煤层不仅可作为良好的烃源岩，也是优质储气层。煤岩气是煤岩自身生成或其他气源运移而赋存于煤岩中，游离态和吸附态并存，游离气含量高，通过储层改造可快速产气并能获得工业化开采的烃类气体^[1]，一般埋深超过2 000 m，具有“高压力、高含气、高温度、高饱和、高游离”的特征^[2]，生产周期长，是近期天然气勘探热点新领域。近年来，煤岩气在鄂尔多斯盆地延川地区、大宁—吉县地区，准噶尔盆地白家海凸起均获得了重大突破^[3-4]，鄂尔多斯盆地吉深6-7平01井在埋深2 100 m的煤层中试气获日产气10.1×10¹² m³，2020年在准噶尔盆地白家海凸起部署的水平井彩探1H井在西山窑组（垂深2 385.4 m）获得最高日产气5.7×10⁴ m³、稳产日产气2×10⁴ m³的工业气流^[5]，实现了盆地深层煤岩气勘探的新突破。多个盆地深层煤岩气的突破证实了中国深层煤岩气巨大的勘探潜力，初步预测深层煤岩气资源量超过30×10¹²m³，成为天然气未来增储上产的重要领域^[1]。勘探实践表明，深层煤岩气作为一种新型非常规资源天然气，在气体赋存状态、保存条件及成藏富集机制等方面都与常规浅层煤层气有较大差异^[6]。目前中国的煤岩气研究仍处于起步阶段^[7-10]，且多集中在鄂尔多斯盆地等海陆过渡相盆地，对于陆相成因的煤层，因其煤阶较低，非均质性强，煤岩气富集条件及勘探潜力等研究薄弱，制约了陆相煤岩气的勘探领域优选。

柴达木盆地位于西北赋煤区，发育石炭系和侏罗系2套煤层，侏罗系煤层厚度大、分布广，煤炭资源量超100×10⁸ t，为煤岩气的突破奠定了资源基础^[11]。柴北缘侏罗系烃源岩的岩性主要为煤岩，埋藏深度大，热演化程度高，已发现了东坪、尖北及昆特依等源外气田以及牛东等侏罗系源内砂岩气藏，证实了该套煤系地层具有较强生烃能力^[12-13]。目前柴达木盆地针对侏罗系煤层的钻井少，祁连山前的柴页1井钻遇了中侏罗统煤层，虽未试气，但现场解析气的质量体积为2.86 m³/t，远高于砂岩及页岩含气量^[14-15]，此外，对牛东地区下侏罗统小煤沟组煤层进行试气，获得低产气流，产量稳定，不见水，这些勘探实践证实了该套煤层具备良好成藏条件。然而，该套煤层受燕山、喜山等多期构造运动影响，埋深大，厚度变化快，平面展布不清，储层特征及储- 盖组合等成藏要素不明，资源潜力不清，制约了煤岩气勘探的决策和突破。

综合露头、地震、岩心、录井等多种资料，通过开展煤岩品质、工业参数、扫描电镜、气体吸附及核磁等实验分析，对柴达木盆地侏罗系煤层的聚煤环境、煤岩分布、储层物性及含气性特征等进行系统研究，构建侏罗系煤岩气成藏模式，预测资源潜力，并指出有利勘探方向，以期为柴达木盆地煤岩气的勘探开发提供支撑。

