煤系疊合型氣藏及其勘探開發技術模式

桑樹勛，鄭司建，易同生，趙福平，韓思杰，賈金龍，周效志

(1.中國礦業大學 江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業大學碳中和研究院，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業大學 低碳能源與動力工程學院，江蘇 徐州 221116；5.貴州省煤田地質局，貴州 貴陽 550008；6.武漢工程大學 資源與安全工程學院，湖北 武漢 430073)

我國含煤盆地煤系具有旋回性強、多以細粒沉積巖為主，不同類型儲層煤系天然氣共生共儲的特點，包括煤儲層賦存的以吸附相為主的煤層氣、砂巖儲層賦存的以游離相為主的致密砂巖氣、泥頁巖儲層賦存的游離相、吸附相共存的頁巖氣等[1-6]。一般將賦存于或形成于煤系中的天然氣統稱為煤系氣，這里主要指煤系含煤段共生共儲的煤層氣、致密氣、頁巖氣等非常規天然氣，這種成因特點決定了煤系氣高效開發的方向是共探共采[7-8]。煤系氣合采的特點在于不同巖性儲層中不同相態天然氣的同井共采，其目的是提高煤系氣資源開發效率和單井產量，煤層氣、致密氣、頁巖氣共探共采及同井合層開采對深部煤系氣實現商業化開發幾乎是必需的技術選擇。但較單一相態的吸附氣或游離氣開采，煤系氣共采的技術難度更大，深化煤系氣成藏機理認識是破解煤系氣共探共采技術瓶頸的基礎。

關于煤系含煤段煤系氣是否構成統一含氣系統？存在地質成因上的復雜性、差異性和認識上的不一致。煤系疊合型氣藏作為煤系含煤段統一含氣系統和煤系氣特有成藏類型受到關注[9-12]。例如，煤層同時作為氣源巖和儲層，具自生自儲的殘存煤層氣，上覆砂體與煤層直接接觸，煤層產生的天然氣部分運移到砂體中聚集成藏，從而形成致密砂巖氣藏；煤層與上覆砂體儲層具有統一氣源，經歷了相同或者相似的沉積與構造演化形成物質上動態轉化的統一壓力系統(壓力梯度一致)，就具備了煤系疊合型氣藏形成的基本地質條件[13-16]。中國渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、滇東?黔西盆地(群)等油氣勘探開發實踐都證實了煤系疊合型氣藏的普遍意義，特別是上述煤層氣–煤型氣(致密砂巖氣)疊合型氣藏的實際開發價值。滇東–黔西盆地等華南地區二疊系龍潭組常見煤層與砂巖層互層型煤系疊合氣藏[15]，而鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地等華北地區石炭–二疊系含煤地層常見煤層與砂巖層直接接觸型煤系疊合氣藏[16]。例如，渤海灣盆地濟陽坳陷部分探井揭露了二疊系山西組煤層與上覆砂巖層直接接觸，氣測錄井煤層和砂巖均具有強烈氣顯示，指示了坳陷內煤層與砂巖層直接接觸型煤系疊合氣藏的客觀存在[17]；渤海灣盆地內煤系普遍埋藏較深，1 500 m 以深僅煤層氣資源量達1.42×1012m3[15]，煤系氣資源量巨大[18]，煤系疊合型氣藏有望成為渤海灣盆地等深部煤系氣商業開發的突破口和首選目標。

煤系疊合型氣藏的發現與研究為我國煤系非常規天然氣勘探開發提供了新的思路，同時也為含煤–油氣盆地潛在深層油氣勘探領域與地質甜點區提供了啟示。筆者基于我國煤系疊合型氣藏分布特征和華北山西組和華南龍潭組煤系疊合型氣藏勘探開發實踐，系統總結闡明煤系疊合型氣藏科學內涵、形成條件、成藏過程及成藏模式，討論不同類型煤系疊合型氣藏地質適配性的勘探開發技術模式及對深部煤系氣勘探開發的應用意義。

1 煤系疊合型氣藏

1.1 概 念

煤系中煤層氣、致密氣和頁巖氣常常共生共儲或共生鄰儲，具有統一的區域封蓋條件，成藏過程中不同類型儲層間發生能量物質傳遞和平衡?氣體運移和相態轉變，可構成統一的油氣系統，其時空上緊密疊置，成因上密不可分，氣體動態傳質且壓力梯度一致，形成了煤系特有的一種氣藏類型，稱之為煤系疊合型氣藏[10,12]。煤系疊合型氣藏是煤系氣藏的特定類型，煤系氣藏包括但不限于前者。

