0 引言
根据煤层气产出深度分类标准，产层中部埋藏深度大于1 000 m的煤层气称为深层煤层气。近年来深层煤层气勘探获得了重要进展，展现了良好的勘探前景。如：中国石油位于鄂尔多斯盆地的大吉区块［1］，石炭系—二叠系煤层埋深2 000~3 000 m，多口井试获煤层气流，其中，吉深6-7平01井8号煤层厚为7.0 m，埋深2 200 m，煤层水平段长1 045 m，通过大规模压裂，自喷生产最高日产气10×104 m3。2020—2021年累计提交2 000 m以深煤层气探明储量1 121×108 m3。中国石化位于鄂尔多斯盆地的延川南区块［1-2］，石炭系—二叠系煤层埋藏深度为1 200~1 600 m。2021年部署煤层气井33口，其中直井28口，单井日产气（0.78~2.2）×104 m3；水平井5口，单井日产气（2.5~5.5）×104 m3。延3-P11井，水平段埋深1 453 m，峰值日产气接近7×104 m3，深层煤层气开发取得重大突破。2021年中国石油通过对准噶尔盆地白家海凸起侏罗系煤层气测试，采用直井压裂和水平井压裂方式，获得了煤层气工业气流（表1），其中彩探1H井西山窑组煤岩水平段压裂获日产气57 000 m3，日稳产超过20 000 m3的高产天然气流，实现了盆地深层煤层气（也称为煤岩气）勘探新突破［3］。
表1 准噶尔盆地侏罗系煤层气测显示及试气成果（数据据文献[3]）Table 1 Gas logging display and test results of Jurassic coal seams in Junggar Basin(data from Ref.[3]) |
| 井号 | 层位 | 井段/m | 煤层厚度/m | 气测全烃/% | 最高产气量/（m3/d） | 测试方式 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 彩探1H | J2 x | 2 560~3 545 | 936（水平段） | 98.79 | 57 000 | 水平段压裂 |
| 彩17 | J1 b | 2 811~2 828 | 17 | 26.00 | 9 890 | 直井压裂 |
| 彩504 | J2 x | 2 567~2 583 | 16 | 39.06 | 7 300 | 直井压裂 |
| 彩512 | J2 x | 2 614~2 619 | 5 | 23.58 | 4 420 | 直井压裂 |
| 彩514 | J2 x | 2 516~2 522 | 6 | 32.54 | 2 080 | 直井压裂 |
国内深层煤层气前期研究获得了重要认识［4-6］：①不同煤阶吸附气量随埋深变化特征明显，均呈快速增加—缓慢增加—不增加—缓慢减小过程；不同煤阶存在最大吸附气量临界深度带，其中低煤阶临界深度介于1 400~1 700 m之间，中高煤阶临界深度介于1 500~1 800 m之间；当煤层埋深超过临界深度后，温度的负效应导致气体处于游离状态而不被吸附。②中浅部煤层兰氏体积远大于含气量，以吸附气为主；深部煤层兰氏体积小于含气量，除了吸附气，存在游离气。③深部煤层具有渗透率低的特征，需优选正向微幅构造原生—碎裂结构煤开展储层改造。整体上，渗透率随埋深增大而减少，而且中高阶煤层的有效渗透率好于低阶煤层。④深部煤系气开发地质条件并非全面差于浅部，其中的科学问题值得业界高度关注和持续探讨。
1 研究区勘探现状
准噶尔盆地东北缘（准东北缘）地处陆梁隆起北部至乌伦古坳陷，二级构造单元包括索索泉凹陷、红岩断阶、滴北凸起、石英滩凸起、英西凹陷以及三个泉凸起东部（图1），面积约为29 000 km2。在准噶尔盆地中，该区油气勘探程度相对较低，中国石油在区内完成伦参1、乌伦1、泉1、英西1、陆6等探井20余口；中国石化完成英1、滴北1、乌参1、准北1等探井10余口，在石英滩凸起英1井区和准北1井区共完成三维地震约1 185 km2。区内主要油气勘探成果有：泉1井在侏罗系三工河组试获25×104 m3/d高产天然气流，准北1井和准北101井在上三叠统白碱滩组分别试获1 215 m3/d和14 782 m3/d低产天然气流，泉6井和准北6井在石炭系分别试获5 880 m3/d和10 652 m3/d低产天然气流；滴北1井在侏罗系八道湾组试获0.2 m3/d的低产油流。
