李國永，姚艷斌，王 輝，孟令箭，李珮杰，張永超，王建偉，馬立民

(1.中國石油冀東油田分公司，河北 唐山 063000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；3.煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心煤儲層物性實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.深時數(shù)字地球前沿科學(xué)中心，北京 100083；5.華北理工大學(xué) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

中國1 500～3 000 m 埋深的煤層氣地質(zhì)資源量約30.37 萬億m3，是1 500 m 以淺煤層氣資源量的2 倍，這是中國煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模性發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源[1]。就煤層氣資源而言，從淺部(層)到深部(層)，煤儲層的地應(yīng)力、地層流體壓力和地層溫度逐漸升高，煤層氣的賦存狀態(tài)從吸附氣占絕對優(yōu)勢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲綒馀c游離氣并重。秦勇等[1]從地應(yīng)力狀態(tài)“轉(zhuǎn)換深度”與吸附氣含量“臨界深度”兩個關(guān)鍵指標(biāo)出發(fā)，重新厘定了深部煤層氣的科學(xué)內(nèi)涵與定義。按照該定義，我國目前實(shí)現(xiàn)突破的中深部煤層氣區(qū)塊，如沁水盆地南部柿莊北區(qū)塊、鄭莊北區(qū)塊和長治北區(qū)塊，以及鄂爾多斯盆地東緣的臨興區(qū)塊和延川南區(qū)塊等，其開發(fā)深度仍處于所謂的“臨界深度”(600～1 800 m)附近[2]，與嚴(yán)格意義上的深部煤層氣還有所區(qū)別。2019 年以來，鄂爾多斯盆地東緣大寧–吉縣區(qū)塊逐步進(jìn)入深部煤層氣“規(guī)?？碧?先導(dǎo)試驗(yàn)”階段，直井日產(chǎn)氣量突破2 萬m3，水平井日產(chǎn)氣量突破10 萬m3，實(shí)現(xiàn)了真正意義上深部煤層氣勘探開發(fā)的突破，同時也發(fā)現(xiàn)了一些顛覆傳統(tǒng)淺部煤層氣的固有認(rèn)識[3]。截至目前，國內(nèi)對大于2 000 m 以深煤層氣的勘探和開發(fā)理論研究仍處于起步階段，而深部煤層氣的快速發(fā)展和即將到來的廣泛建產(chǎn)，對國內(nèi)專家學(xué)者提出了新的挑戰(zhàn)。深部煤層氣富集機(jī)理及高效開發(fā)技術(shù)優(yōu)選是目前業(yè)界亟需解決的重要科學(xué)與技術(shù)問題。

神木–佳縣區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東北部，該區(qū)塊東部為神府–保德–臨興區(qū)塊，南部依次是三交北區(qū)塊、三交區(qū)塊、石樓北區(qū)塊、石樓南區(qū)塊和大寧–吉縣區(qū)塊。整個鄂爾多斯盆地東部埋深超2 000 m 的本溪組8 號煤層的資源潛力巨大，是有望實(shí)現(xiàn)我國深部煤層氣規(guī)?；袭a(chǎn)的重要基地。目前，神木–佳縣區(qū)塊仍處于深部煤層氣勘探初期階段，尚未提交煤層氣探明地質(zhì)儲量，深部煤層氣地質(zhì)條件及富集規(guī)律等關(guān)鍵問題尚不清楚。筆者首次開展鄂爾多斯盆地神木-佳縣區(qū)塊深部煤層氣的研究工作，系統(tǒng)分析煤儲層基礎(chǔ)地質(zhì)特征，總結(jié)煤層氣富集規(guī)律與開發(fā)潛力，以保障該區(qū)后續(xù)深部煤層氣的增儲上產(chǎn)，同時也為豐富深部煤層氣富集理論提供一定的基礎(chǔ)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 構(gòu)造背景

