煤系气作为非常规天然气受到国内外学者的广泛关注[1-5]。对于煤层气而言，研究领域主要集中在煤层气的成因机理、成藏类型、成藏动力等方面[6-9]，以及深部煤层气储层物性、煤层气吸附性、可改造性等[10-13]。对于页岩气而言，研究内容多为储层特征、成藏机理和资源评价等方面[14-16]。对于致密砂岩气而言，研究聚焦在储层特征、气藏类型及成藏机理等方面[17-19]。无论是煤层气、页岩气还是致密砂岩气，针对单一煤系气，国内外学者进行了大量的研究，然而在同一地区将煤系气进行综合研究的相对较少。曹代勇等通过对鄂尔多斯盆地西缘煤系非常规气成藏地质条件的研究，建立了3种煤系非常规气共生组合模式，并探讨了煤系非常规气的共生耦合机制[20]。梁冰等从含煤地层岩性分布特征、煤系气体成藏机理、不同类型含气储层特征和开采特征等方面，分析了煤系“三气”共采可能性及共采急需解决的难点[21]。秦勇等基于近年来的研究实践，探讨了煤系叠置含气系统发育的基本地质特点和共采兼容性的地质原理[22]。
随煤系气资源开采技术的不断进步，煤系气共采成为可能。煤系气共采的前提便是煤系气的共生，所以探讨煤系气共生的问题对共采具有重要的意义。
1 区域地质概况
临兴地区位于鄂尔多斯盆地东缘，构造位置为鄂尔多斯盆地伊陕斜坡和晋西挠褶带上，构造相对简单，总体为单斜，局部有差异，东侧中部为受紫金山构造岩浆作用影响的隆起区，断裂发育，呈环形放射状展布[23]。
研究区含煤地层自下往上依次为本溪组(C2b)、太原组(P1t)和山西组(P1s)(图1)。本溪组以浅灰色、灰白色灰岩和黑色炭质泥页岩为主，夹有浅灰色、灰白色砂岩，顶部发育主力煤层8+9号煤层，根据沉积旋回自上而下分为本1段和本2段。太原组由浅灰色灰岩、砂砾岩和黑色泥页岩、煤层组成，根据沉积旋回自上而下分为太1段和太2段。山西组主要发育灰色、灰绿色砂岩和暗色泥页岩为主，夹有多套煤层，根据沉积旋回自上而下分为山1段和山2段，其中山2段顶部发育主力煤层4+5号煤层。本溪组至太原组发育障壁海岸相和碳酸盐台地相，其中障壁海岸相包括障壁岛亚相、潮坪亚相和泻湖亚相，碳酸盐台地相以开阔台地亚相为主。山西组发育陆表海背景下的浅水三角洲相，主要包括分流河道、分流间湾、天然堤、决口扇和沼泽。
图1 鄂尔多斯盆地临兴地区区域位置[24]
Fig.1 Regional location of Linxing block in the Ordos Basin[24]
2 煤系气生储盖特征
2.1 煤系气烃源岩特征
对于含煤地层而言，煤、炭质泥页岩、暗色泥岩等都可以成为煤系气的来源[25-26]。临兴地区含煤层段本溪组—太原组—山西组广泛发育的煤层和暗色泥岩为主力烃源岩，其中主力煤层为本溪组顶部发育的下煤组8号、9号煤层和山西组下段顶部发育的中煤组4+5号煤层。8号、9号煤层纵向厚约4～11 m，横向呈“中间(紫金山地区)薄，四周厚”的分布规律，4+5号煤层纵向厚约2～8 m，横向呈“中间厚，东西两端薄”的分布规律[27]。暗色泥岩在含煤层段具有发育，本溪组色泥岩平均厚度39 m，东西厚中间薄，太原组暗色泥岩平均厚度25 m，东厚西薄，山西组暗色泥岩平均厚度81 m，同样东厚西薄[28]。
根据烃源岩样品岩石热解结果可知，研究区煤层有机碳含量47.6%～84.6%，平均64.5%，生烃潜量68.5～157.5 mg/g，平均113.8 mg/g，最高热解温度平均461 ℃，泥页岩有机碳含量主要分布在1.2%～3.8%，平均2.7%，生烃潜量主要分布在1.0～3.7 mg/g，平均2.5 mg/g，最高热解温度平均454 ℃。综合干酪根的氢指数、氧指数及氯仿沥青“A”的族组分判别认为，临兴地区含煤岩系烃源岩以腐殖型干酪根为主，生气能力强，是烃类气体的主要生气母质。有机质显微组分大部分以镜质组为主，其次为惰质组，腐泥组和壳质组含量最少，属于腐殖型干酪根。镜质体多为条带状、碎屑状、丝状，零散分布，部分镜质体中可见气孔结构(图2)。
