煤系氣聚集系統(tǒng)與開(kāi)發(fā)地質(zhì)研究戰(zhàn)略思考

秦 勇

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局近期預(yù)測(cè)，我國(guó)2 000 m以淺煤系天然氣(以下簡(jiǎn)稱煤系氣)資源量約82萬(wàn)億m3[1]。為此，煤系氣勘探及開(kāi)發(fā)利用，對(duì)于我國(guó)天然氣安全保障具有可觀戰(zhàn)略價(jià)值，成為近年來(lái)非常規(guī)天然氣研究與勘探開(kāi)發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)探索方向[2-3]。然而，我國(guó)2019年煤層氣地面井產(chǎn)量54.63億m3[4]，加上未納入統(tǒng)計(jì)的煤系致密砂巖氣產(chǎn)量?jī)?nèi)部數(shù)據(jù)約35億m3，全國(guó)煤系氣產(chǎn)量?jī)H有90億m3左右。截至2019年底，我國(guó)累計(jì)探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量6 586億m3(不含已經(jīng)核銷的探明儲(chǔ)量)[5]，目前鮮有專門(mén)的煤系致密砂巖氣和煤系頁(yè)巖氣探明儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，即全國(guó)煤系氣探明率不到1%。一方面，煤系氣是我國(guó)天然氣“增儲(chǔ)上產(chǎn)”以保障國(guó)家能源戰(zhàn)略安全的資源基礎(chǔ)之一，盡管國(guó)家投入巨資開(kāi)展了近10 a的科技攻關(guān)與技術(shù)示范，但成效仍然不盡如人意;另一方面，我國(guó)煤系氣資源數(shù)量與產(chǎn)量/探明儲(chǔ)量的巨大反差，指示煤系氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件比非煤系天然氣(包括非煤系頁(yè)巖氣和致密砂巖氣)更為復(fù)雜，回顧探索進(jìn)展及思考發(fā)展戰(zhàn)略是推進(jìn)煤系氣規(guī)模性開(kāi)發(fā)突破的客觀途徑。鑒于此，筆者回顧了煤系氣聚集系統(tǒng)與有序開(kāi)發(fā)地質(zhì)研究進(jìn)展，從地質(zhì)-工程一體化角度提出了開(kāi)展進(jìn)一步地質(zhì)研究的戰(zhàn)略建議，旨在為突破煤系氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)瓶頸提供參考。

1 煤系氣地質(zhì)內(nèi)涵與基本特點(diǎn)

煤系氣泛指煤系中賦存的各類天然氣，僅是一個(gè)基于儲(chǔ)層成因類型或地質(zhì)載體做出的礦產(chǎn)資源定義[6-7]。煤系氣以煤系內(nèi)生內(nèi)儲(chǔ)腐殖型氣為主，源儲(chǔ)同層或源儲(chǔ)異層，可概括為內(nèi)生自儲(chǔ)、內(nèi)生它儲(chǔ)兩大基本類型，包括煤層氣和煤系砂巖氣、頁(yè)巖氣以及煤系碳酸鹽巖氣等。在特殊成藏條件下，個(gè)別地區(qū)也發(fā)育煤系天然氣水合物[8]。煤系氣共生是煤系各類天然氣復(fù)合成藏的地質(zhì)基礎(chǔ)，煤系氣研究與勘探開(kāi)發(fā)突破了原來(lái)只考慮煤層氣的狹隘視野，不僅有助于提高單純煤層氣井的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益而助力“上產(chǎn)”，而且為我國(guó)天然氣“增儲(chǔ)”提供了一條新的戰(zhàn)略途徑[2]。

煤系氣基本地質(zhì)特點(diǎn)脫離不了非常規(guī)天然氣地質(zhì)條件的總體范疇。非常規(guī)天然氣(簡(jiǎn)稱“非常規(guī)氣”)概念由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在1995年初步提出[9]，2002年美國(guó)油氣地質(zhì)學(xué)家SCHMOKER正式定義了非常規(guī)氣的基本概念，初步描述了非常規(guī)氣的基本地質(zhì)特點(diǎn)[10]。第1，非常規(guī)氣定義為連續(xù)聚集的天然氣，或多或少獨(dú)立于水柱而存在，氣藏形成并不直接依賴于浮力，不能用氣水界面予以圈定。第2，非常規(guī)氣系統(tǒng)通常由體積巨大充滿氣體的巖石組成，是一個(gè)具有成藏多樣性的地質(zhì)體，包括煤層氣、盆地中心氣、致密氣、裂縫型頁(yè)巖氣和天然氣水合物。第3，它們本質(zhì)上是連續(xù)統(tǒng)一的大氣田，原地資源量通常較大，總體采收率相對(duì)較低。第4，傳統(tǒng)的油氣資源評(píng)價(jià)方法不適應(yīng)于非常規(guī)氣，初步建立了適用的資源潛力評(píng)價(jià)方法體系。

以鄒才能為代表的我國(guó)油氣地質(zhì)學(xué)家，創(chuàng)新發(fā)展了廣義非常規(guī)氣成藏理論以及資源評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)地質(zhì)技術(shù)，為全球非常規(guī)氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)。明確了連續(xù)型油氣藏在全球的重要性，系統(tǒng)提出了連續(xù)型油氣藏分類[11-12]。揭示了非常規(guī)氣連續(xù)聚集、納米孔賦存、殘烴富集等儲(chǔ)層基本地質(zhì)特點(diǎn)，探討了源儲(chǔ)蓋一體以及初次運(yùn)移-近源充注的成藏地質(zhì)過(guò)程[13-15]。提出了“進(jìn)源找油”的非常規(guī)氣開(kāi)發(fā)“甜點(diǎn)”優(yōu)選方法，初步形成了以油氣沉積地質(zhì)學(xué)、儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)、成藏地質(zhì)學(xué)和開(kāi)發(fā)地質(zhì)學(xué)為核心的非常規(guī)天然氣地質(zhì)理論體系[16-18]。

同時(shí)，與上述廣義非常規(guī)天然氣地質(zhì)條件相比，煤系氣存在異同。其一，煤系氣盡管以非常規(guī)氣占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但常見(jiàn)具有局部工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的常規(guī)天然氣，小規(guī)模聚集如華北多個(gè)煤礦區(qū)賦存的煤系碳酸鹽巖氣，超大規(guī)模聚集及生產(chǎn)的如澳大利亞蘇拉特盆地中侏羅統(tǒng)瓦隆組煤系氣。業(yè)界多年來(lái)陷入非常規(guī)屬性的思維定勢(shì)，高度關(guān)注煤系氣非常規(guī)屬性而忽略了其常規(guī)屬性，這是我國(guó)煤系氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展不甚理想的重要原因(后述)。其二，煤系是形成于一定構(gòu)造時(shí)期，含有煤層或煤線并具有成因聯(lián)系的一套沉積巖系，主要沉積于海陸交互相或陸相環(huán)境，賦存在不同構(gòu)造性質(zhì)的殘留盆地，這種構(gòu)造-沉積背景造就了煤系氣成藏與開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件特殊性，對(duì)此認(rèn)識(shí)不到位正是我國(guó)煤系氣(尤其是煤層氣)“增儲(chǔ)上產(chǎn)”效果多年不盡如人意的根本原因。

2 煤系氣成藏與開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件特殊性

2.1 煤系氣地質(zhì)研究進(jìn)展概述

當(dāng)前煤系氣研究進(jìn)展主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面[19]:① 基于煤系地層沉積特點(diǎn)，總結(jié)了煤系氣共生成藏的六個(gè)基本地質(zhì)特征;② 初步劃分了煤系氣共生組合方式，分析了煤系氣四大成藏要素及其配置關(guān)系的控氣作用;③ 分析了煤系含氣系統(tǒng)疊置性地質(zhì)成因，提出了疊置煤系氣系統(tǒng)的識(shí)別與評(píng)價(jià)方法及控制疊置含氣系統(tǒng)合采兼容性的地質(zhì)要素;④ 總結(jié)了煤系氣共探合采理論進(jìn)展、技術(shù)方法、產(chǎn)層貢獻(xiàn)識(shí)別技術(shù)及合采產(chǎn)層組合優(yōu)化與“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià);⑤ 在煤系氣資源評(píng)價(jià)與有利區(qū)預(yù)測(cè)方面進(jìn)行了有效的探索性研究。