鄂爾多斯盆地石油和天然氣資源均非常豐富，各類油氣資源呈現(xiàn)疊置成藏的特點(diǎn)[4]，是我國油氣增儲上產(chǎn)的重要盆地。該盆地位于華北地塊西部，是一個長期接受不均勻沉降活動的多旋回克拉通盆地。盆地自形成伊始經(jīng)歷了太古-早元古代結(jié)晶基底形成階段、中–晚元古代大陸裂解和碰撞造山階段、早古生代隆坳相間構(gòu)造格局形成階段、晚古生代拉張沉降階段和中–新生代板塊匯聚和碰撞造山階段[5-7]。其中，中–新生代板塊匯聚和碰撞造山階段的燕山運(yùn)動和喜馬拉雅運(yùn)動決定了鄂爾多斯盆地南北翹起、東翼緩而長和西翼短而陡的現(xiàn)今構(gòu)造格局，據(jù)此可將該盆地劃分為伊盟隆起、晉西撓褶帶、渭北隆起、西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷和伊陜斜坡六大二級構(gòu)造單元(圖1)。本文研究區(qū)位于伊陜斜坡二級構(gòu)造單元的東北部(圖1)，由于橫跨陜西省神木縣和佳縣，簡稱神木-佳縣區(qū)塊。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及研究區(qū)位置Fig.1 Map showing the structural units in the Ordos Basin and the location of the study area

1.2 沉積地層

神木–佳縣區(qū)塊地層自下而上發(fā)育奧陶系、上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組和中二疊統(tǒng)石盒子組等(圖2)，其中石炭–二疊系煤層與泥巖為最主要的生烴層系。在石炭-二疊紀(jì)時期，鄂爾多斯盆地呈北高南低的構(gòu)造格局。此時盆地北部為濱岸沼澤和湖沼相沉積，富動植物遺體有機(jī)物沉積，煤系發(fā)育。從隸屬層段來看，含煤地層主要位于本溪組、太原組和山西組的山2 段，其中山西組山2 段發(fā)育1-5 號煤層，太原組發(fā)育6-7 號煤層，本溪組發(fā)育8-9 號煤層。其中，8 號煤層是目前深部煤層氣開發(fā)的主要目標(biāo)。

圖2 神木–佳縣區(qū)塊沉積地層特征Fig.2 Deposits in the Shenmu-Jiaxian block

2 煤儲層基礎(chǔ)地質(zhì)特征

2.1 煤層厚度與埋深

神木–佳縣區(qū)塊8 號煤層厚度為6～18 m，平均9.5 m(圖3a)，煤層厚度大且分布穩(wěn)定，不僅保障了煤層氣資源可靠性，也為實(shí)施煤層氣水平鉆井及儲層體積壓裂提供了良好條件。從區(qū)域分布來看，神木地區(qū)煤厚為8～12 m，平均9 m，自NE 至SW 方向逐漸減薄，煤層中間發(fā)育薄層夾矸(圖3c)；佳縣地區(qū)煤厚主要介于9～14 m，平均10 m，自NE-SW 方向逐漸減薄，煤層垂向連續(xù)性較好(圖3c)。研究區(qū)8 號煤層一般含0.5～1.2 m的夾矸層，煤層凈厚度略低于總厚度，如佳縣南區(qū)煤層凈厚度介于4～11 m，平均7.1 m(表1)。

表1 佳縣區(qū)塊與臨興和大寧-吉縣區(qū)塊8 號煤層地質(zhì)特征對比Table 1 Comparison of geological characteristics of the No.8 coal seam in the Shenmu-Jiaxian block,Linxing,and the Daning-Jixian block

圖3 研究區(qū)8 號煤層的厚度、埋深及煤層連井地質(zhì)剖面Fig.3 The thickness,burial depth,and cross-well stratigraphic correlation of the No.8 coal seam in the study area

神木–佳縣區(qū)塊8 號煤層的埋深為1 600～2 800 m，平均2 250 m(圖3b)。其中，佳縣地區(qū)較神木地區(qū)埋深稍大，埋深主要介于2 000～2 400 m，平均2 200 m；神木–佳縣地區(qū)自NE 的構(gòu)造高部位向盆地中央凹陷方向埋深逐漸增大(圖3b)。

