鄂爾多斯盆地東南緣上古生界煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性及其意義

伊 偉，熊先鉞，龐 斌，王 偉，林 偉，何春連，車(chē)延前，馮延青中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城715400

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鄂爾多斯盆地東南緣上古生界煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性及其意義

伊 偉，熊先鉞，龐 斌，王 偉，林 偉，何春連，車(chē)延前，馮延青
中石油煤層氣有限責(zé)任公司韓城715400

摘要：鄂爾多斯盆地東南緣陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一批高產(chǎn)井，顯示了上古生界煤層氣資源勘探開(kāi)發(fā)的潛力。然而，受煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性影響，同一區(qū)塊相鄰井組甚至同一井組不同單井的產(chǎn)氣效果表現(xiàn)出較大差異，因此深化對(duì)煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性的認(rèn)識(shí)是實(shí)現(xiàn)高效勘探開(kāi)發(fā)的客觀途徑。該文從巖石學(xué)、物性、吸附性、含氣性等特征方面對(duì)煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)3號(hào)、5號(hào)、11號(hào)煤層分布穩(wěn)定，厚度較大，是煤層氣勘探與開(kāi)發(fā)的主要目的層；煤層以半亮煤和半暗煤為主，鏡質(zhì)組含量較高，具有較好的可壓裂性；以低灰-中灰的瘦煤、貧煤為主，部分地段發(fā)育少量無(wú)煙煤，煤級(jí)較高；煤巖孔隙度和滲透率均較低，吸附性強(qiáng)，吸附時(shí)間較短且解吸率較高，有利于煤層氣的產(chǎn)出，但需要加強(qiáng)煤儲(chǔ)層改造措施研究；含氣量平均在11 m3/t以上，最高可達(dá)19.73 m3/t，含氣飽和度平均在61%以上，表明資源密度較大且具有較高的地層能量，有利于煤層氣解吸產(chǎn)出。

關(guān)鍵詞：煤層氣；煤儲(chǔ)層；物性；含氣量；上古生界；鄂爾多斯盆地東南緣

First author：YI Wei，Engineer；E-mail：yiwei01@petrochina.com.cn

鄂爾多斯盆地是我國(guó)大型含煤盆地之一，煤層氣資源量約占我國(guó)煤層氣總資源量的1/3（楊起等，2005；趙慶波等，1997；馮三利等，2002）。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，目前盆地東南緣已進(jìn)入規(guī)模性開(kāi)發(fā)階段，出現(xiàn)了一批高產(chǎn)煤層氣井，表明該區(qū)具有較好的煤層氣開(kāi)發(fā)前景。但是，區(qū)內(nèi)單井之間生產(chǎn)特征差異較大，既有鉆井工藝和后期排采技術(shù)的影響，也存在對(duì)煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性認(rèn)識(shí)不足的原因。為此，本文根據(jù)大量勘探開(kāi)發(fā)資料，對(duì)區(qū)內(nèi)煤儲(chǔ)層非均質(zhì)性進(jìn)行分析，以期為下一步煤層氣資源高效勘探開(kāi)發(fā)提供一定借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

自古生代以來(lái)，鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了印支、燕山和喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造（張國(guó)良和賈高龍，2004；李明等，2012；陳啟林等，2013；劉新社等，2007；付金華等，2013），形成了伊盟隆起、渭北隆起、西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶6個(gè)構(gòu)造單元（圖1）。盆地東南緣的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)塊位于南部的渭北隆起帶東段，面積約3×103km2。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭DFig.1 The tectonic units of the Ordos basin

盆地東南緣含煤地層主要為上古生界下二疊系山西組和太原組，是一套以三角洲相為主的海陸交互相沉積（李明等，2012；陳啟林等，2013；劉新社等，2007；付金華等，2013）。含煤11層，主要煤層3層，包括山西組3號(hào)、5號(hào)煤層和太原組11號(hào)煤層；煤層總厚度5～20 m，單層最大厚度可達(dá)10 m。盡管成煤之后經(jīng)歷了多期構(gòu)造變動(dòng)，但主煤層分布較穩(wěn)定。3號(hào)煤層厚度0.9～8.5 m，平均3.1 m；5號(hào)煤層厚度1.4～8.0 m，平均3.7 m；11號(hào)煤層厚度1.3～10.0 m，平均3.3 m。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造整體上表現(xiàn)為向北和北西方向傾斜的單斜構(gòu)造。含煤地層在區(qū)內(nèi)盤(pán)龍、象山一帶均有出露，埋藏深度整體上表現(xiàn)為中部地區(qū)較淺，分別向北、向西方向變深。

