我国大型含煤盆地发育，具有多旋回、多期成煤特征，煤层分布面积广、厚度大，煤层气资源丰富^[1]。2015年全国煤层气资源动态评价，埋深小于2000m煤层气地质资源量为30.05×10¹²m³，可采资源量为12.50×10¹²m^{3 [2-3]}；2000m及以深的煤层气资源量尚未系统评价，估算埋深2000~4000m其资源量约为50×10¹²m^{3 [4-5]}。“十三五”后期至“十四五”期间，随着深层煤层气地质认识的不断深入，以及长水平井、大规模压裂等工程技术的进步^[6]，以往评价认为缺少勘探开发价值的“深部煤层”逐渐进入地质家的视野，勘探发现相继在鄂尔多斯盆地、沁水盆地、准噶尔盆地等地区取得成功^[7-10]，从而开拓了煤岩气勘探新领域。具有里程碑意义的是2019年鄂尔多斯盆地大宁—吉县地区吉深6-7平01井（煤层埋深2100m）获日产气10.1×10⁴m³高产工业气流，突破了煤层气勘探开发领域的深度禁区^[11-12]；准噶尔盆地白家海地区的彩探1H井（完钻垂深2385.84m）通过水平井+体积压裂于西山组煤层获得了初期日产5×10⁴m³、稳产2×10⁴m³的产量^[13]，展示出我国煤岩气领域的勘探与开发前景。实践证实^[14-15]，深层煤岩气不同于浅层煤层气，深层煤层既可“生气”也可“储气”，具有游离气和吸附气共存、自源气和他源气互补聚集的地质特征。

我国东部渤海湾盆地石炭系—二叠系太原组—山西组煤层分布面积大，资源前景广阔。1978年东濮凹陷文留气藏^[16]、1983年霸县凹陷苏20气藏^[17]的发现揭示了太原组—山西组煤系是有效气源岩。2017年中国石油华北油田公司在沧县隆起大城地区部署的大平7井于太原组煤层获日产气1.0×10⁴m³，勘探获重要突破^[18]，实践表明渤海湾盆地太原组—山西组煤层具备形成煤岩气藏条件，但盆地目前的煤岩气产业发展进度距离规模发现和工业开发仍有较大差距。制约勘探的关键地质问题有：一是太原组—山西组煤层历经燕山期—喜马拉雅期复杂的构造改造，埋深较大，是否发育稳定分布的厚煤层及其分布尚不明确；二是深层煤层与上部岩层形成的储盖组合特征及能否形成有效封挡还不清楚；三是煤岩品质及煤层含气量大小、资源规模前景不清，是否具备深化勘探的基础仍需探讨等。本文综合其他学者相关区域成煤、成储等特征研究和论述，立足黄骅坳陷石炭系—二叠系煤层，尤其是埋深3000m以深的太原组Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ煤组，针对上述地质问题，展开前期评价。

渤海湾盆地与沁水盆地、鄂尔多斯盆地晚古生代同属华北克拉通盆地，受华北板块南北大洋盆地的开合旋回及板块碰撞的控制，形成了盆地原始地层展布特征及沉积建造类型^[19]，其中晚石炭世—早二叠世发育的一套陆表海沉积的含煤层系横向稳定分布，为煤岩气勘探奠定了物质基础。至中生代，渤海湾盆地受太平洋动力体系影响发生强烈改造，印支期华北克拉通破坏解体，结束了稳定的地台盖层沉积，燕山期、喜马拉雅期的张裂和拉伸，使得前期克拉通盆地支离破碎、差异沉降，部分地区上古生界剥蚀殆尽，并逐渐演化成为多个分割性明显、演化迅速、岩相多变的陆相断陷盆地。

黄骅坳陷作为渤海湾盆地的次级构造单元，晚古生代处于沧津古向斜区，石炭系—二叠系沉积厚度较大、保存相对较好，厚度可达1000m以上，自下而上发育本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，并表现为两套差异显著的沉积组合^[20]，其中“下组合”本溪组、太原组和山西组为陆表海盆地海陆交替型含煤地层，以暗色泥岩与砂岩互层夹稳定分布的多套煤层为特征，煤层在太原组和山西组发育较为集中；“上组合”下石盒子组、上石盒子组、石千峰组为大型陆相坳陷盆地沉积，含煤性较差。受控于古地理成煤环境和后期构造改造，坳陷内形成了孔店—关家堡、泊头—盐山两个较大的聚煤区，各个聚煤区发育2~3个厚值中心（图 1）。

