天然气地球科学 >

2025 , Vol. 36 >Issue 9: 1631 - 1645

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2025.04.003

非常规天然气

鄂尔多斯盆地中东部深层煤岩储层分布特征及成因

  • 李渤 , 1 ,
  • 王彦卿 2 ,
  • 杨鸣一 3 ,
  • 虎建玲 2 ,
  • 张旭 1 ,
  • 张成龙 1 ,
  • 文志刚 1 ,
  • 吴陈君 , 1
展开
  • 1. 油气地球化学与环境湖北省重点实验室/长江大学资源与环境学院，湖北 武汉 430100
  • 2. 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018
  • 3. 中国石油长庆油田分公司勘探事业部，陕西 西安 710018
吴陈君（1988-），男，安徽池州人，博士，副教授，主要从事非常规油气地质研究.E-mail：.

李渤（2002-），男，湖北十堰人，硕士研究生，主要从事煤层气研究.E-mail：.

收稿日期: 2025-03-14

  修回日期: 2025-04-09

  网络出版日期: 2025-04-14

基金资助

中国石油天然气股份有限公司重大专项“深地煤岩气成藏理论与效益开发技术研究”项目(2023ZZ18)

收起

Distribution characteristics and genetic mechanisms of deep coal reservoirs in the central-eastern Ordos Basin

  • Bo LI , 1 ,
  • Yanqing WANG 2 ,
  • Mingyi YANG 3 ,
  • Jianling HU 2 ,
  • Xu ZHANG 1 ,
  • Chenglong ZHANG 1 ,
  • Zhigang WEN 1 ,
  • Chenjun WU , 1
Expand
  • 1. Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment （Yangtze University），Wuhan 430100，China
  • 2. China Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China
  • 3. Exploration Division of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China

Received date: 2025-03-14

  Revised date: 2025-04-09

  Online published: 2025-04-14

Supported by

The Major Special Projects of PetroChina(2023ZZ18)

Fold

摘要

鄂尔多斯盆地是中国煤岩储层重点开发地段，盆地东北部地区本溪组的深层煤岩厚度较大，是深层煤层气有利开发层位。通过对本溪组8#煤岩平面样品进行岩心观察、煤质特征及储层孔隙分析等，对深部煤岩煤质特征和储层分布特征进行了深入研究，揭示了深部煤岩储层的成因，为后续开采鄂尔多斯盆地的优势煤岩储层发现提供一定的理论价值。研究结果表明：鄂尔多斯盆地深层煤岩煤质特征在平面具有很强非均质性，从潮坪—沼泽沉积体系到潟湖—沼泽沉积体系，潟湖—沼泽沉积体系中从近物源区到远物源区，灰分含量逐渐降低，热演化程度、硫分含量和惰比逐渐升高。本溪组8#煤岩潮坪—沼泽沉积体系的煤层形成于偏氧化的沉积环境下，碎屑物质输入较多，潟湖—沼泽沉积体系主要受古环境海进海退的影响，覆水较深，沉积环境偏还原。潮坪—沼泽沉积体系的孔隙发育相较于潟湖—沼泽沉积体系更差，且潟湖—沼泽沉积体系中远物源区孔隙发育更好。孔隙以微孔为主，其中孔径为0.6 nm的微孔占比最大，揭示研究区煤岩的微孔为主要的孔隙类型，其次是宏孔。深层煤岩储层受陆源碎屑输入和热演化程度的协同控制：潮坪—沼泽沉积体系中受碎屑输入影响，黏土矿物充填孔隙导致储层发育较差，潟湖—沼泽沉积体系中远物源区位置，受碎屑输入影响更小，受热演化程度控制更大，煤岩随着热演化程度升高会生烃产气，逐渐生成大量气孔，使得孔隙发育，储层特征变好，潟湖—沼泽沉积体系远物源区是本溪组8#煤岩天然气勘探开发的有利区域。

关键词： 鄂尔多斯盆地; 本溪组; 深层煤岩; 沉积环境; 协同耦合

本文引用格式

李渤 , 王彦卿 , 杨鸣一 , 虎建玲 , 张旭 , 张成龙 , 文志刚 , 吴陈君 . 鄂尔多斯盆地中东部深层煤岩储层分布特征及成因[J]. 天然气地球科学, 2025 , 36(9) : 1631 -1645 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2025.04.003

Abstract

The Ordos Basin is a key area for coal reservoir development in China. The deep coal reservoirs of the Benxi Formation in the northeastern part of the basin exhibit significant thickness， making them favorable targets for deep coalbed methane exploration. Through core observation， coal quality analysis， and pore structure characterization of planar samples from the No.8 coal reservoir in the Benxi Formation， this study investigates the coal quality and distribution characteristics of deep coal reservoirs， elucidates their genetic mechanisms， and provides theoretical guidance for optimizing coalbed methane exploitation. The deep coal reservoirs in the Ordos Basin show strong planar heterogeneity. From the tidal flat-swamp to the lagoon-swamp depositional systems， ash content gradually decreases， while thermal maturity， sulfur content， and vitrinite-inertinite ratio increase with increasing distance from the proximal source area within the lagoon-swamp system. This indicates that the tidal flat-swamp coal reservoirs formed in a relatively oxidized environment with substantial terrigenous clastic input， whereas the lagoon-swamp system developed under deeper water columns and more reducing conditions influenced by marine transgression-regression cycles. Pore development in the tidal flat-swamp system is inferior to that in the lagoon-swamp system， with better connectivity observed in distal areas of the latter. Micropores （predominantly 0.6 nm in diameter） dominate pore volume， followed by macropores， suggesting micropores are the primary pore type. The deep coal reservoirs are synergistically controlled by terrigenous clastic input and thermal evolution. In the tidal flat-swamp system， clay mineral infilling from clastic materials degrades reservoir quality， while in distal lagoon-swamp areas， reduced clastic influence and higher thermal maturity enhance hydrocarbon generation， promoting gas pore formation and improving reservoir properties. Consequently， the distal lagoon-swamp system represents the most favorable zone for natural gas exploration in the No.8 coal reservoir of the Benxi Formation.

