0 引言
煤系是形成于一定构造时期，含有煤层或煤线并有成因联系的一套沉积岩系［1］。煤系气泛指赋存于煤系地层中的煤层气、页岩气、致密气等天然气，主要有源储同层、源储异层两大基本类型，是一个基于储层成因类型或地质载体作出的矿产资源定义［2-4］。贵州省发育二叠系龙潭组、石炭系旧司组等多套含煤岩系，煤系气资源十分丰富［5］。上二叠统龙潭组含煤性最好，煤层气资源量为3.15×1012 m3，近年来单井日产气量相继取得重大突破，揭示贵州煤层气资源具备商业化开发前景［6-9］。全省二叠系和石炭系煤系页岩气资源量达4.55×1012 m3，资源潜力同样备受关注［10］。贵州多个地区地质调查或勘探试采取得了煤层气、煤系页岩气或煤系致密气的共生发现［11-12］，推动了由煤层气单独开发向煤系气共探合采转型。贵州含煤层系多，地质条件复杂多样，不同层系煤系气成藏特征具有较大差异，但鲜有贵州煤系气地质研究成果见诸报道。2019年，贵州省启动煤系气资源调查评价工作，重点针对二叠系龙潭组、石炭系旧司组等层系开展调查评价和先导性试验，取得了系列成果。基于此，本文阐述了贵州省煤系气主要层系及基本地质特征，研究了二叠系龙潭组和石炭系旧司组煤系气成藏特征和勘探潜力，提出了未来贵州煤系气勘探研究的主要方向，以期为贵州省煤系气资源开发利用提供参考。
1 煤系气地质背景
1.1 含煤地层与沉积环境
贵州省含煤地层包括下石炭统（旧司组）、中二叠统（梁山组）、上二叠统（宣威组、龙潭组、领薅组、吴家坪组）、上三叠统（把南组、火把冲组）等。其中，上二叠统含煤性最好，多数地区含有多层可采煤层；下石炭统旧司组含煤性次之，少数地区含有可采煤层；中二叠统和上三叠统局部含煤线或薄煤。另外，在新近系翁哨组可见褐煤，下寒武统牛蹄塘组发育石煤，第四系赋存泥炭。龙潭组和旧司组已经获得较好含气发现、具有较大煤系气成藏潜力（表1）。
表1 贵州省煤系气勘查初步认识Table 1 Preliminary results of coal measure gas exploration in Guizhou Province |
| 含煤地层 | 成煤时代 | 主要分布范围 | 沉积环境及含煤情况 | 勘探研究程度 | 煤系气资源潜力 |
|---|---|---|---|---|---|
| 旧司组 | 早石炭世 | 威宁、都匀、荔波等地 | 海陆交互相，地层厚400~900 m，以祥摆段含煤最好，含煤可达22层，一般含煤0~6层，煤层厚度较薄、稳定性较差，局部发育可采煤层 | 少量的煤田钻井+4口参数井，勘探研究程度一般 | 已取得良好的含气发现，潜力大，适合开展进一步勘探评价 |
| 梁山组 | 中二叠世 | 水城—大方、福泉—丹寨、务川—石阡等零星分布 | 海陆交互相，地层厚一般不超过50 m，含煤最多达8层，一般含煤2~6层，煤层厚度薄、稳定性差，局部含1层可采煤层 | 仅有实测剖面勘查，勘探研究程度低 | 地层厚度和分布面积均有限，潜力较小 |
| 宣威组 | 晚二叠世 | 威宁 | 陆相，地层厚0~192 m，含煤可达30层，一般0~9层多为薄煤层或煤线，稳定性差，局部含可采煤层1~4层 | 少量的煤田钻井，勘探研究程度低 | 分布面积有限，潜力较小 |
| 龙潭组 | 晚二叠世 | 贵州西部约为7.5×104 km2的广大地区 | 海陆交互相，地层厚76~543 m，含煤1~83层，煤层较稳定，可采性较好，最多含可采煤层26层 | 大量的煤田钻井+煤层气参数井、试采井，勘探研究程度高 | 普遍含气，试采效果好，资源潜力大，适合开展进一步工程示范 |
