Enrichment patterns and exploration countermeasures of deep coalbed methane in the Linxing-Shenfu block on the eastern margin of the Ordos Basin
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摘要:目的
鄂尔多斯盆地东缘以大宁−吉县区块为代表的高煤阶深部煤层气富集成藏规律已取得一定认识，但位于东缘北段的临兴−神府区块中煤阶深部煤层气勘探才刚起步，富集成藏规律认识还不够准确清晰，需要总结其富集成藏规律有效指导深部煤层气勘探开发。
方法以临兴−神府区块太原组8+9号煤为研究对象，依据煤的烃源岩−储集层双重属性，开展了源储、生烃、富集和保存控制因素及其耦合关系研究。
结果和结论结果表明：(1)研究区具有东西分带性，分为东部断阶带和西部平缓带，主体埋深超过1 500 m。太原组8+9号煤层厚度大，微孔和宏孔发育，热演化程度中等、含气量整体较高，深部煤层气成藏条件优越，具备较大的资源勘探潜力。(2)研究区泥坪与分流间湾沉积微相煤层厚度大、镜质组含量高、煤层结构简单，随着热演化程度的增高，煤层含气量变大、气体中甲烷含量的占比显著增加，8+9号煤层温−压条件耦合控制的临界吸附带在1 750 m左右，泥岩良好的封盖性、稳定的构造环境和封闭的水动力条件是煤层气富集的重要保障。(3)针对研究区地质条件的差异性，平缓带的煤层气富集区应加快勘探节奏，围绕探明储量区扩大勘探，同时加强该区深部煤层可压性研究，推动规模建产；断阶带的煤层气富集区应开展试采评价，加强离石走滑断裂带的压扭、张扭过渡区研究，以期获得储量发现。研究成果系统总结了临兴−神府区块中煤阶深部煤层气富集成藏规律，指导了富集区的优选，对推动该区效益勘探与规模开发具有积极意义。
Abstract:ObjectiveSome insights have been gained into the enrichment and accumulation patterns of deep coalbed methane (CBM) in high-rank coal seams on the eastern margin of the Ordos Basin, represented by the Daning-Jixian block. However, the exploration of deep CBM in medium-rank coal seams in the Linxing-Shenfu block, located in the northern segment of the basin's eastern margin remains in its initial stage, leading to an inaccurate and unclear understanding of the enrichment and accumulation patterns. This necessitates summarizing these patterns to effectively guide deep CBM exploration and exploitation.
MethodsFocusing on the Nos.8 and 9 coal seams of the Taiyuan Formation in the Linxing-Shenfu block, this study investigated the factors controlling source rock - reservoir configuration, along with hydrocarbon generation, occurrence, and accumulation, and the coupling relationships between these factors based on the dual attributes of coals as both source rocks and reservoirs.
Results and ConclusionsKey findings are as follows: (1) The study area exhibits an east-west zoning, consisting of the eastern fault terrace zone and the western gentle zone, with the main body manifesting burial depths exceeding