图2 临兴地区烃源岩显微组分镜下特征
Fig.2 Characteristics of maceral in source rock of Linxing block
(a)LX-15，1 893.6 m，太原组，400倍，条带状镜质体;(b)LX-20，1 829.4 m，本溪组，400倍，均质镜质体;(c)LX-18，1 956 m，本溪组，400倍，镜质体中可见气孔结构
研究区含煤岩系镜质体反射率主要分布在0.98%～1.32%，处于有机质演化的成熟阶段。由于紫金山火山的热异常作用，对临兴地区附近含煤地层烃源岩生烃具有明显的促进作用[29]，越靠近紫金山岩体的区域，镜质体反射率增大，甚至出现异常跳跃现象，为研究区煤系气的生成提供了充足的气源条件。
2.2 煤系气储集层特征
通过对临兴地区砂岩铸体薄片观察和统计分析，认为临兴地区含煤层段砂岩类型以岩屑砂岩为主，其次为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，岩屑石英砂岩、长石石英砂岩和纯石英砂岩都比较少。从本溪组到山西组，石英含量相差不大，平均含量40%～70%，长石和岩屑含量表现为逐渐递增的趋势。岩屑组分以变质岩岩块和火成岩岩块为主，其他岩屑含量相较少。填隙物平均含量13%～17%，杂基和胶结物的含量相差不大，平均含量主要分布在6%～8%，其中胶结物以方解石、高岭石、白云石、铁白云石和菱铁矿为主。黏土矿物以丝缕状、搭桥状的伊利石为主，含有少量的书页状高岭石、绿泥石和伊/蒙混层(图3)。胶结类型以孔隙式胶结为主，发育少量的孔隙-基底式胶结，分选以中等和中等-差为主，磨圆度绝大部分为次圆状，支撑类型多为孔隙和颗粒支撑，接触方式多为凹凸式接触。
图3 临兴地区含煤岩系黏土矿物类型及平均相对含量
Fig.3 Types and average contents of clay mineral in coal measure of Linxing block
通过对临兴地区含煤层段的物性测试显示，孔隙度分布范围1.5%～13.8%，平均值6.2%，渗透率分布范围0.01×10-15～0.90×10-15m2，平均值0.14×10-15m2，属于低孔低渗的致密砂岩范畴(图4)。其中，本溪组砂岩孔隙度分布范围1.9%～8.0%，平均值4.4%，渗透率分布范围0.01×10-15～0.28×10-15m2，平均值0.04×10-15m2;太原组砂岩孔隙度分布范围2.1%～13.8%，平均值7.2%，渗透率分布范围0.01×10-15～0.90×10-15m2，平均值0.20×10-15m2;山西组砂岩孔隙度分布范围4.2%～9.5%，平均值5.6%，渗透率分布范围0.01×10-15～0.72×10-15m2，平均值0.13×10-15m2。总体而言，太原组物性相对较好。
由于临兴地区含煤岩系砂岩中石英等刚性颗粒含量相对较少，塑性颗粒含量相对较高，在上覆地层的机械压实作用下，原生孔隙遭到破坏，仅保留少量的残余原生孔隙，LX-20井太原组砂岩铸体薄片中，可见云母类矿物发生强烈扭曲变形，LX-34井太原组砂岩铸体薄片中，强烈的压实作用使刚性颗粒内部产生微裂缝(图5)。临兴地区本溪组、太原组和山西组均属于含煤地层，在埋藏过程中会产生大量的腐殖酸，使得地层水偏酸性，为砂岩中长石等不稳定矿物及胶结物溶蚀提供充足的酸性介质来源。LX-21井铸体薄片下长石溶蚀作用形成的粒内溶蚀孔和粒间溶蚀孔，是砂岩储层中主要的储集空间类型。研究区胶结作用强烈，包括以铁白云石为主的碳酸盐类矿物胶结作用，以伊利石为主的黏土矿物类胶结作用，以及石英颗粒次生加大等硅质矿物的胶结作用。
