深、淺部煤層氣地質條件差異性及其形成機制

許 浩，湯達禎，陶 樹，李 松，唐淑玲，陳世達，宗 鵬，董 煜

(1.中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083；2.煤層氣開發利用國家工程研究中心中國地質大學(北京)煤儲層物性實驗室，北京 100083)

我國煤層氣產業已經步入規?；l展階段，在沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣兩大淺部煤層氣產業基地的基礎上，近年來，深部煤層氣開發取得系列重大突破[1]。鄂爾多斯盆地延川南區塊延3 井區南部33 口開發井單井日穩產氣量超1.3 萬m3，其中水平井單井日穩產氣量(2.5～6.0) 萬m3[2]；大寧-吉縣區塊吉深14-5 平02 井自2022 年9 月投產以來，單井累計產氣2 601.9 萬m3，目前日產氣量仍保持在4.3 萬m3以上；臨興區塊實施的首口深部煤層氣水平井“深煤一號”，最終測試產量達到6.0 萬m3/d；重慶市南川區深部煤層氣直探井陽2 井實現自噴生產100 d，累計產氣120 萬m3。此外，鄂爾多斯盆地東緣臨汾、三交、臨興、神府，沁水盆地鄭莊、柿莊、馬必，以及準噶爾盆地彩南地區和阜康西等區塊，部分埋深1 000～2 500 m 煤層氣井獲得高產氣流。說明我國深部煤層氣具有巨大潛力[3-6]，對保障國家能源安全意義重大。

初期，深部煤層氣定義通常以埋深作為界限，不同專家學者認為的界限深度主要包括800、1 000、1 500及2 000 m 等[7-9]。隨著研究的深入，對其認識不斷完善，越來越多的學者從埋深、地應力、含氣性、儲層物性以及產氣特征等多角度定義其特點[10-13]。深部煤層氣在諸多方面與淺部煤層氣具有顯著差異，但這種差異不是突變的，而是具有漸變過渡和多因素綜合作用的特點，在不同區域的顯現特征不同。筆者以鄂爾多斯盆地上古生界煤層為例，旨在從煤層氣地質角度，以同一套煤層形成演化為主線，系統探討深部和淺部煤層在埋深演化、溫壓特征與含氣性、地應力與滲透率特征、成熟度與含水性的差異規律及其形成機制，以期在清晰理解深部和淺部煤層氣地質特征的基礎上，為深部和淺部煤層氣協同勘探開發提供科學依據。

1 煤層形成與埋深演化

自晚泥盆世以來，全球范圍內發生了多期聚煤作用，其中晚石炭世-二疊紀、侏羅紀和晚白堊世末期-新近紀，是聚煤作用最強的3 個時期[14]，99%以上的煤炭資源形成于這3 個聚煤期[15]。聚煤期與地質歷史時期古構造、古氣候、古地理、古植物等密切相關[16]。煤層形成后，隨著上覆地層的沉積，埋深逐漸增加，后期在構造作用下，發生差異抬升作用，最終形成現今盆內埋深大、盆緣埋深淺的分布格局。