图 1

图 1 黄骅坳陷太原组—山西组煤层分布图（左）与地层综合柱状图（右） Fig. 1 Distribution of Shanxi-Taiyuan Formation coal seams (left) in Huanghua Depression and comprehensive stratigraphic column (right)

太原组—山西组含煤地层沉积环境具有由陆表海堡岛沉积体系向浅水三角洲沉积变化的总体特征。太原组下段沉积期，海侵方向自盆地东北方向，潮坪泥炭坪广泛发育，平面连续性强。潟湖、障壁岛等规模小、相变快，主要分布于坳陷中南部（图 2a）；太原组上段沉积期，古地形由南高北低转变为北高南低，自盆地东南方向发生大规模海侵，潟湖、障壁岛分布的长轴走向由最初的北西向转变为北东向（图 2b）。该时期形成的煤层层数较多，与广泛分布的潮坪相泥岩互层伴生，累计厚度较大。至山西组沉积期，物源供给增强，海水大面积南退，成煤环境逐渐演变为浅水三角洲平原泥炭沼泽为特征（图 2c），煤层层数多，单煤层厚度较小（图 1）。

图 2

图 2 黄骅坳陷太原组—山西组沉积相图 Fig. 2 Sedimentary facies map of Taiyuan-Shanxi Formation in Huanghua Depression

受中生代以来强烈的构造改造，研究区内构造单元呈现不同程度的升降，煤层的区域分布稳定性变差。早—中侏罗世、早白垩世与新生代的构造活动决定了构造单元叠加改造的差异性，坳陷主体区表现为“中生代先沉后抬—新生代大规模沉降”和“中生代—新生代持续沉降”等，形成二次沉降、持续沉降为主的沉降类型，控制了煤层分布和煤岩生烃特征^{[19, 21]}。其中新生代控洼断层的强烈活动进一步加剧盆地构造的复杂性和煤层分布的分割性，使得煤层纵向深度跨越广，断接幅度大，例如乌马营地区煤层埋深约为5400m，比西部沧县隆起南段煤层埋深大3500m左右。但同时受该类断层分割的不同构造单元内部，煤层分布往往具有相对较好的稳定性，例如沧县隆起南段、乌马营及东部的盐山地区等，构造幅度在1000m左右（图 3）。

图 3

图 3 黄骅坳陷近残留煤系地层分布剖面图（剖面位置见图 1） Fig. 3 Seismic profile indicating the residual coal measure strata in Huanghua Depression (section location is in Fig. 1)

2010年以来，中国石油大港油田公司针对以煤系烃源岩供烃的潜山气藏陆续发现了埕海奥陶系、乌马营二叠系、歧北奥陶系等气藏，碳同位素测定δ¹³C₁介于27.2‰~35.5‰；δ¹³C₂介于-25.4‰~ -18.7‰；δ¹³C₃介于-21.2‰~25.2‰，指示气源来自煤系，已大量生气。2017年对沧县隆起南部太原组煤岩气进行探索，钻探的CL1601井于2266.6~2274.2m煤层绳索取心，现场解析含气量为11.71~13.8m³/t，未试气。2023年，通过对该套煤层的分布、成藏条件和资源量估算，认为煤岩气领域具备进一步探索的潜力。

研究区钻井揭示了石炭系—二叠系太原组、山西组两套含煤层，煤层可细划为6个煤组，即山西组的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ煤组和太原组的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ煤组，发育孔店—关家堡、泊头—盐山南北两个聚煤区（图 1）。

北部孔店—关家堡聚煤区：主要分布于孔店到关家堡一线，长约86km，宽约48km，累计总厚度大于4m的煤层分布面积约为3720km²，关家堡煤层厚值区ZG1井钻井揭示煤层累计厚度为29.5m，最大单煤层厚度为6.2m。

南部泊头—盐山聚煤区：煤层主要分布于沧县隆起南段泊头地区和黄骅坳陷乌马营、盐山一线，长约110km，宽约60km，累计总厚度大于4m的煤层分布面积约为5500km²，乌马营煤层厚值WG1井钻井揭示煤层累计厚度为18m，最大单层厚度为5.9m。

研究区内煤层具有层数多、单煤薄、累计厚度大等特点。单井钻遇层数一般为8~14层，如ZG1井钻遇煤层达19层；单煤层厚度为0.5~6m，大多为2~3m；煤层累计厚度较大，如CG2井累计厚度为32.7m。从煤层数、分布规模及单一厚煤层的发育情况看，太原组好于山西组，Ⅳ、Ⅵ煤组煤层分布的稳定性相对较好，是研究区深层煤层气勘探的主力煤组（图 4）。

