楊秀春，徐鳳銀，王虹雅，李曙光，林文姬，王 偉，郝 帥

(1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；2.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)

鄂爾多斯盆地煤層氣資源豐富，全國(guó)第四輪煤層氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果，盆地2 000 m 以淺的煤層氣資源量為7.26 ×1012m3，約占全國(guó)總資源量30.05×1012m3的1/4。煤層氣勘探開發(fā)主要集中在盆地東緣煤層埋深1 000 m 以淺，滲透性相對(duì)高、煤體結(jié)構(gòu)完整的地區(qū)。經(jīng)過近30 年的勘探開發(fā)，淺層高品質(zhì)儲(chǔ)量的規(guī)模動(dòng)用，勘探開發(fā)領(lǐng)域逐漸延伸至1 500 m，乃至2 000 m 以深，勘探開發(fā)由淺層向深層延伸是未來煤層氣規(guī)模發(fā)展的重要方向。淺層與深層資源具有不同的賦存特征和儲(chǔ)層改造方式。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)煤層氣方面的文獻(xiàn)研究，主要集中在1 500 m 以淺，以煤層氣發(fā)展對(duì)策與思考[1-5]、資源評(píng)價(jià)與前景[6-9]、早期(2015 年以前)勘探開發(fā)現(xiàn)進(jìn)展[10-14]、富集因素及成藏類型[15-18]為主。較少系統(tǒng)分析30 年來鄂爾多斯盆地東緣(以下簡(jiǎn)稱鄂東緣)煤層氣從淺層到深層勘探開發(fā)選區(qū)理論及儲(chǔ)層改造理念轉(zhuǎn)變，缺乏結(jié)合氣藏地質(zhì)和儲(chǔ)層改造因素開展“地質(zhì)-工程”甜點(diǎn)評(píng)價(jià)及相關(guān)勘探開發(fā)實(shí)例。筆者系統(tǒng)梳理回顧鄂東緣由淺層向深層延伸的煤層氣勘探開發(fā)歷程，解剖典型區(qū)塊勘探開發(fā)實(shí)例，每一次勘探開發(fā)突破，必有重大理論認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變和技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)。通過分析總結(jié)、探討淺層-深層煤層氣資源特征和勘探開發(fā)理論技術(shù)，以期對(duì)鄂爾多斯盆地東緣及其他盆地煤層氣高效勘探開發(fā)工作有所啟發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂東緣位于晉西撓褶帶、渭北隆起東段與伊盟隆起東段，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，整體形態(tài)呈西傾單斜，斷裂不發(fā)育。本次研究范圍主要位于中石油煤層氣公司礦權(quán)區(qū)，面積約1.215×104km2。上古生界石炭-二疊系煤層氣資源豐富，主力含氣層系為山西組4+5 號(hào)煤、太原組8+9 號(hào)煤層。煤層厚度、變質(zhì)程度、煤層埋藏深度在區(qū)域上變化較大。4+5 號(hào)煤層厚度1～15 m，一般大于2.5 m，8+9 號(hào)煤層厚度2～20 m，一般大于3.5 m。煤層埋深在區(qū)域上呈“三淺兩深”分布格局，保德、三交、韓城區(qū)塊埋藏較淺(300～1 200 m)，大寧-吉縣、石樓西區(qū)塊埋藏較深(800～2 600 m)。煤變質(zhì)程度隨埋深增大逐漸變高，鏡質(zhì)體反射率在0.6%～2.78%，區(qū)域上地形呈南高北低、西高東低變化(圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地東緣區(qū)域位置與煤系綜合柱狀圖Fig.1 Location map of the study area and coalbed column in eastern margin of Ordos Basin

2 勘探歷程

20 世紀(jì)90 年代鄂東緣開始進(jìn)行煤層氣勘探，截至2021 年底，累計(jì)探明煤層氣(含煤系氣)地質(zhì)儲(chǔ)量4 789.12×108m3，先后發(fā)現(xiàn)了韓城、保德、三交、臨汾、大寧-吉縣等氣田。隨著勘探程度提高、地質(zhì)認(rèn)識(shí)深化及技術(shù)水平提升，勘探開發(fā)思路、對(duì)象、領(lǐng)域先后發(fā)生了3 次較大變化：1990-2007 年，主要是在“淺層富煤區(qū)構(gòu)造高點(diǎn)富集”理論指導(dǎo)下，在煤田詳查/精查區(qū)內(nèi)，尋找“埋深小于800 m、煤層厚度大、高含氣量、構(gòu)造高點(diǎn)煤層氣富集區(qū)”，勘探對(duì)象為淺層煤層氣。2008-2018 年，在“水動(dòng)力控氣-構(gòu)造調(diào)整-單斜緩坡成藏”理論指導(dǎo)下，形成“甜點(diǎn)”富集區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，勘探深度擴(kuò)展到1 500 m，煤階范圍擴(kuò)大至低、中、高煤階；改變儲(chǔ)層改造理念，在圍巖中建立“虛擬產(chǎn)層”，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造煤有效增產(chǎn)。2019-2021 年，以“微超壓、高飽和吸附成藏”認(rèn)識(shí)，指導(dǎo)“地質(zhì)-工程”雙甜點(diǎn)評(píng)價(jià)，埋深大于2 000 m 以深的深層煤層氣勘探突破。

