魏子聰 蘇育飛 田 玲 周寶艷

(山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030006)

煤系非常規(guī)天然氣系指與煤系有關(guān)的天然氣，由于其儲集方式特殊、儲層巖性與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、滲透率低，通常被稱為非常規(guī)天然氣，主要包括煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣[1-3]。海陸過渡相煤系以頁巖氣、煤層氣和致密砂巖氣共生為主[4-5]，沉積環(huán)境以海濱沼澤相或內(nèi)陸沼澤相為主的含煤地層，烴源巖干酪根類型以Ⅲ型為主，具有緩慢、連續(xù)、長期生烴的特點，為大量生烴奠定了基礎(chǔ)[6-7]，山西的各大含煤盆地在多期沉積-構(gòu)造作用下，烴源巖熱演化程度較高，利于生氣[2-3,8]。隨著基礎(chǔ)地質(zhì)理論研究和勘探開發(fā)技術(shù)取得突破，海陸過渡相含煤地層煤系非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)越來越受重視[9]。

山西省是我國煤層氣勘探開發(fā)最先取得商業(yè)性突破的地區(qū)，但是與常規(guī)天然氣相比，煤層氣經(jīng)濟性差、資金回收慢，經(jīng)濟效益不高，對社會資金的吸引力不大，導(dǎo)致了近幾年煤層氣勘探開發(fā)投入明顯降低。為保障山西省資源性經(jīng)濟型轉(zhuǎn)型發(fā)展示范區(qū)建設(shè)，早日實現(xiàn)“全國能源革命排頭兵”的歷史性跨越，需要大力發(fā)展和研究山西深部煤系非常規(guī)天然氣資源。

1 山西省非常規(guī)天然氣含氣系統(tǒng)劃分

1.1 含氣系統(tǒng)劃分依據(jù)

1.1.1 含氣組合沉積特征

陸表海背景下的含煤地層中，對含氣系統(tǒng)的垂向分布具有分劃性阻隔作用的隔水阻氣層的發(fā)育主要受控于沉積環(huán)境。通過對沉積環(huán)境的研究，結(jié)合含氣特征，發(fā)現(xiàn)山西省域石炭二疊紀(jì)煤系含氣層段主要對應(yīng)于三種沉積體系域，即障壁砂壩-潟湖潮坪、淺水三角洲和曲流河沉積，構(gòu)成生儲蓋共生組合。其中太原組、山西組分屬不同的含氣系統(tǒng)。

①障壁砂壩-潟湖潮坪沉積相。該類沉積主要發(fā)育于本溪組-太原組晉祠段。沉積物由成熟度較高的中-細粒石英砂巖、粉砂質(zhì)泥頁巖、深灰色泥頁巖、鐵鋁質(zhì)泥頁巖和黑色炭質(zhì)泥頁巖、煤層及煤線組成。煤、炭質(zhì)泥頁巖是良好的生氣層和儲層，主要發(fā)育于潮坪亞相的泥炭坪；由于受海水的長期沖刷篩選，因而形成的砂巖成分成熟度高，且分選好，是良好的砂質(zhì)儲層(晉祠砂巖)；潟湖泥頁巖發(fā)育廣泛，且含有大量的鐵鋁質(zhì)，是良好的蓋層。障壁砂壩、潟湖、泥炭坪、砂坪、潮道的沉積微相在垂向上呈現(xiàn)交替出現(xiàn)，具有煤層氣-頁巖氣-砂巖致密氣組合、煤層氣-頁巖氣組合、煤層氣-砂巖致密氣組合的儲層配置條件。

②淺水三角洲沉積相。該類沉積普遍發(fā)育于太原組、山西組和下石盒子組。煤層和暗色泥頁巖主要發(fā)育于三角洲間灣充填變淺背景上形成的三角洲廢棄朵葉及泥炭沼澤環(huán)境，泥炭沼澤環(huán)境在三角洲平原亞相中占90%，具有煤層氣-頁巖氣組合的儲層配置條件；分流河道和水下分流河道砂體構(gòu)成三角洲的主體格架，砂體常呈透鏡狀相互疊置關(guān)系，進積時在層序上向下往往漸變?yōu)榍叭侵弈囗搸r，向上漸變?yōu)檎訚赡囗搸r，砂巖以中-細粒為主，同時具有煤層氣-頁巖氣-致密砂巖氣組合的儲層配置條件。

