0 引言
深层煤层气作为战略接替能源，其资源潜力与开发技术突破已成为全球非常规天然气领域的研究热点。最新评价表明［1-4］，我国埋深大于2 000 m的深层煤层气资源量为（18.4~40.71）×1012 m3，蕴藏巨大勘探潜力。鄂尔多斯盆地［5-8］、准噶尔盆地［9］和四川盆地［10］等区块相继在1 500 m以深的煤层获得高产工业气流，标志着我国深层煤层气开发进入规模化阶段，对保障国家能源安全意义重大。鄂尔多斯盆地东缘（简称鄂东缘）地区是我国深层煤层气勘探开发的重点区域，其上古生界煤系地层厚度大、分布广，且煤层多、煤岩质量好、组合丰富，完全具备形成大型深层煤层气田的物质基础［11-13］。2019年以来，大宁—吉县区块实施开发先导项目并落实气井产能，深煤层单井最高日产量和累计产气分别保持在10.1×104 m3和2 601.9×104 m3以上，区块日产气量突破300×104 m3［5，14-15］；临兴—神府地区首口深煤层气水平井测试产量达6.0×104 m3/d［16］，探明地质储量超千亿方，证实鄂东缘具备万亿方级大气区资源基础。
本文聚焦临兴区块8+9号深层煤层气藏，系统分析了煤系生烃源岩岩性、组分、有机质类型及热演化程度，煤岩储层宏观物性、孔喉大小及甲烷吸附性能，以及深部煤层温度与压力等成藏基本条件，研究热演化、构造和保存等多个因素在深层煤层气富集过程中的影响作用，厘定关键构造期与煤层气及上覆致密砂岩气成藏时序关系，在此基础上建立了深层煤层气断裂调整型综合成藏模式，为该地区深层煤层气资源的高效利用及开发部署提供基础依据。
1 地质背景
鄂尔多斯盆地基底由早太古代硅铝质古陆核组成，经晋宁运动后拉贴至华北克拉通［21］。早古生代，该区遭受加里东运动（沉积间断约140 Ma），导致中奥陶统—上奥陶统至下石炭统区域性缺失，仅保留下奥陶统风化壳；晚古生代华北克拉通南—北向俯冲碰撞触发陆内坳陷，沉积序列包括上石炭统海陆交互相含煤建造、下二叠统近海沼泽相及中二叠统—上二叠统河流相地层［22］。中生代印支运动促使扬子—华北板块碰撞，形成NE向基底断裂活化，控制三叠纪大型湖盆与早侏罗世河流相沉积体系；晚侏罗世受燕山运动影响，盆地东部形成伊陕斜坡，西缘发育前缘坳陷［23-24］。新生代喜马拉雅运动导致盆缘逆冲带与盆内克拉通稳定区分异，塑造现今“西冲东抬、南北隆升”的构造格局［25-26］。
2 成藏条件
2.1 生烃条件
2.1.1 岩性及组分
8+9号煤层作为主力生气源岩，形成于潮坪沼泽成煤环境，具有厚度大（2~20 m）、横向连续性好的特点。煤岩类型涵盖镜煤［图2（a）］、亮煤［图2（b）］和暗煤，煤岩有机质组分约为85.2%~99.2%（均值为94.2%），灰分产率低，以黏土矿物为主（0.7%~12.1%，均值为5.1%），含少量硫化物（均值为0.8%）及碳酸盐矿物（<0.2%），见图3（a）。煤层所夹泥页岩段岩性主要为黑色—灰黑色炭质页岩、粉砂质泥岩等，矿物成分主要为石英（25%~52%，均值为37.0%）和黏土矿物（25%~73%，均值为52.7%），含少量长石和碳酸盐矿物，偶见黄铁矿，有机质呈纹层状分布，见部分炭屑［图2（c）］、炭质条带［图2（d）］。
图2 临兴地区8+9号煤层岩心和镜下照片（a）镜煤，LX-A井，2 090.20 m；（b）亮煤，LX-A井，2 067.80 m；（c）炭屑，LX-D井，1 870.60 m；（d）炭质条带，LX-D井，1 872.75 m； （e）高岭石，LX-D井，1 875.75 m；（f）伊利石，LX-D井，1 925.85 m。OM为有机质；Kln为高岭石；Ill为伊利石 Fig.2 Core and microscopic photos of the Nos. 8+9 coalbeds in the Linxing area |
2.1.2 有机质丰度及类型
