卜范青，張凌杰，高 丹

慶陽—黃陵地區(qū)煤層氣富集規(guī)律及目標優(yōu)選

卜范青1，張凌杰2，高 丹2

（1.中國海洋石油國際有限公司，北京 100028；2. 遼河油田職業(yè)技術(shù)學院，遼寧 遼河 124103）

慶陽—黃陵地區(qū)是鄂爾多斯盆地重要的低煤階含煤區(qū)，是近幾年煤層氣勘探的熱點地區(qū)之一。但該區(qū)煤層氣鉆探效果并不理想，急切需要認清該地區(qū)煤層氣富集規(guī)律，以便有效指導煤層氣的勘探開發(fā)。通過對該區(qū)煤層的展布特征、沉積環(huán)境、煤巖煤質(zhì)特征、物性特征及含氣性等進行綜合分析，查明該區(qū)煤巖演化程度低，煤層厚5～30m，大部分地區(qū)煤層埋深小于1500m且分布穩(wěn)定，延9煤層為該區(qū)的主力煤層，煤巖類型主要為半亮煤和半暗煤，煤巖煤質(zhì)特征好，孔隙度、滲透率較高，灰分含量低，具有較高的煤層氣勘探潛力。鉆井資料揭示該區(qū)煤層含氣性變化大，含氣量介于0～8m3/t之間。進一步分析構(gòu)造和沉積作用對煤層氣富集的影響，提出了煤層氣保存條件好、含氣量高、勘探潛力大的四個有利目標區(qū)。

鄂爾多斯盆地；慶陽-黃陵；煤層氣；延9煤層；富集規(guī)律；目標優(yōu)選

鄂爾多斯盆地煤層氣資源豐富，確定甜點區(qū)的關(guān)鍵除了深入研究成藏模式[1-5]，還需要對研究區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)、儲層特征、富集規(guī)律進行解剖，筆者結(jié)合前人對煤層氣的研究成果[6-13]，以鄂爾多斯盆地的慶陽-黃陵地區(qū)為例，通過分析該區(qū)的煤層特征，形成了該區(qū)的煤層氣富集規(guī)律，研究成果可為該區(qū)進一步的煤層氣勘探開發(fā)指明方向。

1 區(qū)域構(gòu)造特征

慶陽-黃陵地區(qū)位于鄂爾多斯盆地南緣，東起陜西省富縣葫蘆河，經(jīng)黃陵縣、彬縣和隴縣達甘肅華亭縣，自北東向南西延展近270km（圖1）。整體上是向西北方向傾斜的單斜構(gòu)造，沿地層的走向和傾向發(fā)育寬緩的波狀起伏，無斷裂及巖漿活動。據(jù)煤田精查資料，區(qū)內(nèi)雙龍（永紅）以東的淺部僅見幾條緩波狀褶皺構(gòu)造，分別為雙龍向斜、圪塔寺背斜、花家莊向斜、南峪口―陳家莊背斜和寺灣向斜。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造劃分及外圍盆地分布（據(jù)長慶油田研究院）

主力煤層底面構(gòu)造呈西傾單斜，東陡西緩。其上發(fā)育一些北東向緩波狀隆起坳陷，如雙龍向斜。在向斜部位煤層氣藏保存較好，含氣量高；隆起區(qū)或背斜部位含氣量低。

2 地層序列及沉積特征

鄂爾多斯盆地內(nèi)侏羅系發(fā)育較好，王竹泉、潘鐘祥（1933），王尚文（1950），李德生（1951），宋四山（1953），銀川石油局110隊（1960），鄂爾多斯石油普查隊（1964），中科院地質(zhì)研究所（1980）相繼對該區(qū)地層劃分進行了大量研究，最終將侏羅系劃分為下侏羅統(tǒng)富縣組和延安組、中侏羅統(tǒng)直羅組和安定組、上侏羅統(tǒng)芬芳河組。

侏羅系延安組蘊含豐富的煤炭資源，是本次慶陽-黃陵地區(qū)重點研究層位，結(jié)合剖面出露良好的神木考考烏素溝野外剖面，將延安組自下而上分為10段。延9為三角洲前緣沉積，發(fā)育灰綠色泥巖、粉砂巖及煤，并伴生植物化石；延8逐漸過渡為淺湖相沉積，發(fā)育厚層深灰色頁巖夾兩層磨盤灰?guī)r透鏡體；延7、延6為三角洲平原沉積，延7底部發(fā)育大套平行層理及大型板狀交錯層理灰白色長石巖屑砂巖；延6發(fā)育大套淺灰色板狀、楔狀交錯層理的長石巖屑砂巖、灰色粉砂巖及棕褐色的泥巖夾煤層，同時伴含大量植物化石。延4以上地層在盆地大部分范圍因剝蝕而缺失。

