石油勘探与开发 >

2024 , Vol. 51 >Issue 5: 972 - 985

DOI: https://doi.org/10.11698/PED.20230656

油气勘探

鄂尔多斯盆地煤岩气富集条件及资源潜力

  • 牛小兵 , 1, 2 ,
  • 范立勇 1, 3 ,
  • 闫小雄 1, 3 ,
  • 周国晓 1, 3 ,
  • 张辉 , 1, 3 ,
  • 荆雪媛 1, 3 ,
  • 张盟勃 1, 3
展开
  • 1 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018
  • 2 中国石油长庆油田公司，西安 710018
  • 3 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院，西安 710018
张辉（1976-），男，陕西长安人，博士，中国石油长庆油田公司勘探开发研究院高级工程师，主要从事天然气地质勘探综合研究。地址：陕西省西安市未央区，长庆油田勘探开发研究院，邮政编码：710018。E-mail：

牛小兵（1978-），男，甘肃会宁人，博士，中国石油长庆油田公司教授级高级工程师，主要从事油气勘探管理与科研工作。地址：陕西省西安市未央区，长庆油田公司，邮政编码：710018。E-mail：

Copy editor: 魏玮

收稿日期: 2024-06-03

  修回日期: 2024-08-14

  网络出版日期: 2024-10-15

基金资助

中国石油攻关性应用性科技专项“深地煤岩气成藏理论与效益开发技术研究”(2023ZZ18)

中国石油长庆油田公司“揭榜挂帅”项目“鄂尔多斯盆地中东部上古生界煤系气甜点评价及增产机理研究”(2022D-JB01)

收起

Enrichment conditions and resource potential of coal-rock gas in Ordos Basin, NW China

  • NIU Xiaobing , 1, 2 ,
  • FAN Liyong 1, 3 ,
  • YAN Xiaoxiong 1, 3 ,
  • ZHOU Guoxiao 1, 3 ,
  • ZHANG Hui , 1, 3 ,
  • JING Xueyuan 1, 3 ,
  • ZHANG Mengbo 1, 3
Expand
  • 1 National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil and Gas Fields, Xi’an 710018, China
  • 2 PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China
  • 3 Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China

Received date: 2024-06-03

  Revised date: 2024-08-14

  Online published: 2024-10-15

Fold

摘要

通过对鄂尔多斯盆地深部煤层的沉积环境、分布特征、煤岩性质、储层特征、含气性特征以及聚散组合等方面开展系统研究，以揭示该盆地煤岩气富集条件，评价其资源潜力。研究表明：①鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系广泛发育厚层煤层，主力煤层二叠系山西组5#、石炭系本溪组8#煤生烃能力强，热演化程度高，为煤岩气形成奠定了丰富的资源基础；②深部煤岩储集物性好，孔渗条件佳，5#、8#煤平均孔隙度为4.1%和6.4%，平均渗透率分别为8.7×10-3 μm2和15.7×10-3 μm2；煤岩中割理和裂隙发育，与微孔共同构成主要的储集空间，且随着演化程度增高，微孔体积呈增大趋势；割理和裂隙的发育程度对渗透率影响较大；③煤岩储层与工业分析的成分在纵向上存在较为明显的非均质性分布，与下段相比，中上段受灰分充填影响较小的光亮煤，其孔隙和裂隙更为发育，为优质储层发育层段；④鄂尔多斯盆地深部煤岩含气性好，含气量为7.5~20.0 m3/t，煤岩气中游离气占比明显高于浅层煤层气，游离气占比为11.0%~55.1%，超过10%；深部煤岩中游离气富集程度主要受控于宏孔和微裂缝的数量；⑤煤岩压力测试分析表明，煤灰、煤泥聚散组合封盖性好，泥岩/灰岩（顶板）-煤层-泥岩（底板）的成藏组合条件下，煤岩气测值总体较高；⑥通过体积法对鄂尔多斯盆地煤岩气资源量进行了初步评价，估算结果为22.38×1012 m3，并优选了鄂尔多斯盆地煤岩气主要有利区。研究认为，鄂尔多斯盆地中东部的乌审旗、横山—绥德、延安、子长以及宜川地区是8#煤层煤岩气有利勘探区，盆地中东部的临县西、米脂、宜川—黄陵、榆林以及乌审旗—横山地区是5#煤层煤岩气有利勘探区，有望形成新的天然气规模储量、产量增长区。

关键词： 煤岩气; 煤层气; 临界深度; 煤岩特征; 富集条件; 聚散组合; 资源潜力; 勘探方向; 鄂尔多斯盆地

本文引用格式

牛小兵 , 范立勇 , 闫小雄 , 周国晓 , 张辉 , 荆雪媛 , 张盟勃 . 鄂尔多斯盆地煤岩气富集条件及资源潜力[J]. 石油勘探与开发, 2024 , 51(5) : 972 -985 . DOI: 10.11698/PED.20230656

