventional” and “unconventional” attributes. Currently, there is still a weak understanding of the fundamental scientific issues related to the accumulation, enrichment, transformation, and development of deep coalbed methane. We should focus on solving the key fundamental problems of the evolution and developed effects of deep coalbed methane, in order to promote new breakthroughs in China's coalbed methane industry.
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Keywords:
- coalbed methane /
- deep /
- gas content /
- reservoir /
- evolution
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0. 引 言
塔里木盆地发育石炭系、三叠系、侏罗系3套煤系地层，
5000 m以浅面积达14万km2，煤层气资源量达14万亿方，煤层气勘探潜力巨大。其中塔里木盆地北缘库车坳陷中生界煤系地层发育，煤层广泛分布，煤层气勘探条件得天独厚。库车坳陷中尤以北部构造带三叠系−侏罗系为最有利层系，是煤层气现阶段最现实的勘探首选区带，将有望成为塔里木盆地天然气增储上产的重要保障。然而，库车坳陷作为塔里木盆地重要的油气产区[1-2]，以往研究主要集中在常规油气、致密砂岩气领域，且多关注构造特征、沉积环境及演化、碎屑岩储层特征等方面[3-7]，对含煤地层及煤层气关注较少，导致目前库车坳陷煤层气地质研究和勘探开发进展较为滞缓。近年来，新疆煤田地质局、中国地质调查局陆续在库车坳陷北部拜城地区、库车河地区进行了煤层气勘探和开发实践，以开发800～
1000 m深的上三叠统塔里奇克组煤层气为主，单井历史最高日产6000 m3/d，平均单井产量约1400 ～1500 m3/d[8-9]。2023年7月，中国地质调查局实施新拜参1井进行煤系气调查，新疆煤田地质局建设的BCS−12 L水平井，引领塔里木盆地北缘煤层气勘探开发向深部、煤系气探索[10]。近几年来，中石油塔里木油田公司以三叠系和侏罗系煤岩气勘探和评价为目的，在库车坳陷北部构造带进行了多口老井复查和浅钻井钻探，并实施了煤岩气测试井和超深煤岩气风险探井。库车坳陷煤层气勘探开发正在逐步推进，但基础地质理论研究仍较为薄弱，尚未形成系统性的煤岩煤质评价和煤相判识体系，而煤相的研究对于煤储层评价及优势煤岩发育区带预测意义重大。本文将以库车坳陷北部构造带侏罗系克孜勒努尔组煤层为研究对象，基于煤岩煤质发育特征评价和煤相类型判识，揭示煤相和成煤古环境对煤岩煤质的约束作用，以期为库车坳陷侏罗系优势煤岩发育区带的优选及煤层气的勘探开发提供理论基础。
1. 区域地质背景
库车坳陷位于塔里木盆地北部山前带，北与南天山造山带以逆冲断层相接，是叠置于晚古生界被动大陆边缘之上的中、新生代前陆盆地[2, 11-13]。库车坳陷由北部单斜带、克拉苏构造带、依奇克里克构造带、拜城凹陷、阳霞凹陷、乌什凹陷、秋里塔格构造带和南部斜坡带８个次级构造单元组成（图1a）[14-15]。其中北部单斜带和依奇克里克构造带共同构成了北部构造带，呈北东东向条带状展布，整体为一南倾单斜构造[6]，是浅部煤矿分布及煤层气开采的主要区域。
