易同生，高 為,2，周培明,2

(1.貴州省煤田地質局，貴陽 550008； 2.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴陽 550008)

我國煤層氣勘探開發(fā)經歷20多年的探索和發(fā)展，在沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣已初步建成煤層氣產業(yè)開發(fā)基地[1]。隨著沁水和鄂爾多斯地區(qū)煤層氣開發(fā)有利區(qū)塊的不斷減少，我國煤層氣勘探開發(fā)的目光逐漸投向貴州、云南、新疆等煤層氣后備基地[2-3]。近5 a來，貴州的煤層氣勘探開發(fā)顯著提速，相繼在六盤水、畢節(jié)等多個地區(qū)取得煤層氣工業(yè)氣流重大突破，提振了煤層氣企業(yè)勘探開發(fā)信心，并引起國內學者及政府部門的極大關注[4-6]。貴州省煤層氣資源主要形成于晚二疊世龍?zhí)镀诤烷L興期，其煤層氣資源量位列全國各省區(qū)第二，占華南聚氣區(qū)煤層氣資源總量的76.34%[7]?！笆濉逼陂g，貴州省政府提出“氣化貴州”宏偉目標，明確把煤層氣作為貴州能源產業(yè)發(fā)展重點方向之一，規(guī)劃在全省建成2～3個煤層氣開發(fā)示范基地，因此亟需對全省煤層氣資源特征有一個清晰客觀的認識，并合理評價適合貴州地質特點的煤層氣開發(fā)技術。鑒于此，筆者以近年來貴州煤層氣地質調查最新成果數(shù)據(jù)為基礎，深入闡述了全省晚二疊世煤層氣的資源分布特點和特殊開發(fā)地質條件，并通過煤層氣開發(fā)工程實踐，總結了適合貴州特殊地質條件的煤層氣開發(fā)有效配套技術，指明了貴州煤層氣勘探開發(fā)面臨的主要挑戰(zhàn)及主要技術攻關方向，為全省煤層氣資源勘探開發(fā)決策提供重要依據(jù)。

1 地質背景

1.1 含煤地層與煤層分布

上二疊統(tǒng)是貴州最主要的含煤地層，含煤面積約7.5萬km2，含煤性最好，沉積類型多樣，自西向東，依次發(fā)育陸相、海陸過渡相和海相沉積[8]。陸相區(qū)和海相區(qū)分別分布于貴州西北部威寧一帶和遵義—安順—興義一線以東地區(qū)，其可采煤層少，累計可采厚度基本小于5.0m，含煤性差，煤層氣成藏物質基礎薄弱，基本不具備煤層氣勘探開發(fā)價值。

上二疊統(tǒng)海陸過渡相區(qū)是貴州進行煤層氣開發(fā)的主攻區(qū)域，總體上呈北東向展布，為一套碎屑巖夾碳酸鹽巖和煤層組成的海陸過渡相含煤沉積，主要含煤地層為龍?zhí)督M和長興組(或汪家寨組)。上二疊統(tǒng)含煤巖系厚度變化大(76～543m)，單煤層厚度薄(一般1.0～2.5m)，可采煤層層數(shù)及累計厚度變化大(0～26層，0～29.8m)，其中煤層氣成藏物質基礎最好的區(qū)域主要分布于盤縣、水城、納雍之間地區(qū)，一般含可采煤層9～20層，可采煤層總厚度10～30m，表現(xiàn)出典型的煤層群發(fā)育特征。上二疊統(tǒng)含煤地層富水性普遍較弱，且與富水性強的灰?guī)r含水層和地表水之間一般賦存有一定厚度的相對隔水層，斷層帶、破碎帶的導水性較差，一般難以構成含煤地層與強含水層或地表水的水力聯(lián)系通道[9]。

1.2 煤層氣聚集單元

貴州晚二疊世含煤地層在構造演化上具有“多期發(fā)展、強烈分異、定型較晚”的特點，形成了以褶皺和逆沖斷層為主體的復雜構造格局；喜馬拉雅期各含煤盆地遭受擠壓隆升，大部分背斜軸部的上二疊統(tǒng)煤系被剝蝕殆盡，使得大型向斜或復向斜成為區(qū)內最主要的控煤構造[9-10]。全省含煤地層被分割賦存于盤關、格目底、三塘等100余個獨立向斜單元，根據(jù)構造、巖性、巖相等特征，將這些構造單元主要劃分為六盤水煤田、織納煤田、黔北煤田、黔西北煤田、興義煤田和貴陽煤田等。煤層氣是一種由煤層自生自儲的非常規(guī)天然氣藏，且煤層氣富集具有典型的向斜控氣特點，因而這些獨立的含煤向斜也構成了貴州煤層氣聚集的有利單元。