Key words： Ordos Basin; Benxi Formation; Deep coal reservoirs; Depositional environment; Synergistic coupling

0 引言

近年来，煤层气作为非常规油气资源中的一种，受到国内外的广泛关注。自20世纪末以来，我国就开始加大力度支持煤层气的发展，并在鄂尔多斯盆地取得了重大突破。随着煤层气勘探与开发技术的不断提高，深部煤层气逐渐成为研究热点。最新一轮的煤层气资源评价结果表明，埋深在2 000 m以浅的煤层气资源量达到29.82 ×1012 m3，而埋深在1 000~2 000 m之间的煤层气资源量则高达22.45 ×1012 m3，几乎占到总资源量的75%［1-3］。对于深部煤层气的定义一直存在争议。在研究初期，许多学者将埋深超过1 000 m或1 500 m的煤层气资源定义为深部煤层气［4-8］，在近些年不少学者又把埋深超过2 000 m的煤层气定义为深部［9-11］。有些学者认为，与浅层煤岩相比，深部煤岩在力学性质、含气性和构造应力等地质参数上存在明显的区别。因此，深部不仅仅是指深度的增加，而是一个更广泛的概念［12-13］。根据秦勇等观点，煤层气勘探开发领域中的“深部”是指煤储层的临界状态，这一状态是由地应力、含气性及储层物性共同决定的，深度达到这一临界状态，即可被称为煤层气的“临界深度”［13-15］。鄂尔多斯盆地中东部本溪组煤岩埋深普遍在1 500~4 000 m之间，无论是埋深深度还是“临界深度”，均属于深层煤岩范畴。
鄂尔多斯盆地石炭系本溪组深层煤岩作为煤岩气勘探的重要目标层位，近年来在储层特征与成藏机理领域取得了显著进展。深部煤岩游离气比例增多，孔隙结构微孔最为发育，其次是宏孔和裂隙，介孔发育程度最差［16］，这样的微—宏孔多尺度耦合特征构成了吸附—游离气共存的储集基础［17］。在纵向上是沉积环境主导了煤岩储层的差异，上部沉积环境偏氧化，下部偏还原［18］，通过陆源输入强度差异控制灰分产率，灰分抑制孔隙发育，高热演化程度促进镜质组孔隙发育，促进孔隙形成［19-20］。但是，现有的研究聚焦于垂向单井解剖或局部区块刻画，对大区域尺度下储层参数的横向分异特征及其成因研究仍缺乏系统性认知，主要表现为以下3点：空间对比研究存在局限，缺乏跨构造单元与沉积相带的煤岩物性及孔隙结构对比，导致储层非均质性的空间展布模式不清；横向主控要素不明确，虽认识到沉积环境与热演化的垂向影响，但对横向差异的控制机制缺乏研究解析；勘探靶区优选依据不足，现有“甜点”标准多依赖垂向参数定义，未建立与横向沉积体系关联的动态评价模型，制约了盆地储层研究精度。
因此，对本溪组深层煤岩储层横向分异特征及其成因研究非常有必要。本文以鄂尔多斯盆地本溪组8#煤层为研究对象，通过跨区域岩心测试（工业组分、热演化分析、显微组分等）、多尺度孔隙表征（二氧化碳吸附、低温氮气吸附、高压压汞测试等）首次对深部煤岩煤质特征和储层分布特征进行了深入研究，揭示了深部煤岩储层的成因，为后续开采鄂尔多斯盆地的优势煤岩气提供一定的理论依据。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地位于我国中部，跨越甘肃、陕西、内蒙古、宁夏和山西等5个省区，总面积约为37×104 km2，是一个有油气、煤炭、铀等多种资源的多旋回叠合克拉通盆地［21-25］。研究区位于鄂尔多斯盆地中东部［图1（a）］，处于伊陕斜坡东部和晋西挠褶带上，古生界含煤层系主要发育有石炭系本溪组和二叠系太原组。本溪组是由海相和海陆交互相组成的含煤沉积层位，主要地层的底部由铝土质铁质岩组成，顶部则为8#煤层。研究井位均为本溪组8#煤岩，煤岩顶板为太原组砂岩，底板为泥岩，具有良好的顶底板条件［17］，利于煤岩的富集和保存［图1（b）］。地层产状相对平缓，厚度在地理上由西南向东北逐渐增大，形成了广泛分布的厚煤带。
图1 本溪组晋祠段沉积期沉积模式（a）与本溪组地层划分及岩性特征（b）［（a）据文献［25］修改，（b）据文献［26］修改］

