0 引言
鄂尔多斯盆地作为我国重要的含油气盆地之一，蕴藏着丰富的煤岩气资源［1-2］，开发潜力巨大。该盆地历经多期复杂的构造演化，沉积形成多套含煤地层，为煤层气的生成、储存与富集创造了优越条件［3-6］。2005年开始的针对该盆地东南缘韩城区块二叠系山西组和太原组的煤层气勘探开发取得了突破，并且在煤层气的成藏地质条件及成藏模式研究方面取得了一系列认识［7-8］，同时也建成了首个商业开发的中高阶煤层气田［9］，首次证实了鄂尔多斯盆地具有丰富的煤层气资源。上古生界石炭系本溪组作为一套典型的海陆过渡相碎屑岩含煤沉积地层，其煤系地层中发育由烃源岩—储层耦合控制的多类型天然气藏组合：包括煤系源控型致密砂岩气藏、海陆过渡相页岩气成藏系统、铝土岩储层天然气聚集及煤层吸附气藏［10-11］。近年来，为寻求新的规模储量与产量增长点，中国石油煤层气有限责任公司借鉴大宁—吉县区块［12-17］、临兴区块［18-19］、延川南区块［20］深层煤岩气的成功开发经验，认识到深部煤层气具有“广覆式生烃、高含气、高饱和、高压束缚游离气与吸附气共存”的成藏特征，基于“源—储—盖”耦合控藏理论［21］，持续深化煤系气储层改造工艺技术体系，包括体积压裂、智能气举排采等主体技术，强化了该区块石炭系本溪组煤系气藏的立体勘探评价。在 2022—2024 年，从构造条件、储层条件、保存条件等多个维度开展初步地质研究，并筛选多口致密气低产井进行深层煤岩气试采评价工作。试采成果显著，单井平均稳定日产气量突破 6 000 m³/d，初步证实了宜川地区本溪组深层煤岩气具备良好的资源潜力。
1 地质概况
在晚石炭世本溪期，鄂尔多斯盆地处于海陆过渡地带，在区域构造运动、海平面升降以及物源供给等多因素的共同作用下，发育形成滨海—浅海相沉积体系，并沉积了煤系地层。该套煤系地层呈现出丰富的岩性组合，包括石英砂岩、泥岩、石灰岩以及煤岩。基于对其沉积特征的研究，自下而上可以划分为3段，依次为湖田段、畔沟段和晋祠段。该套煤系地层在垂向上岩性分带显著：下部为砂砾岩与砂质泥岩互层，砂岩粒度曲线表明当时水动力条件较强，而泥岩夹层则代表沉积间歇期，反映沉积环境能量的周期性变化；上部为浅灰色铝土质泥岩，主要由高岭石等黏土矿物组成，富含铝质，这表明当时处于稳定的低能还原环境，推测物源区可能存在铝硅酸盐矿物的风化作用。该套煤系地层底部常见蜂窝状褐铁矿，指示当时为氧化环境，这是研究古沉积环境的关键标志之一。该地层厚度在 40~65 m 之间，平均厚度约为 50 m，与下伏地层呈角度不整合接触，这一现象反映该区域曾经历强烈的构造运动，地层发生褶皱、抬升剥蚀后再次接受沉积［27-31］。
湖田段以平行不整合的接触关系覆于奥陶系马家沟组之上，厚度为 0~8 m。此段岩性主要为铝土岩、铝土质泥岩以及泥岩，在底部位置，有一层厚度约为 1 m的褐红色至紫红色褐铁矿，因具有较高的赤铁矿含量，揭示沉积初期为强氧化环境，对于研究早期地质演变具有重要意义。畔沟段厚度在0~20 m 之间，岩性包含灰黑色泥岩、深灰色粉砂岩，并夹有石英砂岩、石灰岩透镜体和煤线。通过对泥岩有机碳、粉砂岩粒度等多方面的分析可知，当时水体较深、水动力较弱、物源区稳定，且存在短暂的泥炭沼泽环境，沉积环境较为复杂。晋祠段厚度大多在10~40 m之间，最厚处超过50 m，岩性包括泥岩、粉砂岩等。在地质研究中，由于晋祠段上部 8 号煤与 9 号煤之间的屯兰砂岩段缺失，加之 9 号煤厚度偏薄，通常将这两层煤合并，统一称作 8 号煤。