2.2 煤巖煤質(zhì)特征

2.2.1 煤熱演化程度

隨著煤的熱演化程度(用最大鏡質(zhì)體反射率Rmax表示)增大，煤層氣的生成可分為3 個階段：生物氣生成階段(Rmax≤0.5%)、熱降解氣生成階段(0.5%

圖4 神木–佳縣區(qū)塊8 號煤層鏡質(zhì)體反射率分布Fig.4 Vitrinite reflectance of the No.8 coal seam in the Shenmu-Jiaxian block

2.2.2 煤質(zhì)特征

佳縣地區(qū)8 號煤層水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～1.1%，平均0.72%；灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.8%～38.8%，平均17.2%；揮發(fā)分產(chǎn)率為11.0%～25.0%，平均17.3%。整體上，自佳縣北部至南部地區(qū)，8 號煤的水分含量呈增加趨勢，而灰分含量和揮發(fā)分產(chǎn)率有降低的趨勢。此分布現(xiàn)象總體與煤的熱演化程度有關(guān)(圖4)。根據(jù)煤的熱演化程度，可推測神木地區(qū)8 號煤應(yīng)具有特低水分、中–高灰分和中–高揮發(fā)分產(chǎn)率的特點(diǎn)。

2.2.3 煤巖學(xué)特征

煤心觀察結(jié)果表明，研究區(qū)8 號煤層的宏觀煤巖類型主要為光亮–半亮煤，少量半暗煤和暗淡煤。其中，佳縣南部較佳縣北部煤的光亮程度顯著要好，宏觀煤巖類型的分布規(guī)律與沉積環(huán)境和煤巖顯微組分特征具有顯著的相關(guān)關(guān)系。

研究區(qū)8 號煤層以原生結(jié)構(gòu)煤為主，其次為碎裂煤，很少存在碎粒煤(圖5)。一般認(rèn)為，原生煤和碎裂煤的結(jié)構(gòu)較完整、力學(xué)強(qiáng)度好，有利于壓裂和排采；而碎粒煤等構(gòu)造煤力學(xué)強(qiáng)度較低，不利于水平井鉆井及大規(guī)模體積壓裂。位于研究區(qū)南部的大寧–吉縣區(qū)塊的深8 號煤以原生結(jié)構(gòu)煤為主，基本不含其他煤體結(jié)構(gòu)類型[8]；與鄂爾多斯盆地東緣其他深部煤層氣區(qū)塊相比，本研究區(qū)的煤體結(jié)構(gòu)的分布非均質(zhì)性更強(qiáng)，如佳縣北部的J48井其頂部為碎裂結(jié)構(gòu)煤(圖5b)，中偏底部為碎粒煤(圖5c)，底部又過渡為原生結(jié)構(gòu)煤(圖5d)。研究區(qū)的煤體結(jié)構(gòu)總體仍處于中等變形強(qiáng)度，有利于煤儲層裂隙發(fā)育，提高煤的滲透率。

圖5 佳縣地區(qū)深8 號煤煤體結(jié)構(gòu)特征Fig.5 Structural characteristics of coals in the No.8 coal seam in the Shenmu-Jiaxian block (a-d undeformed coal,cataclastic coal,granulated coal,and undeformed coal,respectively)

煤的顯微組分測試結(jié)果表明，研究區(qū)8 號煤的鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)為57.9%～88.1%，平均73.5%；惰質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)為9.2%～23.8%，平均15.5%；殼質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)為0.4%～4.0%，平均3.3%；礦物組分體積分?jǐn)?shù)為5.8%～25.5%，平均15.2%。區(qū)域分布來看，8 號煤層的礦物組分含量為南低北高，鏡質(zhì)組含量則為北低南高，惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量垂向變化較復(fù)雜。隨著深度變化，煤巖顯微組分變化規(guī)律并不明顯。不同的顯微組分含量可導(dǎo)致煤儲層的儲集性能明顯差異，例如鏡質(zhì)組含量大的煤層吸附能力強(qiáng)且孔裂隙發(fā)育。因此，從顯微組分含量可知，相較于大寧–吉縣區(qū)塊，研究區(qū)8 號煤層具有更好的煤層氣儲集性能。

