深部(層)煤層氣成藏模式與關(guān)鍵技術(shù)對(duì)策*
——以鄂爾多斯盆地東緣為例

徐鳳銀 王成旺 熊先鉞 李曙光 王玉斌 郭廣山 閆 霞 陳高杰，3 楊 贇 王虹雅 馮 堃 吳 鵬 劉印華1，，3

(1.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司 北京 100095； 2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100028；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司工程技術(shù)研究院 陜西西安 710082； 4.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

2019年前，國(guó)內(nèi)煤層氣開發(fā)基本集中在埋深小于1 200 m區(qū)域，鄂爾多斯盆地東緣(以下簡(jiǎn)稱鄂東緣)韓城、大寧-吉縣、三交、保德等區(qū)塊均進(jìn)行了規(guī)模開發(fā)。隨著淺部(層)可供規(guī)模效益開發(fā)的區(qū)塊越來越少，深部(層)煤層氣將成為我國(guó)下一步煤層氣勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域[1-6]。針對(duì)1 500 m以深的區(qū)域，中聯(lián)煤層氣公司在臨興區(qū)塊、華北油田分公司在大城區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但是單井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，未取得實(shí)質(zhì)性突破。2019年以來，隨著中國(guó)石化華東分公司在延川南區(qū)塊，特別是中石油煤層氣公司在大寧-吉縣區(qū)塊埋深大于2 000 m的深部(層)煤層氣勘探突破，吉深6-7平01井獲得日產(chǎn)10.1×104m3高產(chǎn)工業(yè)氣流，真正拉開了深部(層)煤層氣勘探開發(fā)序幕。2021年，大寧-吉縣區(qū)塊探明地質(zhì)儲(chǔ)量1 121.62 ×108m3，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)埋深超2 000 m、探明地質(zhì)儲(chǔ)量超1 000 ×108m3的高豐度整裝大型煤層氣田。2021年，中國(guó)石油新疆油田分公司在準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起彩探1H井獲最高日產(chǎn)氣5.7 ×104m3，標(biāo)志著準(zhǔn)噶爾盆地深部(層)煤層氣勘探取得突破。這些深部(層)煤層氣勘探成功實(shí)踐，突破了“1 500 m以深為煤層氣勘探開發(fā)禁區(qū)”的認(rèn)識(shí)，極大增強(qiáng)了深部(層)煤層氣規(guī)模效益開發(fā)的信心，但同時(shí)也面臨一系列理論與技術(shù)挑戰(zhàn)，亟需針對(duì)深部(層)煤層氣高效開發(fā)的系列難題開展研究攻關(guān)，助推深部(層)煤層氣資源的開發(fā)利用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于煤層氣成藏模式進(jìn)行了不同程度的研究[7-19]，以壓力和構(gòu)造等為主控因素的煤層氣富集成藏模式劃分有3大類：水動(dòng)力封閉超壓有利富集成藏模式、多煤層連續(xù)性富集成藏模式和斷裂帶等高滲高產(chǎn)成藏模式。具體而言，宋巖 等認(rèn)為保存條件是成藏關(guān)鍵，建立了含氣量與滲透性耦合控藏模式、脆韌性過渡帶疊加控藏模式；林小英 等提出水動(dòng)力封堵和水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)類型；李勇 等提出以構(gòu)造、巖性、水動(dòng)力和復(fù)合型圈閉為主導(dǎo)的氣藏類型劃分方案；馮樹仁 等提出封閉斷層氣水圈閉、深層氣藏模式；涂志民 等建立了三塘湖盆地低階煤深部承壓式超壓成藏模式、盆緣緩坡晚期生物氣成藏模式、構(gòu)造高點(diǎn)常規(guī)圈閉水動(dòng)力成藏模式等。目前文獻(xiàn)報(bào)道的煤層氣成藏模式均是針對(duì)中淺部(層)欠飽和煤層，含氣飽和度低，不含游離氣，而深部(層)吸附氣和游離氣共存的成藏模式未見相關(guān)報(bào)道。