Fig.1 Depositional model of the Jinci Member in the Benxi Formation （a） and stratigraphic division and lithological characteristics of the Benxi Formation （b）（（a）is modified from Ref.［25］.（b）is modified from Ref.［26］）

基于前人［27-29］的大量研究，鄂尔多斯盆地本溪组8#煤岩的成煤作用主要发育于沼泽相沉积体系，区域成煤模式可划分为障壁—海岸沉积体系和浅水三角洲沉积系统两大类，形成包括潮坪、障壁岛、潟湖及潮控三角洲等典型沉积相类型。中央古隆起东侧，华北海由东向西、向北入侵，沉积作用向西向北超覆，形成总体上东厚西薄的楔状体。整个沉积面貌以潮坪—潟湖—障壁岛—浅海陆棚为特征［图1（a）］，各沉积相单元具有差异化的岩性组合特征与成煤机理，且在时空演化过程中呈现多模式动态叠加的特点。本溪组湖田段沉积时期受物源区碎屑通量增加与大规模海退事件的双重控制，泥炭沼泽沉积中心呈现规律性迁移特征，形成由北向南扩展的淤积型洼地沼泽系统。畔沟段沉积时期至晋祠段沉积时期的海侵—海退旋回促使近岸带发育多期次平行海岸的障壁砂体，有效阻隔了潮坪—潟湖体系与开阔海域的水体交换。
前人［25］研究证实该层段具有潮坪—潟湖—障壁岛—沼泽复合沉积特征，其中晋祠段沉积时期沉积环境的时空分异显著：在强水动力条件下，晋祠早期发育厚层状晋祠砂岩，晚期水动力减弱后逐步转化为泥炭沼泽成煤环境，故潮坪相成煤作用多发育于向海过渡带，形成砂岩与多层中厚煤层的互层结构；潟湖相则以泥质—钙质沉积组合为特征，常见炭质泥岩—灰岩—薄煤层的韵律层序。2种沉积体系的岩相差异主要受控于水动力强度及物源输入通量，由此造成的沉积基底差异性直接导致鄂尔多斯盆地中东部深层煤岩本溪组8#煤的煤岩性质和储层特征有很大不同。本文研究以典型井S8井、Z6井、Z1井、S6井和S5井共5口井代表潮坪—沼泽沉积体系［图1（a）］，发育砂岩、煤的岩相组合；以典型井S4井、S1井等10口井代表潟湖—沼泽沉积体系，发育泥岩、炭质泥岩和煤的岩相组合；以15口井代表2种煤岩沉积体系来研究鄂尔多斯盆地中东部本溪组深层8#煤岩的储层分布特征及成因。

2 样品信息及实验方法

本文研究的样品来源于鄂尔多斯盆地中东部煤岩本溪组8#煤，岩心取自整个中东部地区，煤层厚度均在6~14 m之间，埋深在1 777.3~3 862.1 m之间，均属于深层煤岩。通过宏观煤岩特征、硫分特征、工业组分特征、显微组分特征和镜质体反射率来分析盆地中东部本溪组深层煤岩的非均质性，通过低温CO2吸附、低温N2吸附以及高压压汞定量表征煤储层特征，同时结合扫描电镜观察微观孔隙发育特征，分析煤岩储层特征，集合煤岩性质分析储层具体成因。分析测试结果如表1所示。
表1 煤岩煤质特征与储层特征数据

Table 1 Data sheet of coal petrographic characteristics, coal quality characteristics, and reservoir properties

