煤系氣聚集系統與開發地質研究戰略思考

秦 勇

(中國礦業大學 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008)

中國地質調查局近期預測，我國2 000 m以淺煤系天然氣(以下簡稱煤系氣)資源量約82萬億m3[1]。為此，煤系氣勘探及開發利用，對于我國天然氣安全保障具有可觀戰略價值，成為近年來非常規天然氣研究與勘探開發的一個重點探索方向[2-3]。然而，我國2019年煤層氣地面井產量54.63億m3[4]，加上未納入統計的煤系致密砂巖氣產量內部數據約35億m3，全國煤系氣產量僅有90億m3左右。截至2019年底，我國累計探明煤層氣地質儲量6 586億m3(不含已經核銷的探明儲量)[5]，目前鮮有專門的煤系致密砂巖氣和煤系頁巖氣探明儲量數據，即全國煤系氣探明率不到1%。一方面，煤系氣是我國天然氣“增儲上產”以保障國家能源戰略安全的資源基礎之一，盡管國家投入巨資開展了近10 a的科技攻關與技術示范，但成效仍然不盡如人意;另一方面，我國煤系氣資源數量與產量/探明儲量的巨大反差，指示煤系氣開發地質條件比非煤系天然氣(包括非煤系頁巖氣和致密砂巖氣)更為復雜，回顧探索進展及思考發展戰略是推進煤系氣規模性開發突破的客觀途徑。鑒于此，筆者回顧了煤系氣聚集系統與有序開發地質研究進展，從地質-工程一體化角度提出了開展進一步地質研究的戰略建議，旨在為突破煤系氣勘探開發技術瓶頸提供參考。

1 煤系氣地質內涵與基本特點

煤系氣泛指煤系中賦存的各類天然氣，僅是一個基于儲層成因類型或地質載體做出的礦產資源定義[6-7]。煤系氣以煤系內生內儲腐殖型氣為主，源儲同層或源儲異層，可概括為內生自儲、內生它儲兩大基本類型，包括煤層氣和煤系砂巖氣、頁巖氣以及煤系碳酸鹽巖氣等。在特殊成藏條件下，個別地區也發育煤系天然氣水合物[8]。煤系氣共生是煤系各類天然氣復合成藏的地質基礎，煤系氣研究與勘探開發突破了原來只考慮煤層氣的狹隘視野，不僅有助于提高單純煤層氣井的產量和經濟效益而助力“上產”，而且為我國天然氣“增儲”提供了一條新的戰略途徑[2]。

煤系氣基本地質特點脫離不了非常規天然氣地質條件的總體范疇。非常規天然氣(簡稱“非常規氣”)概念由美國地質調查局在1995年初步提出[9]，2002年美國油氣地質學家SCHMOKER正式定義了非常規氣的基本概念，初步描述了非常規氣的基本地質特點[10]。第1，非常規氣定義為連續聚集的天然氣，或多或少獨立于水柱而存在，氣藏形成并不直接依賴于浮力，不能用氣水界面予以圈定。第2，非常規氣系統通常由體積巨大充滿氣體的巖石組成，是一個具有成藏多樣性的地質體，包括煤層氣、盆地中心氣、致密氣、裂縫型頁巖氣和天然氣水合物。第3，它們本質上是連續統一的大氣田，原地資源量通常較大，總體采收率相對較低。第4，傳統的油氣資源評價方法不適應于非常規氣，初步建立了適用的資源潛力評價方法體系。

以鄒才能為代表的我國油氣地質學家，創新發展了廣義非常規氣成藏理論以及資源評價與開發地質技術，為全球非常規氣產業發展做出了杰出貢獻。明確了連續型油氣藏在全球的重要性，系統提出了連續型油氣藏分類[11-12]。揭示了非常規氣連續聚集、納米孔賦存、殘烴富集等儲層基本地質特點，探討了源儲蓋一體以及初次運移-近源充注的成藏地質過程[13-15]。提出了“進源找油”的非常規氣開發“甜點”優選方法，初步形成了以油氣沉積地質學、儲層地質學、成藏地質學和開發地質學為核心的非常規天然氣地質理論體系[16-18]。

同時，與上述廣義非常規天然氣地質條件相比，煤系氣存在異同。其一，煤系氣盡管以非常規氣占據優勢，但常見具有局部工業開采價值的常規天然氣，小規模聚集如華北多個煤礦區賦存的煤系碳酸鹽巖氣，超大規模聚集及生產的如澳大利亞蘇拉特盆地中侏羅統瓦隆組煤系氣。業界多年來陷入非常規屬性的思維定勢，高度關注煤系氣非常規屬性而忽略了其常規屬性，這是我國煤系氣勘探開發進展不甚理想的重要原因(后述)。其二，煤系是形成于一定構造時期，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，賦存在不同構造性質的殘留盆地，這種構造-沉積背景造就了煤系氣成藏與開發地質條件特殊性，對此認識不到位正是我國煤系氣(尤其是煤層氣)“增儲上產”效果多年不盡如人意的根本原因。

2 煤系氣成藏與開發地質條件特殊性

2.1 煤系氣地質研究進展概述

當前煤系氣研究進展主要表現在以下5個方面[19]:① 基于煤系地層沉積特點，總結了煤系氣共生成藏的六個基本地質特征;② 初步劃分了煤系氣共生組合方式，分析了煤系氣四大成藏要素及其配置關系的控氣作用;③ 分析了煤系含氣系統疊置性地質成因，提出了疊置煤系氣系統的識別與評價方法及控制疊置含氣系統合采兼容性的地質要素;④ 總結了煤系氣共探合采理論進展、技術方法、產層貢獻識別技術及合采產層組合優化與“甜點”評價;⑤ 在煤系氣資源評價與有利區預測方面進行了有效的探索性研究。

