鄂爾多斯盆地合陽地區煤層氣賦存特征研究

伊偉，熊先鉞，王偉，劉玲

（1.中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司，陜西韓城715400；2.陜西延長油田股份公司，陜西延安716000）

鄂爾多斯盆地合陽地區煤層氣賦存特征研究

伊偉1，熊先鉞1，王偉1，劉玲2

（1.中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司，陜西韓城715400；2.陜西延長油田股份公司，陜西延安716000）

鄂爾多斯盆地合陽地區是我國煤層氣勘探的重要區塊，在該區進行煤層氣賦存特征研究并預測煤層氣資源量，對其進一步的開發十分必要。為此，從地質條件、儲層特征（煤層分布、煤層埋藏深度、煤巖特征、煤儲層吸附性、煤儲層壓力、煤儲層滲透性及煤層含氣性）等方面入手，分析了該區煤層氣的賦存特征。結果表明：該區煤層氣的保存條件優越；主要含煤地層為二疊系山西組和太原組，含煤層11層，可采或局部可采煤層4層，煤層累計厚度為11m左右，主力煤層為5號煤層，單層厚度超過3m；煤質以中—高灰分、低揮發分的貧煤為主，受構造活動破壞的影響較小，煤巖的原生結構較完整，煤儲層含氣量高且吸附性強。煤層氣資源量預測結果表明：該區煤層氣主要分布在埋深小于1 600m的范圍內，煤層氣資源量約為442.72億m3，其中埋藏深度小于1 300m的煤層氣資源量約為335.01億m3。由此可見，合陽地區煤層氣具有很好的勘探開發前景。

煤層氣；含氣量；資源量；賦存特征；勘探開發潛力；合陽地區；鄂爾多斯盆地

0　引言

鄂爾多斯盆地分布著特大型油氣田，油氣資源量和產量均位居前列［1-4］。除常規油氣資源外，盆地內的非常規資源也非常豐富，煤層氣就是其中的一種，據估算盆地內煤層氣資源量占我國煤層氣總資源量的1/3，開發潛力巨大［3］。合陽地區位于該盆地的大型煤田渭北石炭紀—二疊紀煤田的東部［3］，是我國煤層氣勘探開發的重點地區［3］。自2006年以來，在該區勘探部署了20余口探井，單井最高產氣量達到1 600m3/d，顯示出了該區良好的煤層氣開發前景。隨著該區煤層氣勘探步伐的加快，對其勘探潛力取得了一些新的認識，但在煤層氣系統評價方面，尤其是儲層特征方面的研究還遠遠不夠。

筆者綜合運用地質、測井、錄井、水文地質、煤巖測試分析、水分析化驗及生產動態等資料，在詳細研究該區地質特征和構造特征的基礎上，分析含煤地層特征、封蓋條件以及水文地質條件，進而從煤層分布、煤層埋深、煤巖特征、煤儲層吸附性、煤儲層壓力、煤儲層滲透性及煤層含氣性等方面對該區煤層氣儲層特征進行系統研究，以期指導該區煤層氣資源評價和開發，并為我國大型中—高煤階煤層氣資源的勘探開發提供借鑒。

1　地質條件

1.1區域構造特征

在區域構造上，合陽地區位于鄂爾多斯盆地東南緣渭北隆起的東部（圖1）。鄂爾多斯盆地自早寒武世開始受加里東運動的影響，與華北陸臺一起整體下沉，接受了陸臺型淺海相碎屑巖—碳酸鹽巖建造的沉積；至晚奧陶世再度上升為陸，因此盆地內多數缺失志留系、泥盆系及早石炭系地層；海西運動早期，盆地以沉降為主，接受了上古生界的沉積，晚期海水由東北向西南侵入，開始接受海陸交互相的沉積［2-4］。

印支、燕山、喜馬拉雅運動是對鄂爾多斯盆地石炭紀—二疊紀煤系有重要影響的3期構造運動［2］。燕山運動奠定了研究區的構造基礎［4］，整個區域的構造形態呈一微波狀起伏的大型單斜，地層整體向北傾，傾向270°～310°，地層傾角一般為3°～10°，構造作用較弱，僅在西南部發育一隆起，隆起周圍發育一些小斷層。