本溪组 8 号煤形成于近滨海平原泥炭沼泽环境，繁茂的陆生植物群落持续覆盖［2］，为煤岩富集提供了充足的有机质来源。其厚度范围在 3~8 m 之间，平均厚度为 4.6 m，厚度变化主要受基底沉降和沉积相带的控制，呈现出西厚东薄的分布态势。该区域煤层埋深在 1 800~2 500 m之间，构造稳定，断裂构造不发育，地层呈西倾单斜形态，致使 8 号煤的埋深呈现西深东浅的特征。
2 煤岩气储层岩石学特征
2.1 煤岩类型
通过对宜川地区 10 余口钻井取心开展系统的观察与分析，8 号煤岩心呈柱状/短柱状，发育典型平行层面块状构造，与围岩呈整合接触。煤岩光学特征表现为金属光泽与玻璃光泽，断口呈阶梯状；力学性质显示煤体质地坚硬，破碎后呈粗粒结构。煤体结构以原生结构煤为主，局部发育碎裂煤。宏观煤岩成分分析显示，亮煤和半亮煤占主导，占比为80%~95%，半暗煤含量次之，煤体中夹杂镜煤条带。从煤岩宏观类型分析，亮煤［图2（a）—图2（c）］和半亮煤［图2（d），图2（e）］占比达90%，半暗煤［图2（f）］占比为10%，其中光亮煤的割理较发育，但多数割理被方解石充填。纵向来看，8 号煤自下而上亮煤、镜煤含量逐渐递增，煤层中上部以光亮煤为主。
2.2 显微组分
煤岩显微组分分析结果显示，研究区 6 口井 11 个 8 号煤样以镜质组为主，其含量介于60.68%~90.80%之间，平均为80.71%，镜质组以基质镜质体为主体，次为均质镜质体和结构镜质体，其中，基质镜质体和均质镜质体普遍发育内生裂隙，呈网状或平行状展布，构成煤储层重要的渗流通道［图3（a），图3（b）］。惰质组含量介于5.60%~30.08% 之间，平均为 12.42%，主要由丝质体为主，局部可见少量粗粒体，胞腔不规则，破碎成星弧状，胞腔充填黏土矿物［图3（d），图3（e）］；壳质组含量为3.24%~3.79%，主要为树脂体，多被基质镜质体胶结，平均为3.47%；矿物组分含量为2.63%~10.65%，平均为5.41%，以黏土矿物（高岭石、伊利石）为主，次为黄铁矿［图3（c），图3（f）］和石英，反映成煤过程中陆源碎屑物质混入。镜质组反射率（R O）测试最大值介于2.04%~2.53%之间，平均为2.31%，表明该煤层处于贫煤—无烟煤阶段。
图3 G11 井本溪组8 号煤显微特征照片（a）埋深2 068.45 m，条带状均质镜质体和基质镜质体互层，见微粒体；（b）埋深2 071.20 m，基质镜质体和均质镜质体，发育条带状黏土矿物；（c）埋深2 070.60 m，基质镜质体，发育黄铁矿颗粒，见张裂隙；（d）埋深2 068.36 m，丝质体，胞腔不规则，胞腔充填黏土矿物；（e）埋深2 071.21 m，丝质体胞腔挤压破坏变形强烈，胞腔充填黏土矿物；（f）埋深2 070.55 m，基质镜质体，发育黄铁矿颗粒，见张裂隙 Fig.3 Photograph of microscopic characteristics of No.8 coal of Benxi Formation in Well G11 |
2.3 矿物组成
宜川地区的煤岩样品中，矿物成分呈现出复杂多样的特征。其中，黏土矿物含量相对较高，且以高岭石为主要成分。就8号煤层的煤岩而言，黏土矿物含量介于41.3%~89.8% 之间，平均含量达69.03%。与之形成对比的是，脆性矿物中的石英含量较少，8号煤层中石英的含量分布范围处于1.6%~32.4%之间，其平均含量为14.4%。硅质矿物（主要为钾长石和斜长石）的含量相对较少。同时，煤岩中含有一定数量的碳酸盐矿物，包括方解石、白云石、赤铁矿以及菱铁矿等，还存在少量的硫酸盐矿物，如黄铁矿。
