鄂爾多斯盆地府谷地區深部煤層氣富集成藏規律及有利區評價

郭廣山，徐鳳銀，劉麗芳，蔡益棟，秦 瑋，陳朝暉，鄧紀梅，李卓倫

(1.中海油研究總院非常規研究院，北京 100028；2.中國石油學會，北京 100724；3.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083；4.中海油研究總院鉆采研究院，北京 100028)

近年來，隨著中國能源需求的持續增長和環境保護意識的提高，非常規天然氣資源勘探開發越來越受到關注。作為一種重要的非常規天然氣資源，煤層氣勘探開發進展迅速，呈現由單一煤層向煤系、從高階煤向低階煤、從中淺部向深部煤層氣發展趨勢[1-4]。最新評價結果顯示，我國埋藏深度在1 500～3 000 m 的煤層氣地質資源量約為30.37×1012m3，勘探開發潛力巨大，是當前煤層氣領域研究的熱點[5]。當前，深部煤層氣富集成藏理論和勘探開發技術研究取得一定進展，主要包括：地質認識方面，深部煤巖具有“微孔、多孔、特低滲”的致密儲層特征，具有“高壓力、高溫度、高含氣量、高飽和度、高游離氣含量”的賦存特征，具有“強封存”的成藏特征；開發方面，針對深煤層特殊性，形成了顛覆性的深煤層“極限體積壓裂”和煤層氣全生命周期一體化采氣等技術[6-8]?？v觀我國煤層氣發展歷程，深部煤層氣勘探開發處于起步階段，理論體系和工程工藝尚在不斷探索和突破，仍面臨諸多地質理論與開發技術的挑戰[1-4]。

鄂爾多斯盆地東緣(鄂東緣)是我國深部煤層氣開發重點區域，具有深部煤系分布廣、厚度大、旋回性強的特點，巖性組合類型豐富，成藏模式差異明顯，具備深部煤層氣資源基礎[9-10]。近幾年鄂東緣的大寧–吉縣、延川南、臨興–神府等區塊深部煤層氣勘探開發均取得顯著突破，針對深部煤層氣勘探面臨的基礎理論和技術難題，國內學者們也進行了一定程度的研究，揭示了深部煤層氣具有“廣覆式生烴，自生自儲毯式成藏”特征，建立了“微幅褶皺、單斜與水動力耦合、斷層與水動力耦合、鼻狀構造”等4 種模式[6,11]，相關基礎研究推動深部煤層氣規模效益勘探開發。然而，不同深部煤層氣田富集規律和勘探潛力存在差異。神府區塊自2022 年開始進行深部煤層氣勘探評價，經過一年多現場勘探作業和室內深部煤層氣資源潛力研究，2023 年10 月23 日中國海油發布消息，在鄂爾多斯盆地東緣2 000 m 地層發現我國首個千億方深煤層氣田，神府深煤層大氣田探明地質儲量超1 100 億m3。府谷地區作為神府深煤層大氣田一部分，目前勘探開發還處于初期階段，亟需明確其深部煤層氣富集成藏特征和開發潛力。筆者綜合應用地震資料、測井、鉆井和煤巖測試等資料，在系統分析深部煤層氣基礎地質的基礎上，探討研究區煤層氣富集規律，提出成藏模式，建立地質-工程雙甜點評價體系，優選開發初期的有利區塊，旨在為府谷地區深部煤層氣勘探開發提供理論依據和技術支持。

1 研究區概況

1.1 構造背景

府谷地區位于鄂爾多斯盆地東北緣，構造上橫跨鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶和伊陜斜坡構造帶，整體上呈西傾的單斜構造，地層傾角2°～10°，主要發育SN 走向逆斷層，對構造形態具有控制作用。受區域構造演化和現今構造特征的影響，研究區自東向西劃分為“中-深部平緩帶、斜坡帶、撓褶帶、深部平緩帶”4 個次級構造單元(圖1)。

