中国高煤阶煤层气成藏特征

国内学者普遍认为高煤阶煤层由于其演化程度较高、割理不发育、煤层的渗透率极低而低估了勘探前景，以至于形成了煤层气勘探的“禁区”。中国地质条件和含煤盆地的构造活动要比美国复杂得多，煤层气的生成和富集有着自身的特点，而且多数煤层在其沉积后经历了多个期次、多个方向的应力场改造，而且大部分高煤阶形成与岩浆热变质事件有关。这些因素使得高煤阶的气体成因、物性特征、水文地质条件、含气性和成藏过程等都与低煤阶和国外高煤阶明显不同，有可能形成煤层气高产富集区，形成煤层气勘探的有利地区。     

中国高煤阶地区的煤层气勘探理论与实践

通过对中美两国煤层气生成地质条件的对比,认为中国煤层气形成和富集有着不同于美国的特征。我国华南和华北地区广泛分布高煤阶煤层,煤层气资源丰富。在成煤后期多个方向和期次的构造运动改造下,部分高煤阶煤层的渗透性有可能得到改善。通过地质研究,可以在高煤阶地区找到高产富集区。在这种思路指导下,在我国沁水含煤盆地南部无烟煤地区发现了大型高煤阶煤层气田——沁水煤层气田。这不仅丰富了煤层气富集成藏理论,对于拓展煤层气勘探领域也具有重要意义。      

沁水煤层气田成藏条件及勘探开发关键技术

沁水盆地历经了油气普查和煤层气勘探开发2个阶段（共60余年）的探索，现已成为中国最大的煤层气产业化基地，也是世界上高煤阶含煤盆地煤层气成功实现商业化的典范。尽管高煤阶煤层气田具有低压力、低渗透率、低饱和度、非均质性强的"三低一强"特征，但勘探实践和研究表明，沁水盆地煤层气成藏条件优越，主力产层太原组15#煤层和山西组3#煤层为陆表海碳酸盐台地沉积体系及陆表海浅水三角洲沉积体系，煤层厚度大、多由腐殖煤类构成，主要含镜质组。受燕山期构造热事件影响，煤层煤阶高、吸附能力强、含气量大。煤层气成藏经历了两次生烃、气体相态转化和水动力控制顶、底板封闭的3个阶段。针对沁水盆地地形及高煤阶特征，形成了山地地震采集、处理和解释技术，丛式井钻完井技术，"复合V型"为主的多水平井钻完井技术，解堵性二次压裂增产技术，高煤阶煤层气排采控制工艺，煤层气集输技术等一系列关键勘探开发技术，有效支撑了沁水盆地高煤阶煤层气的规模开发和工业化发展。     

我国高低煤阶煤层气成藏的差异性

从煤层气成藏的气源条件、煤层的储集能力、煤层的物性、煤层的水文地质条件和成藏过程 等方面，分析了高煤阶煤层气和低煤阶煤层气成藏的差异性。在分析过程中考虑了构造热事 件对高煤阶煤层气藏物性的改造作用和生物气、游离气在低煤阶煤层气成藏过程中的作用。 最后,在分析煤层气成藏差异性的基础上,得出了高低煤阶煤层气藏的优点和缺点,指出中 国高煤阶煤层气和低煤阶煤层气均有开采价值。     

对于高煤阶煤层气资源科学开发的思考

我国煤层气产业已经历10多年的发展,逐步建成了沁水盆地和鄂尔多斯盆地两个产业基地,但平均单井产气量低仍然是制约中国煤层气高效开发的最大难题。目前高煤阶煤层气产量已占到我国煤层气总产量的90%以上,而高煤阶煤层气资源今后将大比例转入中深层开采,面对不同的构造场、应力场、裂隙场等复杂的煤层气赋存流动条件,现有的工程技术手段与地质适配性都面临着的巨大挑战。为此,以中国石油华北油田公司沁水盆地高煤阶煤层气技术攻关与实践为范例,剖析煤层气"四低"(储量有效动用率低、剩余可动用储量低、单井产气量低、开发利润低)开发现象,辩证思考煤层气开发的本质。研究结果表明:①对于煤层气储量可采性、地质差异性、工程技术适应性、科学排采方面的认识不到位是目前煤层气开发存在的重大问题;②必须破解现有技术条件下开发储量的控制技术、经济产能建设的区域优选技术、适应地层特征的工程技术、开发方案的顶层设计技术等关键瓶颈,此为实现煤层气科学开发的必经之路;③打破传统地质认识,突破以往认为埋深800 m以深的煤层气不宜开发的思想限制,高煤阶的马必东地区、中煤阶的大城凸起的煤层气开发实践成效已经证实:埋深既不是决定煤层气是否能够开发的界限条件,中深层也不是煤层气开发的禁区。     