临兴地区8+9号煤层有机质丰度（TOC=86.5%~99.2%，均值为94.2%）与生烃潜量（S 1 +S 2=1.86~307.8 mg/g，均值为87.0 mg/g）显著优于夹层泥页岩（TOC=0.6%~17.1%，均值为1.7%；S 1 +S 2=0.2~31.6 mg/g，均值为1.2 mg/g）；按照煤系烃源岩评价标准［27］，煤层属优质烃源岩，泥页岩为一般烃源岩。显微组分分析显示，煤岩镜质组（50.6%~97.8%，均值为82.4%）、惰质组（2.1%~49.3%，均值为17.4%）和壳质组（~3.2%，均值为0.2%），组分占比指示其有机质类型为Ⅲ型［图（4）］，符合海陆过渡相煤岩特征。SEM显微表征揭示2类典型有机质赋存状态：①炭质颗粒（长度为50~200 μm）与自生石英、黄铁矿共生，黄铁矿沿黏土矿物层理定向排列［图2（c），图2（d）］；②无定形有机质呈分散状填充于黏土矿物片晶（厚度为0.1~0.5 μm）间，片晶无序堆积形成纳米级吸附孔隙（直径<10 nm），见图2（e）和图2（f），该结构显著增强甲烷吸附容量。
2.1.3 热演化程度
深部煤层有机质总体处于成熟—高成熟演化阶段，紫金山岩体附近的局部煤层受岩浆侵入作用影响而进入过成熟热演化阶段。总体而言，临兴地区8+9号煤层呈现出自东北至西南方向R O值逐渐增大的趋势，与埋藏深度趋势基本一致，说明煤系热演化主控因素为埋藏热效应，岩浆叠加改造作用影响范围局限。
2.2 储集条件
2.2.1 宏观物性
2.2.2 孔喉大小
高压压汞测试（N=3）表明，8+9号煤层（埋深1 800~1 900 m）平均喉道半径在0.02~0.24 μm之间［图9（a）—图9（c）］，证实亚微米级孔喉系统主导。按大孔（>1 μm）、中孔（0.1~1 μm）、小孔（0.01~0.1 μm）和微孔（<0.01 μm）的孔径分级标准，8+9号煤层煤岩孔喉以中—小孔为主。0.05~5 μm大小的孔喉对宏观渗透率的影响较大，且随孔隙度的增大，主力贡献孔径有减小趋势［图9（d）］。孔隙表面积方面，小孔和微孔贡献了绝大多数的孔隙表面积［图9（e）］，特别是微孔的数量对孔隙表面积的贡献度较显著。煤岩孔隙表面积的增长有利于对甲烷气体分子的吸附，说明小孔和微孔的数量直接控制了煤岩的吸附性能。
2.2.3 甲烷吸附性能
2.3 温压流体条件
3 富集因素分析
3.1 热演化影响煤层气储集空间和甲烷赋存状态
镜质体反射率与Langmuir参数呈非线性耦合关系（图10）：当R O=1.0%~2.0%时，Langmuir体积从5 m³/t急剧增至22.5 m³/t（增幅350%），Langmuir压力从4 MPa骤降至1.5 MPa；R O>2.0%后，Langmuir体积增速减缓至30 m³/t（增幅33%），Langmuir压力稳定于1.0~1.2 MPa之间。该趋势揭示成熟阶段煤岩吸附势显著增强，过成熟阶段煤岩吸附性能增长的幅度趋于平缓，且甲烷气从煤岩中解吸附能力变差，相对较难克服分子吸引力变成游离气。
以上分析说明热演化过程驱动煤岩孔隙系统和甲烷气赋存状态发生动态重构。R O>1.0%以后干酪根C—C键断裂形成小于0.1 μm 的微小孔隙，这类孔隙对宏观渗透率影响较小，但对比表面积的贡献度较大，能快速增强煤岩对甲烷气体的吸附能力［32］。R O>2.0%的过成熟阶段，液态烃在高温条件下裂解成短链烃类，有机质微小孔隙增幅缓慢，故煤岩对甲烷的吸附能力增长趋势变缓，此时甲烷气体分子被有机质微孔吸附得相对牢靠，且微孔系统迂曲度较高，被吸附的甲烷气较难被解吸附而形成游离气。
3.2 深部煤层吸附气聚集受负向构造控制
