表1（Table 1）引用本文
Wang Zhe，Xu Ligui，Fu Jing,et al.Sedimentary controls of coalbed methane accumulation and prediction of favorable area in the BD area，eastern margin of Ordos Basin[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(2):387-396.[王哲，徐礼贵，付晶，等.鄂尔多斯盆地东缘BD区块煤层气富集沉积控制作用及有利区预测[J].天然气地球科学，2016,27(2):387-396.]
doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2016.02.0387
鄂尔多斯盆地东缘BD区块煤层气富集沉积控制作用及有利区预测
关键词： 鄂尔多斯盆地东缘 煤层气富集 沉积控制作用 有利区预测
中图分类号:TE122 文献标志码:A 文章编号:1672-1926(2016)02-0387-10
Sedimentary controls of coalbed methane accumulation and predictionof favorable area in the BD area，eastern margin of Ordos Basin
Wang Zhe1，2
，Xu Li-gui1，Fu Jing3，Liu Yan-na1
Key words： Eastern margin of Ordos Basin; Coalbed methane accumulation; Sedimentary control function; Prediction of favorable area;
引言
煤层气是重要的资源。与常规天然气相比，煤层气是一种以吸附气为主、具有自生自储特征的[1]（表1）。煤层气的基本地质条件包括煤层厚度、煤层埋深和含气量等20余种参数。不同含煤盆地或含煤区，煤层气的地质特征不完全相同，但均受控于地质历史时期的构造、沉积和水文作用[2,3]。前人[4-6]对煤层气富集主控因素的研究工作主要集中在构造和水文2个方面，而在煤层气富集成藏过程简单的区块，沉积控制作用显得尤为重要，但这方面的研究成果相对较少，一定程度上制约了煤层气工业的发展。目前，煤层气有利区的预测主要依据地质和钻井资料[7,8]。随着地球物理技术逐渐被引入到煤层气勘探开发领域[9-12]，如何将高成本、低覆盖和高可靠性的地质信息与低成本、高覆盖和较高可靠性的地球物理信息有机地结合起来，也是煤层气勘探开发面临的难题[9]。本文在煤层气富集地质理论与预测技术的指导下，通过对鄂尔多斯盆地东缘(简称盆地东缘)BD区块钻测井和三维地震等资料的综合研究，分析了研究区内煤层气的基本地质条件，建立了目的层的层序地层格架，探讨了煤层气富集的沉积控制作用，预测了煤层气的有利区，为该区煤层气的进一步勘探提供了参考依据。 BD区块是我国首个中低阶煤层气示范区，矿权面积为478km2，资源量为750×108m3。自2010年开始，中石油已在该区完成了2个5×108m3的产能建设开发工程，并在区块南部实施了一块国内最大的煤层气三维地震资料采集项目，满覆盖面积为181km2。目前，研究区共有钻井927口，其中产气井661口，总产气量为105.7×104m3/d，产气量超过5 000m3/d的井有42口，是煤层气公司重点勘探评价与建产区块。