不同煤阶煤层气吸附、解吸特征差异对比

研究煤层气吸附、解吸特征差异，是揭示煤层气成藏机理及高效开发煤层气的基础。高、低煤阶煤层气藏吸附、解吸特征受煤储层物性差异的控制，呈现出显著差别，目前这方面的研究还基本上处于空白。利用煤层气成藏物理模拟及热变模拟实验等手段，研究了高、低煤阶煤层气吸附、解吸特征的根本性差异，并深入剖析了该差异的形成机制。结果显示：高煤阶煤层气藏吸附平衡时间长且较分散，初期相对解吸百分率与相对解吸速率低；低煤阶煤层气藏吸附平衡时间短而集中，初期相对解吸百分率与相对解吸速率高；其化学分子结构、物理结构及显微组分的差异是导致该差异的主要原因。因此，高煤阶煤层气藏解吸效率较低，开发难度较大，低煤阶煤层气藏开发较容易。同时，构造热事件对高煤阶煤储层的改造作用很显著，有助于高煤阶煤层气藏的开发生产。     

钻井液对高煤阶煤层气解吸率损害评价方法研究

高煤阶煤层气储层渗透率极低,孔隙空间小,在钻井液侵入后极易改变煤层孔隙结构或孔隙分布,直接影响煤层气的产出。因此,高煤阶煤层气储层受钻井液影响后的解吸率损害评价成为煤层气储层损害评价的一个重要指标。结合煤层气储层特点和钻开储层后钻井液侵入方式,建立了钻井液对煤层气解吸率损害的评价方法,以便深入研究煤层气储层损害规律,形成煤层气储层保护技术。     

水动力对煤层气成藏的差异性研究

水文地质条件是煤层气富集成藏的关键因素，一般认为地层总矿化度高值区的形成反映为闭塞的水动力环境，水体外泻条件差，封闭条件极好，因而，地层水的矿化度是反映煤层气运聚、保存和富集成藏的一个重要指标。通过研究发现，高煤阶煤层气符合上述规律，但是低煤阶煤层气却正好相反，低煤阶由于其生气量较小，其煤层气富集成藏的关键在于二次生物成因气，而活跃的、低矿化度的地层水有利于二次生物气的生成。研究结果对我国西北低煤阶煤层气勘探具有实际意义。     

高煤阶与低煤阶煤层气藏物性差异及其成因

利用扫描电镜、煤层气成藏物理模拟及热变模拟实验手段,系统研究了高煤阶、低煤阶煤储层在孔隙特征、渗透性、吸附/解吸特征等方面的根本性差异,并深入剖析了该差异的形成机制。研究结果显示,高煤阶气藏的孔隙度低,渗透性差,吸附平衡时间长且较分散,初期相对解吸率与相对解吸速率低;低煤阶气藏孔隙度高,渗透性好,吸附平衡时间短而集中,初期相对解吸率与相对解吸速率高。煤的化学分子结构、物理结构及显微组分的差异是导致其差异的主要原因。因此,高煤阶煤层气藏解吸效率较低,开发难度较大,而低煤阶煤层气藏开发较容易。同时,构造热事件对高煤阶煤储层的改造作用很显著,有利于高煤阶煤层气藏开发。     

煤层气基础理论、聚集规律及开采技术方法进展

煤层气以呈吸附状态赋存在煤储集层中而有别于常规天然气,导致煤层气藏的形成机制和开发原理与常规天然气藏截然不同。围绕煤层气基础地质理论、煤层气聚集规律和煤层气勘探技术方法三方面,重点研究煤层气的生成、成藏理论、成藏条件,总结出我国以高煤阶无烟煤煤层气富集成藏为代表的煤层气聚集规律,同时对目标区预测技术和低渗强化开采的工艺技术进行分析,提出开展煤层气生成及储集层非均质性研究、煤层气富集成藏机制分布规律和高效勘探开发技术机理研究是解决制约我国煤层气工业取得突破的有效途径。参21     

