鄂尔多斯盆地北缘石炭-二叠纪/侏罗纪煤储层特征对比分析

聂 敬，李 勇，魏迎春，王安民，贾 煦，曹代勇

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

鄂尔多斯盆地北缘石炭-二叠纪/侏罗纪煤储层特征对比分析

聂 敬，李 勇，魏迎春，王安民，贾 煦，曹代勇

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

鄂尔多斯盆地北缘发育石炭-二叠纪和侏罗纪两套含煤岩系，探究两套煤储层特征的差异性，可以为该地区多套煤层共采提供理论参考，同时为深部煤层气和中低煤阶煤层气地质选区提供理论支撑。侏罗纪煤储层埋深较石炭-二叠纪煤储层浅，而厚度相当，前者以半暗-暗淡煤为主，后者以半亮-暗淡煤为主。研究区石炭-二叠纪煤储层孔隙度在3.60%～7.40%，以微孔为主，比表面积分布在10.24～14.22m2/g；渗透率为(23.20～26.00)×10-3μm2；而侏罗纪煤储层孔隙度一般大于22%，个别样品孔隙度接近30%，平均孔径较大而微小孔、中孔和大孔含量大致相当，比表面积0.50～1.53 m2/g，渗透率在(20.40～28.00)×10-3μm2，相比于石炭-二叠纪煤储层，侏罗纪煤储层的孔隙度高、孔径大，对煤层气的开发更为有利。此外，研究区石炭-二叠纪煤储层兰氏体积分布在9.75～15.20 cm3/g，平均11.47 cm3/g；侏罗纪煤储层兰氏体积分布在6.23～18.74 cm3/g，平均11.99 cm3/g，与石炭-二叠纪煤储层相当。因此，整体上看，石炭-二叠纪与侏罗纪煤储层均有良好的物性特征，而侏罗纪煤层拥有更好的孔隙结构。

鄂尔多斯盆地北缘；煤层气；储层特征；对比分析

0 引言

煤层气是一种热效率较高的洁净能源[1]，加快对煤层气的勘探开发和利用，可以减少温室气体的排放，减轻对环境的污染，符合我国"能源结构调整"的战略目标要求。

煤层气是生成并主要以吸附态赋存于煤层中的非常规天然气[2]，影响煤层气资源开发潜力的地质因素包括煤层气的生成、储集和保存条件，综合评价主要包含储层物性、含气性等参数[3]；煤层作为煤层气的地质载体，兼具烃源岩和储层的双重角色，其物性对煤层气的成藏具有重要作用。鄂尔多斯盆地北缘煤层主要分布在石炭-二叠系和侏罗系，累计煤厚30～60m[4-5]，厚度较大，具有良好的生烃条件和储存条件，但大多数煤储层研究集中在盆地的东缘、西缘和南缘[6-9]，盆地北缘煤储层物性特征研究较为缺乏，只有少量关于北缘煤储层的研究[5]，而鄂尔多斯北缘被认为具有相当程度的煤层气开发潜力[10]，因此，开展对鄂尔多斯盆地北缘煤储层物性特征的研究可为该地区煤层气的勘探开发提供理论参考。

1 区域地质

研究区位于鄂尔多斯盆地北缘伊盟隆起的北部，北邻河套断陷，西以桌子山东麓断裂为界，东以呼和浩特-清水河断裂为界，主要涉及准格尔煤田和东胜煤田的北部，为东西向继承性隆起，其基本构造形态表现为简单的单斜构造，含煤岩层产状平缓，近于水平，一般倾角小于3°[5]。研究区内褶皱均为短轴背斜，卷入的地层为三叠系和侏罗系。地面断裂构造极不发育，仅在高头窑、罕台川附近有逆冲断层，伴生有倒转向斜和不对称背斜，以及西部桌子山附近有小型逆冲断层，其他地区仅发育方向性极差的小型正断层。

研究区属于华北地层区的鄂尔多斯分区，以太古宇-古元古界为基底，自晚古生代以来该区继承性隆起，多为陆相沉积，基底隆起高，沉积盖层薄，由老到新出露有古生代和中生代的地层，但由于研究区构造隆升剥蚀，缺失志留系、泥盆系、下石炭统。主要岩性包括砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层[5]。

2 研究区煤层展布及煤岩特征

2.1 煤层展布特征

研究区主要受晚石炭世-中二叠世和中侏罗世两个聚煤期的影响，晚古生代煤层主要分布于石炭系太原组及二叠系山西组，中生代煤层主要分布于侏罗系延安组，煤层在全区内均有分布，厚度在总体上呈现西厚东薄、北厚南薄的趋势。研究区内太原组总体上在广阔的滨海平原环境下形成，煤层厚度大，最大累计厚度20～30m；山西组煤层累计厚度和单层厚度均小于太原组；山西组和太原组煤层在区内埋深除准格尔煤田外均超过2 000 m。延安组煤层在区内分布稳定，最大单层厚度可达10m以上，但埋深不超过2 000 m[4]。

