Natural Gas Geoscience >

2024 , Vol. 35 >Issue 2: 202 - 216

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2023.10.012

Discussion on pore characteristics and forming mechanism of coal in the deep area， Ordos Basin：Case study of No.8 coal seam in Well M172 of Yulin area

  • Weibo ZHAO , 1 ,
  • Honglin LIU 2, 3, 4 ,
  • Huaichang WANG 1 ,
  • Dexun LIU 2, 3, 4 ,
  • Xiaobo LI 2, 3, 4
Expand
  • 1. Exploration and Development Research Institute，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China
  • 2. Key Laboratory of Unconventional Oil and Gas of PetroChina，Beijing 100083，China
  • 3. National Energy Shale Gas Research and Development （Experiment） Center，Langfang 065007，China
  • 4. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China

Received date: 2023-06-28

  Revised date: 2023-08-23

  Online published: 2024-01-26

Supported by

The Forward⁃looking Basic Project of CNPC(2021DJ2303)

the Key Applied Technology Project of CNPC(2023ZZ18)

Fold

Abstract

To search for the distribution of deep coalbed methane resources， it is urgent to identify the macerals and pore distribution characteristics of deep coal reservoirs. Therefore， taking the No.8 coal seam in Well M172 as an example， the paper conducted coal macerals， nuclear magnetic resonance porosity， and electron microscopy imaging in the Yulin area. The paper analyzed the parameters such as pore fracture types， pore connectivity， porosity， and pore structure distribution of coal rocks in the Yulin area， and explored the main controlling factors that affect coal seam reservoir performance， such as pore structure and macerals， as well as the mechanism of gas pore formation. The research results indicate that： （1）There are three peaks in the nuclear magnetic relaxation time T 2 of saturated water coal samples， with peaks located at 0.2 ms， 8 ms， and 300 ms， corresponding to adsorption pores， transition pores， and free pores， respectively， with adsorption pores being the main ones. （2）The total porosity and effective porosity of coal samples increase with the increase of vitrinite content； pores in coal rocks are related to the production of liquid hydrocarbons， and the matrix vitrinite develops a group of pores generated by the cracking of liquid hydrocarbons. （3）There are two types of occurrence states in deep coal seams： free gas and adsorbed gas. The coal seam has a higher gas content， and the gas saturation is generally supersaturated. The main controlling factors for coalbed methane accumulation are more complex， with multiple types of reservoir formation developed， such as fault shielding， hydrodynamic traps， structural lithology， and micro structures. The types of reservoir formation are more abundant than those in the middle and shallow layers. The study and genetic analysis of the pore structure characteristics of deep coal and rock in this article have certain geological significance for clarifying the formation laws of deep coalbed methane reservoirs.

Key words： Deep coalbed methane; Gas pore; Bubble pore-changing effect; Nuclear magnetic resonance technology; Ordos Basin

Cite this article

Weibo ZHAO , Honglin LIU , Huaichang WANG , Dexun LIU , Xiaobo LI . Discussion on pore characteristics and forming mechanism of coal in the deep area， Ordos Basin：Case study of No.8 coal seam in Well M172 of Yulin area[J]. Natural Gas Geoscience, 2024 , 35(2) : 202 -216 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2023.10.012

0 引言

随着煤层气勘探开发工作的不断推进，鄂尔多斯盆地东缘韩城、大宁—吉县、三交、保德等区块均进行了规模开发，大多集中在埋深小于1 500 m区域。鄂尔多斯、沁水等大型含煤盆地深部煤层气将有望成为我国下一步煤层气勘探开发的重要接替领域。中联煤层气公司在临兴区块、华北油田分公司在大城区块进行了现场试验，但都存在单井产量低、稳产时间短的问题，未取得实质性突破。2019年以来，中国石化延川南区块、中国石油大宁—吉县区块埋深大于2 000 m的深部煤层气勘探获得突破，吉深6-7平01井获得日产10×104 m3工业气流，2021年准噶尔盆地白家海凸起彩探1H井获最高日产气5.7×104 m3，深部煤层气不断获得突破，进一步提升了我国煤层气资源规模和开发前景［1］。2022年以来大宁—吉县多口煤层气深井8#煤层经过水平井分段体积改造获得日产气10×104 m3以上的产量。虽然深部煤层气已获得局部突破，但是深部煤层气获得突破的储层方面的控制因素还未完全阐明。2022年中国石油长庆油田公司钻探了M172井、J26井、Y160井等，本溪组8#煤埋深超过2 400 m，保压取心含气量测试揭示游离气含量最高可达35.29%，面对如此高的游离气含量比例，游离气赋存储层孔隙条件尚不清楚，亟需深化储层孔隙特征研究，查明深部煤岩孔隙控制因素与孔隙形成机制，进一步深化对深部煤层气储层的地质认识，推动深部煤层气有效开发利用。
煤岩是一种有机岩，普遍具有较强的非均质性和不连通的孔隙。通常使用压汞、液氮吸附、扫描电子显微镜等方法来表征煤层的孔隙结构［2-5］。他们在重复性、样尺寸、孔隙范围、测试精度和时间等方面各有优势，但在评价煤储层孔隙方面都有局限性：低温氮吸附法在描述微孔时误差较大；高压压汞法会因高压导致煤压缩效应的发生从而产生测量误差；扫描电镜方法只能观察局部表面的孔隙形态信息，缺乏对孔隙的整体评价认识。由于核磁共振（NMR）技术具有无损、快速、准确分析的特点，逐渐应用于不同变质程度煤的孔隙结构分析［4，6-8］。低场NMR技术主要是测试多孔介质中含1H流体（水、甲烷）在外部磁场下的弛豫过程，用于反演孔隙中的流体含量、流体特征、孔隙分布和含孔径信息的流体［9-12］。国内外广泛使用低场NMR技术来测试煤样孔径分布，结果与传统压汞、液氮吸附等比较，核磁共振技术更适用于不同变质程度的煤孔径测试［13-18］。
鉴于以上认识，本文以M172井为例，综合采用低场核磁共振技术、液氮吸附、扫描电镜等技术对鄂尔多斯盆地深层煤层的孔隙结构进行了研究，探讨了鄂尔多斯盆地深层煤层孔隙度、孔隙类型、孔隙连通性和孔隙结构与煤岩显微组分之间的关系，并探讨了煤中气孔的成因机制，并分析深部煤层气井高产的储层特征。

