天然气作为当前主要的清洁能源之一，在“双碳”战略目标实现、生态文明建设、能源安全保障等方面均发挥着重要作用^[1-3]。近年来，我国在天然气产量、探明地质储量、页岩气勘探开发等方面均取得重要进展，实现了天然气业务的持续高效发展^[4]。随着准噶尔盆地白家海地区侏罗系西山窑组和鄂尔多斯盆地石炭系本溪组煤岩气勘探获得战略突破^[5-10]，为含煤盆地天然气勘探开辟了新领域和新方向。

柴达木盆地地处青藏高原，作为中国七大沉积盆地之一，拥有丰富的自然资源，被誉为“聚宝盆”，是甘肃、青海、西藏地区经济社会发展的压舱石^[11-12]，也是西北地区煤炭资源的主要赋存地之一。研究表明，柴达木盆地煤岩主要发育在古生代—中生代地质时期，包括晚古生代海陆交互相煤岩及中生代三角洲—湖沼相煤岩；盆地周缘已发现大煤沟、鱼卡等多个煤矿，盆地内部多口探井揭示了古生界—中生界煤岩，平面分布合计1.68×10⁴km²。借鉴国内鄂尔多斯盆地等相似沉积盆地煤岩气勘探经验，分析认为柴达木盆地古生界—中生界煤岩主要分布在中—深层，埋深为1000~5000m；煤岩为半光亮—光亮煤型，处于中煤阶，储集性能良好，具有一定生烃能力^[13-17]。盆地东缘德令哈地区2014年部署钻探的柴页2井在上石炭统克鲁克组揭示6套煤层，其中1076~1079m煤岩段试气获稳定天然气流，证实柴达木盆地具备实施煤岩气工业开发的勘探潜力。

本文基于柴达木盆地已有钻井、岩心分析、地震和测井资料，重点针对中侏罗统和上石炭统两套煤岩集中发育层段，聚焦煤岩分布、类型、储层物性、成藏模式、资源潜力及勘探区带等关键地质问题，开展了基础研究和综合分析评价，以期推动柴达木盆地煤岩气勘探部署和战略突破。

柴达木盆地位于青藏高原北部，为阿尔金山、祁连山、昆仑山所环绕的菱形山间高原盆地，面积约为12.1×10⁴km²，最大沉积厚度可达17200m，划分为柴西坳陷、柴北坳陷、柴东坳陷、阿尔金斜坡、德令哈隆起5个一级构造单元（图 1a）。古生代以来，柴达木盆地主要经历了海西期台缘裂陷、燕山期断坳复合、早喜马拉雅期挤压坳陷、晚喜马拉雅期挤压隆升4个构造演化阶段^[1]。自下而上依次发育古生界石炭系、中生界侏罗系和白垩系、新生界古近系、新近系及第四系。

图 1

图 1 柴达木盆地构造单元分区图（a）和古生界—中生界地层综合柱状图（b） Fig. 1 Division of structural units (a) and comprehensive stratigraphic column of the Paleozoic-Mesozoic (b) in Qaidam Basin

研究表明，柴达木盆地纵向上主要发育上石炭统及中侏罗统两套含煤地层（图 1b），其中上石炭统为海相—海陆相交互沉积环境，煤岩主要发育在海陆三角洲和潟湖相带内；中侏罗统为陆相沉积环境，煤岩主要发育在三角洲和湖沼相带内。钻井和野外露头揭示柴达木盆地煤岩主要分布在柴北坳陷和德令哈隆起两个一级构造单元，其中中侏罗统煤岩主要分布于柴北坳陷和德令哈隆起，目前有柴页1井等部分钻井揭示，分布面积约为11000km²；上石炭统煤岩主要分布于德令哈隆起，目前有柴页2井等少量钻井揭示，分布面积约为5689km²。

