鄂爾多斯盆地北緣石炭-二疊紀(jì)/侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層特征對(duì)比分析

聶 敬，李 勇，魏迎春，王安民，賈 煦，曹代勇

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

鄂爾多斯盆地北緣石炭-二疊紀(jì)/侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層特征對(duì)比分析

聶 敬，李 勇，魏迎春，王安民，賈 煦，曹代勇

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

鄂爾多斯盆地北緣發(fā)育石炭-二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)兩套含煤巖系，探究兩套煤儲(chǔ)層特征的差異性，可以為該地區(qū)多套煤層共采提供理論參考，同時(shí)為深部煤層氣和中低煤階煤層氣地質(zhì)選區(qū)提供理論支撐。侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層埋深較石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層淺，而厚度相當(dāng)，前者以半暗-暗淡煤為主，后者以半亮-暗淡煤為主。研究區(qū)石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層孔隙度在3.60%～7.40%，以微孔為主，比表面積分布在10.24～14.22m2/g；滲透率為(23.20～26.00)×10-3μm2；而侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層孔隙度一般大于22%，個(gè)別樣品孔隙度接近30%，平均孔徑較大而微小孔、中孔和大孔含量大致相當(dāng)，比表面積0.50～1.53 m2/g，滲透率在(20.40～28.00)×10-3μm2，相比于石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層，侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層的孔隙度高、孔徑大，對(duì)煤層氣的開發(fā)更為有利。此外，研究區(qū)石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層蘭氏體積分布在9.75～15.20 cm3/g，平均11.47 cm3/g；侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層蘭氏體積分布在6.23～18.74 cm3/g，平均11.99 cm3/g，與石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層相當(dāng)。因此，整體上看，石炭-二疊紀(jì)與侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層均有良好的物性特征，而侏羅紀(jì)煤層擁有更好的孔隙結(jié)構(gòu)。

鄂爾多斯盆地北緣；煤層氣；儲(chǔ)層特征；對(duì)比分析

0 引言

煤層氣是一種熱效率較高的潔凈能源[1]，加快對(duì)煤層氣的勘探開發(fā)和利用，可以減少溫室氣體的排放，減輕對(duì)環(huán)境的污染，符合我國"能源結(jié)構(gòu)調(diào)整"的戰(zhàn)略目標(biāo)要求。

煤層氣是生成并主要以吸附態(tài)賦存于煤層中的非常規(guī)天然氣[2]，影響煤層氣資源開發(fā)潛力的地質(zhì)因素包括煤層氣的生成、儲(chǔ)集和保存條件，綜合評(píng)價(jià)主要包含儲(chǔ)層物性、含氣性等參數(shù)[3]；煤層作為煤層氣的地質(zhì)載體，兼具烴源巖和儲(chǔ)層的雙重角色，其物性對(duì)煤層氣的成藏具有重要作用。鄂爾多斯盆地北緣煤層主要分布在石炭-二疊系和侏羅系，累計(jì)煤厚30～60m[4-5]，厚度較大，具有良好的生烴條件和儲(chǔ)存條件，但大多數(shù)煤儲(chǔ)層研究集中在盆地的東緣、西緣和南緣[6-9]，盆地北緣煤儲(chǔ)層物性特征研究較為缺乏，只有少量關(guān)于北緣煤儲(chǔ)層的研究[5]，而鄂爾多斯北緣被認(rèn)為具有相當(dāng)程度的煤層氣開發(fā)潛力[10]，因此，開展對(duì)鄂爾多斯盆地北緣煤儲(chǔ)層物性特征的研究可為該地區(qū)煤層氣的勘探開發(fā)提供理論參考。

1 區(qū)域地質(zhì)

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地北緣伊盟隆起的北部，北鄰河套斷陷，西以桌子山東麓斷裂為界，東以呼和浩特-清水河斷裂為界，主要涉及準(zhǔn)格爾煤田和東勝煤田的北部，為東西向繼承性隆起，其基本構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為簡單的單斜構(gòu)造，含煤巖層產(chǎn)狀平緩，近于水平，一般傾角小于3°[5]。研究區(qū)內(nèi)褶皺均為短軸背斜，卷入的地層為三疊系和侏羅系。地面斷裂構(gòu)造極不發(fā)育，僅在高頭窯、罕臺(tái)川附近有逆沖斷層，伴生有倒轉(zhuǎn)向斜和不對(duì)稱背斜，以及西部桌子山附近有小型逆沖斷層，其他地區(qū)僅發(fā)育方向性極差的小型正斷層。