在宜川地区 8号煤层的黏土矿物体系中，其组成呈现出多样性，主要包括伊利石、绿泥石、高岭石、伊/蒙混层以及绿/蒙混层。从矿物含量占比来看，高岭石在黏土矿物中占据主导地位。经详细检测分析，8号煤层内高岭石含量较高，平均含量约为 46.13%。高岭石的形成与酸性介质环境下的溶蚀作用密切相关。较高的高岭石含量表明 8号煤层在地质历史时期经历了强烈的溶蚀作用。这种溶蚀作用通过对煤层内部微观结构的改造，使得煤层的孔径有效增大，孔隙体积显著增加。而孔径和孔隙体积的优化，在一定程度上改善了煤层的储集性能，为煤层气的储存提供了更为优越的空间条件，有利于煤层气在煤层中的吸附与赋存。伊利石的含量位居第二，在 8号煤层中的含量范围为 14%~28%，平均含量约为 18%。绿泥石含量稍低，其在 8号煤层的平均含量约为 15.3%。而伊/蒙混层的平均含量为 14.6%。从宜川地区 8号煤层黏土矿物组成特征分析，该煤层已步入晚成岩作用阶段，其热演化程度达到过成熟阶段。
2.4 煤质
宜川地区 8 号煤层煤岩工业分析显示，水分含量为0.31%~3.58%，平均为1.23%，属低水分煤；灰分含量为1.17%~30.05%，平均为8.76%，属低灰分煤；挥发分含量为5.83%~9.59%，平均为7.01%，属特低挥发分煤；固定碳含量为61.07%~91.78%，平均为78.92%，属高固定煤炭。按照煤炭质量分级标准，8 号煤以特低灰煤为主，占比为40.6%，其次为低灰煤和中灰煤，占比分别为37.8%和21.6%。
3 煤岩气储层物性特征
3.1 煤岩的孔隙度
对 10 口井 30 块煤岩样品采用线切割制备 φ=25 mm 标准柱塞样，开展氦气法与核磁共振法孔隙度测试，核磁共振法孔隙度测试只做了2口井（表1）。结果表明：运用氦气法测定的孔隙度范围处于4.22%~8.21%之间，其平均值为5.68%；而通过核磁法测得的孔隙度范围处于4.22%~4.96%之间，平均值为 4.59%。经对比发现，氦气法所获孔隙度普遍高于核磁法。这主要归因于煤岩孔隙以微孔为主体，水难以完全渗入微孔，致使核磁法在测量时遗漏了大量微孔信号。进一步按煤岩类型细分，对于亮煤与半亮煤，采用氦气法测得的孔隙度范围为4.22%~8.21%，平均值为5.69%；半暗煤经氦气法测定，孔隙度处于1.78%~5.88%之间，平均值为3.83%，由此可见，亮煤、半亮煤的孔隙度显著高于半暗煤。由此可以看出镜质组含量与孔隙度呈正相关关系，镜质组凝胶化作用形成的原生孔隙有助于煤岩整体孔隙发育。
表1 宜川地区8 号煤储层孔隙度、渗透率实验数据Table 1 Experimental data of porosity and permeability of No.8 coal reservoir in Yichuan area |
| 井号 | 宏观煤岩类型 | 井深/m | 视密度/（g/cm3） | 氦气孔隙度/% | 核磁孔隙度/% | 渗透率/（10-3 μm2） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| G11 | 半亮煤 | 2 068.21~2 068.47 | 1.38 | 5.8 | — | 0.021 |
| G11 | 半亮煤 | 2 071.21~2 071.52 | 1.38 | 8.21 | 4.22 | 0.026 |
| G11 | 半暗煤 | 2 072.13~2 072.38 | 1.37 | 5.88 | — | 0.024 |
| G13 | 亮煤 | 2 136.10~2 136.43 | 1.44 | 5.42 | — | 3.483 |
| G14 | 亮煤 | 2 131.79~2 132.00 | 1.45 | 5.36 | — | 1.931 |
| G15 | 半亮煤 | 2 062.41~2 064.45 | 1.42 | 5.87 | 4.96 | 0.981 |