| 领薅组 | 晚二叠世 | 关岭、紫云等地 | 海相，地层厚492~2 380 m，偶夹劣质煤线 | 1口参数井，勘探研究程度一般 | 已有含气发现，应开展进一步勘探评价 |
| 吴家坪组 | 晚二叠世 | 贵州东部和南部广大地区 | 海相，地层厚93~1 081 m，含煤最多可达16层，局部含可采煤层3层，碳酸盐岩和硅质岩十分发育 | 少量的煤田钻井，勘探研究程度一般 | 尚未开展勘探评价工作 |
| 把南组 | 晚三叠世 | 龙头山、郎岱、关岭 | 海陆交互相，地层厚107~730 m，含煤可达22层，但煤层均很薄，一般在0.2 m以下 | 仅有实测剖面勘查，勘探研究程度低 | 分布面积有限，潜力较小 |
| 火把冲组 | 晚三叠世 | 龙头山、郎岱、关岭 | 海陆交互相，地层厚252~750 m，含煤可达40~50层，一般为4层，局部含可采煤层1~3层 | 仅有实测剖面勘查，勘探研究程度低 | 分布面积有限，潜力较小 |
受NE、NNE向同沉积断裂及东吴运动形成的北西高南东低的古地形控制，贵州省境内晚二叠世时由西往东依次发育陆相、海陆交互相和海相沉积。其中，在威宁以东、安顺—贵阳—遵义一线以西的贵州西部地区沉积了一套以分流河道、三角洲平原、潮坪—潟湖相为主的龙潭组海陆交互相富煤沉积组合（图1）。龙潭组厚76~543 m，含煤1~83层，煤层较稳定，可采性较好，最多含可采煤层26层，不仅有大量的煤田地质勘探资料，煤层气参数井和试采井超过300口，勘探研究程度较高，且多数煤层气试采井均获得工业气流突破，是目前贵州省煤系气研究的主力层位。
早石炭世主要受NW向古构造控制，在贵州北东部广大地区缺失沉积，西南部大面积沉积一套深水陆棚和台盆的海相地层，仅在威宁—都匀一带的浅水陆棚或潮坪环境沉积一套含有薄煤层或煤线的海陆交互相含煤沉积（图2）。下石炭统旧司组以祥摆段含煤性最好，主要有威宁、都匀、荔波3个含煤区。其中，含煤性最好、地层厚度较大的为威宁地区，其祥摆段地层厚度为270~404 m，含煤多达7层，多数为0.1~0.5 m的煤线，一般无可采煤层，但厚层富有机质页岩发育，为煤系气成藏提供了丰厚的物质基础，是继龙潭组后适合开展煤系气勘探的另一有利新层系；都匀和荔波含煤区祥摆段沉积厚度较小，煤系气成藏潜力相对较差。
1.2 构造发育特征
贵州省地处扬子板块的西南部，历经武陵、雪峰、加里东、海西、印支、燕山和喜马拉雅等多期构造运动影响，形成了现今复杂的构造格局，断层和褶皱发育、构造形态丰富多样。贵州西部受燕山运动和喜马拉雅运动影响，晚二叠世原型聚煤盆地遭受强烈破坏，使得面积较小的向斜和复向斜成为重要的控煤构造［13］，单个构造单元面积一般不超过500 km2，对贵州省煤系气规模化勘探开发产生不利影响。
2 煤系气成藏条件
2.1 煤系气生储条件
2.1.1 二叠系龙潭组煤系气生储条件
龙潭组主要由煤层、泥质砂岩、砂质泥岩、灰岩等组成，形成于海陆交互环境，具有“源储相依、储盖交互、多重封闭”等特性［5］；聚煤作用强，含煤面积达7.5×104 km2，占全省总面积的42.6%；气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤和无烟煤等均有分布，总体变质程度较高，有利于煤系气的生成。