1500 m. The Nos.8 and 9 coal seams of the Taiyuan Formation are considerably thick, contain micropores and macropores, and feature moderate maturity and a high gas content in general, suggesting superior accumulation conditions for deep CBM and great potential for resource exploration. (2) The coal seams formed under sedimentary microfacies of mudflats and interdistributary bays display substantial thicknesses, high vitrinite content, and simple structures. With an increase in maturity, these coal seams exhibit increasing gas content, specifically the methane content. The critical adsorption zone of the Nos.8 and 9 coal seams, under the coupled control of temperature-pressure conditions, shows a burial depth of around1 750 m. CBM enrichment is ensured by the high sealing performance of mudstones, stable tectonic environments, and closed hydrodynamic conditions. (3) Given the differences in geologic conditions of the study area, specific recommendations are proposed in this study. For the western gentle zone, it is necessary to accelerate the exploration of the CBM enrichment zone, expand the exploration around the area with proven reserves, and strengthen research on the compressibility of deep coal seams in the zone, with the purpose of driving large-scale production capacity construction. For the eastern fault terrace zone, it is advisable to conduct a pilot production assessment in the CBM enrichment zone and enhance the research on the transpressive-transtensional transition zone of the Lishi strike-slip fault zone, aiming to reveal new reserves. This study, systematically summarizing the enrichment and accumulation patterns of deep CBM in medium-rank coal seams of the Linxing-Shenfu block, has guided the selection of the optimal CBM accumulation zone, holding positive significance for the efficient exploration and large-scale exploitation of this block. -
经过近30年的实践探索，煤层气勘探开发深度逐渐由小于1 000 m向大于1 500 m的深层延伸，并且已成为煤层气行业新的热点[1-3]，在国内多个盆地取得勘探开发的重大突破，经初步估算埋深大于2 000 m的煤层气资源量超过40.7×1012 m3，资源潜力巨大[4-6]。中国石油在鄂尔多斯盆地东缘大宁−吉县区块高阶煤深部煤层气勘探中取得重大突破[7-10]，吉深6-7平01水平井获得日产10.1×104 m3的高产气流，连续生产260多天，累产超过1 400×104 m3，平均日产5.8×104 m3，已探明地质储量1 121.62×108 m3，并实施了国内首个深部煤层气开发先导试验，投产23口水平井，单井初期平均产气量为10.8×104 m3/d[11-14]。中国海油在鄂尔多斯盆地东缘北段临兴−神府区块开展了中阶煤深部煤层气的试采，LX1-62-CH1井最高产气达到6.0×104 m3/d，利用致密气低效井进行深部煤层气生产达200余口，获得一批高产直井、水平井，探明地质储量超过1 100×108 m3。中国石化在重庆市南川区获得突破，深部煤层气井阳2井实现自喷生产100 d，日产气量稳定在1.2×104 m3，标志着渝东南地区深部煤层气的勘探实现了重大突破。此外，准噶尔盆地、河北大城区块等地也取得了深部煤层气单井突破[15-16]。
深部煤层气的研究起步较早，陈贞龙等[17]提出了延川南区“沉积控煤、构造控藏、水动力控气、地应力控缝和物性控产”的五要素成藏富集高产认识。闫霞等[18]提出了大宁−吉县深部煤层气具有“高含气、高饱和”的特征，微幅构造控制了富集高产区的分布。徐凤银等[19]提出大宁−吉县高煤阶深部煤层气具有“广覆式生烃、箱式封存、微构造调整、自生自储、毯式成藏”的富集成藏规律，从构造、物性和水动力三个方面建立3类成藏模式，指导有利区的优选。胡俊超等[20]在黄土地区采用“宽频、宽方位、高密度”采集技术和“高保真、高分辨率”地震资料处理技术获得高品质地震资料，有效预测了煤层厚度和裂缝的分布，建立地震−地质−工程一体化的技术体系，支撑了大宁−吉县区块的高效勘探开发。