Abstract

To reveal the enrichment conditions and resource potential of coal-rock gas in the Ordos Basin, this paper presents a systematic research on the sedimentary environment, distribution, physical properties, reservoir characteristics, gas-bearing characteristics and gas accumulation play of deep coals. The results show that thick coals are widely distributed in the Carboniferous-Permian of the Ordos Basin. The main coal seams 5# and 8# in the Carboniferous-Permian have strong hydrocarbon generation capacity and high thermal evolution degree, which provide abundant materials for the formation of coal-rock gas. Deep coal reservoirs have good physical properties, especially porosity and permeability. Coal seams 5# and 8# exhibit the average porosity of 4.1% and 6.4%, and the average permeability of 8.7×10-3 μm2 and 15.7×10-3 μm2, respectively. Cleats and fissures are developed in the coals, and together with the micropores, constitute the main storage space. With the increase of evolution degree, the micropore volume tends to increase. The development degree of cleats and fissures has a great impact on permeability. The coal reservoirs and their industrial compositions exhibit significantly heterogeneous distribution in the vertical direction. The bright coal seam, which is in the middle and upper section, less affected by ash filling compared with the lower section, and contains well-developed pores and fissures, is a high-quality reservoir interval. The deep coals present good gas-bearing characteristics in Ordos Basin, with the gas content of 7.5-20.0 m3/t, and the proportion of free gas (greater than 10%, mostly 11.0%-55.1%) in coal-rock gas significantly higher than that in shallow coals. The enrichment degree of free gas in deep coals is controlled by the number of macropores and microfractures. The coal rock pressure testing shows that the coal-limestone and coal-mudstone combinations for gas accumulation have good sealing capacity, and the mudstone/limestone (roof)-coal-mudstone (floor) combination generally indicates high coal-rock gas values. The coal-rock gas resources in the Ordos Basin were preliminarily estimated by the volume method to be 22.38×1012 m3, and the main coal-rock gas prospects in the Ordos Basin were defined. In the central-east of the Ordos Basin, Wushenqi, Hengshan-Suide, Yan’an, Zichang, and Yichuan are coal-rock gas prospects for the coal seam #8 of the Benxi Formation, and Linxian West, Mizhi, Yichuan-Huangling, Yulin, and Wushenqi-Hengshan are coal-rock gas prospects for the coal seam #5 of the Shanxi Formation, which are expected to become new areas for increased gas reserves and production.

Key words： coal-rock gas; coalbed methane; critical depth; coal characteristics; enrichment conditions; gas accumulation play; resource potential; exploration direction; Ordos Basin

0 引言

煤是重要的生气源岩，在成煤作用或次生生物作用过程中可生成大量的烃类气体[1⇓⇓⇓-5]。自上世纪九十年代以来，国内外针对煤层中天然气的勘探开发以埋深较浅的煤层为主，中国中浅层煤层气获得了大规模的商业开发，如鄂尔多斯盆地东缘和沁水盆地等[6⇓⇓⇓⇓⇓-12]。随着近年来对1 500 m以深煤系地层勘探开发，发现深部煤层富含天然气，深部天然气与浅层煤层气在储层含气性、气体赋存特征、含气饱和度、保存条件以及排采特征等方面具有明显差异[13⇓⇓⇓⇓⇓-19]。浅层煤层气具有高比例吸附气的特点，吸附气含量一般超过90%[20]，且多为欠饱和；而深部煤层的含气量高，普遍为10~33 m3/t，主要以吸附气和游离气共存方式赋存，游离气占比最高可达50%左右，吸附气饱和度普遍超过90%，多达超饱和态。深部煤层天然气的富集保存更大程度受顶底板岩性组合保存条件的制约以及成藏后期受构造和地应力的控制。陈刚等[21]通过分析不同煤阶煤层含气量与埋深关系，将含气量最大值对应的煤层埋深称为临界深度，中低煤阶含气量临界深度为1 400~1 700 m，中高煤阶含气量临界深度为1 500~1 800 m，“临界深度”以下，温度对吸附的负效应占主导，地层温度对吸附所引起的负效应大于地层压力所引起的正效应。秦勇等[22]探讨深部与浅部的煤储层特征时，指出深部煤层气为处于地应力状态和（或）含气量“临界深度”以下的煤层气资源，从煤储层状态论述了深部煤层气，“深部”不是一个纯粹的煤储层埋藏深度。郭绪杰等[23]通过对准噶尔盆地侏罗系西山窑组煤岩天然气的研究提出了煤岩气的概念，认为煤岩气是介于常规气和煤层气之间的一种新的天然气资源类型。赵喆等[24]通过系统分析煤岩气气藏地质特征及开发特征，提出煤岩气是以中高阶煤岩自生或他源运移而赋存于煤岩储层中，通过储层改造可快速产气并能规模开采的烃类气体。李国欣等[25]将煤岩气定义为“煤岩自身生成或其他气源运移而赋存于煤岩中，游离态和吸附态并存，游离气含量高，通过储层改造可快速产气并能获得工业化开采的烃类气体”。综合前人研究，本文认为煤岩气指赋存于煤岩储层中，处于“临界深度”以下，温度负效应占主导，游离气含量高，需通过储层改造、可快速产气并能规模开采的烃类气体。煤岩气更能反映“临界深度”以下煤岩储层含气性、气体赋存特征、天然气排采特征与浅层煤层气的差异。
煤岩气作为赋存于煤岩中一种新型天然气类型，近年来引起广泛重视[26]，特别是鄂尔多斯盆地多个井区获得高产工业气流突破，极大提升了煤岩气大规模商业开发的信心。目前中国煤岩气的勘探开发正处于起步阶段，针对煤岩气地质特征、富集条件的研究相对较少，以往在浅层煤层气积累的成藏理论不能完全适用于煤岩气的评价，难以指导煤岩气的有效勘探开发，本文基于鄂尔多斯盆地深部煤岩沉积环境及分布特征，通过对鄂尔多斯盆地深层煤岩生烃特征、储集性能、含气性以及聚散组合等方面的研究，揭示鄂尔多斯盆地煤岩气地质特征和富集条件并优选煤岩气富集有利区，以期为鄂尔多斯盆地煤岩气未来勘探指明方向，为中国煤岩气的大规模勘探开发提供理论基础。