按照勘探理論為引領(lǐng)、地質(zhì)認(rèn)識(shí)深化為基礎(chǔ)、勘探技術(shù)為支持、勘探工作量為依據(jù)、勘探發(fā)現(xiàn)為結(jié)果的原則，系統(tǒng)梳理了鄂東緣石炭-二疊系煤層氣勘探開發(fā)歷史，結(jié)合地震、鉆井、儲(chǔ)量、產(chǎn)氣量等數(shù)據(jù)分析，將勘探開發(fā)歷程劃分為3 個(gè)階段：淺層煤層氣勘探階段(1990-2007 年)、淺-中深層煤層氣規(guī)?？碧诫A段(2008-2018 年)、深層煤層氣勘探突破階段(2019-2021 年)(圖2)。

圖2 鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探階段劃分Fig.2 Exploration stage of coalbed methane in eastern margin of Ordos Basin

2.1 淺層煤層氣勘探階段(1990-2007 年)

1) 煤層氣早期勘探評(píng)價(jià)階段(1990-1996 年)

鄂東緣煤炭資源豐富，煤炭勘探始于20 世紀(jì)50年代，區(qū)內(nèi)煤田勘探程度相對(duì)較高，共有煤田鉆孔1 000 余口，為淺層煤層氣勘探開發(fā)提供了重要基礎(chǔ)資料。煤層氣勘探始于20 世紀(jì)90 年代，依托河?xùn)|煤田勘探基礎(chǔ)，借鑒美國(guó)圣胡安盆地“中高階煤煤層氣成藏”經(jīng)驗(yàn)，在埋深800 m 以淺開展中高階煤煤層氣資源評(píng)價(jià)[10-14,19-20]。1990-1996 年，地礦部華北石油勘探局和美國(guó)Arco 公司在河?xùn)|煤田中段離石鼻狀構(gòu)造南翼柳林地區(qū)實(shí)施6 口小井組排采，煤層埋深在343～409 m，Rmax為1.4%～1.72%，煤層含氣量10～20 m3/t。單井日產(chǎn)氣量1 500～3 000 m3。受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，產(chǎn)氣量遞減較快，煤層氣勘探進(jìn)展較慢。

2) 煤層氣重點(diǎn)勘探突破階段(1997-2007 年)

1996 年原中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司聯(lián)合外資企業(yè)，開展煤層氣重點(diǎn)區(qū)塊評(píng)價(jià)。該階段按照“富煤區(qū)構(gòu)造高點(diǎn)”中高階煤煤層氣成藏理論，優(yōu)選出韓城、大寧-吉縣、三交、保德等區(qū)塊。煤層氣勘探技術(shù)以引進(jìn)、消化、吸收美國(guó)煤層氣“水力壓裂、排水降壓采氣技術(shù)”，同時(shí)逐步探索適用于本區(qū)的技術(shù)。截至2007年底，累計(jì)實(shí)施二維地震1 510.91 km，煤層氣探井30 口(圖3)。在韓城區(qū)塊取得了煤層氣勘探突破，在大寧-吉縣、保德區(qū)塊實(shí)施煤層氣井組排采試驗(yàn)，未能達(dá)到預(yù)期效果。

圖3 鄂爾多斯盆地東緣勘探鉆井工作量統(tǒng)計(jì)Fig.3 Exploration and drilling workloads in eastern margin of Ordos Basin

1996-1997 年，中國(guó)煤田地質(zhì)總局在韓城中高煤階地區(qū)實(shí)施的韓試1 井煤層滲透率(1.956～16.17)×10-3μm2，煤層含氣量5～11 m3/t，排采產(chǎn)氣量1 000～3 500 m3/d。儲(chǔ)層參數(shù)顯示較好，為下一步井組評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)。2004-2007 年，以“富煤區(qū)構(gòu)造高點(diǎn)”為指導(dǎo)，在板橋鼻隆區(qū)實(shí)施WL1 先導(dǎo)性開發(fā)試驗(yàn)井組(11 口井)。開展煤巖力學(xué)性質(zhì)評(píng)估，優(yōu)選山西組3 號(hào)、5 號(hào)煤進(jìn)行分層壓裂，暫不壓裂構(gòu)造破碎的11 號(hào)煤層，分別試驗(yàn)了活性水、鹽水及清潔壓裂液體系。經(jīng)過兩年時(shí)間排水降壓，井組獲得穩(wěn)定產(chǎn)氣量8 000～10 000 m3/d，鄂東緣中高階煤煤層氣勘探獲得突破。韓試1、WL1 井區(qū)提交了鄂東緣第一個(gè)煤層氣新增探明儲(chǔ)量50.78 億m3，探明含氣面積41.7 km2。

2001-2007 年，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司煤層氣項(xiàng)目經(jīng)理部在大寧-吉縣地區(qū)1 000 m 以淺地區(qū)，對(duì)吉試18 井高階煤煤層氣井壓裂排采，產(chǎn)氣量1 300 m3/d；中石油長(zhǎng)慶油田分公司對(duì)回宮井組的宮1 井、宮1-2、宮1-4 井壓裂后排采，初期單井產(chǎn)氣量1 000～3 000 m3/d，但氣井產(chǎn)氣量遞減較快。大寧-吉縣區(qū)塊高階煤勘探未能取得突破。

2000 年，借鑒美國(guó)粉河盆地“低階煤煤層氣”技術(shù)，在保德區(qū)塊實(shí)施低煤階煤層氣探井13 口，獲取煤層含氣性、物性等參數(shù)。2007 年5 月，采用水平井完井技術(shù)，對(duì)4 口井8+9 號(hào)煤層進(jìn)行為期一年的試排采，單井產(chǎn)氣量1 500～3 600 m3/d，產(chǎn)水量20～320 m3/d。由于產(chǎn)氣量較低、水量較大，初步評(píng)價(jià)區(qū)塊開發(fā)潛力較差，2009 年外方退出合作，低階煤煤層氣勘探未取得實(shí)質(zhì)性突破。