综上所述，前人主要总结了高煤阶深部煤层气的富集规律、高产认识及勘探对策，而临兴−神府区块位于鄂尔多斯盆地东缘北段，其成藏特征与大宁−吉县具有显著差异[21]，具有煤层多、厚度大、煤阶低、含气量低的特点，早期以致密气勘探为主，采集了大量的三维地震资料，但资料品质参差不齐。笔者以临兴−神府区块为研究对象，查明了中煤阶深部煤层气成藏特征，系统总结了其富集成藏规律，提出了相应的勘探技术对策，为区内下步深部煤层气高效勘探开发提供支撑。
1 研究区地质背景
鄂尔多斯盆地构造上隶属于华北地台西部，现今构造面貌为一南北翘起、东翼缓而长、西翼短而陡的不对称向斜。晚古生代鄂尔多斯盆地整体构造稳定，由陆表海盆地转化为大型河流−湖泊陆相盆地，发育障壁海岸、三角洲等含煤沉积体系，为煤层的形成奠定了良好的基础；中生代以来，盆地主要经历了三期构造演化，分别为印支晚期西南部冲断推覆−前缘沉降、燕山中期东北部差异隆升−走滑冲断、喜马拉雅晚期东缘斜坡差异翘倾[22]。临兴−神府区块横跨伊陕斜坡和晋西挠褶带，整体向西南倾，根据地层变形强弱，自西向东可划分为平缓带和断阶带(图1)。主要含煤地层为石炭−二叠系太原组、二叠系山西组，为三角洲−障壁海岸沉积体系，发育1—13号煤层，研究区内煤层与盆地东缘其他地区具有较强的可对比性，其中太原组8+9号煤层厚度大、分布稳定，是深部煤层气勘探的主要目的层。
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图 1 临兴−神府区块位置与地层综合柱状图Figure 1. Location and composite stratigraphic column of the Linxing-Shenfu block2 深部煤层气成藏条件
2.1 构造−沉积演化
研究区主要受鄂尔多斯盆地东北缘的离石走滑断裂构造带、吕梁山隆起以及紫金山构造活动的影响，东西具有明显的分带性，东为断阶带，西为平缓带(图2)，目前深部煤层气的主要勘探区域均位于构造平缓带内，在紫金山隆起区形成明显的构造变形。研究表明，晚侏罗世以来临兴−神府地区经历了三期较强的构造演化：第一期为紫金山构造活动期(J3-K1)，主要受紫金山侵入岩体的影响，发育左旋走滑应力场，在临兴区块中部形成一系列环紫金山的弧形断裂，断距以20~60 m为主，断裂延伸长度一般不超过3 km，其他地区均以小规模层间断裂为主；第二期为离石断裂中部活动期(K2)，持续发育的走滑应力场叠加挤压应力场，使研究区中东部发生快速抬升，并伴随着NW、NNW向一系列走滑断层和逆断层的发育，除离石主断裂断距达到40 m、延伸长度达到15 km外，其他区域断层断距普遍小于10 m、延伸长度1~2 km；第三期为离石断裂北部活动期(E2)，离石走滑断裂北部拉张应力场发育，在神府区块中北部形成一系列NWW向张扭断裂，断层断距普遍在10~30 m，延伸长度普遍小于2 km，但个别断距可达50 m、延伸长度大于8 km。经历了多期构造演化后，现今太原组8+9号煤层主体埋深大于1 500 m，最大埋深约2 200 m。
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图 2 临兴−神府区块太原组8+9号煤层顶板高程Figure 2. Roof elevations of the Nos.8 and 9 coal seams in the Taiyuan Formation of the Linxing-Shenfu block2.2 煤层气源储条件
2.2.1 煤层厚度
区内本溪组−山西组经历了海平面逐渐下降的过程，从滨海相潟湖−潮坪沉积到海陆过渡相三角洲前缘、潟湖−潮坪沉积，再到河流−三角洲沉积体系的演变。9号煤层沉积前期主要为潟湖−潮坪滨海沉积环境，发育平行岸线孤立分布的沿岸砂坝及零星碳酸盐岩沉积；8号煤沉积后南部临兴区块主要为潟湖−潮坪沉积，北部神府区块主要为三角洲前缘沉积，局部发育潟湖沉积。沉积环境的差异也导致煤层厚度存在南北差异。
基于临兴区块1 263口煤层气井和143口煤田钻孔数据的统计，8+9号煤层厚度1.2~17.5 m，主体位于8.0~14.0 m(图3)，但平面上也存在一定差异性，临兴中部由北向南存在一个明显的薄煤带，且临兴中区西部8+9号煤层沉积期间受水下分流河道及沿岸砂坝沉积影响，煤层分叉为两套独立煤层，厚度减薄。其中8号煤层局部发育，厚度2.0~6.0 m，平均4.1 m；9号煤层厚度5~8 m，平均6.1 m。
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图 3 临兴−神府区块8+9号煤层厚度频数Figure 3. Thickness vs. frequency of the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block依据神府区块599口煤层气井厚度数据统计，该区8+9号煤层厚度介于4.7~26.2 m，大部分煤厚为12.0~16.0 m，且全区仅神府南局部地区存在分叉现象，其他区域均为一套煤层。具有向北变厚的趋势，在神府北部厚度最大，可达20.0 m以上(图3)。
2.2.2 煤岩煤质特征
