疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性——煤系“三氣”及深部煤層氣開采中的共性地質(zhì)問題

秦　勇，申　建，沈玉林

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

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疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性
——煤系“三氣”及深部煤層氣開采中的共性地質(zhì)問題

秦勇，申建，沈玉林

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

摘要:以煤層氣、致密砂巖氣和頁(yè)巖氣共生為特征的煤系“三氣”是一類重要的非常規(guī)天然氣資源，但我國(guó)目前尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)模性共采。煤系“三氣”地質(zhì)條件客觀存在的六大基本特點(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，共采兼容性問題突出，常規(guī)措施難以解決這一技術(shù)難題?？刂漂B置含氣系統(tǒng)共采兼容性的核心地質(zhì)條件在于2個(gè)方面：一是流體能量差異影響到含氣系統(tǒng)之間的兼容性；二是不同儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)和孔滲條件差異影響到系統(tǒng)內(nèi)部共采兼容性。研究認(rèn)為，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)兼容性的3個(gè)關(guān)鍵地質(zhì)要素；實(shí)現(xiàn)煤系“三氣”共探與共采的基礎(chǔ)是對(duì)相關(guān)地質(zhì)問題的深刻理解，對(duì)共生特性及其共采地質(zhì)動(dòng)態(tài)的深入闡釋則是貫穿煤系“三氣”共采工藝優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新的主線。煤系“三氣”共采工藝技術(shù)優(yōu)化和創(chuàng)新的途徑，需要以充分釋放產(chǎn)能為目標(biāo)，以疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性為約束條件。為此，疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性未來探索方向，集中在關(guān)鍵層高分辨識(shí)別、地層流體及能量高分辨識(shí)別、共采兼容性定量表征、開發(fā)地質(zhì)單元與開發(fā)方式4個(gè)方面。

關(guān)鍵詞:煤系；疊置含氣系統(tǒng)；共采兼容性；地質(zhì)原理；探索方向

煤系“三氣”作為一類潛力可觀的非常規(guī)天然氣資源被納入勘探、開發(fā)與研究的視野[1]，我國(guó)將設(shè)置科技重大專項(xiàng)進(jìn)行工程示范，但目前尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)模性共采。疊置含氣系統(tǒng)表現(xiàn)為同一煤系內(nèi)部垂向上發(fā)育2套及2套以上相互獨(dú)立的含氣系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)是地層流體壓力系統(tǒng)相互獨(dú)立[2]。實(shí)踐顯示，煤系“三氣”共采試驗(yàn)中普遍存在疊置含氣系統(tǒng)兼容性的地質(zhì)現(xiàn)象。例如，如果打開一個(gè)煤系儲(chǔ)層，單井產(chǎn)量往往較高，但隨后打開其他儲(chǔ)層，單井產(chǎn)氣量則發(fā)生大幅度衰減[3]。由此，造成煤系“三氣”共采效果不甚理想[4]，限制了煤系天然氣產(chǎn)能最大限度的釋放。對(duì)于這一地質(zhì)與工程現(xiàn)象的原因，油藏工程界解釋為層間干擾或地層流體干擾，強(qiáng)調(diào)開發(fā)層系劃分與組合的重要性[5- 6]。實(shí)際上，地層流體干擾是疊置含氣系統(tǒng)在采氣工程條件下的地質(zhì)顯現(xiàn)，疊置含氣系統(tǒng)是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的地質(zhì)根源；地層流體干擾發(fā)生的可能性及程度，正是疊置含氣系統(tǒng)共采的兼容性問題。進(jìn)一步而言，疊置含氣系統(tǒng)兼容性既受控于特定地質(zhì)因素的耦合作用，又影響到共采的可行性與效果，對(duì)其的地質(zhì)認(rèn)識(shí)貫穿于整個(gè)勘探開發(fā)過程，是煤系“三氣”共生、共探與共采乃至深部煤層氣開發(fā)的共性地質(zhì)問題。鑒于此，筆者基于近年來的研究實(shí)踐與思考，分析了煤系疊置含氣系統(tǒng)發(fā)育的基本地質(zhì)特點(diǎn)和共采兼容性的地質(zhì)原理，討論了未來應(yīng)探索的主要方向，期望為煤系“三氣”共采技術(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新提供借鑒。

1煤系“三氣”地質(zhì)條件基本特點(diǎn)

