鄂尔多斯盆地石炭系本溪组8^#煤层是典型的深层煤岩气储层代表, 形成于近滨海平原潮坪环境, 煤层厚6~16 m, 平均厚度约8 m, 埋深1 500~3 500 m。该煤层垂向中上部以光亮煤为主, 向下泥质含量增高渐变为暗淡煤, 且与上覆地层形成煤泥、煤灰和煤砂3种储盖组合。其镜质体反射率R_o主要集中在1.2%~2.4%, 属焦煤-贫煤阶段, 生气能力强^[5]。实测资料显示, 煤层总含气量15~35 m³ /t, 平均达24 m³ /t, 其中游离气平均占比约25%。

深层煤岩气成藏是多过程耦合的连续地质事件。其气源具有多源性：主体来源于煤层自身有机质在深埋热演化中生成的热成因气; 同时, 深层高温高压环境使得邻近烃源岩生成的外源气, 通过裂隙运移并充注至煤层, 共同提升气源供给丰度。气体首先被吸附于煤基质微孔中, 形成吸附气。在深层高温高压环境下, 煤层的吸附能力受压力（增强吸附）与温度（减弱吸附）共同控制, 气体生成与补给量易使吸附容量趋于饱和; 当气体生成与补给量持续超过吸附容量时, 过剩气体便以游离态赋存于孔隙、割理等宏观空间中, 使深层煤岩气藏中游离气比例显著升高^[6]。

基于上述成藏机理, 深层煤岩气在储层中呈现以吸附气与游离气为主、少量溶解气的赋存相态, 其中吸附气与游离气两者共同贡献近100%的天然气资源。

吸附气：通过范德华力紧密吸附在煤基质微孔的内表面上。吸附气是煤岩气资源量的主体, 通常占总含气量的50%~80%。其含量主要受煤阶、压力、温度和煤质的控制。

游离气：以自由气相态赋存于宏观孔隙、割理及裂隙中。在高压、高温、高饱和度背景下, 深层煤岩气游离气占比显著提升至20%~50%甚至更高, 成为不可忽视的产能贡献者。其富集程度主要受孔隙-裂隙系统发育程度的控制。

溶解气：有少量气体溶解于煤层地层水中。但在深层高温、高盐度环境下, 其溶解度有限, 占总含气量的比例通常不足1%, 在资源评价和开发中一般可忽略不计^{[7, 8]}。

宏观煤岩类型是根据煤岩成分的光泽强度划分为光亮煤、半亮煤、半暗煤及暗淡煤4种, 其综合反映了煤的原始组成、有机质类型与结构特征, 是控制裂隙发育和孔隙体系差异的首要因素。

光亮煤：总体相对光泽最强的煤岩类型, 主要由镜煤和亮煤组成, 镜煤+亮煤含量> 75%, 镜质组占比达80%以上, 矿物杂质少, 有机质分子排列有序, 微孔极其发育, 内生割理密集, 为甲烷吸附提供了最优场所。据统计, 鄂尔多斯盆地8^#煤层中的“ 黑金靶体” 优质光亮煤吸附气量可达18.5 m³ /t, 吸附气量是相邻半亮煤的2倍以上^[10]。

半亮煤：是光泽次强的煤岩类型, 镜煤+亮煤含量50%~75%, 镜质组占比60%~80%, 是煤层中最常见的宏观煤岩类型。矿物充填部分割理, 孔隙结构变差, 吸附能力中等。

半暗煤：光泽较弱, 镜煤+亮煤含量25%~50%, 其硬度及密度较高, 泥质和其他矿物质占比增加, 吸附能力较差。

暗淡煤：镜煤+亮煤含量低于25%, 以惰质组或壳质组为主, 多呈块状构造且韧性较大, 矿物质含量高。虽可能发育部分大孔, 但孔隙连通性普遍较差, 气体易散失。

因此, 宏观煤岩类型是导致含气性差异的首要因素, 高镜质组含量的光亮煤是寻找高含气量甜点区的首要标志。

煤岩储层厚度是煤岩气储量与产量的基础, 是计算资源量的核心参数, 直接决定了水平井的有效钻遇长度和压裂改造规模。

煤岩储层厚度与产气量存在显著线性正相关关系, 其厚度越大, 供气能力越强, 产量越高^[11]。

通常, 单层有效厚度> 3 m才具备经济开发价值。统计表明, 厚度每增加1 m, 直井日产气量线性增长（0.3~0.4）× 10⁴ m³, 水平井日产气量线性增长（1~2）× 10⁴ m³（图1）。

图1

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	图1 煤岩储层厚度与日产气量关系图

煤质与灰分含量是从不同角度表征煤岩组成的一对关联参数, 共同控制着煤层的生气与储气能力。

煤质含量通常指镜质组+惰质组等有机显微组分含量, 是有机质丰度的直接体现。从试气成果看, 煤质含量整体与日产气量具有较好的对应关系：煤质含量大于70%的层段通常可获得较高产气量（图2）。

