叠置含气系统共采兼容性——煤系“三气”及深部煤层气开采中的共性地质问题.pdf

第 4 1 卷第 1 期 2 0 1 6年 1 月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF C HI N A C OAL S O CI E T Y Vo 1 ． 41 No． 1 J a n ． 2 0 1 6 秦勇， 申建， 沈玉林． 叠置含气系统共采兼容性煤系“ 三气” 及深部煤层气开采中的共性地质问题[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 6 ， 4 1 1 1 4 2 3 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C O S ． 2 0 1 5 ． 9 0 3 2 Q i n Y o n g ， S h e n J i a n ， S h e n Y u l i n ． J o i n t m i n i n g c o m p a t i b i l i t y o f s u p e r p o s e d g a s b e a r i n g s y s t e m s A g e n e r a l g e o l o g i c a l p r o b l e m f o r e x t r a c t i o n o f t h r e e n a t u r a l g a s e s a n d d e e p C B M i n c o a l s e r i e s [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 6 ， 4 1 1 1 4 2 3 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 5 ． 9 0 3 2 叠置含气 系统 1- ， 、 ／ I＼ 兼容性 煤 系“ 三气” 及深部 煤层 气开采 中的共性地质 问题 秦 勇， 申 建， 沈 玉 林 中国矿业大学 煤层气 资源与成藏过程教育部重点实验室 ， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 以煤层气、 致密砂岩气和页岩气共生为特征的煤系“ 三气” 是一类重要的非常规天然气资 源， 但我 国目前尚未实现规模性共采。煤 系“ 三气” 地质条件客观存在的六大基本特 点， 一方 面提 供 了优越 的气源及其保存条件 ， 另一方面造成 多套流体压力 系统叠置共生， 共采兼容性问题 突出， 常规措施难以解决这一技术难题。控制叠置含气系统共采兼容性的核心地质条件在于2个方面 一 是流体能量差异影响到含 气系统之 间的兼容性 ； 二是 不同储层力 学性质和孔渗条件差异影响到 系统 内部共采兼容性。研究认为， 层序地层格架、 流体能量 系统和岩石力学性质是影响叠置含气 系 统兼容性的 3个关键地质要 素； 实现煤 系“ 三 气” 共探 与共采的基础是 对相 关地质 问题 的深刻理 解， 对共生特性及其共采地质动态的深入阐释则是贯穿煤系“ 三气” 共采工艺优化和技术创新的主 线。煤 系“ 三气” 共采工艺技术优化和创新的途径 ， 需要 以充分释放 产能为 目标 ， 以叠置含 气 系统 共采兼容性为约束条件。为此， 叠置含气系统共采兼容性未来探索方向， 集中在关键层高分辨识 别、 地层流体及能量高分辨识别、 共采兼容性定量表征、 开发地质单元与开发方式 4个方面。 关键词 煤 系； 叠置含气 系统 ； 共采兼容性 ； 地质原理 ； 探 索方向 中图分类号 P 6 1 8 ． 