2 煤巖煤質(zhì)特征

2.1 宏觀煤巖特征

區(qū)內(nèi)主煤層的宏觀煤巖類(lèi)型以半亮煤和半暗煤為主，兩者平均厚度分別大于煤層總厚度的45%和40%。其中，山西組以半亮煤和半暗煤為主，平均厚度比例分別為43%和39%；太原組以半亮煤和暗淡煤為主，平均厚度比例為42%和18%。光亮煤分布的非均一性最強(qiáng)，在山西組的變化區(qū)間為0～18.9%，太原組為0～30%。縱向上，光亮煤和半亮煤厚度之和，由山西組的46.5%變化到太原組的58.1%，暗淡煤則由山西組的18.8%降低到太原組的9.3%。橫向上，兩組光亮煤與半亮煤厚度之和由北向南逐漸增大，暗淡煤厚度則逐漸下降。

研究區(qū)煤層割理發(fā)育程度一般，一般6～14條/ 5 cm，縫長(zhǎng)5～90 mm，11號(hào)煤層割理發(fā)育程度好于3號(hào)和5號(hào)煤層。煤層裂縫大多被方解石薄膜所充填，這對(duì)煤儲(chǔ)層滲透率有一定影響。

2.2 顯微煤巖特征

研究區(qū)煤主要由鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和礦物質(zhì)組成；礦物質(zhì)以粘土礦為主，含少的黃鐵礦和碳酸鹽礦。3號(hào)煤層鏡質(zhì)組含量介于42.8%～92.0%之間，主要為70%～80%，平均73.6%；5號(hào)煤層鏡質(zhì)組含量36.4%～95.9%，主要為80%～90%，平均77.5%；11號(hào)煤層鏡質(zhì)組含量35.5%～92.1%，主要在70%～80%之間，平均68.4%（圖2）?？傮w來(lái)看，3個(gè)煤層鏡質(zhì)組含量高，從南向北呈增加趨勢(shì)。

惰質(zhì)組含量變化較大。3號(hào)煤層惰質(zhì)組含量介于1.2%～50.0%之間，平均16.1%，多為10%～15%；5號(hào)煤層惰質(zhì)組含量3.0%～61.7%，平均18.0%，主要為5%～10%；11號(hào)煤層惰質(zhì)組含量6.4%～64.0%，平均24.3%，主要分布在10%～15%之間（圖2）。平面上，惰質(zhì)組含量與鏡質(zhì)組含量的分布互成相反的趨勢(shì)。

由此可見(jiàn)，5號(hào)煤層鏡質(zhì)組含量最高，吸附煤層氣的潛力最大，可改造性最好。

2.3 煤質(zhì)與煤階

213件煤樣的工業(yè)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，三個(gè)主煤層煤質(zhì)都呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性。

3個(gè)煤層的水分含量分布具有較好的一致性，以0～1.0%為主，其次為1.0%～1.5%；5號(hào)煤層水分含量的平均值最高，其次為11號(hào)煤層，3號(hào)煤層最低（圖3）。

圖2 鄂爾多斯盆地東南緣地區(qū)煤巖顯微組分含量直方圖Fig.2 Histogram of content of coal macerals in the southeast margin of Ordos basin

煤的灰分產(chǎn)率分布范圍較寬（圖3）。3號(hào)煤層灰分產(chǎn)率為8.88%～47.95%，平均21.91%；5號(hào)煤層灰分產(chǎn)率6.55%～74.82%，平均18.83%。3號(hào)和5號(hào)煤層灰分產(chǎn)率沒(méi)有明顯的主峰分布區(qū)間。3號(hào)煤層主要為中灰煤，低灰煤和富灰煤也有一定的比例；5號(hào)煤層主要為低灰煤和中灰煤，有少量富灰煤；11號(hào)煤層總體上為中灰煤。