图2

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	图2 煤岩煤质含量与日产气量关系图

灰分含量是指煤中无机矿物的含量, 是降低煤层吸附能力的关键负面因素, 是筛选甜点区的重要约束指标, 低灰分是保障高含气量的必要条件之一^[12]。灰分中的矿物颗粒不仅会占据有机质表面的有效吸附位点, 更会堵塞微孔系统, 大幅削弱煤岩的储气能力。大量工业分析与产量数据表明, 灰分含量与含气量呈稳定的负相关关系, 灰分含量每增加5%, 煤层的含气量相应下降1~2 m³ /t（图3）。

图3

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	图3 煤岩灰分含量与含气量关系图

煤质含量与灰分含量两者共同构成了煤岩组成的完整表征, 高煤质含量、低灰分的煤岩有机质纯度高、无机矿物填充少, 为气体吸附保留了充分的孔隙空间, 是优质地质甜点的物质基础。

煤的变质程度是控制深层煤岩气含气量的核心地质因素之一, 其本质上是煤岩热演化历史的综合记录, 直接决定了煤的生气潜力与储气能力。随着变质程度增加, 煤岩生气强度呈指数增长; 同时, 热演化过程促使煤岩微孔体积和比表面积显著增大, 极大增强了其对甲烷的吸附能力。因此, 吸附气量与总含气量总体上随煤阶升高而增大^[12]。通常, R_o> 1.2%的高变质阶段, 是深层煤岩气吸附含气量的高值富集区, 此阶段生气作用充分且微孔结构最为发育, 最有利于煤层气的富集（图4）。

图4

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	图4 煤岩Ro与含气量关系图

总有机碳含量（TOC）是煤岩中有机质丰度的核心指标, 从根本上决定了煤层的生气能力与储气潜力。作为煤岩气生成的物质基础, TOC越高, 煤岩的生气潜力越大; 同时, 有机质也是甲烷吸附的直接载体, 高TOC煤岩通常微孔更为发育, 提供更大的比表面积, 从而显著提升吸附气量与总含气量^[13]。

数据显示, TOC与灰分含量呈显著负相关关系（R² =0.98, 图5a）, 表明高TOC煤岩有机质纯度更高、无机矿物填充更少, 为气体吸附保留了更充分的孔隙空间; 同时, TOC与含气量呈非线性正相关（R² =0.95, 图5b）, 当TOC从50%增加至70%时, 含气量从10 m³ /t显著增长至25 m³ /t。

图5

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	图5 煤岩TOC与灰分含量和含气量关系

封盖条件是决定深层煤岩气能否有效成藏与保存的最终阀门, 直接控制着气体的逸散与聚集。即使煤厚、煤质、煤阶等条件优越, 若封盖无效, 也难以形成经济气藏。8^#煤层与上覆太原组形成的3种储盖组合中, 煤灰、煤泥组合封盖性最好, 煤砂组合封盖性较差。其封盖厚度也是评价封闭能力的重要参数, 与煤层厚度共同构成资源评价中“ 生烃规模” 与“ 封盖保存” 的耦合关系。一方面, 煤层厚度控制了生烃有机质的总量; 另一方面, 优质封盖层是气体有效保存的必要条件^[14]。

研究揭示顶板与底板厚度之和与产气量呈显著正相关关系（R² =0.75）, 顶板与底板厚度之和越大, 封闭能力越强, 产气量（日产气量）越高（图6）, 也就是说顶底板岩性组合和厚度共同决定了保存条件的优劣, 在同一岩性条件下, 煤层顶底板厚度越大, 对气体的封存能力越强, 含气量越高^[15]。

图6

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	图6 煤层顶底板厚度与日产气量关系图

气测全烃（T_g）是随钻实时监测的核心参数。当钻头破碎煤岩储层时, 储层中的烃类气体随钻井液循环携带至地面。由于吸附气解吸存在滞后效应, 短时间内对全烃值的贡献占比较小, 因此全烃值的异常升高主要反映地层游离气的快速释放。另外, 深层煤岩气储层中的烃类组分以甲烷C₁为主, 导致气测组分难以体现储层含气性差异, 因此通过全烃值的实时监测可有效评估地层游离气量^[17]。

验证表明, T_g与实测游离气量呈显著正相关（R² =0.84）, 可建立游离气单参数预测模型（图7）。

Q_y=0.2221T_g+1.3918

式中：Q_y为T_g预测游离气量, m³/t。

图7

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	图7 气测全烃Tg与实测游离气量关系图

3.2.1 游离烃S₁（游离气辅助预测）

游离烃S₁是评价烃源岩生烃潜力的重要指标, 是评价气藏储量和开发潜力的关键参数, 直接反映岩石中游离烃的含量。基于已知井游离气量实测数据与S₁的线性回归分析, 两者相关性良好（R² =0.83）, 可建立游离气单参数预测模型（图8）。