龙潭组煤系气生储条件主要具有以下5个特点：
（1）含煤性好，发育薄至中厚煤层群。龙潭组发育煤层10~40层，煤层厚度占地层总厚度的比例最高可达15%，平均煤层间距不足10.0 m，以薄至中厚煤层为主，其中1.3 m以上的中厚煤层占煤层总数的比例可达31%~50%，1.3 m以下的薄煤层占比为50%~66%。
（2）普遍含气，煤层多为富气储层。气测录井结果表明，龙潭组普遍含气，气测基值是上覆飞仙关组或下伏茅口组等非含煤地层的10~15倍，龙潭组内煤层含气性远高于其他岩性储层，气测峰值一般是非煤层的5~20倍，含气量是非煤层的3~10倍。龙潭组非煤储层主要为含有一定数量煤屑、煤线、煤包体等有机质的泥质砂岩或粉砂岩，有机质类型主要为Ⅲ型，含炭质砂岩的TOC含量可达2%~3%，常见于三角洲或潮坪沉积环境，不但具有储气能力，亦可能具有一定的生气和吸附能力。潮坪—潟湖相“煤层—砂岩—页岩—煤层”沉积组合中，煤层、砂岩、页岩的含气量分别为15.62~18.82 m3/t、2.45~3.99 m3/t、2.96~3.27 m3/t，砂岩与页岩的含气量相当，煤层含气量约为砂岩或页岩的5~6倍，但砂岩TOC含量明显低于页岩（图3）。总体而言，由于三角洲环境是贵州龙潭组最主要的沉积环境，遍及贵州西部大部分富煤地区，纵向上形成多层可采煤层与砂泥岩的沉积组合，有利于生烃和生气，各储集层的含气性整体较好，富气储层纵向上普遍可见。
（3）煤系气储层空间展布不稳定，有利区段优选难度较大。受控于三角洲—潮坪—潟湖沉积体系，龙潭组纵向上具有多种优质烃源岩叠加互层的沉积特征。煤层的稳定性相对优于煤系页岩或煤系砂岩，但受沉积相变快、断层褶皱发育、构造应力条件差异大等影响，无论是煤层还是煤系页岩或其他烃源岩，其厚度发育在空间上展布极不稳定，即使是主煤层在平面上厚度的连续稳定展布一般也不超过50 km2，而煤的变质程度、含气量、孔渗性等其他物性参数在平面上的变化更大，体现出强烈的非均质性。勘探开发实践表明，即使是1 km2内的煤层气井，平面上相同煤层的物性参数就有较大变化，而纵向上同一煤层气井不同煤层的物性差别更大，相同工艺技术条件下不同煤层的煤层气开采效果千差万别［15-17］。这些特点，加大了煤系气地质甜点的识别难度，对煤系气有利区段优选提出了挑战。
（4）煤系气储层物性差异显著，合层改造难度较大。煤系气开发不仅需要考虑复合储层的含气性，还需要兼顾组合储层的合层可改造性［18］。龙潭组煤层多受到挤压变形，原生结构煤层极少发育，多以塑性更强的碎裂—碎粒煤为主，局部甚至发育糜棱煤。三角洲相砂岩黏土矿物含量较高，一般大于50%，脆性指数平均值一般在20%左右；潮坪相砂岩黏土矿物含量一般低于50%，石英含量为25%~40%，脆性指数为30%~50%（表2）。龙潭组煤系气主要有利组合类型为煤储层紧邻页岩或致密砂岩储层，不同岩性储层具有不同的应力应变性质、矿物成分、裂缝发育情况（表3）。尤其是力学性质属性差异极易引起压裂竞争，导致合层压裂时缝高不易控制，主要形成T型缝，不易形成体积缝网，直接影响合层改造效果。
表2 贵州省主要煤系页岩和砂岩矿物含量对比Table 2 Mineral composition of shale and sandstone in main coal measures of Guizhou Province |