1 鄂尔多斯盆地煤岩气勘探开发历程

鄂尔多斯盆地煤层中的天然气勘探始于20世纪90年代，自盆地东缘浅层扩展到盆地内部深层，按照地质认识转变、技术发展、勘探工作量、勘探成果和产气量变化，将鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系煤层中天然气勘探开发历程划分为浅层煤层气勘探和煤岩气规模勘探开发两个阶段。

1.1 浅层煤层气勘探阶段（1990—2018年）

浅层煤层气勘探始于20世纪90年代，主要在“浅层富煤区构造高点富集”理论指导下，寻找“埋深浅、煤层厚度大、高含气量、构造高点煤层气富集区”。1990—1996年，原地质矿产部华北石油勘探局和美国Arco公司在山西省吕梁市柳林地区实施小井组排采，煤层埋深为343~409 m，Ro值为1.40%~1.72%，含气量为10~20 m3/t，单井产气量为1 500~3 000 m3/d[27]；1998—1999年，中国石油勘探开发研究院廊坊分院在榆林市吴堡地区完成煤层气探井2口，其中吴试1井二叠系山西组5#煤层埋深1 229.5 m，石炭系本溪组8#煤层埋深1 349.8 m，单井最高瞬时气产量折合990 m3/d；2000—2004年，廊坊分院在临汾市大宁—吉县区块实施吉试井组，其中吉试1井5#煤层埋深977.8 m，含气量20.7 m3/t，8#煤层埋深1 050.6 m，含气量16.1 m3/t，最高瞬时气产量折合2 847 m3/d，稳定气产量1 000~1 500 m3/d，吉试5井5#煤层埋深904.4 m，含气量20.9 m3/t，8#煤层埋深965.1 m，含气量9.5 m3/t，试采最高瞬时产气量折合6 800 m3/d；2004—2008年，中国石油长庆油田公司加大煤层气勘探力度，在临汾市大宁—吉县区块、渭南市合阳地区实施了煤层气探井5口、评价井21口，形成午城、小回宫和合阳3个评价井组，其中午试2-3井埋深1 365 m，最高瞬时产气量折合3 003 m3/d，宫1-2井埋深1 102.25 m，最高产气量2 379 m3/d，宫1-3井埋深1 107.92 m，最高产气量2 757 m3/d。2009年宫1井区提交基本探明储量295×108 m3，累计获三级储量为1 483×108 m3[28]。2009—2018年，突破“构造高点”选区理论，以“水动力控气-构造调整-单斜缓坡成藏”理论为指导，深化“正向构造和单斜缓坡”富气认识，转变煤储层改造思路。中国石油煤层气公司大宁—吉县区块水平井桃-平03井5#煤层采用套管固井完井+定向射孔+分段压裂水平井工艺，产气量稳产6 000 m3/d以上，煤层气水平井获得高产。2016 年大宁—吉县区块吉4—吉10井区新增煤层气探明储量222.31×108 m3[27]。浅层煤层气勘探证实了鄂尔多斯盆地东缘煤层气勘探开发的前景，但单井产量总体较低，压裂规模总体较小，见气周期长，未取得实质性突破。

1.2 煤岩气规模勘探开发阶段（2019年至今）

2019−2021年，在“微超压、高饱和吸附成藏”认识指导下开展“地质-工程”双甜点评价，2 000 m 以深的煤层天然气勘探取得突破。中国石油煤层气公司大宁—吉县区块西部斜坡带大吉3-7向2井，8#煤层埋深2 217~2 225 m，采用活性水+清洁液复合压裂液，投产即见气，稳产3 500 m3/d[27]。吉深6-7平01井采用极限体积压裂改造，当天点火可燃，获得10.1×104 m3/d高产工业气流。大宁—吉县区块提交探明地质储量1 121.62×108 m3，成为国内首个埋深超2 000 m、探明地质储量超千亿方的高丰度整装大型煤层天然气气田[18,27]。中国石油长庆油田公司对盆地内部Y160井8#煤层（埋深2 381.5 m）进行排采，33 d后产气，最高产气量达到1 669 m3/d，稳定产气量1 100~1 300 m3/d。实现盆地东缘煤层天然气勘探向盆地内部深层延伸，初步认识到盆地内部深层煤岩富含游离气、试采见气早，具吸附气与游离气共存的特征。2022年，得益于体积压裂技术的升级，借鉴非常规页岩油“直井控藏+水平井提产”开发理念的推广，中国石油长庆油田公司在盆地中东部8#煤层部署实施风险探井NL1H井，埋深3 246.09 m，采用前置酸、胍胶加砂压裂改造，开井见气，试气获5.0×104 m3/d高产气流，同时完试的Y160H井（埋深2 381.5 m），采用聚合物变黏滑溜水（VSW滑溜水）加砂压裂改造，次日点火可燃，试气获得4.8×104 m3/d高产气流，实现了盆地内部煤岩气的战略性突破。2023年以来，围绕NL1H、M172H优选地质工程一类甜点区，覆盖开发评价及先导试验井组，2023年完钻水平井23口，平均水平段长1 265.5 m，钻遇煤层1 192.0 m，钻遇率94.2%，M172H井（垂深2 415.49 m）、J26H井（垂深3 093.71 m）、T11井（垂深2 625.48 m）、HT8H（垂深3 206.45 m）试气产量均突破10×104 m3/d，其中HT8H试气获18.2×104 m3/d，刷新了长庆油田公司煤岩气单井日产最高纪录。