研究區(qū)屬于華北地層區(qū)的鄂爾多斯分區(qū)，以太古宇-古元古界為基底，自晚古生代以來該區(qū)繼承性隆起，多為陸相沉積，基底隆起高，沉積蓋層薄，由老到新出露有古生代和中生代的地層，但由于研究區(qū)構(gòu)造隆升剝蝕，缺失志留系、泥盆系、下石炭統(tǒng)。主要巖性包括砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層[5]。

2 研究區(qū)煤層展布及煤巖特征

2.1 煤層展布特征

研究區(qū)主要受晚石炭世-中二疊世和中侏羅世兩個(gè)聚煤期的影響，晚古生代煤層主要分布于石炭系太原組及二疊系山西組，中生代煤層主要分布于侏羅系延安組，煤層在全區(qū)內(nèi)均有分布，厚度在總體上呈現(xiàn)西厚東薄、北厚南薄的趨勢。研究區(qū)內(nèi)太原組總體上在廣闊的濱海平原環(huán)境下形成，煤層厚度大，最大累計(jì)厚度20～30m；山西組煤層累計(jì)厚度和單層厚度均小于太原組；山西組和太原組煤層在區(qū)內(nèi)埋深除準(zhǔn)格爾煤田外均超過2 000 m。延安組煤層在區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定，最大單層厚度可達(dá)10m以上，但埋深不超過2 000 m[4]。

2.2 煤巖特征

研究區(qū)石炭-二疊紀(jì)煤宏觀煤巖類型以半亮煤、半暗煤和暗淡煤為主，光亮煤幾乎不發(fā)育；煤的變質(zhì)程度中等，Ro介于0.6%～1.0%，主要是焦煤、肥煤和氣煤。侏羅紀(jì)延安組煤宏觀煤巖類型以半暗煤和暗淡煤為主，僅發(fā)育少量半亮煤和光亮煤；煤的變質(zhì)程度較低，Ro大多小于0.6%，主要是褐煤和長焰煤[5](圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地北緣石炭-二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)煤類分布圖(據(jù)胡寶林，2008)Figure 1 Permo-Carboniferous and Jurassic coal rank distribution in northern Ordos Basin (after Hu Baolin, 2008)

3 煤儲(chǔ)層物性特征

煤儲(chǔ)層是由孔隙和裂隙組成的雙重孔隙介質(zhì)[11]，孔隙的大小和分布、裂隙的發(fā)育情況對(duì)煤層氣的儲(chǔ)集能力和產(chǎn)能有直接影響。通常認(rèn)為微孔(<10nm)和小孔(10～100nm)是煤層氣的主要吸附空間，而裂隙、大孔(>1 000 nm)和中孔(100～1 000 nm)則主要作為氣體的運(yùn)移通道，反映煤儲(chǔ)層的滲透性[5]。

3.1 煤儲(chǔ)層孔隙特征

研究區(qū)石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層孔隙度在3.60%～7.40%，孔容值分布在0.0165～0.0265ml/g；比表面積分布在10.24～14.22m2/g；樣品中以微孔為主，其孔隙體積分?jǐn)?shù)71.44%～88.15%，大孔次之，為6.74%～15.31%，孔徑在5～6nm處顯著分布，為煤層氣提供了良好的吸附空間[12]。

侏羅紀(jì)延安組煤儲(chǔ)層孔隙度較大，一般大于22%，個(gè)別樣品接近30%，平均孔徑較大，為10.50～14.50nm[5]，平均12.85nm；BET比表面積比較小，0.50～1.53m2/g，煤儲(chǔ)層孔隙微小孔、中孔和大孔含量相當(dāng)，微小孔的孔隙分布頻率為22.32%～63.63%，平均為39.96%，中孔的孔隙分布頻率為17.83%～49.02%，平均為31.74%，大孔的孔隙分布頻率為15.02%～38.36%，平均為24.59%。研究區(qū)樣品孔徑大，BET比表面積小的特點(diǎn)，反映了區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層大中孔比較發(fā)育(表1)。

