煤层气是以中—高阶煤岩自身生成或从其他气源运移而赋存于煤岩储层中，通过储层改造可快速产气并能规模开采的烃类气体^[1]。我国煤层气产业经过近几十年发展，先后在准噶尔盆地南部、沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘、二连盆地等先后部署生产井近20000口，尤其是在沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘形成两大浅层煤层气生产基地^[2-3]。近年来，中国石油、中国石化和中国海油相继在鄂尔多斯盆地东缘的延川南和大宁—吉县区块、准噶尔盆地白家海和阜康区块、沁水盆地南部的郑庄区块埋深为1000~2500m的浅层煤层气井获得高产气流突破^[4-9]。有别于浅层煤层气，煤岩气普遍具有地层温度高、压力高、含气饱和度高、钻井全烃气测异常的特征，煤层含气性、地层能量及供气能力也明显高于浅层煤层气，已成为深部油气勘探的重要方向之一^[10-12]。

松辽盆地是我国重要的含煤盆地，深层沙河子组发育多套煤岩和碳质泥岩^[13]，具有埋藏深度大、热演化程度高、生烃潜力大、生气量高的特点，多口探井在沙河子组煤岩中发现气测全烃异常并获得工业气流，初步估算煤层气资源量近0.853×10¹²m³，可采资源量约为0.2559×10¹²m³，资源潜力大、勘探前景广阔。但勘探实践也表明，沙河子组煤层埋藏深度大，且不同地区煤岩气成藏要素和气藏特征差异显著，导致探井气测显示和勘探效果各不相同^[14]，勘探方向不明已成为影响煤岩气勘探决策的重要因素。针对煤岩气勘探中存在的勘探目标成藏要素不明、气藏特征不清、资源潜力不准等问题，本文综合地震、岩心、气组分、碳同位素和SEM等多种分析测试，系统梳理徐家围子断陷沙河子组沉积期聚煤环境、煤岩气地球化学特征、煤岩地球化学特征、煤岩储层特征、煤层储盖组合和煤层内压力封存箱等煤层气藏特征，综合多种有利成藏条件优选宋站洼槽1号煤层和徐西洼槽2号煤层2个煤岩气富集有利区，作为近期煤岩气勘探突破方向。

徐家围子断陷位于松辽盆地东部断陷带^[15]，西邻中央古隆起，东接朝阳沟凸起，面积约为5350km²，是一个呈北北西向展布的复式箕状断陷（图 1a）。断陷期地层自下而上依次为下白垩统火石岭组、沙河子组和营城组，沙河子组是盆地强烈断陷期沉积的一套湖相含煤碎屑岩，分布广泛、厚度稳定，是松辽盆地深层最主要的烃源岩层位，可细分为SQ1—SQ4等4个三级层序（图 1b）。沙河子组沉积期徐西断裂、徐东断裂等控陷断裂活动强烈，在全区形成大量小断层，是煤岩气重要的运移通道。

图 1

图 1 徐家围子断陷构造位置图(a)、地层综合柱状图(b) 及沙河子组剖面图(c) Fig. 1 Structural location of Xujiaweizi Fault Depression (a), stratigraphic column (b) and section of Shahezi Formation (c)

沙河子组沉积期断陷湖盆发育达到鼎盛，形成徐西洼槽、徐东洼槽和安达洼槽等多个沉积中心，具有湖盆面积广、水体深、断裂活跃、沉降速度快的特征^[16]。断陷两侧由扇三角洲平原、辫状河三角洲平原向断陷中心过渡为三角洲前缘、滨浅湖和半深湖—深湖相（图 1c）。SQ1沉积期为初始断陷期，虽然受古地貌控制沙河子组沉积充填范围较小，但控陷的徐西断裂活动强烈，在徐中地区强烈下陷形成半深湖，断陷两侧分别形成多个小型扇三角洲、辫状河三角洲朵叶体。SQ2沉积期徐西断裂活动较强，西侧陡坡带扇三角洲沉积进一步扩大；东部斜坡带滨浅湖范围持续扩大，形成大面积滨浅湖沼泽。SQ3沉积期，随着徐西断裂活动减弱，扇三角洲规模随之减弱；而东部斜坡带辫状河三角洲平原沉积迅速增大，辫状河三角洲前缘中见大量分流间湾泥岩和沼泽煤岩；断陷中部滨浅湖迅速减小。SQ4沉积期，由于徐西断裂活动性减弱，三角洲平原持续扩大；湖泊面积降至最低，仅在三角洲沉积间隙见滨浅湖的发育。