2.3 煤的吸附性與含氣性特征

研究區(qū)開展了3 口井共24 個8 號煤層樣品的甲烷等溫吸附測試，結(jié)果見表2。由表中可知，佳縣北部地區(qū)空氣干燥基Langmuir 體積平均為13.37 m3/t，該結(jié)果較為可信，實(shí)驗(yàn)溫度為60℃(接近儲層溫度)。佳縣南部的J16 井和J26 井測得的空氣干燥基Langmuir 體積平均值分別為26.66 m3/t 和18.9 m3/t，但考慮到其實(shí)驗(yàn)溫度(均為45℃)比儲層實(shí)際溫度(約60℃)要低，因此，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能高估實(shí)際儲層的吸附能力。此外佳縣北部相較南部熱演化程度偏低(圖4)，也可能是北部吸附能力偏低的原因之一?？傮w來看，按照儲層的實(shí)際溫度50～70℃，佳縣南部煤的干燥無灰基Langmuir 體積應(yīng)介于17～19 m3/t，而佳縣北部相應(yīng)值在16～18 m3/t，而 深部地區(qū)的干燥無灰基Langmuir 體積主要在16 m3/t以下。

表2 研究區(qū)8 號煤層的等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of isothermal adsorption experiments of the No.8 coal seam in the study area

研究區(qū)佳縣南部已經(jīng)開展4 口井的保壓密閉取心含氣量測試。整體上，4 口井總含氣量介于17.70～22.81 m3/t，平均20.56 m3/t；煤層含氣量中游離氣含量占比較高，4 口井介于15.21%～46.47%，平均30.10%。

J26 井煤樣解吸氣的氣體組分測試結(jié)果表明，煤層氣組分中甲烷體積分?jǐn)?shù)為90.77%～93.45%，平均92.79%，還含有一定量的非烴類氣體，如CO2(體積分?jǐn)?shù)為5.56%～7.79%)和N2，以及微量的重?zé)N氣(<1%)。J26井煤層氣δ13(CH4) 介于-26.7‰～-33.5‰，煤層氣表現(xiàn)為典型的熱降解氣特征。此外，J26 井煤層氣解吸氣的甲烷δ13(CH4)介于-17.7‰～-16.5‰。通常認(rèn)為，δ13(CH4)>-28‰為煤系有機(jī)質(zhì)氣源，而δ13(CH4)<-28‰為腐泥型有機(jī)質(zhì)氣源。因此，研究區(qū)煤層氣表現(xiàn)為典型的煤系有機(jī)質(zhì)氣源特征。

總體上，研究區(qū)煤層含氣量與東部的臨興深部區(qū)域相比明顯要高，而與南部的大寧–吉縣深部區(qū)相比稍低(表1)，其主要與煤的熱演化程度有關(guān)。由于整個鄂爾多斯盆地東緣深部煤層的保存條件較好，煤層的含氣量與其熱演化程度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，因此研究區(qū)8號煤的熱演化程度非常有利于煤層氣的保存。同時，與其他兩個區(qū)塊相比，研究區(qū)煤層氣中游離氣的含量明顯要高，也間接說明研究區(qū)深部煤層氣具有良好的保存條件，非常有利于煤層氣的富集成藏。

2.4 煤的物性特征

2.4.1 裂隙和孔隙發(fā)育

根據(jù)研究區(qū)3 口探井的巖心觀察與描述結(jié)果，研究區(qū)深8 號煤的宏觀裂隙較為發(fā)育，裂隙密度介于7～36條/5 cm2，平均18 條/5 cm2。其中，裂隙長度超過1 cm的裂隙密度為1～9 條/5 cm2，平均4 條/5 cm2；裂隙長度介于0.5～1 cm 的裂隙密度介于0～12 條/5 cm2，平均值為5 條/5 cm2；裂隙長度小于0.5 cm 的裂隙密度介于2～19 條/5 cm2，平均9 條/5 cm2。結(jié)果表明，長度小于0.5 cm 的裂隙在深8 號煤中最為發(fā)育(圖6a)。顯微觀測結(jié)果表明，煤的顯微裂縫發(fā)育，其裂隙密度一般為7.14～23.13 條/cm2，平均12.96 條/cm2，裂縫多數(shù)與層面平行，少量裂縫垂直層面(圖6b，圖6c)；裂縫呈半充填狀，一般充填礦物以方解石為主(圖6b，圖6c)。此外，煤樣中可見大面積發(fā)育的渾圓狀氣孔，孔徑多在微米級，甚至數(shù)十微米(圖6d)，說明雖然深部煤層較致密，但其中仍可發(fā)育較多的大孔隙，這為深部煤層游離氣的賦存提供了良好的空間條件。

