煤系非常規天然氣合采地質基礎理論進展及展望

李 勇，王延斌，孟尚志，吳 翔，陶傳奇，許衛凱

(1.中國礦業大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083; 2.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100011)

煤系，又稱含煤巖系、含煤地層、含煤建造，是一套含有煤層并有成因聯系的沉積巖系(GB/T 15663.1—2008)。煤系氣泛指賦存在煤系儲集體中的各類天然氣，以非常規天然氣為主，如煤層氣、煤系頁巖氣和煤系致密砂巖氣，也包括煤系碳酸鹽巖氣、天然氣水合物等[1]。當前國內外煤系天然氣的研究對象主要是煤層氣、致密氣和過渡相/陸相頁巖氣(又稱“煤系三氣”)，同時煤系氣勘查開發概念的提出也是立足于煤層氣勘探開發向煤系內多種非常規天然氣共探合采轉型。為區別于煤系天然氣(不包括常規“圈閉型”煤系天然氣)[2]，筆者以“煤系非常規天然氣”為術語開展論述，以涵蓋煤系多氣合采的淵藪、主體內容和研究實質。

煤系蘊藏著豐富的天然氣，煤層氣藏中的氣體僅占煤化作用生成氣體總量的很少一部分，大部分煤成氣運移到了其他巖層[3-5]。中國煤系砂巖氣資源豐富，初步估算資源量可達30.95萬億m3，約占全國天然氣總資源量的60%[6]。煤系頁巖氣資源也很豐富，僅沁水盆地石炭二疊系暗色泥頁巖潛在資源量達6.15萬億m3[7]。對煤層氣而言，目前國內開采層位一般在1 200 m以淺，而埋藏1 200 m以深的煤層氣資源量約占總資源量的50%以上，且多與致密砂巖氣疊合共生，是近年煤層氣和致密氣合采的主要目標區和研究層位，已在鄂爾多斯盆地東北緣臨興地區進行了開發試驗[8-10]。

截至2017年，國內累計鉆井17 000多口(其中水平井600余口)，建設煤層氣產能90億m3/a，實現地面煤層氣年產量49.5億m3[11]。但當前煤層氣單井產氣量普遍較低，嚴重制約了煤層氣產能的提高和產業的發展。在煤層氣勘探開發過程中，鄂爾多斯盆地東緣石炭二疊系、準噶爾盆地東南緣侏羅系、遼寧阜新盆地白堊系、貴州上二疊統龍潭組等同井筒合采了煤層氣和致密砂巖氣，取得了良好的產氣效果，為煤系非常規天然氣合采提供了借鑒[6,8-10]。美國東部的Piceance,Powder River盆地等在煤層氣開發過程中也直接將與煤層氣儲層緊鄰、或有一定距離的致密砂巖層位同時打開，實現了同井筒同時排水采氣[12-14]。

近年來，國內能源界進一步關注到煤系非常規天然氣資源潛力及開發價值，推動煤層氣單獨開發向煤系氣共探合采轉型，啟動了三氣合采國家科技重大專項，開展煤系非常規天然氣共生成藏、共探合采技術的基礎研究和示范基地的建設[15]。煤系非常規天然氣單一儲層產氣量低，實現同井筒合采可以將難動用資源變為可動用，提高資源利用效率和產氣效果[10,16]。本文回顧國內外有關煤系非常規天然氣合采的理論認識成果和開發實踐，系統論述煤系非常規天然氣資源評價、多層含氣系統、室內實驗和室外開發試驗方面的進展，以期為后續科學、有針對性地開發煤系非常規天然氣提供支持。

1 國內外研究進展

煤系含氣系統在地層垂向上疊置發育，大面積成藏，在美國San Juan,Black Warrior和Powder River盆地，澳大利亞Surat和Bowen盆地，以及國內的鄂爾多斯、四川等盆地均可見致密氣、頁巖氣等非常規天然氣富集(圖1,表1)[17-26]。

圖1 煤系非常規天然氣賦存示意[17]Fig.1 Schematic diagram of unconventional gas occurrence in coal measures[17]

