0 引 言
随着煤层气勘探开发的兴起，国内外学者将含油气系统思想引入煤层气地质学领域，提出了“含煤层气系统”的概念[1-4]用以指导煤层气的勘探与开发[5-7]。含煤层气系统是一个基于煤与围岩并包含了所有与煤层气生储保地质条件以及配置关系的系统[7-8]，识别含煤层气系统对于煤层群背景下主力煤层的选择及开发层系的组合特别重要[9-11]。
近年来，准噶尔盆地南缘(下称准南)煤层气勘探开发进展显著，其中主采八道湾组煤层的阜康矿区已实现年产7 000万m3的产量规模[12]，然而针对准南西山窑组煤层的开发效果不太理想，选区选层、储层改造、试验排采遭遇难题，玛参系列井、昌试系列井等均因出水量大面临困境甚至放弃。不少学者对准噶尔盆地的煤层气储层特征[13-14]、赋存规律[15-17]、成藏主控因素[15,18-21]等进行过相关研究，表明准南地区多煤层、大倾角的煤层气分布特征明显受构造、沉积以及水文条件综合制约，其中前人在准南煤层的区域性煤层对比[22]、沉积特征、聚煤规律以及沉积层序划分[23-25]等方面不乏有重要建树，但是对于准南西山窑组煤层的含气系统沉积控制作用仍缺乏规律性认识。笔者以沉积学理论以及煤层气系统分析方法为指导，力图剖析准南地区西山窑组地层的沉积演化对煤层气系统构成的影响，为规避煤层气勘探开发风险提供科学依据。
1 煤层气基本地质特征
准噶尔盆地南缘构造分区隶属于北天山山前冲断带，位于准噶尔盆地南缘紧邻天山的区域，是一个以晚海西期前陆湖陷为基础，经长期发育、多期叠合的继承性构造带。研究区中下侏罗统地层是盆地陆相含煤建造发育期，南部厚达4 000 m。研究区地表大部分被第四系地层覆盖，侏罗系地层局部出露，含煤地层主要为下侏罗统八道湾组和中侏罗统西山窑组，两者之间的三工河组不含煤或含少量煤线。
前人针对准噶尔盆地南缘的中下侏罗统的层序地层格架及聚煤规律进行了大量研究，将其划分为4个三级层序，分别对应八道湾组、三工河组、西山窑组以及头屯河组[24-27]。随后的姜科庆[28]、彭雪峰[29]又应用经典层序地层基本理论和方法将研究区的西山窑组、八道湾组地层各自细分出了2个三级层序。笔者综合前人划分方案，将研究区下-中侏罗统划分为6个三级层序，分别对应八道湾组下段(SQ1)、八道湾组上段(SQ2)、三工河组(SQ3)、西山窑组下段(SQ4)、西山窑组上段(SQ5)以及头屯河组(SQ6)。本文研究对象是中侏罗统西山窑组煤系地层，依照研究区勘探部署将研究区以乌鲁木齐河及玛纳斯河为界自东往西分为东、中、西三段(图1)。
Ⅰ—博格达北断裂;Ⅱ—雅玛里克山断裂;Ⅲ—阜康隐伏断裂;Ⅳ—准噶尔南缘断裂;
1—三台背斜;2—水溪沟向斜;3—泉水沟向斜;4—古牧地背斜;5—阜康背斜;6—南阜康背斜;7—七道湾背斜;
8—八道湾向斜;9—乌鲁木齐背斜;10—桌子山背斜; 11—西山背斜;12—郝家沟背斜； 13—南小渠子穹隆；14—清水河子向斜;
15—喀拉扎背斜;16—阿克德向斜;17—昌吉背斜;18—南安集海背斜;19—南玛纳斯背斜;20—南玛纳斯向斜;21—达子庙背斜
图1 准噶尔盆地南缘地质构造
Fig.1 Geological structural of southern margin of Junggar Basin
研究区煤系地层受南北构造挤压作用影响，地层走向大多近东西向分布，煤层埋深由南往北逐渐增大，整体介于0～2 500 m。中侏罗统西山窑组沉积时期，准南地区构造沉降速率与物源补给速率达到动态平衡，聚煤作用加强，在区内形成3个富煤区带，分别位于玛纳斯地区、乌鲁木齐河西地区和乌鲁木齐河东地区。在四工河以东地区由于构造抬升作用，西山窑组地层遭受剥蚀，因而煤层不发育(表1)。
