韩城矿区煤炭资源丰富，据详查埋藏深度小于800m的煤炭预测储量为76.0×10⁸t，20世纪90年代开始进行煤层气的勘探开发试验，试采资料显示该区煤层气资源丰富，具有较大的开发潜力。自2009年以来，中国石油在该区进行大规模的煤层气勘探开发，目前已成为中国中—高阶煤层气勘探开发的重点地区。查阅文献发现，许多学者对韩城矿区的煤层气成藏条件和煤储层特征方面进行了研究^[1-8]，但仅限于东部的示范区，且对煤层气资源量评价没有进行深入的研究。陈振宏^[3]等从煤层厚度、煤阶、埋藏深度和保存条件等4个方面对示范区的成藏条件进行了评价，认为煤层厚度大、煤变质演化程度高、保存条件好，易形成良好、富集的高产煤层气藏；薛光武等分析了该区煤储层地质条件、煤储层物性特征，认为该区地质条件和煤储层特征参数有利于煤层气富集和高产。受勘探进度和探井基础资料的限制，前人对该区煤储层地质条件和资源方面的研究仅利用了示范区的资料，并且大多数只进行了定性研究，定量方面的研究较少。煤储层具有很强的非均质性，所以仅利用示范区资料进行研究存在一定的局限性，严重制约了煤层气的进一步高效开发。目前，该区的勘探工作已基本完成，探井遍布全区，所以获取的地质资料更为全面和丰富。本文在全区煤层气探井的地质资料和煤岩测试资料的基础上，结合前人研究成果，系统研究了煤储层特征和含气性特征，明确了含气量主控因素，并建立了基于地质主控因素约束的煤层含气量计算模型和基于煤层水分含量影响的煤层气资源量计算模型，进而对该区的煤层气资源量进行了定量评价，为鄂尔多斯盆地其他地区中—高阶煤层气的研究提供指导和参考。

1 地质背景 1.1 区域构造特征

韩城矿区位于鄂尔多斯盆地渭北煤田的东北缘（图 1），渭北煤田的构造位置随不同地质历史时期的区域大地构造背景的演化而变化。韩城矿区整体为一走向北东、倾向北北西的单斜构造，在单斜构造之内，受后期伸展断裂切割破坏，其轴部及东南翼沉降归并于汾渭地堑中，西北翼局部残存，形成现今的单斜构造^[3-9]（图 1）。矿区内断层以小断层为主，主要为3级断层和4级断层，正断层多，逆断层少；矿区中部发育一条由东西向逐渐过渡到北东向展布的正断层，规模较大，将矿区大体分为北区与南区两部分。北区断层发育较少，主要发育3条小断层，断裂多呈北西向展布；南区构造相对复杂，断层构造较为发育，除矿区西南部发育一条近南北走向的逆断层外，其余断裂均呈东西向展布。

1.2 煤层分布特征

韩城矿区的主要含煤地层为二叠系山西组和太原组。

韩城矿区东北部边缘煤层出露地表，向西南方向逐渐加深，受成煤环境影响，局部地区煤层尖灭。地质资料显示，韩城矿区煤层最大埋深可达2100m，其中东北部和东南部边缘埋藏浅，西南部埋藏最深，西北部次之。整体上主力煤层的埋藏深度有利于煤层气的生成和富集。

对韩城矿区27口井煤层厚度的统计表明，煤层累计厚度为4.5~16.1m，其中主力煤层3号、5号和11号煤层的累计厚度为5.5~13.3m。从全区煤层发育情况来看（图 2），受成煤时期地面环境的影响，由东部边缘桑树坪地区、板桥地区向薛峰地区、林源地区，煤层发育厚度逐渐增大；厚度大于6m的煤层主要分布在林源地区、薛峰地区和乔子玄地区，桑树坪地区和板桥南部地区煤层发育相对较差，厚度一般小于4m。3套主力煤层的发育略有差异，3号煤层在板桥地区最为发育，最厚可达5.6m，向西北部和西南部逐渐变薄至尖灭；5号煤层和11号煤层在全区范围内均有发育，受物源影响，平面上煤层厚度由东北部和西南部向中部逐渐变薄；3套煤层的顶底板均为厚度在10m以上的泥岩、碳质泥岩和泥质砂岩，尤其是11号煤层顶部的石灰岩，致密坚硬、厚度大且全区分布。

