鄂爾多斯盆地烏審旗地區煤層氣富集主控因素及其勘探方向

　　(本文作者：孫斌1，2 孫粉錦2 田文廣2 孫欽平2 陳剛2 陳浩3 馮圣4 1.中國礦業大學(北京);2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院;3.長江大學地球科學學院;4.北京中亞時代能源技術有限公司)

　　摘要：烏審旗地區是鄂爾多斯盆地的重要含煤區，也是近幾年低煤階煤層氣勘探的熱點地區。但該區前期煤層氣鉆探總體效果并不理想，迫切需要認清該區煤層氣富集規律，以便有效開展煤層氣勘探及開發利用。為此，對該區煤層分布特征、聚煤期沉積環境、煤巖特征及儲層物性、煤層含氣性等地質條件進行了分析，發現該區煤巖演化程度低，以低煤階長焰煤為主，煤層厚5～30m，大部分地區煤層埋深小于1000m且分布穩定，具有一定的煤層氣勘探潛力。但煤層氣鉆井揭示該區煤層含氣性變化大，煤層含氣量介于0.19～6.7m3/t，部分地區煤層氣組成中CH4含量小于25%，說明煤層早期成巖時生成吸附的甲烷已被破壞逸散。進一步分析影響該區煤層氣富集的主控因素后認為：在煤層直接蓋層為砂巖、保存條件差的地區，煤層含氣性差，反之，則含氣性好，如果有后期生物氣的補充，則可以富集成藏。最后指出：該區北部的烏審召區塊和南部的納林河區塊，煤層氣保存條件好、含氣量高、勘探潛力大，可作為下一步煤層氣勘探的有利目標區。

　　關鍵詞：鄂爾多斯盆地;烏審旗;低煤階;含氣性;次生生物氣;保存條件;油氣富集;水文地質

　　烏審旗地區橫跨陜西省北部的榆林市、橫山縣和內蒙古自治區中南部的烏審旗、巴音來登，東西寬95km，南北長110km，面積約1×104km2。

　　烏審旗地區煤炭資源豐富，煤層氣勘探潛力巨大。近年來，研究人員通過分析研究天然氣鉆井、煤炭鉆孔及煤巖分析資料以及地震測線解釋，發現該區煤層厚度大、分布廣，具有良好的煤層氣成藏條件。目前該區已鉆煤層氣井15口，煤層含氣性變化較大，因此，進一

　　步深化地質研究，尋找煤層氣富集主控因素，落實勘探有利目標區是當務之急。

　　1 區域地質背景及煤層氣地質特征

　　1.1 地質背景

　　烏審旗地區處于鄂爾多斯盆地北部伊陜斜坡帶，區域構造為一平緩的西傾單斜，地層傾角為1°～3°，局部有小的鼻隆構造，北部構造幅度比南部稍大[1](圖1)。含煤地層中未見巖漿巖，少見斷層。總體上，該地區構造簡單、平緩，有利于煤層氣保存與富集。

　　烏審旗地區為中新生代陸相碎屑沉積，基底為上三疊統延長組，其上為下侏羅統延安組，中侏羅統直羅組、安定組，下白堊統志丹群，新近系上新統，第四系上更新統及全新統[2]。

　　下侏羅統延安組是區內主要含煤層段，沉積地層厚度為150～300m。從上往下依次可將延安組地層劃分為上、中、下3段，每段各含1～2個煤組，自上而下編為2～7號煤組，有的煤組含若干個獨立煤層。

　　1.2 煤層氣地質特征

　　1.2.1 煤層分布特征

　　烏審旗延安組含煤20余層，煤層總厚度5～30m，主要可采煤層5～7層，累計可采厚度15～20m。該區煤層發育具有一定的繼承性特點[3]。平面上具有東兩分帶、北厚南薄、西厚東薄的特征。煤層分布受沉積相帶控制作用顯著，富煤帶遠離湖泊區，沿分流河道帶狀分布，靠近湖泊，則煤層厚度變薄甚至尖滅，各主煤沉積期的古河道對煤層的沖刷作用導致煤層減薄現象普遍(圖2)。