最近，研究者從廣義非常規氣地質角度，對煤系氣合采地質研究進展做過有價值的歸納總結[20]:其一，煤系生烴超壓或微裂縫溝通是氣體運移、聚集的必要條件;其二，煤系含氣系統呈箱式封存、連續運聚、動態轉化、定向聚散的特點;其三，巖層組合、應力場、溫度場、含氣性等靜態地質參數決定可采性，單層/多層相滲、儲層壓力、供液能力等動態參數決定產出效果;其四，物理實驗和數值分析可模擬理想地質條件下合采干擾因素，儲層壓力和滲透率是影響排水期和氣水同產期滲流的主要因素;其五，合理排水采氣工藝和科學控制采氣速度，可適當避免或控制層間和井筒內干擾。

近10 a來，國家實施了一批以科技重大專項為主導的研究項目，在推進煤系氣開發技術創新的同時，煤系氣成藏與開發地質條件特殊性研究也取得顯著進展，為開發技術創新提供了基礎依據，深化了對煤系氣聚集機制及成藏效應的科學認識，也意識到不同地質稟賦煤系氣資源需要發展針對性開發地質-工程技術。其中，核心進展可歸納為揭示了煤系氣六大基本地質特點。發現了煤系氣成藏作用“深度效應”，初步建立了煤系氣勘查-開發工程一體化地質技術系列三大方面。

2.2 煤系氣六大基本地質特點揭示

煤系氣六大基本地質特點的揭示，為深刻認識煤系氣成藏效應特殊性提供了研究切入點，為發展復雜地質條件適應性開發技術提供了地質基礎。

六大基本特點分別表現為[2]:其一，天然氣賦存態多樣，吸附態、游離態和混合態兼有，特殊地質條件下還可形成天然氣水合物[8];其二，儲層巖石類型多樣，互層頻繁，旋回性極強，由此在層位序列上構成多套與層序地層格架有關、厚度一般不大且巖性多變的源儲關系及多重內幕封蓋;其三，煤系內部氣水分布關系復雜，多套生儲蓋組合導致多套流體壓力系統垂向(層位序列)共存，形成疊置含氣系統[21]，氣顯示強烈且形式多變[22-23];其四，生儲蓋組合關系多變，同一巖層(如煤層和泥頁巖層)可兼具源巖、儲層和蓋層的功能，導致氣藏類型多樣[24];其五，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，易受開采擾動而發生系統間干擾，合采地質條件兼容性問題突出[6];其六，同一含氣系統內部不同巖性儲層的力學性質差異顯著，如煤儲層往往緊鄰頁巖儲層或致密砂巖儲層，常規措施難以對各類儲層/產層進行統一且有效的改造與排采生產[25]。

上述六大基本地質特點，一方面提供了優越的氣源及其保存條件，另一方面造成多套流體壓力系統疊置共生，合層開采干擾現象嚴重，開發地質條件惡化，根源在于合采地質條件兼容性問題突出。進一步而言，煤系氣聚集與開發地質條件復雜性可從3個方面進一步理解[25]:一是煤系儲層物理屬性，集中表現為吸附氣、游離氣以及兩者混合氣的共生;二是儲層化學屬性，包括有機儲層、無機儲層2個端元以及混合儲層;三是儲層巖石屬性，表現為不同的巖性，是儲層物理屬性和化學屬性的外在體現，如以吸附相為主的煤層氣、以游離相為主的煤系致密砂巖氣、吸附相-游離相共存的煤系頁巖氣(圖1)。其中，煤層氣、致密砂巖氣、頁巖氣是煤系氣資源的主體。控制疊置含氣系統及其合采兼容性的核心地質條件在于2個方面，即:流體能量差異影響到含氣系統之間的兼容性，不同儲層力學性質和孔滲條件差異影響到系統內部合采兼容性。為此，層序地層格架、流體能量系統和巖石力學性質是影響疊置含氣系統合采兼容性的3個關鍵要素;實現煤系氣共探與合采的基礎是深刻理解相關地質問題，對共生特性及其合采地質動態的深入闡釋則是貫穿煤系氣合采工藝優化和技術原理創新的主線[2]。

圖1 煤系氣地質屬性要素體系(引自文獻[2])Fig.1 Geological attribute element system of CMG supplem- ented and modified from Reference [2]

分析煤系氣地質條件特殊性，進一步評述了我國煤系氣共生成藏作用研究進展[7]:

(1)煤系氣地質條件特殊性表現在3個方面，煤系氣賦存態和儲層巖石類型的多樣性導致其成藏效應與常規砂巖氣有所不同，沉積旋回性極強導致氣、水分布關系復雜多變，煤系砂巖儲集體在廣覆式泥質巖中鑲嵌展布。

(2)煤系富有機質特性以及烴源巖生氣過程產生的有機酸，是煤系砂巖儲層致密化的重要誘因，煤系砂巖氣可能具有部分自生自儲及吸附氣的成藏特點，并可在一定程度上改善砂巖儲層的物性。

(3)煤系沉積特點決定煤系氣成藏效應主要取決于生烴強度、運移方式與輸導體系、地層流體能量、區域有效蓋層等四大因素，特殊的輸導體系使得源巖氣在復雜的源儲系統中重新分配，這是煤系氣共生成藏的重要基礎。

