中—下侏罗统为准噶尔盆地重要的含煤建造，在常规油气勘探中，将其作为盆地三大主力烃源岩层之一，开展了大量的含煤层系层序结构、成煤环境及聚煤规律的研究^[1-3]，煤系烃源岩及煤成油气地球化学特征研究^[4-5]，煤系烃源岩生烃模拟^[6-9]，支撑了准噶尔盆地南缘下组合油气勘探的重大发现。煤层气勘探热潮兴起后，针对盆地南缘及东部浅层煤层气领域，在煤层储层特征^[10-12]、孔隙结构^[13-15]、吸附特征^[16]、含气特征^[17]、赋存条件^[18]、主控因素与富集规律^[19-21]、资源潜力^[22]、目标优选^[23-24]等方面取得较多成果。

坚持浅层煤层气勘探的同时，发现盆地内埋深大于2000m煤层的气测异常响应明显，白家海凸起C504井、C512井、C17井等多口直井试采不需排水降压即可快速获得数千立方米天然气。2020年部署国内首口深地煤岩气水平井CT1H井，该井在西山窑组试气获得最高日产5.7×10⁴m³、稳定日产2×10⁴m³的工业气流，且无水产出，迎来煤岩气领域的重大发现^[25]，引领了天然气勘探的新方向。但盆地煤岩气领域整体基础研究薄弱，煤岩岩石学特征、煤储层特征、煤岩气成藏控制因素及特征、有利勘探区及资源潜力不明，限制了煤岩气领域的拓展，延缓了勘探节奏。

2022年以来，加快了煤岩气部署节奏，先后上钻CM004、DM001、AX1、DM101、QX1共5口井。其中CM004井、DM101井、QX1井煤层埋深超过2000m，煤岩含气量较高、气测异常明显，AX1井及DM001井煤层埋深小于1500m，煤岩含气量低，气测无异常。新井的钻探提供了第一手测试分析和研究资料，本文结合现有煤岩相关分析化验资料，研究盆地深部煤岩岩石学特征、储集性及含气性，并结合煤层分布、气源条件、构造条件及保存条件，探讨煤岩气成藏特征，明确成藏模式，优选煤岩气勘探有利区并评价其勘探潜力。

准噶尔盆地位于中国西部地区，构造上划分为南缘冲断带、西部隆起、中央坳陷、东部隆起、陆梁隆起、乌伦古坳陷6个一级构造单元及44个二级构造单元（图 1左）。盆地中—下侏罗统自下而上依次为西山窑组（J₂x）、三工河组（J₁s）、八道湾组（J₁b），其中广泛发育西山窑组、八道湾组两套煤层，二者埋深相差约400m（图 1右）。

图 1

图 1 准噶尔盆地构造单元图（左）及中—下侏罗统地层综合柱状图（右） Fig. 1 Division of structural units in Junggar Basin (left) and comprehensive stratigraphic column of the Middle-Lower Jurassic (right)

西山窑组普遍含煤层1~6层，最大单层厚度为0.7~26m，平均单层厚度为5m，底部西一段（J₂x₁）煤层发育较为稳定。该组煤层总厚度为0.7~80m，南缘冲断带最厚可达200m，沙帐断褶带—石钱滩凹陷煤岩厚度为10~80m，夏盐凸起—乌伦古坳陷、盆1井西凹陷—莫北凸起、滴南凸起—东道海子凹陷—白家海凸起—阜康凹陷北部地区煤岩厚度为5~20m（图 2）。

图 2

图 2 准噶尔盆地西山窑组煤岩厚度图 Fig. 2 Coal rock thickness in Xishanyao Formation in Junggar Basin

八道湾组普遍含煤层1~10层，最大单层厚度为0.8~16m，平均单层厚度为6.5m，顶部八三段（J₁b₃）煤层发育较为稳定。该组煤层总厚度为0.6~45m，厚煤区主要分布在南缘冲断带东西段、滴南凸起—东道海子凹陷—白家海凸起—阜康凹陷北部、玛湖凹陷、乌伦古坳陷（图 3）。