1.3 煤岩煤质特征

韩城矿区煤岩显微组分包括镜质组、惰质组和矿物质三部分，其中矿物质以黏土矿物为主。主力煤层煤岩显微组分以镜质组为主，含量为46.47%~87.54%，平均为76.94%；其次为惰质组，含量为6.54%~35.21%，平均为15.39%(表 1)。从垂向上看，镜质组随煤层埋深的增加有减小的趋势，3号、5号、11号煤层的镜质组含量分别为77.98%、77.59%、75.83%；而惰质组含量随煤层埋深增大呈现先减小后增大的趋势，3号、5号、11号煤层的惰质组含量分别为14.50%、14.10%、16.87%。

对韩城矿区煤层气井煤质测试数据统计分析表明：区内各煤层的水分含量分布具有较好的一致性，以0.3%~1.0%为主；各煤层的灰分含量分布范围较宽，为9.87%~39.79%，平均为19.94%，3号煤层和11号煤层主要为中灰煤，5号煤层主要为低灰煤和中灰煤；各煤层的挥发分含量主要分布在8.59%~15.19%之间。煤岩灰分含量和水分含量在平面上呈现南高北低的趋势，而挥发分含量则呈现北高南低的趋势；纵向上，灰分含量和挥发分含量随煤层埋深增加而增加，水分含量则呈现先上升后下降的趋势。由此可以看出韩城矿区的煤主要为低含水低挥发分的低—中灰煤。煤岩镜质组反射率介于1.83%~3.05%之间（表 1），煤阶变化较大，全区分布有瘦煤、贫煤和无烟煤，主要以贫煤为主（图 3）。从煤层的镜质组反射率来看，韩城矿区主要分布中—高煤阶煤，这有利于煤层气的生成。

1.4 煤岩渗透性

煤储层渗透率是进行煤层气渗流分析的重要参数^[10]，在煤层气资源已查明的前提条件下，煤储层渗透率又是制约煤层气资源开发成效的关键因素之一。

韩城矿区注入压降法^[11]试井渗透率为0.02~0.48mD（表 2），平均为0.1425mD，为低渗透储层。W7井5号煤层渗透率为0.48mD，而W9井11号煤层渗透率为0.02mD，可见不同煤层渗透率高低变化悬殊。在区域方面，W7井所在的板桥地区渗透率较好，可达0.48mD；而W9井所在的林源地区渗透率较差，只有0.02mD，由此推测虽然西北部地区煤层气含量占优势，但是由于受渗透率限制，后期开发难度可能较大。

2 煤层含气性 2.1 含气量分布特征

据煤心解吸数据统计（表 3），韩城矿区煤层含气量介于5.87~19.73m³/t之间，平均为13.43m³/t，主要分布在9~13m³/t和15~17m³/t区间，其中3号煤层含气量最高，其次为11号煤层，5号煤层最低。

在平面分布上，区内3套主力煤层的含气量分布特征类似，本文以11号煤层为例来研究煤层含气量的平面分布规律。整体上，受水文地质条件的影响，11号煤层含气量由矿区边缘向中部呈现增高的趋势，在北部和南部地区分布两个煤层含气量的高值区域，煤层含气量均大于16m³/t，表明该矿区煤层气储量具有一定的规模（图 4）。纵向上，煤层含气量和深度没有明确的线性关系，这可能与煤层含气量除了受埋深影响外，还受水文地质及围岩条件等影响有关。