本文以鄂東緣臨興(煤層埋深大于1 800 m區(qū)域)、大寧-吉縣(煤層埋深大于2 000 m區(qū)域)、延川南(煤層埋深大于1 500 m區(qū)域)3個(gè)區(qū)塊為例，研究深部(層)煤層氣成藏特征及成藏模式，提出深部(層)煤層氣規(guī)模效益開發(fā)存在的瓶頸技術(shù)問題及針對(duì)性的技術(shù)發(fā)展方向，為國(guó)內(nèi)外深部(層)煤層氣規(guī)模效益開發(fā)理論研究、技術(shù)攻關(guān)方向與對(duì)策提供借鑒和啟示。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)主要位于鄂爾多斯盆地的山西省和陜西省境內(nèi)，北至神木、南至韓城，西鄰榆林-延安，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶和伊陜斜坡東部(圖1)，為走向NNE、向NW緩傾的單斜構(gòu)造[20-21]，區(qū)內(nèi)斷層以NE向逆斷層為主，斷距一般小于50 m，發(fā)育薛峰北、前高、離石、午城等大斷裂。研究區(qū)自下而上發(fā)育的沉積地層包括：奧陶系馬家溝組、石炭系本溪組以及二疊系太原組、山西組、石盒子組和石千峰組，其中山西組發(fā)育4+5號(hào)煤層，太原組發(fā)育8+9號(hào)煤層，厚度2～20 m，煤層埋深呈現(xiàn)東高西低特征，在400～2 800 m。臨興(煤層埋深大于1 800 m)、大寧-吉縣(煤層埋深大于2 000 m區(qū)域)、延川南(煤層埋深大于1 500 m區(qū)域)三個(gè)區(qū)塊自北向南分布于鄂東緣北部、中部、南部地區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置及地層綜合柱狀圖

2 成藏條件

2.1 生烴條件

鄂東緣石炭—二疊系太原組、山西組煤層發(fā)育廣泛，發(fā)育多套煤層，其中太原組8+9號(hào)煤層和山西組4+5號(hào)煤層穩(wěn)定發(fā)育，是鄂東緣煤層氣和煤系地層天然氣重要的烴源巖，本次研究以太原組8+9號(hào)煤層為主。

2.1.1煤層厚度特征

太原組8+9號(hào)煤層自北向南受沉積影響厚度差異較大，北部臨興區(qū)塊沉積環(huán)境為瀉湖—潮坪相，位于局部沉積中心，利于聚煤作用的發(fā)生[9]，煤層厚度1.6～12.8 m，平均6.04 m；中部大寧-吉縣區(qū)塊受太原組為三角洲—障壁砂壩—瀉湖相，處于沉積中心[10]，沉積穩(wěn)定，煤層厚度5.2～12.9 m，平均7.8 m；南部延川南區(qū)塊為障壁砂壩—瀉湖—潮坪相，煤層厚度2.8～6.9 m，平均4.6 m。

2.1.2煤巖煤質(zhì)特征

太原組8+9號(hào)煤層以原生結(jié)構(gòu)煤為主，煤心呈柱狀，完整性好，割理裂隙較發(fā)育，局部井區(qū)受張應(yīng)力影響，外生裂隙發(fā)育，應(yīng)力釋放后煤心碎裂(圖2)。宏觀煤巖類型以光亮煤和半暗煤為主，部分為半亮型煤。煤巖有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之。鏡質(zhì)組平均含量在臨興區(qū)塊為75.6%，大寧-吉縣區(qū)塊為85.5%，延川南區(qū)塊為76.8%。臨興區(qū)塊鏡質(zhì)體反射率Ro平均為1.8%，大寧-吉縣區(qū)塊Ro平均為2.7%，延川南Ro平均為2.46%，熱演化程度均較高，屬于中-高變質(zhì)程度。根據(jù)馬行陟等[22]室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，當(dāng)Ro≤3%時(shí)，熱演化程度越高，煤層生成甲烷量及吸附量就越大，可見鄂東緣深部(層)煤層具有生烴潛力強(qiáng)的特征。

圖2 鄂東緣不同區(qū)塊深部(層)煤巖照片

2.1.3煤巖含氣性特征

根據(jù)含氣量實(shí)測(cè)結(jié)果，臨興區(qū)塊太原組8+9號(hào)煤層含氣量13.94～18.14 m3/t，平均15.96 m3/t；大寧-吉縣區(qū)塊8+9號(hào)煤含氣量20.03～23.88 m3/t，平均22.36 m3/t；延川南區(qū)塊8+9號(hào)煤含氣量6.4～20.58 m3/t，平均12 m3/t。臨興區(qū)塊8+9號(hào)煤含氣飽和度45.6%～100%，屬于欠飽和-飽和氣藏；大寧-吉縣區(qū)塊含氣飽和度96.12%～100%，屬于欠飽和-飽和氣藏，氣體賦存狀態(tài)以吸附氣為主，局部富集游離氣；延川南區(qū)塊含氣飽和度39.51%～56.11%，屬于欠飽和氣藏(圖3)。