1 M172井基本地质特征

M172井是一口位于鄂尔多斯盆地榆林地区的深部煤层气井，该井8#煤层埋深为2 425~2 437 m。该井钻探于陕西省境内，构造上隶属鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东部（图1），位于走向NNE、向NW缓倾的单斜构造，区内断层断裂稀少［19-20］。该井钻遇地层从底向上依次为：马家沟组、本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组，其中山西组5#煤厚度为5.7 m，本溪组8#煤厚度为12 m，该地区煤层埋深呈现东浅西深的基本特征，深度范围为2 000~3 200 m。经过现场保压含气量测试证实该井8#煤层气具有较高的游离气含量比例，占比4.2%~35.29%。
图1 榆林地区M172井位置及地层柱状图［20］

Fig.1 Position and stratigraphic column diagram of Well M172 in Yulin area［20］

2 样品采集与实验方法

2.1　样品采集位置

M172井8#煤埋深为2 424.35~2 433.90 m，本溪组8#煤层以原生结构煤为主，煤心呈柱状，完整性好，割理裂隙较发育，局部井区受张应力影响，外生裂隙发育，应力释放后煤心碎裂（图2）。8#煤宏观煤岩类型以光亮型和半光亮型煤为主，底部发育少量暗淡型煤。
图2 M172井本溪组8#煤样品及宏观煤岩类型

（a）M172-1，2 425.45 m，光亮型；（b）M172-2，2 426.22 m，半亮型；（c）M172-3，2 427.27 m，半亮型；（d）M172-4，2 427.89 m，半亮型；（e）M172-5，2 428.65 m，光亮型；（f）M172-6，2 429.29 m，半亮型；（g）M172-7，2 430.15 m，光亮型；（h）M172-8，2 430.55 m，光亮型；（i）M172-9，2 431.01 m，光亮型；（j）M172-10，2 431.69 m，半光亮—暗淡型；（k）M172-11，2 432.60 m，半光亮型；（l）M172-12，2 433.25 m，暗淡型

Fig.2 Sample and macroscopic coal rock type of No.8 coal in Benxi Formation of Well M172

为系统研究8#煤层的显微组分与孔隙特征关系，按照2 m左右间隔从底到顶共采集12块8#煤样品（图2），使样品均匀分布，并对局部宏观煤岩组分变化较大部位进行了加密取样，使得样品能够代表8#煤层储层特征。然后把每个样品切分为4等份，分别用于工业分析、显微组分鉴定、扫描电镜观测、核磁共振实验。本文使用的部分含气量测试数据和等温吸附测试数据由中国石油长庆油田分公司提供。

2.2　核磁共振测量

核磁共振（NMR）主要通过获得煤样品孔隙和裂缝中流体氢核磁共振的弛豫速率和强度，最终获得煤样品的孔隙结构与流体信息之间的关系。该研究使用Recore 2 500核磁共振仪进行核磁共振测量，仪器主频 5 MHz，磁体类型为永磁体，磁场强度为0.3±0.03 T。样品预处理：将煤样制备成直径2.5 cm、长度2~5 cm柱塞样品；在90 ℃的烘箱中干燥24 h后，浸入水中抽真空8 h。测试流程：对样品进行水饱和后开展核磁共振实验；然后对样品进行400 psi（约2 758 KPa）离心处理至质量变化小于万分之一，对离心后样品再次进行核磁共振实验，实验采用测量参数如表1所示。
表1 核磁共振测量参数

Table 1 Nuclear magnetic resonance measurement parameter

参数 Δt 回波 /ms τ/s n 回波/次 n 扫描/次
数值 0.1 5 6 000 64

2.3　工业分析、显微组分和反射率测定

煤的工业分析采用《煤的工业分析方法》（GB/T 212—2008）进行。对煤层粉碎缩分后制备的光片进行光学显微组分分析，使用DM 4500P偏光显微镜统计显微煤岩组分，设备参数，最大视野为25 mm，支持透射光、正交偏光、荧光等，光源为12 V、100 W卤素灯。同时进行最大油浸镜质体反射率（R O，max）测定。显微组分定量分析按照行业标准《煤的显微组分组和矿物测定方法》（GB/T 8899—2013）进行，镜质体反射率按照行业标准《煤的镜质体反射率显微镜测定方法》（GB/T 6948—2008）进行。

2.4　煤岩微观孔隙观测

煤岩微观孔隙观测实验流程采用FEI Heilos 650F进行观测，设备具有场发射电子枪，电子束加速电压：350 V~30 kV；Ga离子枪，离子束加速电压：500 V~30 kV；分辨率：0.8 nm（@30kV， STEM），0.9 nm（@15kV， BSE），1.4 nm（@1kV， BSE）。按实验室自建流程进行。步骤如下：①采用Gatan model 697氩离子抛光仪抛光6 h，然后进行镀碳；②采用FEI Heilos 650F对抛光面进行扫描成像。