QS1=1.149S₁-0.1482

式中： QS1为S₁预测游离气量, m³/t。

图8

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	图8 游离烃S1与实测游离气量关系图

3.2.2 总有机碳含量TOC（吸附气预测模型）

大量研究表明, 页岩中的TOC与其吸附气量之间存在显著的正相关关系。这是由于高TOC通常意味着更多的有机质和更发达的微孔结构, 进而提供了更多的甲烷吸附空间, 也就是说TOC的大小与吸附气具有较强的相关性。在深层煤岩气储层中, 吸附气往往占据主导地位, 因此TOC的变化对储层整体含气量的评估具有至关重要的影响。随着TOC的逐步上升, 储层能够吸附并储存的甲烷气体总量也相应增加, 促使总含气量的显著提升。为了量化这一关系并实现对储层吸附气量的有效预测, 通过统计已钻井的深层煤岩气储层岩心保压取心的31个样品点含气测试数据, 分析等温吸附气量与TOC之间的相关性（R² =0.93）, 建立了基于TOC的吸附气量预测模型（图9）。

Q_TOC=0.2201TOC+0.887

式中：Q_TOC为TOC预测吸附气量, m³/t。

图9

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	图9 TOC与等温吸附气量关系图

3.2.3 最高热解峰温T_max（变质程度表征）

T_max是衡量岩石热成熟度的常用化学指标, 与光学指标镜质体反射率（R_o）具有良好的对应关系, 二者共同表征有机质的热演化程度。据含气量测试数据与T_max相关性分析, 不同类型岩石的T_max与含气量分布特征差异显著（图10）：煤的T_max集中在490~570 ℃区间, 含气量最高10~25 m³ /t, 且随T_max升高含气量呈增加趋势; 碳质泥岩T_max分布在500~570 ℃, 与煤基本相当, 但含气量明显偏低, 为0~8 m³/t; 泥岩T_max一般< 450 ℃, 含气量极低, 为0~2 m³/t。研究表明, 煤层T_max需达到490 ℃以上含气量才具有工业价值, T_max低于此值的泥岩类烃源岩虽可能进入成熟阶段, 但生气量和储集能力有限, 难以形成有效气藏。

图10

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	图10 Tmax与含气量关系图

煤岩储层除有机质外, 还含有多种矿物成分, 其元素组成可有效指示岩性特征, 进而关联宏观煤岩类型、储层物性及工程潜力。分析表明, 煤岩储层中S元素在有机质中相对富集, S元素含量越高表明煤岩品质越好, 而Si元素主要富集于石英等砂质矿物, Al、Fe元素则主要富集于黏土等泥质矿物^[18]。

为定量表征宏观煤岩类型, 构建了煤指数（C_I, S元素含量与Al、Fe元素含量之和的比值）。C_I值的高低有效反映了有机质相对于泥质矿物的富集程度。验证表明, 当C_I> 2.5时, 煤岩中光亮煤占比通常超过60%, 镜质组含量高、微孔发育, 与地质甜点段对应良好。

储层的可压裂性还受其脆性矿物含量控制。为此构建砂指数（S_I, Si元素含量与Al、Fe元素含量之和的比值）。S_I值越高（一般大于2时）, 表明石英等脆性矿物含量相对越高, 在压裂时越容易形成复杂缝网。S_I适用于在同一套宏观煤岩类型内部进行对比, 以评估储层非均质性, 识别工程甜点潜力区。

C_I、S_I分别从煤岩类型和储层可改造性两个维度, 为后续地质-工程双甜点综合优选提供关键的量化录井参数。

上述单参数模型仅反映单一主控因素对含气量的影响, 为综合考虑多因素耦合作用, 通过整理鄂尔多斯盆地X区块15口取心井的解吸实验数据及配套录井资料, 获取有效样本63个。以实测总含气量为因变量, 综合考虑煤岩地质特征与录井响应特征, 选取T_g、S₁、TOC、T_max、C_I、S_I共6项参数作为预测变量, 其中：T_g反映储层含气丰度纵向变化特征; S₁、TOC表征有机质丰度; T_max表征煤岩变质程度; C_I、S_I综合反映煤岩类型与储层可改造性。通过构建多参数融合的多元线性回归预测模型, 揭示了多源录井参数与含气量的内在量化关系, 实现了不依赖取心的含气量随钻定量预测。

Q_zt=0.72T_g-0.368S₁-0.08T_max+0.766TOC+0.1C_I-0.695S_I+8.371

式中：Q_zt为预测总含气量, m³/t。