1.2 類 型

依據構成煤系疊合型氣藏的巖性巖相特點及其組合關系，我國主要發育3 種煤系疊合型氣藏類型[19]。

(分流)河道砂體與煤層接觸型(圖1a)，又稱華北型。該類型煤系疊合型氣藏形成于華北穩定克拉通和陸表海背景下的淺水三角洲沉積體系，以華北地區山西組為代表。

圖1 我國典型煤系疊合型氣藏類型[19]Fig.1 Typical types of coal measure superimposed reservoir in China[19]

煤層–砂巖–泥巖互層型(圖1b)，又稱華南型。該類型煤系疊合型氣藏形成于華南古陸周緣的海岸帶與三角洲沉積體系，其形成期構造活動相較于華北克拉通更為活躍，以華南地區龍潭組為代表。

煤層–砂巖–泥巖互層型夾厚層砂礫巖層型(圖1c)，又稱東北型。該類型煤系疊合型氣藏形成于構造相對更活躍的中新生代，位于陸相為主的斷陷或斷坳盆地濱湖和湖相三角洲發育區，以東北地區白堊系城子河組、阜新組為代表。

1.3 特 征

煤系疊合型氣藏的主控因素與近源型煤系氣藏有很多相似的地方，如有效烴源巖、儲層、蓋層和沉積、構造條件等[20]，但也存在差異，沉積作用是煤系疊合型氣藏成藏主控地質因素，并形成顯著成藏特征。以華北型煤系疊合型氣藏為例，煤系疊合型氣藏(華北型)形成的關鍵是砂巖儲層和煤儲層在沉積序列上的有效相互疊置，即砂巖儲層與煤儲層直接接觸，使得煤層排烴時，可以將烴類氣體及時充注到煤層附近的常規儲層內。與近源型煤型氣藏相比，煤系疊合型氣藏具有以下特點：(1) 源、儲共生零距離，烴源巖連續分布，煤巖生烴直接充注上覆砂巖體，斷層或者不整合面對氣體的輸導作用減弱。(2) 氣藏中砂巖儲層橫向空間以沖刷帶砂巖尖滅線為邊界，構造圈閉對氣藏的封存作用減弱，巖性圈閉的控制更為顯著。(3) 煤層–砂巖二元結構儲層間能量變化(流體壓力)影響的滲流作用與烴濃度影響的氣體擴散作用為氣體運移的主要動力，氣體自身浮力作用對氣體運移的影響減弱。(4) 具有統一的區域封蓋條件。

1.4 賦存分布

華北型煤系疊合型氣藏發現于鄂爾多斯盆地和渤海灣盆地C–P 煤系山西組，在鄂爾多斯盆地已開展深部煤系氣共探共采工程實踐探索。華南型煤系疊合型氣藏廣泛見于滇東–黔西盆地二疊系龍潭組，在黔西地區已實施了盤縣松河示范工程、盤縣楊梅樹向斜示范工程、水城大河邊示范工程等。東北型煤系疊合型氣藏見于東北地區三江穆棱河盆地群、鐵法盆地、阜新盆地白堊紀煤系等，在雞西盆地等已實施煤系氣勘查開發示范工程。

2 煤系疊合型氣藏形成機理

本文以華北地區山西組(分流)河道砂體與煤層接觸型煤系疊合型氣藏為代表，探討煤系疊合型氣藏形成條件、形成過程及成藏模式。

2.1 形成條件

煤系疊合型氣藏形成的關鍵是煤層與砂巖的相互疊置與直接接觸[10,12]。早二疊世隨著華北板塊北部造山帶的進一步抬升，海水從南部退出，華北石炭–二疊紀聚煤盆地大規模發育淺水三角洲沉積體系，三角洲平原聚煤條件好，在廢棄的三角洲朵葉上沉積了厚層的泥炭沼澤，并向盆地內沉積中心延伸，發育分布廣泛且連續的煤層。隨著分流河道的側向遷移，分流河道直接沖刷泥炭沼澤形成透鏡狀砂巖，沖刷不整合面往往巖性混雜不穩定性高，在后期的高地應力條件下易形成微裂隙發育的“薄弱層”，煤層、砂巖與“薄弱層”組成了石炭?二疊紀煤系中特殊的透鏡狀砂體–煤層疊置沉積組合。對于煤系透鏡狀砂巖儲層，作為單一氣藏在開發上具有橫向分布斷續、天然氣資源受限的局限；對于煤儲層，作為單一氣藏存在儲層厚度不足、低滲透煤儲層難以改造的問題。而煤層–砂體復合儲層體系及其形成的統一含氣系統，天然氣資源量充足且砂巖儲層相對煤層易于壓裂改造(圖2)。