自2000年泉1井试获高产天然气流以来，部署的评价井相继失利，此后区内油气勘探未获得大的突破。其主要原因为：区内缺乏准噶尔盆地二叠系为主力的烃源岩；三叠系—侏罗系烃源岩处于低成熟阶段；石炭系烃源岩由于受火成岩的影响，分布范围不清，从凹陷区所钻的乌参1井石炭系烃源岩来看，多为凝灰质泥岩，现今处于高成熟—过成熟阶段，以生气为主［16］。但区内侏罗系西山窑组和八道湾组煤层发育，厚度大、分布较广，埋藏在2 000~3 500 m之间。随着盆地白家海凸起彩探1H井深层煤层气的突破，为盆地东北缘煤层气勘探提供了新的启示。
2 烃源岩与天然气来源
2.1 烃源岩
准东北缘发育中下侏罗统、上三叠统和石炭系烃源岩。通过岩屑样品系统采样与分析测试，建立了乌参1井侏罗系—石炭系地球化学剖面［图2（a）］，结合区域地质资料，可对烃源岩进行初步分析。中下侏罗统以湖沼相煤系烃源岩为主，西山窑组和八道湾组炭质泥岩和煤岩的有机碳含量高，有机质类型为Ⅱ1型和Ⅲ型；西山窑组R O值为0.57%~0.67%，处于低成熟阶段；八道湾组R O值为0.66%~0.75%，处于低成熟阶段，为较好的气源岩。上三叠统白碱滩组烃源岩主要分布于伦参1井、乌伦1井、乌参1井至伦6井一带，以湖相泥岩和炭质泥岩烃源岩为主，有机质类型为Ⅰ型和Ⅱ1型，有机碳含量高，R O值为0.80%~0.95%，处于低成熟—成熟阶段，为较好—好烃源岩。石炭系烃源岩较为复杂，由于受火成岩的影响，其分布范围目前尚不明朗，岩性为黑色泥岩、炭质泥岩和凝灰质泥岩，相对于三叠系和侏罗系，其烃源岩有机碳含量较低，TOC值在0.43%~1.88%之间，平均为0.87%；但演化程度较高，R O值为1.36%~2.03%，处于高成熟—过成熟阶段，以生气为主。
区内钻井过程中未对煤层取心，缺少侏罗系煤层的地球化学分析结果，但根据中下侏罗统泥岩和炭质泥岩烃源岩热演化程度为低成熟度特征，其中的煤层应属于低阶煤层，其所生成的天然气属低煤阶天然气。
2.2 天然气碳同位素组成
泉1井侏罗系三工河组天然气甲烷碳同位素值为-35.81‰，乙烷碳同位素值为-23.72‰；八道湾组甲烷碳同位素值为-34.77‰，乙烷碳同位素值为-24.01‰。从甲烷碳同素值来看，天然气热演化程度较低。根据戴金星等［27］关于煤成气甲烷碳同位素与镜质体反射率R O经验关系式，计算得到泉1井三工河组—八道湾组烃源岩R O值为0.79%~0.94%。准北1井上三叠统白碱滩组甲烷碳同位素值为-32.7‰，乙烷碳同位素值为-26.1‰，计算其R O值为1.32%左右。彩探1H井西山窑组煤层气甲烷碳同位素值为-30.25‰，乙烷碳同位素值为-25.91‰，干燥系数为0.97，反映形成于腐殖型母质，计算其R O值为1.96%左右。
结合区内烃源岩热演化特征［图2（a）］，认为泉1井天然气主要来源于侏罗系煤系烃源，为低成熟气；准北1井和彩探1H井天然气主要来源于石炭系烃源岩的高成熟—过成熟气，与滴西地区和五彩湾凹陷来源于石炭系烃源岩天然气具有相似性。也就是说，侏罗系煤岩或砂岩除富集侏罗系煤系烃源岩生成的低成熟天然气外，亦可富集来自下伏石炭系烃源岩生成的高成熟—过成熟天然气。
3 煤层性质及储盖组合
3.1 煤储层基本性质
侏罗纪是准噶尔盆地最重要的成煤期，含煤沉积几乎遍布整个盆地。由于古气候和成煤期古构造的影响，八道湾组和西山窑组含煤地层的沉积环境存在明显差异，整体上八道湾组下段煤层形成于湖侵沼泽，而八道湾组上段煤层和西山窑组煤层则形成于湖退沼泽［20］。
根据水动力条件、岩性组合以及沉积物特点，准东北缘西山窑组可进一步细分为河漫泥炭沼泽、三角洲平原泥炭沼泽和湖滨泥炭沼泽。河漫泥炭沼泽煤层层数多而薄，煤层之下主要为河床沉积，煤层之上主要为河漫或边滩沉积（如乌参1井、伦参1井）；三角洲平原泥炭沼泽煤层厚度大，层数较多，煤层之上主要发育分流河道及河道间沉积（如彩16井）；湖滨泥炭沼泽煤层单层厚度大，层数少，煤层之上主要发育浅湖沉积（如准北1井、陆6井等）。