表1 鄂爾多斯盆地北緣石炭-二疊紀(jì)與侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層物性對(duì)比表(部分?jǐn)?shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[5])

從對(duì)比表中可以看出，石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層的孔容和比表面積大于侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層，對(duì)煤層氣的吸附能力更強(qiáng)，為煤層氣的吸附提供了較大的空間；雖然其孔隙度和平均孔直徑較小，但通過儲(chǔ)層改造工藝改善煤儲(chǔ)層性能，仍可作為煤層氣開發(fā)的有利儲(chǔ)層。

3.2 滲透率特征

(1)煤儲(chǔ)層裂隙發(fā)育特征。裂隙是氣體在煤儲(chǔ)層中的主要運(yùn)移通道，關(guān)系到煤儲(chǔ)層的滲透性[13]。東勝礦區(qū)侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層裂隙密度較高，31.7～42.8條/cm2，平均37.1條/cm2，其中D類(寬度<5μm且長度<300μm)裂隙最為發(fā)育，占總裂隙的88%，A類裂隙(寬度>5μm且長度>1mm)幾乎不發(fā)育；總體來講，研究區(qū)石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層裂隙密度要低于侏羅紀(jì)[5]。

(2)煤儲(chǔ)層滲透率。實(shí)驗(yàn)測定研究區(qū)石炭-二疊紀(jì)煤滲透率為(23.20～26.00)×10-3μm2，延安組煤滲透率在(20.40～28.00)×10-3μm2，滲透性較好，利于煤層氣的開發(fā)。

3.3 吸附性特征

煤是一種多孔介質(zhì)，氣體分子主要以吸附態(tài)賦存在煤的內(nèi)表面。等溫吸附試驗(yàn)可以為煤層氣開發(fā)方案的制定提供參考：預(yù)測煤儲(chǔ)層的理論最大含氣量，結(jié)合實(shí)測含氣量可求取煤層氣臨界解吸壓力；蘭氏壓力可以反映煤層氣的開采難易程度及是否有利于保存，通常蘭氏壓力越大越有利于降壓過程中吸附氣的產(chǎn)出。本次研究分別對(duì)石炭-二疊紀(jì)和侏羅紀(jì)煤層煤樣進(jìn)行了等溫吸附測試。

(1)石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層。研究區(qū)石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層蘭氏體積分布在9.75～15.20cm3/g，平均11.47 cm3/g，總體較大。而石炭-二疊紀(jì)煤層蘭氏壓力較大，最大達(dá)到6.58MPa,有利于煤層氣的開采(表2)。

表2 鄂爾多斯盆地北部石炭-二疊紀(jì)煤樣等溫吸附特征

(2)侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層。研究區(qū)侏羅紀(jì)延安組煤儲(chǔ)層蘭氏體積分布在6.23～18.74 cm3/g，平均11.99 cm3/g。而且侏羅紀(jì)延安組煤儲(chǔ)層蘭氏壓力總體較大(表3)，利于煤層氣的開采，但對(duì)煤層氣的保存不利，如果蓋層條件不好，則更容易逸散。

表3 鄂爾多斯盆地北部侏羅紀(jì)煤樣等溫吸附特征

4 對(duì)比分析

鄂爾多斯盆地北緣石炭-二疊紀(jì)與侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層特征存在一定差異：石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層埋深較大，以中階煤為主，主要煤類是焦煤、肥煤和氣煤，而侏羅紀(jì)延安組煤儲(chǔ)層埋深較淺，以低階煤為主，前者變質(zhì)程度要高于后者；且石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層孔隙以微孔為主，比表面積和孔容較大，而侏羅紀(jì)延安組煤儲(chǔ)層微小孔、中孔和大孔所占比例相當(dāng)，孔隙度和孔徑較大，使得前者對(duì)煤層氣的吸附能力要強(qiáng)于后者(表4)。

