鄂爾多斯盆地神木-佳縣區(qū)塊深部煤層氣地質特征及勘探開發(fā)潛力

李國永，姚艷斌，王 輝，孟令箭，李珮杰，張永超，王建偉，馬立民

(1.中國石油冀東油田分公司，河北 唐山 063000；2.中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083；3.煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心煤儲層物性實驗室，北京 100083；4.深時數(shù)字地球前沿科學中心，北京 100083；5.華北理工大學 應急管理與安全工程學院，河北 唐山 063210)

中國1 500～3 000 m 埋深的煤層氣地質資源量約30.37 萬億m3，是1 500 m 以淺煤層氣資源量的2 倍，這是中國煤層氣產業(yè)規(guī)模性發(fā)展的重要基礎資源[1]。就煤層氣資源而言，從淺部(層)到深部(層)，煤儲層的地應力、地層流體壓力和地層溫度逐漸升高，煤層氣的賦存狀態(tài)從吸附氣占絕對優(yōu)勢逐漸轉變?yōu)槲綒馀c游離氣并重。秦勇等[1]從地應力狀態(tài)“轉換深度”與吸附氣含量“臨界深度”兩個關鍵指標出發(fā)，重新厘定了深部煤層氣的科學內涵與定義。按照該定義，我國目前實現(xiàn)突破的中深部煤層氣區(qū)塊，如沁水盆地南部柿莊北區(qū)塊、鄭莊北區(qū)塊和長治北區(qū)塊，以及鄂爾多斯盆地東緣的臨興區(qū)塊和延川南區(qū)塊等，其開發(fā)深度仍處于所謂的“臨界深度”(600～1 800 m)附近[2]，與嚴格意義上的深部煤層氣還有所區(qū)別。2019 年以來，鄂爾多斯盆地東緣大寧–吉縣區(qū)塊逐步進入深部煤層氣“規(guī)模勘探+先導試驗”階段，直井日產氣量突破2 萬m3，水平井日產氣量突破10 萬m3，實現(xiàn)了真正意義上深部煤層氣勘探開發(fā)的突破，同時也發(fā)現(xiàn)了一些顛覆傳統(tǒng)淺部煤層氣的固有認識[3]。截至目前，國內對大于2 000 m 以深煤層氣的勘探和開發(fā)理論研究仍處于起步階段，而深部煤層氣的快速發(fā)展和即將到來的廣泛建產，對國內專家學者提出了新的挑戰(zhàn)。深部煤層氣富集機理及高效開發(fā)技術優(yōu)選是目前業(yè)界亟需解決的重要科學與技術問題。

神木–佳縣區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東北部，該區(qū)塊東部為神府–保德–臨興區(qū)塊，南部依次是三交北區(qū)塊、三交區(qū)塊、石樓北區(qū)塊、石樓南區(qū)塊和大寧–吉縣區(qū)塊。整個鄂爾多斯盆地東部埋深超2 000 m 的本溪組8 號煤層的資源潛力巨大，是有望實現(xiàn)我國深部煤層氣規(guī)?；袭a的重要基地。目前，神木–佳縣區(qū)塊仍處于深部煤層氣勘探初期階段，尚未提交煤層氣探明地質儲量，深部煤層氣地質條件及富集規(guī)律等關鍵問題尚不清楚。筆者首次開展鄂爾多斯盆地神木-佳縣區(qū)塊深部煤層氣的研究工作，系統(tǒng)分析煤儲層基礎地質特征，總結煤層氣富集規(guī)律與開發(fā)潛力，以保障該區(qū)后續(xù)深部煤層氣的增儲上產，同時也為豐富深部煤層氣富集理論提供一定的基礎支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 構造背景

鄂爾多斯盆地石油和天然氣資源均非常豐富，各類油氣資源呈現(xiàn)疊置成藏的特點[4]，是我國油氣增儲上產的重要盆地。該盆地位于華北地塊西部，是一個長期接受不均勻沉降活動的多旋回克拉通盆地。盆地自形成伊始經(jīng)歷了太古-早元古代結晶基底形成階段、中–晚元古代大陸裂解和碰撞造山階段、早古生代隆坳相間構造格局形成階段、晚古生代拉張沉降階段和中–新生代板塊匯聚和碰撞造山階段[5-7]。其中，中–新生代板塊匯聚和碰撞造山階段的燕山運動和喜馬拉雅運動決定了鄂爾多斯盆地南北翹起、東翼緩而長和西翼短而陡的現(xiàn)今構造格局，據(jù)此可將該盆地劃分為伊盟隆起、晉西撓褶帶、渭北隆起、西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷和伊陜斜坡六大二級構造單元(圖1)。本文研究區(qū)位于伊陜斜坡二級構造單元的東北部(圖1)，由于橫跨陜西省神木縣和佳縣，簡稱神木-佳縣區(qū)塊。

