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任公司，北京 100028；2.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095)

鄂爾多斯盆地煤層氣資源豐富，全國第四輪煤層氣資源評價結(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)儲量的規(guī)模動用，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層改造方式。目前國內(nèi)外相關(guān)煤層氣方面的文獻研究，主要集中在1 500 m 以淺，以煤層氣發(fā)展對策與思考[1-5]、資源評價與前景[6-9]、早期(2015 年以前)勘探開發(fā)現(xiàn)進展[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)理論及儲層改造理念轉(zhuǎn)變，缺乏結(jié)合氣藏地質(zhì)和儲層改造因素開展“地質(zhì)-工程”甜點評價及相關(guān)勘探開發(fā)實例。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)實例，每一次勘探開發(fā)突破，必有重大理論認識轉(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)造相對簡單，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 號煤、太原組8+9 號煤層。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 號煤層厚度1～15 m，一般大于2.5 m，8+9 號煤層厚度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90 年代鄂東緣開始進行煤層氣勘探，截至2021 年底，累計探明煤層氣(含煤系氣)地質(zhì)儲量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)認識深化及技術(shù)水平提升，勘探開發(fā)思路、對象、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)造高點煤層氣富集區(qū)”，勘探對象為淺層煤層氣。2008-2018 年，在“水動力控氣-構(gòu)造調(diào)整-單斜緩坡成藏”理論指導(dǎo)下，形成“甜點”富集區(qū)評價指標體系，勘探深度擴展到1 500 m，煤階范圍擴大至低、中、高煤階；改變儲層改造理念，在圍巖中建立“虛擬產(chǎn)層”，實現(xiàn)構(gòu)造煤有效增產(chǎn)。2019-2021 年，以“微超壓、高飽和吸附成藏”認識，指導(dǎo)“地質(zhì)-工程”雙甜點評價，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)認識深化為基礎(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) 煤層氣早期勘探評價階段(1990-1996 年)

鄂東緣煤炭資源豐富，煤炭勘探始于20 世紀50年代，區(qū)內(nèi)煤田勘探程度相對較高，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90 年代，依托河?xùn)|煤田勘探基礎(chǔ)，借鑒美國圣胡安盆地“中高階煤煤層氣成藏”經(jīng)驗，在埋深800 m 以淺開展中高階煤煤層氣資源評價[10-14,19-20]。1990-1996 年，地礦部華北石油勘探局和美國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。受當時技術(shù)水平限制，產(chǎn)氣量遞減較快，煤層氣勘探進展較慢。

2) 煤層氣重點勘探突破階段(1997-2007 年)

1996 年原中聯(lián)煤層氣有限責任公司聯(lián)合外資企業(yè)，開展煤層氣重點區(qū)塊評價。該階段按照“富煤區(qū)構(gòu)造高點”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、消化、吸收美國煤層氣“水力壓裂、排水降壓采氣技術(shù)”，同時逐步探索適用于本區(qū)的技術(shù)。截至2007年底，累計實施二維地震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)塊實施煤層氣井組排采試驗，未能達到預(yù)期效果。

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

1996-1997 年，中國煤田地質(zhì)總局在韓城中高煤階地區(qū)實施的韓試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。儲層參數(shù)顯示較好，為下一步井組評價提供了基礎(chǔ)。2004-2007 年，以“富煤區(qū)構(gòu)造高點”為指導(dǎo)，在板橋鼻隆區(qū)實施WL1 先導(dǎo)性開發(fā)試驗井組(11 口井)。開展煤巖力學(xué)性質(zhì)評估，優(yōu)選山西組3 號、5 號煤進行分層壓裂，暫不壓裂構(gòu)造破碎的11 號煤層，分別試驗了活性水、鹽水及清潔壓裂液體系。經(jīng)過兩年時間排水降壓，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煤層氣新增探明儲量50.78 億m3，探明含氣面積41.7 km2。

2001-2007 年，中國石油天然氣集團公司煤層氣項目經(jīng)理部在大寧-吉縣地區(qū)1 000 m 以淺地區(qū)，對吉試18 井高階煤煤層氣井壓裂排采，產(chǎn)氣量1 300 m3/d；中石油長慶油田分公司對回宮井組的宮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，借鑒美國粉河盆地“低階煤煤層氣”技術(shù)，在保德區(qū)塊實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4 口井8+9 號煤層進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，初步評價區(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，累計實施二維地震3 649.015 km，鉆井501 口，全面開展鄂東緣全區(qū)煤層氣地質(zhì)條件分析與對比，確定主力煤層劃分對比方案，突破“構(gòu)造高點”選區(qū)理論，以煤層氣“水動力控氣-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”富氣認識，轉(zhuǎn)變構(gòu)造煤儲層改造思路，實現(xiàn)淺層-中深層(埋深500～1 500 m)煤層氣規(guī)?？碧介_發(fā)突破。實現(xiàn)新增煤層氣及煤系氣探明儲量3 547.26×108m3。保德區(qū)塊建成國內(nèi)首個商業(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)中深層獲得探明儲量；韓城區(qū)塊構(gòu)造煤儲層取得有效增產(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 套煤層累計厚度10～30 m，間距50～90 m。