圖6 研究區(qū)煤中孔裂隙發(fā)育特征Fig.6 Pores and fractures in coals in the study area

2.4.2 孔隙率和滲透率

僅對佳縣北部J48 井、南部J16 井和J26 井采集的8 號煤樣品實(shí)施了滲透率和孔隙率測試。結(jié)果顯示，佳縣地區(qū)8 號煤層孔隙率(氦氣法)為6.40%～8.58%，平均7.71%；覆壓21.9 MPa 條件下測試的孔隙率為3.09%；測井解釋4 口井的孔隙率介于3.30%～5.20%，平均4.35%。

常規(guī)方法測試的煤的滲透率為(0.03～4.00)×10-3μm2，平均1.40×10-3μm2；模擬儲層條件(覆壓21.9 MPa)測試的氣體滲透率僅為0.023×10-3μm2，說明實(shí)際儲層條件下深8 號煤具有極低孔和極低滲的顯著特點(diǎn)。根據(jù)鄰區(qū)資料，大寧–吉縣及臨興區(qū)塊的深8 號煤的孔隙率分別為3.13%和5.39%，這與佳縣地區(qū)的孔隙率分析結(jié)果較接近。同時，大寧–吉縣區(qū)塊和臨興區(qū)塊的試井分析滲透率平均值分別為0.053 5×10-3μm2和0.015×10-3μm2(表1)，這與研究區(qū)的氣測滲透率值較接近。這也說明，研究區(qū)的煤儲層物性與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)初步商業(yè)化開發(fā)的大寧–吉縣深部區(qū)和臨興深部區(qū)的儲層條件相接近，展示了良好的煤層氣開發(fā)前景。

2.4.3 孔隙結(jié)構(gòu)及可動流體孔隙率特征

佳縣區(qū)塊J16 井8 個煤樣的低場核磁共振測試結(jié)果表明，飽和水煤樣的核磁共振T2譜呈現(xiàn)明顯的三峰特征，自左向右3 個譜峰大小依次大致反映了微/小孔、中/大孔和裂隙的發(fā)育情況，3 種孔隙類型的占比分別為48.4%、11.9% 和39.7%(圖7)。樣品經(jīng)空氣風(fēng)干后再次進(jìn)行核磁共振T2譜測試，結(jié)果如圖7 中紅色曲線所示，該T2譜反映了束縛水條件下樣品內(nèi)孔隙水的分布情況，即樣品內(nèi)含有一定的束縛水分和內(nèi)在水分；圖7中2 個T2譜的差反映了樣品中可動水的分布情況[13-14]。與飽和T2譜相比，譜的幅度的減少，表明3 種孔隙內(nèi)的水信號明顯減少。對比飽和T2譜與離心后的T2譜發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)深8 號煤的孔隙空間雖然以微小孔為主，但是大中孔或裂隙具有一定的連通性，煤的可動流體孔隙率較高，8 個樣品的平均可動流體孔隙率占總孔隙率的比例在30%左右。說明研究區(qū)煤樣的孔隙仍具有良好的連通性，有利于煤層氣的解吸、擴(kuò)散和滲流產(chǎn)出。

圖7 佳縣區(qū)塊J16 井煤樣的核磁共振T2 譜(深度2 141.8 m)Fig.7 NMR T2 spectra of coal samples from well J16 in the Shenmu-Jiaxian block (depth: 2 141.8 m)

