鄂尔多斯盆地神府南区深部煤层气有利区预测

周龙刚

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

我国1200～2000 m 深部煤层气资源量超1.6×1013m3，潜力巨大，是未来天然气增储上产的重要领域。前期在沁水、鄂尔多斯、滇东黔西、准噶尔等地区勘探获得突破，展现了良好的开发前景[1-3]。压裂改造是目前深部煤层气动用的有效手段，因此地质评价需加强对压裂工程地质条件的研究。中海油陆上神府南区前期以致密气勘探为主，对煤层地质条件研究薄弱，制约深部煤层气勘探开发，本文依托作者参与的“深部煤层气开采地质制约因素研究”自研课题，对研究区资源条件、工程地质条件进行了梳理，预测地质工程一体化有利区，以期为该区深部煤层气的勘探开发提供参考。

1 研究区地质概况

神府南区紧邻神木市，构造上位于鄂尔多斯盆地东北部晋西挠折带，地层自东向西呈单斜构造（图1）。区域构造演化受华北克拉通整体控制，晚古生代以来经历了海相向陆相沉积演变，下部本溪组～山西组发育稳定的含煤地层[4]，其中8+9 号煤厚度巨大，是该区致密气成藏的源岩和深部煤层气勘探的主要目的层。

图1 研究区煤层顶部构造图

2 深部煤层气资源条件

2.1 煤储层基本特征

研究区8+9 号主力煤层形成于海陆过渡相泥坪低位沼泽沉积环境，煤层厚度介于7.4～15.8 m，平均厚度超10 m。岩心观察宏观煤岩类型以光亮煤和半亮煤为主，实验分析有机显微组分以镜质组为主，惰质组、壳质组次之（表1），镜质组最大反射率（Ro，max）介于1.1%～1.4%之间。工业分析实验表明，区内煤岩内在水分含量低，以中低灰分煤为主（表2）。受强压实及热演化成岩作用共同影响，煤储层孔渗物性较差，孔隙度一般<6%，基岩渗透率<0.1 mD，无自然产能。

表1 研究区8+9 号煤煤岩分析结果统计表

表2 煤岩工业分析结果统计表

2.2 保存条件

研究区8+9 号煤层埋深2000 m 左右，地层水矿化度高达50 000 mg/L 以上，以CaCl2型水为主[5]，显示地下水为滞留环境。煤层气保存主要受围岩封盖性影响，煤层上部太原组太2 段为三角洲沉积，发育水下分流河道及河道砂体，呈近南北向展布，主河道内砂体气层发育，表明煤层生排烃进入砂岩，不利于煤层气保存。平面上研究区西侧太2 段砂体不发育（图2），保存条件要优于东部主河道发育区。

图2 研究区太2 段砂体厚度等值线图

2.3 资源条件

绳索取心测试研究区8+9 号煤含气量介于7.94～21.13 m3/t，平均10.67 m3/t。等温吸附实验煤样朗格缪尔（VL）介于7.4～15.92 m3/t，平均10.4 m3/t，显示煤储层过饱和。前人研究认为深部煤层游离气含量较高，预测本区游离气含量占比高达40%[6]，邻区深部煤层气探井压后快速见气也表明深部煤层气高含游离气，预示实际含气量可能高于绳索取心实验结果。依据煤层厚度、含气量及密度估算研究区煤层气资源，资源丰度介于1.7×108～3.3×108m2/km3（图3），显示良好勘探潜力。

图3 研究区预测煤层气资源丰度等值线图

3 煤储层工程地质条件

基于煤岩力学特性及压裂理论，煤储层压裂工程地质条件包括煤体结构、煤岩力学参数、地应力、裂缝等影响压裂裂缝起裂及扩展的因素。一般煤体结构越完整、岩石力学强度越高、脆性越大，则压裂产生煤粉少，有利于净压力保持和压裂缝的扩展及延伸。另外现场压裂实验表明：微裂缝发育不仅能改善煤储层物性，还能有效降低裂缝起裂及扩展压力，有利于压裂施工顺利进行。

3.1 煤体结构

岩心观察显示研究区煤体结构以原生结构为主，少量为碎裂煤，煤岩中发育内生裂隙，且以光亮型煤最为发育；碎裂煤多被密集的次生裂隙相互交切成碎块，但碎块之间基本没有位移，且部分次生裂缝被方解石填充。以岩心资料分析测井曲线对煤体结构的响应，研究区从原生结构煤到碎粒结构煤，井径逐渐扩大、深电阻率逐渐减小，测井解释表明，区内煤岩煤体结构以原生结构为主（一般超过90%），构造煤不发育，一般见于煤层顶底板及夹矸附近。

3.2 岩石力学特征

岩石力学实验显示，研究区煤岩单轴抗压强度平均<20 MPa，抗拉强度<1.5 MPa，弹性模量<1 GPa，与顶底板泥岩、粉砂-细砂岩相比呈现明显的低密度、低抗压、低抗拉、低弹性模量、高泊松比特征（表3）。煤储层与顶底板岩石力学参数相差数倍，储隔层应力差较大（一般>4 MPa），可有效阻止水力压裂裂缝“击穿”顶底板，将其限制于煤层之内。

表3 研究区煤岩及顶底板岩石力学参数对比

3.3 现今地应力特征

大量室内物模实验及压裂微地震监测显示，水力压裂裂缝沿最大水平地应力方向延伸，水平主应力差系数越小压裂裂缝越复杂。从区域应力场及成像测井资料分析，研究区现今应力以“近南北向拉张、东西向挤压”为主。利用组合弹簧模型法利于测井资料计算单井地应力大小，结果显示8+9 号主力煤层最小水平主应力介于38.2～45.2 MPa，最大水平主应力介于44.3～51.9 MPa。由于研究区构造简单，煤层稳定，水平主应力差系数变化较小，介于0.14～0.16，整体上有利于造复杂缝，增大压裂波及体积，实现体积压裂，获得好的压裂效果。

3.4 裂缝发育特征

8+9 煤层成藏演化过程中受印支、燕山、喜山三期构造运动影响，古构造应力场存在转向，野外测量显示研究区发育张性节理和剪切节理，节理走向以NW、NE 向最为发育。受多期构造应力场造缝及断裂发育差异性影响，平面上裂缝发育存在不均一性，利用地震构造熵属属性预测显示研究区8+9 号煤裂缝发育区呈条带状分布（图4）。

图4 研究区8+9 号煤层裂缝预测图

4 一体化有利区预测

从成藏特征出发，考虑煤层厚度、含气量及顶板岩性封盖条件，在地质有利区的基础上，结合煤体结构、力学参数、地应力及裂缝发育特征等工程地质条件，综合预测显示I 类有利区位于研究区西侧，Ⅱ类主要位于东北侧，是未来研究区深部煤层气勘探开发有利目标（图5）。

图5 研究区深部煤层气有利区预测图

5 结论与建议

1）研究区深部煤层厚度大、地层压力高、保存条件好，资源条件优越；构造背景简单，煤体结构完整，岩石力学、水平主应力差分布稳定，存在裂缝发育带。在地质有利区的基础上，考虑深部煤储层可压裂性工程地质条件，预测适合压裂改造的工程有利区是后续该区深部煤层气勘探开发突破的重点。

2）研究区位于黄土地区，地表崎岖不平，难于大规模打直井，考虑研究区煤层厚度大、分布稳定，从地表、地下条件来看，以水平井、多分支水平井等复杂井型，结合页岩油气领域目前较成熟的长水平、多段多簇、体积压裂、暂堵转向等压裂工艺是该区未来深部煤层气规模动用的有效手段。