| 典型地区 | 层系 | 沉积环境 | 岩性 | 黏土矿物含量/% | 石英含量/% | 脆性指数/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 盘州 | 二叠系龙潭组 | 三角洲 | 砂岩 | （49.26~72.35）/59.01 | （10.64~24.59）/19.04 | （13.55~26.29）/20.96 |
| 盘州 | 二叠系龙潭组 | 三角洲 | 泥页岩 | （52.28~78.25）/64.28 | （11.38~30.90）/19.73 | （12.30~33.88）/22.29 |
| 金沙 | 二叠系龙潭组 | 潮坪 | 砂岩 | （25.94~39.56）/34.93 | （25.54~38.19）/31.56 | （34.63~49.61）/43.78 |
| 金沙 | 二叠系龙潭组 | 潟湖 | 泥页岩 | （30.83~47.85）/43.26 | （22.27~29.12）/26.22 | （31.41~47.95）/37.33 |
| 威宁 | 石炭系旧司组 | 浅水陆棚 | 砂岩 | （29.11~49.70）/40.14 | （38.18~68.87）/54.74 | （43.45~70.29）/57.32 |
| 威宁 | 石炭系旧司组 | 浅水陆棚 | 泥页岩 | （34.68~54.53）/41.97 | （22.11~32.64）/28.30 | （28.05~44.18）/38.52 |
|
表3 贵州省主要煤系不同岩性储层力学参数对比Table 3 Mechanical parameters of different lithological reservoirs in main coal measures in Guizhou Province |
| 地区 | 层系 | 代表性 岩性 | 杨氏模量 /104 MPa | 泊松比 | 抗压强度 /MPa | 抗拉强度 /MPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 金沙 | 二叠系 龙潭组 | 可采煤层 | 0.36 | 0.37 | 3.5 | — |
| 砂岩 | 1.89 | 0.28 | 12.4 | 1.57 | ||
| 碳酸盐岩 | 2.69 | 0.23 | 41.6 | 5.96 | ||
| 泥页岩 | 2.02 | 0.28 | 18.8 | 1.95 | ||
| 威宁 | 石炭系 旧司组 | 薄煤层 | — | 0.30 | — | — |
| 砂岩 | 2.74 | 0.24 | 56.5 | 2.54 | ||
| 页岩 | 2.68 | 0.24 | 56.0 | 2.51 |
2.1.2 石炭系旧司组煤系气生储条件
贵州石炭系旧司组广泛沉积一套大段黑色、灰黑色泥页岩、泥灰岩夹薄煤层的沉积组合，聚煤作用不如龙潭组强烈，主要分布在黔南、黔西一带。
旧司组煤系气生储条件具有如下3个特点：
（1）含煤性一般，祥摆段煤系以页岩、砂岩与煤层（煤线）薄互层为主。威宁地区旧司组祥摆段厚度可达270~404 m，含有多层厚度1.3 m以下的薄煤层，其中单层厚度小于0.5 m煤层数占煤层总数的比例高达80%，煤层厚度占地层总厚度的比例不足5%，煤层间距一般大于10 m，与已实现煤系气商业性开发的澳大利亚苏拉特盆地侏罗系瓦隆组具有类似的沉积组合［22］。