③曲流河沉積。該類沉積主要發(fā)育下石盒子組和上石盒子組。煤層和暗色泥頁巖主要發(fā)育于兩岸平原中較低洼的部位即河漫灘(泛濫盆地)，以及廢棄的河道，可作為良好的生氣層和儲層。垂向上，河漫灘的煤層、炭質(zhì)泥頁巖常與堤岸細-粉砂巖以及河道沉積呈交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。

1.1.2 儲層流體壓力分布特征

山西全省有各類煤層氣勘探開發(fā)井4 000余口，部分進行了儲層壓力測試。大同煤田未實施地面煤層氣井，霍西煤田未試井，西山煤田煤層氣井試井儲層壓力梯度為(0.56～0.65)×10-2MPa/m，寧武煤田煤層氣井試井儲層壓力梯度為(0.81～0.97)×10-2MPa/m。沁水煤田、河?xùn)|煤田是煤層氣試井主要區(qū)域，現(xiàn)收集兩煤田試井儲層壓力170層次，儲層壓力梯度變化范圍為(0.15～1.24)×10-2MPa/m。在垂向上，太原組儲層壓力或視儲層壓力高于山西組，表明太原組和山西組分屬不同的流體壓力系統(tǒng)(圖1，圖2)。

1.1.3 含氣量分布特征

層序格架下的氣測錄井-巖樣實測含氣量顯示目標(biāo)層垂向分布存在5個含氣高值區(qū)，與層序地層的對應(yīng)關(guān)系良好，分別對應(yīng)于SQ1-SQ2(本溪組-晉祠組)、SQ3(太原組廟溝毛兒溝段)、SQ4-SQ5(太原組斜道東大窯段)、SQ6-SQ7(山西組北岔溝段)、SQ8-SQ10(山西組冀家溝段-下石盒子組駱駝脖子砂巖)，可以作為含氣單元劃分的輔助證據(jù)之一(圖4)。

1.2 含氣系統(tǒng)劃分

綜上， 層序地層格架下的各含氣單元分屬不同的沉積體系，即潮道-潟湖潮坪、 淺水三角洲和曲流河含氣沉積體系；儲層流體壓力垂向特征、含氣量有較為明顯的差異；關(guān)鍵層具有較好的封蓋性；各單元內(nèi)部生儲蓋組合發(fā)育穩(wěn)定，尤其是高位體系域發(fā)育的分布廣泛、厚度可觀的泥頁巖，突破壓力較大，時間較長，且在整個研究區(qū)內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定，利于氣體的保存，可作為含氣單元限定層。由此，將研究區(qū)本溪組-下石盒子組限定為Ⅰ-Ⅴ共5個含氣單元；其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ單元煤及暗色泥頁巖廣泛發(fā)育、厚度可觀，生-儲-蓋組合發(fā)育良好(圖5)。

圖1 河?xùn)|煤田太原組、山西組視儲層壓力Figure 1 Reservoir pressures of Taiyuan and Shanxi formations in Hedong coalfield

圖2 沁水煤田太原組、山西組儲層壓力Figure 2 Reservoir pressures of Taiyuan and Shanxi formations in Qinshui coalfield

圖3 各煤田突破壓力參數(shù)與深度的關(guān)系Figure 3 Relationship between breakthrough pressure parameter and depth in coalfields