(4)含氣系統疊置性是煤系氣成藏效應的核心及地質研究前緣方向之一，近年來發展了煤系流體測井響應識別技術和含氣系統疊置性判識方法，發現煤系存在穩定、衰減、增長3種典型流體壓力-深度曲線類型[26]，并應用于合采產層組初選。

煤系氣耦合成藏研究領域存在諸多科學問題有待解決，透徹理解共生關系首當其沖。自然界中共生現象普遍存在，共生理論作為描述共生現象的方法論工具，可為深化理解煤系氣共生關系提供啟示。借鑒共生理論，分析了煤系氣共生單元及其本質，思考了煤系氣共生關系[27]。分析認為，不同屬性煤系氣共生單元按一定因果規律耦合，構成了形形色色的煤系氣共生關系;儲層單元、共生關系與共生環境的進一步耦合決定煤系氣共生效應，一方面體現為煤系氣共生富集程度，另一方面影響到共生富集體合采工程實施可行性;目前提出的煤系氣共生組合考慮了巖性、巖相序列和源儲關系3類共生界面，啟動了關于煤系氣共生單元工程互動行為、共生層段環境的探討。研究指出，產業對煤系氣共生關系研究的需求體現為3個“推進”:一是推進研究深度由共生組合向共生模式轉化；二是推進分析視野由單一介質共生界面向多重介質共生界面轉化；三是推進研究目的由共生模式向共生效益轉化。

2.3 煤系氣成藏作用“深度效應”發現

煤系氣成藏作用“深度效應”的特殊性，是深化認識煤系氣有序聚集基本規律的前提，也是發展深部煤系氣勘探開發重點層段優選以及甜點評價技術的理論基礎。

推動煤系氣“深度效應”認識進展，首先必須科學界定深部煤層氣概念及其指標。基于對地應力、含氣性、儲層物性及巖石力學性質等隨煤層埋深變化特征的分析，得到如下認識[28-29]:相對淺部，深部煤孔隙結構變化小，中孔-微孔比例趨于均一，暗示深部煤儲層趨于致密化;煤層含氣量與埋深之間存在一個“臨界深度”，超過此埋深之后含氣量隨埋深進一步增大而趨于降低;煤巖彈性模量隨著埋深增加存在“拐點”;滲透率與埋深之間關系并非像傳統認識的那樣呈單調函數變化，同樣在一定深度存在“拐點”，拐點深度受地應力狀態轉化臨界深度控制;構建了基于地應力、飽和含氣量、滲透率等的深煤層界定指標體系，煤層氣成藏特征在此深度以下發生轉換，高效開發須采取相應的針對性措施。不同區塊煤層含氣量-埋深的“臨界深度”存在變化，這一深度在沁水盆地鄭莊—樊莊區塊為800～1 000 m[30-31]，鄂爾多斯盆地東部上古生界在700～1 800 m[32-33]，滇東地區恩洪向斜約700 m[34]。

進一步研究發現，“深部效應”特殊性在“表象”上體現為地層條件及煤儲層相關屬性與埋藏深度的關系，在“內因”上體現為地層壓力、地層溫度及其耦合影響之下的煤系有機質化學性質、力學性質與孔隙結構特征，在“結果”上表現為煤系吸附氣與其他相態煤系氣之間的動態平衡關系。由此，導致“深度效應”體現出3個具體特點[32,35]:一是“收斂”，地層溫度和壓力增大，煤系儲層及含氣系統非均質性逐漸減弱，詳細特征尚待進一步探討;二是“轉換”，地應力狀態在一定深度出現轉換，由淺部擠壓走滑機制轉為深部拉張正斷應力機制[36]，兩者過渡帶表現為轉換深度;三是“轉折”，吸附氣含量與深度關系在臨界深度附近發生方向性變化，由淺部的隨埋深增大變化為深部的減小，這是地層溫度負效應與地層壓力正效應耦合作用的必然結果，并受到儲層壓力、有機質成熟度等因素綜合影響。

由此，界定了深部與淺部煤層氣深度分界，認為“深部煤層氣(吸附氣)”是一種由地應力和地層溫度共同控制的煤儲層狀態，賦存于由地應力狀態“轉換”與吸附氣含量“臨界深度”共同控制的深部煤層，可采用側壓系數和含氣量反轉深度2個參數有效表征，由淺至深體現為從吸附氣優勢轉變為吸附氣、游離氣并重的煤系氣有序聚集(圖2)。

圖2 煤系氣有序聚集概念性模式(據文獻[35]修改)Fig.2 Conceptual model of orderly accumulation of coal measure gas modified from Reference[35]

深度效應是導致煤系氣必然有序聚集的關鍵控因[35]。鑒于此，業界目前得到3方面初步結論:

(1)“臨界深度”以淺煤系氣以吸附態為主，具有工業價值的煤系氣資源幾乎只有煤層氣，“臨界深度”以深煤系吸附氣與具有工業開采價值的游離氣共存，這一深度是煤系致密砂巖氣、煤系頁巖氣與煤層氣共探合采的埋深上限，該深度以下的地質載體是煤系氣地質研究的主要對象。

(2)在深部地層條件下，煤層吸附氣、煤系頁巖吸附氣與煤系游離氣共生于同一含氣系統，深部煤層氣是煤系氣的重要組成部分，與煤系游離氣共同面臨著相同或相似的聚集地質條件及相對統一的高效開發地質原理問題。

