疊置含氣系統共采兼容性——煤系“三氣”及深部煤層氣開采中的共性地質問題

秦　勇，申　建，沈玉林

(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)

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疊置含氣系統共采兼容性
——煤系“三氣”及深部煤層氣開采中的共性地質問題

秦勇，申建，沈玉林

(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)

摘要:以煤層氣、致密砂巖氣和頁巖氣共生為特征的煤系“三氣”是一類重要的非常規天然氣資源，但我國目前尚未實現規模性共采。煤系“三氣”地質條件客觀存在的六大基本特點，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，共采兼容性問題突出，常規措施難以解決這一技術難題?？刂漂B置含氣系統共采兼容性的核心地質條件在于2個方面：一是流體能量差異影響到含氣系統之間的兼容性；二是不同儲層力學性質和孔滲條件差異影響到系統內部共采兼容性。研究認為，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兼容性的3個關鍵地質要素；實現煤系“三氣”共探與共采的基礎是對相關地質問題的深刻理解，對共生特性及其共采地質動態的深入闡釋則是貫穿煤系“三氣”共采工藝優化和技術創新的主線。煤系“三氣”共采工藝技術優化和創新的途徑，需要以充分釋放產能為目標，以疊置含氣系統共采兼容性為約束條件。為此，疊置含氣系統共采兼容性未來探索方向，集中在關鍵層高分辨識別、地層流體及能量高分辨識別、共采兼容性定量表征、開發地質單元與開發方式4個方面。

關鍵詞:煤系；疊置含氣系統；共采兼容性；地質原理；探索方向

煤系“三氣”作為一類潛力可觀的非常規天然氣資源被納入勘探、開發與研究的視野[1]，我國將設置科技重大專項進行工程示范，但目前尚未實現規模性共采。疊置含氣系統表現為同一煤系內部垂向上發育2套及2套以上相互獨立的含氣系統，實質是地層流體壓力系統相互獨立[2]。實踐顯示，煤系“三氣”共采試驗中普遍存在疊置含氣系統兼容性的地質現象。例如，如果打開一個煤系儲層，單井產量往往較高，但隨后打開其他儲層，單井產氣量則發生大幅度衰減[3]。由此，造成煤系“三氣”共采效果不甚理想[4]，限制了煤系天然氣產能最大限度的釋放。對于這一地質與工程現象的原因，油藏工程界解釋為層間干擾或地層流體干擾，強調開發層系劃分與組合的重要性[5- 6]。實際上，地層流體干擾是疊置含氣系統在采氣工程條件下的地質顯現，疊置含氣系統是產生這一現象的地質根源；地層流體干擾發生的可能性及程度，正是疊置含氣系統共采的兼容性問題。進一步而言，疊置含氣系統兼容性既受控于特定地質因素的耦合作用，又影響到共采的可行性與效果，對其的地質認識貫穿于整個勘探開發過程，是煤系“三氣”共生、共探與共采乃至深部煤層氣開發的共性地質問題。鑒于此，筆者基于近年來的研究實踐與思考，分析了煤系疊置含氣系統發育的基本地質特點和共采兼容性的地質原理，討論了未來應探索的主要方向，期望為煤系“三氣”共采技術優化與創新提供借鑒。

1煤系“三氣”地質條件基本特點

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“三氣”六大基本地質特點(圖1)：一是儲層巖石類型和天然氣賦存態多樣，既有以吸附態為主的煤層氣，又有以游離態為主的致密砂巖氣和碳酸鹽巖氣，還有混合態的頁巖氣；二是儲層和蓋層一般相對較薄，巖性多樣，互層頻繁，旋回性極強[7-8]，由此在垂向上構成多套與層序地層格架有關、厚度一般不大且類型多變的生儲蓋組合及多重內幕封蓋[9-10]；三是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共存[9,11-13]，氣顯示強烈且形式多變[14]；四是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，導致同一組合中天然氣既具有自生自儲性質，又具有它生它儲特征，氣藏類型多樣[9,10,15]；五是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[3,7,11,16]；六是同一含氣系統內部儲層的巖性變化大，如煤儲層往往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[17]。

圖1　臨興區塊某井煤系“三氣”柱狀地質剖面Fig.1　Columnar section of coalbed methane,shale gas and tight sandstone gas in coal series in Linxing Block

