金 軍，楊兆彪，秦 勇，崔玉環(huán)，王國(guó)玲，易同生，吳財(cái)芳，高 為，陳 捷，李 庚，李存磊

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2. 貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550009； 3. 北京奧瑞安能源技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100190)

全球?yàn)閼?yīng)對(duì)氣候變化，能源清潔低碳發(fā)展加速。在中國(guó)大力推動(dòng)落實(shí)“雙碳目標(biāo)”下，天然氣是化石能源向新能源過(guò)渡的重要橋梁。煤層氣是非常規(guī)天然氣的重要組成部分，不同于其他類型天然氣，煤層氣開(kāi)發(fā)利用具有“經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)?！钡亩嘀貙傩?，2020年，中國(guó)煤層氣產(chǎn)量為67億m3[1]。貴州省煤層氣地質(zhì)資源量約3.15萬(wàn)億m3[2]，約占全國(guó)煤層氣地質(zhì)資源量的10%，位居全國(guó)第3，是中國(guó)近期和未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的煤層氣產(chǎn)業(yè)化后備區(qū)[3]，其地位僅次于已建成產(chǎn)業(yè)化基地的沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣[4]。

從1989年開(kāi)始，聯(lián)合國(guó)環(huán)保署在盤(pán)關(guān)實(shí)施第1口煤層氣直井開(kāi)始，到目前，具有各類煤層氣井300余口，貴州省煤層氣勘探開(kāi)發(fā)已走過(guò)30余年，從最初的產(chǎn)量低或者不產(chǎn)氣，到目前的小區(qū)塊開(kāi)發(fā)接連成功，直井產(chǎn)量不斷刷新。其發(fā)展道路漫長(zhǎng)而艱辛，但前景可期，這也是中國(guó)煤層氣工業(yè)發(fā)展的一個(gè)縮影。

筆者基于貴州省特殊的煤層氣資源特征，回顧30余年的開(kāi)發(fā)歷程，總結(jié)貴州省煤層氣的開(kāi)發(fā)進(jìn)展，理論技術(shù)突破，并對(duì)未來(lái)的開(kāi)發(fā)潛力和前景作出分析。其目的在于推動(dòng)貴州省煤層氣開(kāi)發(fā)的規(guī)模性發(fā)展，實(shí)現(xiàn)國(guó)家和地方的能源戰(zhàn)略規(guī)劃。

1 煤層氣地質(zhì)資源特征

1.1 煤層氣地質(zhì)條件

貴州省含煤地層主要為晚二疊世龍?zhí)督M，分布在以遵義、貴陽(yáng)、紫云一線以西的區(qū)域。大地構(gòu)造上主要屬揚(yáng)子板塊，區(qū)內(nèi)同沉積深大斷裂貴陽(yáng)—師宗斷裂、埡都—紫云斷裂、納雍—甕安斷裂深刻影響著該區(qū)的構(gòu)造和沉積格局[5]。煤層主要賦存在眾多中小向斜中，包括隔槽式、隔檔式等類型(圖1)。向斜面積從幾十平方公里到上千平方公里均有分布。

圖1 貴州省主要煤層氣富集單元Fig.1 Main CBM enrichment units in Guizhou Province

晚二疊世龍?zhí)督M是本區(qū)主要的含煤地層，沉積相為海陸過(guò)渡的瀉湖潮坪相和三角洲相，可分龍?zhí)督M下段、中段和上段[6-7]。地層厚度一般為140～513 m，總體呈北薄南厚的趨勢(shì)，聚煤中心在水城楊梅樹(shù)向斜附近。龍?zhí)督M含煤20～50 層，煤層總厚一般10～40 m，其中，可采煤層總厚一般5～10 m，為典型的煤-泥-砂巖薄互層沉積(圖2)。自西向東，碎屑巖粒度逐漸變細(xì)，海相砂泥巖或灰?guī)r夾層增多和變厚，煤厚稍有減少，由偏陸相沉積逐漸過(guò)渡為典型海陸交互相沉積。

圖2 上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M可采煤層總厚及層數(shù)分布[6]Fig.2 Distribution of total thickness and number of minable coal seams in Upper Permian Longtan Formation[6]

貴州煤種齊全，氣煤～無(wú)煙煤均有分布。其中，無(wú)煙煤在全省煤炭資源總量中的比例達(dá)61.97%，貧煤為9.13%，瘦煤為6.54%，焦煤為13.48%，肥煤為2.47%，氣煤為0.59%[8]。

1.2 煤層氣儲(chǔ)層及資源條件

貴州煤層氣儲(chǔ)層及資源主要特征有：煤層層數(shù)多而薄、煤層含氣量高、煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜[9-10]、大型氣田為主、深部資源占比大，具體見(jiàn)表1。

表1 貴州主要向斜煤層氣地質(zhì)條件[8]

(1)煤層層數(shù)多而薄。貴州西部龍?zhí)督M含煤地層煤層群發(fā)育，煤-泥-砂互層頻繁交互，煤層厚度普遍在1～2 m，但累計(jì)厚度大。在盤(pán)縣、水城礦區(qū)的大部分地段，含煤20～45層，煤層總厚大于20 m，可采煤層8～15層，可采煤層總厚一般大于10 m。在六枝、納雍、織金、大方、黔西、金沙、仁懷、習(xí)水等地，總體呈北東向展布，含煤15～30層，煤層總厚10～20 m，可采煤層3～10層，可采總厚一般5～10 m。在貴州西北部的畢節(jié)、赫章、威寧一帶，以及仁懷—鎮(zhèn)寧—興仁一線東側(cè)的廣大地區(qū)，含煤層數(shù)0～25層，煤層總厚0～10 m；含可采煤層0～3層，一般1～2層，可采厚度在5 m以下。

