鄂爾多斯盆地神府地區含煤層氣系統特征

田 兵, 段志強, 趙俊梅, 鄭有偉

(1.內蒙古科技大學礦業與煤炭學院， 包頭 014010； 2.中國石油長慶油田公司勘探開發研究院， 西安 710018)

中國煤層氣分布廣泛，資源豐富，是當前支撐國家能源轉型的重要組成部分，煤層氣開發還兼具保障煤礦安全生產、環境保護的多重屬性[1-3]，近年來成為天然氣領域研究的熱點。然而，現階段煤層氣開發單井產量低，回報期長，投資風險較大；且目的煤層埋深多集中于1 000 m以淺[4]，如何實現1 000 m以深的深部煤層氣的高效開發值得高度關注。

根據煤層氣的成藏地質特征，將“含煤層氣系統”[5-6]內的煤層、煤系砂巖互層段作為統一目的層進行綜合評價和共探合采，將極大地拓展資源評價空間和領域，提高潛在資源量與資源豐度，相比單一煤層氣開發有效提高開發產能[7-8]。目前，美國、澳大利亞和加拿大等國家已實現了煤層氣與致密砂巖氣合采的商業化開發[9-11]，其中，澳大利亞蘇拉特盆地是近年來世界上合采開發最為成功的盆地，單井平均產氣量2.83萬～5.66萬m3/d，最高可達56萬m3/d[10]，其煤層、煤系砂巖互層段的沉積旋回特點及其縱向多套“含煤層氣系統”構成已引起高度關注。

鄂爾多斯盆地東緣神府地區是中國重要的含煤層氣帶，埋深大于1 000 m的深部煤層氣資源占比達60%以上，潛力巨大。同時煤田淺部煤炭開采的影響，也促使煤層氣向深部勘探。該地區深部地層具有多煤層發育、煤系砂巖層數多、厚度大的特點，“含煤層氣系統”共探合采基礎較好。然而，強烈的煤系沉積分異作用形成旋回性強、儲蓋性能差異顯著、復雜的“含煤層氣系統”時空配置，導致煤層氣資源探明率和利用率總體偏低?；诖?，通過對該地區上古生界煤層氣、煤系砂巖氣成藏地質條件的系統分析，劃分垂向疊置含煤層氣系統并建立成藏模式，以期為提高區域煤層氣勘探開發效率提供地質依據。

1 區域地質背景

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

圖1 神府地區8+9#煤層埋深等值線圖

2 成藏地質條件

2.1 廣覆式優質煤系烴源巖

神府地區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。研究區內煤系烴源巖鉆井統計、宏觀描述、顯微組分和鏡質組反射率數據顯示，煤巖累計厚度18～32 m，呈薄厚相間分布特點，煤巖有機碳含量47.1%～76.7%，平均值為65.06%；暗色泥巖累計厚度20～145 m，具有南厚北薄的趨勢；煤系烴源巖原始沉積物主要是高等植物，煤鏡質組含量在36.8 0%～75.1 3%，在有機顯微組分中占主導地位，惰質組含量次之，殼質組含量最低；有機質類型主要為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-山西組烴源巖均達到了成熟生氣階段；盆模計算結果顯示神府地區烴源巖總生烴強度主要為3×108～18×108m3/km2。總的來看，該地區烴源巖厚度大，分布廣，有機質含量高，成熟度和生烴強度中等較高，為區塊內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“源儲一體”非常規天然氣，煤層厚度、含氣性是煤層氣勘探和開發的重要控制因素[12-13]。統計區內已鉆井煤層數據，4+5#煤厚度在0.6～8.8 m，平均厚3.3 m，受控于沉積環境，區內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井區厚煤層發育(圖2)；8+9#煤厚度在6.8～21.6 m，平均厚14.5 m，8+9#煤層層數多，夾矸主要分布在西南角三維區和東北部，凈煤厚度平面東西向呈“厚-薄-厚-薄”相間分布的特征，區內的東北緣及三維區東南部發育薄煤區，西部深陷帶區域8+9#煤厚度較大，其中中南部S-11-T-1-G-1-S3井區及西南角三維區中部S-15-S-16井區最為發育(圖3)。

