田 兵, 段志強(qiáng), 趙俊梅, 鄭有偉

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院， 包頭 014010； 2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開發(fā)研究院， 西安 710018)

中國(guó)煤層氣分布廣泛，資源豐富，是當(dāng)前支撐國(guó)家能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分，煤層氣開發(fā)還兼具保障煤礦安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)的多重屬性[1-3]，近年來成為天然氣領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)階段煤層氣開發(fā)單井產(chǎn)量低，回報(bào)期長(zhǎng)，投資風(fēng)險(xiǎn)較大；且目的煤層埋深多集中于1 000 m以淺[4]，如何實(shí)現(xiàn)1 000 m以深的深部煤層氣的高效開發(fā)值得高度關(guān)注。

根據(jù)煤層氣的成藏地質(zhì)特征，將“含煤層氣系統(tǒng)”[5-6]內(nèi)的煤層、煤系砂巖互層段作為統(tǒng)一目的層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和共探合采，將極大地拓展資源評(píng)價(jià)空間和領(lǐng)域，提高潛在資源量與資源豐度，相比單一煤層氣開發(fā)有效提高開發(fā)產(chǎn)能[7-8]。目前，美國(guó)、澳大利亞和加拿大等國(guó)家已實(shí)現(xiàn)了煤層氣與致密砂巖氣合采的商業(yè)化開發(fā)[9-11]，其中，澳大利亞蘇拉特盆地是近年來世界上合采開發(fā)最為成功的盆地，單井平均產(chǎn)氣量2.83萬～5.66萬m3/d，最高可達(dá)56萬m3/d[10]，其煤層、煤系砂巖互層段的沉積旋回特點(diǎn)及其縱向多套“含煤層氣系統(tǒng)”構(gòu)成已引起高度關(guān)注。

鄂爾多斯盆地東緣神府地區(qū)是中國(guó)重要的含煤層氣帶，埋深大于1 000 m的深部煤層氣資源占比達(dá)60%以上，潛力巨大。同時(shí)煤田淺部煤炭開采的影響，也促使煤層氣向深部勘探。該地區(qū)深部地層具有多煤層發(fā)育、煤系砂巖層數(shù)多、厚度大的特點(diǎn)，“含煤層氣系統(tǒng)”共探合采基礎(chǔ)較好。然而，強(qiáng)烈的煤系沉積分異作用形成旋回性強(qiáng)、儲(chǔ)蓋性能差異顯著、復(fù)雜的“含煤層氣系統(tǒng)”時(shí)空配置，導(dǎo)致煤層氣資源探明率和利用率總體偏低?；诖耍ㄟ^對(duì)該地區(qū)上古生界煤層氣、煤系砂巖氣成藏地質(zhì)條件的系統(tǒng)分析，劃分垂向疊置含煤層氣系統(tǒng)并建立成藏模式，以期為提高區(qū)域煤層氣勘探開發(fā)效率提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

神府地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣，構(gòu)造單元上屬晉西撓摺帶與陜北斜坡帶交匯的北部單斜帶。區(qū)塊東側(cè)發(fā)育的兩條控凹斷層將區(qū)塊劃分為東部隆起帶，中部緩坡帶和西部深陷帶。生產(chǎn)實(shí)踐及前期研究表明，研究區(qū)石炭-二疊系發(fā)育多套含煤巖系，也是本區(qū)的主力含氣巖系，其中太原組4+5#和本溪組8+9#煤是區(qū)內(nèi)的主力煤層，整體埋深較大，受控于西傾單斜的構(gòu)造格局，埋深呈階梯式分布特征(圖1)。區(qū)塊東北部埋深較小，主要在1 000～1 400 m，向西逐漸增加，西南角深度最大，達(dá)到2 000 m以深。