圖1 鄂爾多斯盆地構造單元及研究區(qū)位置Fig.1 Map showing the structural units in the Ordos Basin and the location of the study area

1.2 沉積地層

神木–佳縣區(qū)塊地層自下而上發(fā)育奧陶系、上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組和中二疊統(tǒng)石盒子組等(圖2)，其中石炭–二疊系煤層與泥巖為最主要的生烴層系。在石炭-二疊紀時期，鄂爾多斯盆地呈北高南低的構造格局。此時盆地北部為濱岸沼澤和湖沼相沉積，富動植物遺體有機物沉積，煤系發(fā)育。從隸屬層段來看，含煤地層主要位于本溪組、太原組和山西組的山2 段，其中山西組山2 段發(fā)育1-5 號煤層，太原組發(fā)育6-7 號煤層，本溪組發(fā)育8-9 號煤層。其中，8 號煤層是目前深部煤層氣開發(fā)的主要目標。

圖2 神木–佳縣區(qū)塊沉積地層特征Fig.2 Deposits in the Shenmu-Jiaxian block

2 煤儲層基礎地質特征

2.1 煤層厚度與埋深

神木–佳縣區(qū)塊8 號煤層厚度為6～18 m，平均9.5 m(圖3a)，煤層厚度大且分布穩(wěn)定，不僅保障了煤層氣資源可靠性，也為實施煤層氣水平鉆井及儲層體積壓裂提供了良好條件。從區(qū)域分布來看，神木地區(qū)煤厚為8～12 m，平均9 m，自NE 至SW 方向逐漸減薄，煤層中間發(fā)育薄層夾矸(圖3c)；佳縣地區(qū)煤厚主要介于9～14 m，平均10 m，自NE-SW 方向逐漸減薄，煤層垂向連續(xù)性較好(圖3c)。研究區(qū)8 號煤層一般含0.5～1.2 m的夾矸層，煤層凈厚度略低于總厚度，如佳縣南區(qū)煤層凈厚度介于4～11 m，平均7.1 m(表1)。

表1 佳縣區(qū)塊與臨興和大寧-吉縣區(qū)塊8 號煤層地質特征對比Table 1 Comparison of geological characteristics of the No.8 coal seam in the Shenmu-Jiaxian block,Linxing,and the Daning-Jixian block

圖3 研究區(qū)8 號煤層的厚度、埋深及煤層連井地質剖面Fig.3 The thickness,burial depth,and cross-well stratigraphic correlation of the No.8 coal seam in the study area

神木–佳縣區(qū)塊8 號煤層的埋深為1 600～2 800 m，平均2 250 m(圖3b)。其中，佳縣地區(qū)較神木地區(qū)埋深稍大，埋深主要介于2 000～2 400 m，平均2 200 m；神木–佳縣地區(qū)自NE 的構造高部位向盆地中央凹陷方向埋深逐漸增大(圖3b)。

2.2 煤巖煤質特征

2.2.1 煤熱演化程度

隨著煤的熱演化程度(用最大鏡質體反射率Rmax表示)增大，煤層氣的生成可分為3 個階段：生物氣生成階段(Rmax≤0.5%)、熱降解氣生成階段(0.5%

圖4 神木–佳縣區(qū)塊8 號煤層鏡質體反射率分布Fig.4 Vitrinite reflectance of the No.8 coal seam in the Shenmu-Jiaxian block

2.2.2 煤質特征

佳縣地區(qū)8 號煤層水分質量分數(shù)為0.4%～1.1%，平均0.72%；灰分質量分數(shù)為5.8%～38.8%，平均17.2%；揮發(fā)分產率為11.0%～25.0%，平均17.3%。整體上，自佳縣北部至南部地區(qū)，8 號煤的水分含量呈增加趨勢，而灰分含量和揮發(fā)分產率有降低的趨勢。此分布現(xiàn)象總體與煤的熱演化程度有關(圖4)。根據(jù)煤的熱演化程度，可推測神木地區(qū)8 號煤應具有特低水分、中–高灰分和中–高揮發(fā)分產率的特點。