图4 临兴地区含煤岩系孔隙度和渗透率特征[30]
Fig.4 Characteristics of porosity and permeability in coal measure of Linxing block[30]
图5 临兴地区含煤岩系致密砂岩微观特征
Fig.5 Microscopic characteristics of tight sandstone in coal measure of Linxing block
(a)LX-20井，1 715.3 m，太原组，云母受挤压发生强烈形变;(b)LX-34井，1 886.5 m，太原组，微裂缝;(c)LX-21井，1 881.3 m，山西组，长石颗粒被溶蚀;(d)LX-8井，1 908.0 m，太原组，钠长石沿解理溶蚀产生粒内孔;(e)LX-20井，1 645.2 m，山西组，铁白云石胶结;(f)LX-36井，1 833.2 m，太原组，菱形粒状方解石和丝片状伊利石胶结;(g)LX-7井，1 972.0 m，太原组，小米粒状高岭石;(h)LX-21井，1 946.0 m，山西组，石英次生加大
研究区泥页岩以黏土矿物为主，变化范围34.8%～83.7%，平均含量60.8%，脆性矿物含量变化范围较大[31]，页岩孔体积峰值主要集中在2～8 nm，以中孔为主。4+5号、8+9号煤层以半暗煤和半亮煤为主，裂隙发育，显微组分以镜质组为主的中灰分煤[32]。煤储层微观孔隙和割理特征发育复杂，孔隙度集中在4.0%～6.5%;渗透率变化范围较大，4+5号煤层渗透率0.04×10-15～9.62×10-15m2，8+9号煤层渗透率0.08×10-15～9.86×10-15m2[28]。4+5号煤层含气量在6.7～22.1 m3/t，平均14.66 m3/t;8+9号煤层含气量多在12～20 m3/t，平均14.92 m3/t[27]。
2.3 煤系气盖层特征
对于致密砂岩气藏而言，气源岩为暗色泥页岩和煤层，运移通道通常为裂缝或断层，此时盖层可以是致密的泥页岩层，也可以是煤层，封盖方式为物性封闭和烃浓度封闭。对于页岩气而言，暗色泥页岩自生自储，烃类气体以吸附气和游离气两种形式赋存，吸附气吸附于黏土矿物颗粒表面，游离气赋存于微孔隙及裂缝之中。由于致密砂岩层、泥页岩层和煤层的交互叠置，致密砂岩层和煤层均可以成为页岩气藏的盖层。对于煤层气而言，煤层自生自储，同样以吸附气和游离气两种形式存在，此时致密泥页岩层和致密砂岩层均可成为煤层气藏的有效盖层。至于盖层的封闭能力，宏观上受到层序地层格架的约束[33-34]，微观上受到封盖层的成分组成和内部结构的制约[35-37]。
3 煤系气共生组合模式
前人对于含煤岩系生储盖组合及煤系气共生模式进行了相关研究，煤岩和泥页岩都可为致密砂岩气藏提供烃源岩，致密砂岩与烃源岩之间往往相互叠加形成三明治型储盖配置，互为盖层[21,38];秦勇等根据沁水盆地南部石炭二叠系生储盖组合以及煤系自身特点，将致密砂岩气藏和页岩气藏归纳为独立砂岩气藏、独立页岩气藏和煤-页岩-砂岩互层型气藏3种类型[39];曹代勇等根据典型钻孔柱分析，将鄂尔多斯盆地资源煤系非常规气总结归纳为3中基本的共生组合类型:为煤系页岩气-煤层气-煤系致密气共生组合、煤系页岩气-煤层气共生组合，煤系致密气-煤系页岩气-煤层气共生组合[20]。