2 資源特征

2.1 煤層氣資源量及資源分布特征

貴州煤層氣基礎研究和資源評價起步較早，從20世紀80年代初期開始至今，大致經歷了早期理論探索、資源評價與勘探開發(fā)試采、風險勘探與開發(fā)試驗、工程模式探索4個發(fā)展階段[11]。經過近20年的評價與開發(fā)實踐認識，2012年由中國礦業(yè)大學和貴州省煤田地質局聯(lián)合完成的《貴州省煤層氣資源潛力預測與評價》報告提供了目前為止全省煤層氣資源量預測最為準確的評價數(shù)據(jù)，預測全省上二疊統(tǒng)可采煤層煤層氣地質資源總量3.06×1012m3，平均資源豐度1.12×108m3/km2，略高于全國平均水平[12]。為了全省更好地分區(qū)分類制定煤層氣資源勘探開發(fā)利用戰(zhàn)略，對全省主要煤層氣聚集單元的煤層氣資源量、資源豐度、埋深等分布特征作以下探討。

2.1.1 煤層氣資源 “資源量-資源豐度”分布

較大的煤層氣資源量和較高的煤層氣資源豐度是實現(xiàn)煤層氣經濟開發(fā)的物質保證。以六盤水煤田、織納煤田、黔北煤田、黔西北煤田、興義煤田和貴陽煤田58個主要含煤向斜構造單元為統(tǒng)計基礎，將煤層氣地質資源量300億m3和資源豐度1.0億m3/km2作為分界線，可以將含煤構造單元煤層氣資源劃分為“肥大型”“肥小型”“瘦大型”和“瘦小型”四種豐度型資源類型，其相應的資源有利程度表現(xiàn)為肥大型>肥小型>瘦大型>瘦小型(圖1)。

圖1 不同聚煤單元“資源量-資源豐度”煤層氣資源類型Figure 1 Different coal accumulation unit “resources-resource abundance” CBM resource type

六盤水煤田含煤向斜四種資源類型均有分布，表現(xiàn)出盆地資源類型多樣；織納煤田含煤向斜資源特征主要表現(xiàn)為“肥大型”和“瘦小型”，盆地資源類型出現(xiàn)兩極分化，“肥大型”含煤向斜其地質資源量大、資源豐度高，而“瘦小型”含煤向斜其地質資源量小、資源豐度也低；黔北煤田、黔西北煤田、興義煤田和貴陽煤田的含煤向斜主要表現(xiàn)為“瘦小型”，個別含煤向斜出現(xiàn)“瘦大型”，表明這些煤田的煤層氣資源賦存條件較六盤水煤田和織納煤田總體較差。

2.1.2 煤層氣資源 “資源量-埋深”分布

煤層埋深對煤層氣開發(fā)具有重要影響，埋深較大的煤層其儲層物性條件較差，工程難度與經濟成本增加，不利于煤層氣開發(fā)。根據(jù)國內外煤層氣開發(fā)經驗，具有商業(yè)開采價值的煤層氣井埋深一般不超過1 000 m[12]。

圖2 不同聚煤單元“資源量-埋深”煤層氣資源類型Figure 2 Different coal accumulation unit “resources-buried depth” CBM resource type

以六盤水煤田22個含煤向斜和織納煤田24個含煤向斜的資源數(shù)據(jù)為統(tǒng)計依據(jù)，將1 000 m以淺煤層氣資源量100億m3和1 000 m以淺煤層氣資源量所占比例50%分別作為分界標志，劃分成“淺埋量大型”“淺埋量小型”“深埋量大型”和“深埋量小型”四種埋深型資源類型，其相應的資源有利程度表現(xiàn)為淺埋量大型>淺埋量小型>深埋量大型>深埋量小型(圖2)。其中織納煤田多數(shù)向斜單元資源特征主要表現(xiàn)為“淺埋量大型”和“淺埋量小型”，表明多數(shù)向斜單元1 000 m以淺的煤層氣資源量比例高，埋深條件較好，資源開發(fā)相對容易；而六盤水煤田含煤向斜資源類型多屬“淺埋量大型”和“深埋量大型”，表明1 000 m以淺的煤層氣資源總量總體較大，但不同構造單元間埋深條件差別大，資源開發(fā)難易程度有較大不同。