图 3

图 3 准噶尔盆地八道湾组煤岩厚度图 Fig. 3 Coal rock thickness in Badaowan Formation in Junggar Basin

深部煤岩样品取自白家海凸起、东道海子凹陷、滴南凸起、齐古断褶带。BJ8井、JT2井、M006井、DN141井采用密闭取心，CM004井、DM101井、QX1井采用保压取心。岩心观察显示，准噶尔盆地西山窑组煤岩为半光亮型或暗淡型，煤体结构较完整，以块状为主，割理较发育；八道湾组以光亮型煤岩为主，煤体结构总体为碎裂煤，割理发育（图 4）。

图 4

图 4 准噶尔盆地西山窑组、八道湾组煤岩岩心照片 Fig. 4 Core photos of coal rocks in Xishanyao and Badaowan formations

煤岩岩石学特征显示，准噶尔盆地西山窑组煤岩工业成分以固定碳为主，含量为60.4%~69.2%，平均为64.3%；其次为挥发分，含量为25.7%~30.7%，平均为28.5%；灰分含量较低，为2.6%~10.7%，平均为5.7%，属于中等固定煤炭，煤岩视密度一般为1.13~1.33g/cm³。显微组分以镜质组为主，平均含量为51.2%；其次为惰质组，平均含量为42.9%。成煤植物以木本植物为主，成煤气候主要为半干燥—潮湿环境。镜质组反射率较低，为0.49%~0.84%，为褐煤—气煤。八道湾组煤岩工业成分以固定碳为主，含量为47.2%~52.9%，平均为49.8%；其次为挥发分，含量为44.0%~45.3%，平均为44.7%；灰分含量较低，为2.3%~7.8%，平均为5.2%，属于低固定煤炭，煤岩视密度一般为1.24~1.29g/cm³。显微组分以镜质组为主，平均含量为74.2%，惰质组与壳质组含量接近，惰质组平均含量为10.7%，壳质组平均含量为11.2%。成煤植物以草本植物为主，成煤气候主要为潮湿环境。镜质组反射率较低，为0.52%~0.67%，为长烟煤—气煤。目前样品主要取自埋深小于4000m的煤岩，演化程度较低，推测随着埋深增加，盆地南缘煤岩R_o可达至1.3%，进入肥煤阶段，总体上准噶尔盆地侏罗系煤岩属于中—低阶煤。

根据BJ8井、DN141井、JT2井核磁共振分析数据，西山窑组煤层埋深为1428~3362m，核磁共振孔隙度为1.79%~15.72%，平均为12.13%，渗透率为0.01~8.07mD，平均为3.17mD，物性较好。煤岩为孔缝双重介质，植物组织孔大量发育（图 5），常见裂隙及充填物。由二氧化碳吸附、低温液氮吸附及高压压汞实验构成的煤岩全孔径表征结果显示，西山窑组储集空间既发育微—小孔又发育中—大孔，其中中—大孔占比在64%以上（图 6）。

图 5

图 5 西山窑组、八道湾组煤岩岩心扫描电镜照片 Fig. 5 SEM photos of coal rock cores in Xishanyao and Badaowan formations

图 6

图 6 DN141井西山窑组全孔径表征图 Fig. 6 Full-size pore characterization in Xishanyao Formation in Well DN141

根据JT2井、M006井核磁共振分析数据，八道湾组煤层埋深为3100~3600m，核磁共振孔隙度为3.22%~4.88%，平均为3.96%，渗透率低于0.01mD，物性较差。煤岩同样为孔缝双重介质，但植物组织孔及裂隙数量低于西山窑组煤层（图 5），储集空间以微—小孔为主，中—大孔占比较低，一般为17%~37%（图 7）。

图 7

图 7 M006井八道湾组核磁共振孔径分布图 Fig. 7 NMR pore size distribution in Badaowan Formation in Well M006