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“三氣”六大基本地質(zhì)特點(diǎn)(圖1)：一是儲(chǔ)層巖石類型和天然氣賦存態(tài)多樣，既有以吸附態(tài)為主的煤層氣，又有以游離態(tài)為主的致密砂巖氣和碳酸鹽巖氣，還有混合態(tài)的頁(yè)巖氣；二是儲(chǔ)層和蓋層一般相對(duì)較薄，巖性多樣，互層頻繁，旋回性極強(qiáng)[7-8]，由此在垂向上構(gòu)成多套與層序地層格架有關(guān)、厚度一般不大且類型多變的生儲(chǔ)蓋組合及多重內(nèi)幕封蓋[9-10]；三是煤系內(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)共存[9,11-13]，氣顯示強(qiáng)烈且形式多變[14]；四是生儲(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)致同一組合中天然氣既具有自生自儲(chǔ)性質(zhì)，又具有它生它儲(chǔ)特征，氣藏類型多樣[9,10,15]；五是疊置含氣系統(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，易于受到開采擾動(dòng)而發(fā)生系統(tǒng)間干擾[3,7,11,16]；六是同一含氣系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)層的巖性變化大，如煤儲(chǔ)層往往緊鄰頁(yè)巖儲(chǔ)層或致密砂巖儲(chǔ)層，不同巖性儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)差異顯著，常規(guī)措施難以對(duì)各類儲(chǔ)層進(jìn)行統(tǒng)一且有效的改造[17]。

圖1　臨興區(qū)塊某井煤系“三氣”柱狀地質(zhì)剖面Fig.1　Columnar section of coalbed methane,shale gas and tight sandstone gas in coal series in Linxing Block

受游離天然氣保存條件的限制，可供煤系“三氣”共采的有利深度一般大于1 000 m。美國(guó)皮森斯盆地共采先導(dǎo)性試驗(yàn)的煤層埋深1 560～2 560 m，65口單井產(chǎn)氣量穩(wěn)定在10 890 m3/d左右，其中60%來自煤層[18-19]。在鄂爾多斯盆地東部，臨興區(qū)塊煤系埋深700～2 100 m，前期7口以致密砂巖為主要目的層的生產(chǎn)試驗(yàn)井單井產(chǎn)氣量達(dá)到4 800～52 785 m3/d[9,20]；延川南區(qū)塊煤系埋深600～1 500 m，煤系“三氣”開發(fā)以煤層氣為主，不排除相當(dāng)一部分天然氣來自致密砂巖儲(chǔ)層[21]，產(chǎn)氣效果較好的產(chǎn)層埋深均在1 000 m以深[21-23]；大寧—吉縣區(qū)塊吉探1井山1段埋深2 180～2 184 m，致密砂巖日產(chǎn)氣量達(dá)2.1萬(wàn)m3/d；石樓西區(qū)塊YH18井開展深部致密砂巖氣開發(fā)試驗(yàn)，產(chǎn)氣量達(dá)到5.2萬(wàn)m3/d[20]。深部與淺部煤層氣的界線，取決于埋深增大過程中地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換和含氣量轉(zhuǎn)折的“臨界深度”，華北地區(qū)石炭二疊紀(jì)煤系這一深度一般在400～1 300 m[24]。也就是說，煤系“三氣”共采也是提高深部煤層氣井產(chǎn)量的重要途徑，疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性同樣是深部煤層氣開采面臨的核心地質(zhì)問題。上述基本特點(diǎn)，既為煤系“三氣”共生提供了有利條件，又造成了共探與共采的困難。一方面，煤系發(fā)育多重內(nèi)幕封蓋使得天然氣保存條件優(yōu)越，儲(chǔ)層累計(jì)厚度較大，含氣量和天然氣資源豐度較高[9-10]；另一方面造成多套流體壓力系統(tǒng)疊置共存，系統(tǒng)間流體能量在共采過程的再分配和傳遞難以控制，常規(guī)措施難以對(duì)系統(tǒng)間和系統(tǒng)內(nèi)的各類儲(chǔ)層進(jìn)行統(tǒng)一且有效改造。疊置含氣系統(tǒng)兼容性問題的客觀存在，導(dǎo)致共采地質(zhì)條件復(fù)雜化，限制了煤系天然氣產(chǎn)能的充分釋放，成為共探共采所面臨的首要地質(zhì)難題。實(shí)現(xiàn)煤系“三氣”的共生共探與共采，必須正視、了解和查明疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性的地質(zhì)規(guī)律，包括系統(tǒng)之間流體動(dòng)力條件兼容性以及同一系統(tǒng)內(nèi)部不同儲(chǔ)層可改造條件兼容性2個(gè)方面。問題的科學(xué)實(shí)質(zhì)在于疊置流體系統(tǒng)發(fā)育特點(diǎn)及共采誘導(dǎo)下地層流體的再分配規(guī)律，技術(shù)實(shí)質(zhì)在于共采條件下含氣系統(tǒng)之間地層流體傳遞以及改造過程中系統(tǒng)內(nèi)人工裂縫延展的可控性。

2疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性地質(zhì)原理

2.1地質(zhì)基本原理

疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性受控于諸多地質(zhì)因素，如儲(chǔ)層埋深、儲(chǔ)層厚度、含氣飽和度、含水飽和度、壓力狀態(tài)、孔滲特征、供液能力、系統(tǒng)間跨度等，也與儲(chǔ)層改造和排采措施密切相關(guān)。無(wú)論影響因素有多少，兼容性的根本判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)是兼容程度對(duì)采氣工藝技術(shù)的適應(yīng)性，以及通過一定技術(shù)措施能夠最大限度克服不兼容地質(zhì)障礙而釋放煤系“三氣”產(chǎn)能的可行性。

兼容具有容納和共享的雙重意義。由此分析，疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性受控于2方面核心地質(zhì)條件：一是不同含氣系統(tǒng)之間流體能量差異及其被共采工藝技術(shù)的可容納性，即共采技術(shù)對(duì)系統(tǒng)間流體干擾的兼容性；二是系統(tǒng)內(nèi)部不同儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)、孔滲條件差異及其對(duì)改造措施的有效共享性，即系統(tǒng)內(nèi)不同儲(chǔ)層適應(yīng)于相似改造措施的兼容性(圖2)。其中，含煤地層的沉積序列與層序格架、含氣系統(tǒng)間流體能量差異、系統(tǒng)內(nèi)不同儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)是控制疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性的3個(gè)地質(zhì)要素。

圖2　疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性的關(guān)鍵地質(zhì)控制Fig.2　Geological controlling on co-mining compatibility for multiple superposed gas-bearing system

2.2層序地層格架與含氣系統(tǒng)疊置

層序地層格架特點(diǎn)奠定了疊置含氣系統(tǒng)的物質(zhì)及物性基礎(chǔ)，限定了系統(tǒng)之間地層流體在垂向上的連通特性[2]。研究發(fā)現(xiàn)，作為常規(guī)隔水阻氣層的泥巖是界定疊置含氣系統(tǒng)上下邊界的關(guān)鍵層，對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)面旋回的升降轉(zhuǎn)換面[12]；最大海泛面附近的鈣質(zhì)、菱鐵質(zhì)海相泥巖區(qū)域分布面積大，滲透性極低，造成疊置含氣系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，構(gòu)成單個(gè)含氣系統(tǒng)的上下邊界[25]。也就是說，層序地層格架通過邊界層(關(guān)鍵層)控制煤系滲流能力的垂向變化，通過頻繁交替的旋回結(jié)構(gòu)控制儲(chǔ)蓋組合、儲(chǔ)水隔氣條件以及含氣系統(tǒng)的層級(jí)、規(guī)模與疊置頻率，進(jìn)而影響到含氣系統(tǒng)之間流體能量差異及其被共采工藝技術(shù)的可容納性，成為影響疊置含氣系統(tǒng)間共采可容性的重要宏觀地質(zhì)因素(圖2)。

臨興區(qū)塊石炭二疊紀(jì)煤系垂向上疊置發(fā)育5套含氣系統(tǒng)，關(guān)鍵層分別形成于SQ1,SQ4,SQ6,SQ9四個(gè)亞層序的高位體系域(圖3)[9]。其中，第1關(guān)鍵層發(fā)育在本溪組下段(SQ1)，由泥巖、薄煤層、粉砂質(zhì)泥巖及灰?guī)r構(gòu)成，厚度一般為4～10 m，以瀉湖-潮坪亞相為主；第2關(guān)鍵層出現(xiàn)在太原組下段上部(SQ4)，為泥巖、薄煤層或煤線以及粉砂質(zhì)泥巖，厚度一般在2～5 m，主要為瀉湖-潮亞相，部分為三角洲前緣相；第3關(guān)鍵層位于太原組上段(SQ6)，為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和灰?guī)r，厚度一般為4～10 m，以泥坪相和三角洲前緣水下分流間灣微相為主；第4關(guān)鍵層發(fā)育在山西組下段上部(SQ9)，為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和薄煤層、煤線，厚度一般10～20 m，屬于三角洲前緣相沉積。在此層序格架控制下，巖層物性在垂向上呈旋回式變化，關(guān)鍵層的孔隙率、滲透率和壓力系數(shù)最低(圖1)。