1 1 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 6 0 1 0 0 1 4 1 0 J o i n t I I l i l l i n g c o mp a t i b i l i t y o f s u p e r p o s e d g a s - b e a r i n g s y s t e ms A g e n e r a l g e o l o g i c al pr o b l e m f o r e x t r a c t i o n o f t h r e e n a t ur al g as e s a n d d e e p CBM i n c o al s e r i e s Q I N Y o n g ， S HE N J i a n ， S H E N Y u - l i n K e y L a b o r a t o r y ofC B M R e s o u r c e s a n dR e s e r v o i r F o r m a t i o nP r o c e s s ， Mi n is t ry ofE d u c a t ion ， C h i n a U n i v e r s it yofMi n i n g a nd T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h r e e g a s e s i n c o a l s e ri e s ， i n c l u d i n g c o a l b e d me t h a n e C B M ， t i g h t s a n d s t o n e g a s a n d s h a l e g a s ， a r e i mp o r - t a n t u n c o n v e n t i o n a l g a s r e s o u r c e s ， b u t t h e i r l a r g e s c a l e mi n i n g h a s n o t b e e n r e a l i z e d i n C h i n a ． S i x b a s i c g e o l o g i c a l c ha r a c t e ris t i c s o f t h e“ t h r e e g a s e s ”， o n t h e o ne ha nd， p r o v i d e a s u p e rio r g a s s o u r c e a nd p r e s e r v a t i o n c o n d i t i o n， a n d， o n t h e o t h e r h a n d， r e s u l t i n o u t s t a n d i n g c o - mi ni ng c o mp a t i bi l i t y， whi c h o r i g i n a t e s f r o m t h e s u p e r p o s e d c o e x i s t e n c e o f mu l t i p l e s e t s o f fl u i d p r e s s u r e s y s t e ms a n d c o u l d n o t b e e n r e s o l v e d w i t h c o n v e n t i o n a l me a s u r e s ． Ke y g e o l o g i c a l c o n t r o l s o f t h e c o m p a t i b i l i t y a m o n g t h e s u p e r p o s e d g a s b e a ri n g s y s t e m S G S a r e r e p r e s e n t e d a s t h e c o m p a t i b i l i t y fr o m t h e fl u i d e n e r g y d i f f e r e n c e a mo n g t h e s y s t e ms a n d fro m t h e d i f f e r e n c e o f t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ， p o r e a n d p e r me a b i l i t y o f v a - r i o u s r e s e n r 0 i r s i n s i d e t h e s y s t e m． I t i s c o n s