| G16 | 亮煤 | 1 855.33~1 855.54 | 1.45 | 5.61 | — | 0.826 |
| G3-1 | 半亮煤 | 2 351.89~2 352.09 | 1.40 | 4.22 | — | 0.063 |
| G3-1 | 半暗煤 | 2 353.81~2 353.98 | 1.39 | 1.78 | — | 0.059 |
| G7-10 | 半亮煤 | 2 271.25~2 271.35 | 1.51 | 5.09 | — | 1.11 |
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3.2 煤岩的渗透率
为精准测定宜川地区 8 号煤层渗透率，采用稳态法对 10 口井56 块标准柱塞样展开测试。经肉眼观测，56 块样品中有45个样品存在明显裂隙，其宽度通常大于 50 μm。测试数据（表 1）显示，煤岩渗透率范围为 （0.02~3.48）×10-3 μm2，平均值为 1.21×10-3 μm2。进一步分析，可见裂隙样品渗透率范围为（0.83~3.48）×10-3 μm2，平均值为 1.67×10-3 μm2；而未见裂隙样品渗透率范围为（0.02~0.98）×10-3 μm2，平均值为 0.31×10-3 μm2。煤岩裂隙发育程度对渗透率影响显著，从渗流原理来看，裂隙是流体在煤岩中流动的优势通道。依据流体力学原理，裂隙越发育，其提供的有效渗流通道横截面积越大，流体流动时所受的阻力就越小，根据达西定律，渗透率也就越高，裂隙越发育渗透率越大［28-29］。此外，煤岩渗透率与孔隙度之间无明显关联。孔隙度反映的是煤岩中孔隙体积占总体积的比例，主要影响流体的储存能力。但煤岩的渗透率更多取决于孔隙与裂隙构成的复杂网络体系。孤立的孔隙即便孔隙度高，若缺乏有效的裂隙连通，流体也难以顺畅流动，而裂隙能够将分散的孔隙连接起来，极大地提升了煤岩内部流体的连通性，从而主导了渗透率大小。而且，即便在无肉眼可见裂隙的样品中，依然呈现出相对较高的渗透率。经深入研究分析，这意味着宽度小于 50 μm 的显微裂隙，同样能够为煤岩构建高效的渗透通道，对煤岩渗透性的提升起到关键作用。这些显微裂隙虽然细微，但数量众多，它们在煤岩内部形成了复杂的次级渗流网络，增加了流体可选择的流动路径，从而对整体渗透率做出贡献。
从不同煤岩类型的数据对比发现，光亮煤和半亮煤的渗透率平均值为 1.76×10-3 μm2，高于半暗煤（半暗煤的渗透率平均值为 0.54×10-3 μm2），原因主要有以下几点：其一，从成分上分析，光亮煤和半亮煤镜质组含量较高，在煤化过程中，镜质组结构相对均一且具有一定的韧性，在受到应力作用时，较容易产生裂隙，这些裂隙为流体流动提供了更为通畅的通道。相比之下，半暗煤中惰质组含量较高。惰质组结构致密、刚性强，在煤化过程中难以变形和产生大规模的裂隙，使得流体在其中流动时缺乏有效的通道，从而导致渗透率较低；其二，在结构方面，光亮煤和半亮煤常呈现层状或条带状结构。这种结构特征使得在煤化过程中，当受到构造应力等作用时，裂隙更容易沿着层理方向扩展和延伸，进而形成更为连通的裂隙网络，有利于流体在煤岩中长距离运移。而半暗煤结构较为杂乱、块状特征明显，这种结构不利于裂隙的发育与相互贯通，限制了流体的流动路径，降低了渗透率；其三，从形成环境来看，光亮煤和半亮煤通常形成于较为稳定、水动力条件较弱且富氧的沼泽环境。在这种环境下，植物遗体能够较为有序地堆积和分解，在煤化过程中有利于形成规则的孔隙和裂隙系统。而半暗煤的形成环境可能指示水动力条件较强，或有较多碎屑物质混入，导致植物遗体堆积和分解过程受到干扰，难以形成良好发育的孔隙—裂隙系统，最终致使其渗透率低于光亮煤和半亮煤。