图 4

图 4 过CC1井—ZG1井煤层分布图（剖面位置见图 1） Fig. 4 Well correlation section across wells CC1-ZG1 showing coal seam distribution (section location is in Fig. 1)

太原组煤岩TOC为22.43%~76.26%，平均为53.36%；热解S₁+S₂分布在32.6~224.4mg/g，平均为111.6mg/g；氯仿沥青“A”介于0.1268%~3.617%（表 1），为好—优质烃源岩。有机质类型以Ⅱ₂—Ⅲ型为主，显微组分中富氢组分含量较高，镜质组含量为72%~85%，惰质组含量为10%~16%，壳质组含量为2%~15%，总体偏腐殖型，高等植物供给为主，同时伴有一定量水生生物的输入。深埋和火成活动两种热作用共同促进煤岩的生烃演化，R_o普遍在0.85%以上，最大可达2.48%（表 1）。现今生烃门限在2800m左右，生烃高峰（R_o为1.1%左右）在4000~4500m，发育关家堡和乌马营地区两个生烃中心，太原组煤系烃源岩总生气量为43.08×10⁸m^{3 [22]}。研究区内3000m以深、煤层累计厚度大于4m且处于强生烃区的有利勘探区面积约为3500km²。

表 1

表 1 黄骅坳陷主要区带太原组煤地球化学特征统计表 Table 1 Statistics of geochemical parameters of Taiyuan Formation coal seam in main zones in Huahua Depression 分区 TOC/% S1+S2/(mg·g-1) 氯仿沥青“A”/% Ro/% 乌马营 $\frac{27.51 \sim 67.04}{53.34}$ $\frac{42.6 \sim 224.4}{124.3}$ $\frac{0.1268 \sim 2.264}{0.8926}$ $\frac{0.85 \sim 2.48}{1.17}$ 盐山 $\frac{32.36 \sim 76.26}{57.25}$ $\frac{52.3 \sim 137.8}{104.4}$ $\frac{0.3852 \sim 3.617}{1.9471}$ $\frac{0.67 \sim 1.26}{0.85}$ 关家堡 $\frac{22.43 \sim 74.91}{49.44}$ $\frac{32.6 \sim 198.3}{97.2}$ $\frac{0.3242 \sim 2.008}{1.0399}$ $\frac{0.63 \sim 1.53}{0.97}$ 孔店 $\frac{31.33 \sim 60.92}{52.63}$ $\frac{52.4 \sim 188.9}{120.7}$ $\frac{0.4268 \sim 1.674}{1.1469}$ $\frac{0.67 \sim 2.08}{0.93}$ 注：$\frac{\text { 最小值 ~ 最大值 }}{\text { 平均值 }}$。

表 1 黄骅坳陷主要区带太原组煤地球化学特征统计表 Table 1 Statistics of geochemical parameters of Taiyuan Formation coal seam in main zones in Huahua Depression

太原组煤岩煤体结构以原生结构煤为主，宏观煤岩类型为半亮—光亮型煤（图 5），岩心见割理、微裂缝等发育，镜下可见植物组织孔、微小裂隙等。通过对煤岩孔隙度测井计算，煤层埋深小于3000m孔隙度为3%~9%；随埋深增加，煤层孔隙度逐渐降低，3000~4500m孔隙度仍可大于5%，如QG101井煤层埋深3530~3775m，电成像测井显示煤层孔隙、缝洞发育，计算有效孔隙度为5.2%~8.4%。

图 5

图 5 太原组煤岩岩心及微观特征 Fig. 5 Photos and microscopic characteristics of coal samples in Taiyuan Formation (a) GG16102井，2223.8m，原生结构，微裂缝，岩心；(b) CG2井，原生结构，1690.3m，微裂缝，岩心；(c) CL1601井，2270.8m，组织孔和微裂隙，扫描电镜；(d) CL1601井，2271.4m，微裂隙，扫描电镜

受太原组岛堡沉积体系泥炭坪、障壁岛等沉积微相控制（图 2），发育煤岩与泥岩、碳质泥岩、细（粉）砂岩、白云质灰岩等互层，煤岩与顶板岩性主要形成煤—泥型、煤—灰型、煤—砂型3种岩性组合类型，主力煤层Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ煤组主要以煤—泥组合类型为主，仅在局部发育煤—砂和煤—灰组合类型。煤—泥组合类型封盖条件好，往往气测异常值和全烃异常基峰比值高，如太原组Ⅳ煤组WS1井上下两套煤岩组合气测异常值为29.7%~66.25%，气测全烃异常基峰比为29.4~65.59；WG1煤岩气测异常值为16.68%~30.36%，气测全烃异常基峰比为29.65~54.21；HG101井气测异常值为15.7%~43.65%，气测全烃异常基峰比为31.4~ 87.3（图 6）。