沉积体系

样品

编号

深度

/m

 宏观煤岩类型

R O

/%

孔隙度

/%

硫分

/%

 工业组分/% 显微组分/% 镜惰比

微孔孔体积

/（cm3/g）

介孔孔体积

/（cm3/g）

宏孔孔体积

/（cm3/g）

固定碳 水分 灰分 挥发分 镜质组 惰质组 壳质组 矿物
潮坪—沼泽沉积体系 S8 2 056.62 暗淡煤 0.51 1.47 1.03 51.33 1.18 10.63 37.43 65.3 11.7 10.3 12.7 5.58 0.005 87 0.001 28 0.000 57
Z6 2 832.65 半暗煤 0.85 1.05 0.46 54.31 0.94 16.42 28.75 67.3 12.4 7.8 12.5 5.43 0.001 93 0.001 21 0.000 51
Z1 3 261.67 半亮煤 0.85 1.36 0.51 54.06 0.85 19.99 25.49 65.3 13.9 6.4 14.4 4.70 0.006 33 0.001 32 0.001 56
S6 2 132.3 暗淡煤 1.14 2.85 1.17 61.93 0.87 11.46 26.07 69.1 8.7 2.2 20 7.94 0.009 69 0.000 82 0.010 56
S5 2 179.23 半亮煤 1.26 1.84 0.76 54.54 0.74 29.35 15.71 62 15.67 0 22.33 3.96 0.002 93 0.002 59 0.000 77
潟湖—沼泽沉积体系 S4 1 777.3 半暗煤 0.98 3.34 0.89 64 1 14.28 21.07 70.33 9.34 0 20.33 7.53 0.012 27 0.001 02 0.000 57
S1 2 043.25 半亮煤 1.07 1.63 1.68 68.19 0.9 9.59 21.61 72 10.33 0 17.67 6.97 0.006 89 0.001 28 0.000 61
H9 2 453 光亮煤 1.02 2.81 0.69 66.02 0.87 12.11 21.3 78.33 9.34 0 12.33 8.39 0.012 00 0.001 43 0.001 27
H7 2 354.35 半亮煤 1.53 2.82 0.63 72.28 0.93 9.85 17.19 76.67 8.33 0 15 9.20 0.009 48 0.000 88 0.000 41
H2 2 772.11 光亮煤 1.55 5.63 0.59 75.97 0.84 9.34 14.05 77.34 5.33 0 17.33 14.51 0.020 85 0.000 58 0.005 96
H1 2 736.16 光亮煤 1.38 7.23 1.55 81.25 0.9 6.38 11.64 75.34 6.33 0 18.33 11.90 0.024 95 0.000 76 0.012 45
M1 2 092.91 半亮煤 1.97 4.87 8.35 83.44 1.65 7.64 7.27 76.34 5.66 0 18 13.49 0.014 22 0.000 63 0.003 09
Q3 2 807.62 光亮煤 1.43 7.93 5.19 85.42 0.67 6.1 8.42 79.67 12 0 8.33 6.64 0.030 63 0.000 62 0.017 03
Q4 2 974.66 半亮煤 1.85 4.77 0.67 77.27 1.32 13.22 8.47 72.33 6 0 21.67 12.06 0.034 18 0.000 26 0.005 02
L1 3 862.1 光亮煤 2.02 7.26 4.16 76.95 2.8 10.45 11.6 83.67 4.33 0 12 19.32 0.010 57 0.001 08 0.009 35
所有检测均在长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室完成。显微组分依据行业标准《透射光—荧光干酪根显微组分鉴定及类型划分方法》（SY/T5125—1996）的检测要求，选用生物显微镜对岩石中的干酪根显微组分进行测试；工业组分采用XL-2000型号马弗炉，测试标准依据国家标准《煤的工业分析方法》（GB/T 212—2008），选取10 g左右的粉末样，分析煤中水分、灰分、挥发分和全硫的百分含量；镜质体反射率采用MPV-3光度计进行测试，依据行业标准《沉积岩中镜质体反射率测定方法》（SY/T 5124—2012）；孔隙度测定依据国家标准《孔隙度、渗透率和饱和度测定》（GB/T 34533—2017），测定仪器为BETA206A氦孔隙度自动测定仪；二氧化碳吸附实验依据国家标准《甲烷等温吸附测定方法》（GB/T 35210—2017），测试仪器为Rubotherm重量法等温吸附仪；压汞测试分析依据行业标准《岩石毛管压力曲线的测定》（SY/T 5346—2005），测试仪器为高压压汞仪；低温液氮吸附实验依据国家标准《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》（GB/T 19587—2017），检测主要设备为全自动物理吸附仪、分析天平；对煤进行块状样品SEM分析，测试依据行业标准《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》（SY/T 5162—2014），使用的分析仪器为ZEISS Sigma300 场发射扫描电镜，主要观察煤的微观孔隙结构和黏土矿物特征。

3 本溪组煤岩特征

3.1　宏观煤岩特征

研究区采集的煤岩宏观类型主要是光亮煤和半亮煤，其次是半暗煤和暗淡煤（图2）。2种沉积体系的宏观煤岩类型有很大不同，潮坪—沼泽沉积体系以半亮型煤和半暗型煤为主，割理和裂隙均发育较差，潟湖—沼泽沉积体系则以光亮型煤和半亮型煤为主，暗煤较少，割理在亮煤中较为发育，裂隙发育较少。同时潟湖—沼泽沉积体系中自北向南光亮型煤和半亮型煤的比例逐渐增加，半暗型煤和暗淡型煤的比例逐渐减少。这种地区性差异由地质构造、沉积环境等因素导致［13，29］，亮煤具有更好的生烃潜能，主要发育在覆水较深的沼泽环境，沉积水体偏还原环境，所以潟湖—沼泽沉积体系发育较多；暗煤主要发育在偏氧化的环境中，所以近物源区的潮坪—沼泽沉积体系就以暗煤为主。
图2 本溪组8#煤岩储层宏观特征

（a）、（b）、（c）均为潮坪—沼泽沉积体系；（a）S8井、暗淡煤；（b）Z6井、半暗煤，截面光滑平整；（c）S6井、暗淡煤，割理不发育；（d）—（i）均为潟湖—沼泽沉积体系；（d）S4井、半暗煤；（e）S1井、半亮煤，有明显裂隙；（f）H7井、半亮煤，阶梯状断口发育；（g）H1井、光亮煤，割理发育明显，截面呈碎裂状；（h）Q3井、光亮煤，割理发育明显；（i）L1井、光亮煤，割理发育明显，可见明显玻璃光泽

Fig.2 Macroscopic characteristics of the No. 8 coal reservoir in the Benxi Formation

