鄭司建,桑樹(shù)勛,3,4

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221008;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)碳中和研究院,江蘇徐州221008;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇徐州221116;4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)低碳能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇徐州221116)

1 煤層氣富集與地質(zhì)評(píng)價(jià)

煤層氣作為一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣,近90%的煤層氣以吸附態(tài)賦存于煤儲(chǔ)層微納米孔隙中[1]。煤層氣的富集受制于煤層與上覆、下伏巖層構(gòu)成的成藏系統(tǒng)及該系統(tǒng)所經(jīng)歷的地質(zhì)作用,基于對(duì)我國(guó)重點(diǎn)含煤盆地煤層氣分布賦存特征的總結(jié),本文將煤層氣富集主控地質(zhì)評(píng)價(jià)因素概括如下。

1) 地質(zhì)構(gòu)造條件。多期次地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育是我國(guó)含煤盆地的顯著特點(diǎn)。在地質(zhì)構(gòu)造抬升作用下,煤層氣藏原有的保存條件受到破壞[2]。如在長(zhǎng)期遭受剝蝕的隆起區(qū),煤儲(chǔ)層保存條件受到破壞,致使煤層氣發(fā)生逸散,原位煤儲(chǔ)層含氣性降低。另外,在不同類型的地質(zhì)構(gòu)造形成過(guò)程中(如斷裂構(gòu)造、褶曲及陷落柱等),其發(fā)育的不同構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)將會(huì)誘使煤儲(chǔ)層及其頂、底板的物性特征發(fā)生變化,導(dǎo)致煤層氣的富集出現(xiàn)差異性變化[3-4]。

2) 煤層埋藏深度。煤層埋藏深度對(duì)煤層氣富集的影響主要體現(xiàn)在儲(chǔ)層壓力和儲(chǔ)層溫度效應(yīng)對(duì)不同相態(tài)煤層氣的轉(zhuǎn)化作用。在煤層氣成藏初始階段,儲(chǔ)層壓力正向影響明顯強(qiáng)于溫度反向影響,造成游離態(tài)煤層氣相變?yōu)槲较鄳B(tài)。隨著沉積作用的進(jìn)一步加大,煤層的埋藏深度逐漸增大。當(dāng)煤層埋深達(dá)到臨界深度時(shí),儲(chǔ)層壓力正向影響減弱,而儲(chǔ)層溫度反向影響增強(qiáng),致使煤儲(chǔ)層吸附態(tài)甲烷含量降低[5-6]。

3) 水文地質(zhì)條件。煤層水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)煤層氣富集的影響,一是水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣藏的破壞作用,主要表現(xiàn)于地下水遷移過(guò)程中會(huì)攜帶部分甲烷逸散,常見(jiàn)于地下水作用強(qiáng)的斷層構(gòu)造發(fā)育區(qū)[7];二是水文地質(zhì)條件對(duì)煤層氣藏的保護(hù)作用,主要表現(xiàn)于地下水封閉和封堵效應(yīng),有利于煤層氣的富集與保存[8]。

4) 沉積環(huán)境。煤儲(chǔ)層沉積環(huán)境的不同對(duì)煤層氣的富集影響也不盡相同[9]。若煤層氣藏的頂、底板為砂巖類地層,其特征相對(duì)不致密,大孔裂隙比較發(fā)育,缺乏很好的煤層氣封堵作用,不利于甲烷氣體的保存。若煤層氣藏的頂、底板為泥巖類地層,由于其特征相對(duì)致密,有利于甲烷氣體的保存。

5) 煤儲(chǔ)層物性。煤儲(chǔ)層物性對(duì)煤層氣富集的影響不僅體現(xiàn)在煤儲(chǔ)層的生氣能力,對(duì)煤儲(chǔ)層孔-裂隙系統(tǒng)的發(fā)育形成也具有一定影響作用。在構(gòu)造應(yīng)力作用下,由于煤巖力學(xué)性質(zhì)較弱,易導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,形成構(gòu)造煤,同時(shí)造成大量吸附態(tài)甲烷相變?yōu)橛坞x態(tài)甲烷[10-11]。通常煤儲(chǔ)層甲烷含量與煤層的厚度呈正比,煤層的厚度越大煤層含氣量越高[12]。此外,巖漿活動(dòng)會(huì)破壞原始儲(chǔ)層物性特征,熱變質(zhì)作用下有利于煤層氣的形成和儲(chǔ)層滲透率的提高,同時(shí)巖漿熱活動(dòng)也可能破壞煤儲(chǔ)層儲(chǔ)集能力,造成煤層氣的逸散[13]。