圖3 等溫吸附曲線

2.2 儲(chǔ)集條件

2.2.1儲(chǔ)集空間

大寧-吉縣區(qū)塊煤層裂隙主要為外生裂隙，貫穿于煤層中上部，寬度2～6 mm，從鏡下觀察發(fā)現(xiàn)張性裂隙、剪性裂隙廣泛發(fā)育(表1)，裂隙寬度5～10 μm，部分裂隙被碳酸鹽巖礦物填充[23-24]。割理廣泛發(fā)育，5～15條/5 cm?？紫兑约{米級(jí)的微孔為主，組織孔、胞腔孔、氣孔、晶間孔和溶蝕孔均發(fā)育，是束縛水與游離氣賦存的主要空間。臨興區(qū)塊煤層掃描電鏡分析結(jié)果，8+9號(hào)煤層主要發(fā)育水平裂縫，局部發(fā)育垂直裂隙[25]，割理裂隙發(fā)育，5～12條/5 cm，部分被碳酸鹽巖礦物填充，氣孔、組織孔均發(fā)育。

表1 大寧-吉縣區(qū)塊深部煤層儲(chǔ)層空間類型劃分

2.2.2物性特征

大寧-吉縣區(qū)塊深部(層)煤層具有微孔、小孔發(fā)育特點(diǎn)，8+9號(hào)煤層孔隙度2.74%～3.62%，平均3.13%。低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖4)，8+9號(hào)煤層孔隙以小于10 nm微孔為主，同時(shí)發(fā)育10～100 nm的小孔。壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖5)，8+9號(hào)煤層以微孔為主，孔喉半徑小。根據(jù)注入壓降測(cè)試結(jié)果，8+9號(hào)煤層滲透率(0.053～0.054)×10-3μm2；根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果，8+9號(hào)煤層滲透率(0.001～0.271)×10-3μm2，平均0.037×10-3μm2，在裂隙發(fā)育情況下，滲透率增加到(0.318～1.749)×10-3μm2，平均1.115×10-3μm2。臨興區(qū)塊8+9號(hào)煤層孔隙度[7-8,21]為4.21%～7.50 %，平均5.39%。低溫液氮吸附及壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(圖4、5)，8+9號(hào)煤層孔隙度小，孔喉半徑小，10～100 nm的孔隙最為發(fā)育,平均占比51.13%，大孔平均占比28.31%；延川南區(qū)塊的8+9號(hào)煤層孔隙度[26-28]為3.03%～6.22%，平均4.9%。，以微孔和過渡孔為主，微孔占比60.1%，孔隙連通性差。根據(jù)注入壓降測(cè)試結(jié)果，滲透率(0.017～0.169)×10-3μm2。

圖4 低溫液氮吸附孔徑分布

圖5 壓汞曲線

2.3 保存條件

2.3.1沉積環(huán)境對(duì)煤層氣保存的影響

研究區(qū)煤層頂板以灰?guī)r為主，局部地區(qū)發(fā)育泥巖；底板以泥巖為主，局部地區(qū)發(fā)育砂巖。煤層頂?shù)装宸馍w能力整體好，有利于煤層氣富集成藏。但是，受沉積環(huán)境控制，不同區(qū)塊形成了差異化的煤層及頂?shù)装褰M合類型。鄂東緣太原組臨興地區(qū)主要發(fā)育瀉湖—潮坪相[27]，大寧-吉縣地區(qū)主要發(fā)育三角洲—障壁砂壩—瀉湖相[10],延川南地區(qū)主要發(fā)育障壁砂壩—瀉湖—潮坪相。研究表明，研究區(qū)煤層與頂?shù)装褰M合關(guān)系主要發(fā)育以下2類5種：一類頂板為灰?guī)r，包括：頂板灰?guī)r-煤層-底板泥和頂板灰?guī)r-煤層-底板砂巖，主要分布在大寧-吉縣區(qū)塊和延川南區(qū)塊；另一類頂板為砂泥巖，包括頂板砂巖-煤層-底板砂巖、頂板砂巖-煤層-底板泥巖和頂板泥巖-煤層-底板泥巖(圖6)，主要分布在臨興、延川南區(qū)塊?？傮w上以三交-臨興為界，向南頂板以灰?guī)r為主，向北頂板以泥巖為主。

圖6 煤層及頂?shù)装蹇v向組合關(guān)系

2.3.2水文地質(zhì)對(duì)煤層氣保存的影響

水文地質(zhì)條件影響煤層氣保存，主要體現(xiàn)在以下2方面：一是水動(dòng)力強(qiáng)的徑流區(qū)沖刷煤層氣使得煤層氣逸散，二是水動(dòng)力條件弱的滯留區(qū)側(cè)向封堵煤層氣，有利于煤層氣保存和富集。