石炭纪柴达木盆地处于海相—海陆交互相沉积环境，上、下石炭统沉积类型差异明显；下石炭统以海相沉积为主，上石炭统则以海相—海陆交互相沉积为主^[18]，利于形成大面积煤岩。钻井和露头揭示上石炭统克鲁克组沉积期为石炭系主要的聚煤期，煤岩主要发育在三角洲和障壁海岸潮坪—潟湖沉积体系（图 2a）；上石炭统克鲁克组煤岩具有单层厚度较薄（单层厚度1~6m）、累计厚度较大的特点（德令哈柴页2井上石炭统克鲁克组揭示6层煤岩，累计厚度可达31m）。依据岩相古地理认识，结合已有探井实钻结果和地震相分析，初步落实上石炭统克鲁克组煤岩分布区面积为5689km²（图 2b），主要位于德令哈地区石灰沟—柴页2井一带、都兰—乌兰地区和旺尕秀剖面及其周缘地区。

图 2

图 2 柴达木盆地德令哈地区上石炭统岩相古地理图（a）和克鲁克组煤岩厚度图（b） Fig. 2 Lithofacies paleogeography of the Upper Carboniferous (a) and coal rock thickness in Keluke Formation (b) in Delingha area, Qaidam Basin

柴达木盆地侏罗纪历经断陷、断坳转换及坳陷型湖盆多期演化，沉积中心迁移特征明显，受潮湿气候影响，利于形成煤岩。纵向上侏罗系煤岩主要发育在中—下侏罗统，其中下侏罗统为断陷沉积期，煤岩分布相对局限；中侏罗统为坳陷沉积期，柴达木盆地北缘大面积分布三角洲平原—湖沼相带^[19]，以中—短碎屑物源供给为主，沼泽繁盛，广泛发育煤岩（图 3a）。钻井和露头对比表明中侏罗统煤岩主要发育在大煤沟组（图 1b），煤岩厚度横向变化大，以厚煤、巨厚煤为主，其中祁连山前煤层厚度较大，例如高泉煤矿（东台1井、结绿素）单层厚度为25m，累计厚度为80m；鱼卡煤矿（路乐河、柴页1井）单层厚度最大30m，累计厚度为45m（图 4）。综合应用野外露头及钻井资料，结合地震测线，初步落实中侏罗统大煤沟组煤岩分布面积达11000km²（煤岩累计厚度大于10m），主要位于柴达木盆地北缘东台、圆顶山—九龙山、大柴旦—红山地区（图 3b）。

图 3

图 3 柴达木盆地北缘中侏罗统岩相古地理图（a）和煤岩厚度图（b） Fig. 3 Lithofacies paleogeography (a) and coal rock thickness (b) in the Middle Jurassic in the northern margin of Qaidam Basin

图 4

图 4 柴达木盆地北缘中侏罗统煤岩对比剖面图（剖面位置见图 3b） Fig. 4 Correlation section of coal rocks in the Middle Jurassic in the northern margin of Qaidam Basin (section location is in Fig. 3b)

煤质特征主要包括宏观特征、煤体结构、显微组分、工业组分等要素^[20]，是表征煤岩的重要参数。

从宏观特征来看，中侏罗统大煤沟组煤岩以半光亮煤为主，呈黑色、丝绢光泽；上石炭统克鲁克组煤岩以光亮煤为主，呈黑色、丝绢光泽，其次为半光亮煤和半暗煤。

从煤体结构来看，中侏罗统大煤沟组煤岩多为原生结构煤，局部地区发育碎裂煤和碎粒煤；上石炭统克鲁克组煤岩以原生结构为主。研究表明，原生结构的光亮煤和半光亮煤通常发育大量微裂缝和割理，具备良好的储集性能^[6]。

从显微组分来看，中侏罗统大煤沟组煤岩和上石炭统克鲁克组煤岩均以镜质组为主。其中，中侏罗统大煤沟组煤岩镜质组含量为49.68%~83.05%，平均为62.10%；壳质组含量为0.72%~3.97%，平均为2.04%；惰质组含量为14.21%~47.28%，平均为32.50%（表 1），除镜质组占比高之外，其他组分变化较大，煤岩非均质性较强。上石炭统克鲁克组煤岩镜质组含量为74.00%~90.00%，平均为85.50%；壳质组含量为0.30%~5.60%，平均为3.61%；惰质组含量为2.00%~6.20%，平均为4.38%（表 1）。

