川南上二疊統(tǒng)煤系泥頁巖氣與煤層氣合采前景探討

尹中山，蔣 琦，羅勇，熊建龍琚宜文

川南上二疊統(tǒng)煤系泥頁巖氣與煤層氣合采前景探討

尹中山1，2，蔣 琦1，3，羅勇3，熊建龍1，3琚宜文4

（1.四川省科源煤礦瓦斯煤層氣工程研究中心有限公司，成都 610072；2.四川省煤田地質(zhì)局，成都 610072；3.四川省煤炭地質(zhì)工程勘察設計研究院，成都 610072；4.中國科學院大學，北京 100049）

四川上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤層及其頂?shù)装迥囗搸r含氣性及其合采對煤系氣勘探開發(fā)意義重大。為改變煤層氣產(chǎn)業(yè)低產(chǎn)低效長周期的現(xiàn)狀，達到提升煤層氣井產(chǎn)量、穩(wěn)定產(chǎn)能的目的，實現(xiàn)綜合效益的目標，將龍?zhí)督M當成一個整體研究對象；重點對煤系泥頁巖氣的儲層組合類型進行分析，并初步探討了含氣煤層及其頂?shù)装搴瑲饽囗搸r合探合采的前景，該地區(qū)煤系氣合采的必要性、條件等，提出未來開展綜合勘探開采的幾點原則建議。

煤系泥頁巖氣；上二疊統(tǒng)；煤系氣；組合模式；宜賓-瀘州

川南宜賓-瀘州地區(qū)（以下簡稱研究區(qū)）煤炭資源豐富，古敘、芙蓉、筠連礦區(qū)分布于此（圖1），現(xiàn)有十余對國有礦井、年產(chǎn)煤超千萬噸，作為煤礦生產(chǎn)安全措施的井下抽采瓦斯約1.5×108m3，用于瓦斯發(fā)電（古敘公司石屏一礦）、民用（芙蓉、筠連礦區(qū)），在綜合利用上發(fā)揮出了較好的效益。但四川省作為清潔能源資源開發(fā)的煤層氣產(chǎn)業(yè)化推動不平衡，除在筠連沐愛約60km2規(guī)模化開發(fā)取得成功外，其他地區(qū)的探索并非一帆風順[1]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況圖

煤系地層中主要巖性是煤、泥頁巖、砂巖的單一巖層、交互出現(xiàn)，具有多旋回性，即“多源、多儲、多蓋”的特點；煤層吸附、生烴強度大、超壓封閉作用、上覆地層厚度大等構成了良好的保存能力[2]；泥頁巖層系就是指“泥頁巖及其所夾的薄層其他巖石的組合”，如大套暗色泥頁巖中夾的薄層泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、砂巖及泥灰?guī)r或石灰?guī)r等，而常見的暗色泥頁巖類型有泥質(zhì)泥頁巖、碳質(zhì)泥頁巖、硅質(zhì)泥頁巖、鈣質(zhì)泥頁巖等；海陸交互相泥頁巖多為砂質(zhì)泥頁巖和碳質(zhì)泥頁巖[3]；上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M海陸過渡相泥頁巖是四川盆地重要的烴源巖層系，前期的研究工作主要集中于烴源巖評價[4]。

煤系氣以不同相態(tài)賦存在不同巖性儲層之中，勘探開發(fā)效果取決于吸附氣與游離氣或有機儲層氣與無機儲層氣之間合采兼容性及其地質(zhì)控因。鑒于此，合采地質(zhì)技術是煤系氣開發(fā)技術體系的核心構成之一[5]。依據(jù)龍?zhí)督M地層沉積微相的研究成果提出源儲一體型煤系頁巖氣藏、源儲緊鄰型煤系三氣組合氣藏、下生上儲型煤系兩氣組合氣藏[6]。

本文探討的煤系泥頁巖氣單獨試驗、開采及將含氣泥頁巖與含氣煤層同時作為開發(fā)目標層尚未見報道，在以煤儲層為主，結合緊鄰泥頁巖層富氣層位對氣井產(chǎn)量的貢獻為出發(fā)點開展研究實驗，對解放南方大范圍難于開采、動用儲量、提升單井/區(qū)塊產(chǎn)能/產(chǎn)量有極其重大的意義。

