孫國(guó)忠

（北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040）

0 引言

煤層氣作為一種清潔能源，越來(lái)越受到人們的重視。鄂爾多斯盆地是中國(guó)一個(gè)重要的含煤盆地，同時(shí)含有豐富的煤層氣資源，是我國(guó)重要的煤層氣產(chǎn)業(yè)基地［1-2］。煤層氣成藏特征研究已經(jīng)成為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)熱門(mén)研究領(lǐng)域［3］。在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究。

影響煤層氣成藏的地質(zhì)因素有構(gòu)造地質(zhì)條件、沉積環(huán)境、含氣量、煤層埋藏深度、水文地質(zhì)條件和儲(chǔ)層物性等方面［4-7］。目前對(duì)煤層氣成藏控制因素的研究集中在構(gòu)造、沉積和水文控氣3 個(gè)方面［8-10］。構(gòu)造對(duì)煤層氣的賦存、成藏以及勘探開(kāi)發(fā)具有重要的控制作用［11］，開(kāi)放性正斷層造成煤層氣逸散，壓型逆斷層封閉性較好，有利煤層氣的保存［12］；沉積環(huán)境通過(guò)控制煤層的形成、儲(chǔ)蓋組合以及空間展布特征，從而影響煤巖生氣能力和儲(chǔ)集條件［13］；水動(dòng)力條件則影響煤層氣的分布、運(yùn)移和保存，徑流和排泄活躍的地下水不利于煤層氣的保存，而相對(duì)滯留的地下水具有良好的封堵作用［14-15］。

國(guó)內(nèi)煤層氣領(lǐng)域的學(xué)者和專(zhuān)家們，通過(guò)地質(zhì)勘探、測(cè)井、壓裂、排采、測(cè)試化驗(yàn)等多種手段對(duì)煤層氣藏特征等方面進(jìn)行了深入研究和探討，孟貴希、楊予生等指出，不同構(gòu)造單元的煤層氣富集模式不同［16-17］。李曙光等指出，開(kāi)發(fā)煤層氣層系的選擇需要考慮：儲(chǔ)層的特性、流體性質(zhì)、儲(chǔ)量規(guī)模、壓力系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)效益等各種因素，初步形成了較為完整的煤層氣開(kāi)發(fā)理論體系［18］。

國(guó)外視煤層氣為重要能源，并把煤層氣作為新的勘探目標(biāo)。目前美國(guó)煤層氣生產(chǎn)井有80 000 口以上，2022 年美國(guó)煤層氣產(chǎn)量達(dá)437 億m3。美國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的成功很快引起世界各國(guó)的重視與興趣。加拿大把煤層氣作為的主要能源資源，加緊開(kāi)展評(píng)價(jià)和研究。英國(guó)于1991 年引進(jìn)美國(guó)技術(shù)進(jìn)行煤層氣勘探開(kāi)發(fā)。俄羅斯等國(guó)通過(guò)煤層氣資源的評(píng)價(jià)，已肯定它是重要的第二動(dòng)力資源［19-20］。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)煤層氣成藏地質(zhì)特征研究，探索研究煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)途徑，多角度提高煤層氣勘探和開(kāi)發(fā)效率［21-22］，可為地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供有力的支持。也可為其它區(qū)域煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣河?xùn)|煤田南部，大地構(gòu)造位置地處華北地臺(tái)鄂爾多斯斷塊關(guān)王廟北東向褶帶中部。區(qū)內(nèi)構(gòu)造變形微弱，基本構(gòu)造形態(tài)為走向北東-北北東、傾向北西的單斜構(gòu)造，地層傾角最大8°，最小3°，一般5°。斷距大于30 m 的斷層2 條，孤立斷點(diǎn)6 處，在井田東部發(fā)育有北東向次級(jí)寬緩背、向斜構(gòu)造。未見(jiàn)巖漿巖侵入及陷落柱。

1.2 聚煤環(huán)境

研究區(qū)含煤地層為石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組，平均地層厚度110.50 m，共含煤10 層。煤層總厚度約9.43 m，含煤系數(shù)8.53%，可采煤層總厚度8.53 m，可采含煤系數(shù)7.72%。