研究區(qū)含水層包括：第四系松散巖層、新近系—古近系砂礫巖層、二疊系—三疊系碎屑巖裂隙含水巖層、石炭系碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶-裂隙含水巖層、奧陶系—寒武系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖層。煤儲(chǔ)層地層水陽(yáng)離子主要為：K+、Na+、Ca2+、Mg2+，以Na+、Ca2+離子為主；陰離子主要包括：Cl-、SO42-、HCO3-，其中大寧-吉縣、臨興區(qū)塊以Cl-為主，延川南區(qū)塊以Cl-、HCO3-為主。大寧-吉縣、臨興區(qū)塊地層水礦化度高，總礦化度60 000～320 000 mg/L，主要以承壓水為主，水型以Ca-Cl2型為主。延川南區(qū)塊地層水礦化度4 000～50 000 mg/L，水型有Ca-Cl2型、Na-HCO3型。試采井日產(chǎn)水量3～13 m3，普遍小于3 m3，水動(dòng)力條件弱，有利于煤層氣的保存(表2)。

表2 大吉-臨興-延川南區(qū)塊水文地質(zhì)分析表

鈉氯系數(shù)(Na+/Cl-)和鈉鈣系數(shù)(Na+/Ca2+)是指示水動(dòng)力交替作用強(qiáng)度和地層水封閉性的指標(biāo)，其值越小，地層水封閉性越好，越利于煤層氣保存。大寧-吉縣、臨興區(qū)塊鈉氯系數(shù)0.21～0.54,鈉鈣系數(shù)0.07～0.80；延川南區(qū)塊鈉氯系數(shù)0.44～2.10，鈉鈣系數(shù)1.20～2.72。水文指標(biāo)分布特征表明，大寧-吉縣、臨興區(qū)塊深部(層)煤層水動(dòng)力條件弱，有利于煤層氣的富集保存，延川南保存條件相對(duì)較差。

2.4 深淺部(層)富集成藏條件對(duì)比

通過對(duì)比分析深、淺部(層)煤層成藏條件表明，深部(層)煤層氣具有煤層厚度大、煤體結(jié)構(gòu)完整、熱演化程度高、煤層含氣量高、含氣飽和度高、游離氣豐富、水動(dòng)力條件弱、頂?shù)装宸馍w能力好等有利成藏條件和基質(zhì)滲透率低、孔隙連通性差等不利成藏條件(表3)。

2.5 成藏特征

研究區(qū)深部(層)煤層具有“廣覆式生烴、自生自儲(chǔ)毯式成藏”特征(圖7)。廣覆式生烴主要是指深部(層)煤層全區(qū)發(fā)育，分布連續(xù)穩(wěn)定，厚度大；煤層熱演化程度高，Ro為2.5%～2.7%，達(dá)到了成熟階段；在晚侏羅世—早白堊世，地層溫度達(dá)到120～140 ℃，生成大量煤層氣，具有全區(qū)大面積廣泛覆蓋生烴特征。自生自儲(chǔ)是指深部(層)煤層既是烴源巖也是儲(chǔ)集層，毯式成藏是指深部(層)煤層割理裂隙發(fā)育，張性裂隙、剪性裂隙、組織孔、胞腔孔、氣孔、晶間孔和溶蝕孔廣泛發(fā)育，孔隙以小孔微孔為主與毯子結(jié)構(gòu)相似，是煤層游離氣主要賦存空間。受溫度壓力影響，深部(層)煤層氣呈現(xiàn)出高飽和、高壓束縛游離氣與吸附氣共存特征，在溫度65 ℃、地層壓力22 MPa條件下，甲烷密度為127.28 kg/m3，游離氣以高壓壓縮氣狀態(tài)賦存于微裂隙及微孔中，吸附氣主要在孔隙內(nèi)煤基質(zhì)表面吸附[29]。實(shí)鉆取心含氣量測(cè)試和等溫吸附測(cè)試可知：大寧-吉縣區(qū)塊深部(層)煤層解吸氣量平均達(dá)27.5 m3/t、淺部(層)含氣量平均為12.36 m3/t(表3)，煤層具有高含氣特征。

表3 鄂東緣深淺部(層)富集成藏條件對(duì)比表

圖7 廣覆式生烴、自生自儲(chǔ)毯式成藏示意圖

3 成藏模式

通過對(duì)鄂東緣典型區(qū)塊太原組8+9號(hào)煤層烴源、儲(chǔ)層和保存等成藏條件分析，結(jié)合開發(fā)動(dòng)態(tài)資料，建立了微幅褶皺、單斜與水動(dòng)力耦合、斷層與水動(dòng)力耦合、鼻狀構(gòu)造等4類深部(層)煤層氣成藏模式。