表1 研究区西山窑组煤层发育情况
Table 1 Coal seam development in Xishanyao Formation of study area
准南西山窑组煤层热演化程度较低，镜质体反射率为0.23%～0.76%，平均0.65%，为褐煤、长焰煤、气煤，属于中、低阶煤。热演化程度在平面上呈现较明显的区域分布差异，整体呈西低东高、南低北高的特点。研究区煤层气实测含气量为4.00～15.44 m3/t。含气量在乌鲁木齐河到四工河之间最高，玛纳斯河至乌鲁木齐河之间中等，玛纳斯河以西含气量逐渐降低。
2 含煤层气系统发育的沉积学过程
2.1 单井沉积相及含气系统的厘定
根据以往研究可知[30-31]，准噶尔盆地南缘研究区的西山窑组地层主要发育于扇三角洲-湖泊沉积体系以及辫状河三角洲-湖泊沉积体系(表2)。
表2 准噶尔盆地南缘西山窑组沉积相划分
Table 2 Sedimentary facies division of Xishanyao Formation in southern margin of Junggar Basin
结合此分类方案及对应特征，通过图像粒度分析、扫描电镜、岩心观察、测井曲线对A井及B井(图1)进行沉积微相的划分。并根据已划分的沉积微相进一步结合含气量数据、岩层分隔性能划分单井含气系统。
1)A井。根据图像粒度分析(其中φ为粒级划分标度，φ=-log2D，D为颗粒直径,mm)，A井在1 024.8、1 130 m处识别出三角洲平原亚相分流河道微相的中-细砂岩，其分选中等，粒度概率曲线为三段式，由大量的跳跃组分以及少量的悬浮组分构成，滚动组分较少，同时可在对应深度的岩心中观察到不规则斜层理以及泥砾。980 m处的粗粉砂质及细砂岩概率粒度曲线具有二段式的特征，其悬浮组分以及跳跃组分较多、缺失滚动组分，分选性较好、胶结致密属于天然堤微相。1 039 m处的细砂质中砂岩以跳跃组分为主、分选较差，粒度概率累积曲线呈现三段式特征，可见波状层理，属于决口扇微相产物。依此类推到该井西山窑组全段，识别为三角洲相沉积(图2)，其中SQ5的HST阶段为辫状河三角洲前缘亚相沉积，SQ5的HST、LST以及SQ4为辫状河三角洲平原沉积。
2)B井。B井在305.6 m处的细砂质中砂岩、407.05 m的含粗粉砂细砂岩，分选较好，概率粒度曲线为二段式，主要由跳跃组分和悬浮组分构成，缺乏滚动组分，颗粒以石英、长石为主，可见长石溶蚀现象，在相邻层段的细砂岩中还识别出了代表着滩坝沉积的波状变形层理，据此将此二段砂岩沉积相划为滩坝微相。355 m处的含黏土细粉砂岩以及655 m处的含粘土粗粉砂岩，分选较好，粒度概率曲线为二段式，其中主要为悬浮组分、跳跃组分较少、缺乏滚动组分，电镜照片中可见其间夹杂炭屑，识别为滨浅湖泥微相沉积产物。该井西山窑组全段(SQ4—SQ5)为湖泊相的滨浅湖亚相沉积(图3)。
A井以及B井的煤层含气量随着煤层埋深增高而增高，这主要是因为准南煤层赋存深度范围内，温度变化不大、镜质体反射率差异较小，煤层含气量主要与地层压力有关[32]。对A井、B井进行沉积特征厘定，发现A井中厚层的分流河道砂岩与决口扇砂岩形成了多期旋回，这种现象导致了A井中煤层间的含气系统封闭性不明显，同时在砂岩中发现了后期构造变动形成的垂向节理，在这种条件下多煤层倾向于形成多层叠置统一含气系统(图2)。
图2 A井沉积相及含气系统综合柱状
Fig. 2 Comprehensive column diagram of sedimentary facies and coalbed methane system in Well A