最近，研究者從廣義非常規(guī)氣地質(zhì)角度，對(duì)煤系氣合采地質(zhì)研究進(jìn)展做過(guò)有價(jià)值的歸納總結(jié)[20]:其一，煤系生烴超壓或微裂縫溝通是氣體運(yùn)移、聚集的必要條件;其二，煤系含氣系統(tǒng)呈箱式封存、連續(xù)運(yùn)聚、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化、定向聚散的特點(diǎn);其三，巖層組合、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、含氣性等靜態(tài)地質(zhì)參數(shù)決定可采性，單層/多層相滲、儲(chǔ)層壓力、供液能力等動(dòng)態(tài)參數(shù)決定產(chǎn)出效果;其四，物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析可模擬理想地質(zhì)條件下合采干擾因素，儲(chǔ)層壓力和滲透率是影響排水期和氣水同產(chǎn)期滲流的主要因素;其五，合理排水采氣工藝和科學(xué)控制采氣速度，可適當(dāng)避免或控制層間和井筒內(nèi)干擾。

近10 a來(lái)，國(guó)家實(shí)施了一批以科技重大專項(xiàng)為主導(dǎo)的研究項(xiàng)目，在推進(jìn)煤系氣開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，煤系氣成藏與開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件特殊性研究也取得顯著進(jìn)展，為開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)依據(jù)，深化了對(duì)煤系氣聚集機(jī)制及成藏效應(yīng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)，也意識(shí)到不同地質(zhì)稟賦煤系氣資源需要發(fā)展針對(duì)性開(kāi)發(fā)地質(zhì)-工程技術(shù)。其中，核心進(jìn)展可歸納為揭示了煤系氣六大基本地質(zhì)特點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)了煤系氣成藏作用“深度效應(yīng)”，初步建立了煤系氣勘查-開(kāi)發(fā)工程一體化地質(zhì)技術(shù)系列三大方面。

2.2 煤系氣六大基本地質(zhì)特點(diǎn)揭示

煤系氣六大基本地質(zhì)特點(diǎn)的揭示，為深刻認(rèn)識(shí)煤系氣成藏效應(yīng)特殊性提供了研究切入點(diǎn)，為發(fā)展復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性開(kāi)發(fā)技術(shù)提供了地質(zhì)基礎(chǔ)。

六大基本特點(diǎn)分別表現(xiàn)為[2]:其一，天然氣賦存態(tài)多樣，吸附態(tài)、游離態(tài)和混合態(tài)兼有，特殊地質(zhì)條件下還可形成天然氣水合物[8];其二，儲(chǔ)層巖石類型多樣，互層頻繁，旋回性極強(qiáng)，由此在層位序列上構(gòu)成多套與層序地層格架有關(guān)、厚度一般不大且?guī)r性多變的源儲(chǔ)關(guān)系及多重內(nèi)幕封蓋;其三，煤系內(nèi)部氣水分布關(guān)系復(fù)雜，多套生儲(chǔ)蓋組合導(dǎo)致多套流體壓力系統(tǒng)垂向(層位序列)共存，形成疊置含氣系統(tǒng)[21]，氣顯示強(qiáng)烈且形式多變[22-23];其四，生儲(chǔ)蓋組合關(guān)系多變，同一巖層(如煤層和泥頁(yè)巖層)可兼具源巖、儲(chǔ)層和蓋層的功能，導(dǎo)致氣藏類型多樣[24];其五，疊置含氣系統(tǒng)緊鄰或間距較小，系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系脆弱，易受開(kāi)采擾動(dòng)而發(fā)生系統(tǒng)間干擾，合采地質(zhì)條件兼容性問(wèn)題突出[6];其六，同一含氣系統(tǒng)內(nèi)部不同巖性儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)差異顯著，如煤儲(chǔ)層往往緊鄰頁(yè)巖儲(chǔ)層或致密砂巖儲(chǔ)層，常規(guī)措施難以對(duì)各類儲(chǔ)層/產(chǎn)層進(jìn)行統(tǒng)一且有效的改造與排采生產(chǎn)[25]。

上述六大基本地質(zhì)特點(diǎn)，一方面提供了優(yōu)越的氣源及其保存條件，另一方面造成多套流體壓力系統(tǒng)疊置共生，合層開(kāi)采干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件惡化，根源在于合采地質(zhì)條件兼容性問(wèn)題突出。進(jìn)一步而言，煤系氣聚集與開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件復(fù)雜性可從3個(gè)方面進(jìn)一步理解[25]:一是煤系儲(chǔ)層物理屬性，集中表現(xiàn)為吸附氣、游離氣以及兩者混合氣的共生;二是儲(chǔ)層化學(xué)屬性，包括有機(jī)儲(chǔ)層、無(wú)機(jī)儲(chǔ)層2個(gè)端元以及混合儲(chǔ)層;三是儲(chǔ)層巖石屬性，表現(xiàn)為不同的巖性，是儲(chǔ)層物理屬性和化學(xué)屬性的外在體現(xiàn)，如以吸附相為主的煤層氣、以游離相為主的煤系致密砂巖氣、吸附相-游離相共存的煤系頁(yè)巖氣(圖1)。其中，煤層氣、致密砂巖氣、頁(yè)巖氣是煤系氣資源的主體。控制疊置含氣系統(tǒng)及其合采兼容性的核心地質(zhì)條件在于2個(gè)方面，即:流體能量差異影響到含氣系統(tǒng)之間的兼容性，不同儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)和孔滲條件差異影響到系統(tǒng)內(nèi)部合采兼容性。為此，層序地層格架、流體能量系統(tǒng)和巖石力學(xué)性質(zhì)是影響疊置含氣系統(tǒng)合采兼容性的3個(gè)關(guān)鍵要素;實(shí)現(xiàn)煤系氣共探與合采的基礎(chǔ)是深刻理解相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題，對(duì)共生特性及其合采地質(zhì)動(dòng)態(tài)的深入闡釋則是貫穿煤系氣合采工藝優(yōu)化和技術(shù)原理創(chuàng)新的主線[2]。

圖1 煤系氣地質(zhì)屬性要素體系(引自文獻(xiàn)[2])Fig.1 Geological attribute element system of CMG supplem- ented and modified from Reference [2]

分析煤系氣地質(zhì)條件特殊性，進(jìn)一步評(píng)述了我國(guó)煤系氣共生成藏作用研究進(jìn)展[7]:

(1)煤系氣地質(zhì)條件特殊性表現(xiàn)在3個(gè)方面，煤系氣賦存態(tài)和儲(chǔ)層巖石類型的多樣性導(dǎo)致其成藏效應(yīng)與常規(guī)砂巖氣有所不同，沉積旋回性極強(qiáng)導(dǎo)致氣、水分布關(guān)系復(fù)雜多變，煤系砂巖儲(chǔ)集體在廣覆式泥質(zhì)巖中鑲嵌展布。

(2)煤系富有機(jī)質(zhì)特性以及烴源巖生氣過(guò)程產(chǎn)生的有機(jī)酸，是煤系砂巖儲(chǔ)層致密化的重要誘因，煤系砂巖氣可能具有部分自生自儲(chǔ)及吸附氣的成藏特點(diǎn)，并可在一定程度上改善砂巖儲(chǔ)層的物性。

(3)煤系沉積特點(diǎn)決定煤系氣成藏效應(yīng)主要取決于生烴強(qiáng)度、運(yùn)移方式與輸導(dǎo)體系、地層流體能量、區(qū)域有效蓋層等四大因素，特殊的輸導(dǎo)體系使得源巖氣在復(fù)雜的源儲(chǔ)系統(tǒng)中重新分配，這是煤系氣共生成藏的重要基礎(chǔ)。