针对临兴地区致密砂岩气、页岩气和煤层气的共生模式，前人也进行了相关探讨。郑书洁以临兴地区典型钻孔煤系生储盖组合叠置关系为基础，将煤系“三气”生储盖组类型划分为源储一体型、原储紧邻型和源储混合型[31];孙泽飞根据煤系气储层空间发育和展布特征，结合储层物性及含气性特点，将临兴地区煤系内幕生储盖组合细分为下生上储型、自生自储型、互层型3种基本类型和3种复合类型[28]。
3.1 岩性组合模式
致密砂岩气、页岩气和煤层气的储集层分别为致密砂岩、泥页岩和煤层，因而探讨致密砂岩气、页岩气、煤层气的共生组合模式，本质上需要探讨致密砂岩、泥页岩和煤层的纵向叠置关系。通过临兴地区20口井的岩芯观察，可见砂岩、泥页岩和煤的多种局部组合模式。LX-15井太原组可见上部砂岩、下部暗色泥岩的砂泥突变接触;LX-10井太原组可见砂岩与暗色泥岩的频繁交互;LX-101井山西组1 538.62 m岩芯中，上部浅灰色细砂岩，下部深灰色泥岩，中间存在较为明显的砂泥岩过渡带;LX-13井本溪组灰白色细砂岩中，包裹深灰色泥岩条带。以上均为砂岩和泥岩的共生关系，砂岩与煤之间的共生组合也较为常见。LX-35太原组1 918.59 m岩芯中，上部灰白色中砂岩，下部黑色煤层，两者之间突变接触;LX-52本溪组和LX-35太原组岩芯中，可见灰色、灰白色细-中砂岩夹有薄煤层或透镜状煤块。由于泥页岩和煤一般较脆，不易保存，所以岩芯观察中很少见到两者之间的共生组合。LX-35井太原组岩芯中可见3者的局部组合，上部灰色中砂岩，中部暗色泥岩，底部黑色煤层(图6)。
图6 临兴地区含煤岩系不同岩性组合岩芯照片
Fig.6 Core photograph of the combination of different lithology in coal measure of Linxing block
(a)LX-15，1 861.33 m，太原组，砂泥岩突变接触;(b)LX-10，1 693.70 m，太原组，砂泥岩互层;(c)LX-101，1 538.62 m，山西组，砂泥岩渐变接触;(d)LX-13，2 130.38 m，本溪组，砂岩中包裹泥质条带;(e)LX-35，1 918.59 m，太原组，砂岩和煤层突变接触;(f)LX-52，2 020.62 m，本溪组，砂岩中包裹透镜状煤;(g)LX-35，1 928.05 m，太原组，砂岩中包裹透镜状煤;(h)LX-35，1 922.20 m，太原组，砂岩、泥岩和煤层垂向叠置，突变接触。T—致密砂岩;S—泥页岩;C—煤
综合岩芯观察、测井、录井等资料，认为临兴地区致密砂岩、泥页岩和煤层存在14种两两组合关系，分别为:(1)砂泥岩突变接触;(2)砂泥岩互层;(3)厚层砂岩夹薄层泥岩;(4)厚层泥岩夹薄层砂岩;(5)砂泥岩渐变接触;(6)砂包泥;(7)泥包砂;(8)砂岩和煤层突变接触;(9)厚层砂岩夹薄层煤;(10)砂包煤;(11)泥岩和煤层突变接触;(12)泥岩和煤层互层;(13)厚煤层加薄层泥岩;(14)厚层泥岩夹薄煤层(图7)。3者之间的共生组合关系更为复杂，不是单一致密砂岩层、泥页岩层和煤层的简单叠置。
图7 临兴地区含煤层段不同岩性组合模式
Fig.7 Composition pattern of different lithology in coal measure of Linxing block
3.2 煤系气组合模式
就宏观角度而言，煤系气的共生模式大致可以分为4种。模式(1)为致密砂岩气-页岩气-煤层气共生，该组合常见于山西组中部，分流河道中的砂岩、分流间湾中的暗色泥页岩和4+5号煤层构成3种煤系气的共生基础。模式(2)为致密砂岩气-煤层气组合，此组合中的致密砂岩主要为太原组上段发育的潮道砂。模式(3)为致密砂岩气-页岩气组合，常见于太原组上段，多为混合坪中砂泥岩交互而成。模式(4)为页岩气-煤层气共生，该组合多位于太原组下段和本溪组上段，多为泥炭沼泽中的暗色泥页岩和煤层多层交互叠置，形成页岩气和煤层气的共生组合(图8)。
