煤系气是指赋存在含煤地层中的天然气，包括煤层气以及煤系页岩气、致密砂岩气等[1]。内蒙古自治区鄂尔多斯地区发育石炭—二叠系、侏罗系两套煤系，多层叠加的煤层和暗色泥页岩有机质含量高，热演化程度高，为煤系气成藏提供了丰富的气源，煤储层、页岩储层、致密砂岩储层系复合连片，源储紧邻，互层叠置，构成了优质的生储盖组合模式。为此，内蒙古自治区政府立项开展了鄂尔多斯地区煤系气资源潜力分析及综合勘查联合开发(简称合勘共采)研究，实施了煤系气合勘共采先导性示范工程，相关结果为政府部门提供了重要决策依据。

1 地质背景

1.1 盆地演化

鄂尔多斯盆地横跨蒙、陕、甘、宁、晋5省(区)，总面积约37万km2。内蒙古鄂尔多斯地区位于鄂尔多斯盆地北部，占盆地总面积近1/3。鄂尔多斯盆地是一个典型的多旋回、复合型盆地，太古代和元古代基底构造控制着沉积盖层和构造形态，盆地沉积盖层由老到新有元古代、古生代和中、新生代(表1)。

盆地经历了元古代张裂型裂陷槽(坳拉谷)、早古生代复合型克拉通坳陷、晚古生代近海型坳陷、中生代内陆湖盆坳陷及新生代周缘断陷5个演化阶段[3]。早古生代陆表海盆地沉积了寒武纪—中奥陶世碳酸盐岩，中奥陶世以后地壳抬升。中石炭世地壳沉降，盆地西缘的贺兰裂谷沉降最大。晚石炭世—二叠纪形成广泛的海陆交互型含煤岩系。早三叠世末期，鄂尔多斯地块东升西降，之后沉积了三叠纪、侏罗纪陆相含煤岩系。由此，盆地赋存了分布广泛的石炭—二叠系海陆交互相煤系和三叠系、侏罗系陆相煤系。

表1 鄂尔多斯盆地地层[2]
Table 1 Strata in Ordos Basin[2]

1.2 构造格架

鄂尔多斯盆地经历了复杂的地质发展历史[4]。盆地发育早期，沉积中心位于中部的直罗、定边一带。燕山运动早—中期，强烈的水平挤压形成了西缘逆冲和南缘隆起。燕山运动中—晚期，吕梁山隆起使盆地东部抬升，与华北地台分离，形成现代构造格局。

根据演化历史和构造形态，鄂尔多斯盆地自北向南自西向东共划分为7个一级构造单元，依次为东胜隆起、西缘逆冲带、天环坳陷、中央古隆起、伊陕斜坡、晋西挠褶带及渭北隆起(图1)。不同的构造分区具有不同的构造特征(表2)。

内蒙古鄂尔多斯地区主要位于盆地一级构造单元的东胜隆起，横跨西缘逆冲带、伊陕斜坡、天环坳陷及中央古隆起的北部。区内总体构造形态为一向西南倾斜的单斜构造，地层倾角1°～5°，褶皱和断裂不发育，构造简单[6]。

鄂尔多斯盆地经历了相对长期稳定的构造沉降，晚古生代—中生代沉积地层较为齐全。尤其是在不同的构造单元叠合了石炭—二叠系、三叠系、侏罗系3套煤系中的1～3套含煤地层，煤层、泥页岩、砂岩互层叠置，源储紧邻，煤系气储层厚度巨大，造就了煤系气资源的巨大潜力。鄂尔多斯盆地在内蒙古境内的地区，广泛分布石炭—二叠系、侏罗系2套煤系，煤系气资源丰富。除此之外，区内上三叠统延长组河流-湖泊相沉积也广泛发育，是潜在的页岩气赋存层系。

