鄂尔多斯盆地府谷地区深部煤层气富集成藏规律及有利区评价

郭广山，徐凤银，刘丽芳，蔡益栋，秦 玮，陈朝晖，邓纪梅，李卓伦

(1.中海油研究总院非常规研究院，北京 100028；2.中国石油学会，北京 100724；3.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；4.中海油研究总院钻采研究院，北京 100028)

近年来，随着中国能源需求的持续增长和环境保护意识的提高，非常规天然气资源勘探开发越来越受到关注。作为一种重要的非常规天然气资源，煤层气勘探开发进展迅速，呈现由单一煤层向煤系、从高阶煤向低阶煤、从中浅部向深部煤层气发展趋势[1-4]。最新评价结果显示，我国埋藏深度在1 500～3 000 m 的煤层气地质资源量约为30.37×1012m3，勘探开发潜力巨大，是当前煤层气领域研究的热点[5]。当前，深部煤层气富集成藏理论和勘探开发技术研究取得一定进展，主要包括：地质认识方面，深部煤岩具有“微孔、多孔、特低渗”的致密储层特征，具有“高压力、高温度、高含气量、高饱和度、高游离气含量”的赋存特征，具有“强封存”的成藏特征；开发方面，针对深煤层特殊性，形成了颠覆性的深煤层“极限体积压裂”和煤层气全生命周期一体化采气等技术[6-8]。纵观我国煤层气发展历程，深部煤层气勘探开发处于起步阶段，理论体系和工程工艺尚在不断探索和突破，仍面临诸多地质理论与开发技术的挑战[1-4]。

鄂尔多斯盆地东缘(鄂东缘)是我国深部煤层气开发重点区域，具有深部煤系分布广、厚度大、旋回性强的特点，岩性组合类型丰富，成藏模式差异明显，具备深部煤层气资源基础[9-10]。近几年鄂东缘的大宁–吉县、延川南、临兴–神府等区块深部煤层气勘探开发均取得显著突破，针对深部煤层气勘探面临的基础理论和技术难题，国内学者们也进行了一定程度的研究，揭示了深部煤层气具有“广覆式生烃，自生自储毯式成藏”特征，建立了“微幅褶皱、单斜与水动力耦合、断层与水动力耦合、鼻状构造”等4 种模式[6,11]，相关基础研究推动深部煤层气规模效益勘探开发。然而，不同深部煤层气田富集规律和勘探潜力存在差异。神府区块自2022 年开始进行深部煤层气勘探评价，经过一年多现场勘探作业和室内深部煤层气资源潜力研究，2023 年10 月23 日中国海油发布消息，在鄂尔多斯盆地东缘2 000 m 地层发现我国首个千亿方深煤层气田，神府深煤层大气田探明地质储量超1 100 亿m3。府谷地区作为神府深煤层大气田一部分，目前勘探开发还处于初期阶段，亟需明确其深部煤层气富集成藏特征和开发潜力。笔者综合应用地震资料、测井、钻井和煤岩测试等资料，在系统分析深部煤层气基础地质的基础上，探讨研究区煤层气富集规律，提出成藏模式，建立地质-工程双甜点评价体系，优选开发初期的有利区块，旨在为府谷地区深部煤层气勘探开发提供理论依据和技术支持。

1 研究区概况

1.1 构造背景

府谷地区位于鄂尔多斯盆地东北缘，构造上横跨鄂尔多斯盆地晋西挠褶带和伊陕斜坡构造带，整体上呈西倾的单斜构造，地层倾角2°～10°，主要发育SN 走向逆断层，对构造形态具有控制作用。受区域构造演化和现今构造特征的影响，研究区自东向西划分为“中-深部平缓带、斜坡带、挠褶带、深部平缓带”4 个次级构造单元(图1)。

图1 研究区位置及综合柱状图Fig.1 Location and composite stratigraphic column of the study area

1.2 沉积地层

研究区含煤层系为下二叠统的太原组和山西组，沉积环境经历由海相-海陆过渡相-陆相的演化过程。太原组以潟湖–潮坪沉积为主，广泛发育泥炭沼泽；山西组以三角洲平原沉积为主，局部为泥炭沼泽。山西组发育1-5 号煤层，太原组发育6-9 号煤层，其中，山西组4+5 号和太原组8+9 号煤层为主力开发煤层。