(4)含氣系統(tǒng)疊置性是煤系氣成藏效應(yīng)的核心及地質(zhì)研究前緣方向之一，近年來(lái)發(fā)展了煤系流體測(cè)井響應(yīng)識(shí)別技術(shù)和含氣系統(tǒng)疊置性判識(shí)方法，發(fā)現(xiàn)煤系存在穩(wěn)定、衰減、增長(zhǎng)3種典型流體壓力-深度曲線類型[26]，并應(yīng)用于合采產(chǎn)層組初選。

煤系氣耦合成藏研究領(lǐng)域存在諸多科學(xué)問(wèn)題有待解決，透徹理解共生關(guān)系首當(dāng)其沖。自然界中共生現(xiàn)象普遍存在，共生理論作為描述共生現(xiàn)象的方法論工具，可為深化理解煤系氣共生關(guān)系提供啟示。借鑒共生理論，分析了煤系氣共生單元及其本質(zhì)，思考了煤系氣共生關(guān)系[27]。分析認(rèn)為，不同屬性煤系氣共生單元按一定因果規(guī)律耦合，構(gòu)成了形形色色的煤系氣共生關(guān)系;儲(chǔ)層單元、共生關(guān)系與共生環(huán)境的進(jìn)一步耦合決定煤系氣共生效應(yīng)，一方面體現(xiàn)為煤系氣共生富集程度，另一方面影響到共生富集體合采工程實(shí)施可行性;目前提出的煤系氣共生組合考慮了巖性、巖相序列和源儲(chǔ)關(guān)系3類共生界面，啟動(dòng)了關(guān)于煤系氣共生單元工程互動(dòng)行為、共生層段環(huán)境的探討。研究指出，產(chǎn)業(yè)對(duì)煤系氣共生關(guān)系研究的需求體現(xiàn)為3個(gè)“推進(jìn)”:一是推進(jìn)研究深度由共生組合向共生模式轉(zhuǎn)化；二是推進(jìn)分析視野由單一介質(zhì)共生界面向多重介質(zhì)共生界面轉(zhuǎn)化；三是推進(jìn)研究目的由共生模式向共生效益轉(zhuǎn)化。

2.3 煤系氣成藏作用“深度效應(yīng)”發(fā)現(xiàn)

煤系氣成藏作用“深度效應(yīng)”的特殊性，是深化認(rèn)識(shí)煤系氣有序聚集基本規(guī)律的前提，也是發(fā)展深部煤系氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)層段優(yōu)選以及甜點(diǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

推動(dòng)煤系氣“深度效應(yīng)”認(rèn)識(shí)進(jìn)展，首先必須科學(xué)界定深部煤層氣概念及其指標(biāo)?；趯?duì)地應(yīng)力、含氣性、儲(chǔ)層物性及巖石力學(xué)性質(zhì)等隨煤層埋深變化特征的分析，得到如下認(rèn)識(shí)[28-29]:相對(duì)淺部，深部煤孔隙結(jié)構(gòu)變化小，中孔-微孔比例趨于均一，暗示深部煤儲(chǔ)層趨于致密化;煤層含氣量與埋深之間存在一個(gè)“臨界深度”，超過(guò)此埋深之后含氣量隨埋深進(jìn)一步增大而趨于降低;煤巖彈性模量隨著埋深增加存在“拐點(diǎn)”;滲透率與埋深之間關(guān)系并非像傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的那樣呈單調(diào)函數(shù)變化，同樣在一定深度存在“拐點(diǎn)”，拐點(diǎn)深度受地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化臨界深度控制;構(gòu)建了基于地應(yīng)力、飽和含氣量、滲透率等的深煤層界定指標(biāo)體系，煤層氣成藏特征在此深度以下發(fā)生轉(zhuǎn)換，高效開(kāi)發(fā)須采取相應(yīng)的針對(duì)性措施。不同區(qū)塊煤層含氣量-埋深的“臨界深度”存在變化，這一深度在沁水盆地鄭莊—樊莊區(qū)塊為800～1 000 m[30-31]，鄂爾多斯盆地東部上古生界在700～1 800 m[32-33]，滇東地區(qū)恩洪向斜約700 m[34]。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，“深部效應(yīng)”特殊性在“表象”上體現(xiàn)為地層條件及煤儲(chǔ)層相關(guān)屬性與埋藏深度的關(guān)系，在“內(nèi)因”上體現(xiàn)為地層壓力、地層溫度及其耦合影響之下的煤系有機(jī)質(zhì)化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)與孔隙結(jié)構(gòu)特征，在“結(jié)果”上表現(xiàn)為煤系吸附氣與其他相態(tài)煤系氣之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。由此，導(dǎo)致“深度效應(yīng)”體現(xiàn)出3個(gè)具體特點(diǎn)[32,35]:一是“收斂”，地層溫度和壓力增大，煤系儲(chǔ)層及含氣系統(tǒng)非均質(zhì)性逐漸減弱，詳細(xì)特征尚待進(jìn)一步探討;二是“轉(zhuǎn)換”，地應(yīng)力狀態(tài)在一定深度出現(xiàn)轉(zhuǎn)換，由淺部擠壓走滑機(jī)制轉(zhuǎn)為深部拉張正斷應(yīng)力機(jī)制[36]，兩者過(guò)渡帶表現(xiàn)為轉(zhuǎn)換深度;三是“轉(zhuǎn)折”，吸附氣含量與深度關(guān)系在臨界深度附近發(fā)生方向性變化，由淺部的隨埋深增大變化為深部的減小，這是地層溫度負(fù)效應(yīng)與地層壓力正效應(yīng)耦合作用的必然結(jié)果，并受到儲(chǔ)層壓力、有機(jī)質(zhì)成熟度等因素綜合影響。

由此，界定了深部與淺部煤層氣深度分界，認(rèn)為“深部煤層氣(吸附氣)”是一種由地應(yīng)力和地層溫度共同控制的煤儲(chǔ)層狀態(tài)，賦存于由地應(yīng)力狀態(tài)“轉(zhuǎn)換”與吸附氣含量“臨界深度”共同控制的深部煤層，可采用側(cè)壓系數(shù)和含氣量反轉(zhuǎn)深度2個(gè)參數(shù)有效表征，由淺至深體現(xiàn)為從吸附氣優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)槲綒?、游離氣并重的煤系氣有序聚集(圖2)。

圖2 煤系氣有序聚集概念性模式(據(jù)文獻(xiàn)[35]修改)Fig.2 Conceptual model of orderly accumulation of coal measure gas modified from Reference[35]

深度效應(yīng)是導(dǎo)致煤系氣必然有序聚集的關(guān)鍵控因[35]。鑒于此，業(yè)界目前得到3方面初步結(jié)論:

(1)“臨界深度”以淺煤系氣以吸附態(tài)為主，具有工業(yè)價(jià)值的煤系氣資源幾乎只有煤層氣，“臨界深度”以深煤系吸附氣與具有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的游離氣共存，這一深度是煤系致密砂巖氣、煤系頁(yè)巖氣與煤層氣共探合采的埋深上限，該深度以下的地質(zhì)載體是煤系氣地質(zhì)研究的主要對(duì)象。

(2)在深部地層條件下，煤層吸附氣、煤系頁(yè)巖吸附氣與煤系游離氣共生于同一含氣系統(tǒng)，深部煤層氣是煤系氣的重要組成部分，與煤系游離氣共同面臨著相同或相似的聚集地質(zhì)條件及相對(duì)統(tǒng)一的高效開(kāi)發(fā)地質(zhì)原理問(wèn)題。

(3)深部煤系氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件并非全面差于淺部，某些深部煤系氣井良好的產(chǎn)氣記錄為此提供了新的佐證，其中隱含的科學(xué)問(wèn)題值得業(yè)界高度關(guān)注和持續(xù)探討(下述)。

另一方面，根據(jù)傳統(tǒng)理論模型，埋深增大，有效應(yīng)力隨之增高，煤層滲透率呈負(fù)指數(shù)形式單調(diào)衰減[37]。近年研究發(fā)現(xiàn)，地層條件下煤層滲透率-埋深變化并非如此單一，存在多種不同顯現(xiàn)形式:

第1種模式，埋深增大，煤層滲透率在地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換線(側(cè)壓系數(shù)等于1.0)深度附近達(dá)到最高，即地應(yīng)力轉(zhuǎn)換帶最有利于相對(duì)高滲煤儲(chǔ)層發(fā)育，如沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東部、黔西地區(qū)[38]，以及鄂爾多斯盆地西南部黃陵地區(qū)(圖3)[39]。

第2種模式，煤層滲透率與深度(地應(yīng)力狀態(tài))表面上沒(méi)有明顯關(guān)系，分布十分離散[40];細(xì)化分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)最大水平主應(yīng)力>垂向主應(yīng)力>最小水平主應(yīng)力時(shí)煤層滲透率隨深度增大而急劇衰減，一旦地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為垂向主應(yīng)力>最大水平主應(yīng)力>最小水平主應(yīng)力(側(cè)壓系數(shù)<1.0)，則煤層滲透率隨埋深增大而線性升高，如滇東地區(qū)[36]。

就此而言，傳統(tǒng)理論模型只是地層實(shí)際模型中的一種特例。原因可能在于2個(gè)方面:① 煤儲(chǔ)層壓力狀態(tài)在垂向上往往存在“波動(dòng)式”分帶，由此導(dǎo)致有效應(yīng)力的垂向分帶現(xiàn)象[38];② 地應(yīng)力狀態(tài)并非總是由淺部的擠壓走滑機(jī)制轉(zhuǎn)換為深部的正斷機(jī)制，往往在垂向上存在“反轉(zhuǎn)”，使得轉(zhuǎn)換帶以深側(cè)壓系數(shù)隨埋深增大而重新增高(圖3(a))。

圖3 鄂爾多斯盆地西南部彬長(zhǎng)礦區(qū)煤層試井滲透率與深度及應(yīng)力之間關(guān)系(引自參考文獻(xiàn)[41])Fig.3 Plots of well-test permeability to depth and stress of coal seams in Binchang,southwest Ordos Basin from Reference[41]

此外，地應(yīng)力對(duì)煤層致裂效果存在正負(fù)兩方面影響:一方面具有明顯促進(jìn)作用，較強(qiáng)各向異性地應(yīng)力場(chǎng)可促進(jìn)縫網(wǎng)擴(kuò)展發(fā)育，水平主應(yīng)力差小則有利于井眼周邊縫網(wǎng)體系的均衡擴(kuò)展;另一方面具有強(qiáng)烈抑制效應(yīng)，地應(yīng)力場(chǎng)各向異性過(guò)低會(huì)造成裂縫連通性變差，過(guò)強(qiáng)則導(dǎo)致裂縫定向性擴(kuò)展[42]。這一認(rèn)識(shí)，可能從地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)天然裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特性控制的視角，為上述地應(yīng)力轉(zhuǎn)換帶最有利于相對(duì)高滲煤儲(chǔ)層發(fā)育的認(rèn)識(shí)提供一些理論解釋。

2.4 初步建立了基于開(kāi)發(fā)原理的煤系氣勘查-開(kāi)發(fā)工程一體化地質(zhì)技術(shù)系列

煤系氣地質(zhì)研究的目的不外乎2個(gè)方面:① 揭示煤系氣聚集規(guī)律與成藏效應(yīng)特殊性及其地質(zhì)控制機(jī)制，豐富完善天然氣地質(zhì)理論體系;② 理解煤系氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)原理，尤其是可能更為高效的合采地質(zhì)原理，發(fā)展合采地質(zhì)技術(shù)，為創(chuàng)新煤系氣合采工藝技術(shù)原理提供支持。煤系氣以不同相態(tài)賦存在不同巖性儲(chǔ)層之中，勘探開(kāi)發(fā)效果取決于吸附氣與游離氣或有機(jī)儲(chǔ)層氣與無(wú)機(jī)儲(chǔ)層氣之間合采兼容性及其地質(zhì)控因[6-7]。鑒于此，合采地質(zhì)技術(shù)是煤系氣開(kāi)發(fā)技術(shù)體系的核心構(gòu)成之一。近年來(lái)，分析煤系氣開(kāi)采地質(zhì)條件特殊性，初步建立了基于開(kāi)發(fā)原理的煤系氣勘查-開(kāi)發(fā)工程一體化地質(zhì)技術(shù)系列，針對(duì)合采甜點(diǎn)區(qū)及產(chǎn)層組選擇、產(chǎn)層組改造、合采工藝優(yōu)化3個(gè)環(huán)節(jié)提出了地質(zhì)建議，并在煤系氣勘探與開(kāi)發(fā)實(shí)踐中得到初步應(yīng)用。

2.4.1煤系氣合采甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選方面

(1)針對(duì)滇東黔西地區(qū)多煤層、高地應(yīng)力和構(gòu)造復(fù)雜等地質(zhì)特點(diǎn)，建立了煤層氣有利區(qū)、甜點(diǎn)區(qū)和甜點(diǎn)段的“層次遞階”優(yōu)選評(píng)價(jià)方法[43]。針對(duì)研究區(qū)次級(jí)向斜多、勘探程度差異大、許多參數(shù)無(wú)法統(tǒng)一的特點(diǎn)，在有利區(qū)優(yōu)選指標(biāo)體系中提出了煤層氣地質(zhì)資源量、地質(zhì)資源豐度和可采資源量相結(jié)合的關(guān)鍵指標(biāo)，地質(zhì)資源量和地質(zhì)資源豐度為一票否決指標(biāo)。針對(duì)研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜和高地應(yīng)力的特點(diǎn)，在甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選指標(biāo)體系中提出了斷層分維值、構(gòu)造曲率及埋深相結(jié)合的關(guān)鍵指標(biāo)，斷層分維值為一票否決指標(biāo)。

(2)根據(jù)鄂爾多斯盆地東北部臨興示范區(qū)煤層氣地質(zhì)條件，分析各項(xiàng)地質(zhì)儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)效果的影響，建立了煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)單元?jiǎng)澐址椒╗44]。根據(jù)勘探開(kāi)發(fā)資料和樣品測(cè)試數(shù)據(jù)，建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，插值得出各井點(diǎn)8+9號(hào)煤層的埋深、構(gòu)造曲率、厚度、含氣量、含氣飽和度、滲透率、臨儲(chǔ)壓力比、地下水流體勢(shì)、煤體結(jié)構(gòu)、水平主應(yīng)力差、脆性指數(shù)等參數(shù)。然后，應(yīng)用多層次模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)產(chǎn)氣潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，疊加氣體產(chǎn)出條件和煤層可改造性評(píng)價(jià)結(jié)果，將研究區(qū)劃分為3個(gè)產(chǎn)氣潛力區(qū)38個(gè)開(kāi)發(fā)地質(zhì)單元。

(3)分析臨興示范區(qū)煤層氣以及煤系致密砂巖氣地質(zhì)條件，建立了基于儲(chǔ)層因素分析的煤系氣合采潛力地質(zhì)單元?jiǎng)澐址椒╗45]。以三維地質(zhì)建模為基礎(chǔ)，考慮構(gòu)造、沉積、儲(chǔ)層屬性、深部地質(zhì)條件四大類因素以及對(duì)應(yīng)的10個(gè)地質(zhì)參數(shù)，采用Ward聚類法量化地質(zhì)參數(shù)邊界條件，利用變異系數(shù)確定單因素權(quán)重，構(gòu)建了單因素平面疊加的煤系氣合采潛力評(píng)價(jià)模型。基于評(píng)價(jià)模型，在煤層氣單采、煤系致密氣單采地質(zhì)單元?jiǎng)澐只A(chǔ)上，按煤層氣合采、煤層氣/煤系致密砂巖氣合采、煤系致密砂巖氣/砂巖氣合采3種情況，將不同類型儲(chǔ)層間的滲透率極差、壓力系數(shù)極差作為判識(shí)合采兼容性的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)一步采用單采類型與合采兼容性等級(jí)疊加的煤系兩氣合采潛力地質(zhì)單元評(píng)價(jià)方法，劃分示范區(qū)煤系氣合采地質(zhì)單元，提出了示范區(qū)煤系氣滾動(dòng)勘探開(kāi)發(fā)的地質(zhì)建議。