圖1 神府地區(qū)8+9#煤層埋深等值線圖

2 成藏地質(zhì)條件

2.1 廣覆式優(yōu)質(zhì)煤系烴源巖

神府地區(qū)上古生界煤系烴源巖主要分布在石炭系本溪組、二疊系太原組和山西組，包括煤巖和暗色泥巖。研究區(qū)內(nèi)煤系烴源巖鉆井統(tǒng)計(jì)、宏觀描述、顯微組分和鏡質(zhì)組反射率數(shù)據(jù)顯示，煤巖累計(jì)厚度18～32 m，呈薄厚相間分布特點(diǎn)，煤巖有機(jī)碳含量47.1%～76.7%，平均值為65.06%；暗色泥巖累計(jì)厚度20～145 m，具有南厚北薄的趨勢(shì)；煤系烴源巖原始沉積物主要是高等植物，煤鏡質(zhì)組含量在36.8 0%～75.1 3%，在有機(jī)顯微組分中占主導(dǎo)地位，惰質(zhì)組含量次之，殼質(zhì)組含量最低；有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅲ型，以生氣為主；烴源巖成熟度Ro主要分布在0.94%～1.21%，平均值為1.1%，本溪組-山西組烴源巖均達(dá)到了成熟生氣階段；盆模計(jì)算結(jié)果顯示神府地區(qū)烴源巖總生烴強(qiáng)度主要為3×108～18×108m3/km2。總的來看，該地區(qū)烴源巖厚度大，分布廣，有機(jī)質(zhì)含量高，成熟度和生烴強(qiáng)度中等較高，為區(qū)塊內(nèi)煤層氣藏和煤系砂巖氣藏提供了良好的氣源供給條件。

2.1.1 主力煤巖厚度、埋深及含氣量

作為典型的“源儲(chǔ)一體”非常規(guī)天然氣，煤層厚度、含氣性是煤層氣勘探和開發(fā)的重要控制因素[12-13]。統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)已鉆井煤層數(shù)據(jù)，4+5#煤厚度在0.6～8.8 m，平均厚3.3 m，受控于沉積環(huán)境，區(qū)內(nèi)的西北和西南部煤層較薄，東北部及西部深陷帶中南部G-1-S-3-S-7-S-8井區(qū)厚煤層發(fā)育(圖2)；8+9#煤厚度在6.8～21.6 m，平均厚14.5 m，8+9#煤層層數(shù)多，夾矸主要分布在西南角三維區(qū)和東北部，凈煤厚度平面東西向呈“厚-薄-厚-薄”相間分布的特征，區(qū)內(nèi)的東北緣及三維區(qū)東南部發(fā)育薄煤區(qū)，西部深陷帶區(qū)域8+9#煤厚度較大，其中中南部S-11-T-1-G-1-S3井區(qū)及西南角三維區(qū)中部S-15-S-16井區(qū)最為發(fā)育(圖3)。

圖2 研究區(qū)4+5#煤層厚度等值線圖

圖3 研究區(qū)8+9#煤層厚度等值線圖

主力煤層4+5#煤含氣量在1～5 m3/t，鉆井揭示埋深范圍為1 018.50～2 102.68 m，平面上大體呈條帶狀分布，從東北向西南方向呈現(xiàn)“低-高-低-高”相間分布特征，其中區(qū)內(nèi)北部和西部深陷帶中南部S-3-S-7-S-8井區(qū)煤層含氣量相對(duì)較高。8+9#煤含氣量1.5～6.5 m3/t，埋深范圍為1 063.30～2 156.72 m，分布特征4+5#煤相類似，但在同一位置上的含氣量略高于4+5#煤，西部深陷帶中南部S-3-S-15-S-7-S-8井區(qū)煤層含氣量相對(duì)較高。

2.1.2 煤巖煤質(zhì)及孔滲特征

采集S-3、S-4、S-7、S-15等6口井9塊煤巖樣品，針對(duì)開展了煤巖學(xué)，吸附特征及孔隙特征分析。煤巖取心觀察表明，神府區(qū)塊4+5#和8+9#煤均以亮煤和暗煤為主，偶見鏡煤和絲炭線理或透鏡體，類型為半亮-半暗型煤，具有混合煤巖類型的特點(diǎn)。4+5#和8+9#煤主要以原生結(jié)構(gòu)和碎裂煤為主，有利于煤層氣的勘探和開發(fā)。

此外，考慮到雖然加入省份特征變量可以控制不同省份特征對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響，但是也有可能對(duì)回歸結(jié)果造成干擾，因此進(jìn)一步剔除了省份控制變量對(duì)模型進(jìn)行了回歸，發(fā)現(xiàn)研究結(jié)論并未發(fā)生改變。[注] 限于篇幅，論文中沒有報(bào)告剔除了省份控制變量后的回歸結(jié)果，但是有興趣的讀者可以向筆者索取。

煤的吸附特征是決定煤層含氣量大小和煤層氣開發(fā)潛力的重要影響因素。等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)4+5#煤蘭氏體積在6.86～9.71 m3/t，8+9#煤蘭氏體積在8.65～10.88 m3/t，8+9#煤蘭氏體積高于4+5#煤，吸附能力更強(qiáng)。