(3)深部煤系氣開發地質條件并非全面差于淺部，某些深部煤系氣井良好的產氣記錄為此提供了新的佐證，其中隱含的科學問題值得業界高度關注和持續探討(下述)。

另一方面，根據傳統理論模型，埋深增大，有效應力隨之增高，煤層滲透率呈負指數形式單調衰減[37]。近年研究發現，地層條件下煤層滲透率-埋深變化并非如此單一，存在多種不同顯現形式:

第1種模式，埋深增大，煤層滲透率在地應力狀態轉換線(側壓系數等于1.0)深度附近達到最高，即地應力轉換帶最有利于相對高滲煤儲層發育，如沁水盆地南部、鄂爾多斯盆地東部、黔西地區[38]，以及鄂爾多斯盆地西南部黃陵地區(圖3)[39]。

第2種模式，煤層滲透率與深度(地應力狀態)表面上沒有明顯關系，分布十分離散[40];細化分析，發現當最大水平主應力>垂向主應力>最小水平主應力時煤層滲透率隨深度增大而急劇衰減，一旦地應力狀態轉換為垂向主應力>最大水平主應力>最小水平主應力(側壓系數<1.0)，則煤層滲透率隨埋深增大而線性升高，如滇東地區[36]。

就此而言，傳統理論模型只是地層實際模型中的一種特例。原因可能在于2個方面:① 煤儲層壓力狀態在垂向上往往存在“波動式”分帶，由此導致有效應力的垂向分帶現象[38];② 地應力狀態并非總是由淺部的擠壓走滑機制轉換為深部的正斷機制，往往在垂向上存在“反轉”，使得轉換帶以深側壓系數隨埋深增大而重新增高(圖3(a))。

圖3 鄂爾多斯盆地西南部彬長礦區煤層試井滲透率與深度及應力之間關系(引自參考文獻[41])Fig.3 Plots of well-test permeability to depth and stress of coal seams in Binchang,southwest Ordos Basin from Reference[41]

此外，地應力對煤層致裂效果存在正負兩方面影響:一方面具有明顯促進作用，較強各向異性地應力場可促進縫網擴展發育，水平主應力差小則有利于井眼周邊縫網體系的均衡擴展;另一方面具有強烈抑制效應，地應力場各向異性過低會造成裂縫連通性變差，過強則導致裂縫定向性擴展[42]。這一認識，可能從地應力狀態對天然裂隙網絡發育特性控制的視角，為上述地應力轉換帶最有利于相對高滲煤儲層發育的認識提供一些理論解釋。

2.4 初步建立了基于開發原理的煤系氣勘查-開發工程一體化地質技術系列

煤系氣地質研究的目的不外乎2個方面:① 揭示煤系氣聚集規律與成藏效應特殊性及其地質控制機制，豐富完善天然氣地質理論體系;② 理解煤系氣開發地質原理，尤其是可能更為高效的合采地質原理，發展合采地質技術，為創新煤系氣合采工藝技術原理提供支持。煤系氣以不同相態賦存在不同巖性儲層之中，勘探開發效果取決于吸附氣與游離氣或有機儲層氣與無機儲層氣之間合采兼容性及其地質控因[6-7]。鑒于此，合采地質技術是煤系氣開發技術體系的核心構成之一。近年來，分析煤系氣開采地質條件特殊性，初步建立了基于開發原理的煤系氣勘查-開發工程一體化地質技術系列，針對合采甜點區及產層組選擇、產層組改造、合采工藝優化3個環節提出了地質建議，并在煤系氣勘探與開發實踐中得到初步應用。

2.4.1煤系氣合采甜點區優選方面

(1)針對滇東黔西地區多煤層、高地應力和構造復雜等地質特點，建立了煤層氣有利區、甜點區和甜點段的“層次遞階”優選評價方法[43]。針對研究區次級向斜多、勘探程度差異大、許多參數無法統一的特點，在有利區優選指標體系中提出了煤層氣地質資源量、地質資源豐度和可采資源量相結合的關鍵指標，地質資源量和地質資源豐度為一票否決指標。針對研究區構造復雜和高地應力的特點，在甜點區優選指標體系中提出了斷層分維值、構造曲率及埋深相結合的關鍵指標，斷層分維值為一票否決指標。

(2)根據鄂爾多斯盆地東北部臨興示范區煤層氣地質條件，分析各項地質儲層參數對煤層氣開發效果的影響，建立了煤層氣開發地質單元劃分方法[44]。根據勘探開發資料和樣品測試數據，建立了相關數學模型，插值得出各井點8+9號煤層的埋深、構造曲率、厚度、含氣量、含氣飽和度、滲透率、臨儲壓力比、地下水流體勢、煤體結構、水平主應力差、脆性指數等參數。然后，應用多層次模糊綜合評價法對產氣潛力進行評價，疊加氣體產出條件和煤層可改造性評價結果，將研究區劃分為3個產氣潛力區38個開發地質單元。

(3)分析臨興示范區煤層氣以及煤系致密砂巖氣地質條件，建立了基于儲層因素分析的煤系氣合采潛力地質單元劃分方法[45]。以三維地質建模為基礎，考慮構造、沉積、儲層屬性、深部地質條件四大類因素以及對應的10個地質參數，采用Ward聚類法量化地質參數邊界條件，利用變異系數確定單因素權重，構建了單因素平面疊加的煤系氣合采潛力評價模型。基于評價模型，在煤層氣單采、煤系致密氣單采地質單元劃分基礎上，按煤層氣合采、煤層氣/煤系致密砂巖氣合采、煤系致密砂巖氣/砂巖氣合采3種情況，將不同類型儲層間的滲透率極差、壓力系數極差作為判識合采兼容性的關鍵參數，進一步采用單采類型與合采兼容性等級疊加的煤系兩氣合采潛力地質單元評價方法，劃分示范區煤系氣合采地質單元，提出了示范區煤系氣滾動勘探開發的地質建議。