2.2 淺-中深層煤層氣規(guī)?？碧介_發(fā)階段(2008-2018 年)

2008-2018 年，中石油煤層氣公司加大勘探力度，累計(jì)實(shí)施二維地震3 649.015 km，鉆井501 口，全面開展鄂東緣全區(qū)煤層氣地質(zhì)條件分析與對(duì)比，確定主力煤層劃分對(duì)比方案，突破“構(gòu)造高點(diǎn)”選區(qū)理論，以煤層氣“水動(dòng)力控氣-構(gòu)造調(diào)整-緩坡單斜”成藏理論為引領(lǐng)，深化“正向構(gòu)造和單斜緩坡”富氣認(rèn)識(shí)，轉(zhuǎn)變構(gòu)造煤儲(chǔ)層改造思路，實(shí)現(xiàn)淺層-中深層(埋深500～1 500 m)煤層氣規(guī)模勘探開發(fā)突破。實(shí)現(xiàn)新增煤層氣及煤系氣探明儲(chǔ)量3 547.26×108m3。保德區(qū)塊建成國(guó)內(nèi)首個(gè)商業(yè)規(guī)?？碧介_發(fā)的中低階煤煤層氣田；大寧-吉縣區(qū)塊吉4-吉19 井區(qū)中深層獲得探明儲(chǔ)量；韓城區(qū)塊構(gòu)造煤儲(chǔ)層取得有效增產(chǎn)改造。

1) 保德區(qū)塊淺層、中低階煤煤層氣勘探突破

煤層埋深400～1 200 m，煤的鏡質(zhì)體反射率Rmax為0.71%～1.22%，煤階屬于低變質(zhì)程度的氣煤、肥煤，煤層含氣量一般2～10 m3/t。2 套煤層累計(jì)厚度10～30 m，間距50～90 m。

針對(duì)前期水平井單采太原組8+9 號(hào)煤層，產(chǎn)氣量不穩(wěn)定、產(chǎn)水量大、降壓排液難的困境，深入研究中低階煤煤層氣富集主控因素，提出“水動(dòng)力控氣-緩坡單斜成藏”理論，建立了中低階煤煤層氣“甜點(diǎn)”指標(biāo)體系，指導(dǎo)區(qū)塊快速取得勘探突破。2009-2012 年，實(shí)施二維地震352.9 km，三維地震181 km2，煤層氣探井/評(píng)價(jià)井13 口，系統(tǒng)評(píng)價(jià)影響煤層氣保存的頂?shù)装鍘r性、含水性及區(qū)域水動(dòng)力條件，確認(rèn)山西組4+5 號(hào)煤和太原組8+9 號(hào)煤均可作為主力層系，在區(qū)塊北部弱水動(dòng)力區(qū)，優(yōu)選出Ⅰ類“甜點(diǎn)”區(qū)面積160 km2。在Ⅰ類“甜點(diǎn)”區(qū)楊家灣鼻隆部署叢式大井組(23 口井組)，改變以前水平井單排8+9 號(hào)煤的技術(shù)思路，采用叢式井合層壓裂排采4+5 號(hào)煤與8+9 號(hào)煤。

該階段實(shí)施的保1-3 向2 井獲得穩(wěn)定高產(chǎn)，日產(chǎn)氣量突破6 000 m3。井組取得良好動(dòng)態(tài)顯示。以“煤層氣面積降壓排采”為指導(dǎo)，快速部署150 口井先導(dǎo)試驗(yàn)工程。處于排水降壓初期階段的18 口井，平均單井產(chǎn)氣量1 844 m3/d，最高日產(chǎn)氣量7 029 m3，隨排采時(shí)間延長(zhǎng)產(chǎn)氣量呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)。排采時(shí)間1 年以上的11 口井，單井平均產(chǎn)氣2 400 m3/d，先導(dǎo)試驗(yàn)大井組取得穩(wěn)定高產(chǎn)，鄂東緣低階煤煤層氣勘探取得歷史性重大突破，新增探明煤層氣儲(chǔ)量共343.54×108m3。2012 年以來，開展規(guī)模開發(fā)及滾動(dòng)產(chǎn)能建設(shè)，至2015年底煤層氣日產(chǎn)氣量突破150×104m3，截至目前，氣田穩(wěn)定年產(chǎn)氣量5×108m3，已保持近7 年時(shí)間。

2) 大寧-吉縣區(qū)塊中深層煤層氣勘探進(jìn)展

中深層煤層埋藏深度900～1 500 m，所在的構(gòu)造單元為大寧斜坡、窯渠背斜西翼，二疊系山西組5 號(hào)煤、太原組8 號(hào)煤鏡質(zhì)體反射率Rmax為1.69%～2.30%，屬于中高煤階的瘦、貧煤階段，煤層含氣量10～20.11 m3/t，由于埋藏較深，地應(yīng)力變化復(fù)雜、滲透率變低。單井產(chǎn)氣量低、遞減快、穩(wěn)產(chǎn)周期短、成本高等問題一直未能解決。2009 年以來，實(shí)施二維地震1 745.95 km，探井54 口，評(píng)價(jià)井組4 個(gè)，開展了1 億m3產(chǎn)能勘探開發(fā)一體化先導(dǎo)試驗(yàn)，先后探索試驗(yàn)多種井型(L 型水平井、U 型井、叢式井)、多種井網(wǎng)、井距、不同層系組合(合采5+8 號(hào)煤、單采5 號(hào)煤、單采8 號(hào)煤)。叢式井長(zhǎng)期低產(chǎn)、上產(chǎn)緩慢，排采期長(zhǎng)，L 型水平井上產(chǎn)期短，產(chǎn)氣量高[21-23]。水平井桃-平03 井5 號(hào)煤采用套管固井完井+定向射孔+分段壓裂水平井工藝，產(chǎn)氣量穩(wěn)產(chǎn)6 000 m3/d 以上，獲得中深煤層水平井高產(chǎn)。少數(shù)直井如吉4 井產(chǎn)氣量穩(wěn)定1 000 m3/d 以上近5 年時(shí)間，最高產(chǎn)氣量1 750 m3/d。2016 年吉4-吉10 井區(qū)新增煤層氣探明儲(chǔ)量222.31 億m3。