　　延安組上段發育2號煤組，有2-1#和2-2#共2層煤，其中2-2#煤層為主力煤層，平面展布以巴音來登為中心，呈南北向分布，煤層總厚0.5～8.5m;延安組中段包括3、4號煤組，其中3-1#為主力煤層，全區發育，煤層厚0.8～7.5m;延安組下段有5、6、7共3個煤組，煤層總厚3.5～11.5m，下段煤層分岔層數多，部分厚煤層僅局部可采，5-1#煤層和6-1#煤層為主力煤層，7號煤組分布范圍小，僅局部發育。各煤層間距平均為25～50m。

　　烏審旗北部地區煤層氣勘探主力煤層為3-1#煤層，在烏審召鎮附近5-1#、6-1#煤層厚度增大，煤層總厚超過25m;南部地區主力煤層為2-2#、3-1#煤層，4-1#煤層向西厚度增大。

　　烏審旗地區煤層埋深由東向西增大，2-2#、3-1#煤層埋深在大部分地區處于1200m以淺，5-1#、6-1#煤層在1400m以淺(圖2)。

　　1.2.2 聚煤期沉積環境

　　該區侏羅系延安組三角洲沉積環境主要以分流河道及分流洼地沉積為主，導致該地區各主要成煤期煤層厚薄相間展布[4]。湖泊及古河道分布區，煤層減薄或缺失，沼澤、分流洼地成煤環境優越，形成沿分流河道發育展布的帶狀煤層。延安組地層上、中、下段，分別對應延3、延2、延1期3個成煤期，各成煤期的沉積環境和聚煤規律各有不同，其中延2期和延3期是兩大主要成煤期，形成的煤層厚度大，分布廣。

　　1.2.2.1 延2期

　　烏審旗地區延2期地層以三角洲平原沉積為主，湖泊向東收縮，河流作用減弱，主河道寬度小。延2期烏審旗地區北部發育4支分流河道，向南河道分流交織呈網狀河道分布。河道砂巖厚度為10～30m，砂地比為0.3～0.5，在分流河道間，分流洼地廣泛發育，是煤層聚集的主要場所。該期除分流河道和淺湖分布區沒有煤層沉積外，其余沉積相區均有大面積連片煤層分布，煤層展布范圍廣、厚度大，主要沉積了3號和4號煤組。

　　1.2.2.2 延3期

　　烏審旗地區延3期分流河道比延2期發育，表明延3期湖泊的淤淺程度更大，河流作用增強，沼澤化范圍擴大，湖泊進一步向東退縮，河道砂巖厚度介于10～30m，砂地比為0.3～0.5，分流間洼地成為煤層聚集場所。延3期主要沉積了2號煤組，是烏審旗地區侏羅系又一主要成煤期。

　　1.2.3 煤巖特征

　　烏審旗地區煤巖顯微組分中鏡質組平均含量為57.85%，半絲和絲質組平均含量39.65%，穩定組含量為1.82%，總體來說鏡質組和絲質組含量均屬中等，如表1所示。

　　烏審旗地區煤巖演化程度低，以低煤階長焰煤為主，褐煤、氣煤次之，鏡質體反射率變化介于0.48%～0.78%。由于該區未見巖漿巖，因此，煤巖的演化主要受深成變質作用影響，隨著埋深的增大，煤巖變質程度由東向西增高。

　　1.2.4 煤巖儲層物性

　　由于煤巖演化程度低，埋藏較淺，因此，烏審旗地區煤儲層物性較好，滲透性較高。2-2#煤儲層中大裂隙較發育，外生節理在煤礦井下常見，微裂隙不發育，煤層割理密度小，連續性差;多呈孤立狀，縫寬小于0.1mm，縫高小于0.5cm;植物細胞殘留孔隙所占比例較高，煤基巖塊孔(微裂)隙度超過10%。

　　3-1#煤外生節理發育，縫高張開度大，無充填，均質鏡質體內部的微裂隙不發育。植物細胞殘留孔隙所占比例高達30%，有利于煤層氣解吸與擴散和向大裂隙系統的流動。

　　納林河區塊N1井煤層氣井的試井資料表明，2-2#煤層的壓力梯度為1.005MPa/100m;3-1#煤層的壓力梯度為1.1185MPa/100m，屬于正常偏高壓力梯度范圍。N1井2-2#煤層的試井滲透率為17mD，表明烏審旗地區煤巖儲層利于煤層氣的解吸，易獲得較高的煤層氣產量。