Table 1 Geological comparison between coalbed methane and conventional natural gas
| 对比项目 | 煤层气 | 常规天然气 |
| 生气能力 | 有 | 无 |
| 气源 | 煤层本身 | 外源 |
| 储气方式 | 吸附为主 | 游离为主 |
| 储气能力 | 较高 | 碳酸盐岩储层较 高,碎屑岩储层较低 |
| 储层压力 | 欠压或常压 | 超压或常压 |
| 气体运移机理 | 解吸—扩散—渗流 | 渗流 |
| 孔隙结构 | 双重孔隙结构 (基质孔隙和割理) | 多为单孔隙结构 |
| 裂缝发育情况 | 有自身独特的 割理、裂隙系统 | 发育或不发育 |
| 孔隙度 | 一般小于10%[1] | 大小不等 |
| 渗透率 | 一般低于1×10-3μm2[1] | 高低不等 |
| 非均质性 | 大 | 小 |
| 埋藏深度 | 较浅(一般<2 000m) | 有深有浅(一般>2 000m) |
| 分布范围 | 较大面积连片 | 圈闭范围以内 |
| 日产气量 | 低 | 高 |
| 气藏类型 | 自生自储 | 外生内储 |
1 研究区地质背景
通过分析区域地质背景，并结合区内采集样品的测试分析结果（表2），对BD区块煤层气基本地质条件进行了初步分析。
1.1 构造条件
鄂尔多斯盆地为多期构造运动形成的叠合盆地，在石炭纪—二叠纪是华北地台的一部分。盆地东缘构造上位于晋西挠曲带和渭北隆起东段，黄河以东煤层埋深一般小于2 000m，是鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系煤层气勘探的主要区带。BD区块构造上位于盆地东缘晋西挠曲带北段（图1），研究区内构造比较简单，总体表现为向西倾的单斜构造，地层产状较平缓，倾角为5°～10°。区内构造活动微弱，断裂和褶皱较不发育，仅在单斜背景上发育了数排向西或西南倾的宽缓鼻状构造带，可见少量的陷落柱现象，但不存在岩浆岩侵入。
Table 2 Test and analysis of samples in BD block
| 煤层气富集 地质参数 | 煤层层号 | |
| 4+5#煤层 | 8+9#煤层 | |
| 煤层厚度/m | 6.6 | 9.8 |
| 煤层埋深/m | 845～854 | 886～895 |
| 煤层气成因类型 | 生物成因气 | |
| 宏观煤岩类型 | 半暗—半亮型煤 | |
| 煤层结构 | 简单—中等 | |
| 镜质组含量/% | 57.4 | 58.2 |
| 割理发育情况 | 较发育 | |
| 煤灰分分级 | 中低灰煤 | |
| 煤挥发份分级 | 中高挥发份煤 | |
| 煤固定碳分级 | 低固定碳煤 | |
| 煤硫分分级 | 低硫煤 | 中硫煤 |
| 煤阶/% | 0.77 | 0.8 |
| 煤层孔隙度/% | 4.8 | 4 |
| 煤层渗透率/(×10-3μm2) | 2.47 | 3.45 |
| 煤层密度/(g/cm3) | 1.4 | 1.4 |
| 煤体结构 | 原生构造煤和破碎煤 | |
| 煤层顶板岩性 | 泥岩、砂岩 | 泥岩、砂岩、石灰岩 |
| 含气量/(m3/t) | 14.8 | 21.3 |
| 煤顶孔隙度/% | 4 | 4.6 |
| 煤顶渗透率/(×10-3μm2) | 0.20 | 1.88 |
| 煤顶密度/(g/cm3) | 2.55 | 2.5 |
1.2 沉积环境