柴达木盆地位于青藏高原北部，其形成演化与青藏高原的隆升密切相关，是在前侏罗纪柴达木地块上发育起来的一个典型的中新生代压扭性沉积、沉降盆地，四周为三大山脉所夹持，南界为昆仑山，北界为祁连山，西界为阿尔金山^[12]。侏罗系主要分布在柴北缘地区，三叠纪晚期的印支运动结束了柴达木地块的海侵历史，逐渐进入陆相盆地演化时期，奠定了侏罗纪盆地基本格局^[14]。侏罗纪经历了多期次的沉降与沉积作用，自下而上可分为湖西山组、小煤沟组、大煤沟组、采石岭组和红水沟组，中—下侏罗统湖西山组、小煤沟组和大煤沟组为主要的含煤层。侏罗纪早期，受区域拉张应力影响，盆地开始断陷，形成了一系列的断陷盆地雏形，为侏罗系沉积提供了可容纳空间，该时期气候湿润，河流及滨湖沼泽相发育，形成了丰富的煤层和砂泥岩互层。侏罗纪中期，盆地沉积环境逐渐稳定，水体范围扩大，发育盆地内重要的含煤地层，岩性组合为灰黑色泥岩、粉砂岩与煤层频繁互层，夹有少量砂岩，泥岩富含有机质，为良好的烃源岩，煤层厚度较大，分布稳定，是煤岩气勘探的重要层位。侏罗纪末期，燕山运动使得中—下侏罗统断陷盆地发生反转抬升，盆地沉降、沉积中心向南、向东偏移，气候干旱，河流相砂岩发育（图 1）。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 柴达木盆地侏罗系沉积相分布特征（a）及岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Distribution of Jurassic sedimentary facies(a)and comprehensive stratigraphic column(b)of Qaidam Basin

煤层厚度及分布范围是衡量其能否形成规模煤岩气的重要标准。柴达木盆地侏罗系煤层主要分布在中—下侏罗统湖西山组、小煤沟组和大煤沟组^[16]，分布面积大，祁连山前及阿尔金山前出露大量中—下侏罗统煤矿，而根据地震资料预测显示煤岩主要分布在坪东、昆特依、冷湖、伊北、赛什腾等沉积凹陷，埋深从山前地表到盆地腹地近10 000 m均有分布，单层厚度为1.0~25.0 m，分布面积达15 000 km²，具备形成规模煤岩气藏的资源基础（图 2）。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 柴达木盆地侏罗系煤岩厚度分布特征 Fig. 2 Distribution of coal rock thickness of Jurassic in Qaidam Basin

中—下侏罗统沉积期，盆地气候湿润，河流-湖泊沼泽沉积体系下形成了良好的聚煤环境。钻井揭示下侏罗统湖西山组煤层主要分布在冷湖四号地区，单层厚度为1.0~6.0 m，埋深在4 000 m以上；通过地震资料预测，该套煤岩主要分布在冷湖、牛东及伊北凹陷，分布面积为7 900 km²。下侏罗统小煤沟组煤层主要发育于侏罗系断坳转换期，分布广，钻井揭示其主要分布在牛东和冷东地区，埋深为2 800~4 800 m，单层厚度为1.0~8.9 m；地震资料预测该套煤层在坪东、冷湖、昆特依及伊北凹陷均有分布，面积达11 500 km²。中侏罗统大煤沟组煤层主要分布在祁连山前带，厚度大，连续性好，钻井揭示单层厚度25 m，台东1井大煤沟组煤层叠合厚度可达80 m，分布范围达4 800 km²，主要分布在鱼卡、东台地区，是煤岩气勘探有利层段。

煤岩品质是表征煤岩气资源潜力的重要参数，包括煤岩宏观特征、煤阶、显微组分及工业参数等。研究区侏罗系煤层的宏观特征表现为，以亮煤—半亮煤为主，无机矿物含量少；以原生结构为主，硬度小、易碎，部分为碎裂煤；微裂缝及割理发育，割理密度高，呈线状、网状分布，面割理6~10条/15 cm，端割理7~15条/5 cm，有利于煤岩气储存（图 3）。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 柴达木盆地侏罗系煤岩野外露头及岩心样品宏观特征 (a)祁连山前团鱼山煤矿露头, 厚度达25 m, 中侏罗统; (b)煤岩岩心, 柴页1井, 中侏罗统, 2 092.19~2 092.44 m; (c)微裂缝和割理发育, 大煤沟煤矿; (d)微裂缝和割理发育, 柴页1井, 中侏罗统, 1 961.50 m; (e)微裂缝和割理发育, 中侏罗统, 团鱼山煤矿。 Fig. 3 Macroscopic characteristics of coal rock field outcrops and core samples of Jurassic in Qaidam Basin