2.2 煤岩特征

研究区石炭-二叠纪煤宏观煤岩类型以半亮煤、半暗煤和暗淡煤为主，光亮煤几乎不发育；煤的变质程度中等，Ro介于0.6%～1.0%，主要是焦煤、肥煤和气煤。侏罗纪延安组煤宏观煤岩类型以半暗煤和暗淡煤为主，仅发育少量半亮煤和光亮煤；煤的变质程度较低，Ro大多小于0.6%，主要是褐煤和长焰煤[5](图1)。

图1 鄂尔多斯盆地北缘石炭-二叠纪和侏罗纪煤类分布图(据胡宝林，2008)Figure 1 Permo-Carboniferous and Jurassic coal rank distribution in northern Ordos Basin (after Hu Baolin, 2008)

3 煤储层物性特征

煤储层是由孔隙和裂隙组成的双重孔隙介质[11]，孔隙的大小和分布、裂隙的发育情况对煤层气的储集能力和产能有直接影响。通常认为微孔(<10nm)和小孔(10～100nm)是煤层气的主要吸附空间，而裂隙、大孔(>1 000 nm)和中孔(100～1 000 nm)则主要作为气体的运移通道，反映煤储层的渗透性[5]。

3.1 煤储层孔隙特征

研究区石炭-二叠纪煤储层孔隙度在3.60%～7.40%，孔容值分布在0.0165～0.0265ml/g；比表面积分布在10.24～14.22m2/g；样品中以微孔为主，其孔隙体积分数71.44%～88.15%，大孔次之，为6.74%～15.31%，孔径在5～6nm处显著分布，为煤层气提供了良好的吸附空间[12]。

侏罗纪延安组煤储层孔隙度较大，一般大于22%，个别样品接近30%，平均孔径较大，为10.50～14.50nm[5]，平均12.85nm；BET比表面积比较小，0.50～1.53m2/g，煤储层孔隙微小孔、中孔和大孔含量相当，微小孔的孔隙分布频率为22.32%～63.63%，平均为39.96%，中孔的孔隙分布频率为17.83%～49.02%，平均为31.74%，大孔的孔隙分布频率为15.02%～38.36%，平均为24.59%。研究区样品孔径大，BET比表面积小的特点，反映了区内煤储层大中孔比较发育(表1)。

表1 鄂尔多斯盆地北缘石炭-二叠纪与侏罗纪煤储层物性对比表(部分数据来自文献[5])

从对比表中可以看出，石炭-二叠纪煤储层的孔容和比表面积大于侏罗纪煤储层，对煤层气的吸附能力更强，为煤层气的吸附提供了较大的空间；虽然其孔隙度和平均孔直径较小，但通过储层改造工艺改善煤储层性能，仍可作为煤层气开发的有利储层。

3.2 渗透率特征

(1)煤储层裂隙发育特征。裂隙是气体在煤储层中的主要运移通道，关系到煤储层的渗透性[13]。东胜矿区侏罗纪煤储层裂隙密度较高，31.7～42.8条/cm2，平均37.1条/cm2，其中D类(宽度<5μm且长度<300μm)裂隙最为发育，占总裂隙的88%，A类裂隙(宽度>5μm且长度>1mm)几乎不发育；总体来讲，研究区石炭-二叠纪煤储层裂隙密度要低于侏罗纪[5]。

(2)煤储层渗透率。实验测定研究区石炭-二叠纪煤渗透率为(23.20～26.00)×10-3μm2，延安组煤渗透率在(20.40～28.00)×10-3μm2，渗透性较好，利于煤层气的开发。

3.3 吸附性特征

煤是一种多孔介质，气体分子主要以吸附态赋存在煤的内表面。等温吸附试验可以为煤层气开发方案的制定提供参考：预测煤储层的理论最大含气量，结合实测含气量可求取煤层气临界解吸压力；兰氏压力可以反映煤层气的开采难易程度及是否有利于保存，通常兰氏压力越大越有利于降压过程中吸附气的产出。本次研究分别对石炭-二叠纪和侏罗纪煤层煤样进行了等温吸附测试。

(1)石炭-二叠纪煤储层。研究区石炭-二叠纪煤储层兰氏体积分布在9.75～15.20cm3/g，平均11.47 cm3/g，总体较大。而石炭-二叠纪煤层兰氏压力较大，最大达到6.58MPa,有利于煤层气的开采(表2)。

表2 鄂尔多斯盆地北部石炭-二叠纪煤样等温吸附特征

(2)侏罗纪煤储层。研究区侏罗纪延安组煤储层兰氏体积分布在6.23～18.74 cm3/g，平均11.99 cm3/g。而且侏罗纪延安组煤储层兰氏压力总体较大(表3)，利于煤层气的开采，但对煤层气的保存不利，如果盖层条件不好，则更容易逸散。