2023年，对CM004井、DM001井、DM101井、QX1井、AX1井西山窑组煤岩进行了保压取心，测得各井含气量差异较大。白家海凸起CM004井含气量为15.47m³/t，与BJ8井、DN141井密闭取心测得的含气量接近（表 1）。滴南凸起西段DM101井含气量较高，为13.30m³/t，东段DM001井含气量低，仅为0.59m³/t。齐古断褶带中东段QX1井含气量较高，为14.43m³/t，西段AX1井含气量低，仅为0.41m³/t。

表 1

表 1 煤岩含气量统计表 Table 1 Gas content statistics of coal rocks 构造带 井名 层位 深度/m 煤岩结构 取心方式 含气量/（m3·t-1） 圈闭类型 白家海 CM004 J2x 2436.5~2442.7 原生结构煤 保压取心 15.47 断块 BJ8 J2x 3360.1~3363.2 密闭取心 14.73 断块 东道海子 DN141 J2x 2582.5~2587.5 密闭取心 11.53 斜坡 J1b 3007.6~3015.0 密闭取心 8.27 斜坡 滴南 DM101 J2x 2679.0~2684.0 保压取心 13.30 背斜 DM001 J2x 1463.9~1466.8 保压取心 0.59 地层 齐古 QX1 J2x 2460.2~2583.6 保压取心 14.43 背斜 AX1 J2x 750.0~751.3 保压取心 0.41 向斜

表 1 煤岩含气量统计表 Table 1 Gas content statistics of coal rocks

从表 1可以看出，准噶尔盆地中—低阶煤整体含气量在16.0m³/t以下，低于鄂尔多斯盆地（17.5~30.0m³/t）^[26]。准噶尔盆地煤岩含气量的高低与埋深及圈闭类型相关，埋深大于2000m的煤岩含气量高，断块及背斜圈闭含气量较高，向斜及地层圈闭含气量低。表明煤岩气成藏受到埋深、目标类型等地质因素的影响。

准噶尔盆地主要发育石炭系、侏罗系两套以生气为主的烃源岩。石炭系烃源岩岩性为泥岩、碳质泥岩、凝灰岩及沉凝灰岩。烃源岩厚75~350m。有机质类型以Ⅲ型和Ⅱ₂型为主，总有机碳含量平均为3.39%，R_o为0.69%~1.57%，大部分样品处于高—过成熟阶段。证实的石炭系烃源岩区分布在滴水泉凹陷、五彩湾凹陷—石树沟凹陷、阜康凹陷—吉木萨尔凹陷（图 8）。周围已发现克拉美丽气田、五彩湾气田、F26井等众多出油气点。侏罗纪是准噶尔盆地最重要的成煤期，含煤沉积建造几乎遍布整个盆地，发育J₂x煤岩、J₂x泥岩、J₁s泥岩、J₁b煤岩、J₁b泥岩共两类5套烃源岩。侏罗系煤系烃源岩有机质类型以Ⅲ型和Ⅱ₂型为主，烃源岩厚度为50~300m（图 9）。盆地腹部地区侏罗系烃源岩演化程度较低，R_o为0.5%~0.8%，向南随着埋深增大而逐渐增高，盆地南缘断裂下盘R_o可达1.3%~2.0%。

图 8

图 8 准噶尔盆地已证实石炭系烃源岩分布图 Fig. 8 Distribution of confirmed Carboniferous source rocks in Jungger Basin

图 9

图 9 准噶尔盆地侏罗系煤系烃源岩分布图 Fig. 9 Distribution of the Jurassic coal measure source rocks in Jungger Basin