1 全國煤系頁巖氣勘探現(xiàn)狀

據(jù)有關文獻綜合，山西臨興、陜西延川南、貴州松河、新疆白楊河科林思德等地區(qū)在不同埋深、煤系中煤層氣與致密砂巖氣開展了合采的實驗，取得了良好的效果，最高日產(chǎn)氣上萬方，給煤層氣產(chǎn)業(yè)帶來了極大的希望。尤其在西南地區(qū)的貴州六盤水打出了6 000m3/d[5]、四川高縣8 307m3/d的標桿產(chǎn)氣井[7]，為開發(fā)西南地區(qū)煤層氣及煤系地層甲烷氣看到了未來的曙光、注入了新的動力。

泥頁巖自身具備生烴條件，其頂?shù)装鍡l件良好，具備良好頁巖氣藏形成的地質(zhì)條件。從理論上講，頁巖發(fā)育且夾層少，埋深適中、介于 1 500～3 500 m，保存條件良好，是下一步實施頁巖氣勘探的最優(yōu)有利區(qū)煤系沉積體系表現(xiàn)為“泥包砂，泥包煤，泥巖層煤層廣布，單個砂體鑲嵌在煤系中與泥巖、煤層以沉積相變形式產(chǎn)出”的三維空間展布格局。煤系烴源巖與天然氣儲層疊置發(fā)育，相鄰接觸，近源聚集，源儲互層且往往同層，具備成藏要素配置的優(yōu)勢[3]。

煤系地層的“煤層彈性模量小、抗壓強度低，存在裂隙和巨大的比表面，對機械和物理化學的外力作用敏感”[4]，這一獨特之處，也是開發(fā)的劣勢、應當面對和解決的問題。目前未有足夠證據(jù)表明，煤系泥頁巖氣藏不具備開發(fā)和高產(chǎn)條件。

表1 二疊系煤系泥頁巖厚度等參數(shù)指標統(tǒng)計表（據(jù)文獻1,4,8,9,11,14等修改）

2 宜賓--瀘州地區(qū)煤系泥頁巖氣儲層的特征

利用不同深度（地表、淺井、深井）泥頁巖標本進行總有機碳TOC、鏡質(zhì)體反射率RO、全巖和黏土X射線衍射分析XRD、掃描電鏡SEM、高壓壓汞等方法手段,獲得泥頁巖有機地球化學、礦物組分、孔隙結構等參數(shù)，來評價煤系泥頁巖氣、煤層氣儲層孔隙結構的非均質(zhì)性及主控因素。

1）我國聚煤時期跨度長、煤系地層分布廣、聚煤盆地面積大,含煤巖系中的有機質(zhì)含量高、巖石旋回性強、以Ⅲ型干酪根為主、儲層陸源物質(zhì)豐富、多期構造熱演化等特點奠定了煤系非常規(guī)天然氣具有發(fā)育良好的物質(zhì)基礎[5]。研究區(qū)上二疊統(tǒng)煤系地層符合上述特點，有機質(zhì)TOC普遍＞2%，有機質(zhì)類型為Ⅲ類，是較好的生氣烴源巖，詳見表1。

2）海陸過渡相龍?zhí)督M的地層巖性受沉積環(huán)境的影響，縱向上層系發(fā)育較多，泥頁巖、煤層、粉砂質(zhì)頁巖及粉砂巖交互出現(xiàn)，巖性變化頻繁。

3）煤層氣的特點：煤層多、薄且成組伴生，含氣量高、含氣飽和度一般（50%~70%），煤體結構破碎為主、原生結構綜合比例35%~50%左右，煤層普遍含水較弱，地層傾角較陡15°~45°，低孔隙度、低-極低滲透率，物性較差，解吸速度較慢等。

2.4 煤系泥頁巖的特征

1）易識別，海陸過渡相泥頁巖層發(fā)育且厚度大，泥頁巖品質(zhì)體現(xiàn)為“高黏土礦物、高孔隙度、高Toc、高含氣量”的“四高特征”；在測井曲線上常具有擴徑、高自然伽馬、較高聲波時差、高中子孔隙度、高深淺電阻率等特征（圖2）。

圖2 川高地1井沉積微相劃分及其泥頁巖TOC含量垂向分布圖（據(jù)文獻9修改）

2）含氣量大，海陸過渡相泥頁巖有機質(zhì)富集，特別是毗鄰煤層發(fā)育的黑色泥頁巖、炭質(zhì)泥頁巖等，有機碳含量普遍超過10%，且成熟度偏高，處于生干氣階段；總體上具有含氣性較好、含氣量變化范圍大的特點。

