鄂尔多斯盆地临兴地区上古生界煤层含气量分布规律及影响因素分析

马立涛,胡维强,刘玉明,李洋冰,柳雪青

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

煤层气作为一种新能源，在美国、加拿大和澳大利亚等国家已形成工业规模[1～3]。我国煤层气资源总量约为(30～35)×1012m3，大体与常规天然气资源量相当[4]。按照盆地统计，鄂尔多斯盆地煤层气资源量最大，占全国的27%。鄂尔多斯盆地临兴地区天然气勘探开发潜力巨大[5]。临兴区块在上古生界发育海陆过渡相的煤系地层，其烃源岩主要是煤岩和暗色泥岩[6～8]，煤层气资源十分丰富[9，10]。以往针对临兴地区上古生界的研究主要集中在致密砂岩储层特征、成藏条件等方面[11～15]，对煤层含气量分布规律及其影响因素的分析研究相对较少[16]。笔者综合运用地质、测井、煤岩含气量测试、煤岩工业分析、煤岩显微组分分析及生产动态等资料，在详细研究地质特征和构造特征的基础上，对煤层平面分布特征、煤层含气量分布规律以及影响因素进行系统研究，确定了主力煤层及其含气量的分布特征，分析了埋深、镜质体反射率、水分、灰分、镜质组含量、惰质组含量等对煤层含气量的影响，并对该区煤层含气性有利区进行预测，为后期煤层气资源评价和勘探开发提供指导作用。

1 研究区概况

图1 研究区地理位置示意图

临兴地区主要位于鄂尔多斯盆地东部的晋西挠褶带山西省西部临县和兴县境内(图1)。研究区总体为简单的单斜构造，仅在局部有差异，中部有紫金山岩体的侵入，形成紫金山隆起区。区内煤系地层主要为海陆过渡相沉积环境，其中太原组为潮坪相沉积，岩性以泥岩为主，夹杂砂岩和泥质灰岩，顶部发育有2套煤层。山西组为一套三角洲平原沉积，岩性以泥岩、砂质泥岩、砂岩为主，夹杂少量灰岩，中部发育煤层。研究区已有多口探井在上古生界中钻遇煤层气，其邻近的杨家坡、保德、大牛地等大中型气田也已相继投入开发[11]。

2 煤层平面分布特征

临兴地区上古生界主要发育海陆过渡相的煤系地层。煤层主要分布在石炭系-二叠系的山西组、太原组、本溪组，其中山西组、太原组是主要的含煤岩系，同时也是研究区主要的含气层系。通过众多学者[12,17，18]对研究区的相关研究及其实际生产资料表明，山西组的4+5号煤层(以下简称“4+5号煤层”)和太原组的8+9号煤层(以下简称“8+9号煤层”)是研究区的主力煤层。

4+5号煤层主要分布于山西组中部，其厚度整体较薄，为2.5～6.0m，均值3.7m。在平面上，罗峪口镇-乔家洼一带及雷家碛乡-城庄一带的煤层分布较厚，煤层厚度基本上在4.5m以上，最高可达7.0m。蔡家会镇-唐家庄一带地区周边的煤层分布较薄，煤层厚度在3.0m以下，其中唐家庄地区的煤层最薄，煤层厚度都在2.5m以下(图2(a))。整体上来看，研究区北部和南部的4+5号煤层较厚，而中部较薄。

图2 临兴地区上古生界4+5号(a)和8+9号(b)煤层厚度等值线图

8+9号煤层主要分布于太原组顶部，非常稳定，厚度为5.0～10.0m，均值7.2m。在平面上，横城村-孟家坪乡和曙头-城庄一带的煤层最厚，均在9.0m以上，最高可达15.0m；赵家坪乡-白家岔-唐家庄一带的煤层分布最薄，主要分布在5.0m以下。从罗峪口镇-乔家洼-赤家洼一带的煤层逐渐增厚，而赤家洼往蔡家会镇方向的煤层却逐渐减薄，同样雷家碛乡往蔡家会镇方向的煤层也逐渐减薄(图2(b))。整体上来看，研究区东北部和东南部8+9号煤层较厚，而其北部和西部煤层相对较薄。

3 煤层含气量平面分布规律

煤层含气量不但受区域控制，还有受层位控制[19，20]。不同地区甚至是同一地区不同煤层间的含气量往往存在较大差异，因为煤层气在地下的分布是不均匀的。通过选取临兴地区4+5号煤层和8+9号煤层的样品进行含气量测试分析表明，4+5号煤层含气量主要分布于6.87～22.88m3/t之间，均值为12.88m3/t。从平面上来看，4+5号煤层含气量分布范围较广，在赵家坪乡以西和曙头-城庄-雷家碛乡一带的煤层含气量较高，均在16.00m3/t以上；而在乔家洼-赤家洼及横城村一带的煤层含气量较低，多在10.00m3/t以下(图3(a))。整体显示，4+5号煤层含气量由北向南逐渐增加。8+9号煤层含气量主要分布于6.32～29.31m3/t之间，均值14.87m3/t。从平面来看，8+9号煤层含气量分布较为稳定，在蔡家会镇-曙头-城庄一带的含气量最高，均在24.00m3/t以上，最高可达29.00m3/t；而在赵家坪乡-白家岔一带的煤层含气量较低，均在10.00m3/t以下(图3(b))。整体来看，研究区中部及东南部煤层含气量较高，而北部煤层含气量较低，且8+9号煤层含气量要整体高于4+5号煤层。

