深、浅部煤层气地质条件差异性及其形成机制

许 浩，汤达祯，陶 树，李 松，唐淑玲，陈世达，宗 鹏，董 煜

(1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；2.煤层气开发利用国家工程研究中心中国地质大学(北京)煤储层物性实验室，北京 100083)

我国煤层气产业已经步入规模化发展阶段，在沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘两大浅部煤层气产业基地的基础上，近年来，深部煤层气开发取得系列重大突破[1]。鄂尔多斯盆地延川南区块延3 井区南部33 口开发井单井日稳产气量超1.3 万m3，其中水平井单井日稳产气量(2.5～6.0) 万m3[2]；大宁-吉县区块吉深14-5 平02 井自2022 年9 月投产以来，单井累计产气2 601.9 万m3，目前日产气量仍保持在4.3 万m3以上；临兴区块实施的首口深部煤层气水平井“深煤一号”，最终测试产量达到6.0 万m3/d；重庆市南川区深部煤层气直探井阳2 井实现自喷生产100 d，累计产气120 万m3。此外，鄂尔多斯盆地东缘临汾、三交、临兴、神府，沁水盆地郑庄、柿庄、马必，以及准噶尔盆地彩南地区和阜康西等区块，部分埋深1 000～2 500 m 煤层气井获得高产气流。说明我国深部煤层气具有巨大潜力[3-6]，对保障国家能源安全意义重大。

初期，深部煤层气定义通常以埋深作为界限，不同专家学者认为的界限深度主要包括800、1 000、1 500及2 000 m 等[7-9]。随着研究的深入，对其认识不断完善，越来越多的学者从埋深、地应力、含气性、储层物性以及产气特征等多角度定义其特点[10-13]。深部煤层气在诸多方面与浅部煤层气具有显著差异，但这种差异不是突变的，而是具有渐变过渡和多因素综合作用的特点，在不同区域的显现特征不同。笔者以鄂尔多斯盆地上古生界煤层为例，旨在从煤层气地质角度，以同一套煤层形成演化为主线，系统探讨深部和浅部煤层在埋深演化、温压特征与含气性、地应力与渗透率特征、成熟度与含水性的差异规律及其形成机制，以期在清晰理解深部和浅部煤层气地质特征的基础上，为深部和浅部煤层气协同勘探开发提供科学依据。

1 煤层形成与埋深演化

自晚泥盆世以来，全球范围内发生了多期聚煤作用，其中晚石炭世-二叠纪、侏罗纪和晚白垩世末期-新近纪，是聚煤作用最强的3 个时期[14]，99%以上的煤炭资源形成于这3 个聚煤期[15]。聚煤期与地质历史时期古构造、古气候、古地理、古植物等密切相关[16]。煤层形成后，随着上覆地层的沉积，埋深逐渐增加，后期在构造作用下，发生差异抬升作用，最终形成现今盆内埋深大、盆缘埋深浅的分布格局。

以鄂尔多斯盆地上古生界煤层为例，晚石炭世-二叠纪，华北地区广泛发育晚古生代聚煤作用[17]；早三叠世末的印支运动，造成区域整体抬升，后期经过坳陷阶段，使华北地区呈现东隆西坳的构造格局，鄂尔多斯地块相应东升西降，鄂尔多斯盆地基本定型。自此之后，虽然有局部抬升，但盆地整体进入沉降期，晚白垩世时期上古生界煤层达到最大埋深。进入晚白垩世晚期，发生燕山运动第V 幕，直至新生代，盆地整体不断抬升，地层遭受剥蚀，且始终保持为东部高西部低的状态，盆地边缘抬升幅度较大。受盆地整体构造演化的控制，不同构造位置上古生界煤层的演化模式可以分为3 种类型：深埋深藏型(最大埋深与现今埋深均大于2 000 m)、深埋浅藏型(最大埋深大于2 000 m、现今埋深小于2 000 m)及浅埋浅藏型(最大埋深与现今埋深均小于2 000 m)(图1)。根据目前煤层气勘探开发情况，深埋深藏型以大宁-吉县深部区块为代表，现今埋深2 000～2 600 m，有机质镜质体最大反射率Rmax为1.43%～2.63%；深埋浅藏型以延川南区块为代表，现今埋深1 000～1 500 m，Rmax为1.59%～3.22%；浅埋浅藏型以保德区块为代表，现今埋深420～1 000 m，Rmax为0.55%～0.75%。因此，现今的深部煤层气在地质历史演化过程中虽然经历了多期的构造抬升，但一直处于深部环境条件下。而现今的浅部煤层气则分为2 种类型：第一种是经历了深部环境与浅部环境的转变，第二种是一直处于浅部环境中。受这一演化过程的影响，煤层温压条件与含气性、地应力与储渗特征、成熟度与含水性等呈现出规律性变化。