2 煤儲(chǔ)層表征與煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)

煤儲(chǔ)層具有典型的低孔隙度、低滲透率和強(qiáng)非均質(zhì)性特征,這就造成煤儲(chǔ)層的精細(xì)定量表征工作十分困難。煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)與儲(chǔ)層表征存在相互制約關(guān)系。煤儲(chǔ)層發(fā)育特征影響著煤層氣開(kāi)發(fā)工程的工藝選擇與施工方案的制訂,同時(shí)在煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中煤儲(chǔ)層物性也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化[14]。因此,針對(duì)與煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)緊密關(guān)聯(lián)的煤儲(chǔ)層表征研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。傳統(tǒng)的煤層氣儲(chǔ)層研究方法主要有高壓壓汞法(HMIP)、低溫氣體吸附法(LTGA)、掃描電鏡(SEM)、透射電子電鏡(TEM)等,新型非常規(guī)技術(shù)有小角度中子散射(SANS)、小角度X射線散射(SAXS)、X射線CT掃描(X-CT)、低場(chǎng)核磁共振技術(shù)(LF-NMR)等(圖1)。LTGA法是基于低溫環(huán)境下煤巖表面吸附氣體的含量,根據(jù)Brunner-Emmet-Teller(BET)、Barrett-Joyner-Halenda(BJH)等理論方法計(jì)算儲(chǔ)層的孔隙大小、孔徑分布等。其中低溫液氮吸附多用于研究中孔(2～50nm)的孔徑分布;低溫二氧化碳吸附法適用于表征微孔(小于2nm)的孔徑分布[15]。HMIP是利用不同壓力條件將汞注入多孔的煤巖介質(zhì),并按照對(duì)應(yīng)的模型測(cè)算孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù),可測(cè)量孔隙大小為0.005～360.000μm。壓汞法在研究煤頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)存在明顯的缺陷,即受限于注入汞的壓力范圍,對(duì)于小于100nm的微小孔無(wú)法精準(zhǔn)定量分析,同時(shí)在注汞壓力過(guò)大情況下,樣品會(huì)出現(xiàn)微小裂縫造成孔隙形貌破壞,降低了實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[16]。掃描電鏡及場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡方法只能反映儲(chǔ)層的局部信息,不能對(duì)整個(gè)孔裂隙系統(tǒng)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。SAXS技術(shù)可以同時(shí)提供煤中連通孔隙和封閉孔隙的信息,但不能準(zhǔn)確定量表征煤的孔徑分布特征。近年來(lái),LF-NMR方法以測(cè)試樣品規(guī)格多樣(塊樣、柱樣均可)、對(duì)樣品無(wú)破壞等優(yōu)點(diǎn)在煤層氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用,基于與常規(guī)測(cè)試手段結(jié)果平行對(duì)比,建立了一套基于LF-NMR技術(shù)的煤儲(chǔ)層特性定量分析評(píng)價(jià)體系[17]。

圖1 煤層氣儲(chǔ)層表征技術(shù)體系(改自劉大錳等[14])