研究区侏罗系煤岩的显微组分分析（图 4a）表明，以镜质组为主，体积分数最高达82.0%，平均为65.5%，惰质组和壳质组的平均体积分数分别为30.3% 和4.2%，为中高镜质组煤，吸附能力强。工业分析（图 4b）表明，煤岩中挥发分（Vad）、水分（Mad）、灰分（Aad）和固定碳（FCad）的平均质量分数分别为36.0%，3.8%，10.2% 和50.0%，属于高挥发分、特低水分、低灰分煤，煤岩热值高。煤阶方面，浅层煤岩镜质体反射率R_o约为0.7%，属于低中阶煤，煤阶属于长焰煤—气煤—肥煤；深层煤岩取心少，依据煤岩的演化程度随着深度增加而增高趋势计算，当埋深大于2 000 m时，R_o为0.8%~1.5%，生气量增大。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 柴达木盆地侏罗系煤岩显微组分（a）及工业参数直方图（b） Fig. 4 Microcomponents(a)and histogram of industrial parameters(b)of coal rocks of Jurassic in Qaidam Basin

侏罗系煤系地层是柴北缘唯一的烃源岩层，其岩性以泥岩、炭质泥岩及煤岩为主^[17]。其中煤岩厚度为1.0~80.0 m，TOC值为23.11%~77.70%，平均为57.60%，生烃潜量（S₁+S₂）为20.3~175.0 mg/g，平均为79.9 mg/g，氢指数最高达165 mg/g，生气条件优越^[18-19]。钻遇侏罗系的井主要分布在盆缘区，埋深较浅，煤岩R_o一般低于1.5%，但盆地腹地埋深在4 500 m以上，R_o普遍大于1.5%，最高可达3.5% 以上，整体生气能力强（图 5）。目前柴北缘已发现的东坪、牛东及南八仙等气田均来源于侏罗系煤系烃源岩，含煤沉积建造几乎遍布整个柴北缘，发育冷湖、伊北、昆特依、坪东、鱼卡五大主力凹陷，叠合面积达15 000 km²，具备形成规模煤岩气的生气条件^[20-21]。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 柴达木盆地侏罗系煤岩成熟度（Ro）分布特征 Fig. 5 Distribution characteristics of coal rock maturity(Ro)of Jurassic in Qaidam Basin

煤岩作为一种特殊的储层，储集性能不仅决定着煤岩气吸附气和游离气的比例，也决定着煤岩气的富集及产能^[7]。研究区煤岩储层非均质性强，孔隙结构复杂，扫描电子显微镜（SEM）分析发现，煤岩储层主要发育气孔、微裂隙、残留组织孔和矿物晶间孔等4种孔隙类型。气孔是在煤岩热演化生烃作用过程中形成的，成群发育于镜质体中，呈椭圆形。残留组织孔主要是煤化过程中继承组织结构留下来的孔隙，多见于丝质体和半丝质体。微裂缝在侏罗系煤岩中较为发育，未见充填，包括后期构造运动形成的裂缝及煤化过程中的裂缝等。矿物晶间孔主要是黏土、碳酸盐等在成煤过程中和成煤后的地质作用下形成的孔隙，包括颗粒间孔、溶蚀孔等（图 6）。多种类型孔隙共同构成了良好的储气通道。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 柴达木盆地侏罗系煤岩扫描电镜微观特征 （a）镜质体内密集的气孔，牛1-2-10井，下侏罗统，2 392.00 m；（b）镜质体中气孔和张性裂缝，大煤沟煤矿，中侏罗统；（c）纤维状丝质体呈条带叠置，条带间隙内发育组织孔，大煤沟煤矿；（d）裂隙中间充填部分矿物，牛1-2-10井，下侏罗统，2 384.00 m；（e）碎屑镜质体，屑间孔发育，五彩煤矿，中侏罗统；（f）有机质孔内充填碎屑颗粒，柴页1井，中侏罗统，2 005.40 m；（g）组织孔发育，高泉煤矿，下侏罗统；（h）裂隙，龙6井，下侏罗统，1 545.00 m。 Fig. 6 Microscopic characteristics of coal rocks under scanning electron microscopy of Jurassic in Qaidam Basin