雖然部分井獲得產(chǎn)氣量突破，但前期壓裂改造工藝適應(yīng)性差，有效滲流范圍小，單井產(chǎn)氣量總體較低。試采區(qū)常規(guī)壓裂總液量800～1 200 m3，平均砂量52.2 m3，壓裂規(guī)?？傮w較小。注入/壓降試井顯示，試采單井累產(chǎn)100 萬m3左右，有效壓降半徑僅60 m，有效泄流半徑小，無法形成面積降壓，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短、累產(chǎn)氣量低。

2018 年以來，借鑒鄰區(qū)延川南區(qū)塊1 000～1 500 m煤層采用大規(guī)模水力壓裂理念，提高加砂強(qiáng)度配合大排量，以形成有效長(zhǎng)距離支撐、高導(dǎo)流能力的規(guī)模人工裂縫為目標(biāo)[24-26]，采用高導(dǎo)流主裂縫+低導(dǎo)流次生網(wǎng)狀裂縫加砂方式，較好解決深煤層施工壓力高、加砂困難、易砂堵的工藝難題，壓裂施工一次成功率大幅提升?；钚运畨毫岩簽橹鳎毫? 000～3 000 m3，砂量120～200 m3，施工排量14～16 m3/min。近期實(shí)施的2口新井，取得了較好效果，排采半年日產(chǎn)氣量上升至2 200 m3以上。

3) 韓城區(qū)塊構(gòu)造煤增產(chǎn)改造成效

韓城區(qū)塊以構(gòu)造煤為主，物性差，煤體結(jié)構(gòu)破碎，局部井區(qū)發(fā)育原生結(jié)構(gòu)煤。5 號(hào)煤孔隙率3.85%～6.26%，滲透率為(0.02～3.5)×10-3μm2，11 號(hào)煤孔隙率2.34%～6.29%，滲透率為(0.06～1.59)×10-3μm2。直接壓裂煤層，不易形成高效的滲流通道。改造效果欠佳，造成單井產(chǎn)氣量低，穩(wěn)產(chǎn)期短、衰減快，該區(qū)塊的勘探開發(fā)一度陷入低迷。2013 年以來，系統(tǒng)研究煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力特征以及裂縫擴(kuò)展機(jī)理，改變壓裂理念，建立“虛擬產(chǎn)層”，采用間接壓裂(又稱頂板間接壓裂)，解決了構(gòu)造煤改造及增產(chǎn)難題。研發(fā)出直井間接壓裂和水平井頂板壓裂技術(shù)[27-32]。

2013-2018 年，試驗(yàn)并逐步推廣 5 號(hào)煤層頂板間接壓裂，射孔段位置選擇“煤層+砂巖頂板”，使裂縫在頂板和煤層中同時(shí)延伸，提高裂縫導(dǎo)流能力。取得較好增產(chǎn)效果后，探索擴(kuò)大技術(shù)應(yīng)用范圍，對(duì)5 號(hào)煤層、11 號(hào)煤層老層(指已實(shí)施過射孔壓裂但造縫效果欠佳的煤層)實(shí)施間接壓裂。5 號(hào)煤層實(shí)施頂板間接壓裂，封堵原射孔段，在砂巖、泥質(zhì)砂巖頂板射孔壓裂，借助頂板大幅提高裂縫長(zhǎng)度，形成的縫網(wǎng)在較遠(yuǎn)端溝通煤層。11 號(hào)煤層實(shí)施頂板控底體積壓裂，暫堵11 號(hào)煤層原射孔段，在靠近煤層的頂板泥巖中射孔，壓裂頂板泥巖，用細(xì)砂控底后采用大排量、大液量模式壓裂造縫，裂縫高度增長(zhǎng)，在較遠(yuǎn)端溝通煤層，達(dá)到增產(chǎn)效果。構(gòu)造煤頂板間接壓裂在韓城區(qū)塊規(guī)模推廣應(yīng)用206 口，日增產(chǎn)15.9×104m3，累計(jì)增產(chǎn)2.6×108m3，增產(chǎn)效果顯著。

2.3 深層煤層氣勘探突破階段(2019-2021 年)

大寧-吉縣區(qū)塊西部斜坡帶面積大于2 000 km2，煤層埋藏深度大于2 000 m，由于埋藏深度大，鉆井成本高、儲(chǔ)層改造技術(shù)不適用等因素，埋藏2 000 m 以深地區(qū)一直被視為煤層氣勘探禁區(qū)。與淺層相比，埋深2 000 m 以深煤層氣具有“高溫、高壓、高應(yīng)力、低孔、低滲”特征。2019 年以來，共享利用煤系綜合勘探信息，二維地震1 936.36 km，三維地震367 km2，412 口鉆井，落實(shí)了深層煤層氣資源潛力，降低了勘探成本。提出深層煤層氣“微超壓、高飽和吸附成藏”富集模式[33-37]，確定大寧-吉縣區(qū)塊深層煤層氣勘探潛力和方向，尋找單斜緩坡、正向構(gòu)造高點(diǎn)目標(biāo)。針對(duì)深層煤層低孔、低滲、高飽和度的特征，強(qiáng)化煤層及頂板組合的工程可改造性，建立以煤層厚度、含氣性、煤體結(jié)構(gòu)、頂?shù)装鍡l件、可壓性等參數(shù)為核心的“地質(zhì)-工程”雙甜點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選出深層煤層氣富集區(qū)面積1 983 km2，預(yù)測(cè)資源量4 898×108m3。