隨著多學(xué)科交叉研究的發(fā)展,測(cè)井和地震等常規(guī)油氣方法逐漸應(yīng)用于煤層氣領(lǐng)域?；诿簩託獾卣鹳Y料解釋,可準(zhǔn)確識(shí)別并標(biāo)定目標(biāo)層位、斷層組合及陷落柱的分布[18];利用地震屬性(如反射波振幅,地震反射瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)相位等)與煤儲(chǔ)層物性參數(shù)的關(guān)系,基于數(shù)學(xué)地質(zhì)建立了煤層氣儲(chǔ)層參數(shù)多信息綜合定量預(yù)測(cè)方法[19];三維三分量地震探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提高了煤層氣儲(chǔ)層的裂隙發(fā)育區(qū)和煤層氣富集區(qū)的預(yù)測(cè)精度[20]。煤層氣地球物理測(cè)井在識(shí)別煤層、分析煤質(zhì)特征、評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層孔滲特性等方面效果顯著,如基于測(cè)井曲線與聚類分析方法建立了煤體結(jié)構(gòu)識(shí)別的方法[21];根據(jù)雙側(cè)向測(cè)井資料,采用迭代法建立了煤層裂縫孔隙度評(píng)價(jià)模型[22];根據(jù)補(bǔ)償密度、補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井值與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析對(duì)比結(jié)果,構(gòu)建了煤層氣含量評(píng)價(jià)模板[23]。

在沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣,大多數(shù)煤層氣井具有低產(chǎn)、衰減快或產(chǎn)量不穩(wěn)定的特點(diǎn)。除受地質(zhì)因素影響外,另一個(gè)主要原因是,對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的煤儲(chǔ)層特性的動(dòng)態(tài)變化效應(yīng)認(rèn)識(shí)不清,從而導(dǎo)致采用了不當(dāng)?shù)呐挪纱胧?。因?綜合利用多種常規(guī)與非常規(guī)表征技術(shù)對(duì)煤層氣產(chǎn)區(qū)開(kāi)采過(guò)程中的煤儲(chǔ)層進(jìn)行系統(tǒng)化、精細(xì)化、超微觀化的定量表征,將是今后煤儲(chǔ)層表征的發(fā)展趨勢(shì)。

3 地質(zhì)適配性煤層氣勘探開(kāi)發(fā)

3.1 高煤階煤層氣

我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)自20世紀(jì)90年代起步,經(jīng)歷了20余年的探索和發(fā)展,已形成了適合我國(guó)中高煤階煤層氣地質(zhì)條件的開(kāi)發(fā)工程技術(shù)系列,建成沁水盆地高煤階、鄂爾多斯盆地東緣中煤階兩大煤層氣勘探、開(kāi)發(fā)、輸送、利用產(chǎn)業(yè)化基地。高煤階煤層氣資源相對(duì)豐富是中國(guó)煤層氣資源的重要稟賦之一,高煤階煤層氣可采資源量為3.56×1012m3,占比為28.5%[24]。沁水盆地南部高煤階煤層氣于2009年率先進(jìn)入商業(yè)化開(kāi)發(fā)階段,目前沁南煤層氣示范工程生產(chǎn)規(guī)模已達(dá)到38×108m3/a[25]。近幾年川南—黔北地區(qū)高煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)也取得積極進(jìn)展,在川南筠連地區(qū)已建成年產(chǎn)2×108m3的煤層氣生產(chǎn)區(qū)塊,黔北地區(qū)織金區(qū)塊等煤層氣開(kāi)發(fā)示范工程已取得成功[26]。

高變質(zhì)程度、普遍低孔滲、生氣量大、吸附甲烷能力強(qiáng)是高階煤儲(chǔ)層共有特征?；谇咚璧啬喜棵簩託饩畬?shí)測(cè)和生產(chǎn)數(shù)據(jù),桑樹(shù)勛等[27]以煤層埋深范圍為線索,建立了高階煤煤層氣富集綜合模式(圖2),該模式可以很好地將前人建立的向斜煤層氣富集、褶曲翼部煤層氣富集、構(gòu)造高點(diǎn)煤層氣富集等不同高煤階煤層氣富集模式統(tǒng)一起來(lái)。同時(shí),桑樹(shù)勛等[27]認(rèn)為高煤階煤層氣富集規(guī)律是煤層含氣量和滲透率在不同埋深和構(gòu)造條件下耦合配置的結(jié)果,而決定高階煤儲(chǔ)層滲透率的主控地質(zhì)因素構(gòu)成高煤階煤層氣富集關(guān)鍵主控地質(zhì)因素,主要為煤層埋深、地質(zhì)構(gòu)造(含構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng))、煤體結(jié)構(gòu)等。