3 煤層氣富集主控因素與富集規(guī)律

沉積盆地演化過程中，煤層的含氣特征也隨之變化，最終形成現(xiàn)今的煤層氣含量分布。中淺部煤層氣的勘探開發(fā)表明，影響煤層氣含氣量的主要因素包括煤層的熱演化特征及生氣潛力、地質(zhì)構(gòu)造特征、煤層頂?shù)装宸馍w特征及地下水動力場特征等，本節(jié)也將從這幾個方面來分析研究區(qū)深部煤層氣的富集規(guī)律。

如前所述，煤層氣的碳同位素分析結(jié)果表明，研究區(qū)煤層氣成因主要為煤層自生自儲的熱成因氣。在南部的佳縣區(qū)塊煤的熱演化程度更高(圖4)，達(dá)到了熱解生氣高峰階段，具有良好的煤層氣生氣潛力。煤層含氣量測試結(jié)果也表明，研究區(qū)煤層含氣量相對鄰區(qū)較高，且含氣組成中游離氣占比非常高，深部煤層氣的成藏特點(diǎn)更類似于致密氣儲層的特點(diǎn)，因此，決定研究區(qū)煤層氣富集的關(guān)鍵因素應(yīng)為后期的保存條件。

研究區(qū)井–震聯(lián)合構(gòu)造解釋結(jié)果表明，神木–佳縣區(qū)塊8 號煤層整體上為一寬緩的大型斜坡，東北部處于相對構(gòu)造高部位、向西南方向構(gòu)造高程逐漸降低。研究區(qū)地層非常平緩，傾角小于2°，僅在平緩基礎(chǔ)上局部發(fā)育低幅鼻隆微構(gòu)造，僅局部發(fā)育小斷層(斷距<50 m)。其中，神木地區(qū)小斷層多為逆斷層，呈NW 向延伸，通常具有良好的封堵性；佳縣地區(qū)僅發(fā)現(xiàn)南部有NE 向延伸的小型逆斷層。整體上，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，僅局部發(fā)育封堵性較好的逆斷層，非常有利于深部煤層氣的保存。參考大寧–吉縣深部區(qū)的經(jīng)驗(yàn)[8]，局部小型鼻隆微構(gòu)造內(nèi)游離氣易富集成藏，這些局部微構(gòu)造可能是煤層氣的富集甜點(diǎn)。

中淺部煤層氣的研究表明，水文地質(zhì)條件與煤層氣富集具有良好的相關(guān)關(guān)系[15]，而地下水的礦化度和水型是判斷煤層氣富集與否的重要指標(biāo)[16-17]。通常處于滯流狀態(tài)的地下水礦化度值較高，地下水在壓力等作用下對煤層氣形成封堵作用；而處于徑流狀態(tài)的地下水礦化度值較低，易導(dǎo)致煤層氣在水動力作用下運(yùn)移逸散，不利于煤層氣的保存。前人研究表明，鄂爾多斯盆地東北部8 號煤層的主要含水層為其頂板上部的廟溝和毛兒溝灰?guī)r含水層[18]。由于8 號煤層底板泥巖具有良好的封閉作用，因此該煤層主要與頂板廟溝和毛兒溝灰?guī)r含水層發(fā)生一定的水力聯(lián)系。根據(jù)區(qū)內(nèi)7 口探井的水樣分析結(jié)果表明，神木–佳縣區(qū)塊本溪組地下水主要為CaCl2類型，地下水礦化度介于(6.8～30.2)×104mg/L，平均為15.9×104mg/L，整體上符合高礦化度滯流的封閉水文地質(zhì)環(huán)境，有利于煤層氣的保存。其中，佳縣北部地區(qū)本溪組礦化度平均為14.0×104mg/L，佳縣南部地區(qū)為17.3×104mg/L，佳縣南部煤層氣的富集條件較好，這也是南部煤層含氣量整體較高的主要原因之一。