3.3 煤岩的覆压渗透率
为研究不同裂隙发育程度的煤岩在覆压环境下渗透率的变化规律，针对8号煤层4个不同裂隙发育程度的煤样（初始渗透率分别为0.85×10-3 μm2、3.48×10-3 μm2、13.12×10-3 μm2、20.71×10-3 μm2），依据行业标准《覆压下岩石孔隙度和渗透率的测定方法》（SY/T 6385—2016）开展覆压渗透率测试，揭示了煤岩渗透率随围压变化的非线性特征（图4）。
低围压敏感阶段（0~10 MPa），煤岩渗透率呈现出迅速减小的趋势，当围压达到 10 MPa 时，这4 个样品的渗透率分别降至 0.32×10-3 μm2、0.93×10-3 μm2、5.49×10-3 μm2、11.21×10-3 μm2，降幅达62.3%~74.4%，反映出裂隙结构在浅埋藏条件下对围压高度敏感。
过渡调整阶段（10~15 MPa），随着围压进一步增加至 15 MPa 左右，其渗透率又分别降为 0.21×10-3 μm2、0.36×10-3 μm2、0.81×10-3 μm2、4.54×10-3 μm2。值得注意的是，在这一过程中，裂隙相对发育程度较高的 2 个样品，其渗透率值下降幅度显著变小，且随着实验进程推进，二者的渗透率数值逐渐趋于一致 ，渗透率差异由初始的4.8倍缩小至1.8倍，表明主裂隙系统已基本闭合。
高压稳定阶段（15~25 MPa），当围压超过15 MPa后，微裂隙发育的样品反而表现出更强的抗压能力，其渗透率仅下降至0.08×10-3 μm2（降幅为63.1%），而高渗透率样品的降幅达到94.7%。这种反转现象说明微裂隙网络在高压下仍能维持流体通道的连通。25 MPa的围压下所有样品渗透率收敛于（0.69~0.78）×10-3 μm2区间，差异系数仅为1.1倍，验证了深部煤岩渗透性主要受基质—微裂隙系统控制。
实验结果清晰表明，在煤岩处于浅埋藏、低覆压阶段时，随着围压持续增大，其渗透率呈现出急剧下降的态势。然而，当围压突破 15 MPa，进入深埋藏阶段后，煤岩的渗透性对围压变化的敏感度显著降低。特别是对于微裂隙发育的煤岩而言，即便处于较高围压环境中，依然能够维持一定程度的渗透性。这是由于在浅埋藏低覆压时，煤岩中的宏观及部分微裂隙在围压作用下极易发生闭合，导致流体渗流通道大幅减少，进而使得渗透率急剧下降。而在深埋藏高围压阶段，煤岩内部结构逐渐压实并趋于稳定，此时微裂隙在维持渗透率方面发挥了关键作用，相互连通的微裂隙为流体提供了相对稳定的渗流路径，使得煤岩渗透性对围压变化的敏感性降低。
4 煤岩气储层孔裂隙发育特征
4.1 孔隙类型
煤岩的孔隙类型丰富多样，包括原生孔隙和次生孔隙。原生孔隙主要是植物细胞在成煤过程中残留的孔隙，如胞腔孔、屑间孔等。次生孔隙则是在煤化作用过程中，因热解、溶蚀等作用形成的孔隙，如粒间孔、晶间孔、气孔及铸模孔等［30-31］。不同类型的孔隙对煤岩气的储存和运移起着不同的作用。本溪组8号煤孔隙类型以屑间孔、胞腔孔、铸模孔及气孔为主，少见溶蚀孔，部分孔缝被黏土矿物或方解石充填（图5）。屑间孔多见于多组分条带或被破碎的结构镜质体和软流组分中；在对煤岩微观结构的深入研究中发现，胞腔孔广泛存在于结构镜质体和丝质体内部。其孔径范围处于数微米至数十微米之间，胞腔孔空间连通性欠佳。尤其是在纤维状丝质体中，胞腔孔大部分已被高岭石充填，严重阻碍了孔隙间的连通性；铸模孔多见于均质镜质体中，矿物质的溶解或脱落形成，连通性差；气孔作为重要的孔隙类型，多存在于基质镜质体和团块镜质体之内。其孔径主要处于纳米级范畴，形态大多呈现为圆形，且疏密程度不一，分布极为不均。通过扫描电子显微镜的高分辨率观察可以发现，气孔常以成群聚集的形式分布，其直径范围从数十纳米延伸至数百纳米，部分气孔直径甚至超过 500 nm。经统计分析，在煤岩的孔隙组成中，气孔的占比一般会超过 50%，在煤岩的孔隙体系中占据着主导地位，对煤岩的储集和渗透性能具有关键影响。