2.2 煤層氣資源開發(fā)地質條件

2.2.1 煤體結構類型多、滲透率差異大，壓力驅動型資源和應力封閉型資源并存

楊陸武[13]等學者從煤層氣開采技術條件的角度將煤層氣資源劃分為“壓力驅動型”和“應力封閉型”兩大類資源類型。壓力驅動型資源主要體現(xiàn)為煤體結構相對較好，儲層滲透率較高，可通過降低局部壓力實現(xiàn)相鄰較大范圍內的壓降自由傳遞，適合開展地面煤層氣開發(fā)；應力封閉型資源主要體現(xiàn)為煤體結構較差，滲透率低，需借助井下煤炭擾動的應力釋放效應達到煤層降壓、瓦斯抽放的目的，適合進行井下瓦斯抽采。

圖3 煤體結構的區(qū)域非均質性Figure 3 Coal mass structure regional anisotropy

區(qū)內不同煤層受區(qū)域構造應力、垂向應力和水平應力的組合大小和組合方向不同，煤儲層在區(qū)域、層間及層內表現(xiàn)出高度的非均質性，發(fā)育原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤等多種煤體結構(圖3)，儲層滲透率差異極大，特低滲—高滲儲層均有分布，其中六盤水煤田總體為低滲—中低滲儲層，織納煤田總體為中低滲—中滲儲層，黔北煤田總體表現(xiàn)為中低滲儲層[14]。以上表明，貴州煤層氣資源多樣，壓力驅動型資源和應力封閉型資源并存，因而需要通過精細化地質工作充分查明不同區(qū)域、不同層域的煤層氣資源類型，從而采取針對性開發(fā)方式。

2.2.2 煤級變化大，孔-裂隙非均質性強，儲層應力和速度敏感性較強

貴州晚二疊世煤層煤級變化大，煤種類型多，氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤和無煙煤均有分布，六盤水煤田以中煤階肥煤、焦煤和瘦煤為主，織納煤田以高煤階貧煤和無煙煤為主。不同煤級煤儲層的含氣性、孔隙結構、吸附性能、孔裂隙發(fā)育程度等具有較大不同，對煤層氣開發(fā)具有較大影響，如焦煤和瘦煤的孔-裂隙系統(tǒng)一般較發(fā)育，裂隙密度大，網狀裂隙多，有利于煤層氣儲層改造(圖4)。

受控于煤變質作用、沉積環(huán)境、構造演化、巖漿活動及其相互的疊合作用[15]，貴州煤儲層孔-裂隙在層域、層間和層內均表現(xiàn)出高度的非均質性，主要表現(xiàn)為孔隙類型差異、孔隙連通性差異、裂隙發(fā)育規(guī)模和開合程度差異，不同的孔-裂隙系統(tǒng)其煤層氣吸附、運移和賦存方式可能差別極大，影響煤層氣解吸運移，因而給煤層氣開發(fā)尤其是排采帶來了一定的困難。

圖4 典型焦煤孔裂隙發(fā)育照片F(xiàn)igure 4 Typical coking coal pore and fissure development photos

松河區(qū)塊的煤層氣開發(fā)實踐表明[16]，貴州部分地區(qū)煤儲層的應力敏感性和速度敏感性較強，排采過程中易產生賈敏效應，因此煤層氣開發(fā)過程中應根據(jù)儲層敏感強度控制合理的排采速度，盡量降低排采控制帶來的儲層傷害。

2.2.3 煤儲層吸附-解吸-滲流特征參數(shù)差異大

煤儲層吸附、解吸、滲流特征參數(shù)主要包括蘭氏體積、蘭氏壓力、臨界解吸壓力、臨儲比、含氣飽和度、壓力系數(shù)等。煤儲層在不同埋深、不同煤級、不同煤體結構條件下的吸附、解吸、滲流特征參數(shù)差異極大，如黔西地區(qū)煤儲層異常低壓至異常高壓均有發(fā)育，儲層壓力系數(shù)為0.4～1.8[14]，煤儲層含氣飽和度為30%～180%，盡管超壓煤層含氣飽和度普遍大于欠壓煤層，但相同地區(qū)、相同壓力系數(shù)條件下的不同煤層含氣飽和度仍差別較大，甚至同一口井相同壓力系數(shù)條件下的縱向相鄰煤層含氣飽和度也差別極大(圖5)。