研究区8+9号煤层煤心完整，取心率在95%以上，煤体结构以原生结构煤为主，少量呈碎裂结构。宏观煤岩组分以亮煤和暗煤为主，其次为镜煤；光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤4种宏观煤岩类型均有发育，主要为半亮型煤和半暗型煤。受控于成煤环境的变化，煤的显微组分组成以有机质为主，具有一定的差异(表1)，临兴区块显微组分平均体积分数中，镜质组71.30%，惰质组20.20%；神府区块显微组分平均体积分数中，镜质组70.07%，惰质组23.05%。灰分平均质量分数中临兴区块13.80%，神府区块15.05%，均属于特低−中高灰煤。研究区主要受深成热变质作用控制，热演化程度在0.7%~1.4%，表现为西高东低、南高北低的特征，在临兴地区局部还受到紫金山岩浆体侵入的影响，环紫金山构造带煤变质程度在1.4%~1.8%，具有明显增高的特征。
表 1 临兴−神府区块煤岩煤质统计Table 1. Statistics of lithotype and coal quality in the Linxing-Shenfu block% 区块 显微组分体积分数 灰分质量分数 Rmax 镜质组 惰质组 矿物组 临兴 44.70~95.40/71.30 1.20~47.70/20.20 0~37.40/6.90 3.20~36.30/13.80 0.76~1.78/1.30 神府 49.70~94.72/70.07 3.14~44.87/23.05 0~21.03/6.24 7.54~28.53/15.05 0.68~1.50/1.20 注：表中数据44.70~95.40/71.30表示最小~最大值/平均值，其他同。 2.2.3 煤层含气性特征
研究区内煤层厚度大、煤岩煤质条件较好，煤层具有较好的含气性。钻井绳索取心实测结果显示，临兴区块平缓带8+9号煤层含气量6.0~24.0 m3/t，低值区主要分布在断阶带(图4)；神府区块8+9号煤层主要含气量6.0~18.0 m3/t(图4)，低值区主要分布于断阶带FG-T1、T2、T3井区，神府北部皇甫区热演化程度偏低，含气量也普遍小于8.0 m3/t。煤层Langmuir体积集中分布在8.0~22.0 m3/t，平均13.5 m3/t，整体符合中阶煤吸附特征，吸附饱和度较高，局部发育游离气。北部煤层热演化程度相对较低，8+9号煤层含气量整体变低，主要分布在6.0~10.0 m3/t；东部断阶带靠近盆地边缘，8+9号煤层含气量降低至4.0~10.0 m3/t，吸附饱和度降低至40%~60%。
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图 4 临兴−神府区块8+9号煤层含气量频数Figure 4. Gas content vs. frequency of the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block2.2.4 煤层储集特征
基于压汞、低温N2与CO2吸附实验分析，采用国际纯粹与应用化学联合会对微孔(<2 nm)、介孔(≥2 nm，≤50 nm)和宏孔(>50 nm)的分类方案，对临兴−神府区块8+9号煤层进行全孔径定量表征。结果显示，研究区8+9号煤层宏孔和微孔发育(表2)，介孔不发育。此外，8+9号煤层主要发育一组主裂隙，裂隙密度1~5条/cm。利用注入压降试验获得8+9号煤层原始渗透率，临兴区块平均0.23×10−3 μm2 ，神府区块平均0.10×10−3 μm2，总体来看属于低渗储层。
表 2 临兴−神府区块8+9号煤层全尺度孔测试数据Table 2. Test data of pores with various sizes in the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block分区 孔容/(cm3·g−1) 比表面积/(cm2·g−1) 渗透率/10−3 μm2 宏孔 介孔 微孔 宏孔 介孔 微孔 临兴 $\dfrac{0.032\;9 \sim 0.186\;8}{0.086\;5} $ $\dfrac{0.000\;5 \sim 0.001\;7}{0.000\;8} $ $\dfrac{0.024\;5 \sim 0.037\;8}{0.030\;9} $ $\dfrac{0.04 \sim 0.09}{0.08} $ $\dfrac{0.22 \sim 0.59}{0.32} $ $\dfrac{80.33 \sim 118.86}{99.21} $ $\dfrac{0.01 \sim 0.94}{0.23} $ 神府 $\dfrac{0.056\;3 \sim 0.119\;3}{0.080\;9} $ $\dfrac{0.000\;6 \sim 0.000\;9}{0.000\;7} $ $\dfrac{0.027\;0 \sim 0.039\;0}{0.029\;7} $ $\dfrac{0.09 \sim 0.23}{0.16} $ $\dfrac{0.24 \sim 0.33}{0.28} $ $\dfrac{83.04 \sim 127.81}{99.79} $ $\dfrac{0.01 \sim 0.38}{0.10} $ 注：表中数据$\dfrac{0.09 \sim 0.23}{0.16} $表示$\dfrac{最小 \sim 最大值}{平均值} $，其他同。 3 深部煤层气富集规律
根据8+9号煤的烃源岩−储集层双重属性，通过源储、生烃、赋存和保存控制因素及其耦合关系研究，总结了研究区中煤阶深部煤层气富集规律，建立了富集成藏模式，指导勘探区的优选。