此外盆地二叠系风城组及下乌尔禾组烃源岩生气规模尚未证实，暂不作为煤岩气有效气源岩考虑。

已落实的滴水泉凹陷、五彩湾凹陷—石树沟凹陷、阜康凹陷—吉木萨尔凹陷石炭系烃源岩发育区及盆地南缘侏罗系烃源岩发育区为煤岩气勘探的有利区。

研究区西山窑组、八道湾组煤层整体表现为向北抬升特征，南缘冲断带在喜马拉雅期受北天山的强烈推覆作用，齐古断褶带被大幅推高。盆缘煤层埋深较浅，普遍浅于1500m，甚至出露地表，盆内埋深大，至南缘可达10000m（图 10）。盆地边缘挤压逆断层发育，腹部地区因基底上拱产生较多的正断裂，断裂走向及平面分布明显受海西期断裂影响，垂向上与海西期深层断裂形成“Y”形组合，对盆地深部油气向侏罗系垂向运移、成藏、调整和分布具有重要影响（图 11）。

图 10

图 10 准噶尔盆地西山窑组煤层顶界埋深图 Fig. 10 Burial depth of the top coal seam in Xishanyao Formation in Junggar Basin

图 11

图 11 准噶尔盆地过QG6井—LD1井地震地质解释剖面图（剖面位置见图 10） Fig. 11 Seismic geological interpretation profile across wells QG6-LD1 in Junggar Basin (section location is in Fig. 10)

根据西山窑组、八道湾组构造特征，盆地北部白家海凸起、滴南凸起、莫索湾凸起、莫北凸起、石西凸起、夏盐凸起、三个泉凸起断裂较发育且具有正向构造背景，是他源型煤岩气发育有利区；盆地南缘齐古断褶带是自源型煤岩气发育有利区。

准噶尔盆地煤岩与上下围岩可构成“煤泥组合型”“煤砂组合型”两种储盖组合类型。“煤泥组合型”顶板泥岩厚度为10~80m，底板泥岩厚度为6~10m，封闭条件较好，气测异常值较高，该组合类型多见于西山窑组。“煤砂组合型”上覆以砂质岩为主，底板以泥质岩、粉砂岩为主，封闭条件较差，煤层气测异常值较低，该组合类型多见于八道湾组，在盆地边缘西山窑组也有分布。

白家海凸起CT1H井煤岩气干燥系数为0.98，甲烷碳同位素值为-30.2‰，乙烷碳同位素值为-26.08‰，表明天然气来源于演化程度较高的烃源岩，与克拉美丽气田来自石炭系烃源岩的天然气一致^[27]。白家海凸起侏罗系煤岩R_o为0.49%~0.84%，处于低成熟阶段，应生成低成熟天然气且生烃量有限，可能在煤岩微孔隙中以吸附气形式存在，其贡献尚未被实验及生产井证实。因此盆地腹部地区主要为他源供烃、古生中储（古生代生、中生代储）的成藏特征，依托石炭系烃源岩。盆地南缘中下组合天然气均来自侏罗系烃源岩，天然气干燥系数为0.95~0.99，甲烷碳同位素值为-35.21‰~-31.53‰，乙烷碳同位素值为-25.34‰~-23.26‰，QX1井实验分析煤岩气干燥系数为0.97，甲烷碳同位素值为-32.27‰，因乙烷含量低未测得乙烷碳同位素值，天然气来源与盆地南缘中下组合一致，预示着南缘为侏罗系自生自储煤岩气领域。据此可建立古生中储及自生自储两种成藏模式（图 12）。

图 12

图 12 准噶尔盆地侏罗系煤层成藏模式图 Fig. 12 Gas accumulation pattern in the Jurassic coal seam in Junggar Basin