(4)針對(duì)煤系含氣系統(tǒng)疊置性較弱的滇東恩洪先導(dǎo)區(qū)，建立了“四元十要素”合采地質(zhì)單元正演劃分方法[46]。指標(biāo)體系由構(gòu)造、沉積、水文、煤儲(chǔ)層屬性4類地質(zhì)條件以及相應(yīng)的10個(gè)具體參數(shù)，核心是Ward聚類單元邊界量化方法，步驟為4類地質(zhì)條件“遞階優(yōu)選”。其中，構(gòu)造屬性采用斷層分維值、構(gòu)造應(yīng)力、趨勢(shì)面殘差分別量化表征斷層復(fù)雜性、斷層封閉性和次級(jí)褶曲體系，沉積屬性采用趨勢(shì)面殘差、砂地比表征煤層厚度和砂巖氣層狀況，水文地質(zhì)屬性采用地下水封閉指數(shù)、影響半徑、鉆孔單位涌水量、水頭高度來(lái)分別表征地下水水質(zhì)、滲流、供液能力和儲(chǔ)層能量，煤儲(chǔ)層屬性采用含氣量來(lái)表征煤層含氣性。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，恩洪先導(dǎo)區(qū)合采有利地質(zhì)單元共28個(gè)，含I類單元(有利1區(qū))4個(gè)。

(5)針對(duì)疊置性較強(qiáng)且區(qū)域變化大的滇東雨旺先導(dǎo)區(qū)，建立了“五要素三步”合采有利區(qū)正演評(píng)價(jià)方法[47]?？紤]煤層厚度、壓裂改造后滲透率、儲(chǔ)層壓力、煤體結(jié)構(gòu)因子、產(chǎn)層潛能指數(shù)5個(gè)要素，通過(guò)多煤儲(chǔ)層物性地質(zhì)建模、合采潛能分析、合采地質(zhì)條件分級(jí)等3個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了合采區(qū)潛力級(jí)別劃分以及合采甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選?？傮w來(lái)看，I類甜點(diǎn)區(qū)分布在雨旺先導(dǎo)區(qū)西南部和南部，東北部和北部合采潛力相對(duì)較差。

2.4.2煤系氣合采產(chǎn)層組優(yōu)選方面

(1)基于鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)煤系儲(chǔ)層地質(zhì)條件分析，從天然氣井產(chǎn)能方程出發(fā)，采用煤系砂巖和煤層層間無(wú)竄流雙層地質(zhì)模型，開(kāi)展了煤系砂巖氣與煤層氣共采可行性數(shù)值模擬研究，探討了臨興示范區(qū)兩氣共采效果的影響因素，建立了基于產(chǎn)量貢獻(xiàn)率的合采綜合評(píng)價(jià)模型，確定了煤層氣與砂巖氣共采的參數(shù)門(mén)限[48]。隨著煤系砂巖儲(chǔ)層滲透率、壓力系數(shù)、厚度和孔隙率的增加，10 a砂巖氣產(chǎn)量累計(jì)貢獻(xiàn)率呈增加趨勢(shì);隨著砂巖儲(chǔ)層含水飽和度升高，10 a砂巖氣產(chǎn)量貢獻(xiàn)率呈下降趨勢(shì);提出了煤層氣與煤系砂巖氣“合采窗”概念，高于合采窗上限適合砂巖氣單采，低于合采窗下限只適合煤層氣單采。

(2)基于臨興示范區(qū)地層壓力、天然氣地球化學(xué)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，劃分了煤系疊置含氣系統(tǒng)，探討了含氣系統(tǒng)合采兼容性[49]。基于地層壓力梯度差異，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)層段至少存在7套獨(dú)立含氣系統(tǒng);基于產(chǎn)層的天然氣甲烷同位素差異，認(rèn)為太2段、山2～山1段、盒8～盒6段、盒3段等4套層系相互之間缺乏氣水交換;基于天然氣生產(chǎn)曲線差異，識(shí)別出山西組與石盒子組為2套獨(dú)立含氣系統(tǒng)。綜合分析，將示范區(qū)自上而下劃分為千1～千4段、千5段、盒14段、盒58段、山1～太1段、太1～太2、本1段及本2段等獨(dú)立含氣系統(tǒng)。提取了地層壓力梯度、氣層厚度、滲透率、可動(dòng)水量等合采兼容性關(guān)鍵因素，采用最優(yōu)分割分類方法，將含氣系統(tǒng)兼容性最佳分類數(shù)確定為5～6類。

(3)建立了煤系氣合采產(chǎn)層組“三壓一動(dòng)逐層約束”優(yōu)選方法，并在滇東-黔西地區(qū)示范區(qū)得到應(yīng)用[46]。發(fā)現(xiàn)“三壓”和“一動(dòng)”是控制產(chǎn)層組合采動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵要素，可以通過(guò)4個(gè)“高度”以及2個(gè)“深度”予以解析?；诖?，改變傳統(tǒng)思路和方法，從邏輯模型分析建模入手，建立了產(chǎn)層組合采的地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型，給出了產(chǎn)層組(目標(biāo)層、上覆、下伏層)約束的兩類地質(zhì)條件，建立了層間液柱相對(duì)高差逐層約束的產(chǎn)層組優(yōu)選技術(shù)方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步給出了產(chǎn)層組(目標(biāo)層、上覆、下伏層)約束的兩類地質(zhì)條件，建立了層間液柱相對(duì)高差逐層約束的方法。據(jù)此，對(duì)滇東—黔西3個(gè)先導(dǎo)區(qū)典型井合采產(chǎn)層組進(jìn)行了優(yōu)選。

(4)建立了合采產(chǎn)層組“三步三參數(shù)約束”優(yōu)化方法[50]。以氣井產(chǎn)能方程為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)主產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)、擴(kuò)展指數(shù)、產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)3個(gè)參數(shù)，耦合主產(chǎn)層優(yōu)選(評(píng)價(jià)產(chǎn)層潛能)、產(chǎn)層擴(kuò)展優(yōu)選(考慮次要產(chǎn)層產(chǎn)氣貢獻(xiàn))與產(chǎn)層貢獻(xiàn)指數(shù)(評(píng)價(jià)產(chǎn)層組開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性)3個(gè)步驟，結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層壓力差、產(chǎn)氣貢獻(xiàn)三參數(shù)“一票否決”約束，建立了“三步三參數(shù)約束”產(chǎn)層組優(yōu)化選擇方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜巖性組合條件下的煤層氣合采產(chǎn)層組優(yōu)選?；谠摲椒ǎ瑢?duì)滇東雨旺先導(dǎo)區(qū)復(fù)雜巖性組合條件下的煤層氣合采產(chǎn)層組進(jìn)行了優(yōu)選。

(5)成功研制煤系氣合采產(chǎn)層組“三步三參數(shù)約束法”數(shù)值模擬軟件與方法[51]。通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取與校正、井位建模與數(shù)據(jù)錄入、主產(chǎn)層確定及產(chǎn)層組優(yōu)選等4個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)數(shù)值分析，基于五級(jí)擴(kuò)展完成合采產(chǎn)層組優(yōu)選。針對(duì)雨旺先導(dǎo)區(qū)生產(chǎn)試驗(yàn)井開(kāi)展案例分析，對(duì)比單層開(kāi)采與多方案合層開(kāi)采模擬效果，認(rèn)為7+8煤層為主產(chǎn)層;圍繞主產(chǎn)層擴(kuò)展模擬，提出了2套合采產(chǎn)層組設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，建立了合采可行性量化判識(shí)模板，認(rèn)為黔西松河先導(dǎo)區(qū)儲(chǔ)層物性條件優(yōu)于滇東雨旺先導(dǎo)區(qū)，煤儲(chǔ)層關(guān)鍵屬性可達(dá)到合采極可行的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.3煤系氣合采產(chǎn)層組改造與排采控制方面