以鄂爾多斯盆地上古生界煤層為例，晚石炭世-二疊紀，華北地區廣泛發育晚古生代聚煤作用[17]；早三疊世末的印支運動，造成區域整體抬升，后期經過坳陷階段，使華北地區呈現東隆西坳的構造格局，鄂爾多斯地塊相應東升西降，鄂爾多斯盆地基本定型。自此之后，雖然有局部抬升，但盆地整體進入沉降期，晚白堊世時期上古生界煤層達到最大埋深。進入晚白堊世晚期，發生燕山運動第V 幕，直至新生代，盆地整體不斷抬升，地層遭受剝蝕，且始終保持為東部高西部低的狀態，盆地邊緣抬升幅度較大。受盆地整體構造演化的控制，不同構造位置上古生界煤層的演化模式可以分為3 種類型：深埋深藏型(最大埋深與現今埋深均大于2 000 m)、深埋淺藏型(最大埋深大于2 000 m、現今埋深小于2 000 m)及淺埋淺藏型(最大埋深與現今埋深均小于2 000 m)(圖1)。根據目前煤層氣勘探開發情況，深埋深藏型以大寧-吉縣深部區塊為代表，現今埋深2 000～2 600 m，有機質鏡質體最大反射率Rmax為1.43%～2.63%；深埋淺藏型以延川南區塊為代表，現今埋深1 000～1 500 m，Rmax為1.59%～3.22%；淺埋淺藏型以保德區塊為代表，現今埋深420～1 000 m，Rmax為0.55%～0.75%。因此，現今的深部煤層氣在地質歷史演化過程中雖然經歷了多期的構造抬升，但一直處于深部環境條件下。而現今的淺部煤層氣則分為2 種類型：第一種是經歷了深部環境與淺部環境的轉變，第二種是一直處于淺部環境中。受這一演化過程的影響，煤層溫壓條件與含氣性、地應力與儲滲特征、成熟度與含水性等呈現出規律性變化。

2 煤層溫壓特征與含氣性

煤層溫壓條件直接影響到煤層氣吸附、解吸及產出過程，揭示煤層原位溫壓特征與含氣性差異規律，是深入開展深部煤層氣基礎理論研究的前提。以鄂爾多斯盆地上古生界煤層為例，煤層溫度和壓力與現今埋深總體上呈正相關關系(圖2)，從盆地邊緣向盆地中心煤層溫度和壓力逐漸升高。盆地東緣埋深最淺的河曲和保德區塊煤層最低溫度20℃左右，柳林和延川南區塊煤層壓力最低為2.8 MPa 左右；埋深最深的伊陜斜坡西南部儲層溫度超過120℃，儲層壓力達到40 MPa 以上。深部和淺部儲層溫度最多相差100℃以上，儲層壓力最大相差40 MPa 左右。

煤吸附能力與溫壓條件密切相關，地層壓力越高，吸附能力加強，煤層氣吸附量升高；地層溫度越高，吸附能力減弱，煤層氣吸附量降低[18]。因此，煤層氣吸附量在一定深度將會趨于降低，這個深度即為煤層含氣量的臨界深度(圖3)?！芭R界深度”以淺，多為欠飽和煤層氣藏，吸附氣為主，需排水降壓解吸產氣；“臨界深度”以深，煤吸附飽和，相比淺部煤層，深部煤層的蓋層更加致密，封閉能力更強，保存條件更好，更有利于游離氣的賦存。因此，深部煤層氣具有投產即見氣、見氣即高產的突出特點。以鄂爾多斯盆地大寧-吉縣區塊煤層為例，淺層含氣量12～18 m3/t，埋深為800～1 500 m；深層含氣量22～32 m3/t，游離氣占比20%，埋深為1 800～2 600 m。

圖3 煤層含氣量隨埋深變化(據秦勇等[19]，2012，修改)Fig.3 Burial depth-varying gas content in coal seams (modified after Qin Yong et al.,2012[19])

理論和勘探實踐均證明，臨界深度受煤巖性質與地質條件影響，不同地區存在較大差異。根據上述煤層埋深演化模式，部分地區煤層在構造抬升過程中跨越了臨界深度，煤層從深部抬升到淺部，由于地層溫度和壓力降低，其中的氣體賦存條件發生改變。

3 煤層地應力與滲透性特征

地應力是影響煤層滲透性與可改造性的重要因素[20]。地應力包括垂向應力與水平應力。其中，垂向應力是重力作用下上覆地層產生的壓力，受煤層埋深和上覆地層性質影響。水平應力與構造運動和巖層地質構造有關，受水平方向構造運動影響最大?？碧介_發實踐表明，深部和淺部煤層地應力場存在較大差別。