采用低溫液氮和核磁共振(NMR)測(cè)試來刻畫煤巖孔隙特征。低溫液氮實(shí)驗(yàn)分析煤巖的比表面積、總孔體積、平均孔直徑，結(jié)果顯示，4+5#煤平均孔直徑在16.16～18.16 nm，比表面積在1.949～4.194 m2/g，總孔體積在0.006 7～0.015 1 m2/g；8+9#煤層平均孔直徑在18.61～22.42 nm，BET比表面積在2.39～3.40 m2/g，總孔體積在0.009 6～0.012 9 m2/g。神府區(qū)塊煤巖孔隙基本以納米級(jí)孔隙為主，造成基質(zhì)儲(chǔ)層的滲流能力較差。

核磁共振測(cè)試分析煤巖的可動(dòng)流體飽和度、束縛水飽和度、孔隙度。煤巖樣品呈現(xiàn)典型的雙峰特征。4+5#煤層核磁孔隙度在0.66%～4.35%，束縛水飽和度在12.99%～66.57%，可動(dòng)流體飽和度在34.43%～87.01%；8+9#煤層核磁孔隙度在1.22%～4.25%，束縛水飽和度在20.70%～70.39%，可動(dòng)流體飽和度29.61%～79.30%。區(qū)內(nèi)煤巖儲(chǔ)層大孔喉較少，主要發(fā)育納米級(jí)微細(xì)孔喉，飽和巖樣僅有少量流體可以被動(dòng)用，造成煤巖的束縛水飽和度較高。

2.2 煤系砂巖氣儲(chǔ)層地質(zhì)特征

晚古生代本溪組至石千峰組沉積期，神府區(qū)塊縱向上砂巖發(fā)育，成因類型多樣，其中，本溪組本1段、太原組太2段和山西組山2段為主力砂巖儲(chǔ)層。

2.2.1 砂巖儲(chǔ)層區(qū)域分布特征

受海侵及潮汐作用影響，本1段發(fā)育較大范圍的潮坪沉積，南部為砂坪發(fā)育區(qū)，中北部為混合坪發(fā)育區(qū)，主要發(fā)育潮道、砂坪、混合坪砂體，砂體間連通性較差(圖4)。神府區(qū)塊內(nèi)以南部(特別是西南部)發(fā)育的潮道和砂坪砂體為主，砂體厚度較大，可達(dá)10 m以上。

圖4 研究區(qū)本1段砂巖厚度分布圖

太2段區(qū)域上發(fā)育橋頭砂巖和馬蘭砂巖兩套海侵三角洲砂巖。兩套砂巖均為北部物源供給的三角洲沉積體系，自北向南推進(jìn)，呈條帶狀展布。橋頭砂巖以三角洲平原亞相為主，三角洲平原亞相區(qū)主要展布在S-17-S-18-S-19-G-1一線以北，其南側(cè)為三角洲前緣亞相分布區(qū)，分流河道、水下分流河道砂體發(fā)育(圖5)，砂體連通性較好，并且呈現(xiàn)出自北向南、自西向東砂體厚度逐漸變小的趨勢(shì)。分流河道砂體垂向疊置，復(fù)合砂體厚度多在10 m以上，以S-11、S-1井附近砂體厚度較大，可達(dá)20 m。與橋頭砂巖期相比，馬蘭砂巖沉積時(shí)期岸線向物源區(qū)退縮，區(qū)塊內(nèi)為三角洲前緣沉積，分流間灣大面積展布，分流河道砂體展布面積明顯縮小，僅在研究區(qū)南部S-4-S-3-S-7井附近發(fā)育水下分流河道砂體，砂體厚度多在10～20 m(圖6)。

圖5 研究區(qū)太原組橋頭砂巖厚度分布圖

圖6 研究區(qū)太原組馬蘭砂巖厚度分布圖

山2段儲(chǔ)層以三角洲平原分流河道砂體為主。三角洲平原自北向南推進(jìn)，分流河道砂體呈北東-南西向條帶狀展布(圖7)。分流河道砂體垂向切割疊置現(xiàn)象普遍，且缺乏泥質(zhì)隔層，砂體間連通性較好，具有較好的儲(chǔ)集性能。區(qū)塊中東部和西南部分流河道砂體較為發(fā)育，厚度多在20 m以上。

