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，本期将分享的文章是《鄂尔多斯盆地煤岩气富集条件及资源潜力》，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，揭示该盆地煤岩气富集条件，评价其资源潜力。
文章信息
牛小兵, 范立勇, 闫小雄, 等. 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.
NIU Xiaobing, FAN Liyong, YAN Xiaoxiong, et al. Enrichment conditions and resource potential of coal-rock gas in Ordos Basin, NW China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2024.
看点导读
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。作为赋存于煤岩中的一种新型天然气类型，近年来引起广泛重视，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。
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，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。
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。
一、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”。
二、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。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。
深层煤岩特征
一、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）。
图1 鄂尔多斯盆地构造单元及地层综合柱状图
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）
二、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。
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）
煤岩气富集条件
一、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。
二、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
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）。
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
三、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 8a），平均为 8.5 m3/t，游离气含量为1.7～8.0 m3/t（见图 8b），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 8a），平均为19.2 m3/t，游离气含量为1.7～10.1 m3/t（见图8b），平均为5.4 m3/t。
图8 鄂尔多斯盆地深层煤岩含气性分布特征
图9 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
四、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10）
图10 鄂尔多斯盆地8#煤层煤岩气、煤层气成藏模式对比图
煤岩气资源潜力与勘探方向
一、煤岩气资源潜力
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。
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。
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
表2 鄂尔多斯盆地5#煤层煤岩气资源量评价数据表
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%。
二、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）。有利区评价结果见图11。
表3 鄂尔多斯盆地5#煤层煤岩气有利区评价标准
表4 鄂尔多斯盆地8#煤层煤岩气有利区评价标准
图11 鄂尔多斯盆地5#煤层与8#煤层煤岩气
有利区分布图
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。
瓦斯10点
作者丨宋继斌 重庆大学
审核丨赵昱龙 重庆大学