表1 國內外典型煤系盆地煤層氣地質條件及煤系氣賦存特征
Table 1 Geological conditions and occurrence characteristics of coalbed methane in typical coal bearing basins at home and abroad

國家盆地/地區煤層時代開采深度/m鏡煤反射率/%煤系沉積環境煤層含氣量/(m3·t-1)滲透率/10-15m2壓力梯度/(MPa·hm-1)煤層氣單井日產氣/萬m3煤厚/層數其他氣藏類型San Juan[18-19]K150～8000.4～1.2三角洲體系8.5～20.01～500.80～1.360.7～5.09～30/1～5致密氣、頁巖氣美國Black Warrior[20]C500～1 2000.7～1.9三角洲體系10～171～250.88～0.950.28～0.334～8/5～15致密氣Appalachian[21]C400～8531.1～2.0三角洲沉積11～221～150.86～0.950.28～0.302～6/5～10致密氣Powder RiverE120～3660.3～0.4河流三角洲0.6～5.010～200.70～0.970.2～0.412～30/2～5致密氣Surat[22]K2—E150～8000.3～0.6河流-湖泊相3～92～100.90～1.000.2110～30/5～10頁巖氣、致密氣澳大利亞Bowen[22]P150～6000.7～1.0河流-三角洲1～151～100.980.15～4.082～3/2～6致密氣加拿大Alberta[23-24]K200～8000.3～0.8河流-濱岸2～1420～300.90～1.000.2510～25/5～10致密氣、頁巖氣鄂爾多斯盆地東緣[25-26]C—P400～1 0000.6～2.2障壁潟湖、三角洲6～200.1～10.00.70～0.900.11～20/3～10致密氣、頁巖氣沁水盆地[25-26]C—P300～1 5001.5～4.2潮坪-障壁砂壩-潟湖10～350.5～1.60.76～0.930.1～0.53.65～18.50致密氣、頁巖氣中國黔西滇東[25-26]P400～1 2001.1～2.5潮坪-潟湖相4.4～16.00.005～0.50.66～1.430.1～0.50.2～3.0/17～73致密氣、頁巖氣阜新盆地[25]K100～1 2000.3～0.7河流-沼澤相8.7～10.60.7～6.00.55～1.250.2～1.50.7～20/10～30致密氣準噶爾盆地南緣[25-26]J400～1 2000.4～1.2沖積扇-扇三角洲-河流-沼澤相2～150.2～20.00.51～0.960.1～1.525～187/3～39致密氣二連盆地吉爾噶朗圖K200～9000.3～0.6扇三角洲-湖泊沉積0.4～4.0<10.95～1.050.260～220/6—

1.1 煤系生烴演化過程

一套含煤巖系一般形成于一定的構造時期，是含有煤層或煤線并具有成因聯系的一套沉積巖系，主要沉積于海陸交互相或陸相環境，天然具有多種巖性疊加的沉積特征，賦存在不同構造性質的殘留盆地[15]。煤系富有機質泥頁巖、砂巖與煤層頻繁交互出現，煤系在熱演化過程中產生大量的氣體，為非常規天然氣的聚集提供了有利條件(圖2)。總結來看，煤系非常規天然氣有效賦存的物質基礎主要體現在3個方面:

(1)煤系生氣能力強，氣體持續處于運、聚動態。煤的有機碳含量一般在60%～80%，煤系暗色泥頁巖有機碳含量一般在1.5%～3.0%[27-28]。其中有機質豐度大于0.3%即可滿足頁巖氣形成的物質條件[29]，而煤系泥頁巖的有機碳含量普遍高于頁巖氣聚集的評價標準。煤系烴源巖干酪根類型以 Ⅲ 型為主，輔以Ⅱ2型，為大量烴類氣體的生成奠定了基礎[15,17]。煤巖的生烴演化模擬結果表明，除原生生物氣和次生生物氣的生成外，煤層從煤化作用開始到鏡質體反射率達4%，持續有熱成因氣的生成，遠高于當前的噸煤含氣量，為煤系砂巖等層位的氣體聚集提供了充足的氣源保障(圖3)[30-31]。