2 山西省非常規(guī)天然氣成藏地質(zhì)條件

2.1 有機地化特征

2.1.1 烴源巖有機質(zhì)豐度高

山西省各含煤盆地目標(biāo)層泥頁巖形成于海陸過渡相沉積環(huán)境，有機質(zhì)豐度范圍較大，TOC含量為0.1%～30%，總體為2%～4%，平均值為2.96%。含氣系統(tǒng)間的泥頁巖TOC含量差異較小，基本一致，但仍有一定的差異，且各含氣系統(tǒng)中泥頁巖TOC含量變化范圍較大。剔除炭質(zhì)泥頁巖影響，其中第Ⅰ含氣系統(tǒng)TOC含量為0.26%～10.51%，平均為1.82%；第Ⅱ含氣系統(tǒng)TOC含量為1.03%～7.05%，平均為2.45%；第Ⅲ含氣系統(tǒng)TOC含量為0.37%～9.46%，平均為2.27%；第Ⅳ含氣系統(tǒng)TOC含量為0.65%～4.17%，平均為1.45%；第Ⅴ含氣系統(tǒng)TOC含量為0.19%～6.37%，平均為1.89%。相對而言第Ⅱ含氣系統(tǒng)和第Ⅲ含氣系統(tǒng)泥頁巖有機質(zhì)豐度較高，更利于頁巖氣成藏(圖6)。

2.1.2 有機質(zhì)演化進入成熟階段，生烴潛力大

有機質(zhì)成熟度是有機質(zhì)演化程度的衡量指標(biāo)[ 10]，

圖4 河?xùn)|煤田頁1井含氣量變化及含氣單元劃分Figure 4 Gas content variation and gas-bearing unit partitioning in well Y1, Hedong coalfield

圖5 含氣系統(tǒng)劃分Figure 5 Gas-bearing system partitioning

圖6 各含氣系統(tǒng)有機質(zhì)豐度分布特征Fig. 6 Distribution characteristics of organic matterabundance in various gas bearing systems

山西省石炭-二疊系煤系烴源巖有機質(zhì)成熟度較高，處于成熟-過成熟階段，地史時期中已有大量的熱解氣生成，有利于煤系非常規(guī)天然氣的賦存富集。在各含煤盆地中，沁水盆地與霍西煤田有機質(zhì)成熟度最高，為2%～4%，寧武盆地與河?xùn)|煤田有機質(zhì)成熟度為1%～2.5%。大同盆地中泥頁巖成熟度較低，為1%。

2.2 儲層物性特征

2.2.1 巖石學(xué)特征

主力煤層顯微煤巖組分以鏡質(zhì)組占優(yōu)勢，有一定含量惰質(zhì)組。山西組3#煤層鏡質(zhì)組含量 59.8%～93.1%，平均80.4%；惰質(zhì)組含量 6.9%～35.2%，平均18.9%；殼質(zhì)組含量為0～10.5%，平均0.7%。太原組15#煤層鏡質(zhì)組含量70.7%～92.5%，平均82.0%；惰質(zhì)組含量7.5%～28.4%，平均17.6%；殼質(zhì)組含量0～6.2%，平均0.4%。

富有機質(zhì)泥頁巖其礦物成分呈現(xiàn)出黏土礦物含量高，石英與方解石含量偏低的特征。黏土礦物中以高嶺石與伊利石為主。在平面上，各含煤盆地中各礦物成分含量變化較小，黏土礦物在50%以上，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)在35%左右。

砂巖儲層主要包括石英砂巖、巖屑砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑長石砂巖，礦物組分以無機礦物組分占絕對優(yōu)勢，其中石英和黏土礦物最為發(fā)育，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別可達60.3%和37.0%。此外，砂巖儲層中不穩(wěn)定礦物含量較多，表明離物源區(qū)較近。局部砂巖層表現(xiàn)出較為強烈的礦化蝕變現(xiàn)象。

2.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

煤巖總孔容為0.032 6～0.042 5ml/g，平均為0.037 3 ml/g。比表面積為18.644～23.354 m2/g，平均為20.171 m2/g。中值孔徑為4.2～4.5nm，平均為4.4nm，平均孔徑為7.2～7.6nm，平均為7.4nm?？紫抖葹?.197 5%～5.188 0%，平均為4.756 7%，退汞效率為79.69%～92.00%，平均為85.72%。綜合而言，煤巖總孔容、比表面積、中值孔徑、平均孔徑以及孔隙度均相對穩(wěn)定，變化幅度較低。

泥頁巖總孔容為0.003 8～0.007 8ml/g，平均為0.006 2ml/g。比表面積為1.148～3.282 m2/g，平均為2.269 m2/g。中值孔徑為4.5～5.3nm，平均為5.0nm，平均孔徑為8.6～16.8nm，平均為11.6nm?？紫抖葹?.660 4%～1.868 4%，平均為1.310 8%，退汞效率為2.63%～56.41%，平均為21.23%。綜合而言，泥頁巖總孔容、比表面積、中值孔徑、平均孔徑以及孔隙度變化幅度較大。