　　1.2.5 煤層含氣性

　　根據已鉆15口煤層氣井含氣量測試資料，烏審旗地區煤層含氣量變化介于0.1～6.5m3/t，大部分鉆孔測試資料顯示煤層含氣量低(小于1m3/t)，氣體組分中甲烷含量多低于20%，氮氣成分多超過80%，處于甲烷風化帶。但在納林河和烏審召區塊煤層氣富集，其中在納林河區塊鉆探的N2井中2-2#煤層實測含氣量為5.8m3/t，等溫吸附試驗求得在原始地層條件下，煤儲層理論甲烷吸附量7.5m3/t，由此計算出煤層的吸附氣飽和度為78%;在烏審召區塊鉆探的W3井中3-1#煤層實測含氣量為6.50m3/t，等溫吸附試驗測得在原始地層條件下，煤儲層理論甲烷含氣量為7.0m3/t，煤層氣吸附氣飽和度達96%。可以滿足煤層氣勘探開發的需求。

　　綜上所述，烏審旗地區是典型的低煤階含煤區，主要發育有長焰煤、氣煤，煤巖儲層物性好，滲透率高，煤層含氣性具有很強的不均一性。

　　2 影響煤層氣富集主控因素

　　低煤階煤層氣富集主控因素中，構造條件影響煤層氣的運移[5];蓋層條件影響煤層氣的保存[5～6];水文地質條件對次生生物氣的生成及富集具有控制作用[7～8];3者有利匹配，則有利于低煤階煤層氣的富集成藏。

　　2.1 構造條件

　　不同類型的構造均會導致煤層與封蓋層的產狀、物性及地下水徑流條件出現差異，進而影響到煤層含氣性[5～10]。根據形態與動力學特征，與煤層氣保存有關的構造可歸納為向斜構造、背斜構造、褶皺 逆沖推覆構造和伸展構造4大類[11～12]。

　　烏審旗地區總體上為一個NNE走向的單斜構造，地層產狀沿走向及傾向均有一定變化，但變化不大，沿走向發育有寬緩的波狀起伏，未發現斷層和明顯的褶皺構造。但成煤期后地層多次抬升造成侏羅系煤層深成熱變質作用中止，氣體生成量減少，同時上部地層的剝蝕使煤層解吸脫氣，煤層吸附氣飽和度由飽和變為不飽和，造成甲烷風化帶深度下延，淺部熱成因煤層氣大量散失。

　　2.2 蓋層條件

　　烏審旗地區煤層氣勘探目的層2-2#、3-1#煤層底板一般為泥巖，而頂板巖性則受沉積環境影響有所變化，從泥巖到砂巖都有。2-2#煤層頂板巖性多為泥巖，分布在河道砂體間，厚度一般為0.5～8m，煤層發育區泥巖厚度一般大于2m。泥巖厚度大于4m的地區主要位于S163井地區、E11井地區以及西南角地區。烏審旗發育了4支由北向南展布的砂帶，形成了砂巖頂板并將泥巖分割，在煤層氣勘探中應避開[13～14]。

　　3-1#煤層頂板巖性與2-2#煤層頂板巖性相近，也是砂巖與泥巖相間，只是受分流河道擺動影響，砂帶位置、規模及展布形態有所變化。3-1#煤層頂板發育2支砂帶，其余多為泥巖，泥巖厚度為0～10m，泥巖厚帶主要位于研究區中部及西南角，厚度一般大于2m。

　　從已鉆的煤層氣井含氣量分析，當煤層頂板為泥巖時，煤層氣含氣量較高，未散失，如，N1井和W3井煤層頂板均為泥巖，而其他井由于煤層頂板為砂巖，導致含氣量普遍較低。因此，煤層直接蓋層對烏審旗地區煤層氣的保存起著關鍵作用。

　　2.3 水文地質條件

　　該區含水層有第四系松散層潛水含水層、下白堊統志丹群孔隙潛水一承壓水含水層、中侏羅統碎屑巖類承壓水含水層、中下侏羅統延安組碎屑巖類承壓水含水層和上三疊統延長組碎屑巖類承壓水含水層。