2.2.3 煤巖學特征

煤心觀察結果表明，研究區(qū)8 號煤層的宏觀煤巖類型主要為光亮–半亮煤，少量半暗煤和暗淡煤。其中，佳縣南部較佳縣北部煤的光亮程度顯著要好，宏觀煤巖類型的分布規(guī)律與沉積環(huán)境和煤巖顯微組分特征具有顯著的相關關系。

研究區(qū)8 號煤層以原生結構煤為主，其次為碎裂煤，很少存在碎粒煤(圖5)。一般認為，原生煤和碎裂煤的結構較完整、力學強度好，有利于壓裂和排采；而碎粒煤等構造煤力學強度較低，不利于水平井鉆井及大規(guī)模體積壓裂。位于研究區(qū)南部的大寧–吉縣區(qū)塊的深8 號煤以原生結構煤為主，基本不含其他煤體結構類型[8]；與鄂爾多斯盆地東緣其他深部煤層氣區(qū)塊相比，本研究區(qū)的煤體結構的分布非均質性更強，如佳縣北部的J48井其頂部為碎裂結構煤(圖5b)，中偏底部為碎粒煤(圖5c)，底部又過渡為原生結構煤(圖5d)。研究區(qū)的煤體結構總體仍處于中等變形強度，有利于煤儲層裂隙發(fā)育，提高煤的滲透率。

圖5 佳縣地區(qū)深8 號煤煤體結構特征Fig.5 Structural characteristics of coals in the No.8 coal seam in the Shenmu-Jiaxian block (a-d undeformed coal,cataclastic coal,granulated coal,and undeformed coal,respectively)

煤的顯微組分測試結果表明，研究區(qū)8 號煤的鏡質組體積分數(shù)為57.9%～88.1%，平均73.5%；惰質組體積分數(shù)為9.2%～23.8%，平均15.5%；殼質組體積分數(shù)為0.4%～4.0%，平均3.3%；礦物組分體積分數(shù)為5.8%～25.5%，平均15.2%。區(qū)域分布來看，8 號煤層的礦物組分含量為南低北高，鏡質組含量則為北低南高，惰質組和殼質組含量垂向變化較復雜。隨著深度變化，煤巖顯微組分變化規(guī)律并不明顯。不同的顯微組分含量可導致煤儲層的儲集性能明顯差異，例如鏡質組含量大的煤層吸附能力強且孔裂隙發(fā)育。因此，從顯微組分含量可知，相較于大寧–吉縣區(qū)塊，研究區(qū)8 號煤層具有更好的煤層氣儲集性能。

2.3 煤的吸附性與含氣性特征

研究區(qū)開展了3 口井共24 個8 號煤層樣品的甲烷等溫吸附測試，結果見表2。由表中可知，佳縣北部地區(qū)空氣干燥基Langmuir 體積平均為13.37 m3/t，該結果較為可信，實驗溫度為60℃(接近儲層溫度)。佳縣南部的J16 井和J26 井測得的空氣干燥基Langmuir 體積平均值分別為26.66 m3/t 和18.9 m3/t，但考慮到其實驗溫度(均為45℃)比儲層實際溫度(約60℃)要低，因此，該實驗結果可能高估實際儲層的吸附能力。此外佳縣北部相較南部熱演化程度偏低(圖4)，也可能是北部吸附能力偏低的原因之一?？傮w來看，按照儲層的實際溫度50～70℃，佳縣南部煤的干燥無灰基Langmuir 體積應介于17～19 m3/t，而佳縣北部相應值在16～18 m3/t，而 深部地區(qū)的干燥無灰基Langmuir 體積主要在16 m3/t以下。

表2 研究區(qū)8 號煤層的等溫吸附實驗結果Table 2 Results of isothermal adsorption experiments of the No.8 coal seam in the study area

研究區(qū)佳縣南部已經(jīng)開展4 口井的保壓密閉取心含氣量測試。整體上，4 口井總含氣量介于17.70～22.81 m3/t，平均20.56 m3/t；煤層含氣量中游離氣含量占比較高，4 口井介于15.21%～46.47%，平均30.10%。

