鄂尔多斯盆地乌审旗地区煤层气富集主控因素及其勘探方向

　　(本文作者：孙斌1，2 孙粉锦2 田文广2 孙钦平2 陈刚2 陈浩3 冯圣4 1.中国矿业大学(北京);2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院;3.长江大学地球科学学院;4.北京中亚时代能源技术有限公司)

　　摘要：乌审旗地区是鄂尔多斯盆地的重要含煤区，也是近几年低煤阶煤层气勘探的热点地区。但该区前期煤层气钻探总体效果并不理想，迫切需要认清该区煤层气富集规律，以便有效开展煤层气勘探及开发利用。为此，对该区煤层分布特征、聚煤期沉积环境、煤岩特征及储层物性、煤层含气性等地质条件进行了分析，发现该区煤岩演化程度低，以低煤阶长焰煤为主，煤层厚5～30m，大部分地区煤层埋深小于1000m且分布稳定，具有一定的煤层气勘探潜力。但煤层气钻井揭示该区煤层含气性变化大，煤层含气量介于0.19～6.7m3/t，部分地区煤层气组成中CH4含量小于25%，说明煤层早期成岩时生成吸附的甲烷已被破坏逸散。进一步分析影响该区煤层气富集的主控因素后认为：在煤层直接盖层为砂岩、保存条件差的地区，煤层含气性差，反之，则含气性好，如果有后期生物气的补充，则可以富集成藏。最后指出：该区北部的乌审召区块和南部的纳林河区块，煤层气保存条件好、含气量高、勘探潜力大，可作为下一步煤层气勘探的有利目标区。

　　关键词：鄂尔多斯盆地;乌审旗;低煤阶;含气性;次生生物气;保存条件;油气富集;水文地质

　　乌审旗地区横跨陕西省北部的榆林市、横山县和内蒙古自治区中南部的乌审旗、巴音来登，东西宽95km，南北长110km，面积约1×104km2。

　　乌审旗地区煤炭资源丰富，煤层气勘探潜力巨大。近年来，研究人员通过分析研究天然气钻井、煤炭钻孔及煤岩分析资料以及地震测线解释，发现该区煤层厚度大、分布广，具有良好的煤层气成藏条件。目前该区已钻煤层气井15口，煤层含气性变化较大，因此，进一

　　步深化地质研究，寻找煤层气富集主控因素，落实勘探有利目标区是当务之急。

　　1 区域地质背景及煤层气地质特征

　　1.1 地质背景

　　乌审旗地区处于鄂尔多斯盆地北部伊陕斜坡带，区域构造为一平缓的西倾单斜，地层倾角为1°～3°，局部有小的鼻隆构造，北部构造幅度比南部稍大[1](图1)。含煤地层中未见岩浆岩，少见断层。总体上，该地区构造简单、平缓，有利于煤层气保存与富集。

　　乌审旗地区为中新生代陆相碎屑沉积，基底为上三叠统延长组，其上为下侏罗统延安组，中侏罗统直罗组、安定组，下白垩统志丹群，新近系上新统，第四系上更新统及全新统[2]。

　　下侏罗统延安组是区内主要含煤层段，沉积地层厚度为150～300m。从上往下依次可将延安组地层划分为上、中、下3段，每段各含1～2个煤组，自上而下编为2～7号煤组，有的煤组含若干个独立煤层。

　　1.2 煤层气地质特征

　　1.2.1 煤层分布特征

　　乌审旗延安组含煤20余层，煤层总厚度5～30m，主要可采煤层5～7层，累计可采厚度15～20m。该区煤层发育具有一定的继承性特点[3]。平面上具有东两分带、北厚南薄、西厚东薄的特征。煤层分布受沉积相带控制作用显著，富煤带远离湖泊区，沿分流河道带状分布，靠近湖泊，则煤层厚度变薄甚至尖灭，各主煤沉积期的古河道对煤层的冲刷作用导致煤层减薄现象普遍(图2)。

　　延安组上段发育2号煤组，有2-1#和2-2#共2层煤，其中2-2#煤层为主力煤层，平面展布以巴音来登为中心，呈南北向分布，煤层总厚0.5～8.5m;延安组中段包括3、4号煤组，其中3-1#为主力煤层，全区发育，煤层厚0.8～7.5m;延安组下段有5、6、7共3个煤组，煤层总厚3.5～11.5m，下段煤层分岔层数多，部分厚煤层仅局部可采，5-1#煤层和6-1#煤层为主力煤层，7号煤组分布范围小，仅局部发育。各煤层间距平均为25～50m。

