庆阳—黄陵地区煤层气富集规律及目标优选

卜范青，张凌杰，高 丹

庆阳—黄陵地区煤层气富集规律及目标优选

卜范青1，张凌杰2，高 丹2

（1.中国海洋石油国际有限公司，北京 100028；2. 辽河油田职业技术学院，辽宁 辽河 124103）

庆阳—黄陵地区是鄂尔多斯盆地重要的低煤阶含煤区，是近几年煤层气勘探的热点地区之一。但该区煤层气钻探效果并不理想，急切需要认清该地区煤层气富集规律，以便有效指导煤层气的勘探开发。通过对该区煤层的展布特征、沉积环境、煤岩煤质特征、物性特征及含气性等进行综合分析，查明该区煤岩演化程度低，煤层厚5～30m，大部分地区煤层埋深小于1500m且分布稳定，延9煤层为该区的主力煤层，煤岩类型主要为半亮煤和半暗煤，煤岩煤质特征好，孔隙度、渗透率较高，灰分含量低，具有较高的煤层气勘探潜力。钻井资料揭示该区煤层含气性变化大，含气量介于0～8m3/t之间。进一步分析构造和沉积作用对煤层气富集的影响，提出了煤层气保存条件好、含气量高、勘探潜力大的四个有利目标区。

鄂尔多斯盆地；庆阳-黄陵；煤层气；延9煤层；富集规律；目标优选

鄂尔多斯盆地煤层气资源丰富，确定甜点区的关键除了深入研究成藏模式[1-5]，还需要对研究区的基础地质、储层特征、富集规律进行解剖，笔者结合前人对煤层气的研究成果[6-13]，以鄂尔多斯盆地的庆阳-黄陵地区为例，通过分析该区的煤层特征，形成了该区的煤层气富集规律，研究成果可为该区进一步的煤层气勘探开发指明方向。

1 区域构造特征

庆阳-黄陵地区位于鄂尔多斯盆地南缘，东起陕西省富县葫芦河，经黄陵县、彬县和陇县达甘肃华亭县，自北东向南西延展近270km（图1）。整体上是向西北方向倾斜的单斜构造，沿地层的走向和倾向发育宽缓的波状起伏，无断裂及岩浆活动。据煤田精查资料，区内双龙（永红）以东的浅部仅见几条缓波状褶皱构造，分别为双龙向斜、圪塔寺背斜、花家庄向斜、南峪口―陈家庄背斜和寺湾向斜。

图1 鄂尔多斯盆地构造划分及外围盆地分布（据长庆油田研究院）

主力煤层底面构造呈西倾单斜，东陡西缓。其上发育一些北东向缓波状隆起坳陷，如双龙向斜。在向斜部位煤层气藏保存较好，含气量高；隆起区或背斜部位含气量低。

2 地层序列及沉积特征

鄂尔多斯盆地内侏罗系发育较好，王竹泉、潘钟祥（1933），王尚文（1950），李德生（1951），宋四山（1953），银川石油局110队（1960），鄂尔多斯石油普查队（1964），中科院地质研究所（1980）相继对该区地层划分进行了大量研究，最终将侏罗系划分为下侏罗统富县组和延安组、中侏罗统直罗组和安定组、上侏罗统芬芳河组。

侏罗系延安组蕴含丰富的煤炭资源，是本次庆阳-黄陵地区重点研究层位，结合剖面出露良好的神木考考乌素沟野外剖面，将延安组自下而上分为10段。延9为三角洲前缘沉积，发育灰绿色泥岩、粉砂岩及煤，并伴生植物化石；延8逐渐过渡为浅湖相沉积，发育厚层深灰色页岩夹两层磨盘灰岩透镜体；延7、延6为三角洲平原沉积，延7底部发育大套平行层理及大型板状交错层理灰白色长石岩屑砂岩；延6发育大套浅灰色板状、楔状交错层理的长石岩屑砂岩、灰色粉砂岩及棕褐色的泥岩夹煤层，同时伴含大量植物化石。延4以上地层在盆地大部分范围因剥蚀而缺失。

3 煤层气成藏地质条件

3.1 煤层厚度及埋深

庆阳-黄陵地区侏罗系下统延安组煤层是本区主要的含煤层系，呈北西－南东方向展布，总体上为西厚东薄，富煤带分布在环县－庆阳－宁县一带。整体上，该区煤层层数多，分布面积广，煤层总厚度5～30m。其中延8、9煤层厚度较大，延6、7煤层厚度相对较薄且分布不稳定。主力延9煤层厚度在0～14m之间，主要分布在南和北部，有1个聚煤条带和6个富煤中心。延9煤层是陇东侏罗系煤层气勘探的4个目的煤层中的主力（图2）。