圖5 超壓與欠壓煤層含氣飽和度差異Figure 5 Gas saturation differences of overpressure and underpressure coal seams

煤儲層吸附、解吸、滲流特征參數(shù)不但影響煤層氣資源的可采潛力，對煤層氣開采技術方式選擇也具有重要影響[17]，如煤儲層超壓條件下的儲層流體滲流驅動能力強，排采產水舉升能量足，氣井的最高日產水量大(圖5)，因而對應的排采設備選型及排采方式均有別于欠壓儲層。

圖6 最高日產水量與煤儲層壓力系數(shù)的關系Figure 6 Relationship between maximum daily water yield and coal reservoir pressure coefficient

2.2.4 多煤層多層段合采開發(fā)主要制約因素

為了能夠較大程度動用更多煤層氣資源，提高煤層氣資源綜合利用率、降低綜合開發(fā)成本，多煤層多層段合采開發(fā)是較為理想的途徑。但秦勇等學者[18]的研究表明，受沉積—水文—構造條件的耦合控制，在以三角洲—潮坪—潟湖沉積體系為主的貴州多煤層含煤地層中，含煤地層在垂向上普遍發(fā)育多套獨立疊置含煤層氣系統(tǒng)。煤層氣井多煤層多層段合采開發(fā)實踐證實，當合采層位位于同一含氣系統(tǒng)內，各煤層之間協(xié)同解吸，總產氣量平穩(wěn)上升且能維持較長時間，產能效果較好；而當合采層位跨越多個含氣系統(tǒng)，隨著不同含氣系統(tǒng)的煤層相繼解吸，總產氣量會獲得短暫提升，但由于不同含氣系統(tǒng)煤層在臨界解吸壓力、儲層能量、滲流能力等方面的巨大差異，導致跨含氣系統(tǒng)的不同煤層之間發(fā)生嚴重干擾，氣井總產氣量提升后僅能維持很短時間，隨著干擾的加劇，總產氣量快速下降，總產能效果較差(圖7)。多煤層多層段合采開發(fā)的關鍵在于準確識別含煤巖系縱向含氣系統(tǒng)及構建匹配性最優(yōu)的產層組合方式。文獻[19]基于數(shù)學統(tǒng)計及數(shù)值模擬方法初步建立了多煤層條件下煤層氣開發(fā)產層組合優(yōu)化方法，但由于層間干擾的復雜性、數(shù)值模擬的局限性以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的有限性，該產層組合優(yōu)化方法還有待工程實踐進一步驗證。

圖7 不同含氣系統(tǒng)多煤層合層排采兼容性生產表現(xiàn)Figure 7 Different gas-bearing systems multi-seam drainage compatible production performance

2.2.5 多巖性多氣藏合采開發(fā)主要制約因素

貴州上二疊統(tǒng)含煤地層中煤層、頁巖和砂巖等多種巖性疊置頻繁，且具有較大的含氣潛力，統(tǒng)籌勘探不同儲層中的天然氣，實現(xiàn)煤系氣合采開發(fā)不但有助于減少資源浪費，還能提高綜合開發(fā)效益[16]。但硬脆性砂巖、頁巖和塑性煤層進行組合開發(fā)時，由于受巖性間界面性質、應力差異等因素影響，復合儲層人工裂縫擴展規(guī)律及其地質力學機制仍不明晰，合層壓裂時難以保證裂縫穿透巖層界面并在不同儲層中得到有效延展，因而對壓裂工藝技術提出了極大的挑戰(zhàn)。另外，不同類型氣藏的含水飽和度不一，儲層含氣性、滲透性、敏感性等存在較大差異，容易引發(fā)合采過程中的層間竄流和氣體倒灌，不同類型氣藏合采兼容性研究是煤系氣合采開發(fā)面臨的新課題[20]。