(1)基于驅(qū)替實(shí)驗(yàn)對(duì)煤層氣井不同排采階段進(jìn)行物理模擬，改進(jìn)了氣體彈性能數(shù)學(xué)模型，建立了排采過(guò)程中煤基質(zhì)彈性能動(dòng)態(tài)變化數(shù)學(xué)模型[52]。研究發(fā)現(xiàn)，排采過(guò)程中，煤儲(chǔ)層氣體彈性能主要受流體壓力影響，游離態(tài)、吸附態(tài)和總氣體彈性能均隨流體壓力增加而增大，吸附態(tài)氣體彈性能遠(yuǎn)高于游離態(tài)氣體彈性能。氣體彈性能的釋放對(duì)流體在煤體孔裂隙中的運(yùn)移具有促進(jìn)作用，煤基質(zhì)膨脹變形對(duì)這種促進(jìn)作用具有一定的抑制。相同流體壓力下，滲透率隨煤層彈性能的增大和煤基質(zhì)膨脹變形能的降低而增大。不同流體壓力下，滲透率顯著受到流體壓力和基質(zhì)彈性能雙重影響。排采過(guò)程中，生產(chǎn)壓差時(shí)刻影響著煤儲(chǔ)層內(nèi)部參數(shù)的變化，整體上受生產(chǎn)壓差調(diào)控，這一變化帶動(dòng)煤儲(chǔ)層能量不斷變化，進(jìn)而影響氣、水產(chǎn)出，并反饋?zhàn)饔糜诿簝?chǔ)層物性參數(shù)?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，構(gòu)建了煤儲(chǔ)層能量—煤儲(chǔ)層物性—排采調(diào)控參數(shù)聯(lián)動(dòng)關(guān)系模型。

(2)基于滇東—黔西地區(qū)11口典型合采井前150 d生產(chǎn)歷史資料，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)及因素差異對(duì)比法，分析了合采地質(zhì)條件特點(diǎn)，提出了煤層氣合采兼容性閾值及工程設(shè)計(jì)優(yōu)化的地質(zhì)原則[53]。分析前期得失，提出了合采產(chǎn)層組分層均衡壓裂改造的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)差異性改造來(lái)弱化原始儲(chǔ)層屬性差異。認(rèn)為先前采用的儲(chǔ)層改造技術(shù)不適應(yīng)于滇東地區(qū)800 m以深的煤儲(chǔ)層，合理確定產(chǎn)層組的關(guān)鍵在于單井儲(chǔ)層壓力剖面精細(xì)分析，影響研究區(qū)儲(chǔ)層可壓裂改造性的關(guān)鍵地質(zhì)因素是煤體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)層組產(chǎn)氣潛力釋放最大化的工程措施是各產(chǎn)層之間的均衡改造，合采井憋壓與否、憋壓程度因區(qū)塊乃至因井而異，放氣時(shí)機(jī)的把握十分重要。在合采井現(xiàn)行排采管控制度前提下，建議控制產(chǎn)層組底界埋深和最大跨度，優(yōu)選加權(quán)含氣飽和度高、飽和度差異系數(shù)小和壓力狀態(tài)差異系數(shù)小的產(chǎn)層組，注重產(chǎn)層組中各產(chǎn)層的均衡改造。

2.4.4煤系氣合采工藝優(yōu)化方面

(1)分析國(guó)內(nèi)科技攻關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)近期進(jìn)展，初步總結(jié)了煤系氣開(kāi)采模式現(xiàn)有認(rèn)識(shí)，對(duì)比分析了不同模式的適用性和局限性，認(rèn)為煤系氣經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)采模式尚處于探索起步階段[25]。以管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和排采管控方式為主，考慮井型選擇和壓裂方式，將煤系氣開(kāi)采工藝初步歸納為分排、先分后合、合排3類模式，每類模式包括若干具體方式。不同模式各有優(yōu)缺點(diǎn):分排及合排模式中的主要方式在應(yīng)用中見(jiàn)到初步效果，先分后合模式目前尚處于設(shè)計(jì)乃至設(shè)想階段。建議煤系氣開(kāi)采模式及其技術(shù)創(chuàng)新本著“因地制宜、取長(zhǎng)補(bǔ)短、多措并舉、有所側(cè)重”的策略，根據(jù)氣藏具體地質(zhì)條件選用和發(fā)展適應(yīng)性開(kāi)采工藝。目前僅有的2個(gè)國(guó)家級(jí)示范專項(xiàng)工程推進(jìn)了我國(guó)煤系氣開(kāi)采模式的創(chuàng)新，臨汾示范區(qū)采用分區(qū)分采方式實(shí)現(xiàn)了煤系氣開(kāi)發(fā)規(guī)模快速擴(kuò)展，臨興示范區(qū)探索“排氣降壓”誘控接續(xù)合排工藝初步實(shí)現(xiàn)了煤系多氣經(jīng)濟(jì)高效合采。

(2)以臨興區(qū)塊示范工程為例，分析歸納了產(chǎn)量曲線類型及其合采有效性特點(diǎn)，展示了煤系氣合采成功范例[25]。臨興示范區(qū)煤系氣開(kāi)采工程嘗試自然接續(xù)工藝，單井產(chǎn)量曲線類型可歸納為4種類型，包括以解吸氣多層合采產(chǎn)出為特征的I型曲線，以游離氣-解吸氣誘導(dǎo)控制接續(xù)合采的Ⅱ類、Ⅲ類曲線，以及單純游離氣產(chǎn)出的Ⅳ型曲線。工程示范結(jié)果展示，采用“排氣降壓”的誘控接續(xù)方式，可以在較為廣泛的氣藏條件下實(shí)現(xiàn)煤層氣-煤系致密砂巖氣、煤系致密砂巖氣-頁(yè)巖氣的有效合采，是值得進(jìn)一步探索和具有推廣應(yīng)用前景的煤系氣經(jīng)濟(jì)高效合采新模式。值得關(guān)注的是，具有工業(yè)價(jià)值的煤系多類型共生氣藏均賦存在深部，而深部地層富水性往往微弱，“排水降壓”傳統(tǒng)模式往往難以奏效，而“排氣降壓”誘控接續(xù)恰恰可破解弱富水儲(chǔ)層降壓的這一局限，可能成為煤系氣經(jīng)濟(jì)高效綜合開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)重要技術(shù)。

3 實(shí)踐提出的煤系氣地質(zhì)研究新課題

我國(guó)豐富的煤系氣資源目前勘探程度甚低，開(kāi)發(fā)效果和開(kāi)發(fā)規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足“增儲(chǔ)上產(chǎn)”的國(guó)家需求。究其根本原因，依然在于對(duì)煤系氣特殊地質(zhì)條件理解不足，適用勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)尚未完全形成。同時(shí)，近年來(lái)勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐展示出的正反兩方面典型實(shí)例，啟發(fā)業(yè)界進(jìn)一步揭示相關(guān)規(guī)律，闡明相關(guān)地質(zhì)原理，為探索適應(yīng)性開(kāi)發(fā)技術(shù)途徑進(jìn)而實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新提供關(guān)鍵依據(jù)。

第一，煤系氣井產(chǎn)氣量并非隨產(chǎn)(儲(chǔ))層組的層數(shù)增多、累計(jì)厚度增大及跨度加大而增高，這與業(yè)界傳統(tǒng)認(rèn)知大不相同，實(shí)際上形成了“1+n”