砂巖總孔容為0.003 5～0.018 8ml/g，平均為0.009 4ml/g。比表面積為0.523～1.839 m2/g，平均為0.925 m2/g。中值孔徑為4.5～33.9nm，平均為16.6nm，平均孔徑為24.1～80.5nm，平均為42.1nm?？紫抖葹?.783 2%～4.108 2%，平均為2.049 1%，退汞效率為9.09%～31.63%，平均為19.42%。綜合而言，砂巖總孔容、比表面積、中值孔徑、平均孔徑以及孔隙度變化幅度較大。

各類孔隙參數(shù)相互對比而言，孔容方面煤巖>砂巖>泥頁巖，三者間的比例約為0.7∶0.2∶0.1；比表面積方面煤巖>泥頁巖>砂巖，三者間的比例約為0.86∶0.10∶0.04；中值孔徑方面砂巖>泥頁巖>煤巖，三者間的比例約為0.6∶0.2∶0.2；平均孔徑方面同樣表現(xiàn)為砂巖>泥頁巖>煤巖，三者間的比例約為0.7∶0.2∶0.1；孔隙度方面，煤巖>砂巖>泥頁三者間的比例為0.5∶0.3∶0.2；退汞效率方面表現(xiàn)為煤巖>泥頁巖>砂巖。

2.2.3 滲透率特征

煤系儲層滲透性對于煤系非常規(guī)天然氣耦合成藏過程中烴類氣體在各儲層間的運移過程具有重要的影響，同時儲層滲透性對于后期開采的壓裂改造也具有重要的意義。儲層裂隙發(fā)育程度和開度決定了儲層滲流能力。構(gòu)造演化過程控制了裂隙的發(fā)育程度，而現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)控制著裂隙的開度，進而使得煤系非常規(guī)天然氣儲層滲透率表現(xiàn)出強烈的各向異性特征，受儲層壓力和吸附—解吸過程控制，儲層會發(fā)生不同程度的收縮與膨脹效應(yīng)[11]。

砂巖滲透率為0.001 9～0.074mD，平均為0.016mD。且砂巖滲透率與粒度表現(xiàn)為良好的正相關(guān)關(guān)系：粗粒砂巖滲透率(0.074mD)>中粒砂巖滲透率(0.020mD)>細粒砂巖滲透率(0.006 1mD)，砂巖滲透率各向異性同煤巖相似，同樣表現(xiàn)為垂直層面滲透率大于平行層面滲透率，垂直層面滲透率為平行層面滲透率的1.5～10.9倍。

煤巖滲透率為0.22～4.18mD，平均2.07mD，滲透率各向異性顯著，其中垂直于層理方向滲透率為3.18～4.18mD，約為平行層理方向滲透率(0.22～0.95mD)的4.5～15.6倍。煤巖滲透率各向異性主要是垂直于層面的高角度裂隙發(fā)育，作為滲流通道大大提高了該方向的滲透率。

泥頁巖滲透率為0.005 3～0.049mD，平均0.022mD，泥頁巖滲透率各向異性也極為顯著，其平行層理方向滲透率(0.014～0.049mD)為垂直層理方向滲透率(0.005 3～0.008 8mD)2.6～5.6倍，原因是泥頁巖層理較為發(fā)育，層理多為力學(xué)薄弱面，砂質(zhì)含量高，孔滲連通性好。

總體而言，煤系非常規(guī)天然氣儲層滲透率表現(xiàn)為：煤巖滲透率(2.07mD)>砂巖滲透率(0.016mD)>泥頁巖滲透率(0.003 5mD)。煤系非常規(guī)天然氣各儲層滲透率跨度較大，變異系數(shù)分別為2.69、4.19和2.23，均大于0.7，表現(xiàn)出強非均質(zhì)性特征。