(4)針對煤系含氣系統疊置性較弱的滇東恩洪先導區，建立了“四元十要素”合采地質單元正演劃分方法[46]。指標體系由構造、沉積、水文、煤儲層屬性4類地質條件以及相應的10個具體參數，核心是Ward聚類單元邊界量化方法，步驟為4類地質條件“遞階優選”。其中，構造屬性采用斷層分維值、構造應力、趨勢面殘差分別量化表征斷層復雜性、斷層封閉性和次級褶曲體系，沉積屬性采用趨勢面殘差、砂地比表征煤層厚度和砂巖氣層狀況，水文地質屬性采用地下水封閉指數、影響半徑、鉆孔單位涌水量、水頭高度來分別表征地下水水質、滲流、供液能力和儲層能量，煤儲層屬性采用含氣量來表征煤層含氣性。評價結果顯示，恩洪先導區合采有利地質單元共28個，含I類單元(有利1區)4個。

(5)針對疊置性較強且區域變化大的滇東雨旺先導區，建立了“五要素三步”合采有利區正演評價方法[47]。考慮煤層厚度、壓裂改造后滲透率、儲層壓力、煤體結構因子、產層潛能指數5個要素，通過多煤儲層物性地質建模、合采潛能分析、合采地質條件分級等3個步驟，實現了合采區潛力級別劃分以及合采甜點區優選。總體來看，I類甜點區分布在雨旺先導區西南部和南部，東北部和北部合采潛力相對較差。

2.4.2煤系氣合采產層組優選方面

(1)基于鄂爾多斯盆地臨興地區煤系儲層地質條件分析，從天然氣井產能方程出發，采用煤系砂巖和煤層層間無竄流雙層地質模型，開展了煤系砂巖氣與煤層氣共采可行性數值模擬研究，探討了臨興示范區兩氣共采效果的影響因素，建立了基于產量貢獻率的合采綜合評價模型，確定了煤層氣與砂巖氣共采的參數門限[48]。隨著煤系砂巖儲層滲透率、壓力系數、厚度和孔隙率的增加，10 a砂巖氣產量累計貢獻率呈增加趨勢;隨著砂巖儲層含水飽和度升高，10 a砂巖氣產量貢獻率呈下降趨勢;提出了煤層氣與煤系砂巖氣“合采窗”概念，高于合采窗上限適合砂巖氣單采，低于合采窗下限只適合煤層氣單采。

(2)基于臨興示范區地層壓力、天然氣地球化學及生產數據，劃分了煤系疊置含氣系統，探討了含氣系統合采兼容性[49]。基于地層壓力梯度差異，發現目標層段至少存在7套獨立含氣系統;基于產層的天然氣甲烷同位素差異，認為太2段、山2～山1段、盒8～盒6段、盒3段等4套層系相互之間缺乏氣水交換;基于天然氣生產曲線差異，識別出山西組與石盒子組為2套獨立含氣系統。綜合分析，將示范區自上而下劃分為千1～千4段、千5段、盒14段、盒58段、山1～太1段、太1～太2、本1段及本2段等獨立含氣系統。提取了地層壓力梯度、氣層厚度、滲透率、可動水量等合采兼容性關鍵因素，采用最優分割分類方法，將含氣系統兼容性最佳分類數確定為5～6類。

(3)建立了煤系氣合采產層組“三壓一動逐層約束”優選方法，并在滇東-黔西地區示范區得到應用[46]。發現“三壓”和“一動”是控制產層組合采動態的關鍵要素，可以通過4個“高度”以及2個“深度”予以解析。基于此，改變傳統思路和方法，從邏輯模型分析建模入手，建立了產層組合采的地質模型和數學模型，給出了產層組(目標層、上覆、下伏層)約束的兩類地質條件，建立了層間液柱相對高差逐層約束的產層組優選技術方法。在此基礎上，進一步給出了產層組(目標層、上覆、下伏層)約束的兩類地質條件，建立了層間液柱相對高差逐層約束的方法。據此，對滇東—黔西3個先導區典型井合采產層組進行了優選。

(4)建立了合采產層組“三步三參數約束”優化方法[50]。以氣井產能方程為基礎，設計主產層優選指數、擴展指數、產能貢獻指數3個參數，耦合主產層優選(評價產層潛能)、產層擴展優選(考慮次要產層產氣貢獻)與產層貢獻指數(評價產層組開發經濟性)3個步驟，結合煤體結構、儲層壓力差、產氣貢獻三參數“一票否決”約束，建立了“三步三參數約束”產層組優化選擇方法，實現了復雜巖性組合條件下的煤層氣合采產層組優選。基于該方法，對滇東雨旺先導區復雜巖性組合條件下的煤層氣合采產層組進行了優選。

(5)成功研制煤系氣合采產層組“三步三參數約束法”數值模擬軟件與方法[51]。通過基礎數據獲取與校正、井位建模與數據錄入、主產層確定及產層組優選等4個步驟實現數值分析，基于五級擴展完成合采產層組優選。針對雨旺先導區生產試驗井開展案例分析，對比單層開采與多方案合層開采模擬效果，認為7+8煤層為主產層;圍繞主產層擴展模擬，提出了2套合采產層組設計方案。同時，建立了合采可行性量化判識模板，認為黔西松河先導區儲層物性條件優于滇東雨旺先導區，煤儲層關鍵屬性可達到合采極可行的標準。