图3 B井沉积相及含气系统综合柱状图
Fig. 3 Comprehensive column diagram of sedimentary facies and coalbed methane system in Well B
B井沉积时水动力较弱，滩坝砂岩与滨湖砂岩交替沉积，而滨湖泥微相中的含黏土粉砂岩阻气隔水能力好，同时构造作用未产生类似A井中的垂向贯通砂体，从而使得B井的煤层倾向于形成多层叠置独立含气系统(图3)。
A井以及B井主力煤层的压力梯度变化存在差异(表3)，其中A井的压力梯度差异较小，表明了煤层间连通性较好，层间干扰大。A井主要含煤层段共14段，从上至下划分6个含煤层气系统，分别将1—3、4—7、8—10、11—14号煤层分为4个含煤层气系统，另外在14号煤上部又识别出未命名煤层的2个含气系统。B井煤层间的压力梯度差异略大，层间独立性较好，其中主要含煤层段共10段，分别将6、7—9+12、14+16、18+20号煤层划分为不同的含煤层气系统。
2.2 含煤层气系统沉积演化
研究区以南部的伊林黑比尔根山为主要物源区，中-西段的三角洲沉积体系在平面展布上，呈侧向连续叠置的朵状。区域上，由盆地南缘中-西段冲积扇、扇三角洲或河流的粗-中碎屑岩沉积相带，向北部盆地中心方向逐渐过渡为辫状河三角洲沉积体系与湖泊沉积体系的细碎屑-泥质沉积相带，研究区东段以滨浅湖沉积为主(图4)。由于各地区地形、坡度以及与物源的距离等差异，造成准南中-西段发育的三角洲类型不同，比如在后峡地区陡坡带发育扇三角洲，中段玛纳斯河附近的较缓坡带则发育辫状河三角洲。此次收集从四工河至四棵树河西一共22口钻井(图4)，建立了一条垂直于物源方向的东西向连井剖面用于厘定SQ4—SQ5阶段沉积相发育特征。
2.2.1 西山窑组下段发育特征(SQ4)
SQ4时期主要发育三角洲相与湖泊相沉积，其中三角洲相主要发育在研究区西段和中段，湖泊相主要发育在研究区东段和四棵树河以西。SQ4时期河道滞留沉积较为发育，其中以中段呼图壁河至霍尔果斯河一带尤为发育，砂岩主要为粗砂和细砂岩，部分砂岩中夹杂煤层，由三角洲平原沼泽发育而成。由于湖侵作用，岩石粒度向上相对变细，三角洲相逐渐为滨浅湖相替代，研究区中段和西段四棵树河以南区域依旧以三角洲平原亚相为主，但砂岩粒度变细。
图4 准噶尔盆地南缘西山窑组东西向连井对比剖面
Fig. 4 Continuous well graph of Xishanyao Formation in southern margin of Junggar Basin from east to west
准噶尔盆地南缘地区中段三屯河至四工河主要发育湖相沉积，岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及中-细砂岩，为滨浅湖和滩坝沉积形成，西段在四棵树以西到中兴煤矿可见大段代表冲积扇相的砾岩直接与粉砂质泥岩接触，再往下则很快转变为半深湖相巨厚炭质页岩，页岩多含黄铁矿，据此推测SQ4时期准噶尔盆地的古水深中心可能在偏西南方向。
2.2.2 西山窑组上段发育特征(SQ5)
SQ5时期湖泊相面积扩大，覆盖研究区大部分区域，仅在研究区中段呼图壁河到西段四棵树河之间发育三角洲沉积。三角洲沉积以三角洲平原、三角洲前缘为主，岩性主要包括中-细砂岩，部分夹有薄层粗砂岩，在西段可见数层薄煤层。湖泊相分布较广，主要为滨浅湖泥和滩坝砂体沉积。
3 含煤层气系统的沉积控制作用
3.1 对含煤层气系统构成的控制
体系域对煤炭聚集的控制作用，主要体现在对煤层垂向发育的控制。