2.3 含氣性特征

由于煤系非常規(guī)天然氣中有著較強的非均質(zhì)性，不同樣品的吸附能力、孔隙度等均存在較大的差異，不同類型氣藏隨著埋深的增加，其甲烷的賦存狀態(tài)及含氣性變化規(guī)律存在較大的差異。

對于煤層氣而言，其總含氣量呈先增加后減小的趨勢，埋深在1 000m至3 500m時總含氣量最大，當(dāng)埋深大于3 500m時，一方面開采難度增加，另一方面總含氣量減小，不利于煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣的勘探開發(fā)。而對于頁巖氣而言，其總含氣量隨著埋深增加而先增大后減小，前兩個階段中總含氣量較小，且吸附氣比例較大，而頁巖氣中游離氣含量對初期頁巖氣井產(chǎn)量起到關(guān)鍵作用，由此在前兩個階段中(0～2 000m)不利于頁巖氣的勘探開發(fā)，當(dāng)埋深大于2 000m時，頁巖氣總含氣量與游離氣量均較大，為頁巖氣勘探開發(fā)的有利深度。對于致密砂巖氣而言，其總含氣量隨著埋深增加先增加，當(dāng)埋深大于3 500m，總含氣量開始呈現(xiàn)減小趨勢。且致密砂巖氣在埋深小于2 000m時，總含氣量較小，而當(dāng)埋深大于2 000m，總含氣量相對較大。綜合考慮煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣各類型氣藏的有利深度可知，當(dāng)埋深在1 500m至3 500m時為煤系非常規(guī)天然氣共探共采的最佳埋藏深度。

3 山西省非常規(guī)天然氣共探共采有利區(qū)判別及優(yōu)選

山西省的非常規(guī)天然氣具有氣儲層緊鄰的特征。因此，對山西組主采煤層與含氣系統(tǒng)Ⅴ、含氣系統(tǒng)Ⅳ和含氣系統(tǒng)Ⅲ，太原組主采煤層與含氣系統(tǒng)Ⅲ、含氣系統(tǒng)Ⅱ、含氣系統(tǒng)Ⅰ分別進行共采進行了有利區(qū)判別及優(yōu)選。

以煤層氣為主體對含氣系統(tǒng)Ⅴ-山西組主力煤層進行雙層合采時，山西省域共采有利區(qū)主要分布在沁水煤田南部沁源-安澤東側(cè)、屯留-長子西側(cè)及沁水煤田西部平遙附近，河?xùn)|煤田臨縣、三交-柳林及石樓-永和-大寧西側(cè)(圖7)；對含氣系統(tǒng)Ⅳ-山西組主力煤層進行雙層合采時，共采區(qū)分布較為離散，主要分布在沁水煤田北部壽陽-榆社-武鄉(xiāng)一帶，霍西煤田洪洞-以南，河?xùn)|煤田石樓及隰縣-蒲縣一帶，寧武煤田中南部地區(qū)(圖8)；對含氣系統(tǒng)Ⅲ-山西組主力煤層進行雙層合采時，共采區(qū)主要分布在沁水煤田南部沁源-安澤東側(cè)、屯留-長子西側(cè)地區(qū)，中北部榆次-壽陽-榆社-武鄉(xiāng)一帶及沁水煤田西側(cè)平遙地區(qū)，河?xùn)|煤田臨縣-興縣西側(cè)，寧武煤田西南部及霍西煤田洪洞以南(圖9)。以煤層氣為主體對含氣系統(tǒng)Ⅰ-太原組主力煤層進行雙層合采時，山西省域共采有利區(qū)主要分布在沁水煤田大部地區(qū)，河?xùn)|煤田柳林-石樓-隰縣西南側(cè)(圖10)。

圖7 山西組主力煤層煤層氣與含氣系統(tǒng)Ⅴ頁巖氣共采有利區(qū)分布圖Figure 7 Shanxi Formation main coal seams CBM and shale gas ingas-bearing system V joint exploitation favorable area distribution

圖8 山西組主力煤層煤層氣與含氣系統(tǒng)Ⅳ頁巖氣共采有利區(qū)分布圖Figure 8 Shanxi Formation main coal seams CBM and shale gas ingas-bearing system IV joint exploitation favorable area distribution