2.4.3煤系氣合采產層組改造與排采控制方面

(1)基于驅替實驗對煤層氣井不同排采階段進行物理模擬，改進了氣體彈性能數學模型，建立了排采過程中煤基質彈性能動態變化數學模型[52]。研究發現，排采過程中，煤儲層氣體彈性能主要受流體壓力影響，游離態、吸附態和總氣體彈性能均隨流體壓力增加而增大，吸附態氣體彈性能遠高于游離態氣體彈性能。氣體彈性能的釋放對流體在煤體孔裂隙中的運移具有促進作用，煤基質膨脹變形對這種促進作用具有一定的抑制。相同流體壓力下，滲透率隨煤層彈性能的增大和煤基質膨脹變形能的降低而增大。不同流體壓力下，滲透率顯著受到流體壓力和基質彈性能雙重影響。排采過程中，生產壓差時刻影響著煤儲層內部參數的變化，整體上受生產壓差調控，這一變化帶動煤儲層能量不斷變化，進而影響氣、水產出，并反饋作用于煤儲層物性參數。基于上述認識，構建了煤儲層能量—煤儲層物性—排采調控參數聯動關系模型。

(2)基于滇東—黔西地區11口典型合采井前150 d生產歷史資料，采用地質統計及因素差異對比法，分析了合采地質條件特點，提出了煤層氣合采兼容性閾值及工程設計優化的地質原則[53]。分析前期得失，提出了合采產層組分層均衡壓裂改造的設計思想，通過差異性改造來弱化原始儲層屬性差異。認為先前采用的儲層改造技術不適應于滇東地區800 m以深的煤儲層，合理確定產層組的關鍵在于單井儲層壓力剖面精細分析，影響研究區儲層可壓裂改造性的關鍵地質因素是煤體結構，實現產層組產氣潛力釋放最大化的工程措施是各產層之間的均衡改造，合采井憋壓與否、憋壓程度因區塊乃至因井而異，放氣時機的把握十分重要。在合采井現行排采管控制度前提下，建議控制產層組底界埋深和最大跨度，優選加權含氣飽和度高、飽和度差異系數小和壓力狀態差異系數小的產層組，注重產層組中各產層的均衡改造。

2.4.4煤系氣合采工藝優化方面

(1)分析國內科技攻關和現場試驗近期進展，初步總結了煤系氣開采模式現有認識，對比分析了不同模式的適用性和局限性，認為煤系氣經濟高效開采模式尚處于探索起步階段[25]。以管柱結構設計和排采管控方式為主，考慮井型選擇和壓裂方式，將煤系氣開采工藝初步歸納為分排、先分后合、合排3類模式，每類模式包括若干具體方式。不同模式各有優缺點:分排及合排模式中的主要方式在應用中見到初步效果，先分后合模式目前尚處于設計乃至設想階段。建議煤系氣開采模式及其技術創新本著“因地制宜、取長補短、多措并舉、有所側重”的策略，根據氣藏具體地質條件選用和發展適應性開采工藝。目前僅有的2個國家級示范專項工程推進了我國煤系氣開采模式的創新，臨汾示范區采用分區分采方式實現了煤系氣開發規模快速擴展，臨興示范區探索“排氣降壓”誘控接續合排工藝初步實現了煤系多氣經濟高效合采。

(2)以臨興區塊示范工程為例，分析歸納了產量曲線類型及其合采有效性特點，展示了煤系氣合采成功范例[25]。臨興示范區煤系氣開采工程嘗試自然接續工藝，單井產量曲線類型可歸納為4種類型，包括以解吸氣多層合采產出為特征的I型曲線，以游離氣-解吸氣誘導控制接續合采的Ⅱ類、Ⅲ類曲線，以及單純游離氣產出的Ⅳ型曲線。工程示范結果展示，采用“排氣降壓”的誘控接續方式，可以在較為廣泛的氣藏條件下實現煤層氣-煤系致密砂巖氣、煤系致密砂巖氣-頁巖氣的有效合采，是值得進一步探索和具有推廣應用前景的煤系氣經濟高效合采新模式。值得關注的是，具有工業價值的煤系多類型共生氣藏均賦存在深部，而深部地層富水性往往微弱，“排水降壓”傳統模式往往難以奏效，而“排氣降壓”誘控接續恰恰可破解弱富水儲層降壓的這一局限，可能成為煤系氣經濟高效綜合開發的一項重要技術。

3 實踐提出的煤系氣地質研究新課題

我國豐富的煤系氣資源目前勘探程度甚低，開發效果和開發規模遠遠無法滿足“增儲上產”的國家需求。究其根本原因，依然在于對煤系氣特殊地質條件理解不足，適用勘探開發關鍵技術尚未完全形成。同時，近年來勘探開發實踐展示出的正反兩方面典型實例，啟發業界進一步揭示相關規律，闡明相關地質原理，為探索適應性開發技術途徑進而實現技術創新提供關鍵依據。

第一，煤系氣井產氣量并非隨產(儲)層組的層數增多、累計厚度增大及跨度加大而增高，這與業界傳統認知大不相同，實際上形成了“1+n”