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图 1 库车坳陷构造纲要图及侏罗系煤系地层柱状图Figure 1. Structural outline map of Kuqa Depression and column map of Jurassic coal measure strata库车坳陷北部构造带地层为一套河流−三角洲−湖泊沉积体系下形成的陆相地层，包括二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系和第四系碎屑沉积[7, 16]，其中含煤岩系主要为上三叠统塔里奇克组（T3t）、下侏罗统阳霞组（J1y）和中侏罗统克孜勒努尔组（J2kz）（图1b）。早中侏罗世，库车坳陷处于温暖湿润气候带，雨量充沛，陆生的蕨类、松柏、银杏和苏铁类等植物生长茂盛，为泥炭沼泽的大面积发育和煤层的规模形成提供了良好条件[17]。其中克孜勒努尔组煤层主要发育于辫状河和曲流河三角洲平原和前缘−滨浅湖环境中，沉积相带呈现南北分带，上下分层特征，纵横向变化较大。纵向上，克孜勒努尔组煤层主要分布在下部克四段，含主要煤层6层，从上至下编号为0、1、2、3、4、5号；区域上，克孜勒努尔组煤层在位于依奇克里克构造带的迪北−吐东地区发育较好，煤层厚度大，分布较稳定，为本次研究目标区。
2. 试验测试及样品信息
本次研究试验样品采自库车坳陷北部构造带迪北−吐东地区钻井岩心样品（DT1、YT1、DB101、YX1、YN2、MQ1、MQ2井）及煤矿和露头样品，主要通过宏观煤岩观测、显微组分测定、镜质体反射率测定、工业分析、元素分析等实验手段开展研究。煤岩样品平均最大镜质体反射率（Ro, max）为0.44%～0.89%，平均0.73%，煤岩热演化程度较低，处于褐煤到低变质烟煤阶段，主体为长焰煤、气煤。
3. 侏罗系煤岩学特征
3.1 宏观煤岩特征
库车坳陷北部构造带侏罗系克孜勒努尔组煤岩以半亮煤和光亮煤为主（图2a、图2b），半暗煤次之（图2c、图2d），呈玻璃光泽和沥青光泽，断口多为阶梯状和贝壳状，面割理发育，割理面多被钙泥质充填，端割理少见（图2b）。YT1H井中煤体结构以原生结构为主，多呈均一状、条带状和线理状结构（图2a—图2c），块状构造，节理呈平直状发育；MQ1井中煤岩碎裂较严重，多为碎裂结构、层状构造（图2d）。
3.2 显微煤岩组分
煤岩显微组分特征可以反映成煤环境，包括覆水深度、成煤植物类型和地下水条件等[18-19]。煤岩显微组分测定结果表明（表1），研究区克孜勒努尔组煤岩以中高镜质组煤为主，镜质组含量为39.2%～86.50%，平均63.73%，区域上镜质组含量呈现从东向西增高的趋势（图3a），在YN2、DT1井和库车河区域平均镜质组含量均高于70%。垂向上，各层组之间镜质组含量变化较大，从底部5号煤至顶部0号煤，镜质组含量整体呈增大趋势（图4a），在3号、2号和0号煤中平均镜质组含量超过70%，表明煤形成过程中经历了较强的还原条件和凝胶化作用，覆水程度较大。煤中惰质组含量在8%～55.2%变化，区域上表现出东高西低的变化趋势，MQ1井以东平均惰质组含量均超过30%（图3a）；垂向上，YT1H井中5号煤和部分1号煤惰质组含量高达50%以上（图4b），说明该煤层形成时泥炭沼泽经历了较强的氧化环境，沼泽覆水程度低。煤中壳质组含量整体较低，介于0～24.2%，平均2.24%；垂向分层上，YT1H井中1号煤2个样品点壳质组含量分别高达16.8%和24.2%，其镜质组含量均较低，壳质组含量远高于其他样品，且壳质组以孢子体和角质体为主，未观测到藻类体，结合该区所处的三角洲平原沉积环境，推测壳质组含量高可能与水动力条件强有关，在洪水期或因河道的摆动将已经形成的沼泽有机质搬运走，有机质不断地被破坏和氧化，导致稳定性强的壳质组相对富集[20]。煤中矿物含量整体较低，为1.6%～12.45%，平均6.36%，在东部卡达西煤矿和YX1井处达到最大值；垂向上，5号煤矿物组含量最低，1号煤矿物组含量波动大，其他煤层居中。
表 1 侏罗系煤岩样品信息及煤岩煤质测试数据表Table 1. Sample information and test data table of coal petrology and coal quality of Jurassic coals采样位置