圖2 過渡相和陸相煤系沉積和多種巖性疊置組合[27]Fig.2 Transitional and continental facies deposits and multiple lithological stacking combinations[27]

圖3 煤系生烴演化過程示意(基于文獻[30]修改)Fig.3 Schematic diagram of coal-bearing hydrocarbon generation evolution (modified based on Reference[30])

(2)煤系層系多，內幕封閉，多層次運聚成藏。煤層生成的天然氣既可以沿煤層運移，在良好的封閉條件下，在淺部再次吸附[31];也可以在后期抬升過程中，由于儲層壓力的降低和氣體的持續運移擴散，在鄰近或上部砂巖中聚集成藏[9]。煤系巖性多樣，單一地層一般相對較薄，互層頻繁，可以在垂向上構成多套生儲蓋組合及多重內幕封蓋。煤系中同一巖層(煤層、泥頁巖層)可兼具源巖、儲層和蓋層的功能，導致同一組合中天然氣既具有自生自儲性質，又具有他生他儲特征，呈現了多樣化的氣藏類型[5,8-9]。與此同時，薄互儲層一方面可以增大煤層等烴源巖與鄰近儲層的接觸面，利于氣體排出并轉換為游離氣;二是薄互層利于天然裂隙發育，利于形成高滲復合儲層[32]。

(3)煤系氣氣源以煤型氣為主，近源充注，煤系箱式封閉。煤系氣成因包括原生生物氣、熱成因氣和次生生物氣，地層抬升階段蓋層突破導致熱成因氣與生物氣混合，其中次生生物氣具有一定貢獻[33]。混合生物氣可見于渤海灣、百色、淮南、恩紅、蘇北等地區的石炭、二疊、三疊和新近系煤層。臨興地區煤系致密氣主體為煤型裂解氣，充注方式為:煤層生氣、氣體膨脹力驅動，源巖內和近源致密砂巖儲層充注[34]。與此同時，臨興地區山西組、太原組和石盒子組的致密氣、蘇里格地區山西組的致密氣、延長氣田本溪組和山西組中砂巖、頁巖中的天然氣碳同位素特征也顯示煤系中氣體來源以煤成氣為主體，也在其他盆地得到證實(圖4)。但是值得注意的是延長地區一部分山西組中的頁巖氣顯示來自于油型氣和混合氣區，說明也有一部分油型氣的補充(圖4)。總體來看，煤系宏觀呈現“箱體”的形態，其中致密氣聚集有主源定型、儲層相控、高壓封閉、近源成藏的特點[35]。李勇等在解剖鄂爾多斯盆地東緣煤層氣富集成藏模式時，也揭示了此種富集形式[36]。

圖4 煤系氣成因解釋圖版[37-40]Fig.4 Interpretation of coal measures gas generation[37-40]

1.2 煤系含氣系統

SCHMOKER在1995年率先提出連續型油氣藏的概念，泛指在盆地中的致密砂巖、煤層、頁巖等非常規儲層中，大面積分布、缺乏明確油氣水界面的油氣聚集[41]。鄒才能等指出連續油氣藏多發育在含煤地層中，應“整體研究，整體部署，整體評價”[42]，并提出以不同巖類儲集層為核心的非常規“連續型”甜點區聚集理論[43]。在針對煤層氣的討論中，秦勇等(2008)基于貴州多煤層疊置，沉積-水文-構造條件耦合控氣的特點，提出了多層疊置獨立含煤層氣系統的概念[44];AYERS在研究San Juan和Powder River盆地煤層氣時，提出了“煤層氣系統”的概念，認為煤層氣的開發應考慮氣體生成、儲層特征、封閉性、滲透性和原位地層壓力等因素[45]。LI等(2016)基于鄂爾多斯盆地東緣闡述了煤系連續性氣藏的分布規律，討論了煤層氣、頁巖氣和致密氣在煤系內連續聚集的特點，將煤系含氣系統進行了整體討論[5]。

