鄂爾多斯盆地烏審旗地區(qū)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(yè)大學(xué)(北京);2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院;3.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院;4.北京中亞時代能源技術(shù)有限公司)

　　摘要：烏審旗地區(qū)是鄂爾多斯盆地的重要含煤區(qū)，也是近幾年低煤階煤層氣勘探的熱點(diǎn)地區(qū)。但該區(qū)前期煤層氣鉆探總體效果并不理想，迫切需要認(rèn)清該區(qū)煤層氣富集規(guī)律，以便有效開展煤層氣勘探及開發(fā)利用。為此，對該區(qū)煤層分布特征、聚煤期沉積環(huán)境、煤巖特征及儲層物性、煤層含氣性等地質(zhì)條件進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)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(qū)煤層埋深小于1000m且分布穩(wěn)定，具有一定的煤層氣勘探潛力。但煤層氣鉆井揭示該區(qū)煤層含氣性變化大，煤層含氣量介于0.19～6.7m3/t，部分地區(qū)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(jìn)一步分析影響該區(qū)煤層氣富集的主控因素后認(rèn)為：在煤層直接蓋層為砂巖、保存條件差的地區(qū)，煤層含氣性差，反之，則含氣性好，如果有后期生物氣的補(bǔ)充，則可以富集成藏。最后指出：該區(qū)北部的烏審召區(qū)塊和南部的納林河區(qū)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(biāo)區(qū)。

　　關(guān)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(zhì)

　　烏審旗地區(qū)橫跨陜西省北部的榆林市、橫山縣和內(nèi)蒙古自治區(qū)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(qū)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(fā)現(xiàn)該區(qū)煤層厚度大、分布廣，具有良好的煤層氣成藏條件。目前該區(qū)已鉆煤層氣井15口，煤層含氣性變化較大，因此，進(jìn)一

　　步深化地質(zhì)研究，尋找煤層氣富集主控因素，落實(shí)勘探有利目標(biāo)區(qū)是當(dāng)務(wù)之急。

　　1 區(qū)域地質(zhì)背景及煤層氣地質(zhì)特征

　　1.1 地質(zhì)背景

　　烏審旗地區(qū)處于鄂爾多斯盆地北部伊陜斜坡帶，區(qū)域構(gòu)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(gòu)造，北部構(gòu)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?？傮w上，該地區(qū)構(gòu)造簡單、平緩，有利于煤層氣保存與富集。

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

　　下侏羅統(tǒng)延安組是區(qū)內(nèi)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(dú)立煤層。

　　1.2 煤層氣地質(zhì)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(qū)煤層發(fā)育具有一定的繼承性特點(diǎn)[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(yuǎn)離湖泊區(qū)，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(dǎo)致煤層減薄現(xiàn)象普遍(圖2)。

　　延安組上段發(fā)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(qū)發(fā)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(shù)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(fā)育。各煤層間距平均為25～50m。

　　烏審旗北部地區(qū)煤層氣勘探主力煤層為3-1#煤層，在烏審召鎮(zhèn)附近5-1#、6-1#煤層厚度增大，煤層總厚超過25m;南部地區(qū)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(qū)煤層埋深由東向西增大，2-2#、3-1#煤層埋深在大部分地區(qū)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(huán)境

　　該區(qū)侏羅系延安組三角洲沉積環(huán)境主要以分流河道及分流洼地沉積為主，導(dǎo)致該地區(qū)各主要成煤期煤層厚薄相間展布[4]。湖泊及古河道分布區(qū)，煤層減薄或缺失，沼澤、分流洼地成煤環(huán)境優(yōu)越，形成沿分流河道發(fā)育展布的帶狀煤層。延安組地層上、中、下段，分別對應(yīng)延3、延2、延1期3個成煤期，各成煤期的沉積環(huán)境和聚煤規(guī)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(qū)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(qū)北部發(fā)育4支分流河道，向南河道分流交織呈網(wǎng)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(fā)育，是煤層聚集的主要場所。該期除分流河道和淺湖分布區(qū)沒有煤層沉積外，其余沉積相區(qū)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(qū)延3期分流河道比延2期發(fā)育，表明延3期湖泊的淤淺程度更大，河流作用增強(qiáng)，沼澤化范圍擴(kuò)大，湖泊進(jìn)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(qū)侏羅系又一主要成煤期。

　　1.2.3 煤巖特征

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

　　烏審旗地區(qū)煤巖演化程度低，以低煤階長焰煤為主，褐煤、氣煤次之，鏡質(zhì)體反射率變化介于0.48%～0.78%。由于該區(qū)未見巖漿巖，因此，煤巖的演化主要受深成變質(zhì)作用影響，隨著埋深的增大，煤巖變質(zhì)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(qū)煤儲層物性較好，滲透性較高。2-2#煤儲層中大裂隙較發(fā)育，外生節(jié)理在煤礦井下常見，微裂隙不發(fā)育，煤層割理密度小，連續(xù)性差;多呈孤立狀，縫寬小于0.1mm，縫高小于0.5cm;植物細(xì)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(jié)理發(fā)育，縫高張開度大，無充填，均質(zhì)鏡質(zhì)體內(nèi)部的微裂隙不發(fā)育。植物細(xì)胞殘留孔隙所占比例高達(dá)30%，有利于煤層氣解吸與擴(kuò)散和向大裂隙系統(tǒng)的流動。