2 深部煤层气地质特征

2.1 煤层厚度与埋深

二叠系下统山西组4+5 号煤层厚度为3.2～5.8 m，平均4.1 m，仅在区块的东北角厚度达到5 m 以上，煤层分布稳定；太原组8+9 号煤层厚度为8.7～13.5 m，平均11.7 m，全区厚度大且平面变化较小，仅在东南角厚度分布在10 m 以下(图2a)。稳定且厚度较大的煤层为甲烷吸附提供了可靠的空间，也为工程施工提供了基础保障。

图2 府谷地区8+9 号煤层埋深与厚度等值线Fig.2 Isobath and isopach maps of coal seams 8+9 in the Fugu area

受地表变化和构造形态共同控制，主力煤层埋藏深度呈“东浅西深”变化特征，4+5 号煤层埋深为1 000～1 900 m，平均1 450 m；太原组8+9 号煤层埋深为1 100～2 000 m，平均1 530 m。受断层控制影响，在东部和西部煤层埋深变化相对平缓，靠近中部断层附近，煤层埋深由1 600 m 左右陡增到1 800 m(图2b)。依据DZ/T 0216-2020《煤层气储量估算规范》对埋藏深度进行分类，府谷地区为典型深部煤层气田。

2.2 煤岩特征

2.2.1 煤变质程度

受深成变质作用影响，府谷地区主力煤变质程度表现出与埋深一致的变化趋势，平面上呈现“由东向西”增大的特征。主力煤层镜质体最大反射率Rmax为0.96%～1.42%，煤类从东向西依次发育气煤、肥煤和焦煤。

2.2.2 煤层结构

煤层结构复杂程度对煤层气有利区优选和配套工程工艺具有重要指导意义。通常依据夹矸层数和夹层物质来判断煤层结构的复杂程度[12]。通过钻井揭示和测井资料描述，2 套主力煤层均为简单结构煤层，4+5 号煤层在上部和下部各发育一套夹矸，厚度在0.5～1.5 m；8+9 号煤层仅在下部发育一套夹矸，厚度小于1.0 m(图3)。

图3 典型井煤岩特征综合评价结果Fig.3 Comprehensive evaluation results of coals in typical wells

2.2.3 宏观煤岩类型

不同宏观煤岩类型物理性质存在显著差异，主要表现在吸附性、可压性和渗流条件等方面。前人研究认为光亮煤和半亮煤更有利于煤层气富集成藏，开发效果较好[12]。4+5 号煤层以半亮煤-半暗煤为主，在中上部发育一套薄层半暗煤条带，中下部主要以半亮煤条带为主；8+9 号煤层以半亮煤为主，仅在下部发育一套薄层半暗煤条带(图3)。

2.2.4 煤体结构

煤体结构影响裂隙系统发育，进而控制煤层渗透率、含气量及煤粉产出[12]。通过测井资料和煤岩描述结果揭示，4+5 号煤层以原生结构煤为主，在上部靠近顶板的位置发育一套厚度在0.8～1.5 m 碎裂结构煤条带；8+9 号煤层以原生-碎裂结构煤为主，在靠近煤层顶板和底板的位置均发育一套厚度在1.5 m 左右的碎裂结构煤条带(图3)。

2.3 含气性

2.3.1 含气量

依据煤样自然解吸实验测试结果显示，4+5 号煤层含气量在3.0～12.0 m3/t，平均6.8 m3/t，平面上呈现“东高西低”的分布特征，高含气区主要分布在东南部，在8.0 m3/t 以上；8+9 号煤层含气量在7.5～18.5 m3/t，平均11.8 m3/t，高含气区分布在西南部，为15.0 m3/t 以上(图4)。

图4 主力煤层含气量分布Fig.4 Contour maps of gas content in dominant coal seams

2.3.2 含气饱和度

含气饱和度是深部煤层气富集成藏和高产关键参数之一。煤变质程度和温压场是深部煤层含气饱和度主控因素。随着埋藏深度增大，储层压力和地层温度上升，压力的吸附正效应和温度的吸附负效应共同控制含气量[13]。依托绳索取心解吸实验结果、试井测试和煤岩试验等数据，利用多元回归方法建立含气量与镜质体最大反射率、储层压力和地层温度的拟合关系式，结合等温吸附实验进一步计算实测储层压力下等温线上所对应的含气量，计算煤层含气饱和度，具体公式如下：