（2）煤系气以页岩气为主，中等富气，各类岩性储层含气性和脆性中等。页岩有机质类型以Ⅱ1型和Ⅱ2型为主，镜质体反射率分布在1.01%~4.87%之间，多处于过成熟干气阶段；优质页岩TOC含量主体分布在1.50%~5.76%之间，含气量达2.0~5.0 m3/t，连续沉积厚度较大，薄煤层含气量一般为4.0~10.0 m3/t。在煤层不发育的层段，有效页岩厚度可达100~150 m；即使在煤层较发育的层段，有效页岩层厚度一般也达10~20 m，部分优质页岩的气测全烃峰值与相邻薄煤层相当，局部层段含气性较好的薄煤层也有较好的气测显示。浅水陆棚相旧司组砂岩和页岩的黏土矿物含量与潮坪—潟湖相龙潭组砂岩、页岩黏土矿物含量相当，明显低于三角洲相龙潭组砂岩、页岩的黏土矿物含量（表2）。旧司组砂岩的石英含量和脆性指数明显高于页岩，而页岩脆性指数与潟湖相龙潭组页岩脆性指数相近，导致旧司组砂岩石英含量和脆性指数明显高于龙潭组砂岩，但旧司组页岩石英含量和脆性指数与潟湖相龙潭组页岩具有相似性。总体来说，就可压裂性而言，旧司组砂岩最好，其次为潮坪相龙潭组砂岩，再次为潟湖相龙潭组页岩和浅水陆棚相旧司组页岩，而三角洲相龙潭组砂岩和泥岩可压裂性较差。
（3）旧司组煤系物性均质性相对较好，有利于合层改造。旧司组发育以脆性砂岩和页岩为主、原生结构煤层为辅的沉积组合，各类储层均含有含量较高的石英矿物，地层抗压实能力较强，对构造裂缝发育具有积极作用，导致具有较高的孔隙度和渗透率。测试数据显示，龙潭组不同岩性储层的抗压强度差异可达到20~40 MPa，而旧司组不同岩性储层抗压强度差异一般在10 MPa内，后者更有利于合层改造。
2.2 源储组合气藏类型
2.2.1 二叠系龙潭组气藏类型
龙潭组形成于海陆交互环境，海侵海退频繁，砂岩、泥岩、煤层等频繁互层，纵向上很难形成大段连续沉积的单一厚储层。主要的煤系气气藏类型有2种：一种是煤层自生自储“源储一体型”的独立煤层气藏，中厚煤层较发育，煤层生烃和吸附储集能力强，煤系页岩和砂岩既不具备生烃能力，也不具备储集条件，一般埋深较浅的龙潭组多形成独立煤层气藏；另外一种是“煤层+页岩+砂岩”薄互层共存组合形式的“源储紧邻型”煤系“三气”组合气藏，以有机储层和混合储层为主，煤系页岩有机质含量和生烃能力中等，而煤系砂岩中一般夹有一定的暗色泥页岩、煤屑或煤线等有机质而具有一定的生烃能力，该种气藏一般分布在中等水动力沉积（如三角洲相）地区的龙潭组中段。次要的煤系气气藏类型为“煤层+页岩”共存组合形式的“源储一体型”煤系“两气”组合气藏，以有机储层为主，常见于弱水动力沉积（如潟湖—潮坪相）地区的龙潭组下段。另外，龙潭组亦有少量的“煤层+砂岩”共存组合，主要形成“下生上储型”煤系“两气”组合气藏，多分布在较强水动力沉积（如河流相）地区的龙潭组上段。
受控于旋回性较强且有利于成煤的海陆交互沉积环境，贵州省龙潭组煤系页岩和砂岩较为致密，孔裂隙及煤系内部断裂的连通性差，极难形成大规模发育的独立煤系页岩气藏和独立煤系致密气藏，但在贵州关岭—紫云等地深水沉积的同期地层领薅组中，含煤少，储层脆性条件佳，满足一定的生储盖条件，可能形成独立的煤系页岩气藏。
2.2.2 石炭系旧司组气藏类型
主要分布在黔南惠水—平塘、黔西威宁—水城地区的石炭系旧司组亦是贵州煤系气赋存的另一重要层系，主要形成于滨海沼泽环境，一般只发育煤线或薄煤层，但有利于形成大段沉积稳定的富有机质页岩。主要发育2种气藏类型：一是页岩自生自储“源储一体型”的独立煤系页岩气藏，常见于旧司组下段，发育有较大连续沉积厚度的页岩，有机质含量高，自生自储能力较强；二是“页岩+薄煤层”共存组合形式的“源储一体型”煤系“两气”组合气藏，与龙潭组煤系气气藏的区别在于单层连续厚度更大、有机质含量更高，而煤层的生烃强度不及龙潭组。