　　主要隔水層有下侏羅統延安組頂部、底部隔水層。因此，如果延安組煤層頂部為砂巖，則含水性強，水動力對煤層可造成一定的洗刷作用，把煤層中吸附的甲烷帶走，導致煤層含氣量降低;如果煤層頂板為泥巖，對上部的含水層起到封隔作用，使煤層地下水處于封閉條件，徑流緩慢，可形成靜水壓力圈閉煤層氣藏。

　　N1井甲烷碳同位素含量介于-59‰～-65‰，具備生物氣特征。烏審旗地區侏羅系含水層礦化度為504mg/L，地下水化學類型為HC03—Na·Mg型，水質較好，具有后期生成生物氣補充煤層再吸附成藏的條件。

　　例如澳大利亞悉尼盆地，其二疊系煤層為褐煤、長焰煤和氣煤(Ro為0.4%～0.9%)，煤層平均厚為30m，埋深介于250～850m，滲透率為1～0.9mD，煤層含氣量為1.0～10 rn3/t，吸附氣飽和度為90%～100%，δ13C1值為-70.0‰～-56.7‰，表明煤層氣以生物成因氣為主[7～8，15～17]。2009年悉尼盆地煤層氣產近10×108m3，高產區均位于有次生生物氣補充區塊，大量后期生物氣的補充導致煤層吸附氣飽和度高，是其煤層氣產量高的主要原因之一。

　　綜合上述分析認為，烏審旗地區構造簡單，斷層不發育，后期抬升造成煤層氣的散失，在蓋層保存條件好的區塊，煤層氣相對富集，如果水動力條件匹配，后期生成次生生物氣，補充到煤層中再吸附成藏，則可形成高飽和低煤階煤層氣藏。因此，影響該區煤層氣富集的主控因素是煤層頂底板巖性和礦化度低的滯留區一弱徑流區。

　　3 煤層氣勘探方向

　　根據上述分析，按照煤層總厚度大于10m，埋深在1000m以淺，煤層頂板為泥巖、砂質泥巖，煤層含氣量大于5m3/t等選區評價標準，綜合分析各個區塊的煤層氣地質條件，結論認為：北部烏審召區塊和南部納林河區塊是煤層氣有利勘探目標區，2個區塊含煤總面積為1200km2，煤層氣資源量達680×108m3(圖3、表2)。

　　3.1 烏審召區塊

　　位于烏審旗中北部，面積為400km2。煤層累計厚度超過18m，4-1#煤層埋深介于800～1000m。煤層割理、裂隙較發育，利用Ultrapore-200A氦孔隙儀測得5號煤組有效孔隙度為6.5%～16.0%，滲透率為0.2～10.0mD。區內煤層氣組分中甲烷含量為93%～98%，非烴氣體主要為C02和N2。實測煤層含氣量最大為6.70m3/t，吸附氣飽和度介于62%～91%，最大為98%。該區塊為烏審旗地區煤層氣勘探開發的首選地帶，煤層氣資源量為305×108m3，資源豐度為0.76×108m3/km2。

　　3.2 納林河區塊

　　位于烏審旗南部，面積約800km2，煤層累計厚度超過15m，4-1#煤層埋深介于800～1000m。該區煤巖儲層物性好，2-1#煤層試井滲透率17mD，并且3-1#與4-1#煤層間有20m左右泥巖，氣測全烴含量由進入煤系地層的0.1%增加到4-1#煤層的4%，實測煤層含氣量最大為5.8m3/t。吸附氣飽和度79%。2號、3號煤組中氣體甲烷碳同位素含量介于-59‰～-65‰，說明煤層中有次生生物氣補充。該區塊煤層氣資源量為375×108m3，資源豐度為0.47×108m3/km2。

　　建議對這2個區塊進行煤層氣井組試驗，落實煤層氣開發潛力，力爭取得低煤階煤層氣勘探突破。

　　4 結論

　　1) 鄂爾多斯盆地烏審旗地區煤層主要分布在侏羅系中下統延安組，以低煤階長焰煤、褐煤為主。該區煤層厚度大，總厚度為5～30m，埋深適中，2號煤組和3號煤組一般淺于1200m，煤巖儲層物性好，滲透率可超過10mD。