图5 鄂尔多斯盆地宜川地区石炭系本溪组8号煤孔隙及显微裂隙特征照片（a）G11井，2 068.21 m，均质镜质体、结构镜质体和基质镜质体过渡组分，胞腔孔被充填，×500；（b）G11井，2 068.21 m，胞腔孔及其充填物（黏土质，高岭石），×1 500；（c）G11井，2 072.13 m，均质镜质体及其包裹的矿物质，矿物质脱落后留下铸模孔，×5 000；（d）G11井，2 071.21 m，球粒状黏土质（胶体高岭石）及其脱落后留下的铸膜孔，×5 000；（e）G11井，2 071.21 m，碎屑体集合体（有破碎的结构镜质体、软流组分），有稀疏状气孔，×1 000；（f）G11井，2 068.21 m，镜质体为主，略见层理，斜交层理裂隙，静压裂隙，×100；（g）G11井，2 072.13 m，均质镜质体及其包裹的同生矿物质（浸染状、条带状），层间裂隙，×4 000；（h）G11井，2 072.13 m，镜质体为主，略见层理，静压裂隙、层间裂隙将镜质体分割成块状，×100；（i）G11井，2 071.25 m，均质镜质体（或基质镜质体）及其断口，不同方向的裂隙，×500 Fig.5 Photographs of pore and microfracture characteristics of No.8 coal of the Carboniferous Benxi Formation in Yichuan area, Ordos Basin |
4.2 裂隙特征
煤岩中的裂隙分为内生裂隙和外生裂隙。内生裂隙是在煤化过程中，由于煤的收缩作用形成，一般垂直于层理面，具有一定的方向性和规律性。外生裂隙则是受构造应力作用产生，其方向和分布较为复杂。裂隙的发育程度影响着煤岩的渗透率和气体的渗流路径。从宏观割理方面，8号煤面割理的线密度为4~8条/5 cm，端割理的线密度为4~12条/5 cm，断面上割理呈线状、网状连续性分布，平均裂缝充填率达到50.3%，充填物为高岭石黏土、方解石、碳酸盐等。
在光学显微镜的观察视野下，微裂隙于均质镜质体中呈现出主要发育的态势，在基质镜质体中也有一定程度的分布，且多数属于内生的张性裂隙。而借助电子显微镜进行微观观测时，所呈现的微裂隙类型主要包括静压裂隙、层间裂隙，同时还存在少量斜交层理裂隙，连通性中等，主裂隙与次裂隙近于垂直，裂隙呈三角状、平直状、网络状，部分裂隙被矿物充填，部分裂隙周边见明显气体晕痕。
微米CT扫描结果显示，8号煤裂缝孔隙度为0.26%~1.43%，平均为0.85%，裂缝开度为103~194 μm，平均为141 μm，裂缝贡献率为7.16%~34.05%，平均为19.14%。
4.3 孔隙结构
煤岩的孔隙结构对其储集和渗流性能起着关键作用。通过压汞实验等方法可分析煤岩的孔隙结构参数，如孔隙大小分布、比表面积及孔容等。采用全直径CT扫描、微米CT扫描和扫描电镜、氮气吸附、CO2吸附等手段，建立多尺度孔隙及裂缝的方法，精细表征孔径在2 nm以下至50 nm以上的全尺度孔径分布特征。