J26 井煤樣解吸氣的氣體組分測試結果表明，煤層氣組分中甲烷體積分數(shù)為90.77%～93.45%，平均92.79%，還含有一定量的非烴類氣體，如CO2(體積分數(shù)為5.56%～7.79%)和N2，以及微量的重烴氣(<1%)。J26井煤層氣δ13(CH4) 介于-26.7‰～-33.5‰，煤層氣表現(xiàn)為典型的熱降解氣特征。此外，J26 井煤層氣解吸氣的甲烷δ13(CH4)介于-17.7‰～-16.5‰。通常認為，δ13(CH4)>-28‰為煤系有機質氣源，而δ13(CH4)<-28‰為腐泥型有機質氣源。因此，研究區(qū)煤層氣表現(xiàn)為典型的煤系有機質氣源特征。

總體上，研究區(qū)煤層含氣量與東部的臨興深部區(qū)域相比明顯要高，而與南部的大寧–吉縣深部區(qū)相比稍低(表1)，其主要與煤的熱演化程度有關。由于整個鄂爾多斯盆地東緣深部煤層的保存條件較好，煤層的含氣量與其熱演化程度呈明顯的正相關關系，因此研究區(qū)8號煤的熱演化程度非常有利于煤層氣的保存。同時，與其他兩個區(qū)塊相比，研究區(qū)煤層氣中游離氣的含量明顯要高，也間接說明研究區(qū)深部煤層氣具有良好的保存條件，非常有利于煤層氣的富集成藏。

2.4 煤的物性特征

2.4.1 裂隙和孔隙發(fā)育

根據(jù)研究區(qū)3 口探井的巖心觀察與描述結果，研究區(qū)深8 號煤的宏觀裂隙較為發(fā)育，裂隙密度介于7～36條/5 cm2，平均18 條/5 cm2。其中，裂隙長度超過1 cm的裂隙密度為1～9 條/5 cm2，平均4 條/5 cm2；裂隙長度介于0.5～1 cm 的裂隙密度介于0～12 條/5 cm2，平均值為5 條/5 cm2；裂隙長度小于0.5 cm 的裂隙密度介于2～19 條/5 cm2，平均9 條/5 cm2。結果表明，長度小于0.5 cm 的裂隙在深8 號煤中最為發(fā)育(圖6a)。顯微觀測結果表明，煤的顯微裂縫發(fā)育，其裂隙密度一般為7.14～23.13 條/cm2，平均12.96 條/cm2，裂縫多數(shù)與層面平行，少量裂縫垂直層面(圖6b，圖6c)；裂縫呈半充填狀，一般充填礦物以方解石為主(圖6b，圖6c)。此外，煤樣中可見大面積發(fā)育的渾圓狀氣孔，孔徑多在微米級，甚至數(shù)十微米(圖6d)，說明雖然深部煤層較致密，但其中仍可發(fā)育較多的大孔隙，這為深部煤層游離氣的賦存提供了良好的空間條件。

圖6 研究區(qū)煤中孔裂隙發(fā)育特征Fig.6 Pores and fractures in coals in the study area

2.4.2 孔隙率和滲透率

僅對佳縣北部J48 井、南部J16 井和J26 井采集的8 號煤樣品實施了滲透率和孔隙率測試。結果顯示，佳縣地區(qū)8 號煤層孔隙率(氦氣法)為6.40%～8.58%，平均7.71%；覆壓21.9 MPa 條件下測試的孔隙率為3.09%；測井解釋4 口井的孔隙率介于3.30%～5.20%，平均4.35%。

常規(guī)方法測試的煤的滲透率為(0.03～4.00)×10-3μm2，平均1.40×10-3μm2；模擬儲層條件(覆壓21.9 MPa)測試的氣體滲透率僅為0.023×10-3μm2，說明實際儲層條件下深8 號煤具有極低孔和極低滲的顯著特點。根據(jù)鄰區(qū)資料，大寧–吉縣及臨興區(qū)塊的深8 號煤的孔隙率分別為3.13%和5.39%，這與佳縣地區(qū)的孔隙率分析結果較接近。同時，大寧–吉縣區(qū)塊和臨興區(qū)塊的試井分析滲透率平均值分別為0.053 5×10-3μm2和0.015×10-3μm2(表1)，這與研究區(qū)的氣測滲透率值較接近。這也說明，研究區(qū)的煤儲層物性與已經(jīng)實現(xiàn)初步商業(yè)化開發(fā)的大寧–吉縣深部區(qū)和臨興深部區(qū)的儲層條件相接近，展示了良好的煤層氣開發(fā)前景。