實(shí)施的18 口先導(dǎo)試驗(yàn)井，直井平均產(chǎn)氣量3 000 m3/d，其中大吉 3-7 向2 井，8 號(hào)煤層埋深2 217～2 225 m，采用活性水+清潔液復(fù)合壓裂液，投產(chǎn)即見氣，穩(wěn)產(chǎn)3 500 m3/d。2021 年，大吉3-7 向2 井區(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)方案獲批實(shí)施。吉深6-7 平01 井采用極限體積壓裂改造，產(chǎn)氣量超過9×104m3/d，實(shí)現(xiàn)了煤層氣單井產(chǎn)量歷史性突破，探明深層煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量762.08×108m3，實(shí)現(xiàn)煤層氣勘探從常壓區(qū)向高壓區(qū)延伸，由淺層向深層延伸。

3 煤層氣勘探開發(fā)啟示

煤層氣藏表現(xiàn)為連續(xù)性聚集氣藏[38-39]：層狀儲(chǔ)集，大面積連續(xù)分布，甜點(diǎn)富集，而非傳統(tǒng)圈閉成藏和區(qū)帶富集，沒有明顯的氣水圈閉邊界；儲(chǔ)集層致密(孔隙率4%～12%，滲透率小于1×10-3μm2)，微-納米級(jí)孔喉系統(tǒng)發(fā)育，需水平井和壓裂技術(shù)改造才能產(chǎn)出，是一種“人工油氣藏”；氣體主要以吸附態(tài)賦存，兼存部分游離態(tài)；“源內(nèi)”原位成藏，源儲(chǔ)一體、主要依靠水動(dòng)力封閉，而非常規(guī)油氣的蓋層封堵；運(yùn)移與聚集動(dòng)力不是受浮力作用主導(dǎo)，主要為超壓、擴(kuò)散、分子間范德華引力的吸附作用[40-42]；氣藏分布受煤層控制，主要分布在盆地斜坡(目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下的勘探開發(fā)范圍)和中心，分布穩(wěn)定、資源規(guī)模大。實(shí)踐表明，煤層氣富集甜點(diǎn)優(yōu)選及儲(chǔ)層壓裂改造是獲得煤層氣勘探開發(fā)突破的關(guān)鍵條件。

3.1 保存條件是中淺層煤層氣富集的關(guān)鍵要素

保德區(qū)塊煤層氣成藏特征：煤鏡質(zhì)體反射率為0.71%～1.22%，屬于低、中變質(zhì)程度煙煤；甲烷碳同位素δ13C 平均為-52.45‰，氫同位素δD 平均為 -229.80‰，主要為熱成因氣，部分為生物成因氣[43]。儲(chǔ)層特征：熱演化程度較低，保存了大量原生結(jié)構(gòu)孔，發(fā)育少量氣孔、胞腔孔、屑間孔，孔、裂隙相互連通，部分孔、裂隙被黏土礦物和方解石充填?？紫督Y(jié)構(gòu)以微、小孔為主，孔隙連通性較好。孔隙率為5.33%，割理貢獻(xiàn)率14.84%(圖4)，滲透率較高，為(2～10)×10-3μm2。煤層氣主要以吸附態(tài)賦存，輔以少量生物補(bǔ)充的游離氣。成藏特征為“熱成因氣為主、生物成因氣補(bǔ)充、水動(dòng)力控氣、單斜緩坡成藏”[44]。

圖4 保德區(qū)塊煤儲(chǔ)層孔隙與裂隙特征Fig.4 Pores and fractures of coal reservoir in Baode Block

含氣性是反映煤層氣富集程度的關(guān)鍵指標(biāo)，研究表明，影響保德區(qū)塊含氣性分布的主要成藏要素為保存條件。良好的保存條件可以保持煤層壓力，阻止地層水交替，保持氣體以吸附態(tài)存在，減少游離氣和溶解氣散失。保存條件主要取決于3 個(gè)要素：構(gòu)造特征和水動(dòng)力特征、埋藏深度。受西傾單斜構(gòu)造的影響，煤層埋深變化規(guī)律為東北淺、西南深，水動(dòng)力條件變化規(guī)律為東強(qiáng)西弱、南強(qiáng)北弱。區(qū)塊北部與埋藏較深的西部地區(qū)為地下水弱徑流區(qū)，地層水礦化度為1 700～4 500 mg/L，煤層上傾方向由水動(dòng)力形成良好的封堵條件，形成北部單斜緩坡和楊家灣鼻隆區(qū)富集區(qū)，含氣量較高，一般4.0～12.0 m3/t；區(qū)塊南部保6 井區(qū)與煤層埋藏淺于500 m 的盆地邊緣地區(qū)，水動(dòng)力強(qiáng)，地層水礦化度較低，為800～1 500 mg/L，煤層氣嚴(yán)重逸散，含氣量一般低于3 m3/t，成藏條件較差。