3 贵州煤系气勘探方向
贵州煤系气层系多，含煤性不一，气藏类型复杂，勘探研究程度差异大，需要针对各自特点开展针对性勘探工作。笔者认为，在贵州省内石炭纪—晚三叠世多套含煤地层中，当前已经取得一定含气发现并具有较大勘探研究价值的煤系气层系主要为上二叠统龙潭组和下石炭统旧司组。
龙潭组含气性好，分布面积广，勘探研究程度高，勘探试采已取得较大突破。实践表明，1 000 m以浅的龙潭组主要为煤层气，非煤层的气源贡献极少，但改造紧邻煤层且脆性较好的煤层顶底板有助于煤层气增产，以煤系气研究思路指导浅部煤层气开发仍不失为进一步提高煤层气单井产气量的有效技术手段，重点应加强合层压裂改造和合层共采兼容性的研究。1 000 m以深的深部煤系气资源目前鲜有勘探评价数据，是探索的重点，应加强开展深部煤系沉积微相研究，建立在砂岩较为发育的格目底向斜开展以煤层气、砂岩气为重点的煤系气综合勘探，在页岩较为发育的黔北地区1 500 m以深的各大含煤区开展以煤层气、页岩气为重点的煤系气综合勘探。
旧司组在威宁—水城地区已获得较好的含气发现，参数井已验证该套地层具有较好的可压裂性，应加强威宁—水城地区之间旧司组煤系气保存条件的深入研究。
二叠系领薅组在关岭地区实施了1口参数井，含气性一般，但储层有机质、矿物成分、脆性等条件与石炭系旧司组基本相当，初步揭示构造裂缝较发育的层段其含气性也相对较好。因此，二叠系领薅组煤系气资源潜力值得进一步探讨，建议围绕关岭—紫云地区加强煤系生气与保存条件的综合研究。
4 结论
（1）贵州省主要在石炭系、二叠系和三叠系发育了8套含煤情况不一、气藏类型丰富、勘探研究程度差别较大的煤系地层，其中二叠系龙潭组和石炭系旧司组是当前现实的勘探研究层位，煤系气成藏潜力较大，二叠系领薅组成藏潜力值得进一步研究。
（2）龙潭组煤系地层薄至中厚煤层群广泛发育，煤阶较高，为煤系气富集提供了充足的气源基础，煤层含气性远高于非煤层，三角洲沉积环境下的非煤层塑性较强，潮坪—潟湖沉积环境下的非煤层具有较好脆性，烃源岩空间展布不稳定，不同岩性储层力学性质、矿物成分等差异显著，垂向叠置含气系统发育，有利区段优选及合层改造难度较大，合采兼容性问题突出；煤与砂岩、泥页岩等多种岩性组合配置关系多样，发育“源储一体型”独立煤层气藏、“源储紧邻型”煤系“三气”（煤层气+煤系页岩气+煤系致密砂岩气）组合气藏2种主要气藏类型及“源储一体型”煤系“两气”（煤层气+煤系页岩气）组合气藏、“下生上储型”煤系“两气”（煤层气+煤系致密砂岩气）组合气藏2种次要气藏类型。
（3）旧司组含煤性一般，发育页岩为主薄煤层交互的中等富气储层，各类储集层含气性和脆性中等，均质性相对较好，有利于合层改造，主要发育“源储一体型”独立煤系页岩气藏和“源储一体型”煤系“两气”（煤系页岩气+煤层气）组合气藏2类气藏类型。
（4）龙潭组应开展以合层压裂改造和合层共采兼容性为重点的深部煤系气勘探研究，石炭系旧司组应重点围绕威宁—水城地区开展构造—保存条件的深入研究，关岭—紫云地区二叠系领薅组的煤系气成藏潜力值得进一步关注。
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