3.1 微幅褶皺成藏模式

微幅褶皺成藏模式是指煤儲(chǔ)層熱演化程度高、生烴潛力好、受微幅褶皺影響儲(chǔ)層裂隙發(fā)育、頂?shù)装宸馍w性能好、吸附氣與游離氣共存的一種成藏模式。該類成藏模式在大寧-吉縣區(qū)塊、臨興區(qū)塊廣泛發(fā)育(圖8a)，具有以下主要特征：①生烴條件：煤層熱演化程度高，Ro大于2.0%，煤層厚度一般大于5 m，生烴潛力強(qiáng)，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)煤為主；②儲(chǔ)集條件：儲(chǔ)層裂隙-割理發(fā)育，微構(gòu)造發(fā)育，受擠壓應(yīng)力影響，褶皺局部高點(diǎn)張裂隙廣泛發(fā)育，為游離氣賦存提供儲(chǔ)集空間，游離氣富集，易形成高產(chǎn)；③保存條件：地層傾角小于3°，無斷層發(fā)育，煤層頂板為致密灰?guī)r或泥巖，地層水水型為Ca-Cl2型，礦化度高(一般大于100 000 mg/L)，水動(dòng)力條件為承壓區(qū)，保存條件好；④井生產(chǎn)特征：壓裂后能點(diǎn)火可燃，投產(chǎn)后可以自噴生產(chǎn)。

圖8 鄂東緣典型成藏模式

以大寧-吉縣區(qū)塊大吉2-2B向3井、大吉1-3井為例，2口井均為大寧-吉縣區(qū)塊定向井，其中大吉2-2B向3井位于局部構(gòu)造高點(diǎn)，大吉1-3井位于局部構(gòu)造低點(diǎn)，2口井均采用大規(guī)模壓裂方式，入井液量分別為3 034.8 m3和3 146.6 m3，加砂量分別為411 m3和421 m3，大吉2-2B向3井壓裂后放噴點(diǎn)火可燃，火焰高度1～5 m，目前自噴生產(chǎn)，日產(chǎn)氣量2.3萬m3，成為國(guó)內(nèi)煤層氣直井最高產(chǎn)量井。大吉1-3井壓裂后放噴點(diǎn)火不可燃，采用抽油機(jī)+有桿泵生產(chǎn)，目前日產(chǎn)氣量653 m3(圖9、10)。

圖9 大吉2-2B向3井生產(chǎn)曲線

圖10 大吉1-3井生產(chǎn)曲線

3.2 單斜與水動(dòng)力耦合成藏模式

單斜與水動(dòng)力耦合成藏模式是指煤儲(chǔ)層生烴后受構(gòu)造抬升影響、以吸附氣為主(不含或含少量游離氣)、受水力封堵影響而聚集成藏的一種成藏模式。該類成藏模式含氣性相對(duì)微幅褶皺較差，在大寧-吉縣、臨興、延川南均發(fā)育(圖8b)，具有以下主要特征：①生烴條件：煤層熱演化程度中—高，Ro大于1.8%，煤層厚度一般大于3.5 m，生烴潛力大，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)為主；②儲(chǔ)集條件：受單斜構(gòu)造影響，不含(或含少量)游離氣，構(gòu)造抬升過程中游離氣溢散至其他層位；③保存條件：保存條件較好，煤層頂板為致密灰?guī)r或泥巖，深部地層礦化度高(80 000～200 000 mg/L)，水型為 Ca-Cl2型，水動(dòng)力條件由淺到深從徑流區(qū)-弱徑流區(qū)-承壓區(qū)過渡，水動(dòng)力條件較弱，有利于富集成藏；④生產(chǎn)特征：壓裂后能點(diǎn)火不燃，投產(chǎn)后不能自噴生產(chǎn)，需要三抽設(shè)備輔助生產(chǎn)。

以大寧-吉縣區(qū)塊大吉9-9向2井為例，該井是大寧-吉縣區(qū)塊定向井，位于東部斜坡帶，采用大規(guī)模壓裂方式，入井液量3 051 m3，加砂量為181 m3，采用抽油機(jī)+有桿泵生產(chǎn)，目前日產(chǎn)氣量4 500 m3(圖11)。