3）非均質(zhì)性強，海陸過渡相煤系泥頁巖儲層孔隙結構非均質(zhì)性主要受控于不同沉積環(huán)境及成巖演化下礦物組分差異,隨著黏土礦物含量的增加和脆性礦物含量的減小而增大。

4）難改造，海陸過渡相煤系泥頁巖脆性礦物含量較低，取值為6.3%~65.7%，平均27.7%，泥頁巖儲層可壓性較海相頁巖差，見表1。

3 煤系泥頁巖氣與煤層氣組合類型劃分

研究區(qū)在晚古生代煤系地層形成后即開始穩(wěn)定沉降，至晚白堊世達到最大埋深，這一時期該套泥頁巖和煤層中的有機質(zhì)進入熱演化的成熟階段~~過成熟階段，進入大量生氣階段，該階段煤層、富有機質(zhì)泥巖等氣源巖中大量生成的天然氣在滿足自身儲集的基礎上，向上、下或側向泥頁巖層、致密砂巖儲層中以活塞式運聚，從而在垂向上形成了煤層—頁巖—致密砂巖的多種儲層中氣體連續(xù)成藏的模式。后期隨著地層的抬升，溫度降低，煤層和泥頁巖中飽和富集的天然氣發(fā)生逸散，進入上覆的各種儲集層中，在適當?shù)奈恢镁奂⒈４嫦聛韀15]。

3.1 已有的煤系泥頁巖地層組合模式

綜合了貴州、吐哈、鄂爾多斯、山西、湖南等地煤層氣與煤系泥頁巖氣及其組合模式，表2。

3.2 川南煤層及煤系泥頁巖組合模式

煤層氣和頁巖氣為自生自儲連續(xù)型天然氣藏。研究區(qū)宣威組/龍?zhí)督M與長興組發(fā)育多套煤系天然氣儲集層，存在不同類型的共生組合模式。煤系天然氣藏具有層位相鄰、重復疊置、多旋回性特點，存在多類型氣藏組合。不同的巖相組合代表了不同的沉積環(huán)境變化和不同的煤系氣共生關系，根據(jù)研究區(qū)宣威組/龍?zhí)督M和長興組巖相組合類型及各類氣藏空間的重復疊置，可以將研究區(qū)煤系氣總結歸納為2種基本的共生組合模式（圖3）。

組合Ⅰ，分為Ⅰ1和Ⅰ2：該組合巖相為泥巖（炭質(zhì)泥巖）與煤層互層，煤層之間以泥巖和炭質(zhì)泥巖夾層時為Ⅰ1型組合，夾粉砂巖時為Ⅰ2型組合。一般為泥坪和泥炭沼澤沉積，泥巖發(fā)育，有機碳含量高，煤層與泥巖均可作為烴源巖。由于泥巖致密且厚度穩(wěn)定使其同時作為很好的封蓋層，受壓實和生烴動力的影響，在煤層與泥巖之間產(chǎn)生異常高壓，煤層及泥頁巖含氣量較高，是最為優(yōu)勢組合（川高地1井C6、C7煤層及C5煤層均為這種組合）。其中，在煤層之間夾粉砂巖層時，砂巖中含氣量一般較低，對煤系氣貢獻不大。川高地1井C6+7煤層頂?shù)撞繛楹穸容^大的暗色泥巖，地層壓力系數(shù)達到1.18，為高壓儲層，煤層含氣量為12.10m3/t,頂?shù)装迥鄮r含氣量為1.85 m3/t。

表2 共生組合模式對比表（據(jù)文獻1,7,8,9,10,11綜合）

圖3 研究區(qū)煤系氣共生組合模式

組合Ⅱ，分為Ⅱ1和Ⅱ2型：巖性組合為一般以泥巖、炭質(zhì)泥巖為頂?shù)装?，中部夾多套煤層、煤層之間以泥質(zhì)粉砂巖為主，底板為泥巖與砂巖互層。根據(jù)對川南含氣性分析，一般底板為泥巖與粉砂巖互層（Ⅱ1型）較底板全為粉砂巖（Ⅱ2型）含氣量較高，為泥坪-砂坪沉積。由于底板砂巖發(fā)育，孔滲較好，無法形成有效的壓力封閉箱，地層壓力一般以常壓的特點，頂板富有機質(zhì)泥巖段可作為封蓋層，保證了煤系氣的富集。