2 深层煤岩特征

2.1 煤系发育环境

晚石炭世，华北板块位于北纬30°以南，气候温暖湿润，植被发育，平缓的地形发生区域性海平面变化，在鄂尔多斯盆地形成广泛分布的海陆过渡相煤系，自上而下发育10层煤层，其中，5#煤层和8#煤层为主力煤层（见图1）。5#煤层主要形成于三角洲平原河间洼地和三角洲前缘分流间湾的泥炭沼泽环境，全硫含量低，而8#煤层形成于受海水影响的近滨海平原、潮坪环境，全硫含量高（见图2）。由于受物源区碎屑物质供给能力及大规模海退的影响，不论是从煤的工业分析，还是煤岩显微组分、无机元素分布特征，都证实盆地成煤环境自北部、南部物源区向盆地中部汇水区受陆源碎屑输入的影响减弱，水体还原性增强，更有利于凝胶化作用的发生[29-30]。
图1 鄂尔多斯盆地构造单元（a）及地层综合柱状图（b）
图2 鄂尔多斯盆地山西组2段（a）和本溪组（b）含煤建造连井剖面图（剖面位置见图1）

2.2 煤层分布特征

晚古生代木本植物发育，植物遗体堆积速率与沼泽水面上升速率基本一致，在均衡补偿条件下，泥炭层不断增厚。多期泥炭沼泽相大面积叠合发育，在盆地形成厚煤层。主力煤层5#煤层厚2~8 m，平均厚3.0 m，厚煤层呈条带状展布，主要分布在苏里格—靖边—吴堡一线以北地区、盆地东南部大宁—吉县—合阳地区以及盆地西南部庆阳—华池一线以西地区（见图3a）；8#煤层全盆发育，连续性好，厚度较5#煤层大，煤层厚6~16 m，平均厚7.8 m，煤层聚煤中心主要分布在乌审旗—横山—吴堡一线以北地区以及盆地东南部大宁地区，煤层厚度超过8 m，向西向南部煤层变薄（见图3b），呈东北—西南向彼此叠合的条带状展布。地震地质解释剖面研究表明：鄂尔多斯盆地8#煤层为连续强振幅，连续性好；5#煤层为断续中—较强振幅，连续性较好（见图4）；总体呈现盆内构造简单、地层平缓、两翼构造复杂，煤层东厚西薄、东浅西深的展布格局（见图3、图4）。
图3 鄂尔多斯盆地5#煤层（a）、8#煤层（b）埋深与厚度展布图
图4 鄂尔多斯盆地东西向地震地质解释剖面（剖面位置见图1）

3 煤岩气富集条件

3.1 煤岩热演化程度高、生烃能力强

煤岩烃源岩是形成煤岩气的基础。鄂尔多斯盆地5#煤和8#煤总有机碳含量、氯仿沥青“A”及总烃含量相对较高。5#煤总有机碳含量为49.3%~89.2%，平均为73.6%，氯仿沥青“A”含量为0.203 3%~2.449 1%，平均为0.801 2%，总烃含量为（519.9~6 699.9）×10-6，平均2 539.8×10-6。8#煤总有机碳含量为55.4%~80.3%，平均值为70.8%，氯仿沥青“A”含量为0.406 2%~0.966 0%，平均为0.770 6%，总烃含量为（240.0~4 556.5）×10-6，平均值为2 896.2×10-6。鄂尔多斯盆地5#煤和8#煤生烃潜力总体较好，生烃潜量为4~220 mg/g、氢指数为10~260 mg/g，按照董泽亮等[31]对中—高演化阶段煤的生烃潜力评价标准，生烃潜量为6~10 mg/g、氢指数为12~18 mg/g为较好的烃源岩，生烃潜量大于10 mg/g、氢指数大于18 mg/g为好的烃源岩，上古生界煤中约75%的煤样属于较好—好的烃源岩。煤岩煤阶高低控制生烃能力强弱。一般褐煤甲烷生成量较少，无烟煤甲烷生成能力强，可达590 m3/t[24]。鄂尔多斯盆地5#煤和8#煤Ro值主要在1.2%~2.4%，为中高变质烟煤—无烟煤，生气能力强。