2 煤层温压特征与含气性

煤层温压条件直接影响到煤层气吸附、解吸及产出过程，揭示煤层原位温压特征与含气性差异规律，是深入开展深部煤层气基础理论研究的前提。以鄂尔多斯盆地上古生界煤层为例，煤层温度和压力与现今埋深总体上呈正相关关系(图2)，从盆地边缘向盆地中心煤层温度和压力逐渐升高。盆地东缘埋深最浅的河曲和保德区块煤层最低温度20℃左右，柳林和延川南区块煤层压力最低为2.8 MPa 左右；埋深最深的伊陕斜坡西南部储层温度超过120℃，储层压力达到40 MPa 以上。深部和浅部储层温度最多相差100℃以上，储层压力最大相差40 MPa 左右。

煤吸附能力与温压条件密切相关，地层压力越高，吸附能力加强，煤层气吸附量升高；地层温度越高，吸附能力减弱，煤层气吸附量降低[18]。因此，煤层气吸附量在一定深度将会趋于降低，这个深度即为煤层含气量的临界深度(图3)。“临界深度”以浅，多为欠饱和煤层气藏，吸附气为主，需排水降压解吸产气；“临界深度”以深，煤吸附饱和，相比浅部煤层，深部煤层的盖层更加致密，封闭能力更强，保存条件更好，更有利于游离气的赋存。因此，深部煤层气具有投产即见气、见气即高产的突出特点。以鄂尔多斯盆地大宁-吉县区块煤层为例，浅层含气量12～18 m3/t，埋深为800～1 500 m；深层含气量22～32 m3/t，游离气占比20%，埋深为1 800～2 600 m。

图3 煤层含气量随埋深变化(据秦勇等[19]，2012，修改)Fig.3 Burial depth-varying gas content in coal seams (modified after Qin Yong et al.,2012[19])

理论和勘探实践均证明，临界深度受煤岩性质与地质条件影响，不同地区存在较大差异。根据上述煤层埋深演化模式，部分地区煤层在构造抬升过程中跨越了临界深度，煤层从深部抬升到浅部，由于地层温度和压力降低，其中的气体赋存条件发生改变。

3 煤层地应力与渗透性特征

地应力是影响煤层渗透性与可改造性的重要因素[20]。地应力包括垂向应力与水平应力。其中，垂向应力是重力作用下上覆地层产生的压力，受煤层埋深和上覆地层性质影响。水平应力与构造运动和岩层地质构造有关，受水平方向构造运动影响最大。勘探开发实践表明，深部和浅部煤层地应力场存在较大差别。

在浅部煤层中，由于水平应力受不同地质条件的影响有所差异，垂向应力与水平应力关系变化较大。因此，地应力整体呈现离散型特征，即：侧压系数、水平应力梯度分布范围较宽。随着埋深的增加，上覆岩层的自重作用逐渐凸显，应力场变化趋于一致，侧压系数、水平应力梯度内外包络线逐渐收敛，趋于重合，转化为垂向应力主导[21]。在含煤盆地中，煤层应力条件的分布与转化过程在垂向上表现为分段性和转换性(图4)，对应在平面上则表现为过渡性和分带性。地应力场的转换深度受地质条件影响，不同地区存在较大差异，而且根据煤层埋深演化模式，部分地区煤层在构造抬升过程中实现了地应力场的转换，即由垂向应力主导型转换为水平应力主导型。

图4 煤层应力条件在垂向上的分布与转换(据E.M.ANDERSON [22]，1951)Fig.4 Vertical distribution and transformation of stress in coal seams (from E.M.Anderson,1951[22])

地应力也是深部与浅部煤岩力学性质及变形行为差异的主要诱因[23]。浅部低应力环境下，煤岩脆性破坏易形成连续、产状分明的宏观裂缝。因此，浅部煤层渗透率表现出离散分布的特点。深部条件下，由于垂向应力成为绝对主导，煤层处于高度压缩状态，导致深部煤层孔隙发育较差，更为致密，渗透率较低，但内生裂隙作为煤特有的裂隙系统，可以作为煤层中流体渗流产出的主要通道[24]。

4 煤的变质程度与含水性

鄂尔多斯盆地上古生界煤岩成熟度除在局部地区受岩浆变质作用影响外，主要受深成变质作用影响。煤的镜质体反射率与最大古埋深具有较好的相关性，整体上，从盆地边缘向中心成熟度逐渐增高(图5)[25]。在成煤演化过程中，煤自身含水性与成熟度关系密切。随着煤化作用的增强，煤层含水性逐渐降低，从褐煤到无烟煤，煤层含水量可从58%降低到3%。同时，煤层中水的赋存类型也会发生变化，由于含氧官能团的减少和孔隙率的降低，煤中自由水的比例逐渐降低，束缚水的比例逐渐增大。深部煤层不含水或含有少量水。由于煤层的储集空间有限，煤层的含气性与含水性通常呈负相关。而浅部煤层实际含水性受外部因素影响显著，一方面，浅部煤层靠近补给区，地下水流动活跃，煤层水矿化度较低；另一方面，在水平地应力条件下，容易形成渗透性较好的裂隙作为赋水空间和导水通道。导致浅部煤层易含水，而且自由水的比例较高，煤层气生产过程中产水量较大[26]。深部煤层相比于浅部煤层，受大气降水补给影响较小，煤层含水量低，煤层水矿化度高，因此，开发时产水量很小或者不产水。