針對前期水平井單采太原組8+9 號煤層，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“水動力控氣-緩坡單斜成藏”理論，建立了中低階煤煤層氣“甜點”指標體系，指導(dǎo)區(qū)塊快速取得勘探突破。2009-2012 年，實施二維地震352.9 km，三維地震181 km2，煤層氣探井/評價井13 口，系統(tǒng)評價影響煤層氣保存的頂?shù)装鍘r性、含水性及區(qū)域水動力條件，確認山西組4+5 號煤和太原組8+9 號煤均可作為主力層系，在區(qū)塊北部弱水動力區(qū)，優(yōu)選出Ⅰ類“甜點”區(qū)面積160 km2。在Ⅰ類“甜點”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 號煤的技術(shù)思路，采用叢式井合層壓裂排采4+5 號煤與8+9 號煤。

該階段實施的保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，隨排采時間延長產(chǎn)氣量呈穩(wěn)定增長趨勢。排采時間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，新增探明煤層氣儲量共343.54×108m3。2012 年以來，開展規(guī)模開發(fā)及滾動產(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 年時間。

2) 大寧-吉縣區(qū)塊中深層煤層氣勘探進展

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 號煤、太原組8 號煤鏡質(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，實施二維地震1 745.95 km，探井54 口，評價井組4 個，開展了1 億m3產(chǎn)能勘探開發(fā)一體化先導(dǎo)試驗，先后探索試驗多種井型(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 號煤、單采5 號煤、單采8 號煤)。叢式井長期低產(chǎn)、上產(chǎn)緩慢，排采期長，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)模總體較小。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，提高加砂強度配合大排量，以形成有效長距離支撐、高導(dǎo)流能力的規(guī)模人工裂縫為目標[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?，液量2 000～3 000 m3，砂量120～200 m3，施工排量14～16 m3/min。近期實施的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 號煤孔隙率3.85%～6.26%，滲透率為(0.02～3.5)×10-3μm2，11 號煤孔隙率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)力特征以及裂縫擴展機理，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，試驗并逐步推廣 5 號煤層頂板間接壓裂，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延伸，提高裂縫導(dǎo)流能力。取得較好增產(chǎn)效果后，探索擴大技術(shù)應(yīng)用范圍，對5 號煤層、11 號煤層老層(指已實施過射孔壓裂但造縫效果欠佳的煤層)實施間接壓裂。5 號煤層實施頂板間接壓裂，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度，形成的縫網(wǎng)在較遠端溝通煤層。11 號煤層實施頂板控底體積壓裂，暫堵11 號煤層原射孔段，在靠近煤層的頂板泥巖中射孔，壓裂頂板泥巖，用細砂控底后采用大排量、大液量模式壓裂造縫，裂縫高度增長，在較遠端溝通煤層，達到增產(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)造高點目標。針對深層煤層低孔、低滲、高飽和度的特征，強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”雙甜點評價指標，優(yōu)選出深層煤層氣富集區(qū)面積1 983 km2，預(yù)測資源量4 898×108m3。

實施的18 口先導(dǎo)試驗井，直井平均產(chǎn)氣量3 000 m3/d，其中大吉 3-7 向2 井，8 號煤層埋深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)試驗方案獲批實施。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)儲量762.08×108m3，實現(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]：層狀儲集，大面積連續(xù)分布，甜點富集，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；儲集層致密(孔隙率4%～12%，滲透率小于1×10-3μm2)，微-納米級孔喉系統(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，源儲一體、主要依靠水動力封閉，而非常規(guī)油氣的蓋層封堵；運移與聚集動力不是受浮力作用主導(dǎo)，主要為超壓、擴散、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。實踐表明，煤層氣富集甜點優(yōu)選及儲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。孔隙結(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，輔以少量生物補充的游離氣。成藏特征為“熱成因氣為主、生物成因氣補充、水動力控氣、單斜緩坡成藏”[44]。