计算结果显示，区内主力煤层含气量饱和度为中-高，且平面非均质性强，主要在35.0%～115%。平面上，高含气区主要分布在东部和南部，含气饱和度在70%以上；纵向上，8+9 号煤层含气饱和度高于4+5 号煤层，整体表现出4 个特征：(1) 在埋深1 100～1 950 m，含气量与含气饱和度相关性基本一致，规律性较强；(2) 随着埋深增加，储层压力增加，含气量呈现缓慢增加的趋势，但是相关性一般；(3) 在埋深1 100～1 950 m，地层温度对吸附负效应愈加明显，含气量对含气饱和度起决定性作用，煤变质程度、温压场次之，其共同作用决定含气饱和度(图5)。

图5 主力煤层含气饱和度分布Fig.5 Contour maps showing the gas saturation of dominant coal seams

2.4 煤的物性条件

深部煤层具有“微孔、多孔、特低渗”致密储层特征。基质孔隙发育情况反映煤层储集能力强弱，裂隙是煤层气运移通道，裂隙发育程度影响煤层渗透率[14]。本文依托煤岩密度实验、低温液氮测试分析实验、X-CT 实验、核磁共振实验和注入/压降试井等测试技术，从不同维度对煤储层物性进行评价。

煤心实验测定结果显示，山西组4+5 号煤的总孔隙率为3.8%～8.8%，平均为6.3%。太原组8+9 号煤层的总孔隙率为2.2%～7.6%，平均为5.2%。

煤样低温液氮测试结果(图6a)表明，BET 比表面积为1.9～4.2 m2/g，平均2.7 m2/g；总孔隙体积为0.000 6～0.001 3 cm3/g，平均0.000 97 cm3/g；平均孔隙直径主要分布在16.1～22.5 nm，平均18.3 nm，说明以纳米级孔隙为主，渗流能力较差。

图6 煤样液氮和核磁共振结果Fig.6 Results of liquid nitrogen tests and nuclear magnetic resonance experiments of coal samples

煤样X-CT 扫描结果显示，微孔和小孔较发育，其中孔径为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%。

核磁共振实验结果(图6b)表明，核磁测试孔隙率主要分布在0.66%～4.35%，平均2.15%。其中，太原组煤的孔隙率平均值为2.28%，山西组煤的孔隙率平均值为2.17%。

注入/压降试井测试结果，8+9 号煤层的试井渗透率在(0.01～0.09)×10-3μm2，平均0.07×10-3μm2，属于低渗透储层，对后期储层改造提出更高的要求。

3 深部煤层气富集主控因素与成藏模式

3.1 富集主控因素

深部煤层气富集成藏受到“生-储-保”耦合控制作用，其中煤变质程度决定生气量，煤岩煤质特征决定储存能力，保存条件决定现今含气量。以往研究成果认为含气量影响因素诸多，考虑到府谷地区煤储层特征，本次选取镜质体最大反射率，灰分质量分数、镜质组体积分数和保存条件等主控因素对研究区深部煤层气富集成藏规律进行评价。

1) 生烃能力

煤变质程度是评价生烃能力的主要指标之一。镜质体最大反射率被认为是最关键的有机质成熟度指标，较高的镜质体最大反射率意味着更大的生气量，有利于煤层气的富集成藏。4+5 号煤层镜质体最大反射率为0.80%～1.04%，平均0.83%；8+9 号煤层镜质体最大反射率为0.98%～1.04%，平均0.91%。建立镜质体最大反射率与含气量的关系图表明，两者呈正相关关系，随着Rmax的增加，含气量呈现增加的趋势(图7a)。

图7 含气量与生-储-保参数关系Fig.7 Gas content vs.parameters of hydrocarbon generation,gas storage,and gas reservation

2) 储集能力

有机显微组分含量和灰分质量分数共同影响含气量储存能力。不同显微组分吸附能力差异明显，研究认为镜质组>惰质组>壳质组。随着镜质组体积分数升高，煤吸附能力变强，含气量随着升高。测试结果显示：4+5 号煤层镜质组体积分数为36.80%～72.08%，平均57.3%；8+9 号煤层镜质组体积分数在46.23%～95.20%，平均74.46%。随着镜质组体积分数增加，含气量呈增加的趋势(图7b)。

灰分质量分数越高，煤纯度越低，吸附能力越差，含气量越低。工业分析结果表明：4+5 号煤层灰分质量分数为8.15%～28.51%，平均18.63%；8+9 号煤层灰分质量分数为19.27%～38.03%，平均24.28%。随着灰分体积分数的增加，含气量呈现降低的趋势(图7c)。