1)低位体系域(LST)为相对湖平面下降到最低点并且开始缓慢上升时期形成，LST发育早期，由于基准面下降，处于基准面之上的四棵树河-三屯河区域受到风化剥蚀。LST发育后期，湖平面开始上升至临近初次湖泛面处，此时盆地可容空间增大，来自南部物源区的沉积有机质开始稳定聚集，形成了一层厚度适中、连续分布的稳定煤层。
2)湖侵体系域(TST)发育期间，湖平面继续向南部扩张，可容空间增长速率大体与有机质聚集速率一致时，形成广泛分布的滨岸沼泽泥炭堆积，研究区SQ4层序TST阶段因此发育了多套厚煤层。
3)高位域时期(HST)，虽然可容空间较大且来自南部山区有机质大量输入，沼泽广泛发育，但常受湖水波动、河流改道、洪水泛滥等影响而使煤层发育较差。
西山窑组的含煤地层的沉积环境以辫状河三角洲、滨湖相、扇三角洲相为主。成煤环境包括三角洲平原沼泽、河流溢岸流(多形成薄煤层)沉积、三角洲前缘分流间湾、滨浅湖沼泽。从层域上来看，准南SQ4沉积时期，盆地内积水浅而广阔，扇三角洲发育，在湖盆边缘及扇三角洲平原常发育有稳定的沼泽，且聚煤时间长、分布广，发育多层稳定的厚煤层，煤层主要形成于LST和TST，HST不利于聚煤。SQ5沉积时期，随着湖平面继续向南扩张，研究区水体的不断加深、构造变动频繁，扇三角洲相—滨浅湖亚相交替出现，河道改造活动剧烈，侧向迁移显著，聚煤作用逐渐减弱。整体来讲，西山窑组下段(SQ4)煤层较上段(SQ5)而言发育较稳定且煤层厚度较大。
3.2 含气煤层隔挡封存的控制
沉积环境的差异不仅会导致煤层厚度、连续性产生差异，也会导致煤层顶板岩性组合关系存在差异，从而导致含煤层气系统封盖性能的差异。通过对A井及B井的分析，易于发现稳定发育的滨浅湖沼泽所沉积的煤层在厚度、含气性(图4)上优于三角洲相沼泽沉积的煤层。这与表1的含气量数据显示的东段高(滨浅湖亚相沉积)并往西段(三角洲相沉积)逐渐降低的特征相符。
煤层厚度以及含气性差异可从两方面分析，一是因为滨浅湖沉积的粉砂岩富含泥质(图3)，作为围岩能够很好地抑制煤层气的逸散。另一方面，三角洲沉积中的河流对煤层的冲刷使早期沉积的煤层减薄或直接剥蚀殆尽，这会在连井图中表现出煤层减薄或尖灭的特征。若更进一步，则会继续侵蚀下伏已沉积煤层的顶板，削弱下伏含煤层气系统的封隔性。三角洲环境中沉积的煤层主要发育于三角洲平原的沼泽微相，是通过分流间湾或废弃分流河道淤积环境填平而成，煤层顶底板以分流河道、决口扇微相的厚层砂岩为主，此类砂岩以中-粗粒居多、砂岩泥质含量较低、胶结较差、后期构造致使垂向节理极度发育，导致岩层间垂向上连通性较好，偶见泥岩顶板，煤层气保存性能一般(图2)，多层统一含气性系统发育。在煤层气开发过程中，这类环境中沉积的煤岩层间干扰较大，具体表现为改造过程中的煤储层与相邻高含水层通过这种贯通砂体相连，导致生产过程中只产水不产气影响煤层气的开发，其中以昌试、玛参系列井最为明显。
滨浅湖环境的沼泽是煤层大规模聚集的有利环境，由于滨浅湖环境的地势平坦且较为开阔，因此形成的煤岩通常呈席状展布、连续性强、厚煤层发育、煤储层物性好。围岩多为滨湖泥微相的厚层细粒泥岩、含粘土粉砂岩(图3)，偶见滩坝砂岩，砂岩受物源碎屑影响较小、泥质含量高、分选好、胶结程度高、隔水阻气能力强，可对煤层中赋存的甲烷气在纵向上形成毛细管封闭与压力封闭。不同的含气系统间界限明显，利于煤层气的稳定开发，由此区域建立的阜康示范区可见一斑(图5)。
3.3 煤层气勘探开发效果的体现与启示