在含氣系統的地質評價中，取得了如下進展:① 充分認識到多層含氣系統，特別是與煤系烴源巖共生或伴生的致密砂巖氣是含煤盆地中的普遍現象，在美國Powder River，Piceance，澳大利亞Surat等盆地可見(圖5)[52];② 煤層、暗色泥巖和炭質頁巖是煤系中的主要烴源巖，砂巖、粉砂巖、泥頁巖等低滲透巖層是氣藏常見的儲層，且不同氣藏具有“多源多相、動態轉化、定向聚散”的成藏特點[53]，但實際工作發現，氣體以煤成氣為主體;③ 煤系中的非常規天然氣應當作為一個系統進行研究，揭示煤化作用—構造作用—地質環境條件之間的時空耦合關系，探討區域地質綜合影響下的氣體聚集控制作用，形成特有的研究與資源評價路線[54-56]。

圖5 國內外典型盆地煤系常見含氣系統組合類型Fig.5 Common gas bearing system combination types of coal measures in typical basins at home and abroad

1.3 儲層地質參數

以“煤系氣”+“儲層”為檢索詞，在CNKI上可檢索中文文獻54篇，在關鍵詞出現網絡中核心為煤層氣，其中關鍵節點包括成藏特征、組合模式、共探共采等詞匯。其中“儲層物性”與“成藏特征”和“成藏模式”多次重復關聯出現，可見儲層物性參數由于其多樣儲層的復雜性，有待進一步探索分析(圖6)。筆者從考慮層間干擾的關鍵參數出發，分析其儲層參數在煤系非常規天然氣合采中的影響。

圖6 “煤系氣”+“儲層”為檢索文獻中關鍵詞共用網絡Fig.6 “Coal bearing gas”+“Reservoir” is the key words shared network in the search literature

煤儲層物性與煤層氣成藏及開采密切相關，主要包括孔-裂隙系統、孔滲性、含氣性、儲層壓力和臨界解吸壓力等參數，受煤巖物質組成、煤沉積環境、煤變質作用程度及類型和構造應力場等多種因素制約，并且隨著煤層氣的開發，物性呈現動態變化[57]。煤層鄰近的砂巖一般呈致密化，孔隙度<10%，滲透率在1×10-21～1×10-15m2，場發射掃描電鏡和Nano-CT等技術被先后用來表征其內部納米孔隙的變化規律[58-59]。針對煤系儲層物性表征成果主要集中在:煤巖/頁巖的孔裂隙定量評價和滲透性的影響因素分析[60];致密砂巖的孔喉結構、成巖作用與孔隙結構關系和水相影響下的滲透性等[61];雙層或多層致密砂巖中氣體的流動規律[62]。

煤層、致密砂巖和頁巖共采是多套儲集體的多元耦合，影響因素復雜，動態特征多變。對于多層合采，影響合采的地質參數包括兩個方面。一方面儲層本身所處的靜態地質環境，主要包括儲層組合、地層應力場、溫度場和含氣性等，決定了氣體開發的經濟性;二是儲層的動態地質參數，包括儲層壓力差、臨界解吸壓力差、供液能力、滲透率、氣水相滲等(圖7)。筆者選取滲透率、儲層壓力、地層供液能力這3個關鍵地質參數進行論述。

圖7 煤層氣和致密氣合采影響因素示意Fig.7 Schematic diagram of influencing factors of coalbed methane and tight gas co-production