宜川地区本溪组8号煤孔径—孔裂隙体积联合表征结果［图6（a），图6（b）］显示，微孔（孔径<2 nm）平均孔容为0.040 7 cm3/g，占比为73.31%，介孔（孔径为2~50 nm）平均孔容为0.001 1 cm3/g，占比为1.89%，宏孔（孔径>50 nm）平均孔容为0.013 8 cm3/g，占比为24.8%，孔隙结构表现为微孔和宏孔占主导；微孔平均比表面积为139.49 m2/g，占比为99.81%；介孔平均比表面积为0.25 m2/g，占比为0.18%；宏孔平均比表面积为0.01 m2/g，占比为0.01%，微孔是吸附态甲烷赋存的主要场所［图6（c）］，为煤岩气的吸附提供了大量的表面积。同时结合核磁共振结果，以吸附作用为主的微、小孔隙与以游离作用为主的中大孔隙谱形态分离特征明显，对比饱和、离心脱水谱图结果，认为孔隙连通性较差，可动用空间主要为微裂隙。微米CT扫描显示［图6（d）］，孔隙半径为0.98~454.54 μm，平均为2.07 μm，喉道半径为0.38~300.25 μm，平均为1.47 μm，孔喉为小孔—微细喉类型、微孔—微细喉类型、小孔—细喉，多为低连通，影响着气体在孔隙中的扩散和渗流。
5 煤岩气储层含气性特征
5.1 含气量
对研究区内的10 口勘探井煤层进行钻杆取心，参考国家标准《煤层气含量测定方法》（GB/T 19559—2021）的要求，因采用钻杆取心方式，岩心样品从井下提升至井口的时间超出了国家标准中规定的损失气计算方式所适用的时间范围，导致无法直接参照标准方法准确计算损失气。现场测试含气量为25.33~38.38 m3/t，平均含气量为29.68 m3/t。
平面上看由东南向西北方向含气量值逐渐变大，即含气量值有随深度增加而增大的趋势，东南部最低值在G17井附近，平均值为25.33 m3/t，西北部G3向1井—G19井—G1-3向2井一带，平均值为29.15~36.30 m3/t；纵向上看同一套煤层多个样品测试得到的含气量在纵向上显示均质性较好，含气量较高。G16井埋深1 852.97~1 856.48 m，取样4个，含气量为16.48~38.38 m3/t，平均为27.64 m3/t。G15井埋深2 060.62~2 065.67 m，取样4个，含气量为20.84~36.47 m3/t，平均为28.26 m3/t（图7）。
据8号煤钻井取心的顶、底板岩性及测井解释结果，结合地震解释，8号煤及顶、底板断层不发育。8号煤顶板为连续稳定灰岩，顶板灰岩厚度为3.3~14.7 m，煤层底板泥岩厚度为4.5~18.4 m，煤层顶、底板含水性和渗透性较差，试采情况已经证实其具有较好封盖性能，有利于煤层气富集、成藏和保存。
5.2 煤岩吸附性
测试结果表明（表2，图8），宜川地区本溪组8号煤在空气干燥基条件下，兰氏体积范围为21.25~31.34 m³/t，平均值为 27.61 m³/t；兰氏压力范围为1.98~3.77 MPa，平均值为 3.08 MPa。分煤岩类型来看，亮煤与半亮煤的兰氏体积为21.25~31.34 m3/t，平均值为27.43 m3/t，兰氏压力为1.98~3.77 MPa，平均值为3.05 MPa；半暗煤的兰氏体积为29.01 m3/t，兰氏压力为3.31 MPa。通过对比来看，亮煤、半亮煤和半暗煤的兰氏体积和兰氏压力差不多，均具有较好的甲烷吸附能力。该地区煤岩的吸附能力与成熟度呈正相关关系，即随着成熟度增加，吸附能力增强；而与灰分含量则呈现明显负相关，灰分含量越高，煤岩的吸附能力越弱。兰氏压力整体较低，煤岩吸附气的解吸产出需要更低的井底压力。
表2 鄂尔多斯盆地宜川地区本溪组8号煤储层等温吸附数据Table 2 Isothermal adsorption data of No.8 coal reservoir of Benxi Formation in Yichuan area, Ordos Basin |