3.2 煤岩孔缝发育、利于煤岩气储集

煤岩储层的发育、展布特征以及储集性能决定了吸附气和游离气的比例，最终影响煤岩气的富集程度。针对研究区26块煤岩样品开展了储层特征测试分析。鄂尔多斯盆地5#煤层孔隙度为2.5%~5.5%，平均为4.1%；8#煤层整体孔隙度较高，孔隙度为4.8%~9.0%，平均为6.4%（见图5a）；5#煤层渗透率为（2.4~21.1）× 10-3 μm2，平均为8.7×10-3 μm2，8#煤层渗透率为（2.3~98.5）×10-3 μm2，平均为15.7×10-3 μm2（见图5b）。煤岩割理和裂隙极为发育，割理一般3~33 条/5 cm，平均7~8条/5 cm，割理和裂隙的发育程度对渗透率影响很大，裂隙越发育渗透率越大。
图5 鄂尔多斯盆地深层煤岩孔隙度（a）、渗透率（b）分布特征
前人研究表明[32]，煤岩具有孔隙-裂隙双重介质储集空间，其中吸附孔（微孔和介孔）主要是影响气体的吸附和扩散，而渗流孔（宏孔与裂隙）是气体渗流的主要路径[33]。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）分类方法[34]，将孔隙按照孔径大小分为微孔（小于2 nm）、介孔（2~50 nm）、宏孔（大于50 nm）。微米CT扫描可对煤岩中部分宏孔、微裂缝的空间展布及连通程度进行定量表征[35-36]。受柱体煤样（高5.0 cm×直径2.5 cm）的高度和直径、实验曝光时间等因素的影响，微米CT扫描的最高分辨率约为10 μm，高压压汞实验数据基于Washburn 方程可计算得到有效孔径测量范围3 nm~10 μm，高压压汞测试结果的上限与本文微米CT扫描的分辨率接近[37]。本文以10 μm（10 000 nm）作为裂缝表征下限，通过CO2吸附、低温N2吸附、高压压汞以及微米CT扫描分析，采用微孔（小于2 nm）、介孔（2~50 nm）、宏孔（50~10 000 nm）和裂缝（大于10 000 nm）四分法表征深层煤岩全孔径储集空间结构特征，结果表明5#煤和8#煤孔隙均以微孔和裂缝为主，孔缝体积以“U”型分布，呈现出微孔与裂缝并存的特点（见图6）。如Q35井（样品Q35-8-2-7）8#煤孔裂隙体积为0.098 cm3/g，其中微孔贡献最大，微孔单位质量体积为0.067 cm3/g，占孔缝体积的68.6%；其次为裂缝，裂缝单位质量体积为0.025 cm3/g，占比为25.3%；介孔和宏孔体积最小，占比分别为2.9%，3.2%。WT1H井（样品WT1H-5-1-14）5#煤孔裂隙单位质量体积为0.049 cm3/g，裂缝和微孔贡献相当，其中裂缝单位质量体积为0.020 cm3/g，占孔缝体积的41.1%；微孔单位质量体积为0.020 cm3/g，占比为41.0%；介孔和宏体积最小，占比分别为9.0%，8.9%。
图6 鄂尔多斯盆地深层煤岩各类储集空间分布特征
孔缝发育程度与演化程度密切相关：随着Ro值升高，煤岩中微孔体积和比表面积呈增大趋势，表明随着煤阶的升高，煤岩微孔越发育，裂缝体积呈减少趋势可能与煤层埋深增大、压实作用增强有关（见图7a、图7b）。随着灰分的增加，煤岩中微孔和裂缝体积以及微孔比表面积减小，表明灰分对煤岩孔缝发育有负向的影响（见图7c、图7d）。由于煤层非均质性极强，不同沉积背景下形成的煤岩灰分差别较大，以黏土矿物为主的矿物质在沉积初期会充填原生的植物胞腔孔隙，对原生孔隙进行改造，同时高灰分煤岩一般沉积于相对氧化作用程度更高的沉积环境，显微组分惰质体含量高而镜质体含量低，影响后期煤演化作用过程中的气孔的形成以及割理、裂隙的发育。
图7 鄂尔多斯盆地深层煤岩储集空间与热演化程度（a、b）和灰分含量（c、d）相关关系
本溪组8#煤岩孔隙发育特征与工业分析的成分特征在纵向上存在较为明显的非均质性[38]，下段半亮煤整体孔隙度相对较低，工业分析的成分中灰分含量相对较高，而中上段光亮煤和半亮煤孔隙度相对较高，且工业分析的成分中固定碳含量较高、灰分含量相对较低。灰分较高、固定碳含量较低的煤岩样品孔隙度较低（见图8），孔隙度与灰分含量呈明显的负相关性、与固定碳含量呈明显的正相关性。这一相关性特征表明，8#煤岩孔隙发育特征受陆源矿物输入的影响，灰分含量较高易导致孔、裂隙遭受充填从而使得煤岩孔隙度降低。全孔径孔体积分布特征指示了8#煤岩下段整体孔隙欠发育，微孔和大孔发育程度均不如中上段光亮煤和半亮煤样品，这与孔隙度发育特征相对应。综合上述8#煤岩成分工业分析结果，8#煤岩中上段光亮煤灰分含量相对较低，孔、裂隙更为发育，为优质储层发育层段。而下段半亮煤由于受陆源矿物充填的影响会导致孔隙充填，不利于煤岩气的储集保存。
图8 M172井本溪组8#煤岩特征综合柱状图