　　2) 煤層含氣性變化大，實測煤層含氣量介于0.1～6.5m3/t。烏審旗地區煤層氣富集因素主要受煤層頂底板巖性和水動力地質條件控制。煤系地層上覆地層中分布的泥巖對煤層氣具有良好的封閉作用;而煤系地層中的含水層如果處于封閉狀態，徑流緩慢，則對煤層氣起到了靜水壓力封堵作用，后期生物氣的生成使煤層中的吸附氣再飽和成藏。

　　3) 北部的烏審召區塊和南部的納林河區塊，煤層氣保存條件好，含氣量高，勘探潛力大，可作為下一步煤層氣勘探有利目標區。

　　參考文獻

　　[1] 馬財林，張銘記，權海奇，等.鄂爾多斯盆地侏羅系煤層氣勘探開發潛力評價[M]∥煤層氣勘探開發理論與技術·北京：石油工業出版社，2010：157-167.

　　[2] 長慶石油勘探局勘探開發研究院.鄂爾多斯盆地煤層氣勘探目標評價研究[R].西安：長慶石油勘探局勘探開發研究院，1999.

　　[3] 中國石油長慶油田公司勘探開發研究院.鄂爾多斯盆地煤層氣勘探綜合評價研究[R].西安：中國石油長慶油田公司勘探開發研究院，2001.

　　[4] 西安地質礦產研究所.橫山-鳥審旗地區煤層氣勘探目標評價研究[R].西安：西安地質礦產研究所，2001.

　　[5] 王勃，李景明，姜波，等.高、低煤階煤層氣成藏過程對比研究[J].天然氣，2006，2(1)：54-57.

　　[6] 陳振宏，宋巖.高、低煤階煤層氣藏成藏過程及優勢地質模型[J].新疆石油地質，2007，28(3)：275-279.

　　[7] 劉洪林，李景明，王紅巖，等.水文地質條件對低煤階煤層氣成藏的控制作用[J].天然氣工業，2008，28(7)：20-22.

　　[8] 王勃，王紅巖，陳振宏，等.高、低煤階煤層氣成藏的水化學場差異及其對煤層氣勘探的指導意義[J].天然氣，2007，3(1)：51-54.

　　[9] 陳本金，溫春齊，曹盛遠，等.貴州六盤水煤層氣勘探開發有利目標區優選[J].西南石油大學學報：自然科學版，2010，32(3)：56-60.

　　[10] 石書燦，林曉英，李玉魁.沁水盆地南部煤層氣藏特征[J]，西南石油大學學報，2007，29(2)：54-56.

　　[11] 趙群，王紅巖，李景明，等.中國不同煤階煤層氣藏成藏特征對比[J].天然氣，2007，3(2)：71-74.

　　[12] 雷懷玉，孫欽平，孫斌，等.二連盆地霍林河地區低煤階煤層氣成藏條件及主控因素[J].天然氣工業，2010，30(6)：26-30.

　　[13] 李五忠，田文廣，孫斌，等.低煤階煤層氣成藏特點與勘探開發技術[J].天然氣工業，2008，28(3)：23-24.

　　[14] 孫平，劉洪林，巢海燕，等.低煤階煤層氣勘探勘探思路[J].天然氣工業，2008，28(3)：19-22.

　　[15] 秦勇.國外煤層氣成因與儲層物性研究進展與分析[J].地學前緣，2005，12(3)：289-298.

　　[16] 趙慶波，陳剛，李貴中。中國煤層氣富集高產規律、開采特點及勘探開發適用技術[J].天然氣工業，2009，29(9)：13-19.

　　[17] 陳振宏，王一兵，宋巖，等.不同煤階煤層氣吸附、解吸特征差異對比[J].天然氣工業，2008，28(3)：30-32.

　　(本文作者：孫斌1，2 孫粉錦2 田文廣2 孫欽平2 陳剛2 陳浩3 馮圣4 1.中國礦業大學(北京);2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院;3.長江大學地球科學學院;4.北京中亞時代能源技術有限公司)