圖1　鄂爾多斯盆地合陽地區位置Fig.1 Location of Heyang area in Ordos Basin

1.2含煤地層特征

研究區主要含煤地層為二疊系的山西組和太原組（圖2）。

太原組地層厚度為30～60m，由東向西逐漸變薄，共含煤6層，其中含可采或局部可采煤層2層，煤層累計厚度為8～11m。底部為灰白色石英砂巖，石英砂巖底部有薄層礫巖，夾砂質泥巖，向上依次為粉砂巖、砂質泥巖、11號煤層及石灰巖。主要發育一套不斷向西超覆的濱岸—三角洲環境下形成的海陸交互相沉積［3-4］。上部地層局部受濱海波浪帶作用影響，發育三角洲及其前緣河口砂壩砂巖沉積；下部11號煤層為遍及全區的主要可采煤層。

山西組覆蓋于太原組之上，屬純陸相沉積，厚度為17.56～70.18m，含煤5層，均為薄煤層，其中3號煤層為可采煤層，其余煤層均為不可采煤層。巖性主要為硬質砂巖及石英砂巖，其次為泥巖、砂質泥巖及粉砂巖。其地層旋回結構明顯，自上而下可劃分為3個旋回，每個旋回皆從河流相開始，依次過渡為河漫相、湖泊相、沼澤相、泥炭沼澤相至湖泊相［3-6］。

圖2　鄂爾多斯盆地合陽地區地層綜合柱狀圖Fig.2 Com prehensive stratigraphic column of Heyang area in Ordos Basin

研究區主要可采煤層包括3號、5號及11號共3個煤層，各煤層在走向上大致以研究區中部為中心，向西和東北方向有厚度變薄的趨勢。5號煤層和11號煤層為主力煤層，平均厚度均超過5m。

1.3蓋層條件

煤層氣封蓋層包括煤層的上覆巖層（煤層的頂板）、煤層的下伏巖層（煤層的底板）和厚煤層分岔及尖滅處的側畔巖層，其中鄰近煤層的圍巖最為重要［5-6］。

研究區的蓋層條件比較優越，從上石盒子組到太原組發育多層泥巖，可作為石炭系—二疊系煤層良好的區域蓋層，尤其是下石盒子組，不僅巖性細、厚度大，而且直接覆蓋在煤層之上，對含煤地層起到了良好的封蓋作用（參見圖2）。研究區的煤層氣主要產自山西組5號煤層，該煤層在全區范圍內均較發育，厚度平均約為5m，最大可達7m，頂板巖性主要為灰黑色泥巖、泥質砂巖和炭質泥巖，厚度為5～10m，分布比較穩定，其中泥巖層致密堅硬，厚度較大，其突破壓力為10～18MPa，封閉性較好，可以作為直接蓋層。

1.4水文地質條件

研究區煤系及上覆地層的含水層富水性弱，隔水層發育，地下水的主要補給來源是大氣降水和地表水。地下水自東部向西部徑流，強度逐漸降低，并在一定深度范圍內滯流，礦化度增高。該區水質化驗結果顯示，礦化度為1.148～10.356 g/L，水質類型屬于重碳酸鈉型（表1）。表1反映出區內地下水交替滯緩，并且由南向北隨煤層埋藏深度的增大，水質礦化度也在逐漸增大，可見越靠近深部承壓水動力越弱，也越有利于煤層氣的保存。

二疊系發育多層泥巖和粉砂巖，阻斷了含水層間的水力聯系。隔水層在阻斷地下水徑流的同時，也阻止了煤層氣的逸散。水層不僅在區域上為煤層氣的保存提供了有利的上覆封閉遮擋條件，而且在一定深度范圍內，因地下水承壓使煤儲層壓力增高，形成煤層氣側向封堵［7-8］。

表1　鄂爾多斯盆地合陽地區山西組煤層水質分析Table 1 W ater quality analysisof coalbed of Shanxi Formation in Heyang area in OrdosBasin

2　儲層特征

2.1煤層分布特征

對合陽地區20口井煤層厚度的統計分析表明，可以開發煤層氣的煤層主要為3號、5號和11號煤層，其中3號和11號煤層在局部地區發育，雖然厚度較小，但是存在多個聚煤中心，合4井區和合13—合14井區就是聚煤區，煤層厚度均在4m以上；5號煤層全區分布比較穩定，煤層厚度一般為2～8m，東南方向厚度最大，向西、西北及東北方向煤層厚度逐漸變?。▓D3）。