中国煤层气资源特点及开发对策

据新一轮全国油气资源评价结果,我国埋深在2 000 m以浅的煤层气资源量为36.8×1012 m3,煤层气资源十分丰富,其中赋存在低、中、高煤阶中的煤层气资源各占30%左右。分别以国内高、中、低煤阶代表性的盆地--沁水、鄂尔多斯和准噶尔3个盆地为对象,通过研究其基本地质条件、资源丰度及勘探开发状况,认为煤层气资源规模开发要立足大型含煤盆地和构造相对稳定的含煤盆地展开。高煤阶煤层开发应以斜坡带的承压水区、滞留水区及相对构造高部位为目标区;中煤阶煤层生、储条件好,部署应避开甲烷风化带和断层带;低煤阶煤层开发应考虑具多种气源条件和构造相对稳定的区块。     

中国低煤阶煤层气的勘探已启动

中国石油的有关专家除了肯定有远景的中、高煤阶煤层气勘探项目外,对远景较差的低煤阶煤层气勘探项目,也给予了肯定。我国低煤阶煤炭（褐煤、亚烟煤）主要分布在西部,部分分布在东北。低煤阶煤层气资源量约占煤层气总资源量的３０％左右。世界上开发、生产煤层气最多的是美国,主要开发中煤阶煤层气。我国在过去十年中,对中、高煤阶煤层气的勘探已取得了相当好的成果。近年来,美国在怀俄明州的粉河盆地,对低阶煤层气的勘探与开发取得了重大突破。相应的研究指出,低煤阶的煤炭环境温度低（小于５０℃）,很难形成热成因煤层气,但可以…     

高阶煤储层固-流耦合控产机理与产量模式

高煤阶煤层气资源占中国煤层气资源总量的21.2%,是中国目前产量规模最大的煤层气资源。开展高煤阶煤储层控产机理和控产模式研究,有利于提高煤层气有利建产区优选成功率。研究认为,构造和水动力条件是高煤阶煤层气富集的两大主控因素,煤储层微裂隙发育程度、地应力、储层流体可疏导性是控产的3个关键要素。基于这些认识,定义了微裂隙发育指数、地应力控产指数和储层流体可疏导指数,建立了控产效应量化评价方法及三大类12种产量模式,讨论了各种模式的主要控产因素。采用储层流体可疏导指数,量化表征了固态储层、地层流体之间的相互作用效应。提出了三向主应力综合控产的认识,突破了传统上以单一方向应力大小(深度效应)评价控产效应的局限。对比分析开发资料,应用该套评价体系建立的产量模式与实际生产情况高度吻合,验证了控产机理、效应评价方法和控产模式的可靠性。     

鄂尔多斯盆地彬县—长武地区低煤阶煤层气成藏特点

鄂尔多斯盆地彬县—长武地区(以下称"彬长地区")的低煤阶煤层气资源量丰富,勘查程度较高。与高煤阶煤层气成藏特征相比,低煤阶由于热演化程度较低,生气量受到构造演化史、沉积相的限制,同时保存条件影响了煤层气成藏。阐述了彬长地区低煤阶煤层气基本地质条件,并且从构造、沉积和水动力条件三个方面分析了低煤阶煤层气成藏特点。通过研究认为侏罗系延安组8号煤是彬长区块的主要目标层位,而且厚度较大,渗透性较好,尤其是研究区中南部的8号煤层又具有有利的盖层条件,是煤层气的富集区。     

高煤阶煤的吸附特征分析

利用沁水盆地煤层气相关资料和煤层气等温吸附实验方法,对高煤阶煤吸附特征及其影响因素进行了分析：分析表明：煤吸附能力受温度和压力综合作用影响,煤中水分含量的增加降低了煤岩的吸附性,兰氏压力在一定条件下随镜质体反射率的增大而增大,并认为煤阶和显微组分是影响沁水盆地高煤阶煤吸附特征的主控因素。     