圖2 華北地區山西組煤系疊合型氣藏沉積體系模式[19]Fig.2 Sedimentary system model of coal measure superimposed gas reservoir in Shanxi Formation,North China[19]

2.2 成藏過程

煤系疊合型氣藏成藏過程主要包括氣源巖、儲層、蓋層的形成，天然氣生成、吸附解吸、運移及逸散保存的全部過程。華北地區山西組煤系疊合型氣藏，山西組主力煤層是該氣藏的主力烴源層和儲層重要組成部分，下伏太原組也有中厚–厚煤層發育，可以作為氣藏重要的補充氣源巖，太原組、山西組的石灰巖、暗色泥巖也有生氣能力；疊合型氣藏的儲層包括煤儲層與共生的透鏡狀砂巖儲層及局部石灰巖儲層，整個煤層–砂巖儲層復合體系都是該氣藏的有利儲集體，其中，煤系氣在煤儲層中以吸附相為主要賦存形式，在砂巖中以游離相為主要賦存形式；疊合型氣藏的蓋層包括上二疊統直接泥巖蓋層和石炭–二疊系煤系上部泥巖蓋層；其中，泥巖直接蓋層分布廣泛且厚度相對較大；煤系上部泥巖蓋層厚度一般相對較小，但對巖性圈閉的形成起到關鍵作用。已有基于盆地模擬技術研究，恢復了以濟陽坳陷石炭–二疊紀煤系的沉積埋藏史、烴源巖熱演化史及成熟度史(圖3)，結果表明，華北地區山西組煤系疊合型氣藏成藏主要經過了3 個階段[21]。

圖3 濟陽坳陷山西組煤系疊合型氣藏成藏過程Fig.3 Accumulation process of Shanxi Formation coal measure superimposed reservoir in Jiyang depression

(1) 早?中印支期初次生氣階段：煤系疊合型氣藏氣源巖的上覆地層累厚達到3 000 m，古地溫約90℃，氣源巖成熟度(Rmax)達到0.60%，有機質熱演化生成少量氣態烴，生成的氣態烴以吸附態賦存于煤層中。

(2) 晚印支期–早中喜馬拉雅期生氣停滯階段：該階段山西組煤系疊合型氣藏受到多期次構造活動影響，地層多次發生隆升與沉降，氣源巖上覆地層殘余累厚小于3 000 m，有機質熱演化生氣停止。此外，受晚印支運動的影響，山西組煤系疊合型氣藏氣源巖上覆地層大幅度隆升后遭受風化剝蝕，氣藏遭受破壞。

(3) 喜馬拉雅期生氣高峰階段：山西組煤系疊合型氣藏氣源巖在喜馬拉雅期持續沉降，埋深超過4 000 m，最大地溫超過165℃，氣源巖有機質成熟度Rmax達到1.26%；氣源巖階段生氣量可達100.10 cm3/g，同時氣源巖吸附能力增大，飽和吸附量達到8.42 cm3/g[11]；由此可見，喜馬拉雅期為華北地區山西組煤系疊合型氣藏成藏關鍵期。

2.3 成藏模式

華北地區山西組煤系疊合型氣藏氣源主要來自C–P 煤系煤層為主氣源巖的二次生烴作用，印支末期初次生烴形成的氣藏經過燕山早期地層大幅抬升已經逸散殆盡，燕山晚期二次生烴的區域較為局限，同時由于構造應力場的轉換，進入斷–拗陷盆地發育階段，持續到喜馬拉雅期，沉降中心進入大幅沉降階段，為凹陷內廣泛強烈的二次生烴作用提供了很好的熱演化背景。古近紀以來，C–P 煤系開始大量生氣，煤層由于其自身具有較強的吸附能力使其能夠始終保存一定量的吸附氣，而隨著煤層的持續生氣，一方面烴濃度差導致持續的擴散排烴，另一方面煤儲層超壓產生大量微裂隙，大部分的游離氣通過煤層內側向運移與煤層–砂巖垂向運移，周期性充注到孔滲條件更好的透鏡狀砂巖儲層中富集保存；煤層與砂巖間的“薄弱層”由于強烈的巖性差異容易形成微裂隙成為氣藏儲層結構內優勢運移通道。在未被斷層破壞的C–P 含煤層系內部廣泛發育的泥巖對氣藏起到巖性圈閉和烴濃度封閉的作用。中晚喜馬拉雅期煤系持續的生烴使得疊合型氣藏始終保持著不間斷的天然氣充注過程，形成自源型、自儲式氣藏(圖4)。