研究区石炭系—二叠系主要经历了燕山早—中期高角度逆冲、喜马拉雅期Ⅲ幕压扭和Ⅳ幕张扭性共3期断裂活动。①燕山期高角度逆冲—压扭性断裂主要为NNE向或近SN向分布，断距较小，被紫金山岩体侵入；侵入岩体二长岩和正长岩的锆石U⁃Pb测年数据（133.1~130.4 Ma）［25，35］说明高角度逆冲断裂形成于早白垩世以前（燕山期Ⅰ—Ⅲ幕），其形成与秦岭—天山兴蒙—太平洋多元汇聚的挤压应力相关［36-37］，导致低幅隆起区的发育（图13）。②新生代喜马拉雅期Ⅲ幕，由于印度板块与欧亚板块碰撞和太平洋板块向欧亚板块俯冲2种构造应力的远程效应，NE—NW向挤压叠加改造燕山期断裂系统［38］，并发育继承性叠瓦状逆冲—走滑断裂，见图13。③喜马拉雅晚期（Ⅳ幕），受青藏高原东北缘地块的持续推挤及其构造应力向东传递的影响，研究区发生引张伸展、斜张走滑和挤压变形［26，39］，发育NNE向走滑—张裂性质断裂与次级断裂组成负花状构造（图13）。自西向东临兴地区依次可划分出2个低幅隆起区与断陷带，以及最东边的断阶带（图13）。低幅隆起区由燕山早—中期高角度逆冲及喜马拉雅早期压扭共同作用的继承性断裂所控制，断阶带的继承性叠瓦状逆冲—走滑断裂极有可能叠加了中生代以来3期主要断裂活动，惟有断陷带的走滑—张扭性断裂形成于中新世晚期。断裂系统的差异性活动引起8+9号深部煤层吸附甲烷气的差异性聚集，断陷带煤层含气性相对优于低幅隆起区和断阶带（图12）。
3.3 喜马拉雅期构造保存对深层煤层气富集起关键作用
临兴地区8+9号煤层经历了“先沉降后抬升”的埋藏过程（图14）。上石炭统本溪组煤系地层依次经历了P1—T2快速埋藏、T3—J3缓速埋藏和K1加速埋藏，在缓速埋藏阶段煤系烃源岩达到105~125 °C缓慢生排烃，液态烃充注煤层顶板砂岩储层，其同期盐水包裹体测温（100~115 °C）［40-41］反映充注高峰期约为195~190 Ma［29］，与高角度逆冲—压扭性断裂形成时间基本对应（图14）。加速埋藏阶段时（>125 °C）烃源岩迅速生排出甲烷气，煤层顶板砂岩溶蚀孔隙或石英颗粒微裂缝中含气包裹体（盐水包裹体温度125~140 °C）［40-41］说明其充注高峰期在135~110 Ma之间［29］。8+9号煤层首先吸附大量甲烷气体而形成煤层气藏，吸附饱和以后由于紫金山岩体隆升（133~134 Ma）的影响向上排出游离气并进入顶板致密砂岩储层中聚集成藏，上古生界致密砂岩气聚集成藏可能持续至晚白垩世早期［42-43］。
晚白垩世以后的抬升阶段，煤系烃源岩的生烃停滞，不再产生原生气藏。喜马拉雅期Ⅲ幕NE—NW向压扭应力活化了燕山期断裂系统，中生代形成的原生气藏包括煤层气藏在断裂活化背景下向上调整，于中二叠统—上二叠统砂岩储层中聚集成次生致密砂岩型气藏，如盆地东北部上二叠统接近30 Ma成藏的次生致密砂岩气［44］。喜马拉雅晚期（Ⅳ幕）的NW—SE向张应力发生伸展断陷作用产生负花状构造且形成低幅负向构造区，即图13所呈现的断陷带。该类张扭性断裂发育时间相对较晚（~10 Ma），对断陷带内中生代原生油气藏的破坏作用相对较弱，故8+9号煤层深部吸附状态为主的深煤层气藏获得一定程度的保存（图14），表现出高于正向构造区的含气性规律。
4 深层煤层气成藏模式
临兴地区8+9号煤层发育于潮坪相泥坪—沼泽成煤环境，煤层厚度稳定且有机质含量高；成熟—高成熟演化阶段的海陆过渡相III型干酪根不仅生成大量甲烷气，也产出液态烃类，如煤层顶板砂岩储层中可见液态烃类包裹体［40］。8+9号煤层宏观物性较差，原位孔隙度和渗透率分别低于3%和0.01×10-3 µm2，生烃过程中产生大量约0.05 µm大小的内生微裂隙，说明深部煤岩储层的宏观渗流性能极差；煤岩孔喉半径在0.02~0.24 µm之间，以小孔—中孔为主，小于100 nm的小孔—微孔对孔隙表面积贡献度最大，也是分子甲烷被吸附的主要场所，而小孔—微孔数量随有机质热演化程度升高而增多，反映深部中阶—高阶煤层足以满足对甲烷气体的吸附性能和空间。基于生烃和储集条件，8+9号深部煤层具备形成大型煤层气藏的潜力。