2.3流體能量與疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性

在含煤地層層序格架控制下，關(guān)鍵層所限定的獨(dú)立含氣系統(tǒng)與其上覆、下伏含氣系統(tǒng)之間缺乏水力聯(lián)系，從而構(gòu)成疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性的水文地質(zhì)基礎(chǔ)。一個(gè)含氣系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，是其內(nèi)部發(fā)育統(tǒng)一的流體壓力系統(tǒng)。為此，疊置含氣系統(tǒng)的存在必然導(dǎo)致系統(tǒng)之間的流體能量和供給量出現(xiàn)差異，差異大小是控制含氣系統(tǒng)共采可行性和兼容程度的直接地質(zhì)原因。

煤系含氣系統(tǒng)地層流體由地下水和天然氣構(gòu)成，地下水動(dòng)力場(chǎng)在宏觀上受控于盆地構(gòu)造格架之下的補(bǔ)給、徑流和排泄體系，微觀上與系統(tǒng)內(nèi)部巖層的滲流能力和儲(chǔ)集能力有關(guān)。換言之，疊置含氣系統(tǒng)之間流體能量的異同在宏觀上取決于盆地構(gòu)造和地下水補(bǔ)徑排條件，控制著系統(tǒng)之間儲(chǔ)層壓力高低和供液能力強(qiáng)弱的差異；在鉆孔柱狀剖面上，若非發(fā)育開放性斷層，則含煤地層構(gòu)造特征一般不會(huì)發(fā)生明顯變化，不同含氣系統(tǒng)之間流體能量差異直接取決于地下水補(bǔ)徑排條件的差異，成為含氣系統(tǒng)之間流體干擾的關(guān)鍵誘因，屬于影響疊置含氣系統(tǒng)間共采可容性的另一宏觀地質(zhì)因素(圖2)。

在共采情況下，井眼貫通不同的疊置含氣系統(tǒng)，系統(tǒng)之間流體能量動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)遭受破壞，流體會(huì)從高勢(shì)含氣系統(tǒng)向低勢(shì)含氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，以尋求新的動(dòng)態(tài)平衡。如果不同含氣系統(tǒng)之間流體能量差異顯著，則會(huì)導(dǎo)致初始?jí)毫Σ钶^大，較高能勢(shì)系統(tǒng)的流體會(huì)屏蔽或封堵較低能勢(shì)系統(tǒng)中流體向井眼方向的流動(dòng)，甚至造成對(duì)較低能勢(shì)系統(tǒng)的“倒灌”和水鎖效應(yīng)，2個(gè)或多個(gè)含氣系統(tǒng)的產(chǎn)能被相互消耗而無(wú)法充分釋放，這是造成共采疊置含氣系統(tǒng)產(chǎn)氣能力往往不盡如人意的實(shí)質(zhì)原因。

圖3　臨興區(qū)塊石炭二疊紀(jì)煤系疊置含氣系統(tǒng)及關(guān)鍵層分布Fig.3　Multiple superposed gas-bearing system and the distribution of key layer in the permo-carboniferous in Linxing Block

疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性問題在多產(chǎn)層煤系天然氣開發(fā)中十分突出。黔西1口生產(chǎn)試驗(yàn)井上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M下段發(fā)育2套含氣系統(tǒng)，上含氣系統(tǒng)煤儲(chǔ)層試井流體壓力為2 940 kPa。固定上含氣系統(tǒng)煤儲(chǔ)層壓力，將下含氣系統(tǒng)煤儲(chǔ)層壓力作為變量進(jìn)行數(shù)值模擬[26]。結(jié)果顯示：隨著兩套含氣系統(tǒng)初始流體壓力差異的加大，排采40 d時(shí)井筒附近下含氣系統(tǒng)煤儲(chǔ)層壓力高于原始儲(chǔ)層壓力，壓降漏斗明顯上凸，指示了上含氣系統(tǒng)流體向下含氣系統(tǒng)的“倒灌”；隨著2套含氣系統(tǒng)初始煤儲(chǔ)層壓力差的降低，壓降漏斗上凸形態(tài)逐漸減緩，倒灌現(xiàn)象逐漸消失，最終恢復(fù)正常的壓降漏斗形態(tài)(圖4)。由此說明，高勢(shì)含氣系統(tǒng)地層流體在共采過程中的遷移，一方面會(huì)由于水鎖效應(yīng)而“憋死”低勢(shì)含氣系統(tǒng)；另一方面可能由于速敏效應(yīng)而造成高勢(shì)煤儲(chǔ)層吐砂吐粉，嚴(yán)重影響氣井產(chǎn)能。根據(jù)煤層氣吸附原理，在一個(gè)統(tǒng)一流體壓力系統(tǒng)中，隨著煤層埋深加大或?qū)游唤档?，煤?chǔ)層壓力隨之增高，煤層含氣量呈單調(diào)函數(shù)式變化[2]。然而，儲(chǔ)層壓力和含氣量與吸附原理相?；虺省安▌?dòng)式”變化的現(xiàn)象在煤系地層中并不鮮見[27]，在多煤層發(fā)育地區(qū)尤為如此[2,12,28]。例如，黔西地區(qū)上二疊統(tǒng)煤系發(fā)育30～60層煤層，相當(dāng)一部分煤層氣井煤儲(chǔ)層壓力在垂向上呈波動(dòng)式變化，由此誘發(fā)的含氣系統(tǒng)間干擾是制約該區(qū)煤層氣規(guī)模性開發(fā)的重要地質(zhì)原因(表1)[29]。再如，臨興區(qū)塊石炭二疊紀(jì)煤系流體壓力系數(shù)在垂向上呈旋回式規(guī)律性變化，且與測(cè)井響應(yīng)、物性變化的旋回性一致，指示5套疊置含氣系統(tǒng)“三氣”共采需要通過兼容性分析進(jìn)行產(chǎn)層組合優(yōu)化設(shè)計(jì)(圖1，圖3)。