图2 庆阳-黄陵地区侏罗系延安组延9煤层厚度及埋深图

该区的煤层埋深0～2 000m，从东向西，煤层埋深增大，延9煤层的一个聚煤厚带的埋深范围是500～1 250m，东南部富煤中心的煤层埋深范围是300～750m，东北部的较小面积的富煤中心的埋深范围500～1 000m，西部的两个富煤中心的埋深范围是1500～2 000m。根据目前国内煤层气勘探开发的经验，煤层气勘探适合煤层埋深为300～1 500m。由此可见，陇东-黄陵地区延9煤层的一个聚煤厚带和两个富煤中心都有利于煤层气的勘探开发。

3.2 煤岩煤质特征及煤化程度

该区煤岩类型主要为半亮煤和半暗煤（图3）。半亮煤占41.6%，半暗煤占42.3%，暗淡煤仅为5.1%，光亮煤为12%左右。由表1可以看出，在同一井区，纵向延7、延9主煤的煤岩类型好于延6、延8煤层。

煤储层的显微组分中以镜质组为特征，镜质组含量在52.5%～86.5%之间，丝质组含量32.6%～39.5%，稳定组含量≤6.6%(表2)。向盆地的东北缘，惰性组的比例明显增加。在惰性组中又以富丝质体为特色。大多数丝质体的植物残留细胞孔隙保存完好。该区块煤岩显微组分中镜质组含量由东向西呈增大的趋势，这与煤的沉积环境关系密切。惰性组的比例、组分和残留细胞结构等一系列特征也都随着原始沉积环境的不同而明显改变。煤层灰分9.40%～39.60%，平均23.43%；水分0.27%～2.70%，平均0.85%；挥发分20.35%～38.00%，平均28.85%。煤层工业分析显示该区煤岩总体为中高灰分、高挥发分，中含水煤层。

表1 庆阳-黄陵地区延安组煤岩类型统计表

表2 煤岩显微组分及工业分析表

图3 煤层类型照片

左图：新试1井 954.3m 煤，易碎，玻璃光泽，割理充填方解石，半亮煤；右图：彬县百子沟，延8/9煤，半暗煤

该区煤岩灰分含量较低，灰分产率大多在5%～25%，属特低灰煤。延9煤层的灰分产率具有从中部到两边增高的趋势（图4），合水―宁县―彬县一带的灰分产率均小于15%，与延9煤层的一个聚煤厚带和研究区中南部及东南部的三个聚煤中心对应，在研究区西北部的土桥―新集、庆阳富煤中心的灰分产率在15%~20%之间，而东北部ZH70富煤中心的灰分产率则大于25%。整体而言，中部和中南部的聚煤厚带和富煤中心有利于煤层气的开发（图5）。

图4 庆阳-黄陵地区侏罗系延安组延9煤层灰分含量图

图5 庆阳-黄陵地区侏罗系延安组延9煤层热演化程度图

延安组煤的热变质作用以区域深成热变质作用为主，热演化程度受煤层埋深规律影响明显，煤化程度具有从东南向西北增高的特征，而煤层埋深也有此特征。镜质体反射率介于0.41%～1.07%，煤阶相当于褐煤、长焰煤、气煤和肥煤，属于亚烟煤和高挥发分低变质煤。研究区延9煤层的一个聚煤厚带和六个富煤中心的热演化程度大部分布在0.5%~0.9%之间，热演化程度相对较高，有利于热解型煤层气的生成（图5）。

3.3 煤储层特征

3.3.1 孔隙和裂隙特征

煤储层具有双孔隙结构—基质孔隙和裂隙。研究区延安组煤储层中气孔的特点是密集成群，大小不一，排列没有规律，孔径在0.5×103nm～2×103nm之间，孔隙未被矿物质充填（图6），煤储层中还发育有微裂隙（图7），裂隙延伸较长，其对煤层气的解吸和渗流也有一定的贡献。

图6 彬县百子沟，延8下，基质镜质体中溶蚀孔，×5000，SEM

图7 彬县百子沟，延8下，丝质体中的气孔，微裂缝，×2500，SEM

从固1井煤岩压汞曲线图可看出，进汞曲线和退汞曲线形态相同，成“牛角状”，说明煤基岩块内孔隙较发育，对煤层渗透性贡献最大的孔喉半径在0.63～35um范围之内。延安组煤层孔隙度在8%以上，说明了盆地中生界低煤阶煤层具高孔隙特征。

3.3.2 煤储层渗透性

在鄂尔多斯盆地所钻的数口煤层气探井中，通过煤岩压汞、孔隙度测定、煤岩割理描述等资料分析，初步预测中生代煤储层的渗透率在1～10md之间，随煤层埋深增加煤层渗透率降低的特征明显。