3 適配性煤層氣開發(fā)技術

3.1 叢式井組開發(fā)模式

貴州沖溝發(fā)育的中低山地形條件決定了滿足工程需要的井場面積有限，不利于大規(guī)模直井開發(fā)，為最大限度提高井場土地利用率，節(jié)約井場建設費用，貴州煤層氣多井開發(fā)適合采用叢式井組開發(fā)模式。

叢式井組開發(fā)模式的關鍵在于確定合理的開發(fā)井數(shù)量、靶間距及井斜。工程實踐表明，當目的儲層垂深500～800m時，同一井場內施工4-6口開發(fā)試驗井、井斜控制在45°以內較為合理，靶間距設計要充分考慮儲層裂隙發(fā)育程度及發(fā)育方向，防止井與井之間出現(xiàn)過度干擾。

3.2 小層射孔技術

小層射孔是在壓裂層段內部含氣層精細評價的基礎上通過改進射孔層位及方式所采取的技術措施。通過多口煤層氣井的開發(fā)實踐，形成了適應多煤層組合開發(fā)的“全射、擴射、連射、避射、選射”的小層射孔原則，起到合理分配不同射孔層段進液量、進砂量的改進作用，提高同一壓裂段內多個含氣層的改造效果。

3.3 分段壓裂技術

分段壓裂技術是在壓裂層段優(yōu)選的基礎上對多產層進行逐次改造或統(tǒng)一改造的關鍵開發(fā)工藝，主要包括套管多層合壓工藝和連續(xù)油管分層壓裂工藝，其中以套管多層合壓工藝應用最為成熟。套管多層合壓工藝的主要技術包括壓裂液設計、支撐劑組合、投球暫堵、前置段塞降濾、關鍵工藝參數(shù)優(yōu)化等，要嚴格防止近井地帶煤體結構嚴重破壞、支撐劑嵌入、套管變形等問題，積極探索層間與層內暫堵技術相結合的方法，有效克服層間應力差異對壓裂改造效果的影響，實現(xiàn)多產層充分改造。

3.4 合層排采技術

以“五段三壓法”為代表的單煤層排采技術多為合采排采所借鑒，但由于合層排采多個產層的排采流體流相與單層排采存在較大不同，同時不同產層供液供氣能力、儲層壓力、產氣時間早晚等方面的差異，導致不可避免產生一定程度的層間干擾，如何利用排采工藝的控制來減弱層間干擾，快速形成井間協(xié)同降壓，是合層排采控制的關鍵。

貴州超壓地區(qū)和欠壓地區(qū)的煤層氣合層排采在煤儲層臨界解吸壓力、解吸速率、液體返排率等方面具有顯著的不同，嚴重制約了煤層氣合層排采技術的應用和推廣，針對不同煤層氣井的特殊情況，必須采取“一井一策”的排采應對策略，通過合理劃分排采階段，正確控制流壓、套壓、產水量等排采參數(shù)，實現(xiàn)合采產能最大化。

4 結論

(1)貴州省煤層氣資源總量大，分布賦存構造單元多，根據(jù)不同構造單元煤層氣資源“資源量-資源豐度”和“資源量-埋深”的分布，可劃分為 “肥大型”“肥小型”“瘦大型”和“瘦小型”4種豐度型資源類型及 “淺埋量大型”“淺埋量小型”“深埋量大型”和“深埋量小型”4種埋深型資源類型，應分區(qū)分類制定貴州煤層氣資源勘探開發(fā)利用戰(zhàn)略。

(2)貴州煤層氣開發(fā)地質條件具有較大的特殊性，主要表現(xiàn)為：煤體結構及煤層滲透性差異大，壓力驅動型資源和應力封閉型資源并存；煤級變化大，孔-裂隙非均質性強，儲層應力和速度敏感性較強；煤儲層吸附-解吸-滲流特征參數(shù)差異大；含煤巖系縱向普遍發(fā)育多套疊置獨立含煤層氣系統(tǒng)，煤層、頁巖、砂巖等不同巖性的力學性質及儲層物性差異大，多煤層多層段合采及多巖性多氣藏合采兼容性問題突出。

(3)基于煤層氣開發(fā)工程實踐，形成了匹配貴州特殊地質條件的叢式井組開發(fā)、“小層射孔、分段壓裂、合層排采”煤層氣有效開發(fā)配套工藝技術。

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