和侏羅紀(jì)延安組煤儲(chǔ)層相比，石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層埋深和煤級(jí)增加，煤層的上覆壓力使得前者孔隙度減少，但從低變質(zhì)煤向中變質(zhì)煤轉(zhuǎn)化的過程中減少的孔隙主要來自大孔和中孔，對(duì)甲烷的吸附量影響不大，因此，石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層和侏羅紀(jì)延安組煤儲(chǔ)層蘭氏體積相當(dāng)。

表4 鄂爾多斯盆地北緣石炭-二疊紀(jì)與侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層特征對(duì)比表儲(chǔ)層特征對(duì)比表

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯北緣石炭-二疊紀(jì)煤儲(chǔ)層埋深較侏羅紀(jì)延安組煤儲(chǔ)層大，除東部準(zhǔn)格爾礦區(qū)外，其它地區(qū)均大于2 000 m；孔隙度在3.60%～7.40%，以微孔為主，煤樣品孔徑在5～6nm處顯著分布，孔容值分布在0.016 5～0.026 5 ml/g，；比表面積分布在10.24～14.22m2/g；滲透率為(23.20～26.00)×10-3μm2，平均為8.50×10-3μm2；空氣干燥基蘭氏體積分布在9.75～15.20 cm3/g，平均11.47 cm3/g。

(2)鄂爾多斯盆地北緣侏羅紀(jì)延安組煤儲(chǔ)層孔隙度一般大于22%，個(gè)別樣品孔隙度接近30%，煤樣品平均孔徑較大，微小孔、中孔和大孔所占比例相當(dāng)，滲透性在(20.40～28.00)×10-3μm2，滲透性好；空氣干燥基蘭氏體積分布在6.23～18.74 cm3/g，平均11.99 cm3/g，總體較大。

(3)石炭-二疊紀(jì)與侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層均表現(xiàn)出了良好的物性特征，這為煤層氣的良好開發(fā)提供了可能，但相比較而言，侏羅紀(jì)煤儲(chǔ)層擁有更好的孔隙結(jié)構(gòu)。

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ContrastiveAnalysisofPermo-CarboniferousandJurassicCoalReservoirsinNorthernOrdosBasin

Nie Jing, Li Yong, Wei Yingchun, Wang Anmin, Jia Xu and Cao Daiyong

(School of Geosciences and Surveying Engineering, CUMTB, Beijing 100083)

Two sets of Permo-Carboniferous and Jurassic coal-bearing strata have developed in the northern Ordos Basin. Probe into the diversity of two coal reservoirs can provide theoretical reference for CBM multi-layer drainage in the area, and provide theoretical support for deep part and medium to low ranked coal CBM target optimization. The buried depth of Jurassic coal reservoir is shallower than that of Permo-Carboniferous coal reservoir, but thickness about the same; the coal macrolithotype of the former is mainly semidull to dull coal, the later semibright to dull coal. Permo-Carboniferous coal reservoir porosity is 3.60%～7.40%, mainly micropores; specific surface area 10.24～14.22m2/g; permeability (23.20～26.00)×10-3μm2. Jurassic coal reservoir porosity is generally larger than 22%, individual samples near 30%; mean pore size is larger with contents of micropore, medium pore and large pore about the same; specific surface area 0.50～1.53m2/g; permeability (20.40～28.00)×10-3μm2. Compared to Permo-Carboniferous coal reservoir, Jurassic coal reservoir has higher porosity, larger pore size, thus more favorable to CBM exploitation. Besides, the Langmuir volume of Permo-Carboniferous coal reservoir is 9.75～15.20cm3/g, average 11.47cm3/g; Jurassic coal reservoir 6.23～18.74 cm3/g, average 11.99cm3/g, about the same with the former. Overall, the two aged coal reservoirs all have good physical characteristics, while the Jurassic coal reservoir has better pore structure.

northern Ordos Basin; CBM; reservoir characteristics; contrastive analysis

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.03

1674-1803(2017)11-0013-04

A

國家自然科學(xué)基金(41572141)，中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(DD20160187)。

聶敬(1994—)，女，碩士研究生，從事煤層氣地質(zhì)研究。

曹代勇(1955—)，男，教授，從事構(gòu)造和煤系綜合礦產(chǎn)研究。E-mail:cdy@cumtb.edu.cn

2017-08-08

宋博輦