3.2　热演化程度特征

热演化程度是标志性的煤变质程度参数，不受煤岩成分、灰分等因素影响，受还原程度影响较小。热演化程度小于0.5%的煤为褐煤，大于2.5%的为无烟煤，介于两者之间的为烟煤。研究区的镜质体反射率值分布在0.51%~2.02%之间，平均值为1.29%，潮坪—沼泽沉积体系平均值为0.922%，潟湖—沼泽沉积体系平均值为1.48%，均属于烟煤，主要煤层均为中高变质阶段。潮坪—沼泽沉积体系相较于潟湖—沼泽沉积体系热演化程度较低（图3），且潟湖—沼泽沉积体系中热演化程度又从近物源区向远物源区逐渐增强。这种热演化程度的变化主要受控于岩浆作用和埋深的影响［30-31］，潮坪—沼泽沉积体系靠近造山带，古地理位置较高，潟湖—沼泽沉积体系在水平面以下，古地理位置较低，后期埋藏之后位置低的地区地热温度更大，促进热演化，同时南部断裂发育、底部热流上升、岩浆入侵导致南部地区温度较高，温度的升高加速了煤层的热演化，这2种因素共同导致了研究区煤岩热演化程度的区间差异。
图3 本溪组8#煤岩储层煤质特征

Fig.3 Coal quality characteristics of the No. 8 coal reservoir in the Benxi Formation

煤主要生气阶段的R O值分布在0.6%~4.0%之间，且随着热演化程度升高，生气量逐渐上升，当R O值达到1.6%时，生气量可达80%［32］。潟湖—沼泽沉积体系南部处于热成因气大量生成阶段，由于煤变质过程中生气和聚气作用形成大量的气孔，为煤岩气生成和保存提供了良好的条件［18］。

3.3　工业组分特征

煤的工业组分包括灰分、固定碳、水分和挥发分。根据研究区的情况，灰分的成因主要被认为是陆源碎屑的沉积作用所致［33-35］。陆源碎屑成因是矿物以碎屑的形式通过水的搬运作用运移到泥炭沼泽地，在与植物一同堆积的过程中最终形成煤层的碎屑物质。这些碎屑物质主要由黏土矿物和砂体组成，煤层中灰分的含量与基底沉积特征及沼泽环境密切相关。
根据国家标准《中国煤中灰分产率评价标准》（GB/T 15224.1—2018），灰分产率低于10%的煤属于特低灰煤，10%~20%的煤为低灰煤，20%~30%的煤为中灰煤，30%~40%的煤为高灰煤，40%~50%的煤为特高灰煤。煤样的工业分析结果显示，潮坪—沼泽沉积体系的灰分平均为17.57%，为低灰煤，潟湖—沼泽沉积体系灰分平均为9.87%，为特低灰煤；固定碳分布在51.33%~85.42%之间，平均为68.46%；水分分布在0.67%~2.8%之间，平均为1.1%；挥发分分布在7.27%~37.43%之间，平均为18.4%。2种沉积体系工业组分变化较大（图3），由潮坪—沼泽沉积体系到潟湖—沼泽沉积体系灰分和挥发分含量逐渐减少，固定碳和水分含量增加，同时潟湖—沼泽沉积体系中各种组分含量自北向南也有类似的变化趋势，指示了沉积环境存在较大差异，成煤期潮坪—沼泽沉积体系近陆源区，沉积环境偏氧化，灰分含量较高，当向南陆源碎屑输入减少时，灰分含量也会相应降低。这种规律主要是由于盆地北部受到兴蒙造山带的影响，靠近造山带地区地势较高，水流搬运作用较强，碎屑输入高，导致灰分含量较高，远离造山带的井位碎屑输入减少使得灰分含量低。但是潟湖—沼泽沉积体系中最南部的Q4井和L1井灰分略高，固定碳减少，是由于这2个井靠近障壁岛，地势稍高，有着砂体的输入，使得无机成分含量略高，有机成分相对减少。

3.4　硫分特征

煤中的硫主要来源于有机硫和无机硫，有机硫由植物吸收并在地层沉积或与硫酸盐类物质反应形成，无机硫则存在于矿物质中，受水环境影响。在泥炭沼泽环境中，还原性强的环境会形成富硫煤。有机硫在陆相煤层中占较大比例，主要是植物从土壤中吸收而来，过渡相来源于无机硫的转化［36-38］。
根据国家标准《中国煤层煤硫分分级标准》（GB/T 15224.2—2021），全硫含量低于0.5%为特低硫煤，0.5%~1%为低硫煤，1%~2%为中硫煤，2%~3%为中高硫煤，高于3%为高硫煤。研究区本溪组8#煤有的矿井硫分含量不到1%，有的高于2%，甚至可达8.35%，总体硫分平均为1.89%，属于中硫煤，潮坪—沼泽沉积体系的硫分平均为0.786%，为低硫煤，潟湖—沼泽沉积体系硫分平均为2.44%，为中高硫煤。研究区硫分跨度较大，整体硫分大多都是中硫煤，只有潟湖—沼泽沉积体系南部的数口井硫分含量较高（图3），达到高硫煤标准，且主要成分是有机硫，反映了从潮坪—沼泽沉积体系到潟湖—沼泽沉积体系水体还原性逐渐增强的特性。

3.5　显微组分特征

煤岩的显微组分主要包括镜质组、惰质组、壳质组和矿物。显微组分中以镜质组为主，分布在62%~83.67%之间，平均含量为72.73%，惰质组含量分布在4.33%~15.67%，平均含量为9.29%，矿物分布在8.33%~22.33%，平均含量为16.19%，壳质组只在潮坪—沼泽沉积体系中存在，当R O值为1.2%左右时消失。
潮坪—沼泽沉积体系镜质组平均含量为65.8%，惰质组平均含量为12.47%，潟湖—沼泽沉积体系镜质组平均含量为76.2%，惰质组平均含量为7.7%。由潮坪—沼泽沉积体系到潟湖—沼泽沉积体系，煤岩中的镜质组含量逐渐增加，惰质组含量逐渐减少，镜惰比在2种沉积体系平均为5.52%和11%。这一趋势表明盆地边缘存在较强的丝炭化作用，盆地内水体稳定闭塞，还原作用较为显著，进而导致凝胶化作用较为强烈。因此，在煤的形成时期，泥炭沼泽覆盖水体的深度由北向南逐渐增加，呈现出北部水浅、南部水深的特征［33-34］。