(2)煤層含氣量高。煤層含氣量是確定煤層氣資源量和可開(kāi)發(fā)性的主要參數(shù)。根據(jù)大量的煤及煤層氣勘查結(jié)果顯示，貴州西部龍?zhí)督M500 m以深的煤層含氣量一般介于8～25 m3/t，平均值一般為12～15 m3/t，煤層的含氣量較高。以織納煤田比德—三塘盆地為例，區(qū)內(nèi)煤層含氣量為0.24～29.21 m3/t，平均13.81 m3/t；六盤(pán)水青山向斜區(qū)內(nèi)煤層含氣量為3.87～29.16 m3/t，平均為12.79 m3/t；黔北長(zhǎng)崗向斜煤層含氣量為4.71～38.18 m3/t，平均17.72 m3/t；各區(qū)平均煤層含氣量一般均超過(guò)了一類區(qū)煤層氣含量界限值12 m3/t[11-12]。在中煤階區(qū)域，如土城向斜等，含氣量超過(guò)12 m3/t，含氣飽和度一般都超過(guò)了100%，出現(xiàn)超飽和儲(chǔ)層，如2020年施工的盤(pán)參1井，3煤實(shí)測(cè)含氣量達(dá)到了14.67 m3/t，含氣飽和度接近140%。

(3)煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤體結(jié)構(gòu)是影響儲(chǔ)層原位滲透率及可改造性的重要因素。由于貴州西部煤層自形成以來(lái)經(jīng)受了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，煤體結(jié)構(gòu)較為破碎，但各區(qū)之間及同一區(qū)域各煤層之間差異較大。從區(qū)域上看，六盤(pán)水煤體結(jié)構(gòu)較為破碎，而織納煤田煤體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整[8]，同時(shí)靠近深大斷裂帶附近，或者處于斷裂交叉帶附近的區(qū)域煤體結(jié)構(gòu)往往較差，如比德向斜緊靠埡都—紫云大斷裂，盤(pán)縣金佳礦區(qū)緊靠貴陽(yáng)—師宗斷裂，勘探開(kāi)發(fā)已證實(shí)該區(qū)域煤體結(jié)構(gòu)較差。同時(shí)，對(duì)于同一區(qū)塊來(lái)說(shuō)，厚煤層往往較為破碎，成為應(yīng)力釋放帶，相對(duì)保護(hù)了其他煤層結(jié)構(gòu)的完整性。比如織納煤田的6煤和盤(pán)縣煤田的17煤，其厚度一般在4 m以上，但煤體結(jié)構(gòu)往往最為破碎，這也是早期在盤(pán)縣施工的一些煤層氣井主力煤層選擇最厚的煤層17煤進(jìn)行開(kāi)發(fā)，但開(kāi)發(fā)效果極差。最新施工的煤層氣井，不論是織納還是盤(pán)縣都避開(kāi)了最厚的6煤和17煤進(jìn)行其他煤層的開(kāi)發(fā)，反而效果更好。

(4)大型氣田為主。氣田規(guī)模大小是決定后期煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的重要條件。盡管貴州西部為殘留型盆地，但不乏存在一些大的向斜，超過(guò)500 km2的向斜主要有六盤(pán)水的青山向斜、盤(pán)關(guān)向斜、格目底向斜，織納的三塘向斜，黔北的金龍向斜和飄兒井向斜，和黔西北的可樂(lè)向斜，且部分向斜接連成片可形成大的富氣單元，比如比德—三塘盆地即包含了珠藏、阿弓、比德、三塘等向斜。同時(shí)由于研究區(qū)為多煤層發(fā)育，煤層氣豐度高，一般在2.2 m3/km2以上[13]，為全國(guó)煤層氣資源豐度的2倍，極大地拓展了煤層氣資源的縱向規(guī)模。從而計(jì)算獲得的煤層氣地質(zhì)資源量大部分在300億m3以上，達(dá)到了大型氣田的標(biāo)準(zhǔn)。部分達(dá)到或接近特大性氣田的標(biāo)準(zhǔn)，即接近或超過(guò)3 000億m3，如青山向斜、土城—盤(pán)關(guān)向斜、比德—三塘盆地，飄兒井向斜、金龍向斜等。

(5)深部資源占比大。以1 000 m以深作為深部煤層氣資源的埋深界限。根據(jù)對(duì)織納煤田及六盤(pán)水煤田的地質(zhì)資源量統(tǒng)計(jì)，盤(pán)縣1 000 m以深煤層氣資源量占比為48.5%，水城為62.5%，六枝為62.21%，織納為33.4%[8]，黔北及黔西北預(yù)估也可以達(dá)到50%以上。總體上至少有一半資源是在埋深1 000 m以深。目前深地深空深海是地球科學(xué)的研究熱點(diǎn)，各類資源開(kāi)發(fā)都在向深部進(jìn)軍[14]。對(duì)于未來(lái)，貴州煤層氣想規(guī)模化跨域式發(fā)展，也必須重視深部煤層氣及煤系氣的勘探與開(kāi)發(fā)。

2 煤層氣開(kāi)發(fā)進(jìn)展

2.1 開(kāi)發(fā)歷程回顧

截至目前貴州省具有各類煤層氣井接近300余口，中石化、中石油、中聯(lián)、亞加、格瑞克、奧瑞安、貴州煤田地質(zhì)局、貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心和貴州能投等單位參與了勘探開(kāi)發(fā)，回顧整個(gè)貴州省煤層氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程，可以分為3個(gè)階段(圖3)。

圖3 貴州省煤層氣開(kāi)發(fā)進(jìn)程Fig.3 Development process of coalbed methane in Guizhou Province