据煤田地质资料，准噶尔盆地侏罗系八道湾组煤岩显微组分以镜质组为主，一般含量为72.0%~95.9%，平均约为86%；惰质组较少，一般含量为3.0%~19.8%，平均约为10.5%，壳质组一般小于2%。西山窑组煤层的显微组分中，一般镜质组和壳质组含量略低于八道湾组，镜质组平均值约为58%，惰质组含量微高于八道湾组。
准南煤田八道湾组水分平均含量一般在1%~3%之间，灰分平均产率在10%~20%之间，挥发份平均产率超过33%。准西北地区同准南地区类似。西山窑组煤样水分平均含量值一般小于5%，灰分平均产率一般在10%~20%之间，挥发份平均产率一般都超过33%。
盆地煤的R O值一般为0.5%~0.8%，整体属于长焰煤和气煤，变质程度具有“南高北低、东高西低”的展布特征。盆地北部八道湾组为最低变质煤区，准南则以肥煤、气煤为主，准西北、准东为低变质长焰煤、不黏煤。盆地北部西山窑组为长焰煤和不黏煤，南部为弱黏煤和气煤。
煤层作为一种特殊的储层，其储集性能不仅决定着吸附气和游离气的比例，而且也决定着煤层气的富集及产能。准东白家海凸起西山窑组煤样孔隙度为5%~13.33%，八道湾组煤样孔隙度为4.5%~8.3%。煤样孔隙类型多样，主要为植物组织孔和次生孔，其中八道湾组煤以微—小孔为主，西山窑组煤以小—中孔为主。西山窑组煤层储集性能比八道湾组煤层要好。
准东北地区侏罗系西山窑组煤岩物性好，与砂岩相当，中—大孔占比多，而八道湾组煤岩较致密。据中国石油滴南141井、家探2井测试资料，西山窑组7个煤岩样品孔隙度为4.6%~18.4%，平均为11.7%；渗透率为（0.24~36.97）×10-3 μm2，平均为9.42×10-3 μm2。25个煤层底板砂岩样品孔隙度为5.2%~19.8%，平均为14.4%；渗透率为（0.022~43.67）×10-3 μm2，平均为5.5×10-3 μm2。另据滴南141、滴南201、家探2、美006和滴南201等井分析资料，八道湾组23个煤岩样品孔隙度为1.1%~6.4%，平均为4.4%；渗透率为（0.01~0.96）×10-3 μm2，平均为0.443×10-3 μm2；20个煤下砂岩样品孔隙度为7.6%~13.5%，平均为11.1%；渗透率为（0.2~76.4）×10-3 μm2，平均为13.65×10-3 μm2。综上所述，西山窑组煤岩物性与煤下砂岩、八道湾组煤下砂岩物性相当，为中—低孔低渗储层；八道湾组煤岩为特低孔特低渗储层。
3.2 煤层储盖组合
根据区内钻揭情况，将煤层储盖组合划分为4种类型，即顶底泥岩型、顶底砂岩型、顶泥底砂型、顶砂底泥型。其中，顶底泥岩型储盖性能最好，顶泥底砂型次之，而顶砂底泥型和顶底砂岩型较差。西山窑组煤岩储盖组合以顶底泥岩型为主，煤层夹于泥岩之间且煤层之上泥岩分布广，对煤层构成区域性盖层，封盖保存条件好，有利于煤层气聚集成藏。如伦参1、乌伦1、乌参1、准北1和陆6等井。八道湾组储盖组合类型多样，有顶底泥岩型、顶砂底泥型和顶底砂岩型等，如伦5井和伦参1井储盖组合为顶底泥岩型，伦7井为顶砂底泥型，乌伦1井和乌参1井为顶底砂岩型。因此，从煤层储盖组合来看，准东北缘西山窑组优于八道湾组。
3.3 煤层气测异常
表2 准噶尔盆地东北缘煤层气测录井显示Table 2 Coalbed methane survey and display of well logging in the northeastern margin of Junggar Basin |
| 井号 | 层位 | 井段/m | 煤层厚度 /m | 甲烷/% | 全烃/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 乌参1 | J2 x | 2 626~2 635 | 9 | 7.48 | 10.56 |
| 2 660~2 664 | 4 | 1.87 | 2.58 | ||
| J1 b | 3 791~3 796 | 5 | 31.83 | 40.77 | |