根據(jù)區(qū)內(nèi)300 余口測井資料進(jìn)一步分析8 號煤層的頂?shù)装逄卣?。神木–佳縣區(qū)塊8 號煤層底板均為泥巖，而頂板以泥巖類型為主，局部發(fā)育砂巖和灰?guī)r類型，分布情況如圖8 所示。其中，神木地區(qū)8 號煤層頂板以泥巖或砂巖為主，封蓋組合類型為泥巖–煤–泥巖(從底到頂，下同)或砂巖–煤–泥巖，兩種類型分布面積相當(dāng)(圖8)；佳縣地區(qū)8 號煤層頂板為泥巖、砂巖或灰?guī)r，封蓋組合主要為泥巖–煤–泥巖，其次為泥巖–煤–砂巖和泥巖–煤–灰?guī)r。整個研究區(qū)頂板蓋層的厚度都在10 m 以上，上覆地層中厚的泥巖或灰?guī)r頂板為煤層氣賦存提供了良好的封閉環(huán)境。從區(qū)域分布來看，研究區(qū)煤層氣的有利富集區(qū)主要位于佳縣南部。

圖8 佳縣地區(qū)8 號煤層頂板巖性分布特征Fig.8 Lithological distribution of the No.8 coal seam’s roof in the Shenmu-Jiaxian block

綜上所述，研究區(qū)由于處于埋深超過2 000 m 的深部，煤層的構(gòu)造非常簡單，斷層不發(fā)育，且煤儲層含水性具有高礦化度和滯流的特點(diǎn)，構(gòu)造與水文地質(zhì)條件非常有利于深部吸附氣與游離氣的保存。與淺層煤層氣明顯不同，研究區(qū)深部煤層氣賦存除受吸附力影響外，也遵循天然氣的毛管力封閉與浮力重力分異兩種機(jī)制。對于深部吸附氣，高儲層壓力有利于吸附封存；對于深部游離氣，高壓滯流的地質(zhì)環(huán)境外加煤層頂板致密巖層的毛管封閉作用，共同決定了煤層氣的自封閉作用(圖9)。因此，總結(jié)研究區(qū)深部煤層氣的富集規(guī)律主要包括3 個方面：一是，研究區(qū)自北向南演化程度增高的總體格局，導(dǎo)致煤層含氣量總體自北向南逐漸增高，這決定了區(qū)域含氣量的總體分布格局；二是，全區(qū)總體滯流的水動力條件有利于大面積煤層氣的保存，其中佳縣南部煤層水礦化度更高，易受水力封堵形成高資源豐度的煤層氣藏；三是，煤層頂?shù)装鍘r性組合決定了煤層游離氣含量的局部分布特征，煤層氣富集區(qū)主要位于佳縣南部的灰?guī)r與泥巖頂板封蓋區(qū)，其次是佳縣北部的砂巖封蓋區(qū)和神木區(qū)域。

圖9 研究區(qū)8 號煤層的深部煤層氣富集模式Fig.9 Diagram showing the enrichment pattern of deep coalbed methane in the No.8 coal seam in the study area

4 深部煤層氣開發(fā)潛力分析

與該區(qū)臨近的臨興區(qū)塊和大寧–吉縣區(qū)塊分別由中聯(lián)煤層氣公司和中石油煤層氣公司實(shí)施了深8 號煤的勘探開發(fā)，均取得了煤層氣的產(chǎn)氣突破，特別是研究區(qū)南部的大寧–吉縣深部區(qū)已初步進(jìn)入商業(yè)化試開發(fā)階段。神木–佳縣區(qū)塊深部煤層氣勘探開發(fā)起步較晚，資料掌握程度較低，本節(jié)重點(diǎn)通過類比法分析研究區(qū)深部煤層氣的開發(fā)潛力。