表2 鄂尔多斯盆地构造特征
Table 2 Structures of Ordos Basin

2 煤系气资源潜力

2.1 煤层气资源潜力

据内蒙古自治区政府2014年组织的全区煤层气资源评价结果，鄂尔多斯地区煤层气资源丰富，预测煤层气资源量达6万亿m3，占全区煤层气资源总量的50%[7]。

上古生界太原组和山西组是一套海陆交互相广覆式含煤地层，沉积厚度一般为110～210 m，盆地西缘最大厚度近300 m;含可采煤层8～11层，可采煤层平均累计厚度一般为11.50～24.60 m，单层厚度大，侧向连续性好，发育范围广，探明煤炭资源储量居全国各大盆地之首[8]。通过路线地质调查，选择区内正在实施的代表性煤层气勘查项目，进行钻孔煤芯解吸实验，结合以往煤炭勘查开发中的瓦斯测试数据，发现桌子山—贺兰山煤田、大青山煤田、准格尔煤田深部煤层含气量普遍较高，是鄂尔多斯地区的煤层气富集区(表3)。这些富集区，目前正在进行煤层气勘查。

下—中侏罗统延安组沉积厚度一般为180～260 m，主要可采煤层5～7层，累计厚度一般在15～20 m。煤质一般为低灰、低硫、高发热量的不黏煤;镜质组最大反射率一般在0.42%～0.61%，属于低阶煤储层，具有吸附性相对较弱和渗透性相对较高的开采有利条件。根据乌兰陶勒盖、纳林河等区块煤层气评价资料，埋藏深度1 000～2 000 m的煤层含气量达到5.00～6.38 m3/t[7]。目前，延安组煤层气资源尚未进入大规模勘查阶段，但煤层厚度大，发育范围大，部分地段煤层气资源十分富集，是鄂尔多斯地区煤层气资源开发的重要后备接替基地。

表3 鄂尔多斯地区石炭—二叠系煤层含气量统计
Table 3 Statistics of Permo-carboniferous CBM contents in Ordos area

2.2 页岩气资源潜力

煤系页岩气主要赋存于暗色泥页岩或炭质泥页岩层，多以吸附、游离共存的状态赋存。鄂尔多斯地区石炭—二叠系海陆过渡相页岩分布面积广泛，厚度达100～150 m，埋藏深度介于2 000～4 000 m，处于页岩气开发的有利深度段[8]。有机质丰度较高，有机碳含量一般为1.0%～5.0%，镜质组最大反射率为1.1%～2.5%，大部分处于高成熟阶段，干酪根类型为腐泥腐殖型和腐殖型，生气条件优越;脆性矿物含量一般大于48.0%，黏土含量大于43.0%，具有较好的可压裂性[8]。

鄂尔多斯地区上三叠统延长组湖相页岩埋深一般为800～2 000 m，页岩厚度一般15～35 m，镜质组最大反射率0.7%～1.0%，部分地段有机碳含量可达6.0%～14.0%，最高可超过26.0%，为较为优质的生油岩[9]。延长石油集团在鄂尔多斯盆地南部施工的柳评177井是我国陆相盆地第1口成功的页岩气井，产气层为延长组7段，说明长组7段页岩在目前成熟度条件下可以产气[10]。目前，盆地南部上三叠统延长组和中下侏罗统延安组暗色泥页岩中已探明页岩气资源储量100多亿m3[11]。鄂尔多斯地区与柳评井区处于同一盆地，沉积和构造特征可对比性强，指示鄂尔多斯地区延长组湖相页岩可能具有较大的页岩气资源勘查潜力[9]。

2.3 致密砂岩气资源潜力

在鄂尔多斯地区，生气规模巨大的煤层、煤系泥页岩为煤系致密砂岩储层近源提供了丰富的天然气来源。在乌审旗和榆林一带，存在一个大范围分布的煤层气超饱和区域，含气饱和度最高可达130%[12]，指示该区域煤系致密砂岩气补给充足、潜力巨大。石炭二叠系、上三叠统、下—中侏罗统广泛发育不同沉积成因的砂体，多层连片重叠，孔隙度一般小于10%，渗透率小于1×10-15m2，是典型的致密砂岩储层[13]。