　　乌审旗北部地区煤层气勘探主力煤层为3-1#煤层，在乌审召镇附近5-1#、6-1#煤层厚度增大，煤层总厚超过25m;南部地区主力煤层为2-2#、3-1#煤层，4-1#煤层向西厚度增大。

　　乌审旗地区煤层埋深由东向西增大，2-2#、3-1#煤层埋深在大部分地区处于1200m以浅，5-1#、6-1#煤层在1400m以浅(图2)。

　　1.2.2 聚煤期沉积环境

　　该区侏罗系延安组三角洲沉积环境主要以分流河道及分流洼地沉积为主，导致该地区各主要成煤期煤层厚薄相间展布[4]。湖泊及古河道分布区，煤层减薄或缺失，沼泽、分流洼地成煤环境优越，形成沿分流河道发育展布的带状煤层。延安组地层上、中、下段，分别对应延3、延2、延1期3个成煤期，各成煤期的沉积环境和聚煤规律各有不同，其中延2期和延3期是两大主要成煤期，形成的煤层厚度大，分布广。

　　1.2.2.1 延2期

　　乌审旗地区延2期地层以三角洲平原沉积为主，湖泊向东收缩，河流作用减弱，主河道宽度小。延2期乌审旗地区北部发育4支分流河道，向南河道分流交织呈网状河道分布。河道砂岩厚度为10～30m，砂地比为0.3～0.5，在分流河道间，分流洼地广泛发育，是煤层聚集的主要场所。该期除分流河道和浅湖分布区没有煤层沉积外，其余沉积相区均有大面积连片煤层分布，煤层展布范围广、厚度大，主要沉积了3号和4号煤组。

　　1.2.2.2 延3期

　　乌审旗地区延3期分流河道比延2期发育，表明延3期湖泊的淤浅程度更大，河流作用增强，沼泽化范围扩大，湖泊进一步向东退缩，河道砂岩厚度介于10～30m，砂地比为0.3～0.5，分流间洼地成为煤层聚集场所。延3期主要沉积了2号煤组，是乌审旗地区侏罗系又一主要成煤期。

　　1.2.3 煤岩特征

　　乌审旗地区煤岩显微组分中镜质组平均含量为57.85%，半丝和丝质组平均含量39.65%，稳定组含量为1.82%，总体来说镜质组和丝质组含量均属中等，如表1所示。

　　乌审旗地区煤岩演化程度低，以低煤阶长焰煤为主，褐煤、气煤次之，镜质体反射率变化介于0.48%～0.78%。由于该区未见岩浆岩，因此，煤岩的演化主要受深成变质作用影响，随着埋深的增大，煤岩变质程度由东向西增高。

　　1.2.4 煤岩储层物性

　　由于煤岩演化程度低，埋藏较浅，因此，乌审旗地区煤储层物性较好，渗透性较高。2-2#煤储层中大裂隙较发育，外生节理在煤矿井下常见，微裂隙不发育，煤层割理密度小，连续性差;多呈孤立状，缝宽小于0.1mm，缝高小于0.5cm;植物细胞残留孔隙所占比例较高，煤基岩块孔(微裂)隙度超过10%。

　　3-1#煤外生节理发育，缝高张开度大，无充填，均质镜质体内部的微裂隙不发育。植物细胞残留孔隙所占比例高达30%，有利于煤层气解吸与扩散和向大裂隙系统的流动。

　　纳林河区块N1井煤层气井的试井资料表明，2-2#煤层的压力梯度为1.005MPa/100m;3-1#煤层的压力梯度为1.1185MPa/100m，属于正常偏高压力梯度范围。N1井2-2#煤层的试井渗透率为17mD，表明乌审旗地区煤岩储层利于煤层气的解吸，易获得较高的煤层气产量。