3 实验结果分析

3.1　煤岩煤质特征

本文对采自M172井的12块8#煤代表性样品工业分析结果表明（表2），8#煤水分含量为0.48%~0.98%，平均为0.75%；空气干燥基灰分产率（A ad）为12.69%~42.17%，平均为22.76%；空气干燥基挥发份含量（V ad）为11.88%~15.70%，平均为12.77%，空气干燥基固定碳含量（FC ad）为45.24%~75.17%，平均为63.72%。由空气干燥基工业分析结果可知，煤层水分含量低，煤层为中—低挥发份、中—高灰分类型。
表2 榆林地区M172井8#煤显微组分、工业分析对比

Table 2 Maceral and industrial analysis results of the No.8 coal of Well M172 in Yulin area

地区 样品编号 深度/m R O，max/% 工业分析/% 显微组分/%

矿物质（M）

/%

M ad A ad V ad FC d VI I E
榆林M172井 M-1 2 425.45 1.96 0.48 32.83 15.57 51.12 60.62 38.39 0.99 6.43
M-2 2 426.22 1.90 0.65 22.84 12.75 63.76 67.22 20.48 12.30 7.45
M-3 2 427.27 1.88 0.98 12.69 12.16 74.17 78.51 11.96 9.53 7.43
M-4 2 427.89 1.90 0.65 17.38 15.7 66.27 65.55 31.76 2.69 5.54
M-5 2 428.65 1.89 0.65 12.23 11.95 75.17 64.88 25.13 9.99 7.65
M-6 2 429.29 1.94 0.79 21.46 11.81 65.94 89.80 5.20 5.00 8.54
M-7 2 430.15 1.89 0.56 20.15 11.56 67.73 65.41 25.41 1.56 7.62
M-8 2 430.55 1.89 0.66 42.17 11.93 45.24 50.20 42.51 7.29 6.65
M-9 2 431.01 1.88 0.98 35.42 11.88 51.72 41.18 36.25 22.57 7.54
M-10 2 431.69 1.88 0.93 16.46 11.89 70.72 53.59 30.76 15.65 6.74
M-11 2 432.60 1.89 0.79 19.43 11.96 67.82 60.76 34.72 4.52 4.65
M-12 2 433.25 1.87 0.70 17.47 12.84 68.99 47.31 34.05 18.64 6.80
平均值 1.90 0.74 22.54 12.67 64.05 56.42 34.30 12.45 6.92

3.2　煤岩显微组分特征

根据采自M172井的12块8#煤代表性样品分析结果（表2），最大镜质组反射率R O，max值为1.87%~1.94%，煤层处于中高演化程度，属于中高阶煤，与处于同一区域构造位置的柳林、三交地区煤阶相当。显微组分测试结果见表2，8#煤镜质组（VI）含量为41.18%~89.80%，平均为61.78%；惰质组（I）含量为5.20%~42.51%，平均为28.29%；壳质组（E）含量较低，含量为0.99%~22.57%，平均为9.92%，灰分产率（M）为5.54%~7.54%，平均为6.46%。
分析结果表明，8#煤以镜质组为主，惰质组次之，含有少量壳质组，这与柳林、三交和大宁—吉县煤层显微组分相当。
通过显微观测发现，M172井8#煤常见惰性组分常见有丝质体和半丝质体［图3（a），图3（b），图3（e），图3（f）］，由木质纤维组织经丝炭化作用形成，反射光有突起，呈现白色。代表性的镜质组类型有基质镜质体、均质镜质体、结构镜质体［图3（c），图3（d），图3（g），图3（h），图3（k）］，主要由成煤的原始植物组织在气流封闭、积水较深的沼泽环境经过复杂的化学变化形成，在反射光照射下呈现为灰色。壳质组是由植物有机组分中稳定性强的角质层、树脂、孢粉等转化而来，M172井8#煤观察到少量沥青体［图3（m）］，在普通反射光下呈现出深灰色，荧光下渗出沥青体发橘黄—黄色荧光。
图3 榆林地区M172井8#煤反射光与荧光条件下煤岩显微组分特征

（a）井深2 426.99 m，丝质体（F）胞腔呈椭圆—圆状，保存程度较好，充填渗出沥青体（Ex）和黏土矿物；（b）井深2 426.99 m，与图2（a）同一视域下的荧光图像，渗出沥青体发橘黄色荧光；（c）井深2 433.79 m，基质镜质体（C1）和惰屑体（Id）；（d）井深2 433.79 m，与图2（c）同一视域下的荧光图像；（e）井深2 427.27 m，丝质体（F）胞腔呈椭圆—圆状，保存好，充填渗出沥青体（Ex）和黏土矿物；（f）井深2 427.27 m，与图2（e）同一视域下的荧光图像，渗出沥青体橘黄色荧光；（g）井深2 432.97 m，基质镜质体（C1）和均质镜质体（T2）呈条带式分布；（h）井深2 432.97 m，与图2（g）同一视域下的荧光图像，渗出沥青体发橘黄色荧光，均质镜质体发很弱的褐色荧光，惰质体不发荧光；（i）井深2 433.25 m，基质镜质体（C1）胶结惰屑体（Id）和矿物（Ca）；（j）井深2 433.25 m，与图2（i）同一视域下的荧光图像，矿物（Ca）呈现浅绿色荧光；（k）井深2 427.27 m，均质镜质体（C1）、结构镜质体（T2）呈条带式展布，胞腔中充填渗出沥青体；（l）井深2 427.27 m，与图2（k）同一视域下的荧光图像，渗出沥青体发橘黄—黄色荧光