（井号/剖面/煤矿）煤层号 埋深/ m Ro, max/ % 显微组分体积分数/ % 工业分析/ % 镜质组 惰质组 壳质组 矿物组 灰分 水分 挥发分 固定碳 库车河 — — — 86.50 8.00 0.50 5.00 — — — — YX1 — — — 67.40 15.20 6.00 11.40 — — — — DT1 0、1、3 1485.2 0.75～0.83
0.7974.96 15.94 4.13 4.97 10.39 2.09 28.61 64.07 YN2 — — — 70.20 21.80 1.92 6.08 — — — — YT1H 0、1、2、3、5 4480.45 0.82～0.89
0.8462.22 29.98 5.45 2.35 15.70 1.53 31.19 57.19 DB101 2、3 4278 0.86～0.87
0.87— — — — 8.22 1.31 25.46 68.51 MQ1 0、1、2、3、4 198.98 0.44～0.71
0.6561.11 34.82 1.00 3.08 3.85 5.25 30.50 66.98 MQ2 — 110.05 0.63 53.00 39.33 1.67 6.00 — — — — 卫东煤矿 — — — 58.56 37.67 1.30 2.47 9.09 3.37 30.39 57.15 卡达西煤矿 — — — 46.11 41.03 0.40 12.45 13.71 6.06 32.28 47.94 平均值 0.73 63.73 27.67 2.24 6.36 10.16 3.27 29.74 60.31 注：“—”为无数据；“$\dfrac{1.18 \sim 1.32}{1.23} $”括号中数值为平均值。 ![]()
图 3 侏罗系煤岩显微组分和亚显微组分含量分布Figure 3. Distribution diagram of maceral and submaceral content of Jurassic coals![]()
图 4 侏罗系不同煤层显微组分含量箱型图Figure 4. Box diagram of maceral content in different Jurassic coal seams煤岩亚显微组分观测和统计显示，镜质组主要以基质镜质体和均质镜质体形式存在（图3b，图5a—图5d），多呈条带状分布，偶见张性裂隙（图5 d），样品中出现数量不等的碎屑和团块镜质体（图5e），指示了侏罗系煤形成过程中经历了较强的还原环境和凝胶化作用。在YT1H井部分样品中可见结构镜质体1和结构镜质体2（图5f、图5g），植物细胞结构保存较好，DT1和MQ1井中结构镜质体少见，植物细胞结构保存较差。惰质组以丝质体和半丝质体为主，丝质体中可见完整细胞形态（图5a—图5c），胞腔充填黏土矿物（图5c），部分丝质体胞腔受挤压变形强烈呈星弧状（图5h），偶见粗粒体、惰屑体和微粒体（图5b、图5c）。壳质组中以孢子体和角质体为主（图5i），偶见树脂体、碎屑壳质体和渗出沥青体（图5f）。矿物质以粘土矿物为主，多充填在丝质体胞腔和孔洞中，或以胶结物形式赋存于基质镜质体中，偶见黄铁矿颗粒呈集群状或孤立状分布（图5i）。
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图 5 侏罗系煤岩显微组分镜下特征（油浸，反射单偏光）Figure 5. Microscopic characteristics of maceral of Jurassic coals(oil-immersed, reflected monopolarized light)3.3 煤质特征
克孜勒努尔组煤岩具有特低水分、低中灰分、中高挥发分和中高固定碳的特征。其中灰分为2.57%～15.7%，平均10.16%；水分为1.31%～6.06%，平均3.27%；挥发分为24.53%～33.06%，平均29.74%；固定碳为47.94%～73.38%，平均60.31%。平面上，DB101、MQ1和DT1井附近煤岩具有高固定碳和低灰分特征，YT1H井和卡达西煤矿灰分较高（图6）。层域上，下部4号和5号煤灰分较高，固定碳较低（图7a），煤质相对较差；上部0号至3号煤整体具有较高的固定碳和低灰分特征（图7b），但数据离散性较强，反映出煤质的区域非均质性较强。