等温吸附实验结果显示，韩城矿区不同煤阶煤的吸附能力差别较大，无烟煤的吸附能力大于瘦煤和贫煤，煤层朗格缪尔体积为10.07~32.11m³/t，平均为23.12m³/t，朗格缪尔压力为1.07~3.51MPa，煤岩朗格缪尔体积普遍较大，反映吸附能力较强。

韩城矿区煤层气含气饱和度介于32.00%~92.97%之间，平均为63.84%；临界解吸压力为0.59~6.64MPa，平均为2.59MPa（表 3）。

2.2 含气量控制因素

煤层含气量不但是评价煤层含气性的主要地质依据，而且是煤层气资源量计算的重要参数。影响煤层含气量的因素很多，包括难以量化的构造形态、围岩条件和水动力强弱等因素，以及可以量化的煤层埋深、灰分含量、煤岩镜质组反射率、水分含量、镜质组含量、储层压力、储层温度、储层渗透率等参数^[12-26]。为了保证分析结果的客观性，通过分析它们的相关性关系，最后选择煤层埋深、灰分含量、镜质组含量和镜质组反射率相关性显著的4个参数作为自变量，逐步回归分析煤层含气量。

2.2.1 煤层埋深

煤层的埋深在一定程度上影响煤层的含气量，通过韩城矿区煤层的含气量与埋深关系图（图 5a）可以看出，埋深在400~1100m范围之内，煤层含气量与埋深呈很好的正相关变化关系；埋深超过1100m后，煤层含气量随着埋深的加大而降低。理论上，随着煤层埋深的增加，储层压力会增加，煤岩的吸附能力变强，吸附量有所增加；但另一方面，随着埋深的增加，煤岩的内部结构会被压实得更厉害，所以到一定埋深时，煤岩基质的吸附量达到饱和后不会再增加，相反随着煤岩的进一步压实，煤岩孔隙会变小，一些存在孔隙中的游离气会被挤出。所以煤岩含气量不会随埋深的增加而一直增加，存在一个极限深度，韩城矿区的极限深度大约为1100m左右。

2.2.2 灰分含量

灰分作为煤岩的一种重要组成成分，其含量的多少必然会影响煤岩的含气量，韩城矿区煤岩灰分含量介于9.87%~39.79%之间（表 1）。由煤层含气量与灰分含量关系图（图 5b）可以发现，含气量与灰分含量具有线性关系，煤层含气量随着灰分含量的增高呈下降趋势。灰分含量影响煤层的吸附性能，灰分含量愈低，煤质愈好，镜质组含量就会相应增多，而镜质组是煤岩中主要吸附煤层气的物质，所以气体吸附量会愈高。

2.2.3 镜质组含量

煤岩镜质组既是生成煤层气的物质，又可以吸附煤层气，所以其含量的高低直接决定了煤岩含气量的能力。韩城矿区煤岩镜质组含量变化较大，所以煤岩的吸附能力差别也比较大，韩城矿区煤岩镜质组含量介于46.47%~87.54%之间（表 1）。由煤层含气量与镜质组含量关系图（图 5c）可以发现，含气量与镜质组含量也具有线性关系，煤层含气量随着镜质组含量的增高呈上升趋势。

2.2.4 镜质组反射率

镜质组反射率可以反映出煤岩的变质程度，镜质组反射率不同，煤的吸附量也不同。根据韩城矿区煤岩特征分析数据（表 1）可以看出镜质组反射率介于1.83%~3.05%之间。由煤层含气量与镜质组反射率关系图（图 5d）可以看出，煤层含气量与镜质组反射率呈正相关线性关系。煤岩随变质程度的增加，一方面煤岩的温度升高，煤化作用加强，生气能力增强；另一方面，变质作用越高，煤岩中的原生孔隙数量越多，增加对煤层气的吸附能力。

2.3 含气量预测模型

煤层含气量的主控因素中，只有煤层埋深、镜质组反射率、灰分含量、镜质组含量这4项地质参数是可以定量化的，所以在建立模型时选取它们作为自变量，结合煤岩分析测试数据，利用逐步回归分析的方法建立煤层含气量数学模型。