太原組主要發(fā)育海相沉積［23］，聚煤沉積環(huán)境為濱海平原上的潮坪、潟湖-潮坪三角洲沉積體系，晚石炭世后期由于環(huán)境變遷頻繁，泥炭沼澤化時(shí)間較短，海水時(shí)而直接進(jìn)入泥炭沼澤，形成的煤層薄而不穩(wěn)定，潟湖相和淺海相灰?guī)r直接覆于煤層之上，構(gòu)成煤層直接頂板，如K3灰?guī)r下的8 號(hào)煤和K4灰?guī)r下的7 號(hào)煤層；晚石炭世中期形成的10 號(hào)煤層是在潟湖、潮坪長(zhǎng)期拓展夷平沼澤化后開(kāi)始形成，潮坪泥炭沼澤化后氣候適宜，植物繁茂，沉積補(bǔ)償作用平衡，本區(qū)的10 號(hào)煤層就是此時(shí)期形成，全區(qū)普遍發(fā)育。

山西組在鄂爾多斯盆地東緣為一套陸相三角洲、近海三角洲與陸表海過(guò)渡相沉積的泥質(zhì)含煤巖系［25］，沉積聚集時(shí)地殼相對(duì)穩(wěn)定，沼澤泥炭廣泛發(fā)育，成煤來(lái)源充分，形成于平緩的下三角洲平原環(huán)境，河流作用較小，堆積與補(bǔ)償均衡，此期形成較厚且穩(wěn)定的2 號(hào)煤層?？刹擅簩淤x存于山西組中下部，煤層底板為泥質(zhì)巖、粉砂質(zhì)泥巖。

2 可采煤層分布

2.1 可采煤層分布特征

2.1.1 山西組煤層發(fā)育特征

山西組厚度33.05～74.20 m，平均厚度53.29 m，與下伏地層整合接觸。巖性主要由黑色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及煤層組成，中上部以灰色、黑灰色厚層狀中細(xì)粒砂巖為主，間夾泥巖，粉砂巖和2～3層薄煤。砂巖多具波狀層理，以富含煤屑和大量云母碎片為特征。

2號(hào)煤位于山西組下部，上距K8砂巖（下石盒組底部砂巖）18.50～32.41 m，平均28.50 m，下距3 號(hào)煤層1.15～7.40 m，平均2.40 m，煤層頂板多為泥質(zhì)砂巖、泥巖、粉砂巖，少見(jiàn)細(xì)粒砂巖，偽頂為細(xì)—中粒砂巖，底板為泥質(zhì)砂巖、泥巖。2 號(hào)煤層全區(qū)可采，煤層自然厚度2.30～7.20 m，平均5.20 m，屬厚煤層，煤層變異系數(shù)（r）0.140 8，可采性指數(shù)（Km）=1.00，為穩(wěn)定煤層（圖1）。

圖1 2號(hào)煤層厚度等值線Figure 1 No.2 coal seam thickness contour

2.1.2 太原組煤層發(fā)育特征

太原組厚度27.35～74.80 m，平均厚度44.40 m，可采含煤系數(shù)5.8%。

10 號(hào)煤層位于太原組下部，屬于全區(qū)可采煤層，平均厚度2.59 m，煤厚變異系數(shù)（r）0.24，煤層可采性指數(shù)（Km）=92，為穩(wěn)定煤層。直接頂板為灰?guī)r，灰?guī)r（L2）厚度1.15～8.00 m，平均厚度3.83 m。10 號(hào)煤層上距3 號(hào)煤層29.32～64.68 m，平均41.87m。3號(hào)與10 號(hào)煤層間發(fā)育有K3砂巖，10 號(hào)煤層上距K3砂巖底21.66～54.72 m，平均35.77 m，下距K2砂巖頂界0.80～29.45 m，平均8.78 m，層位相對(duì)穩(wěn)定。

從煤層厚度等值線圖可以看出，煤層厚度由井田中部向四周增大，整體上南部厚度大于北部，在井田西北部厚度最小的見(jiàn)煤點(diǎn)厚度為0.8 m，井田東南部厚度最大的見(jiàn)煤點(diǎn)厚度為4.7 m。研究區(qū)先期開(kāi)采地段內(nèi)10號(hào)煤層厚度變化不大，最厚點(diǎn)位于該地段中北部，厚度3.45 m，最薄點(diǎn)為位于該地段西南部，厚度2.07 m（圖2）。