在淺部煤層中，由于水平應力受不同地質條件的影響有所差異，垂向應力與水平應力關系變化較大。因此，地應力整體呈現離散型特征，即：側壓系數、水平應力梯度分布范圍較寬。隨著埋深的增加，上覆巖層的自重作用逐漸凸顯，應力場變化趨于一致，側壓系數、水平應力梯度內外包絡線逐漸收斂，趨于重合，轉化為垂向應力主導[21]。在含煤盆地中，煤層應力條件的分布與轉化過程在垂向上表現為分段性和轉換性(圖4)，對應在平面上則表現為過渡性和分帶性。地應力場的轉換深度受地質條件影響，不同地區存在較大差異，而且根據煤層埋深演化模式，部分地區煤層在構造抬升過程中實現了地應力場的轉換，即由垂向應力主導型轉換為水平應力主導型。

圖4 煤層應力條件在垂向上的分布與轉換(據E.M.ANDERSON [22]，1951)Fig.4 Vertical distribution and transformation of stress in coal seams (from E.M.Anderson,1951[22])

地應力也是深部與淺部煤巖力學性質及變形行為差異的主要誘因[23]。淺部低應力環境下，煤巖脆性破壞易形成連續、產狀分明的宏觀裂縫。因此，淺部煤層滲透率表現出離散分布的特點。深部條件下，由于垂向應力成為絕對主導，煤層處于高度壓縮狀態，導致深部煤層孔隙發育較差，更為致密，滲透率較低，但內生裂隙作為煤特有的裂隙系統，可以作為煤層中流體滲流產出的主要通道[24]。

4 煤的變質程度與含水性

鄂爾多斯盆地上古生界煤巖成熟度除在局部地區受巖漿變質作用影響外，主要受深成變質作用影響。煤的鏡質體反射率與最大古埋深具有較好的相關性，整體上，從盆地邊緣向中心成熟度逐漸增高(圖5)[25]。在成煤演化過程中，煤自身含水性與成熟度關系密切。隨著煤化作用的增強，煤層含水性逐漸降低，從褐煤到無煙煤，煤層含水量可從58%降低到3%。同時，煤層中水的賦存類型也會發生變化，由于含氧官能團的減少和孔隙率的降低，煤中自由水的比例逐漸降低，束縛水的比例逐漸增大。深部煤層不含水或含有少量水。由于煤層的儲集空間有限，煤層的含氣性與含水性通常呈負相關。而淺部煤層實際含水性受外部因素影響顯著，一方面，淺部煤層靠近補給區，地下水流動活躍，煤層水礦化度較低；另一方面，在水平地應力條件下，容易形成滲透性較好的裂隙作為賦水空間和導水通道。導致淺部煤層易含水，而且自由水的比例較高，煤層氣生產過程中產水量較大[26]。深部煤層相比于淺部煤層，受大氣降水補給影響較小，煤層含水量低，煤層水礦化度高，因此，開發時產水量很小或者不產水。

圖5 鄂爾多斯盆地上古生界石炭－二疊系煤層熱演化程度(據任戰利等[25]，2021，修改)Fig.5 Maturity of the Upper Paleozoic Carboniferous-Permian coal seams in the Ordos Basin (modified after Ren Zhanli et al.,2021[25])

但是，構造斷層會對深部和淺部煤層含水性產生重要影響。無論深部煤層或淺部煤層中，如果斷層連通煤層與地表水或含水層，將導致物性較好的煤層富水性較強，進而影響到煤層氣的賦存；而物性較差的煤層，雖然其自身富水性弱，但降壓過程中產出的水大多來自于外來水，導致煤層需要較長的時間才能降壓至臨界解吸壓力，不利于煤層氣井產氣。

5 煤層氣地質條件演化規律

綜上所述，深部和淺部煤層地質條件具有顯著差異(圖6)。從盆地邊緣向中心，隨著埋深逐漸增大，煤層溫度、壓力逐漸升高，煤的成熟度逐漸增加，含水量逐漸降低，煤層中由以吸附氣為主轉變為吸附氣與游離氣共存，地應力場由水平應力主導轉化為垂向應力主導，煤儲層孔隙率和滲透率逐漸降低。深部煤儲層滲流通道主要為內生裂隙(割理)，淺部煤儲層可發育孔、裂隙雙滲通道。從而導致深部煤層產出流體以氣體單相為主，很少產水；淺部煤層產水量大，生產階段分為單相水、氣水兩相、氣相3 個階段。因此，典型的深部煤層氣的定義應為：在高溫高壓和一定深度條件下，甲烷以吸附態和游離態共存，該類煤儲層在垂向應力主導作用下，孔裂隙空間極度壓縮，含水極少且礦化度極高，內生裂隙為主要滲流通道，氣體通過微裂隙產出。