对于多层叠置含煤层气系统的煤层气资源进行开发，需要提前查明垂向上系统间的独立性。对多层叠置含煤层气系统的划分，实质上是对于垂向上不同流体压力系统的识别，煤系地层由于沉积环境以及构造改造的差异，造成了围岩垂向导流能力的差异，进而影响流体压力系统的分布。沉积演化过程中最大湖泛面时期沉积的厚层泥岩封隔性能好[33-35]，利于分隔不同的含气系统。由于此阶段沉积速率缓慢，发育的泥岩有机质含量高，自然伽马曲线上表现为高值，电阻率曲线多为低值或梳状、剪刀状[36]。该区的西山窑组地层厚度大、同一层序内煤层较多、沉积环境东西差异大，这使得含气系统的构成产生了东西差异，进行开发时针对不同地区的含气系统需要采用相配伍的开发方式[37-38]。
图5 准噶尔盆地南缘西山窑组煤及围岩组合关系
Fig. 5 Relationship between coal and surrounding rock of Xishanyao Formation in southern margin of Junggar Basin
研究区西山窑组煤层具有多而厚并且局部高倾角的特征，因此合理进行选层定位、组合开发是极为迫切的课题。三屯河-四棵树河地区发育的三角洲体系砂岩隔水阻气能力较差，同时在局部发育的垂向节理加强了它的垂向导流能力，层间干扰较大、作用形式复杂、排水降压效果差，此条件下趋向于形成多层叠置统一含煤层气系统。在该条件下对于煤层气进行开发需要注意避开关键的含水层以及可能与含水层沟通的砂岩。四工河-三屯河地区滨浅湖环境下沉积的砂体由于其分选好、泥质含量多，从而具备了较好的隔水阻气性能，最大湖泛面附近的泥岩、含泥粉砂岩能够很好地分隔不同含气系统。在此类区域中进行煤层气开发，易于识别出独立甜点层位，从而达到较好的开发效果。
4 结 论
1)通过野外追踪观察及图像粒度分析进行精细区分，厘定了不同渗透能力岩层的宏观沉积特征，识别出分流河道、决口扇、天然堤、滩坝、滨浅湖微相这5种砂体的粒度概率曲线特征。其中，分流河道砂体的对于含煤层气系统的负面影响最大，其次是决口扇以及滩坝砂岩，天然堤与滨浅湖砂体的泥质成分高、粒度细、胶结致密，属于极好的封隔层。
2)依据纵向上对应层序、含气系统分隔性差异，构建了A井以及B井的含煤层气系统。西山窑组沉积时期A井整体属于三角洲相，煤层沉积在分流间湾及沼泽微相中，分流河道砂岩发育，可见垂向节理，系统间隔不明显，主要为多层叠置统一含煤层气系统。B井在西山窑组沉积时期属于滨浅湖相沉积，滩坝砂岩与滨湖砂岩构成多期旋回，由于砂岩泥质含量高、分选及胶结程度好，能够有效分隔不同含煤层气系统，以多层叠置独立含煤层气系统为主。
3)研究区西山窑组地层可分为SQ4与SQ5两个三级层序，沉积特征呈现出区域性以及层域性差异。在SQ4时期滨浅湖亚相主要发育在四工河-三屯河、四棵树河以西区域，具有多套含气量较高、展布稳定的厚煤层。扇三角洲亚相沉积主要发育在三屯河-玛纳斯河区域，而辫状河三角洲亚相在SQ4—SQ5之间一直在玛纳斯河-四棵树河区域发育，煤层发育情况较差，含气量偏低。该时期LST与TST发育期间，研究区水动力较弱、水体较浅，煤层发育较好。高位域时期，受水道改道、洪水泛滥的影响致使煤层发育较差。SQ5时期，湖平面扩大，滨浅湖亚相扩长到四工河-呼图壁河、四棵树河以西区域，而扇三角洲发育区域减小，只在呼图壁河-玛纳斯河区域发育。该时期随着湖平面继续向南扩张，研究区水体的不断加深，聚煤环境整体变差。
4)在对三角洲相沉积环境发育的煤层群进行开发时，需要识别并规避河道砂体存在的区域，寻找最大湖泛面附近封隔性能优秀的泥岩来帮助划分含气系统。滨浅湖环境中沉积的煤层厚度大，粉砂岩泥质含量高，煤层之间相对独立，开发时排水降压效果好。最后要注意规避或暂缓开发与富含垂向节理砂岩接触的煤层，提高开发效率。
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