表3 鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤样等温吸附特征

4 对比分析

鄂尔多斯盆地北缘石炭-二叠纪与侏罗纪煤储层特征存在一定差异：石炭-二叠纪煤储层埋深较大，以中阶煤为主，主要煤类是焦煤、肥煤和气煤，而侏罗纪延安组煤储层埋深较浅，以低阶煤为主，前者变质程度要高于后者；且石炭-二叠纪煤储层孔隙以微孔为主，比表面积和孔容较大，而侏罗纪延安组煤储层微小孔、中孔和大孔所占比例相当，孔隙度和孔径较大，使得前者对煤层气的吸附能力要强于后者(表4)。

和侏罗纪延安组煤储层相比，石炭-二叠纪煤储层埋深和煤级增加，煤层的上覆压力使得前者孔隙度减少，但从低变质煤向中变质煤转化的过程中减少的孔隙主要来自大孔和中孔，对甲烷的吸附量影响不大，因此，石炭-二叠纪煤储层和侏罗纪延安组煤储层兰氏体积相当。

表4 鄂尔多斯盆地北缘石炭-二叠纪与侏罗纪煤储层特征对比表储层特征对比表

5 结论

(1)鄂尔多斯北缘石炭-二叠纪煤储层埋深较侏罗纪延安组煤储层大，除东部准格尔矿区外，其它地区均大于2 000 m；孔隙度在3.60%～7.40%，以微孔为主，煤样品孔径在5～6nm处显著分布，孔容值分布在0.016 5～0.026 5 ml/g，；比表面积分布在10.24～14.22m2/g；渗透率为(23.20～26.00)×10-3μm2，平均为8.50×10-3μm2；空气干燥基兰氏体积分布在9.75～15.20 cm3/g，平均11.47 cm3/g。

(2)鄂尔多斯盆地北缘侏罗纪延安组煤储层孔隙度一般大于22%，个别样品孔隙度接近30%，煤样品平均孔径较大，微小孔、中孔和大孔所占比例相当，渗透性在(20.40～28.00)×10-3μm2，渗透性好；空气干燥基兰氏体积分布在6.23～18.74 cm3/g，平均11.99 cm3/g，总体较大。

(3)石炭-二叠纪与侏罗纪煤储层均表现出了良好的物性特征，这为煤层气的良好开发提供了可能，但相比较而言，侏罗纪煤储层拥有更好的孔隙结构。

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ContrastiveAnalysisofPermo-CarboniferousandJurassicCoalReservoirsinNorthernOrdosBasin

Nie Jing, Li Yong, Wei Yingchun, Wang Anmin, Jia Xu and Cao Daiyong

(School of Geosciences and Surveying Engineering, CUMTB, Beijing 100083)

Two sets of Permo-Carboniferous and Jurassic coal-bearing strata have developed in the northern Ordos Basin. Probe into the diversity of two coal reservoirs can provide theoretical reference for CBM multi-layer drainage in the area, and provide theoretical support for deep part and medium to low ranked coal CBM target optimization. The buried depth of Jurassic coal reservoir is shallower than that of Permo-Carboniferous coal reservoir, but thickness about the same; the coal macrolithotype of the former is mainly semidull to dull coal, the later semibright to dull coal. Permo-Carboniferous coal reservoir porosity is 3.60%～7.40%, mainly micropores; specific surface area 10.24～14.22m2/g; permeability (23.20～26.00)×10-3μm2. Jurassic coal reservoir porosity is generally larger than 22%, individual samples near 30%; mean pore size is larger with contents of micropore, medium pore and large pore about the same; specific surface area 0.50～1.53m2/g; permeability (20.40～28.00)×10-3μm2. Compared to Permo-Carboniferous coal reservoir, Jurassic coal reservoir has higher porosity, larger pore size, thus more favorable to CBM exploitation. Besides, the Langmuir volume of Permo-Carboniferous coal reservoir is 9.75～15.20cm3/g, average 11.47cm3/g; Jurassic coal reservoir 6.23～18.74 cm3/g, average 11.99cm3/g, about the same with the former. Overall, the two aged coal reservoirs all have good physical characteristics, while the Jurassic coal reservoir has better pore structure.

northern Ordos Basin; CBM; reservoir characteristics; contrastive analysis

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.03

1674-1803(2017)11-0013-04

A

国家自然科学基金(41572141)，中国地质调查局地质调查项目(DD20160187)。

聂敬(1994—)，女，硕士研究生，从事煤层气地质研究。

曹代勇(1955—)，男，教授，从事构造和煤系综合矿产研究。E-mail:cdy@cumtb.edu.cn

2017-08-08

宋博辇