研究区在晚古生代属于华北地台的一部分，主要形成于陆表海的沉积背景，整体经历了由浅海陆棚—障壁海岸—浅水三角洲转化的沉积演化过程。本溪期，伴随着海域扩大，华北大部分地区开始广泛接受沉积，研究区含煤性总体较差;太原期为聚煤作用的强盛时期，研究区总体以障壁海岸沉积环境为主，形成了陆源碎屑岩与碳酸盐岩的混合沉积;山西期的成煤作用有所减弱，伴随着区域性大规模海退，华北地台整体抬升，研究区主要以浅水三角洲沉积环境为主。
1.3 煤层厚度
研究区内目的层共发育13~15套煤层，累计厚度为20~30m。主力煤层为山西组4+5#煤层和太原组8+9#煤层，为该区主要生气煤层。4+5#煤层的平均厚度为6.6m，在研究区内呈北厚南薄的趋势;8+9#煤层的平均厚度为9.8m，在研究区内呈中部薄，向北部和南部逐渐增厚的趋势。
1.4 煤层埋藏深度
研究区煤层的埋藏深度较深，4+5#煤层为845~854m，8+9#煤层为886~895m。受研究区向西倾单斜构造形态的影响，煤层埋藏深度由东向西逐渐增大。
1.5 煤岩煤质特征
研究区内4+5#煤层和8+9#煤层的宏观煤岩组分均以暗煤和亮煤为主，偶见镜煤和丝炭线理或透镜体，宏观煤岩类型为半暗—半亮型。煤岩显微组分分析结果显示，2套煤层均以镜质组为主，含量分别为57.4%和58.2%，惰质组次之，壳质组含量很少。8+9#煤层普遍含有硫化铁类矿物。煤质工业分析结果表明:2套主力煤层灰分含量均在20%左右，为中低灰分煤岩;挥发份含量均在35%左右，为中高挥发份煤;4+5#煤层硫分含量为0.68%，以低硫煤为主，8+9#煤层硫分含量为2.15%，以中硫煤为主;4+5#煤层的RO值为0.77%，8+9#煤层的RO值为0.8%，煤阶对应于气煤阶段;煤变质作用为区域深成热变质作用，总体上变质程度随埋深增加而增大。
1.6 煤储层物性
研究区2套主力煤层的平均孔隙度较小，4+5#煤层为4.8%，8+9#煤层为4%，孔隙结构以小孔和微孔为主，占总孔隙度的79.3%，中孔和大孔不太发育，不利于煤层气扩散和渗流。煤层平均渗透率较高，4+5#煤层为2.47×10-3μm2，8+9#煤层为3.45×10-3μm2。
1.7 煤体结构
鄂尔多斯盆地晚古生代煤系形成后，仅经历了较弱的后期变形，煤体破坏弱，因而区内2套主力煤层的煤体结构均以原生构造煤和破碎煤为主，碎裂煤、碎粉煤和糜棱煤基本不发育。内生裂隙在4+5#煤层不发育，在8+9#煤层较发育，外生裂隙在2套煤层均不发育。
1.8 煤层顶板岩性
煤层气的直接顶板对煤层气保存具有显著作用。研究区4+5#煤层顶板岩性主要为砂岩和泥岩;8+9#煤层顶板主要为砂岩、泥岩和少量石灰岩。主煤层顶板岩性为泥岩区是煤层气富集的有利区域，顶板岩性为砂岩区的煤层气富集条件较差，顶板岩性为石灰岩区的煤层气富集条件一般。
1.9 含气量
煤层气井测试结果显示，研究区内4+5#煤层平均含气量为14.8m3/t，8+9#煤层平均含气量为21.3m3/t。纵向上，太原组煤层含气性高于山西组煤层;同一煤层内，随埋深的增加，煤的变质程度加深，吸附能力增强，含气量也随之增大。
1.10 水文地质条件
研究区4+5#煤层和8+9#煤层之间夹有多套含水层和隔水层。含水层以砂岩为主，隔水层由泥岩组成。地层水矿化度是表征水动力活跃程度的重要指标之一，矿化度越高，地下水活跃程度越差，封闭条件越好，越有利于煤层气的保存。由于该区构造为西倾单斜，地下水总体流向为由东向西，随着距离露头区距离的增加，地层水矿化度逐渐增高。北部开发区距离补给区较远，而南部距离补给区较近，因此，南部地层水矿化度小于北部，煤层气封闭条件更好。
2 煤层气富集的沉积控制作用