3個(gè)煤層的揮發(fā)分產(chǎn)率主要分布在5%～10%之間，具有高階低揮發(fā)分煤的特點(diǎn)（圖3）。自南向北、自東向西煤層埋深增大，煤的揮發(fā)分產(chǎn)率逐步變小，表現(xiàn)為煤的變質(zhì)程度不斷加深，水平分帶與垂直分帶明顯。

圖3 鄂爾多斯盆地東南緣地區(qū)煤巖工業(yè)分析組分含量直方圖Fig.3 Histogram of coal industrial analysis in the southeast margin of Ordos basin

區(qū)內(nèi)主煤層鏡質(zhì)體最大反射率介于1.62%～3.09%之間，煤階變化較大，但以瘦煤、貧煤、無(wú)煙煤為主（表1）。最高鏡質(zhì)體反射率出現(xiàn)在北部盤(pán)龍礦區(qū)11號(hào)煤層，與煤層埋藏最深有關(guān)。平面上，由南向北、由東向西鏡質(zhì)體最大反射率逐漸增高，與埋深變化趨勢(shì)一致。

表1 鄂爾多斯盆地東南緣地區(qū)煤巖鏡質(zhì)組反射率統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of Coal vitrinite reflectance in the southeast margin of Ordos basin

總體上，區(qū)內(nèi)以高階低灰-中灰煤為主，煤層具有很好的生氣條件和吸附條件。

3 煤儲(chǔ)層物性特征

3.1 煤儲(chǔ)層裂隙孔隙

觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)煤層普遍發(fā)育一組或兩組內(nèi)生割理，北部和中部地區(qū)割理平均密度相對(duì)較大，南部和西部地區(qū)稍差，內(nèi)生割理密度以北部盤(pán)龍礦區(qū)最大。

據(jù)真密度和視密度換算：3號(hào)煤層孔隙度為3.47%～19.05%，平均8.72%；5號(hào)煤層孔隙度4.71% ～9.58%，平均6.31%；11號(hào)煤層孔隙度2.95%～8.69%，平均5.32%。

3.2 煤儲(chǔ)層滲透性

據(jù)注入壓降測(cè)試數(shù)據(jù)，5號(hào)煤層滲透率為0.053～0.121 mD，11號(hào)煤層為0.174～0.251 mD，均為低滲儲(chǔ)層；垂向上，滲透率隨煤層埋藏深度增大而減小（表2）。Y3、Y4井區(qū)煤層試井滲透率相對(duì)較高，結(jié)合排采數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為Y3井區(qū)煤層滲透率＞0.2 mD，具有較好的可采性。

3.3 煤巖吸附性

煤層氣主要以物理吸附形式吸附在煤巖孔隙內(nèi)表面上，其吸附性能通常用吸附常數(shù)VL（Langmuir體積）和PL（Langmuir壓力）和等溫吸附曲線來(lái)描述（張松航等，2009；薛光武等，2012；陳振宏等，2006；歐成華等，2003）。

等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同區(qū)塊煤的吸附能力差別較大，無(wú)煙煤的吸附能力大于瘦煤和貧煤，北部盤(pán)龍地區(qū)無(wú)煙煤吸附能力強(qiáng)（表3，圖4）。3號(hào)煤層朗格繆爾體積為12.17～32.11 m3/t，平均24.71 m3/t，朗格繆爾壓力為1.13～3.41 MPa；5號(hào)煤層朗格繆爾體積為12.43～31.57 m3/t，平均22.24 m3/t，朗格繆爾壓力為1.21～3.23 MPa；11號(hào)煤層朗格繆爾體積為10.07～33.97 m3/t，平均22.66 m3/t，朗格繆爾壓力為1.07～3.51 MPa。煤巖朗格繆爾體積普遍較大，反映吸附能力較強(qiáng)。

3.4 煤層氣解吸特征

圖4 鄂爾多斯盆地東南緣地區(qū)典型煤巖等溫吸附曲線Fig.4 Adsorptions isotherm of typical coal rocks in the southeast margin of Ordos basin

表2 鄂爾多斯盆地東南緣地區(qū)參數(shù)井測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of test parameters of parameter well in the southeast margin of Ordos basin