图 6

图 6 黄骅坳陷太原组Ⅳ煤组顶板特征及气测异常值分布（剖面位置见图 1） Fig. 6 Coal roof characteristics and gas logging anomaly distribution of Ⅳ coal group in Taiyuan Formation in Huanghua Depression (section location is in Fig. 1)

煤层含气量是决定一个地区该类型资源能否进行商业化勘探开发的先决条件，也是资源评价、前景预测及方案制定的一个至关重要的参数^[23]。不同类型煤其变质程度、工业组分、生气量等均存在明显差异，可利用密度、自然伽马、镜质组反射率等参数建立多元回归计算模型，实现煤层含气量计算^[24-28]。利用黄骅坳陷、大城凸起及沁水盆地浅层煤层气井含气量实测资料，建立了不同煤阶吨煤含气量与煤岩密度、成熟度等测井计算模型（图 7）。

图 7

图 7 不同煤阶煤岩含气量与密度、自然伽马、Ro测井拟合模型图 Fig. 7 Fitting models between gas content and wireline logging DEN, GR, and Ro with various coal ranks Vgas=48.16248-0.02195GR-22.5358DEN+0.51641Ro (R2=0.5575, R=0.7467)

通过研究区内40余口井的计算，3000m以浅测井计算含气量与实测值相近，如CL1601井2100~2290m井段计算含气量为12.7~14.2m³/t，该井段实验测定解析气量为13.83m³/t；而3000m以深测井计算含气量随深度快速增大，在3500~4500m（R_o为1.1%~1.3%）形成峰值，最大含气量为25m³/t，含气量近似等于煤层空气干燥基兰氏体积。据此，太原组分煤组进行深层煤层气含气量预测（图 8），落实乌马营、关家堡、盐山、泊头、孔店5个含气量高值区，含气量大于10m³/t的分布面积约为4600km²。

图 8

图 8 黄骅坳陷太原组分煤组含气量分布图 Fig. 8 Gas content distribution of various coal groups in Taiyuan Formation in Huanghua Depression

通过含气量计算，结合钻井气测全烃异常值对研究区煤层的含气性特征进行初步探讨。鉴于钻井气测全烃异常值大小受钻井过程中钻井液密度、钻速等因素的影响^[8]，本次采用气测全烃异常基峰比值的相对值量化评价分析。对计算含气量值、煤层全烃异常基峰比值、热演化程度、顶板组合类型等分析，初步认为：

（1）热演化程度较高的煤层气测全烃异常基峰比值和计算含气量值往往较大（图 9）。纵向上随着R_o的增大，尤其是3000m以深煤层气测全烃异常基峰比值和计算含气量值迅速增大，在埋深约为4000m（R_o≈1.2%）处出现峰值后再趋于减小。

图 9

图 9 热演化、气测基峰比及含气量随深度变化图 Fig. 9 Changes of thermal evolution degree, gas logging base peak ratio and gas content with depth

（2）具有煤—泥组合特征的煤层气测全烃异常基峰比值往往较大（图 9b）。统计表明，煤—砂、煤—灰、煤—泥组合气测全烃异常基峰比值主体分布值域逐步增大，煤—泥组合最高可达87.3，明显高于其他组合类型。

（3）煤岩气具有吸附气和游离气共生特征。1000~3000m埋深煤岩成熟度低、游离气量少；3000m以深尤其进入生烃高峰期，游离气量显著增加，煤岩气测全烃异常基峰比值和计算含气量值也迅速增大（图 9b、c），推测深层煤吸附饱和后，游离气大量生成，既有吸附气也有游离气。

针对埋深大于3000m煤岩气资源量进行计算，包括吸附气和游离气两部分。吸附气资源量主要通过含气量体积法计算，即以往煤层气资源量计算方法；而游离气资源量主要通过容积法计算。

（1）吸附气资源量。结合研究区煤层构造复杂、埋深大、层数多，以及热演化程度相对低等特征，优选构造相对稳定、R_o > 0.7%、煤层累计厚度大于4m，且计算含气量大于10m³/t的地区，多图叠合落实孔店、关家堡、乌马营、盐山4个有利区及含气面积（图 10），结合各有利区煤层厚度和含气量值等参数，计算3000m以深太原组Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ煤组吸附气资源量为9568×108m³（表 2）。