(1)煤層氣資源調(diào)查與開(kāi)發(fā)技術(shù)借鑒階段(1989—2010年)。這一階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，約21 a，主要特征為隨著美國(guó)煤層氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)的加速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)開(kāi)始重視和升溫，貴州省開(kāi)始調(diào)查和評(píng)估本省煤層氣的地質(zhì)資源量，1997年，由貴州省煤田地質(zhì)局完成的《貴州省煤層氣資源評(píng)價(jià)》，提交全省埋深2 000 m以淺、含氣量大于4 m3/t可采煤層中的煤層氣地質(zhì)資源量31 511.59億m3，成為貴州省煤層氣真正被外面認(rèn)知的標(biāo)志性事件，也為后來(lái)貴州省的煤層氣工作奠定了基礎(chǔ)。

在這一階段，第1口煤層氣直井在盤(pán)關(guān)試采，但由于成本高而停止，而后滇黔桂石油指揮部實(shí)施了“九五”國(guó)家重點(diǎn)工業(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目——“六盤(pán)水煤層氣開(kāi)發(fā)利用示范工程”，先后在盤(pán)關(guān)亮山、金竹坪區(qū)塊部署了5 口煤層氣勘探參數(shù)井，并對(duì)其中4口井進(jìn)行了加砂壓裂試采，單井日產(chǎn)量最高350.65 m3，抽采效果差[15]。

2002年，國(guó)內(nèi)藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)潘莊小井網(wǎng)第1次取得工業(yè)性穩(wěn)定氣流，拉開(kāi)了中國(guó)煤層氣商業(yè)化開(kāi)采的序幕[16]，貴州省也加速了煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)，2005年，中聯(lián)煤層氣有限公司與貴州省煤田地質(zhì)局、亞加能源有限公司等中外企業(yè)合作，啟動(dòng)了貴州省西部地區(qū)保田—青山煤層氣項(xiàng)目。2006 年底完成了總長(zhǎng)65 km 的二維地震勘探、6口小井眼煤層氣參數(shù)井的施工，標(biāo)志著貴州省煤層氣勘探開(kāi)發(fā)熱潮的到來(lái)。

本階段煤層氣開(kāi)發(fā)試驗(yàn)井較少，開(kāi)發(fā)基本借鑒國(guó)外或者國(guó)內(nèi)華北地區(qū)的技術(shù)，有單煤層開(kāi)發(fā)，也有簡(jiǎn)單的合層開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)技術(shù)較為落后，地質(zhì)工程一體化較為簡(jiǎn)單，未能取得工業(yè)性氣流的突破。這也是本階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，遲遲不能取得突破的關(guān)鍵原因。

(2)自主技術(shù)探索階段(2011—2015年)。這一階段持續(xù)時(shí)間5 a，本階段國(guó)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)進(jìn)入了較快的發(fā)展時(shí)期，煤層氣產(chǎn)量從2011年的23億m3增加到2015年的44億m3。在此期間中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和貴州省煤田地質(zhì)局以黔西地區(qū)為重點(diǎn)，對(duì)全省煤層氣已有研究成果進(jìn)行重新梳理，完成了“貴州省煤層氣資源潛力預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)項(xiàng)目”，提交全省上二疊統(tǒng)可采煤層的煤層氣地質(zhì)資源量為30 561.86億m3。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)滇東黔西多煤層區(qū)提出“疊置煤層氣系統(tǒng)”理論，初步明確了多煤層區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)方式有別于華北地區(qū)單一主力煤層煤層氣開(kāi)發(fā)，應(yīng)在一個(gè)含氣系統(tǒng)內(nèi)多層開(kāi)發(fā)。

本階段標(biāo)志性事件是：中石化在2011年在織金比德—三塘盆地施工了一批煤層氣井，采用了多層分壓合采的開(kāi)發(fā)方式，大部分直井首次日產(chǎn)量突破了1 000 m3，最高日產(chǎn)量突破了2 000 m3[17-18]。并試驗(yàn)了不同組合產(chǎn)層開(kāi)發(fā)，初步認(rèn)識(shí)到了產(chǎn)層組合的重要性。2013年在織金珠藏施工了貴州省第1口U型井，日產(chǎn)氣量穩(wěn)產(chǎn)達(dá)到了5 000 m3以上[19]。2014年貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)中心在松河施工了第1組叢式井，由9口井組成，采用了全部可采煤層壓裂大跨度合采的開(kāi)發(fā)方式[20-21]，所有井日產(chǎn)量均突破了1 000 m3，最高日產(chǎn)量突破了3 000 m3，但是穩(wěn)產(chǎn)期較短。2015年中石化在珠藏區(qū)塊實(shí)施了叢式井組，主要開(kāi)發(fā)下煤組(20，23，27，30)，產(chǎn)氣效果好且穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)。

在本階段，認(rèn)識(shí)到了貴州省煤層氣地質(zhì)資源特征，采用有別于華北地區(qū)單一主力煤層煤層氣開(kāi)發(fā)的模式，即采用分壓合采的模式進(jìn)行煤層組開(kāi)發(fā)，并嘗試了“大跨度、小跨度多煤層組合”的產(chǎn)層組合方式。同時(shí)隨著開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，井型不限于直井開(kāi)發(fā)，開(kāi)始嘗試U型井、叢式井等更能適應(yīng)貴州省高山地貌特征的開(kāi)發(fā)技術(shù)，織金和松河區(qū)塊均取得了較好的開(kāi)發(fā)效果。

(3)自主技術(shù)突破階段(2016—現(xiàn)今)。在這一段階段，國(guó)家科技重大專項(xiàng)“十三五”設(shè)置了“滇東黔西煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)及先導(dǎo)性試驗(yàn)”44項(xiàng)目。由中聯(lián)公司牽頭，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)、中國(guó)石油大學(xué)、西南石油大學(xué)、重慶大學(xué)和貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)中心等多家科研單位參與，通過(guò)項(xiàng)目研究，產(chǎn)學(xué)研用一體化，針對(duì)貴州特殊的煤層氣地質(zhì)條件，形成了集多煤層區(qū)選區(qū)選段，疊置含氣系統(tǒng)適應(yīng)性開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)等多項(xiàng)理論技術(shù)成果，推動(dòng)了本區(qū)開(kāi)發(fā)技術(shù)的突破。