受游離天然氣保存條件的限制，可供煤系“三氣”共采的有利深度一般大于1 000 m。美國皮森斯盆地共采先導性試驗的煤層埋深1 560～2 560 m，65口單井產氣量穩定在10 890 m3/d左右，其中60%來自煤層[18-19]。在鄂爾多斯盆地東部，臨興區塊煤系埋深700～2 100 m，前期7口以致密砂巖為主要目的層的生產試驗井單井產氣量達到4 800～52 785 m3/d[9,20]；延川南區塊煤系埋深600～1 500 m，煤系“三氣”開發以煤層氣為主，不排除相當一部分天然氣來自致密砂巖儲層[21]，產氣效果較好的產層埋深均在1 000 m以深[21-23]；大寧—吉縣區塊吉探1井山1段埋深2 180～2 184 m，致密砂巖日產氣量達2.1萬m3/d；石樓西區塊YH18井開展深部致密砂巖氣開發試驗，產氣量達到5.2萬m3/d[20]。深部與淺部煤層氣的界線，取決于埋深增大過程中地應力狀態轉換和含氣量轉折的“臨界深度”，華北地區石炭二疊紀煤系這一深度一般在400～1 300 m[24]。也就是說，煤系“三氣”共采也是提高深部煤層氣井產量的重要途徑，疊置含氣系統共采兼容性同樣是深部煤層氣開采面臨的核心地質問題。上述基本特點，既為煤系“三氣”共生提供了有利條件，又造成了共探與共采的困難。一方面，煤系發育多重內幕封蓋使得天然氣保存條件優越，儲層累計厚度較大，含氣量和天然氣資源豐度較高[9-10]；另一方面造成多套流體壓力系統疊置共存，系統間流體能量在共采過程的再分配和傳遞難以控制，常規措施難以對系統間和系統內的各類儲層進行統一且有效改造。疊置含氣系統兼容性問題的客觀存在，導致共采地質條件復雜化，限制了煤系天然氣產能的充分釋放，成為共探共采所面臨的首要地質難題。實現煤系“三氣”的共生共探與共采，必須正視、了解和查明疊置含氣系統共采兼容性的地質規律，包括系統之間流體動力條件兼容性以及同一系統內部不同儲層可改造條件兼容性2個方面。問題的科學實質在于疊置流體系統發育特點及共采誘導下地層流體的再分配規律，技術實質在于共采條件下含氣系統之間地層流體傳遞以及改造過程中系統內人工裂縫延展的可控性。

2疊置含氣系統共采兼容性地質原理

2.1地質基本原理

疊置含氣系統共采兼容性受控于諸多地質因素，如儲層埋深、儲層厚度、含氣飽和度、含水飽和度、壓力狀態、孔滲特征、供液能力、系統間跨度等，也與儲層改造和排采措施密切相關。無論影響因素有多少，兼容性的根本判識標準是兼容程度對采氣工藝技術的適應性，以及通過一定技術措施能夠最大限度克服不兼容地質障礙而釋放煤系“三氣”產能的可行性。

兼容具有容納和共享的雙重意義。由此分析，疊置含氣系統共采兼容性受控于2方面核心地質條件：一是不同含氣系統之間流體能量差異及其被共采工藝技術的可容納性，即共采技術對系統間流體干擾的兼容性；二是系統內部不同儲層力學性質、孔滲條件差異及其對改造措施的有效共享性，即系統內不同儲層適應于相似改造措施的兼容性(圖2)。其中，含煤地層的沉積序列與層序格架、含氣系統間流體能量差異、系統內不同儲層力學性質是控制疊置含氣系統共采兼容性的3個地質要素。

圖2　疊置含氣系統共采兼容性的關鍵地質控制Fig.2　Geological controlling on co-mining compatibility for multiple superposed gas-bearing system

2.2層序地層格架與含氣系統疊置

層序地層格架特點奠定了疊置含氣系統的物質及物性基礎，限定了系統之間地層流體在垂向上的連通特性[2]。研究發現，作為常規隔水阻氣層的泥巖是界定疊置含氣系統上下邊界的關鍵層，對應于基準面旋回的升降轉換面[12]；最大海泛面附近的鈣質、菱鐵質海相泥巖區域分布面積大，滲透性極低，造成疊置含氣系統相對獨立，構成單個含氣系統的上下邊界[25]。也就是說，層序地層格架通過邊界層(關鍵層)控制煤系滲流能力的垂向變化，通過頻繁交替的旋回結構控制儲蓋組合、儲水隔氣條件以及含氣系統的層級、規模與疊置頻率，進而影響到含氣系統之間流體能量差異及其被共采工藝技術的可容納性，成為影響疊置含氣系統間共采可容性的重要宏觀地質因素(圖2)。