表 1

表 1 柴达木盆地煤岩主要指标参数表 Table 1 Main indicator parameters of coal rocks in Qaidam Basin 层位 显微组分/% TOC/% Ro/% 腐泥组 壳质组 镜质组 惰质组 中侏罗统大煤沟组 $\frac{0.72-3.97^*}{2.04 / 25} $ $\frac{49.68 \sim 83.05}{62.10 / 25} $ $ \frac{14.21 \sim 47.28}{32.50 / 25}$ $\frac{32.22 \sim 79.50}{62.85 / 37} $ $\frac{0.77 \sim 1.38}{0.90 / 22} $ 上石炭统克鲁克组 $\frac{0.30 \sim 5.60}{3.61 / 9}$ $\frac{74 \sim 90}{85.50 / 10}$ $\frac{2.00 \sim 6.20}{4.38 / 10}$ $\frac{35.67 \sim 98.34}{72.40 / 29}$ $\frac{0.92 \sim 1.82}{1.57 / 95}$ 注: $* \frac{\text { 最小值} \sim \text { 最大值}}{\text { 平均值} / \text { 样品数}}$。

表 1 柴达木盆地煤岩主要指标参数表 Table 1 Main indicator parameters of coal rocks in Qaidam Basin

从工业组分来看，中侏罗统大煤沟组煤岩具有低含水、较低灰分、低挥发分的特征，煤质好，灰分含量为2.66%~23.09%，平均为10.3%；挥发分含量为27.90%~47.27%，平均为37.00%；水分含量为2.01%~7.07%，平均为3.81%。

煤岩的煤阶决定煤岩的生气能力，煤阶的增高，促使煤岩生气能力增强^[6]。柴达木盆地中侏罗统大煤沟组煤岩热演化程度较高，R_o为0.77%~1.38%，平均为0.90%（图 5、表 1），普遍达到中煤阶演化程度，整体以长焰煤、气煤和肥煤为主，焦煤、瘦煤等中—高阶煤较少，整体生气能力较强，鱼卡地区鱼33井煤岩实测产烃率为113.6mg/g^[21]。中侏罗统大煤沟组实测煤岩TOC为32.22%~79.50%，平均为62.85%（表 1）。上石炭统克鲁克组煤岩实测R_o为0.92%~ 1.82%，平均为1.57%，达到中煤阶演化程度，以肥煤、焦煤及瘦煤为主，具有较好的生气能力；实测TOC为35.67%~98.34%，平均为72.40%（表 1）。

图 5

图 5 柴达木盆地北缘中侏罗统煤岩成熟度分布图 Fig. 5 Maturity distribution of coal rocks in the Middle Jurassic in the northern margin of Qaidam Basin

煤岩作为天然气储层，其储集空间包括基质孔隙和裂隙孔隙。按成因类型划分，基质孔隙又细分为残留植物组织孔、煤岩气孔、矿物质孔等，其发育程度主要受煤岩显微组分、矿物成分、煤阶等因素控制；裂隙孔隙又细分为煤岩内生割理和外力作用形成的两类微裂隙，其发育程度主要受构造应力、煤体结构等因素控制^[6]。

柴达木盆地中侏罗统大煤沟组煤岩割理密度高，呈网状分布（图 6a），连通性好；微观特征观察表明煤岩为双重介质，发育气孔、铸模孔、溶蚀孔、晶间孔和植物组织孔等基质孔隙，微裂缝发育（图 6b、c）；成像测井揭示煤岩为原生结构，夹砂少，裂缝发育（图 6d、e）。鱼卡地区煤岩的实测孔隙度为5.26%~34.01%，平均为15.65%；渗透率为5.11~12.60mD，平均为8.91mD；孔径介于10~1000nm，中—大孔占比高。

图 6

图 6 柴达木盆地中侏罗统大煤沟组煤岩储层特征图 Fig. 6 Characteristics of coal rock reservoirs in the Middle Jurassic Dameigou Formation in Qaidam Basin (a) 柴页1井，1961.5m，煤岩，割理发育；(b)鱼卡煤矿，气孔发育；(c) 旺尕秀煤矿，黄铁矿铸模孔发育；(d—e)柴页1井，2081~2091m，煤岩成像测井，原生结构，夹砂少，裂缝发育

上石炭统克鲁克组煤岩以光亮煤为主，岩心观察显示割理与裂缝发育（图 7a—c），微观观察结果还揭示出植物组织孔、气孔和晶间孔等基质孔隙类型和微裂缝（图 7d—i）。