沁水盆地高煤阶煤层气高效开发关键技术与实践

中国高煤阶煤层气资源量丰富,占煤层气总地质资源量的三分之一,其高效开发利用对保障国家能源战略安全,降低煤矿生产安全隐患,减少二氧化碳排放具有重要意义。为了解决制约我国高煤阶煤层气产业发展的“四低”(探明储量有效动用率低、产能到位率低、单井产量低、开发利润低)问题,在深入分析制约高煤阶煤层气开发核心问题的基础上,通过理论研究与技术研发并重、室内攻关与现场试验并行,规模建设与效益开发并举等多种举措,提出了控产选区评价等新方法。研究结果表明 ：(1)煤层气地质和煤矿地质差异、储量可开采性差异、工程技术适应性、排采科学性是制约煤层气开发效果的主要因素;(2)提出了“四要素”控产认识,疏导式工程改造方法,疏导式排采控制认识,指导建立了高煤阶煤层气高效开发技术系列 ;(3)经实践,优质储量控制程度由 32% 提高到 80%,开发井成功率由 60% 提高至 95%,直井平均单井日产气量提高约 1 100 m~3,水平井钻井费用降低 50 %,单方气操作成本降低 24%。结论认为,建立的高煤阶煤层气高效开发技术系列,有力推进了沁水盆地煤层气高效开发,“十四五”中期,中国石油华北油田煤层气年产气量有望达...     

高、低煤阶煤层气藏成藏过程及优势地质模型

在构造演化研究的基础上,对比了典型的高、低煤阶煤层气藏的形成过程,探讨了决定现今煤层气藏富集程度的关键因素。高煤阶煤层气藏由于生气量足,成藏过程复杂,通常经历了多次沉降、抬升及改造,到最高演化程度后就不再有煤层气的生成,其形成具有明显的阶段性,故现今煤层气的富集程度主要取决于保存条件;而低煤阶煤层气藏成藏过程简单,煤层形成后一般只经历了一次沉降,一次抬升,受现今地下水的补给、运移、排泄和滞流的控制作用。基于以上认识,分别建立了封闭系统高煤阶煤层气藏优势地质模型和盆缘缓坡低煤阶煤层气藏优势地质模型。     

构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集层物性的影响

构造抬升对高、低煤阶煤层气藏储集层物性的影响具有显著差异。低煤阶煤层主要为基质型孔隙，高煤阶煤层主要为裂隙型孔隙。煤岩储集层原地受力分析表明，构造抬升使得基质承受的压力降低。构造抬升模拟实验及煤基质、裂隙渗透率应力敏感性实验表明，构造抬升后煤层压力传导加速，割理开启，渗透率变大；基质渗透率比裂隙渗透率的应力敏感性弱。分析认为：构造抬升对高煤阶煤储集层物性影响明显，地层压力降低，割理、裂缝开启，裂隙渗透率显著增强；高煤阶煤层强烈抬升会使其渗透率增大，造成气体大量散失，对煤层气聚集不利；低煤阶煤层储集层物性受构造抬升影响较弱，由于构造抬升，压力降低，煤层气运移速率增大，对煤层气开采有利。图4参19     

煤层气藏成藏过程研究

煤层气藏成藏过程是反映煤层气富集成藏的演化史，研究高、低煤阶煤层气成藏过程及其差异性是研究煤层气富集成藏的重要组成部分。为此，以我国沁水、阜新盆地和美国粉河盆地为例，探讨了高、低煤阶煤层气的成藏过程，分析了现今地下水的补给、运移、排泄和滞流等格局对煤层气藏后期调整和改造所起的不同作用。研究表明，高煤阶气藏成藏过程复杂，且具有明显的阶段性，现今地下水格局对气藏的形成具有一定的影响；低煤阶气藏具有持续性的特征，地下水格局对气藏的调整和改造起到了决定性的影响。     

国内外煤层气地质对比及其启示

美国、澳大利亚和中国的含煤盆地均很多,但煤层气地质条件差异很大。其中多数盆地地质条件较差,仅少数盆地煤层气资源富集,储层特征和构造、水文条件优越,勘探开发效果好。在圣胡安、沁水等勘探效果良好的盆地内,不同区带（地区）也存在巨大差异。根据煤层气地质条件、富集成藏模式以及开发技术条件,可分为中-高煤阶和低煤阶类型。利用建立的煤层气分类对比方法体系,对美国中-低煤阶型圣胡安盆地、低煤阶型粉河盆地、澳大利亚复合煤阶型鲍温-苏拉特盆地、中国高煤阶型沁水盆地、复合煤阶型鄂尔多斯盆地以及这些盆地中主要区带（地区）进行了对比分析,发现我国的鄂尔多斯、沁水盆地等最具潜力的盆地与圣胡安、鲍温-苏拉特盆地差异较大。樊庄、韩城、延川南、织金等区块仅与圣胡安区3带等相似。因此,我国煤层气地质条件和可采性相对较差,近、中期可有效勘探开发的目标不多。从战略层面看,不宜把中、长期发展目标定得太高;从战术层面看,要重视差异性分析,预测资源甜点,优选目标,并针对性部署勘探开发工作,更要注意控制速度。