2016年中國(guó)地調(diào)局在楊梅樹(shù)向斜施工了楊梅參1井，優(yōu)選3層，進(jìn)行分壓合采，直井日產(chǎn)量最高達(dá)到了5 011 m3，穩(wěn)產(chǎn)3 600 m3，刷新了西南煤層氣井的直井最高日產(chǎn)量。2019年，貴州水礦奧瑞安清潔能源有限公司在文家壩施工的叢式井組，其中一口井日產(chǎn)量最高達(dá)到了6 100 m3，日產(chǎn)5 000 m3穩(wěn)產(chǎn)5個(gè)月之久，刷新了西南煤層氣井的最高日產(chǎn)氣量和穩(wěn)產(chǎn)氣量，同時(shí)批復(fù)了貴州省本省第1份文家壩煤層氣探明儲(chǔ)量，探明儲(chǔ)量64.08億m3。隨后貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)中心也提交了盤(pán)關(guān)—土城煤層氣探明儲(chǔ)量54.687 7億m3。同期，貴州天然氣能源投資股份有限公司在黔北的畢節(jié)、遵義等施工的一些煤層氣井，日產(chǎn)氣量均突破了1 000 m3。

在本階段由于國(guó)際大環(huán)境的影響，國(guó)內(nèi)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展放緩，但貴州省煤層氣產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了自主技術(shù)突破階段，適合于貴州多煤層煤層氣的開(kāi)發(fā)技術(shù)基本形成，推動(dòng)了本省煤層氣開(kāi)發(fā)的不斷突破，從盤(pán)縣、水城、織納到黔北呈現(xiàn)多點(diǎn)開(kāi)花的可喜局面。煤層氣產(chǎn)量快速增加，由2017年的400萬(wàn) m3增加到2020年的2 580萬(wàn) m3(圖3)，井均日產(chǎn)氣量約920 m3，高于全國(guó)平均水平[22]。同時(shí)新領(lǐng)域新層系在不斷探索，包括在盤(pán)縣山腳樹(shù)煤礦實(shí)施的煤與煤層氣共采“三區(qū)聯(lián)動(dòng)”項(xiàng)目；在土城實(shí)施的第1口水平井，水平段長(zhǎng)度800 m，分8段壓裂，共注入壓裂液1.7萬(wàn)m3，加砂486 m3，目前在順利排采，有望取得更大的突破；在威寧實(shí)施的下石炭統(tǒng)祥擺組龍參1井，獲取了海相煤系地層的儲(chǔ)層物性參數(shù)，初步評(píng)價(jià)了新層系的煤系氣開(kāi)發(fā)潛力[23]。

2.2 理論技術(shù)進(jìn)展

通過(guò)30余年的煤層氣勘探開(kāi)發(fā)，適合于貴州省多煤層煤層氣開(kāi)發(fā)的地質(zhì)及理論基本形成。

2.2.1 理論進(jìn)展

(1)疊置煤層氣系統(tǒng)理論。多煤層條件下普遍發(fā)育多套含氣系統(tǒng)，層序地層格架奠定了疊置含氣系統(tǒng)形成的物性基礎(chǔ)，煤系與上覆下伏含水層之間缺乏水力聯(lián)系而構(gòu)成了該類系統(tǒng)產(chǎn)生的水文地質(zhì)基礎(chǔ)，疊置含氣系統(tǒng)是沉積-水文-構(gòu)造條件耦合控氣作用的產(chǎn)物[24]。層序地層結(jié)構(gòu)對(duì)煤系儲(chǔ)層含氣性和物性具有控制作用，沉積于最大海泛面附近且與海相泥巖伴生的低滲透巖層，對(duì)煤層氣垂向滲流具有分劃性阻隔作用，這是形成疊置含氣系統(tǒng)的根本地質(zhì)原因[25]。這種具有隔水阻氣的低滲巖層被稱為“關(guān)鍵層”(圖4)，從三角洲平原相區(qū)至三角洲前緣相區(qū)，關(guān)鍵層發(fā)育程度逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致含氣系統(tǒng)垂向結(jié)構(gòu)漸趨復(fù)雜，含氣系統(tǒng)疊置性漸趨顯著[26]。因此關(guān)鍵層的識(shí)別尤為關(guān)鍵，采用物元分析法求取厚度、菱鐵礦含量、孔隙度、滲透率、孔隙度、突破壓力5個(gè)因素的權(quán)重，通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)求得綜合隸屬度，建立了關(guān)鍵層封隔能力分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[27]。疊置煤層氣系統(tǒng)理論具有含油氣系統(tǒng)的思想，該理論的提出為多煤層開(kāi)發(fā)層段優(yōu)選提供了指導(dǎo)，開(kāi)發(fā)層段應(yīng)在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，可最大限度的減小層間干擾。

圖4 黔西地區(qū)龍?zhí)督M關(guān)鍵層巖性及其在層序地層單元中位置[27]Fig.4 Lithology of key strata and its position in sequence stratigraphic unit of Longtan Formation in western Guizhou Province[27]