i d e r e d t h a t t h e s e q u e n c e s t r a t i g r a p h i c f r a me w o r k， fl u i d e n e r gy s y s t e m a n d 收稿 日期 2 0 1 5 1 0 1 5 修回 日期 2 0 1 5 1 1 2 8 责任编辑 韩晋平 基金项目 国家自 然科学基金重点资助项 目 4 1 5 3 0 3 1 4 ， U 1 3 6 1 2 0 7 ； 国家科技重大专项资助项目 2 0 1 1 Z X 0 5 0 3 4 ， 2 0 1 6 Z X 0 5 0 6 6 0 1 0 4 作者简介 秦勇 1 9 5 7 一 ， 男， 重庆人， 教授 ， 博士。E - m a i l y o n g q i n c u m t ． e d u c n 第 1 期 秦勇等 叠置含气系统共采兼容性 1 5 r o c k me c h a n i c s pr o p e r t i e s a r e t h r e e k e y f a c t o r s a f f e c t i n g t he c o mp a t i b i l i t y． F o u n d a t i o n f o r t h e“t h r e e g a s e s ”C O - e x pl o r a ． t i o n a n d C O mi n i n g i s t o u n d e r s t a n d p r o f o u n d l y t h e r e l e v a n t g e o l o g i c a l c o n t r o l s ， a n d t h e ma i n a p p r o a c h f o r t h e o p t i mi z a t i o n a n d i n n o v a t i o n o f c o m i n i n g t e c h n o l o g y i s t o e x p o u n d d e e p l y t h e g e o l o g i c a l d y n a mi c s d u ri n g t h e j o i n t mi n i n g ， w h i c h n e e d t o t a k e t h e c o mp a t i b i l i t y a s a c o n s t r a i n t c o n d i t i o n f o r t h e f u l l r e l e a s e o f t h e p r o d u c t i o n c a p a c i t y i n S G S ． T o t h i s e n d， t h e f u t u r e i n v e s t i g a t i o n o f t h e c o mp a t i b i l i t y s h o u l d b e f o c u s e d o n s o me a s p e c t s ， s u c h a s t h e h i g h ． r e s o l u t i o n r e c o g n i t i o n o f k e y s t r a t a a n d fl u i d e n e r g y s y s t e m， t h e q u a n t i t a t i v e c h a r a c t e ri z a t i o n o f t h e c o mp a t i b i l i t y， a n d t h e g e o l o g i c a l u n i t s a n d mo d e l o f t h e “ t h r e e g a s e s ” d e v e l o p me n t ． Ke y wo r ds c o a l s e rie s ； s u p e r p o s e d g a s - be a rin g s y s t e m ； C O mi n i n g c o mp a t i b i l i t y； g e o l o g i c a l p r i nc i p l e； f u t u r e i n v e s t i g a - t i o n 煤系“ 三气” 作为一类潜力可观的非常规天然 气资源被纳人 勘探 、 开发与研 究 的视 野⋯ ， 我 国将 设置科技重大专项进 行工程示 范 ， 但 目前 尚未实现 规模性共采。