本文在层序地层划分的基础上，讨论了煤层气富集的沉积控制作用，主要包括以下3个方面:①层序地层格架对煤层空间展布的控制;②成煤环境对煤储层特征的控制;③沉积体系对煤层气藏围岩的控制。
2.1 层序地层格架对煤层空间展布的控制
受层序地层学的影响，在煤层形成的控制因素方面，人们经历了从最初的“相控成煤”、“海平面变化控煤”到“可容空间增长速率控煤”的思想转变[13]，并认识到受基准面变化的控制，不同沉积环境下形成的煤层，其空间展布规律差异较大[14]。煤层的形成取决于可容空间增长速率与泥炭聚集速率之间的相对平衡状态[15]。可容空间指的是盆地基底到基准面(近似于海平面)之间的空间。只有适度的基准面上升速率，才能保证可容空间增加速率与泥炭堆积速率之间的相对平衡关系，使泥炭能持续堆积，从而形成巨厚煤层。 基于地震测井和岩心数据，采用Mitchun等[16]提出的高分辨率层序地层理论和方法，建立起BD区块太原组—山西组层序地层格架。根据盆地基底沉降差异形成的海侵方向转换面(BTR)、强制性海退形成的河流侵蚀面(FEU)和暴露面(FES)等层序地层关键界面将鄂尔多斯盆地东缘BD区块太原组—山西组划分为4个层序。通过首次海泛面(IFS)和最大海泛面(MFS)的识别，将各层序划分为低位体系域、海侵体系域和高位体系域（图2）。在各层序底部发育的多期河道砂岩具有低位体系域的下切谷充填特点，如桥头砂岩、北岔沟砂岩和船窝砂岩等。厚煤层主要发育在障壁海岸环境的海侵体系域和浅水三角洲环境的高位体系域。太原组时期的高位体系域，由于频繁的海退作用遭受侵蚀和暴露，常造成地层厚度减薄或缺失。
图2 研究区太原组—山西组层序地层格架内沉积相及煤层展布
Fig.2 Sedimentary facies and coal seam distribution in the sequence stratigraphic framework of the Shanxi and Taiyuan Formations in the study area
图3 基准面变化与煤层空间展布的关系(据文献[13,15]，有修改)
Fig.3 Relation of rate of change of base level to distribution of coal seam (modified from references[13,15])
2.2 成煤环境对煤储层特征的控制
成煤环境是通过控制煤储层特征变化，进而影响着煤层气富集成藏的储气性[17,18]。通过岩性组合、沉积物特征和成煤介质的综合分析，在BD区块共识别出三角洲平原泥炭沼泽、潮坪泥炭坪、潟湖泥炭坪、堡后泥炭坪、潮汐三角洲泥炭坪、台地泥炭坪和陆棚泥炭坪等多种成煤环境，其中最有利的成煤环境是三角洲平原泥炭沼泽和潟湖泥炭坪（图4）。 基于研究区煤层气基本地质条件的分析，发现4+5#煤层与8+9#煤层的煤岩组分、灰分和挥发份含量相近，但硫分含量差异较大，这主要由成煤环境决定。4+5#煤层的成煤环境为三角洲平原泥炭沼泽[图4(a)]，属陆相淡水泥炭沼泽，其硫分低于海相煤层。8+9#煤层形成于潟湖泥炭坪[图4(b)]，属海相咸水泥炭沼泽，海相成煤环境下的煤层受海水影响，煤层硫分较高。 4+5#煤层形成过程中，陆源碎屑物质主要通过洪水期的河流泛滥带来的。距离分流河道越近，沼泽中的陆源碎屑物质越多，煤层的灰分含量越高，煤层的储集物性越差。从浅水三角洲平原的顶端到末端，由于距离物源越来越远，煤层灰分含量总体上呈降低趋势，从而使煤层的储集物性在总体上变好。8+9#煤层形成过程中，海岸线附近的沼泽中陆源碎屑物质多，形成的煤层灰分含量高，其储集物性差;远离海岸的沼泽中陆源碎屑物质少，形成的煤层灰分含量低，其储集物性好。在频繁的海侵海退作用下，高灰分煤与低灰分煤可交替出现并平行海岸线展布。 通过2套主力煤层成煤环境的比较认为，在三角洲平原上分流河道发育，4+5#煤储层物性在平面上变化大，非均质性较强;而在潟湖环境中，水体较安静，8+9#煤储层物性在平面上变化较小，非均质性弱于4+5#煤。