3 煤層氣成藏地質(zhì)條件

3.1 煤層厚度及埋深

慶陽-黃陵地區(qū)侏羅系下統(tǒng)延安組煤層是本區(qū)主要的含煤層系，呈北西－南東方向展布，總體上為西厚東薄，富煤帶分布在環(huán)縣－慶陽－寧縣一帶。整體上，該區(qū)煤層層數(shù)多，分布面積廣，煤層總厚度5～30m。其中延8、9煤層厚度較大，延6、7煤層厚度相對較薄且分布不穩(wěn)定。主力延9煤層厚度在0～14m之間，主要分布在南和北部，有1個聚煤條帶和6個富煤中心。延9煤層是隴東侏羅系煤層氣勘探的4個目的煤層中的主力（圖2）。

圖2 慶陽-黃陵地區(qū)侏羅系延安組延9煤層厚度及埋深圖

該區(qū)的煤層埋深0～2 000m，從東向西，煤層埋深增大，延9煤層的一個聚煤厚帶的埋深范圍是500～1 250m，東南部富煤中心的煤層埋深范圍是300～750m，東北部的較小面積的富煤中心的埋深范圍500～1 000m，西部的兩個富煤中心的埋深范圍是1500～2 000m。根據(jù)目前國內(nèi)煤層氣勘探開發(fā)的經(jīng)驗，煤層氣勘探適合煤層埋深為300～1 500m。由此可見，隴東-黃陵地區(qū)延9煤層的一個聚煤厚帶和兩個富煤中心都有利于煤層氣的勘探開發(fā)。

3.2 煤巖煤質(zhì)特征及煤化程度

該區(qū)煤巖類型主要為半亮煤和半暗煤（圖3）。半亮煤占41.6%，半暗煤占42.3%，暗淡煤僅為5.1%，光亮煤為12%左右。由表1可以看出，在同一井區(qū)，縱向延7、延9主煤的煤巖類型好于延6、延8煤層。

煤儲層的顯微組分中以鏡質(zhì)組為特征，鏡質(zhì)組含量在52.5%～86.5%之間，絲質(zhì)組含量32.6%～39.5%，穩(wěn)定組含量≤6.6%(表2)。向盆地的東北緣，惰性組的比例明顯增加。在惰性組中又以富絲質(zhì)體為特色。大多數(shù)絲質(zhì)體的植物殘留細胞孔隙保存完好。該區(qū)塊煤巖顯微組分中鏡質(zhì)組含量由東向西呈增大的趨勢，這與煤的沉積環(huán)境關(guān)系密切。惰性組的比例、組分和殘留細胞結(jié)構(gòu)等一系列特征也都隨著原始沉積環(huán)境的不同而明顯改變。煤層灰分9.40%～39.60%，平均23.43%；水分0.27%～2.70%，平均0.85%；揮發(fā)分20.35%～38.00%，平均28.85%。煤層工業(yè)分析顯示該區(qū)煤巖總體為中高灰分、高揮發(fā)分，中含水煤層。

表1 慶陽-黃陵地區(qū)延安組煤巖類型統(tǒng)計表

表2 煤巖顯微組分及工業(yè)分析表

圖3 煤層類型照片

左圖：新試1井 954.3m 煤，易碎，玻璃光澤，割理充填方解石，半亮煤；右圖：彬縣百子溝，延8/9煤，半暗煤

該區(qū)煤巖灰分含量較低，灰分產(chǎn)率大多在5%～25%，屬特低灰煤。延9煤層的灰分產(chǎn)率具有從中部到兩邊增高的趨勢（圖4），合水―寧縣―彬縣一帶的灰分產(chǎn)率均小于15%，與延9煤層的一個聚煤厚帶和研究區(qū)中南部及東南部的三個聚煤中心對應(yīng)，在研究區(qū)西北部的土橋―新集、慶陽富煤中心的灰分產(chǎn)率在15%~20%之間，而東北部ZH70富煤中心的灰分產(chǎn)率則大于25%。整體而言，中部和中南部的聚煤厚帶和富煤中心有利于煤層氣的開發(fā)（圖5）。