　　納林河區(qū)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(qū)煤巖儲層利于煤層氣的解吸，易獲得較高的煤層氣產(chǎn)量。

　　1.2.5 煤層含氣性

　　根據(jù)已鉆15口煤層氣井含氣量測試資料，烏審旗地區(qū)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?dú)獬煞侄喑^80%，處于甲烷風(fēng)化帶。但在納林河和烏審召區(qū)塊煤層氣富集，其中在納林河區(qū)塊鉆探的N2井中2-2#煤層實(shí)測含氣量為5.8m3/t，等溫吸附試驗(yàn)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(qū)塊鉆探的W3井中3-1#煤層實(shí)測含氣量為6.50m3/t，等溫吸附試驗(yàn)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(dá)96%?？梢詽M足煤層氣勘探開發(fā)的需求。

　　綜上所述，烏審旗地區(qū)是典型的低煤階含煤區(qū)，主要發(fā)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(qiáng)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(gòu)造條件影響煤層氣的運(yùn)移[5];蓋層條件影響煤層氣的保存[5～6];水文地質(zhì)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(gòu)造條件

　　不同類型的構(gòu)造均會導(dǎo)致煤層與封蓋層的產(chǎn)狀、物性及地下水徑流條件出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響到煤層含氣性[5～10]。根據(jù)形態(tài)與動力學(xué)特征，與煤層氣保存有關(guān)的構(gòu)造可歸納為向斜構(gòu)造、背斜構(gòu)造、褶皺 逆沖推覆構(gòu)造和伸展構(gòu)造4大類[11～12]。

　　烏審旗地區(qū)總體上為一個NNE走向的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀沿走向及傾向均有一定變化，但變化不大，沿走向發(fā)育有寬緩的波狀起伏，未發(fā)現(xiàn)斷層和明顯的褶皺構(gòu)造。但成煤期后地層多次抬升造成侏羅系煤層深成熱變質(zhì)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?yōu)椴伙柡?，造成甲烷風(fēng)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(qū)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(huán)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(fā)育區(qū)泥巖厚度一般大于2m。泥巖厚度大于4m的地區(qū)主要位于S163井地區(qū)、E11井地區(qū)以及西南角地區(qū)。烏審旗發(fā)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(yīng)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(guī)模及展布形態(tài)有所變化。3-1#煤層頂板發(fā)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(qū)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(dāng)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(dǎo)致含氣量普遍較低。因此，煤層直接蓋層對烏審旗地區(qū)煤層氣的保存起著關(guān)鍵作用。

　　2.3 水文地質(zhì)條件

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

　　主要隔水層有下侏羅統(tǒng)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(qiáng)，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(dǎo)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(qū)侏羅系含水層礦化度為504mg/L，地下水化學(xué)類型為HC03—Na·Mg型，水質(zhì)較好，具有后期生成生物氣補(bǔ)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(chǎn)近10×108m3，高產(chǎn)區(qū)均位于有次生生物氣補(bǔ)充區(qū)塊，大量后期生物氣的補(bǔ)充導(dǎo)致煤層吸附氣飽和度高，是其煤層氣產(chǎn)量高的主要原因之一。

　　綜合上述分析認(rèn)為，烏審旗地區(qū)構(gòu)造簡單，斷層不發(fā)育，后期抬升造成煤層氣的散失，在蓋層保存條件好的區(qū)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(bǔ)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(qū)煤層氣富集的主控因素是煤層頂?shù)装鍘r性和礦化度低的滯留區(qū)一弱徑流區(qū)。

　　3 煤層氣勘探方向

　　根據(jù)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(zhì)泥巖，煤層含氣量大于5m3/t等選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析各個區(qū)塊的煤層氣地質(zhì)條件，結(jié)論認(rèn)為：北部烏審召區(qū)塊和南部納林河區(qū)塊是煤層氣有利勘探目標(biāo)區(qū)，2個區(qū)塊含煤總面積為1200km2，煤層氣資源量達(dá)680×108m3(圖3、表2)。

　　3.1 烏審召區(qū)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(fā)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(qū)內(nèi)煤層氣組分中甲烷含量為93%～98%，非烴氣體主要為C02和N2。實(shí)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(qū)塊為烏審旗地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)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(qū)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(qū)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(jìn)入煤系地層的0.1%增加到4-1#煤層的4%，實(shí)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(bǔ)充。該區(qū)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(qū)塊進(jìn)行煤層氣井組試驗(yàn)，落實(shí)煤層氣開發(fā)潛力，力爭取得低煤階煤層氣勘探突破。

　　4 結(jié)論

　　1) 鄂爾多斯盆地烏審旗地區(qū)煤層主要分布在侏羅系中下統(tǒng)延安組，以低煤階長焰煤、褐煤為主。該區(qū)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(shí)測煤層含氣量介于0.1～6.5m3/t。烏審旗地區(qū)煤層氣富集因素主要受煤層頂?shù)装鍘r性和水動力地質(zhì)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(tài)，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(qū)塊和南部的納林河區(qū)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(biāo)區(qū)。

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