Fig.3 Characteristics of maceral components in coal rock under reflected light and fluorescence conditions of No.8 coal in Well M172， Yulin area

3.3　煤岩NMR的T 2谱图分布特征

通过核磁共振实验，得到了煤样的T2 谱结果（图4，表3），饱和水信号分布以黑色实线表示，400 psi离心信号分布以红色实线表示。根据煤样的T2 谱分布特征，将测试结果分为3类：第一类是呈现3个明显峰［图4（a），图4（b）］，分布代表吸附孔、过渡孔和游离孔，吸附孔峰值分布于0.2 ms之间，过渡孔峰值位于8 ms左右，而游离孔峰值位于300 ms处。根据峰的相互连通性，可以进一步划分为连通和不连通2个亚类，如M-2为连通类型［图4（a）］，M-3为不连通类型［图4（b）］；第二类主要呈现1个峰，主要为吸附孔，峰值为0.2 ms［图4（c）］；第三类发育2个峰，主要为吸附孔和过渡孔峰［图4（d）］。
图4 榆林地区M172井8#煤典型核磁共振T 2谱

（a）M-2样品；（b）M-3样品；（c）M-8样品；（d）M-9样品

Fig.4 Typical NMR T 2 spectrum of No.8 coal of Well M172 in Yulin area

表3 榆林地区M172井8#煤样总孔隙度、有效孔隙度与显微组分统计

Table 3 Total porosity, effective porosity and maceral of No.8 coal sample in Well M172, Yulin area

序号 样品编号 深度/m 残余孔隙度/% 总孔隙度/% 有效孔隙度/% T 2c/ms VI/% I/% E/%
1 M-1 2 425.45 1.54 2.87 1.33 0.19 60.62 38.39 0.99
2 M-2 2 426.22 0.28 3.03 2.75 0.19 67.22 20.48 12.30
3 M-3 2 427.27 0.06 2.93 2.87 0.45 78.51 11.96 9.53
4 M-4 2 427.89 0.91 2.33 1.42 0.46 65.55 31.76 2.69
5 M-5 2 428.65 0.92 2.65 1.73 0.56 64.88 25.13 9.99
6 M-6 2 429.29 0.69 2.10 1.41 0.52 89.80 5.20 5.00
7 M-7 2 430.15 0.75 3.05 2.14 0.36 65.41 25.41 1.56
8 M-8 2 430.55 1.85 2.76 0.91 0.28 50.20 42.51 7.29
9 M-9 2 431.01 1.51 2.15 0.64 0.42 41.18 36.25 22.57
10 M-10 2 431.69 0.45 2.88 2.43 0.65 53.59 30.76 15.65
11 M-11 2 432.60 1.22 2.82 1.60 0.21 60.76 34.72 4.52
12 M-12 2 433.25 0.88 2.96 2.08 0.54 47.31 34.05 18.64

3.4　煤岩微观孔隙特征

采用扫描电镜观测，发现研究区煤岩主要发育微裂缝、溶蚀孔和气孔3种孔隙。
微裂缝的发育是内因和外因共同作用的结果，内因主要是岩石成分，而外因主要是外部构造环境和应力场。张性微裂缝两侧断面由于张性应力不均匀而粗糙不平整，几何形态呈波浪状、锯齿状，会有树枝状分叉现象出现，张性微裂缝经常被石英或黏土矿物充填，裂缝在延展方向上遇到矿物颗粒有绕过现象，长度差别较大，从微米级别到毫米级别均有发育，缝宽一般为纳米级别［图5（a），图5（b）］。剪性微裂缝的裂缝面平整光滑，几何形态呈直线形，常成组出现，裂隙一般延伸较长，少见矿物充填［图5（c）］。
图5 榆林地区M172井8#煤中常见气孔形态

（a）井深2 726.22 m，黏土矿物晶间孔、粒间孔发育，溶蚀孔发育；（b）井深2 727. 00 m，粒间孔发育；（c）井深2 732. 45 m，微裂缝发育；（d）井深2 735. 90 m，溶蚀孔发育；（e）井深2 732. 10 m，溶蚀孔发育；（f）井深2 732. 40 m，气孔发育；（g）井深2 733. 40 m，气孔发育，呈密集群状；（h）井深2 729.69 m，气孔发育，呈密集线状群体发育；（i）井深2 728.25 m，气孔发育，呈密集群状

Fig 5 Typical gas pore morphology of No.8 coal of Well M172 in Yulin area

溶蚀孔一般发育在矿物内部及边缘，主要为黏土矿物、脆性矿物在沉积埋藏、成岩演化过程中发生溶蚀作用后形成的孔隙，形状不规则，呈三角状、棱角状，孔径一般约为纳米级，孔径从数十纳米到数微米之间均有分布［图5（d），图5（e）］，一般具有较好的连通性。气孔不仅为煤层气提供了主要的吸附空间，还可以容纳大量的游离气。气孔一般是在生烃过程中伴随着油气排出生成的，也有一部分是由构造作用产生的。在扫描电镜下观察研究区样品，发现研究区气孔形态多样，呈圆形、新月形、气泡形、椭圆形等不规则形状［图5（f）—图5（i）］，孔径介于30~300 nm之间，其中100 nm以下的孔隙较多，气孔具有一定的定向性。