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，區(qū)內(nèi)煤巖吸附時(shí)間小于72 h的占60%以上，解吸速率較快，有利于煤層氣早期產(chǎn)出（圖5）。北部盤(pán)龍井區(qū)除1口井外，其余井煤巖吸附時(shí)間為5.22～248.16 h，平均84.72 h，解吸速率中等；中部區(qū)域由于斷層影響，煤巖裂隙發(fā)育，氣體解吸速率有所提高，吸附時(shí)間平均為60.48 h，最短僅1.68 h；西部澄白井區(qū)煤階較低，煤層氣解吸速率較慢，吸附時(shí)間長(zhǎng)達(dá)240h以上。

表3 鄂爾多斯盆地東南緣地區(qū)煤層氣吸附特征數(shù)據(jù)Table 3 Statistics of adsorption characteristics of coalbed methane in the southeast margin of Ordos basin

區(qū)內(nèi)煤層氣解吸率為60.43%～96.49%，平均89.18%；無(wú)煙煤的解吸率明顯高于貧煤和瘦煤（表3）。

4 煤儲(chǔ)層含氣性

4.1 煤儲(chǔ)層含氣量

據(jù)鉆孔煤芯解吸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)煤層含氣量介于2.55～19.73 m3/t之間。其中，3號(hào)煤層含氣量6.77～18.73 m3/t，平均13.34 m3/t；5號(hào)煤層介于2.55～18.07 m3/t之間，平均10.66 m3/t；11號(hào)煤層介于3.73～19.73 m3/t之間，平均12.09 m3/t。

就全區(qū)來(lái)可以看出，煤層含氣量主要分布在9～11 m3/t之間，其次為11～13 m3/t和15～17 m3/t區(qū)間（圖6a）。研究區(qū)目前開(kāi)發(fā)井大部分位于北部地區(qū)，實(shí)測(cè)資料豐富，煤層含氣量相對(duì)較高，3號(hào)煤層含氣量主要在12～14 m3/t之間，5號(hào)煤層以10～14 m3/t和16～18 m3/t兩個(gè)區(qū)間為主，11號(hào)煤層含氣量以14～18m m3/t區(qū)間值占優(yōu)勢(shì)（圖6b）。

圖5 鄂爾多斯盆地東南緣地區(qū)煤巖吸附時(shí)間分布直方圖Fig.5 Distribution histogram of adsorption time in the southeast margin of Ordos basin

整體上，11號(hào)煤層含氣量最高，5號(hào)煤層次之，3號(hào)煤層最低。3號(hào)煤層含氣量較高的地區(qū)有板橋3號(hào)井區(qū)、盤(pán)龍16號(hào)井區(qū)，平均含氣量都在17 m3/t以上。5號(hào)煤層平均含氣量以板橋4號(hào)井區(qū)和2號(hào)井區(qū)最高，達(dá)16 m3/t以上；1號(hào)井區(qū)含氣量則相對(duì)較低，平均在8 m3/t左右；11號(hào)煤層含氣量最高的地區(qū)有板橋4號(hào)、5號(hào)和8號(hào)井區(qū)，平均含氣量在18 m3/t以上；盤(pán)龍22井區(qū)含氣量最低，平均不足6 m3/t。

4.2 煤儲(chǔ)層含氣飽和度

煤儲(chǔ)層含氣飽和度是指在一定的壓力、溫度和平衡水等條件下，煤層氣的吸附飽和程度，即實(shí)測(cè)含氣量與原始儲(chǔ)層壓力對(duì)應(yīng)的吸附氣量的比值（吳曉東等，2008；王琳琳等，2013；趙麗娟等，2010）。

圖6 鄂爾多斯盆地東南緣地區(qū)含氣量分布直方圖Fig.6 Distribution histogram of gas content in the southeast margin of Ordos basin

表4 鄂爾多斯盆地東南緣地區(qū)含氣飽和度和臨界解吸壓力數(shù)據(jù)Table 4 Data of gas saturation and critical desorption pressure in the southeast margin of Ordos basin