圖9 山西組主力煤層煤層氣與含氣系統(tǒng)Ⅲ頁巖氣共采有利區(qū)分布圖Figure 9 Shanxi Formation main coal seams CBM and shale gas ingas-bearing system III joint exploitation favorable area distribution

以煤層氣為主體進行三層共采時，對含氣系統(tǒng)Ⅴ-含氣系統(tǒng)Ⅳ-山西組主力煤層進行三層合采，共采區(qū)零星分布在沁水煤田南部壽陽地區(qū)、中部榆社地區(qū)及屯留-長子西側(cè)，河?xùn)|煤田柳林-石樓地區(qū)，寧武煤田靜樂縣以北；對含氣系統(tǒng)Ⅳ-山西組主力煤層-含氣系統(tǒng)Ⅲ進行三層合采時，共采區(qū)零星分布在沁水煤田壽陽地區(qū)、榆社以北、屯留-長子-沁水西北側(cè)，霍西煤田洪洞以南，寧武煤田靜樂縣以北地區(qū)；當(dāng)對含氣系統(tǒng)Ⅴ-山西組主力煤層-含氣系統(tǒng)Ⅲ進行三層合采時，共采有利區(qū)主要分布在沁水煤田南部沁源-安澤東側(cè)、屯留-長子西側(cè)，中-北部壽陽-榆社一帶，其他零星分布在河?xùn)|煤田臨縣西南側(cè)、寧武煤田靜樂縣以北(圖11)。

對含氣系統(tǒng)Ⅴ-含氣系統(tǒng)Ⅳ-山西組主力煤層-含氣系統(tǒng)Ⅲ進行四層合采時，共采區(qū)零星分布在沁水煤田南部壽陽、榆社-武鄉(xiāng)一帶(圖12)。

圖10 太原組主力煤層煤層氣與含氣系統(tǒng)Ⅰ頁巖氣共采有利區(qū)分布圖Figure 10 Taiyuan Formation main coal seams CBM and shale gasin gas-bearing system I joint exploitation favorable area distribution

圖11 山西組主力煤層煤層氣與含氣系統(tǒng)Ⅴ、含氣系統(tǒng)Ⅲ頁巖氣共采有利區(qū)分布圖Figure 11 Shanxi Formation main coal seams CBM andshale gas in gas-bearing systems V and IIIjoint exploitation favorable area distribution

圖12 山西組主力煤層煤層氣與含氣系統(tǒng)Ⅴ、含氣系統(tǒng)Ⅳ、含氣系統(tǒng)Ⅲ頁巖氣共采有利區(qū)分布圖Figure 12 Shanxi Formation main coal seams CBM and shale gas in gas-bearing systems V, IV andIII joint exploitation favorable area distribution

4 結(jié)論

1)結(jié)合含氣沉積組合特征、地下水封閉性特征、儲層流體壓力垂向特征、蓋層封閉性特征、含氣性特征等的垂向差異，同時結(jié)合對全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育的厚層泥巖蓋層的識別，將研究區(qū)本溪組-下石盒子組劃分為Ⅰ-Ⅴ共5個含氣系統(tǒng)單元。

2)煤系非常規(guī)天然氣是賦存于煤系內(nèi)部，山西省石炭-二疊系發(fā)育了多套煤系非常規(guī)天然氣共生組合巖系?；诮鼛啄甑目碧介_發(fā)研究成果，山西省煤系非常規(guī)天然氣資源潛力巨大。主要特點為有機質(zhì)豐度高，以Ⅲ型干酪根為主，有機質(zhì)已進入成熟階段，有機地化條件較好；孔隙變化較大，連通性差，滲透率低，非均質(zhì)性特征強，儲層物性條件一般；含氣量變化幅度極大、含氣量較為可觀。

3)有利區(qū)適合以煤層氣為主體進行煤層氣、頁巖氣的共探共采。含氣系統(tǒng)Ⅴ、含氣系統(tǒng)Ⅳ、含氣系統(tǒng)Ⅲ、3號煤可作為一個共采系統(tǒng)，含氣系統(tǒng)Ⅰ、15號煤可作為一個共采系統(tǒng)。分別優(yōu)選了2層、3層、4層合采有利區(qū)。