0 引言
煤层含气性是煤层气富集成藏和效益开发的关键地质参数之一，主要受到煤岩演化程度、煤储层条件、保存条件所控制，包括煤岩变质程度、灰分含量、镜质组含量、埋藏深度、断层发育程度、顶底板封盖条件及水动力条件等控制因素。鄂尔多斯盆地东缘是我国主要煤层气基地之一，具有较好的产气效果和开发潜力，目前已建成保德煤层气田、柳林煤层气田、延川南煤层气田、韩城煤层气田等。根据煤层气含量变化规律，鄂尔多斯盆地东缘可以划分为北部低含气量区、中部高含气量区和南部中含气量区，其中北部低含气量区煤层气勘探开发程度最受关注。前人［1-3］对该区煤层含气性特征及控制因素开展了较多的研究。本文在总结前人关于鄂尔多斯盆地东缘北段含气性特征及控制因素的基础上，选取保德区块、神府区块府谷煤层气区、临兴区块杨家坡煤层气区、临兴中区4个相邻煤层气区块为研究对象，依托煤岩含气量测试结果，系统剖析了研究区含气量变化规律以及深成作用、温压系统耦合作用、岩浆热变质作用等因素对含气性的控制作用，为该区域煤层气勘探开发提供理论支撑（图1）。
1 煤层气地质背景
1.1 含煤地层与埋深
表1 煤岩样品含气量及储层物性测试统计Table 1 Statistical of gas content of coal samples and physical properties of reservoir |
| 区块 | 埋深/m | R O,max/% | 含气量/(m3/t) | 地层温度/℃ | 储层压力/MPa | 样品数/块 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 府谷区块 | 7 | |||||
| 保德区块 | 10 | |||||
| 杨家坡区块 | 13 | |||||
| 临兴中区块 | 18 |
|
1.2 构造背景
该区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡以东，以离石南北向大断裂与山西断隆为界，构造线总体上呈SN向展布，整体呈现一西倾的单斜构造。由东向西可分为，挠褶带和平缓单斜带，其中挠褶带在府谷区可见，该带卷入的主要含煤地层包括石炭系—二叠系含煤沉积。保德区块和杨家坡区块位于研究区东部，整体呈现平缓单斜构造；府谷区块受到挠褶带的影响，煤层的埋深陡然增加到1 000 m以深；随着区域构造向西倾伏的变化趋势，临兴中区煤层最大埋深达到2 000 m以深［4］。
1.3 岩浆活动
鄂尔多斯盆地东缘岩浆活动较为频繁，中生代—新生代岩浆活动最为强烈。燕山期是研究区岩浆活动最强烈的时期，形成了著名的紫金山杂岩体。紫金山岩体出露于临县西北部紫金山至水磨川一带，平面形状长轴为NNW向，北西—南东长7 km，北东—南西宽4 km，出露面积约23.3 km2。岩体直接围岩为中三叠统二马营组灰绿色长石砂岩夹紫红色泥岩，是多阶段、多期次不同岩性的碱性杂岩体。另外，杂岩体中还发育一些与各阶段侵入岩有关的岩墙和岩脉，多呈放射状分布于杂岩体外环层中，少数分布于杂岩体以外的围岩中。
李林涛等［5］运用多种手段对紫金山岩体地下分布特征及热液分布范围进行详实的研究。通过地震资料分析发现：紫金山岩体主要呈杂乱、弱反射特征，与岩体外部连续性好、振幅强弱变化明显的地震资料区别明显。通过对三维地震资料的精细解释，追踪了紫金山火成岩岩体在地下的分布特征。发现紫金山火成岩在侧向上主要侵入于奥陶系到下二叠统中，个别岩脉向上侵入于中三叠统石盒子组中。同时结合区域钻井资料，识别出岩脉侵入、热液改造作用等地质现象。运用多种手段对紫金山岩体地下分布特征进行分析对比发现：三维地震振幅切片可较好地反映火成岩体在地下的平面分布特征。将层位追踪、杂乱体解释、相干体分析及振幅属性分析等多种手段结合，综合刻画了紫金山火成岩体地下分布，在平面上圈定出紫金山火成岩分布范围和热液影响范围［6-8］（图2）。
2 煤岩演化程度与煤层含气量
本文选取4个相邻煤层气区块共48块煤岩样品，分别完成了煤岩演化程度和煤层含气量的实验测试，测试结果显示研究区域煤层含气量整体呈现不平衡的展布格局。
2.1 煤岩演化程度
镜质组反射率决定于腐殖复合物的芳香族稠环缩合程度，在煤化过程中，镜质组反射率是鉴定煤级的良好指标。测试结果显示，府谷区块煤样镜质组反射率主要在0.76%~1.12%之间，平均为0.85%；保德区块煤样镜质组反射率主要在0.70%~0.82%之间，平均为0.76%；杨家坡区煤样镜质组反射率主要在0.71%~0.93%之间，平均为0.83%，以上3个区块属于气煤、肥煤演化阶段；临兴中区煤样镜质组反射率主要在1.01%~2.10%之间，平均为1.35%，属于瘦煤、贫煤、无烟煤演化阶段。对比4个相邻区块煤岩成熟度可以发现，府谷区块、保德区块和杨家坡区块煤岩属于中低煤阶演化阶段，而临兴中区块煤岩属于中高煤阶演化阶段。
2.2 含气量