圖4 保德區(qū)塊煤儲層孔隙與裂隙特征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，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 個要素：構(gòu)造特征和水動力特征、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，水動力條件變化規(guī)律為東強西弱、南強北弱。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)，水動力強，地層水礦化度較低，為800～1 500 mg/L，煤層氣嚴重逸散，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)造高點目標，優(yōu)選出富集甜點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動評價，建成年產(chǎn)氣量 5×108m3的國內(nèi)首個中低階煤煤層氣田，實現(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 號煤和太原組11 號煤，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度和導(dǎo)流能力，增大泄流壓降面積，實現(xiàn)有效增產(chǎn)[45]。針對5 號煤和11 號煤地質(zhì)條件，開展頂板可壓性評價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)力場決定了水力壓裂縫的產(chǎn)狀和延伸方向[46]，裂縫一般在強度最弱、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2 個相鄰巖層的最小主應(yīng)力差值大于4 MPa 時，才能有效遏制裂縫在垂向上的延伸[49]。沉積巖地應(yīng)力測試結(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，對控制縫高具有一定作用[51]。韓城區(qū)塊5 號煤層頂板以砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，11 號煤層頂板以泥巖為主夾條帶砂巖。頂?shù)装鍙椥阅Ａ扛?、泊松比低、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，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，當薄泥巖中含有一定脆性礦物，巖石脆性指數(shù)較高時，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[52]，此類泥巖是很好的遮擋層，不適合實施間接壓裂，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 年探索實施2 口頂板水平井型試驗，水平井段設(shè)計在煤層上部0～2 m 處，從頂板向煤層方向射孔壓裂。X-平02 井為5 號煤頂板水平井，煤層埋深610 m，水平段長度960 m；X-平16 井為11 號煤頂板水平井，煤層埋深952 m，水平段長度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)-工程甜點評價引領(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；甲烷碳同位素δ13C 平均為-21.5‰，總體偏輕，為熱成因氣。儲層特征(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。孔隙率為2.35%～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，地層壓力對吸附的正向作用小于溫度對吸附的負向作用，在深部高溫環(huán)境下，部分解吸出來的氣體會以“游離氣”狀態(tài)賦存于煤儲層[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。由于深部水動力較弱，整體處于承壓水狀態(tài)，構(gòu)造相對簡單，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)甜點關(guān)鍵指標。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。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)甜點指標界限。對比構(gòu)造特征與產(chǎn)能動態(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)力相對低值區(qū)，滲透性相對較高，易于儲層壓裂改造。

煤層氣可采資源潛力取決于資源量以及煤儲層被改造可產(chǎn)出的氣量。為了降低勘探開發(fā)風(fēng)險，首先需要識別煤層氣富集與改造“甜點”區(qū)。前期淺層煤層氣“甜點”評價，主要強調(diào)地質(zhì)資源要素，較少考慮儲層改造工程要素。借鑒頁巖氣甜點評價中“可壓性”概念[54-55]，創(chuàng)新煤層氣“可壓性”評價，煤儲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，儲層及圍巖中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)并獲得足夠大的儲層改造體積概率以及獲得高經(jīng)濟效益的能力。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展的難易程度，通過壓裂主裂縫的縫長和縫高特征來評判其“可壓性”潛力。在控制縫高情況下，主裂縫延伸越長表明煤儲層改造效果越好[56-57]。通過物理模擬實驗研究與微地震水力壓裂裂縫監(jiān)測，確定影響“可壓性”要素，判別工程甜點的關(guān)鍵指標為：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，利用測井+巖性綜合法精細判識煤體結(jié)構(gòu)，建立煤體結(jié)構(gòu)測井解釋圖版。研究區(qū)顯示，深部8 號煤層以原生結(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，不會擴展到頂?shù)装?。研究區(qū)8 號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 個相鄰巖層的最小主應(yīng)力差值大于4 MPa 時，才會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。

綜合資源評價與可壓性評價，建立甜點評價指標(表3)，優(yōu)選出地質(zhì)-工程甜點區(qū)積1 983 km2，預(yù)測資源量4 898×108m3，為2 000 m 以深區(qū)域深層煤層氣探明儲量762 億m3的提交提供支撐。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選先導(dǎo)試驗區(qū)24 km2，開展1 億m3產(chǎn)能試采，試驗區(qū)投產(chǎn)9 口井，平均單井產(chǎn)氣量3 303 m3/d，目前已進入穩(wěn)產(chǎn)期，進一步落實了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)-工程甜點評價指標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 個階段：1990-2007 年淺層煤層氣勘探評價階段，在“淺層富煤區(qū)構(gòu)造高點富集”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”目標；2008-2018 年，淺-中深層煤層氣規(guī)模勘探階段，提出“水動力控氣-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，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，源儲一體，甜點富集，煤儲層致密，微-納米級孔喉系統(tǒng)發(fā)育，需進行壓裂技術(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”區(qū)識別以及儲層壓裂改造。

c.針對構(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、射孔位置與長度，建立3 種典型的頂板壓裂射孔選段模式。研究區(qū)5 號煤主要采用煤層+砂巖頂板壓裂、砂巖頂板壓裂模式，11 號煤主要采用泥巖頂板壓裂模式。

d.引入煤儲層“可壓性評價”理念，建立地質(zhì)-工程甜點評價指標，篩選出地質(zhì)甜點關(guān)鍵指標為煤層厚度、含氣量、埋深、構(gòu)造特征。工程甜點關(guān)鍵指標為：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。