臨興區塊石炭二疊紀煤系垂向上疊置發育5套含氣系統，關鍵層分別形成于SQ1,SQ4,SQ6,SQ9四個亞層序的高位體系域(圖3)[9]。其中，第1關鍵層發育在本溪組下段(SQ1)，由泥巖、薄煤層、粉砂質泥巖及灰巖構成，厚度一般為4～10 m，以瀉湖-潮坪亞相為主；第2關鍵層出現在太原組下段上部(SQ4)，為泥巖、薄煤層或煤線以及粉砂質泥巖，厚度一般在2～5 m，主要為瀉湖-潮亞相，部分為三角洲前緣相；第3關鍵層位于太原組上段(SQ6)，為泥巖、粉砂質泥巖和灰巖，厚度一般為4～10 m，以泥坪相和三角洲前緣水下分流間灣微相為主；第4關鍵層發育在山西組下段上部(SQ9)，為泥巖、粉砂質泥巖和薄煤層、煤線，厚度一般10～20 m，屬于三角洲前緣相沉積。在此層序格架控制下，巖層物性在垂向上呈旋回式變化，關鍵層的孔隙率、滲透率和壓力系數最低(圖1)。

2.3流體能量與疊置含氣系統共采兼容性

在含煤地層層序格架控制下，關鍵層所限定的獨立含氣系統與其上覆、下伏含氣系統之間缺乏水力聯系，從而構成疊置含氣系統共采兼容性的水文地質基礎。一個含氣系統的實質，是其內部發育統一的流體壓力系統。為此，疊置含氣系統的存在必然導致系統之間的流體能量和供給量出現差異，差異大小是控制含氣系統共采可行性和兼容程度的直接地質原因。

煤系含氣系統地層流體由地下水和天然氣構成，地下水動力場在宏觀上受控于盆地構造格架之下的補給、徑流和排泄體系，微觀上與系統內部巖層的滲流能力和儲集能力有關。換言之，疊置含氣系統之間流體能量的異同在宏觀上取決于盆地構造和地下水補徑排條件，控制著系統之間儲層壓力高低和供液能力強弱的差異；在鉆孔柱狀剖面上，若非發育開放性斷層，則含煤地層構造特征一般不會發生明顯變化，不同含氣系統之間流體能量差異直接取決于地下水補徑排條件的差異，成為含氣系統之間流體干擾的關鍵誘因，屬于影響疊置含氣系統間共采可容性的另一宏觀地質因素(圖2)。

在共采情況下，井眼貫通不同的疊置含氣系統，系統之間流體能量動態平衡狀態遭受破壞，流體會從高勢含氣系統向低勢含氣系統轉移，以尋求新的動態平衡。如果不同含氣系統之間流體能量差異顯著，則會導致初始壓力差較大，較高能勢系統的流體會屏蔽或封堵較低能勢系統中流體向井眼方向的流動，甚至造成對較低能勢系統的“倒灌”和水鎖效應，2個或多個含氣系統的產能被相互消耗而無法充分釋放，這是造成共采疊置含氣系統產氣能力往往不盡如人意的實質原因。

圖3　臨興區塊石炭二疊紀煤系疊置含氣系統及關鍵層分布Fig.3　Multiple superposed gas-bearing system and the distribution of key layer in the permo-carboniferous in Linxing Block

疊置含氣系統共采兼容性問題在多產層煤系天然氣開發中十分突出。黔西1口生產試驗井上二疊統龍潭組下段發育2套含氣系統，上含氣系統煤儲層試井流體壓力為2 940 kPa。固定上含氣系統煤儲層壓力，將下含氣系統煤儲層壓力作為變量進行數值模擬[26]。結果顯示：隨著兩套含氣系統初始流體壓力差異的加大，排采40 d時井筒附近下含氣系統煤儲層壓力高于原始儲層壓力，壓降漏斗明顯上凸，指示了上含氣系統流體向下含氣系統的“倒灌”；隨著2套含氣系統初始煤儲層壓力差的降低，壓降漏斗上凸形態逐漸減緩，倒灌現象逐漸消失，最終恢復正常的壓降漏斗形態(圖4)。由此說明，高勢含氣系統地層流體在共采過程中的遷移，一方面會由于水鎖效應而“憋死”低勢含氣系統；另一方面可能由于速敏效應而造成高勢煤儲層吐砂吐粉，嚴重影響氣井產能。根據煤層氣吸附原理，在一個統一流體壓力系統中，隨著煤層埋深加大或層位降低，煤儲層壓力隨之增高，煤層含氣量呈單調函數式變化[2]。然而，儲層壓力和含氣量與吸附原理相悖或呈“波動式”變化的現象在煤系地層中并不鮮見[27]，在多煤層發育地區尤為如此[2,12,28]。例如，黔西地區上二疊統煤系發育30～60層煤層，相當一部分煤層氣井煤儲層壓力在垂向上呈波動式變化，由此誘發的含氣系統間干擾是制約該區煤層氣規模性開發的重要地質原因(表1)[29]。再如，臨興區塊石炭二疊紀煤系流體壓力系數在垂向上呈旋回式規律性變化，且與測井響應、物性變化的旋回性一致，指示5套疊置含氣系統“三氣”共采需要通過兼容性分析進行產層組合優化設計(圖1，圖3)。