沙河子组在SQ4层序和SQ2层序高位体系域晚期的辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘沉积中发育1号、2号两套稳定煤岩，单层厚度为3~10m。SQ4层序1号煤层厚度为4~10m，在矿权边界和徐西、徐东等控陷断裂的约束下，通过三维地震反演开展煤层分布预测，并利用录井和测井解释的煤岩厚度对预测结果进行验证，结果表明，SQ4层序的1号煤层集中分布在北部宋站洼槽和安达洼槽，其中厚度大于3m的煤层面积约为528km²，总体呈现西薄东厚、中部集中的展布特征，宋深4井、宋深3井和达深28井1号煤层厚度最大，均钻遇厚度超5.5m的稳定煤层（图 2a）。SQ2层序2号煤层厚度为3~10m，集中分布在西部徐西洼槽，如升深5井和徐深1井钻遇厚5.2m的煤层，厚度大于3m的煤层面积为836km²，呈现西厚东薄、南北薄、中部厚的分布特征（图 2b）。

图 2

图 2 徐家围子断陷沙河子组1号、2号煤层厚度分布图 Fig. 2 Thickness of No.1 and No.2 coal seams in Shahezi Formation in Xujiaweizi Fault Depression

系统采集了宋站洼槽、安达洼槽、徐西洼槽等主要含气洼槽内14口煤岩探井的73个煤岩样品，在中国石油大庆油田公司勘探开发研究院多资源协同陆相页岩油绿色开采全国重点实验室进行天然气组分及同位素分析，其中气组分分析采用Agilent公司的6890N气相色谱仪，稳定碳同位素分析采用Optima同位素质谱仪。天然气样品在HP5890II气相色谱仪中经过色谱柱（HP—PLOT Q柱，30m×0.32mm×20μm）分离为单组分，气相色谱仪初始炉温为35℃，以8℃/min的速度升至80℃，再以5℃/min的速度升至260℃，保持10min。单组分烃类通过高温转化炉转化为CO₂后直接进入同位素质谱仪，通过色谱柱分离（PlO Q30m），色谱柱从初始35℃上升至最终260℃，并保持260℃炉温10min，每个样品分析3次，分析精度为±0.5‰。结果表明：沙河子组煤岩气以烃类气为主，其中甲烷含量最高，为90.46%~97.93%，平均为91.78%（图 3），天然气干燥系数为91.16%~98.51%，平均为95.71%，表明沙河子组煤岩气热演化程度高，为高—过成熟的干气^[17]。重烃气（C₂₊）含量较低，为1.28%~8.37%，平均为4.11%，重烃则以乙烷和丙烷为主，含量分别为1.11%~8.71%和0.11%~3.09%，平均分别为3.12%和0.68%，丁烷和戊烷平均仅有0.23%和0.14%。不同样品中还检测出少量氮气、二氧化碳等非烃类气，氮气含量为0.1%~3.97%，平均为1.25%，二氧化碳含量为0.1%~7.15%，平均为2.54%。

图 3

图 3 沙河子组煤层气组分特征图 Fig. 3 Gas composition characteristics in Shahezi Formation

沙河子组δ¹³C₁普遍小于-30‰，分布在-33.24‰~ -18‰，平均为-28.55‰；δ¹³C₂偏重且分布相对集中，介于-26.90‰~-21.26‰，平均为-23.46‰；δ¹³C₃主要分布在-27.14‰~-20.31‰，平均为-23.65‰；δ¹³C₄主要分布在-24.84‰~-20.13‰，平均为-21.39‰。沙河子组二氧化碳碳同位素（δ¹³C_CO2）主要分布在-4.94‰~-1.82‰，平均为-3.26‰。