图5 鄂尔多斯盆地上古生界石炭－二叠系煤层热演化程度(据任战利等[25]，2021，修改)Fig.5 Maturity of the Upper Paleozoic Carboniferous-Permian coal seams in the Ordos Basin (modified after Ren Zhanli et al.,2021[25])

但是，构造断层会对深部和浅部煤层含水性产生重要影响。无论深部煤层或浅部煤层中，如果断层连通煤层与地表水或含水层，将导致物性较好的煤层富水性较强，进而影响到煤层气的赋存；而物性较差的煤层，虽然其自身富水性弱，但降压过程中产出的水大多来自于外来水，导致煤层需要较长的时间才能降压至临界解吸压力，不利于煤层气井产气。

5 煤层气地质条件演化规律

综上所述，深部和浅部煤层地质条件具有显著差异(图6)。从盆地边缘向中心，随着埋深逐渐增大，煤层温度、压力逐渐升高，煤的成熟度逐渐增加，含水量逐渐降低，煤层中由以吸附气为主转变为吸附气与游离气共存，地应力场由水平应力主导转化为垂向应力主导，煤储层孔隙率和渗透率逐渐降低。深部煤储层渗流通道主要为内生裂隙(割理)，浅部煤储层可发育孔、裂隙双渗通道。从而导致深部煤层产出流体以气体单相为主，很少产水；浅部煤层产水量大，生产阶段分为单相水、气水两相、气相3 个阶段。因此，典型的深部煤层气的定义应为：在高温高压和一定深度条件下，甲烷以吸附态和游离态共存，该类煤储层在垂向应力主导作用下，孔裂隙空间极度压缩，含水极少且矿化度极高，内生裂隙为主要渗流通道，气体通过微裂隙产出。

图6 鄂尔多斯盆地上古生界深部和浅部煤层地质条件对比剖面图Fig.6 Profile showing the evolution of the geological conditions of Upper Paleozoic deep and shallow coal seams in the Ordos Basin

从鄂尔多斯盆地上古生界煤层演化模式来看，现今的深部煤层在地质历史演化过程中虽然经历了多期的构造抬升，但一直处于深部环境条件下，这种类型煤层主要分布在盆地内部的伊陕斜坡和天环坳陷。现今的浅部煤层分为两种类型：一种是经历了深部环境与浅部环境的转变，即煤层在地质历史过程中经历了深埋阶段后期抬升至浅部，主要分布在晋西挠褶带和西缘冲断带；另一种煤层则从形成至今一直处于浅部环境中，主要分布在伊盟隆起和晋西挠褶带北部。一直处于深部或浅部的煤层地质特征比较典型，在空间呈现出规律性的连续变化。而经历了深部环境与浅部环境转变的煤层，受演化过程的影响，煤层可能会兼具前两种类型的地质特征。

从盆地尺度看，由盆地边缘向盆地中心，随着埋深的逐渐增大，煤层地质条件呈现规律变化，但煤层含气性存在临界深度，地应力场存在转换深度，由于这两个深度的控制要素不同，二者在空间中会不一致。这个不一致性导致同一套煤层在盆地中形成一个由浅部向深部煤层地质特点转变的过渡区，范围受地质条件影响，区内呈现出非典型深部煤层气的特点，或深部煤层气和浅部煤层气共存的情况。这就解释了实际生产中有些区块的深部煤层中不含游离气、含水量较高等现象。因此，在过渡区煤层气勘探开发过程中应具体情况具体分析。

6 结论

a.受盆地整体构造演化的控制，煤层的演化模式可以分为3 种类型：深埋深藏型(最大埋深与现今埋深均大于2 000 m)、深埋浅藏型(最大埋深大于2 000 m、现今埋深小于2 000 m)及浅埋浅藏型(最大埋深与现今埋深均小于2 000 m)。第一种类型和第三种类型，煤层地质特征比较典型，在空间呈现出规律性的连续变化，而第二种类型比较特殊，煤层可能会兼具前两种类型的地质特征。

b.深部和浅部煤层地质条件具有明显的差异，主要表现为，煤层从浅部向深部，变质程度逐渐增大，含水量逐渐降低，温度和压力升高，煤层中由以吸附气为主转变为吸附气与游离气共存，地应力场由水平应力主导转化为垂向应力主导。煤储层孔隙率和渗透率逐渐降低，深部煤储层渗流通道主要为内生裂隙(割理)。从而导致深部煤层产出流体以气体单相为主，很少产水，浅部煤层一般产水量大，生产阶段分为单相水、气水两相、单相气3 个阶段。

c.深部和浅部煤层气地质条件具有渐变过渡和多因素综合作用的特点。含气性转化的临界深度和地应力场的转换深度控制机制不同，导致二者在空间中的不一致性。因此，煤层由浅部向深部地质特点转变的过程中，将会在盆地内形成一个过渡区，其范围受地质条件影响，区内呈现出非典型深部煤层气的特点，或深部煤层气和浅部煤层气共存的情况。在煤层气勘探开发过程中，应根据实际地质情况确定其类型，制定针对性开发方案，以实现浅部和深部煤层气的高效协同开发。