古生中储型成藏模式以古生界石炭系为烃源层，依靠各凸起带边缘海西期逆断裂与燕山期正断裂构成的“Y”形断裂体系接力输导，在凸起带中生界侏罗系煤岩中成藏。煤岩气测异常显示集中在凸起带及地层尖灭带斜坡区。白家海凸起断块型目标CT1H井已经突破，滴南凸起背斜型目标CM101井获得良好显示，待试。东道海子凹陷地层及岩性目标尚待证实。在现有地震资料煤层分辨率较低的条件下，背斜、断块圈闭落实程度高，实测圈闭含气量较高，成藏的概率更大。自生自储型成藏模式以侏罗系煤系地层为烃源岩，侏罗系煤层为储层，主要在盆地南缘侏罗系烃源岩成熟度较高的地区聚集成藏，构造高部位或具有圈闭背景易形成甜点区，齐古背斜QX1井含气性明显好于向斜区的AX1井。因此无论是古生中储型还是自生自储型煤岩气均在具有构造圈闭背景的地区更富集。

从CT1H、DM101、QX1等井的探索结果发现，煤岩含气性与烃源岩发育条件、构造位置、圈闭条件、储层物性、保存条件息息相关。按照古生中储、自生自储两种成藏模式，从烃源岩落实程度、构造发育程度、储集性能、储盖组合类型及气测异常响应幅度等方面，针对西山窑组开展盆地主要正向构造带煤岩气领域评价、针对八道湾组开展厚煤区煤岩气领域评价（表 2），优选埋藏小于4000m、天然气来源可靠、煤层已获突破或见含气发现的滴南凸起—白家海凸起、齐古断褶带中东段为西山窑组煤岩气勘探有利区，有利区面积为5271.5km²（图 13）；优选滴南凸起—白家海凸起、齐古断褶带南安及喀拉扎地区为八道湾组煤岩气勘探有利区，有利区面积为7383.9km²（图 14）。

表 2

表 2 准噶尔盆地西山窑组、八道湾组煤岩气有利区综合评价表 Table 2 Comprehensive evaluation of favorable areas of coal measure gas in Xishanyao and Badaowan formations in Junggar Basin 层位 成藏类型 构造带 烃源条件 构造条件 储层条件 储盖组合 煤层显示 发现情况 落实程度 烃源岩层 距源区距离/km 埋深/m 通源断裂 目标类型 煤层厚度/m 煤层层数 孔隙度*/% 顶板岩性 底板岩性 气测最大异常/% J2x 古生中储 白家海 C 近源0~10 2000~4000 白家海断裂带 背斜、断块 4~15 1~2 9.4~16.1/11.7 泥岩 泥岩 0.10~0.99 CT1H 较落实 滴南 C 近源0~15 1500~4000 滴水泉西断裂 背斜、断块、地层 5~20 1~2 6.2~28.2/16.7 泥岩 泥岩 0.03~0.91 DM101 自生自储 齐古 J 近源0~10 2000~4000 齐古北断裂 背斜、斜坡 10~70 2~7 6.0~10.6/7.8 泥岩 泥岩 0.03~0.99 QX1 古生中储 三个泉 P 远源30~55 2000~2500 基东断裂带 背斜 14~16 2~3 10.6~20.5/16.5① 泥岩 泥岩 0.01~0.64 待落实 夏盐 P 远源20~35 2500~4000 基东断裂带 断块 10~15 3~6 7.1~12.3/9.4① 粉—细砂岩 泥岩 0.01~0.57 石西 P 近源10~25 3000~3250 石西1井西断裂带 背斜 5~12 1~6 10.4~19.3/16.5① 泥岩 泥岩 0.01~0.74 莫北 P 近源10~25 3250~4000 莫北断裂带 断块 5~15 3~5 8.9~16.1/11.2① 泥岩 泥岩 0.01~0.51 J1b 古生中储 白家海 C 近源0~10 2500~4500 白家海断裂带 背斜、断块 10~15 1~4 3.4~4.8/4.5 细砂岩 细砂岩 0.01~0.05 C17煤砂合采获气 待落实 滴南 C 近源0~15 2000~4500 滴水泉西断裂 背斜、断块、地层 10~15 1~4 3.2~4.9/3.8 泥岩 泥岩 0.01~0.02 — 自生自储 南安 J 近源0~10 500~3000 南安集海断裂带 向斜 5~20 7~11 — 泥岩 泥岩 0.01~0.02 — 喀拉扎 J 近源0~10 1000~4000 喀拉扎断裂带 背斜 5~20 1~3 — 细砂岩 细砂岩 0.01~0.03 — 古生中储 玛湖 P 近源0~10 2000~4000 — 单斜 20~60 11~24 — 泥岩 泥岩 0.01~0.14 — 注：①为测井解释结果；*最小值~最大值/平均值。