4 讨论

4.1　深部煤岩孔裂隙特征与连通性关系

低场核磁T2 图谱形态可以反映各级孔隙占比情况，谱峰宽度代表裂隙的分布区间，峰值高低代表孔隙含量大小，谱峰连通性体现了孔隙间的连通性。由图3中饱和流体煤样T2 谱图可知，8#煤部分样品发育吸附孔、过渡孔和游离孔，部分样品过渡孔和游离孔不发育，只发育吸附孔，并占绝对优势。
离心后的束缚流体煤样T2 谱为双峰型或单峰型弛豫曲线。通过饱和流体和束缚流体的核磁共振结果比较，发现吸附孔中束缚流体存在大量未能经高速离心离出的流体，过渡孔通过离心作用可离出部分流体（过渡孔峰的面积减小），而游离孔中的流体通过离心可完全离出（游离气的峰消失）。这意味着吸附孔、过渡孔连通性较差，只是具有一定的连通性，游离孔连通性较好，游离孔的峰减少面积最大，基本为0，反映了游离孔具有较好的连通性。上述分析表明，8#煤样中吸附孔和过渡孔一般相互连通性差，主要为封闭孔，不利于流体迁移。8#煤的游离孔的孔径和连通性均更有利于气体和水的渗流或迁移。

4.2　 T 2截止值与煤岩显微组分的关系

低场核磁T2 谱图可用于分析煤样孔裂隙特征，可动流体和束缚流体之间存在分界阈值，即T 2截止值（T 2C）。以M-1-1、M-4等4个样品T 2谱图为例，T 2C的计算由图6所示。
图6 榆林地区M172井8#煤核磁共振T 2和截止值T 2C计算结果

（a）M-1；（b）M-2；（c）M-3；（d）M-4

Fig.6 Calculation results of nuclear magnetic resonance T 2 and cutoff value T 2C for No.8 coal of Well M172 in Yulin area

沿束缚流体向左作水平直线，将该线与饱和流体T 2谱累计孔隙度曲线的交点向下作X轴垂线，垂线与X轴的交点即是T 2C。经计算，得到所有样品的T 2C值如表3所示。
从煤岩显微组分与T 2C关系可以看出，T 2C与镜质组和惰性组关系不明显［图7（a），图7（b）］，壳质组含量高，T 2C值较大［图7（c）］。
图7 榆林地区M172井8#煤截止值T 2C与显微组分关系

（a）镜质组（VI）与T 2C；（b）惰质组（V）与T 2C；（c）壳质组（E）与T 2C

Fig.7 Relationship between cut-off value T 2C and maceral of No.8 coal of Well M172 in Yulin area

4.3　煤岩孔隙度与煤岩显微组分的关系

T 2C是残余孔隙度和有效孔隙度的分界值，能够反映有效孔隙度的大小，有效孔隙度为核磁总孔隙度和核磁残余孔隙度的差值。首先利用标准样品建立核磁信号与孔隙度大小的对应关系［图8（a）］，然后将饱和水和离心后T2 谱信号分别做累计曲线［图8（b）］，利用核磁信号与孔隙度关系计算获得孔隙度，其中饱和水累计信号计算为总孔隙度，离心后T2 谱累计信号计算为残余孔隙度。
图8 榆林地区M172井8#煤总孔隙度和有效孔隙度计算示意

（a）核磁信号与孔隙度关系；（b）孔隙度计算示意

Fig.8 Total porosity and effective porosity calculated diagram of No.8 coal of Well M172 in Yulin area

通过对12个煤样的分析，总孔隙度和有效孔隙度如表3所示。结果表明，样品间的总孔隙度和有效孔隙度相差较大，残余孔隙度差别也比较大。各类显微组分与总孔隙度、有效孔隙度没有明显的相关性。

4.4　煤岩大孔占比与含气量的关系

本文利用核磁共振T2 谱面积估算样品大孔占比，并统计了现场含气量测试和等温线吸附测试数据（表4）。分析发现，8#煤样镜质组含量与总含气量相关性一般［图9（a）］，镜质组含量与兰氏体积相关性一般［图9（b）］，但是样品大孔体积占比与镜质组含量呈正相关，镜质组含量越高，大孔占比越高［图9（c）］；同时，大孔体积占比与游离气含量正相关，大孔占比越高，游离气含量越高［图9（d）］。因此，可以根据镜质组和大孔占比判断地下深部煤层中游离气含量占比的高低。
表4 榆林地区M172井8#煤大孔体积比、显微组分与含气量数据统计

Table 4 Statistics on the macro-pore volume ratio, maceral and gas content data of No.8 coal in Well M172，Yulin area

样品

编号

 深度/m G C/（m3/t） P L/MPa V L/（m3/t） AG/（m3/t） AGS/%

FG

/（m3/t）

 FGC/% VI/% I/% E/% BPR/%
M-1 2 425.45 14.85 2.54 12.18 11.02 134.75 3.83 25.79 60.62 38.39 0.99 18.00
M-2 2 426.22 15.40 2.87 17.09 15.28 100.77 4.12 26.75 67.22 20.48 12.30 19.00
M-3 2 427.27 23.63 2.93 18.93 16.89 139.90 6.74 28.52 78.51 11.96 9.53 30.00
M-4 2 427.89 18.05 2.22 17.11 15.68 115.11 6.37 35.29 65.55 31.76 2.69 25.00
M-5 2 428.65 21.48 2.03 17.58 16.22 132.43 5.26 24.49 64.88 25.13 9.99 20.00
M-6 2 429.29 20.07 2.15 14.54 13.36 150.22 6.71 33.43 89.80 5.20 5.00 35.00
M-7 2 430.15 21.32 2.56 16.21 15.32 113.25 5.32 35.21 65.41 25.41 1.56 25.31
M-8 2 430.55 22.85 3.00 14.06 12.51 182.65 3.34 14.62 50.20 42.51 7.29 8.00
M-9 2 431.01 12.97 3.44 11.88 10.42 124.47 0.55 4.24 41.18 36.25 22.57 1.00
M-10 2 431.69 17.30 3.21 13.45 11.88 145.62 2.42 13.99 53.59 30.76 15.65 5.00
M-11 2 432.6 22.55 2.75 15.75 14.15 159.37 4.40 19.51 60.76 34.72 4.52 15.00
M-12 2 433.25 17.50 3.39 18.17 15.95 109.72 1.55 8.86 47.31 34.05 18.64 3.00