第二，某些深部煤層氣井產(chǎn)氣曲線既不同于典型解吸氣的“峰型”曲線，更不同于典型游離氣的“衰減”曲線，而長(zhǎng)期穩(wěn)定在產(chǎn)氣量較高且產(chǎn)液量很低的水平，顛覆了深部煤儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力低、產(chǎn)量衰減快的傳統(tǒng)認(rèn)知。根據(jù)中石化華東分公司、中聯(lián)煤層氣公司、中澳能源公司、內(nèi)蒙古非常規(guī)天然氣研究中心等單位提供的實(shí)際資料，類似現(xiàn)象在鄂爾多斯盆地東部的延川南區(qū)塊、臨興區(qū)塊以及海拉爾盆地五九凹陷都有存在。這些井均采用常規(guī)水力加砂壓裂技術(shù)進(jìn)行煤儲(chǔ)層改造，有機(jī)質(zhì)成熟度覆蓋低階～高階煤儲(chǔ)層，具有見(jiàn)氣快、產(chǎn)氣量較高且穩(wěn)定期極長(zhǎng)的共同特點(diǎn)，單井日產(chǎn)氣量長(zhǎng)期穩(wěn)定在2 000～3 000 m3，最長(zhǎng)穩(wěn)定期可達(dá)4 a。這一現(xiàn)象，無(wú)疑昭示深部煤層氣賦存態(tài)及解吸機(jī)制與淺部煤層氣極為不同。然而，深部煤層氣賦存態(tài)如何，解吸機(jī)制有哪些特殊性，供氣能力強(qiáng)大到什么程度，受哪些深部地質(zhì)因素所控制？能否深刻認(rèn)識(shí)深部煤層氣地質(zhì)條件特殊性，有效釋放這種特殊產(chǎn)能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深部煤層氣甜點(diǎn)區(qū)有效預(yù)測(cè)？對(duì)于這些問(wèn)題的科學(xué)探索，目前剛開(kāi)始起步。

第三，與“產(chǎn)層厚度大產(chǎn)氣潛力高”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)相比，薄互層煤系具有更高的產(chǎn)氣潛力，我國(guó)煤系氣(包括煤層氣)地質(zhì)研究、勘探與開(kāi)發(fā)試驗(yàn)長(zhǎng)期對(duì)此關(guān)注甚少。典型實(shí)例是澳大利亞蘇拉特盆地。該盆地中侏羅統(tǒng)瓦隆組含煤多達(dá)100余層[54]，其中單層厚度小于0.3 m煤層數(shù)占煤層總數(shù)的比例高達(dá)90%[55];煤系沉積于河流-湖泊環(huán)境，薄煤層乃至煤線在垂向序列上與泥巖、粉砂巖、砂巖頻繁交替[56]。2019年，蘇拉特盆地煤系氣產(chǎn)量315.88億m3，以直井巖性混合層段開(kāi)發(fā)為主，單井日均產(chǎn)氣量16 375 m3[57]。與此相比，以二疊紀(jì)煤系為開(kāi)發(fā)目標(biāo)的澳大利亞鮑溫盆地同期煤層氣產(chǎn)量85.41億m3，以水平井為主，單井日均產(chǎn)氣量18 126 m3。初步分析認(rèn)為，薄互層條件有利于天然裂隙系統(tǒng)發(fā)育及天然氣內(nèi)幕保存，這是蘇拉特盆地成為目前世界上最大煤系氣生產(chǎn)盆地的重要地質(zhì)原因;我國(guó)內(nèi)蒙古東部上白堊統(tǒng)大磨拐河組及相當(dāng)層位煤系、鄂爾多斯盆地西緣上石炭統(tǒng)羊虎溝組、四川盆地西部上三疊統(tǒng)須家河組、楚雄盆地上三疊統(tǒng)等煤系沉積條件與蘇拉特盆地瓦隆組具有可比性，具有煤系氣“增儲(chǔ)上產(chǎn)”的強(qiáng)大潛力[58]。然而，薄互層煤系天然氣具有什么樣的聚集規(guī)律，薄互層條件下儲(chǔ)層天然裂隙具有什么樣的發(fā)育特點(diǎn)，內(nèi)幕保存條件具體體現(xiàn)在哪些方面？它們受控于什么樣的綜合地質(zhì)因素和機(jī)制，甜點(diǎn)區(qū)段預(yù)測(cè)需要采用什么樣的針對(duì)性參數(shù)和思路？對(duì)于這些基礎(chǔ)地質(zhì)及工程科學(xué)問(wèn)題，目前知之甚少。

4 待解決的煤系氣關(guān)鍵地質(zhì)科學(xué)問(wèn)題

界定常規(guī)與非常規(guī)天然氣的根本依據(jù)是儲(chǔ)集層超低孔超低滲，賦存態(tài)只是這個(gè)共性前提下的一個(gè)特殊表現(xiàn)。業(yè)界多年來(lái)陷入煤系氣非常規(guī)屬性思維定勢(shì)，廣泛忽略了其常規(guī)屬性，導(dǎo)致煤系氣勘探開(kāi)發(fā)新領(lǐng)域新層系探索不力，這是產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度不甚理想的重要原因。煤系氣盡管多數(shù)表現(xiàn)為非常規(guī)氣地質(zhì)屬性，但并非全為非常規(guī)氣，可形成超大型聚集及高效規(guī)模性生產(chǎn)的薄互層煤系氣總體上屬于常規(guī)天然氣，煤及油氣地質(zhì)基礎(chǔ)科學(xué)與工程科學(xué)均應(yīng)對(duì)此高度關(guān)注。在廣義非常規(guī)氣基本特點(diǎn)、基本規(guī)律及共性聚集機(jī)制框架下，非常規(guī)煤系氣特殊性鮮明，應(yīng)遵循非常規(guī)氣共性開(kāi)展針對(duì)性基礎(chǔ)研究與工程科學(xué)創(chuàng)新;常規(guī)煤系氣開(kāi)發(fā)利用戰(zhàn)略價(jià)值極高，但我國(guó)乃至全球業(yè)界對(duì)其地質(zhì)條件特殊性了解甚少，亟待加大探索力度。

煤系氣共生關(guān)系內(nèi)涵需從富氣儲(chǔ)層簡(jiǎn)單組合向合壓、合采地質(zhì)條件兼容模式方向擴(kuò)展，既要強(qiáng)調(diào)煤系氣富集，又要考察是否有利于合層改造，也要甄別合層排采兼容性[27]。也就是說(shuō)，煤系氣共生關(guān)系分析，需要兼顧產(chǎn)層組的含氣性和工程實(shí)施可行性，后者包括合層壓裂穿層性及合層排采可行性，它們共同取決于合壓合采地質(zhì)條件兼容性。煤系氣共生單元之間屬性差異及其造成的壓裂競(jìng)爭(zhēng)、排采地層能量在共生組合內(nèi)部重新分配現(xiàn)象客觀存在，問(wèn)題在于如何將這類差異控制在當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)水平容許范圍之內(nèi)，即所謂的合采閾值問(wèn)題[6]。一句話，綜合考慮源儲(chǔ)關(guān)系(共生)、巖相序列(共探)、壓裂穿層性(共改)和層間相互干擾(共采)，將含氣性、合層可改造性、合采兼容性融為一體進(jìn)行考察，這是煤系氣共生關(guān)系研究重要思路。

近期我國(guó)研究者梳理了煤系氣領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問(wèn)題，如煤系氣儲(chǔ)層精細(xì)描述及可改造性評(píng)價(jià)、煤系氣資源評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選方法、煤系氣開(kāi)發(fā)甜點(diǎn)區(qū)(段)評(píng)價(jià)技術(shù)、疊置煤系氣系統(tǒng)合采兼容性評(píng)價(jià)等[19]。也有研究者客觀指出，后續(xù)研究的核心是“地質(zhì)+工程”甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選，關(guān)鍵問(wèn)題包括疊置多類型氣藏形成過(guò)程的運(yùn)聚過(guò)程、優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層形成與界定準(zhǔn)則、煤系內(nèi)部復(fù)雜氣水關(guān)系和流體壓力系統(tǒng)、有效增產(chǎn)改造措施和科學(xué)監(jiān)測(cè)的途徑、多層合采排控制度及產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法;圍繞“開(kāi)發(fā)地質(zhì)選區(qū)-鉆完井與儲(chǔ)層保護(hù)-增產(chǎn)改造-合采制度及產(chǎn)能預(yù)測(cè)”進(jìn)行攻關(guān)，根據(jù)不同地區(qū)煤系氣共生特點(diǎn)，選擇合適的技術(shù)實(shí)現(xiàn)同井筒合采，以助于提高經(jīng)濟(jì)效益和資源動(dòng)用率[20]。