圖2 研究區4+5#煤層厚度等值線圖

圖3 研究區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“低-高-低-高”相間分布特征，其中區內北部和西部深陷帶中南部S-3-S-7-S-8井區煤層含氣量相對較高。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井區煤層含氣量相對較高。

2.1.2 煤巖煤質及孔滲特征

采集S-3、S-4、S-7、S-15等6口井9塊煤巖樣品，針對開展了煤巖學，吸附特征及孔隙特征分析。煤巖取心觀察表明，神府區塊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。4+5#和8+9#煤主要以原生結構和碎裂煤為主，有利于煤層氣的勘探和開發。

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經濟增長的影響，但是也有可能對回歸結果造成干擾，因此進一步剔除了省份控制變量對模型進行了回歸，發現研究結論并未發生改變。[注] 限于篇幅，論文中沒有報告剔除了省份控制變量后的回歸結果，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潛力的重要影響因素。等溫吸附實驗結果顯示，區內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。

采用低溫液氮和核磁共振(NMR)測試來刻畫煤巖孔隙特征。低溫液氮實驗分析煤巖的比表面積、總孔體積、平均孔直徑，結果顯示，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。神府區塊煤巖孔隙基本以納米級孔隙為主，造成基質儲層的滲流能力較差。

核磁共振測試分析煤巖的可動流體飽和度、束縛水飽和度、孔隙度。煤巖樣品呈現典型的雙峰特征。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%，可動流體飽和度29.61%～79.30%。區內煤巖儲層大孔喉較少，主要發育納米級微細孔喉，飽和巖樣僅有少量流體可以被動用，造成煤巖的束縛水飽和度較高。

2.2 煤系砂巖氣儲層地質特征

晚古生代本溪組至石千峰組沉積期，神府區塊縱向上砂巖發育，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段為主力砂巖儲層。

2.2.1 砂巖儲層區域分布特征

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

圖4 研究區本1段砂巖厚度分布圖

太2段區域上發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，呈條帶狀展布。橋頭砂巖以三角洲平原亞相為主，三角洲平原亞相區主要展布在S-17-S-18-S-19-G-1一線以北，其南側為三角洲前緣亞相分布區，分流河道、水下分流河道砂體發育(圖5)，砂體連通性較好，并且呈現出自北向南、自西向東砂體厚度逐漸變小的趨勢。分流河道砂體垂向疊置，復合砂體厚度多在10 m以上，以S-11、S-1井附近砂體厚度較大，可達20 m。與橋頭砂巖期相比，馬蘭砂巖沉積時期岸線向物源區退縮，區塊內為三角洲前緣沉積，分流間灣大面積展布，分流河道砂體展布面積明顯縮小，僅在研究區南部S-4-S-3-S-7井附近發育水下分流河道砂體，砂體厚度多在10～20 m(圖6)。

圖5 研究區太原組橋頭砂巖厚度分布圖

圖6 研究區太原組馬蘭砂巖厚度分布圖

山2段儲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，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象普遍，且缺乏泥質隔層，砂體間連通性較好，具有較好的儲集性能。區塊中東部和西南部分流河道砂體較為發育，厚度多在20 m以上。

圖7 研究區山2段砂巖厚度分布圖

2.2.2 砂巖巖石學及物性特征

薄片觀察結果顯示，神府區塊上古生界砂巖以長石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主，其中，山西組以長石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主，太原組主要為長石巖屑砂巖和巖屑砂巖，本溪組發育石英砂巖。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，巖石結構致密。

鑄體薄片觀察結果表明，研究區上古生界砂巖儲層的孔隙類型以粒間溶孔、粒內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 研究區砂巖儲層孔隙特征顯微鏡下照片