圖3　鄂爾多斯盆地合陽地區二疊系山西組5號煤層厚度等值線圖Fig.3 Thicknesscontour of No.5 coalseam of Perm ian ShanxiFormation in Heyang area in Ordos Basin

2.2煤層埋藏深度

煤層埋藏深度是煤層氣地質選區評價的關鍵參數，也是煤層氣資源評價的邊界條件之一［9-10］。

研究區探井的測井資料顯示主力煤層山西組5號煤層埋藏深度為600～1 600m。煤層埋藏深度主要受構造條件的控制，局部受地形條件的影響。區內煤層埋藏深度的平面變化趨勢為：東南和西南邊緣淺、北部深，局部地區深淺相間出現。3號和11號煤層埋藏深度的變化與5號煤層基本一致，在同一地區或同一井點，縱向上3號煤層埋藏深度較5號煤層小20～30m，11號煤層埋藏深度較5號煤層大40～50m。整體上主力煤層埋藏深度適中，具有較好的煤層氣成藏條件，有利于煤層氣的勘探開發。

2.3煤巖特征

宏觀煤巖類型在一定程度上反映了煤的生氣能力，亮煤生氣能力高于暗煤［11-14］。通過對研究區的煤樣觀察發現：宏觀煤巖類型以暗淡型煤和半亮型煤為主，其次為光亮型煤和半暗型煤，其中暗淡型煤和半亮型煤的平均體積分數分別大于40%和35%；光亮型煤分布的非均一性最強，山西組和太原組的體積分數分別為0～16%和0～25%。宏觀煤巖成分以暗煤為主，夾少量鏡煤和亮煤。

煤巖測試分析顯示，該區煤巖顯微組分主要為鏡質組，質量分數為32.8%～91.6%，平均為68.70%；其次為惰質組，質量分數為3.0%～34.6%，平均為15.93%；礦物質量分數為1.7%～34.5%，平均為7.33%。煤巖顯微組分在縱向上略有變化，太原組煤較山西組煤鏡質組含量略高，而絲質組和無機礦物含量略低。平面上，從北向南鏡質組含量增加。煤巖中水分含量較低，質量分數一般為0.07%～1.02%，且由南向北逐漸降低；灰分含量變化較大，質量分數為8.74%～47.50%，從北向南亦有降低的趨勢，邊緣淺部煤層灰分含量高，中深部煤層灰分含量低；揮發分質量分數為8.75%～19.38%，平面分布無規律?？傮w來看，研究區煤巖具有低含水、中—高灰分和低揮發分含量的特征（表2）。

受地質歷史時期最大沉積埋深所控制，從北向南，煤巖鏡質體反射率略有增大，但整體變化不大。各主煤層的鏡質體反射率為1.60%～2.19%，北部地區煤化程度略低，鏡質體反射率一般為1.60%～1.89%，南部地區煤化程度略高，鏡質體反射率一般為1.93%～2.19%，整體看有機質已大量進入主生氣階段，煤層生氣量大。

表2　鄂爾多斯盆地合陽地區煤巖特征分析數據Table 2 Characteristicsof coal rock in Heyang area in OrdosBasin

2.4煤儲層吸附性

煤的吸附性能決定了煤層的儲集能力和產出特征，通常利用吸附常數VL（Langmuir體積）和PL（Langmuir壓力）以及等溫吸附曲線來對其進行描述［15-18］。本次研究選取合陽地區10口煤層氣井的5號煤層的煤樣進行吸附實驗，結果表明：在一定的PL條件下，研究區煤層空氣干燥基的VL為6.26～18.58 cm3/g，平均為16.85 cm3/g；干燥無灰基的VL為7.39～21.95 cm3/g，平均為17.62 cm3/g。這反映出研究區內煤儲層的吸附能力較強，并且同一壓力下干燥無灰基條件下的吸附量大于空氣干燥基條件下的吸附量。隨著壓力的變化，煤儲層的吸附量呈現出明顯的階段性。從合11井5號煤層煤樣的等溫吸附曲線（圖4）可以發現：煤層氣的吸附增量隨著壓力的增高逐漸降低，其中壓力小于3MPa時吸附增量最大，平均為4.95m3/（t·MPa）；壓力為3～8MPa時吸附增量平均為1.29m3/（t·MPa）?？梢?，研究區內的煤層吸附性較好、解吸能力較強，表現為高VL和高理論解吸量。