根據(jù)成藏特征及含氣性分布規(guī)律，確定保德區(qū)塊勘探潛力區(qū)，位于水動(dòng)力弱徑流區(qū)、煤層埋深500～1 200 m，含氣量大4.0 m3/t，煤層厚度大于6 m，尋找單斜緩坡、正向構(gòu)造高點(diǎn)目標(biāo)，優(yōu)選出富集甜點(diǎn)Ⅰ類有利區(qū)面積160 km2，Ⅱ類有利區(qū)面積 140 km2，在Ⅰ類有利區(qū)開展規(guī)模產(chǎn)能建設(shè)，在Ⅱ類有利區(qū)及周邊開展?jié)L動(dòng)評(píng)價(jià)，建成年產(chǎn)氣量 5×108m3的國(guó)內(nèi)首個(gè)中低階煤煤層氣田，實(shí)現(xiàn)高效勘探開發(fā)。

3.2 間接壓裂新理念指導(dǎo)構(gòu)造煤有效增產(chǎn)改造

韓城區(qū)塊是鄂東緣最早獲得煤層氣探明儲(chǔ)量及規(guī)?？碧介_發(fā)的區(qū)塊，主要目的層位為二疊系山西組3、5 號(hào)煤和太原組11 號(hào)煤，區(qū)內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)以碎粒煤和碎裂煤為主，碎粒煤占61.38%，碎裂煤28.12%，原生結(jié)構(gòu)煤10.50%?？傮w為低滲軟煤，具有低強(qiáng)度、低彈性模量和高泊松比的力學(xué)特征。常規(guī)的直井/叢式井煤層壓裂方式，施工壓力高，壓裂容易形成較寬短的裂縫，造縫30～50 m，支撐劑在近井地帶大量堆積，不易形成高效的滲流通道。

針對(duì)煤層滲透率低、煤體結(jié)構(gòu)破碎等地質(zhì)條件復(fù)雜導(dǎo)致的工程適應(yīng)性差的矛盾，2013 年以來轉(zhuǎn)變儲(chǔ)層改造理念，探索間接壓裂技術(shù)，選擇高彈性模量和低泊松比的煤層頂?shù)装鍘r層進(jìn)行射孔壓裂。在煤層及其頂?shù)装逯行纬伞案咚贊B流通道”，有效提高壓裂裂縫的延伸長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力，增大泄流壓降面積，實(shí)現(xiàn)有效增產(chǎn)[45]。針對(duì)5 號(hào)煤和11 號(hào)煤地質(zhì)條件，開展頂板可壓性評(píng)價(jià)和頂板間接壓裂效果地質(zhì)影響因素分析，建立3 種射孔優(yōu)選模式，形成2 種井型。通過對(duì)間接壓裂技術(shù)的適應(yīng)性和裂縫展布規(guī)律分析，為韓城以及類似地區(qū)的煤層氣開發(fā)探索出新的方法和思路。

煤層間接壓裂技術(shù)適應(yīng)性主要取決于煤層頂?shù)装鍘r性特征。地層應(yīng)力場(chǎng)決定了水力壓裂縫的產(chǎn)狀和延伸方向[46]，裂縫一般在強(qiáng)度最弱、阻力最小的部位開啟，并沿最大主應(yīng)力方向延伸[47]。裂縫在垂向上的延伸與層間最小水平主應(yīng)力差值密切相關(guān)[48]。當(dāng)2 個(gè)相鄰巖層的最小主應(yīng)力差值大于4 MPa 時(shí)，才能有效遏制裂縫在垂向上的延伸[49]。沉積巖地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果：地層中最小水平主應(yīng)力值與泊松比呈正相關(guān)關(guān)系，其中，砂巖＜粉砂巖＜煤層[50]，煤系巖性組合決定各層段之間的應(yīng)力差，對(duì)控制縫高具有一定作用[51]。韓城區(qū)塊5 號(hào)煤層頂板以砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，11 號(hào)煤層頂板以泥巖為主夾條帶砂巖。頂?shù)装鍙椥阅Ａ扛摺⒉此杀鹊?、最小主?yīng)力小于煤層的最小主應(yīng)力(表1)，適合壓裂裂縫延伸，具備頂板間接壓裂施工的條件。

表1 煤層與頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)Table 1 Rock mechanical properties of coal seam,roof and floor

頂板巖性組合對(duì)間接壓裂效果的影響如圖5 所示，區(qū)內(nèi)頂板巖性組合可劃分為4 種類型：A 砂巖、B 薄層砂質(zhì)泥巖+砂巖、C 薄層泥巖+砂巖、D 泥巖?？傮w表現(xiàn)為，頂板巖性為砂巖時(shí)，間接壓裂產(chǎn)能最好，其次為泥質(zhì)砂巖、泥巖。研究表明，A、B 兩類巖性組合更適合5 號(hào)煤層頂板壓裂。A 型頂板為砂巖，裂縫主要在砂巖下部延伸，由于距煤層(應(yīng)力遮擋層)近，裂縫高度受限，裂縫長(zhǎng)度大，裂縫向下延伸溝通煤層效果好；B 型頂板為薄層砂質(zhì)泥巖+砂巖，當(dāng)薄泥巖中含有一定脆性礦物，巖石脆性指數(shù)較高時(shí)，易破裂，提高泵壓，裂縫向下可延伸溝通煤層；C 型頂板為朔性薄層泥巖+泥質(zhì)砂巖，縫高限制在砂巖中，溝通煤層效果差；D 型頂板為泥巖，泥巖脆性指數(shù)影響壓裂裂縫的復(fù)雜程度，脆性礦物含量少、脆性指數(shù)小于40 的厚層泥巖塑性較強(qiáng)[52]，此類泥巖是很好的遮擋層，不適合實(shí)施間接壓裂，施工壓力高，不易破裂，縫高不易控制[53]。

圖5 巖性組合對(duì)間接壓裂效果的影響Fig.5 Lithological combination suitable for indirect fracturing