圖1 研究區位置及綜合柱狀圖Fig.1 Location and composite stratigraphic column of the study area

1.2 沉積地層

研究區含煤層系為下二疊統的太原組和山西組，沉積環境經歷由海相-海陸過渡相-陸相的演化過程。太原組以潟湖–潮坪沉積為主，廣泛發育泥炭沼澤；山西組以三角洲平原沉積為主，局部為泥炭沼澤。山西組發育1-5 號煤層，太原組發育6-9 號煤層，其中，山西組4+5 號和太原組8+9 號煤層為主力開發煤層。

2 深部煤層氣地質特征

2.1 煤層厚度與埋深

二疊系下統山西組4+5 號煤層厚度為3.2～5.8 m，平均4.1 m，僅在區塊的東北角厚度達到5 m 以上，煤層分布穩定；太原組8+9 號煤層厚度為8.7～13.5 m，平均11.7 m，全區厚度大且平面變化較小，僅在東南角厚度分布在10 m 以下(圖2a)。穩定且厚度較大的煤層為甲烷吸附提供了可靠的空間，也為工程施工提供了基礎保障。

圖2 府谷地區8+9 號煤層埋深與厚度等值線Fig.2 Isobath and isopach maps of coal seams 8+9 in the Fugu area

受地表變化和構造形態共同控制，主力煤層埋藏深度呈“東淺西深”變化特征，4+5 號煤層埋深為1 000～1 900 m，平均1 450 m；太原組8+9 號煤層埋深為1 100～2 000 m，平均1 530 m。受斷層控制影響，在東部和西部煤層埋深變化相對平緩，靠近中部斷層附近，煤層埋深由1 600 m 左右陡增到1 800 m(圖2b)。依據DZ/T 0216-2020《煤層氣儲量估算規范》對埋藏深度進行分類，府谷地區為典型深部煤層氣田。

2.2 煤巖特征

2.2.1 煤變質程度

受深成變質作用影響，府谷地區主力煤變質程度表現出與埋深一致的變化趨勢，平面上呈現“由東向西”增大的特征。主力煤層鏡質體最大反射率Rmax為0.96%～1.42%，煤類從東向西依次發育氣煤、肥煤和焦煤。

2.2.2 煤層結構

煤層結構復雜程度對煤層氣有利區優選和配套工程工藝具有重要指導意義。通常依據夾矸層數和夾層物質來判斷煤層結構的復雜程度[12]。通過鉆井揭示和測井資料描述，2 套主力煤層均為簡單結構煤層，4+5 號煤層在上部和下部各發育一套夾矸，厚度在0.5～1.5 m；8+9 號煤層僅在下部發育一套夾矸，厚度小于1.0 m(圖3)。

圖3 典型井煤巖特征綜合評價結果Fig.3 Comprehensive evaluation results of coals in typical wells

2.2.3 宏觀煤巖類型

不同宏觀煤巖類型物理性質存在顯著差異，主要表現在吸附性、可壓性和滲流條件等方面。前人研究認為光亮煤和半亮煤更有利于煤層氣富集成藏，開發效果較好[12]。4+5 號煤層以半亮煤-半暗煤為主，在中上部發育一套薄層半暗煤條帶，中下部主要以半亮煤條帶為主；8+9 號煤層以半亮煤為主，僅在下部發育一套薄層半暗煤條帶(圖3)。

2.2.4 煤體結構

煤體結構影響裂隙系統發育，進而控制煤層滲透率、含氣量及煤粉產出[12]。通過測井資料和煤巖描述結果揭示，4+5 號煤層以原生結構煤為主，在上部靠近頂板的位置發育一套厚度在0.8～1.5 m 碎裂結構煤條帶；8+9 號煤層以原生-碎裂結構煤為主，在靠近煤層頂板和底板的位置均發育一套厚度在1.5 m 左右的碎裂結構煤條帶(圖3)。