(2)產(chǎn)層優(yōu)化組合理論。多煤層區(qū)多層合采是最佳開(kāi)發(fā)方式，而多層合采開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，是產(chǎn)層如何優(yōu)化組合，最大限度降低層間干擾，提高合采兼容性。為此，以氣井產(chǎn)能方程為基礎(chǔ)，提出主產(chǎn)層優(yōu)選指數(shù)、組合指數(shù)、產(chǎn)能貢獻(xiàn)指數(shù)3個(gè)參數(shù)，耦合主產(chǎn)層優(yōu)選、產(chǎn)層組合與產(chǎn)層組優(yōu)選3個(gè)步驟(圖5)，結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)壓梯度差、產(chǎn)氣貢獻(xiàn)3個(gè)參數(shù)“一票否決”約束，建立“三步法”的產(chǎn)層組優(yōu)化選擇方法，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巖性組合條件下的煤層氣合采產(chǎn)層組優(yōu)選[12,20]。該方法優(yōu)化結(jié)果突破了只限于在一個(gè)含氣系統(tǒng)中優(yōu)化組合，對(duì)于相鄰含氣系統(tǒng)儲(chǔ)壓梯度差小疊置性弱兼容性強(qiáng)時(shí)，也可以優(yōu)化組合。

注：Pc為臨界解吸壓力，MPa；g為重力加速度，取9.81 m/s2；h為其他擴(kuò)展產(chǎn)層與主力產(chǎn)層的垂向間距，m；ρ為水的密度，103 kg/m3。圖5 煤層氣多層合采產(chǎn)層優(yōu)化組合“三步法”流程[20]Fig.5 “Three-Step Method”process for optimizing combination of multilayer coalbed methane production layers[20]

(3)合采開(kāi)發(fā)單元優(yōu)選理論。以往開(kāi)發(fā)單元優(yōu)選主要針對(duì)單一煤層[28]，而在多煤層區(qū)多層合采是開(kāi)發(fā)的最佳選擇，為此需要建立區(qū)塊尺度下的多層合采區(qū)塊有利甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選方法。

基于產(chǎn)層優(yōu)化組合“三步法”確定區(qū)塊的最佳合采層段(圖6)。進(jìn)一步以煤層氣井產(chǎn)能方程為基礎(chǔ)，提出煤層氣產(chǎn)層潛能指數(shù)用于評(píng)價(jià)多層合采條件下的開(kāi)發(fā)有利區(qū)，結(jié)合影響產(chǎn)層潛能指數(shù)的煤儲(chǔ)集層關(guān)鍵參數(shù)，提出了多層合采定量分級(jí)評(píng)級(jí)指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，采用三維地質(zhì)建模技術(shù)對(duì)多煤層全層位進(jìn)行儲(chǔ)集層物性參數(shù)的精細(xì)刻畫(huà)；計(jì)算各網(wǎng)格的產(chǎn)層潛能指數(shù)，并繪制多層合采條件下的產(chǎn)層潛能指數(shù)等值線；根據(jù)產(chǎn)層潛能指數(shù)等值線的分布情況，采用開(kāi)發(fā)單元?jiǎng)澐侄恐笜?biāo)劃分出Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類煤儲(chǔ)集層分布區(qū)，進(jìn)而優(yōu)選出開(kāi)發(fā)有利區(qū)[11]。

圖6 煤層氣合采甜點(diǎn)區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)與流程[11]Fig.6 Evaluation parameters and process of coalbed methane sweet spot area[11]

2.2.2 技術(shù)進(jìn)展

(1)適宜的井型選擇——叢式井組、U型井、L型井的普及應(yīng)用。貴州煤層氣開(kāi)發(fā)其中一個(gè)現(xiàn)實(shí)困難是地貌以高山地貌為主，井場(chǎng)選擇尤為困難，這也是制約本區(qū)后期規(guī)?；_(kāi)發(fā)的主要障礙。從2014年開(kāi)始，在松河，大河邊、珠藏和文家壩成功實(shí)施了多組叢式井組(圖7)，利用有限寶貴的井場(chǎng)，布置多口定向井，組成小井網(wǎng)，并取得了較好的開(kāi)發(fā)效果，叢式井組是本區(qū)煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的主要井型選擇。

同時(shí)借鑒頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)思路，實(shí)施水平井，分段壓裂，增加單層的儲(chǔ)層改造面積，從而提高產(chǎn)量，這也是本區(qū)重要的開(kāi)發(fā)技術(shù)手段，2013年中石化實(shí)施了第1口U型井，主采27煤，水平段長(zhǎng)度519.2 m，分6段壓裂，最高穩(wěn)定日產(chǎn)量達(dá)到了5 000 m3[19]，取得了良好的示范效應(yīng)。2020年貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心在土城實(shí)施了一口水平井，主采3煤，水平段長(zhǎng)度突破了800 m，也是貴州目前水平段最深最長(zhǎng)的水平井，分8段壓裂，目前處在排水階段。

(2)提高壓裂規(guī)模提升改造效果。2016年楊梅參1井直井產(chǎn)量突破5 000 m3是本區(qū)域一個(gè)標(biāo)志性事件，其高產(chǎn)除了楊梅樹(shù)向斜較好的地質(zhì)條件(高含氣飽和度)，產(chǎn)層組合選擇好(組合產(chǎn)層：5，7，13煤，厚度為6.14 m)，另外一個(gè)工程措施是首次在本區(qū)實(shí)施了大規(guī)模壓裂，總用液量2 680 m3，加砂量117.3 m3。同等厚度的沁南3煤，其壓裂液一般在500 m3左右，加砂量在50 m3左右。微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，楊梅參1井3層煤均產(chǎn)生了水平方向的主裂縫，裂縫方位為NE向45.6°～48.3°，裂縫高度10.8～12.6 m，裂縫寬度31.4～35.6 m，裂縫東西兩翼總長(zhǎng)度218.4～249.2 m，裂縫影響體積為(12.6～16.2)×104m3，達(dá)到了預(yù)期改造效果[29]。

圖7 松河叢式井組模式[21]Fig.7 Songhe cluster well pattern [21]