2.3 沉积体系对煤层气藏围岩的控制
在煤层气藏围岩系统中，煤储层直接顶底板的岩性和厚度对煤层气富集十分重要。不同沉积体系中发育的不同煤层顶底板类型具有不同的封盖能力，良好的封盖层可以减少煤层气的散失[19]。 山西组为浅水三角洲沉积体系，4+5#煤层是由分流间湾或废弃河道淤积填平而成[图4(a)]，煤层底板多为三角洲前缘的分流间湾灰黑色泥岩，顶板以三角洲平原的分流河道砂岩为主（图2），受河道冲刷作用的影响，多数煤层与上覆砂岩直接接触。根据现有钻井资料分析，4+5#煤层顶底板岩性包括砂岩和泥岩，其中砂岩顶板分布面积约占整个研究区的60%，泥岩顶板约为40%，但由于这套砂岩顶板渗透性较差（表2），以致密砂岩为主，因此4+5#煤储层总体封盖性较好。 太原组为障壁海岸与浅水三角洲混合沉积，8+9#煤层是在潟湖淤积填平的基础上发育而成[图4(b)]，煤层底板以潟湖泥炭坪暗色泥岩为主，顶板以海相泥岩或分流河道砂岩为主（图2）。受桥头期河道大规模下切作用的影响，海相泥岩常遭受剥蚀，多数煤层与上覆河道砂岩直接接触。根据现有钻井资料分析，8+9#煤层顶底板岩性以砂岩和泥岩为主，其中砂岩顶板分布面积约占整个研究区的80%，泥岩顶板约为20%。由于煤层顶板中普遍含有一定数量的生物碎屑灰岩，溶洞和缝合线较发育，导致煤层顶板物性较好（表2），因此8+9#煤储层总体封盖性较差。
图4 山西组和太原组沉积相与主力煤层厚度叠置
Fig.4 Sedimentary facies and contour map of total seams thickness in the time of Shanxi and Taiyuan Formations
3 煤层气有利区综合预测
在对盆地东缘BD区块煤层气富集沉积控制作用分析的基础上，本文研究选取BD区块南部的4+5#煤层进行煤层气有利区综合预测，主要强调3个方面:①地质和地球物理信息与技术的综合;②沉积要素评价对煤层气有利区预测的补充;③煤层气富集多种地质因素预测结果的融合。
3.1 煤层气有利区的地质因素评价及预测
3.1.1 煤层埋藏深度
研究中首先采用纵波时差和密度测井曲线正演人工合成地震记录，对4+5#煤层顶界面进行精细的标定。由于煤层与围岩波阻抗差异大，且4+5#煤层上覆无强反射屏蔽层，所以4+5#煤层表现为一强波谷反射。研究区内断裂相对不发育，构造比较平缓，主要目的层段特征清晰，易于对比追踪。根据已标定好的地震和地质层位的对应关系，采用新处理的三维叠前时间偏移地震数据体，对4+5#煤层顶界面开展精细的构造解释，并经过时深转换和基准面校正，得出煤层的埋藏深度图。
3.1.2 煤层厚度
由叠后反演得出的纵波阻抗剖面（图5）上看，煤层(蓝色)纵波阻抗值明显低于周围岩性，易于识别。剖面上显示4+5#煤层比较发育，区内分布较稳定，但可见横向错断现象。通过对煤层顶底面进行雕刻，并结合钻测井资料统计的煤层厚度数据进行综合分析，得出精度较高的煤层厚度预测平面特征（图6），有效预测了远离钻井位置的煤层厚度。由图可见，4+5#煤层主要位于研究区中南部，厚度在4~10m之间。研究区内己有的煤层气产气井绝大部分位于煤层较发育的红黄色区域。
3.1.3 煤储层物性