叠置含气系统表现为同一煤系内部 垂向上发育 2套及 2套以上相互独 立的含气系统 ， 实质是地层流体压力系统相互独立_ 2 J 。实践显示， 煤系“ 三气” 共采试验中普遍存在叠置含气系统兼 容性的地质现象。例如， 如果打开一个煤系储层， 单井产量往往较高， 但随后打开其他储层， 单井产 气量则发生大幅度衰减 J 。由此， 造成煤系“ 三气” 共采效果不甚理想 J ， 限制了煤系天然气产能最大 限度 的释放 。对于这一地质 与工程现象 的原 因 ， 油 藏工程界解释为层间干扰或地层流体干扰 ， 强调开 发层系划分与组合的重要性 j 。实际上， 地层流 体干扰是叠置含气系统在采气工程条件下的地质 显现， 叠置含气系统是产生这一现象的地质根源； 地层流体干扰发生的可能性及程度 ， 正是叠置含气 系统共采的兼容性问题。进一步而 言 ， 叠置含气 系 统兼容性既受控于特定地质因素的耦合作用， 又影 响到共采的可行性与效果， 对其的地质认识贯穿于 整个勘探 开发过程 ， 是煤 系“ 三气” 共生 、 共 探与共 采乃至深部煤层气开发 的共性地质问题。鉴于此 ， 笔者基于近年来的研 究实践与思考 ， 分析 了煤系叠 置含气系统发育的基本地质特点和共采兼容性的 地质原理， 讨论 了未来应探索的主要方 向， 期望为 煤系“ 三气” 共采技术优化与创新提供借鉴。 1 煤系“ 三气” 地质条件基本特点 煤系是形成于一定构造时期 ， 含有煤层或煤线并 具有成因联系的一套沉积岩系 ， 主要沉积于海陆交互 相或陆相环境 ， 赋存在不同构造性质的残 留盆地 。 这种构造一 沉积背景， 造就了煤系“ 三气” 六大基 本地质特点 图 1 一是储层岩石类型和天然气赋存 态多样 ， 既有以吸附态为主的煤层气 ， 又有以游离态 为主的致密砂岩气和碳酸盐岩气 ， 还有混合态的页岩 气 ； 二是储层和盖层一般相对较薄 ， 岩性多样 ， 互层频 繁， 旋回性极强 J ， 由此在垂向上构成多套与层序 地层格架有关 、 厚度一般不大且类型多变 的生储盖组 合及多重 内幕封盖_ 9 ； 三是煤系内部气水分布关系 复杂， 多套生储盖组合导致多套流体压力系统共 存 ，“ ， 气显示强烈且形式多变 ； 四是生储盖组 合关系多变 ， 同一岩层 如煤层和泥页岩层 可兼具 源岩 、 储层和盖层的功能 ， 导致 同一组合中天然气既 具有 自生 自储性质 ， 又具有它生它储特征 ， 气藏类型 多样 ’ m ’ ； 五是叠置含气系统紧邻或 间距较小 ， 系 统之间的动态平衡关系脆弱， 易于受到开采扰动而发 生系统间干扰_ 3 ， “ ， ； 六是同一含气 系统 内部储 层 的岩性变化大 ， 如煤储层往往紧邻页岩储层或致密砂 岩储层， 不同岩性储层的力学性质差异显著， 常规措 施难 以对各类储层进行统一且有效的改造 。 受游离天然气保存条件的限制， 可供煤系“ 三 气” 共采的有利深度一般大于 l 0 0 0 m。美国皮森斯 盆地共采先导性试验的煤层埋深 1 5 6 0～ 2 5 6 0 m， 6 5 口 单井产气量稳定在 1 0 8 9 0 m ／ d 左右， 其中6 0 ％来 自煤层 8 。 ] 。在鄂尔多斯盆地东部 ， 临兴区块煤系 埋深 7 0 0 2 1 0 0 m， 前期 7口以致密砂岩为主要 目的 层的生产试验井单井产气量达到 4 8 0 0 5 2 7 8 5 m ／ d ； 延川南 区块煤系埋深 6 0 01 5 0 0 m， 煤 系“ 三 气” 开发以煤层气为主， 不排除相当一部分天然气来 自 致密砂岩储层_ 2 ， 产气效果较好的产层埋深均在 1 0 0 0 m以深 卜 ； 大宁一吉县区块吉探 1 井山 1 段 埋 深 2 1 8 0 ～2 1 8 4 m， 致 密 砂 岩 日 产 气 量 达 2 ． 1 万 m ／ d ； 石楼西 区块 Y H1 8井 开展深部 致密 砂岩气开发试验 ， 产气量达到 5 ． 