表 2 准噶尔盆地西山窑组、八道湾组煤岩气有利区综合评价表 Table 2 Comprehensive evaluation of favorable areas of coal measure gas in Xishanyao and Badaowan formations in Junggar Basin

图 13

图 13 准噶尔盆地西山窑组2000~4000m埋深煤岩气有利区分布图 Fig. 13 Distribution of favorable exploration areas of coal measure gas in Xishanyao Formation in Junggar Basin with a burial depth of 2000-4000 m

图 14

图 14 准噶尔盆地八道湾组2000~4000m埋深煤岩气有利区分布图 Fig. 14 Distribution of favorable exploration areas of coal measure gas in Badaowan Formation in Junggar Basin with a burial depth of 2000-4000 m

根据《煤层气储量估算规范》（DZ/T 0216—2020）^[28]，利用体积法对煤岩气有利区资源量进行估算，按照区块及深度划分为26个计算单元。煤岩厚度利用等值线面积权衡取值，煤岩密度及吨煤含气量采用实测值。滴南—白家海地区西山窑组煤岩厚度为9.3~11.3m，齐古断褶带西山窑组煤岩厚度为6.0~89.4m；滴南—白家海地区八道湾组煤岩厚度为10.3~13.9m，齐古断褶带八道湾组煤岩厚度为6.8~20.0m。西山窑组煤岩密度按照JT2井、DM001井、DM101井、QX1井、CM004井实测平均值，取值1.25g/cm³，八道湾组煤岩密度按照JT2井、M006井、DN141井实测平均值，取值1.26g/cm³。滴南—白家海地区西山窑组含气量按照CM004井、DM101井实测平均值，取值14.4m³/t，齐古断褶带西山窑组按照QX1井实测取值14.4m³/t；两个地区八道湾组含气量均参考DN141井实测值，取值8.3m³/t。最终确定滴南—白家海、齐古两个有利区西山窑组及八道湾组2000~4000m埋深煤岩气资源量超过万亿立方米。

（1）准噶尔盆地西山窑组煤岩为半光亮型或暗淡型，来源于木本植物，镜质组含量平均为51.2%。八道湾组煤岩以光亮型为主，来源于草本植物，镜质组含量高于西山窑组，平均含量达74.2%。二者镜质组反射率均较低，处于长烟煤—气煤演化阶段，属于中低阶煤。

（2）西山窑组煤储层物性较好，平均孔隙度为12.13%、渗透率为3.17mD，储集空间以中—大孔为主。八道湾组煤储层物性较西山窑组差，平均孔隙度为3.96%、渗透率低于0.01mD，储集空间以微—小孔为主。西山窑组是煤岩气勘探的首选层系。

（3）准噶尔盆地西山窑组煤岩含气量为0.41~15.47m³/t。埋深大于2000m的煤岩含气量高，断块及背斜圈闭含气量较高，向斜及地层型圈闭含气量低，含气量受埋深及圈闭类型的影响。

（4）准噶尔盆地发育“古生中储”“自生自储”两种煤岩气成藏类型。“古生中储”型煤岩气主要发育于盆地腹部的石炭系烃源岩发育区，以滴南—白家海地区成藏条件最优；“自生自储”型煤岩气发育于盆地南缘齐古断褶带，以齐古地区成藏条件最优。滴南—白家海、齐古地区2000~4000m煤岩气资源量超过万亿立方米。下一步可围绕滴南—白家海、齐古地区落实煤岩气储量规模。