0 引言

鄂尔多斯盆地发育于华北地块稳定克拉通内，盆地面积25×10⁴ km²，内部地形平缓、构造稳定、断层不发育^[1]。盆地内石油、天然气、煤和砂岩型铀矿等多种能源矿产共同赋存。前人就这些能源矿产的时空分布、共存关系及其共存的主控因素开展了详尽的研究^[2-10]，指出石油与天然气、煤与天然气、煤与铀矿之间均存在成生、共存关系，并提出了盆地内多能源矿产协同勘探模式，但盆地内煤层气与致密气二者的联合勘探开发尚未开展，仅闫德宇等^[11]提出鄂尔多斯盆地上古生界煤层气与致密砂岩气叠置成藏，具有很好的勘探开发价值。

鄂尔多斯盆地上古生界广泛发育煤层与致密砂岩，二者互层频繁^[12]，具有同时形成煤层气与致密气的地质条件，资源潜力大^[13-14](表 1)，且二者的开采均需要压裂。综上，开展鄂尔多斯盆地上古生界煤层气与致密气的联合研究，对于提高煤层气与致密气的勘探开发效率、节约成本具有重要的实际意义。本文根据鄂尔多斯盆地煤层气与致密砂岩气勘探现状，通过分析其成藏地质条件(表 2)，建立煤层气与致密气联合优选评价指标体系，划定煤层气与致密气的勘探目标区和有利区，以期为其协同勘探开发提供地质依据。

1 煤层气与致密气联合勘探开发地质基础 1.1 具备煤层气和致密气成藏地质条件

晚石炭世本溪期，鄂尔多斯盆地发育潮坪、泻湖、浅水陆盆沉积，盆地北部发育三角洲沉积(图 1a)；早二叠世太原期，盆地内三角洲、泻湖、潮坪、浅水陆棚碳酸盐岩等沉积体系共存(图 1b)；至山西期，盆地由陆表海盆变为近海湖盆，河流三角洲沉积范围进一步扩大，盆地北部发育冲积扇，盆地中部为浅湖沉积(图 1c)。受以上沉积环境的控制，鄂尔多斯盆地上古生界石炭—二叠系沉积了煤系烃源岩与致密砂岩储层，为煤层气与致密气藏的形成奠定了物质基础。

1.1.1 烃源岩条件

勘探实践^[12]证实，鄂尔多斯盆地上古生界发育石炭—二叠系煤系烃源岩，包括煤层和暗色泥页岩。盆地内煤层厚度多在6～20 m，总体呈现两边厚、中间薄的特征；有机质丰度高，总有机碳质量分数平均值为67.3%；有机质成熟度基本大于1.2%，处于成熟—过成熟阶段，以生气为主。上古生界暗色泥页岩全盆分布稳定^[16-17]，厚度主要为40～120 m；有机质类型以Ⅱ₂及Ⅲ型为主^[18-19]；有机质成熟度较高，平均1.49%，最大达到2.1%以上，大部分地区R_o值都大于1.3%，已进入高成熟生气阶段^[20]。综上，鄂尔多斯盆地广泛发育的石炭—二叠系高有机质丰度烃源岩与成熟—过成熟生气阶段的良好匹配为盆地内上古生界煤层气藏和致密气藏提供了有利的生气条件。

1.1.2 储层条件

煤层气“源储一体”，煤层既是煤层气的烃源岩，也是煤层气的储层。鄂尔多斯盆地上古生界煤储层分布较广，主要位于盆地的东部和西部。其中，山西组5^#煤、太原组8^#煤全盆分布较稳定，是上古生界煤层气勘探的主力层位^[21]。受热演化程度的控制，鄂尔多斯盆地上古生界煤层煤级高，主要为中高变质烟煤和无烟煤。盆地内上古生界煤层普遍含气，含气量为(0.01～23.25)m³/t^[22]。

鄂尔多斯盆地上古生界致密储层发育，主力层段为山西组和下石盒子组盒₈段^[22-24]。晚古生代鄂尔多斯盆地地势平缓，沉积了大型河流三角洲砂体^[16]。由于湖平面的频繁上下波动，不同沉积时期的河道平面反复迁移，导致砂体呈现平面上复合连片、纵向上多期叠置的特征。如主力层段下石盒子组盒₈段砂体呈条带状在全盆广泛分布，宽10～20 km，延伸300 km以上；纵向上沉积了5～10层单砂体，单层厚3～8 m，累计10～30 m。