表1 從煤層氣地質(zhì)條件、資源潛力、儲層物性與可改造性3 個方面系統(tǒng)總結(jié)對比了3 個區(qū)塊的差異特征。首先，3 個區(qū)塊的構(gòu)造條件及水動力條件基本類似，均具有構(gòu)造簡單和地下水礦化度高的典型特點(diǎn)，預(yù)示著研究區(qū)也具有商業(yè)化產(chǎn)氣的煤儲層基礎(chǔ)地質(zhì)條件。其次，從資源潛力來看，研究區(qū)深8 號煤的平均厚度較其他兩個區(qū)略高；同時，研究區(qū)的含氣量比大寧–吉縣略低、但比臨興區(qū)塊要高，煤層含氣條件整體較優(yōu)。此外，受熱演化程度相對偏低的影響，研究區(qū)煤的吸附能力略低，導(dǎo)致煤層中吸附氣含量較低，但游離氣含量較高，非常有利于煤層氣的開發(fā)。最后，研究區(qū)煤儲層物性和可改造性方面明顯好于其他兩個區(qū)塊。一方面，研究區(qū)主要是焦煤和瘦煤，煤的割理普遍較發(fā)育，僅部分被礦物充填(圖6)。研究區(qū)以原生結(jié)構(gòu)煤為主、碎裂煤為輔的煤體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也進(jìn)一步印證了區(qū)內(nèi)煤孔裂隙發(fā)育較好的典型特征。另一方面，研究區(qū)煤儲層的水平應(yīng)力差僅有2.6～3.4 MPa，比其他兩個區(qū)塊明顯要低，說明煤層的各向異性較弱，既有利于實(shí)施水平井分段壓裂，又有利于體積壓裂縫網(wǎng)的形成。

截至目前，神木–佳縣區(qū)塊已開展了1 口煤層氣井試氣測試和2 口水平井開發(fā)試驗(yàn)。其中，J54 井日產(chǎn)氣量0.656 萬m3，日產(chǎn)水量3.84 m3，無阻流量0.690 1 萬m3/d；JN-1H 水平井實(shí)施大規(guī)模體積壓裂后，試采期間煤層氣穩(wěn)定日產(chǎn)量約8.16 萬m3；JM-2H 水平井實(shí)施大規(guī)模體積壓裂后，試采期間煤層氣穩(wěn)定日產(chǎn)量約12.47萬m3。整體上，神木–佳縣區(qū)塊深部煤層氣規(guī)?；_發(fā)具有良好的前景。

5 結(jié)論

a.神木–佳縣區(qū)塊深8 號煤已處于熱解生氣高峰，具備大面積熱成因氣藏形成的基本條件；8 號煤具有厚度大、發(fā)育穩(wěn)定的特點(diǎn)，且頂?shù)装鍘r性主要為泥巖，煤層所處的構(gòu)造條件簡單、水動力條件較弱，為煤層氣富集保存提供了良好的條件，其中佳縣南部煤層氣資源條件最好。

b.研究區(qū)深8 號煤從北到南依次為氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主、碎裂煤為輔，煤的割理和裂隙非常發(fā)育、可動流體孔隙率較高，煤層的孔滲條件較大寧–吉縣深部區(qū)相當(dāng)或稍好，顯示了研究區(qū)良好的煤層氣開發(fā)前景。

c.與大寧–吉縣深8 號煤相比，研究區(qū)深8 號煤的吸附能力相對較弱，吸附氣含量稍低；但是煤中游離氣占比更高(15.21%～46.47%)，含氣量中游離氣的貢獻(xiàn)非常重要?？偨Y(jié)研究區(qū)煤層氣富集封存具有2 種典型的機(jī)制，即吸附氣主要受吸附壓力封存控制，而游離氣受毛管力封閉與浮力重力分異雙重控制，二者共同決定了深部煤層含氣量分布的垂向和平面特征，是佳縣南部形成局部煤層氣富集的主要原因。

d.與鄂爾多斯盆地東部其他鄰近深部區(qū)塊類比分析表明，從基礎(chǔ)地質(zhì)條件、資源潛力、儲層物性與可改造性三方面來看，研究區(qū)具有良好的深部煤層氣開發(fā)條件，已被實(shí)施的1 口試氣井和2 口開發(fā)水平井所證實(shí)。然而，神木–佳縣區(qū)塊南北跨度較大，其煤層氣富集主控因素和開發(fā)地質(zhì)條件可能存在較強(qiáng)的差異性，還有待進(jìn)一步開展深入研究工作。