| 井号 | 宏观煤岩类型 | 水分含量 | 灰分含量 | 兰氏体积/（m³/t） | 兰氏压力/MPa | 镜质体最大反射率/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| G11 | 半暗煤 | 1.74 | 9.51 | 29.01 | 3.31 | 2.09 |
| G13 | 亮煤 | 1.24 | 9.11 | 24.49 | 2.59 | 2.25 |
| G14 | 亮煤 | 0.48 | 17.54 | 25.93 | 3.22 | 2.39 |
| G3-1 | 半亮煤 | 2.27 | 10.81 | 27.72 | 2.95 | 2.36 |
| G15 | 半亮煤 | 1.61 | 9.38 | 21.25 | 1.98 | 2.14 |
| G16 | 亮煤 | 2.71 | 11.4 | 27.44 | 2.99 | 2.32 |
| G17 | 半亮煤 | 2.04 | 12.99 | 30.31 | 3.76 | 2.59 |
| G18 | 半亮煤 | 0.73 | 9.27 | 31.34 | 3.18 | 2.39 |
| G19 | 亮煤 | 0.56 | 11.95 | 30.99 | 3.77 | 2.34 |
根据实测含气量，结合兰格缪尔等温吸附方程计算的理论含气量，计算宜川地区8号煤层8个样品吸附含气饱和度为83.56%~138.46%，平均为108.99%，含气饱和度高，进一步说明煤岩热演化过程中生气能力比较强，保存条件好。
6 结论
（1）鄂尔多斯盆地宜川地区本溪组 8 号煤煤体结构比较完整，以原生结构煤为主，宏观煤岩类型以亮煤、半亮煤为主，显微组分以镜质组为主，平均含量为80.71%，反映强还原环境下的高等植物凝胶化堆积特征；矿物总量平均为5.41%，以高岭石及指示弱滞留—还原水体环境的草莓状黄铁矿为特征组合。煤质上，固定碳平均为78.92%，水分为1.23%、灰分为12.76%，属低水分中灰分煤。受盆地古地形及水体演化影响，中部煤质最佳，东部、西部次之，纵向上自下而上变好。热演化程度高，镜质体反射率为 2.04%~2.53%，煤阶达贫煤—无烟煤阶段，生烃能力强。
（2）宜川地区本溪组8号煤储集空间以屑间孔、胞腔孔、铸模孔及微裂隙为主，宏观割理密度为4~8 条/5 cm，微裂隙在均质与基质镜质体中发育，对煤层连通性影响大。多尺度孔隙结构呈现典型 “U”型体积分布特征：微孔贡献最大，占孔容的73.31%，比表面积占比达99.81%，呈现微孔单峰，是吸附气赋存的主要场所。孔喉为小孔—微细喉、微孔—微细喉组合，连通性差，渗流受微裂隙网络主导。
（3）宜川地区本溪组8号煤氦气法孔隙度均值为5.32%，核磁法有效孔隙度为4.59%。渗透率呈现非均质性：含裂隙样品的平均渗透率为1.67×10-3 μm2，最大为3.48×10-3 μm2，无裂隙样品仅为0.31×10-3 μm2。覆压实验显示渗透率随围压呈三阶段变化，低围压降幅为62.3%~74.4%，围压超 15 MPa 后趋于稳定，表明煤岩埋藏较深的条件下微裂隙是保持渗流能力的关键。
（4）等温吸附实验表明，8号煤的空气干燥基兰氏体积为21.25~31.34 m³/t，平均为 27.61 m³/t，兰氏压力为1.98~3.77 MPa，平均为 3.08 MPa。煤岩吸附能力与灰分含量呈负相关关系，而与镜质体反射率呈正相关关系。顶板灰岩与底板泥岩构成优质封盖体系，有利于含气量的保存，实测含气量均值高达 29.68 m³/t，含气饱和度均值达 108.99%，处于超饱和状态。
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