3) 保存条件

煤层含气量的保存条件主要取决于顶底板的封盖能力、断层控气作用和水动力调节作用[15]。

煤层气井钻探揭示，主力煤层的顶板由泥岩或炭质泥岩组成，厚度为4.0～16.0 m，平均8.0 m，分布相对稳定。底板由泥岩或砂质泥岩构成，厚度在4.0～10.0 m，平均6.5 m。顶底板岩层含水性和渗透性较差，封存能力较好，有利于煤层气的富集和储存。

断层控气作用主要表现在断层性质、断层开裂程度、断层大小及断层附近对煤岩破坏程度等。斜坡带发育2 条规模较小逆断层，从地震剖面上可以看出断层两侧煤层反射相对连续，反射轴强度没有明显变化，对含气量破坏作用不明显；在挠褶带发育1 条规模较大逆断层，断距在5 m 左右，断层东侧煤层反射轴出现错乱现象，且出现明显减弱现象，现场钻探揭示附近煤岩相对破碎，对含气性保存起到一定破坏作用(图1d)。

水动力条件对于煤层气富集和储存起到调节作用。较强的水动力条件可能会破坏甲烷的吸附空间，从而降低含气量。研究区主力煤层的水型主要为NaHCO3型，阳离子以钠离子为主，含量在1 081～46 871 mg/L，平均12 773 mg/L，占阳离子总量的80.59%；阴离子主要以氯离子为主，含量在1 193～56 604 mg/L，平均15 623 mg/L，占阴离子的69.58%。硫酸根离子含量在81～1 191 mg/L，平均650 mg/L。地层水矿化度在4 269～113 658 mg/L，平均41 116 mg/L，表明研究区处于封闭滞流环境，煤储层封闭性较好。

在地下水的化学特征参数中，最常用参数是钠氯系数和脱硫系数[16]。钠氯系数是指地层水中钠离子与氯离子的当量比，可以反映地层的封闭性。较小的钠氯系数表示地层水受浅层水渗入的影响较小，地层的封闭性较好，有利于煤层气的富集[16]。研究区的钠氯系数为0.57～1.16，平均0.74，整体略低于0.75，表明地层水环境的封闭性较好。脱硫系数是指地层水中硫酸根离子与氯离子的当量比，可在一定程度上反映地层水的氧化还原状态，较小的脱硫系数表示水环境具有较好的还原条件。研究区脱硫系数为0.1～5.0，平均1.4，反映地层水的还原程度整体较高，地层封闭性较好。以上水动力条件综合评价结果表明，研究区深部煤层水动力较弱，处于相对封闭的环境，有利于煤层气富集保存。

3.2 富集成藏模式

依据构造特征，结合水动力条件和沉积条件，研究区深部煤层气富集成藏模式为“挠褶-断层-水动力”模式。从东向西划分为4 个区带，即“中-深部平缓区、斜坡区、挠褶区和深部平缓区”[17-19]。

中-深部平缓区是指位于埋深在1 100～1 500 m、地层倾角小于3°、地层相对平缓的区带，总体表现为煤变质程度中等，生烃能力较好，微裂隙不发育，顶底板封盖条件较好，水动力较弱，含气量为中-高，主要特征：(1)生烃能力。镜质体最大反射率在0.75%～1.05%，煤层厚度在10～18 m，甲烷赋存空间大，煤体结构以原生结构为主。(2) 储集能力。含气量在8.0～12.0 m3/t，吸附气占比80%以上，含气饱和度整体较好。(3) 保存条件。顶底板以泥岩或砂质泥岩为主，水动力条件较弱，矿化度在25 000 mg/L 以下，为弱径流区，有利于煤层气富集成藏。

斜坡带受构造应力影响增强，地层倾角变大，在3°～10°，变质程度中等，生烃能力较好，微裂缝相对发育，水动力条件较强，含气量中等，主要特征：(1) 生烃能力，镜质体最大反射率在0.8%～1.1%，生烃能力较强，煤层厚度在6.0～17.0 m，吸附空间较大，煤体结构以碎裂煤为主。(2) 储集能力，含气量在7.0～11.0 m3/t，以吸附气为主，占70%以上，含气饱和度为65%～80%。(3) 保存条件，顶底板以泥岩或砂质泥岩为主，水动力条件由弱径流-径流区过渡，对甲烷富集有一定的影响。