2万 m ／ d J 。深部 与浅部煤层气的界线， 取决于埋深增大过程中地应力 状态转换和含气量转折的“ 临界深度” ， 华北地区石 炭二叠纪煤系这一深度一般在 4 0 0～1 3 0 0 m J 。也 就是说， 煤系“ 三气” 共采也是提高深部煤层气井产 量的重要途径 ， 叠置含气系统共采兼容性同样是深部 煤层气开采面临的核心地质问题。 第 1 期 秦勇等 叠置含气系统共采兼容性 1 7 异 、 系统内不同储层力学性质是控制叠置含气系统共 采兼容性的 3个地质要素。 共采兼容性 H采气工艺技术适应性 系统间可容性l l 系统内共享性 系统层级、规 I I 系统间地层流 l l 储层改造兼容 模与叠置频率 l l 体干扰 l l 性与改造效果 储盖组合与储 l l 储层压力状态 I I 裂缝穿层扩展 水隔气条件l l与供液能力I l特性与规律 边界层 关键 I ． 1 地下水补径排 I l 改造能量组合 层 与系内层 I l 条件及含气性 l l 传递方式 层序地层格架 l l 流体系统能量 I l 储层力学性质 L 一 一十 成 岩 作 用 和 构 造 作 用__J 图2 叠置含气系统共采兼容性的关键地质控制 F i g ． 2 Ge o l o g i c a l c o n t r o l l i n g o n c o mi n i n g c o mp a t i b i l i t y f o r mu l t i p l e s u p e r p o s e d g a s b e a r i n g s y s t e m 2 ． 2 层序地层格架与含气系统叠置 层序地层格架特点奠定 了叠置含气 系统的物质 及物性基础 ， 限定了系统之间地层流体在垂向上的连 通特性 j 。研究发现， 作为常规隔水阻气层的泥岩 是界定叠置含气系统上下边界的关键层 ， 对应于基准 面旋回的升降转换面 ； 最大海泛面附近的钙质 、 菱 铁质海相泥岩区域分布面积大 ， 渗透性极低 ， 造成 叠 置含气系统相对独立， 构成单个含气系统的上下边 界 。也就是说 ， 层序地层格架通 过边界层 关键 层 控制煤系渗流能力的垂向变化， 通过频繁交替的 旋 回结构控制储盖组合 、 储水隔气条件以及含气系统 的层级 、 规模与叠置频率 ， 进而影响到含气系统之间 流体能量差异及其被共采工艺技术的可容纳性 ， 成为 影响叠置含气系统 间共采 可容性的重要宏观地质因 素 图2 。 临兴区块石炭二叠纪煤系垂向上叠置发育 5 套 含气系统， 关键层分别形成于 S Q 1 ， S Q 4 ， S Q 6 ， S Q 9 四个亚层序 的高位体系域 图 3 J 。其 中 ， 第 1关 键层发育在本溪组下段 S Q1 ， 由泥岩、 薄煤层 、 粉 砂质泥岩及 灰岩构 成 ， 厚 度一 般为 4～1 0 m， 以泻 湖一 潮坪亚相 为主 ； 第 2关 键层 出现 在太原组 下段 上部 S Q 4 ， 为泥岩、 薄煤层或煤线以及粉砂质泥 岩 ， 厚度一般在 2 5 m， 主要为泻湖一 潮亚相 ， 部分 为三 角 洲 前 缘 相 ； 第 3关 键 层 位 于 太 原 组 上 段 S Q 6 ， 为泥 岩、 粉砂 质 泥岩 和 灰岩 ， 厚度 一 般 为 4～1 0 m， 以泥坪相和三 角洲前缘水 下分 流间湾微 相为主 ； 第 4关键层发育在山西组下段上部 S Q 9 ， 为泥岩 、 粉砂质泥岩和薄煤层 、 煤线 ， 厚度一般 1 0～ 2 0 m， 属于三角洲前缘相沉积。在此层序格架控制 下 ， 岩层物性在 垂 向上呈旋 回式变化 ， 关 键层 的孑 L 隙率 、 渗透率和压力系数最低 图 1 。 2 ． 3 流体能量与叠置含气系统共采兼容性 在含煤地层层序格架控制下 ， 关键层所限定的独 立含气系统与其上覆、 下伏含气系统之间缺乏水力联 系 ， 从而构成叠置含气系统共采兼容性的水文地质基 础。一个含气系统的实质， 是其内部发育统一的流体 压力系统 。为此 ， 叠置含气系统的存在必然导致系统 之间的流体能量和供给量 出现差异 ， 差异大小是控制 含气系统共采可行性和兼容程度的直接地质原 因。 煤系含气系统地层流体由地下水和天然气构成 ， 地下水动力场在宏观上受控于盆地构造格架之下的 补给、 径流和排泄体系， 微观上与系统内部岩层的渗 流能力和储集能力有关。