　　1.2.5 煤层含气性

　　根据已钻15口煤层气井含气量测试资料，乌审旗地区煤层含气量变化介于0.1～6.5m3/t，大部分钻孔测试资料显示煤层含气量低(小于1m3/t)，气体组分中甲烷含量多低于20%，氮气成分多超过80%，处于甲烷风化带。但在纳林河和乌审召区块煤层气富集，其中在纳林河区块钻探的N2井中2-2#煤层实测含气量为5.8m3/t，等温吸附试验求得在原始地层条件下，煤储层理论甲烷吸附量7.5m3/t，由此计算出煤层的吸附气饱和度为78%;在乌审召区块钻探的W3井中3-1#煤层实测含气量为6.50m3/t，等温吸附试验测得在原始地层条件下，煤储层理论甲烷含气量为7.0m3/t，煤层气吸附气饱和度达96%。可以满足煤层气勘探开发的需求。

　　综上所述，乌审旗地区是典型的低煤阶含煤区，主要发育有长焰煤、气煤，煤岩储层物性好，渗透率高，煤层含气性具有很强的不均一性。

　　2 影响煤层气富集主控因素

　　低煤阶煤层气富集主控因素中，构造条件影响煤层气的运移[5];盖层条件影响煤层气的保存[5～6];水文地质条件对次生生物气的生成及富集具有控制作用[7～8];3者有利匹配，则有利于低煤阶煤层气的富集成藏。

　　2.1 构造条件

　　不同类型的构造均会导致煤层与封盖层的产状、物性及地下水径流条件出现差异，进而影响到煤层含气性[5～10]。根据形态与动力学特征，与煤层气保存有关的构造可归纳为向斜构造、背斜构造、褶皱 逆冲推覆构造和伸展构造4大类[11～12]。

　　乌审旗地区总体上为一个NNE走向的单斜构造，地层产状沿走向及倾向均有一定变化，但变化不大，沿走向发育有宽缓的波状起伏，未发现断层和明显的褶皱构造。但成煤期后地层多次抬升造成侏罗系煤层深成热变质作用中止，气体生成量减少，同时上部地层的剥蚀使煤层解吸脱气，煤层吸附气饱和度由饱和变为不饱和，造成甲烷风化带深度下延，浅部热成因煤层气大量散失。

　　2.2 盖层条件

　　乌审旗地区煤层气勘探目的层2-2#、3-1#煤层底板一般为泥岩，而顶板岩性则受沉积环境影响有所变化，从泥岩到砂岩都有。2-2#煤层顶板岩性多为泥岩，分布在河道砂体间，厚度一般为0.5～8m，煤层发育区泥岩厚度一般大于2m。泥岩厚度大于4m的地区主要位于S163井地区、E11井地区以及西南角地区。乌审旗发育了4支由北向南展布的砂带，形成了砂岩顶板并将泥岩分割，在煤层气勘探中应避开[13～14]。

　　3-1#煤层顶板岩性与2-2#煤层顶板岩性相近，也是砂岩与泥岩相间，只是受分流河道摆动影响，砂带位置、规模及展布形态有所变化。3-1#煤层顶板发育2支砂带，其余多为泥岩，泥岩厚度为0～10m，泥岩厚带主要位于研究区中部及西南角，厚度一般大于2m。

　　从已钻的煤层气井含气量分析，当煤层顶板为泥岩时，煤层气含气量较高，未散失，如，N1井和W3井煤层顶板均为泥岩，而其他井由于煤层顶板为砂岩，导致含气量普遍较低。因此，煤层直接盖层对乌审旗地区煤层气的保存起着关键作用。

　　2.3 水文地质条件

　　该区含水层有第四系松散层潜水含水层、下白垩统志丹群孔隙潜水一承压水含水层、中侏罗统碎屑岩类承压水含水层、中下侏罗统延安组碎屑岩类承压水含水层和上三叠统延长组碎屑岩类承压水含水层。

　　主要隔水层有下侏罗统延安组顶部、底部隔水层。因此，如果延安组煤层顶部为砂岩，则含水性强，水动力对煤层可造成一定的洗刷作用，把煤层中吸附的甲烷带走，导致煤层含气量降低;如果煤层顶板为泥岩，对上部的含水层起到封隔作用，使煤层地下水处于封闭条件，径流缓慢，可形成静水压力圈闭煤层气藏。

　　N1井甲烷碳同位素含量介于-59‰～-65‰，具备生物气特征。乌审旗地区侏罗系含水层矿化度为504mg/L，地下水化学类型为HC03—Na·Mg型，水质较好，具有后期生成生物气补充煤层再吸附成藏的条件。