3.3 煤岩含气量高、游离气占比高

通过岩心现场解析方法获取煤岩总含气量，利用获得的煤岩甲烷等温吸附实验参数（拉格缪尔体积、压力）和储层压力求取煤岩最大吸附气含量，二者差值即为煤岩游离气含量，并计算获得吸附气、游离气占比。实验结果表明鄂尔多斯盆地5#煤层总含气量为7.5~20.0 m3/t，平均为13.0 m3/t。其中，吸附气含量为5.7~13.6 m3/t（见图9a），平均为8.5 m3/t，游离气含量为1.7~8.0 m3/t（见图9b），平均为4.5 m3/t。8#煤层总含气量较高，为15.1~32.7 m3/t，平均为24.6 m3/t。其中，吸附气含量为12.3~27.2 m3/t（见图9a），平均为19.2 m3/t，游离气含量为1.7~10.1 m3/t（见图9b），平均为5.4 m3/t。鄂尔多斯盆地煤岩气中，游离气含量占比为11.0%~55.1%，这与浅层煤层气吸附气含量总体超过90%、游离气占比低于10%[20]具有明显差异。
图9 鄂尔多斯盆地深层煤岩含气性分布特征
吸附气量与微孔比表面积呈现明显正相关关系，表明随微孔比表面积的增大，吸附气量逐渐增大，微孔可以提供大量吸附点位，为煤岩天然气的吸附和赋存场所。吸附气量与微孔体积也呈现明显正相关关系，主要因为煤岩孔缝隙体积由微孔贡献为主。微孔具有较大的比表面积，控制着煤岩的吸附气量，表明微孔主要控制了深层煤储层中吸附甲烷的能力。游离气量与宏孔、裂缝体积呈现正相关关系，表明随宏孔、裂缝体积的增大，游离气量逐渐增大（见图10），宏孔、裂缝可以提供储集空间，为煤岩气的富集提供空间。研究表明随着煤岩的埋深增加到一定深度，地层压力对吸附的正向作用小于温度的解吸作用也即对吸附的负向作用，导致吸附气逐渐达到饱和状态（吸附饱和度为100%）并进入原地游离气赋存阶段，形成深部超饱和煤岩天然气藏[39]。与浅层煤层受构造活动影响较大相比，深部煤岩构造较为稳定，储层保存条件较好，为游离气的保存提供了有利储集空间。因此，在深层煤岩储层中，宏孔和微裂缝体积越大，可容纳的游离气量越大，宏孔和微裂缝主要控制了深层煤岩中游离气的储集能力。
图10 鄂尔多斯盆地深层煤岩储集空间特征与吸附气量（a、b）、游离气量（c、d）相关关系

3.4 源内原位聚集、顶板封存条件好

煤岩气具有“源储一体、持续生烃、箱式封存”的成藏特征，由于煤岩产气能力强，生成未排出的甲烷被强力封存在煤岩孔隙中，决定了煤岩气具有“高压力、高温度、高含气、高饱和、高游离”的五高赋存特征，与中浅层煤层气截然不同（见图11）。
图11 鄂尔多斯盆地8#煤层煤岩气、煤层气成藏模式对比图
封闭性好的顶底板组合为煤岩气富集提供理想的保存条件，煤岩自身形成的天然气能否有效保存在煤岩储层中形成自生自储的煤岩气，很大程度上受煤层顶底板的封存能力的影响，较好的顶底板围岩能够有效地阻止煤岩气向外逸散[27]。其中泥岩由于较为致密、渗透性较差，能够对天然气的逸散进行有效的隔档，一般情况下厚层泥岩和致密灰岩是较好的封盖层，砂岩顶板对煤岩气成藏极为不利。8#煤层厚度大，分布连续，煤岩顶板岩性为灰岩、泥岩，底板岩性为泥岩，封闭条件好。地震剖面上煤岩反射连续，顶底反射显示岩性突变，灰岩反射特征明显，封存条件好坏因成藏组合特征不同呈差异性分布。其中，泥岩底板是具有理想的封堵性，而砂岩底板由于储集性能好、渗透性好、封存能力较弱，不利于本溪组煤岩气的保存。泥岩/灰岩（顶板）—煤层—泥岩（底板）的成藏组合条件下，煤岩气测总体较高，成藏条件较好。
根据煤层顶板岩性变化，5#煤层划分为煤泥、煤砂两种聚散组合，8#煤层划分为煤灰、煤泥、煤砂3种聚散组合（见图12），其中煤灰、煤泥组合气测峰值一般65%~95%，含气性好。根据煤岩压力测试分析，煤灰、煤泥组合封盖性好，煤岩与顶底板隔层应力差6.7~12.0 MPa，满足大规模改造的应力封隔条件。
图12 鄂尔多斯盆地5#煤层（a）和8#煤层（b）聚散组合对比剖面图（剖面位置见图1；GR—自然伽马；Δt—声波时差）