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图 6 侏罗系煤岩工业分析各组分含量分布Figure 6. Distribution diagram of each component content of industrial analysis of Jurassic coals![]()
图 7 侏罗系不同煤层灰分和固定碳含量箱型示意Figure 7. Box diagram of ash and fixed carbon content in different Jurassic coal seams3.4 元素地球化学特征
3.4.1 主量元素
煤的无机组分来源于矿物，可以反映矿物的发育程度，指示沉积时的物源条件。SiO2和Al2O3主要来源于石英和黏土矿物，为陆源碎屑物质，Fe2O3和CaO则来源于为内源碎屑物质[21-22]。如图8a和表2所示，研究区煤灰中主量元素主要以SiO2和Al2O3形式存在，其次为Fe2O3和CaO，表明煤中矿物主要来源于陆源的石英和黏土矿物，内源碎屑物质组分较少。尤其是YT1井，其煤灰中SiO2和Al2O3含量远高于Fe2O3和CaO，指示其沉积时更靠近物源区，经历了较强的水动力环境。MQ1井煤灰中Al2O3含量明显降低，Fe2O3和CaO含量增加，指示其水动力条件有所减弱，陆源碎屑物质减少。
表 2 侏罗系煤中主量元素分析数据Table 2. Analysis data of main element of Jurassic coals井号 主量元素氧化物质量分数/ % 环境指标 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O MnO P2O5 TiO2 Al2O3/SiO2 沼泽水体 MQ1 1.18 0.51 0.89 0.84 0.17 0.27 0.04 0.01 0.05 0.01 0.1～0.82(0.44) 中位−低位 DT1 4.92 2.16 1.98 1.94 0.39 0.15 0.38 0.02 0.12 0.10 0.29～0.69(0.47) 中位−低位 DB101 6.18 2.94 1.63 1.05 0.34 0.30 0.43 0.02 0.05 0.13 0.38～0.58(0.48) 中位−低位 YT1H 4.45 2.52 0.41 0.22 0.14 0.30 0.26 0.01 0.02 0.18 0.35～0.77(0.51) 中位−低位 平均值 4.18 2.03 1.23 1.01 0.26 0.25 0.27 0.02 0.06 0.10 0.48 — 中国煤均值a 8.47 5.98 4.85 1.23 0.22 0.16 0.19 0.02 0.33 0.092 — — 注：a，中国煤主量元素平均值，数据来自文献[26]；“—”，代表无数据。 元素富集系数（CC=煤/中国煤或世界煤）被广泛运用于评估元素的富集程度。如图8b所示，研究区煤中Na2O、K2O、MgO和CaO整体与中国煤元素丰度相似，平均富集系数介于0.5～2.0，SiO2、Al2O3和Fe2O3表现为亏损，平均富集系数小于0.5，表明研究区侏罗系煤与全国煤相比，整体上煤灰和矿物含量较低。
通过Al2O3/SiO2比值可以表征煤灰中陆源物质的含量以及判别泥炭沼泽的类型，Al2O3/SiO2比<0.12、0.12～0.45和>0.45分别表示高位泥炭沼泽、中位泥炭沼泽和低位泥炭沼泽[23]。由图9a可知，研究区侏罗系成煤时以低位和中位沼泽为主，沼泽覆水中等−较深。同一煤层Al2O3/SiO2比值离散性较强，表明同一套煤层在不同的沉积位置物源供给及沼泽覆水深度差异显著。