3.1 沉积作用控制烃源岩、储集层发育
煤层气作为自生自储的非常规天然气，煤层既是烃源岩，又是储集岩，而煤层的形成主要受控于沉积作用，其厚度分布、煤层结构及组成均与之相关。太原组8+9号煤层主要形成于三角洲−障壁海岸的沉积体系(图5)，泥炭堆积以前的沉积环境控制了厚煤带的分布、显微组分差异和结构的复杂性(图6和图7)。潮坪中泥坪沉积微相废弃后形成的大面积泥炭沼泽成煤厚度最大、镜质组含量最高，煤层厚度16~22 m，镜质组体积分数70%~93%，平均达到78%；其次为三角洲前缘的分流间湾微相，成煤厚度、镜质组含量次之，煤层厚度10~16 m，镜质组体积分数60%~80%，平均约为69%；煤层厚度最薄的区域为水下分流河道废弃后形成的泥炭沼泽，煤层厚度6~10 m，镜质组体积分数55%~65%，平均59%。另外，聚煤前的微相差异影响着煤层结构，聚煤前稳定的分流间湾和稳定的泥坪对应的沼泽环境成煤结构简单，分叉较少，夹矸一般小于2层，而位于三角洲前缘和潮坪过渡带的区域，由于受海平面变化的影响，水体波动性较强，陆源碎屑物质多次注入，造成煤层分叉，结构复杂。在此区域形成的煤层具有明显的分叉，夹矸有2~5层，累计厚度2~8 m，其他区域煤层局部有分叉，夹矸有1~3层，累计厚度1~3 m。因此，泥坪与分流间湾沉积微相废弃后形成的煤层厚度大、镜质组含量高、结构简单，为煤层气的生成与储集提供了良好的源储条件。
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图 5 临兴−神府区块8+9号煤聚煤前沉积微相展布及煤层厚度Figure 5. Sedimentary microfacies and thicknesses prior to coal accumulation for the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block![]()
图 6 不同沉积微相下镜质组体积分数统计Figure 6. Statistics of the volumetric fractions of vitrinite under different sedimentary microfacies![]()
图 7 不同沉积微相下煤层夹矸发育层数和厚度统计Figure 7. Statistics of the quantity and thicknesses of coal seams’interlayers under different sedimentary microfacies3.2 煤岩特征及热演化程度控制生烃条件
煤的显微组分和热演化程度叠加效应控制了煤层的生烃量和煤层气的品质，壳质组生烃能力最强，镜质组生气能力强，惰质组仅能产生部分天然气，但往往热演化程度影响更大[24-25]。研究区8+9号煤层显微组分中以镜质组为主，介于44.70%~95.40%，平均为70.69%，当镜质组体积分数大于60%时，煤层的含气量显著变高，一方面镜质组主要是由植物茎、叶中木质素和纤维素的腐植化和凝胶化作用形成，在煤化作用过程中随着镜质组大分子的脱边基侧链过程、芳构化、缩合和拼叠作用，同时产生大量的CH4，伴随着CO2、CO等气体的生成；另一方面是镜质组生烃后会形成大量的有机气孔(图8)，具有单个气孔、气孔群、气孔带的分布特征，呈现圆形、椭圆形和短管形等，边缘光滑，一般没有充填，通常可以达到微米级的大小，为甲烷的赋存提供了储集空间[26-28]，通常受热演化程度、变质速率和显微组分共同影响。
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图 8 扫描电镜下8+9号煤层镜质体中的气孔Figure 8. Scanning electron microscope images showing pores in vitrinite in the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block更进一步，开展了煤的全岩热模拟实验，按照升温速率20 ℃/h升温至250、300、400、450、500、600 和700 ℃，对每个温度点恒温24~36 h，分析气体产出量及组分变化规律(图9)。结果显示，在低热演化阶段，Rmax<1%(400 ℃)时，CO2的生成量最大，其次为CH4，当继续升温时，CH4的生成量迅速增加且伴随着CO2、H2和C2+的生成，这与研究区内揭示的煤层含气量、组分特征与Rmax之间的关系相一致。研究区8+9号煤层随着热演化程度的增高，煤层含气量变大、气体中甲烷含量的占比显著增加。当煤层热演化程度Rmax>1.1%时，煤层含气量在10 m3/t以上，并且CO2体积分数小于10%，而CH4体积分数大于80%；当煤层热演化程度Rmax小于0.7%时，煤层含气量主要为5~8 m3/t，CH4体积分数50%~60%，CO2体积分数可达到40%(图10)。
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图 10 8+9号煤层Rmax与总含气量、甲烷体积分数关系Figure 10. Rmax vs. total gas content and methane content of the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block3.3 温压效应控制煤层气现今的赋存状态