第二，某些深部煤層氣井產氣曲線既不同于典型解吸氣的“峰型”曲線，更不同于典型游離氣的“衰減”曲線，而長期穩定在產氣量較高且產液量很低的水平，顛覆了深部煤儲層產氣能力低、產量衰減快的傳統認知。根據中石化華東分公司、中聯煤層氣公司、中澳能源公司、內蒙古非常規天然氣研究中心等單位提供的實際資料，類似現象在鄂爾多斯盆地東部的延川南區塊、臨興區塊以及海拉爾盆地五九凹陷都有存在。這些井均采用常規水力加砂壓裂技術進行煤儲層改造，有機質成熟度覆蓋低階～高階煤儲層，具有見氣快、產氣量較高且穩定期極長的共同特點，單井日產氣量長期穩定在2 000～3 000 m3，最長穩定期可達4 a。這一現象，無疑昭示深部煤層氣賦存態及解吸機制與淺部煤層氣極為不同。然而，深部煤層氣賦存態如何，解吸機制有哪些特殊性，供氣能力強大到什么程度，受哪些深部地質因素所控制？能否深刻認識深部煤層氣地質條件特殊性，有效釋放這種特殊產能，進而實現深部煤層氣甜點區有效預測？對于這些問題的科學探索，目前剛開始起步。

第三，與“產層厚度大產氣潛力高”的傳統認識相比，薄互層煤系具有更高的產氣潛力，我國煤系氣(包括煤層氣)地質研究、勘探與開發試驗長期對此關注甚少。典型實例是澳大利亞蘇拉特盆地。該盆地中侏羅統瓦隆組含煤多達100余層[54]，其中單層厚度小于0.3 m煤層數占煤層總數的比例高達90%[55];煤系沉積于河流-湖泊環境，薄煤層乃至煤線在垂向序列上與泥巖、粉砂巖、砂巖頻繁交替[56]。2019年，蘇拉特盆地煤系氣產量315.88億m3，以直井巖性混合層段開發為主，單井日均產氣量16 375 m3[57]。與此相比，以二疊紀煤系為開發目標的澳大利亞鮑溫盆地同期煤層氣產量85.41億m3，以水平井為主，單井日均產氣量18 126 m3。初步分析認為，薄互層條件有利于天然裂隙系統發育及天然氣內幕保存，這是蘇拉特盆地成為目前世界上最大煤系氣生產盆地的重要地質原因;我國內蒙古東部上白堊統大磨拐河組及相當層位煤系、鄂爾多斯盆地西緣上石炭統羊虎溝組、四川盆地西部上三疊統須家河組、楚雄盆地上三疊統等煤系沉積條件與蘇拉特盆地瓦隆組具有可比性，具有煤系氣“增儲上產”的強大潛力[58]。然而，薄互層煤系天然氣具有什么樣的聚集規律，薄互層條件下儲層天然裂隙具有什么樣的發育特點，內幕保存條件具體體現在哪些方面？它們受控于什么樣的綜合地質因素和機制，甜點區段預測需要采用什么樣的針對性參數和思路？對于這些基礎地質及工程科學問題，目前知之甚少。

4 待解決的煤系氣關鍵地質科學問題

界定常規與非常規天然氣的根本依據是儲集層超低孔超低滲，賦存態只是這個共性前提下的一個特殊表現。業界多年來陷入煤系氣非常規屬性思維定勢，廣泛忽略了其常規屬性，導致煤系氣勘探開發新領域新層系探索不力，這是產業發展速度不甚理想的重要原因。煤系氣盡管多數表現為非常規氣地質屬性，但并非全為非常規氣，可形成超大型聚集及高效規模性生產的薄互層煤系氣總體上屬于常規天然氣，煤及油氣地質基礎科學與工程科學均應對此高度關注。在廣義非常規氣基本特點、基本規律及共性聚集機制框架下，非常規煤系氣特殊性鮮明，應遵循非常規氣共性開展針對性基礎研究與工程科學創新;常規煤系氣開發利用戰略價值極高，但我國乃至全球業界對其地質條件特殊性了解甚少，亟待加大探索力度。

煤系氣共生關系內涵需從富氣儲層簡單組合向合壓、合采地質條件兼容模式方向擴展，既要強調煤系氣富集，又要考察是否有利于合層改造，也要甄別合層排采兼容性[27]。也就是說，煤系氣共生關系分析，需要兼顧產層組的含氣性和工程實施可行性，后者包括合層壓裂穿層性及合層排采可行性，它們共同取決于合壓合采地質條件兼容性。煤系氣共生單元之間屬性差異及其造成的壓裂競爭、排采地層能量在共生組合內部重新分配現象客觀存在，問題在于如何將這類差異控制在當前生產技術水平容許范圍之內，即所謂的合采閾值問題[6]。一句話，綜合考慮源儲關系(共生)、巖相序列(共探)、壓裂穿層性(共改)和層間相互干擾(共采)，將含氣性、合層可改造性、合采兼容性融為一體進行考察，這是煤系氣共生關系研究重要思路。

近期我國研究者梳理了煤系氣領域亟待解決的科學問題，如煤系氣儲層精細描述及可改造性評價、煤系氣資源評價及有利區優選方法、煤系氣開發甜點區(段)評價技術、疊置煤系氣系統合采兼容性評價等[19]。也有研究者客觀指出，后續研究的核心是“地質+工程”甜點區優選，關鍵問題包括疊置多類型氣藏形成過程的運聚過程、優勢儲層形成與界定準則、煤系內部復雜氣水關系和流體壓力系統、有效增產改造措施和科學監測的途徑、多層合采排控制度及產能預測方法;圍繞“開發地質選區-鉆完井與儲層保護-增產改造-合采制度及產能預測”進行攻關，根據不同地區煤系氣共生特點，選擇合適的技術實現同井筒合采，以助于提高經濟效益和資源動用率[20]。