圖4　鄂爾多斯盆地合陽地區合11井5號煤層等溫吸附曲線Fig.4 Adsorption isotherm of No.5 coalseam in He 11well in Heyang area in OrdosBasin

2.5煤儲層壓力及滲透性特征

儲層壓力是地層能量大小的反映，不僅對煤儲層的滲透性、含氣性和氣體賦存狀態等有著重要影響，同時也是氣體和水從裂隙向井筒流動的能量，影響到煤層氣井的產能［19-22］。統計研究區煤儲層壓力與埋藏深度數據（表3），并繪制出煤儲層壓力與埋藏深度的關系曲線（圖5），可知各煤層的儲層壓力隨煤層埋藏深度增加而增大，且呈相關性很好的線性關系，即

式中：p為儲層壓力，MPa；k為儲層壓力梯度，MPa/m；h為埋藏深度，m。

表3　鄂爾多斯盆地合陽地區煤儲層壓力與埋藏深度統計Table 3 The pressure and the buried depth of coal reservoir in Heyang area in Ordos Basin

圖5　鄂爾多斯盆地合陽地區煤儲層壓力與埋藏深度關系Fig.5 Relationship between the pressure and the buried depth of coal reservoir in Heyang area in Ordos Basin

根據擬合結果，3號、5號和11號煤層的儲層壓力梯度分別為7.1 kPa/m，7.7 kPa/m和8.7 kPa/m。在3套煤層中11號煤層儲層壓力最大，若僅從儲層壓力角度分析，11號煤層最有利于煤層氣開采，而3號煤層最不利于煤層氣開采。

煤層滲透性是衡量煤層中氣-水流體在壓力差作用下通過有效孔隙流動能力的參數，用滲透率表示［20］。已有實測數據表明，5號煤層的滲透率較低，為0.01～0.10mD，屬于低滲儲層；滲透率低的原因之一是煤的割理發育程度比較差，二是煤層割理中還有一些礦物質沉淀，導致部分割理被礦物質充填。煤儲層滲透率除了受其自身條件控制外，還受埋藏深度和斷層的影響，即隨著煤層埋藏深度的增加，煤儲層的滲透率降低；斷層發育的地區，滲透性相對較好，反之滲透性相對較差。

2.6煤層含氣性及其變化規律

研究區的煤層氣主要富集于3號、5號和11號煤層，本次以5號煤層為例研究煤層含氣性及其分布特征（圖6）。

圖6　鄂爾多斯盆地合陽地區二疊系山西組5號煤層含氣量等值線圖Fig.6 Isogram of gascontentof No.5 coalseam of Perm ian ShanxiFormation in Heyang area in Ordos Basin

從圖6可以看出：研究區5號煤層分布范圍較廣且連續性好，其煤層氣質量體積一般為3.00～13.68m3/t；質量體積大于10m3/t的區域主要位于中北部和中南部地區，質量體積小于5m3/t的區域主要位于東部和西南部地區；平面上，呈現出東北和西南兩端煤層含氣量低，中間地帶煤層含氣量高的特點。

研究區煤層含氣量的分布與構造也呈現出明顯的相關性。煤層氣質量體積高值區（＞10m3/t）主要位于斷層及褶皺均不發育的地帶，中值區（5～10m3/t）主要位于小型斷裂發育的地帶，而低值區（＜5m3/t）主要分布在構造較發育的地帶，尤其是西南部數條斷層交錯發育，導致煤儲層含氣量較低。

通常情況下，隨煤層埋藏深度增大，煤層含氣量呈“單調函數”增高［23］。然而，通過分析解析數據發現，研究區的煤層含氣量盡管隨埋藏深度增大而總體呈增高的趨勢，但是西北部地區煤層含氣量則隨埋藏深度增大反而降低。

3　煤層氣資源量

合陽地區二疊系煤炭資源豐富，煤層總厚度及單層厚度均較大，并且煤層氣含量較高，煤層氣資源富集。以煤層總厚度和埋藏深度作為煤層氣資源量計算的邊界條件，參考煤巖特征及煤層含氣性，取煤層總厚度不小于2m、煤層氣質量體積不小于6m3/t為煤層氣資源量計算的下限值，分埋藏深度為600～1 300m和1 300～1 600m等2個深度段對該區煤層氣資源量進行計算。由于不同的煤層含氣量存在差異，采用分層容積法［24-25］（煤層甲烷含量法）對煤層氣資源量進行計算，其公式為