表1　黔西地區上二疊統部分鉆孔不同煤儲層的試井壓力

注：每口鉆孔煤層自上而下順序編號。

2.4復合儲層物性差異與含氣系統內部共采兼容性

即使在煤系的一個含氣系統內部，不同巖性儲層也會疊置發育，如煤層-頂板(致密砂巖/泥頁巖/灰巖)、煤層-底板(致密砂巖/泥頁巖)、致密砂巖-泥頁巖等相鄰儲層的組合[15]。這類復合儲層的存在，一方面由于流體能量和滲流特征差異可能造成薄互層產層的層間干擾[30]，另一方面層間應力差、界面性質等因素會對壓裂縫的延伸能力和擴展方式產生較大影響[17]，進而影響到采氣速率、最終采收率和經濟效益。國內外對前一兼容性現象及其解決措施研究較多，但鮮見針對煤系薄互層復合儲層的研究工作。后一兼容性現象起源于不同巖性儲層力學性質的差異，涉及產層組合及其壓裂設計、復合儲層共享改造措施的程度等，是煤系單個含氣系統內復合儲層高效經濟開采的技術難題(圖2)。

在諸多非常規天然氣儲層改造工藝技術中，水力壓裂是長期以來的主導技術?；谶@一技術原理，針對煤系復合儲層開展過諸多探索和嘗試，如合壓合采、分壓合采、虛擬產層、垂向間接壓裂、滑套連續多層壓裂等。合壓合采作業相對簡單，成本較低，但不同儲層的產氣貢獻不清，往往只有一個層位可見效果[31]，在一定程度上造成了改造投入的浪費。分壓合采作業相對復雜，成本較高，施工周期長，排采不易控制。虛擬產層與垂向間接壓裂有相似之處，通過對產層鄰近脆性巖層的壓裂改造在鄰近層形成裂縫型間接產層，并力圖使裂縫穿層擴展而在儲層中構建裂縫網絡。這一方法在美國白河隆起共采先導性試驗中得到成功運用[18-19]，但我國近年來所開展的嘗試未見明顯效果。

國內外針對這一技術難題開展了研究與探討，但問題未能得到有效解決，復合儲層共采兼容性、人工裂縫擴展規律及其地質力學機制仍然不是十分明了。例如，通過數值模擬，認為薄互層油藏層間干擾的主要因素是滲透率級差[31]。再如，基于煤巖、灰巖、頁巖、致密砂巖的人工儲層組合開展物理模擬試驗，發現水力裂縫起裂方向受地應力場及近井筒天然弱面共同控制，裂縫能否穿透巖層界面取決于應力差大小，較大的層間彈性模量差有助于激活煤巖微裂縫而形成復雜裂縫網絡，水力裂縫在煤巖中擴展路徑受天然裂縫影響較大[17]。一些研究者認為，模量差對裂縫高度擴展的影響不大，水平應力差對分層介質中縫高擴展的影響較大[32]；分層巖石中裂縫的擴展，很大程度上受交界面兩邊巖石力學性質差異、穿過交界面時水平應力狀態改變及交界面剪切強度的影響[33]；巖石分層物性差異以及應力差會導致分層巖塊中形成的裂縫比較復雜，并可能伴隨沿交界面的剪切滑移[34]。