位于鄂尔多斯市境内的苏里格气田是我国陆上目前的三大天然气田之一，目前探明致密砂岩气储量达2.7万亿m3，含气层主要为二叠系下石盒子组盒8段及含煤地层山西组山1段，气藏主要受控于近南北向分布的大型河流、三角洲砂体带，气层由多个砂体横向复合叠置而成，属于低孔低渗岩性圈闭气藏组成的大型气田[14]。

3 煤系气合勘共采潜力

鉴于上述，鄂尔多斯地区发育石炭—二叠系、侏罗系两套煤系，多层煤层、砂岩、暗色泥页岩互层产出，源储紧邻，生储盖组合优越，煤系气潜力巨大，具备合勘共采的资源条件[9]。本区及邻区近年来的勘查实践初步证实了这一前景，但也暴露出某些问题亟待解决。

3.1 煤系气开发先导性示范工程

2014年内蒙古地质勘查基金(财政出资)安排《内蒙古自治区页岩气潜力调查评价及开发利用选区研究》项目，为了评价鄂尔多斯地区煤系气潜力、探索合勘共采，项目组在全面系统收集以往地质资料基础上，采用路线地质调查、样品分析测试、综合研究等工作方法，认真分析了鄂尔多斯地区地质背景、构造特征和煤系气资源潜力，筛选煤系气成藏有利地段，施工了1口参数井(鄂页1井)，取得了较好的成果。

鄂页1井位于鄂尔多斯市鄂托克旗，行政区划隶属于察汗淖尔镇，构造位置为伊陕斜坡北部。该井全井进行了综合录井、解吸、测井、固井、样品采集等作业。综合录井共发现不同级别的气测显示24层，累计厚度85.42 m，含气层深度为3 321～3 470.71 m。全烃气测值最高为29.871%;采取泥页岩、砂岩、煤层样品52件进行含气量测定，解吸结果表明石盒子组、山西组、太原组煤系含气量较高，其中泥岩含气量为1.23～5.98 m3/t，砂岩含气量为1.18～12.78 m3/t，煤层含气量为20.41～26.59m3/t。测井共解释气层5层，厚度15.20 m。项目部组织相关专家，对上述成果进行了综合分析研究，选择太2气层进行了TCP-DST测试、太1气层进行了压裂试气[15]。本井钻遇地层见表4，主要气层含气量解吸测试结果见表5，太2、太1气层测井成果见表6。

(1)太2气层TCP-DST测试。

太2气层TCP-DST测试工作制度为二开二关制，求得地层中部压力为32.598 MPa/3 441.7 m，压力系数为0.98，地层压力偏低。地层中部温度为107.91 ℃/3 441.7 m，地温梯度为2.816 ℃/100 m。渗透率为K=0.001 1×10-15m2，属低渗储层[16]。

(2)太1气层试气成果。

2014-12-09—10组下全部压裂管柱，11日液氮伴注加砂压裂，11～21日放喷排液求产。排液求产期间累计排液213.4 m3，压裂液返排率为94.5%。鄂页1井太1气层整个放喷求产期间，累计产气15.22万m3，平均稳定气产量为1.95×104m3/d，太1气层无阻流量为2.09×104m3/d。求产期间取气、水样品送化验室进行测试。测试结果表明甲烷浓度为87.7%，氮气含量为2.8%。求产期间产液18.8 m3，折算平均日产液量6.27 m3/d，产油0.5 m3，折算平均日产油量0.17 m3/d。分析结果为氯离子含量为15 757.82 mg/L，显示后期产液为地层水，水型为氯化钙型[16]。试气曲线如图2所示。

表4 鄂页1井钻遇地层[9，16]
Table 4 Drilling strata in well 1 in Erye[9，16]

表5 鄂页1井主要气层含气性[1,16]
Table 5 Gas bearing of the main gas reservoir of well 1 in Erye[1,16]

表6 太2、太1气层测井相应特征[16]
Table 6 Characteristic of Tai 2 and Tai 1 gas reservoir logging[16]