圖4 慶陽-黃陵地區(qū)侏羅系延安組延9煤層灰分含量圖

圖5 慶陽-黃陵地區(qū)侏羅系延安組延9煤層熱演化程度圖

延安組煤的熱變質(zhì)作用以區(qū)域深成熱變質(zhì)作用為主，熱演化程度受煤層埋深規(guī)律影響明顯，煤化程度具有從東南向西北增高的特征，而煤層埋深也有此特征。鏡質(zhì)體反射率介于0.41%～1.07%，煤階相當于褐煤、長焰煤、氣煤和肥煤，屬于亞煙煤和高揮發(fā)分低變質(zhì)煤。研究區(qū)延9煤層的一個聚煤厚帶和六個富煤中心的熱演化程度大部分布在0.5%~0.9%之間，熱演化程度相對較高，有利于熱解型煤層氣的生成（圖5）。

3.3 煤儲層特征

3.3.1 孔隙和裂隙特征

煤儲層具有雙孔隙結(jié)構(gòu)—基質(zhì)孔隙和裂隙。研究區(qū)延安組煤儲層中氣孔的特點是密集成群，大小不一，排列沒有規(guī)律，孔徑在0.5×103nm～2×103nm之間，孔隙未被礦物質(zhì)充填（圖6），煤儲層中還發(fā)育有微裂隙（圖7），裂隙延伸較長，其對煤層氣的解吸和滲流也有一定的貢獻。

圖6 彬縣百子溝，延8下，基質(zhì)鏡質(zhì)體中溶蝕孔，×5000，SEM

圖7 彬縣百子溝，延8下，絲質(zhì)體中的氣孔，微裂縫，×2500，SEM

從固1井煤巖壓汞曲線圖可看出，進汞曲線和退汞曲線形態(tài)相同，成“牛角狀”，說明煤基巖塊內(nèi)孔隙較發(fā)育，對煤層滲透性貢獻最大的孔喉半徑在0.63～35um范圍之內(nèi)。延安組煤層孔隙度在8%以上，說明了盆地中生界低煤階煤層具高孔隙特征。

3.3.2 煤儲層滲透性

在鄂爾多斯盆地所鉆的數(shù)口煤層氣探井中，通過煤巖壓汞、孔隙度測定、煤巖割理描述等資料分析，初步預(yù)測中生代煤儲層的滲透率在1～10md之間，隨煤層埋深增加煤層滲透率降低的特征明顯。

延安組主煤的滲透率在5～20mD，XSH1井延9煤層的孔隙度9.9%，高者亦達13.5%，煤芯樣品觀察裂隙較為發(fā)育；另外，從XSH1、N2、N28井煤層氣排采看，連續(xù)排采近一年，單井產(chǎn)水量20～35m3/d，由此推斷，在慶陽地區(qū)煤層埋藏小于500～1 200m的地段，煤層滲透率大于（1～10）×10－3μm2是完全肯定的。

3.4 煤層含氣性特征

表3 隴東地區(qū)延9、8煤層含氣量對比表

慶陽—黃陵地區(qū)延9煤層含氣量0～8m3/t之間，其分布特征是在彬縣—寧縣—合水—慶城一帶，煤層含氣量分布在1～6.71m3/t，在涇川—慶陽一帶，延9煤層含氣量在5～8 m3/t，在研究區(qū)東南部一聚煤中心的煤層含氣量6～7 m3/t，研究區(qū)東部黃試1―店3井區(qū)煤層含氣量在5～7 m3/t。寧縣地區(qū)所鉆的7口侏羅系煤層氣探井含氣量在0～6.29m3/t，東部黃陵地區(qū)黃試1井延9煤層含氣量平均6m3/t左右，焦坪JPM－1井延9煤層含氣量6.4m3/t。

4 煤層氣富集規(guī)律

煤層氣富集受到諸多地質(zhì)因素的控制，煤層厚度、埋深、變質(zhì)程度、含氣性、構(gòu)造條件等都一定程度上影響煤層氣成藏[3,14-17]，運移[17]、保存[17-18]；水文地質(zhì)對次生生物氣的生成及富集具有控制作用[19-20]，三者相匹配，有利于低煤階煤層氣富集成藏。實際勘探過程中，煤層氣富集成藏決定性因素是保存條件[20]。