沙河子组大部分样品稳定碳同位素为正序分布，即δ¹³C₁ < δ¹³C₂ < δ¹³C₃ < δ¹³C₄，表明沙河子组煤岩气为典型的有机成因甲烷（图 4a），总体上以原生气为主，未经历煤型气、油型气或无机气等不同成因气的混合和逸散^[18]，仅达深16井、达深303井和达深401井的少数样品出现δ¹³C₂ > δ¹³C₃的部分倒转，单井埋深史、热史和包裹体均一温度测试表明，达深303井和达深401井在青山口组沉积末期（91—88Ma）和嫩江组沉积期（84—80Ma）发生两次排烃，晚期高成熟煤层气与早期低成熟煤层气混合是导致碳同位素部分倒转的主要原因^[19]。δ¹³C₁和δ¹³C₂关系也表明，沙河子组天然气δ¹³C₂均大于-26.90‰，位于油型裂解气和煤型气区（图 4b）。在δ¹³C₁和C₁/C₂₊₃不同成因烷烃气鉴别图版中，沙河子组天然气全部落在煤型气区（Ⅳ区），进一步表明沙河子组烃类气主要为煤型气（图 4c）。

图 4

图 4 沙河子组天然气成因判识图 Fig. 4 Gas genesis identification plate in Shahezi Formation

沙河子组煤岩有机质丰度高，1号煤层煤岩TOC和S₁+S₂分别为0.63%~83.06%和0.06~115.52mg/g，分别平均为48.86%和16.83mg/g；2号煤层煤岩的TOC分布在1.26%~75.57%，平均为29.65%，S₁+S₂分布在0.39~9.23mg/g，平均为3.45mg/g（图 5a）。丰富的有机质是形成油气的物质基础，而有机质类型及热演化程度是决定其烃类产物的关键^[20]。97个干酪根元素分析表明，不同层序煤岩的H/C和O/C普遍较低，分别为0.24~1.02和0.01~0.22，平均分别为0.52和0.09，为Ⅲ型干酪根（图 5b）。沙河子组热演化程度普遍较高，1号煤层埋藏较浅，R_o分布范围较宽，从1.07%到3.44%均有分布，平均为1.82%，T_max分布在304~549℃，平均为430℃，普遍达到成熟阶段。2号煤层埋深较大，R_o介于1.69%和3.44%之间，平均为2.28%，T_max分布在309~590℃，平均为480℃，处于高—过成熟阶段。平面上徐西洼槽、徐中凹陷2号煤层和宋站洼槽1号煤层埋深最大，煤岩成熟度较高，为R_o > 2.0%的高阶煤，宋站洼槽东侧斜坡1号煤层埋深较高，R_o也较高，分布于1.0%到2.0%之间，属于中—高煤阶。

图 5

图 5 沙河子组天然气成因判识图 Fig. 5 Gas genesis identification plate in Shahezi Formation

沙河子组煤岩以光亮型煤为主，层理清晰，煤体结构完整，多为原生结构煤；煤岩割理发育，面割理密度为5~10条/10cm，端割理密度为12~15条/10cm（图 6）。徐家围子地区煤岩具有特低水分、低灰分和煤岩品质高的特征，灰分含量为3.85%~23.8%，平均为14.3%，属特低灰分—低中灰分煤；挥发分含量为5.75%~19.03%，平均仅有9.7%，属特低挥发分煤；水分含量分布在0.88%~1.32%，平均为0.99%，属特低水分煤岩。这与大吉—宁县本溪组灰分含量（4.56%~18.12%）、挥发分含量（6.4%~13.94%）和水分含量（0.82%~2.5%）基本一致。徐家围子断陷沙河子组煤岩孔隙度为4.09%~5.55%，平均为4.74%，略高于大吉—宁县本溪组煤岩孔隙度（2.74%~ 3.62%），氦气渗透率可高达4.42mD（表 1），远高于本溪组煤岩（0.001~0.309mD），表明沙河子组煤岩孔渗性能较好^[2]。徐家围子煤岩有机组分中镜质组含量最高，分布在85%~90%，平均约为87%，惰质组次之，分布在8%~11%，平均为9.6%，见少量壳质组，平均仅有3%。