圖11 大吉9-9向2井生產(chǎn)曲線

3.3 斷層與水動(dòng)力耦合成藏模式

斷層與水動(dòng)力耦合成藏模式是指受斷層影響煤層及上覆地層破碎、斷裂帶形成的泥巖涂抹帶滲透性較差、氣水運(yùn)移困難形成良好封閉空間、阻止煤層氣逸散使煤儲(chǔ)層含氣量較高[7]的一種成藏模式，其特點(diǎn)是煤儲(chǔ)層上覆巖層為灰?guī)r或泥巖使煤儲(chǔ)層中不存在地下水的垂向補(bǔ)給，斷層封堵和水動(dòng)力條件形成良好的時(shí)空匹配。該類成藏模式在臨興區(qū)塊、延川南區(qū)塊廣泛發(fā)育(圖8c)，具有以下主要特征：①生烴條件：煤層熱演化程度中—高，Ro一般大于1.8%，煤層厚度一般大于3.5 m，生烴潛力強(qiáng)，煤體結(jié)構(gòu)以碎裂煤為主；②儲(chǔ)集條件：斷層發(fā)育，斷層上下盤含氣差異較大，逆斷層上盤靠近斷層帶裂隙發(fā)育，為游離氣賦存提供空間，下盤受斷層和水動(dòng)力耦合影響，主要以吸附氣為主；③保存條件：保存條件較好，煤層頂板為致密灰?guī)r或泥巖，具有良好的封蓋性封蓋條件好。深部地層礦化度高，一般大于50 000 mg/L,水型為 Ca-Cl2型，水動(dòng)力條件較弱；④生產(chǎn)特征：壓裂后能點(diǎn)火不燃，投產(chǎn)后不能自噴生產(chǎn)，需要三抽設(shè)備輔助生產(chǎn)。

3.4 鼻狀構(gòu)造成藏模式

鼻狀構(gòu)造成藏模式是指受構(gòu)造擠壓影響局部地區(qū)發(fā)育鼻狀構(gòu)造、構(gòu)造和水文條件有利、鼻狀構(gòu)造隆起區(qū)為煤層氣富集成藏有利區(qū)域、吸附氣量與游離氣共存且游離氣含量高的一種成藏模式。該類成藏模式在大寧-吉縣、臨興均有均發(fā)育(圖8d)，有利于獲得煤層氣高產(chǎn)，具有以下主要特征：①生烴條件：煤層熱演化程度高，Ro大于2.0%，煤層厚度一般大于5 m，生烴潛力強(qiáng)，煤體結(jié)構(gòu)以原生結(jié)構(gòu)為主；②儲(chǔ)集條件：受鼻狀構(gòu)造形態(tài)影響，張裂隙廣泛發(fā)育，為游離氣賦存提供條件，深部生成的氣體沿著裂隙向上運(yùn)移至局部構(gòu)造高點(diǎn)；③保存條件：鼻狀構(gòu)造區(qū)域處于滯留水區(qū)，地層水礦化度80 000～200 000 mg/L,水型為 Ca-Cl2型，屬于弱徑流區(qū)-承壓區(qū)，水動(dòng)力條件較弱，有利于富集成藏；④生產(chǎn)特征，壓裂后能自噴生產(chǎn)。

以大寧-吉縣區(qū)塊高4-3井為例，該井是大寧-吉縣區(qū)塊直井，位于鼻狀構(gòu)造軸部，采用大規(guī)模壓裂方式，入井液量2 898 m3，加砂量402 m3，壓裂后自噴生產(chǎn)，日產(chǎn)氣量1.2×104m3(圖12)。

圖12 高4-3井區(qū)生產(chǎn)曲線

4 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方向及不同成藏模式技術(shù)對(duì)策

與淺部(層)煤層氣相比，深部(層)煤儲(chǔ)層在構(gòu)造、埋深、壓力、溫度、地應(yīng)力、物性、含氣性等方面均有顯著差異，現(xiàn)有淺部(層)形成的地質(zhì)評(píng)價(jià)和工程工藝技術(shù)難以完全適應(yīng)深部(層)煤儲(chǔ)層條件，需要針對(duì)深部(層)煤層氣藏特點(diǎn)和難題，開展相應(yīng)的理論與技術(shù)攻關(guān)[30]，這里特別強(qiáng)調(diào)的是地質(zhì)-工程一體化、工程技術(shù)對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性的“雙甜點(diǎn)綜合定量評(píng)價(jià)”技術(shù)攻關(guān)，以解決深部(層)煤層氣藏高效開發(fā)面臨的諸如儲(chǔ)層精細(xì)描述與甜點(diǎn)區(qū)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)、基于地質(zhì)-工程一體化的鉆井、壓裂等理論技術(shù)難題，推動(dòng)深部(層)煤層氣規(guī)模效益開發(fā)。

4.1 地質(zhì)-工程一體化甜點(diǎn)綜合定量評(píng)價(jià)