挠褶带是指构造应力相对集中的区带，断层发育，煤岩相对破碎，主要特征：(1) 生烃能力，镜质体最大反射率为0.9%～1.2%，生烃能力较强，煤层厚度在6.0～18.0 m，煤体结构以碎裂-碎粒煤为主。(2) 储集能力，含气量在6.0～10.0 m3/t，以吸附气为主，含气饱和度在75%以下。(3) 保存条件，受断层发育影响，裂隙较发育，断层附近保存条件变差，含气量降低；同时受断层封堵作用，水动力由弱径流-滞流区过渡。

深部平缓区埋深在1 800 m 以上，地层倾角小于3°，地层相对平稳，总体表现为煤变质程度较高，生烃能力强，微裂隙不发育，煤储层相对致密，保存条件好，主要特征：(1) 生烃能力，镜质体最大反射率在1.0%～1.3%，生气能力强，煤层厚度在8.0～20.0 m，原生结构煤发育。(2) 储集能力，含气量在10.0 m3/t 以上，含气饱和度高，在75%以上。(3) 保存条件，顶底板以厚层泥岩为主，封盖条件好；水动力条件弱，属于滞流区，有利于煤层气富集成藏(图8)。

图8 府谷地区煤层气富集成藏模式Fig.8 Enrichment and accumulation mode of coalbed methane in the Fugu area

4 有利区综合评价

依据府谷地区深部煤层气地质特征和富集成藏规律评价结果，参照李曙光等[20]研究成果，对比大宁-吉县区块地质条件，建立了深部煤层气地质-工程双甜点评价体系。该体系主要分为地质和工程两大类参数。其中，地质参数包括构造特征、煤层厚度、含气量和含气饱和度；工程参数包括可改造性、顶底板岩性、煤体结构和宏观煤岩类型参数等。通过参数评价，完成对研究区地质工程双甜点的评价(表1)。结果表明，地质-工程Ⅰ类甜点区位于研究区东部南北条带和西南部，东部Ⅰ类区主要表现为中-深部煤层气有利区，厚度大、含气量较高、煤储层条件和可压性较好，水动力较弱；西部Ⅰ类区表现为典型的深部煤层气有利区，含气量高，部分地区含游离气，含气饱和度高，储层压力高、地应力高，对开发工程工艺要求更高。地质Ⅱ类甜点区则分布在中部和南部(图9)。

表1 府谷深部煤层气地质-工程双甜点评价体系Table 1 Evaluation system for geological and engineering double sweet spots of deep coalbed methane in the Fugu area

图9 府谷地区地质-工程甜点分布Fig.9 Distribution of geological and engineering sweet sports in the Fugu area

2021 年开始进行研究区深部煤层气勘探评价，查明了山西组4+5 号煤层地质资源量100.80 亿m3，资源丰度在(0.5～1.2)×108m3/km2；太原组8+9 号煤层地质资源量497.0 亿m3，资源丰度在(1.2～2.3)×108m3/km2。在深化地质认识基础上，优选出深部煤层气有利区进行生产试验。2022 年开始进行小井组生产试验，采用常规压裂工艺，截至2023 年12 月，共试产9 口井，均正常生产。2 口井实现日产气量超过万方，稳定日产气量为7 200～8 100 m3；日产气量2 000 m3以上的有5 口井，稳定日产气量为2 000～3 200 m3；日产气量1 000 m3以下的井2 口，整体表现出较好的产气效果。

5 结论

a.府谷地区主力煤层为4+5 和8+9 号煤，煤层埋藏深度1 000～2 000 m，为典型的深部煤层气田。受沉积环境控制作用，主力煤层发育稳定且厚度较大。有利层段发育在煤层中上部，表现为煤层结构简单，半亮煤条带和原生-碎裂结构煤发育等特点。

b.由“生-储-保”耦合控气作用可知，较优质的煤储层提供了充足含气量、较高的含气饱和度和吸附储集空间；以厚层泥岩为主的顶底板和较弱水动力条件为煤层气富集成藏提供了良好的保存条件。储层微、小孔较发育，渗透性差，后期开发时需要进行压裂改造。

c.研究区深部煤层气属于“挠褶-断层-水动力”富集成藏模式，煤层气富集区位于构造平缓区和斜坡带。建立地质-工程双甜点评价体系，确定地质-工程Ⅰ类甜点区位于研究区东部南北条带和西南部，是深部煤层气勘探开发的首选有利区带。

符号注释

C为实测含气量，m3/t；Cgi为实测储层压力投影到等温线上所对应的含气量，m3/t；po为归一化储层压力；To为归一化地层温度；Rmax为煤的镜质体最大反射率，%；Sg为含气饱和度，%。