表1　黔西地區(qū)上二疊統(tǒng)部分鉆孔不同煤儲(chǔ)層的試井壓力

注：每口鉆孔煤層自上而下順序編號(hào)。

2.4復(fù)合儲(chǔ)層物性差異與含氣系統(tǒng)內(nèi)部共采兼容性

即使在煤系的一個(gè)含氣系統(tǒng)內(nèi)部，不同巖性儲(chǔ)層也會(huì)疊置發(fā)育，如煤層-頂板(致密砂巖/泥頁(yè)巖/灰?guī)r)、煤層-底板(致密砂巖/泥頁(yè)巖)、致密砂巖-泥頁(yè)巖等相鄰儲(chǔ)層的組合[15]。這類復(fù)合儲(chǔ)層的存在，一方面由于流體能量和滲流特征差異可能造成薄互層產(chǎn)層的層間干擾[30]，另一方面層間應(yīng)力差、界面性質(zhì)等因素會(huì)對(duì)壓裂縫的延伸能力和擴(kuò)展方式產(chǎn)生較大影響[17]，進(jìn)而影響到采氣速率、最終采收率和經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外對(duì)前一兼容性現(xiàn)象及其解決措施研究較多，但鮮見針對(duì)煤系薄互層復(fù)合儲(chǔ)層的研究工作。后一兼容性現(xiàn)象起源于不同巖性儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)的差異，涉及產(chǎn)層組合及其壓裂設(shè)計(jì)、復(fù)合儲(chǔ)層共享改造措施的程度等，是煤系單個(gè)含氣系統(tǒng)內(nèi)復(fù)合儲(chǔ)層高效經(jīng)濟(jì)開采的技術(shù)難題(圖2)。

在諸多非常規(guī)天然氣儲(chǔ)層改造工藝技術(shù)中，水力壓裂是長(zhǎng)期以來的主導(dǎo)技術(shù)。基于這一技術(shù)原理，針對(duì)煤系復(fù)合儲(chǔ)層開展過諸多探索和嘗試，如合壓合采、分壓合采、虛擬產(chǎn)層、垂向間接壓裂、滑套連續(xù)多層壓裂等。合壓合采作業(yè)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，但不同儲(chǔ)層的產(chǎn)氣貢獻(xiàn)不清，往往只有一個(gè)層位可見效果[31]，在一定程度上造成了改造投入的浪費(fèi)。分壓合采作業(yè)相對(duì)復(fù)雜，成本較高，施工周期長(zhǎng)，排采不易控制。虛擬產(chǎn)層與垂向間接壓裂有相似之處，通過對(duì)產(chǎn)層鄰近脆性巖層的壓裂改造在鄰近層形成裂縫型間接產(chǎn)層，并力圖使裂縫穿層擴(kuò)展而在儲(chǔ)層中構(gòu)建裂縫網(wǎng)絡(luò)。這一方法在美國(guó)白河隆起共采先導(dǎo)性試驗(yàn)中得到成功運(yùn)用[18-19]，但我國(guó)近年來所開展的嘗試未見明顯效果。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)這一技術(shù)難題開展了研究與探討，但問題未能得到有效解決，復(fù)合儲(chǔ)層共采兼容性、人工裂縫擴(kuò)展規(guī)律及其地質(zhì)力學(xué)機(jī)制仍然不是十分明了。例如，通過數(shù)值模擬，認(rèn)為薄互層油藏層間干擾的主要因素是滲透率級(jí)差[31]。再如，基于煤巖、灰?guī)r、頁(yè)巖、致密砂巖的人工儲(chǔ)層組合開展物理模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水力裂縫起裂方向受地應(yīng)力場(chǎng)及近井筒天然弱面共同控制，裂縫能否穿透巖層界面取決于應(yīng)力差大小，較大的層間彈性模量差有助于激活煤巖微裂縫而形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，水力裂縫在煤巖中擴(kuò)展路徑受天然裂縫影響較大[17]。一些研究者認(rèn)為，模量差對(duì)裂縫高度擴(kuò)展的影響不大，水平應(yīng)力差對(duì)分層介質(zhì)中縫高擴(kuò)展的影響較大[32]；分層巖石中裂縫的擴(kuò)展，很大程度上受交界面兩邊巖石力學(xué)性質(zhì)差異、穿過交界面時(shí)水平應(yīng)力狀態(tài)改變及交界面剪切強(qiáng)度的影響[33]；巖石分層物性差異以及應(yīng)力差會(huì)導(dǎo)致分層巖塊中形成的裂縫比較復(fù)雜，并可能伴隨沿交界面的剪切滑移[34]。