2013年中石化施工的U型井，水平段519.2 m，壓裂分6段，壓裂液為4 336 m3，加砂量294.45 m3，取得了較好的開(kāi)發(fā)效果，日產(chǎn)氣穩(wěn)定在4 500 m3以上[15]。而在2020年土城施工的水平井，水平段長(zhǎng)度800 m，分8段壓裂，共注入壓裂液1.7萬(wàn)m3，加砂486 m3，壓裂規(guī)模大大提高，有望取得更大的突破，根據(jù)壓裂裂縫能譜檢測(cè)結(jié)果主裂縫形成良好(圖8)，半長(zhǎng)129.0～232.2 m，平均169.67 m。產(chǎn)能模擬結(jié)果預(yù)期峰值產(chǎn)量可能會(huì)突破1萬(wàn)m3，10 a累計(jì)產(chǎn)量可達(dá)11.98×106m3。

近些年，四川頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)進(jìn)程加快，產(chǎn)量不斷取得突破，與提高單井壓裂規(guī)模，全面提升壓裂改造效果密切相關(guān)[30]。

圖8 土城水平井現(xiàn)場(chǎng)壓裂縫發(fā)育狀況能譜監(jiān)測(cè)結(jié)果 [22]Fig.8 Spectrum monitoring results of pressure fracture development in Tucheng horizontal well[22]

3 煤層氣開(kāi)發(fā)潛力及前景

適合貴州省多煤層煤層氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)理論及技術(shù)體系已基本形成，推動(dòng)了近5 a煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展，然而現(xiàn)階段仍處于起跑加速階段，豐富的煤層氣地質(zhì)資源量遠(yuǎn)未轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的煤層氣產(chǎn)量，規(guī)?；拿簩託獯螽a(chǎn)業(yè)尚未形成。亟需總結(jié)典型高產(chǎn)井的地質(zhì)-工程模式以推廣全區(qū)；加強(qiáng)多煤層全層位的接序開(kāi)發(fā)，拓展縱向全層位資源的高效釋放；重視攻關(guān)深部煤系氣資源及新層系石炭系祥擺組海相煤系氣的勘探開(kāi)發(fā)。這些是推動(dòng)本區(qū)煤層氣規(guī)?；l(fā)展的重要保障。

3.1 小而肥區(qū)塊的開(kāi)發(fā)——推廣“文家壩”和“楊梅樹(shù)”高產(chǎn)模式

楊梅參1井和文1井是貴州2口高產(chǎn)井，最高日產(chǎn)氣量分別達(dá)到了5 000 m3和6 000 m3以上(圖9)，且穩(wěn)產(chǎn)氣量高，穩(wěn)產(chǎn)期長(zhǎng)。楊梅參1井位于楊梅樹(shù)向斜，該向斜僅有76 km2，文1井位于阿弓向斜，該向斜面積為113.21 km2，從氣田面積和氣田資源量上來(lái)說(shuō)都屬于“小而肥”的區(qū)塊。前者為中煤階煤，后者為高煤階煤，兩井在貴州具有普遍的代表性。以地質(zhì)-工程一體化的思想分析其高產(chǎn)原因，總結(jié)其高產(chǎn)模式，進(jìn)而在貴州其他小而肥的區(qū)塊推廣，對(duì)于提升開(kāi)發(fā)潛力具有重要意義。

圖9 文1井排采曲線[31]Fig.9 Production curves of Well Wen 1[31]

首先從組合煤層來(lái)說(shuō)(表2)，2口井組合煤層3～4層，楊梅參1井為龍?zhí)督M上部煤組的組合，而文1井是龍?zhí)督M中下部煤組的組合。累計(jì)厚度楊梅1井為6.14 m，而文1井為11.6 m?？缍葪蠲穮?井為63 m，而文1井為142 m，以產(chǎn)層優(yōu)化組合“三步法”對(duì)這兩口井進(jìn)行了產(chǎn)層優(yōu)化組合，驗(yàn)證了其組合結(jié)果是可行的。

表2 貴州西部2口高產(chǎn)直井地質(zhì)-工程參數(shù)(部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[32-33])

由此看出組合產(chǎn)層滿足優(yōu)化結(jié)果，跨度大小不是必要條件，但組合產(chǎn)層內(nèi)部煤層累計(jì)厚度越厚越好。文1井產(chǎn)層深度要淺于楊梅參1井，最深產(chǎn)層底深僅為442 m，在保證儲(chǔ)層品質(zhì)的條件下，儲(chǔ)層埋深越淺越好。

從儲(chǔ)層物性來(lái)看，2口井含氣量高，均在12 m3/t以上，含氣飽和度高，楊梅參1井含氣飽和度更高，平均值為90.76%，而文1井平均值為75.86%。2井儲(chǔ)層原位滲透率較高，試井平均滲透率大于0.1×10-15m2，所組合煤層煤體結(jié)構(gòu)好，都為原生-碎裂結(jié)構(gòu)。從壓力系數(shù)比較，楊梅參1井為正常壓力-超壓，而文1井為欠壓-正常壓力，儲(chǔ)層壓力狀態(tài)不是高產(chǎn)的必要條件。閉合壓力梯度楊梅參1井平均值為1.8 MPa/hm，而文1井平均值為2.23 MPa/hm，文1井地應(yīng)力稍大于楊梅參1井，地應(yīng)力狀態(tài)也不是高產(chǎn)的必要條件。從以上物性參數(shù)可以看出，楊梅參1井與文1井儲(chǔ)層物性好，具有高含氣量、高含氣飽和度、較高的滲透性和煤體結(jié)構(gòu)好，這是兩井高產(chǎn)的主要地質(zhì)因素。

從壓裂規(guī)模上來(lái)看，以單位厚度壓裂液來(lái)衡量，楊梅參1井壓裂規(guī)模高于文1井，前者為436 m3/m，后者為156 m3/m，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通壓裂的100 m3/m。從貴州現(xiàn)有壓裂的直井來(lái)看，壓裂規(guī)模越大其產(chǎn)氣效果越好(圖10)。

圖10 貴州壓裂規(guī)模與產(chǎn)氣效果Fig.10 Fracturing scale and gas production effect inGuizhou Province