1.3.1滲透率

滲透率差異較大的氣層進行合采時，不同時期氣層的產氣貢獻率不同，滲透率高的層氣液流動速度快。滲透率越大，煤儲層排水降壓越容易，壓降傳遞速度越快，壓降漏斗傳播距離較遠，煤層氣有效解吸面積越大，產氣量越高[63]。對多煤層合采，如各層煤滲透率相差較大，高滲透率的煤層產水量高，低滲煤層產水量會相對較低。當各層補給能力相同時，產水量小的分層，壓降范圍有限，導致大量吸附氣體不能降壓解吸，進而影響低滲層對單井產能的貢獻率。孟尚志等(2018)提出煤層氣排采過程中所有層位的氣、水都流動到井筒，不同層位的流動差異并不會影響其他層位[64]。其論述基于兩點:① 井筒的水倒灌進砂巖層需要一定的啟動壓力梯度，在快速排水的情況下可消除井筒壓力;② 當前砂巖層中也普遍產水，能夠逆流倒灌存在疑問。多層合采并聯實驗[65]可以用來分析儲層物性和壓差的影響，模擬多種地層環境下的氣體流動過程和滲透率變化。但是受限于實驗氣體管道的寬度限制，兩層氣體合并會產生競爭，在一定程度上影響真實結果反映(圖8)。

1.3.2儲層壓力

儲層壓力直接影響單層氣藏的開發潛力，開發效果受控于儲層壓力和井底流壓的差值[66]。儲層壓力一直被當作產生層間矛盾和差異的主要影響因素，顧慮有2點:① 當儲層壓力梯度相差很大時，高壓層會抑制低壓層產水甚至倒灌流入低壓層，造成低壓層排采降壓時間增大，影響壓力傳遞，也可能造成低壓層水鎖，影響合采效果不佳[65];② 為保證排采穩定性，在排采中后期會保持一定的井底壓力，當儲層壓差較大時，高壓層和低壓層的供液能力相差明顯，低壓層產水量有限，儲層壓降速度較慢，而高壓煤層可能由于產水量過快，會造成煤層吐砂吐粉，引起速敏效應。

圖8 合采產能接替物理裝置和實驗思路Fig.8 Co-production capacity replacement physical device and experimental method

1.3.3地層供液能力

煤層氣的開發需要排水降壓，致密氣的排采過程中也面臨一定量地層水的產出[67]。對煤層而言，與頂底板含水層的水力聯系直接關系到煤儲層產水量的多少，也影響儲層壓力傳遞。當含水層與煤層水力聯系密切程度較強時，煤層達到有效解吸的面積較小，影響煤層氣井產能。當含水層與煤層之間存在隔水層，水力聯系程度較弱時，排水降壓過程中排采的液體主要來自于煤層中的承壓水，隨著排采的進行，壓力降落漏斗在煤層中不斷的向遠處擴展，煤層達到有效解吸的面積較大，氣井產能將大大提高。對于產水量的多少，如果采用井底下抽油機的方式，每天的排水量可在2～50 m3/d自由調整，可以滿足合理控制井筒液面高度的需求。

1.4 協同產出要素

煤層氣藏均不同程度的含水且水呈不斷流動的狀態，產氣過程中一般伴隨大量水的產出，氣、水的賦存狀態和流動行為在氣藏和單井的動態研究中十分重要[68]。目前針對多層合采工藝和開采方面:一是開展了大型壓裂物理模擬實驗，評價了裂縫的延展規律;二是建立合采數學模型，評價了合采的敏感性影響因素和壓裂配套設計[69];三是基于數值模擬，討論了典型地區合采的基本條件[70];四是通過增加懸掛套管和連通管，設計了煤系“三氣”原位分隔合采工藝技術[71]。

為了模擬煤系多產層直井壓裂過程中不同產層在不同壓裂液黏度、不同注入速率條件下，水力裂縫穿層擴展行為，學者們提出了針對性的壓裂物理模擬實驗，但目前尚無現場應用的報道[72]。煤系煤層、泥頁巖和砂巖具有不同的應力應變性質，直接影響合層改造效果。沁水盆地數據顯示應力控制下各類儲層起裂壓力大小為:煤<砂巖<泥頁巖，煤起裂壓力轉換深度最大;天然裂隙起裂程度大小為:泥頁巖>砂巖>煤;壓裂新起裂角展布趨勢相似[73]。