图 6

图 6 沙河子组煤岩样品岩心照片 Fig. 6 Photos of coal core in Shahezi Formation

表 1

表 1 徐家围子断陷煤岩与国内典型煤层气储层特征对比表 Table 1 Comparison of coal reservoir characteristics between Xujiaweizi Fault Depression and typical domestic CBM fields 地区 鄂尔多斯盆地大宁—吉县地区 准噶尔盆地白家海凸起 海拉尔盆地 徐家围子断陷 煤岩埋深/m 1500~2500 1700~2500 2000~2800 1500~4500 煤岩单层厚度/m 2.8~12 6~21 5~30.4 2~6 煤体结构 以原生结构煤为主 以原生结构煤为主 以原生结构煤为主 以原生结构煤为主 Ro/% 2.14~2.78 0.5~1.0 1.0~2.0 1.5~3.1 孔隙度/% 2.74~3.62 6.6~16.9 3~10 4.09~5.55 渗透率/mD 0.001~0.309 0.17~14.60 0.01~0.50 0.10~4.42 含气量/(m3·t-1) 17.5~30 5~13.5 15~35 8~25 气测峰值/% 1.5~100，平均为59.45 0.7~99.0，平均为26.67 5.12~52.44，平均为18.34 0.11~27.7，平均为11.46 游离气占比/% 13.1~34.3 0.78~45.25 30~45 20~30

表 1 徐家围子断陷煤岩与国内典型煤层气储层特征对比表 Table 1 Comparison of coal reservoir characteristics between Xujiaweizi Fault Depression and typical domestic CBM fields

场发射SEM图像显示煤岩储集空间类型多样，张性微裂隙、原生植物组织孔、气孔和矿物质孔较多。气孔密集排列形成气孔群，气孔群之间以微裂隙为桥梁相互连通形成良好的孔裂隙网络和渗流通道（图 7），有利于煤层气的运移和产出。高压压汞实验结果表明沙河子组煤岩孔隙形态多为半封闭型孔，以孔径小于10nm的微孔为主（69.93%~85.05%），但排驱压力低（0.111~0.675MPa），大孔和裂隙占比也较多（7.56%~18.74%），表明沙河子组煤岩储集性能好，是深层有利储层。

图 7

图 7 沙河子组煤岩微观储集空间特征图 Fig. 7 Microscopic reservoir space characteristics of coal rock in Shahezi Formation

煤层气能否聚集成藏，不仅取决于煤岩储集性能，也取决于煤岩储盖组合^[21]。根据沙河子组钻井揭示情况，沙河子组发育泥岩和泥质粉砂岩2种盖层，可划分为顶底泥岩型、顶砂底砂型、顶泥底砂型3种储盖组合（图 8）。

图 8

图 8 升深5井和达深28井煤层储盖组合特征图 Fig. 8 Reservoir-cap rock combination characteristics in wells Shengshen 5 and Dashen 28

顶底泥岩型是煤层夹于泥岩之间且煤层之上泥岩分布广，顶板泥岩厚度为20~150m，底板泥岩厚度普遍较大，可达50~200m，顶底板泥岩对煤岩构成区域性盖层，封盖保存条件好，气测显示最好，储盖条件最有利。顶泥底砂型储盖组合顶板为厚度为10~60m的稳定泥岩，底板则为厚度为0~20m的泥质粉砂岩，顶板泥岩与煤岩物性差异大，也是煤岩气良好的区域盖层。顶砂底砂型储盖组合是煤岩夹于两套厚度为0~10m的相对稳定泥质粉砂岩之间，由于泥质粉砂岩物性好、毛细管阻力小，对煤层气的封盖能力较弱，且砂体相变快、分布面积小，不利于煤层气藏的封闭和保存。地震反演和沉积相研究表明，1号煤层顶底泥岩型、顶泥底砂型储盖组合主要集中分布于研究区东北部宋站洼槽，面积约为307km²，含气性最好，西部徐西洼槽则以顶砂底砂型储盖组合为主，含气性较差。2号煤层顶底泥岩型、顶泥底砂型储盖组合主要分布于西部徐西洼槽，面积约为220km²，含气性较好，而北部宋站洼槽2号煤层为顶砂底砂型储盖组合，气测显示差，解释结论以干层为主。