煤层含气量是煤层气经济开采关键地质参数之一。本文研究采用直接法对煤岩含气量进行测试。测试结果显示，府谷区块煤样含气量主要在3.42~4.99 m3/t之间，平均为4.51 m3/t，平面含气量呈现“东低西高”的变化规律，西部最高达到5.0 m3/t；保德区块煤样含气量主要在1.80~6.81 m3/t之间，平均为4.26 m3/t，平面上呈现由东南向西北逐渐变大的展布格局，西北部含气量均大于5.0 m3/t；杨家坡区块煤样含气量主要在5.50~8.40 m3/t之间，平均为6.60 m3/t，平面上变化趋势与府谷区块相似，但整体含气量变化差异不大；临兴中区块煤样含气量主要在4.08~13.28 m3/t之间，平均为8.46 m3/t，平面上沿紫金山隆起带含气量较低，一般在12 m3/t以下；热液影响带含气量普遍变高，最大在20 m3/t以上。依据《煤层气资源/储量规范（DZ/T 0216—2010）》，结合煤岩演化程度测试结果，对比4个相邻区块煤岩含气量可以发现，府谷区块、保德区块和杨家坡区块含气量相差不大，具有中等含气量特征，临兴中区块随着煤岩成熟度增加，含气量表现出中高含气量特征。
3 含气性控制作用
3.1 浅部深成作用与含气量关系
3.2 中深部温压条件耦合作用与含气量关系
式中：q为煤层气吸附量，m3/t；a为煤的朗格缪尔体积，m3/t；b为煤的吸附常数，即朗格缪尔压力的倒数，MPa；p为煤层流体压力，MPa；T 1为吸附实验温度，K；T为煤层温度，K；K 1为与煤质有关的系数；n为与压力有关的温度影响系数。
府谷煤层气区取样点的深度在1 100~1 400 m之间，试井测试结果显示该区地温梯度在2.5~3.0 ℃/100 m之间，平均为2.8 ℃/100 m，属于正常地温场特征。煤储层压力梯度在0.77~1.06 MPa/100 m之间，平均为0.92 MPa/100 m，属于欠压—正常压力场。如图4所示，府谷区块含气量与煤层埋深呈现与保德区块、杨家坡区块截然不同的变化趋势。在埋深1 250 m以浅时，含气量与埋深呈正相关关系，在埋深大于1 250 m时，含气量与埋深呈现负相关关系［图4（b）］。分析含气量与埋深、地层温度及储层压力相关性可以得出，在取样深度范围内，地层温度的负效应大于储层压力的正效应，且随着深度的增加，地层温度对含气量负效应愈加明显。通过含气量与埋深、地层温度和储层压力相关性可以看出，煤层埋深每增加100 m，含气量变化梯度为0.03~0.37 m3/t。
3.3 岩浆热变质作用与含气量关系
从临兴中区块18个煤样测试结果可以看出，临兴中区煤心取样点深度在1 700~2 100 m之间，含气量未表现出中深部温度和压力综合作用下的变化趋势。从图5（b）可以看出，临兴中区块煤样含气量与埋深呈正相关关系。分析其原因，含气量主要受到紫金山岩体的岩浆热变质作用和接触变质作用。燕山期阶段紫金山杂岩体形成过程中，岩浆带来的高温、挥发份气体和压力使煤岩发生二次变质作用，镜质组反射率升高，从而使距离侵入岩体不同距离的煤岩，发生不同程度的变化，生产大量的气体［15-16］。同时，岩浆侵入体对不同距离的煤岩产生了不同程度的破坏作用。断裂主要环紫金山发育，自下而上继承性好，叠合程度高。紫金山构造区断裂呈弧形和放射状展布，发育密度高；剖面上断裂样式简单，垂向断距小，向外展布断裂发育密度降低，延伸长度较短；走向以近南北向为主；性质以逆断层为主，部分伴有压扭走滑性质。紫金山活动产生的断裂沟通作用，破坏了煤层气的保存条件，造成气体的散失。
测试数据显示，临兴中区块煤岩镜质组反射率在1.01%~2.10%之间，明显高于其他3个相邻区块。依据岩浆侵入方式和保存条件对煤层气开发的影响，大概可以划分为3种类型，具体位置如图5（a）所示：类型I“热液烘烤、断裂不发育区”；类型II“远端影响，断裂不发育”；类型III“直接侵入、热液烘烤、断层发育，沟通上下层”。其中类型I最有利于煤层气富集，类型II次之，类型III不利于煤层气富集。
4 结论
（1）鄂尔多斯盆地东缘北段不同埋藏深度煤层含气量控制因素存在较大的差异。浅部煤层气含气量主要受深成作用影响，与煤层埋深、储层压力呈正相关关系，随着埋藏深度和储层压力的增加含气量呈升高的趋势；中深部煤层含气量受到地层温度和储层压力耦合作用；在“含气量临界深度”以浅，储层压力对含气量正效应要大于地层温度对含气量负效应，含气量随着深度增加呈升高的趋势；在“含气量临界深度”以深，地层温度负效应占主导，随着深度增加含气量呈现降低的趋势。
（2）紫金山岩体对鄂尔多斯盆地东缘北段煤层含气量影响主要取决于煤层与岩浆接触关系、岩浆对煤层保存条件破坏程度。紫金山岩体对临兴中区块煤层含气量影响主要体现在：①岩浆侵入提高了煤岩成熟度，靠近岩体附近镜质组反射率达到2.0%以上，促进二次生气作用；②岩浆侵入对盖层造成不同程度破坏。紫金山岩体隆起带断裂发育，导致岩体及周边煤层含气量逸散。按照煤层与岩浆接触关系、岩浆对保存条件破坏程度可以划分为3种类型，其中热液烘烤、断裂不发育的类型对煤层气富集成藏最为有利。
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