3.6　煤岩性质非均质性特征

硫分、工业组分和显微组分均反映了盆地不同地区成煤环境存在差异。灰分含量与惰质组含量呈较好的正相关性与镜质组呈明显的负相关性（图4），表征了不同指标表征沉积环境的一致性：氧化条件下，水动力一般较强，对应较高的无机碎屑矿物输入和高的惰质组的显微组分特征；还原滞留水体条件下，水体停滞，成煤环境偏还原环境，水动力较弱，一般灰分输入较低，且镜质组含量较高。
图4 本溪组8#煤岩储层显微组分与工业成分相关性

Fig.4 Correlation between maceral composition and industrial composition of the No. 8 coal reservoir in the Benxi Formation

镜下观察也表明（图5），潮坪—沼泽沉积体系陆源碎屑输入高的地方，充填的矿物也更多，基质镜质体胶结着大量的矿物和粗粒体，R O值较低的井位有着较多孢子和孢粉体镶嵌其中，裂隙孔隙中均被充填；潟湖—沼泽沉积体系远离造山带的井位矿物充填观察较少，整体镜下照片更为平整光滑，大片都是基质镜质体，胶结着少量的矿物。这也进一步证明煤岩沉积期沉积环境控制煤岩性质非均质性，8#煤岩距离陆源碎屑越近，惰质组含量越高，水动力较强且沉积水体偏氧化，潮坪—沼泽沉积体系的煤层形成于近物源区位置，受雨水作用强，碎屑物质输入较多，形成高灰分、低硫分、低镜惰比的煤层，潟湖—沼泽沉积体系主要受古环境海进海退的影响，覆水较深，水动力弱，形成低灰分、高硫分、高镜惰比的煤层。
图5 本溪组8#煤岩储层显微组分特征

（a）Z1井，基质镜质体均质镜质体胶结粗粒体和矿物；（b）Z6井，荧光下显示孢子和孢粉体；（c）S5井，基质镜质体胶结粗粒体和黏土矿物；（d）H7井，大片基质镜质体胶结矿物；（e）H2井，基质镜质体与丝质体胶结矿物；（f）大片基质镜质体胶结矿物；（g）M1井，基质镜质体胶结矿物；（h）Q4井，基质镜质体与裂隙；（i）L1井，基质镜质体胶结矿物

Fig.5 Characteristics of maceral composition in the No. 8 coal reservoir of the Benxi Formation

4 本溪组煤岩储层分布特征

4.1　煤岩不同类型孔隙表征

研究区的8#煤岩样品的氦测孔隙度分布在1.05%~7.93%之间，平均值为3.79%，潮坪—沼泽沉积体系孔隙度平均为1.71%，潟湖—沼泽沉积体系孔隙度平均为4.83%，储层特征差别巨大，孔隙度随着远离造山带方向逐渐增大。通过低温CO2吸附实验、低温N2吸附实验以及高压压汞实验定量表征煤储层特征，煤中的孔隙在尺寸上涵盖了多个范围，从微孔到宏孔都有广泛分布。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）在2015年发布的分类标准，孔径小于2 nm的孔被定义为微孔，介于2~50 nm之间的被称为介孔，而大于50 nm的为宏孔。
低温CO2吸附实验结果显示在0~0.02 MPa的压力范围内［图6（a）］，随着压力增加，吸附量迅速增加，而在大于0.02 MPa的压力下，吸附速率逐渐减缓，随着压力继续增加，CO2气体分子逐渐充填微孔并逐渐趋于稳定。从潮坪—沼泽沉积体系到潟湖—沼泽沉积体系吸附量逐渐增加，反映潟湖—沼泽沉积体系有较强的微孔吸附性能，其微孔更加发育。
图6 本溪组8#煤岩储层CO2吸附曲线（a）、N2吸附曲线（b）、高压压汞曲线（c）图

Fig.6 CO2 adsorption isotherm （a）， N2 adsorption isotherm （b）， and high-pressure mercury intrusion （c） curves for the No. 8 coal reservoir in the Benxi Formation

低温N2吸附实验显示当相对压力接近饱和时（P/P 0≈0.9），等温线急剧上升，吸附量显著提高［图6（b）］。随着达到饱和压力后，相对压力开始下降，脱附分支在较大相对压力范围内平稳脱附，表明在高相对压力下脱附速率较为缓慢，吸附物质稳定地保留在孔隙中。2种沉积体系滞后环都较窄或不存在，这表明孔隙均为狭缝孔［39］，是不开放连通性较差的孔隙，2种沉积体系的介孔均发育较差。
压汞曲线均为“分离型”，呈现两段式［图6（c）］，且进汞—退汞曲线的分离程度大。当毛细管压力为0.01~1 MPa时，曲线陡倾，几乎无进汞量；当毛细管压力>1 MPa，潮坪—沼泽沉积体系进汞量增加缓慢，潟湖—沼泽沉积体系进汞量快速增加。样品整体的汞饱和度呈现出由南向北逐渐减小的趋势，潮坪—沼泽沉积体系最大退汞效率较高，基本超过70%，而潟湖—沼泽沉积体系的退汞效率在40%~60%不等。
3种实验结果有着非常好的相关性，表明研究区煤岩储层主要发育微孔和宏孔，潮坪—沼泽沉积体系孔隙发育不及潟湖—沼泽沉积体系，且潟湖—沼泽沉积体系的微孔和宏孔埋藏较深的位置发育更好，其介孔发育较差。CO2吸附量与汞饱和度结果与孔隙度分布规律一致，说明8#煤岩的孔隙发育主要来源于微孔和宏孔贡献，随着远离造山带方向孔隙度更加发育。