美國白河隆起深部煤系“三氣”共采之所以取得成功的關鍵原因之一，是通過對復合儲層巖石力學性質組合與巖性組合之間關系的研究，明確了垂向間接壓裂法適用的地層條件，即：產層之間發育脆性的砂巖或粉砂巖隔層，煤巖垂向滲透率高于水平滲透率，支撐劑能進入砂巖隔層并有較高導流能力，砂巖和粉砂巖延伸壓力梯度較低且沿縫長方向可貫穿至煤層[18-19]。換言之，巖石力學性質差異對含氣系統內部復合儲層共采兼容性影響的實質是一個地質力學問題，有效解決這一問題的基礎在于闡明煤系不同地層條件復合儲層人工裂縫發生與發展的特點與地質-力學機制。

3疊置含氣系統共生共探與共采探索方向

闡明疊置含氣系統共生地質特點以及開展有效共探，是實現煤系“三氣”共采乃至深部煤層氣開采的前提。近10年來，國內針對煤系疊置含氣系統非常規天然氣開展研究工作，重點集中在成藏要素與成藏機制方面[2,8,10-13,15,29,35-40]，在地質評價[9,14,41-43]、開采方式[3,4,16,17,26,44-47]等方面有零星成果見諸報道，值得關注的是對開采機制進行了深入思考[48]。分析前期成果，共采是有效釋放煤系“三氣“產能及經濟開發深部煤層氣資源的重要技術途徑，煤系非常規天然氣商業性開發前景可觀但面臨諸多技術瓶頸，地質研究貫穿于整個產業鏈上～中游的主要環節，疊置含氣系統特點、規律和機制是其中不可或缺的研究內容，疊置含氣系統兼容性進而合理確定開發地質單元(選區選層與產層組合)為其中應關注的焦點，所有地質工作的重心在于經濟高效提高單井產氣量。

前期探索推動了對本領域共性地質問題實質的理解，為煤系“三氣”共探共采試驗提供了有益的借鑒，但對于機制的理解尚待深化，一些與共采密切相關的方向尚未涉及，地質研究成果的工程化有待加強，所有探索工作尚待從系統工程的層次上加以規劃和實施。只有深化對煤系“三氣”共生特性的地質認識，才能了解含氣系統的疊置和能量分配特點；只有實現兼容性的量化評價，才可能理解系統之間流體靜態分配特點及其在共采過程中的傳遞和再分配規律；只有發展更為精細的探測與解釋技術，才有可能確定疊層含氣系統之間及內部的物性與能量差異；只有確定煤系“三氣”賦存態差異，才可能優化和創新兼顧吸附氣和游離氣生產特點的共采技術(圖5)。一句話，實現煤系“三氣”共探與共采的基礎是對疊置含氣系統地質問題的深刻理解，對其共生特性及開采地質動態的深入闡釋是指導煤系“三氣”共采工藝優化和技術創新的主線。

圖5　煤系“三氣“及其共生共探共采關系Fig.5　Relationship of symbiosis,co-exploration and co-mining for coalbed methane,shale gas and tight sandstone gas in coal series

在此領域，需要開展3方面地質探索：一是深刻理解煤系“三氣”的共生特性，包括煤系“三氣”疊置成藏的共生規律以及疊置能量系統的可控開采地質條件，探索疊置含氣系統的流體壓力特點和共采兼容特性；二是發展針對煤系“三氣”共生賦存狀態、儲層特點的共探方法，包括地球物理探測和地質-地球化學分析，實現對疊置含氣系統以及產氣來源和貢獻的高分辨識別；三是探討適應于煤系“三氣”共采工藝與技術的地質條件，發展共采優化及地質診斷方法，支撐適應性共采技術的研發。這些研究的最終目的，是建立集產氣系統兼容、改造技術適應、產氣貢獻明確、采氣工藝優化等為一體的煤系“三氣”共采地質技術，為實現高效經濟的勘探開發提供技術支持。

上述研究的核心技術目標是“疊置含氣系統精細描述與共采兼容性地質評價技術”，需要針對如下4方面內容具體展開：

(1)疊置含氣系統關鍵層高分辨識別。以煤系單井剖面沉積旋回結構為基礎，精細分析特定區塊煤系沉積相及其三維空間分布特點，建立煤系層序地層格架。以單井沉積序列及其測井響應為約束，構建疊置含氣系統關鍵層高分辨識別技術，建立關鍵層三維地質模型。分析層序格架對低孔低滲關鍵層發育的控制作用，提取關鍵層物性測井響應信息，建立以關鍵層為約束的煤系儲(產)層組合模型。