鄂东缘临兴地区煤系地层内共发育3期断裂（图13）：①燕山早—中期高角度的继承性逆冲—压扭性断裂形成低幅隆起区；②喜马拉雅期Ⅲ幕继承性叠瓦状逆冲—走滑断裂形成断阶带并活化燕山期断裂系统；③喜马拉雅晚期Ⅳ幕产生走滑—张扭性断裂形成断陷带，再次活化前2期断裂系统。这3期构造活动在空间上形成“断阶带—隆起区—断陷带”的构造格局，在时间上构成“挤压—压扭—张扭”的应力场转换序列，对深层煤层气藏产生重要影响。
大量研究表明［29， 40-42， 45］，8+9号煤层的煤系烃源岩自早侏罗世开始缓慢生排烃，早白垩世以后加速生排烃，晚白垩世由于整体构造抬升而停止生烃作用；煤层顶板砂岩接受早侏罗世—中侏罗世液—气相烃类和早白垩世气相烃类的2期充注，分别与燕山早—中期和紫金山岩体侵入等构造活动相关，故推测深部煤层吸附型气藏在2期充注之间，约为J3晚期—K1早期，与紫金山岩体侵入相对应的构造变动加速了煤系烃源岩向上排出气相烃类并在下二叠统致密砂岩储层中聚集成藏。喜马拉雅期Ⅲ幕压扭性质应力结构活化了燕山期断裂系统，对8+9号原生煤层气藏造成了一次破坏和调整，向上运移的气态烃类进入中二叠统—上二叠统发育为次生型致密砂岩气藏。
喜马拉雅晚期Ⅳ幕张扭性构造活动再次活化先存断裂并产生由负花状构造组成的断陷带，先存断裂活化无疑引起低幅隆起区和断阶带煤层气藏的再次破坏调整。由此可见，临兴地区断陷带的8+9号煤层气藏仅在喜马拉雅晚期遭受过一次调整逸散，低幅隆起区和断阶带经历过至少3期次构造活动的影响，实际吸附气量低于该压力条件下煤的最大吸附能力而呈吸附气的欠饱和状态，这也是断陷带深部煤层含气量相对大于其他构造单元煤层的根本原因。
基于以上认识，综合判断临兴地区8+9号深层煤层气为中生代—新生代多期次断裂调整改造过的残留型煤层气藏，其成藏模式见图15。断阶带和低幅隆起区的正向构造单元发育燕山早—中期高角度逆冲断裂系统，在喜马拉雅期Ⅲ幕压扭和Ⅳ幕张扭性构造应力作用下再次活化并叠加走滑活动性质，这2个构造单元内深层煤层气藏均遭受过多次调整改造，煤层以上致密砂岩储集体成为承接运移气的重要场所，故断阶带和低幅隆起区煤层吸附气量相对较低，赋存少量游离气（图15）。断陷带内煤层吸附气藏仅被喜马拉雅晚期Ⅳ幕张扭性断裂系统所影响，从保存角度而言，气藏遭受调整改造的时间较短，程度也较轻，吸附气量或饱和度相对高于断阶带和低幅隆起区煤层，是该地区深层煤层气勘探开发重点关注的有利目标区带。
5 结论
（1）鄂尔多斯盆地东缘临兴地区8+9号煤层厚度稳定，有机质组分含量高，处于成熟—高成熟演化阶段，中煤阶—高煤阶煤岩储层发育大量有机质孔隙足以满足对甲烷气体分子的吸附性能和空间，从生烃和储集要素而言，深部煤层形成大型煤层气藏的条件较充分。
（2）石炭系及以上地层主要经历了燕山早—中期高角度逆冲、喜马拉雅期（Ⅲ幕）压扭和喜马拉雅晚期（Ⅳ幕）张扭性共3期断裂活动，燕山早—中期高角度逆冲断裂系统形成叠瓦状断阶带和低幅隆起区等正向构造单元，喜马拉雅期Ⅲ幕压扭和Ⅳ幕张扭性构造应力活化了燕山期断裂并叠加走滑性质活动，喜马拉雅晚期Ⅳ幕张扭性断裂系统形成断陷带负向构造单元。
（3）8+9号深部煤层表现为以晚白垩世为界限先沉降后抬升的埋藏史特征，经历早侏罗世—中侏罗世缓速和晚侏罗世—早白垩世快速的生排烃史，煤层气藏最早形成于紫金山岩体侵入前后的约135~125 Ma时间段内，断阶带和低幅隆起区煤层气藏可能遭受过紫金山岩体侵入、喜马拉雅期Ⅲ幕和Ⅳ幕构造活动的强烈改造，而断陷带深部煤层只经历喜马拉雅晚期Ⅳ幕构造活动的调整，故断陷带煤层气藏保存条件相对优于正向构造单元。
（4）综合判断8+9号深层煤层气藏为中生代—新生代多期次断裂调整改造过的残留型煤层气藏，喜马拉雅期构造保存对深层煤层气富集起关键作用，中生代—新生代持续活动的断阶带和低幅隆起区深部煤层因构造调整次数多而呈吸附气欠饱和状态，断陷带煤层遭受断裂改造时间短且程度轻，吸附气含量相对优于正向构造单元，是该地区深层煤层气勘探开发重点关注的有利目标区带。
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