煤层气一般有吸附态、溶解态和游离态三种赋存状态，对于埋深小于1 500 m的中浅层煤层气而言，以吸附气为主，随着埋深变大，储层压力增高，煤层的吸附能力增加，受温度对吸附能力的负效应影响较小，往往形成欠饱和煤层气藏，不含游离气。而随着深度进一步变大，煤层压力变大和温度升高，出现了压力与温度共同控制的临界吸附带，由压力的正效应逐渐过渡为温度的负效应，这种负效应作用随着埋深加大逐渐显现，煤层中会解吸一部分天然气，赋存在煤层的孔−裂隙系统内，形成弱含游离气饱和−过饱和煤层气藏。一般情况下，当地温场和储层压力场相似时，肥−瘦煤临界吸附带深度相对较大；当煤阶与储层压力场相似时，临界吸附带深度随地温梯度降低，深度变大；而地温场与煤阶相似时，临界吸附带随压力梯度降低，深度变小。综上所述，地层温度负效应超过压力正效应是临界吸附带发育的根本原因[29]。研究区8+9号煤层埋深与含气饱和度的相关性显示(图11)，区内温−压条件耦合控制的煤层临界吸附带在1 750 m左右，1 750 m以浅以吸附气为主，主要受压力的控制，以欠饱和煤层气藏为主，超过1 750 m以后温度的负效应起主要作用，吸附态和游离态共存，形成弱含游离气饱和−过饱和煤层气藏，这与前人关于鄂尔多斯盆地临界吸附带深度1 800 m的认识基本一致[28]。
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图 11 8+9号煤层埋深与含气饱和度关系Figure 11. Burial depth vs. gas saturation of the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block3.4 保存条件控制煤层气的富集程度
保存条件是油气聚集的重要基础保障，良好的盖层、稳定的构造环境、封闭的水动力条件是煤层气富集的重要地质条件。
盖层是保护油气免遭垂向散失的重要屏障，一般膏盐类岩石可塑性好，不易发生断裂，并且孔渗性极差，天然气扩散系数极低，是最好的盖层岩石类型，其次为泥岩，也是大多数油气藏的盖层。研究区8+9号煤层形成于三角洲−障壁海岸沉积环境，主要为海侵成煤，聚煤后形成广泛分布的泥岩，垂向岩性组合以泥岩−煤层−泥岩为主，上覆泥岩厚度介于8~10 m，为煤层气提供了良好的封盖条件。
构造破坏作用的强弱是影响煤层气成藏的关键因素，不同地质构造类型和作用机制决定了煤层的展布形态、断层的封闭性、裂缝的发育程度，最终影响煤层气的聚集。研究区主体位于伊陕斜坡与晋西挠褶带的过渡带上，主体为向西倾的单斜，在西部平缓带地层变形弱，地层倾角1°~5°，断层不发育，这也与煤层取心主要为原生结构煤相一致，间接反映煤层气受构造的破坏作用较小，是较为有利的构造条件；东部断阶带，受研究区西部离石走滑断裂带的影响，不同区域呈现不同的作用机制，在压扭区对煤层气的富集起到封闭作用，已实施的S-6井，测试含气量11 m3/t，而张扭区对煤层气藏起到破坏作用，已实施的H-54井，测试含气量仅1 m3/t。
水动力条件与煤层气的富集成藏密切相关，水力封堵与封闭作用有利于煤层气的富集与保存，而频繁交替的活跃水动力条件会导致煤层气逸散[30]。研究区以东的盆地露头区是地下水的补给区，基岩含水层岩溶−裂隙发育程度、连通性和导水性都沿地层倾向向深部越来越差，从浅部补给区逐渐到深埋区，径流强度越来越小，径流条件越来越差。东部断阶带主体为弱径流区，水型为NaHCO3型，煤层水矿化度为3 681~4 074 mg/L，对煤层气的保存较为有利；西部平缓带主要为地下水滞流区，煤层水矿化度为34 662~225 184 mg/L，水型为CaCl2型，高矿化度指示深层封闭环境较好，有利于煤层气的保存。煤层水矿化度与含气量具有很好的正相关，如图12所示。
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图 12 研究区8+9号煤层水矿化度与含气量关系Figure 12. Water salinity vs. gas content of the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block基于研究区中阶煤深部煤层气富集成藏规律的认识，建立研究区深部煤层气西部平缓带“源控型”和东部断阶带“断控型”两类成藏模式(图13)。西部平缓带“源控型”深部煤层气藏整体构造简单、煤层平缓，处于地下水滞流区，煤层气的封盖条件较好，有利于煤层气成藏。更进一步，温−压条件控制煤层气现今的赋存状态，整体平缓带埋深大于1 800 m，温度的负效应大于压力的正效应，但富集区主要分布在热演化程度较高的区域，这是由于变质程度高的煤生烃量大、气源充足所决定的。东部断阶带“断控型”煤层气藏具有泥岩封盖，位于地下水的弱径流区，受研究区东侧离石走滑断裂带的影响，构造相对复杂，局部断层较为发育，富集区主要分布在有利于煤层气保存的压扭区。
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图 13 研究区深部煤层气富集成藏模式Figure 13. Enrichment and accumulation patterns of deep CBM in the study area4 深部煤层气勘探对策
通过临兴−神府区块深部煤层气构造−沉积演化和煤层气源储成藏条件研究，从源储、生烃、赋存和保存控制因素及其耦合关系，系统总结了中煤阶深部煤层气富集成藏规律，建立了“源控型”和“断控型”两类成藏模式，明确了下一步聚焦平缓带、攻关断阶带的煤层气勘探思路与对策。