从太2气层TCP-DST测试、太1气层压裂试气结果，可以看出鄂尔多斯地区煤系气共采具有较好的潜力，由于施工地区煤炭与油气矿权重叠等原因，虽未能进行进一步煤系气综合开发试验，但从太2气层TCP-DST测试、太1气层压裂试气和表5可知，石盒子组下部、山西组、太原组煤层、砂岩、泥页岩均显示出良好的含气性，具备页岩气、煤层气、砂岩气三气共采的资源潜力[16]。

3.2 邻区煤系气商业性开发启示

与鄂尔多斯市同处于鄂尔多斯盆地的临兴、韩城等地区开展了煤系气合勘共采试验，多口井多气层合采获得高产，单井日产气量最高达5.3×104m3/d，初步显示出煤系气共采的潜力巨大。但是，在煤系气共采试验中，也暴露出很多问题，多气层共采产气量大多低于单层开采产气量之和。如临兴地区煤系煤层气和砂岩气资源丰富，而区内煤系泥页岩含气量低，生产潜力小。根据临兴地区煤系气生储盖条件，中国矿业大学的秦勇教授收集了大量资料，并进行了深入分析研究，对临兴地区煤系气合勘共采潜力提出了指导性意见[15]，主要结论:

(1)临兴地区构造简单，广覆式生烃的煤系烃源岩与大面积分布的致密砂岩储集层、煤储层及泥岩储层相互叠置，有利于煤系气体成藏。

(2)临兴地区主力煤层厚度较大且分布稳定，含气量高，渗透性好，储层压力为正常-略微欠压;致密砂岩层有效储层较为发育且间距小，空间连续性较好，含气饱和度较高，孔隙度较低，渗透率较高，储层压力以欠压-正常压力为主，且压力系数差异小。煤层气与致密砂岩气联合开发资源潜力巨大。

(3)根据储层厚度、孔隙率、渗透率、含水饱和度及储层压力等共采关键因素，结合本区煤系气商业性开发实践，建立了以共采产气贡献率为目标函数的煤层气与煤系致密砂岩气共采评价的蛛网模板和共采综合指数评价模型，指出适合煤层气和砂岩气共采综合指数界限为8×10-7～4.44[15]，即L-3井(8+9号煤)、 L-10井(4+5号煤)及L-1井、L-4井、L-6井、L-9井的两层主力煤煤层气与煤系砂岩气适合共采，其他井不适于煤层气与砂岩气共采，低于8×10-7适合煤层气单采，高于4.44适合砂岩气单采[16]。

3.3 问题及应对措施

(1)加大投资力度，摸清资源家底。

鄂尔多斯至今尚未摸清煤系气的资源，还不能为精准的制定联合开发规划提供可靠的地质依据，需要进一步加强勘查评价工作[9]。虽然煤炭企业、油气公司、核工业及地矿部门分别从不同的勘查目的、勘查层位出发，在鄂尔多斯地区做过局部地段的勘查、评价工作，资料分别掌握在不同的勘查单位手中，鄂尔多斯的煤系气资源禀赋以及开发技术条件目前无法系统整理总结，需要政府主管部门加强管理、出台相关政策，破解难题，鼓励鄂尔多斯境内所有的矿业权人走协同创新之路，资料互相开放，实现资源共享。

煤系气勘查开发，前期工作还需要投入大量的资金，从地质评价到工业开采需要相当长的时间，在短期内难以得到回报，建议自治区设立煤系气勘查专项资金，加大公益性评价力度，同时出台优惠政策、积极引导社会资金优势投入煤系气勘查开发工作，为摸清鄂尔多斯地区煤系气资源家底提供政策和资金保障，推动鄂尔多斯地区煤系气产业可持续发展[1，17]。