4 煤岩气资源潜力与勘探方向

4.1 煤岩气资源潜力

4.1.1 煤岩气资源量计算方法

目前煤层气的资源量计算方法主要有体积法、类比法和数值模拟法等[40-41]，煤岩气尚无资源量计算规范标准。本次煤岩气资源量计算参考煤层气资源量计算方法，综合考虑煤岩气气藏特征、勘探程度和地质认识程度，选择体积法作为盆地煤岩气资源量计算的方法[42]。
$Q\text{=0}\text{.01}Ah\rho q$
式中 Q——煤岩气资源量，108 m3；A——含气面积，km2，h——煤层有效厚度，m；ρ——煤岩平均密度，t/m3；q——实测煤岩平均含气量，m3/t。

4.1.2 评价参数确定

煤岩气资源评价分5#煤层、8#煤层2个层，综合考虑煤岩厚度、热演化程度、聚散组合类型、埋深、含气量等因素，将8#煤层划分为11个评价区带（见表1），5#煤层划分为16个评价区带（见表2）。煤岩气赋存于煤岩储层中，处于“临界深度”以下。临界深度受煤阶控制，中高煤阶含气量临界深度为1 500~1 800 m[21]，鄂尔多斯盆地5#煤层和8#煤层Ro值主要为1.2%~2.4%，为中高煤阶烟煤—无烟煤，因此鄂尔多斯盆地煤岩气资源量评价起算深度定为1 500 m。煤层厚度主要采用等值线面积权衡法，含气量参数采用评价区带内所有实测煤岩含气量的平均值，煤岩密度取评价区带内所有实测视密度平均值，具体取值见表1和表2。
表1 鄂尔多斯盆地8#煤层煤岩气资源量评价数据表
序号 区带名称 面积/km2 平均煤厚/m 密度/(t·m-3) 平均含气量/(m3·t-1) Ro/% 埋深/m 资源量/108 m3
1 鄂托克旗 8 999 4.2 1.4 15.0 1.2~2.0 3 500~4 000 7 937
2 乌审旗北 7 349 6.4 1.4 17.0 1.2~2.0 2 500~3 500 11 194
3 鄂尔多斯—神木 19 050 9.0 1.4 15.0 0.6~1.2 1 500~3 000 36 005
4 鄂托克前旗 4 190 3.3 1.4 15.0 1.2~1.6 3 500~4 000 2 904
5 定边—吴起 21 420 3.0 1.4 18.0 1.6~2.0 3 500~4 000 16 194
6 乌审旗 15 277 7.0 1.4 24.0 1.6~2.4 2 500~3 500 35 932
7 横山—绥德 8 682 8.5 1.4 25.0 1.6~2.4 1 500~3 000 25 829
8 吴起西 4 831 3.0 1.4 18.0 1.8~2.2 3 500~4 000 3 652
9 子长 10 400 3.0 1.4 23.0 1.8~2.8 2 000~3 500 10 046
10 延安 9 457 5.0 1.4 25.0 2.6~3.0 1 500~3 000 16 550
11 宜川 8 346 3.0 1.4 24.0 2.2~3.0 1 500~3 500 8 413
合计 118 001 174 654
表2 鄂尔多斯盆地5#煤层煤岩气资源量评价数据表
序号 区带名称 面积/km2 平均煤厚/m 密度/(t·m-3) 平均含气量/(m3·t-1) Ro/% 埋深/m 资源量/108 m3
1 鄂托克旗 1 015 3.30 1.4 18.0 1.6~2.0 3 500~4 000 844
2 乌审旗北 3 791 4.10 1.4 18.0 1.2~2.0 2 500~3 500 3 917
3 鄂尔多斯 4 395 5.20 1.4 11.0 0.6~1.2 1 500~3 000 3 520
4 神木北 3 721 5.00 1.4 11.0 0.6~1.2 1 500~2 500 2 865
5 神木南 2 925 5.10 1.4 11.0 0.8~1.2 1 500~2 000 2 297
6 榆林 4 322 6.00 1.4 20.0 1.2~2.0 2 000~3 000 7 261
7 乌审旗—横山 5 259 4.00 1.4 20.0 1.4~2.0 2 500~3 500 5 890
8 乌审旗西 587 4.00 1.4 18.0 1.4~2.0 3 000~3 500 592
9 鄂托克前旗东 1 536 3.00 1.4 18.0 1.6~2.0 3 500~4 000 1 161
10 鄂托克前旗西 649 3.00 1.4 18.0 1.4~2.0 3 500~4 000 491
11 纳林河西 466 2.50 1.4 20.0 1.6~2.0 3 000~3 500 326
12 米脂 2 331 2.80 1.4 23.0 1.6~3.0 2 000~3 000 2 102
13 临县西 1 458 4.50 1.4 22.0 1.2~2.8 1 500~2 500 2 021
14 定边 650 2.50 1.4 20.0 1.6~2.0 3 500~4 000 455
15 靖边西 1 265 2.50 1.4 20.0 1.6~2.4 3 500~4 000 886
16 宜川—黄陵 9 843 4.80 1.4 22.0 1.6~3.0 1 500~3 000 14 552
合计 44 213 49 179