圖2 高煤階煤層氣富集綜合模式(改自桑樹(shù)勛等[27])

現(xiàn)階段我國(guó)高煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)中存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:煤層氣開(kāi)發(fā)定位模糊、勘探程序設(shè)置不合理以及開(kāi)發(fā)技術(shù)與盆地條件不匹配等。從以上存在問(wèn)題來(lái)看,高煤階煤層氣的開(kāi)發(fā)應(yīng)是地質(zhì)儲(chǔ)層條件決定氣井產(chǎn)能,選區(qū)評(píng)價(jià)技術(shù)是基礎(chǔ)和關(guān)鍵,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)鉆完井方式、排采工藝選擇與地質(zhì)條件、儲(chǔ)層性質(zhì)、煤體結(jié)構(gòu)等須匹配[28-29],進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤層氣的高效開(kāi)發(fā)。

3.2 中低煤階煤層氣

我國(guó)中低煤階煤層氣資源極為豐富,可采資源量達(dá)8.94×1012m3,約占煤層氣可采總資源量的71.5%[24]。中低煤階煤層氣主要分布于西北、東北地區(qū)的鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、吐哈、三塘湖、柴達(dá)木、海拉爾、二連、阜新等盆地,主要賦存于中生界侏羅系、白堊系及古近系,具有煤層發(fā)育、煤層數(shù)多、煤層厚度大、含氣量低、煤層欠壓等特點(diǎn)[30-31]。我國(guó)中低煤階煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)和利用先后經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展時(shí)期[32]:2003—2008年,阜新盆地、鐵法盆地等中低煤階煤層氣小規(guī)模民用,成為我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的起點(diǎn);2013年至今,以鄂爾多斯盆地東緣保德區(qū)塊中低煤階煤層氣成功勘探開(kāi)發(fā)為代表,推動(dòng)了我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)由沁水盆地高煤階進(jìn)入中低煤階,新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣阜康、烏魯木齊河?xùn)|區(qū)塊等也進(jìn)入勘探開(kāi)發(fā)階段。

保德區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣北段,是我國(guó)中低煤階煤層氣開(kāi)發(fā)最成功的區(qū)塊,已建成產(chǎn)能7.7×108m3,產(chǎn)氣井600余口,產(chǎn)氣量近160×104m3/d,單井平均產(chǎn)氣量達(dá)2372m3/d。保德區(qū)塊構(gòu)造形態(tài)簡(jiǎn)單,總體為西傾鼻狀單斜構(gòu)造,地層傾角平緩[33]。自2004年開(kāi)始勘探,保德區(qū)塊煤層氣勘探開(kāi)發(fā)先在勘探不利、外企退出的背景下,中石油煤層氣公司通過(guò)地質(zhì)、工程技術(shù)的探索創(chuàng)新,基于“多源共生-水動(dòng)力控氣”的聚氣規(guī)律指導(dǎo)了該區(qū)塊的成功開(kāi)發(fā)。

隨著我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐的發(fā)展,煤層氣開(kāi)發(fā)工程技術(shù)系列逐漸形成,主要包括三維地震物探技術(shù)、直井+定向井叢式鉆井技術(shù)、大規(guī)模水力加砂壓裂技術(shù)、智能化排采控制技術(shù)、低成本地面集輸工藝技術(shù)、儲(chǔ)層敏感性與儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)、低產(chǎn)井改造及提高采收率技術(shù)等關(guān)鍵工程技術(shù)系列。經(jīng)過(guò)沁水盆地高煤階煤層氣壓裂研究與長(zhǎng)期的實(shí)踐探索,煤層氣儲(chǔ)層壓裂工藝?yán)砟畈粩鄡?yōu)化創(chuàng)新,由“十一五”時(shí)期的“大液量、大排量、大砂量”,轉(zhuǎn)為“十二五”時(shí)期的“適度液量、變排量、適度砂比”,再到“十三五”時(shí)期針對(duì)低煤階、厚煤層、強(qiáng)濾失性提出的“大液量、超高排量鋪砂、變砂比加砂”,煤層氣壓裂理念針對(duì)不同儲(chǔ)層條件呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)[34-38]。以中煤階煤層氣為代表的鄂爾多斯盆地東緣形成了“叢式井、低傷害完井、清潔壓裂液、高效支撐壓裂”等技術(shù)體系,并在保德區(qū)塊首次應(yīng)用“地質(zhì)工程一體化”技術(shù)[33]。