注： VI为镜质组;E为惰性组;I为壳质组;PL 为兰氏压力;VL 为兰氏体积;GC 为总含气量;AG为吸附气含气量;FG为游离气含气量;FGC为游离气百分比;AG为吸附气饱和度;BPR为大孔体积百分比

图9 M172井8#煤岩显微组分与含气量、大孔体积比关系

（a）镜质组与含气量关系；（b）镜质组与兰氏体积关系；（c）镜质组与大孔体积占比关系；（d）游离气占比与大孔体积占比关系

Fig.9 Relationship between No.8 coal maceral and gas content， macro pore volume ratio in Well M172

4.5　与邻区煤层气成藏条件对比

为对比分析榆林深部煤层气成藏条件，本文对比了大宁—吉县、临兴和延川南3个地区（表5），榆林地区成煤环境以堡后泥坪为主，不同于大宁—吉县、临兴地区和延川南地区，榆林地区煤层含气饱和度为110%~135%，远高于其他3个地区，由于该地区埋深较大，煤层孔隙度平均为2.78%，略低于其他3个地区，煤层气渗透率、地层压力系数基本相当。通过对比分析煤层成藏条件表明，榆林地区深部与其他3个煤层气富集区类似，榆林地区具有煤层厚度大，平均为9.87 m，煤体结构完整，主要为原生结构煤，未见碎裂结构，煤层含气量高，可达23.43 m3/t，含气饱和度为100%~130%，明显高于邻区中浅层煤层气，具有丰富的游离气含量，整体处于盆地斜坡，水动力承压区的水动力条件弱，顶底板岩性以灰岩或泥岩为主，封盖能力好等有利成藏条件，同时由于埋深大，地应力强，煤层渗透率和孔隙连通性低于中浅层，该地区以单斜为主，局部发育微构造。
表5 鄂尔多斯盆地榆林地区与邻区8#煤层气富集成藏条件对比[24-26]

Table 5 Comparison table of coalbed methane accumulation conditions between Yulin area and adjacent areas in Ordos Basin[24-26]

成藏条件 榆林M172井 大宁—吉县地区 临兴地区 延川南地区
埋深/m 2 000~3 500 1 150~2 100 800~1 658 1 000~2 100
成煤环境 堡后泥炭坪为主 潮坪泥炭坪 潟湖泥炭坪 泥质陆棚泥炭坪
煤层厚度/m 6~15（9.87） 4~12（7.80） 1.5~15.5（5.8） 2.8~6.9（4.6）
含气量/（m3/t） 14.85~23.63（23.43） 20.1~30.6（27.5） 7.18~21.64（12.9） 5.8~20.5（12.5）
煤体结构 原生结构 原生结构 原生+少量碎裂结构 原生+碎裂结构
显微组分 镜质组>56.42% 镜质组>85.5% 镜质组>75.6% 镜质组>76.8%
割理发育 割理发育 割理发育 割理发育 割理发育
R O/% 1.88~1.96 2.5~2.8 1.6~1.9 2.3~2.56
饱和度/% 110~135 97~100（98） 45~100（95.1） 39.5~56.11（45.7）
孔隙度/% 2.15~3.05（2.78） 2.74~3.62（3.13） 4.21~7.5（5.39） 3.03~6.22（4.9）
渗透率/（10-3 μm） 0.054~0.78（0.087） 0.053~0.054 0.012~0.018 0.013~0.99
地层压力系数 0.98~1.00 0.90~0.93 0.83~1.02 0.76~0.87
水文地质条件 承压区 承压区 承压区—弱径流区 承压区—弱径流区
地层水化学特征 CaCl2型 CaCl2型 CaCl2型 CaCl2—NaHCO3型
顶板类型 灰岩、泥岩为主 灰岩为主 砂岩、泥岩为主 灰岩为主
构造特征 单斜为主，微构造发育 微构造发育 单斜为主 单斜为主，微构造发育

注：6~15（9.87）=最小值-最大值（平均值）

4.6　煤层气孔成因机制的探讨

前人［21-23］研究发现，煤岩演化过程中，随着含氧官能团和脂肪结构的减少，芳香结构增加，导致煤基质塑性减弱而表面张力增强，阻碍热解产生的气泡突破基质，在煤基质内部形成大量封闭气孔。本文研究除了在镜质组中发现大量大型密集气孔（>50 nm）之外，还在煤岩固体沥青中发现大量大孔（50 nm~5 μm）（图10）。根据此类大孔发育位置、形态和群体分布主要受控于固体沥青的特征，推测成因应该与固体沥青有关。
图10 发育在煤岩的固体沥青组分中的大孔