4.1 構(gòu)造對煤層氣富集的影響

根據(jù)延9煤層頂面構(gòu)造，構(gòu)造相對平緩，地層傾角小于8°，為西傾單斜構(gòu)造，局部發(fā)育一些小型鼻狀隆起，隆起幅度達20～30m（圖8）。根據(jù)煤層含氣量（表3），214、D32、D33、N2、N8、JPC-1井在鼻狀隆起的低部位，煤層含氣量高，LOW-1、LOW-2井處在鼻狀隆起的高部位，煤層含氣量低。

圖8 慶陽-黃陵地區(qū)侏羅系延安組延9煤層頂面構(gòu)造圖

4.2 沉積對煤層氣富集的影響

沉積環(huán)境一定程度上決定了煤巖煤質(zhì)特性。研究區(qū)發(fā)育典型的淺水三角洲，延安組主力煤層聚煤環(huán)境是三角洲平原沼澤和湖濱沼澤。分別研究其聚煤環(huán)境的差異，從而總結(jié)出煤層聚積規(guī)律。

淺水三角洲平原可細分為外、中內(nèi)三角洲平原。研究發(fā)現(xiàn)外三角洲平原沼澤形成的煤層層數(shù)多，結(jié)構(gòu)相對復雜，單層煤層厚度1～1.5m，煤層總厚度較大；中三角洲平原沼澤發(fā)育的煤層多由單層厚煤組成，厚度較厚，煤厚一般大于2m，橫向分布連續(xù)，灰分含量低，煤質(zhì)好；內(nèi)三角洲平原沼澤成煤特點與湖濱沼澤相似。

此外，煤層頂?shù)装宸馍w性好，對煤層氣富集有利，泥巖頂板分布面積約占區(qū)塊總面積的4/5，對于煤層氣勘探而言，泥巖頂板區(qū)煤層氣保存條件好，既有利于煤層氣成藏，又易于煤層氣開發(fā)。研究區(qū)地層水礦化度比較高，延5-延8礦化度為20~70 g/L，水型為Na2SO4型，延9礦化度為70～120 g/L，水型為CaCl2型為主，有利于煤層氣保存。

5 有利目標區(qū)優(yōu)選

綜上所述，按照下述評價標準參數(shù)識別煤層氣有利勘探目標：煤層單層厚度≥4m，煤層層數(shù)少于2層（且間距小于5m）；煤層沉積環(huán)境主要考慮沼澤相；煤層頂面埋深在500～1 500m之間；優(yōu)選構(gòu)造比較簡單，地層傾角＜8°，避開斷裂發(fā)育區(qū)；優(yōu)先選擇泥巖頂板分布區(qū)，考慮泥質(zhì)粉砂巖頂板區(qū)，放棄砂巖頂板分布區(qū)；煤層含氣量≥5m3/t；單層煤層氣資源量＞100×108m3。研究區(qū)共評價出4個延9煤層煤層氣有利勘探目標區(qū)，它們分別位于寧縣、靈臺－長武、彬縣北和馬欄地區(qū)（圖9）。

圖9 慶陽-黃陵地區(qū)侏羅系延安組延9煤層綜合評價圖

6 結(jié)論

1）慶陽-黃陵地區(qū)的煤層主要分布在侏羅系中下統(tǒng)延安組，主要發(fā)育低煤階長焰煤、褐煤。煤層層數(shù)多，分布面積廣，煤層總厚度5～30m，延9煤層是該研究區(qū)的主力煤層，煤層深小于1 500m，煤巖儲層物性好，滲透率1~10 mD。

2）研究區(qū)煤巖類型主要為半亮煤和半暗煤，灰分含量較低，灰分產(chǎn)率大多在5%～25%，屬特低灰煤，煤層含氣量0～8m3/t之間，研究區(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。泥巖頂板分布面積約占區(qū)塊總面積的4/5，地層水礦化度比較高。

3）寧縣、靈臺－長武、彬縣北和馬欄地區(qū)，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(qū)。

[1] 馮三利，葉建平，張遂安. 鄂爾多斯盆地煤層氣資源及開發(fā)潛力分析[J]. 地質(zhì)通報，2002，21（10）：658-662.

[2] 馬行陟，宋巖，柳少波，等. 鄂爾多斯盆地東緣韓城地區(qū)煤層氣地球化學特征及其成因[J]. 天然氣工業(yè)，2011，31（4）：17-20.