根據(jù)煤層頂板巖性、煤體結(jié)構(gòu)，確定頂板間接壓裂的產(chǎn)氣通道類型、射孔位置與長(zhǎng)度，建立了3 種典型的頂板壓裂射孔選段模式，見表2。其中，5 號(hào)煤主要采用前兩種模式：煤層+砂巖頂板壓裂、砂巖頂板壓裂；11 號(hào)煤主要采用泥巖頂板壓裂模式。該技術(shù)發(fā)展出2 種井型：直井/叢式井頂板間接壓裂、水平井頂板壓裂。直井頂板間接壓裂已經(jīng)規(guī)模推廣應(yīng)用200 余口。2020 年探索實(shí)施2 口頂板水平井型試驗(yàn)，水平井段設(shè)計(jì)在煤層上部0～2 m 處，從頂板向煤層方向射孔壓裂。X-平02 井為5 號(hào)煤頂板水平井，煤層埋深610 m，水平段長(zhǎng)度960 m；X-平16 井為11 號(hào)煤頂板水平井，煤層埋深952 m，水平段長(zhǎng)度962 m。采用少段多簇方式，目前日產(chǎn)氣量穩(wěn)產(chǎn)在4 000 m3左右，增產(chǎn)效果明顯。

表2 頂板間接壓裂模式與射孔優(yōu)化Table 2 Indirect fracturing modes and perforation optimization of roof

3.3 地質(zhì)-工程甜點(diǎn)評(píng)價(jià)引領(lǐng)深層煤層氣勘探突破

大寧-吉縣區(qū)塊深層成藏特征：有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，煤的鏡質(zhì)體反射率Rmax為1.95%～3.09%，平均2.59%，主要為貧煤-無煙煤，生烴及吸附能力強(qiáng)；甲烷碳同位素δ13C 平均為-21.5‰，總體偏輕，為熱成因氣。儲(chǔ)層特征(圖6)：煤體結(jié)構(gòu)主要為原生結(jié)構(gòu)，孔隙為組織孔、胞腔孔、氣孔、晶間孔和溶蝕孔，割理發(fā)育，裂隙分3 類。張性裂隙寬度為5～10 μm，剪性裂隙寬度較小，約0.5 μm，原生裂隙寬度約為10 μm，裂隙和孔隙不同程度充填高嶺石、方解石和黃鐵礦?？紫堵蕿?.35%～6.11%，滲透率一般小于0.05×10-3μm2。深層煤層氣成藏受到高溫與高壓雙重控制，煤層氣主要以吸附態(tài)賦存，隨著煤層埋深增加、溫度增高至一定程度，地層壓力對(duì)吸附的正向作用小于溫度對(duì)吸附的負(fù)向作用，在深部高溫環(huán)境下，部分解吸出來的氣體會(huì)以“游離氣”狀態(tài)賦存于煤儲(chǔ)層[36-37]。形成高含氣、高飽和(平均98%)、局部賦存少量游離氣的特征。由于深部水動(dòng)力較弱，整體處于承壓水狀態(tài)，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，為西傾單斜，無大斷裂發(fā)育，局部發(fā)育褶皺構(gòu)造。

圖6 大寧-吉縣區(qū)塊深層煤儲(chǔ)層孔隙與裂隙特征Fig.6 Pores and fractures of deep coal reservoir in Daning-Jixian Block

根據(jù)深部煤層氣賦存機(jī)理及高產(chǎn)要素研究結(jié)果，篩選出煤層厚度、埋深、含氣量、構(gòu)造特征作為地質(zhì)甜點(diǎn)關(guān)鍵指標(biāo)。其中，煤層厚度和含氣性是反映煤層氣資源富集程度的基礎(chǔ)指標(biāo)。含氣量與埋深具有一定的正相關(guān)性，埋深位于2 000～2 600 m 處，含氣性整體較好，含氣量在20～37 m3/t。通過研究煤層厚度、含氣量對(duì)煤層氣井產(chǎn)氣量的關(guān)系，取煤層厚度6 m、含氣量20 m3/t 為地質(zhì)甜點(diǎn)指標(biāo)界限。對(duì)比構(gòu)造特征與產(chǎn)能動(dòng)態(tài)變化顯示，正向微構(gòu)造和平緩構(gòu)造部位易于形成高產(chǎn)，主要原因是該部位為應(yīng)力相對(duì)低值區(qū)，滲透性相對(duì)較高，易于儲(chǔ)層壓裂改造。

煤層氣可采資源潛力取決于資源量以及煤儲(chǔ)層被改造可產(chǎn)出的氣量。為了降低勘探開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，首先需要識(shí)別煤層氣富集與改造“甜點(diǎn)”區(qū)。前期淺層煤層氣“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)，主要強(qiáng)調(diào)地質(zhì)資源要素，較少考慮儲(chǔ)層改造工程要素。借鑒頁(yè)巖氣甜點(diǎn)評(píng)價(jià)中“可壓性”概念[54-55]，創(chuàng)新煤層氣“可壓性”評(píng)價(jià)，煤儲(chǔ)層及圍巖被有效壓裂而獲得增產(chǎn)的能力，相同壓裂工藝技術(shù)條件下，儲(chǔ)層及圍巖中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)并獲得足夠大的儲(chǔ)層改造體積概率以及獲得高經(jīng)濟(jì)效益的能力。煤層可壓性主要指煤層水力壓裂改造裂縫的有效延伸和擴(kuò)展的難易程度，通過壓裂主裂縫的縫長(zhǎng)和縫高特征來評(píng)判其“可壓性”潛力。在控制縫高情況下，主裂縫延伸越長(zhǎng)表明煤儲(chǔ)層改造效果越好[56-57]。通過物理模擬實(shí)驗(yàn)研究與微地震水力壓裂裂縫監(jiān)測(cè)，確定影響“可壓性”要素，判別工程甜點(diǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)為：煤體結(jié)構(gòu)、頂?shù)装鍘r性和力學(xué)性質(zhì)、煤層與頂?shù)装甯魧討?yīng)力差。