2.3 含氣性

2.3.1 含氣量

依據煤樣自然解吸實驗測試結果顯示，4+5 號煤層含氣量在3.0～12.0 m3/t，平均6.8 m3/t，平面上呈現“東高西低”的分布特征，高含氣區主要分布在東南部，在8.0 m3/t 以上；8+9 號煤層含氣量在7.5～18.5 m3/t，平均11.8 m3/t，高含氣區分布在西南部，為15.0 m3/t 以上(圖4)。

圖4 主力煤層含氣量分布Fig.4 Contour maps of gas content in dominant coal seams

2.3.2 含氣飽和度

含氣飽和度是深部煤層氣富集成藏和高產關鍵參數之一。煤變質程度和溫壓場是深部煤層含氣飽和度主控因素。隨著埋藏深度增大，儲層壓力和地層溫度上升，壓力的吸附正效應和溫度的吸附負效應共同控制含氣量[13]。依托繩索取心解吸實驗結果、試井測試和煤巖試驗等數據，利用多元回歸方法建立含氣量與鏡質體最大反射率、儲層壓力和地層溫度的擬合關系式，結合等溫吸附實驗進一步計算實測儲層壓力下等溫線上所對應的含氣量，計算煤層含氣飽和度，具體公式如下：

計算結果顯示，區內主力煤層含氣量飽和度為中-高，且平面非均質性強，主要在35.0%～115%。平面上，高含氣區主要分布在東部和南部，含氣飽和度在70%以上；縱向上，8+9 號煤層含氣飽和度高于4+5 號煤層，整體表現出4 個特征：(1) 在埋深1 100～1 950 m，含氣量與含氣飽和度相關性基本一致，規律性較強；(2) 隨著埋深增加，儲層壓力增加，含氣量呈現緩慢增加的趨勢，但是相關性一般；(3) 在埋深1 100～1 950 m，地層溫度對吸附負效應愈加明顯，含氣量對含氣飽和度起決定性作用，煤變質程度、溫壓場次之，其共同作用決定含氣飽和度(圖5)。

圖5 主力煤層含氣飽和度分布Fig.5 Contour maps showing the gas saturation of dominant coal seams

2.4 煤的物性條件

深部煤層具有“微孔、多孔、特低滲”致密儲層特征?；|孔隙發育情況反映煤層儲集能力強弱，裂隙是煤層氣運移通道，裂隙發育程度影響煤層滲透率[14]。本文依托煤巖密度實驗、低溫液氮測試分析實驗、X-CT 實驗、核磁共振實驗和注入/壓降試井等測試技術，從不同維度對煤儲層物性進行評價。

煤心實驗測定結果顯示，山西組4+5 號煤的總孔隙率為3.8%～8.8%，平均為6.3%。太原組8+9 號煤層的總孔隙率為2.2%～7.6%，平均為5.2%。

煤樣低溫液氮測試結果(圖6a)表明，BET 比表面積為1.9～4.2 m2/g，平均2.7 m2/g；總孔隙體積為0.000 6～0.001 3 cm3/g，平均0.000 97 cm3/g；平均孔隙直徑主要分布在16.1～22.5 nm，平均18.3 nm，說明以納米級孔隙為主，滲流能力較差。

圖6 煤樣液氮和核磁共振結果Fig.6 Results of liquid nitrogen tests and nuclear magnetic resonance experiments of coal samples

煤樣X-CT 掃描結果顯示，微孔和小孔較發育，其中孔徑為0～50 μm 的孔隙占比32.95%，50～100 μm 占比35.17%，100～150 μm 占 比17.67%，150～200 μm 占比7.00%，200～300 μm 占比4.40%，大于300 μm 的占比2.82%。

核磁共振實驗結果(圖6b)表明，核磁測試孔隙率主要分布在0.66%～4.35%，平均2.15%。其中，太原組煤的孔隙率平均值為2.28%，山西組煤的孔隙率平均值為2.17%。