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图 9 侏罗系泥炭沼泽水位和氧化还原环境判识图Figure 9. Identification diagram of water level and oxidation-reduction environment of peat swamps in Jurassic3.4.2 稀土元素
稀土元素化学性质均一稳定，不容易受成煤过程中的变质作用影响，能够很好的保存在煤层及围岩中，可提供关于古环境条件、沉积动力学和沉积物来源的宝贵信息，可作为成煤演化过程中有效的地质指标[24]。
由表3可知，煤中稀土元素含量之和ΣREE为10.9～40.6 μg/g，平均27.93 μg/g，低于世界煤中稀土元素含量平均值（60.7 μg/g），ΣREE含量低说明成煤环境水动力弱，沉积的碎屑物质总量少。除YT1H外，δEu均呈现中度负异常，指示成煤沼泽主要受陆源碎屑影响；δCe的变化范围较小处于微弱负异常，说明陆源供给稳定[25]。YT1H中煤δEu表现出明显正异常，且δCe/δEu<1（平均0.19），指示煤层形成时主要处于偏氧化环境。图9b显示煤的Ce/La值多>1.5，指示大部分煤形成于弱氧化−弱还原和还原环境，氧化环境主要出现在YT1H井部分1号和5号煤层中。
表 3 侏罗系煤中稀土元素分析数据Table 3. Analysis data of rare earth element of Jurassic coals井号 稀土元素/ (µg·g−1) 地球化学参数 氧化还原
环境La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er ΣREE Ce/La δCe δEu δCe/
δEuMQ1 1.74 3.54 0.45 2.02 0.50 0.13 0.70 0.11 0.70 0.15 0.41 10.90 2.04 0.96 0.67 1.44 弱还原 DB101 8.91 17.09 1.94 7.20 1.38 0.27 1.16 0.18 0.99 0.20 0.57 40.60 1.92 0.99 0.65 1.52 弱氧化−
弱还原DT1 5.81 11.20 1.26 4.66 0.88 0.17 0.74 0.11 0.63 0.13 0.37 26.44 2.05 1.00 0.65 1.54 弱还原−
还原YT1H 4.99 5.97 0.74 3.16 2.60 1.56 0.57 0.11 0.75 0.14 0.40 21.47 1.20 0.75 3.88 0.19 氧化−
弱氧化球粒陨
石标准值0.310 0.808 0.122 0.600 0.195 0.074 0.259 0.047 0.322 0.072 0.210 — — — — — — 注：LREE为稀土元素含量之和；δCe=2CeN/(LaN+PrN)；δEu=2EuN/(SmN+GdN)，下标N代表球粒陨石标准化，即样品中各个稀土元素的量与球粒陨石标准值的比值，球粒陨石标准值数据来自文献[27]. 4. 煤相及对煤岩煤质的约束作用
4.1 煤相类型
煤相是一定的形成环境下所沉积的泥炭物质的表现，是煤的原始成因类型。它通过显微组分和矿物含量及某些结构特征来表明。目前，植物结构保存指数(TPI)、凝胶化指数(GI)、地下水影响指数（GWI）、植被指数（VI）、镜惰比（V/I）、流动性指数（MI）等参数已被广泛的应用于确定沉积环境和煤相的煤岩学研究[28-31]。煤相参数GI、TPI、GWI、VI、MI、V/I分别依据公式1−6计算。