1.2 煤层气与致密气同源

据统计，鄂尔多斯盆地上古生界致密气藏CH₄质量分数大都分为95%～98%，主力含气层段山西组和下石盒子组致密气藏中的δ¹³C₁主要为-35‰～32‰，表现出了煤成气特征，表明盆地内上古生界致密气来源于石炭—二叠系煤系烃源岩，与煤层气具有相同的烃源岩。近年来，鄂尔多斯盆地天然气勘探实践也证实了这一观点，截止到2014年底，鄂尔多斯盆地已发现的大型煤成气田有9个，其中7个为上古生界致密气田(图 2)，天然气探明储量约47 301亿m³，占全部的85.7%。

此外，盆地上古生界致密气藏的分布受控于煤系烃源岩的生气强度，也从侧面证实了煤层气与致密气的同源特征。盆地内上古生界致密气藏产气井一般分布在生气强度大于10×10⁸ m³/km²的区域内，总体上表现为生气强度越高产气井所占比例越高。据统计^[12]，截止2013年底，鄂尔多斯盆地上古生界800余口生产井中，约有725口产气井，58口气水同井，24口产水井，其中产气井主要分布在生气强度为(16～32)×10⁸ m³/km²的区域内(图 3)。

1.3 煤层与致密储层相互叠置

受沉积环境的控制，鄂尔多斯盆地石炭—二叠系本溪组、太原组与山西组煤层与致密储层在垂向上呈现相互叠置的特征，为上古生界煤层气藏和致密砂岩气藏联合勘探开发奠定了地质基础。根据钻井文献，鄂尔多斯盆地石炭—二叠系煤层与致密层垂向上邻近沉积，二者垂向距离大多为5.0～10.0 m。对盆地内钻遇石炭—二叠系的孤1井煤层与致密层垂向发育情况进行剖析，结果表明：孤1井发育煤层7层，厚度多为2.0～3.0 m，山西组发育4层，太原组发育2层，本溪组发育1层，其中本溪组煤层最厚，厚度为14.0 m；孤1井发育致密砂岩层11层，厚度为1.0～9.5 m，山西组发育6层，太原组发育3层，本溪组发育2层，其中最厚层发育在山西组中下部，厚度到达15.0 m；煤层与致密储层垂向叠置现象明显，二者垂向组合发育6层，其中最大间距2.5 m，最小间距1.0 m(图 4)。

2 成藏模式

由于煤层气藏的成藏类型属于“自生自储”类型，故其成藏时间受控于煤层大量生气的时间；而致密砂岩气藏的成藏时间则取决于天然气充注时间与致密储集层形成时间的匹配关系。鄂尔多斯盆地上古生界煤系烃源岩在晚侏罗世—早白垩世末处于有机质成熟—高成熟阶段，是天然气大量生成的时期^[25-26]，而盆地上古生界致密储层的形成时间处于晚三叠世—中侏罗世^[27]，致密储层形成时间早于天然气大量生产时间。因此，盆地上古生界煤层气藏与致密砂岩气藏均受控于其煤系烃源岩的生气时间，即二者都在晚侏罗世—早白垩世成藏。

晚侏罗世，盆地上古生界煤层有机质开始大量生气，生成的天然气首先以吸附状态赋存在煤储层中，随着煤层有机质的持续生气，天然气以游离态存在于煤层孔隙与裂缝中，此时形成煤层气藏；当生成的气体充满煤层孔隙空间之后，压力增大，天然气继续向附近已经致密的砂岩储层中运移聚集，从而形成致密砂岩气藏。故纵向上致密储层越靠近上下的煤层，其含气饱和度越高(图 5)。

3 煤层气与致密砂岩气共同勘探有利区优选 3.1 评价指标体系

通过对鄂尔多斯盆地煤层气与致密砂岩气的成藏地质条件的综合分析，确定盆地内二者共同勘探区优选的评价指标包括：煤层厚度、烃源岩热演化程度、烃源岩生气强度以及致密储层厚度(表 3)。