圖4 華北地區山西組煤系疊合型氣藏成藏模式[19]Fig.4 Diagram of coal measure superimposed gas reservoir in Shanxi Formation,North China[19]

3 煤系疊合型氣藏的勘探開發技術模式

3.1 華北型煤系疊合型氣藏

以華北地區山西組為代表的煤系疊合型非常規氣藏，該氣藏的發現對深部煤層氣/煤系氣勘探開發有特別重要的意義，其勘探開發技術模式如圖5 所示。賦存于三角洲平原的透鏡狀砂巖與煤層共生疊置儲層復合體是華北地區山西組煤系疊合型氣藏的典型識別標志層，由于其氣藏要素特殊的空間配置關系，往往不能形成如頁巖氣藏式連續厚層狀油氣富集區，但其優質的烴源巖和相對較好的儲層條件往往能夠形成一定范圍的甜點區，如何在深部煤系尋找煤層–砂巖疊置復合體成為預測疊合型氣藏的關鍵。沉積相(微相)對疊合型氣藏煤層–砂巖復合體的形成至關重要，結合深部高分辨率地震巖相解釋可準確識別分流河道透鏡狀砂巖–煤層疊置儲層復合結構，優選煤系疊合型氣藏的目標區或靶區。

圖5 華北型煤系疊合型氣藏(華北地區山西組)成藏模式及其勘探開發模式Fig.5 The accumulation model and exploration and development significance of North China coal measure superimposed gas reservoir (Shanxi Formation in North China)

探井油氣顯示特征表明，華北地區山西組垂向上儲層孔隙率和滲透率隨埋深整體呈下降趨勢，然而在C–P 煤系卻呈現波峰特征，同時測井解釋結果顯示氣層和干層共存，指示深部C–P 煤系具有發育煤系天然氣藏的潛力[19]。煤系疊合型氣藏因其特殊的巖相組合和體系內的物質傳遞關系，需針對煤層–砂巖的疊置屬性采取地質適應性的勘探開發技術與工藝。常規的煤層水力壓裂形成的裂縫常限制在煤層范圍內部，不能實現對上覆砂巖層的有效開發[22-23]。將上覆砂巖層作為致密氣產層，同時也作為煤層氣虛擬產氣層，采用小層擴邊射孔的水力壓裂技術，減小煤層與砂巖層交界面的強度差值，利用水力壓裂垂向造縫高度改造煤層，驅動煤層氣向上覆巖層的傳遞是實現煤系疊合型氣藏共探共采的有效方法之一[14]，但需合理優化水力壓裂規模、射孔高度等工藝方案[19]。采用上述技術模式，鄂爾多斯盆地東緣山西組煤系疊合型氣藏開發取得了顯著效果。

對于華北地區山西組河道砂體與煤層接觸型煤系氣疊合型氣藏，基于“高分辨率地震巖相解釋”的煤系疊合型氣藏有利區識別與“虛擬產氣層合層開發”的技術模式也成功指導了濟陽坳陷山西組煤系疊合型氣藏的勘探開發工作。煤系疊合型氣藏地質適配性勘探開發技術模式為煤系氣勘探開發技術工藝選擇提供了地質理論依據和參考,也為我國煤系氣共探共采和深部煤層氣商業化開發提供了新的方向。