　　例如澳大利亚悉尼盆地，其二叠系煤层为褐煤、长焰煤和气煤(Ro为0.4%～0.9%)，煤层平均厚为30m，埋深介于250～850m，渗透率为1～0.9mD，煤层含气量为1.0～10 rn3/t，吸附气饱和度为90%～100%，δ13C1值为-70.0‰～-56.7‰，表明煤层气以生物成因气为主[7～8，15～17]。2009年悉尼盆地煤层气产近10×108m3，高产区均位于有次生生物气补充区块，大量后期生物气的补充导致煤层吸附气饱和度高，是其煤层气产量高的主要原因之一。

　　综合上述分析认为，乌审旗地区构造简单，断层不发育，后期抬升造成煤层气的散失，在盖层保存条件好的区块，煤层气相对富集，如果水动力条件匹配，后期生成次生生物气，补充到煤层中再吸附成藏，则可形成高饱和低煤阶煤层气藏。因此，影响该区煤层气富集的主控因素是煤层顶底板岩性和矿化度低的滞留区一弱径流区。

　　3 煤层气勘探方向

　　根据上述分析，按照煤层总厚度大于10m，埋深在1000m以浅，煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，煤层含气量大于5m3/t等选区评价标准，综合分析各个区块的煤层气地质条件，结论认为：北部乌审召区块和南部纳林河区块是煤层气有利勘探目标区，2个区块含煤总面积为1200km2，煤层气资源量达680×108m3(图3、表2)。

　　3.1 乌审召区块

　　位于乌审旗中北部，面积为400km2。煤层累计厚度超过18m，4-1#煤层埋深介于800～1000m。煤层割理、裂隙较发育，利用Ultrapore-200A氦孔隙仪测得5号煤组有效孔隙度为6.5%～16.0%，渗透率为0.2～10.0mD。区内煤层气组分中甲烷含量为93%～98%，非烃气体主要为C02和N2。实测煤层含气量最大为6.70m3/t，吸附气饱和度介于62%～91%，最大为98%。该区块为乌审旗地区煤层气勘探开发的首选地带，煤层气资源量为305×108m3，资源丰度为0.76×108m3/km2。

　　3.2 纳林河区块

　　位于乌审旗南部，面积约800km2，煤层累计厚度超过15m，4-1#煤层埋深介于800～1000m。该区煤岩储层物性好，2-1#煤层试井渗透率17mD，并且3-1#与4-1#煤层间有20m左右泥岩，气测全烃含量由进入煤系地层的0.1%增加到4-1#煤层的4%，实测煤层含气量最大为5.8m3/t。吸附气饱和度79%。2号、3号煤组中气体甲烷碳同位素含量介于-59‰～-65‰，说明煤层中有次生生物气补充。该区块煤层气资源量为375×108m3，资源丰度为0.47×108m3/km2。

　　建议对这2个区块进行煤层气井组试验，落实煤层气开发潜力，力争取得低煤阶煤层气勘探突破。

　　4 结论

　　1) 鄂尔多斯盆地乌审旗地区煤层主要分布在侏罗系中下统延安组，以低煤阶长焰煤、褐煤为主。该区煤层厚度大，总厚度为5～30m，埋深适中，2号煤组和3号煤组一般浅于1200m，煤岩储层物性好，渗透率可超过10mD。

　　2) 煤层含气性变化大，实测煤层含气量介于0.1～6.5m3/t。乌审旗地区煤层气富集因素主要受煤层顶底板岩性和水动力地质条件控制。煤系地层上覆地层中分布的泥岩对煤层气具有良好的封闭作用;而煤系地层中的含水层如果处于封闭状态，径流缓慢，则对煤层气起到了静水压力封堵作用，后期生物气的生成使煤层中的吸附气再饱和成藏。

　　3) 北部的乌审召区块和南部的纳林河区块，煤层气保存条件好，含气量高，勘探潜力大，可作为下一步煤层气勘探有利目标区。

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　　(本文作者：孙斌1，2 孙粉锦2 田文广2 孙钦平2 陈刚2 陈浩3 冯圣4 1.中国矿业大学(北京);2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院;3.长江大学地球科学学院;4.北京中亚时代能源技术有限公司)