在煤系疊置含氣系統(tǒng)方面，開(kāi)展關(guān)鍵層及流體能量差異性高分辨識(shí)別，建立疊置含氣系統(tǒng)合采地質(zhì)條件兼容性定量表征方法，形成疊置含氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)地質(zhì)單元與或合采甜點(diǎn)區(qū)段評(píng)價(jià)理論[2]。在深部煤層氣地質(zhì)條件方面，分析深部煤系氣系統(tǒng)與聚集有效性，探討深部煤儲(chǔ)層可改造性及其地質(zhì)控制，揭示深部煤層氣開(kāi)采適應(yīng)性技術(shù)新原理[32]。其中，某些問(wèn)題通過(guò)國(guó)家科技重大專項(xiàng)等的實(shí)施得到初步解決，某些問(wèn)題仍在探索研討，勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐中又揭示出某些亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。尤其是在煤系氣共生聚集成藏方面，需要推進(jìn)研究深度由共生組合向共生模式轉(zhuǎn)化，推進(jìn)分析視野由單一介質(zhì)共生界面向多重介質(zhì)共生界面轉(zhuǎn)化，推進(jìn)研究目的由共生模式向共生效益轉(zhuǎn)化[27]。

與任何以資源開(kāi)發(fā)利用為主要目標(biāo)的應(yīng)用地質(zhì)學(xué)科一樣，煤系氣地質(zhì)研究貫穿成藏條件、有利區(qū)段評(píng)價(jià)與優(yōu)選、資源勘查地質(zhì)與開(kāi)發(fā)全過(guò)程，研究范圍涵蓋基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究與工程科學(xué)。鑒于我國(guó)煤系氣地質(zhì)研究現(xiàn)狀以及亟待突破的勘探開(kāi)發(fā)地質(zhì)技術(shù)瓶頸，兼顧基礎(chǔ)研究與“增儲(chǔ)上產(chǎn)”國(guó)家需求，建議圍繞“煤系天然氣共生聚集系統(tǒng)與高效有序開(kāi)發(fā)地質(zhì)原理”這一主題，針對(duì)如下4個(gè)方面關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究:

(1)深煤層天然氣賦存態(tài)與解吸機(jī)制。針對(duì)煤層作為有機(jī)儲(chǔ)層對(duì)溫度、壓力更為敏感的根本物性特點(diǎn)，揭示深部較高應(yīng)力和溫度條件下煤層流固耦合作用、深部煤層氣賦存態(tài)及其相互轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，探討深部條件下煤層氣解吸規(guī)律及其地質(zhì)-工程耦合控制機(jī)理，深化對(duì)深部煤層氣地質(zhì)條件特殊性的理解和認(rèn)識(shí)，形成深部煤層氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)理論，發(fā)展深部煤層氣開(kāi)發(fā)甜點(diǎn)區(qū)與甜點(diǎn)段評(píng)價(jià)技術(shù)。

(2)煤系氣聚集過(guò)程與成藏效應(yīng)。基于煤系氣地質(zhì)條件的6方面基本特點(diǎn)，結(jié)合合采產(chǎn)層組選擇、合排過(guò)程層間降擾2方面核心開(kāi)發(fā)地質(zhì)問(wèn)題，探討成藏過(guò)程中煤系內(nèi)部流體能量分配的基本特點(diǎn)與控制因素，揭示煤系不同巖性儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)和孔滲條件等差異分布的基本規(guī)律和地質(zhì)影響因素，闡釋煤系氣復(fù)合成藏的基本效應(yīng)及其地質(zhì)選擇過(guò)程，形成煤系氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件預(yù)測(cè)理論體系，完善發(fā)展煤系氣開(kāi)發(fā)有利區(qū)及有利層段優(yōu)選方法。

(3)薄互層煤系氣成藏特點(diǎn)與優(yōu)質(zhì)開(kāi)發(fā)層段地質(zhì)控制。分析多薄煤層以及煤層與砂巖、泥巖頻繁互層的基本地質(zhì)特點(diǎn)，揭示薄互層煤系天然氣聚集特點(diǎn)與分布規(guī)律，闡釋薄互層地質(zhì)條件與煤系儲(chǔ)層天然裂隙發(fā)育程度之間關(guān)系，探討煤系內(nèi)幕保存條件顯現(xiàn)特征及其聚氣效應(yīng)，深化認(rèn)識(shí)薄互層煤系氣開(kāi)發(fā)有利區(qū)主控地質(zhì)因素及其控制機(jī)理，建立薄互層煤系氣聚集與配分理論體系，發(fā)展薄互層煤系氣甜點(diǎn)區(qū)段預(yù)測(cè)方法。

(4)煤系氣有序開(kāi)發(fā)地質(zhì)原理與技術(shù)基礎(chǔ)。本著地質(zhì)-工程一體化指導(dǎo)思想，以上述煤層吸附氣含量“臨界深度”以下煤系為主要研究對(duì)象，研究煤系氣優(yōu)質(zhì)產(chǎn)層段不同巖性產(chǎn)(儲(chǔ))層有效貫通地質(zhì)-巖石力學(xué)原理，探討煤系游離氣卸壓產(chǎn)出與吸附氣解吸產(chǎn)出在時(shí)空上的接替關(guān)系及機(jī)制，探索煤系氣產(chǎn)層組不同產(chǎn)(儲(chǔ))層屬性差異改造弱化措施以及近井地帶快速降擾的新技術(shù)途徑，初步形成煤系氣高效有序合采技術(shù)基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

(1)煤系氣基本地質(zhì)特點(diǎn)脫離不了非常規(guī)氣地質(zhì)條件的總體范疇，但在廣義非常規(guī)氣基本特點(diǎn)、基本規(guī)律及共性聚集機(jī)制框架下具有自己鮮明的特征，對(duì)其特殊性認(rèn)識(shí)不到位正是我國(guó)煤系氣“增儲(chǔ)上產(chǎn)”效果長(zhǎng)期未能盡如人意的原因之一。

(2)近10 a來(lái)，我國(guó)煤系氣成藏與開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件的研究取得了3方面核心進(jìn)展。包括:揭示了煤系氣六大基本地質(zhì)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了煤系氣成藏作用“深度效應(yīng)”，初步建立了煤系氣勘查-開(kāi)發(fā)工程一體化地質(zhì)技術(shù)系列。

(3)近年來(lái)勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐展示出的正反兩方面典型實(shí)例。例如，煤系氣合采井產(chǎn)氣量并非隨產(chǎn)(儲(chǔ))層組的層數(shù)增多、累計(jì)厚度增大而增高，“1+n”

(4)對(duì)我國(guó)煤系氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展較慢的地質(zhì)原因進(jìn)行了戰(zhàn)略思考：① 業(yè)界多年來(lái)忽略了煤系氣地質(zhì)條件的常規(guī)氣屬性，導(dǎo)致新領(lǐng)域新層系探索不力;② 煤系氣盡管多數(shù)表現(xiàn)為非常規(guī)天然氣地質(zhì)屬性，但可形成超大型聚集及大規(guī)模生產(chǎn)的薄互層煤系氣總體上屬于常規(guī)天然氣;③ 對(duì)非常規(guī)煤系氣地質(zhì)屬性了解相對(duì)較多，但對(duì)常規(guī)煤系氣地質(zhì)條件特殊性目前仍知之甚少。

(5)建議圍繞“煤系天然氣共生聚集系統(tǒng)與有序開(kāi)發(fā)地質(zhì)原理”主題開(kāi)展研究:揭示深煤層天然氣賦存態(tài)與解吸機(jī)制，形成深部煤層氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)理論與技術(shù)體系;闡明煤系氣聚集過(guò)程與成藏效應(yīng)，完善煤系氣甜點(diǎn)區(qū)段優(yōu)選方法;研究薄互層煤系氣成藏特點(diǎn)與優(yōu)質(zhì)開(kāi)發(fā)層段地質(zhì)控制，建立薄互層煤系氣聚集與配分理論，發(fā)展薄互層煤系氣甜點(diǎn)區(qū)段預(yù)測(cè)方法;探索煤系氣有序開(kāi)發(fā)地質(zhì)原理與技術(shù)基礎(chǔ)，初步形成煤系氣高效有序合采技術(shù)基礎(chǔ)。