延安组主煤的渗透率在5～20mD，XSH1井延9煤层的孔隙度9.9%，高者亦达13.5%，煤芯样品观察裂隙较为发育；另外，从XSH1、N2、N28井煤层气排采看，连续排采近一年，单井产水量20～35m3/d，由此推断，在庆阳地区煤层埋藏小于500～1 200m的地段，煤层渗透率大于（1～10）×10－3μm2是完全肯定的。

3.4 煤层含气性特征

表3 陇东地区延9、8煤层含气量对比表

庆阳—黄陵地区延9煤层含气量0～8m3/t之间，其分布特征是在彬县—宁县—合水—庆城一带，煤层含气量分布在1～6.71m3/t，在泾川—庆阳一带，延9煤层含气量在5～8 m3/t，在研究区东南部一聚煤中心的煤层含气量6～7 m3/t，研究区东部黄试1―店3井区煤层含气量在5～7 m3/t。宁县地区所钻的7口侏罗系煤层气探井含气量在0～6.29m3/t，东部黄陵地区黄试1井延9煤层含气量平均6m3/t左右，焦坪JPM－1井延9煤层含气量6.4m3/t。

4 煤层气富集规律

煤层气富集受到诸多地质因素的控制，煤层厚度、埋深、变质程度、含气性、构造条件等都一定程度上影响煤层气成藏[3,14-17]，运移[17]、保存[17-18]；水文地质对次生生物气的生成及富集具有控制作用[19-20]，三者相匹配，有利于低煤阶煤层气富集成藏。实际勘探过程中，煤层气富集成藏决定性因素是保存条件[20]。

4.1 构造对煤层气富集的影响

根据延9煤层顶面构造，构造相对平缓，地层倾角小于8°，为西倾单斜构造，局部发育一些小型鼻状隆起，隆起幅度达20～30m（图8）。根据煤层含气量（表3），214、D32、D33、N2、N8、JPC-1井在鼻状隆起的低部位，煤层含气量高，LOW-1、LOW-2井处在鼻状隆起的高部位，煤层含气量低。

图8 庆阳-黄陵地区侏罗系延安组延9煤层顶面构造图

4.2 沉积对煤层气富集的影响

沉积环境一定程度上决定了煤岩煤质特性。研究区发育典型的浅水三角洲，延安组主力煤层聚煤环境是三角洲平原沼泽和湖滨沼泽。分别研究其聚煤环境的差异，从而总结出煤层聚积规律。

浅水三角洲平原可细分为外、中内三角洲平原。研究发现外三角洲平原沼泽形成的煤层层数多，结构相对复杂，单层煤层厚度1～1.5m，煤层总厚度较大；中三角洲平原沼泽发育的煤层多由单层厚煤组成，厚度较厚，煤厚一般大于2m，横向分布连续，灰分含量低，煤质好；内三角洲平原沼泽成煤特点与湖滨沼泽相似。

此外，煤层顶底板封盖性好，对煤层气富集有利，泥岩顶板分布面积约占区块总面积的4/5，对于煤层气勘探而言，泥岩顶板区煤层气保存条件好，既有利于煤层气成藏，又易于煤层气开发。研究区地层水矿化度比较高，延5-延8矿化度为20~70 g/L，水型为Na2SO4型，延9矿化度为70～120 g/L，水型为CaCl2型为主，有利于煤层气保存。

5 有利目标区优选

综上所述，按照下述评价标准参数识别煤层气有利勘探目标：煤层单层厚度≥4m，煤层层数少于2层（且间距小于5m）；煤层沉积环境主要考虑沼泽相；煤层顶面埋深在500～1 500m之间；优选构造比较简单，地层倾角＜8°，避开断裂发育区；优先选择泥岩顶板分布区，考虑泥质粉砂岩顶板区，放弃砂岩顶板分布区；煤层含气量≥5m3/t；单层煤层气资源量＞100×108m3。研究区共评价出4个延9煤层煤层气有利勘探目标区，它们分别位于宁县、灵台－长武、彬县北和马栏地区（图9）。

图9 庆阳-黄陵地区侏罗系延安组延9煤层综合评价图

6 结论

1）庆阳-黄陵地区的煤层主要分布在侏罗系中下统延安组，主要发育低煤阶长焰煤、褐煤。煤层层数多，分布面积广，煤层总厚度5～30m，延9煤层是该研究区的主力煤层，煤层深小于1 500m，煤岩储层物性好，渗透率1~10 mD。

2）研究区煤岩类型主要为半亮煤和半暗煤，灰分含量较低，灰分产率大多在5%～25%，属特低灰煤，煤层含气量0～8m3/t之间，研究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。泥岩顶板分布面积约占区块总面积的4/5，地层水矿化度比较高。

3）宁县、灵台－长武、彬县北和马栏地区，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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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

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2014CB239102)

卜范青（1980-），男，四川成都人，工程师，主要从事开发地质和地质建模研究工作

P618.13

A

1006-0995（2019）03-0394-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.009