從排采控制來(lái)看，兩井排采控制基本以“緩慢、連續(xù)和穩(wěn)定”六字方針進(jìn)行控制，均具有見(jiàn)套早的特征，楊梅參1井在排采45 d、流壓為4.97 MPa時(shí)見(jiàn)套壓，換算臨儲(chǔ)比為0.62。文1井在排采3 d、流壓為2.97 MPa時(shí)見(jiàn)套壓，換算臨儲(chǔ)比為0.73。不同之處是楊梅參1井在見(jiàn)套壓時(shí)進(jìn)行了憋壓，最高憋壓2.36 MPa，2 MPa以上套壓排采一直維持了3個(gè)多月，采用了高套壓排采，而文1井基本未進(jìn)行憋壓，最高憋壓僅達(dá)到了1.17 MPa，1 MPa以上套壓維持了20 d，基本采用的低套壓排采。從實(shí)際的產(chǎn)氣產(chǎn)水效果來(lái)看，高套壓排采和低套壓排采均可行。

從產(chǎn)氣效果來(lái)看，以單位產(chǎn)層厚度峰值產(chǎn)氣量來(lái)評(píng)估，楊梅參1井為816 m3/m，文1井為525 m3/m，前者大于后者。

綜上，首先在2口井符合產(chǎn)層優(yōu)化組合的條件下，具有較好的儲(chǔ)層品質(zhì)外，楊梅參1井壓裂工程做的更好，這也是楊梅參1井產(chǎn)氣效果更優(yōu)于文1井的主要原因。當(dāng)然，楊梅參1井優(yōu)化組合煤層可以更多，在同樣的工程條件下，產(chǎn)量預(yù)期更高。而文1井，在現(xiàn)有組合產(chǎn)層基礎(chǔ)上，提高壓裂規(guī)模，產(chǎn)量預(yù)期也會(huì)更高。為此總結(jié)貴州西部高產(chǎn)井地質(zhì)-工程模式(表3)，首先需具備良好的儲(chǔ)層物性，包括含氣量大于12 m3/t，原位滲透率高于0.1×10-15m2，臨儲(chǔ)比大于0.5，煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)-碎裂煤，其次以“三步法”完成組合優(yōu)化提高合采兼容性且保證累計(jì)煤層厚度大于6 m以上，最后提高壓裂規(guī)模以楊梅參1井為參照，可提高至單位煤厚壓裂液為400 m3。

表3 貴州西部煤層氣多層合采高產(chǎn)地質(zhì)-工程模式

3.2 單井開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)及產(chǎn)能的提高——單層組開(kāi)發(fā)到層組接序開(kāi)發(fā)

目前，貴州的開(kāi)發(fā)井以產(chǎn)層組開(kāi)發(fā)，一般一口井其產(chǎn)層優(yōu)化組合結(jié)果在2組以上，這就意味著有多種開(kāi)發(fā)層段選擇。然而目前一般開(kāi)發(fā)其中的一種組合，鉆井的生命周期隨著該開(kāi)發(fā)組合的資源枯竭而結(jié)束。實(shí)際上，可以完全進(jìn)行接序開(kāi)發(fā)，當(dāng)其中的某一組合開(kāi)發(fā)達(dá)到臨界經(jīng)濟(jì)日產(chǎn)量時(shí)，開(kāi)發(fā)終止，繼而對(duì)下一層組進(jìn)行重新的壓裂-排采，變相延長(zhǎng)了煤層氣井的生命周期，提高了多煤層全層位煤層氣資源量的高效開(kāi)發(fā)。

以松河GP井組為例(表4)，產(chǎn)層優(yōu)化組合結(jié)果，有3種組合[20]，其中1+3組合和12組合部分煤層重合，僅考慮1+3組合和29組合，可以先開(kāi)發(fā)1+3組合，設(shè)計(jì)10 a的開(kāi)采時(shí)間，然后接序開(kāi)采29組合。采用CMG2017軟件對(duì)2個(gè)產(chǎn)層組合采產(chǎn)能進(jìn)行數(shù)值分析，模擬結(jié)果顯示：1+3組合10 a累計(jì)產(chǎn)量3 350萬(wàn)m3，29組合10 a累計(jì)產(chǎn)量895萬(wàn)m3。兩井20 a累計(jì)產(chǎn)量可達(dá)4 245萬(wàn)m3。

表4 松河GP井產(chǎn)層組開(kāi)發(fā)接序示例

3.3 走向規(guī)?；Ⅲw化發(fā)展——深部煤系氣開(kāi)發(fā)

中國(guó)2 000 m以淺的煤系氣地質(zhì)資源總量為82萬(wàn)億m3[34]，約為同深度煤層氣資源量的2.24倍。同樣貴州省不僅煤層氣資源豐富，經(jīng)估算煤系氣資源量達(dá)到了6.2萬(wàn)億m3[22]。而這些增加的煤系氣資源主要賦存于1 000 m以深。前已分析，貴州省煤層氣資源特征，深部煤層氣占比大，尤其是在一些大的向斜，比如土城—盤(pán)關(guān)、青山、格目底等向斜。目前接近300口的煤層氣井，其深度一般都在1 000 m以淺。在我國(guó)鄂東、大城等深部煤層氣/煤系氣井均取得了工業(yè)性氣流，且部分井表現(xiàn)出高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的產(chǎn)氣特征，尤其是在鄂東，已把深部煤層氣/煤系氣勘探開(kāi)發(fā)作為重要領(lǐng)域。