鱼卡煤矿煤岩样品的物性分析结果表明，孔隙度为5.26%~34.01%，平均15.65%，渗透率5.11~ 12.60 mD，以高孔高渗为主；牛东地区下侏罗统煤岩测井解释孔隙度为3.00%~12.00%，渗透率0.50~3.00 mD，储层物性好。压汞及氮气吸附联合分析结果（图 7a）显示，侏罗系煤岩具有双重孔隙结构，中、宏孔的占比相对高，大部分孔隙半径大于10 nm，连通性好，有利于游离气富集。核磁共振分析结果（图 7b）显示，煤岩的T₂（核磁共振弛豫时间）谱图表现出3个峰值特征，分别对应微孔、介孔和宏孔，微孔的峰值为0.1~5.0 ms，介孔峰值为5.0~ 100.0 ms，而宏孔的峰值大于100.0 ms；不同孔径的孔隙具有一定的连通性。通过对比煤岩在饱和水状态和经过60 ℃干燥处理16 h后的T₂谱，发现在介孔与宏孔中流体特征峰值下降快，而微孔中仍然残留有一部分束缚水。介孔和宏孔由于孔径较大，孔隙之间的连通性较好，有利于煤岩气在孔隙中的渗透和迁移。综上分析，侏罗系煤岩具有良好的储集条件，有利于煤岩气的富集。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 柴达木盆地侏罗系煤岩孔径分布（a）及核磁共振T2谱曲线（b） Fig. 7 Distribution of pore diameters(a), and nuclear magnetic resonance T2 spectrum curve(b)of Jurassic coal rock in Qaidam Basin

良好的盖层条件有益于煤岩气的封存，煤层盖层的封闭能力主要由上覆盖层的岩性决定，通常情况下，油页岩的封闭效果最佳，泥岩和灰岩的封闭效果次之，砂岩的封闭效果较低。受侏罗系沉积时期滨湖沼泽相控制，研究区发育煤岩与泥岩、粉砂岩及炭质泥岩等互层沉积。统计钻井资料可知，区内储-盖组合主要有煤泥组合和煤砂组合2种（表 1），煤泥组合主要分布在牛东和鱼卡地区，煤岩的上覆泥岩分布稳定，厚度为4.5~23.0 m，煤岩气全烃值为1.55%~73.20%，是煤岩气勘探有利的储-盖组合。煤砂组合主要分布在山前带冷湖构造带，砂岩顶板厚度为2.5~12.3 m，煤岩气全烃值为1.23%~ 4.24%，封盖能力较差。总体来看，侏罗系滨湖沼泽相沉积范围广，特别是盆地腹地，煤泥组合分布面积大，有利于煤岩气的成藏。

表 1(Table 1)

表 1 柴达木盆地侏罗系煤岩储-盖组合类型及特征 Table 1 Types and characteristics of reservoir-cap assemblages of Jurassic coal rock in Qaidam Basin 类型 岩性特征 顶板厚度/m 气测全烃异常值/% 代表井 煤泥组合 4.5~23.0 （1.55~73.20）/ 3.96 柴页1井、东台1井 煤砂组合 2.5~12.3 （1.23~4.24）/ 1.75 东台1井 注：气测全烃异常值数据为（最小值~最大值）/平均值。

下载CSV 表 1 柴达木盆地侏罗系煤岩储-盖组合类型及特征 Table 1 Types and characteristics of reservoir-cap assemblages of Jurassic coal rock in Qaidam Basin