3.2 華南型煤系疊合型氣藏

以華南龍潭組為代表的煤系疊合型氣藏，對貴州省、云南省等地二疊紀煤層氣/煤系氣高效勘探開發具有現實指導意義，其勘探開發技術模如圖6 所示。該類型煤系疊合型氣藏以發育薄–中厚煤層群和煤層、泥巖、砂巖儲層交互為重要特征，發育的儲層多且薄，如單一煤層或砂巖含氣層開發，資源采收率與單井產氣量均較低。現采用的煤層氣井水力壓裂規模，不能實現華南地區龍潭組煤系疊合型氣藏全層段儲層的連續壓裂改造。針對華南地區龍潭組特殊地質條件，提出了“層段優選、小層射孔、分段壓裂、投球分壓”的關鍵水力壓裂工藝，即需要優選煤層群中的有利含氣層段，并對優選含氣層段分段壓裂改造，配以小層射孔(薄煤層為主要射孔段)與投球分壓工藝，在優選層段形成一個具有高導流能力的裂隙網絡，單井實現多個有利層段內煤層兼顧層間砂巖的整體壓裂效果。分段壓裂實現了單井縱向多個組合含氣層段壓裂，小層射孔實現了壓裂段內多層薄煤層兼顧砂巖層的整體水力壓裂，投球分壓形成長度均一、規模較大的多煤層復合型立體產氣層。實踐表明，黔西地區二疊系龍潭組煤系疊合型氣藏，采用煤層擴邊射孔壓裂與合層排采的方法，實現了煤系疊合型氣藏煤層氣與致密砂巖氣共采，并獲得了工業氣流[14]，楊梅樹向斜楊煤參1 井最高日產氣量達4 656 m3。

圖6 華南型煤系疊合型氣藏(華南地區龍潭組)成藏模式及其勘探開發意義Fig.6 The accumulation model and exploration and development significance of South China coal measure superimposed gas reservoir (Longtan Formation in South China)

華南地區龍潭組各射孔層段煤巖物理力學性質的差異性導致各射孔層段裂隙破裂存在時間順序，改變泵注程序或者應用封堵球可調整射孔段開裂順序，裂縫垂向擴展高度是影響疊合型氣藏形成大尺度裂縫網絡的重要幾何參數，裂縫擴展到圍巖的高度與煤層和圍巖的強度差值呈非線性負相關，應用小層擴邊射孔工藝可減少煤層與圍巖交界面處的應力差值，在有效的射孔高度與額定泵注排量下可形成縫長均一且導流能力強的裂縫網絡，實現壓裂段內多個薄煤層兼顧層間砂巖的整體改造，提高煤系疊合型氣藏的單井產氣量。

華南地區龍潭組煤層–砂巖–泥巖互層型煤系疊合型氣藏的勘探開發技術模式，即“層段優選、小層射孔、分段壓裂、投球分壓”，已應用于“貴州省盤江礦區松河礦瓦斯(煤層氣)地面叢式井抽采示范工程”，實現了煤系氣的共探共采，目前正在貴州省水城礦區大河邊區塊煤層氣勘探開發示范工程推廣和優化改進。

4 結論

a.中國發育3 種主要類型煤系疊合型氣藏，即賦存于華北地區山西組的(分流)河道砂體與煤層接觸型、華南地區龍潭組的煤層–砂巖–泥巖互層型和東北地區城子河組的煤層–砂巖–泥巖互層夾砂礫巖型。

b.煤系疊合型氣藏是煤系含煤段煤系氣特有的關鍵氣藏類型；沉積作用是煤系疊合型氣藏的關鍵主控地質因素，三角洲沉積體系的泥炭沼澤、分流河道、分流間灣的沉積微相組合為煤系疊合型氣藏的有利沉積相序組合；煤層為主的疊置復合儲層結構和巖性圈閉是煤系疊合型氣藏的重要特征，統一含氣系統和壓力梯度一致是其本質特征。

c.煤系疊合型氣藏成藏經歷氣源巖、儲層、蓋層的形成和天然氣生成、吸附解吸、運移及逸散保存的全部過程，含煤段煤層/砂巖/頁巖不同類型儲層間發生能量物質傳遞和平衡、煤層氣/致密砂巖氣/頁巖氣間運移和相態轉化是煤系疊合型氣藏形成的主要機理。華北地區山西組煤系疊合型氣藏成藏經歷了初次生氣充注、生氣停止逸散、二次生氣充注3 個階段，喜馬拉雅期是成藏關鍵期。

d.高分辨率地震巖相解釋氣藏識別與虛擬產氣層合層開發是華北型煤系疊合型氣藏勘探開發技術模式的關鍵特征，“層段優選、小層射孔、分段壓裂、投球分壓、合層排采”構成華南型煤系疊合型氣藏勘探開發技術模式的核心內涵。煤系疊合型氣藏地質適配性勘探開發技術模式已得到應用，將為我國煤系氣共探共采和深層煤層氣高效勘探開發提供重要技術支持。