2.4.3 孔隙結構及可動流體孔隙率特征

佳縣區(qū)塊J16 井8 個煤樣的低場核磁共振測試結果表明，飽和水煤樣的核磁共振T2譜呈現(xiàn)明顯的三峰特征，自左向右3 個譜峰大小依次大致反映了微/小孔、中/大孔和裂隙的發(fā)育情況，3 種孔隙類型的占比分別為48.4%、11.9% 和39.7%(圖7)。樣品經(jīng)空氣風干后再次進行核磁共振T2譜測試，結果如圖7 中紅色曲線所示，該T2譜反映了束縛水條件下樣品內孔隙水的分布情況，即樣品內含有一定的束縛水分和內在水分；圖7中2 個T2譜的差反映了樣品中可動水的分布情況[13-14]。與飽和T2譜相比，譜的幅度的減少，表明3 種孔隙內的水信號明顯減少。對比飽和T2譜與離心后的T2譜發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)深8 號煤的孔隙空間雖然以微小孔為主，但是大中孔或裂隙具有一定的連通性，煤的可動流體孔隙率較高，8 個樣品的平均可動流體孔隙率占總孔隙率的比例在30%左右。說明研究區(qū)煤樣的孔隙仍具有良好的連通性，有利于煤層氣的解吸、擴散和滲流產出。

圖7 佳縣區(qū)塊J16 井煤樣的核磁共振T2 譜(深度2 141.8 m)Fig.7 NMR T2 spectra of coal samples from well J16 in the Shenmu-Jiaxian block (depth: 2 141.8 m)

3 煤層氣富集主控因素與富集規(guī)律

沉積盆地演化過程中，煤層的含氣特征也隨之變化，最終形成現(xiàn)今的煤層氣含量分布。中淺部煤層氣的勘探開發(fā)表明，影響煤層氣含氣量的主要因素包括煤層的熱演化特征及生氣潛力、地質構造特征、煤層頂?shù)装宸馍w特征及地下水動力場特征等，本節(jié)也將從這幾個方面來分析研究區(qū)深部煤層氣的富集規(guī)律。

如前所述，煤層氣的碳同位素分析結果表明，研究區(qū)煤層氣成因主要為煤層自生自儲的熱成因氣。在南部的佳縣區(qū)塊煤的熱演化程度更高(圖4)，達到了熱解生氣高峰階段，具有良好的煤層氣生氣潛力。煤層含氣量測試結果也表明，研究區(qū)煤層含氣量相對鄰區(qū)較高，且含氣組成中游離氣占比非常高，深部煤層氣的成藏特點更類似于致密氣儲層的特點，因此，決定研究區(qū)煤層氣富集的關鍵因素應為后期的保存條件。

研究區(qū)井–震聯(lián)合構造解釋結果表明，神木–佳縣區(qū)塊8 號煤層整體上為一寬緩的大型斜坡，東北部處于相對構造高部位、向西南方向構造高程逐漸降低。研究區(qū)地層非常平緩，傾角小于2°，僅在平緩基礎上局部發(fā)育低幅鼻隆微構造，僅局部發(fā)育小斷層(斷距<50 m)。其中，神木地區(qū)小斷層多為逆斷層，呈NW 向延伸，通常具有良好的封堵性；佳縣地區(qū)僅發(fā)現(xiàn)南部有NE 向延伸的小型逆斷層。整體上，研究區(qū)內構造簡單，僅局部發(fā)育封堵性較好的逆斷層，非常有利于深部煤層氣的保存。參考大寧–吉縣深部區(qū)的經(jīng)驗[8]，局部小型鼻隆微構造內游離氣易富集成藏，這些局部微構造可能是煤層氣的富集甜點。