煤层含气量是判别一个地区煤岩气资源潜力的重要参数。研究区鱼卡凹陷柴页1井钻遇煤层和泥页岩，对其取样后进行含气量测量，结果表明，煤岩气的质量体积为6.20~8.40 m³/t，明显高于泥页岩含气量（图 8a）；煤岩等温吸附实验结果（图 8b）显示，空气干燥基条件下，兰氏体积变化较大，为3.65~18.67 m³/t，平均值为11.88 m³/t，兰氏压力为3.09~3.45 MPa，平均值为3.29 MPa，这表明煤岩具有一定的吸附能力。此外，根据田光荣等^[18]的报道，鱼卡煤矿瓦斯调查结果显示中侏罗统煤岩气的质量体积最高可达29.00 m³/t，也证实该地区煤岩具有较高含气量。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 柴达木盆地侏罗系煤岩含气特征 Fig. 8 Gas-bearing properties of coal rock of Jurassic in Qaidam Basin

综上分析，相对以吸附气为主的浅层煤层气，埋藏较深的煤岩具有生气能力强、地应力高、脆性高和低抗压强度的特点，同时，研究区裂缝较发育，煤岩含气饱和度具有随埋深增加而增大的特征，因此，可以认为该区深层煤岩气总含气量、含气饱和度及游离气含量高，资源潜力大。

研究区侏罗系煤层埋深变化大，既有祁连山前露天煤矿，又有盆地腹地伊北凹陷埋深超过10 000 m的煤岩层，不同埋深的煤层含气特征有显著差异。浅层煤层由于演化程度低、抬升剥蚀等因素影响，以吸附气为主，含气饱和度较低，随着埋深增加，煤岩的生气能力增强，当R_o > 0.8% 时，煤岩开始大量生气，有利于形成高饱和度煤岩气藏。通常，在常规钻探深度下，要形成超高饱和度煤岩气，仅靠自身煤岩生气有一定难度，还需有外源补充，如准噶尔盆地白家海凸起侏罗系西山窑组煤岩气地球化学特征与自身煤层的差异较大^[5]，而与石炭系烃源岩一致，证实主要为他源供烃，具有古生中储（古生代生、中生代储）的成藏模式。柴北缘只发育侏罗系一套烃源岩^[22]，埋深变化大，生气能力强、物性好，割理发育，煤泥储-盖组合分布广泛，且晚喜山期断裂发育，具备形成下生上储和自生自储成藏模式的条件（图 9）。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 柴达木盆地鱼卡—九龙山地区侏罗系煤岩气成藏模式 Fig. 9 Coal-rock gas accumulation models of YukaJiulongshan area in Qaidam Basin

自生自储型气藏主要分布在山前带演化程度相对较高的地区，如牛东地区牛1-2-5井侏罗系煤岩（深度为2 309 m）的含气测试结果显示，天然气干燥系数为0.9，甲烷碳同位素值为-38.7‰，乙烷碳同位素值为-26.5‰，计算源岩R_o值为1.3%，与牛东地区侏罗系源岩具有良好的对应关系，表现为典型的自生自储型煤岩气藏。

下生上储成藏模式主要是侏罗系深层凹陷煤岩、泥岩及炭质泥岩等烃源岩层生成的天然气通过断裂运移至上部煤岩中富集成藏，如伊北凹陷侏罗系生烃中心最深超过15 000 m，深层沟通气源的断裂发育，断裂与不整合面、砂层及裂缝等组成复合输导体系，使得深部生成的天然气向盆缘区或上部煤岩圈闭聚集成藏^[23]，柴北缘大部分煤岩气藏是该类成藏模式。如鱼卡煤矿瓦斯质量体积达29.00 m³/t，远高于自身埋深煤层能吸附的气量，分析认为其天然气主要来源于煤矿南部的赛什腾凹陷，该凹陷埋深超5 000 m，R_o大于1.3%，生气能力强，产生的天然气通过断裂输导运移至该区煤层聚集，从而使得煤层含气量增大。

前人仅对柴达木盆地鱼卡地区中浅层煤层气资源进行过评价^[19]，而未对深层煤岩气资源潜力进行分析。本次研究借鉴其他盆地资源潜力评价的经验，参考煤层气和页岩气资源量的计算方法，在明确煤岩厚度、热演化程度、煤岩面积及含气量等参数的基础上，采用体积法对煤岩气资源量进行估算，公式为