針對(duì)深部(層)煤層氣開發(fā)效果密切相關(guān)的地質(zhì)關(guān)鍵問題，以控藏成藏研究為基礎(chǔ)，揭示影響深部(層)煤層氣開發(fā)效果的地質(zhì)-工程關(guān)鍵控制因素，形成深部(層)煤層氣地質(zhì)-工程一體化甜點(diǎn)優(yōu)選技術(shù)、井網(wǎng)優(yōu)化及產(chǎn)能評(píng)價(jià)技術(shù)，支撐深部(層)煤層氣大規(guī)模高效建產(chǎn)。重點(diǎn)開展以下五方面的研究：①深部(層)煤儲(chǔ)層構(gòu)造、水文、地應(yīng)力、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)對(duì)富集影響研究；②深部(層)煤儲(chǔ)層氣水產(chǎn)出物理—化學(xué)性質(zhì)動(dòng)態(tài)及其主控因素；③煤儲(chǔ)層開發(fā)效果地質(zhì)—工程關(guān)鍵控制因素研究；④地質(zhì)-工程開發(fā)甜點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與模型；⑤井型、井網(wǎng)、井距優(yōu)化及合理產(chǎn)能評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。

4.2 工廠化水平井優(yōu)快鉆完井關(guān)鍵技術(shù)

工廠化大叢式水平井開發(fā)是深部(層)煤層氣高效開發(fā)的必由之路，是提升全生命周期開發(fā)效果的重要途徑，主要包括提高甜點(diǎn)鉆遇率、增加水平段長(zhǎng)、降低鉆井成本[31-34]。需要開展的技術(shù)攻關(guān)有：①精優(yōu)軌跡設(shè)計(jì)，建立水平井超前導(dǎo)向與多約束井眼軌跡設(shè)計(jì)方法；②三精導(dǎo)向技術(shù)建立與實(shí)施，為了提高黃金靶體鉆遇率，充分利用地震、測(cè)錄井、地質(zhì)等多元信息，開展精細(xì)地質(zhì)建模、精準(zhǔn)軌跡優(yōu)化，精優(yōu)導(dǎo)向?qū)嵤?，充分利用工廠化作業(yè)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型不斷更新迭代，保障甜點(diǎn)鉆遇率；③低成本防漏防塌快脫氣綜合作用機(jī)理及鉆井液調(diào)控技術(shù)研究，基于鉆井液體系的防漏、防塌、脫氣單一作用機(jī)理，結(jié)合性能及作用效果，揭示深部煤巖鉆井液體系綜合作用機(jī)理，形成深部煤層全井筒防漏防塌快脫氣鉆井液技術(shù)及性能調(diào)控方法；④深部(層)煤層氣水平井高效密封固井技術(shù)研究，構(gòu)建深部煤層固井水泥漿及隔離液體系，開展水平井套管安全下入、提高頂替效率等工藝研究。

4.3 水平井大規(guī)模體積縫網(wǎng)儲(chǔ)層改造等關(guān)鍵技術(shù)

深部(層)儲(chǔ)層具有高地應(yīng)力、高地層溫度、高破裂壓力、高彈性模量、低泊松比“4高1低”特征。特殊的巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)復(fù)雜縫網(wǎng)形成增加了難度，但深部(層)煤儲(chǔ)層具有原生結(jié)構(gòu)煤為主、與頁(yè)巖有相似脆性、割理裂隙廣泛發(fā)育(5～15條/5 cm)特點(diǎn)，為縫網(wǎng)體積壓裂提供了有利的地質(zhì)條件。生產(chǎn)實(shí)踐表明，大規(guī)模(超大規(guī)模)壓裂是獲得高效開發(fā)的重要途徑(表4)，如何降低割理裂隙造成的濾失、提高深部(層)煤儲(chǔ)層加砂強(qiáng)度和加砂規(guī)模成為提升儲(chǔ)層改造效果的關(guān)鍵點(diǎn)。需要開展三方面研究：①工程-地質(zhì)一體化選段選簇技術(shù)。以地質(zhì)力學(xué)為橋梁，建立以隨鉆GR、氣測(cè)錄井、巖屑錄井、巖石力學(xué)參數(shù)等多參數(shù)組合的分段分簇技術(shù)，通過工程地質(zhì)參數(shù)與產(chǎn)量擬合，采用數(shù)據(jù)挖掘方式，明確各參數(shù)對(duì)儲(chǔ)層改造效果影響權(quán)重，建立可壓裂性綜合指數(shù)，定量化評(píng)價(jià)儲(chǔ)層改造潛力，沿軌跡方向優(yōu)化段簇?cái)?shù)，結(jié)合油(氣)藏?cái)?shù)值模擬，確定最佳段簇?cái)?shù)。②大規(guī)?？p網(wǎng)壓裂機(jī)理研究。通過大規(guī)模、高強(qiáng)度加砂實(shí)現(xiàn)多裂縫開啟、長(zhǎng)距離延伸，增大支撐半徑的壓裂效果；通過縫網(wǎng)形成機(jī)理研究，明確縫網(wǎng)形成的地質(zhì)、工程主控因素，開展精細(xì)壓裂地質(zhì)建模，指導(dǎo)縫網(wǎng)壓裂工程設(shè)計(jì)。③研發(fā)低成本、免配液、耐鹽、可重復(fù)利用的一體化壓裂液體系壓裂液。應(yīng)對(duì)深部(層)煤層氣井壓后返排液量大、礦化度高、重復(fù)利用難度大、安全環(huán)保面臨較大挑戰(zhàn)的難題。