美國(guó)白河隆起深部煤系“三氣”共采之所以取得成功的關(guān)鍵原因之一，是通過對(duì)復(fù)合儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)組合與巖性組合之間關(guān)系的研究，明確了垂向間接壓裂法適用的地層條件，即：產(chǎn)層之間發(fā)育脆性的砂巖或粉砂巖隔層，煤巖垂向滲透率高于水平滲透率，支撐劑能進(jìn)入砂巖隔層并有較高導(dǎo)流能力，砂巖和粉砂巖延伸壓力梯度較低且沿縫長(zhǎng)方向可貫穿至煤層[18-19]。換言之，巖石力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)含氣系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)合儲(chǔ)層共采兼容性影響的實(shí)質(zhì)是一個(gè)地質(zhì)力學(xué)問題，有效解決這一問題的基礎(chǔ)在于闡明煤系不同地層條件復(fù)合儲(chǔ)層人工裂縫發(fā)生與發(fā)展的特點(diǎn)與地質(zhì)-力學(xué)機(jī)制。

3疊置含氣系統(tǒng)共生共探與共采探索方向

闡明疊置含氣系統(tǒng)共生地質(zhì)特點(diǎn)以及開展有效共探，是實(shí)現(xiàn)煤系“三氣”共采乃至深部煤層氣開采的前提。近10年來，國(guó)內(nèi)針對(duì)煤系疊置含氣系統(tǒng)非常規(guī)天然氣開展研究工作，重點(diǎn)集中在成藏要素與成藏機(jī)制方面[2,8,10-13,15,29,35-40]，在地質(zhì)評(píng)價(jià)[9,14,41-43]、開采方式[3,4,16,17,26,44-47]等方面有零星成果見諸報(bào)道，值得關(guān)注的是對(duì)開采機(jī)制進(jìn)行了深入思考[48]。分析前期成果，共采是有效釋放煤系“三氣“產(chǎn)能及經(jīng)濟(jì)開發(fā)深部煤層氣資源的重要技術(shù)途徑，煤系非常規(guī)天然氣商業(yè)性開發(fā)前景可觀但面臨諸多技術(shù)瓶頸，地質(zhì)研究貫穿于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上～中游的主要環(huán)節(jié)，疊置含氣系統(tǒng)特點(diǎn)、規(guī)律和機(jī)制是其中不可或缺的研究?jī)?nèi)容，疊置含氣系統(tǒng)兼容性進(jìn)而合理確定開發(fā)地質(zhì)單元(選區(qū)選層與產(chǎn)層組合)為其中應(yīng)關(guān)注的焦點(diǎn)，所有地質(zhì)工作的重心在于經(jīng)濟(jì)高效提高單井產(chǎn)氣量。