圖7 研究區(qū)山2段砂巖厚度分布圖

2.2.2 砂巖巖石學(xué)及物性特征

薄片觀察結(jié)果顯示，神府區(qū)塊上古生界砂巖以長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主，其中，山西組以長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主，太原組主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖，本溪組發(fā)育石英砂巖。砂巖分選和磨圓中等，顆粒呈次圓狀和棱角狀，多為顆粒支撐，顆粒間呈線-凹凸接觸，多見石英次生加大，巖石結(jié)構(gòu)致密。

鑄體薄片觀察結(jié)果表明，研究區(qū)上古生界砂巖儲(chǔ)層的孔隙類型以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔及殘余粒間孔為主，另外存在較豐富的晶間微孔(圖8)。

圖8 研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層孔隙特征顯微鏡下照片

統(tǒng)計(jì)S-2、S-3等9口井的巖心和壁心孔滲數(shù)據(jù)可知，本1段儲(chǔ)層孔隙度分布區(qū)間為4.2%～10.5%，平均值為8.1%；滲透率分布區(qū)間為0.01～2.26 mD，平均值為0.51 mD；太2段儲(chǔ)層孔隙度分布區(qū)間為4.0%～14.5%，平均值為8.0%；滲透率分布區(qū)間為0.01～4.02 mD，平均值為0.40 mD；山2段儲(chǔ)層孔隙度分布區(qū)間為4.0%～13.6%，平均值為7.5%。滲透率分布區(qū)間為0.01～12.50 mD，平均值為0.63 mD，區(qū)塊內(nèi)主體砂巖均屬于低孔低滲儲(chǔ)層。平面上，本1段大于4%的孔隙度在區(qū)塊東北側(cè)和西部深陷帶中南部呈片狀分布，S-3井孔隙度最高，可達(dá)13%。太2段大于4%的孔隙度在西部深陷帶中南部呈北東向帶狀展布，S-3井孔隙度最高，可達(dá)10.2%。山2段平面孔隙度變化較大，除個(gè)別井外，西部深陷帶西南部孔隙度在5%以上，S-13井孔隙度最高，可達(dá)10.5%。

各微相內(nèi)砂巖孔滲數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)揭示，沉積微相控制了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布，障壁砂壩、砂坪、分流河道、潮汐水道、混合坪砂體等水動(dòng)力較強(qiáng)的沉積微相內(nèi)砂巖儲(chǔ)層物性較好(圖9)，其平均孔隙度一般在6%以上，平均滲透率在0.3 mD以上，是最有利儲(chǔ)層發(fā)育的微相。

圖9 不同沉積微相砂巖儲(chǔ)層物性對(duì)比圖

2.3 封蓋層地質(zhì)特征

良好的頂?shù)装宸馍w層，尤其是頂板，可以減少構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中煤層氣的向外滲流運(yùn)移和擴(kuò)散散失，保持較高的地層壓力，維持最大的吸附量，減弱地層水對(duì)煤層氣造成的損失。神府區(qū)塊4+5#煤頂板厚度為0.28～6.98 m，平均2.34 m，底板厚度為0.99～9.24 m，平均為4.21 m。平面上分布比較穩(wěn)定，以泥巖為主，零星的分布少量砂巖。8+9#煤頂板厚度為0.6～13.5 m，平均為3.86 m，底板厚度為0.5～9 m，平均為3.53 m。平面上分布比較穩(wěn)定，以泥巖為主，零星的分布少量砂巖。

發(fā)育在最大海泛面附近的區(qū)域性低滲透巖層，是含煤層氣系統(tǒng)的主要分割層和蓋層[14-15]。具體到神府地區(qū)，太2段上部的灰黑色水下分流間灣泥巖層可作為8+9#煤和本1段砂巖的區(qū)域蓋層，泥巖厚度為1.32～15.38 m，平均7.63 m，山2段頂至山1段發(fā)育的灰白色泛濫平原、分流間灣泥巖可作為4+5#煤和太1段、山2段的區(qū)域蓋層，泥巖厚度為3.57～24.47 m，平均15.26 m，這兩套蓋層也是含煤層氣系統(tǒng)的主要分割層。上石盒子組發(fā)育的廣覆式厚層連續(xù)性褐色、紅褐色泛濫平原泥巖則作為整個(gè)上古生界煤層含氣層的區(qū)域性優(yōu)質(zhì)蓋層。