4 復(fù)雜地質(zhì)條件煤層氣勘探開(kāi)發(fā)

4.1 構(gòu)造煤煤層氣

受斷裂、褶皺、滑動(dòng)等構(gòu)造作用的影響,完整煤的原有結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期強(qiáng)烈擠壓、剪切和變形作用下遭到破壞,使煤發(fā)生嚴(yán)重破碎甚至粉碎。嚴(yán)重壓碎的煤或煤粉通常稱為構(gòu)造煤或地質(zhì)構(gòu)造變形煤,具有脆性或延性破壞煤體和低黏聚力、低強(qiáng)度、低滲透性的特點(diǎn)[10,39-40]。我國(guó)西南大部分煤田和東北大部分地區(qū),如河南省西部、安徽省淮南和淮北煤田,都存在構(gòu)造煤。截至2011年底,我國(guó)構(gòu)造煤探明儲(chǔ)量約4570×108t,占煤炭總儲(chǔ)量的23.5%[41]。構(gòu)造煤的地質(zhì)成因有一定的尺度,包括區(qū)域尺度和局部尺度。在區(qū)域尺度上,層理滑動(dòng)是主要的控制因素,構(gòu)造煤可以在煤田尺度甚至更大的范圍內(nèi)分布;而在局部尺度上,主要是斷陷煤層,其分布范圍較小,如長(zhǎng)壁工作面。構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)通常是煤層氣吸附-解吸最活躍的地區(qū),煤儲(chǔ)層含氣性時(shí)空變化顯著,且平衡狀態(tài)易受到破壞[42-43]。在原位地層條件下,構(gòu)造煤煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于儲(chǔ)層微、納米孔隙,含氣量普遍較高,是瓦斯突出與超量煤層氣聚集易發(fā)生地帶。受限于構(gòu)造煤煤層氣特殊的儲(chǔ)層特征,傳統(tǒng)的煤層氣疏水降壓開(kāi)發(fā)理論技術(shù)不適合構(gòu)造煤儲(chǔ)層,基于應(yīng)力釋放(原位)的煤層氣開(kāi)發(fā)理論技術(shù),有望將構(gòu)造煤煤儲(chǔ)層從煤層氣開(kāi)發(fā)禁區(qū)變?yōu)樾骂I(lǐng)域[44]。開(kāi)展區(qū)域構(gòu)造控制作用下的不同類型構(gòu)造煤煤層氣富集與地質(zhì)評(píng)價(jià),研究不同類型構(gòu)造煤煤層氣成藏結(jié)構(gòu)與分布非均質(zhì)性,建立不同類型構(gòu)造煤煤層氣配套開(kāi)發(fā)技術(shù)評(píng)價(jià)體系,研發(fā)適用于構(gòu)造煤煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的新理論和新技術(shù),是今后構(gòu)造煤煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的研究方向。