表4 大規(guī)模壓裂與小規(guī)模壓裂生產(chǎn)效果對(duì)比表

4.4 不同成藏模式技術(shù)對(duì)策

根據(jù)近兩年來的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)前文所述的四類成藏模式分別采取不同的井網(wǎng)部署方式及工程工藝技術(shù)對(duì)策。針對(duì)富含游離氣的微幅構(gòu)造成藏、鼻狀構(gòu)造成藏模式的兩類區(qū)域，采用大井距(井距350～450 m)、長(zhǎng)水平段(水平段長(zhǎng)度大于2 000 m)井網(wǎng)模式部署、大排量(排量大于15 m3/min)、大砂量(每段加砂量大于450 m3)大規(guī)模壓裂、自噴生產(chǎn)+速度管柱泡排輔助生產(chǎn)模式，以便全生命周期降低成本、提高開發(fā)效益；針對(duì)單斜與水動(dòng)力耦合、斷層與水動(dòng)力耦合成藏模式的兩類區(qū)域，采用小井距(280～350 m)、常規(guī)水平井(水平段長(zhǎng)度1 000～1 500 m)井網(wǎng)模式部署、適度規(guī)模壓裂(排量10～15 m3/min，每段加砂量300～350 m3)、三抽輔助生產(chǎn)模式，達(dá)到全生命周期提高儲(chǔ)量動(dòng)用率的目的。

5 結(jié)論

1)深部(層)煤層氣具有煤層厚度大、煤體結(jié)構(gòu)完整、熱演化程度高、煤層含氣量高、含氣飽和度高、游離氣豐富、水動(dòng)力條件弱等有利成藏條件和基質(zhì)滲透率低、孔隙連通性差等不利成藏條件，具有“廣覆式生烴、自生自儲(chǔ)毯式成藏”特征。

2)基于生烴、儲(chǔ)集、保存等成藏條件及開發(fā)動(dòng)態(tài)特征分析，提出深部(層)煤層氣微幅褶皺、單斜與水動(dòng)力耦合、斷層與水動(dòng)力耦合、鼻狀構(gòu)造等4類成藏模式。其中微幅構(gòu)造、鼻狀構(gòu)造成藏模式，具備吸附氣和束縛游離氣共存特征，單斜與水動(dòng)力耦合、斷層與水動(dòng)力耦合成藏模式主要以吸附氣為主。

3)深部(層)煤儲(chǔ)層在構(gòu)造、埋深、壓力、溫度、地應(yīng)力、物性、含氣性等方面與淺部(層)煤層氣具有顯著差異，針對(duì)深部(層)煤層氣藏特點(diǎn)和難題，特別強(qiáng)調(diào)地質(zhì)-工程一體化、工程技術(shù)對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性的“雙甜點(diǎn)綜合定量評(píng)價(jià)”是未來實(shí)現(xiàn)深部(層)煤層氣效益開發(fā)的主要技術(shù)攻關(guān)方向，包括開展地質(zhì)-工程甜點(diǎn)綜合定量評(píng)價(jià)、工廠化水平井優(yōu)快鉆完井、水平井大規(guī)模體積縫網(wǎng)儲(chǔ)層改造等。

4)針對(duì)不同成藏模式，分別采取不同的井網(wǎng)部署方式及工程工藝技術(shù)對(duì)策，達(dá)到全生命周期提高儲(chǔ)量動(dòng)用率目的。微幅構(gòu)造、鼻狀構(gòu)造成藏模式，采用大井距、長(zhǎng)水平段、大排量、大砂量、自噴生產(chǎn)+速度管柱泡排輔助生產(chǎn)開發(fā)模式；單斜與水動(dòng)力耦合、斷層與水動(dòng)力耦合成藏模式，采用小井距、常規(guī)水平井、適度規(guī)模壓裂、三抽輔助生產(chǎn)開發(fā)模式。