（井深2 734.40 m，不规则气孔，BSE，2 500×）

Fig.10 Large pores developed in the solid bitumen components of coal rocks

根据固体沥青和镜质组中的大孔发育特征，本文认为M172井煤层在埋藏演化过程中，气孔生成主要有2种成因：第一类为发育在基质镜质体中的气孔群［图5（g）—图5（i）］，其形成受到深成变质作用影响，煤热演化程度不断升高，煤岩各种显微组分热解产生甲烷或其他烃类气体，这些烃类气体会被具有塑性的煤基质束缚难以有效排出，后期随着煤岩进一步压实和变质而固化成孔，形成现今在镜下观察到的赋存在镜质组中的大量气孔；第二类气孔群为发育在固体沥青的气孔群，其形成具体经历了3个阶段演化，即：煤产液态烃阶段、液态烃裂解产气阶段和气泡固化成孔阶段（图11），本文将这一过程称为煤岩演化过程的气泡变孔过程，由于该演化过程中气泡生长更加易于形成大量成群的大孔，而大孔中游离气相对富集，因此气泡变孔过程对于深部煤岩游离气赋存具有重要意义。而控制气泡生长的大小和密度可能与煤岩显微组分有关，富氢的煤组分更加容易产生液态烃，而液态烃裂解产生的气泡更容易随着沥青化固化成孔。
图11 煤岩中气泡变孔作用示意

Fig.11 Schematic diagram of bubble pore-forming in coal rock

从本文观察到的显微组分与大孔发育规律来看，富含基质镜质体的样品中观察到气孔群数量更多，而液态烃裂解产生的固体沥青气孔群较少，说明煤岩显微组分，尤其是基质镜质体含量对大孔形成具有明显的控制因素，进而对游离气起到控制作用。因此，开展煤岩显微组分研究，查明不同区域煤岩显微组分分布特征，可以预测游离气富集区，有助于深部煤层气井获得高产。

4.7　深部煤层气成藏基本特征

鄂尔多斯盆地深部榆林地区煤层气具有广覆式生烃、大面积成藏的基本特征。深部煤层全区发育，分布连续稳定，厚度大；煤层热演化程度高，R O值为1.88%~1.96%，达到了中—高成熟阶段；在晚侏罗世—早白垩世，地层温度达到120~140 ℃，生成大量煤层气，具有全区大面积成藏特征。深部煤层既是烃源岩也是储集层，组织孔、胞腔孔、气孔、晶间孔和溶蚀孔广泛发育，是煤层游离气主要赋存空间。钻井测试表明深部煤层气呈现出高饱和、高游离气含量比特征，M172井深部煤层解吸气量平均达23.63 m3/t，含气饱和度为110%~135%。
与中浅层煤层气相比，深层煤层气地质与气藏特征有明显差异，深部煤层平均埋深大于1 500 m，储层压力更大，地层温度更高，储层物性更差，非均质性更强（表6）。钻井取心资料证实，深层煤层存在游离气与吸附气2种赋存状态，煤层含气量更高，是中浅层的2倍以上，含气饱和度普遍存在超饱和现象，煤层结构以原生结构煤为主，煤体结构完整，割理发育，同时煤层气处于承压水动力条件，地层水矿化度为中浅部的10倍以上，深部煤层气成藏主控因素更为复杂，构造、埋深、厚度、含气性、水动力、顶底板、煤体结构和裂缝发育程度成为深部煤层气成藏主控因素，并存在多种成藏模式，发育断层遮挡、水动力圈闭、构造—岩性和微幅构造等多种成藏类型，成藏类型比中浅层更加丰富。
表6 深层煤层气与中浅层煤层气成藏特征对比[27-29]

Table 6 Comparison of reservoir formation characteristics between deep coalbed methane and middle-shallow coalbed methane [27-29]

序号 地质气藏特征 中浅层煤层气 深层煤层气
1 埋深/m <1 500 >1 500
2 储层物性 孔隙度1.01%~15.78%，渗透率（0.005~3.01）×10-3 μm2 孔隙度0.54%~10.67%，渗透率（0.001~14.6）×10-3 μm2
3 含气量/（m3/t） 4~20 18~25
4 含气饱和度/% 30~85 110~130
5 储层温度/℃ 30.50~51.19 61.3~87.4
6 储层压力/MPa 3.54~9.65 15.56~25.87
7

地层水矿化度

/（mg/L）

 水型为CaCl2型，总矿化度4 300~12 700 水型为CaCl2型，总矿化度（10~20）×104
8 赋存状态 吸附气为主 游离气与吸附气并存，游离气占比20%以上
9 煤体结构 以碎裂、碎粒煤为主 以原生结构煤为主
10 成藏主控因素 构造背景、顶底板条件和水文地质条件为主要控制因素 构造、埋深、含气性、水动力、顶底板、煤体结构、裂缝为成藏主控因素
榆林深部顶底板以泥岩或致密泥灰岩为主，封盖性能好，多期构造运动影响下发育微幅构造，吸附气与游离气共存广泛发育，并在水动力、构造形态和断裂等共同作用下形成多种气藏类型（图12），其中微幅构造气藏、背斜气藏、斜坡气藏、水动力气藏是常见类型之一，另外局部地区发育断层遮挡成藏，还有煤储层由于分叉、尖灭、伸入泥岩等封闭较好的地层中形成以煤层为储层的岩性气藏。
图12 研究区广覆式大面积成藏模式