前期探索推動(dòng)了對(duì)本領(lǐng)域共性地質(zhì)問題實(shí)質(zhì)的理解，為煤系“三氣”共探共采試驗(yàn)提供了有益的借鑒，但對(duì)于機(jī)制的理解尚待深化，一些與共采密切相關(guān)的方向尚未涉及，地質(zhì)研究成果的工程化有待加強(qiáng)，所有探索工作尚待從系統(tǒng)工程的層次上加以規(guī)劃和實(shí)施。只有深化對(duì)煤系“三氣”共生特性的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，才能了解含氣系統(tǒng)的疊置和能量分配特點(diǎn)；只有實(shí)現(xiàn)兼容性的量化評(píng)價(jià)，才可能理解系統(tǒng)之間流體靜態(tài)分配特點(diǎn)及其在共采過程中的傳遞和再分配規(guī)律；只有發(fā)展更為精細(xì)的探測(cè)與解釋技術(shù)，才有可能確定疊層含氣系統(tǒng)之間及內(nèi)部的物性與能量差異；只有確定煤系“三氣”賦存態(tài)差異，才可能優(yōu)化和創(chuàng)新兼顧吸附氣和游離氣生產(chǎn)特點(diǎn)的共采技術(shù)(圖5)。一句話，實(shí)現(xiàn)煤系“三氣”共探與共采的基礎(chǔ)是對(duì)疊置含氣系統(tǒng)地質(zhì)問題的深刻理解，對(duì)其共生特性及開采地質(zhì)動(dòng)態(tài)的深入闡釋是指導(dǎo)煤系“三氣”共采工藝優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新的主線。

圖5　煤系“三氣“及其共生共探共采關(guān)系Fig.5　Relationship of symbiosis,co-exploration and co-mining for coalbed methane,shale gas and tight sandstone gas in coal series

在此領(lǐng)域，需要開展3方面地質(zhì)探索：一是深刻理解煤系“三氣”的共生特性，包括煤系“三氣”疊置成藏的共生規(guī)律以及疊置能量系統(tǒng)的可控開采地質(zhì)條件，探索疊置含氣系統(tǒng)的流體壓力特點(diǎn)和共采兼容特性；二是發(fā)展針對(duì)煤系“三氣”共生賦存狀態(tài)、儲(chǔ)層特點(diǎn)的共探方法，包括地球物理探測(cè)和地質(zhì)-地球化學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)疊置含氣系統(tǒng)以及產(chǎn)氣來源和貢獻(xiàn)的高分辨識(shí)別；三是探討適應(yīng)于煤系“三氣”共采工藝與技術(shù)的地質(zhì)條件，發(fā)展共采優(yōu)化及地質(zhì)診斷方法，支撐適應(yīng)性共采技術(shù)的研發(fā)。這些研究的最終目的，是建立集產(chǎn)氣系統(tǒng)兼容、改造技術(shù)適應(yīng)、產(chǎn)氣貢獻(xiàn)明確、采氣工藝優(yōu)化等為一體的煤系“三氣”共采地質(zhì)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)的勘探開發(fā)提供技術(shù)支持。

上述研究的核心技術(shù)目標(biāo)是“疊置含氣系統(tǒng)精細(xì)描述與共采兼容性地質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)”，需要針對(duì)如下4方面內(nèi)容具體展開：

(1)疊置含氣系統(tǒng)關(guān)鍵層高分辨識(shí)別。以煤系單井剖面沉積旋回結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，精細(xì)分析特定區(qū)塊煤系沉積相及其三維空間分布特點(diǎn)，建立煤系層序地層格架。以單井沉積序列及其測(cè)井響應(yīng)為約束，構(gòu)建疊置含氣系統(tǒng)關(guān)鍵層高分辨識(shí)別技術(shù)，建立關(guān)鍵層三維地質(zhì)模型。分析層序格架對(duì)低孔低滲關(guān)鍵層發(fā)育的控制作用，提取關(guān)鍵層物性測(cè)井響應(yīng)信息，建立以關(guān)鍵層為約束的煤系儲(chǔ)(產(chǎn))層組合模型。

(2)疊置含氣系統(tǒng)流體及能量高分辨識(shí)別。分析三級(jí)層序地層單元框架下的地下水動(dòng)力場(chǎng)及其富水性特征，提取疊置含氣系統(tǒng)流體壓力的測(cè)井響應(yīng)信息，分析疊置含氣系統(tǒng)之間物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化、傳遞以及再分配過程。以此為基礎(chǔ)，分析疊置含氣系統(tǒng)發(fā)育規(guī)律，闡釋地下水流場(chǎng)、疊置含氣系統(tǒng)主控地質(zhì)因素與機(jī)制，形成疊置含氣系統(tǒng)富水性及流體壓力的分析與預(yù)測(cè)技術(shù)。

(3)疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性定量表征。面向特定區(qū)塊開展以含氣系統(tǒng)為單元的儲(chǔ)蓋序列地質(zhì)建模研究，探討疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性的流體驅(qū)動(dòng)機(jī)制，建立集關(guān)鍵層、儲(chǔ)層含氣性和物性、含氣系統(tǒng)能量等重要信息為一體的共采地質(zhì)模型。以此為基礎(chǔ)，考察含氣系統(tǒng)之間流體壓力、含氣性、滲透性、巖石力學(xué)性質(zhì)等差異，建立疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性與可行性的量化判識(shí)指標(biāo)和方法體系。