运用SPSS统计软件对上述相关参数进行逐步回归，得到如下公式：

$ \begin{align} &C=0.009918H+0.184748{{R}_{\rm{o}}}-0.04772Aad+ \\ &\ \ \ \ \ \ \ 0.329176V-19.8171\ (H\ \le \ 1100\rm{m}) \\ \end{align} $

(1)

$ \begin{align} &C=-0.05078H+19.15548{{R}_{\rm{o}}}-0.07423Aad+ \\ &\ \ \ \ \ \ \ 0.10361\text{V}+35.23792\ (H>1100\rm{m}) \\ \end{align} $

(2)

式中  C——含气量，m³/t；

      H——埋藏深度，m；

      R_o——镜质组反射率，%；

      Aad——灰分含量，%；

      V——镜质组含量，%。

利用上述公式对主力煤层含气量进行预测，并与煤岩测试含气量进行对比（表 4），发现除了W3井11号煤层和W6井3号煤层实测值与预测值相差较大外，差值分别为4.56m³/t和-4.38m³/t，其余井实测值与预测值的差值的绝对值小于4m³/t。可见利用上述公式计算的含气量与实测含气量的误差较小，是一种较为合理的预测方法，该模型可以用于鄂尔多斯盆地其他地区的中—高阶煤的含气量预测。

3 煤层气资源量预测 3.1 煤层气资源量计算模型

国内外资料调研显示，煤层气资源量的计算方法主要有类比法、体积法、成因法、数值模拟法及递减曲线分析法等^[27-28]，综合考虑韩城矿区已有的资料，选择体积法作为该区煤层气资源量计算的方法。为了提高资源量计算精度，考虑了煤岩中的水分含量对煤层含气量的影响，本文对常用的体积法公式进行优化修改如下：

$ G=AH\rho C\ (1-{{Q}_{\rm{w}}}) $

(3)

式中  G——煤层气资源量，m³；

      A——含气面积，m²；

      H——煤层厚度，m；

      ρ——煤层密度，t/m³；

      Q_w——煤层水分含量，%。

煤储层在平面上具有很强的非均质性，所以本文建立基于体积法的煤层气地质储量的网格化算法模型。一般步骤如下：①绘制各单一参数的平面分布图；②在平面上按均匀法建立固定的网格；③在各参数分布图上读取网格中心点上参数具体数值；④按照公式（3），计算各网格内的煤层气资源量，然后累计得到整个矿区的煤层气资源量。

3.2 煤层气资源量计算

韩城矿区煤层气资源量计算结果（表 5）表明：总资源量为858.25×10⁸m³，资源丰度为0.93×10⁸/km²；其中，煤层埋深小于等于1200m煤层气资源量为672.32×10⁸m³，埋深大于1200m煤层气资源量为185.93×10⁸m³。

4 结论

（1）韩城矿区主要以瘦煤为主，无烟煤次之，受成煤环境的影响，煤受到不同程度的变质，由东南部向西北部煤阶逐渐变高，主要为低含水低挥发分的低—中灰煤，有利于煤层气的生成和赋存；煤岩分析表明该区主要煤层镜质组含量高，煤层含气量大、含气饱和度高、吸附能力较强，但煤储层渗透率较低，属于低渗透储层。

（2）研究了煤层含气量的空间分布特征，3套煤层的含气量赋存状态类似，且主要呈北北西走向，由东向西逐渐增高；分析了煤层含气量的主控因素，利用可以定量化的主控因素参数，运用逐步回归分析的方法，建立了该区含气量预测模型，通过对比预测值和实测值的结果，该模型比较合理，可以用于鄂尔多斯盆地其他地区的中—高阶煤储层的含气量预测；

（3）首次建立了基于煤层水分含量影响下的煤层气资源量计算模型，并对该区煤层气资源量进行了计算，该区总资源量为858.25×10⁸m³，资源丰度为0.93×10⁸m³/km²。