换言之， 叠置含气系统之间 流体能量的异同在宏 观上取决于盆地构造和地下水 补径排条件 ， 控制着系统之间储层压力高低和供液能 力强弱的差异； 在钻孔柱状剖面上， 若非发育开放性 断层 ， 则含煤地层构造特征一般不会发生明显 变化 ， 不同含气系统之间流体能量差异直接取决于地下水 补径排条件的差异， 成为含气系统之间流体干扰的关 键诱因 ， 属于影响叠置含气系统间共采可容性的另一 宏观地质因素 图 2 。 在共采情况下 ， 井眼贯通不 同的叠置含气系统 ， 系统之间流体能量动态平衡状态遭受破坏， 流体会从 高势含气系统向低势含气系统转移， 以寻求新的动态 平衡 。如果不同含气系统之间流体能量差异显著 ， 则 会导致初始压力差较大 ， 较高能势系统的流体会屏蔽 或封堵较低能势系统中流体向井眼方向的流动， 甚至 造成对较低能势系统 的“ 倒灌” 和水锁效应 ， 2个或多 个含气系统的产能被相互消耗而无法充分释放 ， 这是 造成共采叠置含气系统产气能力往往不尽如人意的 实质原因。 叠置含气系统共采兼容性问题在多产层煤系天 然气开发中十分突 出。黔西 1口生产试验井上二叠 统龙潭组下段发育 2套含气系统， 上含气系统煤储层 试井流体压力为 2 9 4 0 k P a 。固定上含气系统煤储层 压力 ， 将下含气系统煤储层压力作为变量进行数值模 拟 。结果显示 随着两套含气系统初始流体压力 差异的加大， 排采 4 0 d时井筒附近下含气系统煤储 层压力高于原始储层压力， 压降漏斗明显上凸， 指示 了上含气系统流体向下含气系统的“ 倒灌” ； 随着 2 套含气系统初始煤储层压力差的降低， 压降漏斗上凸 形态逐渐减缓， 倒灌现象逐渐消失， 最终恢复正常的 第 1 期 秦勇等 叠置含气系统共采兼容性 1 9 表 1 黔西地区上二叠统部分钻孔不同煤储层的试井压力 T a b l e 1 Pr e s s u r e o f we l l t e s t i n d i ffe r e n t c o a l r e s e r v o i r o f Up p e r P e r mi a n i n west e r n Gu i z h o u 地 地 冁 c． ／ m 埋 6 2 2 0 ． 7 7 1 ． 0 4 0． 4 8 3 2 9 9 ． 8 6 2． 7 9 0． 9 5 织金 中寨 1 3 3 2 5 ．2 9 3 ． 4 3 1 ． O 8 威宁疙瘩营 7 3 6 2 ．5 7 2． 51 O ． 71 5 0 3孔 J 1 3 0 2孔 2 7 3 9 9 ． 9 4 2 ． 2 4 0 ． 5 7 1 0 3 8 3 ． 6 8 2． 5 9 0． 6 9 6上 2 6 9 ． 9 9 2 ． 5 4 0 ． 9 6 4 3 3 8 ． 0 7 4 ． 4 7 1 ． 3 5 普定打磨冲 6下 2 8 0 ． 8 7 2 ． 5 9 0 ． 9 4 金沙安洛 9 3 52 ． 1 2 3 ． 7 O 1 ． O 7 7 - 3孔 8 0 2孔 1 6 4 4 6 ． 9 0 4 ． 4 4 1 ． 0 1 1 5 4 0 8 ． 1 6 6 ． 4 5 1 ． 6 1 2 7 5 6 9． 9 0 5 ． 2 5 0 ． 9 4 1 8 2 9 6． 4 3 2 ． 7 1 O． 9 3 3 6 4 7． 8 2 1 0 ． 3 5 1 ． 6 3 2 9 3 21 ． 9 6 4 ． 5 6 1 ． 4 5 9 7 1 2． 6 2 8 ． 6 6 1 ． 2 4 大方江南 5 1 3 6 8 ．6 9 6 ． 3 1 1 ． 7 5 2 6 0 2孔 普定地瓜坡 1 2 7 2 6 ． 6 3 9 ． 3 7 1 ． 3 2 7 3 4 3 9 ． 5 l 6 ． 5 1 1 ． 5 1 J 1 4 0 5 1 7 1 7 4 2． 8 4 8 ． 9 7 1 ． 2 3 7 8 4 6 4 ． 2 7 5 ． 3 6 1 ． 1 8 l 7 2 7 5 2 ． 0 4 7 ． 4 0 1 ． 0 0 织金龙场 1 8 1 9 1 ． 9 5 2 ． 0 8 1 ． 1 1 l 9 7 7 1 ． 