4.2　煤岩储层分布特征

低温CO2吸附实验可以有效表征2 nm以下微孔的分布特征［40-41］。低温N2吸附方法在测试介孔（2~50 nm）时具有较高的精度，但对微孔和宏孔的测试精度较低。压汞法可以测试（3.5~1）×106 nm范围内的孔隙（根据PoreMaster-60型压汞仪参数），涵盖了介孔和宏孔的分布范围，但是进汞压力过大时会使煤基质压缩变形和孔隙破坏，故需要对部分压汞数据采用李阳等［41］研究方法进行压缩修正。根据测试原理，可以看出上述3种方法各有其优势的孔径段，能够准确表征不同孔隙结构。可以利用低温CO2吸附法来表征2 nm以下的微孔，低温N2吸附法来表征2~50 nm的介孔，压汞法的数据则适用于表征50 nm以上的宏孔。微孔和介孔衔接时将低温CO₂吸附在2 nm的值作为低温N₂吸附的初始值进行衔接，介孔后续值以衔接处差值进行调整，介孔和宏孔衔接时将低温N₂吸附在50 nm的值作为压缩修正后的压汞数据初始值衔接，宏孔后续值以衔接处差值进行调整。通过在2 nm和50 nm处将这些测试方法的数据进行衔接，可以统计煤样的全孔径阶段孔体积，并绘制孔体积增量分布图。这种综合利用不同测试方法的数据可以更全面地了解煤样的孔隙结构特征（图7）。
图7 本溪组8#煤岩储层孔体积分布

Fig.7 Pore volume distribution of the No. 8 coal reservoir in the Benxi Formation

由图7可以看出，孔隙发育程度由潮坪—沼泽沉积体系到潟湖—沼泽沉积体系逐渐增大，微孔和宏孔均呈增加的趋势，而介孔体积整体较低并呈降低的趋势。研究区煤岩样品的孔体积主要以微孔为主，其中孔径为0.6 nm的微孔占比最大。这表明在该研究区的煤岩样品中，具有0.6 nm孔径的微孔数量最多，或者说这种孔隙的长度最长。潮坪—沼泽沉积体系煤岩的孔隙类型以微孔为主，介孔和宏孔均发育较差，潟湖—沼泽沉积体系煤岩微孔和宏孔是主要的孔隙类型，介孔发育较差，本文研究认为这样的孔隙发育特征主要是受北部造山带陆源碎屑输入和热演化程度的影响。

5 本溪组煤岩储层成因

随着煤岩中的镜质组含量增加、惰质组含量减少，孔隙度的发育程度变好，三者结合有较好的相关性［图8（a）］，说明一般沼泽水动力条件较弱，还原环境条件下的煤岩有利于孔隙的发育［42-44］。煤岩的灰分产率与煤层的孔隙度之间存在明显的负相关关系，高灰分产率通常意味着煤中含有较多的无机物质，如灰分、矿物质等，这些物质会填充煤层中的孔隙，导致孔隙度降低。相反，低灰分产率的煤层通常含有较少的无机物质，孔隙度相对较高［45］。研究区的灰分与孔隙度有较好的负相关关系，潮坪—沼泽沉积体系靠近陆源碎屑输入区，碎屑输入高，灰分含量高，其中充填矿物就较多，造成堵塞，使得孔隙发育不明显；而潟湖—沼泽沉积体系相反，陆源碎屑输入低，灰分含量低，孔隙较为发育。
图8 本溪组8#煤岩储层孔隙度与显微组分（a）、孔隙度与灰分和镜质体反射率（b）相关性

Fig.8 Correlation diagrams of porosity with maceral composition （a）， porosity with ash content，and vitrinite reflectance （b） for the No. 8 coal reservoir in the Benxi Formation