4.1 聚焦平缓带，重点部署，推动建产
西部平缓带是“源控型”深部煤层气藏，成煤环境优越、热演化程度高、镜质组含量高的富集区主要分布在神府区块的南部和临兴区块的中部，是深部煤层气勘探的重点区域。在此认识指导下，2022—2023年利用神府南区和临兴中区致密气低效井，率先开展了深部煤层气的试采评价，直井最大日产气量突破1×104 m3，取得了勘探的重大突破。因而，对这两个区域进行了深部煤层气的重点部署，按照储量估算规范部署参数井，扩大试采范围。目前充分利用致密气低效井投产近百口深部煤层气试采井，开展了水平井的试采评价，最大日产气量超过6×104 m3，打开了深部煤层气勘探的大局面，推动神府区块探明地质储量超过1 100 ×108 m3，发现国内首个千亿方深部煤层大气田，相继在临兴中区也获得了储量发现。下一步工作，一是围绕已探明储量区逐步向外滚动勘探，利用致密气低效井进行试采评价，对试采效果较好的区域重点进行取参部署，推动储量发现；二是针对已探明储量区，加强深部煤层可压性的研究，重点针对煤层脆性、水平主应力差和裂缝等关键工程参数，探索经济有效的储层改造工艺，推动规模建产。
4.2 攻关断阶带，扩大勘探，推动突破
东部断阶带是“断控型”深层煤层气藏，整体位于地下水弱径流区，富集区主要分布在神府中区东部和临兴区块的东南部的断阶带的压扭区，是深层煤层气勘探的接替区域。在此认识指导下，围绕神府区块中区东部和临兴区块东南部进行深层煤层气扩大勘探，部署探井获取各类测试参数，其煤层含气量11~12 m3/t，具备较好的勘探潜力。下一步工作将重点开展断阶带的试采评价，进一步深化离石走滑断裂带的走滑机制研究，落实压扭区和张扭区的过渡边界，推动勘探外扩，以期获得新的储量发现，作为平缓带煤层气勘探的接替。
5 结 论
(1)临兴−神府区块具有东西分带性，分为东部断阶带和西部平缓带，主体埋深超过1 500 m。太原组8+9号煤层厚度大，微孔和宏孔发育，中等热演化程度、含气量整体较高，深部煤层气成藏条件优越，具备较大的资源勘探潜力。近年来勘探成效显著，高产井持续增加，并发现了中国首个千亿立方米深部煤层大气田。
(2)通过8+9号煤源储、生烃、赋存和保存控制因素及其耦合关系研究，泥坪与分流间湾沉积微相废弃后形成的煤层厚度大、镜质组含量高、结构简单，8+9号煤层随着热演化程度的增高，煤层含气量大、气体中甲烷含量的占比显著增加，8+9号煤层温−压条件耦合控制的临界吸附带在1 750 m左右，泥岩良好的封盖性、稳定的构造环境和封闭的水动力条件是煤层气富集的重要保障，建立了深部煤层气西部平缓带“源控型”和东部断阶带“断控型”两类成藏模式。
(3)为加快临兴−神府地区深部煤层气增储上产，提出聚焦平缓带、攻关断阶带的勘探思路与对策。在平缓带深部煤层气富集区，加快勘探节奏，围绕已探明储量区向外滚动勘探外扩，同时加强已探明储量区深部煤层可压性研究，推动规模建产。在断阶带深部煤层气富集区，开展试采评价，加强离石走滑断裂带压扭区和张扭区的过渡带研究，推动勘探外扩，以期获得新的煤层气储量发现。
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图 1 临兴−神府区块位置与地层综合柱状图
Fig. 1 Location and composite stratigraphic column of the Linxing-Shenfu block
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图 2 临兴−神府区块太原组8+9号煤层顶板高程
Fig. 2 Roof elevations of the Nos.8 and 9 coal seams in the Taiyuan Formation of the Linxing-Shenfu block
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图 3 临兴−神府区块8+9号煤层厚度频数
Fig. 3 Thickness vs. frequency of the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block
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图 4 临兴−神府区块8+9号煤层含气量频数
Fig. 4 Gas content vs. frequency of the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block
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图 5 临兴−神府区块8+9号煤聚煤前沉积微相展布及煤层厚度
Fig. 5 Sedimentary microfacies and thicknesses prior to coal accumulation for the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block
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图 6 不同沉积微相下镜质组体积分数统计
Fig. 6 Statistics of the volumetric fractions of vitrinite under different sedimentary microfacies