| 3 818~3 822 | 4 | 24.17 | 27.74 | ||
| 英1 | J2 x | 1 799~1 802 | 3 | 4.16 | 7.64 |
| 1 835~1 838 | 3 | 4.83 | 7.86 | ||
| J1 b | 2 175~2 178 | 3 | 14.40 | 26.00 | |
| 2 389~2 391 | 2 | 26.20 | 62.00 | ||
| 准北6 | J2 x | 2 531~2 542 | 11 | 10.80 | 15.20 |
| 2 584~2 592 | 8 | 15.40 | 22.90 | ||
| J1 b | 3 324~3 326 | 2 | 46.60 | 53.04 | |
| 3 338~3 341 | 3 | 63.00 | 70.30 |
从区内收集到的3口探井气测录井资料来看，西山窑组和八道湾组煤层气测异常显示普遍。其中，准北6井西山窑组煤层气测全烃值为15.20%~22.90%，甲烷值为10.80%~15.40%；八道湾组气测全烃值高达53.04%~70.30%，甲烷值为46.60%~63.00%；乌参1井八道湾组煤层气测全烃值为40.77%，甲烷值为31.83%；英1井八道湾组煤层气测全烃值为62.00%，甲烷值为26.20%。总体上，八道湾组煤层气测异常值明显高于西山窑组，但八道湾组煤层厚度相对较薄。
3.4 煤层测井响应
区内煤层分布稳定，含气量高，具有区别于其他岩层的测井响应特征。煤层常规测井曲线具有“二低三高”的特征，表现为低自然伽马（GR）值、低补偿密度（DEN）值、高声波时差（AC）值、高补偿中子（CNL）值和高电阻率（RT）值（图3）。自然伽马曲线为低值微齿化箱形，井径（CAL）曲线扩径，声波时差曲线为高值齿化箱形甚至出现小幅周波跳跃现象，补偿密度曲线则为低值齿化箱形形态，补偿中子曲线为高值齿化箱形，深浅电阻率曲线为高值齿化箱形形态。
例如，准北1井西山窑组煤层自然伽马值低（平均为10 API）、补偿密度值低（平均为1.25 g/cm3）、声波时差值高（平均为443 μs/m）、补偿中子值高（平均为52%）和电阻率值高（100~400 Ω·m）；乌参1、陆6井、伦5和准北1井煤层的自然伽马、井径、自然电位、声波时差及电阻率测井曲线均具有相似的曲线形态，如自然伽马值低、扩径和声波时差曲线值高且出现一定幅度的跳跃，电阻率值高，表现具备一定的煤层气特征。从电性特征来看，煤层基本不含水或含水率极低，而且煤层厚度大，具备开展煤层气测试和煤层水平段钻井设计施工的条件。
4 煤层分布特征
4.1 连井对比
相对于西山窑组，八道湾组煤层发育情况变化较大，层数较多，单层厚度较小，埋深较大（图6，对比剖面仅反映了上段煤层）。八道湾组发育1~7层煤层，一般发育在八道湾组下段和上段下部，累计最大厚度位于伦5井区，达到22 m；其次为伦7井区，煤层厚度为20 m。单层厚度最大为16 m，位于伦5井区；其次为伦7井区、泉1井区和乌参1井区，单层厚度达到8 m。煤层埋深最大位于伦参1井区，埋深达到3 728 m；次为伦5井区，埋深达到3 058 m；埋深最浅位于泉1井区和滴北2井区，最大埋深约为1 400 m。
4.2 地震剖面解释
通过对过准北1井、准北101井、准北3井、准北6井、乌参1井和陆6井地震剖面进行井—震标定，确定煤层地震反射波组特征（图7）。
区内 为白垩系底界面，连续强振幅，是一个区域性不整合界面，之下侏罗系顶部削截特征明显，易识别，可作为标志层。 为侏罗系西山窑组底界面，为一组连续强反射的底界，通常是2~3个强相轴，为西山窑组煤层的反映，作为标志层。 为侏罗系三工河组底界面，较连续弱反射。 为侏罗系八道湾组底界面，中强振幅、较连续反射界面。 为三叠系底界面，也是区域性不整合界面，连续强振幅，与下伏石炭系呈明显的角度不整合，易识别，为标志层，之下为石炭系杂乱强反射。 为上二叠统底界面局部发育，弱振幅，与下伏石炭系不易区分。