许多学者认为热演化程度也对煤样中孔隙分布的影响较为强烈［46-47］。随着煤阶的升高，煤储层的孔隙度呈现高—低—高的变化规律。在高阶煤阶段，煤储层的孔隙度会再次增加，这主要是由于生烃产气生成了次生孔隙（气孔），这些气孔是高阶煤孔隙度增加的重要原因之一［48］。在低成熟到高成熟阶段，煤的原生孔隙会逐渐消失，并且由均匀分布的孔隙变得大小不一，不同热演化阶段孔隙大小也不尽相同，热演化程度越高，微孔越多，且介孔会变得极为不发育。潮坪—沼泽沉积体系的热演化程度相对较低时，孔隙发育较差；潟湖—沼泽沉积体系热演化程度相对较高时，孔隙发育好。将灰分、热演化分别和孔隙度进行相关性分析［图8（b）］，均有良好的相关性，说明研究区的孔隙度受到灰分与热演化的协同控制，两者一起影响了研究区的孔隙度发育。
将孔体积与R O和灰分进行结合可以直观看出2种因素对储层的影响（图9）。微孔孔体积与宏孔孔体积和热演化程度有着较好的正相关性，说明热演化程度提升，使得煤岩生气产生气孔，这些气孔主要为微孔和宏孔，结合2种沉积体系的储层特征来看，热演化程度主要影响潟湖—沼泽沉积体系的孔隙特征，热演化程度越高，微孔和宏孔越发育，但是R O值超过1.8%之后，孔体积有降低趋势，结合其埋深来看，推测是由于埋深过大，地层压力较大，构造应力强，高应力抑制了孔隙的发育［49-50］；微孔孔体积与宏孔孔体积和灰分有着非常好的负相关性，说明灰分的存在抑制了孔隙的发育，结合储层特征来看，灰分主要影响潮坪—沼泽沉积体系和潟湖—沼泽沉积体系近物源区位置，两处地区距离造山带近，陆源碎屑输入高，发育原生孔隙，陆源碎屑充填孔隙，造成孔隙发育不佳。
图9 本溪组8#煤岩储层孔体积与R O相关性（a）、孔体积与灰分相关性（b）

Fig.9 Correlation between pore volume and R O（a） and between pore volume and ash content （b） for the No. 8 coal reservoir in the Benxi Formation

扫描电镜镜下也可以看出：潮坪—沼泽沉积体系热演化程度较低，镜下孔隙极少，分布分散，大片都是矿物，原生孔隙被黏土矿物充填；潟湖—沼泽沉积体系中随着热演化的增加，气孔开始显现，但是体系近物源区位置气孔呈孤立状分布，密度较低，矿物含量减少，显现出大片的镜质组，远物源区位置达到了高成熟阶段，大量生气，气孔发育明显，个别气孔孔径甚至达到4 μm，气孔形态各异，甚至可以观察到气泡孔群（图10）。
图10 本溪组8#煤岩储层扫描电镜特征

（a）Z1井，孔隙不发育，黏土矿物充填；（b）Z6井，极少气孔孤立，黏土矿物充填孔隙；（c）S5井，黏土矿物充填孔裂隙；（d）H7井，气孔孤立分布，矿物分布广泛；（e）H2井，气孔较少且孤立分布；（f）气孔增多且形状各异；（g）M1井，气孔增多变大，少量矿物；（h）Q4井，气孔很多很大，形状各异；（i）L1井，气孔多，形成气泡孔群

Fig.10 SEM characteristics of the No.8 coal reservoir in the Benxi Formation

综上所述，鄂尔多斯盆地8#煤岩储层特征受陆源输入和热演化程度的协同控制（图11）：从潮坪—沼泽沉积体系到潟湖—沼泽沉积体系，逐渐远离造山带，陆源碎屑输入降低，灰分含量降低，但是南部受埋深加大和热源的影响，使得热演化程度上升，生烃产气生成气孔。故而潮坪—沼泽沉积体系中受碎屑输入影响，黏土矿物充填孔隙导致储层发育较差，潟湖—沼泽沉积体系中近物源区受碎屑输入和热演化程度共同控制，此时既有碎屑输入充填孔隙，又有成熟度升高生成气孔产生新的孔隙，总体而言储层发育一般，远物源区埋深更深位置主要受热演化程度控制，随着热演化程度升高产气，逐渐生成大量气孔，使得孔隙极为发育，储层特征变好。
图11 本溪组8#煤岩储层沉积模式

Fig.11 Depositional model of the No. 8 coal reservoir in the Benxi Formation

6 结论

（1）鄂尔多斯盆地深层煤岩煤质特征在平面具有很强的非均质性：从潮坪—沼泽沉积体系到潟湖—沼泽沉积体系，潟湖—沼泽沉积体系中从近物源区到远物源区，灰分含量逐渐降低，热演化程度、硫分含量和镜惰比逐渐升高。揭示了本溪组8#煤岩潮坪—沼泽沉积体系的煤层形成于偏氧化的沉积环境下，受水动力作用强，碎屑物质输入较多，潟湖—沼泽沉积体系主要受古环境海进海退的影响，覆水较深，沉积环境偏还原，形成低灰分、高硫分、高镜惰比的煤层。
（2）鄂尔多斯盆地深层煤岩潮坪—沼泽沉积体系的孔隙发育相较于潟湖—沼泽沉积体系更差，且潟湖—沼泽沉积体系中远物源区孔隙发育更好。孔隙以微孔为主，其中孔径为0.6 nm的微孔占比最大，说明研究区煤岩的微孔为主要的孔隙类型，其次是宏孔。
（3）鄂尔多斯盆地深层煤岩储层受陆源碎屑输入和热演化程度的协同控制：潮坪—沼泽沉积体系中受碎屑输入影响，黏土矿物充填孔隙导致储层发育较差，潟湖—沼泽沉积体系中远物源区位置，受碎屑输入影响更小，受热演化程度控制更大，煤岩随着热演化程度升高会生烃产气，逐渐生成大量气孔，使得孔隙发育，储层特征变好，潟湖—沼泽沉积体系远物源区是本溪组8#煤岩天然气勘探开发的有利区域。

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