(2)疊置含氣系統流體及能量高分辨識別。分析三級層序地層單元框架下的地下水動力場及其富水性特征，提取疊置含氣系統流體壓力的測井響應信息，分析疊置含氣系統之間物質和能量的轉化、傳遞以及再分配過程。以此為基礎，分析疊置含氣系統發育規律，闡釋地下水流場、疊置含氣系統主控地質因素與機制，形成疊置含氣系統富水性及流體壓力的分析與預測技術。

(3)疊置含氣系統共采兼容性定量表征。面向特定區塊開展以含氣系統為單元的儲蓋序列地質建模研究，探討疊置含氣系統共采兼容性的流體驅動機制，建立集關鍵層、儲層含氣性和物性、含氣系統能量等重要信息為一體的共采地質模型。以此為基礎，考察含氣系統之間流體壓力、含氣性、滲透性、巖石力學性質等差異，建立疊置含氣系統共采兼容性與可行性的量化判識指標和方法體系。

(4)疊置含氣系統開發地質單元與開發方式。耦合分析上述3方面地質條件，結合構造、地應力場等特點，分析疊置含氣系統共采地質動態綜合效應，優化產層組合設計，劃分特定區塊煤系“三氣”開發地質單元，并闡明其三維空間分布特點。最終，以最大限度釋放疊置含氣系統產能為目標，以疊置含氣系統共采兼容性為約束條件，提出優化和創新煤系“三氣”共采工藝技術的具體建議。

4結語

我國煤系“三氣”共采和深部煤層氣高效經濟開采，需要創新和發展適應性的共采工藝技術，而“適應性”研究面向的對象是控制疊置含氣系統兼容性的地質條件。對這些特殊地質條件及其作用效應的深刻理解，應該貫穿疊置含氣系統共生、共探與共采的整個過程，核心目標是研發疊置含氣系統精細描述與共采兼容性地質評價技術。為了實現這一目標并推進共采工藝和技術的發展，研究重點在于疊置含氣系統關鍵層高分辨識別、疊置含氣系統流體及能量高分辨識別、疊置含氣系統共采兼容性定量表征以及疊置含氣系統開發地質單元與開發方式等4個方面。

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Joint mining compatibility of superposed gas-bearing systems:A general geological problem for extraction of three natural gases and deep CBM in coal series

QIN Yong,SHEN Jian,SHEN Yu-lin

(KeyLaboratoryofCBMResourcesandReservoirFormationProcess,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)

Abstract:Three gases in coal series,including coalbed methane (CBM),tight sandstone gas and shale gas,are important unconventional gas resources,but their large scale mining has not been realized in China.Six basic geological characteristics of the“three gases”,on the one hand,provide a superior gas source and preservation condition,and,on the other hand,result in outstanding co-mining compatibility,which originates from the superposed coexistence of multiple sets of fluid pressure systems and could not been resolved with conventional measures.Key geological controls of the compatibility among the superposed gas-bearing system (SGS) are represented as the compatibility from the fluid energy difference among the systems and from the difference of the mechanical properties,pore and permeability of various reservoirs inside the system.It is considered that the sequence stratigraphic framework,fluid energy system and rock mechanics properties are three key factors affecting the compatibility.Foundation for the “three gases”co-exploration and co-mining is to understand profoundly the relevant geological controls,and the main approach for the optimization and innovation of co-mining technology is to expound deeply the geological dynamics during the joint mining,which need to take the compatibility as a constraint condition for the full release of the production capacity in SGS.To this end,the future investigation of the compatibility should be focused on some aspects,such as the high-resolution recognition of key strata and fluid energy system,the quantitative characterization of the compatibility,and the geological units and model of the “three gases” development.

Key words:coal series；superposed gas-bearing system；co-mining compatibility；geological principle；future investigation

中圖分類號:P618.11

文獻標志碼:A

文章編號:0253-9993(2016)01-0014-10

作者簡介:秦勇(1957—)，男，重慶人，教授，博士。E-mail:yongqin@cumt.edu.cn

基金項目:國家自然科學基金重點資助項目(41530314,U1361207);國家科技重大專項資助項目(2011ZX05034,2016ZX05066-01-04)

收稿日期:2015-10-15修回日期:2015-11-28責任編輯:韓晉平

秦勇，申建，沈玉林.疊置含氣系統共采兼容性——煤系“三氣”及深部煤層氣開采中的共性地質問題[J].煤炭學報,2016,41(1):14-23.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9032

Qin Yong,Shen Jian,Shen Yulin.Joint mining compatibility of superposed gas-bearing systems:A general geological problem for extraction of three natural gases and deep CBM in coal series[J].Journal of China Coal Society,2016,41(1):14-23.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2015.9032