7 3 8 ． 8 6 1 ． 1 7 检 3孔 2 0 2 1 5 ． 3 5 2 ． 2 9 1 ． 0 9 注 每口钻孔煤层 自 上而下顺序编号。 2 ． 4 复合储层物性差异与含气 系统内部共采兼容性 即使在煤系的一个含气系统内部， 不同岩性储层 也会叠置发育 ， 如煤层 一 顶板 致密砂岩／ 泥页岩／ 灰 岩 、 煤层一 底板 致密砂岩／ 泥页岩 、 致密砂岩一 泥页 岩等相邻储层的组合 。这类 复合储层 的存在 ， 一 方面由于流体能量和渗流特征差异可能造成薄互层 产层的层间干扰 ， 另一方面层间应力差 、 界面性质 等因素会对压裂缝的延伸能力和扩展方式产生较大 影响 ， 进而影响到采气速率、 最终采收率和经济效 益。国内外对前一兼容性现象及其解决措施研究较 多， 但鲜见针对煤系薄互层复合储层的研究工作。后 一 兼容性现象起源于不同岩性储层力学性质的差异， 涉及产层组合及其压裂设计、 复合储层共享改造措施 的程度等， 是煤系单个含气系统内复合储层高效经济 开采的技术难题 图 2 。 在诸多非常规天然气储层改造工艺技术中， 水力 压裂是长期以来的主导技术。基于这一技术原理 ， 针 对煤系复合储层开展过诸多探索和尝试， 如合压合 采、 分压合采、 虚拟产层、 垂向间接压裂、 滑套连续多 层压裂等。合压合采作业相对简单， 成本较低， 但不 同储层的产气贡献不清 ， 往往 只有 一个 层位可见效 果 ， 在一定程度上造成了改造投入 的浪费。分压 合采作业相对复杂， 成本较高， 施工周期长， 排采不易 控制。虚拟产层与垂 向间接压裂有相似之处 ， 通过对 产层邻近脆性岩层的压裂改造在邻近层形成裂缝型 间接产层， 并力图使裂缝穿层扩展而在储层中构建裂 缝 网络 。这一方法在美国 白河隆起共采先导性试验 中得到成功运用 J ， 但我国近年来所开展的尝试 未见明显效果。 国内外针对这一技术难题开展了研究与探讨， 但 问题未能得到有效解决 ， 复合储层共采兼 容性 、 人工 裂缝扩展规律及其地质力学机制仍然不是十分明了。 例如 ， 通过数值模拟 ， 认为薄互层油藏层间干扰的主 要 因素是渗透率级差 。再 如， 基于煤 岩、 灰岩、 页 岩、 致密砂岩的人工储层组合开展物理模拟试验， 发 现水力裂缝起裂方向受地应力场及近井筒天然弱 面 共同控制， 裂缝能否穿透岩层界面取决于应力差大 小 ， 较大的层 间弹性模量差有助于激活煤岩微裂缝而 形成复杂裂缝网络 ， 水力裂缝在煤岩中扩展路径受天 然裂缝影响较大 j 。一些研究者认为 ， 模量差对裂 缝高度扩展的影响不大， 水平应力差对分层介质 中缝 高扩展的影响较大 ； Y t 层岩石中裂缝的扩展 ， 很大 程度上受交界面两边岩石力学性质差异 、 穿过交界面 时水平应力状态改变及交界 面剪切强度 的影响 引； 岩石分层物性差异以及应力差会导致分层岩块中形 成的裂缝 比较复杂 ， 并可能伴 随沿交 界面 的剪切滑 移 。 美国白河隆起深部煤系“ 三气” 共采之所以取得 成功的关键原因之一 ， 是通过对复合储层岩石力学性 质组合与岩性组合之间关系的研究 ， 明确了垂向间接 压裂法适用的地层条件， 即 产层之间发育脆性的砂 岩或粉砂岩隔层， 煤岩垂向渗透率高于水平渗透率， 支撑剂能进入砂岩隔层并有较高导流能力， 砂岩和粉 砂岩延伸压力梯度较低且沿缝长方向可贯穿至煤 层 。换言之， 岩石力学性质差异对含气系统内 部复合储层共采兼容性影响的实质是一个地质力学 2 0 煤 炭 学 报 2 0 1 6 年 第4 l 卷 问题 ， 有效解决这一问题的基础在于阐明煤系不同地 层条件 复合储 层人 工裂缝 发生 与发展 的特点 与地 质一 力学机制。 3 叠置含气系统共生共探与共采探索方向 阐明叠置含气 系统共生地质特点 以及开展有效 共探 ， 是实现煤 系“ 三气” 共 采乃至深部煤层气 开采 的前提。近 1 0年来 ， 国内针对煤系叠置含气系统非 常规天然气开展研究工作， 重点集中在成藏要素与成 藏机制方面 ， 加 ， - 4 ， 在地质评价 ， H 卜 、 开 采方式 ， ” 埘 等方面有零星成果见诸报道 ， 值 得关注的是对开采机制进行了深入思考 。