$$ GI=\frac{镜质组+粗粒体}{丝质体+半丝质体+碎屑惰性体} $$ (1) $$ TPI=\frac{结构镜质体+均质镜质体+丝质体+半丝质体}{基质镜质体+碎屑镜质体+团块镜质体+胶质镜质体+粗粒体+碎屑惰性体} $$ (2) $$ GWI=\frac{团块镜质体+基质镜质体+胶质镜质体+矿物}{结构镜质体+均质镜质体} $$ (3) $$ VI=\frac{结构镜质体+均质镜质体+丝质体+半丝质体+木栓质体+矿物}{基质镜质体+碎屑镜质体+藻类体+碎屑壳质体+孢子体+角质体} $$ (4) $$ MI=\frac{碎屑镜质体+碎屑惰质体+壳质组}{基质镜质体+均质镜质体} $$ (5) $$ V/I=\frac{镜质组}{惰质组} $$ (6) 依据以上公式，计算得出各煤相参数，进行GI−TPI、GWI−VI、MI−V/I两两参数交汇，依据前人所建立图版和煤相参数界限[32-35]，建立了研究区侏罗系煤层煤相判识图版。侏罗系煤岩TPI值为0.46～2.18（图10a），VI值介于0.51～3.77（图10b），变化范围较大，反映出成煤植物类型既有水生草本又有木本植物。其中YT1H井0号、1号、2号和5号煤整体上TPI>1，VI>1，表明成煤植物细胞结构保存完好，遭受降解的强度低，成煤植物以木本植物为主；GI值中等偏高（图10a），指示沼泽覆水程度中等偏深，同时GWI值中等（图10b），表明地下水对泥炭沼泽形成的影响程度中等，煤相以潮湿森林沼泽相为主，其次为较浅覆水森林沼泽相。图10c显示YT1H井的MI值主体介于0.1～0.4，反映其整体为较为停滞的水体，为中富营养型沼泽，其中1号煤Y−3样品点的MI值落在流动水体范围内，其壳质组含量高达24.2%，由图10a可知Y-3样品的煤相类型为较浅覆水森林沼泽相，结合其沉积环境为三角洲下平原，推测壳质组含量高可能与水动力条件强有关，在洪水期或因河道的摆动将已经形成的沼泽有机质搬运走，有机质不断地被破坏，导致碎屑有机质和稳定性强的壳质组相对富集[20]；Y5、Y8、Y13样品GI、GWI及V/I值偏低，其煤相类型向弱覆水、偏氧化的藓沼森林靠近。
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DT1、MQ1井中0号、1号和3号煤层TPI值和VI值普遍<1，成煤植物组织降解程度高，以水生草本植物输入占优势，其中DT1井GI值均>5，V/I整体>4，MI值普遍<0.2，显示出强覆水、强还原的滞留水体环境，凝胶化程度高，煤相为低位草本沼泽相，由地下水补给沼泽水体，为富营养型沼泽。MQ1井其TPI和VI值均大于DT1井，反映其植物细胞保存结构好于DT1井，木本植物输入比例有所增加，其煤相属于湿地草木混生沼泽相，其GI值介于1～5，GWI值也略小于DT1井，说明与DT1井相比，其覆水程度和地下水影响程度降低，为中富营养型沼泽，其V/I中等偏低。
综合3个煤相判识图版，可得出侏罗系成煤植物中草本和木本植物均占据重要地位，煤相呈现多样性，湿地草木混生沼泽、低位草本沼泽和潮湿、较浅覆水森林沼泽均有发育。其中YT1H井煤层纵向上沼泽覆水深度和水动力条件具有较强的波动性，潮湿、较浅覆水森林沼泽相交替出现。DT1井煤层为低位草本沼泽相，草本植物输入占绝对优势，覆水深度大且稳定，水体滞留性极强，营养物质丰富，各样品点镜质组含量均高于70%。MQ1井各项煤相参数处于DT1井和YT1井之间，成煤植物为以草本植物为主混有少量木本植物的草木混生型，覆水程度中等，水体较为停滞，凝胶化程度和营养物质中等。
4.2 煤相对煤岩煤质的约束作用
在早中侏罗世时期，库车坳陷北部构造带处于温暖湿润的三角洲−湖泊沉积体系，有利于泥炭沼泽的发育和煤层的广覆式发育，在相似的气候和沉积背景下，研究区煤岩煤质发育主要受控于泥炭沼泽位置、覆水深度和原始成煤植物类型。从陆地到湖泊的演化过程中，植物群落经历从陆生植物向水生植物的转变，植物类型由高大乔木、灌木向矮小草本植物、水生浮游植物、藻类演变，沼泽类型也由陆地森林沼泽向草本沼泽、开阔湖盆藻质沼泽演化[20]。研究区YT1H井克四段沉积环境以曲流河三角洲平原为主（图11），成煤环境主要为泛滥平原和分流间湾泥炭沼泽，成煤植物类型以木本植物为主，煤相为潮湿森林—较浅覆水森林沼泽相。DT1井和MQ1井克四段煤层形成于三角洲前缘−滨浅湖带泥炭沼泽中（图11），其中DT1井更靠近湖泊方向，覆水程度更大，植物群落以水生草本植物占绝对优势，煤相为低位草本沼泽相，MO1井靠近陆地方向，覆水程度中等，植物群落以草本植物为主，混有少量木本植物，煤相为湿地草木混生沼泽相。