总之，西山窑煤层厚度大，集中发育在底部，因此反射振幅更强更连续，而且通常是2~3个强轴平行连续分布，分布范围广且稳定，产状平缓，是寻找煤层气的主要目的层段；八道湾组煤层单层厚度小，且上、中、下部都有相对薄的煤层发育，在本组段的顶部、中部和底部呈现单个强轴反射，但其延伸范围也相对偏小。
4.3 平面分布
图8 准噶尔盆地东北缘侏罗系西山窑组煤层厚度等值线Fig.8 Thickness contour map of coal seams in Jurassic Xishanyao Formation in the northeastern margin of Junggar Basin |
5 选区与建议
准东北缘多年来常规油气勘探未获大的进展，深层煤层气在区内有着较好的资源基础，值得积极探索。区内侏罗系煤层发育，厚度大，分布较广，埋深超过2 000 m，煤层层位、厚度、埋深、测井响应、地震反射和气测异常特征等与准东地区白家海凸起均具有可比性。
彩探1H井实际水平段长度为1 000 m，其中钻遇西山窑组煤层936 m，煤层钻遇率为93.6%，解释气层936 m。采用冻胶造长缝+细分切割实现体积改造，12 mm油嘴最高日产气5.7×104 m3；经过试采换用9 mm油嘴，套压稳定为5.8~6 MPa，油压稳定为4~4.3 MPa，天然气平均日稳产量为2.18×104 m3，不含水，一年累产气量为796×104 m3（图10）。彩探1H井试采历史曲线中，总体上以吸附气为主，早期和后期均呈现吸附气特征，依据为：早期和后期产气量总体比较稳定，试产期高产时间段极短，游离气特征不明显；后期由于吸附气解析，产量保持稳定。为获得吸附气和游离气的定量关系，须做相关含气实验。推测彩探1H井可长期稳产。
彩探1H井西山窑组试获高产稳产深层煤层气流，增加了勘探准东北缘侏罗系深层煤层气的信心。区内侏罗系煤岩发育，具有自源供烃与他源供烃，源储盖匹配关系较好，受凸起带、断阶带背斜构造、鼻状构造及裂缝发育带控制富集的深层煤层气成藏条件。综合分析区内探井钻测录试资料和地震勘探成果，初步选取准北1井区、陆6井区和乌参1井区西山窑组和伦5井区八道湾组作为深层煤层气勘探试验区（图1）。前面3口井区西山窑组煤层厚度大（8~16 m），埋深适中（2 000~2 600 m）；伦5井区八道湾组煤层厚度大（16 m），埋深为3 050 m左右，测井解释表明含气性好，气测异常较明显，同时低幅度背斜构造发育［如图7（b）准北1、准北6井区］，延伸范围较大，有利于开展深层煤层气水平井施工和压裂测试。
建议：①对准北1井2 504~2 516 m、2 546~2 559 m，陆6井2 068~2 084 m，乌参1井2 626~2 635 m井段西山窑组煤岩和伦5井3 042~3 058 m井段八道湾组煤层进行测试，若获得气流，则部署相应水平井评价井；②钻井过程中开展煤岩取心，开展煤地球化学特征、成熟度和煤层四性（岩性、物性、电性和含气性）关系分析和天然气地球化学特征分析；③开展区域内埋深2 000~3 500 m煤层气资源评价，为深层煤层气勘探提供科学依据。
6 结论
准噶尔盆地东北缘侏罗系西山窑组和八道湾组煤岩发育、厚度大、分布较广，埋深介于2 000~3 500 m之间，现今处于低成熟阶段，为低煤阶煤岩，具有较好的生气能力。
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西山窑组煤岩为中—低孔低渗储层，储盖组合以顶底泥岩型为主，八道湾组煤岩为特低孔特低渗储层，储盖组合多样。煤岩在地震剖面上表现为连续强反射特征，测井响应特征明显，录井气测异常突出，总体上煤岩含气性较好。
准东地区白家海凸起彩探1H井西山窑组煤岩水平段压裂测试获稳定工业天然气产能，对准东北缘深层煤层气勘探具有重要借鉴意义。综合分析认为：准东北缘侏罗系煤岩具有自源供烃与它源供烃，源储盖匹配关系较好，受凸起带、断阶带背斜构造、鼻状构造及裂缝发育带控制富集的深层煤层气成藏条件。准东北缘具有良好的深层煤层气勘探前景，建议开展煤层气测试。
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