圖6 鄂爾多斯盆地上古生界深部和淺部煤層地質條件對比剖面圖Fig.6 Profile showing the evolution of the geological conditions of Upper Paleozoic deep and shallow coal seams in the Ordos Basin

從鄂爾多斯盆地上古生界煤層演化模式來看，現今的深部煤層在地質歷史演化過程中雖然經歷了多期的構造抬升，但一直處于深部環境條件下，這種類型煤層主要分布在盆地內部的伊陜斜坡和天環坳陷?，F今的淺部煤層分為兩種類型：一種是經歷了深部環境與淺部環境的轉變，即煤層在地質歷史過程中經歷了深埋階段后期抬升至淺部，主要分布在晉西撓褶帶和西緣沖斷帶；另一種煤層則從形成至今一直處于淺部環境中，主要分布在伊盟隆起和晉西撓褶帶北部。一直處于深部或淺部的煤層地質特征比較典型，在空間呈現出規律性的連續變化。而經歷了深部環境與淺部環境轉變的煤層，受演化過程的影響，煤層可能會兼具前兩種類型的地質特征。

從盆地尺度看，由盆地邊緣向盆地中心，隨著埋深的逐漸增大，煤層地質條件呈現規律變化，但煤層含氣性存在臨界深度，地應力場存在轉換深度，由于這兩個深度的控制要素不同，二者在空間中會不一致。這個不一致性導致同一套煤層在盆地中形成一個由淺部向深部煤層地質特點轉變的過渡區，范圍受地質條件影響，區內呈現出非典型深部煤層氣的特點，或深部煤層氣和淺部煤層氣共存的情況。這就解釋了實際生產中有些區塊的深部煤層中不含游離氣、含水量較高等現象。因此，在過渡區煤層氣勘探開發過程中應具體情況具體分析。

6 結論

a.受盆地整體構造演化的控制，煤層的演化模式可以分為3 種類型：深埋深藏型(最大埋深與現今埋深均大于2 000 m)、深埋淺藏型(最大埋深大于2 000 m、現今埋深小于2 000 m)及淺埋淺藏型(最大埋深與現今埋深均小于2 000 m)。第一種類型和第三種類型，煤層地質特征比較典型，在空間呈現出規律性的連續變化，而第二種類型比較特殊，煤層可能會兼具前兩種類型的地質特征。

b.深部和淺部煤層地質條件具有明顯的差異，主要表現為，煤層從淺部向深部，變質程度逐漸增大，含水量逐漸降低，溫度和壓力升高，煤層中由以吸附氣為主轉變為吸附氣與游離氣共存，地應力場由水平應力主導轉化為垂向應力主導。煤儲層孔隙率和滲透率逐漸降低，深部煤儲層滲流通道主要為內生裂隙(割理)。從而導致深部煤層產出流體以氣體單相為主，很少產水，淺部煤層一般產水量大，生產階段分為單相水、氣水兩相、單相氣3 個階段。

c.深部和淺部煤層氣地質條件具有漸變過渡和多因素綜合作用的特點。含氣性轉化的臨界深度和地應力場的轉換深度控制機制不同，導致二者在空間中的不一致性。因此，煤層由淺部向深部地質特點轉變的過程中，將會在盆地內形成一個過渡區，其范圍受地質條件影響，區內呈現出非典型深部煤層氣的特點，或深部煤層氣和淺部煤層氣共存的情況。在煤層氣勘探開發過程中，應根據實際地質情況確定其類型，制定針對性開發方案，以實現淺部和深部煤層氣的高效協同開發。