4 煤系气共生成因机制初探
4.1 沉积作用对煤系气共生形成的决定性作用
本溪组至太原组发育障壁海岸相和碳酸盐台地相，潮坪亚相细分为潮道、砂坪、混合坪、泥炭沼泽和灰坪，潮道以中粗砂为主，砂坪以细砂岩为主，混合坪主要以泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩互层薄互层为主，泥炭沼泽主要发育稳定的煤层及暗色泥岩，灰坪沉积物多为深灰色灰岩，泻湖亚相以暗色泥页岩及厚煤层为主。该套地层中的砂体以潮道砂为主，特别是太原组的砂岩孔渗性相对较好，孔隙度平均值7.2%，渗透率平均值0.20×10-15m2。潮道砂与附近煤层叠合可形成煤系气共生模式(2)。混合坪中的砂泥岩叠置，构成致密砂岩气-页岩气共生的模式(3)。泥炭沼泽和混合坪中煤层和暗色泥页岩多套交互叠置，发育稳定，具有足够的厚度，构成页岩气-煤层气共生的模式(4)。
山西组发育陆表海背景下的浅水三角洲沉积，分流河道主要为灰白色、浅灰色中粗砂岩，分流间湾发育暗色泥岩及煤层，与本溪和太原组相比，单个煤层厚度相对较薄。山西组内河道砂岩较为发育，孔渗性平均值5.6%，渗透率平均值0.13×10-15m2。分流间湾内发育一定厚度的暗色泥页岩，TOC含量平均含量6.63%，Ro约为0.95%。煤层主要为4+5号煤层，TOC含量平均含量17.64%，Ro约为0.98%。该套地层致密砂岩具有一定的储集能力，煤层及暗色泥页岩具有足够的生气能力，纵向叠置构成3种煤系气共生的模式(1)(图9)。
4.2 成岩作用对煤系气共生的改造作用
成岩作用对煤系气的影响，主要体现在对致密砂岩层和泥页岩层储集空间的一定影响。强烈的机械压实作用是临兴地区储层致密化的重要因素，主要表现为塑性颗粒的形变(图5(a))，同时也促进了盖层的形成。碳酸盐类矿物胶结作用、黏土矿物类胶结作用以及硅质矿物类胶结作用同样具有减孔效应(图5(e),(f),(g),(h))，但是少量的绿泥石薄膜对孔隙具有一定的保护作用[30]。溶蚀作用对致密砂岩储层的增孔作用，使得致密砂岩作为储集层成为可能。含煤地层最重要的特点在于富含有机酸，有机酸溶蚀储层可以形成大量的次生溶蚀孔隙，这些溶蚀孔隙是致密砂岩气藏和页岩气藏重要的储集空间，临兴地区太原组砂岩中的次生溶蚀孔隙尤为常见，多为长石沿解理溶蚀形成粒内溶孔(图5(c)，(d))。
5 结 论
(1)鄂尔多斯盆地临兴地区含煤岩系发育有致密砂岩气、页岩气和煤层气，4+5号和8+9号煤层为主要的烃源岩，暗色泥岩也具有一定的生烃能力，砂岩类型以岩屑砂岩为主，致密砂岩层、泥页岩层和煤层可以互为盖层。
图8 临兴地区LX-5井含煤层段煤系气共生组合模式
Fig.8 Composition pattern of coal measure gas in coal measure of well LX-5,Linxing block
图9 临兴地区煤系气共生成藏模式
Fig.9 Symbiotic accumulation pattern of coal measure gas in Linxing block
(2)致密砂岩、泥页岩和煤层两两之间的组合模式具有14种，煤系气的共生组合模式具有4种，分别为致密砂岩气-页岩气-煤层气、致密砂岩气-煤层气、致密砂岩气-页岩气和页岩气-煤层气。
(3)煤系气的共生成藏受到沉积和成岩作用的多重影响，沉积作用对煤系气共生的形成具有决定性作用，成岩作用对煤系气的共生具有一定程度的改造作用。
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