4.2 深部煤層氣

深部煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)是中國(guó)化石能源資源稟賦的選擇與國(guó)家需求。深部煤層氣勘探已在延川南、鄭莊里必深部煤層氣開(kāi)發(fā)、柿莊北多井同步水力波及壓裂技術(shù)等取得成功案例。近期在鄂爾多斯盆地大寧—吉縣區(qū)塊、準(zhǔn)噶爾盆地東部白家海凸起和綏德河底區(qū)塊深層煤層氣(深度2000m左右甚至更深)勘探開(kāi)發(fā)取得突破[45-46],是下一步煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的全新領(lǐng)域。深部煤層氣儲(chǔ)層具有明顯的“三高”特點(diǎn),即高地應(yīng)力、高地溫、高儲(chǔ)層壓力[47]。在高地應(yīng)力作用下,深部煤儲(chǔ)層孔裂隙系統(tǒng)極為不發(fā)育。深部煤儲(chǔ)層高地溫和高儲(chǔ)層壓力會(huì)影響煤層氣的吸附和解吸特性。煤巖力學(xué)性質(zhì)也在“三高”地質(zhì)環(huán)境下趨于復(fù)雜,煤儲(chǔ)層破裂壓力和施工壓力增高,壓裂改造裂縫延伸范圍受限,煤儲(chǔ)層改造難度增大。深部煤儲(chǔ)層地質(zhì)特殊性起源于較高的地應(yīng)力和地層溫度,導(dǎo)致深部煤儲(chǔ)層可壓縮性高、滲透性低和彈性低,進(jìn)而影響深部煤層氣含氣系統(tǒng)和可采可行性[48-51]。我國(guó)深部煤儲(chǔ)層地質(zhì)條件復(fù)雜,煤儲(chǔ)層滲透率低,地質(zhì)與工程理論支撐不足,開(kāi)發(fā)方式和工程技術(shù)受限,嚴(yán)重制約了深部煤層氣的高效勘探開(kāi)發(fā)。針對(duì)淺部煤儲(chǔ)層的研究手段和理論體系亦不再適用于具有“三高”特點(diǎn)的深部煤層氣儲(chǔ)層。建立高地應(yīng)力、高地溫、高儲(chǔ)層壓力動(dòng)態(tài)耦合下的深部煤層氣地質(zhì)與開(kāi)發(fā)技術(shù)體系是今后需要重點(diǎn)研究的領(lǐng)域之一。

5 煤層氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域拓展

5.1 煤系氣

煤系氣指保存在煤系各巖性中,包括煤層、泥頁(yè)巖、致密砂巖和碳酸鹽巖,以腐殖型氣為主的內(nèi)生內(nèi)儲(chǔ)式含天然氣系統(tǒng)[52-53]。中國(guó)煤系氣資源潛力巨大,2000m以淺煤系氣資源量約為82×1012m3,然而目前探明率不到1%[54]。煤系氣的高效勘探開(kāi)發(fā)不僅有利于我國(guó)天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn),也有利于煤炭低碳化的開(kāi)發(fā)利用。目前煤系氣資源探明率及動(dòng)用率極低,反差極大,距離大產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍有一定差距。煤系氣既有別于常規(guī)氣藏,與頁(yè)巖氣、煤層氣、致密砂巖氣等典型非常規(guī)氣藏相比,又有其地質(zhì)特殊性。煤系氣地質(zhì)條件特殊性表現(xiàn)在3個(gè)方面[55]:①煤系氣賦存態(tài)和儲(chǔ)層巖石類型多樣;②沉積旋回性極強(qiáng)致使儲(chǔ)層內(nèi)流體分布狀態(tài)錯(cuò)綜復(fù)雜;③砂巖儲(chǔ)集體在廣覆式泥質(zhì)巖中鑲嵌展布。煤系氣成藏特征受控于沉積相展布與沉積序列旋回特征,三角洲沉積體系為煤系氣富集提供了多套生儲(chǔ)蓋組合,廣覆式烴源巖與多類型儲(chǔ)層共生是煤系氣成藏過(guò)程多樣性的根本原因。

煤系氣勘探開(kāi)發(fā)的效果更多受控于不同儲(chǔ)層之間合采兼容性及其地質(zhì)控因,多相態(tài)天然氣共存、多類型儲(chǔ)存共生等煤系氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件的復(fù)雜性也造成了煤系氣開(kāi)采模式的局限性。鑒于此,煤系氣的勘探開(kāi)發(fā)應(yīng)將不同儲(chǔ)層看作統(tǒng)一含氣系統(tǒng)。多產(chǎn)層合采與儲(chǔ)層改造增產(chǎn)是目前煤系氣開(kāi)發(fā)中相對(duì)成功的經(jīng)驗(yàn)(圖3)[56],然而由于煤系氣合采產(chǎn)層之間的差異有可能造成“1+n<1”的煤系氣開(kāi)發(fā)結(jié)果[55,57]。煤系氣共生富集成藏理論、共探共采技術(shù)、合采兼容性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、立體排采控制方法等是今后煤系“三氣”(煤層氣、頁(yè)巖氣、致密砂巖氣)共生區(qū)塊協(xié)同開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域,以煤系巖石力學(xué)地層學(xué)方法體系為核心的煤系氣高效勘探開(kāi)發(fā)理論與技術(shù)有望成為煤系氣取得突破的關(guān)鍵研究方向。