深部煤系儲(chǔ)層具有“高溫、高壓、高應(yīng)力”的儲(chǔ)層特征[35]，但同時(shí)兼具“高含氣、高飽和、高游離氣”的含氣特征(圖11)[36-40]，而煤體結(jié)構(gòu)在深部趨于變好[41]。這些深部地質(zhì)特征決定了深部煤層氣開(kāi)發(fā)機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)并存。目前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)已向超深層挺近，即埋深超過(guò)4 500 m的儲(chǔ)層[42]，煤層氣開(kāi)發(fā)更應(yīng)積極向深部發(fā)展。貴州省人民政府2019年提出在“十四五”末建設(shè)煤層氣年產(chǎn)量5億m3的目標(biāo)[43]，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需順應(yīng)國(guó)家向深部進(jìn)軍的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)一些重點(diǎn)大向斜深部煤層氣/煤系氣進(jìn)行勘探開(kāi)發(fā)，如盤(pán)關(guān)—土城、青山、格目底等向斜的深部區(qū)域進(jìn)行勘探開(kāi)發(fā)，如圖12對(duì)盤(pán)關(guān)—土城、青山向斜做的含氣量預(yù)測(cè)，其含氣量大于20 m3/t的區(qū)域主要在埋深1 000 m以深[44]，且含氣面積大。突破深部，對(duì)于貴州煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展意義重大。

圖11 深部煤系氣有序聚積概念性模式[40]Fig.11 Conceptual model of orderly accumulation ofdeep coal-bearing gas[40]

3.4 新層系突破——石炭系祥擺組海相煤系氣開(kāi)發(fā)

在黔西北一帶除了龍?zhí)督M發(fā)育煤系地層外，下石炭統(tǒng)祥擺組是一套海相含煤地層。下段薄煤層發(fā)育，煤層一般可達(dá)10層以上，上段厚層泥頁(yè)巖連續(xù)發(fā)育，厚度可達(dá)100 m以上。中石油、貴州煤田地質(zhì)局、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局等單位前期已對(duì)該層位進(jìn)行了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)潛力的初步評(píng)價(jià)，初步認(rèn)為祥擺組具有形成一定規(guī)模頁(yè)巖氣藏的良好地質(zhì)條件[45-47]，主要分布于埡紫羅裂陷槽。

2020年貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程中心在威寧龍街向斜施工一口參數(shù)井，進(jìn)行了詳細(xì)的煤系氣儲(chǔ)層物性測(cè)試。經(jīng)鉆孔揭露和測(cè)試分析[23]，該井祥擺組厚度約為342 m，共有12層煤，主要分布于祥擺組的下段，煤層厚度介于0.13～0.99 m，總厚4.68 m。泥頁(yè)巖總厚度達(dá)180.21 m，主要分布于祥擺組上段，具有下煤上泥的空間組合特征。煤層鏡質(zhì)組最大反射率平均2.92%。煤層含氣量介于4.91～12.13 m3/t，平均含氣量9.13 m3/t。泥頁(yè)巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.773%～8.940%，平均2.01%，隨層位埋深增大而增大。有機(jī)質(zhì)主要類型為Ⅱ1型和Ⅱ2型干酪根，祥擺組上段主要為Ⅱ1型干酪根，下段主要為Ⅱ2型干酪根。泥頁(yè)巖成熟度平均2.54%；泥頁(yè)巖礦物組分主要以黏土礦物和石英為主，石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)38.52%，黏土平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)48.99%，脆性指數(shù)平均48.02%，脆性指數(shù)整體上隨層位埋深增大而增大；泥頁(yè)巖孔隙度平均為4.77%，滲透率平均為0.002 ×10-15m2，屬于低滲儲(chǔ)層；泥頁(yè)巖含氣量介于0.27～1.48 m3/t，平均0.57 m3/t。整體顯示煤系頁(yè)巖氣資源潛力要優(yōu)于煤層氣，可對(duì)該區(qū)域祥擺組煤系氣作為新領(lǐng)域新層系進(jìn)行整體勘探開(kāi)發(fā)。

4 結(jié) 論

(1)貴州省西部晚二疊世龍?zhí)督M煤層氣資源豐富，約占全國(guó)煤層氣地質(zhì)資源量的10%。在國(guó)家能源戰(zhàn)略規(guī)劃中，該區(qū)是繼已成功開(kāi)發(fā)的沁水盆地和鄂爾多斯盆地東緣煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地外的重要后備基地。其地質(zhì)資源特征具有“煤層層數(shù)多而薄，煤層含氣量高、煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大型氣田為主、深部資源占比大”的特征。

(2)煤層氣開(kāi)發(fā)歷程可劃分出煤層氣資源調(diào)查與開(kāi)發(fā)技術(shù)借鑒階段(1989—2010年)、自主技術(shù)探索階段(2011—2015年)和自主技術(shù)突破階段(2016—至今)等3個(gè)階段。目前的快速發(fā)展得益于多煤層地質(zhì)理論和開(kāi)發(fā)技術(shù)的突破，地質(zhì)理論突破包括：疊置煤層氣系統(tǒng)理論、產(chǎn)層優(yōu)化組合理論和合采開(kāi)發(fā)單元優(yōu)選理論，開(kāi)發(fā)技術(shù)突破包括：適宜貴州高山地貌的叢式井、U型井和L型井的普及應(yīng)用，壓裂規(guī)模的提高及壓裂效果的提升。

(3)貴州省煤層氣未來(lái)開(kāi)發(fā)潛力巨大前景可期，需重點(diǎn)在全省范圍內(nèi)推廣小而肥區(qū)塊“文家壩”和“楊梅樹(shù)”高產(chǎn)模式；從單井單層組開(kāi)發(fā)走向?qū)咏M接序開(kāi)發(fā)，延長(zhǎng)煤層氣井壽命和提高單井全層位產(chǎn)能動(dòng)用能力；加快深部煤系氣的開(kāi)發(fā)，是走向規(guī)?；_(kāi)發(fā)的重要途徑；同時(shí)需重視新層系新領(lǐng)域上石炭統(tǒng)祥擺海相煤系氣的開(kāi)發(fā)潛力。