就臨界解吸壓力（表4）來(lái)看，3號(hào)煤層為1.00～3.90MPa，5號(hào)煤層為0.40～6.64 MPa，11號(hào)煤層為0.59～4.82 MPa；南部地區(qū)解吸壓力較低，北部地區(qū)解吸壓力較高。通過(guò)換算，3號(hào)煤層含氣飽和度為37.63%～79.93%，平均61.45%；5號(hào)煤層含氣飽和度為6%～92.97%，平均56.80%；11號(hào)煤層含氣飽和度為25.01%～86.09%，平均57.56%（表4）。總體分析，北部區(qū)煤層含氣飽和度和臨界解吸壓力較高，可釆性較好，是有利的勘探開(kāi)發(fā)目標(biāo)區(qū)。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)上古生界二疊系含煤地層是一套以三角洲相為主的海陸交互相沉積，3號(hào)、5號(hào)和11號(hào)煤層厚度大且分布范圍廣，煤巖儲(chǔ)層總厚度為5～20 m，單層最大厚度可達(dá)10 m，是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的目的層。

（2）主煤層以半亮煤和半暗煤為主，主要由鏡質(zhì)組鉤成，熱演化程度較高，煤巖具有較高的吸附潛力。各項(xiàng)煤質(zhì)參數(shù)都呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性，3號(hào)煤層總體上為低灰煤，5號(hào)煤層以低灰煤和中灰煤占較大比例，11號(hào)煤層為中灰煤。

（3）煤儲(chǔ)層孔隙度和滲透率均較低，屬于低孔低滲儲(chǔ)層。煤巖總體吸附性較好，但不同煤階煤巖的吸附性能有明顯的差異。無(wú)煙煤的吸附性能最好，解吸率較大且解吸速率較快，有利于煤層氣的產(chǎn)出。

（4）煤儲(chǔ)層含氣量較高，含氣飽和度在61%以上，資源密度較大，產(chǎn)出能量較高，有利于煤層氣開(kāi)發(fā)。

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中圖分類(lèi)號(hào)：P618.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7493（2016）02-0378-07

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015095

收稿日期：2015-05-15；修回日期：2015-11-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“煤層氣井氣、水流動(dòng)特征和變化規(guī)律研究”（2011ZX05038-002）；中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大專(zhuān)項(xiàng)課題五“煤層氣富集規(guī)律研究及有利區(qū)塊預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)”（2013E-2205）聯(lián)合資助

作者簡(jiǎn)介：伊偉，男，1983年生，碩士，工程師，從事煤層氣地質(zhì)、煤層氣資源評(píng)價(jià)及勘探開(kāi)發(fā)綜合研究工作；E-mial：yiwei01@petrochina.com.cn

Heterogeneity and Significance of CoalReservoir of Upper Paleozoic in Southeast Margin of Ordos Basin

YI Wei，XIONG Xianyue，PANG Bin，WANG Wei，LIN Wei，HE Chunlian，CHE Yanqian，F(xiàn)ENG Yanqing
Petrochina Coalbed Methane Company Limited，Hancheng 715400，China

Abstract:A number of high-yield wells has emerged in the southeast margin of Ordos Basin，which showed the potential of the Upper Paleozoic exploration and development of coalbed methane resources.However，owning to the coal reservoir heterogeneity，great differences of individual gas wells were observed in adjacent block groups and sometime even in the same block.Therefore，a deeper understanding of reservoir heterogeneity is needed for efficient exploration and development.Systematic studies were conducted on coal reservoir in terms of rock characteristics，physical characteristics，adsorption characteristics，and gas characteristics.The results showed that the 3，5，11 coal seam，with stable distribution and large thickness，is the main target for exploration and development of coalbed methane.Half-bright coal seam and semi-dark coal with high vitrinite content has better fracture resistance，whereas a low ash-lean coal was also found，with anthracite and a small amount of high grade coal identified in some sections.We found that coal rock porosity and permeability are low，showing strong adsorption，short adsorption time and the higher desorption rate.This is conducive to CBM output，however，coal measures of reservoir stimulation need to be strengthened.The average gas content is about 11 m3/t or more，with a maximum of 19.73 m3/t，and the average gas saturation is above 61%，indicating a greater resource and a high density of formation energy，in favor of CBM desorption output.

Key words:coalbed methane；coal reservoir；properties；gas content；Upper Paleozoic；southeast margin of Ordos Basin