注入/壓降試井測試結果，8+9 號煤層的試井滲透率在(0.01～0.09)×10-3μm2，平均0.07×10-3μm2，屬于低滲透儲層，對后期儲層改造提出更高的要求。

3 深部煤層氣富集主控因素與成藏模式

3.1 富集主控因素

深部煤層氣富集成藏受到“生-儲-?！瘪詈峡刂谱饔?，其中煤變質程度決定生氣量，煤巖煤質特征決定儲存能力，保存條件決定現今含氣量。以往研究成果認為含氣量影響因素諸多，考慮到府谷地區煤儲層特征，本次選取鏡質體最大反射率，灰分質量分數、鏡質組體積分數和保存條件等主控因素對研究區深部煤層氣富集成藏規律進行評價。

1) 生烴能力

煤變質程度是評價生烴能力的主要指標之一。鏡質體最大反射率被認為是最關鍵的有機質成熟度指標，較高的鏡質體最大反射率意味著更大的生氣量，有利于煤層氣的富集成藏。4+5 號煤層鏡質體最大反射率為0.80%～1.04%，平均0.83%；8+9 號煤層鏡質體最大反射率為0.98%～1.04%，平均0.91%。建立鏡質體最大反射率與含氣量的關系圖表明，兩者呈正相關關系，隨著Rmax的增加，含氣量呈現增加的趨勢(圖7a)。

圖7 含氣量與生-儲-保參數關系Fig.7 Gas content vs.parameters of hydrocarbon generation,gas storage,and gas reservation

2) 儲集能力

有機顯微組分含量和灰分質量分數共同影響含氣量儲存能力。不同顯微組分吸附能力差異明顯，研究認為鏡質組>惰質組>殼質組。隨著鏡質組體積分數升高，煤吸附能力變強，含氣量隨著升高。測試結果顯示：4+5 號煤層鏡質組體積分數為36.80%～72.08%，平均57.3%；8+9 號煤層鏡質組體積分數在46.23%～95.20%，平均74.46%。隨著鏡質組體積分數增加，含氣量呈增加的趨勢(圖7b)。

灰分質量分數越高，煤純度越低，吸附能力越差，含氣量越低。工業分析結果表明：4+5 號煤層灰分質量分數為8.15%～28.51%，平均18.63%；8+9 號煤層灰分質量分數為19.27%～38.03%，平均24.28%。隨著灰分體積分數的增加，含氣量呈現降低的趨勢(圖7c)。

3) 保存條件

煤層含氣量的保存條件主要取決于頂底板的封蓋能力、斷層控氣作用和水動力調節作用[15]。

煤層氣井鉆探揭示，主力煤層的頂板由泥巖或炭質泥巖組成，厚度為4.0～16.0 m，平均8.0 m，分布相對穩定。底板由泥巖或砂質泥巖構成，厚度在4.0～10.0 m，平均6.5 m。頂底板巖層含水性和滲透性較差，封存能力較好，有利于煤層氣的富集和儲存。

斷層控氣作用主要表現在斷層性質、斷層開裂程度、斷層大小及斷層附近對煤巖破壞程度等。斜坡帶發育2 條規模較小逆斷層，從地震剖面上可以看出斷層兩側煤層反射相對連續，反射軸強度沒有明顯變化，對含氣量破壞作用不明顯；在撓褶帶發育1 條規模較大逆斷層，斷距在5 m 左右，斷層東側煤層反射軸出現錯亂現象，且出現明顯減弱現象，現場鉆探揭示附近煤巖相對破碎，對含氣性保存起到一定破壞作用(圖1d)。

水動力條件對于煤層氣富集和儲存起到調節作用。較強的水動力條件可能會破壞甲烷的吸附空間，從而降低含氣量。研究區主力煤層的水型主要為NaHCO3型，陽離子以鈉離子為主，含量在1 081～46 871 mg/L，平均12 773 mg/L，占陽離子總量的80.59%；陰離子主要以氯離子為主，含量在1 193～56 604 mg/L，平均15 623 mg/L，占陰離子的69.58%。硫酸根離子含量在81～1 191 mg/L，平均650 mg/L。地層水礦化度在4 269～113 658 mg/L，平均41 116 mg/L，表明研究區處于封閉滯流環境，煤儲層封閉性較好。