煤层厚度：煤层既是鄂尔多斯盆地煤层气与致密气的烃源岩，又是煤层气的储层。热演化阶段相同的情况下，煤层厚度越厚，生气量越大，为煤层气和致密砂岩气提供充足的气源；同时也为煤层气提供足够的储集空间。因此，煤层越厚，煤层气与致密砂岩气共同勘探的地质条件越好。

烃源岩热演化程度：热成熟度用来评价烃源岩的生烃能力。其大小影响吸附在煤层中有机质表面的气体数量，可以反映有机质是否已经进入热成熟生气阶段(生气窗)，有机质进入生气窗后，生气量剧增，有利于形成商业性煤层气藏和致密砂岩气藏。

烃源岩生气强度：生气强度是形成大中型气田的主控因素之一，气田所处生气强度越大对形成大中型气田越有利。前人研究成果^[28]表明，鄂尔多斯盆地形成致密砂岩气藏的生气强度下限为10×10⁸ m³/km²。

致密储层厚度：致密储层厚度决定了致密砂岩气储集空间的大小，储层越厚，致密砂岩气的富集程度越高。

3.2 评价指标权重确定

参考前人煤层气与致密气选区各评价指标权重赋值情况，由专家组确定各评价指标的相对重要程度，认为有机质热演化程度和生气强度对鄂尔多斯盆地上古生界煤层气与致密气联合选区影响较大。

本文利用层次分析法建立各评价指标判断矩阵(表 3)，计算最大特征值并检验判断矩阵的一致性。验证结果表明，矩阵具有满意的一致性，得到煤层厚度、热演化程度、生气强度和致密储层厚度的权重依次为0.189、0.351、0.351、0.109。

3.3 有利区优选

依据建立的评价指标体系及确定的权重，对本文划定的区块Ⅰ—Ⅴ进行煤层气与致密砂岩气共同选区评价，评价结果为区块Ⅴ综合评价最优，其次为区块Ⅱ。将综合得分大于50分的区块划定为勘探目标区，小于50分的划定为勘探有利区，则评价结果为区块Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ为勘探目标区，区块Ⅰ和Ⅳ为勘探有利区。目标区主要分布在盆地的东西缘，煤层厚度大、烃源岩生气强度大，勘探前景好；有利区呈条带状分布在盆地的东北部和西北部，煤层气与致密砂岩气共同勘探潜力较大(表 4、图 6)。

勘探目标区块Ⅴ位于乌审召—兴县以南、乌审旗—横山—子洲—延长一线以东，分布面积最大，综合条件最好。该区煤系烃源岩发育良好，煤层厚度均大于10 m，由北向南总体呈现减薄趋势；烃源岩热演化程度高，主要处于成熟—高成熟阶段；生气强度为(16～40)×10⁸m³/km²，南部高于北部；致密储层主力层段下石盒子组盒₈段砂体在此地区分布较广，厚度15～35 m；综上，此地区煤层气与致密砂岩气勘探前景良好。区块Ⅱ与Ⅲ相比区块Ⅴ生气强度略低，亦是鄂尔多斯盆地煤层气与致密砂岩气共同勘探的目标区。

勘探有利区块Ⅰ位于盆地西北缘，煤层厚度10～30 m，烃源岩主要处于成熟—高成熟阶段，生气强度为(14～16)×10⁸m³/km²，致密储层较发育；有利勘探区块Ⅳ位于盆地北部的伊金霍洛旗—神木一带，煤层气和致密砂岩气成藏条件与区块Ⅰ大体一致，勘探潜力较好。

4 结论

1) 鄂尔多斯盆地上古生界煤层气与致密砂岩气具有相同的烃源岩，且煤层与致密储层垂向上相互叠置，二者垂向距离大多为5～10 m，具有联合勘探开发的可能性。

2) 在综合考虑煤层气与致密砂岩气成藏地质条件的基础上，建立了鄂尔多斯盆地煤层气与致密砂岩气共同勘探选区的评价指标体系，包括煤层厚度、烃源岩热演化程度、生气强度以及致密储层厚度4个指标。

3) 利用建立的评价指标体系，优选了3个煤层气与致密砂岩气共同勘探目标区块，2个有利勘探区块。区块Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ为勘探目标区，主要分布在盆地的东西缘，煤层厚度大、烃源岩生气强度大，勘探前景好；区块Ⅰ和Ⅳ为勘探有利区，呈条带状分布在盆地的东北部和西北部，勘探潜力次之。