[3] 葉建平，武強，王子和. 水文地質(zhì)條件對煤層氣賦存的控制作用[J]. 煤炭學報，2001，26（5）：459-462.

[4] 劉新社，席勝利，周煥順. 鄂爾多斯盆地東部上古生界煤層氣儲層特征[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（1）：37-40.

[5] 張松航，湯達禎，唐書恒，等. 鄂爾多斯盆地東緣煤層氣儲集與產(chǎn)出條件[J]. 煤炭學報，2009，34（10）：1 297-1 304.

[6] 王琳琳，姜波，屈爭輝. 鄂爾多斯盆地東緣煤層含氣量的構(gòu)造控制作用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2013，41（1）：14-24.

[7] 李勇，湯達禎，許浩，等. 鄂爾多斯盆地東緣煤層氣構(gòu)造控氣特征[J]. 煤炭科學技術(shù)，2014，42（6）：113-117.

[8] 湯達禎，王激流，張君峰，等. 鄂爾多斯盆地東緣煤的二次生烴作用與煤層氣的富集[J]. 石油實驗地質(zhì)，2000，22（2）：139-144.

[9] 趙靖舟，王力，孫兵華，等. 鄂爾多斯盆地東部構(gòu)造演化對上古生界大氣田形成的控制作用[J]. 天然氣地球科學，2010，21（6）：875-881.

[10] 王錫勇，張慶龍，王良書，等. 鄂爾多斯盆地東緣中一新生代構(gòu)造特征及構(gòu)造應(yīng)力場分析[J]. 地質(zhì)通報，2010，29（8）：1 168-1 176.

[11] LI Guihong，ZHANG Hong. The origin mechanism of coalbed methane in the eastern edge of Ordos basin[J]. Science China：EarthSciences，2013，56（10）：1 701-1 706.

[12] LI Guihong . Coal reservoir characteristics and their controlling factors in the eastern Ordos basin in China[J]. International Journal of Mining Science and Technology，2016，26（6）：1 051-1 058.

[13] DING Shuli，ZHU Jiangang，ZHEN Baiping，et al. Characteristics of high rank coalbed methane reservoir from the Xiangning mining area，eastern Ordos basin，China[J]. Energy，Exploration & Exploitation，2011，29（1）：33-48.

[14] 姚艷斌，劉大錳，黃文輝，等．兩淮煤田煤儲層孔－裂隙系統(tǒng)與煤層氣產(chǎn)出性能研究[J]．煤炭學報，2006，31(2)：163–168．

[15] 閆寶珍，王延斌，豐慶泰，等．基于地質(zhì)主控因素的沁水盆地煤層氣富集劃分[J]．煤炭學報，2008，33(10)：1102–1106．

[16] 趙慶波，張公明．煤層氣評價重要參數(shù)及選區(qū)原則[J]．石油勘探與開發(fā),1999，26(2)：23–26．

[17] 李景明，王勃，王紅巖，等. 煤層氣藏成藏過程研究[J].天然氣工業(yè)，2006，26(9):37-39.

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

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

[20] 陳振宏，賈承造，宋巖，等．構(gòu)造抬升對高、低煤階煤層氣藏儲集層物性的影響[J]．石油勘探與開發(fā)，2007，34(4)：461–464．

Concentration Regularities and Target Optimization of Coalbed Gas in the Qingyang-Huangling Region

PU Fan-qing1ZHANG Lingjie2GAO Dan2

（1-CNOOC International Limited, Beijing 100028; 2 Liaohe Oilfield Vocational and Technical College, Liaohe Liaoning 124103）

The Qingyang-Huangling region is one of hot spots of coalbed gas exploration in the Ordos basin. This region is characterized by low coal evolution with coal thickness of 5-30 m and buried depth of 1500 m. The coal is composed of semibright coal and semisplint coal with high porosity and permeability and low ash content. The drilling data indicate the coalbed gas content of0-8 m3/t. This paper has s discussion on influence of structure and sedimentation on concentration of coalbed gas. 4 targets are delineated.

Ordos basin; Qingyang-Huangling region; coalbed gas; concentration; target optimization

2018-08-20

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2014CB239102)

卜范青（1980-），男，四川成都人，工程師，主要從事開發(fā)地質(zhì)和地質(zhì)建模研究工作

P618.13

A

1006-0995（2019）03-0394-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.009