多層合采在致密氣開發中比較常見，但是實現煤層氣、致密氣兩層或多層的合采是近幾年的新問題[74]。針對氣藏多層開采的特點，利用壓力平衡原理計算和繪制各個氣層和氣井的流入動態曲線，建立了一套以時間為變量的氣藏多層節點分析方法，形成多節點協調分析的多層合采可行性分析與產量預測研究方法。邵長金等(2012)[75]針對煤層氣藏多層合采井的一般模型，指出各分層的滲透率、初始地層壓力、初始含氣飽和度對合采產能有重要影響，而分層厚度、解吸特性對合采的影響較小。考慮煤層氣開發基礎，孟尚志等(2018)[10]運用等值滲流理論，分別推導了排水期及氣水同產期煤層砂巖合采排水量方程及產氣方程，分析了排水過程中影響排水量的一些重要參數，為煤層氣致密氣兩層合采氣藏合理壓差確定奠定了基礎。同時建立了排水期和氣水同產期不穩定滲流數學模型，分析了排水期和氣水同產期的流動特征，設計了定產，定壓及變壓生產制度下的產能變化情況，在定壓生產的條件下，并未發現砂巖產氣及產水量有改變，兩層合采未見干擾[62]。李勇等(2018)基于數值模擬軟件建立了煤層氣致密氣合采模型，通過與單層模型的驗證，證明了該模型的適用性[63]。

在具體的模擬計算中，合采是否存在干擾需要注意是采用定壓還是定產的開發模式，如果采用定產則毫無疑問將存在干擾，因為必定會有某一層位的產能受限[62-63]。采用限定井底流壓，則干擾到底是如何影響作用的，特別是在實際生產中采用井底下抽油機的方式，可以保證最大限度排水[64]。如果夾層分布不穩定，在遠井區域，上下致密儲層相聯通，而不同的層位的近井帶壓降不同，因此在遠井帶會出現儲層的壓力干擾[76]。與此同時干擾的討論還包括，煤層氣-致密氣儲層的合采也會出現一定的逸散問題以及儲量轉移、氣體在井筒內部的干擾問題等。

2 研究展望

2.1 疊置氣藏的動態運聚過程反演及優勢儲層界定

煤系疊置氣藏中的致密氣多數是由煤層在熱演化過程中多期充注形成，因此從煤層氣通向致密氣的流動通道是存在的，部分是由垂向裂縫組成[9]。生烴引起的超壓會在烴源巖層內部形成一定數量的微裂縫，但是氣體的運移或逸散是生烴時期發生的，還是構造運動時期發生的仍不明確。煤系生烴過程中產生的大量氣體在不同層位會再次吸附成藏，會記錄在流體包裹體或反映在甲烷碳同位素上，譬如在韓城地區因構造抬升引起的甲烷解吸分餾[31]。但是當前氣井產出氣中很難準確界定煤層、頁巖層中生成的氣體，鉆井過程中的巖樣解吸氣更難以準確定量，這些問題有待進一步的碳同位素數據分析和氣體采樣測試結果來分析解決。

在甜點區預測中，需要注意煤系差異沉積環境決定了煤層、砂巖、泥頁巖具有不同的層位組合類型，同時也直接影響這幾種儲層，特別是砂巖和泥頁巖的巖礦組成和物性特征。后期的成巖演化過程中，由于煤層、泥頁巖生烴過程中伴隨著一定量的CO2和有機酸的生成，會影響砂巖的孔隙結構和滲透率，進而影響開發效果。與此同時，不同的地層組合影響烴類的運距過程，在最大生烴階段，大量的氣體向上部和下部地層運移、逸散，需要良好的封蓋層以保證氣體能被儲存。在氣體的運移過程中，如何有效地在圈閉中聚集或者再次吸附成藏，對后續優勢地層組合的遴選具有重要意義。與此同時，氣體運聚也影響地層水分布，生烴過程中會將地層水排除，但是后期隨著儲層壓力降低，地層含水量會再次升高，這些受最大生烴位置和后期逸散速率影響。在煤系沉積形成—儲層成巖演化—生烴運移聚集和氣水賦存產出的一系列過程中，何種層位或哪種組合為最優勢的有限開發儲層有待進一步闡釋(圖9)。

圖9 煤系非常規天然氣合采地質基礎及研究模型Fig.9 Geological basis and research model of coal bearing unconventional natural gas co-production