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图 11 库车坳陷北部构造带迪北−吐东地区克孜勒努尔组沉积相图Figure 11. Sedimentary facies map of Kizilenur Formation in the Dibei−Tudong area of the northern structural belt of Kuqa Depression由图12a—图12c可知，从潮湿森林到较浅覆水森林沼泽，以及从湿地草木混生沼泽到低位草本沼泽，随着水体加深，煤的GI值增大，镜质组含量整体增加，V/I明显增大，宏观煤岩类型由暗淡煤、半暗煤转变为半亮煤或由半亮煤转变为光亮煤，其中YT1H井5号煤顶板的巨厚砂岩层指示了5号煤形成后期经历了较强的河流冲刷作用，成煤环境由潮湿还原环境转向干燥氧化环境，有机质遭受强烈的氧化，导致 其惰质组含量高达50%以上，宏观煤岩类型表现为暗淡煤。同时，相同成煤植物类型的沼泽中，随着覆水深度的增加，矿物含量和灰分产率也有增高趋势。这是由于覆水深的泥炭沼泽具有更还原的条件，同时地下水的补给带来了较多的矿物质，导致所形成的煤层中镜质组含量、矿物质含量和灰分产率相对较高。森林木本沼泽与草本沼泽在矿物含量和灰分产率方面未见明显差异，但矿物来源有所差异，YT1H井煤中矿物质主要来源于陆源碎屑物质，为古河流携带而来，也进一步反映了YT1H井煤层形成于河控三角洲平原上的泛滥平原和河漫沼泽，河流的流动将上游的碎屑物质携带至沼泽中堆积起来，而DT1井和MQ1井陆源碎屑物质有所减少，内源碎屑物质增多，体现了其离物源区较远的沉积特征。
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图 12 侏罗系煤岩煤质与煤相、沉积环境对应关系Figure 12. Corresponding relationship between coal quality, coal facies and sedimentary environment of Jurassic coals植物是成煤的原始质料，因此植物群落不同会影响泥炭的性质。通常情况下，森林沼泽中由于木本植物本身富含纤维素和木质素，易形成凝胶化物质和高镜质组煤，同时木本植物抗分解能力强，植物组织细胞保存程度高；而草本沼泽中植物组成缺乏木质素，含较多的纤维素和蛋白质，这些不稳定的成分容易被分解破坏，从而使稳定组分富集，易形成富含稳定组的煤[36]。然而，通过对比YT1H井和DT1及MQ1井（图12a—图12c），不难发现，镜质组含量与成煤植物类型单因素相关性并不强，而是受成煤植物、覆水深度和水动力条件的综合控制。潮湿森林和较浅覆水森林沼泽的MI值整体高于低位草本和湿地草木混生沼泽，这说明陆相森林沼泽水动力条件普遍要强于河湖过渡带覆水较深的草本沼泽，在水流搬运过程中，有机质不断地被破坏和氧化，导致镜质组含量有所降低，惰质组和稳定组含量相对增加。同时陆相森林沼泽Al2O3/SiO2比值整体小于草本沼泽和草木混生沼泽，且波动性强，反映其成煤环境偏氧化，沼泽覆水深度小且水体不稳定，这是由陆相森林沼泽相对于低洼处的草本沼泽具有相对较高的地势所决定的，沼泽水体受大气降水、河流或洪水的影响较大。
煤相作为煤的原始成因类型，对煤岩组分、煤质、孔渗性、孔隙结构发育特征有着重要的约束作用，对煤储层评价至关重要。识别具有高镜质组、低灰分、高渗且地质条件有利的优势煤岩发育区带，对于煤层气甜点区优选、井位部署及提高煤层气开采效率具有重要价值。从煤相类型和煤岩煤质的关系来看，低位草本沼泽相和较浅覆水森林沼泽相为研究区最有利煤相类型，可作为优势煤岩发育区带优选依据，以及煤层气下一步勘探开发首选聚煤相带。同时，还应加强煤相与煤储层物性和孔隙结构之间的关联性研究，以期综合评价和精确圈定优势煤岩发育区带和黄金聚煤相带。
5. 结 论