統計S-2、S-3等9口井的巖心和壁心孔滲數據可知，本1段儲層孔隙度分布區間為4.2%～10.5%，平均值為8.1%；滲透率分布區間為0.01～2.26 mD，平均值為0.51 mD；太2段儲層孔隙度分布區間為4.0%～14.5%，平均值為8.0%；滲透率分布區間為0.01～4.02 mD，平均值為0.40 mD；山2段儲層孔隙度分布區間為4.0%～13.6%，平均值為7.5%。滲透率分布區間為0.01～12.50 mD，平均值為0.63 mD，區塊內主體砂巖均屬于低孔低滲儲層。平面上，本1段大于4%的孔隙度在區塊東北側和西部深陷帶中南部呈片狀分布，S-3井孔隙度最高，可達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10.2%。山2段平面孔隙度變化較大，除個別井外，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10.5%。

各微相內砂巖孔滲數據統計揭示，沉積微相控制了優質儲層的分布，障壁砂壩、砂坪、分流河道、潮汐水道、混合坪砂體等水動力較強的沉積微相內砂巖儲層物性較好(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，是最有利儲層發育的微相。

圖9 不同沉積微相砂巖儲層物性對比圖

2.3 封蓋層地質特征

良好的頂底板封蓋層，尤其是頂板，可以減少構造運動過程中煤層氣的向外滲流運移和擴散散失，保持較高的地層壓力，維持最大的吸附量，減弱地層水對煤層氣造成的損失。神府區塊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。平面上分布比較穩定，以泥巖為主，零星的分布少量砂巖。

發育在最大海泛面附近的區域性低滲透巖層，是含煤層氣系統的主要分割層和蓋層[14-15]。具體到神府地區，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的主要分割層。上石盒子組發育的廣覆式厚層連續性褐色、紅褐色泛濫平原泥巖則作為整個上古生界煤層含氣層的區域性優質蓋層。

3 含煤層氣系統劃分及成藏模式

依據含煤層氣系統的生儲蓋地質特征，結合區內砂巖氣井試采結果，將神府區塊內垂向疊置發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，相對獨立的含煤層氣系統，一是8+9#煤-本1段、太2段砂巖的下含煤層氣系統，二是4+5#煤-太1段、山2段砂巖的上含煤層氣系統(圖10)。

圖10 研究區含煤層氣系統成藏模式圖

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

從研究區含煤層氣系統成藏模式可知，煤層生烴后原地形成煤層氣藏，短距離運移形成砂巖氣藏，主要以源內成藏為主。以下含煤層氣系統為例，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，其中絕大多數都小于20 m。含煤層氣系統內兩氣儲層緊鄰或間距較小，易于在同一井筒內將多層儲層同時打開實施儲層壓裂改造和排采措施[20-21]。此外，煤層孔滲條件相對較差，相鄰壓裂后的砂巖儲層可為煤層氣的解吸與運移提供有利通道。以含煤層氣系統為單元開展煤層氣與煤系砂巖氣合采，是深部煤層氣經濟開發的有效途徑。

4 結論

(1)神府區塊煤層氣是中煤階深埋藏煤層氣藏，4+5#和8+9#煤既是區內優質的烴源巖系，也是煤層氣的主要儲集層。西部深陷帶中南部S-3-S-15-S-7-S-8井區煤儲層埋深較大，厚度大，夾矸少，含氣量較高，納米級孔隙發育，保存條件較好，深層煤層氣勘探開發潛力大。

(2)神府地區上古生界組本1段、太2段和山2段砂巖為主力煤系砂巖氣儲層。主力砂巖層厚度大，整體連通性好，以長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層。優質儲層主要發育在較強水動力環境、粒度粗、溶蝕孔隙發育的西部深陷帶中南部S-3-S-15-S-13-S-8井區，與煤層氣有利儲層發育區基本一致。

(3)神府地區上古生界煤系地層垂向疊置發育2套含煤層氣系統：8+9#煤-本1段、太2段砂巖下含煤層氣系統和4+5#煤-太1段、山2段砂巖上含煤層氣系統。含煤層氣系統內兩氣儲層緊鄰或間距較小，以含煤層氣系統為單元開展煤層氣與煤系砂巖氣合采，是深部煤層氣經濟開發的有效途徑。