3 含煤層氣系統(tǒng)劃分及成藏模式

依據(jù)含煤層氣系統(tǒng)的生儲(chǔ)蓋地質(zhì)特征，結(jié)合區(qū)內(nèi)砂巖氣井試采結(jié)果，將神府區(qū)塊內(nèi)垂向疊置發(fā)育的海陸過渡相三角洲-潮坪-瀉湖相多套煤層及砂巖層在上古生界劃分出2套垂向疊置，相對(duì)獨(dú)立的含煤層氣系統(tǒng)，一是8+9#煤-本1段、太2段砂巖的下含煤層氣系統(tǒng)，二是4+5#煤-太1段、山2段砂巖的上含煤層氣系統(tǒng)(圖10)。

圖10 研究區(qū)含煤層氣系統(tǒng)成藏模式圖

神府地區(qū)含煤地層傾角較小，整體為單斜式構(gòu)造格局。晚三疊末期，神府煤層達(dá)到最大埋深，區(qū)域埋深達(dá)1 500～2 300 m[16]；晚侏羅世—早白堊世，區(qū)域煤層有機(jī)質(zhì)進(jìn)入主生氣階段[17-19]，初期生成天然氣量較少，首先賦存在煤儲(chǔ)層中，以吸附狀態(tài)為主；隨著煤系烴源巖的持續(xù)大量生氣，煤層孔隙與裂縫中逐漸賦存并充滿游離態(tài)天然氣，煤層氣藏形成；之后生成的天然氣飽和充填煤儲(chǔ)層孔隙空間，致使地層壓力升高，壓力差導(dǎo)致后生成的天然氣向毗鄰的已致密化砂巖儲(chǔ)層運(yùn)移并聚集，煤系致密砂巖氣藏形成。成藏模式導(dǎo)致縱向上靠近主力煤層的致密砂巖儲(chǔ)層含氣飽和度更高(圖10)。

從研究區(qū)含煤層氣系統(tǒng)成藏模式可知，煤層生烴后原地形成煤層氣藏，短距離運(yùn)移形成砂巖氣藏，主要以源內(nèi)成藏為主。以下含煤層氣系統(tǒng)為例，8+9#煤層厚度在6.8～21.6 m，平均厚14.5 m，而8+9#煤上下鄰近致密砂巖氣層厚度在0.6～8.73 m，平均為2.62 m，兩氣的距離介于0.6～30.3 m，平均僅為9.81 m，其中絕大多數(shù)都小于20 m。含煤層氣系統(tǒng)內(nèi)兩氣儲(chǔ)層緊鄰或間距較小，易于在同一井筒內(nèi)將多層儲(chǔ)層同時(shí)打開實(shí)施儲(chǔ)層壓裂改造和排采措施[20-21]。此外，煤層孔滲條件相對(duì)較差，相鄰壓裂后的砂巖儲(chǔ)層可為煤層氣的解吸與運(yùn)移提供有利通道。以含煤層氣系統(tǒng)為單元開展煤層氣與煤系砂巖氣合采，是深部煤層氣經(jīng)濟(jì)開發(fā)的有效途徑。

4 結(jié)論

(1)神府區(qū)塊煤層氣是中煤階深埋藏煤層氣藏，4+5#和8+9#煤既是區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)的烴源巖系，也是煤層氣的主要儲(chǔ)集層。西部深陷帶中南部S-3-S-15-S-7-S-8井區(qū)煤儲(chǔ)層埋深較大，厚度大，夾矸少，含氣量較高，納米級(jí)孔隙發(fā)育，保存條件較好，深層煤層氣勘探開發(fā)潛力大。

(2)神府地區(qū)上古生界組本1段、太2段和山2段砂巖為主力煤系砂巖氣儲(chǔ)層。主力砂巖層厚度大，整體連通性好，以長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主，為典型的低孔低滲致密砂巖儲(chǔ)層。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要發(fā)育在較強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境、粒度粗、溶蝕孔隙發(fā)育的西部深陷帶中南部S-3-S-15-S-13-S-8井區(qū)，與煤層氣有利儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)基本一致。

(3)神府地區(qū)上古生界煤系地層垂向疊置發(fā)育2套含煤層氣系統(tǒng)：8+9#煤-本1段、太2段砂巖下含煤層氣系統(tǒng)和4+5#煤-太1段、山2段砂巖上含煤層氣系統(tǒng)。含煤層氣系統(tǒng)內(nèi)兩氣儲(chǔ)層緊鄰或間距較小，以含煤層氣系統(tǒng)為單元開展煤層氣與煤系砂巖氣合采，是深部煤層氣經(jīng)濟(jì)開發(fā)的有效途徑。