1）侏罗系克孜勒努尔组煤具有中高镜质组、低矿物、特低水分、低中灰分、中高挥发分、中等固定碳的特征。区域上，镜质组含量呈从东向西增高的趋势，在DT1井和库车河区域镜质组含量最高；垂向上，上部0号、2号、3号煤层具有高镜质组、高固定碳和低灰分特征，煤岩煤质较好，1号煤镜质组含量和灰分产率变化较大，非均质性较强，下部4号和5号煤层煤质较差。
2）煤中矿物质来源以陆源碎屑为主、内源碎屑为辅，其中YT1H井相比于其他井，煤灰中SiO2和Al2O3含量远高于Fe2O3和CaO，指示其沉积时更靠近物源区，水动力作用更强。Al2O3/SiO2、δCe/δEu和Ce/La比值均指示侏罗系煤层主要形成于弱还原和还原环境，有利于凝胶化作用的进行，YT1H井部分1号煤和5号煤层形成时处于偏干燥和氧化环境。
3）侏罗系克孜勒努尔组可划分出4种煤相类型：湿地草木混生沼泽相、低位草本沼泽相、潮湿森林沼泽相、较浅覆水森林沼泽相。其中YT1H井中潮湿、较浅覆水森林沼泽相交替出现，成煤植物为木本植物，沼泽覆水深度变化大，水动力条件波动性较强；DT1井煤层为低位草本沼泽相，草本植物输入占绝对优势，覆水深度大且稳定，水体滞留性极强，为富营养型沼泽；MQ1井煤层为湿地草木混生沼泽相，成煤植物以水生草本植物为主，木本植物为辅，覆水程度中等，水体较为停滞，凝胶化程度和营养物质中等。
4）煤岩煤质发育特征受到成煤沼泽位置、覆水深度、成煤植物类型、水动力条件的耦合约束作用。低位草本沼泽相形成于三角洲前缘和滨浅湖带，覆水程度高，还原性强，水体流动性弱，营养物质丰富，形成的煤具有高V/I比、高矿物和高灰分特征；较浅覆水森林沼泽相发育于三角洲平原，覆水程度中等偏高，水动力环境不稳定，形成的煤具有中高V/I比特征；潮湿森林沼泽相和湿地草木混生沼泽相，覆水程度中等，水体多处于弱氧化-弱还原环境，镜质组含量和V/I比中等，煤岩品质一般。低位草本沼泽相和较浅覆水森林沼泽相为研究区最有利煤相类型，可作为优势煤岩发育区带优选依据，以及煤层气下一步勘探开发首选聚煤相带。
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图 2 临兴−神府区块基于保压取心的深部煤层含气量测试结果（数据源于[37]）
Figure 2. Test results of gas content in deep coal seams based on pressure-preserved coring
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图 3 基于绳索取心含气量测试和等温吸附试验计算的深部煤层含气量
Figure 3. Gas content calculation of deep coal seams based on Wire-line coring and isothermal adsorption experiments
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图 5 华北地区主要含煤盆地东西向构造−地质−埋藏史剖面示意
Figure 5. East-west geological cross-section of coal-bearing basins in the north china region
表 1 华北地区石炭−二叠系不同演化类型的深部煤层含气赋存状态
Table 1 Occurrence status of gas in deep coal seams with different evolution types of Carboniferous-Permian in North China
演化类型 保存条件 吸附饱和度 气体赋存相态 深埋深藏 构造改造程度弱 饱和/过饱和 游离态、吸附态 构造改造程度强 欠饱和/饱和 吸附态 深埋浅藏 构造改造程度弱 欠饱和/饱和 吸附态 构造改造程度强 欠饱和 吸附态 
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