圖3 煤系氣高效開(kāi)發(fā)地質(zhì)前緣(改自李勇等[56])

5.2 卸壓煤層氣

排水降壓解吸采氣理論是當(dāng)前原位煤層氣地面抽采的理論基礎(chǔ)[58-59]。原理是基于地面煤層氣井排水降低儲(chǔ)層壓力,使其低于臨界解吸壓力時(shí),致使吸附態(tài)甲烷相變解吸為游離態(tài)甲烷并產(chǎn)出?，F(xiàn)場(chǎng)勘探開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明,基于排水降壓解吸采氣理論的技術(shù)不適用于構(gòu)造煤煤層氣的開(kāi)發(fā),其主要原因是構(gòu)造煤煤體結(jié)構(gòu)比較破碎,遇水易膨脹,堵塞煤層氣運(yùn)移通道[60-61]?；诿旱V區(qū)被保護(hù)層構(gòu)造煤煤層氣采動(dòng)卸壓增透開(kāi)發(fā)理論技術(shù)與工程實(shí)踐的啟示[62-63],桑樹(shù)勛等[64]提出了水平井造洞穴應(yīng)力釋放煤層氣開(kāi)采理論,其原理是依據(jù)典型構(gòu)造煤具有高應(yīng)力敏感特性,通過(guò)誘導(dǎo)控制塌孔形成洞穴,致使煤儲(chǔ)層應(yīng)力急劇釋放;在應(yīng)力急劇釋放作用下儲(chǔ)層壓力驟降,誘導(dǎo)煤儲(chǔ)層孔裂隙發(fā)育,致使吸附態(tài)甲烷大量相變?yōu)橛坞x態(tài)并運(yùn)移至井筒產(chǎn)出(圖4)。該技術(shù)理論有望將煤層氣開(kāi)采的禁區(qū)構(gòu)造煤煤層氣變?yōu)樾骂I(lǐng)域。

圖4 煤層氣應(yīng)力釋放開(kāi)發(fā)產(chǎn)出原理示意(引自桑樹(shù)勛等[64])

5.3 CO2驅(qū)煤層氣

我國(guó)當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)仍主要依賴煤炭等化石能源,且短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)以低碳清潔能源為主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變,為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)2030年“碳達(dá)峰”和2060年“碳中和”的目標(biāo),二氧化碳捕集利用與封存技術(shù)(CCUS)作為一種可實(shí)現(xiàn)化石能源深度減排的技術(shù),將成為我國(guó)達(dá)成氣候目標(biāo)不可替代的重要手段。CO2地質(zhì)碳匯與地質(zhì)封存是CCUS技術(shù)的核心組成部分,為大規(guī)模CO2捕集提供了必要性,決定了CCUS技術(shù)的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展方向。按照CO2地質(zhì)利用與地質(zhì)封存方式及其地質(zhì)宿體的不同,可分為CO2驅(qū)油封存(CO2-EOR),CO2驅(qū)煤層氣封存(CO2-ECBM)、CO2咸水層封存與采水(CO2-ESWR)等[65]。CO2驅(qū)煤層氣的原理基于煤對(duì)CO2的吸附能力要強(qiáng)于甲烷,既可用來(lái)驅(qū)替吸附態(tài)的甲烷,又可地質(zhì)儲(chǔ)存大氣中過(guò)量排放的CO2[57,66-68]。