图 7

图 7 柴达木盆地上石炭统克鲁克组煤岩储层特征图 Fig. 7 Characteristics of coal rock reservoirs in the Upper Carboniferous Keluke Formation in Qaidam Basin (a) 柴页2井，946.72m，煤岩，割理及裂缝发育；(b) 柴页2井，952m，煤岩，割理及裂缝发育；(c) 柴页2井，1028.3m，煤岩，割理及裂缝发育；(d) 柴页2井，946.72m，微裂缝发育；(e) 柴页2井，952m，微裂缝发育；(f) 柴页2井，1028.3m，植物组织孔、微裂缝发育；(g) 柴页2井，946.72m，微裂缝发育，少量基质孔；(h) 柴页2井，942.5m，微裂缝发育；(i) 柴页2井，1028.3m，黄铁矿粒间孔、微裂缝发育

煤岩富含吸附气与游离气，不同地质条件聚气特征不同。受煤岩气聚散条件控制，不同聚散组合的钻井全烃气测值存在显著差异。

中侏罗统煤岩主要分为两类聚散组合（图 8），其中煤岩—泥岩组合的上覆泥岩厚度最厚可达23m，保存封闭条件好，含气性好，气测值高（柴页1井，中侏罗统大煤沟组2083~2094m煤岩段气测全烃可达1.55%~11.65%，平均为3.96%），形成煤岩—泥岩聚气组合；煤岩—砂岩组合的上覆岩性孔渗条件好，封闭条件较差，气测值偏低（东台1井，中侏罗统大煤沟组1097~1110m煤岩段气测全烃为1.23%~4.24%，平均为1.75%），形成煤岩—砂岩散失组合。

图 8

图 8 柴达木盆地中侏罗统和上石炭统克鲁克组煤岩典型聚散组合特征图 Fig. 8 Characteristics of typical gas accumulation and dispersion combinations in coal rocks in the Middle Jurassic and Upper Carboniferous Keluke Formation in Qaidam Basin

上石炭统克鲁克组煤岩具有煤岩—砂岩、煤岩—泥岩及煤岩—石灰岩3类聚散组合（图 8），其中煤岩—泥岩/煤岩—石灰岩组合上覆盖层厚度大、封闭好，气测值高（柴页2井，上石炭统克鲁克组1061~1081m气测全烃为0.32%~3.04%，平均为0.64%），属于聚气组合；煤岩—砂岩组合封闭性较差，气测值相对低（柴页2井，上石炭统克鲁克组751~756m气测全烃为0.04%~0.30%，平均为0.18%），属于散失组合。针对柴页2井上石炭统克鲁克组1061~1081m煤岩—泥岩聚气组合开展压裂试气，畅放日产气488.3m³，计算无阻流量1180.7m³/d，4mm油嘴放喷点火测试火焰高2~2.5m，并产轻质油0.65m³。

全区煤岩及其上覆盖层对比结果表明，柴达木盆地北缘中侏罗统大煤沟组和德令哈地区上石炭统克鲁克组广泛发育煤岩—泥岩聚气组合，煤岩上覆泥岩盖层厚度多大于10m，煤岩—砂岩散失组合仅局部发育，聚气组合的广泛发育为煤岩气勘探奠定了良好的保存条件。

柴达木盆地古—中生界煤岩均达到中煤阶演化阶段，具有一定的生烃能力，实测TOC达到62.85%~72.40%；此外煤岩具有双重介质，发育气孔、铸模孔、溶蚀孔、晶间孔和植物组织孔等基质孔隙，微裂缝发育，具备良好的储集性能。柴达木盆地煤岩具有煤岩—泥岩、煤岩—石灰岩两类聚气组合，研究表明古生界—中生界煤岩普遍与泥岩和碳质泥岩互层发育，形成自生自储和下生上储两类成藏模式（图 9、图 10），是有利的勘探新类型。

图 9

图 9 柴达木盆地北缘九龙山地区中侏罗统煤岩气成藏模式图 Fig. 9 Gas accumulation pattern in coal rocks in the Middle Jurassic in Jiulongshan area, northern margin of Qaidam Basin

图 10

图 10 柴达木盆地德令哈地区上石炭统煤岩气成藏模式图 Fig. 10 Gas accumulation pattern in coal rocks in the Upper Carboniferous in Delingha area, Qaidam Basin