中淺部煤層氣的研究表明，水文地質條件與煤層氣富集具有良好的相關關系[15]，而地下水的礦化度和水型是判斷煤層氣富集與否的重要指標[16-17]。通常處于滯流狀態(tài)的地下水礦化度值較高，地下水在壓力等作用下對煤層氣形成封堵作用；而處于徑流狀態(tài)的地下水礦化度值較低，易導致煤層氣在水動力作用下運移逸散，不利于煤層氣的保存。前人研究表明，鄂爾多斯盆地東北部8 號煤層的主要含水層為其頂板上部的廟溝和毛兒溝灰?guī)r含水層[18]。由于8 號煤層底板泥巖具有良好的封閉作用，因此該煤層主要與頂板廟溝和毛兒溝灰?guī)r含水層發(fā)生一定的水力聯(lián)系。根據(jù)區(qū)內7 口探井的水樣分析結果表明，神木–佳縣區(qū)塊本溪組地下水主要為CaCl2類型，地下水礦化度介于(6.8～30.2)×104mg/L，平均為15.9×104mg/L，整體上符合高礦化度滯流的封閉水文地質環(huán)境，有利于煤層氣的保存。其中，佳縣北部地區(qū)本溪組礦化度平均為14.0×104mg/L，佳縣南部地區(qū)為17.3×104mg/L，佳縣南部煤層氣的富集條件較好，這也是南部煤層含氣量整體較高的主要原因之一。

根據(jù)區(qū)內300 余口測井資料進一步分析8 號煤層的頂?shù)装逄卣?。神木–佳縣區(qū)塊8 號煤層底板均為泥巖，而頂板以泥巖類型為主，局部發(fā)育砂巖和灰?guī)r類型，分布情況如圖8 所示。其中，神木地區(qū)8 號煤層頂板以泥巖或砂巖為主，封蓋組合類型為泥巖–煤–泥巖(從底到頂，下同)或砂巖–煤–泥巖，兩種類型分布面積相當(圖8)；佳縣地區(qū)8 號煤層頂板為泥巖、砂巖或灰?guī)r，封蓋組合主要為泥巖–煤–泥巖，其次為泥巖–煤–砂巖和泥巖–煤–灰?guī)r。整個研究區(qū)頂板蓋層的厚度都在10 m 以上，上覆地層中厚的泥巖或灰?guī)r頂板為煤層氣賦存提供了良好的封閉環(huán)境。從區(qū)域分布來看，研究區(qū)煤層氣的有利富集區(qū)主要位于佳縣南部。

圖8 佳縣地區(qū)8 號煤層頂板巖性分布特征Fig.8 Lithological distribution of the No.8 coal seam’s roof in the Shenmu-Jiaxian block

綜上所述，研究區(qū)由于處于埋深超過2 000 m 的深部，煤層的構造非常簡單，斷層不發(fā)育，且煤儲層含水性具有高礦化度和滯流的特點，構造與水文地質條件非常有利于深部吸附氣與游離氣的保存。與淺層煤層氣明顯不同，研究區(qū)深部煤層氣賦存除受吸附力影響外，也遵循天然氣的毛管力封閉與浮力重力分異兩種機制。對于深部吸附氣，高儲層壓力有利于吸附封存；對于深部游離氣，高壓滯流的地質環(huán)境外加煤層頂板致密巖層的毛管封閉作用，共同決定了煤層氣的自封閉作用(圖9)。因此，總結研究區(qū)深部煤層氣的富集規(guī)律主要包括3 個方面：一是，研究區(qū)自北向南演化程度增高的總體格局，導致煤層含氣量總體自北向南逐漸增高，這決定了區(qū)域含氣量的總體分布格局；二是，全區(qū)總體滯流的水動力條件有利于大面積煤層氣的保存，其中佳縣南部煤層水礦化度更高，易受水力封堵形成高資源豐度的煤層氣藏；三是，煤層頂?shù)装鍘r性組合決定了煤層游離氣含量的局部分布特征，煤層氣富集區(qū)主要位于佳縣南部的灰?guī)r與泥巖頂板封蓋區(qū)，其次是佳縣北部的砂巖封蓋區(qū)和神木區(qū)域。

圖9 研究區(qū)8 號煤層的深部煤層氣富集模式Fig.9 Diagram showing the enrichment pattern of deep coalbed methane in the No.8 coal seam in the study area

4 深部煤層氣開發(fā)潛力分析

與該區(qū)臨近的臨興區(qū)塊和大寧–吉縣區(qū)塊分別由中聯(lián)煤層氣公司和中石油煤層氣公司實施了深8 號煤的勘探開發(fā)，均取得了煤層氣的產氣突破，特別是研究區(qū)南部的大寧–吉縣深部區(qū)已初步進入商業(yè)化試開發(fā)階段。神木–佳縣區(qū)塊深部煤層氣勘探開發(fā)起步較晚，資料掌握程度較低，本節(jié)重點通過類比法分析研究區(qū)深部煤層氣的開發(fā)潛力。