煤储层物性预测是通过地震弹性参数反演技术间接实现的。通过对4+5#煤层进行最小杨氏模量切片来预测煤储层的物性（图7）。从图7中可看出，蓝绿色区域为最小杨氏模量低值区，表明这一区域的煤层密度较低、孔隙度较大、煤储层物性较高。目前已有的煤层气高产井多位于图4中的蓝绿色区域，表明这些井均钻遇了煤储层物性相对较好的区域。
3.1.4 煤层顶板岩性
4+5#煤层的顶板岩性以中砂岩、砂质泥岩和泥岩为主。煤层顶板的泥质含量影响着煤层含气量的大小。煤层的直接顶板为泥岩时，表明具有较好的保存条件，煤层的含气量通常也较高。利用地震波阻抗反演技术，预测了4+5#煤层的顶板岩性平面分布特征（图8）。分析得出，研究区北部、西部和南部的煤层顶板岩性以中砂岩为主(红黄色区域)，中部、东部的煤层顶板岩性以泥岩和砂质泥岩为主(蓝绿色区域)，属于致密性较好的岩层，为煤层气的富集提供了更好的封盖条件。
3.1.5 煤层含气量
对研究区内具有含气量测井解释成果的井进行属性分析认为，密度曲线与煤层含气量的相关性较好，含气量随煤层密度的减小而增大。为了定量预测4+5#煤层含气量，应用密度与含气量做交会分析得出关系式:Vgas=-11.784*DEN+27.086。根据此关系式，计算出4+5#煤层含气量，编制出相应的煤层含气量分布特征（图9）。从图9中看出:在研究区的西部和北部低洼地区煤层含气量较高，主要分布于B15井—B5井一线和B12井—B7井—B13井一线，含气量为4~9m3/t，中部地区的B6井—B11井—B16井一线含气量中等，多为2~5m3/t，东部地区含气量普遍较低，一般在2m3/t以下。
3.2 煤层气有利区的综合预测结果
根据研究区4+5#煤层的发育特点，并参考钻井、开发方面的认识，将煤层气富集区的标准定为:煤层埋藏深度为600~1 000m，煤层厚度≥4m，煤层含气量≥2m3/t，煤储层物性为最小杨氏模量低值区，煤层顶板岩性为泥岩。 以BD区块4+5#煤层埋深等值线图作为底图，通过叠加不同关键地质因素特征预测图，叠置得到了煤层气富集区的综合预测结果（图10）。其中，连续线型是煤层厚度预测的富集区边界，断续线型为煤储层物性预测的富集区边界，点线型为煤层顶板岩性预测的富集区边界。分析认为:不同地质因素对煤层气富集的影响程度有所差异，对应的煤层气有利区也不同。说明利用单一地质因素圈定的煤层气有利区可靠性较低。由图10可见，不同关键地质因素预测的有利区具有重合的部分。通过交集运算，将各地质因素有机地融合起来，可进一步预测出煤层气有利区，即图中的红色斜线区域。这些区域是所有关键地质因素指向的煤层气有利区，可优先进行煤层气井的井位部署。
图10 4+5#煤层气有利区综合预测
Fig.10 Prediction of favorable exploration area of No.4+5 coal seam
4 结论
(1)鄂尔多斯盆地东缘BD区块内构造简单，煤层层数多，厚度大，埋深适中，煤储层物性好，煤体破坏弱，封盖能力强，含气量高，地下水矿化度较高，煤层气富集地质条件好。 (2)基于层序地层的划分，讨论了BD区块煤层气富集的沉积控制作用，认为煤层空间展布受控于层序地层格架，煤储层特征性受控于成煤环境，煤层气藏围岩受控于沉积体系。 (3)通过多信息综合预测方法BD区块南部的4+5#煤层进行煤层气有利区预测。经后续钻井验证，这一位置的排采井已见良好效果，是BD区块目前采气量最高的部位。有利区预测范围与实钻结果吻合度较高,为类似的煤层气预测提供了相应参考。
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