在地下水的化學特征參數中，最常用參數是鈉氯系數和脫硫系數[16]。鈉氯系數是指地層水中鈉離子與氯離子的當量比，可以反映地層的封閉性。較小的鈉氯系數表示地層水受淺層水滲入的影響較小，地層的封閉性較好，有利于煤層氣的富集[16]。研究區的鈉氯系數為0.57～1.16，平均0.74，整體略低于0.75，表明地層水環境的封閉性較好。脫硫系數是指地層水中硫酸根離子與氯離子的當量比，可在一定程度上反映地層水的氧化還原狀態，較小的脫硫系數表示水環境具有較好的還原條件。研究區脫硫系數為0.1～5.0，平均1.4，反映地層水的還原程度整體較高，地層封閉性較好。以上水動力條件綜合評價結果表明，研究區深部煤層水動力較弱，處于相對封閉的環境，有利于煤層氣富集保存。

3.2 富集成藏模式

依據構造特征，結合水動力條件和沉積條件，研究區深部煤層氣富集成藏模式為“撓褶-斷層-水動力”模式。從東向西劃分為4 個區帶，即“中-深部平緩區、斜坡區、撓褶區和深部平緩區”[17-19]。

中-深部平緩區是指位于埋深在1 100～1 500 m、地層傾角小于3°、地層相對平緩的區帶，總體表現為煤變質程度中等，生烴能力較好，微裂隙不發育，頂底板封蓋條件較好，水動力較弱，含氣量為中-高，主要特征：(1)生烴能力。鏡質體最大反射率在0.75%～1.05%，煤層厚度在10～18 m，甲烷賦存空間大，煤體結構以原生結構為主。(2) 儲集能力。含氣量在8.0～12.0 m3/t，吸附氣占比80%以上，含氣飽和度整體較好。(3) 保存條件。頂底板以泥巖或砂質泥巖為主，水動力條件較弱，礦化度在25 000 mg/L 以下，為弱徑流區，有利于煤層氣富集成藏。

斜坡帶受構造應力影響增強，地層傾角變大，在3°～10°，變質程度中等，生烴能力較好，微裂縫相對發育，水動力條件較強，含氣量中等，主要特征：(1) 生烴能力，鏡質體最大反射率在0.8%～1.1%，生烴能力較強，煤層厚度在6.0～17.0 m，吸附空間較大，煤體結構以碎裂煤為主。(2) 儲集能力，含氣量在7.0～11.0 m3/t，以吸附氣為主，占70%以上，含氣飽和度為65%～80%。(3) 保存條件，頂底板以泥巖或砂質泥巖為主，水動力條件由弱徑流-徑流區過渡，對甲烷富集有一定的影響。

撓褶帶是指構造應力相對集中的區帶，斷層發育，煤巖相對破碎，主要特征：(1) 生烴能力，鏡質體最大反射率為0.9%～1.2%，生烴能力較強，煤層厚度在6.0～18.0 m，煤體結構以碎裂-碎粒煤為主。(2) 儲集能力，含氣量在6.0～10.0 m3/t，以吸附氣為主，含氣飽和度在75%以下。(3) 保存條件，受斷層發育影響，裂隙較發育，斷層附近保存條件變差，含氣量降低；同時受斷層封堵作用，水動力由弱徑流-滯流區過渡。

深部平緩區埋深在1 800 m 以上，地層傾角小于3°，地層相對平穩，總體表現為煤變質程度較高，生烴能力強，微裂隙不發育，煤儲層相對致密，保存條件好，主要特征：(1) 生烴能力，鏡質體最大反射率在1.0%～1.3%，生氣能力強，煤層厚度在8.0～20.0 m，原生結構煤發育。(2) 儲集能力，含氣量在10.0 m3/t 以上，含氣飽和度高，在75%以上。(3) 保存條件，頂底板以厚層泥巖為主，封蓋條件好；水動力條件弱，屬于滯流區，有利于煤層氣富集成藏(圖8)。