表1 從煤層氣地質條件、資源潛力、儲層物性與可改造性3 個方面系統(tǒng)總結對比了3 個區(qū)塊的差異特征。首先，3 個區(qū)塊的構造條件及水動力條件基本類似，均具有構造簡單和地下水礦化度高的典型特點，預示著研究區(qū)也具有商業(yè)化產氣的煤儲層基礎地質條件。其次，從資源潛力來看，研究區(qū)深8 號煤的平均厚度較其他兩個區(qū)略高；同時，研究區(qū)的含氣量比大寧–吉縣略低、但比臨興區(qū)塊要高，煤層含氣條件整體較優(yōu)。此外，受熱演化程度相對偏低的影響，研究區(qū)煤的吸附能力略低，導致煤層中吸附氣含量較低，但游離氣含量較高，非常有利于煤層氣的開發(fā)。最后，研究區(qū)煤儲層物性和可改造性方面明顯好于其他兩個區(qū)塊。一方面，研究區(qū)主要是焦煤和瘦煤，煤的割理普遍較發(fā)育，僅部分被礦物充填(圖6)。研究區(qū)以原生結構煤為主、碎裂煤為輔的煤體結構特點，也進一步印證了區(qū)內煤孔裂隙發(fā)育較好的典型特征。另一方面，研究區(qū)煤儲層的水平應力差僅有2.6～3.4 MPa，比其他兩個區(qū)塊明顯要低，說明煤層的各向異性較弱，既有利于實施水平井分段壓裂，又有利于體積壓裂縫網(wǎng)的形成。

截至目前，神木–佳縣區(qū)塊已開展了1 口煤層氣井試氣測試和2 口水平井開發(fā)試驗。其中，J54 井日產氣量0.656 萬m3，日產水量3.84 m3，無阻流量0.690 1 萬m3/d；JN-1H 水平井實施大規(guī)模體積壓裂后，試采期間煤層氣穩(wěn)定日產量約8.16 萬m3；JM-2H 水平井實施大規(guī)模體積壓裂后，試采期間煤層氣穩(wěn)定日產量約12.47萬m3。整體上，神木–佳縣區(qū)塊深部煤層氣規(guī)?；_發(fā)具有良好的前景。

5 結論

a.神木–佳縣區(qū)塊深8 號煤已處于熱解生氣高峰，具備大面積熱成因氣藏形成的基本條件；8 號煤具有厚度大、發(fā)育穩(wěn)定的特點，且頂?shù)装鍘r性主要為泥巖，煤層所處的構造條件簡單、水動力條件較弱，為煤層氣富集保存提供了良好的條件，其中佳縣南部煤層氣資源條件最好。

b.研究區(qū)深8 號煤從北到南依次為氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤，煤體結構以原生結構煤為主、碎裂煤為輔，煤的割理和裂隙非常發(fā)育、可動流體孔隙率較高，煤層的孔滲條件較大寧–吉縣深部區(qū)相當或稍好，顯示了研究區(qū)良好的煤層氣開發(fā)前景。

c.與大寧–吉縣深8 號煤相比，研究區(qū)深8 號煤的吸附能力相對較弱，吸附氣含量稍低；但是煤中游離氣占比更高(15.21%～46.47%)，含氣量中游離氣的貢獻非常重要?？偨Y研究區(qū)煤層氣富集封存具有2 種典型的機制，即吸附氣主要受吸附壓力封存控制，而游離氣受毛管力封閉與浮力重力分異雙重控制，二者共同決定了深部煤層含氣量分布的垂向和平面特征，是佳縣南部形成局部煤層氣富集的主要原因。

d.與鄂爾多斯盆地東部其他鄰近深部區(qū)塊類比分析表明，從基礎地質條件、資源潛力、儲層物性與可改造性三方面來看，研究區(qū)具有良好的深部煤層氣開發(fā)條件，已被實施的1 口試氣井和2 口開發(fā)水平井所證實。然而，神木–佳縣區(qū)塊南北跨度較大，其煤層氣富集主控因素和開發(fā)地質條件可能存在較強的差異性，還有待進一步開展深入研究工作。