柴达木盆地中侏罗统和上石炭统煤岩与鄂尔多斯盆地本溪组煤岩的关键参数对比结果（表 2）^[18-23]显示，柴达木盆地两套煤岩在煤质特征、储集特征、聚气组合、盖层厚度方面与鄂尔多斯盆地本溪组煤岩具有相似特征，部分参数甚至优于本溪组煤岩。

表 2

表 2 柴达木盆地与鄂尔多斯盆地煤岩关键地质参数对比表 Table 2 Comparison of key geological parameters of coal rocks between Qaidam Basin and Ordos Basin 盆地 柴达木盆地 鄂尔多斯盆地 层位 中侏罗统大煤沟组 上石炭统克鲁克组 上石炭统本溪组 厚度/m 6~80 5~31 2~25 埋深/m 500~3500 600~3000 1500~4000 沉积环境 三角洲平原—湖沼 海陆过渡相潮坪—潟湖 海陆过渡相潮坪—潟湖 面积/104km2 1.11 0.57 16.08 煤质特征 镜质组含量/% 62.10 85.50 68.48 宏观特征 半光亮煤为主 光亮煤为主 半光亮煤和光亮煤为主 生气能力 Ro/% 0.77~1.38 0.92~1.82 1.2~2.8 TOC/% $\frac{32.22 \sim 79.50^*}{62.85}$ $\frac{35.67 \sim 98.34}{72.40}$ $\frac{33.49 \sim 86.11}{75.16}$ 储集特征 储集空间 基质孔隙和裂缝的双重孔隙介质 基质孔隙和裂缝的双重孔隙介质 基质孔隙和裂缝的双重孔隙介质 孔隙度/% $\frac{5.26 \sim 34.01}{15.65}$ 0.59~2.09 $\frac{0.54 \sim 10.67}{5.42}$ 渗透率/mD 5.11~12.60 — $\frac{0.001 \sim 14.600}{2.320}$ 聚气组合 煤岩—泥岩、煤岩—砂岩 煤岩—泥岩、煤岩—砂岩、煤岩—石灰岩 煤岩—泥岩、煤岩—砂岩、煤岩—石灰岩 盖层厚度/m 10~75 2~24 2~50 注：*$\frac{\text { 最小值}- \text { 最大值}}{\text { 平均值}}$，部分数据来源于文献[22－27]。

表 2 柴达木盆地与鄂尔多斯盆地煤岩关键地质参数对比表 Table 2 Comparison of key geological parameters of coal rocks between Qaidam Basin and Ordos Basin

为了梳理盆地整体煤岩气资源潜力与分布，为煤岩气勘探部署提供依据，本文参考借鉴鄂尔多斯盆地本溪组煤岩气计算方法^[6]，采用体积法对柴达木盆地北缘中侏罗统和德令哈地区上石炭统的煤岩气资源进行了初步估算，具体计算公式如下：

式中G_x——煤岩吸附气总资源量，10⁸m³；

A——含煤面积（计算单元面积），km²；

h——煤岩有效厚度，m；

D——煤岩密度，t/m³；

C_ad——煤岩空气干燥基含气量，m³/t。

估算结果表明（表 3），柴达木盆地两套煤岩的总资源量约为2×10¹²m³，其中柴达木盆地北缘中侏罗统煤岩气资源量约为1.26×10¹²m³；德令哈地区上石炭统煤岩气资源量约为0.79×10¹²m³。

表 3

表 3 柴达木盆地中侏罗统和上石炭统煤岩气资源量估算表 Table 3 Estimation of coal rock gas resources in the Middle Jurassic and the Upper Carboniferous in Qaidam Basin 层位 Ro/% 煤阶 含煤面积/km2 煤岩有效厚度/m 煤岩密度/（t·m-3） 煤岩空气干燥基含气量/（m3·t-1） 煤岩吸附气总资源量/108m3 中侏罗统 0.77~1.38 中阶煤 11100 10.1 1.4 8 12556.32 上石炭统 0.92~1.82 中阶煤 5689 6.94 1.4 14.36 7937.39 合计 20493.71 注：中侏罗统煤岩空气干燥基含气量由柴页1井现场含气量（6.2~8.4m3/t）求取平均值为8m3/t、上石炭统煤岩空气干燥基含气量由柴页2井解析烃含气量(3.733m3/t)及旺尕秀煤矿煤岩含气量(0.2~25m3/t)求取平均值为14.36m3/t进行估算；上石炭统煤岩密度参考柴达木盆地中侏罗统煤岩密度1.4t/m3进行估算。