式中：G为计算单元的深层煤岩气资源量，10⁸ m³；A为含煤面积，km²；H为煤岩有效厚度，m；D为煤岩密度，t/m³；Cad为煤岩空气干燥基含气量，m³/t^[9]。

分别对中、下侏罗统进行计算，单元面积依据煤岩厚度分布范围（参见图 2）确定，中侏罗统煤岩深度为2 000~5 000 m，面积取值3 845 km²，下侏罗统煤岩深度为2 000~5 000 m，面积取值5 325 km²。煤岩有效厚度根据煤岩平均厚度确定，中、下侏罗统煤岩厚度分别为15 m和10 m。煤岩密度根据测井数据及取心实验分析确定，取值1.4 t/m³。煤岩空气干燥基含气量依据侏罗系煤岩的埋深、R_o及吸附实验数据等，结合部分解析含气量，取值15.00 m³/t。基于此，初步估算中、下侏罗统的煤岩气资源量分别为1.21×10¹² m³和1.11×10¹² m³，总资源量达2.32×10¹² m³，资源潜力大。然而，由于该区深层煤岩的钻井少，煤岩系统取心及相关实验分析较少，该评价也存在一定误差，且盆地腹地煤岩的埋深大，还需勘探进一步证实和修正。

综合柴达木盆地侏罗系煤岩分布、埋深及圈闭特征等，认为九龙山地区中侏罗统及牛东—冷湖地区下侏罗统是煤岩气的有利勘探方向。九龙山地区中侏罗统湖沼环境下煤泥储-盖组合发育，煤层普遍厚度大，单层厚度达25 m，分布面积广且稳定，横向连续性好，气的质量体积最高可达29.00 m³/t，附近赛什腾凹陷深层的烃源岩成熟度高，生成的天然气可通过断裂运移至九龙山构造带聚集成藏，且该区地层较为平缓，是煤岩气勘探有利地区。牛东—冷湖地区下侏罗统为三角洲平原与湖沼相沉积环境，埋深为2 500~5 000 m，煤层分布范围广，煤砂及煤泥储-盖组合均有发育，与昆特依凹陷及冷湖凹陷相连，气源充足，同时该区处于长期古隆起上，油气运聚条件优越，已经发现了牛东、昆特依及冷湖油气田，是有利的煤岩气勘探方向。

需要说明的是，由于柴达木盆地侏罗系煤岩气勘探尚处于初期阶段，针对煤岩的钻井少，主要通过煤矿、钻遇井的岩心资料及地震等资料得出的结论还需要钻井进一步证实，作为盆地新的勘探领域、勘探类型，需要加大风险勘探力度，实现煤岩气勘探新领域突破，使其成为柴达木盆地天然气勘探的接替领域。

（1）柴达木盆地侏罗系优质煤岩主要分布在下侏罗统湖西山组、小煤沟组和中侏罗统的大煤沟组，侏罗纪早—中期气候湿润，河流-湖泊沼泽沉积环境下形成了良好的聚煤环境，煤岩分布面积广，厚度大；煤岩以亮煤—半亮煤为主，为中高镜质组煤，吸附能力强，同时具有挥发分含量高、水分低的特点，割理密度高，呈网状分布，连通性好。

（2）研究区侏罗系煤岩具有良好的成藏条件，表现为生气强度大、发育气孔、组织孔、晶间孔及微裂缝等多类型孔隙，具有双重孔隙特征，中、宏孔占比高，储层物性好，侏罗纪沼泽环境下形成广泛分布的煤泥储-盖组合，有利于煤岩气封盖；含气性高，预测资源量达2.32×10¹² m³，具备形成煤岩气藏的基本条件和潜力。

（3）研究区侏罗系煤岩气发育自生自储和下生上储2类成藏模式，受构造运动、地层埋深及煤层厚度等多因素控制，中侏罗统煤岩气有利勘探区主要分布在九龙山—鱼卡一带，下侏罗统煤岩气主要分布在牛东—冷湖一带。