煤體結(jié)構(gòu)反映煤的變形程度，利用測(cè)井+巖性綜合法精細(xì)判識(shí)煤體結(jié)構(gòu)，建立煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井解釋圖版。研究區(qū)顯示，深部8 號(hào)煤層以原生結(jié)構(gòu)煤為主。原生結(jié)構(gòu)煤壓裂易形成單縫、長(zhǎng)縫，碎裂結(jié)構(gòu)煤壓裂易形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

煤層與頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)差異對(duì)壓裂裂縫的影響：煤層與頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)差異明顯，煤層一般處于低應(yīng)力區(qū)，壓裂裂縫一般可以控制在煤層中，不會(huì)擴(kuò)展到頂?shù)装濉Ｑ芯繀^(qū)8 號(hào)煤層頂板主要為致密灰?guī)r，底板主要為泥巖，少量地區(qū)為粉砂巖、砂巖。煤層與巖層的力學(xué)性質(zhì)差異，決定了煤層和頂?shù)装鍘r層(隔層)的水平地應(yīng)力差是影響裂縫垂向延伸的主要因素，反映頂?shù)装鍑鷰r遮擋能力。研究表明，2 個(gè)相鄰巖層的最小主應(yīng)力差值大于4 MPa 時(shí)，才會(huì)有效遏制裂縫在垂向上的延伸。煤層與頂板應(yīng)力差為8～18 MPa，煤層與底板應(yīng)力差主要為7～15 MPa，隔層應(yīng)力差大，有利于壓裂縫高控制。

綜合資源評(píng)價(jià)與可壓性評(píng)價(jià)，建立甜點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)(表3)，優(yōu)選出地質(zhì)-工程甜點(diǎn)區(qū)積1 983 km2，預(yù)測(cè)資源量4 898×108m3，為2 000 m 以深區(qū)域深層煤層氣探明儲(chǔ)量762 億m3的提交提供支撐。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)24 km2，開展1 億m3產(chǎn)能試采，試驗(yàn)區(qū)投產(chǎn)9 口井，平均單井產(chǎn)氣量3 303 m3/d，目前已進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)期，進(jìn)一步落實(shí)了2 000 m 以深煤層氣資源潛力及勘探開發(fā)的可行性。

表3 深層煤層氣地質(zhì)-工程甜點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Evaluation indexes of deep coal bed methane geology-engineering sweet spot

4 結(jié)論

a.鄂爾多斯盆地東緣煤層氣勘探可分為3 個(gè)階段：1990-2007 年淺層煤層氣勘探評(píng)價(jià)階段，在“淺層富煤區(qū)構(gòu)造高點(diǎn)富集”理論指導(dǎo)下，尋找“煤層埋深小于800 m、煤層厚度大、高含氣量、構(gòu)造高點(diǎn)”目標(biāo)；2008-2018 年，淺-中深層煤層氣規(guī)模勘探階段，提出“水動(dòng)力控氣-構(gòu)造調(diào)整-緩坡單斜”成藏理論，優(yōu)選“埋深小于1 500 m、水動(dòng)力封閉條件好、煤層厚度大、高含氣量、緩坡單斜及正向構(gòu)造”甜點(diǎn)，獲得保德區(qū)塊勘探突破。2019-2021 年，深層煤層氣勘探突破階段，提出“微超壓、高飽和吸附成藏”模式，獲得埋深大于2 000 m 的深層煤層氣的勘探突破。

b.煤層氣為連續(xù)性聚集氣藏，氣體主要以吸附態(tài)賦存，源儲(chǔ)一體，甜點(diǎn)富集，煤儲(chǔ)層致密，微-納米級(jí)孔喉系統(tǒng)發(fā)育，需進(jìn)行壓裂技術(shù)改造才有產(chǎn)能。從淺層到深層，煤層氣勘探開發(fā)獲得的兩大關(guān)鍵技術(shù)突破為“甜點(diǎn)”區(qū)識(shí)別以及儲(chǔ)層壓裂改造。

c.針對(duì)構(gòu)造煤構(gòu)破碎、直接壓裂煤層造縫困難的問題，開展煤層頂?shù)装鍘r性特征與頂板間接壓裂技術(shù)適應(yīng)性研究，根據(jù)煤層頂板巖性、煤體結(jié)構(gòu)等因素，確定頂板間接壓裂的產(chǎn)氣通道類型、射孔位置與長(zhǎng)度，建立3 種典型的頂板壓裂射孔選段模式。研究區(qū)5 號(hào)煤主要采用煤層+砂巖頂板壓裂、砂巖頂板壓裂模式，11 號(hào)煤主要采用泥巖頂板壓裂模式。

d.引入煤儲(chǔ)層“可壓性評(píng)價(jià)”理念，建立地質(zhì)-工程甜點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，篩選出地質(zhì)甜點(diǎn)關(guān)鍵指標(biāo)為煤層厚度、含氣量、埋深、構(gòu)造特征。工程甜點(diǎn)關(guān)鍵指標(biāo)為：煤體結(jié)構(gòu)、煤層與頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)、隔層應(yīng)力差。優(yōu)選出甜點(diǎn)區(qū)面積1 983 km2，指導(dǎo)大寧-吉縣區(qū)塊埋深大于2 000 m 深層煤層氣勘探突破。