Fig.12 The deep wide-covered large-area accumulation model of the study area

5 深部煤层气成藏岩性组合及生产特征

5.1　深部煤层气成藏组合类型

煤层在地质演化过程中生气量巨大，生气高峰期持续较长，煤岩的持续充注是为煤系地层致密砂岩气成藏的重要成因和物质基础。根据煤层与附近砂岩空间叠置关系，研究区普遍发育3种底板+煤层+顶板岩性组合类型：①Ⅰ类组合：泥岩+煤+砂岩组合。此组合煤层气可以自生自储，同时煤生成的烃类气体直接在顶板砂岩中储存，在存在区域性泥岩作为盖层的地区，可以形成十分有利的成藏组合。②Ⅱ类组合：泥岩+煤+灰岩组合。该组合类型煤岩发育，反映沉积环境在长期沼泽化后的海侵过程，灰岩致密，加之底板泥岩致密，具备良好的封盖条件，利于煤层气组合的保存。③Ⅲ类组合：泥岩+煤层+泥岩组合。该组合类型在研究区部分地区发育，反映了水体长期处于沼泽环境，受大气降水或区域环境影响，煤层发育厚度大而稳定，煤岩生成的烃类气体受泥岩封盖，煤层气保存条件较好。

5.2　深部煤层气产气特征

为探讨深部煤层气生产特征及产气规律，本文以Y160井为例，该井位于M172井南部，处于同一构造位置，煤层气地质条件与M172井类似，属于Ⅲ类组合：泥岩+煤层+泥岩组合，8#煤层底板泥岩下部发育晋祠组砂岩，晋祠组砂岩气测全烃最高35%，解释为气层烃类。该井8#煤层埋深为2 500 m，厚度为8.5 m，实测R O，max值为1.93%，含气量最高为21 m3/t，含气饱和度为128%，顶板岩性为泥岩。对Y160井8#煤埋深为2 378.5~2 381.5 m段进行了射孔、压裂，共加砂105 m3，注入液量3 450 m3，经过连续排采4个月后稳产阶段平均日产气为1 100 m3，日产水为2.0 m3，6个月累计产气13.6×104 m3（图13）。从Y160井生产特征分析认为，可以将深部煤层气井产气分为4个阶段：①憋套压阶段：套压0.75~4.20 MPa，产水2.1~3.5 m³/d；②初始产气阶段：套压3.0~4.5 MPa，产气23~570 m³/d，产水1.1~3.7 m³/d；③产气上升阶段：套压2.0~5.2 MPa，产气260~1 600 m³/d，产水0~3.0 m³/d；④稳定产气阶段：套压2.0~5.0 MPa，产气1 100~1 600 m³/d，产水1.5~2.0 m³/d。
图13 Y160井8#煤层气实际生产曲线

Fig.13 The actual production curve of No.8 coal seam in Well Y160

南部大宁吉县地区已经实施了35口水平井，平均水平段长为1 261 m，平均煤层钻遇率为97.2%，投产23口井均获高产，呈现“返排即见气，投产即高产”的生产特征。在控压生产条件下平均单井初期日产气11×104 m3，是中浅层水平井的10~20倍。对23口水平井产气归一化曲线表明，后期投产的水平井效果均好于首口突破井吉深6-7平01，单井日产超10×104 m3，新投产2口井不到1年累计产气超2 000×104 m3，返排率为25%~30%，实现产气稳定。

5.2　深部煤层气井高产机理分析

由于深部与中浅层煤层气地质气藏特征的差异，深部具有高温高压、游离+吸附气复杂赋存状态、高含气量、高饱和度，深部煤层气压裂与产气规律与中浅层有明显不同：①鄂东缘大部分深层煤层气井呈现出见气早、上产快、水平井投产即高产、地层能量高、气液比高及自喷携液等生产特征；②部分井压裂返排过程中点火可燃；③深层煤层气水平井产量是中浅层直井平均产量的60~100倍，这些生产特征与“长期排水后才见气”的中浅层有明显不同。
分析其产气高于浅层的主要机理在于，一方面深部煤层气每米加砂量、注入液量为中浅层的3~5倍，深部煤层气井压裂规模要大大超过中浅层的煤层气井改造规模，形成了更大的供气面积，很可能沟通了附近的一部分含气砂岩层，有利于初期高产；另一方面在于深部煤层气普遍含有一定量的游离气组分，同时具有较高饱和度，临界解吸压力比较高，深部煤层产水量也比较少，排水降压达到临界解吸压力时间短，气体释放快，产气比较稳定，同时煤层含气量较高，煤层厚度大，单井控制储量大，深部煤层气井普遍具有长期稳产的生产潜力。

6 结论

（1）鄂尔多斯盆地深部M172井8#煤饱和流体煤样核磁共振T 2谱可以划分为单峰性和三峰型，谱峰分布于0.2 ms、8 ms和300 ms处，分别对应于吸附孔、过渡孔和游离孔，孔隙类型以吸附孔为主，峰间的连通性代表孔隙间连通性。
（2）M172井8#煤样总孔隙、有效孔隙度随着壳质组含量增加而增大，镜质组分发育更多的封闭孔隙。含有壳质组分含量高的样品有效孔隙度大，煤层孔隙连通性较好。8#煤基质镜质体中发育气孔群，可能与凝胶化作用更易于保孔、留气有关，煤岩产生的液态烃可以裂解生气，经过气泡变孔最终形成气孔群。
（3）深层煤层存在游离气与吸附气2种赋存状态，煤层含气量更高，含气饱和度普遍超饱和，以原生结构煤为主，割理发育，深部煤层气成藏主控因素更为复杂，构造、埋深、厚度、含气性、水动力、顶底板、煤体结构和裂缝发育程度等多要素综合成为深部煤层气成藏主控因素，发育断层遮挡、水动力圈闭、构造—岩性和微幅构造等多种成藏类型，成藏类型比中浅层更加丰富。

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