組合Ⅲ，巖性組合以砂巖與煤層互層，頂?shù)装迳皫r極為發(fā)育，泥巖較少，為泥坪-砂坪沉積，一般情況下，以煤層為主力烴源巖，氣體部分運移到砂巖儲層中，由于缺少上部泥巖的有效封蓋，部分生成的天然氣發(fā)生遷移，地層一般為常壓或異常低壓儲層，含氣量相對較低。

4 煤層氣與煤系泥頁巖氣的合采討論

大量的文獻論及煤系“三氣”合采[13]等，對于單直井或叢式井組，討論煤層氣不同層位的合采，關鍵在“間距、壓力系統(tǒng)、解吸速度”等指標；有煤層氣與砂巖氣的合采，對單一煤層提高產(chǎn)量的探索則有水平井、多分枝水平井等方式。但煤層氣與煤系泥頁巖氣的合采方式，沒有論及。

基于項目要求本文僅探討煤層氣與煤系緊鄰型泥頁巖氣。龍?zhí)督M煤系緊鄰型頁巖氣通過樣品測試、氣測錄井、測井特征等證實的確存在[8,9,14]，見表1、圖2。

4.1 必要性

煤系地層具有多層系、垂向上復合氣藏共生共存的特點，儲層較致密，單一儲層開采不僅產(chǎn)量低、開發(fā)難度大，而且開發(fā)成本高，不宜進行單層開采。從提高儲量動用程度、降低單層開采成本、提高單井經(jīng)濟產(chǎn)量角度出發(fā)，對煤系氣藏的開發(fā)應采用合層開采的方式。

表3 煤系三氣富集有利區(qū)的要素統(tǒng)計表

前已述及，煤層的生烴能力極強，煤層及其泥頁巖生存的烴類氣體在一定的地質(zhì)條件下可能運移至薄互層的泥頁巖、砂巖中儲集起來，增大泥頁巖的含氣性，因此有理由認為本研究區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M/樂平組的含氣泥頁巖仍具備較好的開發(fā)前景。

據(jù)1 000m以淺大量煤炭鉆孔資料的統(tǒng)計，煤系地層中連續(xù)較穩(wěn)定的泥頁巖厚度較薄，約10m，在沉積時期水體動蕩、能量較強且與物源補給有關，尚難達到頁巖氣層段的開發(fā)厚度，需要考慮幾種巖性組合的累積效應，即“單一煤層與其頂?shù)装?偽頂?shù)装宓奶抠|(zhì)泥頁巖、含炭泥頁巖作為一個評價單元”，在甲烷資源總量上才有保證，可做為煤層氣資源開發(fā)的有力補充，為此開展含氣泥頁巖與煤層氣合采試驗，確有必要。

4.2 條件

煤層氣的合采條件主要取決于區(qū)內(nèi)煤系天然氣的水文條件、儲層組合、儲層壓力等相關地質(zhì)參數(shù)是否匹配[15]。

1）一般條件要求，煤儲層單一及與煤系泥頁巖組合儲層的“厚度、含氣量、脆性指數(shù)、巖石頂?shù)装宓膮?shù)、滲透率、孔隙率”等參數(shù)應達到GB/T31483-2015規(guī)范的要求。同時還要考慮單一及組合儲層的巖石力學性質(zhì)、儲層壓力梯度、滲透率、供氣能力、層間膠結程度的特征及差異性。

2）可以實現(xiàn)合采的要求，煤系氣藏考慮氣體的臨界解吸壓力，含水儲層考慮儲層的供液能力層系內(nèi)各壓裂段供液能力差異小、儲層壓力差異小和臨界解吸壓力差異小，合層排采層間干擾不明顯。若儲層壓力差異引起的層間干擾在采氣初期比較明顯，但隨著生產(chǎn)的進行，多層共采層與層之間不斷地進行壓力、產(chǎn)量的自我調(diào)節(jié)，儲層壓力較大的層位隨著開采的進行對總產(chǎn)量的貢獻率會不斷減小，儲層壓力較小的層位隨著開采的進行逐漸發(fā)揮作用。

3）可控因素，儲層物性客觀因素、壓裂工藝和工作制度均是造成層間干擾的因素。壓裂工藝和工作制度較容易控制與實現(xiàn)，關鍵點在儲層物性客觀因素的深入分析和應對性的控制。

初步研究表明,川南、川東南如筠連煤田龍?zhí)督M泥頁巖儲層各項指標基本達到了頁巖氣開發(fā)的最低要求,但長石、石英、碳酸鹽巖等脆性礦物含量較低,不利于頁巖儲層的壓裂造縫[4,14]。