(4)疊置含氣系統(tǒng)開發(fā)地質(zhì)單元與開發(fā)方式。耦合分析上述3方面地質(zhì)條件，結(jié)合構(gòu)造、地應(yīng)力場(chǎng)等特點(diǎn)，分析疊置含氣系統(tǒng)共采地質(zhì)動(dòng)態(tài)綜合效應(yīng)，優(yōu)化產(chǎn)層組合設(shè)計(jì)，劃分特定區(qū)塊煤系“三氣”開發(fā)地質(zhì)單元，并闡明其三維空間分布特點(diǎn)。最終，以最大限度釋放疊置含氣系統(tǒng)產(chǎn)能為目標(biāo)，以疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性為約束條件，提出優(yōu)化和創(chuàng)新煤系“三氣”共采工藝技術(shù)的具體建議。

4結(jié)語(yǔ)

我國(guó)煤系“三氣”共采和深部煤層氣高效經(jīng)濟(jì)開采，需要?jiǎng)?chuàng)新和發(fā)展適應(yīng)性的共采工藝技術(shù)，而“適應(yīng)性”研究面向的對(duì)象是控制疊置含氣系統(tǒng)兼容性的地質(zhì)條件。對(duì)這些特殊地質(zhì)條件及其作用效應(yīng)的深刻理解，應(yīng)該貫穿疊置含氣系統(tǒng)共生、共探與共采的整個(gè)過程，核心目標(biāo)是研發(fā)疊置含氣系統(tǒng)精細(xì)描述與共采兼容性地質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)并推進(jìn)共采工藝和技術(shù)的發(fā)展，研究重點(diǎn)在于疊置含氣系統(tǒng)關(guān)鍵層高分辨識(shí)別、疊置含氣系統(tǒng)流體及能量高分辨識(shí)別、疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性定量表征以及疊置含氣系統(tǒng)開發(fā)地質(zhì)單元與開發(fā)方式等4個(gè)方面。

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Joint mining compatibility of superposed gas-bearing systems:A general geological problem for extraction of three natural gases and deep CBM in coal series

QIN Yong,SHEN Jian,SHEN Yu-lin

(KeyLaboratoryofCBMResourcesandReservoirFormationProcess,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)

Abstract:Three gases in coal series,including coalbed methane (CBM),tight sandstone gas and shale gas,are important unconventional gas resources,but their large scale mining has not been realized in China.Six basic geological characteristics of the“three gases”,on the one hand,provide a superior gas source and preservation condition,and,on the other hand,result in outstanding co-mining compatibility,which originates from the superposed coexistence of multiple sets of fluid pressure systems and could not been resolved with conventional measures.Key geological controls of the compatibility among the superposed gas-bearing system (SGS) are represented as the compatibility from the fluid energy difference among the systems and from the difference of the mechanical properties,pore and permeability of various reservoirs inside the system.It is considered that the sequence stratigraphic framework,fluid energy system and rock mechanics properties are three key factors affecting the compatibility.Foundation for the “three gases”co-exploration and co-mining is to understand profoundly the relevant geological controls,and the main approach for the optimization and innovation of co-mining technology is to expound deeply the geological dynamics during the joint mining,which need to take the compatibility as a constraint condition for the full release of the production capacity in SGS.To this end,the future investigation of the compatibility should be focused on some aspects,such as the high-resolution recognition of key strata and fluid energy system,the quantitative characterization of the compatibility,and the geological units and model of the “three gases” development.

Key words:coal series；superposed gas-bearing system；co-mining compatibility；geological principle；future investigation

中圖分類號(hào):P618.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-9993(2016)01-0014-10

作者簡(jiǎn)介:秦勇(1957—)，男，重慶人，教授，博士。E-mail:yongqin@cumt.edu.cn

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(41530314,U1361207);國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05034,2016ZX05066-01-04)

收稿日期:2015-10-15修回日期:2015-11-28責(zé)任編輯:韓晉平

秦勇，申建，沈玉林.疊置含氣系統(tǒng)共采兼容性——煤系“三氣”及深部煤層氣開采中的共性地質(zhì)問題[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(1):14-23.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9032

Qin Yong,Shen Jian,Shen Yulin.Joint mining compatibility of superposed gas-bearing systems:A general geological problem for extraction of three natural gases and deep CBM in coal series[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):14-23.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9032