在煤系疊置含氣系統方面，開展關鍵層及流體能量差異性高分辨識別，建立疊置含氣系統合采地質條件兼容性定量表征方法，形成疊置含氣系統開發地質單元與或合采甜點區段評價理論[2]。在深部煤層氣地質條件方面，分析深部煤系氣系統與聚集有效性，探討深部煤儲層可改造性及其地質控制，揭示深部煤層氣開采適應性技術新原理[32]。其中，某些問題通過國家科技重大專項等的實施得到初步解決，某些問題仍在探索研討，勘探開發實踐中又揭示出某些亟待解決的科學問題。尤其是在煤系氣共生聚集成藏方面，需要推進研究深度由共生組合向共生模式轉化，推進分析視野由單一介質共生界面向多重介質共生界面轉化，推進研究目的由共生模式向共生效益轉化[27]。

與任何以資源開發利用為主要目標的應用地質學科一樣，煤系氣地質研究貫穿成藏條件、有利區段評價與優選、資源勘查地質與開發全過程，研究范圍涵蓋基礎研究、應用基礎研究與工程科學。鑒于我國煤系氣地質研究現狀以及亟待突破的勘探開發地質技術瓶頸，兼顧基礎研究與“增儲上產”國家需求，建議圍繞“煤系天然氣共生聚集系統與高效有序開發地質原理”這一主題，針對如下4個方面關鍵科學問題開展研究:

(1)深煤層天然氣賦存態與解吸機制。針對煤層作為有機儲層對溫度、壓力更為敏感的根本物性特點，揭示深部較高應力和溫度條件下煤層流固耦合作用、深部煤層氣賦存態及其相互轉換特點，探討深部條件下煤層氣解吸規律及其地質-工程耦合控制機理，深化對深部煤層氣地質條件特殊性的理解和認識，形成深部煤層氣優質儲層預測理論，發展深部煤層氣開發甜點區與甜點段評價技術。

(2)煤系氣聚集過程與成藏效應。基于煤系氣地質條件的6方面基本特點，結合合采產層組選擇、合排過程層間降擾2方面核心開發地質問題，探討成藏過程中煤系內部流體能量分配的基本特點與控制因素，揭示煤系不同巖性儲層力學性質和孔滲條件等差異分布的基本規律和地質影響因素，闡釋煤系氣復合成藏的基本效應及其地質選擇過程，形成煤系氣開發地質條件預測理論體系，完善發展煤系氣開發有利區及有利層段優選方法。

(3)薄互層煤系氣成藏特點與優質開發層段地質控制。分析多薄煤層以及煤層與砂巖、泥巖頻繁互層的基本地質特點，揭示薄互層煤系天然氣聚集特點與分布規律，闡釋薄互層地質條件與煤系儲層天然裂隙發育程度之間關系，探討煤系內幕保存條件顯現特征及其聚氣效應，深化認識薄互層煤系氣開發有利區主控地質因素及其控制機理，建立薄互層煤系氣聚集與配分理論體系，發展薄互層煤系氣甜點區段預測方法。

(4)煤系氣有序開發地質原理與技術基礎。本著地質-工程一體化指導思想，以上述煤層吸附氣含量“臨界深度”以下煤系為主要研究對象，研究煤系氣優質產層段不同巖性產(儲)層有效貫通地質-巖石力學原理，探討煤系游離氣卸壓產出與吸附氣解吸產出在時空上的接替關系及機制，探索煤系氣產層組不同產(儲)層屬性差異改造弱化措施以及近井地帶快速降擾的新技術途徑，初步形成煤系氣高效有序合采技術基礎。

5 結 論

(1)煤系氣基本地質特點脫離不了非常規氣地質條件的總體范疇，但在廣義非常規氣基本特點、基本規律及共性聚集機制框架下具有自己鮮明的特征，對其特殊性認識不到位正是我國煤系氣“增儲上產”效果長期未能盡如人意的原因之一。

(2)近10 a來，我國煤系氣成藏與開發地質條件的研究取得了3方面核心進展。包括:揭示了煤系氣六大基本地質特點，發現了煤系氣成藏作用“深度效應”，初步建立了煤系氣勘查-開發工程一體化地質技術系列。

(3)近年來勘探開發實踐展示出的正反兩方面典型實例。例如，煤系氣合采井產氣量并非隨產(儲)層組的層數增多、累計厚度增大而增高，“1+n”

(4)對我國煤系氣產業發展較慢的地質原因進行了戰略思考：① 業界多年來忽略了煤系氣地質條件的常規氣屬性，導致新領域新層系探索不力;② 煤系氣盡管多數表現為非常規天然氣地質屬性，但可形成超大型聚集及大規模生產的薄互層煤系氣總體上屬于常規天然氣;③ 對非常規煤系氣地質屬性了解相對較多，但對常規煤系氣地質條件特殊性目前仍知之甚少。

(5)建議圍繞“煤系天然氣共生聚集系統與有序開發地質原理”主題開展研究:揭示深煤層天然氣賦存態與解吸機制，形成深部煤層氣優質儲層預測理論與技術體系;闡明煤系氣聚集過程與成藏效應，完善煤系氣甜點區段優選方法;研究薄互層煤系氣成藏特點與優質開發層段地質控制，建立薄互層煤系氣聚集與配分理論，發展薄互層煤系氣甜點區段預測方法;探索煤系氣有序開發地質原理與技術基礎，初步形成煤系氣高效有序合采技術基礎。