圖8 府谷地區煤層氣富集成藏模式Fig.8 Enrichment and accumulation mode of coalbed methane in the Fugu area

4 有利區綜合評價

依據府谷地區深部煤層氣地質特征和富集成藏規律評價結果，參照李曙光等[20]研究成果，對比大寧-吉縣區塊地質條件，建立了深部煤層氣地質-工程雙甜點評價體系。該體系主要分為地質和工程兩大類參數。其中，地質參數包括構造特征、煤層厚度、含氣量和含氣飽和度；工程參數包括可改造性、頂底板巖性、煤體結構和宏觀煤巖類型參數等。通過參數評價，完成對研究區地質工程雙甜點的評價(表1)。結果表明，地質-工程Ⅰ類甜點區位于研究區東部南北條帶和西南部，東部Ⅰ類區主要表現為中-深部煤層氣有利區，厚度大、含氣量較高、煤儲層條件和可壓性較好，水動力較弱；西部Ⅰ類區表現為典型的深部煤層氣有利區，含氣量高，部分地區含游離氣，含氣飽和度高，儲層壓力高、地應力高，對開發工程工藝要求更高。地質Ⅱ類甜點區則分布在中部和南部(圖9)。

表1 府谷深部煤層氣地質-工程雙甜點評價體系Table 1 Evaluation system for geological and engineering double sweet spots of deep coalbed methane in the Fugu area

圖9 府谷地區地質-工程甜點分布Fig.9 Distribution of geological and engineering sweet sports in the Fugu area

2021 年開始進行研究區深部煤層氣勘探評價，查明了山西組4+5 號煤層地質資源量100.80 億m3，資源豐度在(0.5～1.2)×108m3/km2；太原組8+9 號煤層地質資源量497.0 億m3，資源豐度在(1.2～2.3)×108m3/km2。在深化地質認識基礎上，優選出深部煤層氣有利區進行生產試驗。2022 年開始進行小井組生產試驗，采用常規壓裂工藝，截至2023 年12 月，共試產9 口井，均正常生產。2 口井實現日產氣量超過萬方，穩定日產氣量為7 200～8 100 m3；日產氣量2 000 m3以上的有5 口井，穩定日產氣量為2 000～3 200 m3；日產氣量1 000 m3以下的井2 口，整體表現出較好的產氣效果。

5 結論

a.府谷地區主力煤層為4+5 和8+9 號煤，煤層埋藏深度1 000～2 000 m，為典型的深部煤層氣田。受沉積環境控制作用，主力煤層發育穩定且厚度較大。有利層段發育在煤層中上部，表現為煤層結構簡單，半亮煤條帶和原生-碎裂結構煤發育等特點。

b.由“生-儲-?！瘪詈峡貧庾饔每芍?，較優質的煤儲層提供了充足含氣量、較高的含氣飽和度和吸附儲集空間；以厚層泥巖為主的頂底板和較弱水動力條件為煤層氣富集成藏提供了良好的保存條件。儲層微、小孔較發育，滲透性差，后期開發時需要進行壓裂改造。

c.研究區深部煤層氣屬于“撓褶-斷層-水動力”富集成藏模式，煤層氣富集區位于構造平緩區和斜坡帶。建立地質-工程雙甜點評價體系，確定地質-工程Ⅰ類甜點區位于研究區東部南北條帶和西南部，是深部煤層氣勘探開發的首選有利區帶。

符號注釋

C為實測含氣量，m3/t；Cgi為實測儲層壓力投影到等溫線上所對應的含氣量，m3/t；po為歸一化儲層壓力；To為歸一化地層溫度；Rmax為煤的鏡質體最大反射率，%；Sg為含氣飽和度，%。