沙河子组现今地层压力为40~80MPa，压力系数为1.2~1.8，盆地模拟生烃增压表明，超压形成在沙河子组大量生烃期，在封闭体系中，通过有机质生烃，包裹体捕获压力获得29~45MPa增压。沙河子组煤岩、泥岩两类优质烃源岩广覆式发育，烃源岩厚度大，大面积稳定分布，供烃充足，沙河子组上部营城组致密火山岩与沙河子组泥岩共同封闭，形成超压流体封存箱（图 9）。超压封存箱内，较高的压力条件下，低渗透性储层也能够富集天然气，从常压到超高压，凹槽区储层渗流能力异常增大，且发育裂缝，为高产创造条件。

图 9

图 9 徐家围子断陷沙河子组超压封存箱成藏模式图 Fig. 9 Gas accumulation pattern of overpressure sealing box in Shahezi Formation in Xujiaweizi Fault Depression

沙河子组煤岩气是典型的高—过成熟煤型气，气藏的富集是煤岩有机质丰度、成熟度、厚度、储层物性和储盖组合等多种有利成藏条件耦合的结果。本文首先优选1号、2号煤层厚度大于3m、埋深深度小于5000m的煤层连续区和R_o > 1.3%的高煤阶区，通过生烃模拟估算资源量，结果表明资源潜力徐西洼槽 > 宋站洼槽 > 徐南凹陷 > 安达凹陷，最后优选泥质盖层大于5m的宋站洼槽1号煤层和徐西洼槽2号煤层2个有利区，作为近期煤层气勘探突破方向。

宋站洼槽东侧缓坡带为一大型鼻状构造背景，邻近沙河子组最好烃源岩发育区，煤层埋深为2000~ 3000m，主要发育沙四段上部1号稳定厚煤层，其R_o一般为1.5%~2.0%，煤岩为中阶煤。PetrelMod模拟表明，该区生烃强度普遍大于100×10⁸m³/km²，压力系数大于1.2，主要集中在1.2~1.6，为弱超压—超压（图 10），以顶底泥岩型储盖组合为主，气藏保存条件好。钻井揭示煤岩段气测全烃最大曲线异常高值，一般大于10%，单层煤层厚度大于4m的面积可达706km²，预测资源量为0.1384×10¹²m³，资源丰度为1.96×10⁸m³/km²。

图 10

图 10 徐家围子断陷沙河子组生气强度、压力系数分布图 Fig. 10 Gas generation intensity and pressure coefficient distribution of Shahezi Formation in Xujiaweizi Fault Depression

徐西洼槽邻近研究区西部沙河子组烃源岩发育区，供烃充足，煤层埋深较大，一般为4000~ 6000m，主要发育沙二段上部2号稳定厚煤层，R_o一般为2.0%~3.0%，煤岩为高阶煤。该区生气强度较高，为(100~500)×10⁸m³/km²，压力系数普遍大于1.4，超压发育，为顶泥底砂型和顶底泥岩型储盖组合，有利于气藏的形成和保存。钻井揭示煤岩段气测全烃最大曲线异常高值，一般大于20%，单层煤层厚度大于4m的面积可达836km²，预测资源量为0.2346×10¹²m³，资源丰度为2.81×10⁸m³/km²。

（1）徐家围子断陷沙河子组SQ4层序和SQ2层序高位体系域晚期发育两套滨浅湖沼泽、三角洲前缘稳定煤岩，正处于高—过成熟阶段，煤层厚度大，煤层中发育张性微裂隙、原生植物组织孔、气孔和矿物质孔，储层物性好，是煤岩气有利储层。

（2）徐家围子断陷煤层气以甲烷为主，干燥系数普遍大于95%，是典型高—过成熟煤型气；徐家围子煤层气发育3种储盖组合，其中顶底泥岩型和顶泥底砂型储盖组合封闭性最好，与煤层内广泛分布的超压封存箱一起组成了煤岩气良好的保存条件。

（3）综合1号、2号煤层厚度、埋藏深度和成熟度等多种参数，在生烃模拟和资源量估算的基础上，优选宋站洼槽1号煤层和徐西洼槽2号煤层2个煤岩发育区为近期煤层气勘探突破方向。