圖2 10號(hào)煤層厚度等值線Figure 2 No.10 coal seam thickness contour

2.2 可采煤層埋深分布情況

2 號(hào)煤層埋藏深度623.60～1 223.80 m，平均849.07 m，底板標(biāo)高-414.41～359.74 m（圖3）。

圖3 2號(hào)煤埋深等值線Figure 3 No.2 coal seam depth contour

10 號(hào)煤層埋藏深度664.80～1 272.79 m，平均894.72 m，底板標(biāo)高-462.02～311.01 m（圖4）。

圖4 10號(hào)煤層埋深等值線Figure 4 No.10 coal seam buried depth contour

中部和西北部埋藏較深，南部和東北部埋深稍淺，對(duì)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)而言，總體埋深適中。

3 煤儲(chǔ)層特征

3.1 煤巖煤質(zhì)特征

2號(hào)、10號(hào)煤均以半亮型煤為主。3號(hào)煤以半暗型煤為主，結(jié)構(gòu)均一，夾鏡質(zhì)條帶，塊狀構(gòu)造。10號(hào)煤層沿層面見(jiàn)星散狀黃鐵礦。

2號(hào)煤顯微煤巖組分以有機(jī)組分為主，有機(jī)組分含量為76.7%～93.76%，平均90.0%，有機(jī)組分含量中鏡質(zhì)組含量為73.3%～87.91%，平均81.8%，其中上分層含量高于下分層；惰質(zhì)組含量為12.09%～26.7%。平均19.65%；無(wú)機(jī)組分以黏土類(lèi)為主，占5.54%～14.20%，平均9.10%，其它組分含量普遍很低。

10 號(hào)煤層顯微煤巖組分以有機(jī)組分為主，有機(jī)組分含量為86.2%～93.3%，平均89.96%。有機(jī)組分含量中鏡質(zhì)組含量75.1%～80.6%，平均78.5%；惰質(zhì)組含量19.4%～24.9%。平均21.51%；無(wú)機(jī)組分以黏土類(lèi)為主，占6.0%～11.9%，平均7.9%，其它組含量普遍很低（表1）。

表1 顯微組分和礦物測(cè)定結(jié)果Table 1 Maceral and mineral determination results

煤層鏡煤最大反射率1.86%～2.28%，平均為1.98%～2.10%。2 號(hào)煤層、10 號(hào)煤層揮發(fā)分含量約為11%，黏結(jié)性指數(shù)除個(gè)別孔大于5以外，其余均為0。說(shuō)明本區(qū)2 號(hào)煤層、10 號(hào)煤層變質(zhì)程度較高，變質(zhì)階段為（Ⅵ）。

3.2 煤層滲透性及儲(chǔ)層壓力

在Y01、Y05 孔對(duì)2+3 號(hào)煤層及10 號(hào)煤層采用注入/壓降法進(jìn)行了煤層氣試井，取得各可采煤層的原始滲透率及儲(chǔ)層壓力參數(shù)（表2）。2+3 號(hào)煤層的滲透率為0.012 3～0.020 8 mD，平均不到0.1 mD，滲透率較低；10號(hào)煤層滲透率（0.037 mD）稍高。

表2 煤層注入/壓降數(shù)據(jù)表Table 2 Coal seams injection/pressure drop data table

研究區(qū)2+3 號(hào)煤層儲(chǔ)層壓力為3.68～4.68MPa，儲(chǔ)層壓力梯度為0.422～0.516 MPa/100m，10 號(hào)煤儲(chǔ)層壓力為4.567 MPa，儲(chǔ)層壓力梯度為0.5 MPa/100m，可采煤層屬欠壓狀態(tài)。

4 煤層含氣性及儲(chǔ)層特征

4.1 含氣性特征

2 號(hào)煤層含氣量7.5～22.0 m3/t，一般13.6 m3/t；3號(hào)煤層含氣量8.1～21.7 m3/t，一般12.0 m3/t；10 號(hào)煤層含氣量6.5～17.9m3/t，一般11.6 m3/t。

2 號(hào)煤層CH4含量為81.0%～96.9%，一般90.9%；3 號(hào)煤層CH4含量為84.7%～98.5%，平均91.9%，10 號(hào)煤層CH4含量81.3%～97.7%，一般89.9%。

從分布范圍看，沿下寬井背斜煤層氣含量較高，而沿下寬井向斜煤層氣含量相對(duì)較低；從煤層氣組分?jǐn)?shù)據(jù)可以看出，區(qū)內(nèi)CH4含量變化范圍較大。

4.2 煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)

4.2.1 孔隙性

根據(jù)研究區(qū)Y01 孔煤層氣試井資料，2 號(hào)煤層孔隙度為1.3%～4.6%，平均3.3%；3 號(hào)煤層為3.3%～3.9%，平均3.4%；10 號(hào)煤層為2.6%～4.3%，平均3.7%，均屬低孔隙度煤層。