2.2 增產改造措施的有效控制和監測

煤系內部氣水分布關系復雜，多套流體壓力系統共存，當疊置含氣系統緊鄰或間距較小，系統之間的動態平衡關系脆弱，易于受到開采擾動而發生系統間干擾;同一含氣系統內部儲層的巖性變化大，如煤儲層緊鄰頁巖儲層或致密砂巖儲層，不同巖性儲層的力學性質差異顯著，常規措施難以對各類儲層進行統一且有效的改造。

對于同屬一個壓力系統且距離較近的煤層，如果采用合層壓裂，需明確水力裂縫穿層擴展的非平面形態和影響因素，掌握人工裂縫穿層擴展規律。與此同時，需要優化多層壓裂時壓裂裂縫穿層擴展的可控參數，明確現場縫高控制問題，特別是現場試驗效果如何有待進一步驗證和綜合評價[53]。其中室內實驗條件和數模的關鍵問題在于明確合理的邊界條件，建立符合真實儲層的模型，并結合巖石力學實驗、儲層的地質構造特征描述及天然裂縫發育情況，依據測井、壓裂曲線及相對應泵注流程、加砂加液數據、微地震等監測資料綜合驗證對比。

2.3 多層合采排采制度及產能預測

致密砂巖氣開發過程中發展了多種排水采氣工藝，包括有泡排、氣舉、柱塞、電潛泵、機抽和射流泵等排水采氣工藝，同時這些工藝技術在近幾年也被應用到煤層氣開發中[66]。國內針對性地設計了多種管柱和排采控制方案[65]，但是受限于現場試驗井數量較少，尚未開展針對性和規模化應用。在開展排采制度和產能預測的數值模擬工作中，當前沒有現成的軟件。特別是如何將致密砂巖孔隙介質、煤巖基質和割理組成的雙重介質、頁巖孔隙和裂隙的雙重介質及其氣、水產出在同一井筒內實現，是制約多層非常規天然氣產能預測的難題。與此同時，排水采氣可以在一定條件下實現多氣合采，但是如何控制壓降速率，保證最大的采氣和采氣效果尚沒有合理的理論方程和模式。因此亟需建立多儲層綜合滲流模型，開展井筒—多層氣藏壓力耦合變化模擬研究，建立多層合采定量化排采控制制度(圖10)。

圖10 煤系非常規天然氣合采技術研究序列Fig.10 Research sequence of coalbed unconventional natural gas co-production technology

3 結 論

(1)國內外多個煤系盆地同時賦存兩種或多種非常規天然氣，資源潛力豐富。煤層和煤系泥頁巖生氣能力強，烴類在地質演化過程處于持續的運、聚動態平衡。煤系層系多，旋回性強，氣體呈現多層次成藏。煤系在最大生烴時期地層超壓，大量的烴類向其他地層運移富集，后期構造抬升持續卸壓調整，游離氣含量降低。對甜點區和層位優選，應尋找具有優勢致密氣封蓋條件的儲層組合和連續性煤層和致密砂巖儲層的疊合層位。

(2)不同儲層壓力、物性等直接影響多層合采工程實踐，其中儲層滲透率、儲層壓力、供液能力等參數直接影響排采工藝和設備選擇。對一定深度范圍內連續分布的儲層，優選同時進行儲層改造;對于有一定距離的儲層，則要關注排采初期和關井期間的壓力變化，避免因壓力系統差異造成的流體倒灌，造成“水鎖”等傷害。

(3)合采儲層改造和排采制度是實現單井高產的關鍵因素，特別是多類型儲層可改造性差異、壓裂裂縫的穿層致裂機理及壓裂工藝和壓裂裂縫的監測技術。在實際開發中，需要建立準確的井筒壓力耦合變化規律模型，定量化地控制井底流壓以保證合采氣井穩產。煤系非常規天然氣合采的技術序列包括地質選區評價技術、鉆完井與儲層保護技術、增產改造技術及配套工藝以及合采排采制度和產能預測。