實(shí)際CO2驅(qū)煤層氣現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用,從1995年到2001年,美國(guó)圣胡安盆地的4口煤層氣井共注入33.6×104t的CO2,注入CO2后,煤層氣的采收率從原先的77%提高到95%。此外,在2010年4月,沁水盆地SX-001井在兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)共注入233.6t CO2,注入CO2后,煤層氣產(chǎn)量增加約2.5倍[69]。然而,與CO2驅(qū)煤層氣相關(guān)的CO2/CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附置換過(guò)程、置換吸附CO2煤層膨脹引起的滲透率衰減動(dòng)態(tài)變化等問(wèn)題更為復(fù)雜,對(duì)CO2注入有效性及CH4高效開(kāi)采性帶來(lái)挑戰(zhàn),也阻礙了CO2驅(qū)煤層氣技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程[68]。另外,目前認(rèn)為的深部不可采煤層在未來(lái)技術(shù)得到發(fā)展后有可能成為可采煤層,彼時(shí)先前注入存儲(chǔ)煤層的CO2必然會(huì)隨著新的采煤活動(dòng)而重新排放到大氣中,因此存在潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。盡管存在這些挑戰(zhàn),煤儲(chǔ)層在全球的廣泛分布吸引著越來(lái)越多學(xué)者持續(xù)研究并不斷深化CO2驅(qū)煤層氣地質(zhì)存儲(chǔ)理論與技術(shù)[70-72],呈現(xiàn)了CO2驅(qū)煤層氣作為CCUS技術(shù)接近商業(yè)化的前景(圖5)[57,67-68]。

圖5 CO2驅(qū)煤層氣技術(shù)原理示意(引自桑樹(shù)勛等[67])

6 結(jié)論與討論

我國(guó)煤層氣富集區(qū)及富集模式具有多樣性,關(guān)鍵地質(zhì)要素如地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋藏深度等對(duì)煤層氣富集具有重要影響,通過(guò)地質(zhì)條件類比,可進(jìn)行煤層氣有利富集區(qū)預(yù)測(cè)。煤層氣開(kāi)發(fā)工程與煤儲(chǔ)層特征存在相互制約關(guān)系,一方面煤儲(chǔ)層發(fā)育特征影響著煤層氣開(kāi)發(fā)工程的工藝選擇與施工方案的制訂,另一方面煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中煤儲(chǔ)層物性也會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,厘清煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的地質(zhì)控制機(jī)理及煤層氣產(chǎn)出過(guò)程中煤儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)變化特性,應(yīng)是煤層氣勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)關(guān)注方向。

高煤階煤層氣產(chǎn)量仍占據(jù)我國(guó)煤層氣產(chǎn)量的主體地位,下一步高煤階煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)方向?qū)⒚嫦蚋畹纳畈棵簩?深部煤層條件下的儲(chǔ)層發(fā)育特征及復(fù)雜的流體微觀運(yùn)移機(jī)理是制約高煤階煤層氣高效開(kāi)發(fā)的前提,面向高煤階特殊地質(zhì)條件下的適配性開(kāi)發(fā)技術(shù)是高煤階煤層氣規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵。中低煤階煤儲(chǔ)層的有效改造與煤層氣資源充分開(kāi)發(fā),是實(shí)現(xiàn)天然氣資源增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),以中低煤階煤層氣資源地質(zhì)條件為基礎(chǔ),立足于中低煤階煤層氣生產(chǎn)特征與產(chǎn)氣機(jī)理,建立與之匹配的排采控制方法與高效開(kāi)發(fā)技術(shù),是下一步中低煤階煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的工作方向。

復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤層氣開(kāi)發(fā),特別是深部低滲高壓煤儲(chǔ)層與構(gòu)造煤,是我國(guó)煤層氣高效增產(chǎn)的難題,建立復(fù)雜地質(zhì)條件煤儲(chǔ)層綜合選區(qū)與分類方法,建立與煤層氣地質(zhì)條件相適應(yīng)的適配性技術(shù)是復(fù)雜地質(zhì)條件煤層氣增產(chǎn)的關(guān)鍵。面向“雙碳”目標(biāo),煤系“三氣”共生區(qū)塊的安全和高效科學(xué)的“協(xié)同開(kāi)發(fā)”、水平井造洞穴應(yīng)力釋放理論下煤層氣高效勘探開(kāi)發(fā)、煤層CO2地質(zhì)封存與煤層氣強(qiáng)化開(kāi)發(fā)技術(shù)應(yīng)予以關(guān)注和重點(diǎn)支持,其發(fā)展對(duì)能源安全和煤基碳減排意義重大。