图 10

图 10 黄骅坳陷太原组3000m以深煤层有利区及计算单元分布图 Fig. 10 Favorable areas and resource calculation units of coal seams with a burial depth of greater than 3000 m in Taiyuan Formation in Huanghua Depression

表 2

表 2 黄骅坳陷太原组3000m以深煤岩气资源量统计表 Table 2 Resource amount of coal measure gas with a burial depth of greater than 3000 m in Taiyuan Formation in Huanghua Depression 区带 Ⅳ煤组 Ⅴ煤组 Ⅵ煤组 煤层气总资源量/108m3 吸附气 游离气 吸附气 游离气 吸附气 游离气 面积/km2 资源量/108m3 面积/km2 资源量/108m3 面积/km2 资源量/108m3 面积/km2 资源量/108m3 面积/km2 资源量/108m3 面积/km2 资源量/108m3 孔店 215 310 62 57 618 856 62 56 533 906 62 58 2243 关家堡 552 700 57 56 254 423 57 60 223 470 57 67 1776 乌马营 571 1369 223 300 619 1244 163 162 599 1103 223 246 4424 盐山 261 452 197 236 540 789 197 236 623 946 197 236 2895 总计   2831   649   3312   514   3425   607 11338

表 2 黄骅坳陷太原组3000m以深煤岩气资源量统计表 Table 2 Resource amount of coal measure gas with a burial depth of greater than 3000 m in Taiyuan Formation in Huanghua Depression

（2）游离气资源量。依托全区太原组顶面构造落实上述4个有利区的16个圈闭和分布（图 10），取单储系数0.15，估算太原组Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ煤组圈闭游离气资源量1770×10⁸m³（表 2）。

研究区煤岩气总资源量为11338×10⁸m³，其中吸附气资源量占比84%，是煤岩气资源量的主体，乌马营地区资源总量及游离气资源量明显高于其他地区。

优选乌马营地区王官屯斜坡为煤岩气勘探的突破口。该区位于黄骅坳陷南部泊头—盐山聚煤区北部，夹持在沧东断裂和徐西断裂之间，整体为一个北东向展布的背斜构造，发育南北两个局部高点，南北高点分别受早期断层控制形成鼻状构造圈闭，顶面埋深为3200~4600m，地层倾角为5°~10°。目标区精细构造落实煤层有利区面积约为250km²，圈闭面积约为120km²（图 11）。研究区内太原组Ⅳ、Ⅵ煤组单层厚煤层厚度最大为6m，与上覆泥岩形成煤—泥组合类型。测井计算太原组煤岩含气量为6.5~16.8m³/t，预测吸附气资源量为1159×10⁸m³，游离气资源量为316.8×10⁸m³，合计1475.8×10⁸m³。

图 11

图 11 乌马营地区王官屯斜坡太原组Ⅳ煤组顶面构造图 Fig. 11 Top structural map of Ⅳ coal group in Taiyuan Formation in Wangguantun slope in Wumaying area

该区构造圈闭发育、埋深较大，深部煤层含气“超饱和”，整体具有大面积吸附成藏和游离气圈闭成藏特征，为探索“常非储层共生，吸附气和游离气共存”煤岩气成藏模式，在背斜北高点设计钻探GT1H井（图 12）。

图 12

图 12 乌马营地区王官屯斜坡煤岩气成藏模式图（剖面位置见图 11） Fig. 12 Accumulation pattern of coal measure gas in Wangguantun slope in Wumaying area (section location is in Fig. 11)

（1）渤海湾盆地与鄂尔多斯盆地晚古生代原始沉积特征基本相似，具有较好的可对比性。黄骅坳陷太原组“煤薄层多”，局部发育单厚煤层；泥岩顶板广泛分布，煤层气测全烃异常活跃；发育乌马营等5个含气区高值区，预测资源量超万亿立方米。因此，具备形成煤岩气田的基本条件和潜力。

（2）稳定分布的单层厚煤层（≥4m）的落实是断陷盆地深层煤层气勘探的一个难点问题。受后期断裂分割和成煤环境微相控制，煤层区域上的横向稳定性较差，同时单厚煤层在区带上的分布也具有复杂性，加大了成藏有利区评价的难度。

（3）研究区深部煤层虽然有40余口探井钻遇，但当时均未作为钻探目的层，取心少，煤层工业组分、物性、含气性等实际测试数据匮乏。因此，建议下步工作需针对已有取心或结合新钻井资料进一步开展煤岩气储层特征、赋存机理，以及顶底保存条件等方面的系统和深入研究。