4.2.2 變質(zhì)程度

2 號(hào)煤層最大鏡煤反射率（Romax）為1.95%～2.20%，平均2.01%；3 號(hào)煤層最大鏡煤反射率（Romax）為1.98%～2.30%，平均2.06%；10 號(hào)煤層最大鏡煤反射率（Romax）為2.00%～2.28%，平均2.15%，屬中煤級(jí)煤（VII）。

太原組10 號(hào)煤層變質(zhì)程度高于山西組2 號(hào)煤層及3號(hào)煤層。

4.2.3 等溫吸附特性

采取等溫吸附樣8個(gè)，其中2號(hào)煤層4個(gè)，3號(hào)煤層1 個(gè)，10 號(hào)煤層8 個(gè)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定了等溫吸附參數(shù)（表3）。

表3 煤層等溫吸附試驗(yàn)成果Table 3 Coal bed isothermal adsorption test results

影響煤的等溫吸附過(guò)程的因素有煤的灰分、氣體成分、溫度、水分。等溫吸附的煤樣是在水分平衡條件下獲得，是解吸樣品縮分樣。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，2 號(hào)煤層的空氣干燥基蘭氏體積（VL）為28.4～30.7 cm3/g，蘭氏壓力(p)為1.0～1.84 MPa；10 號(hào)煤層的空氣干燥基蘭氏體積為22.3～28.9 cm3/g，蘭氏壓力為0.8～1.1 MPa。

影響煤的等溫吸附過(guò)程的因素有煤的灰分、氣體成分、溫度、水分。等溫吸附的煤樣是在水分平衡條件下獲得，是解吸樣品縮分樣。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，2 號(hào)煤層的空氣干燥基蘭氏體積（VL）為28.4～30.7 cm3/g，蘭氏壓力(p)為1.0～1.84 MPa；10 號(hào)煤層的空氣干燥基蘭氏體積為22.3～28.9 cm3/g，蘭氏壓力為0.8～1.1 MPa。

2 號(hào)煤理論含氣量12.54～25.07 m3/t，含氣飽和度32.15%～39.15%，臨界解吸壓力0.40～0.63 MPa。3 號(hào)煤理論含氣量13.32 m3/t，含氣飽和度33.55%，臨界解吸壓力0.51 MPa。10 號(hào)煤理論含氣量18.01 m3/t，含氣飽和度13.05%，臨界解吸壓力0.17 MPa。

研究區(qū)煤儲(chǔ)層具較強(qiáng)的吸附能力，臨界解吸壓力較低，含氣飽和度也低，是該區(qū)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的重要的影響因素。

5 影響煤層氣賦存因素

5.1 烴源巖因素

烴源巖因素主要是煤巖組分和煤化程度，影響煤生烴能力，同時(shí)影響煤層對(duì)甲烷的吸附能力，對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)能力也有一定影響［23］。

2 號(hào)煤層鏡質(zhì)組含量73.30%～87.91%，平均81.8%；惰質(zhì)組含量12.09%～26.7%。平均19.65%。3 號(hào)煤層鏡質(zhì)組含量69.3%～85.24%，平均79.39%；惰質(zhì)組含量14.76%～30.1%，平均20.51%。10 號(hào)煤層鏡質(zhì)組含量75.10%～80.6%，平均78.5%；惰質(zhì)組含量19.4%～24.9%，平均21.51%。

對(duì)本區(qū)煤層氣來(lái)說(shuō)，比較有利的烴源條件是該區(qū)煤的鏡質(zhì)組的含量較高，顯微組分含量也是以鏡質(zhì)組最高，占比達(dá)69.3%～87.9%，是影響煤層含氣量的因素之一。

煤對(duì)氣體吸附勢(shì)能因氣體化學(xué)成分以及煤的孔隙結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、煤級(jí)等而異。一般來(lái)說(shuō)，煤級(jí)增高（鏡質(zhì)組反射率小于4.5%時(shí)）、微孔比表面積增大，煤的吸附勢(shì)能增強(qiáng)。分子偏心因子不同所造成的分子極性差異，形成煤對(duì)不同流體分子吸附能力的大小順序：水＞二氧化碳＞烴氣＞氮?dú)狻Ｑ芯繀^(qū)煤層鏡質(zhì)組最大反射率1.86%～2.28%，主要為高煤階煤，煤化程度較高，對(duì)煤層氣的生成和富集較為有利。