图3 临兴地区上古生界4+5号(a)和8+9号(b)煤层含气量等值线图

4 煤层含气量影响因素分析

4.1 埋深和成熟度对煤层含气量的影响

通过对临兴地区4+5号煤层和8+9号煤层样品测试分析表明：4+5号煤层埋深主要介于1718～1887m之间，平均1788m；其镜质体反射率主要分布于0.93%～1.19%之间，均值1.07%。8+9号煤层埋深主要介于1800～1962m之间，平均1865m。镜质体反射率主要分布于1.03%～1.36%之间，均值1.22%。研究区的煤层埋深适中，主要属于肥煤-焦煤，热演化处于成熟阶段。根据研究区煤层含气量与埋深及镜质体反射率的关系图(图4)来看，总体上呈现出正相关性，即煤层含气量随埋深及镜质体反射率的增大逐渐增高。

图4 煤层含气量与埋深(a)、镜质体反射率(b)关系图

4.2 水分和灰分对含气量的影响

通过对研究区上古生界煤岩进行工业分析结果显示：4+5号煤层水分质量分数主要介于0.19%～1.14%之间，均值0.50%；灰分质量分数主要分布于6.47%～45.57%之间，均值22.13%。8+9号煤层水分质量分数主要介于0.20%～1.20%之间，均值0.61%；灰分质量分数主要分布于9.62%～66.51%之间，均值22.19%。煤岩中的水分含量较低，灰分含量变化较大。从研究区煤层含气量与水分及灰分质量分数的关系图(图5)来看，总体上呈现出负相关性，即煤层含气量随水分和灰分质量分数的增加而逐渐降低。

图5 煤层含气量与水分(a)、灰分(b)质量分数关系图

4.3 显微组分含量对含气量的影响

研究区的显微组分以镜质组为主，其次为惰质组。4+5号煤层镜质组体积分数主要介于45.0%～93.9%之间，均值71.7%；惰质组体积分数主要分布于0.6%～43.3%之间，均值24.8%。8+9号煤层镜质组体积分数主要介于51.6%～95.5%之间，均值80.2%；其惰质组体积分数主要分布于4.5%～38.5%之间，均值18.5%。据前人[21，22]对镜质组及惰质组含量与含气量关系的研究表明，镜质组的吸附能力要强于惰质组，相同煤阶富镜质组的煤吸附能力要强于富惰质组的煤。由研究区煤层含气量与镜质组及惰质组体积分数的关系图(图6)来看，煤层含气量与镜质组体积分数呈正相关关系，而与惰质组体积分数呈负相关关系。

图6 煤层含气量与镜质组(a)、惰质组(b)体积分数关系图

5 煤层含气性有利区预测

表1 临兴地区山西组和太原组试气成果表

通过对临兴地区上古生界煤层基本地质条件及其含气量的影响因素综合分析认为，沉积较稳定，厚度较大，埋藏较深，热演化程度相对较高，镜质组含量较高，水分含量较少，灰分含量较低，惰质组含量较少的含煤区域，煤层含气量相对较高。

临兴地区4+5号煤层横向变化大，连续稳定性不高，含气量相对较低，是区内次要的勘探目的层，在研究区南部雷家碛乡-城庄一带煤层分布较稳定，含气量也相对较高，有一定的勘探潜力。8+9号煤厚度大，分布稳定，含气量相对高，是区内首要勘探目的层，在研究区东南部薯头-城庄一带煤层厚度最大，含气量高，资源潜力大，拥有巨大的勘探前景。临兴地区不同层位试气结果(表1)显示，4+5号煤层气井日产气量低于1×104m3，8+9号煤层存在日产气量超过1×104m3以上的试气井，与预测结果相符合。

6 结论

1)临兴地区上古生界山西组4+5号煤层厚度为2.5～5.5m，均值3.7m；含气量主要分布于6.87～22.88m3/t之间，均值为12.88m3/t。太原组8+9号煤层主要分布于5.0～10.0m，均值7.2m；含气量主要分布于6.32～29.31m3/t之间，均值为14.87m3/t。

2)临兴地区煤层含气量随埋深、镜质体反射率及镜质组含量的增加而逐渐增高，随水分、灰分及惰质组含量的增加而逐渐降低。

3)临兴地区东南部薯头-城庄一带的太原组8+9号煤层和南部雷家碛乡-城庄一带的4+5号煤层为含气有利区。

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