4.3 可實現(xiàn)性

煤儲層中的煤層氣易于解析、圍巖中其他烴類氣體的適度補充、異常高壓層位造就了煤層氣高產(chǎn)井的出現(xiàn)。上述三因素既是煤層氣區(qū)產(chǎn)能變化大的原因之一，也是非均質(zhì)性強的體現(xiàn)之一，為高產(chǎn)井、穩(wěn)產(chǎn)井帶來了不確定性。若要解決此類問題，加強地球物理勘探技術的精度與預測技術，尋找到更多更好的煤層氣+頁巖氣富集的甜點區(qū)，讓高產(chǎn)井變成常態(tài)，而非“奇跡”發(fā)生。

以川高參1井為例，初步分析認為其高產(chǎn)的原因，具有煤儲層本身含氣量高、壓力系數(shù)大、厚度較大、煤體結構完整、脆性指數(shù)高，游離氣比例高等特點。游離氣作為煤系氣的重要組成部分，依靠區(qū)域蓋層物性和異常壓力才能得以保存。也就是說，煤系游離氣與吸附氣的共生富集或具有工業(yè)性共采價值的煤系氣成藏需要較大的埋藏深度，不同地區(qū)的深度門限有所變化；否則，可能僅有單純的煤層氣富集成藏，而非整體意義上的煤系氣。熱成因游離氣含量決定初產(chǎn)，天然裂縫發(fā)育及超壓控制高產(chǎn)，水平井人工壓裂裂縫“人造氣藏”實現(xiàn)有效開發(fā)。

5 認識與建議

1）研究區(qū)煤層氣與煤系泥頁巖氣可以合采，務必選好區(qū)。

2）合采應達到的條件：研究區(qū)淺于1 500m單獨開采煤系泥頁巖氣的經(jīng)濟效益有待驗證，應與煤層氣、煤系泥頁巖或致密砂巖氣構成儲層組合開發(fā)，彌補厚度薄、氣源補給和供氣面積等劣勢，實現(xiàn)煤系氣開發(fā)的商業(yè)化、經(jīng)濟性。

3）建議

煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣成藏主控因素不盡相同，產(chǎn)氣機理也有較大差別，在總結出的模式基礎上，進行煤系頁巖氣與煤層氣、煤系致密砂巖氣與煤層氣及“三氣”共采時應進行共采產(chǎn)氣機理、各儲層產(chǎn)能貢獻率影響因素研究，優(yōu)化三氣共采工作制度。

加強水文地質(zhì)條件的研究，煤系主體是隔水層，仍不能排除個別地段富水、斷層導通的可能性。

煤系氣單直井的改造方式較為普遍，但用于工業(yè)化生產(chǎn)、采用工廠化的作業(yè)，應當以水平井或順煤層鉆完井術、煤層頂板鉆探與定向射孔技術的密切配合，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

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Prospect of Combined Production of Shale Gas and Coalbed Methane in the Upper Permian Coal Measures in the Yibin-Luzhou Area

YIN Zhong-shan1,2JIANG Qi1,3LUO Yong3XIONG Jian-long1,3JU Yi-wen4

(1-Gas and Coalbed Methane Engineering Research Center Co. Ltd., Sichuan Keyuan Coal Mine, Chengdu 610072; 2-Sichuan Bureau of Coal Geology, Chengdu 610072; 3-Sichuan Coal Geological Engineering Survey and Design Institute, Chengdu 610072; 4-University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)

Gas-bearing property of coal seam and shale of the Upper Permian Longtan Formation is of great importance to the exploration of coal measure gas. This paper focuses on type of shale gas reservoir combination of the Longtan Formation and makes an approach to necessity, conditions and prospect of combined production of shale gas and coalbed methane in order to change the current situation of low production and low sufficiency of coalbed methane industry and increase and stabilize production capacity of coalbed methane and makes some suggestions on integrated exploration and exploitation.

coal measure shale gas; Upper Permian Series; coalbed methane; combination mode; Yibin-Luzhou

2019-04-15

四川省科技廳科技支撐計劃項目（2016JZ0037）

尹中山（1967-），男，四川宣漢人，碩士，教授級高級工程師，從事石油、煤層氣、頁巖氣勘探開發(fā)研究工作

P618, 13

A

1006-0995（2019）02-0257-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.02.016