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图 7 不同沉积微相下煤层夹矸发育层数和厚度统计
Fig. 7 Statistics of the quantity and thicknesses of coal seams’interlayers under different sedimentary microfacies
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图 8 扫描电镜下8+9号煤层镜质体中的气孔
Fig. 8 Scanning electron microscope images showing pores in vitrinite in the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block
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图 10 8+9号煤层Rmax与总含气量、甲烷体积分数关系
Fig. 10 Rmax vs. total gas content and methane content of the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block
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图 11 8+9号煤层埋深与含气饱和度关系
Fig. 11 Burial depth vs. gas saturation of the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block
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图 12 研究区8+9号煤层水矿化度与含气量关系
Fig. 12 Water salinity vs. gas content of the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block
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图 13 研究区深部煤层气富集成藏模式
Fig. 13 Enrichment and accumulation patterns of deep CBM in the study area
表 1 临兴−神府区块煤岩煤质统计
Table 1 Statistics of lithotype and coal quality in the Linxing-Shenfu block
% 区块 显微组分体积分数 灰分质量分数 Rmax 镜质组 惰质组 矿物组 临兴 44.70~95.40/71.30 1.20~47.70/20.20 0~37.40/6.90 3.20~36.30/13.80 0.76~1.78/1.30 神府 49.70~94.72/70.07 3.14~44.87/23.05 0~21.03/6.24 7.54~28.53/15.05 0.68~1.50/1.20 注：表中数据44.70~95.40/71.30表示最小~最大值/平均值，其他同。 
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表 2 临兴−神府区块8+9号煤层全尺度孔测试数据
Table 2 Test data of pores with various sizes in the Nos.8 and 9 coal seams in the Linxing-Shenfu block
分区 孔容/(cm3·g−1) 比表面积/(cm2·g−1) 渗透率/10−3 μm2 宏孔 介孔 微孔 宏孔 介孔 微孔 临兴 $\dfrac{0.032\;9 \sim 0.186\;8}{0.086\;5} $ $\dfrac{0.000\;5 \sim 0.001\;7}{0.000\;8} $ $\dfrac{0.024\;5 \sim 0.037\;8}{0.030\;9} $ $\dfrac{0.04 \sim 0.09}{0.08} $ $\dfrac{0.22 \sim 0.59}{0.32} $ $\dfrac{80.33 \sim 118.86}{99.21} $ $\dfrac{0.01 \sim 0.94}{0.23} $ 神府 $\dfrac{0.056\;3 \sim 0.119\;3}{0.080\;9} $ $\dfrac{0.000\;6 \sim 0.000\;9}{0.000\;7} $ $\dfrac{0.027\;0 \sim 0.039\;0}{0.029\;7} $ $\dfrac{0.09 \sim 0.23}{0.16} $ $\dfrac{0.24 \sim 0.33}{0.28} $ $\dfrac{83.04 \sim 127.81}{99.79} $ $\dfrac{0.01 \sim 0.38}{0.10} $ 注：表中数据$\dfrac{0.09 \sim 0.23}{0.16} $表示$\dfrac{最小 \sim 最大值}{平均值} $，其他同。
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