4.1.3 煤岩气地质资源量及分布

依据体积法，初步估算盆地深层（埋深大于1 500 m）煤岩叠合总面积16.50×104 km2，煤岩气资源量合计22.38×1012 m3，其中8#煤层煤岩气资源量为17.47× 1012 m3，5#煤层煤岩气资源量为4.92×1012 m3。8#煤层煤岩气资源量主要分布在鄂尔多斯—神木、乌审旗、横山—绥德、延安、定边—吴起5个评价区带，其资源量占8#煤层煤岩气总资源量的75%，5#煤层煤岩气资源量主要分布在宜川—黄陵、榆林、乌审旗—横山、乌审旗北、鄂尔多斯5个评价区带，其资源量占5#煤层煤岩气总资源量的71%。

4.2 煤岩气勘探方向及有利区评价

通过煤岩储层特征、含气性和成藏因素分析，结果表明可观的煤层厚度（大于2 m）、合适的煤阶（焦、瘦、贫、无烟煤）、较好的聚散组合（煤泥、煤灰）、适宜的埋藏深度（1 500~4 000 m）是煤岩气富集主要控制因素。因此，依据煤厚、煤阶、埋深、聚散组合等参数，建立了5#及8#煤层煤岩气有利区评价标准（见表3、表4）。有利区评价结果表明（见图13），5#煤层煤岩气Ⅰ类有利区1个，分布在临县西，面积1 458 km2；Ⅱ类有利区2个，主要分布在米脂地区和宜川—黄陵地区，合计面积12 174 km2；Ⅲ类有利区2个，主要分布在榆林地区和乌审旗—横山地区，合计面积9 581 km2。8#煤层煤岩气Ⅰ类有利区3个，分布在乌审旗、横山—绥德及延安地区，合计面积33 416 km2；Ⅱ类有利区2个，分布在子长和宜川地区，合计面积18 746 km2。有望形成新的天然气规模储量、产量增长区。
表3 鄂尔多斯盆地5#煤层煤岩气有利区评价标准
综合评价 Ro/% 聚散组合 煤层厚度/m 埋深/m
Ⅰ >1.2 煤泥 >4 1 500~3 500
Ⅱ >1.2 煤泥 2~4 1 500~3 500
Ⅲ >1.2 煤砂+煤泥 >4 1 500~3 500
Ⅳ >1.2 煤砂+煤泥 2~4 1 500~3 500
Ⅴ >1.2 煤砂+煤泥 2~4 3 500~4 000
Ⅵ >1.2 煤砂 >4 1 500~3 500
Ⅶ >1.2 煤砂 2~4 3 500~4 000
Ⅷ <1.2 煤砂+煤泥 >4 1 500~3 500
Ⅸ <1.2 煤砂 >4 1 500~3 500
表4 鄂尔多斯盆地8#煤层煤岩气有利区评价标准
综合评价 Ro/% 聚散组合 煤层厚度/m 埋深/m
Ⅰ >1.2 煤泥+煤灰/煤灰 >4 1 500~3 500
Ⅱ >1.2 煤泥+煤灰/煤灰 2~4 1 500~3 500
Ⅲ >1.2 煤泥+煤灰/煤灰 2~4 3 500~4 000
Ⅳ >1.2 煤砂+煤泥 >4 1 500~3 500
Ⅴ >1.2 煤砂+煤泥 >4 3 500~4 000
Ⅵ >1.2 煤砂+煤泥 2~4 3 500~4 000
Ⅶ <1.2 煤砂+煤泥 >4 1 500~3 500
图13 鄂尔多斯盆地5#煤层与8#煤层煤岩气有利区分布图

5 结论

鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系广泛发育厚层煤层，山西组5#、本溪组8#煤层为主力煤层，深层煤层中割理和裂隙发育，其与微孔共同构成主要的储集空间，且随着演化程度增高，微孔体积呈增大趋势。
受温度负效应的影响，深层煤层吸附气达到饱和状态并进入原地游离气赋存阶段，形成煤岩气中游离气含量高，游离气占比超过10%，游离气富集程度主要受控于宏孔和微裂缝的发育程度。
鄂尔多斯盆地深层煤层有机质丰度高，生气能力较强，处于高成熟热演化阶段，为煤岩气形成奠定了良好的物质基础。储集性能总体较好，尤其以上段光亮煤孔裂隙发育、宏孔多、灰分低、含气量高、游离气占比高为特点，煤岩气富集条件较好。此外，源内原位聚集，顶板封存条件好，具有较好的煤岩气保存条件。
通过体积法初步评价了鄂尔多斯盆地煤岩气资源潜力，估算盆地煤岩气资源量合计22.38×1012 m3。此外，优选了鄂尔多斯盆地中东部的乌审旗、横山—绥德、延安、子长以及宜川地区是本溪组8#煤层煤岩气有利勘探区，盆地中东部的临县西、米脂、宜川—黄陵、榆林以及乌审旗—横山地区是山西组5#煤层煤岩气有利勘探区，有望形成新的天然气规模储量、产量增长区。煤岩气将是未来鄂尔多斯盆地天然气勘探重要接替领域。

感谢论文撰写过程中长江大学文志刚教授团队在煤岩气富集条件分析方面对本文提出的宝贵建议。

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