分析前 期成果 ， 共采是有效 释放煤系“ 三气 “ 产能及经济开 发深部煤层气资源的重要技术途径 ， 煤系非常规天然 气商业性开发前景可观但面临诸多技术瓶颈， 地质研 究贯穿于整个产业链上 一中游 的主要环节 ， 叠置含气 系统特点 、 规律和机制是其 中不可或缺 的研究 内容 ， 叠置 含气 系统 兼 容性 进 而 合 理 确 定 开 发 地 质 单 元 选区选层与产层组合 为其中应关注的焦点， 所 有地质工作的重心在于经济高效提高单井产气量。 前期探索推动 了对本领域共性地质问题 实质的 理解， 为煤系“ 三气” 共探共采试验提供了有益的借 鉴 ， 但对于机制的理解 尚待深化 ， 一些与共采密切相 关的方向尚未涉及 ， 地质研究成果 的工 程化有待加 强 ， 所有探索工作尚待从系统工程 的层次上加以规划 和实施。只有深化对煤系“ 三气 ” 共生特性 的地质认 识 ， 才能了解含气系统的叠置和能量分配特点 ； 只有 实现兼容性的量化评价， 才可能理解系统之间流体静 态分配特点及其在共采过程中的传递和再分配规律； 只有发展更为精细的探测与解释技术 ， 才有可能确定 叠层含气系统之间及内部的物性与能量差异 ； 只有确 定煤系“ 三气” 赋存态差异， 才可能优化和创新兼顾 吸附气和游离气生产特点 的共采技术 图 5 。一句 话 ， 实现煤系“ 三气” 共探 与共 采的基础是对 叠置含 气系统地质问题的深刻理解， 对其共生特性及开采地 质动态的深入阐释是指导煤系“ 三气 ” 共采工艺优化 和技术创新的主线。 在此领域 ， 需要开展 3方面地质探索 一是深刻 理解煤系“ 三气” 的共生特性， 包括煤系“ 三气” 叠置 成藏的共生规律以及叠置能量系统的可控开采地质 条件， 探索叠置含气系统的流体压力特点和共采兼容 特性； 二是发展针对煤系“ 三气” 共生赋存状态、 储层 特点的共探方法， 包括地球物理探测和地质一 地球化 学分析， 实现对叠置含气系统以及产气来源和贡献的 高分辨识别 ； 三是探讨适应 于煤 系“ 三气” 共 采工艺 图 5 煤系“ 三气 “ 及其共生共探共采关系 F i g ． 5 Re l a t i o n s h i p o f s y mb i o s i s ， 3 0 一 e x p l o r a t i o n a n d c o mi n i n g f o r c o a l b e d me t h a n e， s h a l e g a s a n d t i g h t s a n d s t o n e g a s i n c o a l s e r i e s 与技术的地质条件 ， 发展共采优化及地质诊断方法 ， 支撑适应性共采技术 的研发。这些研究的最终 目的， 是建立集产气系统兼容、 改造技术适应 、 产气贡献明 确、 采气工艺优化等为一体的煤系“ 三气” 共采地质 技术， 为实现高效经济的勘探开发提供技术支持。 上述研究 的核心 技术 目标是“ 叠 置含气系统精 细描述与共采兼容性地质评价技术” ， 需要针对如下 4方面 内容具体展开 1 叠置含气系统关键层高分辨识别。以煤系 单井剖面沉积旋回结构为基础 ， 精细分析特定区块煤 系沉积相及其三维空间分布特点， 建立煤系层序地层 格架 。以单井沉积序列及其测井响应为约束 ， 构建叠 置含气系统关键层高分辨识别技术， 建立关键层三维 地质模型。分析层序格架对低孔低渗关键层发育的 控制作用， 提取关键层物性测井响应信息， 建立以关 键层为约束的煤系储 产 层组合模型。 2 叠置含气系统流体及能量高分辨识别。分 析三级层序地层单元框架下的地下水动力场及其 富 水性特征， 提取叠置含气系统流体压力的测井响应信 息 ， 分析叠置含气系统之间物质和能量的转化 、 传递 以及再分配过程。以此为基础， 分析叠置含气系统发 育规律， 阐释地下水流场、 叠置含气系统主控地质因 素与机制 ， 形成叠置含气系统富水性及流体压力的分 析与预测技术。 3 叠置含气系统共采兼容性定量表征 。面 向 特定区块开展以含气系统为单元 的储盖序列地质建 模研究 ， 探讨叠置含气系统共采兼容性的流体驱动机 制 ， 建立集关键层 、 储层含气性和物性 、 含气系统能量 等重要信息为一体的共采地质模型。以此为基础， 考 察含气系统之间流体压力 、 含气性、 渗透性 、 岩石力学 性质等差异 ， 建立叠置含气系统共采兼容性与可行性 的量