表 3 柴达木盆地中侏罗统和上石炭统煤岩气资源量估算表 Table 3 Estimation of coal rock gas resources in the Middle Jurassic and the Upper Carboniferous in Qaidam Basin

综合煤岩沉积环境、煤岩分布、煤岩和盖层的聚散组合关系、煤岩热演化程度、煤岩埋藏深度等基本地质条件，开展柴达木盆地煤岩气区带划分与评价。

针对柴达木盆地北缘中侏罗统煤岩气领域，围绕东台、圆顶山—九龙山、大柴旦、红山4个聚煤区优选出圆顶山—九龙山勘探有利区（图 11），面积为428km²。圆顶山—九龙山地区的中侏罗统煤岩为湖沼相沉积，具有厚度大（20~50m）、横向连通性好的特点；煤岩具备良好储集性能，孔隙度为5.26%~34.01%、渗透率为5.11~12.60mD；煤岩顶底板以湖相泥岩为主，厚度大（20~50m）且稳定，构成煤岩—泥岩聚气组合，有利于煤岩气保存；煤岩热演化程度高，R_o介于0.6%~1.2%，达到中煤阶演化阶段。此外圆顶山—九龙山地区整体为斜坡构造背景，相对平缓，现今埋深小于3500m，是实施柴达木盆地中侏罗统煤岩气勘探最为现实的区带。

图 11

图 11 柴达木盆地北缘圆顶山—九龙山地区中侏罗统煤岩综合评价图 Fig. 11 Comprehensive evaluation results of coal rock gas in the Middle Jurassic in Yuandingshan-Jiulongshan area, north margin of Qaidam Basin

除柴达木盆地北缘中侏罗统煤岩气领域之外，柴达木盆地德令哈地区上石炭统克鲁克组煤岩也具有良好的煤岩气勘探前景。综合考虑煤岩沉积环境、煤岩厚度、聚散组合关系、热演化程度、构造圈闭发育程度等地质条件，在德令哈地区上石炭统克鲁克组3个聚煤区内优选出石灰沟勘探有利区（图 12），面积为2980km²；都兰—乌兰地区煤岩沉积环境为三角洲—潮坪—潟湖，煤岩厚度为20~30m；煤岩孔隙度为0.59%~2.09%；煤岩顶底板以海陆交互相泥岩、海相石灰岩为主，形成煤岩—泥岩、煤岩—石灰岩两类聚气组合，R_o介于1.40%~1.82%，达中—高煤阶演化阶段。德令哈地区现今埋深介于600~3000m，局部发育大型断背斜构造，如获突破，将开辟柴达木盆地古生界勘探新领域。

图 12

图 12 柴达木盆地德令哈地区上石炭统煤岩气有利区带综合评价图 Fig. 12 Comprehensive evaluation of favorable zone of coal rock gas in the Upper Carboniferous in Delingha area, Qaidam Basin

野外露头和钻井揭示柴达木盆地古—中生界沉积期普遍发育煤岩，研究分析认为盆地具备实施煤岩气工业开发的资源潜力，是全新的勘探领域，具有以下有利条件：

（1）主要发育中侏罗统大煤沟组三角洲—湖沼相和上石炭统克鲁克组海陆交互相两类煤岩，分布广（合计1.68×10⁴km²）、厚度大（单层厚度为2~30m，累计厚度超过80m）；

（2）中侏罗统和上石炭统煤岩为半光亮—光亮煤，热演化程度中等（R_o介于0.77%~1.82%），达到中煤阶演化阶段，均具有一定生气能力；

（3）煤岩储层孔渗性能好、割理密度高、呈网状分布、连通性好，具备煤岩—泥岩和煤岩—石灰岩两类有利聚气组合；

（4）综合煤岩分布、煤质、现今构造背景及埋深等多项关键地质参数，优选柴达木盆地北缘圆顶山—九龙山中侏罗统煤岩气和德令哈地区都兰—乌兰上石炭统煤岩气有利区作为首选勘探战略部署区带。