5.2 煤層氣封蓋條件

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造變形微弱，井田內(nèi)較大斷裂構(gòu)造2 條，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，煤層氣向外運(yùn)移的斷裂構(gòu)造較少，沒(méi)有巖漿巖侵入，未見(jiàn)陷落柱，構(gòu)造對(duì)煤層氣的影響較小，有利于煤層氣保存。

陸源形成的蓋層主要由砂質(zhì)泥巖和泥巖及粉砂巖組成，其封蓋性能主要受巖石結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)礦物含量及成巖作用的影響，封蓋性變化大。

化學(xué)成因的蓋層多由泥質(zhì)微晶灰?guī)r、白云巖及膏巖、鹽巖組成，此類(lèi)蓋層一般呈區(qū)帶性分布。由于后期成巖作用的影響，此類(lèi)蓋層雖巖性致密，但導(dǎo)致封蓋性變差。

混合成因的蓋層屬于化學(xué)成因碳酸鹽礦物與陸源泥質(zhì)巖組合，巖性由灰、云質(zhì)泥質(zhì)巖類(lèi)，以及陸源沉積的鋁土質(zhì)巖與化學(xué)成因的灰?guī)r經(jīng)風(fēng)化混合而成。此類(lèi)蓋層結(jié)構(gòu)致密，成分較復(fù)雜，封蓋能力較強(qiáng)，在后期的成巖作用主要以壓實(shí)為主，致使巖石更加致密。這類(lèi)蓋層多呈區(qū)域性分布，現(xiàn)今鄂爾多斯坳陷區(qū)下古生界氣藏的蓋層就屬于這種類(lèi)型。

研究區(qū)系陸源成因蓋層，是華北地區(qū)天然氣藏的主要區(qū)域性蓋層，多為泥巖，厚度較大，有效屏障煤層氣逸散，為較有利蓋層（圖5）。

圖5 2號(hào)煤層頂板巖性分布Figure 5 No.2 coal seam roof lithologic distribution

5.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)自下而上發(fā)育四套含水層系（表4）。含水層巖性以松散砂土、礫石、砂巖、灰?guī)r等為主，富水性較弱，大氣降水對(duì)淺部含水層影響較為明顯。太原組含水層的水質(zhì)類(lèi)型以HCO3·Cl-Na 和HCO3·SO4-Na 型為主，是承壓含水層。涌水量為0.000 1～0.018 9L/（s·m），滲透系數(shù)為0.000 61～0.190 31 m/d。

表4 含水層特征Table 4 Aquifer characteristics

本次研究以?shī)W陶系灰?guī)r抽水試驗(yàn)成果為例，結(jié)合南部王家?guī)X煤礦的奧陶系灰?guī)r水位資料，分析得出研究區(qū)奧灰水位標(biāo)高420～550 m（圖6）。巖溶地下水水力坡度相對(duì)較大，一般為18‰～30‰，地下水化學(xué)類(lèi)型為SO4-Ca·Na+，反映出巖溶發(fā)育較弱，滲流不暢，徑流條件差等特點(diǎn)。

圖6 奧陶系灰?guī)r含水層水位等值線Figure 6 Contour of water level of Ordovician limestone aquifer

含水層之間發(fā)育有隔水層（表5），含水層間水力聯(lián)系弱，滲透性極差，巖性以泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r為主。

表5 隔水層特征Table 5 Water barrier characteristics

含煤地層含水層富水性弱，煤層氣逸散方向自西向東，地下水總體上徑流方向自東向西，兩者方向不同，對(duì)煤層氣產(chǎn)生一定的水力封堵作用，使煤儲(chǔ)層壓力在深部地區(qū)增高，煤儲(chǔ)層儲(chǔ)集吸附能力增強(qiáng)。地下水在勘查區(qū)西南部形成滯留區(qū)，有利于保存煤層氣。

6 結(jié)論

煤層氣儲(chǔ)層壓力主要取決于煤層的埋藏深度，隨著埋藏深度增加，壓力不斷增大，吸附能力增強(qiáng)，符合煤層埋藏深度增加，含氣量同時(shí)也隨著增加的規(guī)律。

研究區(qū)屬低滲、低地解比、儲(chǔ)量豐度特低、低飽和的小型氣田，但煤層中煤層氣含量較高，因此，具有一定的煤層氣開(kāi)發(fā)利用前景。