式（2）～（3）中：G為煤層氣總資源量，m3；Gn為單煤層的煤層氣資源量，m3；An為煤層的面積，km2；Hn為煤層厚度，m；Dn為煤層的視密度，t/m3；Cn為煤層氣含量，m3/t。

計算結果（表4）表明：該區煤層埋藏深度為600～1 300m的含煤面積為225 km2，煤層氣資源量為335.01億m3，資源量豐度為1.48億m3/km2；煤層埋藏深度為1 300～1 600m的含煤面積為55 km2，煤層氣資源量為86.68億m3，資源量豐度為1.95億m3/km2。

表4　鄂爾多斯盆地合陽地區煤層氣資源量預測統計Table 4 Statisticsof coalbedmethane resources in Heyang area in OrdosBasin

由此可見，合陽地區煤層氣具有很好的開采前景。

4　結論

（1）鄂爾多斯盆地合陽地區二疊系發育多套煤層，主力煤層厚度大且分布范圍廣，頂、底板封蓋性均較好，構造活動相對較弱，水文地質條件簡單，為煤層氣的賦存提供了有利的條件。

（2）研究區煤巖中鏡質組含量高，揮發分含量普遍低，煤巖演化程度較高，以貧煤為主，煤層具有含氣量高、吸附性強、解吸能力強和儲層壓力大的特征。

（3）研究區煤巖的割理發育程度較差，主力煤層的滲透率較低，煤層氣質量體積為3.00～13.68m3/t，平面分布表現為東北和西南含氣量低，中間地帶含氣量高的特點。

（4）研究區煤層氣資源非常豐富，煤層埋藏深度小于1 600m的含煤面積為280 km2，煤層氣資源量為442.72億m3，資源豐度為1.58億m3/km2，為該區煤層氣的開采提供了堅實的物質基礎。

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（本文編輯：于惠宇）

Study on occurrence featuresof coalbedmethane in Heyang area，Ordos Basin

YIWei1，XIONG Xianyue1，WANGWei1，LIU Ling2
（1.Hancheng Branch，PetroChina Coalbed Methane Company Ltd.，Hancheng 715400，Shannxi，China；2.Yanchang Oilfield Company Ltd.，Yan'an 716000，Shannxi，China）

Heyang area in Ordos Basin is an importantblock of coalbed methane exploration in our country，so to study the occurrence features of coalbed methane and predict coalbed methane resources is necessary for field development.This paper analyzed the occurrence of coalbed methane in this area in respect of coalbed methane reservoir characteristics including burial depth and thicknessof coal layer，featuresof coal，adsorption and pressure of coal reservoirs，permeability of coal reservoirs，as well as gas content.The results show that the preservation conditions of coalbed methane are advantage.The main coal-bearing strata are Shanxi Formation and Taiyuan Formation of the Permian，containing 11 layers coal，ofwhich 4 layers are recoverable or partially recoverable，the cumulative thickness of coal seam is about 11m，and themain coal seam is NO.5，ofwhich the thickness ismore than 3m.The coals are dominated by lean coalwith high ash and low volatile.Less affected by the destruction of tectonic activity，the original structure of coal ismore complete，and the gas contentof coal reservoir is high and the adsorption is strong.The prediction result of coalbed methane resources in this area shows that coalbed methanemainly occurs in coal layers shallower than 1 600m with a cumulative coalbedmethane resource volume of442.72× 108m3.Among them the coalbedmethane resource volumewith buried depth shallower than 1 300m is 335.01×108m3. Therefore，the coalbedmethane in Heyang area hasvery good prospects for exploration and development.

coalbedmethane；gascontent；resource volume；occurrence features；exploration and developmentpotential；Heyang area；Ordos Basin

P618.11

A

1673-8926（2015）02-0038-08

2014-09-30；

2014-11-02

國家重大科技專項“煤層氣井氣、水流動特征和變化規律研究”（編號：2011ZX05038-002）和國家重點基礎研究發展計劃（973）項目“高豐度煤層氣富集機制及提高開采效率基礎研究”（編號：2009CB219600）聯合資助

伊偉（1983-），男，碩士，工程師，從事煤層氣地質、煤層氣資源評價及勘探開發綜合研究工作。地址：（715400）陜西省韓城市中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司。E-m ail：yiwei01@petrochina.com.cn。