(2)组建多学科交叉团队，创新合勘共采技术。

我国煤系气合勘共采尚属探索阶段，虽然在部分地区单气种勘查开发实现了突破，致密砂岩气、煤层气不同层段采用不同压裂技术进行开发在盆地局部地段已取得成功，但煤系气合勘共采技术难题的研究还没有系统开展，煤系气共采理论和实践存在差异，实际多层合采的产量往往多低于分层分采的产量之和、甚至单层分采量[15]。这就需要引进高层次人才，大力提高企业管理者的整体素质，为煤系气合勘共采提供智力支撑。组建“产、学、研”多学科交叉的科技创新团队，针对区内不同地段、不同层位、不同储气条件的生储盖共性和差异，对煤系气共生机理、储层评价、钻井技术、压裂技术、排采技术等进行研究和探索，不断完善和创新煤系气合勘共采技术方法，创新合勘共采模式，做到“综合勘查、综合利用、一井多用、节约有效”的利用资源[1，17]。

(3)创新矿政管理，解决矿权重叠问题。

内蒙古鄂尔多斯地区油气探矿权、采矿权几乎全部覆盖，并与煤炭探矿权严重重叠，这已经成为严重制约鄂尔多斯国家能源基地建设和健康发展的瓶颈[18]。解决这一问题，需要各级国土资源管理部门，探索有利于煤系气合勘共采的矿政管理办法，为煤系气合勘共采提供绿色通道。需要下大力气打破条块管理的垄断模式，创新管理方式，完善和创新矿业权管理制度。

(4)借鉴成功经验，进一步开展先导性试验。

煤系气合勘共采，在美国已有成功实践，美国怀俄明州粉河盆地，在埋深1 000～2 000 m富含煤层气、页岩气和砂岩气层段中，进行分压合排，数十米至上百米厚的岩层同时动用，20口直井单井日产气量均达到数万立方米，最高达200 000 m3以上[19]。

中联煤层气公司在鄂尔多斯盆地东缘临兴、神府、横山堡南等区块进行了煤层气、致密砂岩气合勘共采试验，多口井在煤层-砂岩层段压裂试气后获得高产[15]。

可以借鉴国际、国内煤系气合勘共采的成功经验，结合鄂尔多斯盆地的煤系气生储盖实际，逐步摸索适合鄂尔多斯地区煤系气合勘共采有效的技术方法和开发模式，率先在鄂尔多斯地区煤系气富集的有利地段[19]，开展先导性共采试验及效果评价，逐步推进煤系气合勘共采的规模化发展，为全国开展煤系气合勘共采创造有价值的经验。

(5)加大保障力度，夯实发展基础。

鄂尔多斯煤系天然气勘查开发已成为全国的热点，勘查程度不断提高，开发技术不断更新，为探索和推进煤系气合勘共采奠定了基础。

区内各级政府部门应进一步重视煤系非常规天然气的勘查、开发和合理利用，进一步出台优惠补贴政策，为煤系气开发提供政策支持;同时建立配套完善的煤系气合勘共采保障体系，统筹规划建设鄂尔多斯盆地的天然气管道，从而促进煤系气协调运行，夯实可持续发展基础。在政府和企业之间形成合力，共同推进煤系气产业化发展。

4 结 论

(1)鄂尔多斯煤系中发育的多层煤层、并与有机质泥页岩、砂岩互层沉积，构成了多层系、复合连片、源储紧邻、互层叠置、储盖良好的煤系气独特组合模式。煤系气成藏条件优越，资源潜力巨大[19-20]，具备合勘共采的资源条件。

(2)我国煤系气合勘共采，尚属探索阶段，各级国土资源管理部门应积极探索、优化矿政管理办法，加大投资力度，借鉴煤系气合勘共采的成功经验，组建多学科交叉团队，创新合勘共采技术，加大保障力度，夯实发展基础。

(3)实施西部大开发战略以来，鄂尔多斯抢抓先机，大力发展辖区内的能源产业，经济社会发展取得巨大成就。但煤系气合勘共采优势和不足同在、机遇和挑战并存，尚有很多问题需要解决，需要各级政府部门和业内有识之士解放思想、破解难题、积极探索煤系气合勘共采的管理模式、适用模式和核心技术，为煤系气产业化发展奠定坚实的基础[17-18]。

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